3. Выбор материалов и характеристика отходов использованных пэвм

Современная электронно-вычислительная техника является одним из потребителей редких, драгоценных, цветных и черных металлов [1.4.].

Конструкция вычислительного комплекса имеет в своем составе черные, цветные, драгоценные и редкие металлы и созданные на промышленной основе материалы.

Корпус, рамы, стойки, блоки и другие вспомогательные устройства (черные металлы); провода для соединений, кабели, печатные платы, рисунок печатных плат (цветные и драгоценные металлы); электроэлементы (драго-ценные и редкие металлы); экраны мониторов с электронно-лучевой трубкой и жидкокристаллические (стекло).

Выбор материала для изготовления деталей ПЭВМ обусловлен необходимостью иметь соответствующие физические и химические свойства для решения поставленной цели.

В настоящее время конструкторы работают не с чистыми элементами, а со сплавами, полимерами или композитами, то есть максимально экологически чистыми материалами (экоматериалами) [1.5.].

Экоматериал – это материал, получение и использование которого приводит к минимальному воздействию на окружающую среду, минимальному истощению ресурсов и минимальным регулирующим ограничениям для использования.

В рамках этого определения целесообразно выделить шесть свойств экоматериалов:

1. наличие материала в природе;

2. возможность использовать рециклированный материал;

3. низкое потребление энергоносителей при добыче, переработке и изготовлении деталей;

4. степень воздействия на окружающую среду;

5. продолжительность использования материала;

6. отсутствие правовых ограничений на материал.

В работе [1.5.] и на основе анализа элементов и материалов, используемых в настоящее время при изготовлении ПЭВМ в таблице 1.2. приведены основные показатели и интегральная оценка.

Основные показатели и интегральная оценка дают возможность исследовать тенденции потребления ресурсов и потенциальное воздействие на окружающую среду.

Таблица 1.2. Характеристики элементов, имеющихся в ресурсах

№ п/п	Элемент, символ	Изобилие1	Побоч-ный2	Геогра-фия3	Энергия5	Токсич-ность6	Интегральная оценка
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Кремний (Si)	3	2	2	1	2	10
2	Алюминий (Al)	3	2	2	0	2	9
3	Железо (Fe)	3	2	2	1	2	10
4	Никель (Ni)	2	2	2	0	1	7
5	Барий (Ba)	2	2	2	1	1	8
6	Медь (Cu)	1	2	2	1	1	7
7	Олово (Sn)	1	1	2	1	2	7
8	Свинец (Pb)	0	2	2	1	0	5
9	Галлий (Ga)	2	0	2	0	2	6
10	Гадолиний (Gd)	3	2	2	1	1	9
11	Хром (Cr)	3	2	2	0	1	8
12	Цинк (Zn)	0	2	2	1	2	7
13	Германий (Fe)	1	0	1	1	1	4
14	Литий (Li)	3	2	2	2	1	10
15	Сурьма (Sb)	2	1	2	1	2	8
16	Кадмий (Cd)	1	0	2	1	0	4
17	Серебро (Ag)	0	2	2	2	2	8
18	Ртуть (Hg)	0	2	1	1	0	4
19	Золото (Au)	0	2	2	1	2	7
20	Бром (Br)	3	2	2	2	2	11
21	Рутений (Ru)	3	0	2	1	2	8
22	Родий (Rh)	2	0	2	1	2	7
23	Палладий (Pd)	2	0	2	1	2	7
24	Иридий (Ir)	3	0	2	1	2	8
25	Платина (Pt)	3	2	2	1	2	8

Примечание.

1. 0 – редкий; 1 – ограниченный; 2 – обилие; 3 – изобилие.

2. 0 – исключительно как побочный; 1 – добываемый главным образом как побочный; 2 – не сопутствующий.

3. 0 – значительный географические ограничения (источники только на одном континенте); 1 – умеренные географические ограничения (источники только на двух континентах); 2 – широкодоступный (источники на нескольких континентах).

4. 0 – высокие энергетические затраты при переработке; 1 – умеренные энергетические затраты при переработке; 2 – малые энергетические затраты при переработке.

5. 0 – низкая токсичность; 1 – умеренная токсичность; 2 – высокая токсичность.

В таблице 1.3. представлены обобщенные данные распространенности в природе элементов и материалов, которые используются при изготовлении ПЭВМ [1.4., 1.9.].

В основу ПЭВМ, как правило, положен блочно-модульный принцип, и его можно представить в виде следующих конструктивных элементов: стойка, блок, модуль, микросхема. Стойка представляет собой металлический шкаф прямоугольной формы, материалом для изготовления которой служит углеродистая сталь.

Блок представляет собой съемную конструкцию, на которой монтируются модули. Блок помещается в металлический каркас, изготавливаемый из алюминиевого сплава.

Для внутри- и межблочного монтажа используют различные монтажные, обметочные провода, кабели, изготовленные из меди с защитным покрытием, которое предохраняет от окисления. В качестве изоляции используют резину, стекловолокно, полихлорвинил, хлопчатобумажную пряжу, шелк и другие материалы.

Для скрепления отдельных элементов конструкции, а также для электрического соединения проводников (монтажа) применяется пайка. В качестве припоев используют различные цветные металлы и сплавы (медные, медно-цинковые, серебряные, оловянно-свинцовые и другие).

Модуль представляет собой прямоугольную печатную плату, на которой установлены все детали (микросхемы, разъемы, фиксаторы и другие элементы). Для изготовления платы используют изоляционный материал: гетинакс, стеклотекстолит, стекловолокно, другие материалы.

Материал контактов должен быть износостойким, легко обрабатываться, обладать большой стойкостью против сваривания и иметь высокую тепло- и электропроводность. Поэтому в качестве материалов для изготовления контактов используют платину, платино-иридиевый сплав ПИ10, золото-никелевый сплав ЗлНк5, золото-платиновый сплав ЗлПл7, химически чистое серебро Ср999, серебряно-медный сплав Ср770, твердую латунь, бронзу и другие сплавы и металлы.

Микросхема представляет собой пластмассовый корпус с заключенным в нем кристаллом кремния, выбор которого обусловлен высоким качеством пленки двуокиси кремния и относительно простым технологическим способом ее получения. Все выводы, покрытия и соединения, используемые в микросхеме, содержат драгоценные металлы.

В таблице 1.4. представлены обобщенные данные эффективности переработки материалов, входящих в ПЭВМ, после окончания срока эксплуатации.

Анализ таблицы 1.4. показывает, что из 33 элементов только 16 элементов подвергаются переработке с разной эффективностью, остальные входят в группу невозобновляемых ресурсов полезных ископаемых.

Пластмассы в количестве 23% и кремнезем в количестве 24,88% имеют эффективность переработки 20% и 0% соответственно.

№№ п/п	Химический элемент	Номер ПСХЭ	Содержание в земной коре, в %	Наименование полезного ископаемого, содержащего данный элемент	Детали, узлы, блоки и модули ПЭВМ, в которых используется химический элемент
1	2	3	4	5	6
1	Кремний, Si	14	26	Двуокись кремния (SiO2), алюмосиликаты	Микросхемы, ЭЛТ мониторов
2	Алюминий, Al	13	7.45	Глины, шпаты, бокситы	Элементы корпусов, блоков проволока, крепежные изделия
3	Железо, Fe	26	4.2	Железные руды (Fe3O4, Fe2O3, 2Fe3CO3, 2Fe2O3·2H2O)	Корпуса стоек, ячеек, шкафов (сплав Fe-C), крепежные изделия
4	Никель, Ni	28	0.85	Сульфидные медно-никелевые руды, пентландит, миллерит	Материал для изготовления токопроводящих контактов (в сплаве ЗлНк5)
5	Барий, Ba	56	0.05	Минералы барит (BaSO4) и витерит (BaCO4)	Электролучевые трубки (ЭЛТ) мониторов
6	Медь, Cu	29	0.01	Самородки, медные руды	Электрические провода, кабели, соединители, печатные платы
7	Олово, Sn	50	0.008	Самородки, оловянный камень (SnO2)	Припои типа ПОС
8	Свинец, Pb	82	0.0016	Свинцовый блеск (PbS)	Припои типа ПОС, ЭЛТ мониторов
9	Галлий, Ga	31	0.001	В свободном состоянии не встречается, источник – отходы химической металлургии	Запоминающие устройства
10	Гадолиний, Gd	64	Рассеянный (семейство лантанидов)	Рассеянный (в свободном состоянии в природе не встречается)	Запоминающие устройства

Таблица 1.3. Распространенность в природе элементов и материалов, используемых в ПЭВМ

1	2	3	4	5	6
11	Хром, Cr	24	0.00083	Массивные и вкрапленные руды, содержащие концентрации хрома	Защитные покрытия деталей от коррозии
12	Цинк, Zn	30	0.00083	Комплексные руды, состоящие из свинца и цинка	Печатные платы
13	Германий, Ge	32	0.0007	Рассеянные ископаемые: германит, аргеродит (4Ag2SGeS2, 6CuS·GeS2)	Кристаллы
14	Литий, Li	3	0.00032	Минерал сподумен LiAl(Si12O6), петалит LiAl(Si2O10)	Аккумуляторы питания переносных ПЭВМ (ноутбуки, смартфоны)
15	Сурьма, Sb	51	0.00005	Сурьмяные руды, антимонит (Sb2S3)	Припой
16	Кадмий, Cd	48	0.000013	Рассеянный с другими элементами	Пайка стекла с металлом
17	Серебро, Ag	47	0.00001	Самородки, серебристая руда (аргенит)	Припой, материал и покрытие коннекторов, печатных плат и токопроводящих контактов
18	Ртуть, Hg	80	0.000005	Самородное состояние (редко), киноварь	ЭЛТ мониторов, TFT-мониторы, электронные ключи
19	Золото, Au	79	0.0000005	Самородки, теллуристое золото (AuTe 2)	Покрытие токопроводящих контактов, коннекторов, печатных плат, электрических элементов, CD/DVD-дисководы, типы разъемов (вилка-розетка): СНП-59-96/94х118-21В, ОНП-НС-1-94/140х10.6, СНП-34/69

1	2	3	4	5	6
20	Бром, Br	35			Покрытие печатных плат, разъемов, кабелей для снижения воспламеняемости
21	Рутений	44			Покрытие контактов и коннекторов, жесткие магнитные диски
22	Родий	45			Покрытие токопроводящих контактов, термосенсоры
23	Палладий, Pd	46	Встречается с другими металлами платиновой группы	Россыпи с содержанием других элементов платиновой группы	Покрытие контактов и коннекторов, многослойные керамические конденсаторы
24	Иридий, Ir	77			Материал для изготовления токопроводящих контактов (в сплаве ПИ10)
25	Платина, Pt	78	Встречается с другими металлами платиновой группы	Россыпи с содержанием других элементов платиновой группы	Покрытие токопроводящих контактов, жесткие магнитные диски, термосенсоры
26	Пластмасса ABS				Лицевые панели системных блоков
27	Поливинилхлорид (ПВХ)				Разъемы, соединители, электропроводка
28	Стеклотекстолит				Печатные платы

Таблица 1.4. Эффективность переработки материалов, входящих в ПЭВМ, после окончания срока эксплуатации

№№п/п	Элемент, символ	общий вес, %	перерабатываемый вес, %	№№ п/п	Элемент, символ	общий вес, %	перерабатываемый вес, %
1	Кремний (Si)			22	Рутений (Ru)	0,016	80
2	Алюминий (Al)	14,2	80	23	Родий (Rh)	следы	50
3	Железо (Fe)	20,5	80	24	Палладии (Pd)	0,0003	95
4	Никель (Ni)	0,85	80	25	Иридий (Ir)
5	Барий (Ba)	0,0315	0	26	Платина (Pt)	следы	95
6	Медь (Cu)	7	90	27	Индиум	0,0126	60
7	Олово (Sn)	1	70	28	Ванадий	0,0002	0
8	Свинец (Pb)	6,3	5	29	Тербий	следы	0
9	Галлий (Ga)	0,0013	0	30	Бериллий	0,0157	0
10	Гадолиний (Gd)			31	Европий	0,0002	0
11	Хром (Cr)	0,0063	0	32	Титан	0,0157	0
12	Цинк (Zn)	2.2	60	33	Кобальт	0,0157	85
13	Германий (Ge)	0,0016	0	34	Марганец	0,0315	0
14	Литий (Li)			35	Антиномий	0,0094	0
15	Сурьма (Sb)			36	Висмут	0,0063	0
16	Кадмий (Cd)	0,0094	0	37	Селен	0,016	70
17	Серебро (Ag)	0,0189	98	38	Ниобий	0,0002	0
18	Ртуть (Hg)			39	Иттрий	0,0002	0
19	Золото (Au)	0,016	99	40	Мышьяк	0,013	0
20	Бром (Br)			41	Кремнезем	24,88	0
21	Тантал	0,0157	0	42	Пластмассы	23	20

Примечание. Пропущенный общий вес и перерабатываемый вес в % свидетельствуют о том, что авторы не располагают данными.