Переробка електронних карток - огляд сучасного рівня техніки
1 Друкована плата (або друкована плата) - це опора для електричного підключення набору електронних компонентів для створення електронної схеми. Друкована схема складається з мілле-фейла з тонких шарів міді, розділених ізоляційним матеріалом (зазвичай епоксидною смолою, армованою скляними волокнами та антипіреном додаванням сполук органоброміну та триоксиду сурми).
2 Ці шари міді протруюють хімічним вилуговуванням для отримання набору доріжок, закінчених гранулами. Потім ці прокладки перфорують, встановлюючи електричний зв’язок між компонентами, припаяними до друкованої схеми, або між різними шарами міді, накладеними та ізольованими один від одного. Дуже тонкий шар паладію (стратегічний платиноїдний метал) осідає в отворах, щоб уникнути окислення, а тонкий шар золота також наноситься на (мідні) частини картки, які будуть служити контактами під час його встановлення в електронному обладнанні для чого вона призначена.
3 На цьому етапі електронна картка, отже, містить скляні волокна, мідь, епоксидну смолу, сліди паладію та золота, брому та сурми.
4 Електронні компоненти потім зварюються за допомогою «виступів» у отворах електронної плати сплавом на основі олова. Звичайна пайка проводилася свинцево-олов'яним сплавом, який сьогодні теоретично повинен бути замінений сплавами олово-срібло-мідь, щоб відповідати Європейській директиві 2002/95/EC (RoHS) про заборону використання свинцю.
5 Електронні компоненти електронної картки, таким чином, охоплюють широкий спектр металів: алюміній (у радіаторах), залізо та мідь (у трансформаторах), нержавіюча сталь (у з’єднувальних елементах), паладій та тантал (у конденсаторах), золото (у мікропроцесорах та в поверхневих відкладеннях з'єднань), нікелю (в резисторах) тощо. Крім того, термоформаційні пластмаси, смоли, лаки, хімічні електроліти та кераміка доповнюють цей дуже великий запас.
6 На електронній платі вага компонентів часто перевищує вагу друкованої плати. В даний час електронна дошка містить близько 40% смоли та пластику, 30% скловолокна + кераміка та 30% металів.
7Карта закріплена механічно і підключена до електричної проводки відповідного пристрою (на плоскому екрані є кілька сотень гвинтів!).
8Оскільки електронні пристрої, як правило, не призначені для ремонту, їх важко демонтувати (як щодо I-pad, в якому застрягла літієва батарея і, отже, майже невіддільна від алюмінієвої оболонки?).
9Вага електронних плат в обладнанні значно варіюється. Це може становити 10% ваги плоского екрану, але іноді це менше 0,1% ваги білого пристрою. Сучасна машина (із середньою вагою близько 1,2 тонни) містить майже 10 кілограмів електронних карток.
10 Демонтаж, як правило, складається з операції дроблення або навіть простого демонтажу з наступною сортуванням, після чого металобрухт, алюміній, пластмаси, батареї та електронні картки відокремлюються. Однак операція не є досконалою: частина карт втрачається, а ті, що відновлені, можуть бути забруднені частинами початкового пристрою (зокрема, пластмасою), а іноді навіть сторонніми тілами.
11На цьому етапі хімічний склад карток дуже складний і дуже мінливий.
12Тому металургійна обробка електронних карток дуже складна. Сучасні технології вирішують цю проблему лише частково. Вони демонструють недостатню віддачу металу і в деяких випадках можуть мати негативний вплив на навколишнє середовище. Основною причиною такої ситуації є склад електронних карток, зокрема наявність у них:
- пластмаси та смоли (дуже клопітно при використанні пірометалургійних печей),
- скляні волокна та алюміній (які ускладнюють плавлення шлаку),
- галогени (сильно окислюються і мають тенденцію утворювати солі металів, поєднуючись з металами, які ви хочете видобути), такі як бром і хлор,
- різних металургійних металів-антагоністів.
13Заманливо намагатися подолати труднощі, пов’язані з органічними речовинами та скляними волокнами. Послідовне подрібнення та розділення щільності дозволяють відновити поліметалеву фракцію.
14 Гравці Південно-Східної Азії встановлюють потужності для забезпечення такого виду лікування. Основна причина - регулятивна. Дійсно, вивезення цих матеріалів заборонено, якщо попередня обробка не була проведена заздалегідь.
15Але ця дуже економічна технологія обмежена недостатнім вилученням металів (близько 80%) та утворенням забруднюючих кінцевих відходів (легкої фракції), в яких концентруються фенольні смоли, бромовані та хлоровані пластмаси, електроліти та ін. металів. Потім металеву фракцію можна легше обробити, хоча вона все ще супроводжується смолою та пластмасою (але зі швидкістю менше 10%). Шліфувальні машини та пристрої для гравіметричного розділення, специфічні для електронних плат китайського виробництва, навіть продаються в Інтернеті. !
16Механічне розділення, успадковане від гірничих технологій, є предметом багатьох досліджень. Шліфуючи матеріал більш тонко (менше 100 мкм), щоб звільнити метали від епоксидної смоли, поліпшується вміст металу (який потім досягає 90%).
17 Обробка залишків світла є ключовою екологічною проблемою. Їх відновлення енергії та відновлення дистиляцією брому можуть бути можливими рішеннями.
18У Франції компанія Bigarren Bizzi проводить науково-дослідний проект на цю тему.
19У Німеччині компанія Adamec інвестувала 15 млн. Євро (у 2010 р.) У завод, що дозволив цей вид відновлення, але діяльність якого закінчилася лише через три роки. Дійсно, кількість поліхлорованих біфенілів, що містяться у легкій фракції WEEE, було несумісним з європейськими стандартами щодо звалища та/або спалення.
20Нарешті, кілька китайських майстерень в даний час використовують цю технологію, не зазнаючи набагато жорсткіших екологічних обмежень, що панують у західному світі.
21Щоб подолати антагоністичну природу металів, сортування електронних компонентів може виявитися перспективним. Принцип полягає в тому, щоб розпаяти компоненти, а потім відсортувати їх. Це можна зробити вручну, зануривши картку у ванну з розплавленим свинцем і сильно струсивши її! Ця операція проводиться в Китаї. Потім компоненти сортуються вручну (що вимагає певного терпіння)! Ось як танталові конденсатори збирають у Гонконзі перед тим, як відправити їх до Австралії на переробку.
22Звернення до гідрометалургії для розчинення зварних швів є більш складним. Кілька проектів побачили світ, але не ведучи до індустріалізації (див. Параграф про гідрометалургію нижче).
23 Оптичні методи сортування були розглянуті, але ніколи не застосовувались.
24 Піроліз полягає у руйнуванні пластмас та смол шляхом випаровування та термічного крекінгу утворених парів. Перевага полягає в отриманні поліметалічної сировини, яку набагато легше переробляти в мідних плавильниках, без втрати металів або виробництва остаточних відходів. Гази виробляються в невеликих кількостях і тому їх легко переробити. Тому піроліз є засобом, що покращує ефективність роботи плавильників міді.
25Terra Nova розробила цей процес, встановивши в 2010 році очисний пристрій потужністю 30 кт/рік на півночі Франції для інвестицій менше 20 мільйонів євро. Процес проводиться при температурі 500 ° С, що запобігає плавленню металів і скловолокна.
26Піроліз, таким чином, поважає скляні волокна, але, незважаючи на численні дослідницькі зусилля, компанії Terra Nova ніколи не вдалося задовільно відокремити скловолокно від металів.
27 У 2014 та 2015 роках компанії LS (у Кореї) та GEM (у Китаї) були обладнані піролізними печами за технологією, натхненною прийнятою Terra Nova.
28 Боліден (у Швеції) зупинився на піролізі при високій температурі (1150 ° C). Реакція в цьому випадку дуже бурхлива і може призвести до нестабільності в процесі. Цей шлях також утворює дуже пастоподібний шлак, який не дозволяє добре відокремитися. Ця низька якість шлаку обумовлена хімічним складом скляних волокон та наявністю алюмінію. Було зроблено інвестицій у розмірі 140 млн. Євро для очисної потужності 70 000 тонн WEEE на рік.
29В якості альтернативи піролізу, сольволіз не вивчався дуже багато. На сьогоднішній день єдина довідкова інформація, захищена в Університеті Діжона, про яку нам відомо. Складність цього процесу полягає в контролі над рідинними стоками.
30Компанія Panasonic розробила оригінальну технологію піролізу, засновану на використанні гранул діоксиду титану, нагрітих до 500 ° C. Картки занурені в ці нагріті гранули і перемішуються лезами. Оскільки діоксид титану є каталізатором окислення, залишкового вуглецю немає. Картка, яка таким чином звільняється від пластмас та смол, відокремлюється від діоксиду титану просіванням. Установка, здатна переробляти 500 тонн на рік, була побудована в 2010 році. Але на цьому етапі процес є економічно недоцільним через велику витрату діоксиду титану (дорогий продукт).
31 Проект водопідготовки у надкритичному стані (тиск 250 бар і температура 600 ° C) в даний час є предметом дослідницької програми, яку веде консорціум під керівництвом компанії TND і об'єднує BRGM, CNRS та компанію Separex. Цей перспективний проект лабораторного етапу є переможцем Фази 2 Глобального конкурсу інновацій та переходить на етап демонстрації. Перевага цієї технології полягає в тому, що вона подрібнює скляні волокна, роблячи наступну фазу, поділ, набагато ефективнішою. Таким чином досягається вихід металу 98%.
32 Найпоширенішим металом в електронних платах є мідь. Тому плавильники міді, логічно, першими обробили електронні картки, і це вже більше 20 років.
33 Дев'ять ливарних заводів у світі обладнані для обробки цієї нової сировини екологічно задовільним способом (чотири в Японії, три в Європі, одна в Канаді та інша в Кореї).
34Технологічний процес виплавки міді має два основних етапи:
- плавлення при температурі близько 1100 ° C, в результаті чого утворюються гази, шлак і нечиста мідь (за цим може бути додатково проведена стадія гарячого окислення для поліпшення чистоти міді),
- електролітичне очищення, що виробляє, з одного боку, катоди з чистого міді, а з іншого, шлам, що містить дорогоцінні метали.
35Цю технологію було винайдено для переробки природних руд, по суті, складених із сульфідів міді. Адаптація, необхідна для обробки електронних плат, коштує великих інвестицій і вимагає великої металургійної експертизи. Інвестиції в адаптацію на тонну переробленого матеріалу становлять від 2 до 5000 євро на рік (Natureo Finance).
36 Крім того, гази та енергія, що виникають внаслідок присутності пластмас та смол в електронних дошках, обмежують частку дощок, яку піч може обробити, до 10% вхідного матеріалу. Понад це значення піч стає нестабільною. Тому рідкісні метали розбавляються великим потоком матеріалу, і тому їх важко відновити. Хоча мідь і дорогоцінні метали дуже добре відновлюються (до 98%), жорсткість процесу не завжди дозволяє відновити "дрібні метали", такі як олово, нікель або тантал.
37Пірометалургія в даний час не дозволяє обробляти виключно електронні картки. На додаток до проблем, пов'язаних з наявністю органічних продуктів, вміст алюмінію, кераміки та скловолокна в картках призводить до шлаку, який важко розплавити. Для того, щоб отримати рідкий шлак, обробляючи лише картки, дійсно необхідно досягти температури вище 1500 ° С. Компанія Scanarc (у Швеції) проводила випробування, але не досягнувши задовільного результату на цьому етапі.
38Компанія Morphosis (у Гаврі) розробляє програму досліджень та розробок із використанням плазмової технології для безпосередньої та виключної обробки електронних карток. Цей проект переміг у глобальному конкурсі на інновації (фаза 2).
39 Широке використання в Індії, Китаї та більш епізодично в Африці через низьку інвестиційну вартість, розчинення золота, що знаходиться в контактах електронних карток, дає можливість обробляти ці картки в невеликих масштабах і в дуже поганих умовах. Використовується декілька технічних варіантів: ціанування, атака акварегією, використання ртуті. Видобуток металу не перевищує 60% і відбувається у важких екологічних та санітарних умовах. Однак, краще організований, цей процес міг би дозволити зберігати в країнах походження значну частину вартості карток, уникаючи при цьому серйозних проблем зі здоров'ям та навколишнім середовищем.
40Чи можемо ми покращити цю обробку кислотами, "кислотний процес"? За останні п’ятнадцять років були здійснені численні прямі гідрометалургійні випробування. Всі ці спроби були задоволені утворенням величезної кількості остаточних відходів та необхідністю використання великої кількості реагентів. Якщо відновлення металів теоретично є чудовим, вплив цих методів на навколишнє середовище повністю дискваліфікує їх на сьогоднішній день.
41Перша робота була проведена в 2000 році групою англійських учених в рамках програми (тривалості п'яти років), яку спільно проводили Кембридж та Лондонський Імперський коледж. Технологія використовувала фторборну кислоту для розчинення олов’яно-свинцевих припоїв і, таким чином, звільнення електронних компонентів від їх гнізд.
Ідея полягала в можливості переробки деяких з цих компонентів. Однак їх швидке застаріння зробило прибутковість цього процесу малоймовірною. Другим кроком було використання акварегії (суміші соляної кислоти та азотної кислоти) для вилучення дорогоцінних металів. Але наявність алюмінію та заліза призвело до надмірного споживання кислоти та дуже високого виробництва остаточних залишків. Нарешті, паладій та тантал були погано відновлені. Тому від програми відмовились.
43 Дуже подібний проект здійснила італійська компанія Engitec, що призвело до будівництва пілотної установки в 2008 році. Але від цього проекту також відмовились.
44Манегем (у Марокко), відомий своїм досвідом у галузі гідрометалургії, спробував підхід на основі сірчаної кислоти, щоб спочатку видобути мідь, а потім інші метали. Знову ж таки, проект не здійснився.
45 В Англії Itrimex (у партнерстві з Ultromex) проводить випробування на вилучення олова з електронних плат із використанням фторборнової або фторосилієвої кислоти (ця програма фінансується на суму 550 000 фунтів стерлінгів).
46ATMI (у США) розробив процес, порівнянний із процесом у Кембриджі, та побудував пілотний підрозділ, який прагне комерціалізувати.
47 Terra Nova, як частина проекту SISENVA, досліджувала гідрометалургійні процеси з метою вилучення всіх металів з матеріалу, отриманого в результаті піролізу.
48Нарешті, у 2015 році у Великобританії було розпочато нову дослідницьку програму з фінансуванням 500 тис. Фунтів стерлінгів.
49 Бром: цей елемент, присутній в електронних картках, міститься в бромованих пластмасах, що складають значну частину оболонок електричних та електронних пристроїв. Бром є головним клопотом для звичайних металургій. Окрім екологічного питання контролю за викидами, порушується питання про їх утилізацію та переробку в вигідних умовах.
50 Енергія: електронні картки містять значну частину пластмас та смол, які є горючими: однією з проблем є розумне використання цієї енергії.
51 Тантал, олово: класифікований як стратегічний метал, в даний час тантал втрачається під час переробки електронних карток. Економічне відновлення олова також є однією з технологічних проблем, яку потрібно вирішити.
52 Електронні картки є прикладом багатої міської шахти, експлуатація якої має значний потенціал для прогресу, тим не менше вимагає значних зусиль у галузі досліджень та розробок і яка, ймовірно, призведе в довгостроковій перспективі до нових форм галузей, що створюють робочі місця та цінність.