SZÁMÍTÁSTECHNIKA, INFORMATIKA Villamosipari és elektronikai hulladék mechanikai újrafeldolgozása Tárgyszavak: elektronikai hulladék; elektrosztatikus szeparátor; számítógép; villamosipar; nyomtatott áramkör.
A villamos- és elektronikai ipar hulladékának várható növekedése A villamos és elektronikai berendezések (EEE) gyártása világszerte nő. A régi berendezések elavulása és a piaci változások miatt bekövetkező gyakori lecserélése tovább növeli az ilyen eredetű hulladék (WEEE) mennyiségét. Nyugat-Európában 1998-ban mintegy 6 millió tonna ilyen hulladék képződött, és évi 3-5% további növekedés várható. Az USA-ban egy felmérés szerint 2004-ben kb. 315 millió számítógép jut élettartamának végére. Nem megfelelő kezelés esetén az elektronikai hulladék veszélyes anyag tartalma miatt – nem megfelelő előkezelés esetén – a lerakás környezeti károsodást okozhat. Egyre több ország törvényekkel szabályozza az ilyen hulladék kezelését és előírja annak legalább részleges újrahasznosítását, hogy csökkentsék a lerakandó hulladék mennyiségét. A kérdéssel foglalkozni kell nemcsak annak veszélyes anyag tartalma miatt, hanem az értékes komponensek visszanyerése miatt is. Az újrahasznosított anyagok esetében jelentős energiamegtakarítás érhető el a frissen gyártott anyagokhoz képest (1. táblázat). A villamos és elektronikai hulladék újrahasznosításának három fázisa van: – szétszerelés: erre feltétlenül szükség van a káros vagy a hasznos anyagokat tartalmazó komponensek elkülönítése érdekében; – „feljavítás”: mechanikai/fizikai feldolgozási lépések és/vagy metallurgiai feldolgozás a kívánatos anyag részarányának növelésére, előkészítés a finomításra; – finomítás: ez az utolsó lépés, a visszanyert anyag visszakerül a körforgásba.
A legtöbb ilyen hulladék háztartási eszközökből, televíziókból, rádiókból, videomagnókból származik. Ezek kézi szétszerelése nem gazdaságos, mert sok kis értékű nemesfémet és rezet is tartalmaznak. Jelenleg a mechanikai újrafeldolgozási eljárások fejlesztése van napirenden. 1. táblázat Az újrahasznosított anyagok felhasználásánál elérhető energiamegtakarítás a frissen gyártott anyagokkal szemben különböző anyagtípusok esetében Anyagtípus Alumínium Réz Vas és acél Ólom Cink Papír Műanyag
Energiamegtakarítás (%) 95 85 74 65 60 64 >80
2. táblázat A villamos és elektronikai berendezések főbb veszélyes alkatrészei Anyagok és alkatrészek Szárazelemek Katódsugárcsövek Higanytartalmú alkatrészek, pl. kapcsolók
Leírás Az elemekben nehézfémek, pl. ólom, higany, kadmium vannak jelen Az üveg és a fluoreszcens bevonat ólmot tartalmaz Higanyt használnak a termosztátokban, szenzorokban, relékben és a kapcsolókban (pl. nyomtatott áramkörökön, mérőeszközökben és kisülési csövekben), ezt használják még orvosi berendezésekben, adatátviteli és telekommunikációs berendezésekben, valamint mobiltelefonokban Azbeszthulladék Az azbeszthulladékot szelektíven kell kezelni Festékkazetták, folyékony, A festékkazettákat el kell távolítani, és a villamos és elektronikai hullapasztaszerű és színes festékek déktól elkülönítve kell kezelni Nyomtatott áramköri lemezek A nyomtatott áramkörök bizonyos elemeiben (speciális ellenállások, infravörös detektorok, félvezetők) kadmium fordulhat elő Folyadékkristályos kijelzők A 100 cm2-nél nagyobb felületű folyadékkristályos kijelzőket el kell távolítani a villamos és elektronikai hulladékból Poliklórozott bifenilt tartalmazó A poliklórozott bifenilt (PCB) tartalmazó kapacitásokat biztonságos ártalkapacitások matlanítás céljából el kell távolítani Halogénezett égésgátlót tartal- Az égetés során a halogénezett égésgátlót tartalmazó műanyagokból mazó műanyagok toxikus komponensek képződhetnek Fluorozott szénhidrogéneket A habokban és a hűtőegységekben levő fluorozott szénhidrogéneket tartalmazó berendezések megfelelően ki kell vonni és ártalmatlanítani, a hidrogént, klórt és fluort tartalmazó szénhidrogéneket ki kell nyerni és/vagy ártalmatlanítani kell, vagy újra kell hasznosítani Gázkisüléses lámpák A higanyt el kell távolítani
A villamos és elektronikai hulladék jellemzői Ez a hulladéktípus jellemző módon nem homogén, anyagok, komponensek szempontjából összetett. A gazdaságos és veszélytelen hasznosításhoz azonosítani kell az értékes és a veszélyes komponenseket, valamint meg kell ismerni a hulladékáram mechanikai tulajdonságait. A 2. táblázat tartalmazza azon alkatrészek listáját, amelyeket veszélyes anyag tartalmuk miatt elkülönítve kell kezelni. A villamos és elektronikai készülékek összetételét az anyagfelhasználási statisztikák alapján meg lehet becsülni (3. táblázat). A nyomtatott áramkörökből keletkező hulladék átlagban 40% fémet, 30% műanyagot és 30% kerámiát tartalmaz. Eddig az újrahasznosítás fő hajtóereje a nemesfémek visszanyerése volt, de az újabb berendezések egyre kevesebb nemesfémet tartalmaznak. Az elválasztáshoz elengedhetetlenül szükséges a komponensek főbb fizikai jellemzőinek ismerete (4–6. táblázat). A részecskék méret- és alakeloszlása alapvető jelentőségű a mechanikai reciklálási technológiában, mert minden feldolgozási módszernek megvan a maga optimális mérettartománya. 3. táblázat A villamos és elektronikai berendezések gyártásakor felhasznált anyagok összetétele Anyag Vas Színesfém Műanyag Üveg Fa Egyéb
Százalék 38 28 19 4 1 10
4. táblázat A villamos és elektronikai hulladékban szereplő rézötvözetek mágneses szuszceptibilitása, 325 RA/m térintenzitáson Anyag Alumínium – több komponensű bronz Magnézium – több komponensű bronz Különleges sárgaréz Sárgaréz (vasmentes) Ón- és ólombronz
Vastartalom (%) 2–4 1,5–3 0,7–1,2 <0,2 <0,2
Mágneses szuszceptibilitás χ (x10-7 m3/kg-1) 6,5–11,5 0,7–2,4 1,3–5,8 <0,1 <0,1
5. táblázat A villamos és elektronikai hulladékban szereplő fémek sűrűsége és villamos vezetőképessége Anyag
Sűrűség, ρ (x103 kg/m3)
Villamos vezetőképesség σ (x106 Ω-1m-1)
Réz
8,93
59,0
Cu-Zn ötvözet (Ms 58)
8,4
1,9
Alumínium
2,70
35,0
Magnézium
1,74
23,0
Ezüst
10,49
68,0
Cink
6,92
17,4
19,32
41,0
Arany Sárgaréz (vasmentes)
8,40
15,0–26,0
Nikkel
8,90
12,5
Ón
7,29
8,8
11,34
5,0
7,7
0,7
Ólom Acélötvözet
6. táblázat A villamos és elektronikai hulladékban szereplő műanyagok fajlagos térfogati ellenállása és sűrűsége Műanyag Poli(vinil-klorid) PVC
Fajlagos térfogati ellenállás (Ωm)
Sűrűség (x103kg/m3)
109–2x1012
1,16–1,38
14
0,91–0,96
Akrilnitril-butadién-sztirol, ABS
14
10
1,04
Polisztirol, PS
1014
1,04
10
15
0,90
10
12
1,14
Polietilén, PE
Polipropilén, PP Poliamid, PA Poliészterek, PET és PBT Polikarbonát, PC Elasztomer (Neoprén, SBR, szilikon stb.)
10
1–1,4x1013 8,2x10 9
1,31–1,39
14
1,22
15
0,85–1,25
10 –10
Számítógép-hulladékból és nyomtatott áramköri lemezekből kalapácsmalommal készült őrlemény szemcseméretét vizsgálva kiderült, hogy a fém nagyobb része az 5 mm alatti tartományban van, és mindkét hulladék esetében a tömeg 99%-a felszabadul, azaz őrölhető. Két lépésben történő őrlés esetén az első lépésben a teljes tömeg 96,5%-a, második lépésben 99,5%-a az 5 mm alatti tartományban volt megtalálható. Az anyagtípusok eloszlását vizsgálva azt találták, hogy az alumínium nagy része 6,7 mm-nél nagyobb, durva frakcióban, az egyéb fémek inkább 5 mm-nél kisebb, finom frakcióban halmozódtak fel. A részecske alakjának is hatása van a feldolgozhatóságra, de az eltérő alakot szétválasztásra is fel lehet használni. A megfelelő részecskealak az őrlés paramétereinek megválasztásával tudatosan befolyásolható.
Szétszerelés A szétszerelés olyan tudatos tevékenység, amelynek célja egyes részegységek eltávolítása. A szétszerelés lehet részleges vagy teljes. A szétszerelés folyamatát és technológiáját gondosan meg kell tervezni az alábbi szempontok figyelembevételével: – A bejövő és kimenő termékek analízise. Ebben a fázisban azonosítani kell az újrahasznosítható, az értékes és a veszélyes komponenseket. Előzetes költségkalkuláció után meg kell határozni az optimális szétszerelési módszert. – Az összeállítási/szétszerelési folyamat analízise. A második fázisban az összekötő elemeket, a komponensek hierarchiáját és a korábbi összeállítás lépéseit kell vizsgálni. – Bizonytalansági tényezők analízise. A bizonytalansági tényezők származhatnak hibás termékek vagy összekötő elemek jelenlétéből a bejövő anyagáramban, de ilyen tényezők származhatnak a felhasználás során bekövetkező változásokból és a szétszerelés során bekövetkező károsodásból. – A szétszerelés stratégiájának meghatározása. A végső fázisban el kell dönteni, hogy roncsolásos vagy roncsolásmentes módszert alkalmazzunk-e. Egy kézi szétszerelést alkalmazó technológia menetét mutatja az 1. ábra. A módszerek fejlesztése mellett a szétszereléshez természetesen hatékony és rugalmas berendezések is szükségesek. Nagy lehetőség nyílna a robotok alkalmazására, amelyeket a gyártásnál is sikerrel alkalmaznak. Sajnos egyelőre nagyon kevés helyen folynak fejlesztések az automatizált szétszerelésre. A használható veszélyes és értékes anyagok
standard komponensek (IC-k)
újrahasznosítás
kábelek, nyomtatott áramkörök nagy fémkomponensek
további kezelés
fém–műanyag keverék elektronikai hulladék
szétszerelés
finomítás üveg műanyag, fa szárazelem
energetikai hasznosítás különleges kezelés
higany üveg (ólomtartalmú) halogéntartalmú műanyag
különleges lerakás
ártalmatlanítás
1. ábra Egy svéd elektronikai cégnél kidolgozott, kézi szétszerelést alkalmazó technológia elektronikai hulladék hasznosítására elkülönítése miatt ezen a területen a szétszerelés nem kerülhető el. 70 szakértő bevonásával „brainstorming”-ot (ötletrohamot) és vitanapot tartottak, és ennek alapján megvalósíthatónak tűnik a teljes automatizálás, a többség szerint már 2010 körül, bár mások szerint a háztartási elektronikai eszközök („barnaáru”) és a mosógépek, hűtők, mosogatógépek stb. („fehéráru”) automatizált szétszedése csak 2020 után válik gazdaságilag rentábilissá. Az automatizálást nehezíti, hogy túl sok típus van a piacon, az egyes típusok darabszáma nem túl nagy, a jelenlegi termékeket nem úgy tervezték, hogy könnyű legyen szétszedni őket, probléma továbbá a használt berendezések begyűjtése. Szerencsére az utóbbi
időben egyre többet foglalkoznak olyan szerkezetek tervezésével, amelyek mintegy „maguktól” szétszerelhetők, aktív módon támogatják a szétszerelés folyamatát (pl. alakmemóriával rendelkező polimerek, ötvözetek).
A mechanikai/fizikai újrafeldolgozás módszerei A szitálást részben a méret szerinti szétválasztáshoz, részben a fémtartalom növeléséhez használják. A fémek, műanyagok és kerámiák szemcseméret- és alakeloszlása általában eltérő. A forgódobos szitálást alkalmazzák autóipari hulladékok és települési szilárd hulladék szétválasztásában is. Ezek az eszközök kevéssé hajlamosak az eltömődésre, ami különösen fontos egy olyan heterogén anyag esetében, mint a hulladék. A rázószitás megoldás is elég elterjedt, de itt komoly problémát jelent az eltömődés. Az alak szerinti elválasztás technológiáját a porokat és őrleményeket gyártó ipar fejlesztette ki. Az alak szerinti elválasztásnál kihasználhatják az eltérő mozgási sebességet egy dőlt felületen, adott alakú nyílásokon való áthaladást, a részecskék és a fal közti kohéziót, valamint a szedimentációs sebesség eltérését folyadékban. A szállítószalagon vagy rázóasztalon végzett szétválasztást már régen használják kábelhulladék, nyomtatott áramköri hulladék és személyi számítógép hulladékának szeparációjához. A ferromágneses fémeknek a nem mágneses fémektől, ill. egyéb anyagoktól való elválasztására már régen alkalmazzák a mágneses módszert, lassan forgó dobokkal kombinálva. A ritkaföldfémet tartalmazó állandó mágnesek megkönnyítik a nagy hatékonyságú szeparátorok tervezését. A 4. táblázat adataiból látható, hogy bizonyos rézötvözetek is elválaszthatók ezzel a módszerrel más, nem ferromágneses fémkomponensektől. A villamos jellemzők eltéréseit (5. és 6. táblázat) több módszer is használja, nevezetesen az örvényáramos módszer, az (elektrosztatikus) koronaszeparáció és a triboelektromos módszer (a módszerek részleteit illetően ld. a 7. táblázatot). Az örvényáramos elválasztási módszer megjelenését is a ritkaföldfém mágnesek bevezetése tette lehetővé. A szeparátorokat eredetileg arra fejlesztették ki, hogy az autóipari hulladékból a színesfémek és a nemfémek elválasztását lehetővé tegye, de most már számos más helyen is alkalmazzák. Különösen jól alkalmazhatók a viszonylag nagyobb darabokat tartalmazó hulladékáramok esetében.
7. táblázat Az anyagok villamos jellemzőinek különbözőségeit felhasználó mechanikus elválasztási eljárások Eljárás
Elválasztási kritérium
Elválasztás alapelve
Örvényáram
Villamos veze- Taszító erők ébrednek a villaSzínestőképesség és mosan vezető részecskékben a fém/nemfém sűrűség váltakozó mágneses tér és a elválasztás mágneses tér által a részecskékben keltett örvényáramok között
>5 mm
Korona (elektrosztatikus) elválasztás
Villamos veze- A korona töltés és a differenciált Fém/nemfém tőképesség kisülés miatt a részecskék kü- elválasztás lönbözőmértékben töltődnek, ezért különböző erőhatásoknak vannak kitéve (elsősorban tükrözési erők)
0,1–5 mm (10 mm a lamináris részecskékre)
Triboelektromos elválasztás
Dielektromos állandó
<5 (10) mm
Tribo-töltés, ellenkező előjellel (+ vagy -), amelyek különböző erőhatásokat eredményeznek
Elválasztási feladat
Műanyagok (szigetelők) elválasztása
Feldolgozható szemcseméret
Az elektrosztatikus, koronahatásra épülő szeparátorokat elsősorban a vezető és szigetelő anyagok egymástól való elválasztására lehet használni, amit a vezetőképességek sok nagyságrendnyi eltérése tesz lehetővé. Ma ezt a technológiát leginkább kábelhulladékból történő fémvisszanyerésre használják, valamint nemesfémek visszanyerésére nyomtatott áramköri hulladékból. A triboelektromos elválasztás előnyei között említhető a részecskealaktól való függetlenség, a kis energiaigény és a nagy teljesítmény. Elsősorban különböző polimerek elválasztására alkalmas. A sűrűség alapján történő elválasztást (8. táblázat) elsősorban fémek és nemfémek elválasztásában alkalmazzák. A gravitációs szeparációnál a súlyerő mellett egy másik erőt is alkalmaznak, rendszerint valamely fluidum (víz vagy levegő) áramlását. Mivel az áramlási ellenállást nemcsak a sűrűség, hanem a részecskealak és a részecskeméret is befolyásolja, a megfelelő szeparáció eléréséhez viszonylag homogén szemcseméret-eloszlású tápáramra van szükség.
8. táblázat Sűrűség alapján történő elválasztási módszerek Eljárás
Részecskeméret (mm)
Műanyag hulladék
Alumíniumhulladék
Ólomakkumulátor hulladék
Kábelhulladék
+
+
Elektronikai hulladék
Könnyűacél hulladék
Úszás/lesüllyedés Folyadékban
+
+
Nehéz közegben súlyszeparátor
5–120
hidrociklon
< 50
+
+
+
+ +
Légszuszpenzióban légcsúszda
0,7–3
+
fluid ágy + szeparátor
0,7–5
+
Szétválasztás rázással hidraulikus
2–20
pneumatikus
<3
+ +
Szétválasztás csúszdán vagy asztalon légcsúszdák
0,6–2
+
légasztalok
<4
+
Ellenáramú szétválasztás hidraulikus
5–150
pneumatikus
<300
+
+ +
Mechanikai reciklálás finomszemcsés anyagokra A fémet is tartalmazó vegyes hulladékanyag-áramok további növekedése várható, mert egyre szigorúbb lesz a szabályozás, egyre nő a környezeti tudatosság, és egyre drágább lesz a fémet is tartalmazó hulladék deponálása. A hagyományos örvényáramos szeparátorok használata a villamos és elektronikai hulladék fémkomponenseinek elválasztására korlátozó-
dik, mivel ahhoz legalább 5–10 mm-es darabok szükségesek. Ahhoz, hogy a működési elvet finomszemcsés keverékekre is ki lehessen terjeszteni, foglalkozni kellett az elméleti leírás továbbfejlesztésével. Az elmélet segítségével sikerült olyan új téreloszlást és mechanikai megoldásokat tervezni, amelyek már finomabb szemcséjű anyagáramok elválasztására is használhatók. Néhány tipikus, örvényárammal szétválasztott anyagáram összetétele látható a 9. táblázatban. 9. táblázat Néhány, örvényárammal szétválasztott hulladékrendszer összetétele Minta leírása
Mennyiségi összetétel (%(m/m)) mágneses vezető szigetelő
Alumíniumdoboz és PET-palack
–
49
51
Zúzott PET-palack és Al-kupak
–
2
98
Kevert alumínium és PVC
–
33
67
Autóhulladék (nem szitált)
60
33
7
Autóhulladék (7x1/2 inch)
30
35
35
Autóhulladék (1/2 inch-nél kisebb)
27
24
49
Kevert vas és színesfém (3/4 inch-nél kisebb)
53
43
4
3
3
94
10
3
87
Üvegtörmelék alumíniumkupakkal
1
9
90
Üvegtörmelék (izzótörmelék)
4
14
82
Elektronikus hulladék (durva)
4
48
47
Elektronikus hulladék (finom)
67
14
19
Kevert Fe, Al, Zn
10
55
35
Kevert Fe, Al, Cu, Pb, Zn
28
30
42
Rézkohászati öntőhomok
–
12
88
Alumíniumkohászati öntőhomok
–
5
95
Jó minőségű alumíniumsalak
7
81
12
Gyenge minőségű alumíniumsalak
2
5
93
Alumíniumsalak és kriolit
–
26
74
Hulladékégető hamu (3x5/8 inch) Hulladékégető hamu (5/8 inch-nél kisebb)
1 inch = 25,4 mm.
A koronamezős elektrosztatikus szeparátorok segítségével 0,1–5 mm-es részecskék különíthetők el. Az eljárást legalaposabban az ásványfeldolgozó ipar vizsgálta, de széles körben használják a kábelhulladékok elválasztásában is. Néhány ipari alkalmazást ismertet a 10. táblázat. A koronakisüléses módszer esetében a legfontosabb tényezők az elektródok alakja, a forgási sebesség, a részecskeméret és a nedvességtartalom. A villamosipari és elektronikai hulladék esetében a tipikus részecskeméret 5–8 mm, amit ugyan „finomnak” neveznek, de még mindig nagyobb annál, mint amit az ásványfeldolgozó iparban megszoktak. A durva szemcsés anyag fajlagosan kevés töltést halmoz fel a koronakezelés során, és elég nagyok a rájuk ható centrifugális erők. Az elektródok megfelelő tervezésével, a feszültség növelésével és a forgási sebesség csökkentésével javítani lehetett a szigetelők elkülönítését. A kábelipar szívesen alkalmazza ezt a technológiát fémmentes műanyag előállítására, de itt is vigyázni kell, hogy egyes lágy PVC típusok vezetőképessége 4x1010 Ωm alá süllyed, és így a kisülési idő 1 s alá csökkenhet, ami hatástalanná teszi a koronás elválasztást. 10. táblázat A korona dobszeparátor alkalmazása a hulladékhasznosításban Anyagok
Cu PVC/PE Al
Hulladék eredete
Anyagfelszabadítás módja
Részecskeméret (mm)
Termékek tisztasági szintje
kábelhulladék
vágómalom
0,5–5
Cu 90–99% műanyag legfeljebb 99%
vázhulladék pl. tejeskanna
vágómalom
6–12 mm
Al 100%-ig
PS Al
PS 99% kompozitfólia (pl. Tetra Brick)
kriogénőrlés
0,05–0,5
Műanyag
műanyag 95%
Cu epoxi- nyomtatott áramkör gyanta PE EVOH
Al 95%
benzintank
kalapácsmalom
0,2–2 mm
Cu 99% gyanta 99,5%
vágómalom
3 –5 mm
PE 95% EVOH 90%
A rostálást, a legrégebben ismert elválasztási módszert a bányászat és az ásványfeldolgozó ipar régen alkalmazza viszonylag durvább anyagok elkülönítésére. Ha az anyagáram szemcsemérete viszonylag egyen-
letes (3–10 mm), elég jó hatásfokkal lehet sűrűség szerint elválasztani az ásványi anyagokat. A megbízhatóan működő, nagy teljesítményű, olcsó eljárás különösen jól alkalmazható a fémszemcsék elkülönítésére. Autóipari hulladék elválasztásánál a könnyű frakció általában üveget, követ és alumíniumot, a nehéz frakció acélt, rezet, ólmot tartalmazott.
Az elektronikai hulladék feldolgozásának helyzete Az elektronikai hulladék (WEEE) hasznosítását nemcsak a kormányok, de a lakosság is egyre nagyobb mértékben követeli. A hulladék jellemzése jó alapot nyújt a megfelelő technológiák kiválasztására. A villamosipari és elektronikai hulladék azonban erősen heterogén mind összetételét, mind szemcseméretét, mind alakját illetően, ezért még további vizsgálatokra van szükség. Ahhoz, hogy jól fel lehessen dolgozni, a hulladékot homogén, és viszonylag kis méretű (5–10 mm-s vagy annál kisebb) darabokra kell törni. Az így kapott törmeléket mechanikus szeparációs eljárásokkal kell frakcionálni. Az autóipari hulladék frakcionálására az örvényáramos módszert, kábelhulladék esetében a koronakezeléses módszert, építőipari hulladékok esetében pedig a rostálást fejlesztették ki. Ezek több-kevesebb módosítással alkalmazhatók az elektronikai hulladékok esetében is. Eddig az elektronikai hulladék hasznosításánál csak a nemesfémek visszanyerésére koncentráltak, de egyre nagyobb mértékben foglalkozni kell az alacsonyabb értékű „barnaáru” hulladékának hasznosításával is. Összeállította: Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes Cui, J., Fossberg, E.: Mechanical recycling of waste electric and electronic equipment: a review. = Journal of Hazardous Materials, 99. k. 3. sz. 2003. máj. 30. p. 243–263. Macauley, M.; Palmer, K.; Shih, J-S.: Dealing with electronic waste: modeling the costs and environmental benefits of computer monitor disposal. = Journal of Environmental Management, 68. k. 1. sz. 2003. máj. p. 13–22. Nagurney, A.; Toyasaki, F.: Reverse supply chain management and electronic waste recycling: a multitiered network equlibrium framework for e-cycling. = Logistics and Transportation Review, 2004. jan. 22.
