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Recyclage des cartes de circuits imprimés pour récupérer les métaux et produire des produits à valeur ajoutée

Mohamed Khalil

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

The Electrical and Electronic Equipment (EEE) industry is one of the most dynamic sectors in the world. As a result of its growth, a large volume of waste electrical and electronic equipment (WEEE) is generated: computers, printers, mobile phones, and televisions. The United Nations Program estimates that 20 - 50 million tonnes of electronic waste are generated worldwide each year. In developed countries, this corresponds to about 1% of total solid waste. Printed circuit boards are complex mixtures that contain several metallic and non-metallic components, such as metals, polymers, epoxy resins, metallic oxides, and flame retardants. The preliminary study of the decomposition of the printed circuit boards as a mixture has proved ineffective due to significant gaps in the literature review regarding the fundamental understanding of the different chemical interactions that can take place between the different components during pyrolysis. We mainly note the presence of the brominated flame retardant, tetrabromobisphenol A (TBBPA), which releases hydrogen bromide (HBr), a toxic compound, during its thermal decomposition. Various chemical interactions can therefore occur between the gaseous HBr released and the various components of the printed circuit boards, thus leading to the formation of complex and contaminated compounds that can adversely affect the recycling of the recovered products and the performance of the associated recycling processes. For these reasons, we have decoupled in this thesis for the first time the effects of the main metallic and non-metallic components of printed circuit boards, and we have individually studied their potential interactions with the flame retardant (TBBPA) during pyrolysis. This subsequently made it possible to develop a better understanding of the reaction mechanisms. First of all, we studied for the first time the complex mechanism of thermal degradation of printed circuit boards using simultaneous TGA-DSC thermal analysis. More precisely, we have identified all the potential reactions involving the presence of bromine in printed circuit boards using synthetic samples composed of the flame retardant (TBBPA) and: 1- non-metallic components of printed circuit boards (epoxy resins, polyethylene); 2- oxides (calcium oxide and silica); and 3- the main metallic compounds (copper, iron, and tin). We have also investigated the thermodynamic behavior of metal bromides that can form and impact our process (i.e., copper bromide, iron bromide, and tin bromide). Open system thermodynamic calculations were also performed for the first time to support our observations. As a result, we have shown that the HBr (g) released from TBBPA during pyrolysis reacts with copper, iron, and calcium oxide to form the corresponding bromides. These bromides will remain in the pyrolysis residue up to a temperature of 580oC. Above this temperature, some bromides begin to evaporate and are lost in the atmosphere. At last, we explained in detail the complex mechanism of the decomposition of printed circuit boards.

Résumé

L'industrie des équipements électriques et électroniques (ÉÉÉ) est l'un des secteurs les plus dynamiques au monde. En conséquence de sa croissance, un grand volume des déchets d’équipements électriques et électroniques (DÉÉÉ) est généré : ordinateurs, imprimantes, téléphones mobiles et téléviseurs. Le Programme des Nations Unies estime que 20 - 50 millions de tonnes de déchets électroniques sont générés dans le monde à chaque année. Dans les pays développés, cela correspond à environ 1% du total des déchets solides. Les cartes de circuits imprimés sont des mélanges complexes qui contiennent plusieurs composants métalliques et non métalliques, comme des métaux, des polymères, des résines époxydes, des oxydes métalliques et des retardateurs de flamme. L'étude préliminaire de la décomposition de ces cartes sous forme de mélanges s'est avérée inefficace en raison de lacunes importantes de la littérature scientifique acuelle concernant la compréhension fondamentale des différentes interactions chimiques qui peuvent avoir lieu entre les différents composants lors de la pyrolyse. On note principalement la présence du retardateur de flamme bromé, le tétrabromobisphénol A (TBBPA), qui libère le bromure d'hydrogène (HBr), un composé toxique, lors de sa décomposition thermique. Diverses interactions chimiques peuvent donc se produire entre le HBr gazeux libéré et les différents composants des cartes électroniques, menant ainsi à la formation de composés complexes et contaminés qui peuvent nuire au recyclage des produits récupérées et au rendement des procédés de recyclage associés. Pour ces raisons, nous avons découplé dans cette thèse pour la première fois les effets des principaux composants métalliques et non métalliques des cartes de circuits imprimés et nous avons étudié individuellement leurs interactions potentielles avec le retardateur de flamme (TBBPA) lors de la pyrolyse. Ceci a permis par la suite de développer une meilleure compréhension des mécanismes réactionnels. Tout d'abord, nous avons étudié pour la première fois le mécanisme complexe de dégradation thermique des cartes de circuits imprimés en utilisant l'analyse thermique simultanée TGA-DSC. Plus précisément, nous avons identifié toutes les réactions potentielles impliquant la présence de brome dans les cartes de circuits imprimés à l'aide d'échantillons synthétiques composé du retardateur de flamme (TBBPA) et : 1- les composants non métalliques des cartes de circuits imprimés (résines époxydes, polyéthylène) ; 2- les oxydes (l’oxyde de calcium et la silice) ; et 3- vii les principaux composés métalliques (cuivre, fer et étain). Nous avons également étudié le comportement thermodynamique de bromures métalliques qui peuvent se former et peuvent avoir un impact sur notre procédé (c.-à-d. bromure de cuivre, bromure de fer et bromure d'étain). Des calculs thermodynamiques en système ouvert ont également été effectués pour la première fois pour supporter nos observations. En conséquence, nous avons prouvé que le HBr (g) dégagé du TBBPA lors de la pyrolyse réagit avec le cuivre, le fer et l’oxyde de calcium pour former les bromures correspondants. Ces bromures resteront dans le résidu de pyrolyse jusqu'à une température de 580oC. Au-dessus de cette température, certains bromures commencent à s'évaporer et se perdent dans l'atmosphère. Enfin, nous avons expliqué en détail le mécanisme complexe de décomposition des cartes de circuits imprimés.

Department: Department of Chemical Engineering
Program: Génie chimique
Academic/Research Directors: Jamal Chaouki and Jean-Philippe Harvey
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10706/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 20 Jun 2023 13:10
Last Modified: 29 Jun 2024 19:07
Cite in APA 7: Khalil, M. (2022). Recyclage des cartes de circuits imprimés pour récupérer les métaux et produire des produits à valeur ajoutée [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10706/

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