废弃电路板中有毒有害金属的真空蒸发分离与冷凝回收机理

基于废弃电路板经破碎和分选后的金属为混合金属颗粒，根据混合金属元素中各组分在同一温度下，具有不同的蒸气压，在真空中通过蒸发与冷凝，使其分别在不同温度下相互分离，研究废弃电路板中金属多组元体系中金属元素的气化?冷凝?纯金属转变的热力学和动力学条件，得出混合铜、铅、镉、锌等多组元多体系在加热过程固态真空蒸发-冷凝分离机制，建立多元多体系混合金属的分离判剧，揭示废弃电路板中低熔点、高蒸气压铅、镉等的固态真空冶金分离和冷凝机理，使电子废弃物多元混合金属元素得到分离和回收，避免了在回收铜冶炼过程中有毒、有害金属（铅、镉等）蒸发到大气中，并实现了铅、镉等的分离与回收。混合金属粉的固态真空蒸发-冷凝分离方法同传统的金属熔体真空冶金分离方法比，具有分离温度低，低能耗的特点，为电子废弃物混合金属中有毒有害重金属的分离和提纯提供理论依据，为废弃电路板的资源化回收和再利用提供绿色的、无污染的、高效的新方法。

以废弃印刷电路板经破碎-分选后得到的混合金属颗粒作为研究对象，自行研制真空分离设备一台，研究各金属颗粒蒸发-冷凝的热力学和动力学条件，得出混合金属颗粒中高蒸气压、低熔点金属的蒸发-冷凝分离机制，揭示多元混合金属在真空分离过程中的相互影响作用机制，并实现了铅、镉等金属的分离与回收。主要取得以下研究成果:(1) 发现混合金属颗粒中锌、镉由固态直接升华，蒸发过程受到表面氧化膜的阻碍，粒径越小，阻碍作用越大；铅、铋颗粒由固态熔化为液态进而蒸发，粒径越小，形成的液滴蒸气压越大，蒸发速率也越大，蒸发速率可以用Langmuir-Knudsen公式描述。结合各种金属元素的蒸气压差异和纯金属颗粒的蒸发率差别，得出混合金属颗粒中锌、镉、铅、铋真空冶金的分离判据，根据判据，将易挥发金属颗粒进行分离，混合物中目标金属的分离率达90 %以上。(2) 从动力学角度，混合金属颗粒的真空分离过程分为金属颗粒蒸发/升华、金属蒸气扩散I（即颗粒间扩散）、金属蒸气扩散II（即炉膛内扩散）以及冷凝四步。扩散I阶段，铜颗粒料层厚度对混合物中金属的蒸发分离起到阻碍作用，扩散II阶段，高真空有利于高蒸气压金属的分离。(3) 对于多元混合金属颗粒，由于铜颗粒的阻碍作用，各种易挥发金属蒸发率之间的差异缩小，很难实现依次分离。当金属混合颗粒中同时含有铋和铅时，铋与铅形成负偏差合金——铅铋合金，蒸气压小于铅或铋，使铅的蒸发分离更为困难，在1123 K下，需要较长的加热时间(135-150 min)才能使分离率达90 %以上，但镉等高蒸气压金属可以在低温下优先与铜分离，在1023 K下加热60 min，镉的分离率接近100 %，然后再分离铅和铋；当同时含有锌和铅时，锌和铅在1123 K下加热90 min，利用锌和铅的冷凝位置和冷凝形貌不同，实现了铜富集体中铅、锌的共同蒸发分离与分别回收。根据各种金属蒸发与冷凝特性的差异，将优先分离与共同蒸发分离相结合，可以实现混合金属颗粒中易挥发金属的分离与回收。. 焊锡-铜混合颗粒的铅分离率高于单纯焊锡，大量铜颗粒的存在使得焊锡中的铅更易于蒸发分离，存在多层蒸发效应和铜-锡合金化效应，当真空度维持在0.1-1 Pa，在1123 K下加热90 min，铅分离率可达到95 %以上。真空分离铜富集体中的焊锡，得到的青铜色聚集体富含金属锡，使原本分散分布的锡得到富集，进一步资源化利用。