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

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。