science-review.ru
Вовлечение в переработку вторичного сырья всегда привлекало практиков цветной и черной металлургии. Большую актуальность это направление приобретает сегодня, когда наблюдается тренд снижения запасов и качества первичного сырья. Наблюдаемые мировые глобальные политические и экономические перекосы вызывают необходимость изыскания новых месторождений и источников сырья для производства ценных металлов. В жестких экономических рамках оказались страны, где отсутствует собственная минерально-сырьевая база, экономика которых полностью была привязана к импорту металлов и сплавов. Понятно, что в таких условиях наращивание темпов роста производства за счет использования вторичного сырья становится весьма привлекательным. В настоящее время многие европейские и ряд развитых стран (США, Япония, Китай и др.) наращивают объемы извлечения драгоценных металлов из различного вида вторичного сырья, включая лом, техногенные отходы и другие источники, содержащие ценные металлы. Особый интерес представляет восполнение драгоценных металлов за счет переработки электронных отходов, к которому в настоящее время привлечено особое внимание государства, общества, ученых и экспертного сообщества [1-3].
Современное состояние мирового образования, сбора и переработки Е-отходов широко освещено в научной литературе [4; 5]. Сложившаяся ситуация касательно Е-отходов в мировой практике подробно изложена в обзорных статьях Baldé C.P. и др. [6; 7]. Авторы на основании большого собранного материала приводят детальный, системный анализ состояния Е-отходов, указывают причины образования и подробно излагают факторы, влияющие на рост их объемов и негативное влияние на окружающую среду.
Подробный обзор литературы по Е-отходам также приведен в работе [8], где были рассчитаны распределения значений для различных образцов электронных отходов. Авторами показано, что основным экономическим драйвером переработки электронных отходов является восстановление драгоценных металлов. В статье освещается современное состояние извлечения драгоценных металлов из электронных отходов методами пиро-, гидро- и биометаллургической переработки.
Всесторонний обзор проблемы электронных отходов, стратегий управления ими и различные физические, химические и металлургические способы переработки электронных отходов, их преимущества и недостатки для достижения более чистого процесса утилизации отходов, приведен в работе [9]. В обзоре описываются потенциальные опасности и экономические возможности электронных отходов. Особое внимание обращено на опасности, возникающие при переработке Е-отходов из-за присутствия тяжелых металлов Hg, Cd, Pb и т.д., бромированных антипиренов и других потенциально вредных веществ в электронных отходах. Авторами акцентировано внимание на том, что из-за присутствия этих веществ электронные отходы обычно считаются опасными отходами, и при неправильном обращении, могут представлять значительный риск для здоровья человека и окружающей среды. Интересным представляется описание текущего состояния и перспективы переработки электронных отходов, вопросов характеристики электронных отходов, методов демонтажа и классификации. Особый интерес представляет обзор в части определения компонентов электронных отходов/печатных плат.
Большой интерес к переработке Е-отходов проявляется и в Российской Федерации. Россия генерирует лишь 3,75% мирового объема электронных отходов, но эта сфера постепенно развивается и становится выгодной. Внедрение эффективных технологий в России сдерживается тем, что крупные металлургические предприятия цветной металлургии нацелены на получение исключительно драгметаллов. Для улучшения экономических показателей предприятий и получения ими максимальной прибыли необходимо внедрять технологии комплексной переработки, направленные на извлечение не только благородных металлов, но и широкого спектра других ценных металлов [10].
Цель работы – проведение сравнительной качественной оценки Е-отходов (ноутбук, смартфоны), которые на сегодняшний день представляют исключительный интерес и могут стать потенциальным источником сырья для восполнения драгоценных и других ценных металлов.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования выбраны Е-отходы, полученные после разборки ноутбуков и смартфонов.
В основу методологии исследований положен рентгенофлуоресцентный метод анализа, позволяющий проводить качественную оценку образцов ноутбуков и смартфонов на наличие в них металлов и неметаллов. Образцы для исследований готовили путем общей разделки и отделения корпусов от внутренних частей. Далее полученные Е-отходы подвергали предварительной сортировке, включающей отделение от основных частей матрицы металлической меди и деталей, с ярко выраженным присутствием чистой меди. После сортировки полученный материал разрезали на мелкие кусочки. Каждый предварительно классифицированный отдельно взятый материал Е-отходов подвергали качественной оценке на содержание в них металлов и неметаллов.
Для качественной оценки использовали рентгенофлуоресцентный спектрометр РПП-12 (Т), (ТОО «АспапГЕО», г. Алматы). Прибор хорошо адаптирован для сортировки и экспресс-анализа сплавов, анализа порошковых и жидких проб (Сертификат РК № 6903). Разработанный в приборе блок возбуждения и детектирования обеспечивает гибкость в выборе площади сбора аналитической информации, высокую светосилу (входная загрузка более 100 кГц) и чувствительность анализа для широкого круга элементов в нижних пределах их обнаружения [11].
Результаты исследования и их обсуждение
Общий вид прибора РПП-12 (Т) представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Общий вид прибора РПП-12 (Т)
Прибор оснащен мощным методическим и программным обеспечением, что позволяет: для учёта матричных эффектов использовать фундаментальные алгоритмы, в том числе и для рассеянного излучения, учитывающие изменение геометрических условий измерения при вариациях вещественного состава и плотности анализируемых образцов; точно определять функцию отклика каждого детектора, а также спектральный состав возбуждающего излучения; очищать спектр от двойных и тройных наложений; восстанавливать спектр вторичного излучения с учётом зависимости относительных интенсивностей характеристических линий от вещественного состава. Это обеспечивает точное нахождение истинных интенсивностей аналитических линий элементов [11].
Основные характеристики прибора [11]
• SDD детектор площадью 25 мм2 с термоохлаждением. Энергетическое разрешение – 140 эВ.
• Малогабаритный рентгеновский излучатель 50 кВ, 4 Вт.
• Цифровой сигнальный процессор с входной интегральной загрузкой более 200 кГц.
• Площадь сбора аналитической информации порядка 4 см2.
• Диапазон определяемых элементов от Al до U в воздушной атмосфере.
• Одновременное определение более 35 элементов.
• Интервал определяемых содержаний от предела обнаружения до 100%.
• Предел обнаружения для большинства элементов – 10-4 % ÷10-3 %.
• Время измерения от 5 сек.
• Полностью автоматизированный режим работы.
• Система самодиагностики.
• Время непрерывной работы прибора без подзарядки аккумуляторов не менее 10 ч.
• Пыле-, влагозащищённый корпус.
• Малые габариты и вес прибора (не более 1,5 кг).
На рисунке 2 представлен общий вид исходных материалов и их состояния после предварительной обработки и подготовки к проведению исследований.
Нетрудно видеть большое количество металлической меди в Е-отходах ноутбука. В смартфоне содержание меди, по сравнению с ноутбуком, менее значительно. Это хорошо согласуется с данными литературы [8; 9]. По существующим технологиям отсортированную медь направляют на переработку на медеплавильные заводы для получения товарной меди, которая сопровождается значительными материальными и энергозатратами, связанными, прежде всего, с проведением ряда последовательных операций (плавка, рафинирование, электролиз). При такой организации технологии возникает необходимость сопряжения рядом с предприятиями по переработке Е-отходов медеплавильных заводов, что сдерживает развитие производства и снижает ее эффективность. Наиболее рациональным представляется использование полученной после разделки и сортировки металлической меди непосредственно в самой общей технологии переработки Е-отходов, например в части плавки материала. При этом медь выполняет функции коллектора для извлечения ряда таких драгоценных металлов, как серебро, платина и палладий. Дальнейшая переработка такой меди повысит экономическую ее привлекательность.
Рис. 2. Общий вид исходных материалов и их состояние после обработки
Рис. 3. Сравнительный анализ общих спектров Е-отходов: ноутбук – линии черного цвета; смартфон – линии синего цвета
На рисунке 3 показаны сравнительные общие спектры Е-отходов: ноутбука и смартфона, в интервале изменения энергии от 21 до 42 кэВ.
В исследованном энергетическом участке ярко выражены пики, характерные для серебра, олова и бария. Линии носят идентичный характер и показывают примерно одинаковое содержание серебра как в ноутбуке, так и в смартфонах. Как видно на рисунке 3, содержание олова и бария в ноутбуке выше, чем в смартфоне. На общем спектре излучение конкретных элементов, присутствующих в исследуемом образце в малых концентрациях, затруднено. Для более детальной качественной оценки наличия других возможных элементов нами было выполнено расширение энергетических участков. Это позволяет по уровню значений энергии идентифицировать наличие в исследуемом образце конкретного металла.
На рисунке 4 показан сравнительный анализ спектров ноутбука и смартфона на расширенном энергетическом участке в интервале изменения энергии от 6 до 13,689 кэВ.
Рис. 4. Сравнительный анализ спектров ноутбука (линии черного цвета) и смартфона (линии синего цвета) на энергетическом участке от 6 до 13,689 кэВ
На рисунке 4 видны ярко выраженные пики, характерные для металлов: Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb. Из драгоценных металлов установлено наличие Au, Ag. Из неметаллов присутствует Br. Содержание цветных металлов, железа и марганца в отходах ноутбука и смартфона примерно одинаково. Содержание золота в ноутбуке намного превышает содержание в смартфоне. Ярко выраженный пик, характерный для брома в ноутбуке, свидетельствует о значительном его наличии в смартфоне.
Полученные результаты свидетельствуют о наличии широкого спектра металлов в отходах ноутбука и смартфона. Из обнаруженных металлов наиболее вредными считаются свинец и бром.
Оценка содержания металлов в проведенных исследованиях носит относительный характер и является лишь качественной оценкой, так как окончательные усредненные содержания металлов в исследуемых образцах могут быть определены только после измельчения исходных образцов и детального изучения их вещественного состава. Тем не менее проведение предварительной качественной оценки очень важно и может быть использовано для выбора известных технологий и/или при разработке новых технологий по переработке конкретных видов Е-отходов. Полученные результаты также могут быть полезны для выбора оптимального состава шихты, включающей различные виды Е-отходов.
Результаты качественной оценки Е-отходов имеют принципиальное значение для выбора и обоснования технологии их переработки с точки зрения экологической ее безопасности. Знание о наличии в отходах токсичных и вредных металлов и неметаллов позволит выбрать оптимальные пути по их обезвреживанию и предотвратить их выбросы в окружающую среду.
Ниже, на основании анализа обширного материала по переработке Е-отходов и полученных в настоящей работе результатов нами сформулирован ряд ключевых моментов, которые представляются наиболее важными для последующего развития технологий, направленных на восполнение драгоценных металлов из Е-отходов.
Выводы
1. Большой интерес к сбору и переработке Е-отходов вызван резким ростом их объемов, истощением запасов первичного сырья и возможностью их использования в качестве потенциального источника сырья для восполнения драгоценных металлов.
2. С технологической точки зрения существующие технологии переработки Е-отходов в основном направлены на извлечение золота. Среди известных технологий преобладает пирометаллургический способ их переработки.
3. Существующие технологии не обеспечивают высокой комплексности использования сырья и сильно завязаны на высокозатратные металлургические производства меди и свинца. Не достаточно четко оптимизированы вопросы сбора, разделки и классификации Е-отходов.
4. Вопросы экологической безопасности технологий по переработке Е-отходов перекрываются экономической целесообразностью получения драгоценных металлов. Ужесточение экологических требований к переработке Е-отходов требует кардинального пересмотра подходов к их переработке и необходимости создания новых, экологически чистых, безотходных технологий.
5. Основным ключевым фактором должна стать предварительная качественная оценка каждого типа Е-отходов, подвергающегося переработке. Это позволит с технологической стороны определить спектр потенциально возможных извлекаемых металлов, а с экологической стороны – наметить пути обезвреживания опасных, вредных токсичных металлов.
6. При правильной организации технологии, обеспечивающей комплексное извлечение ценных металлов, безотходность и экологическую безопасность, переработка Е-отходов может стать ключевым драйвером диверсификации экономики и устойчивого развития малого и среднего бизнеса.