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高压电脉冲破碎废弃电路板的机理研究

作　者: 刁智俊
导　师: 赵跃民
学　校: 中国矿业大学
专　业: 环境工程
关键词: 高压电脉冲 解离 单体解离度 模型化合物 反应分子动力学模拟
分类号: X705
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


废弃电路板的回收利用是实现资源循环利用的有效途径，能够在防治环境污染的同时获得可观经济效益。而破碎是制约废弃电路板资源化利用的关键因素。本文基于高压电脉冲的选择性破碎作用，实现了电路板中金属与非金属的有效解离以及金属的富集，并通过对破碎产物的粒级分布、解离特性和表面形态的分析，研究了高压电脉冲的作用机理和破碎能耗；利用X射线荧光光谱仪（XRF）对破碎产物进行了表征；利用扫描电子显微镜附加电制冷能谱仪（SEM/EDS）及气相色谱/质谱联用仪（GC/MS）对破碎产物进行了分析；借助ReaxFF反应分子动力学模拟研究了高压电脉冲破碎过程中环氧树脂热解的反应机理和反应产物，并分析了环氧树脂的热解在电路板的破碎以及金属与非金属解离过程中的作用。电路板的高压电脉冲破碎结果表明，破碎产物中+2mm粒级产率大，2mm以下各粒级的产率小，该结果与机械破碎的结果不同。另一方面，高压电脉冲能够在破碎电路板的同时实现对电路板中金属的富集。随着电压和脉冲个数的增加，2mm以下各粒级中铜纯度逐渐增加。当电压为170kV脉冲个数为600时，虽然-2+0.5mm粒级产率为32.39wt%，但是电路板中88.67wt%的铜都集中在该粒级。破碎产物的平均粒径随单位质量电路板能耗的增加而减小，而平均单体解离度主要由单个脉冲能量即电压决定；电压主要影响+2、-2+1.5mm粒级单体解离度。不同实验条件所得破碎产物中1.5mm以下各粒级的单体解离度均为100%，表明该部分细颗粒的产生过程几乎都是在铜箔与环玻布板解离过程之后。采用高压电脉冲进行破碎时，破碎能耗与破碎产物颗粒数量的平方根的增量成正比，建立了数量方程：E=KN（D-1.5-d-1.5）。模拟结果表明，经验公式数量方程适用于高压电脉冲破碎电路板的能耗研究，另一方面也说明在热能作用下电路板中有机物发生的化学反应是高压电脉冲破碎电路板的主要作用机理之一。采用SEM观察固体破碎产物表面形貌，结果表明在高压电脉冲作用下环氧树脂发生了熔融和热解反应。用GC/MS对热解过程中产生的溶于水的有机物进行了分析，结果表明高压电脉冲破碎产生的可溶有机物的种类较少，产生的二次污染较小。ReaxFF反应分子动力学模拟结果表明，温度和升温速率对环氧树脂和固化环氧树脂模型化合物的热解反应有较强的影响。升高反应终温和提高升温速率都能缩短引发时间。因所需活化能最低，醚键的断裂是环氧树脂模型化合物分解的引发反应，并且在所有反应条件下CH2O皆为优先生成的产物，其它主要的小分子化合物还包括H2O、CH4和H2。固化环氧树脂模型化合物的热解引发反应为含N和含O桥键的断裂。温度较低时，固化环氧树脂模型化合物热解的主要产物为H2O，而温度较高时，H2为主要产物，并且高温促进了含石墨烯结构且分子量较大的碳团簇的形成。在固化环氧树脂模型化合物的热解反应中，H2O为最先生成的小分子产物，主要的小分子产物还包括CO、CH4、CH2O和H2。ReaxFF反应分子动力学模拟首次证实了高压电脉冲破碎过程中电路板热解生成大量气体所造成的局部压力增加也是导致金属与非金属解离的主要原因。ReaxFF反应分子动力学模拟所得环氧树脂热解机理和化学反应现象与实验结果一致，说明ReaxFF反应分子动力学方法为从分子水平上研究有机物高温热解反应提供了一种有效的途径。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
Extended Abstract  9-21
1 绪论  21-41
  1.1 研究背景  21-23
  1.2 废弃电路板的组成与特性  23-27
  1.3 废弃电路板的资源化技术  27-31
  1.4 高压电脉冲技术的研究现状  31-33
  1.5 高压电脉冲技术的应用现状  33-37
  1.6 破碎理论  37-39
  1.7 研究内容与意义  39-41
2 实验与分析方法  41-47
  2.1 实验样品与设备  41-43
  2.2 分析与模拟方法  43-47
3 废弃电路板的高压电脉冲破碎研究  47-78
  3.1 破碎产物特性研究  47-65
  3.2 破碎过程分析  65-73
  3.3 破碎过程污染物分析  73-76
  3.4 本章小结  76-78
4 废弃电路板的高压电脉冲破碎能耗研究  78-86
  4.1 破碎产物特性与能耗研究  78-81
  4.2 高压电脉冲破碎能耗模型研究  81-84
  4.3 本章小结  84-86
5 ReaxFF 反应分子动力学模拟  86-113
  5.1 高压电脉冲条件下环氧树脂热解的反应动力学模拟  87-99
  5.2 高压电脉冲条件下固化环氧树脂热解的反应动力学模拟  99-111
  5.3 本章小结  111-113
6 结论与展望  113-117
  6.1 结论  113-115
  6.2 创新点  115
  6.3 展望  115-117
参考文献  117-133
作者简历  133-136
学位论文数据集  136

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 固体废物的处理与利用
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