离子膜电解法回收PCB废料中金属铜工艺的研究

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从PCB(Printed Circuit Board)废料中回收金属铜不仅能实现资源的充分利用,而且可以有效的解决含铜废水的污染问题。本文利用离子膜电解槽进行回收试验研究,在阴极沉积得到金属铜,同时在阳极再生刻蚀液循环处理PCB。电解阴极极化曲线及不同Cu2+/Cl-比值电解液电流效率的测定显示氯化铜溶液作电解液时,阴极沉积铜以Cu2+还原成Cu+为主要反应,当Cu2+/Cl-超过1:2.3时,电流效率可达到95%以上。阳极循环处理PCB废料的单因素实验表明,前处理最优工艺条件为:温度45oC,搅拌速度300-400 r/min,反应时间5 h左右,基于本试验对原料粉碎程度选择固液比为10 g/50 ml。阳极氧化再生的单因素实验表明,最优工艺条件为:温度40oC,电流密度100-200 A/m2,面积比选择2:1,搅拌速度100 r/min,电解时间2 h的条件下氧化再生效果最好。在最优条件下循环造液,利用再生刻蚀液继续腐蚀溶解金属铜,最后得到富集的溶液。结果发现循环3次后溶液中Cu2+/Cl-比可达到1:2.22,且循环3次后的刻蚀液腐蚀性大大降低,失去溶铜能力。机理探究表明铜溶解受表面反应控制,由公式推导可知增加Cl-浓度可以提升溶液中铜的浓度,增大处理量。阴极沉积铜的单因素试验及正交试验得出实验各因素最佳工艺条件:温度35oC,电流密度250 A/m2,Cu2+浓度75 g/L,搅拌速度100 r/min,在最优条件下电沉积2 h,电流效率达到97.73%,能耗为2.4157 k Wh/kg,槽电压为2.80 V,膜电位为0.423 V。分析各因素影响直观表可知电流密度对槽压和电流效率的影响最大。从SEM图可知,电流密度、温度、搅拌对电积铜的微观形貌影响明显,升高温度、增大电流密度及不加搅拌均不利于得到结晶细致的沉积层。由XRD分析可知,阴极铜片X衍射峰主要为(111)面的晶型,测试结果除了铜的特征峰还有Cu2+1O的特征峰,这是由于测试及制样过程被氧化所致。对电解试验进行了放大试验及重复性试验,结果显示:槽压为3.76 V,阳极电位1.06 V,阴极电位0.52 V,电流效率87%,能耗3.64 k Wh/kg。重复性试验电流效率的平均偏差为1.00%,相对偏差为1.15%;能耗的平均偏差为0.125kWh/kg,相对偏差3.48%。最后对电解铜回收PCB废料的市场前景和经济成本进行了分析,与传统的回收方法相比,利用废刻蚀液和PCB电解回收铜的工艺具有环境污染少,兼顾废水处理与资源回收双重优势。
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