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。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，目前中國每年有1500萬臺左右的彩電空調(diào)等大家電報廢，另有上千萬部手機(jī)被淘汰，電子廢棄物年增長5%～8%。而歐洲電子廢物產(chǎn)生量也以每年3%～5%的速度增長。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。中國大陸每年大量進(jìn)口的廢棄電器及中國大陸報廢電子產(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成分，以及在電子廢棄物中回收有價金屬成為氣流分選的一項(xiàng)重要研究內(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決定分選效率，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。為了探討脈動氣流按密度分選的機(jī)理，利用顆粒高速動態(tài)分析系統(tǒng)，對物料顆粒在脈動氣流分選機(jī)中的運(yùn)動特性進(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算出球體顆粒在空氣中的沉降末速計算。
采用自制2mm×50mm方柱管式脈動氣流分選裝置，如圖1所示。脈動氣流由脈動氣流發(fā)生器產(chǎn)生，脈動氣流發(fā)生器由電機(jī)、變速器、蝶形閥3部分組成，通過電機(jī)帶動蝶形閥不停地轉(zhuǎn)動，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)律性的脈動氣流。脈動氣流變化規(guī)律如圖2所示利用變頻器實(shí)現(xiàn)脈動周期可調(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高速動態(tài)攝像系統(tǒng)拍攝顆粒在脈動氣流分選裝置中的運(yùn)動狀態(tài)，拍攝范圍入料口400～300mm，然后利用專業(yè)NewMovias分析軟件對此高度范圍內(nèi)顆粒的位移、速度、加速度等運(yùn)動特征進(jìn)行分析。高速動態(tài)分析系統(tǒng)的拍攝速度為100幅／s，即每一幅的時間間隔為0.01s。

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

圖3脈動頻率為1.0Hz時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個脈動周期內(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周期基本相同，顆粒A在經(jīng)過多個個脈動周期變化最終上升成為輕產(chǎn)物，由于高速攝像機(jī)拍攝時間的限制未能記錄后期的運(yùn)動狀態(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，變化周期與脈動氣流的周期一致。

從圖3c我們可以發(fā)現(xiàn)兩顆粒在一個周期內(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的加速度絕對值最高達(dá)20.0m／s2，遠(yuǎn)大于顆粒B的加速度最高絕對值11.0m／s2，且在20.0～11.0m／s2范圍內(nèi)，還可以發(fā)現(xiàn)在第1個周期內(nèi)下降時的顆粒B加速度絕對值略大于顆粒A。在一個周期內(nèi)加速度變化波形具有兩個明顯的波峰，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，將脈動氣流的脈動頻率設(shè)為2.0Hz，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，分析此時顆粒運(yùn)動狀態(tài)的變化。
脈動頻率為2.0Hz時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，在脈動氣流的作用下做上下的上下運(yùn)動，在第3個周期開始迅速上升并被帶出分選機(jī)，對此我們認(rèn)為顆粒A在開始2個周期內(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)過幾個周期的運(yùn)動，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，與氣流脈動周期非常一致，為0.5s。

圖4脈動頻率為2.0Hz時塑料顆粒和玻璃顆粒的位移曲線
脈動頻率為2.0Hz時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，周期明顯與脈動氣流變化一致，但周期變化起伏較大，在第3個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，波動不大，但有逐步降低的趨勢，變化周期與脈動氣流變化周期一致，為0.5s。顆粒A的速度絕對值遠(yuǎn)大于顆粒的速度絕對值。

圖5脈動頻率為2.0Hz時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，振動幅度較大，在25～15m／s2之間變化。在一個周期內(nèi)加速度變化波形具有2個明顯的波峰，高峰出現(xiàn)在每個周期的約1／4周期時，低峰出現(xiàn)在約3／4周期時，而波谷在約1／2周期時。此外我們可以發(fā)現(xiàn)顆粒A的變化周期滯后于顆粒B的約半個周期。

圖6脈動頻率為2.0Hz時塑料顆粒和玻璃顆粒的加速度曲線
由于高速攝像機(jī)鏡頭范圍和拍攝時間的限制不能對顆粒運(yùn)動軌跡完全跟蹤，但足以說明2種顆粒的運(yùn)動特性。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，周期與脈動氣流的周期非常一致。在加速度的變化波形中每個周期出現(xiàn)2個波峰，主波峰出現(xiàn)在每個周期的約1／4周期時，次波峰出現(xiàn)在約3／4周期時，而波谷在約1／2周期時。
在脈動氣流中，因?yàn)槊芏炔煌?，顆粒A受到的作用力(上升時為曳力，下降時為阻力)比對顆粒受到的作用力大。當(dāng)氣流帶動顆粒A和B同時上升時，顆粒A受到更顯著的作用，上升得快；而在下降時顆粒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)時出現(xiàn)部分顆粒在管壁懸浮，需多個脈動周期的氣流作用才實(shí)現(xiàn)分離。高速動態(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，因此實(shí)驗(yàn)選擇2～0.5mm粒級的廢棄電路板破碎物料進(jìn)行脈動氣流分選。
根據(jù)脈動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、脈動頻率、給料量等。在此只對氣流速度和脈動頻率兩個因素進(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，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)際影響因素數(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)測精度要求，氣流速度和脈動頻率對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，氣流速度和脈動頻率的交互作用對分選效率也有顯著影響。

在對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，脈動頻率為1.69Hz時分選效率最高，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，周期與脈動氣流的周期一致，在一個周期內(nèi)加速度變化波形具有兩個明顯的特征波峰，主波峰出現(xiàn)在每個周期的約1／4周期時，次波峰出現(xiàn)在約3／4周期時，而波谷在約1／2周期時。
2)脈動氣流對低密度顆粒的作用力顯著，而對高密度顆粒受脈動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、脈動頻率以及兩者的交互作用對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)對脈動氣流分選機(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。