UNIVESITY OF PANNONIA DOCTORAL SCHOOL OF CHEMICAL ENGINEERING AND MATERIAL SCIENCES
RECYCLING OF WASTE ELECTRICAL AND ELECTRONIC EQUIPMENT Environmental life cycle assessment and life cycle cost assessment of treatment of waste printed wiring boards by pyrolysis
Ph.D. theses
Author: Bálint Simon Environmental Engineer (Diploma) Research and Development Engineer (M.Sc.)
Supervisor: Dr. Szakácsné Dr. Rita Földényi Ph.D.
University of Pannonia 2013
Introduction The lifetime of electric and electronic equipment becomes shorter and shorter, due to the quickly technical amortization caused by the rapid progress in development. The shorter lifespan is generating higher amounts of waste electrical equipment (WEEE). The planning of waste management is a complex task with a lot of issues that have to be handled. The main components of these problems are the environmental impacts, costs and social effects of waste treatment. The optimization of a waste management system requires the assessment of a wide range of treatment technologies. This technology assessment allows considering different approaches. Furthermore some components of WEEE require investigating alternative technologies, which are only in pilot or laboratory scale. The WEEE comprises almost the entire periodic table of the elements. This property makes an excellent research basis to investigate a complex waste management system.
Goal and scope The research focuses on the sustainability aspects and modeling of waste management systems for WEEE. The main goal is the determination of environmental-economical properties for a waste management system which comprises an alternative not integrated technology. The WEEE was chosen for this purpose due to the mentioned complex composition. Therefore a wide range of treatment technologies is analyzed in the model. The pyrolysis of printed wiring boards is modeled as the alternative waste treatment method. The result of the model is a methodology for supporting the decision making in environmental policy of WEEE treatment. Research questions: Can the methodology be used for the estimation of hot spots in WEEE treatment in order to improve them? A model, which is based on material flow analysis (MFA) and environmental life cycle analysis (LCA) as well as life cycle cost analysis (LCC) allows to answer this question. The model is a network of processes managed by parameters which have influence on each other and thereby on the environmental-economic performance of the whole system. What is the role of the WEEE components in the properties of the whole system? For instance the recycling of plastic does not produce a high economic value for the companies, and the forced plastic recycling could lead to losing valuable materials by dust emission or dissipation effects. The methodology supports to select the priority of WEEE components. What is the role of the treatment processes in the economic and ecological properties of the whole system? It is important to investigate the effect of technologies on the ecological and economic performance of the whole system. The used methods are LCA and LCC. What are the features of the pilot scale printed wiring board (PWB) pyrolysis? A fixed bed batch pyrolysis reactor was built for PWB pyrolysis of several kilograms of material. In order to answer this question the qualitative and quantitative analysis of pyrolysis products will be conducted. Can the pyrolysis be used for treatment of waste PWB? The pilot scale pyrolysis and other industrial scale pyrolysis processes supply information for the LCA model. The integration of the LCA model into the model of waste management allows answering this question.
-2-
Is it possible to integrate lab or pilot scale processes into existing systems? The LCA model of pyrolysis is integrated into the whole model of WEEE management by using scale up method of the environmental properties. What are the general differences between economic and ecological properties of pyrolysis and smelting of waste PWB? The LCA and LCC support the comparison of the both technologies considering a wide range of aspects like environmental impacts, costs and effects on employment. Which method can support the evaluation of environmental policy? The environmental LCC allows defining the cost and incomes regarding the model processes. This allows monetizing the WEEE. The LCA supports the environment related decision, while the social aspects are considering the employment. This dissertation focuses on the following hypotheses: 1. 2.
3. 4.
There is an exact temperature and/or residence time window, where the plastic fraction of PWB would decompose by 100%. The environmental features of an experimental process could be estimated by using information from laboratory and pilot scale PWB pyrolysis as well as information from other pyrolysis processes. The environmental profile of bigger scale pyrolysis is better. The pyrolysis of waste PWB is competitive with the smelting process. The combination of LCA, LCC and some social aspects results in a methodology for supporting the decision making of environmental policy.
Methods To answer the questions of “goal and scope” and to inspect the hypotheses the following work was performed: 1. 2. 3.
pilot scale pyrolysis, and qualitative and quantitative analysis of products modeling of WEEE management conducting a MFA, LCA and LCC.
This work required the following experiments and computational modeling: -
Determination of metal content of untreated waste PWB by microwave digestion and atom absorption spectroscopy Pyrolysis of waste PWB in a self-made pilot scale fixed bed batch reactor Qualitative and quantitative analysis of the produced pyrolysis gases by gas chromatography Analysis of CO2 content of pyrolysis gas by Orsat-method Material flow assessment of WEEE management LCA and LCC modeling of WEEE treatment
-3-
Theses 1.
2.
3. 4.
5.
6.
The optimal pyrolysis temperature and residence time for PWB pyrolysis was evaluated. At 450 °C and 1 hour residence time 100 % of plastic content was decomposed. a. At 450 °C 150 to 200 % more gas and oil were produced by than at 350 °C. That means the sample still contained plastic fraction after pyrolysis at 350 °C. b. The oil yield at 600 °C was smaller than at 450 °C by 20 to 37 %. That means after the entire decomposition of plastic fraction at 600 °C the oil-gas conversion became significant. This leads to increased volume and higher energy content of pyrolysis gas, what seems to be optimal, but the additional energy consumption of the reactor heating is significantly higher than the extra energy content of pyrolysis gas. It is proven, that the qualitative and quantitative properties of products of lab scale PWB pyrolysis correlates with the pilot scale PWB pyrolysis. Therefore these can be employed for LCA modeling. a. Regarding the condition of products Mazzocchia et al. and Quan et al. reported similar results for laboratory scale experiments as the pilot scale observed in this thesis (Quan et al. 2010; Mazzocchia et al. 2003) b. The gas analysis by gas chromatography proves, that the main components of pyrolysis gas are hydrogen, methane, carbon dioxide and carbon monoxide. GC-MS investigations show that the main components of pyrolysis oil are phenol and other brominated derivatives. These results are similar to the laboratory scale results reported in international journals (see: (Md Azhar et al. 2002; Bhaskar et al. 2007; M. Blazsó, Zs. Czégény 2002)) LCA and LCC indicate that the PWB pyrolysis is competitive with the PWB smelting regarding environmental and cost impacts. An entire life cycle inventory (LCI) for WEEE treatment was established, and is made available in Ecospold 3.0, ILCD and GaBi database format. Furthermore a parameter system was integrated in LCI that allows analyzing the system, considering a wide range of aspects and scenarios. The integration of PWB pyrolysis into a LCA-model using laboratory and pilot scale data was conducted first time. Thereby LCA modeling of similar laboratory or pilot scale processes is possible in future. A 3 dimensional matrix and new decision indexes were created for decision supporting in WEEE management systems.
References Bhaskar, Thallada, William J. Hall, Nona Merry M. Mitan, Akinori Muto, Paul T. Williams, and Yusaku Sakata. 2007. “Controlled Pyrolysis of Polyethylene/polypropylene/polystyrene Mixed Plastics with High Impact Polystyrene Containing Flame Retardant: Effect of Decabromo Diphenylethane (DDE).” Polymer Degradation and Stability 92 (2) (February): 211–221. doi:10.1016/j.polymdegradstab.2006.11.011. M. Blazsó, Zs. Czégény, C. Csoma. 2002. “Pyrolysis and Debromination of Flame Retarded Polymers of Electronic Scrap Studied by Analytical Pyrolysis.” Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 64: 249–261. Mazzocchia, Carlo, Akim Kaddouri, Giovanni Modica, Roberto Nannicini, Guido Audisio, Costantino Barbieri, and Fabio Bertini. 2003. “Hardware Components Wastes Pyrolysis: Energy Recovery and Liquid Fraction Valorisation.” J. Anal. Appl. Pyrolysis 70: 263–276. Md Azhar, Uddin, Bhaskar Thallada, Kaneko Jun, Muto Akinori, Sakata Yusaku, and Matsui Toshiki. 2002. “Dehydrohalogenation During Pyrolysis of Brominated Flame Retardant Containing Hihg Impact Polystyrene (HIPS-Br) Mixed with Polyvinylchloride (PVC).” Fuel 81: 1819–1825. Quan, Cui, Aimin Li, Ningbo Gao, and Zhang dan. 2010. “Characterization of Products Recycling from PCB Waste Pyrolysis.” Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 89 (1) (September): 102–106. doi:10.1016/j.jaap.2010.06.002.
-4-
Presentations, Posters and Papers papers (Hungarian and English): 1.
Simon B., Tamaska L., Szakácsné Földényi R.: Elektronikai hulladékok az LCA szemszögéből, Környezetvédelem, XVI. évf., 5. sz., 26-28., 2008
2.
Simon B., Tamaska L., Szakácsné Földényi R.: „Dinamikus rendszermodellek alkalmazhatósága az életciklus-elemzésben” Eco-mátrix 2009/1, ISSN: 2061-344X
3.
Bálint Simon, Rita Földényi, László Tamaska: “Umweltschutz in Osteuropa - Erste Schritte in der weiteren Anwendung der Lebenszyklusanalyse mit Ökobilanz von Elektro- und Elektronik-Altgerät (EAG) Behandlung in Ungarn” ReSource, 2/2010 ISSN1868-9531
4.
B.Simon, L. Tamaska, N. Kovats: Analysis of global and local environmental impacts of bus transport by LCA methodologies Hungarian Journal of Industrial Chemistry Veszprém Vol. 38(2). pp. 155-158 (2010)
5.
Weil, M.; Dura, H.; Simon, B.; Baumann, M.; Zimmermann, B.; Ziemann, S.; Lei, C.; Markoulidis, F.; Lekakou, T.; Decker, M.: Ecological assessment of nano-enabled supercapacitors for automotive applications.. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 40(2012)012013, DOI: 10.1088/1757-899X/40/1/012013
6.
Manuel Baumann, Bálint Simon, Hanna Dura, Marcel Weil: The contribution of electric vehicles to the changes of airborne emissions, 2nd IEEE ENERGYCON Conference & Exhibition, 2012 / Sustainable Transportation Systems Symp, IEEE catalog number: CFP1233M-CDR; ISBN: 978-1-4673-1452-7; 9-12.09.2012
7.
Simon, B.; Zimmermann, B.; Weil, M.: Meta-analysis of lithium-ion traction batteries´ LCAs. Society of Environmental Toxicology and Chemistry SETAC EUROPE 18th LCA Case Study Symposium. Kopenhagen, Dänemark, 26.-28.11.2012 ISBN 978-87-9270665-2 Proceeding book
8.
Simon B.: „A rendszerhatárok és a hatásvizsgálati módszer megválasztásának szerepe az LCA eredményében – az elektromos-energia előállítás példáján keresztül” Eco-mátrix 2012/1-2, ISSN: 2061-344X
9.
Balint Simon, Marcel Weil:: „Analysis of materials and energy flows of different lithium ion traction batteries” Revue de Métallurgie 110 (1) 2013, DOI: 10.1051/metal/2013056
Research reports: 1.
2. 3. 4. 5. 6. 7.
Bay Zoltán kutató Intézetnek elvégzett kutatás: „Magyar hulladékgazdálkodási szektor életciklus-elemzése” A Hazai on-line LCA adatrendszer kialakítása a vállalkozások környezetbarát fejlesztésének támogatására - GVOP 3.1.1 – 2004-05 0248/3.0; projekthez; Bay Zoltán kutató intézetnek elvégzett kutatás: „Magyar Energetikai szektor életcikluselemzése.” A Hazai on-line LCA adatrendszer kialakítása a vállalkozások környezetbarát fejlesztésének támogatására - GVOP 3.1.1 – 2004-05 0248/3.0; projekthez; 2006.11.15. 2007.03.01: Kutatási Jelentés 1. rész: Baross Gábor Innovációs Program, KözépDunántúl: „Technológiai javaslat kidolgozása az elektronikai hulladék környezetbarát hazai feldolgozására” – KD_INTEG_5-KMPEHFVE 2008.03.01: Kutatási Jelentés 2. rész: Baross Gábor Innovációs Program, KözépDunántúl: „Technológiai javaslat kidolgozása az elektronikai hulladék környezetbarát hazai feldolgozására” – KD_INTEG_5-KMPEHFVE Greencapital Tanácsadó Kft.: Magyar elektromos áram termelés LCA-ja, PR anyaghoz, 2009.02.01 Greencapital Tanácsadó Kft.: „Buszközlekedés LCA a „Zöld Busz” közbeszerzéshez”, A BKV Projektje K+F 7067 Zenon Euriope Kft megrendeléséböl: Zenon ZW500D64 Carbon and water footprint 2007 – 2009 -5-
platform and poster presentations (German, English): 1.
Bálint Simon: „Ökobilanzen, das heisst Planung hinsichtlich der Umwelt”. Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Statusseminar, 07-10.01.2008. Osnabrück, Germany
2.
.Bálint Simon: „Ökobilanzierung der Behandlung von Elektronikschrott in Ungarn” Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Statusseminar, 07-10.07.2008. Wiesenfelden, Germany
3.
A. Angyal, B. Simon, M. Miskolczi, L. Bartha, J. Kohán: Life cycle analysis of municipal plastic wastes cracking, 11tj International Conference on Environmental Scince and Technology, September 3-5. 2009, Chania, Crete, Greece
4.
Bálint Simon, Hanna Dura, Manuel Baumann, Benedikt Zimmermann, Marcel Weil: „Auswirkung der Massenproduktion von Batterien für E-Fahrzeuge in Deutschland”, 5. Entwicklersforum Akkutechnologien 18-19.04.2012, Aschaffenburg, Germany - előadás
5.
Bálint Simon, Marcel Weil: „The Effect of System Boundary and Weight of Emission Factors along the Life Cycle on the Results of a Life Cycle Assessment – Electricity Generations as Example Systems -a review –„ 6th SETAC World Congress, 2324.05.2012, Berlin, Germany, - spotlighted poszter előadás
6.
Bálint Simon, Marcel Weil: „Analysis of materials and energy flows of different lithium ion traction batteries” 6th International Conference on Society and Materials SAM6, 30.31.05.2012., Leuven, Belgium, - előadás
7.
Bálint Simon, Benedikt Zimmermann, Hanna Dura, Manuel Baumann, Saskia Ziemann, Marcel Weil: „Environmental Meta-analysis of Different Lithium-ion Batteries”, 13th UECT, 03-05.07.2012., Ulm, Germany, - poszter prezentáció
8.
Saskia Ziemann, Bálint Simon, Benedikt Zimmermann, Hanna Dura, Manuel Baumann, , Marcel Weil „Electric Mobility and its critical raw materials” - 13th UECT, 03-05.07.2012., Ulm, Germany, poszter prezentáció
9.
Manuel Baumann, Bálint Simon, Hanna Dura, Marcel Weil „The contribution of electric vehicles to the changes of airborne emissions.” IEEE-Xplore International Energy Conference and Exhibition (EnergyCon) 09-12.09.2012. Firenze, Italy, - előadás
-6-
platform and poster presentations (Hungarian): 1.
Simon Bálint, Lukács Bence, Olajos Marcel, Tamaska László: „Egy életciklus-elemző szoftver bemutatása ,példán keresztül” VEAB Környezetvédelmi Technológiák Munkabizottság, 2006.03.29, Veszprém
2.
Lukács Bence, Simon Bálint, Olajos Marcel, Tamaska László: „Az elektronikai hulladék feldolgozási technológiái” VEAB Környezetvédelmi Technológiák Munkabizottság, 2006.03.29, Veszprém
3.
Tamaska László, Simon Bálint, Lukács Bence, Olajos Marcel: „Az életciklus elemzés, és alkalmazása a terméktervezésben”. VEAB Környezetvédelmi Technológiák Munkabizottság, 2006.03.29, Veszprém
4.
Simon Bálint, Lukács Bence, Olajos Marcel, Tamaska László: „Ökodesign, környezettudatos terméktervezés az IT-szektorban – áttekintés” Pannon Gazdaságtudományi Konferencia, 2006.06.02.,– Veszprém
5.
Lukács Bence, Simon Bálint, Olajos Marcel, Tamaska László: „Csomagolóanyagok LCA és LCC elemzése” Pannon Gazdaságtudományi Konferencia, 2006.06.02. Veszprém
6.
Simon Bálint, Lukács Bence, Olajos Marcel, Tamaska László: „Az életciklus-elemzés alkalmazása a kommunális hulladék kezelésének optimalizálására” 2006.06.06. II. LCA konferencia – Miskolctapolca
7.
Lukács Bence, Simon Bálint, Tamaska László: „Hulladékká vált elektronikai berendezések kezelésének LCA-elemzése” II. LCA konferencia, 2006.06.06, Miskolctapolca
8.
Simon Bálint, Földényi Rita: „Fémek kinyerése hulladékká vált elektronikai berendezésekből, és annak környezetterhelése” Siófoki Országos Környezetvédelmi Konferencia, 2006.09.19., Siófok
9.
Simon Bálint, Földényi Rita „Hulladékká vált elektromos és elektronikus berendezések kezelése, különös tekintettel a nyomtatott huzalozású lemezekre”. Jedlik Ányos Szakmai Napok 2007.04.19 Veszprém
10. Simon Bálint, Tamaska lászló: „LCA alkalmazása a HEEB gazdálkodás tervezésekor” I. Országos Környezetvédelmi Konferencia, 2007.05.18., Veszprém 11. Simon Bálint, Tamaska László: „Az életciklus-elemzés alkalmazása a HEEB feldolgozásának modellezésében” III Országos LCA Konferencia, 2007.05.31-05.01., Balatonfüred 12. Simon Bálint, Tamaska László: „Az életciklus elemzés alkalmazása a kommunális hulladék kezelésében” III Országos LCA Konferencia, 2007.05.31-05.01. Balatonfüred 13. Simon Bálint, Tamaska László: „A mobiltelefon ökológiai lábnyoma” III Országos LCA Konferencia, 2007.05.31-05.01. Balatonfüred – Poszter 14. Simon Bálint, Földényi Rita: „Hulladékká vált NyHL-lemezek feldolgozása pirolízissel” Siófoki Országos Környezetvédelmi Konferencia és Szakkiállítás 2007.09.11., Siófok 15. Simon Bálint: „Az életciklus-elemzés alkalmazása a hulladékgazdálkodásban, különös tekintettel az elektronikai hulladékokra” A Magyar Tudomány Hete 2007, 2007.11.12-16, Dunaújváros 16. Simon Bálint, Földényi Rita: „Hulladékká vált elektromos és elektronikus berendezések (HEEB) feldolgozásának vizsgálata életciklus-elemzés (LCA) segítségével” VEAB Hulladék- és Energia Munkabizottság, 2008.03.06., Veszprém 17. Simon Bálint, Tamaska László:.: „Magyarországi villamosenergia-termelés életcikluselemzése” VEAB Hulladék- és Energia Munkabizottság 2008.03.06, Veszprém 18. .Simon Bálint, Földényi Rita: „NyHL-lemezek feldolgozása hidrometallurgiai módszerekkel” VEAB Hulladék- és Energia Munkabizottság, 2008.03.06, Veszprém 19. Molnár Viktória, Simon Bálint, Földényi Rita „Hidrometallurgia alkalmazása a NyÁKlemezek feldolgozásában” Műszaki Kémiai Napok ’08, 2008.04.22-24, Veszprém 20. Simon Bálint: „Hulladékká vált elektromos és elektronikus berendezések kezelésének optimalizálása az LCA segítségével” KÖVET INEM Hungária, Termék életciklus-elemzés (LCA) képzés, 2008.05.20 -7-
21. Simon Bálint, Földényi Rita: „Hulladékgazdálkodás tervezése az LCA segítségével - egy gyakorlati példa” IV. Országos LCA Konferencia, 2008.09.11-12, Sopron 22. Simon Bálint, Angyal András „”DfR – Design for Recycling” – új utak az LCA alkalmazásában” IV. Országos LCA Konferencia, 2008.09.11-12, Sopron 23. Simon Bálint, Földényi Rita: „Döntéshozás a hulladékgazdálkodásban LCA segítségével - egy gyakorlati példa” Siófoki Országos Környezetvédelmi Konferencia, 2008.09.16-18, Siófok 24. Simon Bálint, Földényi Rita: „Elektronikai-hulladék kezelésének alternatívái; Az LCA, mint döntéshozást segítő eszköz” Tudomány Napja Konferenciasorozat Dunaújvárosi Főiskola, 2008.11.10, Dunaújváros 25. Simon Bálint, Földényi Rita: „Laboratóriumi és irodalmi adatok alkalmazása az LCAban – példa: NyÁK-lemezek kezelése”– HEEB disszemináció, 2009.02.20, Pannon Egyetem, Veszprém 26. Simon Bálint: „Magyar villamosenergia előállításának környezeti hatásai“ V. LCA Konferencia, 23-24. 09. 2009, Budapest 27. Simon Bálint, Tamaska László: „Különböző italcsomagolások összehasonlítása az életciklus-elemzés módszerével“ A Magyar Tudomány Hete, 09. 11. 2009, Pannon Egyetem, Veszprém 28. Simon Bálint, Tamaska László, Kováts Nóra:: „A buszközlekedés lehetésges városi környezeti hatásai“ Mobilitás és környezet konferencia, 22-26.08.2010, Pannon Egyetem, Veszprém 29. Simon Bálint: „Hatás vagy kár? – Indikátorok információtartalma“ VI. LCA Országos Konferencia, 07.12.2010, Miskolc
-8-
