FR2864861A1 - Recycling of cathode tubes by extraction and separation of the glass and the electroluminescent constituents of the tubes - Google Patents

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Abstract

The integrated recycling of cathode tubes consists of: (A) the opening of the cathode tubes by laser; (B) the dry cleaning of the tubes with surface treatment agents; and (C) the recycling of the luminophores by an acid-basic route in the presence of fluorides.

Description

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La production d'équipements électriques et électroniques est un des domaines en forte croissance dans le monde Occidental.  The production of electrical and electronic equipment is one of the fastest-growing areas in the Western world.

L'innovation technologique et l'expansion du marché continuent à accélérer le processus de remplacement des produits dont la durée de vie n'excède pas les 3 ans.  Technological innovation and market expansion continue to accelerate the process of replacing products with a shelf life of no more than three years.

En 2000, la production française de déchets électriques et électroniques en fin de vie s'évaluait à 1,5 millions de tonnes dont la moitié provenait des ménages. Depuis, on observe une progression de 3 à 5 % par an de ce chiffre.  In 2000, French production of end-of-life electrical and electronic waste was estimated at 1.5 million tonnes, half of which came from households. Since then, this figure has increased by 3 to 5% per year.

On estime à 400 000 T/an le gisement européen de ces déchets dont 90 % vont encore 10 en décharge.  It is estimated that 400 000 T / year is the European deposit of this waste, of which 90% is still going to landfill.

C'est pour cela que de nouvelles directives encadrent fortement ce déchet; la dernière en date étant la directive 2002/96/CE du 27 Janvier 2003.  This is why new directives strongly control this waste; the most recent being Directive 2002/96 / EC of 27 January 2003.

Ces nouvelles règles de gestion de ces produits imposent des taux de recyclage 15 minimum. Or parmi l'appareillage électrique et électronique en fin de vie, le tube cathodique représente un poids relativement important.  These new management rules for these products impose minimum recycling rates. Now among the electrical and electronic equipment at the end of life, the cathode ray tube represents a relatively large weight.

Pour atteindre le taux global de recyclage il est impératif d'atteindre des taux de recyclage élevé pour le tube cathodique.  To achieve the overall recycling rate it is imperative to achieve high recycling rates for the CRT.

Un tube cathodique couleur comprend un verre de dalle contenant entre autres des oxydes de baryum et de strontium et un verre de cône, contenant de l'oxyde de plomb en grande quantité.  A color cathode ray tube comprises a slab glass containing, inter alia, oxides of barium and strontium and a glass of cone containing lead oxide in large quantities.

Ces deux parties sont liées entre elles par un joint et sont revêtues de couches dites "fonctionnelles" constituées d'oxydes métalliques, de terres rares, de graphite et de fer.  These two parts are interconnected by a joint and are coated with so-called "functional" layers consisting of metal oxides, rare earths, graphite and iron.

Des pièces métalliques sous forme de plaques sont placées à l'intérieur des tubes avant fermeture.  Metal parts in the form of plates are placed inside the tubes before closing.

En particulier la couche déposée sur la face interne des dalles se compose de matières électroluminescentes à base de Zinc, Cadmium, Yttrium et Europium.  In particular, the layer deposited on the internal face of the slabs consists of electroluminescent materials based on Zinc, Cadmium, Yttrium and Europium.

Tous ces composés tendent à conférer un caractère toxique à l'ensemble du tube 30 cathodique.  All of these compounds tend to impart a toxic character to the entire cathode tube.

C'est pour cela que diverses solutions ont été proposées pour le traitement de ces tubes cathodiques.  That is why various solutions have been proposed for the treatment of these cathode ray tubes.

Le brevet US4858833 décrit un procédé de recyclage des tubes par broyage puis traitement à l'acide fluoroborique suivi d'une séparation sélective des divers composants.  US Pat. No. 4,885,833 describes a process for recycling the tubes by grinding followed by treatment with fluoroboric acid followed by selective separation of the various components.

Ce procédé présente plusieurs inconvénients par le mélange des verres, la dissolution de parties métalliques et l'emploi de l'acide fluoroborique.  This process has several disadvantages by the mixing of glasses, the dissolution of metal parts and the use of fluoroboric acid.

En particulier cet acide a montré ses limites dans le traitement de déchets notamment à travers toutes les tentatives d'industrialisation de procédés (notamment dans le recyclage des piles).  In particular, this acid has shown its limits in the treatment of waste especially through all attempts to industrialize processes (especially in the recycling of batteries).

Les verres obtenus par mélange de la dalle (à base de baryum) et le cône (à base de 5 plomb) sont difficilement valorisables en l'état.  The glasses obtained by mixing the slab (based on barium) and the cone (based on 5 lead) are difficult to recover as they are.

Il s'est donc avéré indispensable de procéder à l'ouverture des tubes et la séparation des tubes. La première voie utilisée est la scie diamantée. Cette technique assure une bonne ouverture mais s'accompagne d'importantes émissions de particules de verre et nécessite des opérations manuelles.  It was therefore essential to open the tubes and separate the tubes. The first way used is the diamond saw. This technique ensures a good opening but is accompanied by large emissions of glass particles and requires manual operations.

C'est pour lever cet inconvénient que le brevet DE4234706 décrit un procédé d'ouverture et de séparation des deux composants au moyen d'un fil chauffant.  It is to overcome this drawback that patent DE4234706 describes a method of opening and separating the two components by means of a heating wire.

Cette séparation ne peut avoir lieu que si des encoches sont réalisées sur l'ensemble du périmètre du tube cathodique. Ce type d'opération limite la productivité par sa cadence 15 et nécessite la pose très précise du fil après réalisation des encoches.  This separation can take place only if notches are made on the entire perimeter of the cathode ray tube. This type of operation limits productivity by its rate and requires the very precise laying of the wire after making the notches.

Par ailleurs, la couche luminophore composée de matières électroluminescentes est actuellement enlevée par tout moyen physique et les poudres obtenues sont envoyées en centre de stockage pour déchets toxiques.  Moreover, the luminophore layer composed of electroluminescent materials is currently removed by any physical means and the resulting powders are sent to a storage center for toxic waste.

Il n'y a pas encore de procédé industriel opérationnel qui offre un débouché pour ces poudres.  There is still no operational industrial process that offers an outlet for these powders.

D'une manière générale les procédés à l'oxalate pour la séparation des terres rares sont connus depuis fort longtemps puisque proposés depuis le début des années 1900 et largement mis en oeuvre (C.James, J.Am.Chem.Soc. vol 30, p. 979, 1908). Ils sont efficaces pour des mélanges de lanthane, thorium, yttrium et cérium).  In general, the oxalate processes for the separation of rare earths have been known for a very long time since they have been proposed since the beginning of the 1900s and have been widely used (C.James, J.Am.Chem.Soc, vol 30 979, 1908). They are effective for mixtures of lanthanum, thorium, yttrium and cerium).

Les procédés complets sont largement décrits dans Journal of SocChem.Eng, (R. W Urie, 46(437) année 1947 et ES Pilkington 46(387) 1947) et dans J. Appt. Chem. [ES Pilkington 2(265) année 1952 et 4(568) année 19543.  The complete methods are widely described in Journal of SocChem.Eng, (R. W Urie, 46 (437) year 1947 and ES Pilkington 46 (387) 1947) and in J. Appt. Chem. [ES Pilkington 2 (265) year 1952 and 4 (568) year 19543.

Par contre la présence de zinc, cadmium et Yttrium complique singulièrement les Opérations. En outre, le précipité, très fin, entraîne des impuretés (notamment les anions de l'acide de l'attaque).  On the other hand, the presence of zinc, cadmium and yttrium singularly complicates Operations. In addition, the precipitate, very fine, leads to impurities (including the anions of the acid attack).

Enfin, la formation de complexes d'oxalate avec les autres produits, entraîne la surconsommation d'oxalate.  Finally, the formation of oxalate complexes with other products, leads to overconsumption of oxalate.

C'est pour cela que divers procédés ont été proposés.  This is why various processes have been proposed.

Nous avons déjà vu que le brevet US4858833 décrit un procédé de recyclage de ces poudres par voie fluoroborique suivie d'une précipitation d'oxalates. Outre les 2864861 3 inconvénients de l'acide fluoroborique, l'obtention d'oxydes valorisable exige la calcination des oxalates conduisant à une contribution à l'émission de CO2.  We have already seen that patent US4858833 describes a process for recycling these powders fluoroborically followed by a precipitation of oxalates. In addition to the disadvantages of fluoroboric acid, the production of valuable oxides requires the calcination of oxalates leading to a contribution to the emission of CO2.

Le brevet DE19918793 décrit un procédé de recyclage de ces poudres par attaque à l'acide nitrique suivie d'une précipitation aux carbonates puis une calcination pour obtenir des oxydes. Là aussi les inconvénients sont principalement liés aux émissions d'oxydes d'azote et de CO2.  The patent DE19918793 describes a process for recycling these powders by etching with nitric acid followed by a carbonate precipitation and calcination to obtain oxides. Here too, the disadvantages are mainly related to emissions of nitrogen oxides and CO2.

La présente invention a pour objectif de palier à ces différents inconvénients.  The present invention aims to overcome these various disadvantages.

Selon trois mises en oeuvre, l'invention consiste à associer un procédé d'ouverture des tubes cathodiques, un procédé de traitement de surface des verres du cône et un procédé de recyclage des luminophores (figure 1J7).  According to three implementations, the invention consists in associating a method of opening cathode ray tubes, a surface treatment method of cone glasses and a phosphor recycling process (FIG.

1- Ouverture des tubes cathodiques Selon une première mise en application de la présente invention, les tubes cathodiques sont ouverts au moyen d'un laser à CO2 avec une puissance comprise entre 300 mW et 3 kW et une longueur d'onde comprise entre 10 et 11 pm.  1. Opening the cathode ray tubes According to a first application of the present invention, the cathode ray tubes are opened by means of a CO2 laser with a power of between 300 mW and 3 kW and a wavelength of between 10 and 11 pm

Un premier avantage réside dans le fait que l'ouverture ne nécessite pas d'encoche initiale ce qui a pour conséquence de diminuer considérablement le temps d'ouverture.  A first advantage lies in the fact that the opening does not require an initial notch which has the effect of considerably reducing the opening time.

Un second avantage réside dans le fait que la puissance du laser est suffisante pour détruire complètement le joint ce qui permet une ouverture directe à la jonction dalle-cône alors que l'ouverture par scie ou par fil chauffant laisse environ un centimètre du verre à dalle qui est lié au corps du cône.  A second advantage is that the power of the laser is sufficient to completely destroy the seal which allows a direct opening to the slab-cone junction while the opening by saw or heating wire leaves about a centimeter of the slab glass which is related to the body of the cone.

Une fois les tubes cathodiques ouverts, pour une bonne valorisation des verres il est important d'éliminer totalement tous les produits de revêtement qui se situent sur la face interne de la dalle et sur les faces internes et externes des cônes.  Once the cathode ray tubes open, for a good valuation of the glasses it is important to completely eliminate all the coating products that are located on the inner face of the slab and on the inner and outer faces of the cones.

Dans un souci de protection des opérateurs au poste de travail et d'efficacité du traitement de surface, les techniques comme le brossage direct à sec sont écartées. Dans un souci de protection de l'environnement et d'élimination d'eau de rejets en quantités importantes, le lavage à l'eau est écarté.  In order to protect the operators at the workstation and the effectiveness of the surface treatment, techniques such as direct dry brushing are rejected. In the interest of protecting the environment and eliminating water from large amounts of waste, washing with water is discarded.

II - Nettoyage de surface des verres Dans une seconde application de la présente invention, les oxydes de surface sont ôtés par un traitement à sec au moyen d'agent de nettoyage à l'état solide. Les agents utilisés sont: - la grenaille d'acier - le bicarbonate de sodium - la calcite.  II - Surface Cleaning of the Glasses In a second application of the present invention, the surface oxides are removed by dry treatment using a solid state cleaning agent. The agents used are: - steel shot - sodium bicarbonate - calcite.

Les trois produits ont donné des résultats satisfaisants dans la mesure où les couches sont totalement éliminées notamment sur les couches où elles sont très adhérentes; comme illustré sur les figures 2/7 et 3/7 qui reprennent une photographie au microscope électronique d'un verre de cône après traitement.  The three products have given satisfactory results insofar as the layers are completely eliminated especially on the layers where they are very adherent; as illustrated in FIGS. 2/7 and 3/7, which take an electron microscope photograph of a cone glass after treatment.

Ces trois produits sont choisis pour la facilité de traitement ultérieur des fractions mélangées comprenant l'agent de traitement de surface et les produits issus du nettoyage de surface.  These three products are chosen for the ease of subsequent processing of the mixed fractions comprising the surface treatment agent and the products resulting from the surface cleaning.

Dans le cas de l'utilisation de la grenaille pour la dalle et pour le cône, les produits 15 obtenus sont traités par séparation magnétique pour obtenir séparément les luminophores ou les autres oxydes d'une part et la grenaille d'acier d'autre part.  In the case of the use of the shot for the slab and for the cone, the products obtained are treated by magnetic separation to obtain separately the phosphors or the other oxides on the one hand and the steel shot on the other hand .

Dans le cas d'utilisation du bicarbonate de sodium ou de la calcite pour le traitement de la dalle, ces produits sont éliminés au cours du traitement des luminophores, objet de la 20 troisième mise en oeuvre de la présente invention.  In the case of use of sodium bicarbonate or calcite for the treatment of the slab, these products are removed during the treatment of phosphors, object of the third implementation of the present invention.

I= - Recyclage des luminophores Selon une troisième mise en oeuvre de l'invention, les poudres luminophores sont 25 traitées par une voie ne comprenant ni oxalate ni ammoniaque.  I = - Recycling phosphors According to a third embodiment of the invention, the phosphoric powders are treated by a route comprising neither oxalate nor ammonia.

Le montage électroluminescent comprend une feuille d'aluminium et une couche de poudres luminophores. Un tamisage à 500 microns permet de séparer la très grande majorité des poudres.  The electroluminescent assembly comprises an aluminum foil and a phosphor powders layer. A 500 micron sieve separates the vast majority of the powders.

La fraction supérieure à 500 microns se compose principalement de feuillard d'aluminium 30 comme le montrent les figures 4/7 (photographie au microscope électronique à balayage).  The fraction greater than 500 microns consists mainly of aluminum strip as shown in Figures 4/7 (scanning electron microscopy).

La fraction fine se compose majoritairement de zinc et d'yttrium avec présence d'europium, de fer et de manganèse comme le montre l'observation au microscope électronique (figure 5/7 et figure 6/7) associée à une microanalyse. Sur le plan de la répartition de phase, le zinc est engagé sous forme de sulfure alors que l'yttrium et l'europium sont présents sous forme d'oxyde et d'oxysulfures comme nous l'avons montré par une analyse par diffraction X. Après l'opération de tamisage, le procédé chimique proprement dit est mis en oeuvre.  The fine fraction consists mainly of zinc and yttrium with presence of europium, iron and manganese as shown by the observation under the electron microscope (Figure 5/7 and Figure 6/7) associated with a microanalysis. In terms of phase distribution, zinc is involved as sulphide while yttrium and europium are present as oxide and oxysulfides as we have shown by X-ray diffraction analysis. After the sieving operation, the actual chemical process is carried out.

2864861 5 Ce procédé comprenant les étapes suivantes: i - étape d'attaque La poudre issue du traitement décrit en II est soumise à une dissolution à l'acide sulfurique 2N à une température fixée à 70 C. La concentration de l'acide peut varier de 15 à 35%. Mais pour des raisons de compromis entre vitesse de réaction et dilution elle peut être fixée à une valeur comprise entre 17% et 22%.  This process comprises the following steps: i - etching step The powder resulting from the treatment described in II is subjected to dissolution with 2N sulfuric acid at a temperature set at 70 ° C. The concentration of the acid may vary. from 15 to 35%. But for reasons of compromise between reaction rate and dilution it can be set at a value between 17% and 22%.

La solution issue de l'attaque acide est soumise à une filtration pour séparer la liqueur contenant les métaux des résidus insolubles.  The solution resulting from the acid attack is subjected to filtration to separate the liquor containing the metals from the insoluble residues.

2 - étape de neutralisation fluoruration La liqueur est alors neutralisée jusqu'à un pH compris entre 2,8 et 4,4 au moyen de soude, potasse, chaux ou magnésie. La valeur optimale de neutralisation pour une bonne mise en oeuvre des opérations ultérieures a été trouvée égale à 3,4.  2 - fluoridation neutralization step The liquor is then neutralized to a pH between 2.8 and 4.4 by means of sodium hydroxide, potassium hydroxide, lime or magnesia. The optimal value of neutralization for a good implementation of the subsequent operations was found equal to 3.4.

La neutralisation peut avantageusement être effectuée au moyen de soude ou de potasse de concentration comprise entre 10 et 35%.  The neutralization can advantageously be carried out using soda or potash with a concentration of between 10 and 35%.

La solution neutralisée est alors mélangée avec une solution de fluorure alcalin chauffée à 50 C et dans un rapport stoechiométrique égal à celui du contenu en Yttrium + 20 Europium augmenté de 10 % en poids.  The neutralized solution is then mixed with a solution of alkaline fluoride heated to 50 ° C and in a stoichiometric ratio equal to that of Yttrium + Europium content increased by 10% by weight.

Le précipité formé est séparé puis lavé au moyen d'eau industrielle à une température comprise entre 30 et 40 C.  The precipitate formed is separated and then washed with industrial water at a temperature between 30 and 40 C.

Cette eau de lavage est utilisée en tête de procédé pour préparer l'acide 2N à partir d'acide concentrée.  This washing water is used at the top of the process to prepare 2N acid from concentrated acid.

3 - Etape d'hydroxylation Le solide est alors mis en suspension dans une solution de soude à 30 % et un précipité blanchâtre se forme. Après filtration, la solution de fluorure légèrement alcaline est réutilisée à l'étape 2; alors que le solide est séché à 105 C.  3 - Hydroxylation step The solid is then suspended in a 30% sodium hydroxide solution and a whitish precipitate is formed. After filtration, the slightly alkaline fluoride solution is reused in step 2; while the solid is dried at 105 C.

Un schéma de principe de ce procédé est repris sur la figure 7/7.  A schematic diagram of this process is shown in Figure 7/7.

IV -Recyclage des verres Les tubes cathodiques se composent de deux types de verre: 35 - un verre au plomb pour le cône un verre au baryum et parfois strontium pour la dalle d'écran.  IV -Recycling glasses Cathodic tubes consist of two types of glass: 35 - a lead glass for the cone a barium glass and sometimes strontium for the screen tile.

2864861 6 Pour une bonne valorisation les verres doivent être traités séparément. Pour éviter les pollutions notamment du verre au baryum par le plomb la fusion est effectuée dans une spire inductive refroidie extérieurement et formant ainsi un auto-creuset.  2864861 6 For a good valuation the glasses must be treated separately. To avoid pollutions, in particular barium glass by lead, the melting is carried out in an externally cooled induction coil, thus forming a self-crucible.

Cet auto-creuset présente de nombreux avantages dont la formation d'une couche de 5 verre figée autour du creuset ce qui évite tout usage de réfractaire et toute pollution des verres.  This self-crucible has many advantages including the formation of a layer of glass fixed around the crucible which avoids any use of refractory and any pollution of the glasses.

Pour obtenir une composition constante en sortie, les titres en silice, en baryte et en carbonate de strontium sont ajustés par ajout dans le creuset.  To obtain a constant composition at the outlet, the silica, barite and strontium carbonate titers are adjusted by adding them to the crucible.

Les lignes du champ électrique à haute fréquence provoquent dés turbulences au sein du bain fondu qui induisent l'énorme avantage d'homogénéiser la matière en fusion. Cela permet d'obtenir une fusion uniforme et par conséquent, en sortie un verre de composition homogène avec absence totale d'infondus.  The lines of the high frequency electric field cause turbulence in the molten bath which induce the enormous advantage of homogenizing the molten material. This makes it possible to obtain a uniform melting and consequently, at the outlet, a glass of homogeneous composition with a total absence of unmelted material.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1- procédé de recyclage intégral des tubes cathodiques caractérisé en ce qu'il permet le recyclage des verres qui composent les dits tubes cathodiques et les luminophores déposés sur la face interne des écrans au moyen de l'association des étapes a. d'ouverture des dits tubes cathodiques au moyen d'une source laser b. du nettoyage à sec au moyen d'agents de traitement de surface c. du recyclage des luminophores par voie acido-basique en présence de fluorures.  1- integral recycling method of the cathode ray tubes, characterized in that it allows the recycling of the glasses that make up said cathode ray tubes and phosphors deposited on the internal face of the screens by means of the combination of steps a. opening said cathode ray tubes by means of a laser source b. dry cleaning with surface treatment agents c. phosphor recycling by acid-base in the presence of fluorides. 2- procédé de recyclage intégrai des tubes cathodiques selon la revendication 1 caractérisé en ce que le traitement de surface des verres est effectué au moyen d'agent de surface choisis préférentiellement parmi la grenaille d'acier, le bicarbonate de soude et la calcite.  2- method of integrated recycling of cathode ray tubes according to claim 1 characterized in that the surface treatment of the glasses is carried out by means of surfactant preferably selected from steel shot, baking soda and calcite. 3- procédé de recyclage intégral des tubes cathodiques selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que les poudres électroluminescentes sont traitées par voie acide sulfurique de concentration comprise entre 15 % en poids et 35 %, mais de préférence entre 17 % et 22 % en poids.  3-method of integral recycling cathode ray tubes according to any one of claims characterized in that the electroluminescent powders are treated sulfuric acid with a concentration of between 15% by weight and 35%, but preferably between 17% and 22% in weight. 4- procédé de recyclage intégral des tubes cathodiques selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que la séparation de l'yttrium et de l'europium est effectuée au moyen d'un fluorure de sodium ou de potassium à un pH compris entre 2,8 et 4,8 mais de préférence voisin de 3,4.  4-method of integral recycling cathode ray tubes according to any one of claims characterized in that the separation of yttrium and europium is effected by means of a sodium or potassium fluoride at a pH between 2 , 8 and 4.8, but preferably close to 3.4. 5- procédé de recyclage intégral des tubes cathodiques selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que l'extraction de l'yttrium et l'europium se fait sous forme d'hydroxyde par alcalinisation au moyen de soude ou de potasse de concentration comprise entre 10 % en poids et 35 % en poids.  5 - method of complete recycling cathode ray tubes according to any one of claims characterized in that the extraction of yttrium and europium is in the form of hydroxide by alkalinization with soda or potassium hydroxide concentration included between 10% by weight and 35% by weight. 6- procédé de recyclage intégral des tubes cathodiques selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que l'extraction de l'yttrium et ('europium conduit à la régénération du fluorure alcalin réutilisable en tête de procédé dans la séparation des dits yttrium et europium.  6. The method of complete recycling of the cathode ray tubes according to any one of the preceding claims, characterized in that the extraction of yttrium and europium leads to the regeneration of reusable alkaline fluoride at the head of the process in the separation of said yttrium and europium. 2864861 8 7- procédé de recyclage intégral des tubes cathodiques selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que les verres séparés sont fondus au moyen d'un creuset à induction conçu de manière à réaliser un auto-creuset.  The method of integral recycling of cathode ray tubes according to any of the claims characterized in that the separated glasses are melted by means of an induction crucible designed so as to produce a self-crucible. 8- procédé de recyclage intégral des tubes cathodiques selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que la composition des verres est ajustée par ajout de silice, baryte et carbonate de strontium directement dans le creuset en fusion.  8- method of complete recycling cathode ray tubes according to any one of claims characterized in that the composition of the glasses is adjusted by adding silica, baryta and strontium carbonate directly into the melting crucible.
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