Innovative technologies for the sustainable management of WEEE: combined treatments for material recovery

Increasing demand for Electrical and Electronic Equipment results in the generation of a rapidly growing waste stream worldwide, known by the acronym WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment). In particular, the largest percentage is represented by dishwashers, washing machines, ovens, hobs and electric stoves which, in the Italian context, represent the 'Large Whites' and fall into the R2 grouping. This kind of waste contains ferrous and non-ferrous metals, e.g. copper and aluminium, as well as plastic, glass and other materials; this heterogeneous composition makes WEEE a valuable secondary resource. However, some appliances may contain brominated flame retardants and heavy metals, which pose a risk to human health and the environment. In this context, this thesis aims at the technical and environmental evaluation of inno-vative technologies, with the objective of optimising material recovery from WEEE R2and minimising the fractions going to landfill. Activities conducted at a WEEE R2 treatment plant, located in southern Italy, allowed an analysis of the current management cycle of this kind of waste. The mass balance of the entire treatment process was calculated by characterizing the input and output flows, and the separation efficiencies for ferrous metals, non-ferrous metals, and plastics were determined, found to be approximately 93%, 78%, and 91%, respec-tively. The treatability tests, conducted in the laboratory, aimed to experiment with some innovative technologies for material recovery from WEEE R2. A prototype densimetric table was tested for the separation of copper and aluminium, two non-ferrous metals that currently form a single output flow in the typical treatment scheme for "Large Whites". The results show that, under specific conditions, the use of this technology can ensure high recovery rates and purity (close to 100%), allowing these non-ferrous metals to be reintegrated into the economic cycle as secondary raw material. In order to optimise the recovery of the plastic polymers typically found in e-waste, such as polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC) and polyamide 6 (PA6), the treatability of two innovative solutions was tested: the wet sink-float technology, using molasses as a green solution, and tribo-electrostatic separation, testing a prototype plant consisting of a tribo-charger and a system for sorting plastic particles according to their surface electrical charge. The results show that the sink-float separation technique is an effective and sustainable method for separating and sorting plastic polymers from WEEE, allowing recovery efficiencies close to 100 %. Tribo-electrostatic separation is also an effective solution. In fact, results show that, under specific conditions, PP and PS purity of around 85% and recovery rates for PA6 and PVC of 91% can be achieved. The experimental data obtained suggest that the industrial-scale implementation of these innovative technologies, coupled with the established ones, could optimise material recovery from R2 WEEE, making it possible to exceed the minimum recovery targets set by the stringent European Directive for this category of waste. Finally, an environmental assessment was conducted by means of a Life Cycle As-sessment (LCA) of the current R2 WEEE treatment scheme, based on the case study of the southern Italian plant, and of a new management model for this waste, which integrates the innovative technologies investigated. The results confirm the environ-mental sustainability of the new configuration compared to the traditional process.

La crescente domanda di Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche (AEE) ha portato alla generazione di un flusso di rifiuti in rapido aumento a livello globale, noto con l'acronimo RAEE (Rifiuti da Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche). In particolare, la percentuale maggiore è rappresentata da lavastoviglie, lavatrici, forni, piani cottura e stufe elettriche che, nel contesto italiano, costituiscono i cosiddetti "Grandi Bianchi" e rientrano nel raggruppamento R2. Questi rifiuti contengono metalli ferrosi e non ferrosi, come rame e alluminio, oltre a plastica, vetro e altri materiali; questa composizione eterogenea rende i RAEE una preziosa risorsa secondaria. Tuttavia, alcune apparecchiature possono contenere ritardanti di fiamma bromurati e metalli pesanti, che costituiscono un rischio per la salute umana e per l'ambiente. In questo contesto, la presente tesi mira alla valutazione tecnica e ambientale di tecnologie innovative, con l'obiettivo di ottimizzare il recupero di materia dai RAEE R2 e minimizzare le frazioni destinate allo smaltimento in discarica. Le attività condotte presso un impianto di trattamento dei RAEE R2, situato nel sud Italia, hanno consentito di analizzare l’attuale ciclo di gestione di questi rifiuti. È stato calcolato il bilancio di massa dell’intero processo di trattamento, attraverso la caratterizzazione dei flussi in entrata e in uscita e sono state determinate le efficienze di separazione dei metalli ferrosi, dei metalli non ferrosi e delle plastiche che sono risultate essere pari rispettivamente a circa il 93%, il 78% e il 91%. I test di trattabilità, condotti in laboratorio, hanno mirato a sperimentare alcune tecnologie innovative di recupero di materia dai RAEE R2. Una tavola densimetrica prototipale è stata testata per la separazione del rame e dell’alluminio, due metalli non ferrosi che attualmente costituiscono un unico flusso in uscita nello schema tipico di trattamento dei “Grandi Bianchi”. I risultati mostrano che l’impiego di questa tecnologia, in condizioni specifiche, può garantire elevati tassi di recupero e purezza (prossimi al 100%), tali da consentire il reintegro di questi metalli non ferrosi nel ciclo economico come materia prima seconda (MPS). Al fine di ottimizzare il recupero dei polimeri plastici tipicamente presenti negli e-waste, come polipropilene (PP), polistirene (PS), polivinilcloruro (PVC) e poliammide 6 (PA6), sono stati condotti i test di trattabilità di due soluzioni innovative: la tecnologia ad umido sink-float, utilizzando la melassa come soluzione green, e la separazione tribo-elettrostatica, testando un impianto prototipale costituito da un tribo-charger e un sistema di selezione delle particelle plastiche in funzione della loro carica elettrica superficiale. I risultati dimostrano che la tecnica di separazione sink-float è un metodo efficace e sostenibile per separare e selezionare i polimeri plastici dai RAEE, consentendo di ottenere efficienze di recupero prossime al 100%. Anche la separazione tribo-elettrostatica rappresenta una soluzione efficace. Infatti, i risultati mostrano che, in condizioni specifiche, è possibile ottenere un grado di purezza del PP e del PS pari a circa l’85% e un tasso di recupero per il PA6 e per il PVC pari al 91%. I dati sperimentali ottenuti suggeriscono che l'implementazione in scala industriale di queste tecnologie innovative, associate a quelle consolidate, potrebbe ottimizzare il recupero di materia dai RAEE R2, consentendo di superare gli obiettivi minimi di recupero fissati dalla stringente Direttiva Europea per questa categoria di rifiuti. Infine, è stata condotta una valutazione ambientale attraverso l'analisi Life Cycle Assessment (LCA) dell'attuale schema di trattamento dei RAEE R2, basata sul caso studio dell'impianto del sud Italia, e di un nuovo modello di gestione di questi rifiuti, che integra le tecnologie innovative investigate. I risultati confermano la sostenibilità ambientale della nuova configurazione rispetto al processo tradizionale.