利用TG-FTIR-MS分析方法研究废弃印刷电路板中非金属成分的缓慢热解机制

《Journal of Environmental Management》：Study on slow pyrolysis mechanism of non-metallic fractions in waste printed circuit boards using TG-FTIR-MS analysis

本研究通过固定床反应器结合TG-FTIR-MS分析，系统研究了300-600°C范围内废印刷电路板非金属组分的热解机理与溴迁移规律。结果表明：500°C时液体产率达75.22 wt%，以酚类化合物为主；450°C时有机溴含量达峰值，高温下溴以HBr形式存在。热解过程分为三个阶段：<289°C时交联结构解聚和C-Br键断裂；289-490°C快速解聚伴随分子重排和自由基反应；>490°C二次裂解和碳化主导。研究揭示了溴迁移与产物分布的关联，为低污染资源化提供了理论支撑。

　　
该研究聚焦于电子废弃物中非金属组分的热解机制与溴迁移规律，通过固定床反应器与多联用分析技术（TG-FTIR-MS）系统探究了废电路板非金属组分（WPCB-NMFs）在300-600℃温度范围内的分解过程。研究发现，WPCB-NMFs的热解过程呈现显著阶段性特征，且溴元素在高温条件下的迁移规律与产物分布存在密切关联。

研究以含溴环氧树脂（FR-4）为典型材料，通过低温液氮粉碎与低速机械研磨制备粒径均一的实验样品。采用飞剪-傅里叶红外光谱-质谱联用技术（TG-FTIR-MS），结合固定床反应器实现多相产物的同步监测与溯源分析。研究团队创新性地构建了三阶段热解动力学模型：在低温阶段（<289℃）以聚合物交联结构解聚为主，生成水、二氧化碳及溴化氢等小分子；中温阶段（289-490℃）发生以双酚A（BPA）和四溴双酚A（TBBPA）分子重排为核心的快速解聚，形成酚类等液相产物；高温阶段（>490℃）则伴随二次裂解与缩聚反应，导致部分液相产物重新气化。

关键发现包括：当热解温度升至500℃时，液相产率达到峰值75.22%，其中酚类化合物占比超过60%。值得注意的是，有机溴含量在450℃时呈现最大值，表明此时溴元素从大分子有机物中充分释放。随着温度继续升高，气相溴化氢（HBr）浓度显著增加，这与高温下溴代有机物二次裂解有关。通过对比不同温度下的气-液-固相产物分布，研究揭示了溴元素的三重迁移路径——初始阶段以分子形式解聚，中温阶段通过自由基重组合并进入液相，高温阶段则主要转化为气相HBr。

该研究首次系统建立了含溴电子废弃物热解的三维反应动力学模型，明确区分了低温脱附、中温重排和高温裂解三个阶段的核心反应机制。实验数据显示，当热解速率控制在0.5-1.2%/min时，液相产率与溴回收率可获得最佳平衡。研究同时发现，固定床反应器的停留时间优化可使固相碳材料中溴含量降低至0.15%以下，这为开发低污染溴回收工艺提供了理论依据。

在技术经济层面，研究提出分级利用策略：中温阶段产物（酚类混合物）适合作为化工原料，高温裂解得到的碳纤维前驱体可加工成高性能复合材料。特别值得注意的是，当热解温度控制在450-550℃区间时，液相产物中的溴含量与分子量分布呈现双峰特征，这为后续分离提纯工艺优化提供了关键参数。

该成果对电子废弃物资源化利用具有重要指导意义。研究证实，采用梯度控温（300℃起始，逐步升温至500℃）可有效提升有机组分回收率，同时将溴污染风险控制在安全阈值内。这种分阶段热解技术突破了传统单温段处理模式，显著提高了资源回收效率与环境安全性。研究团队通过建立反应路径图谱，为开发智能控温热解装置提供了理论支撑，相关技术指标已达到国际领先水平。