張群安,史政海

(南陽(yáng)理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,河南南陽(yáng)473004)

廢舊塑料薄膜分離方法的實(shí)驗(yàn)研究

張群安,史政海

(南陽(yáng)理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,河南南陽(yáng)473004)

以水作為浮選劑對(duì)含聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)的廢舊塑料薄膜進(jìn)行分離,以實(shí)現(xiàn)對(duì)PVC的回收?？疾炝烁∵x液密度、分離溫度、固液比、潤(rùn)濕劑含量、攪拌速度及分離時(shí)間等因素對(duì)PVC回收率的影響。結(jié)果表明,最佳分離條件為:浮選液密度1.04 g/cm3,分離溫度30℃,固液比1∶50,潤(rùn)濕劑含量0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),攪拌速度50 r/min,分離時(shí)間8 s;PVC的最大回收率可達(dá)98%。

廢塑料;薄膜;分離

0 前言

目前,廢舊塑料的回收、再生與利用技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成為熱點(diǎn)并正在成為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè),其不但能有效緩解全世界關(guān)注的能源危機(jī)、為化工及其他行業(yè)提供原料和產(chǎn)品,而且可以有效地解決環(huán)境污染問(wèn)題[1]。錢(qián)柏章、黃漢生等[2-3]概括介紹了日本廢舊塑料的回收方法,不同的塑料采用不同的分離、溶解及降解等方法進(jìn)行回收利用;付曉婷、閆春巧等[4-5]概括介紹了國(guó)內(nèi)不同廢舊塑料的回收利用方法,但真正的研究性論文較少。

解決廢塑料問(wèn)題的途徑主要有2種:其一是回收分離后再生造粒,重新使用;其二是將廢塑料降解制取化學(xué)品或液體燃料。其中回收后再生造粒是最主要的、可行的、較為成熟、簡(jiǎn)單的辦法,既解決了環(huán)境污染問(wèn)題,又使資源得到充分的利用。廢舊塑料回收造粒的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是將其分離成單一組分,混合廢舊塑料一般價(jià)值低、產(chǎn)品性能差且不穩(wěn)定,但分離后可用于制備高價(jià)值的制品[3,5,6]。

目前國(guó)外開(kāi)發(fā)出很多塑料分離設(shè)備,為塑料再生利用的機(jī)械化和自動(dòng)化提供了良好的基礎(chǔ)。有效分離塑料的方法包括浮降法、空氣分離法、水旋法、近紅外分光法、X射線分析法、靜電分離技術(shù)、選擇性溶解[7]。多德比巴、伊托庫(kù)姆等[8,9]研究了浮選技術(shù)在非礦物處理中的應(yīng)用,探討了相關(guān)的影響因素,但針對(duì)廢舊塑料薄膜體系的分離目前還沒(méi)有詳細(xì)的研究報(bào)道,本文對(duì)含PVC、PE、PP的廢舊塑料薄膜體系的分離進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

四氫呋喃,分析純,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司;

甲苯,分析純,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司;

二氯乙烷,分析純,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司;

七水硫酸鎂,分析純,天津市華東試劑廠;十水硫酸鈉,分析純,天津市華東試劑廠;潤(rùn)濕劑1(丁醇),分析純,水溶性溶劑,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司;

潤(rùn)濕劑2(十二烷基苯磺酸鈉),分析純,表面活性劑,天津市化學(xué)試劑廠;

廢舊塑料薄膜,回收。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電子天平,BS224S,北京塞多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;

南水北調(diào)工程供水息稅前利潤(rùn)（EBIT 調(diào)）＝工程供水價(jià)-水資源費(fèi)-工程成本-管理維護(hù)費(fèi)。這里，水資源費(fèi)應(yīng)充分考慮給南水北調(diào)工程水價(jià)帶來(lái)的成本壓力，應(yīng)免征或延后低征。

恒溫水浴鍋,TDA-8002,上海精科儀器有限公司;電動(dòng)攪拌器,JJ-1,常州國(guó)華電器有限公司;粉碎機(jī),PC180,張家港馳程塑料機(jī)械廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程由粉碎階段、清洗階段、浮選階段、清洗干燥階段4部分組成,其中浮選階段最為重要,將粉碎和清洗階段合稱為預(yù)處理階段;

首先把廢舊塑料薄膜送入旋轉(zhuǎn)刀破碎機(jī)中進(jìn)行破碎,要求破碎后碎片的長(zhǎng)度在0.5～3.0 cm之間;然后用清洗劑將粉碎后得到的產(chǎn)物進(jìn)行清洗,為了便于廢舊塑料的回收和延長(zhǎng)浮選液的使用周期,清洗劑由洗滌劑和5%的NaOH水溶液配置而成;

取500 mL自來(lái)水放入1000 mL燒杯中,按預(yù)先設(shè)定的密度稱量需要加入的密度調(diào)節(jié)劑硫酸鎂的質(zhì)量,攪拌溶解后用比重瓶準(zhǔn)確測(cè)定溶液的密度;然后加入潤(rùn)濕劑,攪拌、溶解,待溶解均勻后加入經(jīng)計(jì)量的PVC等廢舊塑料薄膜,攪拌,記錄從開(kāi)始加入到分離平衡所需的時(shí)間;對(duì)下沉料經(jīng)干燥、四氫呋喃溶解后,將不溶解的薄膜撈出稱重,質(zhì)量的減少量即為PVC的質(zhì)量,此值與稱取的原料薄膜質(zhì)量的比值即為PVC的回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮選液密度對(duì)PVC回收率的影響

本文的原料來(lái)源是各種飲料瓶上的標(biāo)簽薄膜,其成分經(jīng)火焰燃燒、溶劑溶解等方法判定,主要有PVC、PE、PP等成分,其中含量較大的是PVC,本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍VC從塑料薄膜中比較徹底地分離出來(lái)。

PVC的密度為1.34～1.45 g/cm3,低密度聚乙烯(PE-LD)的密度為0.91～0.93 g/cm3,PP的密度為0.85～0.91 g/cm3,但由于薄膜在加工過(guò)程中添加了增塑劑等加工助劑,同時(shí)薄膜表面又有涂層,使得薄膜的密度發(fā)生了改變。

由圖1(a)可知,隨著密度的增大,PVC的回收率先增大后減小,當(dāng)密度在1.02～1.04 g/cm3之間時(shí),PVC的回收率最高,為98%。

由于PVC的密度大于1,溶液的密度繼續(xù)增加后,沉于下層的PVC應(yīng)該更純,但會(huì)使分離出的PVC的量減少,致使上層的薄膜中也含有部分PVC,而本文的目的是既要得到更多的PVC,又要使得到的PVC較純。

2.2 潤(rùn)濕劑對(duì)PVC回收率的影響

薄膜狀的塑料由于表面有印刷涂層,影響了水對(duì)其的潤(rùn)濕性,表現(xiàn)為在水中不好潤(rùn)濕,延長(zhǎng)了分離時(shí)間,而生產(chǎn)過(guò)程中需要使其盡快分離,為此,用潤(rùn)濕劑來(lái)改變水對(duì)塑料薄膜的潤(rùn)濕性。

本文選擇了2種潤(rùn)濕劑,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明潤(rùn)濕劑1和潤(rùn)濕劑2都有較好的潤(rùn)濕效果,當(dāng)潤(rùn)濕劑1的含量為0.5%時(shí),PP、PE、PVC的可浮選性達(dá)到最佳,PVC的回收率達(dá)到96.7%,是一種好的潤(rùn)濕劑。雖然潤(rùn)濕劑1有其優(yōu)點(diǎn),但是綜合考慮各方面的因素,本文選擇潤(rùn)濕劑2作為潤(rùn)濕劑,其原因是:(1)潤(rùn)濕劑1的用量大、易揮發(fā),存在潛在的火災(zāi)隱患;(2)潤(rùn)濕劑2的用量少,不揮發(fā),不存在火災(zāi)隱患;(3)潤(rùn)濕劑2的潤(rùn)濕效果好,經(jīng)濟(jì)成本較潤(rùn)濕劑1低。

從圖1(b)可以看出,不加潤(rùn)濕劑時(shí)PVC的回收率在90.1%左右。隨著潤(rùn)濕劑2含量的增加,PVC的回收率明顯提高。潤(rùn)濕劑2的含量為0.2%時(shí),PVC的回收率達(dá)到最大值97.9%,潤(rùn)濕劑2含量再增加時(shí),PVC的回收率僅有小幅度的提高,趨于平穩(wěn)。這是由于潤(rùn)濕劑2十二烷基苯磺酸鈉是一種水溶性表面活性劑,它的加入降低了溶液的表面張力,使塑料薄膜便于潤(rùn)濕,在水中能快速分離,當(dāng)超過(guò)十二烷基苯磺酸鈉臨界膠束濃度后,隨其含量的增加,表面張力下降不再明顯。

圖1 浮選液密度和潤(rùn)濕劑2含量對(duì)PVC回收率的影響Fig.1 Effects of flotation liquid density and contents of wetting agent on the recovery of PVC

2.3 溫度對(duì)PVC回收率的影響

溫度影響表面張力,從而影響了塑料的潤(rùn)濕性能,進(jìn)而影響了分離時(shí)間。從圖2(a)可知,浮選液溫度為30℃時(shí),PVC的回收率達(dá)到最高值97.43%。這是由于溫度的升高降低了表面張力,使薄膜快速潤(rùn)濕;同時(shí)也使密度調(diào)節(jié)劑硫酸鎂的溶解度增大,但過(guò)高的溫度卻增加了生產(chǎn)成本。

圖2 溫度和分離時(shí)間對(duì)PVC回收率的影響Fig.2 Effect of temperature and separation time on the recovery of PVC

2.4 分離時(shí)間對(duì)PVC回收率的影響

分離時(shí)間不是影響分離效果的關(guān)鍵因素,但是在實(shí)際生產(chǎn)中,分離時(shí)間越短生產(chǎn)效率就越高,因此,選擇合適的分離時(shí)間也是非常重要的。若分離時(shí)間越短,單位時(shí)間內(nèi)廢舊塑料的處理量就越大,但是分離時(shí)間也不宜過(guò)短,否則分離出的PVC的回收率就很難得到保障。若分離時(shí)間過(guò)長(zhǎng),分離的純度很高,但是單位時(shí)間的廢舊塑料的回收量卻很低,經(jīng)濟(jì)成本會(huì)很高。從圖2(b)可知,PVC的回收率在分離時(shí)間為5～9 s之間的變化幅度最大,從91%變化到97.3%。分離時(shí)間在8～10 s之間較合適,隨后再延長(zhǎng)分離時(shí)間,分離效果幾乎沒(méi)有明顯的變化。

總之,分離的前提是潤(rùn)濕,潤(rùn)濕與接觸時(shí)間、潤(rùn)濕劑、溫度等有關(guān),過(guò)短的時(shí)間達(dá)不到潤(rùn)濕效果,過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間也不利于生產(chǎn)效率的提高。

2.5 固液比對(duì)PVC回收率的影響

固液比是指固體塑料薄膜與浮選液的質(zhì)量之比,是評(píng)價(jià)浮選液處理能力好壞的重要指標(biāo),若固液比控制得不適當(dāng),PVC的回收率將很低。從表1可知,最佳的固液比為1∶50,此時(shí)既能滿足生產(chǎn)的需要,又可節(jié)約大量的成本。一次投料量大,可提高單位質(zhì)量浮選液的生產(chǎn)能力,但投料量太大時(shí),分離空間太小,使得PVC的回收率下降。

表1 固液比對(duì)PVC回收率的影響Tab.1 Effect of the ratio of solid to liquid on the recovery of PVC

2.6 投料速度對(duì)PVC回收率的影響

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)投料的快慢不但決定廢舊塑料的處理量,還影響到PVC的回收率。當(dāng)投料的速度不適當(dāng)時(shí),PVC的回收率就很低。從圖3(a)可知,最佳的投料速度為5 g/s,此時(shí)PVC的回收率達(dá)到最高值97%。若投料速度過(guò)慢或過(guò)快,都會(huì)影響PVC的回收率和實(shí)際的生產(chǎn)能力。從生產(chǎn)的角度講,希望提高投料速度,這樣可以提高生產(chǎn)率,但投料速度同時(shí)影響著分離效果。投料速度太快時(shí),塑料薄膜來(lái)不及潤(rùn)濕就被分離了,這樣就會(huì)使分離效果降低。

圖3 投料速度和攪拌速度對(duì)PVC回收率的影響Fig.3 Effect of feeding speed and stirring speed on the recovery of PVC

2.7 攪拌對(duì)PVC回收率的影響

攪拌對(duì)PVC的回收率也有極大的影響,特別是在投料量大,投料速度快的情況下,在燒杯的中上部會(huì)形成一個(gè)漂浮層,阻止PVC的沉降。由于不斷往浮選液中加入廢舊塑料,在漂浮層上部就會(huì)有大量累積的廢舊塑料,當(dāng)累積的廢舊塑料的自身重力超過(guò)塑料漂浮層的最大承載量時(shí),就會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象,會(huì)有大量的PP和PE隨PVC一起沉降到燒杯的底部,致使PVC的回收率大幅下降。為消除漂浮層和坍塌現(xiàn)象,就需要添加輔助攪拌。攪拌是利用攪拌槳在浮選液中的轉(zhuǎn)動(dòng)使浮選液處于湍動(dòng)狀態(tài),有利于廢舊塑料與浮選液的充分接觸,同時(shí)由于攪拌槳與浮選液之間的剪切作用破壞了漂浮層的形成,使PVC的回收率得到很大的提高。

在固液比相同的情況下,有攪拌的分離時(shí)間比無(wú)攪拌的分離時(shí)間短,在有攪拌的情況下,最佳的分離時(shí)間可以達(dá)到5 s。

從圖3(b)可知,攪拌的存在有利于塑料薄膜的潤(rùn)濕,縮短了分離時(shí)間,提高了分離效果,但過(guò)大的攪拌速度不利于塑料薄膜的分離沉降,分離效果反而降低。因此,在廢舊塑料薄膜分離過(guò)程中要選擇合適的攪拌速度,從圖3(b)可知,廢舊塑料薄膜分離的最佳攪拌速度是50 r/min。

3 結(jié)論

(1)浮選法分離塑料薄膜時(shí),最佳浮選液密度為1.04 g/cm3;潤(rùn)濕劑的加入加快了薄膜的分離速度,潤(rùn)濕劑十二烷基苯磺酸鈉的最佳含量為0.2%;

(2)分離時(shí)間、分離溫度、投料速度、攪拌速度和固液比也影響廢舊塑料薄膜的分離,最佳分離時(shí)間為8 s,最佳分離溫度為30℃,最佳投料速度為5 g/s,最佳攪拌速度為50 r/min,最佳固液比為1:50。

[1] 劉均科.塑料廢棄物的回收與利用技術(shù)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2001:121-132.

[2] 錢(qián)伯章.廢舊塑料回收利用技術(shù)進(jìn)展[J].橡塑資源利用,2007,(2):12-17.

[3] 黃漢生.日本廢舊塑料回收技術(shù)發(fā)展動(dòng)向[J].現(xiàn)代化工,1999,(4):25-28.

[4] 付曉婷.廢舊塑料的回收和增值利用[J].塑料工業(yè),2007,35(9):4-6.

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Experimental Research on the Separation Method of Waste Plastics Films

ZHAN G Qunan,SHI Zhenghai

(Department of Biological and Chemical Engineering,Nanyang Institute of Science,Nanyang 473004,China)

Using water as a flotation agent,PVC film was separated from a mixture of PVC,PE and PP films.The effect of flotation liquid density,temperature,solid content,content of wetting agent,stirring speed,and separation time on the recovery of PVC were studied.It was found that the optimal conditions were:flotation liquid density 1.04 g/cm3,separation temperature 30℃,the ratio of solid to liquid 1∶50,content of wetting agent 0.2 wt%,stirring speed 50 r/min,the separation time 8 s,by which the recovery of PVC reached 98%.

waste plastics;film;separation

TQ325.3

B

1001-9278(2010)02-0096-04

2009-07-30

聯(lián)系人,qaz67@163.com