浮選法分離廢舊塑料ABS和HIPS氣泡與塑料的粘附行為研究*

楊東民 張月雷

(1.包頭職業技術學院,內蒙古 包頭 014035; 2.內蒙古北方重工業集團有限公司,內蒙古 包頭 014030)

塑料的大量生產、消費與較短的使用周期使得塑料廢棄物的數量急劇增加,塑料的大量廢棄不僅造成資源的巨大浪費,也給環境帶來了極大危害。[1]2006-2009年我國的塑料消費年均增長9.6%,是同期世界年均增長率的2倍多;目前我國的塑料消費量已超過6000萬噸,為世界消費總量(2.38億噸)的四分之一,遠超美國列世界第一。[2]據統計,我國廢塑料2020年產生量可達7000萬噸以上。所以,對于廢舊塑料的分選、回收及利用是人類不得不考慮并持續研究的課題。廢舊塑料的分選方法由很多種,但對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,顯得更為適用。浮選分離法的影響因素很多,發泡劑及潤濕劑的用量、廢舊塑料尺寸、空氣流量等工藝條件對浮選分離效果有較大影響,前期,本人已經以ABS和HIPS為例,對以上工藝條件進行了實驗研究及優化,并在《包頭職業技術學院學報》2021年第4期發表了論文《廢舊塑料浮選工藝的優化》。本文重點對浮選分離實驗中氣泡與塑料的粘附行為進行研究,并通過最佳浮選分離液面高度、單次分選最大塑料量兩個外在的直觀條件,進一步說明其粘附行為對浮選分離效果的重要影響,為浮選分離從實驗室走向工廠實踐做好理論支持與實驗鋪墊。

1 實驗準備

1.1 實驗原料

表1 實驗用廢舊塑料

浮選實驗之前,需對需浮選分離的塑料原料做如下加工,以備實驗用:

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提前將所有實驗用塑料原料均用清水洗凈,晾干。

1.2 浮選化學藥劑與儀器設備

表2 實驗所用浮選藥劑

表3 實驗用儀器及型號

1.3 實驗裝置

圖1 塑料浮選實驗裝置圖

1.4 前期實驗已優化的工藝條件描述

通過前期浮選實驗,對浮選工藝進行了優化,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、起泡劑松油醇實驗濃度為22mg/L、潤濕劑單寧酸實驗濃度為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,回收率達到93.8%,ABS粘附氣泡少所以下沉,回收率達到86.2%。

2 實驗過程

2.1 最佳浮選分離液面高度

在廢舊塑料浮選過程中,當高度較低時,氣泡來不及粘附在塑料上,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,在向上浮動的過程中,會受到來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、塑料與浮選杯內壁之間摩擦力等等。而這些摩擦力作用的結果就是使粘附在塑料表面的氣泡有所掉落。從實驗中,我們發現,當液面高度的過高時,塑料表面摩擦的幾率增大,塑料表面的氣泡數量不斷減少,當氣泡減少到一定數量時,廢舊塑料就因浮力不足而下沉,因此,液面的高度對廢舊塑料的浮選效果有較大的影響。

由實驗前期可得結論,該浮選效果最優的浮選工藝條件為: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、起泡劑松油醇實驗濃度為22mg/L、潤濕劑單寧酸實驗濃度為190mg/L、浮選溫度為常溫25℃。攪拌時間10min,浮選時間15min。在直徑為90mm(壁厚為3mm)的浮選器中進行浮選實驗。為了方便計量,我們用體積mL來表示溶液高度,分別采用浮選液體積為500ml、600ml、650ml、700ml、750ml、800ml、850ml來進行試驗。通過多次浮選實驗,HIPS和ABS上浮率見表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(%)

由實驗可知,在直徑為90mm(壁厚為3mm)的浮選器中進行浮選實驗時,浮選液體積為750ml,液面高度為135mm時,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

在浮選過程中,單次加入的塑料量太少,會使生產效率降低,也會因分選塑料量的基數較小,而影響塑料的上浮率;但是,浮選過程中塑料與塑料相互之間會產生摩擦從而使粘附的氣泡脫落,因此,當浮選液質量一定時,單次可分選的塑料量是有限的。若單次分選的塑料量過多,則塑料與塑料之間的摩擦加劇,會導致已經粘附在塑料表面的氣泡脫落過多,導致塑料上浮力降低,從而使已經上浮的塑料下沉,使分選效果降低。因此,當浮選液質量一定時,單次分選的塑料量不能太少,也不能太多。

按照實驗前期所得結論,在浮選效果最優的浮選工藝條件下,實驗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,在其中進行HIPS和ABS浮選實驗為例,單次可分選的最多塑料量可以通過實驗數據確定,見表5。

表5 共有效分離的塑料量所占加入量的比率(%)

為了直觀、方便觀看實驗效果,實驗中我們以所分選塑料的片數來計算量。在該浮選工藝條件下,正常分離時因為塑料HIPS會上浮而ABS會下沉,所以在分別加入同樣多片數的前提下,浮選中我們就只計算HIPS的上浮量和ABS的下沉量為有效分離量,而對于HIPS的下沉量和ABS的上浮量忽略不計。

共有效分離的塑料量所占加入量的比率計算公式為:

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到15片時,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,該比率開始下降,當加入的塑料量分別達到30片時,該比率降到了58.3%。由此可以判斷,加入的塑料量分別達到15片(總加入量達到30片)時,用電子天平準確稱量為5g,既為該工藝條件和實驗設備下的單次分選最大塑料量。

3 結論與討論

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、起泡劑松油醇實驗濃度為22mg/L、潤濕劑單寧酸實驗濃度為190mg/L、浮選溫度為常溫25℃左右,在直徑為90mm的浮選器中進行浮選實驗時,浮選液體積為750ml,液面高度為135mm時,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,在其中進行HIPS和ABS浮選實驗為例,加入的塑料量分別達到15片(總加入量達到30片)時,用電子天平準確稱量為5g,既為該工藝條件和實驗設備下的單次分選最大塑料量。

該實驗結果對實際生產具有一定的指導意義,但在大批量的工業化浮選分離中,浮選分離的工藝條件肯定要依據實際情況做一些必要的調整,這將是今后側重研究的又一個方向。