廢手機面板焚燒產物研究

手機已成為人們不可缺少的重要通信工具，隨著技術發展和產品更新換代，預計每年將有大量手機進入報廢期，報廢手機將成為我國電子廢棄物的重要組成部分。對不能循環再利用的電子廢棄物主要采用焚燒方法對其進行減量化處理[123]。我國《廢棄家用電器與電子產品污染防治技術政策》規定：對于表面積大于100cm2的液晶顯示屏必須進行單獨拆除，分類收集；液晶物質無害化處理可采用加熱析出、催化分解技術。絕大多數手機面板使用液晶顯示器（LCD），且表面積小于100cm2，由于技術經濟因素，其收集、處理難度更大。目前，國內外研究主要集中在廢電腦液晶顯示器及TFT（Thin-Film Transistor）型液晶材料方面。處理技術包括焚燒、超聲波、加熱析出、有機溶劑萃取廢液晶以及玻璃資源化等[4-11]。CHIEN等[12]研究了TFT型液晶焚燒過程污染物釋放規律，結果發現，液晶焚燒產生大量多環芳烴（PAHs），其中2～3環的PAHs較多。PAHs是致癌物，已被美國環境保護署（USEPA）列入優先控制污染物名錄，直接焚燒液晶導致的環境污染問題必須引起重視。郭玉文等[13]的研究結果表明：TFT型液晶熱處理產物成分非常復雜，既有烴類（脂肪烴、烯烴），又有很多芳香族化合物和酮、醇等有機物。早期手機使用的液晶基本是TN（Twisted Nematic）型，近年來彩屏手機主要是STN（Super Twisted Nematic）型或TFT型[14-15]。
雖然手機中液晶使用量很少，但手機面板中還有偏光膜、彩色濾光膜、取向膜等有機材料以及玻璃基板等[16]無機材料。有關廢手機面板焚燒處理污染物釋放方面鮮見報道。當報廢手機和其他固體廢物混合在一起被焚燒時，有可能會造成有機物分解產生污染物。筆者以廢手機面板為試驗材料，研究其焚燒過程中的污染物釋放規律，以期為廢手機處理處置及環境管理提供科學依據。
1材料與方法
1.1材料
從市場購買報廢手機，初步拆解取其顯示器玻璃面板，經液氮充分冷凍后使用重型破碎機（Retch，SM2000）破碎至粒徑≤1mm。
1.2方法
1.2.1熱重試驗
稱取約20～25mg樣品，利用熱重分析儀（Pyris1 TGA，Perkin Elmer）分析樣品在高純空氣氣氛條件下失重情況。由于載氣是直接作用于反應室熱坩堝內的樣品，為了防止載氣對熱分析天平內樣品的干擾，從而影響分析天平對試驗數據記錄的準確性，在儀器載氣流速允許范圍內，參考文獻[17-18]設定試驗氣體流速為80mL/min。升溫程序：以10℃/min升溫速率從室溫升至600℃，并在600℃保持5min，再以10℃/min升溫速率從600℃升至800℃，并在800℃條件下保持10min。
1.2.2管式爐試驗
稱取約20g樣品，放入石英舟中。將石英舟放入圖1所示管式爐試驗系統的石英管恒溫區外側，通入高純空氣，吹掃10min后開始加熱。為確保樣品的反應過程與熱重試驗相似，同時，也為了整個試驗過程有充足的氧參與反應，參考文獻[17]設定載氣（高純空氣）流速為200mL/min。當溫度從室溫升至400℃時，再把石英舟快速推進恒溫區繼續加熱直至600℃，并在600℃保持5min。從加熱至100℃開始，用氣袋收集分別經冷凝，0.1mol/L NaOH溶液吸附和硅膠干燥后的氣體，直至試驗結束。試驗結束后，用二氯甲烷作溶劑收集出口和冷凝裝置中的油狀液體物質，同時用0.25μm的濾膜過濾。

圖1管式爐試驗系統
1.2.3產物GC-MS分析條件
利用氣相色譜儀（Agilent，GC7890）-質譜儀（Agilent，MS5975）聯用（GC-MS）分析氣體和油狀液體物質，通過NIST5譜庫檢索分析其可能組分。油狀液體物質分析條件。GC，J&W DB-5ms 30m×0.25μm×250μm低流失毛細管柱。進樣口溫度250℃，載氣99.999% He氣，流速1mL/min，進樣量1μL。程序升溫：70℃保持2min，以10℃/min升至280℃，保持4min。分流比20:1。MS：連接線溫度250℃，EI電壓70eV，離子源溫度230℃，四級桿150℃，檢測電壓200V，電流150μA，溶劑延遲4min，全掃描范圍為50～650amu。

圖2廢手機面板焚燒熱處理失重曲線
廢手機面板組成材料除了含大量玻璃和少量液晶化合物之外，還含有以偏光膜、彩色濾光膜、取向膜和封接材料等為主的高分子有機化合物。這些有機高分子化合物主要包括聚乙烯醇（PVA）、三乙酸纖維（TAC）和聚酰亞胺等[19]。液晶的分解溫度為170～460℃[13]，三乙酸纖維的熔解溫度為308℃，分解溫度為365℃[20]。聚乙烯醇在空氣中的分解溫度為230℃左右，生成乙酸、乙醛、丁烯醇和水，而在250℃以上來不及分解的聚乙烯醇則變成含有共軛雙鍵的聚合物[21]。聚酰亞胺具有優異的耐熱性能，在370～390℃可以長時間使用，在425℃可以短期使用[22]。
根據以上數據和焚燒失重曲線（見圖2）分析可推斷：由于面板中液晶的含量很少，在128.3～558.1℃液晶完全分解；在128.3～402.5℃聚乙烯醇和三乙酸纖維發生分解反應；當溫度高于402.5℃以后，聚酰亞胺發生反應；升溫至558.1℃后，反應剩余固體殘渣主要為手機面板玻璃。
2.2廢手機面板焚燒產物分析
廢手機面板焚燒產物包括油狀液體物質和氣體產物。焚燒產物樣品分析結果如表1，2所示。由表1可以看出，油狀液體物質成分非常復雜，主要有苯酚及含丙基等官能團的苯酚類有機物、聯苯酚、苯胺等芳香族化合物，此外還有少量的苯并吡喃、萘、菲、吡啶等多環芳烴（PAHs）。同時，油狀液體物質有明顯的酸味，分析認為是由焚燒產生的苯甲酸、苯乙酸和鄰苯二乙酸所致。由表2可以看出，廢手機面板焚燒氣體產物除含CO2外，還含有十六烷、辛醚，以及以醛、酮為主體的有機化合物。
表1廢手機面板焚燒產物油狀液體物質

表2廢手機面板焚燒氣體產物

2.3廢手機面板焚燒產物來源分析
廢手機面板除了含少量的液晶化合物外，還包括玻璃基板、彩色濾光膜、偏光膜、取向膜、封接膠和襯墊等輔助材料[19]。早期手機使用的液晶為TN型液晶，其后隨顯示效果要求逐步轉換為STN型或TFT型液晶。STN型或TFT型液晶主要化合物結構如下：

偏光膜的主要材料是聚乙烯醇（PVA）和三乙酸纖維（TAC）。PVA的結構式為：

封接膠以雙酚A氧環樹脂、環氧化酚醛樹脂等為主。取向膜多用聚酰亞胺，其結構式為：

比較手機面板材料的組成物質及其焚燒得到的產物可以看出，焚燒手機面板將破壞其原組成物質的化學結構，并生成新的有機產物。推測焚燒手機面板過程可能發生如下化學反應：

2.4廢手機面板焚燒產物環境毒性
廢手機面板焚燒過程中產生多種芳香族化合物和多環芳烴（PAHs）等有機污染物，其中大多數是有毒有害物質，有的甚至具有致癌、致畸作用。表3列舉了部分有機物的環境毒性。 
表3有機物環境毒性

3結論
焚燒廢手機面板將導致面板組成材料（如液晶、偏光膜和取向膜等）發生化學反應。焚燒產物除CO2外，還生成多種芳香族化合物和PAHs等有機物，其中絕大多數有機物是有毒有害物質，部分可致癌。廢手機面板不宜焚燒處理，如與其他固體廢物混合焚燒，必須采取相應的污染控制措施。由于該研究僅為初步研究結果，今后需開展定量研究。
參考文獻（References）：略