废弃印刷线路板热解机理及热解油提质试验研究

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随着电子产品更新换代速度的加快,废弃印刷线路板(Waste Printed Circuit Board,WPCB)的数量迅速增加,因此,对其减量化、资源化、无害化处理的要求也越来越迫切。热解处理法具有金属和非金属回收纯度及回收率高、回收处理过程二次污染风险小等优点,已成为废弃印刷线路板资源化回收的主要途经之一。针对印刷线路板热解过程反应机理复杂、热解油资源化利用难度大的现状,本文通过理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方法,对印刷线路板热解机理及热解油提质进行研究。主要研究内容如下:(1)通过热重实验,研究了FR-4型印刷线路板的热解特性,分析了升温速率对热解过程的影响;然后,通过热重-红外光谱/质谱联用(TG-FITR/MS)技术确定了主要热解产物随温度的变化规律,应用高分子结构与有机化学反应理论,探究了溴化环氧树脂可能的解聚路径和主要产物可能的生成路径。结果表明,印刷线路板的热解是非常复杂的,包括了分子内脱水、环化反应、化学键断裂、分子重排反应及自由基取代反应等过程。(2)将传统动力学与优化动力学方法结合,对印刷线路板热解动力学进行研究。结合无模式函数Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法及Friedman法与模型拟合函数Coats-Redfern法、Criado法及Genetalized master-plots法,得到了印刷线路板的热解动力学参数,并确定了各热解阶段的反应机理。然后,通过全局优化算法(Shuffled Complex Evolution,SCE)同时优化多升温速率下印刷线路板热重实验数据,得到了具有普适性的优化动力学模型,其中,活化能E为155.32 kJ/mol,指前因子的自然对数lnA为29.77 min-1,反应级数n为2.02。(3)在充分考虑了印刷线路板微单元各向异性、热物性参数随温度变化以及热解反应吸热等影响因素下,建立了印刷线路板微单元的三维非稳态传热与反应动力学耦合模型,研究了其热解过程中的温度分布、质量分布,探究了其热解过程中温度、转化率及化学反应速率之间的相互作用关系,讨论了热解温度、微单元尺寸对印刷线路板热解过程及微单元热解控制机制的影响。(4)选用六种添加剂Fe2O3、Fe3O4、CaO、CaCO3、贝壳粉和硅藻土以及三种固体酸催化剂HZSM-5、HY和MCM-41,进行催化热解印刷线路板实验研究,研究了不同催化条件下印刷线路板热解产物分布、热解油特性及热解液中溴的分布。结果表明,组合添加剂Fe3O4和HY对催化热解印刷线路板具有很强的协同效应,实现了热解油同时脱溴和轻质化的目标,提高了热解油资源化回收的价值。(5)采用响应面法设计组合催化印刷线路板热解的实验方案,探究了热解温度、Fe3O4添加量以及HY添加量对印刷线路板热解固体产率、热解液中有机溴含量和无机溴含量以及热解油中单环有机物相对百分含量的影响规律,建立了各自变量与响应变量的多元回归拟合方程;并通过全局期望函数优化了印刷线路板热解的条件,预测了最优实验结果,并通过实验完成验证。研究成果可以为深入了解印刷线路板热解过程的复杂反应机理、优化热解反应器设计和运行及定向调控获取高品质热解产物,提供理论指导和科学依据。
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