平板顯示器回收的新挑戰(zhàn)

翻譯：周于琬 作者：Stafan Salhofer Markus Spitzbart Kurt Maurer

（1.環(huán)境保護部環(huán)境發(fā)展中心，北京 100029；2.University of Natural Resources and Applied rife Sciences；3. KERP Centre of Excellence Electronics &Environment；4. Sauoermacher AG）

1．導言

基于歐盟（EC，2003）2002/96/EC廢舊電子電器設(shè)備指令（WEEE指令），在歐盟成員國報廢的電子和電器設(shè)備的回收和循環(huán)利用計劃已開始實施。在附錄 IA的WEEE指令附件所列的10個產(chǎn)品類別中，顯示屏主要集中在第3類（信息技術(shù)）、第4類（消費類電子），顯示器也可以出現(xiàn)在第10類電器（自動售貨機）。雖然在過去的顯示屏主要采用陰極射線管（CRT）技術(shù)，自2000年左右，平板顯示屏開始獲得更多的市場份額。對于CRT顯示屏，回收再利用技術(shù)已經(jīng)建立，但對于平板顯示器的回收，對回收商而言則是一個新的挑戰(zhàn)。在本文中，對液晶顯示器（LCD）屏幕的材料組成進行分析，并就拆卸和處理技術(shù)進行了討論。結(jié)論目的是提供它們必須在未來處理的與材料流循環(huán)再造技術(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及解決目前的技術(shù)瓶頸。

2．平板顯示器的數(shù)量和組成

在過去的10年，越來越多的銷售點上，平板顯示屏（LCD和等離子顯示屏）已經(jīng)取代了CRT顯示器。如表1所示，在25個歐盟成員國（歐盟25國）的家電市場上的液晶顯示屏的量。

表1 在歐盟25國市場上的LCD顯示器設(shè)備的總量單位：千噸

總量是根據(jù)銷售液晶監(jiān)視器和筆記本電腦的數(shù)字（J?nbrink和sj?gren，2006）和液晶電視（?ko-Institute和弗勞恩霍夫IZM，2007）以及平均重量數(shù)據(jù)（豪氏威馬等人，2007）計算獲得的。估計未來的家電與LCD屏幕可能產(chǎn)生的預期壽命可以通過假設(shè)一個典型的從銷售之日起后的產(chǎn)品。根據(jù)文獻資料的數(shù)據(jù)（豪氏威馬等人，2007），電視機、顯示器和筆記本電腦，10年在2012年在歐盟25國總量的231000噸的（相當于人均每年0～5千克）LCD顯示器的設(shè)備將達到報廢階段，主要表現(xiàn)為監(jiān)視器和筆記本電腦。從2012年起，液晶電視機預計將數(shù)量增長，但估計有較大的不確定性，因為目前沒有2008年以后的銷售數(shù)字。作為一個保守的態(tài)度，同樣的銷售監(jiān)視器和筆記本電腦數(shù)字跟在2008年使用的一樣。這個估計（見圖1），導致在歐盟25國在2018年有569000噸（等于人均每年1.2千克）的一個潛在的、大量的有LCD顯示器的家電報廢。

當今的LCD顯示器在城市廢物流的數(shù)量比估計的數(shù)字要低得多。在奧地利，一項調(diào)查顯示，2006年回收設(shè)施WEEE（特薩和?hlinger，2009）份額的2.8%是家電類的顯示器和屏幕的LCD顯示器。瑞士類似的數(shù)字由Braendli（2008）報道。在2007年，瑞士回收系統(tǒng)SWICO時收集和回收顯示器9200噸，發(fā)現(xiàn)其中有5%的液晶顯示器。圖1中2009年顯示器和液晶電視中的數(shù)據(jù)相當于人均每年0.3千克，而從奧地利2006年、瑞士2007年的收集數(shù)量來看，分別代表僅僅是人均每年0.05和0.06千克。要了解預期和注冊量之間的差異，必須考慮到該收集計劃WEEE，自2005年以來在大多數(shù)歐盟成員國才建成，但到目前為止，它們并沒有覆蓋100%的潛力。據(jù)估計（豪氏威馬等，2007），在2005年歐盟只有35%的CRT顯示器收集率，大多數(shù)其他產(chǎn)品顯示的收集率在40%以下。

還有，沒有太多關(guān)于液晶顯示屏屏幕使用壽命的實際經(jīng)驗，而這些設(shè)備在市場上是相對較新的。這可能會導致高估的潛在處置。

圖1 估計在歐盟25國液晶顯示器報廢的總量

液晶顯示器材料組成，沒有多少發(fā)布的數(shù)據(jù)。一個普通的液晶顯示器的組成見表2（豪氏威馬等，2007），但沒有提供進一步關(guān)于這款顯示器的大小或技術(shù)的資料。液晶顯示器和電視機的零件由李和Cooper（2008）進行了量化。這里15英寸液晶顯示器的質(zhì)量為678克，其中134克被分配到“液晶組件”（玻璃、液晶、電極、校正層和間隔物）和544克用于“膜組”（塑料擴散器和光導）。

表2 液晶監(jiān)視器的材料組成單位：千克

3．回收利用技術(shù)

對于大多數(shù)拆解CRT顯示器的材料，回收或處置途徑已經(jīng)確立。真正的金屬（鐵和有色金屬）或金屬豐富的組件（電纜、印刷電路板）要回收，而含有有害物質(zhì)的組件（如在WEEE指令附件Ⅱ中列出的），要經(jīng)過特殊處理。在奧地利，2006 年在16個工廠13400 噸（相當于人均每年1.7 千克）的顯示器進行了處理。在第一階段，通過人工拆解，這些工廠中的七家進一步分離陰極射線管（特薩和?hlinger，2009）。缺乏回收利用塑料和玻璃的適當工藝，造成了回收陰極射線管的瓶頸。拆除陰極射線管的玻璃的回收方案，由Menad（1999）和Bipro（2006）的一項調(diào)查給定。以及使用新的陰極射線管的生產(chǎn)，這不是一個未來可擴大的途徑。由于生產(chǎn)減少，玻璃可用于制造陶瓷產(chǎn)品。使用其在陶瓷工業(yè)中生產(chǎn)釉料，更詳細分析由Andreola等（2007）作出。進一步的方案是使用此玻璃材料作為造渣成分再生鉛銅軋機或輸入到二次銅綜合回收鉛和錫的生產(chǎn)中（Bipro，2006）。在瑞典銅工廠使用的CRT玻璃由Mostaghel和薩繆爾森（2010）給出進一步詳情。對于日本來說，Aizawa等人（2008）報告的法律要求回收的不僅限于金屬材料，如，鐵、鋁和銅，而且包括CRT的玻璃。

對于回收的LCD顯示器，情況是類似的：金屬和豐富的金屬材料的回收和處置途徑已經(jīng)非常成熟，待處理的液晶顯示器仍然在發(fā)展中。Kim等人（2009）描述了液晶顯示器成分87.2%的玻璃、塑料12.7%和0.1%的液晶。銦錫氧化物（ITO）層的質(zhì)量約0.01%；這一估算是根據(jù)銦102毫克/千克得出（Li等人，2009），氧化銦是ITO層的主要成分。背光燈含有的汞是在拆除過程中被移除。主要生產(chǎn)液晶的默克公司對液晶的危險性作了深入的討論，得出的結(jié)論是，今天生產(chǎn)的LC物質(zhì)被列為既沒有毒性，也不致突變，對皮膚或眼睛無刺激性的毒理學和生態(tài)毒理學調(diào)查的數(shù)據(jù)和結(jié)果。另外，沒有觀察出生態(tài)毒理學效應（Martin等人，2004）。不過，在奧地利LCD面板被列為危險廢物。

在大多數(shù)情況下，當今處理液晶顯示器，都是通過焚化處理，這導致了資源的損失。討論中的平板顯示器和CRT的玻璃，可以作為輸入原料生產(chǎn)建材。 Lin等人（2009a）調(diào)查了其在混凝土中的凝硬性行為，但論文沒有分析LC面板其他材料的回收，也沒有分析潛在的排放。另外，從液晶面板的玻璃供制作玻璃陶瓷的燒結(jié)使用（Lin等人，2009b）進行了分析。

進一步有關(guān)回收利用液晶面板的材料是銦。它是作為ITO的主要成分，通常包括質(zhì)量80～90%In2O3（氧化銦）和10～20%（Takahashi等人，2009）SnO2（氧化錫）。銦是一種稀缺資源，估計全球儲量2006年2800噸，和在2007年5l0噸的年消費量（安格雷爾等，2009）。消費的趨勢在增加，銦不僅用于LC顯示器，也是必不可少的光伏組件。到2030年，安格雷爾等（2009）估計，每年消耗超過1900噸。銦的生產(chǎn)主要集中在少數(shù)幾個國家，2007年，中國、韓國、加拿大和日本總和占有85%以上的份額。在2012年的銦回收主要發(fā)生于從ITO廢料抽取中，其中70%被回收（Takahashi等人，2007）。在2012年從報廢產(chǎn)品中回收銦的技術(shù)不是最先進的，但考慮到這種材料的稀缺性和重要意義，回收有望成為歐洲工業(yè)新興產(chǎn)業(yè)。Takahashi等人（2009）描述技術(shù)方案，以回收銦在手機液晶顯示器為例：濕法冶金工藝、火法、氯化物蒸發(fā)法、都是很有潛力的方法。Li等人（2009）給出一個更全面的工藝，以便回收利用液晶面板，回收其中的銦和其他有價值的材料。它包括單獨拆解過程除去膜，液晶通過用超聲洗滌和用酸抽提回收銦。據(jù)報道有92%的回收率。盡管這些技術(shù)不是最先進的，在2012年，作為進一步的二次銦回收，這些方法是值得開發(fā)的。

考慮到回收成本，人工拆解的步驟是特別重要的。在這個過程中，它的自動化正在調(diào)查研究中（例如Kim等，2009），優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計的影響是至關(guān)重要的。在設(shè)計階段對環(huán)境的影響已經(jīng)列入被稱為面向環(huán)境的設(shè)計（環(huán)境化設(shè)計），由Kurk和伊根（2008）描述了基本原則，被稱為回收設(shè)計（DFR）。由Park等人 （2008），使用洗衣機作為一個案例研究方法。Masanet和Horvath（2007）描述了個人計算機殼應用為回收設(shè)計的方法。報廢汽車的應用由桑蒂尼等人（2010）證明。在德國，技術(shù)標準VDI 2243（VDI，2002）被開發(fā)，以支持這種設(shè)計過程。

4．案例研究：經(jīng)濟上的可行性

為了獲得更多液晶屏回收的信息，2009年一項經(jīng)濟可行性分析由Saubermacher（奧地利的一家回收公司）和KERP卓越維也納中心合作進行。在拆解的試驗中研究液晶屏的樣本材料組成。對于具體的物質(zhì)產(chǎn)出，以及市場研究的拆卸和回收的成本和收入也進行了計算。

從儲量豐富持有的回收材料，包括液晶顯示器和液晶電視機的樣品材料。只有少數(shù)從家庭生活收集的LCD屏幕廢料，大部分的取樣材料源于液晶顯示器和電視機維修活動中包含的樣本，在實驗中沒有拆解等離子顯示面板或其他顯示器。樣品的尺寸分布示于表3。對于監(jiān)視器，大小不等，尺寸從15英寸至42英寸不等，一個最常見的尺寸為17英寸。試樣的尺寸分布，與2006年（Kernbaum等人，2006）的銷售數(shù)字相比，似乎是典型的。電視機的范圍從15英寸至42英寸的樣品，主要是大小為32英寸的樣品。這表明電視機的分布跟銷售數(shù)據(jù)相比是不典型的（?ko- Institute和Fraunho-fer IZM，2007）：大型電器占樣品的主流地位。

表3 拆解試驗中樣品的尺寸分布

在這項測試中，拆除計劃得到了發(fā)展。由于其結(jié)果應被用來建立例行的拆解回收程序，有兩個方面的重要性：

（1）履行WEEE指令的要求（附件Ⅱ中列出的材料，如印刷電路板、液晶顯示器和氣體放電燈作為背光源和多氯聯(lián)苯（PCB） ，包含電容和電解電容，假設(shè)大小超過25毫米）。

（2）為分離材料拆解后銷售（黑色金屬和有色金屬的分離，分離塑料的主要類型等）。

表4 通過拆解試驗和文獻資料比較得到的材料組成單位：千克

在排除不正確的數(shù)據(jù)集（如拆除部分的總質(zhì)量偏差超過5%的輸入質(zhì)量），共獲得液晶監(jiān)視器的47個數(shù)據(jù)集和液晶電視機的41個數(shù)據(jù)。這兩種類型的產(chǎn)品的平均材料組成，示于表5。這兩款監(jiān)視器和電視機（黑色金屬，鋁和電纜金屬含量）大于45%，印刷電路板作為一種有價值的材料成分分別為8.1%（監(jiān)視器）和6.1%（電視機）。作為背光的氣體放電燈的份額分別是0.3%（監(jiān)視器）和1.1%（電視機）。在這個試驗中，電容器不從該印刷電路分離開和被包含在印刷電路板的質(zhì)量。作為潛在的有價值的和可銷售的塑料，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的薄膜套，ABS和PC-ABS（聚碳酸酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）作為殼體材料進行了確認。

表 5 拆解液晶顯示器和液晶電視機的材料收入金額

進行統(tǒng)計評價的樣本取自回收商現(xiàn)有的庫存，并不能代表未來的廢物流。監(jiān)視器的平均材料組成與文獻數(shù)據(jù)進行了對比，為每個分析裝置的總重量計的份額，可以看出，與金屬、印刷電路板和塑料的情況類似。

除了材料平衡，在試驗中拆解時間是按每單元記錄的。顯示器每單元平均需要18分鐘，范圍從10分鐘到35分鐘。電視機平均每單元24分鐘，范圍從14分鐘到40分鐘。

根據(jù)拆解試驗和潛在的收入的材料輸出的平均拆解時間，對成本和盈利能力進行評估。雖然對于大多數(shù)材料，如，金屬，價格從回收的日常業(yè)務，從平面屏幕塑膠市場調(diào)查是在2009年年中進行的。第一次接觸專業(yè)回收公司在歐洲回收塑料，照片和材料樣本被送到回收商。最后，三個循環(huán)再造商提供PMMA，ABS和PC-ABS的價格，所有的拆除設(shè)施用不阻燃劑拾取器。為PMMA的潛在收入介于74～330歐元/噸，平均值為150歐元/噸被用于進一步的計算。對于ABS，范圍內(nèi)的收入達到120～132歐元/噸（平均130歐元/噸），而PC-ABS，收入為92～135歐元/噸，假定平均為130歐元/噸。將材料收入于1噸顯示器，電視機等材料組成的成本從拆解試驗而來，示于表5。在這個計算中，正面的價值觀代表重大收入，而負值代表處置成本。對于液晶顯示器，600歐元/噸的成本顯示，因為這部分實際上是處理在危險廢物焚燒爐中，雖然包含了有價值的材料，如銦和潛在的有價值的液晶材料。

拆解成本的計算，每小時收費18歐元，其中包括25%的管理費用。這是一個簡化的方法，不包括拆解車間的就位和家電的存儲。案例研究中監(jiān)視器和電視機每噸的拆解費如表6所示。表7是成本和收益的平衡。無論是監(jiān)視器和電視機，拆解成本大大高于材料的收入。在拆解過程中，勞工成本是一個主要的成本因素。在試驗中，特別是在拆解過程中，易碎的背光燈用去了相當長的時間。

這項試驗顯示的成本和收入是有效的，這是在奧地利的2009年年中進行的，那個時候是具有代表性的。由于在其他地區(qū)材料收入發(fā)生了很大的變化，時間和勞動力成本可能會有所不同，這可以導致不同的平衡。不過，目前用材料收入覆蓋拆解的費用似乎是不現(xiàn)實的。自動拆解系統(tǒng)用作平板顯示器的拆解而降低拆解成本可能是一種可行的方法。但這樣的系統(tǒng)還僅僅是研究課題（見金等人，2009）不是最先進的。

表 6 拆解的顯示器和電視機的成本

表7 液晶顯示器和電視機的回收費用和收入平衡表

5．結(jié)論

由于缺乏報廢LCD顯示屏未來的數(shù)量和物質(zhì)成分的數(shù)據(jù)，對于回收基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃是一大障礙。在這種情況下，本案例研究獲得的數(shù)據(jù)對未來不具有典型的代表性，雖然它們表現(xiàn)出了總體趨勢。

目前拆解和回收的費用不能被材料的重大收入所覆蓋。優(yōu)化工作流程可以降低拆解費用，已經(jīng)證明材料的收入是多變的。然而，在歐盟內(nèi)部更加現(xiàn)實的是遵照歐盟WEEE指令生產(chǎn)者延伸責任制度是更為現(xiàn)實的。

液晶顯示器目前在歐洲進行處理，有價值的、稀缺的材料，如，銦不再可用。考慮到材料的戰(zhàn)略的重要性，這樣的材料——銦，在光伏發(fā)電技術(shù)是一種關(guān)鍵材料，其在歐洲的回收基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展似乎是一個有用的和緊迫的命題。