产品回收性设计的优化策略

1.回收性设计的定义

回收性设计，又称面向回收的设计（Design For Recycling，DFR）、面向资源循环利用的设计和产品寿命期末设计（Design For End of Life，DFEL），即在产品设计时，就将拆解回收作为产品设计的目标之一，可以使设计的产品结构易于拆解、便于维护，废弃后可以充分回收利用，可以提高产品和零件的回收利用率，从而节约材料及能源，并减少环境影响。

废弃产品的回收利用能减轻对原材料的消耗，同时减少废弃物对环境的危害。

回收性设计可以提高零部件及材料的重复使用率。在产品完成其使用功能之后，经过回收处理又重新变为可以利用的资源，参与生产的再循环。

回收性设计能促使资源在生产过程中反复循环流动：资源→产品→再生资源，并在这个不断进行的循环中使物质资源的内在价值得到最充分的发挥，尽可能地降低生产活动对自然环境的影响。

回收性设计要求设计人员开展产品生命周期设计，既要考虑产品设计时原材料选用对环境的影响，又要考虑报废产品回收处理时对环境的影响，使资源得到充分利用，同时还明显降低了产品成本。

目前，日本规定相关产品的回收率和再利用率为50%～60%，我国拟定为40%，欧盟则要求达到80%^[72]。这就迫使企业在产品设计和选材时就要考虑产品的回收利用性。

例如，美国惠普计算机的95%的零部件可以循环再利用，其机箱设计采用无螺丝刀操作，便于拆解装配；索尼电视机能够快速拆解，其回收利用率达到99%。

回收性设计主要包括：可回收材料及标志、可回收工艺及方法、可回收经济性评价以及可回收产品及零部件的结构设计，等等。

回收性设计的相关因素，如图7-15所示。回收性设计的实现需要全社会的支持。

图7-15 回收性设计的相关因素

回收利用废旧产品可以使废旧产品的材料和零部件得到最大限度的利用，从而降低生产成本。例如，镓、锗、硅、铟等电子材料的生产成本很高，回收利用这些材料具有很好的经济效益。目前已经提出了从废旧的印刷电路板（PCB）元器件中提炼出上述诸元素的多种有效方法。对回收及重复利用零部件的机电产品的可行性研究表明：零部件的重复利用可以使产品的最终成本平均下降30%。

2.回收性设计多目标评价原则

传统设计往往考虑的是满足产品特定的功能、使用寿命、质量及成本等，对于产品淘汰废弃后的回收性能考虑不够，因而使得废旧产品很难达到拆解回收的目的。回收性设计则是在产品设计的初期阶段就将拆解回收作为产品设计的目标之一，回收利用的最终目的是最大限度地回收利用资源，尽可能地减少产品的废弃成分，尽可能地减少环境污染。

回收利用性设计的主要方法是：①从退役产品上获得贵重材料和有价值的零部件，以便于直接回收重用或者再制造后重用；②通过初步拆解，将需要回收处理的零部件材料进行分类，提高材料回收的纯度；③从产品中分离出对环境和人体有害的零部件和材料，减少环境污染；④在产品设计初期进行产品回收利用分析，使产品便于维修或维护，增强产品的可服务能力。^[69]

回收性设计评价指标体系，如图7-16所示。

图7-16 回收性设计评价指标体系(www.xing528.com)

案例：证据表明，以废旧轮胎为原料生产的轮胎与原生轮胎相比并没有起到节能减排的作用，这是由于轮胎的滚动阻力是轮胎生命周期能耗的主要来源，而利用废旧轮胎生产的新轮胎很可能增加其滚动阻力，也就是可能增加了轮胎生命周期的能耗，因而这种回收没有意义。因此，在回收性设计评价中要注意采用LCA方法。

——Eric Mieras.Jump-starting Your Circular Economy Program[EB/OL].2016-04-06[2016-04-25].https：//www.pre-sustainability.com/jump-start-ing-your-circular-economy-program.

3.回收性设计的多学科优化

废弃产品回收处理涉及机械、物理、化学、矿物、冶金和自动化控制等多学科的方法，这些方法交织在一起，相互影响。

4.案例：手机的回收性设计

在互联网快速发展的今天，手机已经不单纯是一种通信工具，更深入到人们生活的各个角落。在过去十五年中，手机逐渐发展成为消费类电子产品中的翘楚，而智能手机的普及更进一步加剧了这一趋势。根据国际通讯协会（ITU）的最新统计，截止至2015年9月，全球手机拥有量已经超过70亿部，约等于世界人口数量的97%。^[73]中国作为世界最大的手机消费国，截止至2015年2月，手机保有量已经超过了12.9亿部。^[74]根据估计，中国目前每年废弃的手机约有1亿部，总重量达1万t，其中含有1500kg黄金、100万kg铜、3万kg银，其回收经济价值在3000亿元左右。^[75]

手机的回收性设计首先需要确定手机的组分，并将其作为基本信息随机携带，或存放在网络数据库，以便于回收企业可以快速查询。否则，回收企业需要花费较大的代价进行废旧手机的组分分析和评价。只有了解其各个部件的组分，了解其潜在的价值与危害，才能选择最佳的回收处置方法。

手机的回收性设计需要进一步开展产品的模块化设计，使用户在手机功能升级时，更换的不是整个手机，而是手机的个别模块，手机原有的大部分模块仍然可以继续使用。因此，在手机的回收性设计中还需要确定手机模块的组分。

手机的回收性设计需要考虑多目标优化，以及可能的工业化应用推广环境。废弃产品回收处理的多目标优化问题，如图7-17所示。

图7-17 废弃产品回收处理的多目标优化问题

例如，目前一些“高效”溶液浸出回收工艺主要基于极小的颗粒粒度，但是在工业环境下很难将电子废弃物粉碎到所需求的极小粒度，并且其粉碎过程将因能耗巨大而不具备足够的经济可行性。

废旧手机自动回收处理过程主要包括清洁、粉碎、筛分、磁选、振动分离、塑料熔融造粒和化学处理等环节，在这个过程中，废旧手机中不同的回收材料逐渐被分离，并且每一环节的产物也影响着后续环节。废旧手机自动回收处理过程中的多学科优化问题，如图7-18所示。

图7-18 废旧手机自动回收处理过程中的多学科优化问题

其中，粉碎获得的废旧手机颗粒粒度对实现不同材料的初步剥离以及后续溶液浸出有着至关重要的作用，对后续环节如磁选、振动分离以及溶液浸出回收具有决定性的影响。同样，振动分离中床深、频率和振幅等工艺参数影响着分层效率以及相似材料的富集程度，对实现金属与非金属的分离、相似金属材料的富集以及后续溶液浸出也都具有决定性的意义。

因此，需要研究并确定废旧手机自动回收处理过程中的机械、物理和化学方法等的关键过程参数及其对各个环节以及整体回收效率的影响，建立并应用相关影响因素模型。