CN111375486A - 一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，包括磁铁组以及设于磁铁组上方的容器，该容器内设有两个槽板；所述两个槽板之间围成内室，所述两个槽板与容器侧壁之间围成外室，且槽板高度低于所述容器侧壁高度。本发明同时提供了一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的方法。本发明提出利用磁阿基米德悬浮法分离电子废弃物，该方法具有环境友好、无强酸强碱、无需电力、成本低等显著优势，具备工业化应用潜力，在电子废弃物分离回收领域应用前景广阔。

Description

一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种分离方法，具体涉及一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的方法及装置。

背景技术

电子废弃物总量大，近年来呈增长的趋势，预测2021年，全球电子废弃物的总量达52.2兆吨，电子废弃物中有60％的为金属成分，堪称“城市矿山”。以稀土元素和铟元素为例，这两种稀贵金属是高科技产业、国防等必不可少的国家战略性矿产资源。稀土荧光灯和液晶显示屏应用极其广泛，稀土荧光灯中的稀土元素含量高，是离子吸附性矿石的250倍以上，是稀土原矿最低开采等级的15倍以上。对于铟元素，超过85％的铟用于生产氧化铟锡(ITO)，是液晶显示屏必不可少的成分，液晶显示屏中的铟含量是矿石中铟含量的8-16倍，因此，如何有效的回收电子废弃物中稀贵金属成为人们研究的关注热点之一。

现阶段，对于电子废弃物分离回收主要有两种思路，一种是通过冶金工艺对稀贵金属元素直接回收，常用湿法冶金和火法冶金，但湿法冶金具有酸耗大、环境污染严重的缺点，火法冶金也存在条件苛刻，成本高的问题。另一种思路是对稀贵元素的载体比如稀土荧光粉和氧化铟锡(ITO)进行分离回收，稀土荧光粉涂敷在玻璃灯管上，ITO是溅射在玻璃基板上，通过机械、物理化学的手段将其富集或者分离回收。这种富集回收有利于减少后续工艺的成本，同时减少环境污染。比如用浮选法对三基色稀土荧光粉的分离回收，用机械抛光的方法对液晶屏中的ITO分离回收，但这些方法也都有着各自的弊端，尚处于实验室研究阶段，缺乏工业化应用，仍需开发新的回收方法。

磁悬浮方法具有经济高效、环境友好等优势，是新兴的废弃物分离技术。抗磁悬浮利用物质的抗磁性，当磁场产生的斥力与其重力平衡时，物质就能够悬浮，但一般要求10T以上强磁场，应用受限。磁阿基米德悬浮是抗磁悬浮的一种，引入了顺磁性介质溶液，带来了浮力并增强了磁场力，大大降低了对磁场的要求。基于物质密度，利用磁阿基米德悬浮原理开展了一系列的分离研究，包括聚合物颗粒的分离，将多种聚合物混合模拟废弃塑料分离回收。对微小密度差的晶体多晶型物分离，还有流体中的聚合物微粒的连续分离等。

已有的应用于高分子分离的磁悬浮装置采用两块磁铁同极对置，中间区域分离的方式，分离的密度范围<2g/cm³，且不便取出分离物，而电子废弃物分离研究对象的密度>2g/cm³，已有的磁悬浮装置无法满足要求，需要开发新装置。目前，磁悬浮方法尚未应用于电子废弃物的回收领域。

发明内容

本发明提出了一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的方法，通过设计的磁悬浮分离装置和分离方法，可进行电子废弃物的分离，实现电子废弃物中稀贵金属的富集回收。

本发明提出了一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，利用该装置可以快速高效地实现电子废弃物的分离。

本发明利用物质的抗磁性和磁阿基米德悬浮原理，基于不同密度的抗磁性物质能够悬浮在不同高度，通过设计的磁悬浮分离装置将不同密度的物质分离。

一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，包括磁铁组以及设于磁铁组上方的容器，该容器内设有两个槽板；所述两个槽板之间围成内室，所述两个槽板与容器侧壁之间围成外室，且槽板高度低于所述容器侧壁高度。

本发明中，两个槽板底部和两侧分别与容器的底部和两侧内壁固定，两个槽板与容器底部之间围成内室空间。两个槽板外壁与容器其余部分之间围成外室空间。内室空间用于收集高密度电子废弃物，外室用于收集低密度电子废弃物。

使用本发明的装置时，将密度不同的电子废弃物粉末置于顺磁性介质溶液中，再将该溶液置于内室中；不同密度的抗磁性物质能够悬浮在不同高度，根据待分选的物质的悬浮高度，首先确定槽板的高度。保证待分离电子废弃物中高密度电子废弃物置于内室中，低密度电子废弃物沿槽板侧壁上移最终移动至外室中，从而实现对电子废弃物中高低密度组份的分离。我们可以利用本发明的装置进行多次分离，以满足分离精度要求，也可以并联多个，以增加处理能力；或者，也可以串联多个本发明的装置，实现连续化大量分离作业。

作为优选，还包括能插接在容器内的两个挡板；所述挡板插接到位后，与所述两个槽板对接形成槽板的延长段。采用该技术方案，实际使用时，开始时先将两个挡板置于容器内，此时挡板与两个槽板分别对应，挡板的底端与槽板的顶端对接，形成槽板的延长段，增加了内室的储存空间；然后可以将混合均匀的电子废弃物介质溶液倒入到“扩容”后的内室中，待电子废弃物介质稳定悬浮，此时高密度电子废弃物紧贴槽板内壁悬浮，低密度电子废弃物紧贴挡板内壁悬浮；然后再将挡板移除，此时与挡板内壁紧贴的低密度电子废弃物失去了挡板的支撑力，受磁场作用力，继续向外移动，最终降落到外室内，从而更加方便的实现高低密度电子废弃物的分离。采用该技术方案，对于悬浮高度满足要求的电子废弃物，在悬浮稳定后撤去挡板，可以实现电子废弃物的一次性分离，避免存在流体流动时高低密度电子废弃物之间的不利影响以及流体流动对高低密度电子废弃物分离带来的不利影响。

所述两个槽板可以采用焊接、粘结或者一体成型的方式与容器固定，也可以采用插接、卡合、磁吸、螺纹等方式实现与容器的可拆卸固定。作为优选，所述两个槽板采用可拆卸的方式固定在所述容器内。采用该技术方案，可以根据所需要分离的电子废弃物组成不同，悬浮高度不同，选择不同高度的槽板，使得一个装置可以实现多种组成的电子废弃物的分离。

作为优选，所述的容器侧壁设有用于插接定位所述挡板的插槽。通过在容器内设置插槽结构，既方便了对挡板的定位，也方便了挡板的置入和取出。

作为优选，所述容器为长方形槽；所述两个槽板竖直的设置在容器底部，且沿长方形槽的长度方向设置。作为进一步优选，所述两个槽板平行设置。作为一种实施方案，所述容器以及挡板或者槽板均为透明材质，比如可以采用玻璃材质，加工时，可以一次成型，也可以分开加工，最后固定在一起。作为进一步优选，所述磁铁组由矩形磁体组成，磁铁组中矩形磁铁均沿长方形槽的长度方向布置。这样可以进一步增加有效分离空间，提高分离效率。

作为优选，所述磁铁组由两组磁铁组成，两组磁铁相互紧靠设置，其中一组磁铁的N极朝上设置，另外一组的磁铁的S极朝上设置。磁铁组中，每组磁铁中多个磁铁放置方向相同，两组磁铁放置方向相反。

作为优选，所述磁铁为规格相同的矩形磁铁。

本发明中，容器放置的位置没有严格要求。作为优选，容器靠近磁铁组的接触线位置。作为进一步优选，所述内室靠近两组磁铁的接触线设置。作为更进一步优选，所述内室底部中心线正对两组磁铁的接触线设置。此时同一悬浮高度电子废弃物组份分别紧贴内室的两个槽板内壁，更有利于组份之间的分选，避免团聚造成的分离不理想的情况发生。

本发明涉及一种磁悬浮分离装置，该装置包括底部矩形磁铁阵列，上部容器，所述矩形磁铁为多层排列，每层两块磁铁，层数为1、2、3、4、5，同侧磁铁一侧N极朝上，另一侧S极朝上，磁铁尺寸相同。所述容器包含内室、外室和两块矩形挡板，容器中间为内室，形状为一个矩形槽，槽高根据分离物质的悬浮高度确定，矩形挡板可在槽两侧上下移动，容器其余部分为外室。以四块磁铁分离装置为例，其示意图如图1所示，包括四个矩形磁铁(长方体磁铁)、外室、内室，内室中盛放由介质溶液、相对较大密度粉末、相对较小密度粉末分布于介质溶液中，两块矩形挡板将扩容后的内室与外室隔离。所述矩形磁铁阵列由所述磁铁组组成。

本发明提供了一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的方法，利用上述的装置进行分离，包括：

(1)将密度不同的电子废弃物粉末置于顺磁性介质溶液中，将该溶液置于内室中；

(2)将容器置于所述磁铁组上方；

(3)在磁力作用下，密度较高的电子废弃物粉末悬浮于内室中，密度较低的电子废弃物粉末移动至外室中，实现密度较低的电子废弃物粉末和密度较高的电子废弃物粉末的分离；

所述步骤(1)和步骤(2)顺序可调整。

本发明提供了一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的方法，利用所述的装置进行分离，包括：

(1)根据电子废弃物粉末的磁悬浮高度确定内室两个槽板的高度；

(2)将两块挡板插在内室的两个槽板顶端；

(3)将容器放在磁铁组上方，并使内室的中心线与磁铁间接触线对齐；

(4)将密度不同的粉末置于顺磁性介质溶液中，将介质溶液置于内室和挡板形成的空间中，并使溶液液面高于内室的槽板高度；

(6)静置至粉末稳定悬浮；

(7)移走矩形挡板，悬浮高度高于内室槽的粉末被推向外室，悬浮高度低于槽板的粉末留在内室，从而实现分离；

所述步骤(3)和步骤(4)顺序可调整。

在正式分离操作前，首先观察电子废弃物粉末的悬浮高度，设计磁悬浮分离装置时，内室槽高介于所要分离的粉末悬浮高度之间。磁悬浮分离时磁铁阵列和容器居中对齐。电子废弃物粉末包括但不限于红绿蓝三基色稀土荧光粉、玻璃粉、氧化铟锡(ITO)粉或含氧化铟锡的粉末。电子废弃物粉末的密度为2.5～7.14g/cm³，但并不限于此密度范围。顺磁性介质溶液为Mn盐、Fe盐、Gd盐的水溶液，MnCl₂水溶液浓度为0.5～5mol/L。

作为一种优选方案，可以在进行分选之前，构建分选组份-介质溶液-悬浮高度之间的关系数据库或者关系曲线。当需要对某一个混合物进行分离时，可以根据预先构建的关系数据库或者关系曲线确定介质溶液和槽板高度。

利用本发明的方法或者装置，可以实现多组分的分离。利用内室和外室可以实现两个组份的分离，或者两种混合物组份的分离，然后再利用其它方法或者通过调整介质溶液的密度或者磁铁组的磁场强度实现混合物组份的再次分离等。

原理：

磁悬浮分离装置的设计基于磁-阿基米德悬浮效应，是指物质受到重力、浮力和磁场作用力综合作用，当这些力达到平衡时，物质能够稳定悬浮在某一高度。而密度不同的物质将悬浮在不同的高度，利用悬浮高度差异实现分离。

公式(1)给出了在施加磁场

(T)时，作用于顺磁溶液中的抗磁性物体上的磁力

(N)，其包含两部分：一是磁场对抗磁性物质产生的抗磁力(斥力)，二是顺磁性溶液被磁场吸引而对物体产生的附加浮力。

式中，χ_m(无量纲)是顺磁性介质磁化率，χ_s(无量纲)是悬浮物体的磁化率，μ₀＝4π×10^-7N·A^-2是真空磁导率，V(m³)是物体的体积，

由式(2)计算。

公式(3)给出了物体的重力

(N)的表达式，式中，ρ_s是物体的密度，ρ_m是顺磁性介质的密度，

是重力加速度，注意此时的重力指的是抵消浮力剩余的重力。

当物体在顺磁性溶液中运动时，物体的受力方程为等式(4)，其中，

是物体的加速度，m是物体的质量，

是物体运动中所受的粘性阻力，与溶液的粘度、流动速度和物体尺寸有关。在静态液体中，当物体稳定悬浮时，物体所受的粘性阻力为0，此时磁力

和重力

的矢量和变为零，即式(5)。

始终在竖直方向，只要顺磁性介质和物体的密度保持恒定，重力的大小保持恒定，与物体的位置无关。在以z轴为重力加速度矢量方向

的笛卡尔坐标系中，力的平衡由式(5)简化为式(6)。

所设计的磁悬浮装置，除了产生竖直方向的磁场力之外，还有水平方向的磁场力分量，物体在磁悬浮装置中是斜向上运动的，到达最高点后会下落，由于受到容器的限制，物体接触内室槽侧边或者矩形挡板时尚未达到运动的最高点，此时会有沿着z轴的加速度分量，物体会沿着容器壁向上移动一段距离直到达到平衡状态，物体和容器壁之间会有摩擦力的作用，摩擦可能会对平衡悬浮高度产生影响。考虑静摩擦力

对平衡位置的影响，力的平衡方程变为等式(7)，

式中，

和

方向竖直向下，

为竖直方向的磁场力，方向向上。

竖直方向的分量沿悬浮高度的变化规律可由

沿z方向的变化规律反映，距磁铁间接触线1mm处

的z方向分量与高度z关系的曲线如图2所示，高度为0处为磁铁表面。

由图2可知，随着高度的增加，

逐渐减小，表明磁场力随着悬浮高度的增加逐渐减小。因此，可得出，当悬浮更大密度的物体时，重力增加，达到稳定悬浮所需的磁场力随之增加，从而悬浮高度会降低，建立了物体密度与悬浮高度的负相关关系，作为不同密度物质磁悬浮分离的理论基础。

本发明提出利用磁阿基米德悬浮法分离电子废弃物，该方法具有环境友好、无强酸强碱、无需电力、成本低等显著优势，具备工业化应用潜力，在电子废弃物分离回收领域应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明分离电子废弃物粉末时的磁悬浮分离装置原理图；

图2是本发明磁铁尺寸为100mm×10mm×5mm，剩余磁通密度为1.47T，内室的槽宽度为2mm时，中截面上距磁铁接触线1mm处，

的z方向分量与高度z关系的曲线图；

图3是采用本发明方法对稀土荧光灯三基色稀土荧光粉进行分离的结果图；(a)、(b)、(c)分别为使用两块磁铁、四块磁铁、六块磁铁进行红蓝稀土荧光粉的分离结果；(d)、(e)分别为使用四块磁铁时，磁悬浮分离后，容器内室和外室收集的红粉和蓝粉。

图4是采用本发明方法对液晶显示屏中氧化铟锡粉和玻璃粉进行分离的结果图。

图5为本发明用于确定槽板高度的实验装置图。

图6为本发明的磁悬浮分离装置结构示意图。

图7为本发明分离电子废弃物粉末时的磁悬浮分离过程示意图。

具体实施方式

为使本发明被更清楚地理解，下面根据本发明的具体实例及附图，对本发明进行进一步的说明。

图1是本发明的磁悬浮分离装置原理图，包括磁铁1、磁铁2、磁铁3、磁铁4、外室5、外室9、内室7(内室7内盛放有：介质溶液6，其中悬浮有相对较大密度粉末8和相对较小密度粉末10)、矩形挡板11、矩形挡板12。内室7中槽壁的高度为H，介于较大密度粉末8和较小密度粉末10悬浮高度之间。外室5、外室9的槽壁的高度高于较小密度粉末10的悬浮高度。

可以选择一长方形容器，在该长方形容器底部，沿长度方向竖直布置两个相互平行的槽板，槽板底部与该长方形容器底部内壁密封固定，槽板两个侧端与该长方形容器侧壁内壁密封固定。上述两个槽板内壁与长方形容器内壁之间围成所述的内室7；两个槽板外壁与长方形容器其余内壁之间围成所述的外室5、外室9。得到的内室7和外室5、外室9均为长方体槽结构，且长度相等，设置方向相同，内室7设于外室5、外室9之间，且相互紧靠，加工时，内室7和外室5、外室9可以加工为一体结构。作为具体的方案，选择的容器建议部分透明或者全部透明，便于观察结果。挡板11、挡板12与槽板的长度尺寸对应，用于形成内室的延长段，形成对内室提供临时的扩容。

如图6所示，实际加工制作时，整个容器均采用玻璃件。可以直接在一个长方形玻璃盒体内密封固定两个玻璃槽板；两个玻璃槽板底端与长方形玻璃盒体底部密封固定，两个玻璃槽板侧边与长方形玻璃盒体内壁密封固定。两个玻璃槽板之间围成所述的内室7，两个玻璃槽板与长方形玻璃盒体之间形成所述的外室5、外室9。同时在长方形玻璃盒体两个相对的侧壁上加工有固定挡板11、挡板12的插槽，以便于实现对挡板11、挡板12的定位，同时方便挡板11、挡板12的插入和取出。

磁铁1、磁铁2、磁铁3、磁铁4均为尺寸100mm×10mm×5mm的长方体磁铁(或称矩形磁铁)，剩余磁通密度为1.47T，同侧磁铁一侧N极朝上，另一侧S极朝上。容器尺寸为75mm×25mm×15mm，内室槽尺寸为70mm×2mm×H，矩形挡板尺寸为72mm×1mm×15mm。

电子废弃物粉末在容器中悬浮时接触容器壁，距磁铁间接触线1mm处

的z方向分量与高度z关系的曲线如图2所示，可反映磁场力与悬浮高度的变化关系。

以分离稀土荧光灯中三基色稀土荧光粉为例，红、蓝稀土荧光粉为抗磁性粉末，绿色稀土荧光粉为铁磁性粉末，可通过常规磁分离的方法先将绿粉去除，然后利用本发明分离红、蓝稀土荧光粉，分离步骤包括：

(1)根据红、蓝稀土荧光粉的磁悬浮高度确定磁悬浮分离装置内室槽高，使槽高介于两种粉末的悬浮高度之间；

步骤(1)中，可以直接在图1所示的装置(磁铁数量需要根据设计调整)中进行简单的实验进行内室槽高(即槽板高度)的确定；也可以采用如图5所示的装置进行内室槽高的确定；图5中，磁铁501规格与实际实验用的磁铁1～4规格相同，也可以采用相同的磁铁矩阵，将图1的容器更换容器502即可；采用的溶液介质505也为同一介质体系；且容器放置位置基本对应。图5中，503为相对较大密度粉末所在位置、504为相对较小密度粉末所在位置。

(2)将两块矩形挡板插在内室的槽壁(即槽板)上，与内室的槽壁顶端对接，形成内室的辅助槽壁，临时增加了内室的容纳空间；

(3)将容器放在磁铁上方，并使内室槽中心线与磁铁间接触线对齐；

(4)将红、蓝稀土荧光粉置于顺磁性介质溶液中；

(5)将介质溶液置于磁悬浮分离装置内室和矩形挡板形成的空间中，并使溶液液面高于内室槽；

(6)静置至粉末稳定悬浮；

(7)移走矩形挡板，悬浮高度高于内室槽的蓝粉被推向外室，悬浮高度低于内室槽的红粉留在内室，从而实现分离。如图7所示。

作为优选，建议选用四块磁铁进行红蓝稀土荧光粉的分离，如图3所示，图中(a)、(b)、(c)分别为使用两块磁铁、四块磁铁、六块磁铁进行红蓝稀土荧光粉的分离结果；(d)、(e)分别为使用四块磁铁时，磁悬浮分离后，容器内室和外室收集的红粉和蓝粉。四块磁铁红蓝稀土荧光粉磁悬浮分离的效果最好，两种粉末有明显分界线。

此外，以液晶显示屏中氧化铟锡(ITO)和玻璃粉的分离为例，首先需要根据ITO粉和玻璃粉的悬浮高度修改内室槽高，保证ITO粉悬浮高度低于槽高，玻璃粉悬浮高度高于槽高，其他分离步骤与红蓝稀土荧光粉的分离相同。选用的介质溶液为5mol/L MnCl₂水溶液，不同浓度MnCl₂水溶液所对应的密度和磁化率如表1所示：

表1不同浓度的MnCl₂水溶液的密度和磁化率

不同介质浓度下ITO粉和玻璃粉的分离结果如图4所示，淡黄色粉末为ITO粉，白色粉末为玻璃粉，图4为氧化铟锡(ITO)粉和玻璃粉磁悬浮分离结果：(a)、(b)、(c)分别为使用1mol/L、3mol/L、5mol/L MnCl₂水溶液；(d)、(e)分别为使用5mol/L MnCl₂水溶液时，磁悬浮分离后，容器内室和外室分别收集的ITO粉和玻璃粉，由图4可知，使用5mol/L的MnCl₂水溶液时，ITO粉和玻璃粉的分离效果最佳，两者悬浮高度差最大。

以上所述是本发明的两个应用实例，并非对适用电子废弃物范围的限定。可应用本发明分离的电子废弃物，这里无需也无法一一穷举，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，其特征在于，包括磁铁组以及设于磁铁组上方的容器，该容器内设有两个槽板；所述两个槽板之间围成内室，所述两个槽板与容器侧壁之间围成外室，且槽板高度低于所述容器侧壁高度。

2.根据权利要求1所述的通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，其特征在于，还包括能插接在容器内的两个挡板；所述挡板插接到位后，与所述两个槽板对接形成槽板的延长段。

3.根据权利要求2所述的通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，其特征在于，所述的容器侧壁设有用于插接定位所述挡板的插槽。

4.根据权利要求1所述的通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，其特征在于，所述容器为长方形槽；所述两个槽板竖直的设置在容器底部，且沿长方形槽的长度方向设置。

5.根据权利要求1所述的通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，其特征在于，所述磁铁组由两组磁铁组成，两组磁铁相互紧靠设置，其中一组磁铁的N极朝上设置，另外一组的磁铁的S极朝上设置。

6.根据权利要求5所述的通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，其特征在于，所述磁铁为规格相同的矩形磁铁。

7.根据权利要求5所述的通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，其特征在于，检测时，所述内室靠近两组磁铁的接触线设置。

8.根据权利要求1所述的通过磁悬浮技术分离电子废弃物的装置，其特征在于，所述两个槽板采用可拆卸的方式固定在所述容器内。

9.一种通过磁悬浮技术分离电子废弃物的方法，其特征在于，利用权利要求1所述的装置进行分离，包括：

(1)将密度不同的电子废弃物粉末置于顺磁性介质溶液中，将该溶液置于内室中；

(2)将容器置于所述磁铁组上方；

(3)在磁力作用下，密度较高的电子废弃物粉末悬浮于内室中，密度较低的电子废弃物粉末移动至外室中，实现密度较低的电子废弃物粉末和密度较高的电子废弃物粉末的分离；

所述步骤(1)和步骤(2)顺序可调整。

10.根据权利要求9所述的通过磁悬浮技术分离电子废弃物的方法，其特征在于，利用权利要求2～8任一项所述的装置进行分离，包括：

(1)根据电子废弃物粉末的磁悬浮高度确定内室两个槽板的高度；

(2)将两块挡板插在内室的两个槽板顶端；

(3)将容器放在磁铁组上方，并使内室的中心线与磁铁间接触线对齐；

(4)将密度不同的粉末置于顺磁性介质溶液中，将介质溶液置于内室和挡板形成的空间中，并使溶液液面高于内室的槽板高度；

(6)静置至粉末稳定悬浮；

(7)移走矩形挡板，悬浮高度高于槽板的粉末被推向外室，悬浮高度低于槽板的粉末留在内室，从而实现分离；

所述步骤(3)和步骤(4)顺序可调整。

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