Zgazowanie parą wodną elementów odpadów płyt obwodów drukowanych w warunkach laboratoryjnych

Abstract

Recykling odpadów zużytego sprzętu elektrycznego i elektronicznego oraz sama problematyka związana z racjonalnym gospodarowaniem tymi odpadami jest ostatnio jednym z ważniejszych tematów w dziedzinie gospodarki odpadami. Zainteresowanie tym tematem, zarówno od strony prawnej jak i technologicznej, wynika z faktu, iż w ciągu ostatnich kilku lat strumień tych odpadów stale się zwiększa. Szacunkowo w Europie powstaje około 6 milionów ton „złomu elektronicznego” rocznie [3], z czego około 3% to płyty obwodów drukowanych [1]. Płyty ze względu na swój skład materiałowy stanowią jedną z ciekawszych podgrup należących do strumienia omawianych odpadów. W Europie od jakiegoś czasu prowadzi się procesy odzysku metali z odpadów elektronicznych, są to głownie procesy pirometalurgiczne. Przedstawione w artykule badania dotyczące przetwarzania płyt obwodów drukowanych prowadzone są metodą zgazowania parą wodną – metodą alternatywną do procesów już stosowanych. W pracy opisano podstawy procesu zgazowania, przedstawiono aparaturę i przebieg doświadczenia oraz wykonano zestawienie wyników jednej z przeprowadzonych prób.
Autor: Marta Skrzypacz

1. Przygotowanie doświadczenia

1.1. Skład materiałowy płyt obwodów drukowanych

Skład materiałowy płyt obwodów drukowanych różni się w zależności od przeznaczenia płyt. Materiały wykorzystywane do ich wytwarzania możemy podzielić na trzy grupy:

• Materiały organiczne – głównie tworzywa sztuczne z dodatkami papieru oraz związków zmniejszających palność – około 30 % wag.
• Materiały ceramiczne – krzem, aluminium, tlenki ziem alkalicznych – około 30 % wag.
• Metale – głównie miedź, żelazo, ołów, metale szlachetne – około 40 % wag.

 1.2. PODSTAWY PROCESU ZGAZOWANIA

Wysokotemperaturowe zagazowanie parą wodną jest procesem, w którym węgiel z fazy stałej przeprowadzony jest do fazy gazowej bez użycia tlenu, z wykorzystaniem pary wodnej. Istota doświadczenia polega na przekształceniu tworzyw sztucznych, wchodzących w skład płyty, w produkty gazowe oraz uzyskaniu w fazie stałej frakcji mineralnej oraz metali. Ogólnie reakcje zgazowania materiału organicznego można zapisać równaniem:

Eksperyment prowadzono w układzie obejmującym: kosz grzejny, kolbę o pojemności 500 cm3 (źródło pary wodnej), reaktor kwarcowy umieszczony w rurowym piecu elektrycznym, chłodnicę oraz odbieralnik. W układzie zastosowano dwie termopary. Pierwsza termopara umieszczona została bezpośrednio w złożu, druga termopara (termopara sterująca) umieszczona została przy ściance pieca. Końce obu termopar znajdowały się na tej samej wysokości. Konstrukcja wsparta została na stelażu. Parametrami zmiennymi procesu były: temperatura oraz ilość pary wodnej doprowadzanej do układu.

Zasada działania układu: kosz grzejny podgrzewa wodę umieszczoną w kolbie. W momencie osiągnięcia przez wodę temperatury wrzenia układ zaczyna generować parę wodną. Wytworzona para przechodzi przez złoże reagując z materiałem umieszczonym w reaktorze kwarcowym. Para wodna wraz z niektórymi gazowymi produktami reakcji skrapla się w chłodnicy i trafia do odbieralnika. Gazy, które nie zostały skroplone odprowadzane są z układu.

Rys. 1. Schemat aparatury doświadczalnej: 1 – kosz grzejny; 2 – kolba o pojemności 500 cm3 (źródło pary wodnej); 3 – termopara w złożu; 4 – rurowy piec elektryczny; 5 – reaktor kwarcowy; 6 – termopara sterująca; 7 – chłodnica; 8 – odbieralnik.

1.4. Parametrny procesu oraz przebieg doświadczenia

Materiałem wykorzystanym w doświadczeniu była płyta wielowarstwowa, rozdrobniona do kawałków o wielkości około 0,5 cm. Masa wsadu wynosiła 37,79 g.

 
Rys. 2. Rozdrobniona płyta – materiał wykorzystany w doświadczeniu. Reaktor kwarcowy wypełniono materiałem na całej długości pieca. Ustalono narost temperatury równy 20 °C/min. Ustalono temperaturę końcową procesu 1173 K (900°C) oraz czas trwania procesu równy 2 godziny 25 minut.

 

Rys. 3. Wykres temperatur w trakcie prowadzenia procesu: kolor czarny – temperatura pieca, kolor szary – temperatura złoża.

Fazy procesu omówione w tekście oznaczono na wykresie cyframi. Przebieg doświadczenia: po umieszczeniu materiału w reaktorze kwarcowym oraz szczelnym zamknięciu całego układu włączono ogrzewanie kosza grzejnego. W chwili osiągnięcia przez wodę temperatury wrzenia włączono zasilanie pieca (punkt 1 na wykresie). W złożu, w wyniku podgrzania go przepływającą parą wodną, nastąpił wzrost temperatury do 373 K. W tym momencie zmniejszono ilość dostarczanej do złoża pary wodnej. Złoże utrzymywało tą temperaturę przez kilka minut. Para wodna krążyła wtedy w układzie pomiędzy kolbą a reaktorem kwarcowym. Wraz ze wzrostem temperatury reaktora część pary wodnej przechodziła do chłodnicy, gdzie się skraplała, część natomiast kondensowała w górnej część reaktora spływając do niego. Powodowało to wychładzanie złoża. Temperatura pieca narastała liniowo. W momencie osiągnięcia przez piec temperatury 523 K temperatura w złożu przekroczyła 380 K i zaczęła narastać (punkt 2 na wykresie). W przedziale pomiędzy punktami 2 i 3 temperatura złoża narastała liniowo od 380 K do 623 K. Na tym etapie w układzie nie zaobserwowano żadnych zmian. Z chwilą przekroczenia przez temperaturę złoża 623 K (punkt 3 na wykresie) z reaktora zaczęły intensywnie ulatniać się białe gazy, pojawiło się dużo ciężkiej mgły oraz żółte, gęste oleje, które kondensowały w chłodnicy. Gaz zbierany na końcu układu wykazywał właściwości palne. Produkty te można było obserwować w układzie do chwili osiągnięcia przez złoże temperatury około 820 K (punkt 4 na wykresie). Po jej przekroczeniu proces zaczął biec mniej gwałtownie, w układzie pojawiły się ciemne oleje, nadal utrzymywała się ciężka mgła, z układu w dalszym ciągu ulatniał się gaz palny. Po upływie 57 minut temperatura złoża osiągnęła założoną temperaturę (punkt 5 na wykresie). Pomiędzy punktami 5 i 6 obserwowano stabilizację układu. Temperatura w złożu utrzymywała się w granicach 1180 K ±5 K. Na tym etapie w szyjce nad reaktorem pojawił się filetowy nalot. W chłodnicy pojawiła się ciężka i brunatna mgła oraz wytrącił się biało-żółty osad. Mgła nabrała koloru miedzianego. Gazy nadal intensywnie ulatniały się z układu. W fazie końcowej (pomiędzy punktami 6 i 7) nie obserwowano żadnych emisji, gaz palny przestał się ulatniać. Po upływie 2 godzin i 24 minut trwania eksperymentu układ wyłączono.