平板显示器回收的新挑战

时间：2024-09-03

翻译：周于琬作者：Stafan Salhofer Markus Spitzbart Kurt Maurer

（1.环境保护部环境发展中心，北京 100029；2.University of Natural Resources and Applied rife Sciences；3. KERP Centre of Excellence Electronics &Environment；4. Sauoermacher AG）

1．导言

基于欧盟（EC，2003）2002/96/EC废旧电子电器设备指令（WEEE指令），在欧盟成员国报废的电子和电器设备的回收和循环利用计划已开始实施。在附录 IA的WEEE指令附件所列的10个产品类别中，显示屏主要集中在第3类（信息技术）、第4类（消费类电子），显示器也可以出现在第10类电器（自动售货机）。虽然在过去的显示屏主要采用阴极射线管（CRT）技术，自2000年左右，平板显示屏开始获得更多的市场份额。对于CRT显示屏，回收再利用技术已经建立，但对于平板显示器的回收，对回收商而言则是一个新的挑战。在本文中，对液晶显示器（LCD）屏幕的材料组成进行分析，并就拆卸和处理技术进行了讨论。结论目的是提供它们必须在未来处理的与材料流循环再造技术相关的数据，以及解决目前的技术瓶颈。

2．平板显示器的数量和组成

在过去的10年，越来越多的销售点上，平板显示屏（LCD和等离子显示屏）已经取代了CRT显示器。如表1所示，在25个欧盟成员国（欧盟25国）的家电市场上的液晶显示屏的量。

表1 在欧盟25国市场上的LCD显示器设备的总量单位：千吨

总量是根据销售液晶监视器和笔记本电脑的数字（Jönbrink和sjögren，2006）和液晶电视（Öko-Institute和弗劳恩霍夫IZM，2007）以及平均重量数据（豪氏威马等人，2007）计算获得的。估计未来的家电与LCD屏幕可能产生的预期寿命可以通过假设一个典型的从销售之日起后的产品。根据文献资料的数据（豪氏威马等人，2007），电视机、显示器和笔记本电脑，10年在2012年在欧盟25国总量的231000吨的（相当于人均每年0～5千克）LCD显示器的设备将达到报废阶段，主要表现为监视器和笔记本电脑。从2012年起，液晶电视机预计将数量增长，但估计有较大的不确定性，因为目前没有2008年以后的销售数字。作为一个保守的态度，同样的销售监视器和笔记本电脑数字跟在2008年使用的一样。这个估计（见图1），导致在欧盟25国在2018年有569000吨（等于人均每年1.2千克）的一个潜在的、大量的有LCD显示器的家电报废。

当今的LCD显示器在城市废物流的数量比估计的数字要低得多。在奥地利，一项调查显示，2006年回收设施WEEE（特萨和Öhlinger，2009）份额的2.8%是家电类的显示器和屏幕的LCD显示器。瑞士类似的数字由Braendli（2008）报道。在2007年，瑞士回收系统SWICO时收集和回收显示器9200吨，发现其中有5%的液晶显示器。图1中2009年显示器和液晶电视中的数据相当于人均每年0.3千克，而从奥地利2006年、瑞士2007年的收集数量来看，分别代表仅仅是人均每年0.05和0.06千克。要了解预期和注册量之间的差异，必须考虑到该收集计划WEEE，自2005年以来在大多数欧盟成员国才建成，但到目前为止，它们并没有覆盖100%的潜力。据估计（豪氏威马等，2007），在2005年欧盟只有35%的CRT显示器收集率，大多数其他产品显示的收集率在40%以下。

还有，没有太多关于液晶显示屏屏幕使用寿命的实际经验，而这些设备在市场上是相对较新的。这可能会导致高估的潜在处置。

图1 估计在欧盟25国液晶显示器报废的总量

液晶显示器材料组成，没有多少发布的数据。一个普通的液晶显示器的组成见表2（豪氏威马等，2007），但没有提供进一步关于这款显示器的大小或技术的资料。液晶显示器和电视机的零件由李和Cooper（2008）进行了量化。这里15英寸液晶显示器的质量为678克，其中134克被分配到“液晶组件”（玻璃、液晶、电极、校正层和间隔物）和544克用于“膜组”（塑料扩散器和光导）。

表2 液晶监视器的材料组成单位：千克

3．回收利用技术

对于大多数拆解CRT显示器的材料，回收或处置途径已经确立。真正的金属（铁和有色金属）或金属丰富的组件（电缆、印刷电路板）要回收，而含有有害物质的组件（如在WEEE指令附件Ⅱ中列出的），要经过特殊处理。在奥地利，2006 年在16个工厂13400 吨（相当于人均每年1.7 千克）的显示器进行了处理。在第一阶段，通过人工拆解，这些工厂中的七家进一步分离阴极射线管（特萨和Öhlinger，2009）。缺乏回收利用塑料和玻璃的适当工艺，造成了回收阴极射线管的瓶颈。拆除阴极射线管的玻璃的回收方案，由Menad（1999）和Bipro（2006）的一项调查给定。以及使用新的阴极射线管的生产，这不是一个未来可扩大的途径。由于生产减少，玻璃可用于制造陶瓷产品。使用其在陶瓷工业中生产釉料，更详细分析由Andreola等（2007）作出。进一步的方案是使用此玻璃材料作为造渣成分再生铅铜轧机或输入到二次铜综合回收铅和锡的生产中（Bipro，2006）。在瑞典铜工厂使用的CRT玻璃由Mostaghel和萨缪尔森（2010）给出进一步详情。对于日本来说，Aizawa等人（2008）报告的法律要求回收的不仅限于金属材料，如，铁、铝和铜，而且包括CRT的玻璃。

对于回收的LCD显示器，情况是类似的：金属和丰富的金属材料的回收和处置途径已经非常成熟，待处理的液晶显示器仍然在发展中。Kim等人（2009）描述了液晶显示器成分87.2%的玻璃、塑料12.7%和0.1%的液晶。铟锡氧化物（ITO）层的质量约0.01%；这一估算是根据铟102毫克/千克得出（Li等人，2009），氧化铟是ITO层的主要成分。背光灯含有的汞是在拆除过程中被移除。主要生产液晶的默克公司对液晶的危险性作了深入的讨论，得出的结论是，今天生产的LC物质被列为既没有毒性，也不致突变，对皮肤或眼睛无刺激性的毒理学和生态毒理学调查的数据和结果。另外，没有观察出生态毒理学效应（Martin等人，2004）。不过，在奥地利LCD面板被列为危险废物。

在大多数情况下，当今处理液晶显示器，都是通过焚化处理，这导致了资源的损失。讨论中的平板显示器和CRT的玻璃，可以作为输入原料生产建材。 Lin等人（2009a）调查了其在混凝土中的凝硬性行为，但论文没有分析LC面板其他材料的回收，也没有分析潜在的排放。另外，从液晶面板的玻璃供制作玻璃陶瓷的烧结使用（Lin等人，2009b）进行了分析。

进一步有关回收利用液晶面板的材料是铟。它是作为ITO的主要成分，通常包括质量80～90%In2O3（氧化铟）和10～20%（Takahashi等人，2009）SnO2（氧化锡）。铟是一种稀缺资源，估计全球储量2006年2800吨，和在2007年5l0吨的年消费量（安格雷尔等，2009）。消费的趋势在增加，铟不仅用于LC显示器，也是必不可少的光伏组件。到2030年，安格雷尔等（2009）估计，每年消耗超过1900吨。铟的生产主要集中在少数几个国家，2007年，中国、韩国、加拿大和日本总和占有85%以上的份额。在2012年的铟回收主要发生于从ITO废料抽取中，其中70%被回收（Takahashi等人，2007）。在2012年从报废产品中回收铟的技术不是最先进的，但考虑到这种材料的稀缺性和重要意义，回收有望成为欧洲工业新兴产业。Takahashi等人（2009）描述技术方案，以回收铟在手机液晶显示器为例：湿法冶金工艺、火法、氯化物蒸发法、都是很有潜力的方法。Li等人（2009）给出一个更全面的工艺，以便回收利用液晶面板，回收其中的铟和其他有价值的材料。它包括单独拆解过程除去膜，液晶通过用超声洗涤和用酸抽提回收铟。据报道有92%的回收率。尽管这些技术不是最先进的，在2012年，作为进一步的二次铟回收，这些方法是值得开发的。

考虑到回收成本，人工拆解的步骤是特别重要的。在这个过程中，它的自动化正在调查研究中（例如Kim等，2009），优化产品设计的影响是至关重要的。在设计阶段对环境的影响已经列入被称为面向环境的设计（环境化设计），由Kurk和伊根（2008）描述了基本原则，被称为回收设计（DFR）。由Park等人（2008），使用洗衣机作为一个案例研究方法。Masanet和Horvath（2007）描述了个人计算机壳应用为回收设计的方法。报废汽车的应用由桑蒂尼等人（2010）证明。在德国，技术标准VDI 2243（VDI，2002）被开发，以支持这种设计过程。

4．案例研究：经济上的可行性

为了获得更多液晶屏回收的信息，2009年一项经济可行性分析由Saubermacher（奥地利的一家回收公司）和KERP卓越维也纳中心合作进行。在拆解的试验中研究液晶屏的样本材料组成。对于具体的物质产出，以及市场研究的拆卸和回收的成本和收入也进行了计算。

从储量丰富持有的回收材料，包括液晶显示器和液晶电视机的样品材料。只有少数从家庭生活收集的LCD屏幕废料，大部分的取样材料源于液晶显示器和电视机维修活动中包含的样本，在实验中没有拆解等离子显示面板或其他显示器。样品的尺寸分布示于表3。对于监视器，大小不等，尺寸从15英寸至42英寸不等，一个最常见的尺寸为17英寸。试样的尺寸分布，与2006年（Kernbaum等人，2006）的销售数字相比，似乎是典型的。电视机的范围从15英寸至42英寸的样品，主要是大小为32英寸的样品。这表明电视机的分布跟销售数据相比是不典型的（Öko- Institute和Fraunho-fer IZM，2007）：大型电器占样品的主流地位。

表3 拆解试验中样品的尺寸分布

在这项测试中，拆除计划得到了发展。由于其结果应被用来建立例行的拆解回收程序，有两个方面的重要性：

（1）履行WEEE指令的要求（附件Ⅱ中列出的材料，如印刷电路板、液晶显示器和气体放电灯作为背光源和多氯联苯（PCB），包含电容和电解电容，假设大小超过25毫米）。

（2）为分离材料拆解后销售（黑色金属和有色金属的分离，分离塑料的主要类型等）。

表4 通过拆解试验和文献资料比较得到的材料组成单位：千克

在排除不正确的数据集（如拆除部分的总质量偏差超过5%的输入质量），共获得液晶监视器的47个数据集和液晶电视机的41个数据。这两种类型的产品的平均材料组成，示于表5。这两款监视器和电视机（黑色金属，铝和电缆金属含量）大于45%，印刷电路板作为一种有价值的材料成分分别为8.1%（监视器）和6.1%（电视机）。作为背光的气体放电灯的份额分别是0.3%（监视器）和1.1%（电视机）。在这个试验中，电容器不从该印刷电路分离开和被包含在印刷电路板的质量。作为潜在的有价值的和可销售的塑料，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的薄膜套，ABS和PC-ABS（聚碳酸酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）作为壳体材料进行了确认。

表 5 拆解液晶显示器和液晶电视机的材料收入金额

进行统计评价的样本取自回收商现有的库存，并不能代表未来的废物流。监视器的平均材料组成与文献数据进行了对比，为每个分析装置的总重量计的份额，可以看出，与金属、印刷电路板和塑料的情况类似。

除了材料平衡，在试验中拆解时间是按每单元记录的。显示器每单元平均需要18分钟，范围从10分钟到35分钟。电视机平均每单元24分钟，范围从14分钟到40分钟。

根据拆解试验和潜在的收入的材料输出的平均拆解时间，对成本和盈利能力进行评估。虽然对于大多数材料，如，金属，价格从回收的日常业务，从平面屏幕塑胶市场调查是在2009年年中进行的。第一次接触专业回收公司在欧洲回收塑料，照片和材料样本被送到回收商。最后，三个循环再造商提供PMMA，ABS和PC-ABS的价格，所有的拆除设施用不阻燃剂拾取器。为PMMA的潜在收入介于74～330欧元/吨，平均值为150欧元/吨被用于进一步的计算。对于ABS，范围内的收入达到120～132欧元/吨（平均130欧元/吨），而PC-ABS，收入为92～135欧元/吨，假定平均为130欧元/吨。将材料收入于1吨显示器，电视机等材料组成的成本从拆解试验而来，示于表5。在这个计算中，正面的价值观代表重大收入，而负值代表处置成本。对于液晶显示器，600欧元/吨的成本显示，因为这部分实际上是处理在危险废物焚烧炉中，虽然包含了有价值的材料，如铟和潜在的有价值的液晶材料。

拆解成本的计算，每小时收费18欧元，其中包括25%的管理费用。这是一个简化的方法，不包括拆解车间的就位和家电的存储。案例研究中监视器和电视机每吨的拆解费如表6所示。表7是成本和收益的平衡。无论是监视器和电视机，拆解成本大大高于材料的收入。在拆解过程中，劳工成本是一个主要的成本因素。在试验中，特别是在拆解过程中，易碎的背光灯用去了相当长的时间。

这项试验显示的成本和收入是有效的，这是在奥地利的2009年年中进行的，那个时候是具有代表性的。由于在其他地区材料收入发生了很大的变化，时间和劳动力成本可能会有所不同，这可以导致不同的平衡。不过，目前用材料收入覆盖拆解的费用似乎是不现实的。自动拆解系统用作平板显示器的拆解而降低拆解成本可能是一种可行的方法。但这样的系统还仅仅是研究课题（见金等人，2009）不是最先进的。

表 6 拆解的显示器和电视机的成本

表7 液晶显示器和电视机的回收费用和收入平衡表