Referat 1 - Przemysłowy Instytut Elektroniki

I Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna „EKOLOGIA W ELEKTRONICE”
Przemysłowy Instytut Elektroniki
Warszawa, 16-17.10.2000
PROBLEMATYKA EKOLOGII W ELEKTRONICE
Marek GONERA
Przemysłowy Instytut Elektroniki
00-241 Warszawa, ul. Długa 44/50, Tel. (0 22) 831 46 11
E-mail: [email protected]
Omówiono aktualne sposoby postępowania ze zużytym sprzętem elektronicznym oraz wskazano główne zagrożenia dla środowiska naturalnego oraz człowieka wynikające z przenikania do otoczenia szkodliwych substancji powstających
jako rezultat rozkładu podzespołów elektronicznych. Przedstawiono współczesną
koncepcję kompleksowych działań na etapie projektowania, eksploatacji i zagospodarowania zużytego sprzętu elektronicznego, pozwalających na odtwarzanie
cennych surowców i minimalizację odpadów. Przedyskutowano istotne problemy
wiążące elektronikę z ekologią, stanowiące tematykę konferencji "Ekologia w
elektronice".
1. GENEZA PROBLEMU
Produkcja urządzeń elektronicznych jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin współczesnej gospodarki. Postęp techniczny w elektronice, rozwój nowych zastosowań, powszechna dostępność, sprzyjają rozwojowi produkcji wielkoseryjnej i stymulują proces wymiany zużytego lub nienowoczesnego sprzętu na nowy. Prowadzi to do
znacznego zwiększenia ilości odpadów.
Oszacowano, że w roku 1998 w krajach Unii Europejskiej odpady elektroniczne stanowiły ok. 4% w całości odpadów komunalnych [1]. Ilość tych odpadów systematycznie rośnie. Dynamika tego przyrostu jest trzykrotnie wyższa niż odpadów pozostałych.
W Stanach Zjednoczonych szacuje się, że do 2005 roku 150 mln komputerów osobistych zostanie wycofanych z eksploatacji. Badania amerykańskie wykazały, że jednostka centralna komputera wraz z monitorem zawiera ok. 6,3% ołowiu w stosunku do swej
wagi całkowitej (np. przy komputerze ważącym 27,2 kg waga ołowiu wynosi 1,7 kg),
zaś skuteczność odzyskiwania ołowiu w procesie recyklingu komputerów wynosi zale1
dwie 5% [2]. Wiedza ta skłania do głębokiego zastanowienia i podkreślenia związku
między elektroniką a ekologią, a ściślej zauważenia bardzo negatywnego wpływu elektroniki na środowisko naturalne w przypadku beztroskiego braku zainteresowania zużytym sprzętem.
2. GŁÓWNE ZAGROŻENIA EKOSYSTEMU ZE STRONY
ELEKTRONIKI
Każdy wyrób elektryczny składa się z kombinacji kilku podstawowych modułów, do
których należą zespoły mechaniczne, płytki obwodów drukowanych, pakiety elektroniczne, kable, przewody w izolacji, tworzywa sztuczne zawierające środki zmniejszające
palność, wyłączniki rtęciowe, wyświetlacze takie jak lampy elektronowe i wyświetlacze
ciekłokrystaliczne (LCD), akumulatory i baterie, urządzenia rejestracji danych, urządzenia oświetleniowe, kondensatory, przekaźniki, czujniki i styczniki. W komponentach
tych zawarte są różnorodne substancje zajmujące znaczną część układu okresowego
pierwiastków (Tablica 1.).
Najbardziej krytycznymi, z punktu widzenia ekologii, pierwiastkami, zawartymi w
tych modułach elektronicznych, są metale ciężkie takie jak rtęć, ołów, kadm i chrom, a
także substancje chlorowcowane takie jak chlorofluoro-pochodne węglowodorów, polichlorowane bifenyle (PCB), polichlorek winylu (PVC) i bromowane substancje zmniejszające palność oraz azbest i arsen. Poniżej wskazano zagrożenia związane z przedostawaniem się do środowiska wymienionych związków[3].
Ołów
Głównym zagrożeniem wynikającym z obecności ołowiu w wysypiskach jest możliwość wypłukiwania ołowiu i skażenie źródeł wody pitnej. Ołów gromadzi się w środowisku i wykazuje bardzo ostre i chroniczne oddziaływanie na rośliny i drobnoustroje.
Przez człowieka wchłaniany jest drogą wdychania lub wraz z pokarmami. Ołów może
powodować uszkodzenie zarówno centralnego jak i obwodowego układu nerwowego.
Zaobserwowano również ujemne oddziaływanie na układ wydzielania wewnętrznego,
układ krwionośny i nerki.
Należy podkreślić, że sprzęt elektroniczny stanowi źródło 40% ołowiu zawartego w
wysypiskach.
Kadm
Związki kadmu uznawane są jako szczególnie toksyczne. Zagrażają nieodwracalnymi skutkami dla zdrowia ludzkiego. Kadm jest absorbowany przez oddychanie, a
także jest przyjmowany z żywnością. Kadm i związki kadmu nagromadzają się w organizmie ludzkim , w szczególności w nerkach , co z czasem może doprowadzić do ich
uszkodzenia. Długotrwałe oddziaływanie na organizm chlorku kadmu może wywołać u
człowieka chorobę nowotworową.
Rtęć
Rtęć i związki rtęci wchłaniane są przez wdychanie, kontakt ze skórą i przez połykanie. Powłoka rtęci nieorganicznej w wodzie przekształca się w tzw. rtęć metylowaną
2
występującą w osadach dennych. Metylowana rtęć łatwo gromadzi się w żywych organizmach i przedostaje się do łańcucha pokarmowego człowieka za pośrednictwem ryb.
Rtęć metylowana powoduje skutki chroniczne i uszkodzenie mózgu.
Szacuje się, że 22% światowego rocznego zużycia rtęci przypada na urządzenia elektryczne i elektroniczne.
Chrom sześciowartościowy ( Chrom VI)
Chrom VI przechodzi łatwo przez błony komórkowe, jest łatwo absorbowany i wywołuje różne toksyczne działania w komórkach. Chrom VI wywołuje silne reakcje alergiczne. Już bardzo małe stężenia chromu VI w środowisku mogą prowadzić do zwiększenia uczuleń. Bronchit astmatyczny jest jedną z reakcji alergicznych związanych z
chromem VI. Pierwiastek ten uważany jest również za genotoksyczny czyli zagrażający
uszkodzeniem DNA.
Chrom sześciowartościowy, zawarty w odpadach, może być łatwo wypłukiwany z
wysypisk, które nie są właściwie zabezpieczone. Podczas spalania odpadów elektronicznych zanieczyszczonych chromem VI, metal ten odparowuje za pośrednictwem popiołów lotnych, stąd m.in. wynika postulat, by spalaniu poddawać jedynie odpady po ich
starannej segregacji.
Bromowane substancje zmniejszające palność
Bromowane substancje stosowane są powszechnie w wyrobach elektronicznych jako
środek zapewniający ochronę przed ich zapaleniem. Używane są głównie przy produkcji
płytek obwodów drukowanych, złączy stykowych, kabli, plastikowych obudów telewizorów i domowego sprzętu kuchennego. Szacuje się, że plastiki stanowią ok. 20% w
całej masie odpadów elektronicznych.
Jedną z głównych przeszkód w recyklingu tej frakcji jest ryzyko wytwarzania przez
niektóre bromowane substancje zmniejszające palność, silnie toksycznych, zakłócających m.in. procesy wydzielania wewnętrznego - dioksyn i furanów. W szczególności
wykazano, że polibromowane dwufenyloetery (PBDE) tworzą polibromowane dwubenzofurany (PBDF) i polibromowane dwubenzodioksyny ( PBDD) podczas procesu wytłaczania, stanowiącego część procesu recyklingu plastiku.
Polibromowane dwufenyle (PBB) przenikają do środowiska wodnego z zakładów
produkcyjnych i składowisk odpadów PBB. Związki te są prawie nierozpuszczalne w
wodzie i znajduje się je przede wszystkim w osadach zanieczyszczonych jezior i rzek.
Stwierdzono, że PBB jest dwustukrotnie bardziej rozpuszczalny w wodzie infiltracyjnej
(przenikającej przez składowiska) niż w wodzie destylowanej. Może to skutkować większym rozprzestrzenieniem w środowisku, może on dotrzeć do łańcucha pokarmowego,
gdzie ulega zagęszczeniu. W wielu regionach wykryto PBB w rybach. Spożywanie ryb
jest drogą przenoszenia PBB do ptaków i ssaków.
3
Tablica 1. Zestaw pierwiastków (oznaczonych pełnymi nazwami) z reguły stosowanych
do produkcji sprzętu elektronicznego (zbudowany na tablicy Mendelejewa).
H
Li
Beryl
B
C
Glin
Krzem
N
O
F
P
S
Cl
Wanad
Chrom
Mangan
Na
Mg
K
Ca
Sc
Miedź
Cynk
Gal
German Arsen
Selen
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Srebro
Kadm
Ind
Cyna
Antymon
Te
J
La
Hf
W
Re
Po
At
106
107
Cs
Bar
Złoto
Rtęć
Fr
Ra
3.
3.1.
Tl
Ac
Tytan
Tantal
Ołów
Bizmut
Ku
105
MASY
PLASTYCZNE
Żelazo
Kobalt
Nikiel
Ruten
Rod
Pallad
Os
Ir
Br
Platyna
DOTYCHCZASOWE SPOSOBY POSTĘPOWANIA ZE
ZUŻYTYMI URZĄDZENIAMI ELEKTRONICZNYMI
Transport urządzeń na wysypisko
Szacuje się, że średnio w skali światowej, a na pewno w Polsce, ok. 90% zużytego
sprzętu elektronicznego trafia na wysypiska łącznie z pozostałymi odpadami komunalnymi, bez żadnej segregacji wstępnej. Ponieważ wykopy pod wysypiska nie są z reguły
dokładnie uszczelnione, związki toksyczne trafiają do wód gruntowych, a następnie
drogą łańcucha pokarmowego do ryb, ptaków, zwierząt i ludzi. Wybuchające nierzadko
na wysypiskach niekontrolowane pożary sprzyjają emisji do środowiska substancji toksycznych omówionych w poprzednim rozdziale.
3.2.
Spalanie odpadów elektronicznych
Część odpadów kierowanych na wysypiska jest obecnie spalana bez żadnego wstępnego przetworzenia. Ocenia się, że to właśnie wsad w odpadach w postaci modułów
elektronicznych jest w znacznym stopniu odpowiedzialny za emisję metali ciężkich i
innych substancji chemicznych. Podczas spalania mogą wystąpić nieoczekiwane skutki
ujemne. Na przykład powszechnie stosowana w elektronice miedź działa jako katalizator przy spalaniu w niskich temperaturach mas plastycznych zawierających substancje
zmniejszające ich palność. Prowadzi to do powstawania toksycznych dioksyn (PBDD) i
furanów (PBDF).
4
Innym negatywnym aspektem spalania elementów elektronicznych łącznie z odpadami komunalnymi jest duże stężenie metali ciężkich w popiołach i żużlach przeznaczonych do stosowania w budownictwie drogowym jako materiał wypełniający. Duża
zawartość miedzi, ołowiu, niklu i innych metali dyskwalifikuje taki materiał, ze względu na konieczność spełnienia środowiskowych norm bezpieczeństwa obowiązujących
obecnie przy realizacji inwestycji komunikacyjnych.
3.3.
Recykling sprzętu elektronicznego
Powyżej dobitnie wykazano, że wyrzucanie zużytego sprzętu elektronicznego na
wysypisko lub jego spalanie degraduje w sposób drastyczny środowisko naturalne.
Dodatkowe w procesie spalania elementy elektroniczne zanieczyszczają w takim stopniu produkty spalania, że nie mogą one być dalej wykorzystywane bez specjalnych
zabezpieczeń.
Jedynym wyjściem z tej sytuacji jest separowanie zużytego sprzętu elektronicznego,
jego demontaż, segregacja elementów a następnie ich przetwarzanie według specjalistycznych technologii w celu odzyskania surowców pierwotnych - czyli recykling. W
kierunku tym zmierza świat. Sytuacja poprawia się systematycznie w bogatych krajach
uprzemysłowionych, ale nawet tam daleka jest jeszcze od ideału. Przykładowo w USA
w 1998 roku 20.6 mln. komputerów osobistych wyszło z użycia a jedynie 11% z nich
zostało poddanych procesowi recyklingu [2].
Wraz z upowszechnieniem wiedzy o recyklingu sprzętu elektronicznego i uświadomieniem ograniczeń stosowanych metod, podjęto próbę kompleksowego podejścia do
tego zagadnienia.
4. KONCEPCJA KOMPLEKSOWEGO PODEJŚCIA W
ELEKTRONICE NA RZECZ OCHRONY ŚRODOWISKA
W ostatnich latach nastąpiło upowszechnienie idei trwałego i zrównoważonego
rozwoju, głoszącej potrzebę zrównoważonej produkcji i konsumpcji, tak by zapewnić
każdemu człowiekowi prawo i możliwość użytkowania takiej samej ilości nieodnawialnych surowców w sposób nie naruszający podobnych praw i możliwości przyszłych
pokoleń.
W elektronice idea ta znalazła odzwierciedlenie w koncepcji kompleksowego modelu obiegu surowców i produktów elektronicznych [4], obejmującego procesy: przetwarzania surowców, wytwarzania elementów, montażu wyrobów, ich dystrybucji, eksploatacji przez użytkownika, konserwacji i napraw, wycofywania z użycia, demontażu,
rozdrabniania, odzyskiwania surowców pierwotnych i utylizacji odpadów powracających do środowiska.
Przedstawiony na rys. 1 schemat pokazuje drogi cyrkulacji surowców, materiałów,
elementów i urządzeń [5]. Optymalizacja tego systemu w aspekcie spełnienia postulatu
zrównoważonego rozwoju, polega na minimalizacji strumienia surowców pobieranych
ze środowiska oraz strumienia odpadów, nie nadających się do powtórnego wykorzystania, trafiających na wysypisko, przy jednoczesnej maksymalizacji strumieni umożliwiających cyrkulację produktów w pętlach zamkniętych wewnątrz tego systemu.
5
Rys.1. Schemat kompleksowego modelu obiegu surowców i produktów elektronicznych.
Cel optymalizacji systemu osiągany jest poprzez podejmowanie następujących
przedsięwzięć [4]:
A Proekologiczne projektowanie nowych wyrobów
!
Opracowywanie wyrobów, które są łatwo demontowalne z możliwością ponownego wykorzystania ich elementów składowych, z których są zbudowane.
6
PROCES SPRZEDAŻY WYROBU
PROCES REDYSTRYBUCJI WYROBU
HANDEL
PROCES ROZPROWADZANIA WYROBU
PROCES MONTAŻU WYROBU
PROCES WYTWARZANIA
ELEMENTÓW SKŁADOWYCH
PRODUCENT WYROBU
PROCES WYTWARZANIA
ELEMENTÓW SKŁADOWYCH
DOSTAWCA ELEMENTÓW SKŁADOWYCH
PROCES PRZETWARZANIA
SUROWCÓW
DOSTAWCA MATERIAŁÓW
SUROWCE
ODZYSKIWANIE
ELEMENTÓW
DEMONTAŻ / SORTOWANIE
PROCES POWTÓRNEGO UŻYCIA
SŁUŻBY SAMORZĄDOWE
ODZYSKIWANIE
MATERIAŁÓW
ODZYSKIWANIE
SUROWCÓW
ŚRODOWISKO
UTYLIZACJA
ODPADÓW
PROCES ROZDRABNIANIA / SORTOWANIA
SŁUŻBY RECYKLINGU
PROCES NAPRAWY / ODNOWIENIA
SERWIS / PRODUCENT WYROBU
ODSPRZEDAŻ
PROCES UŻYTKOWANIA WYROBU
UŻYTKOWNIK
!
!
Wprowadzanie innowacji technicznych mających na celu zmniejszenie negatywnego wpływu na środowisko - wyrobu lub procesu technologicznego wykorzystywanego przy jego produkcji. Następuje to na przykład poprzez :
- eliminację substancji toksycznych z wyroby i procesu technologicznego,
- redukcję ciężaru wyrobu,
- zmniejszenie poboru mocy podczas eksploatacji wyrobu.
Dematerializacja produktów drogą zastępowania rozwiązań sprzętowych przez
oprogramowanie.
B Wprowadzanie nowych technologii produkcyjnych
!
!
!
Opracowywanie innowacyjnych proekologicznych procesów technologicznych.
Rozwój technologii opartych na wykorzystaniu surowców wtórnych.
Wykorzystanie "czystych" źródeł energii, np. ogniw fotowoltaicznych.
C Kształtowanie modelu konsumpcji i zachowań użytkowników wyrobów
!
!
!
Dostosowywanie własności produktów do charakteru użytkowników (indywidualny, zbiorowy).
Optymalizacja systemów zbiorki zużytych urządzeń w zależności od grup konsumentów, których te systemy dotyczą.
Promocja działalności organizacji konsumenckich i agend rządowych wspierających ideę kompleksowego modelu obiegu surowców i produktów elektronicznych.
D Wprowadzanie nowych form postępowania ze zużytym sprzętem elektronicznym
!
!
!
!
!
Wspieranie prac remontowo-modernizacyjnych, np.
- wytwarzanie z części używanych wyrobów o własnościach funkcjonalnych zadowalających wybrane grupy użytkowników,
- rozwój handlu naprawionym sprzętem,
- wprowadzanie badań jakości i gwarancji na odnowiony sprzęt.
Organizacja systemów zbiórki i zagospodarowywania urządzeń nie nadających się
do powtórnego użycia. Opracowywanie:
- procedur zbiórki,
- zasad sortowania,
- metod kontroli odzyskanych zasobów.
Demontaż. Opracowywanie:
- technologii procesów demontażu,
- metod sortowania elementów,
- procedur identyfikacji rodzajów materiałów.
Selekcja elementów do ponownego wykorzystania przez:
- kontrolę jakości elementów,
- organizację sieci sprzedaży,
- wprowadzenie odpowiednich zasad gwarancji.
Przetwarzanie materiałów poddawanych recyklingowi. Opracowywanie:
- skutecznych technologii procesów recyklingu,
7
-
zasad uwzględniania aspektu ekonomicznej opłacalności przyjętych technologii.
Dla efektywnego funkcjonowania proekologicznego modelu obiegu surowców i
produktów elektronicznych konieczny jest rozwój rozwiązań logistycznych pozwalających m.in. na pełny i swobodny obieg informacji, dających także możliwość sterowania
tym systemem w oparciu o wykorzystanie lokalnych i rozległych sieci komputerowych i
internetu.
Innym warunkiem powodzenia przy tworzeniu systemu jest świadomość społeczna
celowości podejmowania inicjatyw oraz wysokie kwalifikacje specjalistów zaangażowanych w to przedsięwzięcie. Konieczne jest więc popularyzowanie wiedzy o wpływie
elektroniki na środowisko a także organizowanie seminariów i szkoleń podnoszących
wiedzę merytoryczną dotyczącą wymienionych powyżej zagadnień.
5. PROBLEMATYKA BADAŃ DOTYCZĄCYCH
ASPEKTÓW EKOLOGICZNYCH W ELEKTRONICE
Od kilku lat zaobserwować można żywiołowy rozwój badań naukowych i prac rozwojowych podejmujących problematykę związków elektroniki i ekologii. Organizowane są konferencje, sympozja i kongresy naukowe poświęcone tej tematyce. Do wiodących imprez należy niewątpliwie corocznie organizowane w USA przez IEEE Computer Society sympozjum "Electronics and the Environment". W Europie wydarzeniem
tego roku był kongres i wystawa "Electronics Goes Green 2000+", zorganizowane przez
Instytut Niezawodności i Mikrointegracji Fraunhofera, we wrześniu w Berlinie.
Należy podkreślić, że podczas sesji naukowych zorganizowanych podczas tych imprez, prezentowali swoje osiągnięcia prawie wyłącznie przedstawiciele USA, Japonii i
państw Unii Europejskiej. Pomimo istotnego zainteresowania tematyką ekologii w
elektronice w państwach aspirujących do członkostwa w Unii Europejskiej, państwa te
nie eksponują dotychczas szerzej swych osiągnięć na forum międzynarodowym.
W Polsce istnieją ośrodki naukowe, które podjęły badania dotyczące recyklingu
urządzeń elektronicznych. Takie jednostki jak Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów oraz Instytut Gospodarki Odpadami wyraziły gotowość koordynacji prac prowadzonych w naszym kraju. Inicjatywą Przemysłowego Instytutu Elektroniki było
zorganizowanie obecnej konferencji z zamiarem zgromadzenia osób zainteresowanych
tematyką ekologii w elektronice, wymiany wiedzy i doświadczeń z zakresu projektowania proekologicznego i utylizacji zużytego sprzętu elektronicznego a także konsolidacji
wysiłków na rzecz nadania odpowiedniej ranki tematyce ekologicznej w badaniach
naukowych dotyczących elektroniki.
Program konferencji obejmuje zagadnienia istotne dla rozwoju koncepcji kompleksowego modelu obiegu surowców i produktów elektronicznych. Referaty zgrupowano
w następujących działach tematycznych:
A.
B.
C.
Ogólne problemy trwałego i zrównoważonego rozwoju związane z elektroniką.
Metody redukcji poboru mocy i masy wyrobów elektronicznych.
Metody projektowania łatwo demontowalnych systemów elektronicznych oraz
doboru elementów i materiałów pozwalające na ich ponowne użycie.
D. Proekologiczne technologie w produkcji elementów, pakietów i urządzeń elektronicznych.
8
E.
Technologie demontażu zużytych urządzeń oraz sortowania i oceny jakości odzyskanych elementów i podzespołów.
F. Technologie odzyskiwania surowców i utylizacji odpadów powstałych z przerobu
„złomu” elektronicznego.
G. Zagadnienia logistyczne, ekonomiczne i edukacyjne dotyczące projektowania proekologicznego i utylizacji zużytego sprzętu elektronicznego.
6. PODSUMOWANIE
Problematyka ekologii w elektronice wskazuje na interdyscyplinarny charakter tej
dziedziny wiedzy. Jej rozwój jest więc uzależniony nie tylko od postępu w szczegółowych kierunkach badań podstawowych i stosowanych, ale także od współdziałania specjalistów z różnych dziedzin nauki.
Autor wyraża nadzieję, że I Konferencja Naukowo-Techniczna "Ekologia w elektronice" przyczyni się do rozwoju współpracy krajowych ośrodków naukowych, promocji
badań dotyczących aspektów ekologicznych w elektronice oraz wzrostu aktywności
polskich uczonych na forum międzynarodowym.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
Draft Proposal for European Parliament and Council Directive on Waste Electrical
and Electronic Equipment. Explanatory Memorandum. Bruksela, 10.05.2000.
Silicon Valley Toxics Coalition (SVTC): Just say no to E-waste: Background document on hazards and waste from computers. http://www.igc.org/svtc/cleancc/eccc.htm
Fellenberg G.: The Chemistry of Pollution. John Wiley & Sons, New York, 2000.
Strategic Comprehensive Approach for electronics Eecycling and RE-use (SCARE)
Green Book. Programme Information. Ver. 2.1 December 3, 1998. International CARE
"VISION 2000" Office. Austrian Society for Systems Engineering and Automation.
Wiedeń.
Praca zbiorowa: Analiza tendencji rozwojowych w dziedzinie technik projektowania
proekologicznego. Sprawozdanie z realizacji tematu 305/2950/10. Przemysłowy Instytut Elektroniki, Warszawa, 1999.
THE PROBLEMS OF ECOLOGY IN ELECTRONICS
Actual methods of used electronic equipment treatment are described. Main threats
to environment and human being caused by hazardous substances arising from landfilling or incineration of electronic wastes are specified. Contemporary concept of complex
approach for eco-design and end-of-life management of electronic equipment that resulting in precious raw materials recycling and wastes reduction is presented. Main
issues linked together electronics with ecology, composing the subject of the "Ecology
in electronics" conference were discussed.
9