废弃硒鼓的再利用与绿色设计方法

废弃硒鼓的再利用与绿色设计方法
（上海第二工业大学环境工程学院上海201209 王景伟吴雯杰关杰）摘要：本文介绍了硒鼓的构成及国内外资源化处理和再利用技术。

通过扫描电镜（SEM）傅立叶变换红外光谱（FT-IR）法分别对墨粉的表现特征和成分进行分析，并从有利于再利用和资源化的角度出发，对硒鼓的绿色设计提出一些建设性的意见。

关键词：硒鼓；再利用；SEM；FT-IR；绿色设计
1 前言
现代办公设备的稳定增长也带来了与之相配套的墨盒、硒鼓等耗材以每年30%的速度递增。

而这些不可降解的耗材，被当做垃圾丢弃既造成资源浪费，又日益威胁着人们的生存环境。

从表1可以得出：中国近三年激光耗材市场的产量是逐年增加的，全鼓粉盒组件的增长率在9%左右，而再生鼓粉盒组件的增长率在40%左右。

根据此增长率来计算，预计到2009年再生鼓粉盒的报废量将会超越全新鼓粉盒，通常残留墨粉占废气硒鼓重量的10-20%。

塑料占废气硒鼓重量的41%左右。

在废弃硒鼓中，对人体危害较大的是墨粉。

墨粉中的主要成分炭黑有致癌的作用，它已经被国际癌症研究组织（IARC）列入致癌物质名录。

如果硒鼓等固体废弃物的回收和再利用不能达到有利于环境和有利于节约的目的，那么他们造成的污染将是不容忽视的。

表1 中国近三年硒鼓的报废量、墨粉残留量和塑料的重量
2 硒鼓的组成及墨粉分析
2.1 硒鼓的构成
硒鼓经初步拆解后可以得到感光鼓、塑料盖、齿轮、磁棒外套、磁棒、塑料环、刮板、轴、螺丝、弹簧、销钉及塑料外壳（包括粉仓和废粉仓）等部件。

硒鼓的材料组成包括塑料、铁、磁、铝、铜片、软性物质和墨粉。

2.2墨粉的结构组成
墨粉是由树脂、炭黑、磁性氧化物、润滑剂等多种材料合成的一种混合物（见图1），常温下性质较为稳定，表面粒度较为均匀的微小颗粒，比重轻，难溶于水，化学性质稳定。

通过扫描电镜（SEM）放大观察，可以更清晰的看出，墨粉粒度较为均匀，颗粒呈球形，粒径大约在3-7μm之间。

2.3 墨粉的主要成分及热稳定性研究
2.3.1 红外光谱分析
采用BRUKER公司生产的Vertex70傅立叶变换红外光谱仪对样品为hpC4127X的墨粉，直接置入金刚石池中进行红外分析。

光谱图如图3所示：
从图3可以看出（峰位置有少许偏移，是因为有其他基团的影响）。

565-580cm-1峰是含有铁的氧化物的墨粉的一个特征峰，大而宽。

根据这个峰可以准确认定墨粉中是否含有铁的氧化物。

通过红外实验发现：hp的墨粉含有铁的氧化物。

这一点同用相关资料的实验结果是一致的[1]。

1050cn-1附近的弱吸收峰说明墨粉表面存在C-0单键，1630cm-1左右的吸收峰是类醌结构C=0伸缩振动的特征吸收峰，而1700cm-1左右的吸收峰则是—COOH上C=0的伸缩振动的特征吸收峰。

所以从红外光谱分析结果可知墨粉表面存在羟基、羧基及醌基等基团。

2.3.2 墨粉的热稳定性
实验用料hpC 4127X墨粉，在电烘箱中在110℃下保温12h。

本文采用的德国Netzsch 公司生产的STA409C TG-DSC 热分析仪。

这种热分析仪是一种可以进行TG、DTG、DSC三种联用的仪器。

在程控温度条件下以10K/min升温速率氧气气氛下（流量为100ml/min），对进行动态升温实验，测量物质和物理化学性质与温度的关系，失重是由于墨粉燃烧引进的；在没有出现明显的失重之前，对应于温度260℃，固体的重量基本不变化，热重曲线几乎成一平台，期间发生微量的失重，这是“玻璃化转变”现象的一个缓慢过程；当温度达到一定的数值时（大约℃）时，固体的重量发生急剧变化，试样开始燃烧放热，热失重率变大，试样的绝大部分失重发生有该区域，从DTG（-dw/dt）曲线看出，在375℃时电路板的失重速率达到最大值，此阶段放出的热量占整体反应的主要部分；最后一个区域对应于残留物的缓慢燃烧，并在最后生成炭和灰分。

另外从曲线上看热解失重经过剧烈的失重过程后又有一段缓慢的小幅失重过程。

主要是因为试样的量较多，造成热传和传质的速度相当迟缓，造成分解的速度降低的缘故。

3 硒鼓的再利用和资源化
收集后的废弃硒鼓一般有两个去向，如图4所示。

如果其内部主要零部件经更换或维修可符合加粉要求，则硒鼓经过墨粉填充再制造再进入市场销售，这一过程称为硒鼓的再利用，这是资源化的最高方式；
若主要零部件已经不符合加粉要求的硒鼓则只能将其资源化为塑料、金属、墨粉及其他材料。

正常情况下硒鼓再利用次数不超过4次，之后将进行资源化处置。

3.1 硒鼓的再利用
3.1.1 硒鼓加粉直接再利用
目前硒鼓加粉的方法有两种：开孔加粉和拆卸加粉。

开孔加粉的方法简单、快速，但其缺点是不能清除废粉，不能检查和清洁硒鼓内部的零件，密封不严会造成硒鼓漏粉，加粉的次数不能太多。

拆卸加粉是按照硒鼓生产装配的逆过程进行。

拆开硒鼓，把感光鼓和清洁辊拿出来，就可以看到硒鼓两端各有一个用于连接的销钉。

将销钉从里向外抽出来，使硒鼓分成两个部分。

其次，小心拿出磁辊和弹簧，把分仓里和附着在磁辊上的粉清理干净。

摇匀墨粉把粉均匀地从磁辊的位置上倒进粉仓，也可以从粉盒侧面揭开塑料盖子加入。

加完粉后再把拆下来的元器件原路装回。

硒鼓加粉，既保护了环境，又充分利用了资源。

因为硒鼓的价格比较昂贵，更换硒鼓的价格大多在400元左右，如果打印频繁，相对来说，其成本还是比较“可观”的，而硒鼓加粉则是这一耗材减少了约70%的成本。

关键的是为了保证使用效果，就注意硒鼓寿命一般不超过4次，充分量与硒鼓的容量为原装的95%左右，而加粉的价格却只有原装价格的1/3左右。

3.1.2 硒鼓的再制造
硒鼓再制造过程一般来说可分为简单再制造和长寿命再制造。

简单再制造也是加粉的过程，而通常我们所说的再制造是通过拆解后对零部件进行检测、维修和替换（见图6），并且对再制造产品要逐个性能检测使其达到和新品一样的功能过程。

再制造硒鼓就投放市场后相当于全新产品的70-80%的价格，所以市场竞争力较强。

长寿命再制造即换上长寿命感光鼓，其感光鼓的寿命可达到7500-10000张纸，相当于三个原装硒鼓的寿命之和。

硒鼓再制造的价格是原装硒鼓的1/2甚至1/4.
湛江惠能墨业有限公司的墨粉再生，是从费墨粉中把可作为原料使用的占其总重量的70%的原生墨粉粒子，采用物理分离技术将它分离出来，通过补偿的方法，重新设计组成配方，再按照传统制造墨粉的工艺进行生产。

其优点是使原料成本降低，从根本上消除了废弃硒鼓造成环境污染的社会问题。

3.2 硒鼓的资源化处理
废弃硒鼓的资源化处理是指通过机械物理方法对铁磁体、有色金属、贵金属和有机物质等分离、回收和利用、稳定或去除有害组分，减少对环境的污染。

3.2.1 人工拆解
从表4可以了解到硒鼓的组成成分的重量、各成分的百分比和经济价值（磁、软性物质和墨粉的价格忽略不计）。

硒鼓主要是有塑料、铁、墨粉和磁组成的，所占的百分比分别是41.56%、23.69%、12.42%和10.95%。

从表中可以看出具有经济价值的材料是塑料、铁和铝，根据材料的价格，可以计算出总的材料价值是4.66元。

而硒鼓的回收价格在20-70元左右，显然企业回收处理硒鼓是亏本的。

如果其他因素忽略不不计，企业的经济成本与实际处理量是成正比的。

但是企业的正常运转，常常会考虑到员工的工资、水电费等等。

那么企业在硒鼓回收处理上所能够得到的利润是非常少的。

因此，企业回收处理硒鼓，需要有政府的补助。

现在普遍应用的工业化方法，工艺复杂、技术要求更高，它将粉碎、磁力分选、电涡流分选、风力分选等技术组合起来。

例如：佳能股份有限公司（如图6所示）将硒鼓先进行一级粉碎，由于墨粉具有粒度细、比重轻、易燃烧的特性，在粉碎过程中金属部件的碰撞、折断会产生火花，容易引起爆炸，因此将墨粉、纸屑和塑料这些物质筛分出来。

采用磁选设备将钢轴、刮板、细小铁件和塑性磁体分选出来。

利用电涡流分选把导体与非导体分开的原理，将导体物质（铝）与金属、橡胶等物质分开。

通过风力分选和粉碎设备，将细小铁件和密封件标签分选出。

干式重选以空气作为介质，根据金属、聚氨酯和聚乙烯的比重与基材的比重不同，进行重力分选，把金属、聚氨酯和聚乙烯作为干式重选的产物。

余下的物质通过光选设备进一步将金属、橡胶和树脂分开。

把分选出来的金属（铁、铜、铝）送到金属冶炼厂熔化、混合，得到成型材料进行再利用。

我们经过研究在以上工艺的基础上进行了减化。

新金桥工业废弃物管理有限公司的硒鼓资源化生产线（上海第二工业大学设计）为例（如图5所示），硒鼓粉碎之后，由于硒鼓中韩有一定量的废墨粉，在处理过程中粉尘的浓度对于后续处理有一定的影响，因此采用脉冲带式除尘器将残留的墨粉出去。

磁选根据物质与材料磁性的差异，把物质与材料分离出来。

通过磁选设备，可以将磁性材料与非磁性材料分离开，将铁和一些含铁的零件去除掉。

高压气流清洗机对硒鼓中余下的材料进行清洗。

通过手选，将铝和塑料分开。

铝、铁和塑料经过处理，作为生产的原材料进行再利用。

3.2.2 墨粉的资源化处理
较为常用的废弃墨粉资源化处理工艺步骤为：将墨粉放入裂解反应釜内加热（350~450℃），使裂解反应釜处于缺氧或无氧状态，有机气体进入冷却器中冷凝为液体，经过管路流入贮存罐中，部分不凝性有机气体（低沸点物）贮存或引至炉膛内燃烧利用。

通过裂解反应，使得废弃墨粉中的有机物转化为可燃液体
成品油，渣体得到充分的利用，从而达到废弃墨粉的无害化处理，避免对环境造成污染。

4 硒鼓绿色设计的必要性及实施方法
鉴于墨粉粒径小，比表面积大，表面能大，并且还含有铁等金属成分，所需点燃能效，这些均符合可燃性粉尘的条件。

而且硒鼓表面的贴条以及密封海绵或橡皮条在粉碎过程中因其韧性不但不易解离，还容易使金属和塑料发生缠绕，较易堵住粉碎机吸风口上的筛网，从而使粉碎机内部温度和墨粉密度上升，有可能在硒鼓的粉碎过程中引起粉尘爆炸。

如果改成喷码技术将降低粉碎过程中的爆炸可能性，而且喷码技术在很多行业已经得到广泛的应用，具有清洁，高清晰度的标识效果，运行稳定，操作简单，成本经济，无耗材费用等优点，对贴条技术而言是一种很好的替代品。

绿色、环保型硒鼓不仅是对使用过的旧硒鼓进行回收再利用，对硒鼓零配件进行清洗、检测、更换、使之达到最佳的使用标准，还包括在产品设计之初就为硒鼓的再利用及资源化提供便利。

传统的硒鼓绿色设计内容和文中所提出的绿色设计意见如表5所示。

可以看出，传统的绿色设计侧重与节能、低污染、绿色材料及可拆卸性等方面。

而本文中提出的绿色设计建议则是从有利于资源化角度出发，根据前文的分析，如果这些建议被采纳将大大降低硒鼓再资源化过程中粉尘爆炸的可能性。

5 结语
硒鼓是由金属、塑料和残留墨粉组成的。

墨粉的平均粒径在3-7μm左右，分布范围窄，其主要化学成分为氧化铁、苯乙烯丙烯酸树脂、聚烯烃、二氧化钛、有机颜料和无定形二氧化硅。

硒鼓若不经处理而直接被丢弃，会给人类的健康和环境带来危害。

硒鼓的资源化处理，从经济角度来考虑，企业是亏本的，需要政策倾斜，企业才能够正常的运作和生存。

因此，提倡硒鼓加粉，既可以保护环境，又充分利用资源。

绿色、环保型硒鼓不仅节约了成本，还倡导了硒鼓的再循环，更是环保之举，对社会可持续发展影响深远。

有效的对其绿色设计和制造，对延长生命周期和废弃后资源化较为有利。

有效的回收资源化要注重设备投入、流程简化及系统的防尘防爆等。