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废塑料的浮选分离回收
摘要
塑料废弃物的急剧增加导致了巨大的社会和环境压力，作为减少塑料废物负面影响的有效途径，回收利用是当今塑料行业最具活力的领域之一。 泡沫浮选是一种很有前途的方法来解决回收过程的关键问题，即塑料混合物的分离。 本文回顾了近期有关塑料浮选的文献，重点介绍了与矿石浮选，策略，方法和原理，浮选设备以及当前挑战相比的特定特征。 就分离方法而言，塑料浮选分为伽玛浮选，试剂吸附，表面改性和物理调节。
- 介绍
全球塑料消费总量平均增长率为5-6％，到2015年将达到2.97亿吨（Madisonadmin，2012）。 塑料是一种非常有用的材料，可替代陶瓷，木材和金属，因为它非常实用，便宜，卫生，轻便且经济。 因此，全球塑料生产近年来急剧增长。 塑料消耗的增加主要是固体废物增加的原因，并且对管理层的影响很大。
（Derraik，2002; Al-Salem等，2009）。
塑料废物造成重大的环境问题。取决于现在，塑料废物的主要部分是填埋或焚烧，与城市固体废物一起（Al-Salem等人，2009;Subramanian，2000; Patel等，2000; Hopewell等，2009）。
由于塑料需要非常多的土地，因此占地很大很长一段时间才会退化，并且变得更加昂贵，由于塑料的体积越来越大，而且越来越少土地处置能力。焚烧塑料废物一般情况下，包括HCl气体和含有二恶英的有害排放物氯和含有铅和镉的底灰（Hopewell等，2009; Zhang等，2010）。有几个改变天然的处理塑料废物的方法，例如热解和能源回收焚烧（Achilias等，2007;
Demirbas，2004; Moslash;lgaard，1995）。热解过程需要运行能耗高，排放空气污染即使是热解塑料废物的产品具有很高的热值。焚化和能源回收需要一个复杂的设备来消除危险产品在排放到周围环境之前。在这方面，用清洁技术处理塑料废物已成为一项挑战由于环境影响而成为重要问题。
塑料材料的一个重要特征是它们可以融化并重新加工而不会有任何严重的变化物理化学性质。 以塑料废物的态度可以视为潜在的有用资源，重点在于现在塑料的处理已经改变。 塑料回收收到由于经济，社会和环境而日益受到关注原因（Al-Salem等，2009; Subramanian，2000; Patel等，2000; Hopewell等人，2009; Zhang等人，2010）。
由于它们的化学结构，不同类型的塑料不应混合在一起进行回收利用（Hopewell等人，2009; Garcia等，2007; Andricic#39;等人，2008）。主要产品与其他不同聚合物的污染，熔点或热稳定性会限制其质量再生塑料。 举例来说，PET在PVC pro-温度升高，PET的PVC污染导致不合格，产品的着色（Braun，2002; Paci和La Mantia，1999年）。 由聚合物 - 聚合物不相容性，变色和降解，导致这种混合塑料的价格相对于原始来说相对较低聚合物。 在这方面，废塑料的选择性分离是塑料回收行业最薄弱的环节。 回收利用塑料受到塑料与塑料分离困难的限制另一个。
许多方法被开发用于塑料分离，例如作为手动分离，摩擦电分离（Park等人，
2007; Hearn和Ballard，2005），重力分离（Pascoe，2006;Malcolm Richard等人，2011; Gent等，2009），选择性浮选（Shent等，1999; Fraunholcz，2004; Alter，2005）和选择性的溶解（Pappa等，2001）。 手动分离是劳动密集型的，低效率，低工作条件（Edward，2000）。 由于塑料的类似特性，摩擦静电分离和重力分离对塑料废物分离的限制显着（Shent et al。，1999; Buchan and Yarar，1996年）。 在选择性溶解的情况下，与高成本相关的有毒有机溶剂使得替代方法更具吸引力。 选择性浮选作为一种有前途的替代方案，显示出显着的优势，如成本效益和高效率（Jody等，2003）。
浮选在塑料混合物分离中的应用相对较新。 最早的研究可以追溯到20世纪70年代和启动
来自泉和泉（Izumi and Saitoh，1978; Izumi和Tanaka，1975）。有关塑料浮选的早期研究主要集中在测试抑制剂方面用于矿石浮选或优化流体动力学使用的浮选装置（Saitoh等，1976; Valdez和Wilson，1979年）。 考虑到后来的研究，利用表面处理特定的化学和物理化学性质的塑料是如临界表面张力，链条退化，试剂的吸收（Sisson，1993; Buchan和Yarar，1995;
Kobler，1993），这导致了许多不同的技术用于塑料颗粒的表面处理以实现选择性起泡在浮选中的可靠附着。
在本文中，我们讨论了塑料浮选与矿石浮选相比的特殊性，并回顾了塑料浮选技术与塑料浮选策略，塑料浮选方法和原理，浮选设备和当前的挑战。 我们将重点关注通过浮选分离塑料的实验研究。 提出了阻碍塑料浮选应用的问题。
- 塑料浮选的特点
尽管在塑料分离中使用浮选是更进一步的在矿石浮选的一个阶段，塑料浮选具有许多特殊的特征，这些特征与塑料的不同特性有关，如低密度和低表面能。 这些特征可以为塑料浮选提供一些见解，并简要介绍了塑料浮选的重要特征。
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- 塑料的性质
塑料表面的疏水性取决于与塑料性质有关的电化学性质，涉及化学组成，增塑剂，聚合度，结晶度，表面结构等（Izumi和Saitoh，1978; Rossier等人， 1999; Erbil等，2003）。 这些性能的差异被认为会影响塑料表面的疏水性。 此外，发现塑料中的添加剂会影响PVC塑料的表面性能和浮性（Wang et al。，2014）。 因此，从基础研究的角度来看，应详细研究塑料的性能和添加剂的影响。
与矿物质不相似，塑料的特性和添加剂可以很容易地从制造商处获得。 这有助于进行塑料浮选的基础研究。 但是，塑料的特性可以通过机械作用或在使用塑料产品时与其他材料接触来改变。 此外，在选择性浮选之前通常采用的先决条件步骤，包括清洗，压碎，沉降浮选分离或表面处理，会引起塑料性能的变化。
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- 塑料尺寸的减少
塑料浮选的主要用途是分离自解放和去污后切碎的塑料颗粒是分居前的先决条件。 尺寸减小涉及创建新的表面，并因此创建粉碎的颗粒表面由新的表面和原始表面组成。 新表面的比例取决于塑料样品的原始形状和尺寸以及粉碎的颗粒。
切割区域附近的共价键被打破在切碎过程中，假定在切割过程中破裂的大分子部分与许多因素有关，例如分子量，切割边缘的速度和大分子之间的相互作用力。 创建自由基将被立即氧化或反应。 由于一些亲水基团如AOH和@O可能被引入塑料表面，所以新表面的疏水性在氧化方面将小于原始表面的疏水性。因此，新表面与原始表面之间应该考虑到差异。
与矿石不同的另一点是聚合物链的重新排列，这是由表面自由能的降低驱动的。 氧化的分子部分会从表面转开，因此造成的效应通常会随时间消失，通过PC和ABS的等离子体处理来证明（Fraunholcz，2004;Stuuml;ckrad，1996; Lohr和Stuckrad，1996）。 由于表面重排，环境对聚合物的性质有重要影响（Kongtong and Ferguson，2002; Chen et al。，2002; Vaidya and Chaudhury，2002）。 样品的表面特性（如接触角和表面自由能）的表征通常仅在原始聚合物表面上进行。因此，需要系统研究以获得对粉碎效果的更可靠判断。
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- 用于分离的塑料颗粒尺寸
大多数塑料产品中的不同塑料可以比矿石更大的尺寸充分释放。 由于密度低，与矿石相比，塑料的最大粒径可以浮动。 受到浮选的塑料颗粒的大小是通常的，与矿石颗粒相比要大一个或两个数量级。矿石的颗粒大小在30-1000微米之间，而气泡直径达到1.5毫米，但塑料颗粒的尺寸通常为数毫米（Fraunholcz，1997年）。 如图所示在图1中，将形成不同的气泡颗粒聚集体在矿石浮选和塑料浮选中的配置（Shen et al。，2001）。 单个气泡能够在矿石浮选中携带多个固体颗粒。 许多气泡会附着在一个颗粒中观察到塑料浮选和聚集体，其中几个塑料颗粒通过气泡聚集在一起。
当其平均比重低于浮选介质的密度时，泡沫颗粒聚集体会浮动。 决定气泡 - 颗粒团聚体平均密度的因素是气泡的尺寸分布，气泡覆盖的颗粒表面部分，颗粒的密度和大小以及其特定的表面积。 气泡颗粒聚集体的理论密度可以表示为方程 （1）Shen等，2001。
其中rho;a是气泡 - 颗粒团聚体的密度;rho;p和Vp是
塑料颗粒的密度和体积分别为; Vb是
气泡体积; n是连接气泡的数量。
由于粒子的特定表面积取决于其形状，
可以得出结论：塑料颗粒的易流动性与颗粒形状有关。 Fraunholcz（1997）指出不同形状的塑料颗粒，例如立方体，叶片和板块表现出不同的qa。从方程（1）可以看出，直径和密度较大的塑料颗粒比小颗粒更难以浮动，正如Shen等人所证实的那样。 （2001年）和Marques和Tenoacute;rio（2000年）。减小颗粒尺寸会增加颗粒的比表面积，因此浮选所需的气泡覆盖率随颗粒大小而下降。选择性下降明显大于1毫米以下的颗粒（Stuuml;ckrad，1996）。 Vogt（1981）指出，小于约50 lm的塑料颗粒可以非选择性地与所用抑制剂的种类和数量无关。合适在工作台尺寸范围内的粒径范围可能为2.0-6.0 mm，同时应该注意的是，粒径的具体合适范围取决于浮选装置。
此外，塑料的表面粗糙度与亲水性有关，并且由于较大的颗粒尺寸应予以考虑。 Olaacute;h等人 （2005）指出表面亲水性可能会随着表面粗糙度的下降而增加。碱性溶液的碱性很低，可以稍微降低粗糙度，这是由于清洁表面污染物，但表面改性 如碱处理和臭氧处理显示会增加塑料的粗糙度（Martin等，2011; Drelich等，1998）。
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- 塑料废物的来源
产生了大量的塑料废物，它们可以被视为次要资源。总结了塑料资源与矿床之间的差异：（a）矿床的成分通常比随时间变化的塑料组成更有价值; （b）矿藏通常比塑料废物更加均匀，塑料废物的大小和组成往往是不均匀的; （c）来自矿物加工的浓缩物的特征按市场标准很好地指定，而废旧塑料的经济价值通常更为明确; （d）由于关联材料或填充物，塑料废物经常出现污染（Gente等，2003）。以上因素使得回收过程尤其是分离过程更加复杂。
尽管由于社会，经济和环境压力，二次资源的回收受到越来越多的关注，但由于以上原因，塑料废物回收利用并没有得到足够的重视。
- 塑料浮选策略
浮选技术的原理是有选择地制造，疏水表面与气泡接触。浮选分离是基于选择性附着气泡的
要分离的粒子，这需要足够的差异颗粒表面的润湿性。 如图2所示，基本上有两种方法可以用来进行分离塑料混合物（Fraunholcz，2004）。
由于固有的疏水性是绝大多数塑料的特征，有选择地改变表面特性，特定塑料从疏水性到亲水性的特性应该是在塑料浮选分离之前就已经实现了，即图2所示的前一种方法。塑料浮选中的一个主要难点在于发现塑料选择性润湿的有效方法，这种方法可以通过降低液体 - 气体表面张力（被定义为gamma; 化学调节和表面处理（Shent等人，1999; Fraunholcz，2004; Alter，2005）。这些方法的机理在第4节中给出。
大多数回收工艺从减小尺寸开始，随后进行水槽 - 燕麦分离，以从较重的塑料（ABS，PS，PET，PVC和聚碳酸酯）中分离出较轻的组分，如聚烯烃（PP和PE）和发泡树脂（PUR和膨胀PS） PCetc。），显然，泡沫浮选适用于较重塑料的分离。 由于塑料的老化，湿磨和水o分离，塑料颗粒失去了大量固有的疏水性，这可能使图2所示的后一种方法更加切实可行。
- 塑料浮选的方法和原理
Shent等人 （1999）将塑料浮选分为三组：伽玛浮选，化学调理和物理调节，但这并不严谨。 由于身体调节涉及化学反应在塑料表面上，应该被称为在引起化学反应的物理方法的情况下进行表面改性。 此外，这些方法还可以通过改变塑料的物理特性将塑料的浮选分离定义为物理调节。 因此，塑料浮选的原理可以分为：伽玛浮选，试剂的吸附，表面改性和物理性能。
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- Gamma浮选
图3显示了表示表面张力平衡的杨氏方程。 Zisman（1964）确定了cos h与临界表面张力cc的关系曲线，即一系列同源液体的表面张力，实验曲线外推到cosh = 1。交点处的横坐标值定义为临界表面张力cc。 如果在两种疏水材料的临界表面张力之间存在足够的差异，则可以通过降低液体表面张力gamma;L = G来实现选择性润湿。 在gamma;L = G的适当值时，气泡将粘附到具有较低cc值的颗粒上，而具有较高cc值的颗粒将被充分润湿以抑制气泡附着。 这种方法被称为伽玛浮选。伽玛浮选通过将液体表面张力降低到两种塑料的临界表面张力之间的值来实现。 所确定的聚合物的cc值示于表1中。
gamma;LV是液体和蒸气之间的表面张力，gamma;SL是sur-固体和液体之间的表面张力，gamma;SV表面张力在固体和蒸气之间; h是液滴的接触角在坚实的表面上。
Buchan和Yarar（1995）和Kelebek等人报道的实验结果表明， （1989）指出，降低浮选液的表面张力导致塑料混
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