A methodology to support the design of material separation systems for recycling

Abstract During the recent years due to the significant technological innovations, the production of electric and electronic equipment (EEE) has been marked as the fastest growing area in industrialized countries. This results in an increased amount of waste electric and electronic equipment (WEEE). In EU countries WEEE is the fastest growing waste stream having an annual growth rate of 3% to 5%.WEEE are considered critical waste streams due to their hazardous materials contents. Therefore in case of a non-proper waste treatment, they can generate negative environmental impacts. The need for treating end-of-life products is also highlighted in other sectors such as automotive industry. It is estimated that over 15000000 vehicles retired per year in the USA and 15-25% of their total weight is landfilled. Taking into account the potential environmental impacts of the waste disposal many countries have set up new regulations and legislations in terms of end-of-life management and in order to improve the recycling process and reduce the waste disposal. Waste treatment is an important issue not only in terms of environmental concerns but also from the recovery aspect of valuable materials. In fact WEEE and end-of-life vehicles (ELV) are mixture of various materials that potentially can be seen as a resource of metals, such as copper, aluminum and gold. Due to the complex and variable material mixture of WEEE and ELV, their material recovery is a very challenging task that has not been solved yet. For instance talking about the PCBs that are widely used in electronic products, currently only about 30-35% of metals represents in the PCBs are recovered with purity level varying between 85% to 95% depending on the element. Indeed efficient treatment of these complex mixtures requires automated multi-stage systems composed of different size reduction and material separation stages. In this regard, Smart mechanical treatments, that are considered in this work, are ideal techniques for recovery of materials in WEEE and ELV since they involve very limited environmental impacts, energy consumption and production of by-products. Mechanical separation systems use different material properties such as conductivity, size and density for treating the input mixtures. In spite of the extensive research works dedicated to analysis of different material separation and comminution technologies, design and performance evaluation of these systems have been rarely studied from system engineering pint of view. In this work, an efficient tool has been developed to support the design and performance evaluation of material separation systems considering important modeling issues that are neglected in the literature. Relevant parameters such as the processing rate of the machines, the role of conveyors as finite capacity intermediate buffers that smooth blocking and starvation of the machines, the interaction between process level and system level, the effect of material flow rate on output quality and the machine failure and repair rates are considered in this work to obtain a comprehensive model applicable on real systems. Another critical aspect of mechanical material separation that is not considered in the literature is re-processing of the output streams to increase both the output purity and the amount of recovered materials. In the literature there is no methodology to evaluate the effect of material re-processing on system performance. In this work a methodology that is called “linearization” is introduced for quantitative analysis of the material re-processing. Another important process in recycling systems is the comminution process for shredding the input particles. Comminution processes directly affect the material routing and the efficiency of the downstream separation processes. In this work different experiments on comminution process are performed to help providing a better insight to different aspects of these processes. The assumptions of the model and some of the key results are validated by the experimental analyses performed at the ITIA-CNR laboratory for demanfuacturing, within the cell 3 on recycling technologies and systems.

Abstract Nel corso degli ultimi anni a causa delle significative innovazioni tecnologiche, la produzione di apparecchiature elettriche ed elettroniche (AEE) è stato contrassegnato come la zona più rapida crescita nei paesi industrializzati. Ciò si traduce in una maggiore quantità di rifiuti elettrici ed elettronici (RAEE). Nei paesi dell'Unione Europea RAEE è il flusso di rifiuti in più rapida crescita con un tasso di crescita annuo del 3% al 5% .WEEE sono considerati i flussi di rifiuti criticità dovuti alle loro materiali pericolosi contenuti. Pertanto in caso di trattamento di rifiuti non corretta, possono generare impatti ambientali negativi. La necessità per il trattamento di fine vita dei prodotti è evidenziata anche in altri settori come l'industria automobilistica. Si stima che più di 15000000 veicoli in pensione ogni anno negli Stati Uniti e il 15-25% del loro peso totale in discarica. Tenendo conto dei potenziali impatti ambientali dello smaltimento dei rifiuti, molti paesi hanno istituito nuove normative e legislazioni in termini di gestione del fine-vita e al fine di migliorare il processo di riciclaggio e ridurre lo smaltimento dei rifiuti. Trattamento dei rifiuti è una questione importante non solo in termini di preoccupazioni ambientali, ma anche sotto l'aspetto di recupero di materiali pregiati. Infatti WEEE e la fine del ciclo di vita dei veicoli (ELV) sono miscela di vari materiali che potenzialmente possono essere visti come una risorsa di metalli, come il rame, l'alluminio e oro. A causa del complesso e variabile mix di materiali di RAEE ed ELV, il loro recupero materiale è un compito molto impegnativo, che non è stato ancora risolto. Per esempio parlando dei PCB che sono ampiamente utilizzati in prodotti elettronici, attualmente solo circa il 30-35% dei metalli rappresenta nei PCB sono recuperati con livello di purezza variabile tra 85% al ​​95% a seconda dell'elemento. Trattamento Infatti efficiente di queste miscele complesse richiede sistemi automatizzati multistadio composti da stadi di riduzione dimensioni e di separazione del materiale differenti. A questo proposito, i trattamenti meccanici intelligenti, che sono considerati in questo lavoro, sono tecniche ideali per il recupero di materiali in RAEE ed ELV quanto comportano impatti ambientali molto limitati, il consumo di energia e la produzione di sottoprodotti. Sistemi di separazione meccanica utilizzano diverse proprietà del materiale come conduttività, dimensione e densità per trattare le miscele di ingresso. Nonostante le ampie lavori di ricerca dedicati all'analisi delle diverse tecnologie di separazione materiale e comminuzione, valutazione della progettazione e le prestazioni di questi sistemi sono stati raramente studiati dalla progettazione del sistema pinta di vista. In questo lavoro, uno strumento efficace è stato sviluppato per supportare la valutazione della progettazione e le prestazioni dei sistemi di separazione dei materiali considerando importanti problemi di modellazione che sono trascurati nella letteratura. Parametri rilevanti quali la velocità di elaborazione delle macchine, il ruolo dei trasportatori come capacità finita buffer intermedi blocco liscia e fame delle macchine, l'interazione tra il livello di processo e livello di sistema, l'effetto del flusso di materiale sulla qualità di stampa e la macchina tassi di guasto e riparazione sono considerati in questo lavoro per ottenere un modello globale applicabile su sistemi reali. Un altro aspetto critico della separazione meccanica del materiale che non è considerato in letteratura è ri-elaborazione dei flussi di uscita per aumentare sia la purezza di uscita e la quantità del materiale recuperato. In letteratura non esiste una metodologia per valutare l'effetto di ri-lavorazione del materiale sulle prestazioni del sistema. In questo lavoro viene introdotto una metodologia che si chiama "linearizzazione" per l'analisi quantitativa del ri-trattamento del materiale. Un altro processo importante nei sistemi di riciclaggio è il processo sminuzzamento per la triturazione delle particelle di ingresso. Processi comminuzione influenzano direttamente l'instradamento materiale e l'efficienza dei processi di separazione a valle. In questo lavoro diversi esperimenti su processo frantumazione vengono eseguiti per contribuire a fornire una migliore comprensione di diversi aspetti di questi processi. Le ipotesi del modello e alcuni dei risultati chiave sono convalidati dal sperimentale analisi eseguite presso il laboratorio ITIA-CNR per demanfuacturing, all'interno della cella 3 su tecnologie e sistemi di riciclaggio.