楊東民 張?jiān)吕?/p>

(1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014035; 2.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014030)

塑料的大量生產(chǎn)、消費(fèi)與較短的使用周期使得塑料廢棄物的數(shù)量急劇增加,塑料的大量廢棄不僅造成資源的巨大浪費(fèi),也給環(huán)境帶來(lái)了極大危害。[1]2006-2009年我國(guó)的塑料消費(fèi)年均增長(zhǎng)9.6%,是同期世界年均增長(zhǎng)率的2倍多;目前我國(guó)的塑料消費(fèi)量已超過(guò)6000萬(wàn)噸,為世界消費(fèi)總量(2.38億噸)的四分之一,遠(yuǎn)超美國(guó)列世界第一。[2]據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)廢塑料2020年產(chǎn)生量可達(dá)7000萬(wàn)噸以上。所以,對(duì)于廢舊塑料的分選、回收及利用是人類不得不考慮并持續(xù)研究的課題。廢舊塑料的分選方法由很多種,但對(duì)于密度較為接近的兩種廢舊塑料,浮選分離法因其效果好、成本低、安全性高、分選速度快等特點(diǎn),顯得更為適用。浮選分離法的影響因素很多,發(fā)泡劑及潤(rùn)濕劑的用量、廢舊塑料尺寸、空氣流量等工藝條件對(duì)浮選分離效果有較大影響,前期,本人已經(jīng)以ABS和HIPS為例,對(duì)以上工藝條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究及優(yōu)化,并在《包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)》2021年第4期發(fā)表了論文《廢舊塑料浮選工藝的優(yōu)化》。本文重點(diǎn)對(duì)浮選分離實(shí)驗(yàn)中氣泡與塑料的粘附行為進(jìn)行研究,并通過(guò)最佳浮選分離液面高度、單次分選最大塑料量?jī)蓚€(gè)外在的直觀條件,進(jìn)一步說(shuō)明其粘附行為對(duì)浮選分離效果的重要影響,為浮選分離從實(shí)驗(yàn)室走向工廠實(shí)踐做好理論支持與實(shí)驗(yàn)鋪墊。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

表1 實(shí)驗(yàn)用廢舊塑料

浮選實(shí)驗(yàn)之前,需對(duì)需浮選分離的塑料原料做如下加工,以備實(shí)驗(yàn)用:

①將厚度為1.2mm片狀塑料原料裁剪為邊界尺寸接近0.5cm×0.5cm的片狀;②提前將所有實(shí)驗(yàn)用塑料原料均用清水洗凈,晾干。

1.2 浮選化學(xué)藥劑與儀器設(shè)備

表2 實(shí)驗(yàn)所用浮選藥劑

表3 實(shí)驗(yàn)用儀器及型號(hào)

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 塑料浮選實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.4 前期實(shí)驗(yàn)已優(yōu)化的工藝條件描述

通過(guò)前期浮選實(shí)驗(yàn),對(duì)浮選工藝進(jìn)行了優(yōu)化,確定合適的工藝條件為:空氣流量為100mmL/min、廢舊塑料尺寸為接近0.5cm×0.5cm(厚度為1.2mm)的片狀碎片、起泡劑松油醇實(shí)驗(yàn)濃度為22mg/L、潤(rùn)濕劑單寧酸實(shí)驗(yàn)濃度為190mg/L、浮選溫度為常溫25℃左右。在上述工藝條件下,浮選器以直徑為90mm(壁厚3mm),高度為265mm的浮選杯為例,ABS和HIPS混合物分選效果較為理想,HIPS粘附氣泡多所以上浮,回收率達(dá)到93.8%,ABS粘附氣泡少所以下沉,回收率達(dá)到86.2%。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 最佳浮選分離液面高度

在廢舊塑料浮選過(guò)程中,當(dāng)高度較低時(shí),氣泡來(lái)不及粘附在塑料上,因此塑料獲得的上浮力較小,隨著高度的增加,粘附在塑料上的氣泡數(shù)量增加,塑料獲得較大的上浮力。粘附了氣泡的廢舊塑料,在向上浮動(dòng)的過(guò)程中,會(huì)受到來(lái)自多方面的摩擦力的作用:物料與物料之間摩擦力,塑料與浮選液之間摩擦力、塑料與浮選杯內(nèi)壁之間摩擦力等等。而這些摩擦力作用的結(jié)果就是使粘附在塑料表面的氣泡有所掉落。從實(shí)驗(yàn)中,我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)液面高度的過(guò)高時(shí),塑料表面摩擦的幾率增大,塑料表面的氣泡數(shù)量不斷減少,當(dāng)氣泡減少到一定數(shù)量時(shí),廢舊塑料就因浮力不足而下沉,因此,液面的高度對(duì)廢舊塑料的浮選效果有較大的影響。

由實(shí)驗(yàn)前期可得結(jié)論,該浮選效果最優(yōu)的浮選工藝條件為:空氣流量為100mmL/min、廢舊塑料尺寸為接近0.5cm×0.5cm(厚度為1.2mm)的片狀碎片、起泡劑松油醇實(shí)驗(yàn)濃度為22mg/L、潤(rùn)濕劑單寧酸實(shí)驗(yàn)濃度為190mg/L、浮選溫度為常溫25℃。攪拌時(shí)間10min,浮選時(shí)間15min。在直徑為90mm(壁厚為3mm)的浮選器中進(jìn)行浮選實(shí)驗(yàn)。為了方便計(jì)量,我們用體積mL來(lái)表示溶液高度,分別采用浮選液體積為500ml、600ml、650ml、700ml、750ml、800ml、850ml來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)多次浮選實(shí)驗(yàn),HIPS和ABS上浮率見(jiàn)表4。圖2為兩種塑料上浮率的折線圖。

表4 不同溶液高度的廢舊塑料上浮率(%)

圖2 不同溶液高度的廢舊塑料上浮率(%)

由實(shí)驗(yàn)可知,在直徑為90mm(壁厚為3mm)的浮選器中進(jìn)行浮選實(shí)驗(yàn)時(shí),浮選液體積為750ml,液面高度為135mm時(shí),HIPS的上浮率為94%,ABS的上浮率為9%,兩者的上浮率差別較大,為最佳浮選分離液面高度。

2.2 單次分選最大塑料量

在浮選過(guò)程中,單次加入的塑料量太少,會(huì)使生產(chǎn)效率降低,也會(huì)因分選塑料量的基數(shù)較小,而影響塑料的上浮率;但是,浮選過(guò)程中塑料與塑料相互之間會(huì)產(chǎn)生摩擦從而使粘附的氣泡脫落,因此,當(dāng)浮選液質(zhì)量一定時(shí),單次可分選的塑料量是有限的。若單次分選的塑料量過(guò)多,則塑料與塑料之間的摩擦加劇,會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)粘附在塑料表面的氣泡脫落過(guò)多,導(dǎo)致塑料上浮力降低,從而使已經(jīng)上浮的塑料下沉,使分選效果降低。因此,當(dāng)浮選液質(zhì)量一定時(shí),單次分選的塑料量不能太少,也不能太多。

按照實(shí)驗(yàn)前期所得結(jié)論,在浮選效果最優(yōu)的浮選工藝條件下,實(shí)驗(yàn)采用塑料尺寸為接近0.5cm×0.5cm(厚度為1.2mm)的片狀碎片,以浮選器直徑為90mm(壁厚為3mm),浮選液體積為750ml,在其中進(jìn)行HIPS和ABS浮選實(shí)驗(yàn)為例,單次可分選的最多塑料量可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定,見(jiàn)表5。

表5 共有效分離的塑料量所占加入量的比率(%)

為了直觀、方便觀看實(shí)驗(yàn)效果,實(shí)驗(yàn)中我們以所分選塑料的片數(shù)來(lái)計(jì)算量。在該浮選工藝條件下,正常分離時(shí)因?yàn)樗芰螲IPS會(huì)上浮而ABS會(huì)下沉,所以在分別加入同樣多片數(shù)的前提下,浮選中我們就只計(jì)算HIPS的上浮量和ABS的下沉量為有效分離量,而對(duì)于HIPS的下沉量和ABS的上浮量忽略不計(jì)。

共有效分離的塑料量所占加入量的比率計(jì)算公式為:

式中,F—總共有效分離的塑料量所占加入量的比率,%;

M1—有效上浮的HIPS的塑料量,片;

M2—有效下沉地ABS的塑料量,片;

Mh—加入分選器的HIPS的塑料量,片;

Ma—加入分選器的ABS的塑料量,片。

由表5可以看出:當(dāng)將尺寸接近0.5cm×0.5cm(厚度為1.2mm)的片狀塑料碎片加入到浮選器中,加入的塑料量分別達(dá)到15片時(shí),總共有效分離的塑料量所占加入量比率還能維持在90%,隨著加入塑料量的增多,該比率開(kāi)始下降,當(dāng)加入的塑料量分別達(dá)到30片時(shí),該比率降到了58.3%。由此可以判斷,加入的塑料量分別達(dá)到15片(總加入量達(dá)到30片)時(shí),用電子天平準(zhǔn)確稱量為5g,既為該工藝條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備下的單次分選最大塑料量。

3 結(jié)論與討論

在最佳工藝條件下:空氣流量為100mmL/min、塑料尺寸為接近0.5cm×0.5cm(厚度為1.2mm)的片狀碎片、起泡劑松油醇實(shí)驗(yàn)濃度為22mg/L、潤(rùn)濕劑單寧酸實(shí)驗(yàn)濃度為190mg/L、浮選溫度為常溫25℃左右,在直徑為90mm的浮選器中進(jìn)行浮選實(shí)驗(yàn)時(shí),浮選液體積為750ml,液面高度為135mm時(shí),HIPS的上浮率為94%,ABS的上浮率為9%,兩者的上浮率差別較大,為最佳浮選分離液面高度。

當(dāng)將尺寸接近0.5cm×0.5cm(厚度為1.2mm)的片狀塑料碎片加入到浮選器中,以浮選器直徑為90mm(壁厚為3mm)為例,浮選液體積為750ml,在其中進(jìn)行HIPS和ABS浮選實(shí)驗(yàn)為例,加入的塑料量分別達(dá)到15片(總加入量達(dá)到30片)時(shí),用電子天平準(zhǔn)確稱量為5g,既為該工藝條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備下的單次分選最大塑料量。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義,但在大批量的工業(yè)化浮選分離中,浮選分離的工藝條件肯定要依據(jù)實(shí)際情況做一些必要的調(diào)整,這將是今后側(cè)重研究的又一個(gè)方向。