隨著電子電氣產(chǎn)品更新?lián)Q代的加快，使得電子廢棄物產(chǎn)生量快速增長(zhǎng)。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)每年有1500萬臺(tái)左右的彩電空調(diào)等大家電報(bào)廢，另有上千萬部手機(jī)被淘汰，電子廢棄物年增長(zhǎng)5%～8%。而歐洲電子廢物產(chǎn)生量也以每年3%～5%的速度增長(zhǎng)。隨著印刷電路板產(chǎn)量的快速增加，制造過程中產(chǎn)生的邊角廢料的數(shù)量也越來越多。2006年中國(guó)大陸地區(qū)電路板產(chǎn)量達(dá)到l3萬億平方米，而產(chǎn)生的邊角廢料約達(dá)8.1萬t。中國(guó)大陸每年大量進(jìn)口的廢棄電器及中國(guó)大陸報(bào)廢電子產(chǎn)品拆解的廢舊電路板，其總量達(dá)40萬t以上，每年需要處理掉的廢印制電路板在50萬t以上。印刷電路板主要金屬、有機(jī)物和氧化物組成，其中金屬≤50%，氧化物≤35%，有機(jī)物≤25%。從中可見，廢棄電路板具有很高的價(jià)值，其資源化處理也有利于有色金屬資源的循環(huán)利用，而金屬與非金屬材料的分離是電子廢棄物資源化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
近年來，應(yīng)用氣流分選回收城市垃圾中的有價(jià)成分，以及在電子廢棄物中回收有價(jià)金屬成為氣流分選的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，并被成功應(yīng)用于電子廢棄物的粗選。在穩(wěn)定的上升氣流的分選中，被分選物料顆粒各組份的沉降末速?zèng)Q定分選效率，料物顆粒依賴于顆粒的自由沉降末速進(jìn)行分離，而顆粒的沉降末速與顆粒的密度、粒度及形狀等因素有關(guān)。由于等沉顆粒在傳統(tǒng)穩(wěn)定氣流分選裝置中很難得到分選，從而造成物料顆粒在傳統(tǒng)穩(wěn)定氣流分選裝置中分選效果差，分選效率較低。如果在穩(wěn)定氣流分選裝置中加入脈動(dòng)氣流，使顆粒受到氣流周期性的作用力，從而利用加速度特點(diǎn)的不同而不是沉降末速獲得按密度分選。為了探討脈動(dòng)氣流按密度分選的機(jī)理，利用顆粒高速動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)，對(duì)物料顆粒在脈動(dòng)氣流分選機(jī)中的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了分選實(shí)驗(yàn)，以期進(jìn)一步提高電子廢棄物脈動(dòng)氣流分選的效率，達(dá)到資源化目的。
1實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)選用沉降末速相同的玻璃球與塑料球進(jìn)行分析研究，塑料球(顆粒A)：密度1.40g／cm3，直徑6.0mm，自由沉降末速14.46m／s；玻璃球(顆粒B)：密度2.40g／cm3，直徑3.5mm，自由沉降末速14.46m／s。自由沉降末速按牛頓一雷廷智公式計(jì)算出球體顆粒在空氣中的沉降末速計(jì)算。
采用自制2mm×50mm方柱管式脈動(dòng)氣流分選裝置，如圖1所示。脈動(dòng)氣流由脈動(dòng)氣流發(fā)生器產(chǎn)生，脈動(dòng)氣流發(fā)生器由電機(jī)、變速器、蝶形閥3部分組成，通過電機(jī)帶動(dòng)蝶形閥不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣體入口橫截面面積發(fā)生周期性的變化，從而產(chǎn)生規(guī)律性的脈動(dòng)氣流。脈動(dòng)氣流變化規(guī)律如圖2所示利用變頻器實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)周期可調(diào)，最小周期T＝0.43s。實(shí)驗(yàn)顆粒由管子中部的給料裝置給入，利用日本NAC高速動(dòng)態(tài)攝像系統(tǒng)拍攝顆粒在脈動(dòng)氣流分選裝置中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，拍攝范圍入料口400～300mm，然后利用專業(yè)NewMovias分析軟件對(duì)此高度范圍內(nèi)顆粒的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析。高速動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)的拍攝速度為100幅／s，即每一幅的時(shí)間間隔為0.01s。

圖2氣流量的變化規(guī)律
實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)將10對(duì)等沉顆粒給入方柱管式氣流分選機(jī)中，利用顆粒高速動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)拍攝等沉顆粒在脈動(dòng)氣流中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并捕捉其中的單個(gè)塑料球和單個(gè)玻璃球進(jìn)行分析。根據(jù)分選實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)氣流速度在8.9m／s，脈動(dòng)頻率為1.0Hz時(shí)，可以獲得很好的分選效果，脈動(dòng)閥的最高脈動(dòng)頻率為2.3Hz，因此實(shí)驗(yàn)中選擇氣流速度為8.9m／s，脈動(dòng)頻率1.0Hz和2.0Hz這2個(gè)頻率進(jìn)行比較研究。
最后對(duì)2～0.5mm粒級(jí)的電子廢棄物進(jìn)行了分選實(shí)驗(yàn)研究。
2結(jié)果分析
在氣流速度為8.9m／s，脈動(dòng)頻率為1.0Hz時(shí)，對(duì)脈動(dòng)氣流分選裝置的給料處進(jìn)行錄像，選擇一個(gè)塑料顆粒和一個(gè)玻璃顆粒進(jìn)行分析，每隔0.05s取一次點(diǎn)。脈動(dòng)頻率為1.0Hz時(shí)顆粒的位移、速度、加速度變化曲線分別如圖3a～c所示。

圖3脈動(dòng)頻率為1.0Hz時(shí)塑料顆粒和玻璃顆粒的位移、速度和加速度曲線
從圖3a中可以看出，顆粒B在第1個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)上升0.15m后下降，并落人分選裝置底部；顆粒A在上升階段的位移量大于顆粒B的位移量，達(dá)到0.35m，其位移的變化周期與氣流脈動(dòng)周期基本相同，顆粒A在經(jīng)過多個(gè)個(gè)脈動(dòng)周期變化最終上升成為輕產(chǎn)物，由于高速攝像機(jī)拍攝時(shí)間的限制未能記錄后期的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從圖3b可以看出，顆粒B的速度最高達(dá)到0.5m／s，而顆粒A的速度達(dá)到1.0m／s，在1.0～1.80m／s之間周期性變化，變化周期與脈動(dòng)氣流的周期一致。

從圖3c我們可以發(fā)現(xiàn)兩顆粒在一個(gè)周期內(nèi)的加速度變化曲線非常相似，顆粒A的加速度周期變化重復(fù)性非常高。顆粒A的加速度絕對(duì)值最高達(dá)20.0m／s2，遠(yuǎn)大于顆粒B的加速度最高絕對(duì)值11.0m／s2，且在20.0～11.0m／s2范圍內(nèi)，還可以發(fā)現(xiàn)在第1個(gè)周期內(nèi)下降時(shí)的顆粒B加速度絕對(duì)值略大于顆粒A。在一個(gè)周期內(nèi)加速度變化波形具有兩個(gè)明顯的波峰，顆粒A的變化周期略滯后于顆粒B。
同樣在氣流速度為8.9m／s時(shí)，將脈動(dòng)氣流的脈動(dòng)頻率設(shè)為2.0Hz，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，分析此時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。
脈動(dòng)頻率為2.0Hz時(shí)顆粒的位移變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看到顆粒A進(jìn)入分選管后并未直接上升，而是在入料口的下方近壁處懸浮，在脈動(dòng)氣流的作用下做上下的上下運(yùn)動(dòng)，在第3個(gè)周期開始迅速上升并被帶出分選機(jī)，對(duì)此我們認(rèn)為顆粒A在開始2個(gè)周期內(nèi)由于邊壁效應(yīng)造成的。從圖4中可以看出顆粒B首先并未下降，而是在前2個(gè)周期內(nèi)上升達(dá)到0.22m之后才開始逐步下降，經(jīng)過幾個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)，最終作為重產(chǎn)物被分選出。顆粒B的位移變化波形比較規(guī)則，與氣流脈動(dòng)周期非常一致，為0.5s。

圖4脈動(dòng)頻率為2.0Hz時(shí)塑料顆粒和玻璃顆粒的位移曲線
脈動(dòng)頻率為2.0Hz時(shí)顆粒的速度變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看到，顆粒A的速度變化范圍較大，在1.3～1.0m／s之間，周期明顯與脈動(dòng)氣流變化一致，但周期變化起伏較大，在第3個(gè)周期開始速度一直為正值，說明了顆粒A的分離過程。顆粒B的速度變化比較規(guī)則，波動(dòng)不大，但有逐步降低的趨勢(shì)，變化周期與脈動(dòng)氣流變化周期一致，為0.5s。顆粒A的速度絕對(duì)值遠(yuǎn)大于顆粒的速度絕對(duì)值。

圖5脈動(dòng)頻率為2.0Hz時(shí)塑料顆粒和玻璃顆粒的速度曲線
圖6所示為顆粒A和顆粒B的加速度變化曲線，從圖6中可以看出，2個(gè)顆粒的加速度的變化曲線呈規(guī)律的周期性變化，波形非常相似。在周期內(nèi)加速度比較劇烈，振動(dòng)幅度較大，在25～15m／s2之間變化。在一個(gè)周期內(nèi)加速度變化波形具有2個(gè)明顯的波峰，高峰出現(xiàn)在每個(gè)周期的約1／4周期時(shí)，低峰出現(xiàn)在約3／4周期時(shí)，而波谷在約1／2周期時(shí)。此外我們可以發(fā)現(xiàn)顆粒A的變化周期滯后于顆粒B的約半個(gè)周期。

圖6脈動(dòng)頻率為2.0Hz時(shí)塑料顆粒和玻璃顆粒的加速度曲線
由于高速攝像機(jī)鏡頭范圍和拍攝時(shí)間的限制不能對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡完全跟蹤，但足以說明2種顆粒的運(yùn)動(dòng)特性。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析過程中發(fā)現(xiàn)，顆粒A和B的位移、速度、加速度都呈現(xiàn)明顯的周期性變化，周期與脈動(dòng)氣流的周期非常一致。在加速度的變化波形中每個(gè)周期出現(xiàn)2個(gè)波峰，主波峰出現(xiàn)在每個(gè)周期的約1／4周期時(shí)，次波峰出現(xiàn)在約3／4周期時(shí)，而波谷在約1／2周期時(shí)。
在脈動(dòng)氣流中，因?yàn)槊芏炔煌?，顆粒A受到的作用力(上升時(shí)為曳力，下降時(shí)為阻力)比對(duì)顆粒受到的作用力大。當(dāng)氣流帶動(dòng)顆粒A和B同時(shí)上升時(shí)，顆粒A受到更顯著的作用，上升得快；而在下降時(shí)顆粒A受到氣流的阻力更顯著，下降得慢由于多數(shù)顆粒是受到脈動(dòng)氣流的持續(xù)作用，逐步累積實(shí)現(xiàn)分選，因此選擇合理的脈動(dòng)頻率有利于提高物料的分離速度，從而避免物料在分選管內(nèi)的集聚。此外在實(shí)驗(yàn)過程中，由于采用的脈動(dòng)氣流分選裝置橫截面積較小，邊壁效應(yīng)影響較大，實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)部分顆粒在管壁懸浮，需多個(gè)脈動(dòng)周期的氣流作用才實(shí)現(xiàn)分離。高速動(dòng)態(tài)分選實(shí)驗(yàn)證明利用加速度特點(diǎn)的不同可以實(shí)現(xiàn)等沉顆粒按密度分選。
3電子廢棄物的分選
實(shí)驗(yàn)使用的廢棄電路板主要來自廢棄電腦主板，拆除含汞電容后采用剪切式破碎機(jī)和錘式破碎機(jī)(排料口篩網(wǎng)孔徑為2.0mm)兩級(jí)破碎。電路板上的元器件以及插腳與基板的結(jié)合度是較低的，很容易實(shí)現(xiàn)材料的分離，在<2mm粒級(jí)已完全解離；而基板里的銅箔層通過膠粘劑與基板結(jié)合緊密，不容易實(shí)現(xiàn)材料分離，但在<2mm粒級(jí)也已基本解離。破碎物料的顆粒越小，金屬解離度越大，解離情況越好，有利于金屬和非金屬材料的分離。各粒級(jí)金屬品位基本上隨著粒度的減小而降低，72.77％的金屬主要分布在2～0．5mm粒級(jí)，因此實(shí)驗(yàn)選擇2～0.5mm粒級(jí)的廢棄電路板破碎物料進(jìn)行脈動(dòng)氣流分選。
根據(jù)脈動(dòng)氣流分選的工作原理和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定影響分選的主要因素有氣流速度、脈動(dòng)頻率、給料量等。在此只對(duì)氣流速度和脈動(dòng)頻率兩個(gè)因素進(jìn)行研究，分選柱的大小固定，給料采用批量給料，給料量為100g／次。實(shí)驗(yàn)采用Design-Expert6.0軟件中的ResponseSurface模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用了2因素6水平正交實(shí)驗(yàn)，共36組實(shí)驗(yàn)，表1為正交實(shí)驗(yàn)條件及水平。
表1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本信息表

根據(jù)試驗(yàn)得到的36組數(shù)據(jù)，建立了分選效率和各因素變量之間關(guān)系的二次方模型，以實(shí)際影響因素?cái)?shù)值表示的分選效率模型如下。

式中：A代表氣流速度，取值范圍是4.0～9.6m／s；B代表脈動(dòng)頻率，取值范圍是0.75～2.0Hz。表2～4為所建立的二次方模型的方差分析和置信度分析。從模型的擬合結(jié)果來看，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.50，能滿足預(yù)測(cè)精度要求，氣流速度和脈動(dòng)頻率對(duì)2.0～0.5mm廢棄電路板破碎物料的分選效率有顯著影響。從不同操作因素之間的交互作用的影響看，氣流速度和脈動(dòng)頻率的交互作用對(duì)分選效率也有顯著影響。

在對(duì)2.0～0.5mm廢棄電路板破碎物料的分選效率進(jìn)行分析和因素模型擬合的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用Design-Expert6.0對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)氣流速度為6.2m／s，脈動(dòng)頻率為1.69Hz時(shí)分選效率最高，達(dá)89.97％。
4結(jié)論
1)顆粒位移、速度、加速度都呈現(xiàn)明顯的周期性變化，周期與脈動(dòng)氣流的周期一致，在一個(gè)周期內(nèi)加速度變化波形具有兩個(gè)明顯的特征波峰，主波峰出現(xiàn)在每個(gè)周期的約1／4周期時(shí)，次波峰出現(xiàn)在約3／4周期時(shí)，而波谷在約1／2周期時(shí)。
2)脈動(dòng)氣流對(duì)低密度顆粒的作用力顯著，而對(duì)高密度顆粒受脈動(dòng)氣流的作用力不顯著，從而增強(qiáng)顆粒按密度分離的效果，通過周期性的累積效應(yīng)使等沉顆粒得以按密度分離。
3)氣流速度、脈動(dòng)頻率以及兩者的交互作用對(duì)2.0～0.5mm廢棄電路板破碎物料的分選效率有顯著影響。經(jīng)對(duì)脈動(dòng)氣流分選機(jī)操作參數(shù)優(yōu)化后分選效率達(dá)89.97％，達(dá)到了金屬富集的目的。