廢棄一次性醫(yī)用口罩回收再利用研究進(jìn)展

英世濤,本德萍,竇仁杰,肖永要,李慧菁

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

自2019年全球新冠肺炎疫情爆發(fā)以來(lái),中國(guó)乃至世界的醫(yī)療衛(wèi)生產(chǎn)品使用量日益增多,尤其是一次性醫(yī)用口罩。伴隨著一次性醫(yī)療衛(wèi)生產(chǎn)品的應(yīng)用,相關(guān)廢棄物帶來(lái)了難以估量的環(huán)境污染。據(jù)海洋保護(hù)組織Oceans Asia發(fā)表的一篇報(bào)道顯示,2020 年全球總共生產(chǎn)了大約520億只口罩,其中至少有15.6億只口罩流入海洋,而降解這些口罩至少需要450年,在降解過(guò)程中會(huì)對(duì)地球的生態(tài)環(huán)境造成難以預(yù)估的破壞[1];在衛(wèi)生方面,以在多個(gè)不同環(huán)境下佩戴4 h后的口罩為例,口罩外側(cè)菌落平均值為1 096 個(gè),內(nèi)側(cè)菌落數(shù)為1 840個(gè)[2]?？谡謥G棄后,口罩附帶的細(xì)菌伴隨著口罩分散在我們生活的各個(gè)角落,破壞環(huán)境。同時(shí)大量的廢棄一次性醫(yī)用口罩所產(chǎn)生的資源浪費(fèi)日益嚴(yán)重,因此如何高效清潔地處理日常生活中產(chǎn)生的廢棄一次性醫(yī)用口罩已經(jīng)成為迫在眉睫的問(wèn)題。

一次性醫(yī)用口罩一般由兩層紡粘非織造材料中間復(fù)合一層熔噴非織造材料為主體,以及附屬的耳帶和鼻夾組成。主體部分以聚丙烯(PP)為原材料,外層和內(nèi)層紡粘非織造材料主要作用是防水、防濺射,同時(shí)提供一定的強(qiáng)力支撐,避免里層的熔噴非織造材料因強(qiáng)力過(guò)低而損壞;中間層的熔噴非織造材料主要起過(guò)濾作用,熔噴非織造材料纖維直徑小,在2μm 左右,纖維網(wǎng)孔徑小,孔隙率大。復(fù)合后的口罩經(jīng)過(guò)靜電駐極后能有效吸附粉塵顆粒,捕獲細(xì)菌及病毒飛沫。

目前,廢棄一次性醫(yī)用口罩的處理方法主要有填埋法、焚燒法、物理回收利用及化學(xué)回收利用四大類[3]。填埋法利用微生物分解口罩,降解時(shí)間長(zhǎng),且對(duì)土壤有污染,文中主要對(duì)后三種回收再利用方法進(jìn)行研究分析,比較不同方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 焚燒法

焚燒法是通過(guò)焚燒廢棄一次性醫(yī)用口罩產(chǎn)生熱量,并將熱量用于發(fā)電、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等方面,從而達(dá)到廢棄一次性醫(yī)用口罩再利用的方法。

賀泓博[4]提出了利用酒精對(duì)廢棄口罩消毒處理后用于燃燒發(fā)電的方法,通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M了廢棄一次性醫(yī)用口罩利用酒精在不同處理方法下產(chǎn)生的熱量值,并通過(guò)續(xù)燃時(shí)間反映燃燒性能。試驗(yàn)表明,酒精處理后的廢棄一次性醫(yī)用口罩燃燒性能優(yōu)于未處理的口罩,續(xù)燃時(shí)間更長(zhǎng),產(chǎn)生的熱量更大;同時(shí)處理后的口罩利用真空包裝機(jī)包裝能有效減少酒精揮發(fā)從而提高口罩燃燒產(chǎn)生的熱量值,但廢棄一次性醫(yī)用口罩焚燒發(fā)電產(chǎn)生的廢氣、廢渣對(duì)大氣環(huán)境污染嚴(yán)重,并且資源利用率低。

2 物理機(jī)械回收

物理機(jī)械回收主要是通過(guò)物理機(jī)械作用將消毒后的廢棄一次性醫(yī)用口罩破碎成顆粒或碎片狀態(tài),并與其他材料混合均勻后在熱效應(yīng)、壓力作用或兩者協(xié)同作用下粘連形成新的產(chǎn)物,使廢棄一次性醫(yī)用口罩得到再次利用。

虞嘉希等[5]將廢棄一次性醫(yī)用口罩用消毒劑處理后,利用破碎裝置得到口罩顆粒,再通過(guò)靜電分離機(jī)進(jìn)行電選以及浮選機(jī)浮選得到聚丙烯顆粒,將聚丙烯顆粒與木粉和聚丙烯接枝馬來(lái)酸酐混合均勻后在開煉機(jī)中混煉,最后熱壓成型制備木塑復(fù)合材料。該方法得到的木塑材料力學(xué)性能優(yōu)異,耐酸堿性好,耐腐蝕能力強(qiáng),不易被蟲蛀,不長(zhǎng)真菌,適用于家裝建筑材料。

費(fèi)俊豪等[6]以廢棄一次性醫(yī)用口罩為原料,經(jīng)消毒處理后將廢棄一次性醫(yī)用口罩與木質(zhì)素磺酸鹽分別烘干、粉碎并以一定比例混合均勻,同時(shí)混入一種或多種偶聯(lián)劑、增強(qiáng)劑、抗氧劑、顏料、抗菌劑等經(jīng)熱壓熔融后制備高吸水性木塑復(fù)合薄膜,得到的木塑復(fù)合薄膜吸水性好,拉伸斷裂強(qiáng)度較高。并且,添加木質(zhì)素磺酸鹽的木塑復(fù)合薄膜相比于不添加木質(zhì)素磺酸鹽的木塑復(fù)合薄膜,具有更高的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率,可用于保水地膜、樹膜等產(chǎn)品。

Mohammad Saberian 等[7]將廢棄一次性醫(yī)用口罩的耳掛和鼻夾去除,經(jīng)過(guò)消毒處理后切割成2 cm長(zhǎng)、0.5 cm 寬的纖維碎片,以不同的質(zhì)量百分比混入道路再生混凝土骨料(RCA)中,制備的混凝土試樣再經(jīng)固化處理,通過(guò)一系列測(cè)試表明,一次性廢棄口罩碎片的引入提高了混凝土的強(qiáng)度和剛度,并提升了混凝土的延展性和耐用性。經(jīng)預(yù)測(cè),利用這種方法修建一條1公里長(zhǎng)的雙車道公路,大約能消耗300萬(wàn)只廢棄口罩,有效解決廢棄一次性醫(yī)用口罩處理難題。

Daniele Battegazzore等[8-9]設(shè)計(jì)了兩種機(jī)械回收方案用于廢棄一次性醫(yī)用口罩回收處理。第一種將廢棄一次性醫(yī)用口罩過(guò)濾部分單獨(dú)回收,首先將口罩過(guò)濾層破碎成規(guī)定大小,送入內(nèi)部混合器(Brabender)混合均勻,再喂入螺桿擠壓機(jī)中熔融,擠出成再生聚丙烯顆粒,顆粒加入升溫至190 ℃的熱壓成型機(jī)中,壓制成聚丙烯薄膜。第二種將耳掛與過(guò)濾部分一起回收,取出鼻夾后將口罩破碎成規(guī)定大小,后續(xù)操作與第一種方法相同。結(jié)果表明兩種方案制備的再生聚丙烯相比于利用其他廢棄塑料制備的混合聚烯烴具有更加優(yōu)異的剛度和強(qiáng)度;引入耳掛后的聚丙烯相比于沒(méi)有引入耳掛的聚丙烯產(chǎn)物,剛度大幅提升,但黏度略有降低,強(qiáng)度和韌性下降明顯;同時(shí)兩種再生聚丙烯對(duì)光氧化的穩(wěn)定性與商用聚丙烯相差不大。Daniele的這種回收方法對(duì)廢棄一次性醫(yī)用口罩的回收再利用有積極作用,在工業(yè)應(yīng)用方面具有潛在市場(chǎng)。

陸振乾等[10]將廢棄一次性醫(yī)用口罩回收后利用高溫消毒,再浸入消毒液中二次消毒后清洗烘干。將消毒后口罩的紡粘材料和熔噴材料拆分后分別進(jìn)行壓燙處理,處理后的熔噴、紡粘材料及高性能織物疊層后通過(guò)熱壓機(jī)復(fù)合在一起。高性能織物作為增強(qiáng)材料放置在中間,由玻纖織物、玄武巖織物、碳纖維織物組成;紡粘及熔噴材料分布在兩側(cè),紡粘層及熔噴層由1～6層紡粘布或熔噴布復(fù)合而成。該方法制備的復(fù)合板成型工藝簡(jiǎn)單,成本低,能有效減少?gòu)U棄一次性醫(yī)用口罩帶來(lái)的污染,綠色環(huán)保。

3 化學(xué)回收利用

化學(xué)回收利用是將廢棄一次性醫(yī)用口罩消毒處理后加入反應(yīng)裝置中,在特定條件下與化學(xué)試劑相互反應(yīng)生成可利用的化學(xué)產(chǎn)物,從而達(dá)到回收利用廢棄一次性醫(yī)用口罩的目的。

于榮華等[11]將廢棄一次性醫(yī)用口罩去除耳帶和鼻夾后,浸入NaOH 水溶液中,隨后加入六水合氯化鎳(NiCl2·6 H2O),發(fā)生原位反應(yīng)后使NiOH2沉積在廢棄口罩上再烘干。然后在坩堝中用700 ℃高溫使其碳化,冷卻后用去離子水洗滌三次除去可溶性物質(zhì),得到C/Ni雜化物。結(jié)果表明,C/Ni雜化物應(yīng)用于微波吸收方面表現(xiàn)了優(yōu)異性能,包括-56.3 d B的強(qiáng)發(fā)射損耗以及4.3 GHz的吸收帶寬。該技術(shù)對(duì)廢棄一次性醫(yī)用口罩的回收處理提供了新思路,且產(chǎn)品附加值高,過(guò)程環(huán)保污染小。

付民等[12]提供了一種利用廢棄一次性醫(yī)用口罩制備過(guò)渡金屬氧化物/生物質(zhì)炭復(fù)合材料的方法。將廢棄一次性醫(yī)用口罩消毒殺菌后,放置在過(guò)渡金屬鹽溶液中使金屬離子均勻吸附,再加入堿性溶液反應(yīng)生成金屬氫氧化物。將處理后的口罩放在管式爐內(nèi)高溫碳化,口罩碳化成碳材料,金屬氫氧化物轉(zhuǎn)化成金屬氧化物,得到金屬氧化物/生物質(zhì)炭復(fù)合材料。該方法電化學(xué)性能優(yōu)異,工藝簡(jiǎn)單,解決了單一碳材料電容性差、金屬氧化物導(dǎo)電性差的問(wèn)題,且應(yīng)用前景廣闊,產(chǎn)品附加值高。

Sungyup Jung等[13]采用Ni/SiO2(5wt%)作為熱解催化劑,在管式反應(yīng)器中利用多階段熱解法先切斷廢棄一次性醫(yī)用口罩纖維中C—C 鍵和C—H 鍵產(chǎn)生H2和C1-2HCs,再進(jìn)一步催化裂解生成H2、CH4、CO等氣體。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了在有CO2存在的環(huán)境中能裂解產(chǎn)生CO,在N2環(huán)境中則不會(huì)生成CO。這種方法為廢棄一次性醫(yī)用口罩的利用提供了一種綠色的處理方法。

徐桂銀等[14]通過(guò)一種碳泡沫微波等離子體(CFMP)發(fā)生裝置,如圖1所示,利用微波照射誘導(dǎo)等離子體放電在氮?dú)庵挟a(chǎn)生3 000 K 以上的表面溫度,使廢棄一次性醫(yī)用口罩分解成氣體(H2、CO、C2H4、C3H6、CH4等)和少量的無(wú)機(jī)礦物。隨著時(shí)間推移,固態(tài)碳微凸體接枝泡沫的增加提高了等離子體放電效率,使得這一過(guò)程可以自我延續(xù)。氣體通過(guò)分離裝置分離后用于工業(yè)生產(chǎn),固態(tài)碳進(jìn)一步處理后可以用于火力發(fā)電。在生產(chǎn)過(guò)程中,廢棄一次性醫(yī)用口罩不需要進(jìn)行消毒、預(yù)分選等處理,同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體及微細(xì)顆粒物,從而減少空氣污染。

圖1 碳泡沫微波等離子體發(fā)生裝置

宗軍等[15]將廢棄一次性醫(yī)用口罩放置在烘箱中低溫加熱滅活微生物,然后取下金屬條,將滅菌后的口罩放入氣氛保護(hù)爐中,再通入惰性氣體在400 ℃高溫下預(yù)碳化,待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后放入惰性氣體保護(hù)的高溫碳化爐中,在1 000 ℃高溫下碳化形成多孔碳凝膠材料。試驗(yàn)得出,制備的多孔碳凝膠材料具有高比表面積及孔隙率,在能量?jī)?chǔ)存、制造領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。

李麗等[16]提供了一種利用微藻處理廢棄一次性醫(yī)用口罩用于生物油的制備方法。將口罩破碎后與微藻(鈍頂螺旋藻)混合,在高溫反應(yīng)釜中發(fā)生共水熱液化反應(yīng)(CO-HTL),冷卻后過(guò)濾得到固態(tài)生物炭及油水混合物,將油水混合物與二氯甲烷混合后再離心處理,取下層液體在60 ℃下蒸發(fā)20 h得到生物油。多組試驗(yàn)表明微藻與廢棄口罩有協(xié)同作用,能有效提高生物油的產(chǎn)量及質(zhì)量,相比于普通方法制備生物油,能有效減少生物油中的氮硫含量,減少對(duì)環(huán)境的污染。

向虎等[17]利用高溫高壓反應(yīng)釜使廢棄一次性醫(yī)用口罩碳化,碳化后的口罩用作碳源經(jīng)熱處理后形成中空纖維多孔結(jié)構(gòu),用于制備高性能超級(jí)電容器電極材料,其流程如圖2所示,口罩粉碎后形成口罩碎片,經(jīng)磺化處理后與活性劑均勻混合,然后在750 ℃高溫?zé)崽幚硐绿蓟苫钚远嗫滋?可以用做超級(jí)電容器的陰極電極。分析表明,相比于普通陰極電極,利用廢棄一次性醫(yī)用口罩制備的中空纖維多孔結(jié)構(gòu)具有孔隙率高,比電容高,生產(chǎn)的固態(tài)電容器循環(huán)穩(wěn)定性好,電容保持率高的特點(diǎn);同時(shí)相比于其他廢棄一次性醫(yī)用口罩處理方法,該方法具有產(chǎn)品附加值高、環(huán)保等特點(diǎn),為廢棄一次性醫(yī)用口罩等醫(yī)療衛(wèi)生用品的回收提供了新思路。

圖2 活性多孔碳(CMS)樣品形成過(guò)程示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)廢棄一次性醫(yī)用口罩的回收再利用方法進(jìn)行研究分析,主要分為焚燒法、物理機(jī)械回收、化學(xué)回收三類。其中焚燒法利用燃燒產(chǎn)生的熱量用于發(fā)電及機(jī)械驅(qū)動(dòng),特點(diǎn)是工藝成熟簡(jiǎn)單,有較大的使用范圍,但環(huán)境污染嚴(yán)重,產(chǎn)能低,資源利用率低;物理機(jī)械回收是在物理機(jī)械作用下將廢棄一次性醫(yī)用口罩破碎成規(guī)定尺寸,與其他材料混合均勻后在熱效應(yīng)、壓力或兩者協(xié)同作用下粘連形成新的產(chǎn)物,特點(diǎn)是工藝較成熟、流程簡(jiǎn)單,但制得的產(chǎn)物產(chǎn)品價(jià)值低、資源利用率低;化學(xué)回收利用對(duì)廢棄一次性醫(yī)用口罩的利用較成功,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將聚合物大分子轉(zhuǎn)化為小分子化合物進(jìn)一步利用,或使廢棄口罩中特定基團(tuán)與化學(xué)試劑反應(yīng)生成新的產(chǎn)物,特點(diǎn)是產(chǎn)品的附加值較高、綠色環(huán)保,但部分試劑對(duì)環(huán)境有污染,可以尋找其他綠色試劑替代。

總的來(lái)說(shuō),以上3種方法對(duì)廢棄一次性醫(yī)用口罩的利用各有優(yōu)勢(shì),可以通過(guò)深入研究口罩材料,設(shè)計(jì)可降解、可循環(huán)利用的口罩;或?qū)⒖谡值幕厥绽卯a(chǎn)品附加值提高,同時(shí)探究更多利用廢棄一次性醫(yī)用口罩的新思路。減少資源的浪費(fèi),促進(jìn)資源的可持續(xù)發(fā)展,推動(dòng)社會(huì)的綠色環(huán)保新進(jìn)程。