高效分選廢舊光伏電池板中銅與硅

趙新美,張子生，賴偉東,陳曉玉,吳翠姑,董國義

(1.河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新能源光電器件國家地方聯(lián)合工程實驗室，河北 保定 071002;2.英利能源(中國)有限公司，河北 保定 071002)

近年來，中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光伏發(fā)電裝機(jī)量和總量已經(jīng)躍居世界第一[1].目前生產(chǎn)的晶硅光伏電池的使用壽命一般為25年，大量光伏電池組件將被廢棄，因此，回收廢舊光伏電池已經(jīng)成為重要的環(huán)保課題[2-3].目前，對廢舊光伏電池板的處理方法主要采用化學(xué)法[4-5]、熱處理法[6]和人工拆解法[7]，但這些方法都存在許多不足[8]，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn).高壓靜電分選是一種采用純物理方法的綠色高效的固廢垃圾資源化新途徑[9-12]，成本低，操作便捷、無二次污染，可將物料進(jìn)行資源化回收.

高壓靜電分選是根據(jù)待分選顆粒的導(dǎo)電性差異在電暈電場的作用下受到的電場力、非均勻電場力、離心力、鏡面力的變化導(dǎo)致產(chǎn)生不同的運(yùn)動軌跡[13-15]，使物料落入不同的收集槽內(nèi)，從而得到分離目的.高壓靜電分選常用于分選印刷電路板、電纜等電子廢棄物[16-18].廢舊光伏電池板破碎處理后，產(chǎn)生大量的硅顆粒，其中存在少量的銅顆粒，如果銅能被高效地回收，將帶來極高的經(jīng)濟(jì)價值.本文利用高壓靜電分選的方式對廢舊光伏電池板中Cu與Si的回收進(jìn)行研究，為廢舊光伏電池板的資源化利用提供了新的途徑.

1 實驗部分

圖1 鋸齒式靜電分選機(jī)示意Fig.1 Schematic diagram of sawtooth electrostatic separator

1.1 實驗材料

在分選實驗中，以Cu、Si混合物代替實際廢舊光伏電池板顆粒中Cu、Si的含量與混合狀態(tài)；依據(jù)英利能源(中國)有限公司提供的光伏電池板研磨粉末中Cu和Si的含量比例，選取粒徑為80～100目(孔徑0.15～0.178 mm)的Cu和Si顆粒，并按質(zhì)量配比Si∶Cu=4∶0.02進(jìn)行模擬配料，其中Si顆粒質(zhì)量為4 g，Cu顆粒質(zhì)量為0.02 g.實驗條件為溫度10～15 ℃，大氣壓1.013×105Pa，相對濕度45%～55%.

1.2 實驗裝置

實驗采用鋸齒式高壓靜電分選裝置，主要由進(jìn)料口、轉(zhuǎn)輥、鋸齒型電暈電極、毛刷和收集槽等部分構(gòu)成，如圖1所示.

鋸齒型電暈電極參數(shù)選取鋸齒角度15°、鋸齒間隔12 mm且偶數(shù)鋸齒縮進(jìn)5 mm.靜電分選過程中，通過電暈放電方式使分選顆粒荷電，Cu顆粒導(dǎo)電性很好，基本上不荷載電荷，受到的庫侖力和鏡面力很小(可忽略不計),隨著顆粒下落角θ的減小，重力在徑向方向的分力也減小，使Cu顆粒在轉(zhuǎn)輥上半部分掉落入導(dǎo)體槽；Si顆粒受到的庫侖力和鏡面力較大，在轉(zhuǎn)輥的下半部分掉落入半導(dǎo)體槽中.從而使Cu與Si分離.

1.3 實驗方法

首先確定影響分選效率的主要因素有電壓(U)、轉(zhuǎn)速(n)、電暈電極與接地輥電極之間的距離(S)、電暈電極偏轉(zhuǎn)角度(θ).根據(jù)單因素實驗，探究各因素對分選效率的影響，并確定最佳取值范圍，參數(shù)設(shè)定如表1所示.根據(jù)單因素實驗結(jié)果，再通過全因子設(shè)計實驗確定各個因素對分選效率影響的主效應(yīng)和交互作用，利用統(tǒng)計學(xué)軟件Minitab17.0分析及實驗確定最優(yōu)參數(shù)設(shè)置.

表1 單因素實驗參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 電壓

由圖2a、b可以看出，隨著電壓的增大，Cu的分選效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)電壓為20 kV時，Cu的分選效率達(dá)到最高值為91.19%，同時可分選出88.48%的Si顆粒.

電壓為15 kV時，電暈電場強(qiáng)度較小，Si顆粒荷電不充分，受到的庫侖力和鏡面力太小，無法長時間吸附在轉(zhuǎn)輥表面，使下落位置提前，降低分選效率；電壓增大到35 kV時，此時電荷達(dá)到平衡，Si顆粒所能攜帶的電荷已經(jīng)飽和，鏡面力和庫侖力趨于穩(wěn)定；同時Cu顆粒得到的電荷數(shù)增多，當(dāng)其離開轉(zhuǎn)輥表面時不能全部釋放，使Cu顆粒下落位置后移，降低分選效率.因此分選電壓為20～25 kV時，Cu的分選效率較高.

2.2 轉(zhuǎn)速

由圖3a、b可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，Cu的分選效率在75 r/min達(dá)到最大值92.39%，同時可分選出86.82%的Si顆粒.

a.質(zhì)量分布；b.分選效率.圖3 不同轉(zhuǎn)速下分選結(jié)果Fig.3 Separation results under different roll speed

轉(zhuǎn)速較低時，顆粒受到的離心力較小，重力起主導(dǎo)作用，此時Si顆粒和Cu顆粒的下落軌跡相似，所以分選效率較低；當(dāng)轉(zhuǎn)速在75 r/min時，Cu顆粒受到的離心力較大，導(dǎo)致其下落位置靠前，落入導(dǎo)體槽中，從而使Cu的分選效率最高；轉(zhuǎn)速增大使Si顆粒的荷電時間減少，不足以荷電完全，從而使其受到的庫侖力與鏡面力減小，Si顆粒下落位置靠前而落入導(dǎo)體槽中.因此轉(zhuǎn)速選取65～75 r/min，Cu顆粒的分選效率較高.

2.3 電暈電極間距

由圖4a和b可知，隨著電暈電極間距(簡稱：極間距)的增大，Cu的分選效率與Si的分選效率都呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律.Cu顆粒在極間距為90 mm時分選效率達(dá)到最大值93.47%.

當(dāng)極間距為60～90 mm時，隨著極間距增加，電暈電場的區(qū)域覆蓋面會減小，顆粒經(jīng)過此區(qū)域時其表面的剩余電荷減少，使得待分選顆粒受到的合力不同，造成Cu顆粒和Si顆粒下落軌跡不同，利于分選效率的提高.當(dāng)極間距為90～100 mm時，電暈電場減弱，顆粒荷電不充分，受到的庫侖力和鏡面力逐漸減小，造成Cu與Si的合力差距減小，下落軌跡差別不大，則使它們易混合在一起下落，但相對影響較小，因此選取極間距為90～100 mm時，Cu的分選效率較高.

a.質(zhì)量分布；b.分選效率.圖4 不同電暈電極間距下分選結(jié)果Fig.4 Separation results under different radial position of corona electrode

2.4 電暈電極角度

由圖5a、b可知，隨著電暈角度的增大，Cu的分選效率一直在減小.說明小角度適合Cu與Si的混合物分選，所以電暈極角度為-10～0°時，有利于Cu的分選.

a.質(zhì)量分布；b.分選效率.圖5 不同電暈電極角度下分選結(jié)果Fig.5 Separation results under different angular position of corona electrode

由于改變角度并沒有改變電暈區(qū)域覆蓋面積和荷電面積的大小，只是改變了其覆蓋面的位置.當(dāng)電暈線角度較小時，分選顆粒的電場區(qū)域向下移動，顆粒進(jìn)入電場區(qū)域的時間延遲，當(dāng)Si顆粒到達(dá)脫離點(diǎn)時荷載的剩余電荷多，受到的庫侖力和鏡面力增加，有利于Si顆粒落入半導(dǎo)體槽內(nèi)，而Cu相對于Si的落地點(diǎn)較遠(yuǎn)，從而有利兩者分離出來；反之，當(dāng)電暈線角度過大時，兩者因合力造成的軌跡相差不大，就易在下落時混合在一起，導(dǎo)致兩者的分選效率降低，所以，選取小角度有利于Cu顆粒和Si顆粒的分選.

2.5 全因子優(yōu)化條件實驗

本因子設(shè)計實驗中，實驗設(shè)計為4因素2水平，使用統(tǒng)計學(xué)軟件Minitab17.0，生成因子設(shè)計見表2，共16組實驗.

表2 Cu與Si分選效率的實驗結(jié)果

2.5.1 主效應(yīng)及交互作用的顯著性

由實驗結(jié)果和影響因素主效應(yīng)圖可知，Cu顆粒的分選效率隨著電暈極角度和電壓的增大而下降，呈現(xiàn)出反比關(guān)系與主效應(yīng)圖的分析結(jié)果一致.電暈極角度的增大導(dǎo)致電暈電極與進(jìn)料口位置靠近，受離子風(fēng)的影響部分分選物料顆粒難以進(jìn)入荷電區(qū)域或偏離正常下落軌跡，導(dǎo)致最終Cu顆粒的分選效率下降；電壓的增大可以使電場覆蓋范圍變寬，電場力對Cu顆粒的束縛力增強(qiáng)，導(dǎo)致Cu顆粒的下落位置滯后，部分落入Si顆粒的收集格槽中使得最終Cu顆粒的分選效率下降.

由圖6交互作用圖可知，轉(zhuǎn)速的線條與極輥間距、電暈極角度、電壓的線條有交點(diǎn)，表示它們之間存在交互作用.同時結(jié)合Cu顆粒影響因素標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖可知，上述交互作用無統(tǒng)計學(xué)顯著性，也就說明雖然轉(zhuǎn)速與極輥間距、電暈極角度、電壓之間存在交互作用，但它們之間的交互作用對Cu顆粒的分選效率影響不顯著.

a.主效應(yīng)；b.交互作用.圖6 Cu顆粒分選效率主效應(yīng)圖與交互作用Fig.6 Main effect diagram and interaction diagram of Cu particle sorting efficiency

從圖7可知，電壓和電暈極角度因素為影響Cu顆粒分選效率的主要因素，且電壓的影響最為顯著.在因素交互作用方面，標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖顯示各因素的交互作用對Cu顆粒的分選效率影響較弱，極輥間距和電壓的交互作用較為明顯但不顯著，表明兩者的交互作用并不是影響Cu顆粒分選效率的重要因素.

a.標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pameto圖；b.標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的正態(tài)圖.圖7 Cu顆粒分選效率標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖與正態(tài)圖Fig.7 Pareto diagram and normal diagram of efficiency standardization effect of Cu sorting

2.5.2 響應(yīng)優(yōu)化

從等值線圖和曲面圖來看(圖8)，Cu顆粒的分選效率是在電暈極角度為-10°，電壓為20 kV，極輥間距固定在90 mm，轉(zhuǎn)速固定在65 r/min時達(dá)到最大.利用Minitab 17.0進(jìn)行響應(yīng)變量的優(yōu)化.同樣得出Cu顆粒的分選效率是在電暈極角度為-10°，電壓為20 kV，極輥間距固定在90 mm，轉(zhuǎn)速固定在65 r/min時達(dá)到最大，此時Cu顆粒的分選效率的模擬值為99.13%.

a.等值線圖；b.曲面圖.圖8 Cu顆粒分選效率等值線圖與曲面圖Fig.8 Cu particle sorting efficiency contour map and surface map

2.5.3 實驗驗證

經(jīng)響應(yīng)優(yōu)化后可得最佳參數(shù)設(shè)置為U=20 kV，n=65 r/min，θ=-10°，S=90 mm.在該設(shè)置下進(jìn)行驗證實驗，4個因素按照最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，每組實驗進(jìn)行3次，然后取平均值.由表3可知，在因素最優(yōu)化的設(shè)置下，Cu顆粒的分選效率平均值達(dá)到了97.91%，取得了優(yōu)化的效果.

表3 優(yōu)化實驗驗證結(jié)果

3 結(jié)論

1) 通過單因素實驗可初步確定，當(dāng)電壓為20～25 kV，轉(zhuǎn)速為65～75 r/min，電暈極角度為-10～0°，極間距為90～100 mm時，Cu的分選效率處在較高水平.

2) 通過全因子實驗設(shè)計，篩選并確立了影響因素中影響顯著的主效應(yīng)和交互作用，Cu顆粒的分選效率受電壓、電暈極角度主效應(yīng)作用的影響較大，各因素之間的交互作用不顯著.

3) 通過響應(yīng)優(yōu)化和實驗驗證，Cu顆粒的分選實驗最佳參數(shù)設(shè)置為U=20 kV、n=65 r/min、S=90 mm、θ=-10°.在此參數(shù)下，Cu顆粒的分選效率平均值達(dá)到了97.91%，取得了良好的優(yōu)化效果.