Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet Szakdolgozat NYÁK előkészítése a nemes-, ritka- és ritkaföldfém Készítette: Szomszéd Norbert Szakirány: Nyersanyagelőkészítés Konzulens: Dr.Faitli József Egyetemi docens Magyar Tamás PhD hallgató
Summary One of the biggest problem of our speeded world is the generated quantity of electronic waste which keeps growing in the near future. We are estimating the growth rate to be 5-10% according to the statistics data that we have. Yearly there are about 40-50 million tons of electronic waste generated on Earth. In Hungary there are about 130 000 tons per year and only 30,77% of it gets collected. Disposing them in landfills will not solve anything because this way all the valuable components and critical elements that they include will be wasted (copper, aluminium, iron, silver, tantalum, germanium, cobalt, niobium, magnesium, antimony, tungsten, beryllium ect.) and that is why nowadays they get out the useful components by pirometallurgical or hydrometallurgical processes. The purpose of my thesis was the preparation of the PCB panel in order to gain the noble, rare and rare earth concentrates out of it. My research aims to examine partially these materials in regards of their natural mineral resources, their second feedstock of different origin and their residual materials. In the first step I separated the electronical components from several types of PCBs (computers/laptops, LCD/plasma television and old-style radios/televisions) by using a cold cutter. After that I divided (separated) the components into groups by hand and done some physical and chemical tests on them. Knowing the physical properties of the separated electrical components we decided to stick with multi-stage crushing, because the chemical test required such grain size (x <1 mm). The initial grain size of the separated electrical components was too big for the Retsch SM 2000 cutting mill. Because of that for the first step of grinding we choose the hammer crusher with 5 mm sifter in it which is placed in the University of Miskolc Institute of Raw Material Preparation and Environmental Processing, laboratory of shredders classification agglomeration. After the hammer crusher we decided to feed each chopped components three times onto the Retsch SM 2000 cutting mill with 4mm, 2mm and 1mm sifter to protect the cutting blades. After the last grinding the products grain size was acceptable (x <1 mm) so we took some samples from each group according to I.23. table and send it to analytical testing. After the results had arrived I made some chart out of it. According to the I.24. table and the amount of data that I gained from the physical and chemical tests I find it expedient to separate the components into 4+1 groups (capacitors, resistors, crystal oscillator, IC & Transistor; inductance) which is expedient for the extraction of the critical elements. 1
The next step of this research is to plan an actual separation technology and its economic evaluation. The systematic studies that have been carried out by me can be used for sufficient basis to accomplish this. 2
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 5 2. Szakirodalmi rész... 7 2.1 Nyomtatott áramköri lemezek... 7 2.1.1 Nyomtatott áramköri lapok típusai... 8 2.2 Nyomtatott áramköri lapok elektronikai komponensei...11 2.2.1 Diódák...12 2.2.2 Tranzisztor...12 2.2.3 Transzformátor...13 2.2.4 Relék...13 2.2.5 Induktivitás...14 2.2.6 Integrált áramkör...14 2.2.7 Kondenzátor...15 2.2.8 Oszcillátor kristály...15 2.2.9 Ellenállás...16 2.3 A nyomtatott áramkör jellemző összetétele és fémtartalma...16 2.4 Az elektronikai alkatrészek leválasztása és szeparálása...18 2.4.1 Manuális leválasztás...18 2.4.2 Gépi leválasztás...19 2.4.3 Leválasztás őrléssel...20 2.4.4 Hőkezeléssel történő leválasztás...21 3. A kísérlet során alkalmazott berendezések és vizsgálati módszerek...22 3.1.1 Örvényáramú szeparátor...22 3.1.2 Kalapácsos törő...23 3.1.3 Vágó malom...24 3.2 A kísérlet során alkalmazott vizsgálati módszerek...26 4. Mérési eredmények...28 4.1.1 Oszcillátor kristályon végzett alapvizsgálatok kiértékelése....30 4.1.2 Tranzisztoron végzett alapvizsgálatok kiértékelése....31 4.1.3 Integrált áramkörön végzett alapvizsgálatok kiértékelése....32 4.1.4 Induktivitásokon végzett alapvizsgálatok kiértékelése....32 4.1.5 Számítógépek kondenzátorain végzett alapvizsgálatok kiértékelése....33 4.1.6 LCD/plazma Tv kondenzátorain végzett alapvizsgálatok kiértékelése....34 3
4.1.7 Régi Tv kondenzátorain végzett alapvizsgálatok kiértékelése....35 4.1.8 Számítógépek ellenállásain végzett alapvizsgálatok kiértékelése....36 4.1.9 LCD/plazma Tv ellenállásain végzett alapvizsgálatok kiértékelése....37 4.1.10 Régi Tv ellenállásain végzett alapvizsgálatok kiértékelése....37 5. A fizikai feltárás kiértékelése...38 6. Technológiai javaslat...47 7. Összegzés...49 4
1. Bevezetés,,A múzeumok a múltat őrzik meg, a hulladék-feldolgozók a jövőt.'' (T.Ansons) A mai felgyorsult világban az emberek fogyasztása olyan szintet ért el az elmúlt 20 év alatt, mint még soha, és most a fogyasztás alatt nem az élelmiszerfogyasztás, hanem az elektromos cikkek fogyasztása értendő. Korunk fogyasztói társadalmának nagy problémája az elektromos hulladékok keletkezése szerte a világon. A már elavult elektronikai és számítástechnikai eszközök vagy a kukába vagy eladásra kerülnek, de a végkifejlet minden esetben ugyan az, a tulaj megválik az elavult eszközétől és egy újat fog venni, amitől majd ismét meg fog válni pár éven belül. Akár hogy nézzük ez egy véget nem érő körforgás. Arra a következtetésre jutunk, hogy nem gondolkozunk előre és csak a pillanatnyi igényeinket próbáljuk kielégíteni nem is gondolván arra, hogy ez a már megszokott fejlődés milyen költséget emészt föl. Az elmúlt évtizedekben a technológiai újítások megkönnyítették az emberek minden napjait, de ennek ára van. A gyors technológiai fejlődés velejáró problémája, hogy szinte tízévente újraírja azon keresett nyersanyagok szükségességét, amelyek nélkül az éppen csúcstechnológiának tekintett termékek kivitelezése nem lenne lehetséges. Az elektromos hulladékok begyűjtése, előkészítése és ezt követően a bennük található hasznos komponensek kinyerése mechanikai eljárások által, redukálja a költségeket mivel ez által hasznos nyersanyagot szolgáltat vissza a gazdaságba, ezáltal csökkentve az ásványi nyersanyagok kitermelésének igényét és a vele járó környezeti terhelést [3]. Ezen termékek közé sorolható a LED - es illetve kis elektromotorok ezekben a termékekben ritka földfémeket fedezhetünk fel. A felsorolt termékeken felül megemlíthető még számos más tartozék is, amik a bennük található kritikus elemek miatt keresetté váltak a piacon. A katalizátorokban található platinafémek, a félvezetőkben lévő gallium, germánium valamint a lítium, ami nélkülözhetetlen komponense a modern energia tárolóknak. De hogyan is állunk ilyen anyagokból? Erre a kérdésre, alig ha tudunk válaszolni mivel eddig nem kerestük őket. A globális nyersanyag készleteink beszerzése távoli régiókra összpontosulnak, ahonnan beszerezhetőségükben sok a bizonytalan kérdőjel. 2030-ra viszont hiányuk már jövőbeli ipari fejlődésünk komoly gátja lehet. Az elektromos hulladékok mennyisége előre láthatólag nőni fog. A növekedés üteme 5-10 % körüli, amit 5
nagyban az emberek igényei alakítanak ki. A már nem kívánatos elektromos és elektronikus termékhulladékok - a létrejövő összes hulladékhoz viszonyítva - nem nagy számban vannak jelen (kb. 5-6%) [2]. Dolgozatom témája a NYÁK előkészítése a nemes-, ritka- és ritkaföldfémkoncentrátumok előállítása érdekében. A kutatásom e nyersanyagok vizsgálatára irányult, részben a természetes ásványi nyersanyagok, részben a különböző eredetű másodnyersanyagok, maradvány anyagok tekintetében [17]. Mindezeket figyelembe véve azt tűztem ki célul, hogy a vizsgálatokhoz szükséges elektronikai alkatrészeket számítógépek/laptopok, LCD/plazma tévék valamint régi típusú rádiók/tévék NYÁK lapjairól leválasztom, majd ezt követően szemrevételezéssel csoportokra osztom (szétválogatom) majd a fizikai és kémiai tulajdonságaikat vizsgálom. A fizikai tulajdonságok ismeretében az elektronikai alkatrészeket megfelelő szemnagyságúakra készítettük elő kalapácsos törő, valamint vágómalom használatával. Ezt követően az x <1 mm-es szemcséket analitikai vizsgáltra elküldtük, majd a kapott eredményeket diagramon ábrázoltuk. A vizsgálatok alapján javaslatot adtam arra, - hogy az elhasznált, alkatrészekkel szerelt NYÁK lemezekről az alkatrészek eltávolítása és szétválasztása alapú feldolgozási technológia esetén - milyen kategóriákra célszerű a nyersanyagot szétválasztani. 6
2. Szakirodalmi rész 2.1 Nyomtatott áramköri lemezek A Nyomtatott Áramköri Kártyát a német származású Paul Esler 1943-ban fejlesztette ki. Az E-hulladékok csaknem mindegyikében van NYAK, ami egy szigetelő lemez felületére felvitt, fémfóliából kialakított forrasztási pontok, és ezeket összekötő vezető sávok hálózata. Az alkatrészek a forrasztási pontokban vannak rögzítve. Általában 40 % fémet, 30 % műanyagot és 30% kerámiát tartalmaznak [I.1. ábra]. I.1. ábra: NYÁK lemez [16] A Nyomtatott Áramköri Kártyák megjelenésével az eddig különálló kábelek elavulttá váltak. Elsődleges feladatuk a kapcsolatteremtés megvalósítása volt, az egy helyen tárolt eszközök között. Az évek során a nyomtatott áramkörök feladatköre nagymértékben kibővült: Állandó stabil energiaszolgáltatás a kártyán lévő aktív elemek között Keletkezett hő elvezetése Megfelelő mechanikai stabilitás biztosítása Környezetbarátnak kell lennie Mivel ezeknek a kártyáknak az élettartama limitált figyelni kell arra, hogy amikből készülnek, megfeleljenek az Uniós Uniós RoHS (A veszélyes anyagok használatának korlátozása) szabályozásnak. 7
A szabályzat felszólítja a tagországokat, hogy 2004 aug. 13. olyan változtatásokat hozzanak az elektronikus berendezésekben, ami korlátozza hat anyagnak a felhasználását. Egy megadott határérték fölött a termékekben nem szerepelhet kadmium, higany, hatértékű króm, ólom, és brómozott égés gátlók [18] (PBB és PBDE). 2.1.1 Nyomtatott áramköri lapok típusai A nyomtatott áramköri lapok csoportosítása sokféle módon történhet meg. Ez annak tudható be, hogy vannak olyan felépítésűek, amelyeknek csak az egyik oldalára és vannak olyan felépítésűek, amelyeknek mind a két oldalára alkatrészt szereltek. A NYÁK lapok csoportosítása ezen felül törtéhet felépítés; kivitelezés; anyag; lap vagy fólia vastagság; értékesíthetőség szerint [I.2. ábra] [1]. Kialakításuk szerint előfordulhat: Egyoldalú Kétoldalú Egyrétegű Többrétegű (drága) I.2. ábra: Az egy rétegű és a több rétegű nyomtatott áramköri lap szerkezeti felépítése [1] 8
Felépítésükben és megjelenési alakjuk tekintetében többféléket különböztetünk meg, mint például: [I.3. ábra] [I.4. ábra] [I.5. ábra] Merev Hajlékony Kombinált I.3. ábra: Hajlékony NYÁK lap [19] I.4. ábra: Merev NYÁK lap [20] I.5. ábra: Kombinált NYÁK lap [21] Kivitelezése szerint lehet: Felületre szerelt alkatrészekhez Furatba szerelt alkatrészekhez A NYÁK anyaga szerint, lehet: Textilbakelit Üvegszálas Teflon A NYÁK lap vastagsága szerint, lehet: Vékony (1 mm-es) Normál (2 mm-es) 9
A fólia vastagsága szerint, lehet: 1 unciás (35 μm vastag rézfólia: 1 uncia/négyzetláb) 2 unciás (70 μm vastag rézfólia: 2 uncia/négyzetláb) Az értékesíthetőség szempontjából három csoportba sorolja [4] a nemzetközi gyakorlat a NYÁK-ot: Aranyozott csatlakozó nélküli, minimális nemesfémtartalmú NYÁK Aranyozott csatlakozót, nehézfémet tartalmazó NYÁK Aranyozott csatlakozó nélküli, de IC-t tartalmazó NYÁK Ezen csoportosítási módszereken felül megkülönböztethetünk egy olyan fajtacsoportosítást amikor "A" és "B" típusú nyomtatott áramköröket különítünk el egymástól. Az "A" típusú nyomtatott áramkör tévékben, elektronikus játékokban, rádiókban található, e típus alapja cellulózzal megerősített papírból és fenolos gyantából áll. A B típusú nyomtatott áramkör mobiltelefonokban, illetve számítógépekben található, ezeknek az alapja üvegszálakkal erősített epoxigyantából készül el [I.6. ábra] [15]. I.6. ábra: A (balra) és B (jobbra) típusú nyomtatott áramköri lapok.[15] 10
2.2 Nyomtatott áramköri lapok elektronikai komponensei Sorszám Elektronikus alkatrész neve 1 Dióda 2 Piezo rezgő 3 Tranzisztor 4 Transzformátor 5 Relé 6 Tekercs 7 Integrált áramkör (IC) 8 Kondenzátor 9 Oszcillátor kristály 10 Ellenállás I.7. ábra: Nyomtatott áramköri lapokon megtalálható elektronikai és alkatrészek [22] Az eltérő berendezésekben fellelhető nyomtatott áramköri lapokba foglalt elektromos és elektronikai alkatrészeinek tömegszázalékos arányát a [I.8. ábra] mutatja be [38]. I.8. ábra: Az eltérő berendezésekben fellelhető nyomtatott áramköri lapokba foglalt elektromos és elektronikai alkatrészeinek tömegszázalékos aránya [38] 11
2.2.1 Diódák A dióda [I.9. ábra] az egy nemlineáris két pólus, amely az egyik irányban vezeti az áramot, a másik irányban gyakorlatilag meg nem. Felépítésüket tekintve félvezető vagy elektroncső eszköz lehet. A diódák az egyik irányban átengedik az áramot még a másik irányba nem. A diódákat régebben vákuumcső technológiával készítették, napjaikban azonban kizárólag félvezető diódákat használunk. Korábban germánium, ma főleg szilícium az alapanyag, illetve fénykibocsátó diódákhoz gallium-arzénid és egyéb összetett félvezetőket használnak [32]. I.9. ábra: Dióda [24] 2.2.2 Tranzisztor A tranzisztor [I.10. ábra] egy szilárd test félvezető, amit erősítési és kapcsolási célokra elektronikus áramkörben használnak föl. A tranzisztorok felépítését három rétegre lehet bontani. Minden réteg egy lábra van kivezetve. Jel moduláció, jelek ki-be kapcsolása, feszültségstabilizálás valamint elektromos jelerősítés a jellemző alkalmazási területei. Az áramkörben a Q" jelöli a tranzisztorokat [25]. I.10. ábra: Tranzisztor [26] 12
2.2.3 Transzformátor A transzformátor [I.11. ábra] az egy átalakító, méghozzá a váltakozó áram villamos feszültségét alakítja át. Beazonosításuk-megjelenésük alapján történik Jellemzően "T" jelöli őket az áramkörökben [27]. I.11. ábra: Transzformátor [28] 2.2.4 Relék A relék [I.12. ábra] olyan kapcsolók, elemek, amelyek elektromos áram mágneses hatására az elektromos érintkezőket működésbe hozzák. A reléknek műanyag borításuk van és az áramkörben a "K" jelöli a helyüket [27]. I.12. ábra: Relé [29] 13
2.2.5 Induktivitás Az induktivitások [I.13. ábra] között megkülönböztetünk ferrit és lég magos induktivitásokat. Kivitelezésük igen egyszerű egy szigetelt vezető huzal feltekercselése útján készülnek el. A nyomtatott áramkörben az "L" jelöli őket [27]. I.13. ábra: Induktivitás [30] 2.2.6 Integrált áramkör Az integrált áramkörök (röviden IC) [I.14. ábra] félvezető lapkán, lapkákon kialakított kisméretű áramkörök. Az integrált tranzisztor tipikus alkatrésze. A multichip modulok ebbe a kategóriákba tartoznak, melyek egyetlen tokban több chipet is tartalmazó áramkörök. Jelölésük az áramkörben "U" vagy "IC" történik [27]. I.14. ábra: Integrált áramkör [31] 14
2.2.7 Kondenzátor Kondenzátornak nevezzük azokat az eszközöket, amik az elektromos töltések tárolására lettek készítve.[i.15. ábra]. A kondenzátorok legalább két párhuzamos vezető anyagból (fegyverzet), és a közöttük lévő szigetelő anyagból (dielektrikum) állnak [7]. Az áramkörben "C" jelöli a kondenzátorokat [27]. I.15. ábra: Kondenzátor [23] 2.2.8 Oszcillátor kristály Az oszcillátor kristályokat [I.16. ábra] az oszcillátor kristály azonosítása kinézetük alapján történik és a működési frekvenciája felületéről leolvasható. Elektromos oszcillátoroknak nevezzük a kristályok segítségével felépített oszcillátor áramköröket melyek működésének az alapja piezoelektromos jelenség. Az oszcillátor kristályokat pontos és stabil frekvencia előállítására használják (digitális órák, számítógépek órajele, rádióadók/vevők, stb). A legáltalánosabban használt piezoelektromos rezonátorok közé tartozik a kvarckristály valamint a polikristályos kerámiák. Kvarckristályokat néhány kilohertztől több megahertzes frekvenciára készítenek. Az oszcillátor kristályokat "X" vagy "Y" jelöli az áramkörökben [27]. I.16. ábra: Oszcillátor kristály [33] 15
2.2.9 Ellenállás Az ellenállások a legalapvetőbb és leggyakrabban használatos elektronikai alkatrészek. Az ellenállások az elektronikai/elektromos alkatrészek egyik fontos csoportja. Feladatai közé tartozik, hogy megfelelő mértékű elektromos ellenállást biztosítson egy áramkör adott részére [34]. Használt hordozó anyagok: műanyag és kerámia. A legtöbb esetben az ellenállásokhoz tartozó paramétereket színkóddal jelölik. Az ellenállásokat az áramkörben az "R" jelöli [I.17. ábra]. I.17. ábra: Rétegellenállások megjelölése 4 sávos színjellel [49] 2.3 A nyomtatott áramkör jellemző összetétele és fémtartalma Az elektrotechnikai illetve elektronikai hulladékok hozzáértő kezelést igényelnek, mivel ezek a környezetre veszélyes anyagokat tartalmaznak, melyek könnyen kimosódhatnak belőlük. Ennek elkerülése, vagy csökkentése végett az Európai Unió egy külön jogszabályt alkotott meg az elektronikai berendezésekbe építhető anyagokra. A jogszabály kimondja, hogy a 2006. július 1. után készített elektronikus termékek nem tartalmazhatnak higanyt valamint ólomot és különböző gyulladáskeltő, anyagokat [35]. "A nem fémes frakció tipikus összetétele hőre keményedő epoxigyanta, üvegszál, műanyag, erősítő anyagok, adalékanyagok, brómozott égésgátlók, amelyek kb. 70 %-át teszik ki a nyomtatott áramkörök tömegének. A fémes frakcióban 16 % réz, 4 % ón, 3 % vas, illetve ferrit, 2 % nikkel, 0,05 % ezüst, 0,03 % arany, 0,01 % palládium és ritka földfémek 16
találhatóak. Ezek a fémes komponensek beborítják a műanyag, illetve a kerámia részeket, de akár bennük is elhelyezkedhetnek. A nyomtatott áramköri lapok összetétele változik a gyártás évétől, a származási helytől, és a gyártótól függően is, ezért a fent felsorolt értékek csak átlagértékeknek tekinthetőek. Az 1.18. ábra összegzi a szakirodalmi adatok alapján a nyomtatott áramköri lapok anyagi összetételét "[10]. Forrás [12] [14] [13] [8] [6] [9] [11] Fémek [max. 40 m/m%] Cu 20 26.8 10 15.6 22 17.85 23.47 Al 2 4.7 7 - - 4.78 1.33 Pb 2-1.2 1.35 1.55 4.19 0.99 Zn 1 1.5 1.6 0.16-2.17 1.51 Ni 2 0.47 0.85 0.28 0.32 1.63 2.35 Fe 8 5.3-1.4 3.6 2 1.22 Sn 4 1-3.24 2.6 5.28 1.54 Sb 0.4 0.06 - - - - - Au [ppm] 1000 80 280 420 350 350 570 Pt [ppm] - - - - - 4.6 30 Ag [ppm] 2000 3300 110 1240-1300 3301 Pd [ppm] 50 - - 10-250 294 Kerámiák [max. 30 m/m%] SiÜ2 15 15-41.68 30 - - Al2Ö3 6 - - 6.97 - - - Alkáli és alkáli földfém oxidok 6 - - CaÜ 9.95 - - - Titanátok, csillám, stb. 3 - - MgÜ 0.48 - - - - Műanyagok [max. 30 m/m%] Polietilén 9.9 - - - - - - Polipropilén 4.8 - - - - - - Poliészter 4.8 - - - - - - Epoxik 4.8 - - - - - - Polivinil-klorid 2.4 - - - - - - Politetra-fluoroethán 2.4 - - - - - - Nylon 0.9 - - - - - - I.18. ábra: nyomtatott áramköri lapok összetételének összehasonlítása a szakirodalmi adatok alapján [11] 17
2.4 Az elektronikai alkatrészek leválasztása és szeparálása A nyomtatott áramköri lemezeken az elektronikai alkatrészek rögzítése két féle módon történhet meg: Surface Mounted Device (SMD) -felületreszerelt Through Hole Device (THD) - keresztüldugaszolás Az elektronikai alkatrészek leválasztása három módon történhet meg: a) Manuális leválasztás b) Gépi leválasztás c) Hőkezelés 2.4.1 Manuális leválasztás A manuális leválasztás a legprimitívebb leválasztási technika a három módszer közül, nem igényel az eljárás fogón; kalapácson; és hidegvágón kívül mást. Az eljárás azon felül, hogy primitív, időigényes valamint nem a legjobb hatásfokot tudhatja magának, mivel a hirtelen kirepülő alkatrészek anyagveszteséghez vezethetnek. I.19. ábra: nyomtatott áramköri lap a manuális leválasztás előtt [16] I.20. ábra: nyomtatott áramköri lap a manuális leválasztás után [16] 18
2.4.2 Gépi leválasztás A gépi leválasztásnál a "look and pick"(megvizsgál és leszed); "evacuate and sort" (eltávolít és osztályoz) eljárásokat említeném meg. 2.4.2.1 Look and pick (megvizsgál és leszed) Az eljárás során az automatika egy képfeldolgozó egység segítségével beazonosítja az alkatrészeket, majd ezt követően választja le a NYÁK-ról, az adott frakciókba helyezve. Az eljárás akkor kifizetődő, hogy ha toxikus; értékes; vagy eltérő kezelést igénylő alkatrészeket választunk szét. Az eljárás egyik nagy problémája, hogy az összes beépített alkatrész felismerésére és eltávolítására nem alkalmas. A berendezés az alábbi feladatokat képes elvégezni [36]: SMD és THD lap típusok felismerése Elektronikai alkatrészek eltávolítása markoló rendszerrel Osztályozás Minőség ellenőrzés 2.4.2.2 Evacuate and sort (eltávolít és osztályoz) Az eljárás első lépéseként leszedik az összes elektronikai/elektromos alkatrészt a nyomtatott áramkörről, majd csak ezt követően kezdi el a szortírozást. Mind a két rögzítési mód oldására kifejlesztették, valamint közbeiktattak egy fűtőegységet, ami a forrasztóón visszanyerésére alkalmas [36]. A gép az alábbi főbb részekből tevődik össze: NYÁK rögzítő, megfogó egység IR fénnyel fűtő egység (180 C) Leszerelő egység 19
2.4.3 Leválasztás őrléssel Az előbb említett eljárásoknak számos akadályai vannak, ha ezeket az iparban akarjuk alkalmazni a NYÁK lapok újrahasznosítására. Feldolgozó képességük limitált Magas energia igény Toxikus gázok szivárgása A kémiai reagensek eltávolítása Ezekből az okokból kifolyólag egy kutató csapat kifejlesztett egy olyan szétszerelő berendezést, ami biztosítja az elektronikai/elektromos elemek leválasztását a NYÁK lapról annak károsodása nélkül [37] [I.21. ábra]. I.21. ábra: Sematikus ábra az elhasznált NYÁK lapok elektronikai alkatrészeit leválasztó berendezésről [37] A berendezés három egysége különböző feladatokat lát el: Az első egység egy adagoló rendszer, három karral ellátva, amin egyenként kilenc darab cilinder van a NYÁK mozgatása stabilitása végett. A második egység eltávolítja az elektromos/elektronikai elemeket, a NYÁK lapról 4 db gyémántőrlő segítségével a nagy sebességnek köszönhetően a NYÁK hátlapján a forrasztások elengednek 5500-as fordulatnál. A harmadik egység összegyűjti a leválasztott elektromos/elektronikai elemeket illetve a súrlódásnál keletkezett port, ami fontos fémeket tartalmaz magában, az összegyűjtés szűrő rendszerrel történik. 20
Az elektromos/elektronikai elemek leválasztása számos beállítások mellett történhet meg: Az őrlő sebességének 2500 illetve 5500 fordulatszámánál 0,5 illetve 1,5 mm-es őrlő magasságnál 1 illetve 3,5 m/s adagolási sebességnél Minden egyes NYÁK lapot ugyan olyan feltételek mellett háromszor kezelik meg, és a folyamat végén hatásfokot mérnek. A hatásfok kiszámításához két paramétert kell ismernünk: Az őrlendő terület nagyságát A leválasztott elektromos/elektronikai elemek tömegét 2.4.4 Hőkezeléssel történő leválasztás A hőkezelés során 250 C fokon direktbe melegítést, magas hőmérsékletű gázt alkalmazunk. A hőkezelés megkezdése előtt meg kel határozni a nyomtatott áramkör típusát valamint hogy miből lett kivéve, mivel az elektromos alkatrészek forrasztása eltérő lehet így olvadáspontjuk is szintén. Az elektromos alkatrészek gyakori forrasztó anyaga a Sn63Pb37 ez 182-183 C éri el az olvadáspontját. Ha az adott nyomtatott áramkörünk újabb és RoHS kompatibilis, akkor a forrasztó anyag ólommentes, és olvadás pontja 20 C fokkal több is lehet. Az Ón- ezüstréz tartalmú forrasztó anyagok olvadáshoz legalább 217 C kell [5]. 21
3. A kísérlet során alkalmazott berendezések és vizsgálati módszerek 3.1.1 Örvényáramú szeparátor Az elektronikai alkatrészek vezetőképességét a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laborjában található ERIEZ HDECS örvényáramú szeparátor segítségével végeztem el, 1875 [fordulat/perc] hevederforgási sebesség- 37,5 [Hz] frekvencia, illetve 0,89 [m/s] szalagsebesség- 37,5 [Hz] paraméterek mellett. A ledobó végnél elhelyezett, a termékek szétválasztását lehetővé tevő terelőlapot 60º a legközelebb helyeztem a szalaghoz. I.22. ábra: ERIEZ HDECS örvényáramú szeparátor [16] I.23. ábra: ERIEZ HDECS örvényáramú szeparátor működési paraméterei [16] Az örvényáramos kiválasztás a legelterjedtebb technológiák közé tartozik. Az eljárás menete: minden olyan vezetőképes részecske, amely változó mágneses mezőbe kerül maga is felveszi a mágneses tulajdonságot. A két mező kölcsönhatása az egyes részecskéket taszítja így röppályájukat módosítja [41]. A szeparálás azon jelenségen alapszik, hogy a B mágneses indukciójú térben v sebességgel mozgó vezetőben a Lorentz-erő a töltést körpályára kényszeríti és a keltett örvényáram 22
mágneses tere éppen ellenkező hatású, mint az őt létrehozó B mágneses tér, miáltal a vezetődarab a B és v által meghatározott síkra merőlegesen elmozdul. A változó mágneses tér előállításáért a berendezés belsejében található nagy fordulatszámú rotor felel [41]. 3.1.2 Kalapácsos törő A berendezés anyagok széles spektrumának az aprítására alkalmazható lágy, törékeny valamint szálas anyagokat is apríthatunk a gépezettel. A keletkezett töretek szemcseméretei igen nagy tartományt fognak közre: durvatörésre, finomaprításra I.24. ábra: Kalapácsos törő [16] valamint őrlésre egyaránt alkalmazható [42]. A kalapácsos törőben egy gyorsan forgó rotor található, amit egy acéllemezházzal vettek körül. A gépezetben rotorra erősített csuklós ütőszerszámok helyezkednek el (kalapácsok vagy verőgyűrűk). A rotor forgása centrifugális erőt hoz létre, ami a kalapácsokat radiálisan elmozdítja és az őrlőtérbe bevezetett anyagok, ezek által aprózódnak. A kalapácsos törő ütésen-ütközésen alapuló aprítógép az aprítást a kalapácsok ütése, és az őrlőtér falához való ütközésből következik. A termék finomsága a kerületi sebességtől függ. A kerületi sebesség megfelelő beállítása elengedhetetlen az aprítás szempontjából, ha a rotor sebessége lassú, akkor az anyagot csak keveri és az ütközésből származó erő nem elegendő az anyagszemcsék aprításához. Szálas anyagok aprítása során nyíróerő lép fel. Az anyag gépben való idejét a szitabetét szabja meg így az elérendő szemnagyságot is. A leaprított minta átlagos szemcsemérete azonban lényegesebben kisebb, mint a szitabetét lyukmérete. A minta finomságának szabályozása a szitabetétek nyílásméretével tudjuk 23
változtatni melyek átmérői általában 2-12 mm között változik. Annak érdekében, hogy a mintákat megfelelően ki lehessen értékelni az elektronikai alkatrészek szemcseméretét csökkenteni kellett. Ezt a folyamatot több lépcsőben végeztük el. Az alkatrészeket elsőnek a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet aprítóosztályozó-darabosító laboratóriumában található mobil kalapácsos törőbe [I.24. ábra] adtuk fel 5mm-es szitabetéttel [I.25. ábra]. I.25. ábra: 5 mm-es szitabetét [16] 3.1.3 Vágó malom Retsch SM 2000 vágómalom nagy teherbírású és felhasználó barát berendezés, ami elsősorban a kemény, közép kemény, lágy, rugalmas valamint rostos anyagok aprítására I.26. ábra: Retsch SM 2000 vágómalom [16] alkalmas. Anyagok széles választékának az aprítására alkalmasak alacsony és nagy forgási sebesség mellett: állateledel, élelmiszer, alumíniumsalak, anyagkeverék, 24
barnaszén, bőr, csomagolóanyag, csontok, elektronikus alkatrészek, fóliák, nem vasas, fémek, papír, takarmány pelletek, vezetékek [39]. Az SM 2000 vágó malomban a vágás és nyírás hatására bekövetkezik a méretcsökkenés. A vágómalom bekapcsolását követően a forgó rotor a feladott mintákat elkapja, majd a minta felaprítódik a vágólapja és az őrlőház falában lévő kettős élű vágóbetét között. A rotorban keményfémből készült 6 tárcsa található. A vágólapok spirálformában vannak elhelyezve és egymást követően vágnak bele a mintába. A mintát erős vágással darabolják fel a párhuzamos vágású rotor kései A feladott anyagunk csak kis időt tölt, a vágótérben amint eléri, az adott szitabetétnél kisebb átmérőt kihull azon és a felfogó edénybe gyűlik össze. A rotor 1430 min-1 fordulatszáma biztosítja a gyors méretcsökkenés elérését [40]. Mivel a mintáink szemcsemérete X <5 mm volt a vágókések megóvása véget kénytelenek voltunk három lépcsőben feladni Retsch SM 2000 vágómalomra. Az aprítás során használt szitabetétek [I.27; 28; 29. ábra] nagymértékben befolyásolták a minták gépben töltött idejét. A 4mm-es szitabetét során a minta lefutása ideje gyorsnak tekinthető/1 perc, 2 mm-nél közepesnek/3-4 perc,1 mm-nél lassúnak/5-6 perc. I.27. ábra: 4 mm-es szitabetét [16] I.28. ábra: 2 mm-es szitabetét [16] I.29. ábra: 1 mm-es szitabetét [16] 25
3.2 A kísérlet során alkalmazott vizsgálati módszerek A szemcsesűrűség meghatározásához a piknométer tömegét üresen, folyadékkal, majd a vizsgálandó elektronikai alkatrésszel együtt analitikai mérlegen mértem meg. Az így kapott eredményeket az alábbi képletbe helyettesítettem be [I.30. ábra]. m 2 m 1 ρ s = m 4 m 3 + m 2 m 1 I.30. ábra: Sűrűség meghatározásához használt képlet I.1. táblázat: Jelmagyarázat m 1 Piknométer tömege m 2 m 3 m 4 Alkatrész+piknométer tömege Alkatrész+piknométer+víz tömege Piknométer+víz tömege A kisméretű elektronikai alkatrészek sűrűségének a meghatározásához üveg piknométert [I.31. ábra], míg a nagyobb alkatrészekhez fém piknométert [I.32. ábra] használtam. I.31. ábra: Üveg piknométer [16] I.32. ábra: Fém piknométer [16] 26
Az alkatrészek alakját, színét szemrevételezés segítségével határoztam meg, méretei pedig egy nóniusz-skálával ellátott tolómérő alkalmazásával. Ezt követően csoportokba osztottam az adott elektronikai alkatrészen belül. A leválasztott elektronikai alkatrészek mágnesezhetőségi tulajdonságainak a mérését szamárium mágnes [I.33. ábra] segítségével végeztem el. I.33. ábra: Szamárium mágnes [16] H [T] 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 A mágnes karaterisztikája 0 5 10 15 20 25 30 35 l I.34. ábra: A szamárium mágnes karakterisztikája [16] 27
4. Mérési eredmények Hidegvágó segítségével 12 darab: 4 db számítógép/laptop; 4 db LCD/Plazma valamint 4 db régi tévé nyomtatott áramköri lapjáról összesen 533,15 g elektronikai alkatrészt választottam le. Az alkatrészek típus szerinti összetételét az I.2. táblázat mutatja: A kísérlet során felhasznált nyomtatott áramköri lapok: Számítógépek/laptopok nyomtatott áramköri lapjai I.35. ábra: Felhasznált nyomtatott áramköri lapok (számítógép/laptopok) [16] 28
LCD/plazma tévék felhasznált nyomtatott áramköri lapjai I.36. ábra: Felhasznált nyomtatott áramköri lapok (LCD/plazma tévék) [16] Régi tévék felhasznált nyomtatott áramköri lapjai I.37. ábra: Felhasznált nyomtatott áramköri lapok (Régi Tv) [16] 29
I.2. táblázat: Leválasztott elektronikai alkatrészek összetétele Elektronikai alkatrész Tömeg [g] Mennyiség [db] Ellenállás (Számítógép) 13,77 32 Ellenállás (LCD/Plazma tv) 5,81 64 Ellenállás (Régi tv) 38,89 95 Induktivitás (Számítógép) 186,01 39 Integrált áramkör (Számítógép) 62,59 126 Kondenzátor (Laptop/Számítógép) 59,01 110 Kondenzátor (LCD/Plazma tv) 13,05 54 Kondenzátor (Régi tv) 81,89 103 Oszcillátor kristály (Számítógép) 29,93 53 Tranzisztor (Számítógép) 42,2 81 533,15 757 Az így kapott elektronikai alkatrészeken az alábbi tulajdonságokat vizsgáltam, majd táblázatokban összegeztem a mérések eredményeit: méret forma szín sűrűség mágnesezhetőség vezetőképesség 4.1.1 Oszcillátor kristályon végzett alapvizsgálatok kiértékelése. I.3. táblázat: Számítógép oszcillátor kristályának a paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek x y z A [mm 2 ] Forma Szín m [g] ρ [g/ cm 3 ] Oszk 1. Tp 11,17 3,63 5,41 40,47 Téglatest Szürke 17,6 4,30 Oszk 2. Tp 5 5,65 5 28,25 Henger Szürke 0,59 1,55 Oszk 3. Tp 8,26 11,66 7,78 96,31 Henger Szürke 7,96 1,49 Oszk 4. Tp 8,06 9,03 8,23 72,74 Henger Szürke 3,14 1,21 Oszk 5. TP 3 8,36 3,01 25,08 Henger Szürke 0,64 2,13 30
I.4. táblázat: Számítógép oszcillátor kristályának a paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek Mágneses tulajdonság h=0 h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető Nem vezető 4.1.2 Tranzisztoron végzett alapvizsgálatok kiértékelése. Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető Oszk 1. Tp x x x x x 0 100 Oszk 2. Tp x x x 0 100 Oszk 3. Tp x 0 100 Oszk 4. Tp x x 66,88 33,12 Oszk 5. TP x x x x 0 100 I.5. táblázat: Számítógép tranzisztor paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek Tranzisztor 1. Tp Tranzisztor 2. Tp Tranzisztor 3. Tp x y z A [mm 2 ] Forma Szín m [g] ρ [g/ cm 3 ] 9,77 5,01 8,93 48,95 Téglatest Fekete 37,46 3,42 4,58 4,68 3,68 21,43 Henger Fekete 1,58 2,26 6,54 2,47 6,03 16,15 Téglatest Fekete 10,16 2,7321 I.6. táblázat: Számítógép tranzisztor paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek Tranzisztor 1. Tp Tranzisztor 2. Tp Tranzisztor 3. Tp h=0 Mágneses tulajdonság h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető x x x Nem vezető x x x Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető 96,56 3,44 63,29 39,87 77,17 22,83 31
4.1.3 Integrált áramkörön végzett alapvizsgálatok kiértékelése. I.7. táblázat: Számítógép integrált áramkörének a paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek x y z A [mm 2 ] Forma Szín m [g] ρ [g/ cm 3 ] IC 1. Tp 17,53 2,54 8,11 44,53 Téglatest Fekete 16,53 2,406 IC 2. Tp 19,33 2,86 13,53 55,28 Téglatest Fekete 17,23 2,235 IC 3. Tp 6,2475 1,59 11,475 9,93 Téglatest Fekete 5,87 2,402 IC 4. Tp 14,49 3,85 0,51 55,79 Téglatest Fekete 8,84 2,49 IC 5. Tp 10,38 1,79 5,27 18,58 Téglatest Fekete 5,02 2,324 IC 6. Tp 20,75 4,5 18,28 93,38 Téglatest Fekete 9,1 1,824 I.8. táblázat: Számítógép integrált áramkörének a paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek h=0 Mágneses tulajdonság h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető Nem vezető Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető IC 1.Tp x x 0 100 IC 2.Tp x 0 100 IC 3.Tp x x x 28,62 71,38 IC 4.Tp x x 27,60 72,40 IC 5.Tp x x 0 100 IC 6.Tp x 0 100 4.1.4 Induktivitásokon végzett alapvizsgálatok kiértékelése. I.9.táblázat: Számítógép induktivitásának paraméterei Leválasztott x y z A elektronikai [mm alkatrészek 2 Forma Szín m [g] ] ρ [g/ cm 3 ] Induktivitás 1.Tp 15,33 6,15 11,86 94,28 Henger Szürke 46,72 6,35 Induktivitás 2.Tp 10,38 4,06 10,38 42,14 Henger Szürke 17,53 6,64 Induktivitás 3.Tp 14,31 5,99 14,27 85,72 Henger Réz 62,12 6,043 Induktivitás 4.Tp 12,75 11,14 9,66 142,04 Henger Fekete 16,52 5,921 Induktivitás 5.Tp 17,43 5,95 17,43 103,71 Henger Sárga 20,07 6,45 Induktivitás 6.Tp 15,18 6,74 6,74 102,31 Henger Réz 23,5 6,152 32
I.10. táblázat: Számítógép induktivitásának paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek Induktivitás 1.Tp Induktivitás 2.Tp Induktivitás 3.Tp Induktivitás 4.Tp Induktivitás 5.Tp Induktivitás 6.Tp h=0 Mágneses tulajdonság h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető Nem vezető Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető x x x x x 0 100,00 x x x x x 0 100,00 x x x x x 0 100,00 x x x x x 0 100,00 x x x x x 0 100,00 x x x x x 0 100,00 4.1.5 Számítógépek kondenzátorain végzett alapvizsgálatok kiértékelése. I.11. táblázat: Számítógépek kondenzátorainak a paraméterei Leválasztott x y z A elektronikai [mm alkatrészek 2 Forma Szín m [g] ] ρ [g/ cm 3 ] Sz. K 1. Tp 3,91 6,83 3,91 26,71 Csepp Kék/Okkersárga 5,08 2,87 Sz. K 2. Tp 4,95 3 1,68 14,85 Sarló Okkersárga 0,25 0,11 Sz. K 3. Tp 6,4 2,28 2,28 14,59 Henger Okkersárga 0,84 2,405 Sz. K 4. Tp 10,29 22,125 10,29 227,67 Henger Fekete 15,13 1,403 Sz. K 5. Tp 4,74 7,81 4,74 37,02 Henger Arany/Fekete 2,11 1,39 Sz. K 6. Tp 8,05 12,3 8 99,02 Henger Sárga/Fekete 19,28 1,51 Sz. K 7. Tp 8,65 20,85 8,65 180,35 Henger Fekete/Kék/Zöld 16,32 1,466 33
I.12. táblázat: Számítógépek kondenzátorainak a paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek Mágneses tulajdonság h=0 [m m] h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető Nem vezető Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető Sz. K 1.Tp x x x x x 0,00 100,00 Sz. K 2.Tp x x x x 0,00 100,00 Sz. K 3.Tp x x x x x 0,00 100,00 Sz. K 4.Tp x x 100,00 0,00 Sz. K 5.Tp x x x 74,69 25,12 Sz. K 6.Tp x x x x 90,35 9,65 Sz. K 7.Tp x 100,00 0,00 4.1.6 LCD/plazma Tv kondenzátorain végzett alapvizsgálatok kiértékelése. I.13. táblázat: LCD/plazma Tv kondenzátorainak a paraméterei Leválasztott x y z A elektronikai [mm alkatrészek 2 Forma Szín m [g] ] LCD Tv. K 1.Tp ρ [g/ cm 3 ] 8,23 2,38 2,43 19,59 Henger Okkersárga 1,09 2,86 LCD Tv. K 2.Tp LCD Tv. K 3.Tp LCD Tv. K 4.Tp LCD Tv. K 5.Tp 7,25 8,4 4,5 60,9 Henger Világoskék 1,25 1,622 5,48 4,37 1,97 23,95 Sarló Zöld/Sárga 0,9 2,4 6,25 10,05 3,58 62,81 Csepp Piros/Fekete 1,75 2,072 10,27 21,43 10,22 220,09 Henger Kék 8,06 1,195 34
I.14. táblázat: LCD/plazma Tv kondenzátorainak a paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek LCD Tv. K 1.Tp Mágneses tulajdonság h=0 h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető Nem vezető Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető x x x x x 0,00 100,00 LCD Tv. K 2.Tp LCD Tv. K 3.Tp LCD Tv. K 4.Tp LCD Tv. K 5.Tp x x x x 43,20 56,80 x x 85,56 14,44 x x x x x 0,00 100,00 x 100,00 0,00 4.1.7 Régi Tv kondenzátorain végzett alapvizsgálatok kiértékelése. I.15. táblázat: Régi Tv kondenzátorainak a paraméterei Leválasztott x y z A elektronikai [mm alkatrészek 2 Forma Szín m [g] ] ρ [g/ cm 3 ] RTv. K 1.Tp 17,55 26,22 17,5 460,16 Henger Fekete 24,75 1,26 RTv. K 2.Tp 15 20,2 10,75 303 Téglatest Kék 14,24 1,18 RTv. K 3.Tp 5,8 11,58 5,87 67,16 Henger Fekete 11,32 1,53 RTv. K 4.Tp 7,67 9,42 2,57 72,25 Csepp Sárga/Narancssárga 7,89 2,78 RTv. K 5.Tp 7,11 10,31 3,89 73,30 Téglatest Piros 5,25 1,84 RTv. K 6.Tp 16,51 15,74 6,23 259,87 Téglatest Piros 11,3 1,68 RTv. K 7.Tp 8,54 11,7 8,6 99,92 Henger Fekete 6,79 1,42 RTv. K 8.Tp 3,48 7,25 2,95 25,23 Csepp Sárga/Narancssárga 0,35 1,82 35
I.16. táblázat: Régi Tv kondenzátorainak a paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek Mágneses tulajdonság h=0 h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető Nem vezető Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető RTv. K 1.Tp x 100,00 0,00 RTv. K 2.Tp x 0,00 100,00 RTv. K 3.Tp x x x x 51,59 48,41 RTv. K 4.Tp x x 63,50 36,50 RTv. K 5.Tp x x x x x 0,00 100,00 RTv. K 6.Tp x x x x x x 31,24 68,76 RTv. K 7.Tp x x 100,00 0,00 RTv. K 8.Tp x x x x x x 5,71 94,29 4.1.8 Számítógépek ellenállásain végzett alapvizsgálatok kiértékelése. I.17. táblázat: Számítógépek ellenállásainak a paraméterei Leválasztott x y z A ρ elektronikai [mm alkatrészek 2 Forma Szín m [g] ] [g/ cm 3 ] Sz. Ellenállás 10,863 5,88 5,88 63,87444 Henger Kék/Rózsaszín 13,77 3,074 I.18. táblázat: Számítógépek ellenállásainak a paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek Mágneses tulajdonság h=0 h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető Nem vezető Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető Sz. Ellenállás x x x x x 0,00 100,00 36
4.1.9 LCD/plazma Tv ellenállásain végzett alapvizsgálatok kiértékelése. I.19. táblázat: LCD/plazma Tv ellenállásainak paraméterei Leválasztott x y z A ρ elektronikai [mm alkatrészek 2 Forma Szín m [g] ] [g/ cm 3 ] Tv. Ellenállás 10,54 2,55 2,55 26,877 Henger Barna/Fehér 3,62 3,64 1.Tp Tv. Ellenállás 2.Tp 7,67 2,3 2,3 17,641 Henger Kék 2,19 2,85 I.20. táblázat: LCD/plazma Tv ellenállásainak paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek LCD Tv. Ellenállás 1.Tp LCD Tv. Ellenállás 2.Tp Mágneses tulajdonság h=0 h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető Nem vezető Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető x x x x x 0 100 x x x x x 0 100 4.1.10 Régi Tv ellenállásain végzett alapvizsgálatok kiértékelése. I.21. táblázat: Régi Tv ellenállásainak paraméterei Leválasztott x y z A ρ elektronikai [mm alkatrészek Forma Szín m [g] ] [g/ cm 3 ] RTv. Ellenállás 1. Tp 13,08 2,93 2,82 38,32 Henger Zöld/Kék 3,05 3,45 RTv Ellenállás 2. Tp 17,05 5,35 5,37 91,22 Henger Zöld/Kék 20,49 3,24 RTv Ellenállás 3. Tp RTv Ellenállás 4. Tp 14,43 4,15 4,14 59,88 Henger Zöld/Kék 13,62 3,34 8,43 2,22 2,16 18,72 Henger Tarka/Kék 1,73 3,28 37
I.22. táblázat: Régi Tv ellenállásainak paraméterei Leválasztott elektronikai alkatrészek RTv. Ellenállás 1. Tp RTv Ellenállás 2. Tp RTv Ellenállás 3. Tp RTv Ellenállás 4. Tp Mágneses tulajdonság h=0 h=10 h=20 h= 30 Vezetőképesség Vezető Nem vezető Vezetőképesség tömegszázalékos eloszlása [%] Vezető Nem vezető x x x x x 0 100 x x x x x 0 100 x x x x x 0 100 x x x x x 0 100 5. A fizikai feltárás kiértékelése A többlépcsős fizikai feltárásnak köszönhetően megfelelő mennyiségű anyagunk keletkezett, mind a 10 darab elektronikai alkatrészből, aminek szemcsemérete x <1mm [I.38; I.39; I,40; I.41; I.42; I.43; I.44; I.45; I.46; I.47. ábra]. Az analitikai vizsgálatokhoz a leaprított elektronikai alkatrészekből legfeljebb 20 g-os mintákat készítettünk elő [I.23. táblázat]. Az aprítás eredmény 1 mm-es szitabetét használatával I.38. ábra: Számítógépek Integrált áramköre [16] I.39. ábra: Számítógépek ellenállása [16] 38
I.40. ábra: LCD/Plazma Tv Ellenállása [16] I.41. ábra: Régi Tv Ellenállása [16] I.42. ábra: Számítógépek Induktivitása [16] I.43. ábra: Számítógépek Oszcillátor kristálya [16] I.44. ábra: Számítógépek kondenzátora [16] I.45. ábra: LCD/Plazma Tv kondenzátora [16] 39
I.46. ábra: Régi Tv kondenzátora [16] I.47. ábra: Számítógép tranzisztora [16] Az analitikai vizsgálatra elküldött minták tömegei, alkatrész típusonként: Elektronikai alkatrész Jelölések [g] Integrált áramkör (Számítógépek) IC.Sz 20,58 Ellenállás (Laptop/Számítógépek) R. L/Sz 9 Ellenállás (LCD/Plazma tévék) R.L/P 5,1 Ellenállás (Régi tévék) R.R.Tv 20,59 Induktivitás (Számítógépek) L.Sz 20,4 Oszcillátor kristály (Számítógépek) X.Sz 6,58 Kondenzátor (Laptop/Számítógépek) C.L/Sz 21,75 Kondenzátor (LCD/Plazma tévék) C.L/P 1,86 Kondenzátor (Régi tévék) C.R.Tv 20,62 Tranzisztor (Számítógépek) T.Sz 20,48 I.23. táblázat: Analitikára küldött elektromos alkatrészek tömegei A kimért minták analitikai kiértékelését Magyar Tudományos Akadémia Természettudományi Kutatóközpont Anyag - és Környezetkémiai Intézet Környezetanalitikai Kutatócsoportja végezte el. Mind a tíz minta esetében a feltárást királyvíz jelenlétében ICP-MS vizsgálati módszerrel végezték el, egy zárt mikrohullámú roncsolóban 100 C. Egy adott minta roncsolásának az időtartama 120 perc volt. Az ICP- MS vizsgálat nagy előnye, hogy képes gyors sokelemes meghatározásra a periódusos rendszer mintegy 70-75 elemére [43]. A következőkben mind a 10 minta elemzési adatait közlöm, olyan formában, hogy - egy-egy diagramban - adott kritikus elem koncentrációját ábrázolom minden alkatrész típus esetében. 40
I.1. diagram: Berillium koncentráció eloszlása [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 Be 0,4 0,2 0 0,3 0,8 1,6 0,3 0,3 0,3 0,3 1,5 0,8 0,3 A berillium, 2014-es piaci értéke 25,58 Ft/g [44]. A fenti diagramról leolvasható, hogy a berillium a legnagyobb mértékben az LCD/plazma Tv kondenzátoraiban, illetve ellenállásaiban, míg legkisebb mértékben az összes többi elektronikai alkatrészben fordul elő. 41
I.2. diagram: Kobalt koncentráció eloszlása [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 300 250 200 150 100 Co 50 0 11,4 14,9 12,3 29,7 11,2 36 1330 233 124 12,2 A kobalt 2015-ös piaci értéke 1,6 Ft/g [45]. A fenti diagramról jól megfigyelhető a kobalt legnagyobb és legkisebb koncentrációjának az eloszlása. A legnagyobb mértékű előfordulás a számítógépek ellenállásában van, a legkisebb mértékű pedig az oszcillátor kristályokban. I.3. diagram: Gallium koncentráció eloszlása [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 70 60 50 40 30 Ga 20 10 0 0,9 39 60,7 29,4 45,8 11 23,6 16,8 4 1,5 A gallium 2014-es piaci értéke 100,86 Ft/g [44]. Legnagyobb mennyiségben LCD/plazma Tv kondenzátoraiban, a legkisebb mértékben pedig a tranzisztorokban fordul elő. 42
I.4. diagram: Germánium koncentráció eloszlása,[mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 45 40 35 30 25 20 15 Ge 10 5 0 0,3 2,6 39,9 5,3 0,3 4 7,9 13,7 5,1 1,3 A germánium 2014-es piaci értéke 529,4 Ft/g [44]. Legnagyobb előfordulásuk az LCD/plazma Tv kondenzátoraiban, a legkisebb pedig a tranzisztorokban és oszcillátor kristályokban fordul elő. I.5. diagram: Indium koncentráció eloszlása, [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 35 30 25 20 15 In 10 5 0 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 36,5 0,3 0,3 9,7 Az indium 2014-es piaci értéke 204,79 Ft/g [44]. A diagram jól szemlélteti, hogy a legnagyobb mértékű előfordulás a számítógépek ellenállásaiban van, a legkisebb pedig az összes többi elektronikai alkatrészekben. 43
I.6. diagram: Magnézium koncentráció eloszlása, [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 3500 3000 2500 2000 1500 Mg 1000 500 0 690 1390 1740 2250 880 750 840 560 3250 560 A magnézium 2015-ös piaci értéke 0,65 Ft/g [46]. A fenti diagramról jól leolvasható, hogy a magnézium a legnagyobb mértékben a régi Tv ellenállásaiban és kondenzátoraiban fordul elő, de szinte az összes vizsgált elektronika alkatrészben jelen van. Legkisebb előfordulásuk az integrált áramkörökben illetve a régi tv ellenállásaiban tapasztalható. I.7. diagram: Nióbium koncentráció eloszlása, [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 400 350 300 250 200 150 Nb 100 50 0 0,9 236 382 64,8 1 1 25,7 30,1 8,6 3,6 A nióbium 2014-es piaci értéke 11,7 Ft/g [44]. A fenti diagramról jól leolvasható, hogy a nióbium legnagyobb mennyiségben az LCD/plazma tévék kondenzátoraiban, míg a tranzisztorokban a legkisebb mennyiséggel van jelen. 44
I.8. diagram: Platina koncentráció eloszlása, [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 2,5 2 1,5 1 Pt 0,5 0 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 A platina 2015-ös piaci értéke 10,49 Ft/g [47]. A diagramról leolvasható, hogy a platina legnagyobb mennyiségben az LCD/plazma tévék kondenzátoraiban fordul elő a legkisebb, mértékben pedig az összes többi elektronikai alkatrészekben. I.9. diagram: Antimon koncentráció eloszlása, [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 3000 2500 2000 1500 1000 Sb 500 0 1990 612 3470 2930 1030 42,1 1370 1190 333 2310 Az antimon 2014-es piaci árfolyama 0,54 Ft/g [44]. A fenti diagramon az antimon a legnagyobb mennyiségben az LCD/plazma tévék kondenzátoraiban, míg legkisebb mennyiségben az induktivitásokban fordul elő. 45
I.10. diagram: Tantál koncentráció eloszlása, [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 12 8 4 Ta 0 0,3 4,7 7,4 10,1 0,3 0,3 4,8 4,4 3,4 3,2 A tantál 2015-ös piaci értéke 49,19 Ft/g [48]. Látható, hogy a fenti diagramon a tantál a legnagyobb mértékben a számítógépek kondenzátoraiban fordul elő. Tranzisztorokban, oszcillátor kristályokban valamint az induktivitásokban pedig a legkisebb mértékben. I.11. diagram: Volfrám koncentráció eloszlása, [mg/kg] az elektronikai alkatrészekben [16]. [mg/kg] 160 140 120 100 80 60 W 40 20 0 13,7 25,4 23,2 44,9 11,9 5,7 16 25,4 152 15 A volfrám 2014-es piaci értéke 22,29-122,60 Ft/g értékek között mozog, a tisztaság függvényében [44]. A diagramon a legnagyobb arányban a régi tévék ellenállásai tartalmaznak volfrámot és az induktivitások a legkisebbet. 46
6. Technológiai javaslat Az elvégzett kísérletek alapján a következő technológiát javaslom az elektronikai hulladékokból származó NYÁK lemez előkészítésére a nemes, ritka és ritkaföldfém A kémiai vizsgálatok megmutatták, hogy a NYÁK lemezt felépítő elektronikai komponensekben a kritikus elemek koncentrációja eltérő valamint, hogy NYÁK típusonként is nagy eltérések figyelhetők meg a kritikus elemek eloszlásában. Az eredményekből jól látszik, hogy a kritikus elemek a 6 elektronikai komponens közül számottevően csak 4-ben fordulnak elő (kondenzátor; ellenállás; oszcillátor kristály; integrált áramkör) nagyobb koncentrációban, a maradék kettőben (tranzisztor; induktivitás) elhanyagolhatóak. Az analitikai kiértékelésnek köszönhetően megtudtam, hogy a vizsgált három darab NYÁK típus (számítógépek; LCD/plazma Tv; régi Tv) elektronikai alkatrészeiben található kritikus elemek előfordulását, nagymértékben befolyásolja maga a NYÁK típusa is, ahogy azt az I.24. ábra mutatja. Számítógépek NYÁK lapjairól leválasztott alkatrész típusok esetében a kobalt, indium, nióbium, volfrám, gallium, magnézium, antimon kritikus elemek előfordulása a számottevő. Ellenállás (kobalt; indium), kondenzátor (nióbium; volfrám), oszcillátor kristály (gallium; magnézium), integrált áramkör (indium; antimon). Az LCD/plazma tévék NYÁK lapjai esetében a berillium, kobalt, gallium, germánium, magnézium, nióbium, platina, antimon, tantál kritikus elemek előfordulása a számottevő a következő alkatrész típusokban: kondenzátor (berillium; gallium; germánium; magnézium; nióbium; platina; antimon; tantál), ellenállás (berillium; kobalt; germánium). A régi típusú tévék NYÁK lapjai esetében a magnézium, antimon, tantál és a volfrám kritikus elemek lelhetők fel az alábbi elektronikai alkatrészekben: kondenzátor (magnézium; antimon; tantál; volfrám), ellenállás (magnézium; volfrám). I.24. ábra: A kritikus elemek tömegszázalékos eloszlása az elektronikai komponensekben 47
A rendelkezésre álló adatok, és vizsgálatok alapján célszerűnek tartom az elektronikai alkatrészek 4+1 (kondenzátor; ellenállás; oszcillátor kristály; integrált áramkör+tranzisztor; induktivitás) csoportba történő szétválasztását, ami a kritikus elemek kinyerése szempontjából célszerű. A kutatásnak egy következő lépése a tényleges leválasztási technológia megtervezése és a gazdasági értékelés. Az általam elvégzett szisztematikus vizsgálatok már kellő alapot jelentenek ennek az elvégzéséhez. 48
7. Összegzés Gyorsuló világunk egyik nagy problémája a keletkezett elektronikai hulladékok mennyisége, mely a közeljövőben csak nőni fog. A növekedésnek az ütemét kb. 5-10%-ra becsülhetjük a rendelkezésre álló statisztikai adatok alapján. Évente 40-50 millió tonna elektronikai hulladék keletkezik világszerte. Magyarországon 130 ezer tonna/év, melyből mindössze csak 30,77% kerül begyűjtésre. Elhelyezésük hulladéklerakókban nem megoldás, mivel a számunkra értékes kritikus elemek (tantál, germánium, kobalt, nióbium, magnézium, antimon, volfrám, berillium stb.) akkor kárba vesznek. Szakdolgozatom célja a NYÁK előkészítése a nemes-, ritka- és ritkaföldfémkoncentrátumok előállítása érdekében. A kutatásom e nyersanyagok vizsgálatára irányult, részben a természetes ásványi nyersanyagok, részben a különböző eredetű másodnyersanyagok, maradvány anyagok tekintetében. Első lépésben hidegvágó segítségével leválasztottam az elektronikai komponenseket, a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézete által beszerzett különböző (számítógépek/laptopok, LCD/plazma tévék valamint régi típusú rádiók/tévék) NYÁK lapokról. Ezt követően kézzel csoportokra osztottam (szétválogattam) a leválasztott elektronikai alkatrészeket, majd fizikai és kémiai vizsgálatokat végeztem. A fizikai tulajdonságok ismeretében a leválasztott elektronikai komponenseket többlépcsős aprításnak vetettük alá, hogy a kémiai vizsgálatokhoz szükséges elemzési minta előírt szemcseméretét x <1 mm elérjük. A leválasztott elektronikai alkatrészek kezdeti szemcsemérete viszont túl nagy volt ahhoz, hogy feladásra kerüljenek a Retsch SM 2000 vágómalomba. Ezért az aprítás első lépcsője az Intézet aprító- osztályozó-darabosító laboratóriumában található mobil kalapácsos törőben történt. A feladott alkatrészeket egy 5 mm-es szitabetét mellett adtuk fel. Az aprítás második lépcsőjében a vágókések megóvása végett az alkatrészeket háromszor adtuk fel a Retsch SM 2000 vágómalomra, sorban 4mm, 2 mm,1 mm szitabetét mellett. Ezt követően az x <1 mm-es szemcsefrakciót analitikai vizsgáltra elküldtük, majd a kapott eredményeket diagramon ábrázoltam. Az I.24. ábra alapján és a rendelkezésre álló adatok, vizsgálatok ismeretében célszerűnek tartom az elektronikai alkatrészek 4+1 (kondenzátor; ellenállás; oszcillátor kristály; integrált áramkör+tranzisztor; induktivitás) csoportba történő szétválasztását, ami a kritikus elemek kinyerése szempontjából előnyös. A kutatásnak egy következő lépése a tényleges szétválasztási technológia megtervezése és a gazdasági értékelés. Az általam elvégzett szisztematikus vizsgálatok már kellő alapot jelentenek ennek az elvégzéséhez. 49