СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ПОЛИМЕРНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1998 года по МПК B03B7/00 B03C7/00 B29B17/00 

Изобретение касается способа разделения смеси полимерных частиц, состоящий из различных в химическом отношении частиц полимеров, имеющих несколько повышенный или, наоборот, несколько пониженный диапазон плотности, например, полиэтилена /ПЭ/, полиэтилентерефталата /ПЭТФ/, полипропилена /ПП/, полистирола /ПС/ и поливинилхлорида /ПВХ/. Столь различные виды пластмасс становятся бытовым мусором, например, при скоплении различных емкостей одноразового действия. Так безалкогольные напитки расфасовываются преимущественно в 1,5-литровые ПВХ-емкости, в то время как прочие напитки продаются в ПЭТФ-емкостях. Известно, что в одной только Западной Европе производится 1,4 миллиарда ПЭТФ-емкостей в год. Как правило, емкости закрываются полиэтиленовой крышкой, и днище их также может быть изготовлено из полиэтилена. Прямое повторное использование смешанных изделий невозможно, поскольку ПЭТФ плавится только при температуре 260^oC, в то время как ПВХ при температуре размягчения 160^oC разлагается с выделением HCl. Поэтому для пластмассовых изделий, изготовленных из смешанного сырья, не могут применяться известные варианты вторичного использования, в связи с чем пластмассовые изделия одноразового использования до сих пор не собираются, а уничтожаются через бытовой мусор, т.е. в конце концов сжигаются или складируются.

Вторичное использование смешанных пластмасс, содержащих ПВХ, как правило, невыгодно.

В противоположность этому вторично переработанные полимеры пользуются спросом, поскольку их цена ниже по сравнению с новым товаром. В зависимости от качества вторичнопереработанных полимеров их цена составляет до 60% цены на новый товар. Таким образом, актуальность разработок способа разделения смешанных полимеров очевидна.

Известные из уровня техники способы разделения полимерных частиц, различных по химической природе, осуществляют на установках, производящих разделение частиц по плотности, например, в гидроциклонах. Этот способ не эффективен лишь при разделении полимеров, имеющих одинаковый диапазон плотности, например, полиэтилентерефталата /ПЭТ/ /плотность около 1,37 1,38 г/см³/ и поливинилхлорида /ПВХ/ /плотность около 1,38 г/см³/. При этом возможно разделение полиэтилена /ПЭ/ от полимеров ПЭТ и ПВХ из-за разницы плотностей от 0,95 г/см³. Разделение полимеров, плотность которых находится в этом диапазоне возможно электростатическим путем.

Из патента DE-PS 3035649 известно разделение полимеров электростатически в сепараторе, работающем по принципу свободного падения потока. Однако при разделении смеси с тремя или четырьмя различных полимерами, например, ПЭ, ПЭТ, ПС и ПВХ с помощью одного из вышеуказанных способов получают большое количество побочного промежуточного продукта, соответственно разделение на электроде дает лишь незначительную степень очистки.

Патент США 4132633 описывает многоступенчатый способ флотации полимерных смесей, например, полипропилена, полиэтилена и полистирола. Измельченная полимерная смесь подвергается воздействию селективно действующих флокулянтов /например, таннина, сульфонатов лигнина и др./, в результате чего введенные пузырьки воздуха селективно размещаются на частицах и частицы либо всплывают, либо тонут.

Из патента США 4199109 известен способ регенерации различных пластмасс из многослойных изделий, в котором материал сначала нагревают, а затем измельчают до мелкодисперсного состояния. Измельченный продукт разделяется после охлаждения лишь на две группы. В зависимости от вида разделения проводится либо разделение по плотности, либо разделение по размеру и форме частиц в потоке воздуха, либо разделение по электрическим свойствам. С помощью этого способа друг от друга возможно разделить не более двух компонентов в зависимости от вида разделения. Разделение трех или более компонентов, имеющих частично различный и частично одинаковый, или приблизительно одинаковый диапазон плотности, осуществить невозможно.

Поэтому целью настоящего изобретения было разработать способ указанного выше типа, который обеспечил бы надежное разделение многокомпонентной смеси полимерных частиц, имеющих близкую или одинаковую плотность. Эта задача решается за счет, по меньшей мере, двухстадийного разделения, когда на первой стадии производят отделение друг от друга отдельных частиц, имеющих различную плотность, а на второй стадии соответственно разделение частиц с приблизительно одинаковой плотностью. При этом на первой стадии целесообразно разделять частицы, основываясь на принципе плотности, причем плотность разделительной жидкости выбирают таким образом, чтобы она находилась в области наибольшего различия между отдельными видами компонентов смеси частиц и составляла от 1,0 до 1,3 г/см³. Разделение по плотности можно проводить также при использовании гидроциклона. При этом разделение по плотности происходит не только на одной стадии, но протекает через несколько стадий, если речь идет о разделении многокомпонентной смеси.

Далее удалось установить, что поверхностная обработка частиц значительно повышает трибоэлектрическое заряжение, способствуя более высокой плотности зарядов.

В соответствии с одной из отличительных особенностей изобретения химическую обработку поверхности частиц смеси производят таким образом, что выбранная разделительная жидкость имеет характеристики в основном /pH около 10 12/ или кислом диапазоне /pH около 2 4/. Наиболее эффективные результаты достигаются в том случае, когда разделительная жидкость представляет собой раствор соли, основным компонентом которого является NaCl. В дополнение к NaCl раствор может содержать также K-, Mg- и SO₄ ионы, т.е. исходя из состава солевого раствора можно рекомендовать применение раствора, образующегося в качестве побочного продукта на калийных разработках при производстве едкого кали. Более эффективного трибоэлектрического заряжения достигают, в частности, за счет того, что после разделения по плотности разделительную жидкость вымывают из смеси водой. В ходе разделения по плотности и последующей очистки смеси с помощью воды можно производить очистку частиц, размер которых составляет менее 10 мм, предпочтительно менее 6 мм, очищая их от остатков бумаги и напитков. Для проведения соответствующей очистки можно также использовать предшествующий разделению по плотности процесс промывания в промывной мельнице или промывном устройстве. После промывания производят просушивание смеси, причем перед собственно просушиванием содержание воды в смеси снижают в результате пропускания через систему обезвоживания, например, центрифугу, до остаточной влажности менее 2%
В дальнейшем смесь частиц подвергают тепловой обработке при температуре от 30 до 100^oC в течение по меньшей мере 5 мин. Эта мера также направлена на достижение более высокой плотности зарядов на отдельных частицах смеси. Последнее, по видимому, объясняется тем, что в результате тепловой обработки в указанном диапазоне температур происходит изменение поверхности частиц смеси. Таким образом поверхностную обработку можно производить химическим или тепловым способами или же при использовании их совокупности.

В соответствии с еще одной отличительной особенностью изобретения к смеси полимерных частиц добавляют органическое вещество, в частности жирную кислоту, в количестве около 10 50 мг/кг смеси. Добавление жирной кислоты предназначено для кондиционирования частиц смеси, вследствие чего при последующем трибоэлектрическом заряжении можно было достигнуть более высокой плотности зарядов на отдельных частицах смеси. Подобная обработка может быть проведена отдельно или в комплексе с химической или термической обработкой.

Было установлено, что предварительно обработанные таким образом частицы смеси при пропускании через разделитель, работающий по принципу свободного падения, создают режим напряженности поля 2 3 кВ/см.

При использовании же известного способа напряженность поля в разделителе составляет 3 4 кВ/см, что создает опасность коронного разряда, потенциально связанного с воспламенением смеси.

Собственно трибоэлектрическое заряжение смеси производят, например, в сушилке с псевдоожиженным слоем или спиральном шнеке достаточной длины или же в процессе пневматической транспортировки смеси на определенное расстояние. При трибоэлектрическом заряжении необходимо поддерживать температуру в диапазоне от 15 до 50^oC, предпочтительно 20 35^oC, и относительную влажность окружающего воздуха от 10 до 40% предпочтительно 15 20% Само по себе трибоэлектрическое заряжение частиц смеси протекает по известному механизму в процессе внутреннего соприкосновения частиц.

Приведенные ниже примеры иллюстрируют представляемый изобретением способ разделения.

На фиг. 1 3 изображены схемы примеров.

Пример 1. Разделение смеси емкостей от напитков.

Исходная смесь емкостей от напитков имеет следующий состав;
ПЭТФ 76,9
ПВХ 19,8
ПЭ 2,1
бумага/загрязнения 1,2
Смесь емкостей подают на мельницу для мелкого дробления и при добавлении воды размельчают до размера частиц менее 6 мм. Загрязненный бумагой промывной раствор сливают. Затем смесь интенсивно перемешивают в моечном устройстве, очищая таким образом от грязи и подготовленная к последующему электростатическому заряжению.

Для отделения полиолефинов /ПЭ/ смесь подают на гидроциклон. Полученную ПВХ-ПЭТ-смесь отделяют от жидкости на вибрационном сите, пропускают через центрифугу и высушивают в сушилке с псевдоожиженном слоем при температуре 70
100^oC в течение 6 мин.

В псевдоожиженном слое производят отделение последних остатков бумаги, используя для этой цели отработанный воздух, с последующим сбрасыванием их с помощью гидроциклона. Затем предварительно просушенный продукт подают в другую сушилку с псевдоожиженным слоем и выдерживают еще 3 мин при 30^oC, где и происходит заряжение.

Выходящий из сушилки продукт подают непрерывным способом на разделительную установку, состоящую из двух разделителей. Уже на предварительной стадии разделения получают концентрат, содержащий 99,4% ПЭТ. Концентрат ПВХ, содержащий 82,3% ПВХ, с помощью спирального шнека подают на стадию последующего разделения, производя заново селективное заряжение частиц пластмассовой смеси.

Заряженный концентрат разделяют в последовательно подключенной системе разделения на высокопроцентный ПВХ-концентрат, фракцию промежуточного продукта и 53%-ную ПЭТ-содержащую обогащенную фракцию. Последнюю вместе с промежуточным продуктом возвращают на стадию предварительного разделения для нового заряжения в псевдоожиженном слое.

Таким образом пластмассовую смесь удавалось разделить на ПВХ-фракцию, содержащую 99,3% ПВХ,
ПЭТ-фракцию со степенью чистоты 99,4% ПЭТ и ПЭ-фракцию со степенью чистоты 97,6% ПЭ. Выхода /абсолютные количества/ на введенное количество смеси составили,
ПЭТ 94,6
ПВХ 96,2
ПЭ 89,7
Пример 2. Разделение смеси пластмасс, состоящий из ПЭ, ПП, ПС и ПВХ. Исходная смесь использованных пластмассовых изделий содержит четыре наиболее часто применяемых типа пластмасс и имеет следующий состав,
ПЭ 45,7
ПП 20,1
ПВХ 17,5
ПС 14,9
прочие вещества в остаточных количествах 1,8
100 кг указанной смеси сначала размельчают на дробильном устройстве до размера частиц менее 6 мм. Нарезанную смесь подают на промывание и перемешивают с чистой водой. Промытую смесь подают во флотационную емкость, заполненную водой, а промывной раствор вместе с загрязнениями сбрасывают. Содержащую полиолефины легкую фракцию вычерпывают, а содержащую ПВХ и ПС тяжелую фракцию отсасывают на дне емкости. Обе фракции предварительно обезвоживают, пропуская через центрифугу.

ПП/ПЭ-фракцию подают в сушилку с псевдоожиженным слоем и сушат при температуре 80^oC в течение 6 мин. На полученный продукт распыляют смесь жирных кислот C₈-C₁₂ в количестве 50 г/т, после чего выдерживают в другой сушилке еще 3 мин при 30^oC. Выходящую из сушилки смесь подают непрерывным способом в разделитель. Полученный после первой стадии разделения промежуточный продукт возвращают непрерывным потоком во вторую сушилку с псевдоожиженным слоем.

Электростатическое разделение легкой фракции дает результаты, указанные в табл. 1.

Тяжелую фракцию подают в сушилку с псевдоожиженным слоем с последовательно подключенным холодильником и высушивают в нагретой зоне около 6 мин при 80^oC, после чего выдерживают в холодной зоне еще 3 мин при 30^oC. Электростатическое разделение с рециркуляцией промежуточного продукта дает следующие результаты, указанные в табл. 2.

Пример 3. Разделение смеси ПЭ/ПС/ПЭТ/ПВХ на отдельные компоненты.

Исходная смесь использованных пластмассовых изделий имеет следующий состав.

ПЭ 46,8
ПС 29,8
ПВХ 12,2
ПЭТ 10,1
различного рода загрязнения 1,1
100 кг этой смеси сначала полностью размельчают на дробильной мельнице до размера частиц менее 6 мм. Нарезанную массу подают на мойку и перемешивают со свежей водой. Промытую смесь загружают во флотационную емкость, заполненную отработанным едким кали с плотностью 1,2 г/см³.

Легкую фракцию, содержащую ПЭ и ПС 6 вычерпывают, а содержащую ПВХ и ПЭТ тяжелую фракцию отсасывают на дно емкости. Обе фракции предварительно обезвоживают на качающемся грохоте, после чего промывают чистой водой и отсуживали, пропуская через центрифугу, до остаточной влажности 2% Солевой раствор, образующийся при разделении по плотности и предварительном отсушивании, возвращают в цикл, добавляя в рабочий раствор едкого кали.

Фракции подводят к раздельным сушилкам с псевдоожиженным слоем, имеющим зону обогрева и соответственно зону охлаждения. В зоне нагрева материал нагревают до 80^oC, причем продолжительность нагрева составляет около 6 мин, а в последовательно подключенной зоне охлаждения обрабатывают не нагретым воздухом.

После выхода из сушилки с псевдоожиженным слоем смесь подают в разделитель, работающий по принципу свободного падения, для проведения электростатического заряжения. Образующийся промежуточный продукт возвращают в сушилку с псевдоожиженным слоем. Электростатическое разделение легкой фракции показывает результаты, указанные в табл. 3.

При электростатическом разделении тяжелой фракции были получены результаты, указанные в табл. 4.

Использование: разделение смеси полимерных частиц, состоящих из различных в химическом отношении частиц полимеров, имеющих несколько повышенный или, наоборот, несколько пониженный диапазон плотности. Сущность изобретения. Разделение проводят, по меньшей мере, в две стадии. На первой стадии полимерные частицы, имеющие различный диапазон плотностей, отделяют друг от друга по принципу разделения плотностей. Полученные фракции отделяют от разделительной жидкости. На второй стадии поверхность полученных полимерных частиц с одинаковым диапазоном плотностей дополнительно обрабатывают и после их трибоэлектрического заряжения разделяют электростатически. 13 з.п. ф-лы, 4 табл., 1 ил.

1. Способ разделения смеси полимерных частиц, состоящей из полимерных частиц различных в химическом отношении, с частично перекрывающимся и частично различающимся диапазоном плотностей, например полиэтилена, полиэтилентерефталата, полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, в несколько стадий с использованием разделения по плотности посредством разделительной жидкости и электростатического разделения, при этом разделяемая смесь измельчается, промывается и перед электросортировкой сушится, отличающийся тем, что разделение проводят по меньшей мере в две стадии, причем на первой стадии полимерные частицы, имеющие различный диапазон плотностей, отделяют друг от друга по принципу разделения плотностей, полученные фракции отделяют от разделительной жидкости, на второй стадии поверхность полученных полимерных частиц с одинаковым диапазоном плотностей дополнительно обрабатывают и после их трибоэлектрического заряжения разделяют электростатически. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотность разделительной жидкости выбирают такой, чтобы она находилась в диапазоне наибольшей разницы плотностей отдельных полимеров. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что плотность разделительной жидкости поддерживают на уровне 1,0 1,3 г/см³. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что разделительную жидкость выбирают такой, что она соответствует либо основному диапазону (pH около 11 12), либо кислотному (pH около 2 4). 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что разделительная жидкость представляет собой солевой раствор, который в качестве основного компонента содержит хлористый натрий. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что солевой раствор дополнительно включает ионы K⁺, Mg^2 +, SO24

.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученные при разделении по плотности фракции полимерных частиц предварительно обезвоживают до остаточного содержания воды менее 2%
8. Способ по пп.1 и 7, отличающийся тем, что предварительно обезвоженную полимерную смесь подвергают термообработке при 70 100^oС по крайней мере в течение 5 мин. 9. Способ по пп.1 и 8, отличающийся тем, что в полимерную смесь добавляют органическое соединение. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что органическое вещество представляет собой жирную кислоту. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что жирную кислоту добавляют в количестве 10 50 мг/кг полимерной смеси. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что трибоэлектрическое заряжение смеси полимерных частиц проводят при 15 50^oС, предпочтительно 20 - 35^oС, и при относительной влажности окружающего воздуха 10 40% предпочтительно 15 20%
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь для трибоэлектрического заряжения помещают в сушилку с псевдоожиженным слоем, или пропускают через спиральный шнек достаточной длины, или пневматическим путем подают на определенное расстояние. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделитель, работающий по принципу свободного падения, работает при напряженности поля 2 3 кВ/см.