废弃晶硅太阳能电池中银与硅的静电分选

废弃晶硅太阳能电池中银与硅的静电分选
杨杰;赵新美;闫赛然;李瑞安;张子生
【摘要】为提高废弃晶硅太阳能电池板中银、硅等有价值材料的回收率,采用针-辊式静电分选机对静电分选中影响分选效率的设备参数进行了实验探究.首先通过单因素实验确定因素范围,再通过正交实验确定银和硅分选的最佳参数配置.实验结果表明:在最佳参数配置下银的分选效率为94.37％,硅的分选效率为78.58％;实验最佳参数配置为电晕极角度80°,极间距80 mm,电压27.5 kV,转速90 r/min.本研究为静电分选废弃晶硅太阳能电池板中银和硅的实验参数设置提供了依据.
【期刊名称】《河北大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(039)003
【总页数】6页(P241-246)
【关键词】高压静电分选;影响因素;单因素实验;正交实验;银与硅
【作者】杨杰;赵新美;闫赛然;李瑞安;张子生
【作者单位】河北大学物理科学与技术学院,河北省光电信息材料重点实验室,河北保定071002;河北大学物理科学与技术学院,河北省光电信息材料重点实验室,河北保定071002;河北大学物理科学与技术学院,河北省光电信息材料重点实验室,河北保定071002;河北大学物理科学与技术学院,河北省光电信息材料重点实验室,河北保定071002;河北大学物理科学与技术学院,河北省光电信息材料重点实验室,河北保定071002
【正文语种】中文
【中图分类】X705
高压静电分选具有效率高、污染小、成本低、利于工业应用等优点，被广泛应用于固体废物的回收与处理过程中［1-6］．在高压静电场中，混合颗粒物在重力、库仑力、非均匀电场力、镜面力和离心力的合力作用下而掉落，由于不同分选颗粒物的受力情况不同，从而实现混合颗粒物的分离［7-8］．通过对受力情况的分析确定影响分选效率的因素包括电晕极角度、极间距、电压和转速［9］．国内外已有很多学者对静电分选进行了多方面多层次的研究．国内方面，叶平等［10］将破
碎与分选相结合进行电子废弃物的回收;张子生等［11］对影响导体与绝缘体静电
分选的因素进行了较深入的研究;张嘉曦等［12］研究了高压静电分选机放电电流
的分布规律;李佳等［13］研究得出电荷衰减是影响静电分选混合塑料颗粒分选效
率的一个重要因素．国外方面，Thami等［14］研究得出颗粒大小是影响分选效
率的一个重要因素;Abdeldjalil等［15-16］对电极结构进行了优化并采用双电极
进行实验研究;Chahinez等［17-19］研究了一种新型摩擦-空气-静电分离器模型，通过数值模拟分析和实验相结合得出了混合物的组成、分选材料的体积密度等对分选效率的影响规律．但是关于用高压静电分选废旧晶硅太阳能电池板的实验研究较少．
采用针-辊式静电分选机进行废弃晶硅太阳能电池板的分选研究实验，回收银、硅
等有价值的材料．首先通过单因素实验来确定银和硅分选效率较高的因素取值区间，之后利用正交实验分析确定最佳参数设置，为提高高压静电分选机的分选效率提供了实验依据．
1 实验装置及方法
实验装置采用针-辊式高压静电分选机．它由下料装置、电晕电极、转辊电极、高
压电源、格槽和排刷组成，见图1．实验通过调节电晕电极与转辊的距离(定义为
极间距)、电晕极角度、高压电源的电压和转辊的转速来改变待分选颗粒的受力情况，从而影响静电分选的分选效率．
2 实验结果与讨论
实验选定3 g银和87 g硅为实验材料，选取40～60目(孔径 0．250～0．425 mm)粒径的银和硅．先进行单因素实验，得到电晕极角度、极间距、电压和转速因素分选效率较高的择优区间．实验中的某一种颗粒分选效率计算方式为:收集槽中收集到该纯净颗粒的质量/进料时该颗粒的总质量×100%．
图1 高压静电分选示意Fig．1 Schematic diagram of high voltage electrostatic
2．1 静电分选银和硅的单因素实验
在单因素实验中，对电晕极角度、极间距、电压和转速4个因素进行实验分析．每个因素水平设定如表1所示．选定一个因素为研究对象，由低到高改变该因素的取值，其他因素取值则固定在中间水平位置，即电晕极角度为80°，极间距为80 mm，电压为25 kV，转速为80 r/min．
表1 单因素实验参数设定Tab．1 Single factor experimental parameter setting实验水平 A电晕极角度/(°) B电晕极间距/mm C电压/kV D转速/(r/min －1)1 60 60 20 60 2 70 70 22．5 70 3 80 80 25 80 4 90 90 27．5 90 5 100 100 30 100
2．1．1 电晕极角度因素
如图2，在电晕极角度取值为60°～70°时，硅和银的分选效率均不到10%，基本无法将2种颗粒分选出来．当电晕极角度为80°时，2种颗粒的分选效率都达到最大值，硅的分选效率为63．83%，银的分选效率为85．94%．此时，分选出55．53 g硅和2．58 g银．这是由于当电晕极角度为80°时，硅颗粒荷电充分且均匀，可以较长时间吸附在转辊表面，在银颗粒下落之后才下落，分选效率大幅提
升．80°之后分选效率有一定的下降．由以上实验结果可得，在银和硅的分选过程中，电晕极角度选定为80°～100°较为合适．
图2 不同角度银与硅的分选结果Fig．2 Different corona electrode angle separation result of silver and silicona．质量分布;b．效率分布．
2．1．2 极间距因素
不同极间距对分选结果的影响见图3．银和硅的分选效率变化趋势均为先增后减，银的分选效率波动不大，在68%～86%．在极间距为80 mm时，2种颗粒的分选效率都达到最大值，硅分选出55．53 g，分选效率为63．83%;银分选出2．58 g，分选效率为 85．94%．
图3 不同极间距银与硅的分选结果Fig．3 Different pole spacing separation result of silver and silicona．质量分布;b．效率分布．
当极间距小于80 mm时，电极距离转辊表面太近，电场覆盖范围较小，颗粒荷电不充分且不均匀．使得硅的受力情况发生改变，部分未荷电的硅落入银格槽，降低了2种颗粒的分选效率．当极间距大于80 mm时，电场覆盖范围虽然增大，但是电场强度相对减弱，同样硅颗粒荷电不均匀，从而落入银颗粒的收集格槽内，导致分选效率的降低．因此，银和硅分选实验中，极间距较为合适的范围选定为70～90 mm．
2．1．3 电压因素
不同电压条件下的分选结果见图4．电压的变化对银的分选效率影响不大，一直维持在60%以上．在电压为22．5 kV时，银的分选效率达到最大值为86．65%，此时分选出银2．58 g．电压为20 kV时，空间电场强度对颗粒的影响较小，使得硅分选效率较低．随着电压增大，硅受库仑力和镜面力的作用也随之增大，使硅较晚的脱离转辊，与银可以较好地分离．硅的分选效率在25 kV时达到最大值为63．83%，此时分选出55．53 g的硅．当电压在27．5～30 kV时，硅分选效率
大幅度下降，这是由于电压增大导致离子风增强，使得硅颗粒下落轨迹紊乱，最终导致硅分选效率的下降．因此在银和硅的分选过程中，电压的取值选在22．5～27．5 kV．
图4 不同电压银与硅的分选结果Fig．4 Different voltage separation result of silver and silicona．质量分布;b．效率分布．
2．1．4 转速因素
如图5，在转速为60～80 r/min时，硅的分选效率处于63．83%～68．76%，
变化不大;转速大于80 r/min后，硅分选效率迅速下降．当转速为100 r/min时，硅和银的分选效率急剧下降，此时硅的分选效率仅为20．56%，银的分选效率仅
为38．53%．转速由60 r/min增大到70 r/min，银的分选效率由47．98%增大到93．42%．在转速为70 r/min时银的分选效率达到峰值，此时分选出2．80
g银，分选效果最好．
图5 不同转速银与硅的分选结果Fig．5 Different speed separation result of silver and silicona．质量分布;b．效率分布．
在转速增大的过程中，若转速太快，一方面，颗粒经过电场区域的时间太短，硅荷电不充分且不均匀，使得分选效率下降;另一方面，颗粒受离心力作用的影响大幅
度增加，银和硅都过早地脱离转辊下落，分选效率随之下降．因此选定的转速为70～90 r/min．
2．2 银和硅的正交实验
根据单因素实验结果，电晕极角度、极间距、电压和转速分别选定了因素的取值区间，因素水平如表2．
本实验研究各个因素分别对银和硅分选效率的影响，不考虑因素的交互作用，正交试验设计选用L9(34)正交表进行实验，实验结果可见表3．极差分析法处理实验
数据结果如表4．
由表4可知，对于银的分选效率而言，各个因素对其影响从大到小为:电压、极间距、电晕极角度、转速，最佳组合为A2B2C3D2．对于硅的分选效率而言，各个因素对其影响从大到小为:转速、电压、极间距、电晕极角度，最佳组合为
A1B2C3D3．
表2 因素水平Tab．2 Level of factors选定水平 A角度/(°)B极间距/mm C电压/kV D转速/(r·min－1)1 80 70 22．5 70 2 90 80 25 80 3 100 90 27．5 90
表3 正交实验结果Tab．3 Orthogonal experimental
resultsimages/BZ_26_312_1050_2166_1163.png 1 1 1 3 2 20．152 2 69．491 3 2 20．375 9 62．390 2 3 1 3 2 1 9．820 9 66．877 3 1 2 1 3 4 15．334 1 62．291 2 5 2 2 3 1 16．72 85．619 1 2 1 2 3 6 10．674 5 66．834 7 7 3 1 1 1 3．871 3 11．002 5 2 3 1 2 8 16．330 7 70．667 3 9 3 3 3 3 25．785 2 67．083 5 3 2 2 2
表4 实验结果极差分析表Tab．4 Experimental results poor analysis tableimages/BZ_26_365_1860_2111_1935.png k1 16．783 13．119 2 11．640 6 10．137 4 k2 14．242 9 17．808 9 13．828 6 15．719 2硅k3 15．329 1 15．426 9 20．885 8 20．498 4极差 R 2．540 1 4．689 7 9．245 3 10．361 k1 66．252 9 47．595 46．742 5 54．499 6 k2 71．581 7 72．892 2 66．611 9 68．997 8银k3 49．584 4 66．931 9 74．064 6 63．921 7极差 R 21．997 2 25．297 2 27．322 1 14．498 1
3 结论
1)通过对高压静电分选实验进行单因素实验分析可以确定电晕电极角度、极间距、电压和转速的择优区间为:电晕极角度区间为80°～100°，极间距区间为70～90 mm，电压区间为 22．5～27．5 kV，转速区间为70～90 r/min．
2)通过正交实验的设计与分析最终确定每个因素对银的分选效率的影响大小，其影
响从大到小依次为:电压、极间距、电晕极角度、转速;在电晕极角度90°，极间距80 mm，电压27．5 kV，转速80 r/min的实验条件下进行银和硅的分选实验，得到银和硅的分选效率分别为84．09%和16．55%．
3)通过正交实验的设计与分析最终确定每个因素对硅分选的影响从大到小依次为:
转速、电压、极间距、电晕极角度;在电晕极角度80°、极间距80 mm、电压27．5 kV、转速90 r/min的实验条件下进行银和硅的分选实验，得到银和硅的分选效率分别为94．37%和78．58%．
综合以上2个实验分选结果的分析得到，电晕极角度为80°，极间距为80 mm，电压为27．5 kV，转速为90 r/min的实验条件为最佳参数配置，此时银和硅的
分选效率都相对达到最佳．
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