Жизненный цикл промышленных изделий. Этап утилизации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 «Сибирский  государственный аэрокосмический  университет

имени академика М.Ф. Решетнева»

(СибГАУ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Жизненный цикл промышленных изделий.

Этап утилизации.

 

 

 

 

Направление подготовки: 230100 Информатика и вычислительная техника

 

Магистерская программа: 230100.68-04 Микропроцессорные системы

 

Степень: магистр

 

Форма обучения: очная

 

Кафедра: Информационно-управляющих систем

 

Выполнил: Фомин В.Ю., МИП12-01

 

Проверил: Суворов А.Г.

 

 

 

 

 

Красноярск 2013 г.

 

Оглавление

 

 

В последние годы растет озабоченность по поводу все увеличивающегося объема изделий электроники, исчерпавших свой физический и моральный ресурс, а также по поводу того факта, что большая его часть отправляется на мусорные свалки без попытки утилизации содержащихся в них материалов.

В 1996 году Федерация промышленности печатных плат Великобритании сформировала Рабочую группу (Printed Circuit Industry Federation (PCIF)) по вопросам охраны окружающей среды, которая поставила перед собой задачу помочь электронной промышленности Великобритании свести к минимуму отходы производства и сделать рентабельной переработку этих отходов. Ее деятельность была в основном направлена на экологические аспекты, а именно на оказание помощи в решении вопросов, связанных с охраной окружающей среды. Рабочая группа (PCIF) провела обзорное исследование экологически рациональных технологий в производстве электроники, с которыми знакомит эта публикация.

В Великобритании ежегодно образуется до 50 000 т отходов плат. В настоящее время только 15% от этого объема подвергается какому–либо виду утилизации. Остальные 85% выбрасываются на мусорную свалку. Сейчас утилизации подвергается только та часть отходов производства электроники, которая обладает заметной ценностью из–за содержания в них драгоценных металлов. В связи с оказываемым давлением по поводу утилизации большего объема продукции, исчерпавшей свой ресурс, возникла острая необходимость в разработке и внедрении методов утилизации отходов, позволяющих повторно использовать большее количество материалов и компонентов.

Обзор существующего положения

В состав утилизированных отходов входят только те платы, которые содержат драгоценные металлы. В современном понимании утилизация отходов представляет собой восстановление ценных материалов путем плавления металлического содержимого, при этом большинство плат подвергаются очистке на одном из следующих предприятий: Union Menieur (Бельгия), Boliden (Швеция), Noranda (Канада). На территории Великобритании отходы электроники принимаются фирмами Johnson Matthey и Engelhard для переплавки в плавильных печах. Однако стоимость этого процесса такова, что в переработку поступают только платы с очень высоким содержанием драгоценных металлов. Платы, поступающие на переплавку, все без исключения подвергаются обогащению посредством измельчения, а также магнитной и другой дополнительной классификации.

Часть отходов, для захоронения которых могла бы понадобиться мусорная свалка, отправляются в Китай для разборки и пиролиза.

Повторное использование отходов

Платы с печатными схемами имеют примерный состав материалов, представленный в таблице 1.

 

Таблица 1. Примерный состав материалов плат

Стеклополимер	70%
Медь	16%
Припой	4%
Железо, феррит (от сердечников трансформаторов)	3%
Никель	2%
Серебро	0,05%
Золото	0,03%
Палладий	0,01%
Прочие (висмут, сурьма, тантал и т. д.)	<0,01%

Обычно при утилизации используют следующие технологические маршруты:

• повторное использование компонентов путем их демонтажа;
• восстановление материалов посредством их механической переработки, пирометаллургии, гидрометаллургии или сочетания этих технологий.

Бракованные платы, отправляемые в плавильную печь, редко подвергаются какой–либо форме обогащения. Производятся только выборочный демонтаж, сортировка и измельчение демонтированных плат. Компании, занимающиеся утилизацией отходов электроники, довольно часто теряют примерно 10% драгоценных металлов, даже применяя процессы флотационного разделения. Потери при переработке плат, содержащих драгоценные металлы в компонентах, составляют примерно 35%. Известно, что драгоценные металлы в основном присутствуют на выводах компонентов и на контактных площадках плат.

В США и в Европе существуют специальные рынки, где продаются демонтированные и восстановленные компоненты плат. Они поступают на рынок с производств, где используют робототехнические системы, обеспечивающие возможность идентификации и демонтажа только тех компонентов, которых недостает на складе. Однако приходится считаться с тем, что быстрое обновление элементной базы и относительно низкая стоимость новых компонентов приведут к серьезному ограничению повторного использования демонтированных компонентов неопределенной давности.

Пиролитическая обработка обычно включает сжигание и плавление размельченного сырья при температуре примерно 1200 °C. Для этого требуется небольшое количество мазута, так как бóльшая часть энергии обеспечивается за счет сгорания органических компонентов. При этой температуре сгорают органические составляющие отходов, а образующиеся дымы направляются в камеру дожигания, где они теряют свою токсичность при температуре 1400 °C. Остающийся от сжигания конгломерат называется «черным металлом». Он, как правило, представляет собой продукт, богатый медью. Последующая электролитическая очистка и химическая обработка анодного осадка отделяет медь и другие компоненты от драгоценных металлов.

Новые технологии позволяют не сжигать, а перерабатывать пустые платы в изделия. Например, фирма FUBA (Германия) перевела на коммерческую основу выделение от 92% до 95% металлов из отходов пустых печатных плат за счет использования механических и гидрометаллургических методов разделения (рис. 1). Они включают измельчение, гранулирование, магнитное разделение, классификацию и электростатическое разделение. Совокупность композиций, получаемая от этой обработки, нашла свое применение в изготовлении изделий, имеющих в своем составе большое количество стекловолокна, а также в качестве наполнителей в производстве строительных материалов. Особенно успешным оказалось применение стеклополимерных композиций для производства емкостей и поддонов, стойких к химическому воздействию, по технологии, разработанной фирмой FUBA. Металлические составляющие отходов печатных плат (в основном медь) растворяются в таких выщелачивателях, как серная и азотная кислоты, с последующим электролитическим восстановлением меди.

Рис. 1. Последовательность переработки отходов печатных плат

Первичными источниками отходов являются производители комплексного оборудования (OEM), производители печатных плат, конечные пользователи (корпоративные или индивидуальные) и фирмы, ведущие демонтаж оборудования. Из этих источников продукция поступает непосредственно к тем, кто занимается утилизацией, для проведения операций по специальному восстановлению, или опосредованно к тем, кто занимается повторным использованием через подрядчиков по сбору (удалению) отходов. Демонтаж компонентов происходит, как правило, вручную и осуществляется как OEM с целью их перепродажи или повторного использования компонентов в сети поставок, так и фирмами, занимающимися повторным использованием. Такой фактор, как стоимость, делает ручной демонтаж уместным только при наличии элементов относительно высокой ценности.

Бракованные печатные платы обычно сортируют по трем категориям, которые отражают количество содержащихся в них драгоценных металлов. Это следующие категории: H — отходы с высоким содержанием драгоценных металлов, M — отходы со средним содержанием и L — отходы с низким содержанием драгметаллов.

• К категории с низким содержанием драгоценных металлов относятся телевизионные платы и блоки питания, тяжелые трансформаторы с ферритовыми сердечниками и большие алюминиевые теплоотводы; обрезки ламината тоже считаются материалом с низким содержанием драгметаллов.
• К отходам средней категории относится высоконадежное оборудование с содержанием драгметаллов в разъемах с небольшим количеством установленных компонентов, таких как алюминиевые конденсаторы и т. п.
• К материалам высокой категории отходов относятся дискретные компоненты; интегральные схемы, содержащие золото; устройства оптоэлектроники; платы с содержанием драгоценных металлов; платы с золочеными и палладированными контактами и др.

Эта классификация по существу отражает присущее отходам содержание драгоценных металлов, но даже отходы низкой категории имеют небольшое содержание драгоценных металлов. Существует возможность перевода таких материалов из низкой категории в среднюю путем выборочного ручного демонтажа компонентов, совсем не содержащих никаких драгметаллов.

Необходимо отметить, что бракованные платы с компонентами по большей части вывозятся в Китай для повторного использования. В настоящее время в Европе тонна отходов электроники стоит от 1000 до 5000 евро в зависимости от их категории. Недавно страны Европейского Союза подписали Базельскую конвенцию, которая налагает строгий запрет на экспорт всех опасных отходов из экономически развитых стран в бедные страны под любым предлогом, включая и их рециркуляцию. Однако отходы плат не попадают под определение опасных отходов, если в них содержится не более 3% свинца. Если допустить, что другие особо опасные элементы, такие как ртуть и кадмий, отсутствуют, то уровень свинца в отходах печатных плат с печатными схемами обычно составляет около 2%. Поэтому считается, что большая часть отходов плат выходит за рамки ограничений, установленных Базельской конвенцией. Тем не менее Базельская конвенция призывает все страны снизить уровень вывоза отходов до минимума и решать проблемы своих отходов в пределах национальных границ настолько, насколько это возможно.

Экономические аспекты повторного использования отходов

Оценить экономические факторы, заставляющие повторно использовать бракованные платы, можно по таблице 2, в которой представлена примерная действительная стоимость типичных отходов электроники.

Таблица 2. Примерная действительная стоимость 
типичных отходов электроники

Компонент	Вес, %	Стоимость, £ за 1 кг	Действительная стоимость, £ за 1 кг	Действительная стоимость, %	Стоимость после переплавки в печи, %
Золото	0,025	6500	1,63	59,4	98
Палладий	0,01	8000	0,8	29,2	92
Серебро	0,1	70	0,07		95
Медь	16	0,8	0,13		96
Олово	3	3	0,01
Свинец	2	0,3	0
Никель	1	5	0,05
Алюминий	5	0,9	0,05
Железо	5	0,1	0
Цинк	1	0,8	0
Всего			2,74

Основные показатели этой разбивки, касательно стоимости, следующие:

• примерно 90% действительной стоимости отходов плат заложено в содержании золота и палладия;
• коммерческие операции по переплавке обычно обходятся в 92–98% от стоимости драгоценных металлов;
• основная плата, взимаемая коммерческими фирмами за переплавку в печи, составляет порядка £400–1000 за тонну, включая сбор и перевозку отходов.

Понятно, что отходы электроники, содержащие драгоценных металлов меньше такого уровня и относящиеся к низкой категории, обрабатывать плавлением экономически невыгодно.

Методы разделения и выделения продуктов

Все существующие и потенциальные подходы к обработке твердых отходов подразумевают механические и механико–гидрометаллургические методы. Вследствие самой природы отходов гидрометаллургической обработке предшествует механическое измельчение и сепарация. Основным преимуществом систем механической очистки является сухой режим работы без использования каких–либо химических веществ, в то время как применение мокрых процессов с использованием химикатов создает опасность для окружающей среды. Необходимо отметить, что гидрометаллургический подход представляет собой хорошую альтернативу переплавке отходов, а также дает возможность получить более высокий выход восстановленных металлов.

Характерные особенности отходов печатных плат

Отходы печатных плат (ПП) отличаются значительной разнородностью и довольно большой сложностью состава, хотя уровень разнородности отходов плат с компонентами несколько выше. Материалы ПП отличаются особым разнообразием, при этом количество драгоценных металлов, присутствующих в осажденных покрытиях различной толщины, соединенных с медью, припоями, сплавами различного состава, из цветных и черных металлов, относительно невелико. Кроме присущих бракованным ПП неоднородности и сложности состава, имеется также слишком много различий в физических и химических свойствах большого количества материалов и компонентов, присутствующих в них. Поэтому общий подход к утилизации этих материалов, при котором все они разделяются на отдельные фракции, невозможен. Далее приводятся особенности составляющих ПП, которые, в конечном счете, определяют их механическое и гидрометаллургическое разделение.

Различия в плотности

В основе методов разделения материалов, присутствующих в бракованных ПП, лежит использование различия их плотности. Удельный вес типичных материалов представлен в таблице 3.