通过具有选定密度的水性介质选择性分离废弃的碎片状有机材料同时提高其纯度的方法
阅读：1030发布：2020-06-07
专利汇可以提供通过具有选定密度的水性介质选择性分离废弃的碎片状有机材料同时提高其纯度的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及通过重质 水 性介质，对混合在一起或与各种待除去的杂质混合在一起的、具有不同 密度 的两种废弃的碎片状合成有机材料进行选择性分离同时提高其纯度的方法，其中每种水性介质具有 选定 的、为所述有机材料和杂质的分离 阈值 的密度“ds”，该方法的特征在于包括以下步骤：a)将混合物分离成两个 流体 的步骤，所述两个流体即上浮流(a1)和沉降流(a2)；b)通过去除上浮部分和收集沉降部分来分离上浮流(a1)组分的步骤，其中所述沉降部分是由可回收的第一废弃合成有机材料碎片形成的；c)通过收集上浮部分和去除沉降部分来分离沉降流(a2)组分的步骤；以及d)通过去除上浮部分和收集沉降部分来分离该上浮流组分的步骤，其中所述沉降部分是由可回收的第二废弃合成有机材料碎片形成的。，下面是通过具有选定密度的水性介质选择性分离废弃的碎片状有机材料同时提高其纯度的方法专利的具体信息内容。
1.一种通过重质水性介质来选择性分离具有不同密度的两种碎片状废弃有机合成材料同时提高其纯度的方法，所述两种碎片状废弃有机合成材料彼此混合并与多种待除去的杂质混合，并且密度小于1或大于1，其中，每种水性介质具有选定的密度“ds”，该密度“ds”为将所述有机材料和杂质分离成两个流体的分离阈值，一个流体为上浮物，另一流体发生沉淀；所述方法的特征在于包括以下步骤：
a)高密度ds(a)分离步骤，该步骤通过水性介质将混合物分离成两个流体，一个流体为上浮物(a1)，另一流体发生沉淀(a2)，其中，所述水性介质的密度ds(a)被选择为介于待分离的各有机合成材料的密度之间的中间值，优选为接近于密度最低的待分离的有机材料的密度，从而保证完全漂浮，
b)低密度ds(b)分离步骤，该步骤通过水性介质分离所述上浮流(a1)成分，其中，所述水性介质的密度ds(b)被选择为低于ds(a)，从而除去由杂质形成的上浮流(b1)并收集由待回收的第一废弃有机合成材料碎片形成的沉淀流(b2)，
c)密度高于ds(a)的高密度ds(c)分离步骤，该步骤通过水性介质分离沉淀流(a2)成分，其中，所述水性介质的密度ds(c)被选择为至少等于存在于所述流体(a2)中的有机合成材料的密度，其中，由密度为ds(c)的有机合成材料碎片以及密度在ds(a)和ds(c)之间的杂质材料形成上浮流(c1)，由密度低于ds(c)的杂质材料形成沉淀流(c2)，将该沉淀流(c2)除去，
d)低密度ds(d)分离步骤，该步骤通过水性介质分离所述上浮物(c1)，其中，所述水性介质的密度ds(d)被选择为小于ds(c)，其中，由密度在ds(a)和ds(c)之间的杂质材料形成上浮流(d1)，将该上浮流(d1)除去；由密度为ds(d)的同质废弃有机合成材料碎片形成沉淀流(d2)，收集该沉淀流(d2)以进行富集。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，当待富集的所述有机合成材料的流体的密度小于1时，所述水性分离介质由水和至少一种密度小于1的水溶性有机试剂组成，所述水溶性有机试剂例如是单羟基醇或多羟基醇，如最简单的那些：甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丁醇或乙二醇，其中，控制所述试剂的量以达到所选的为分离阈值的密度“ds”值。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于，当待富集的所述有机合成材料的流体的密度大于或等于1时，针对被选择为刚好等于1的分离阈值“ds0”，所述水性分离介质由水形成，其由水和受控量的无机水溶性化合物和/或不溶于水或在水中的溶解度低并且具有非常小的粒径而悬浮于水中的矿物化合物组成，使得能够获得所选的为分离阈值的密度“ds”值，其中，所述无机水溶性化合物例如是无机盐，所述矿物化合物例如是粘土、碳酸钙。
4.权利要求1至3中任意一项所述的方法在分离至少两种碎片状废弃有机合成材料、以及在分离所述至少两种碎片状废弃有机合成材料和夹带的杂质材料中的应用，其中这些有机合成材料为待富集的填充或非填充的聚合物和/或共聚物，并且本质上为热塑性和/或热固性的。
通过具有选定密度的水性介质选择性分离废弃的碎片状有
机材料同时提高其纯度的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及对混合物中的至少两种有机异质合成材料进行选择性分离同时提高其纯度的方法(该混合物例如是填充或非填充的聚合物和/或共聚物，其夹带有待去除的杂质或者没有夹带杂质)，从而将所述合成材料从混合物中提取出来并将其分离成纯净的同质材料，并通过特定的塑料加工方式以至少99％的纯度收集这些同质的可回收材料。
[0002] 这些填充或未填充的聚合物和/或共聚物为待回收以进行富集(upgrading)的废料，特别是废弃物，这些有机合成材料首先是通过对报废的机动车及耐用消费品进行碾磨破碎而得到的，然后将它们与可回收的金属材料分离，再与大部分杂质分离，并将这些材料在密度为1(选择为分离阈值(separation threshold))的水性介质中第一次分离成至少两个流体：
[0003] -通过密度为1的水性相获得的一个流体的分离密度小于1，可在溶液中包含适量的乙醇以使该密度降低至小于1；
[0004] -通过该水性相获得的另一流体的分离密度大于或等于1，可在溶液和/或稳定的悬浮液中包含无机可溶物或分散在水性相中的无机不可溶粉状颗粒，从而使所述密度大于1；水性介质的密度的这些变化可使有机材料从废弃材料混合物中选择性地分离出来，并分成两个流体。
[0005] 更具体而言，本发明涉及这样一种方法，该方法用于将至少两种异质有机材料的混合物(分离密度为1，夹带有杂质或者没有夹带杂质)分离成同质的、并除去它们可能夹带的杂质，该方法同时用于提高由某一流体或另一流体得到的有机材料的纯度。
[0006] 本发明最后涉及分离至少两种有机合成材料(甚至是密度非常接近的有机合成材料)的混合物的分离方法的应用，以便通过再生将有机合成材料富集。
背景技术
[0007] 观察到的技术问题
[0008] 废弃有机合成材料的选择性回收和再生越来越受到回收工业的关注。
[0009] 这些废弃的有机合成材料一般来源于报废的机动车及耐用消费品的碾磨残余物，其中，认为有多种有机合成材料(为填充或非填充的、耐火或不耐火的、掺混或非掺混的聚合物和/或共聚物)是可被富集的，条件是要将其与许多其它被视为干扰性杂质的材料分开，这些干扰性杂质例如是金属、无机物、木材和其它各种杂质(如各种来源的工业废弃物、包装废弃物等)。在待富集的废弃有机合成材料的回收工业中，实施了各种工艺以分离流体成分，这些流体成分或多或少地有污染性、或多或少地被污染、而且或多或少地含有可富集的有机合成材料，这些可富集的有机合成材料将与污染物分离、浓缩并按所存在的各种有机合成材料的同质流体的种类进行分选，所存在的有机合成材料例如是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯、聚氨酯、聚碳酸酯、丙烯酸或甲基丙烯酸共聚物等等，其中所有聚合物都可以是填充或非填充的、掺混或非掺混的、以及耐火或不耐火的。
[0010] 目前，这些已知的工艺使提取和分离待处理流体成为可能，其中待处理的流体由待富集的有机合成材料与待去除的杂质形成的混合物组成，这些流体包含：
[0011] -密度小于1的有机合成材料相，
[0012] -密度大于1或等于1的有机合成材料相，
[0013] -由例如聚乙烯或聚氨酯泡沫、废膜、线材等组成的有机合成材料相，[0014] -待去除的杂质相，其所含成分在这种分离和富集工艺中是不可富集的，这些成分例如是沙子、玻璃碎片、木头碎片、金属残渣等。
[0015] 将报废的机动车和/或其它物品碾磨后得到的所有类型的聚合物材料进行分离的工艺之一(欧洲专利EP 0918606 B)包括：在碾磨以确保将有机合成材料加工成碎片的步骤之后，优选通过形状因数(shape factor)进行机械分离，接着进行第一密度分离步骤使所有待富集的有机合成材料分成两个流体：
[0016] -一个流体的密度小于1，具体包含(例如)非填充的聚烯烃，如聚乙烯(d＝0.92-0.95)、聚丙烯(d＝约0.9)、乙烯和丙烯共聚物、乙烯和醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯橡胶(EPR)共聚物、乙烯-丙烯-二烯-单体(EPDM)共聚物、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(PU)泡沫等等，
[0017] -另一个流体的密度大于或等于1，具体包含(例如)：
[0018] --聚苯乙烯：非填充PS(d＝约1.05)
[0019] --丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物：非填充ABS(d＝约1.07)，
[0020] --聚氯乙烯：刚性非填充PVC(d＝约1.30-1.40)和填充PVC(d＝约1.40-1.55)、增塑聚氯乙烯(如增塑溶胶)和PVC泡沫，
[0022] --热塑性橡胶，其不是热固性海绵橡胶(cellular rubbers)，
[0023] --聚氨酯：填充PU(d＝约1.21)，
[0024] --填充有滑石的聚丙烯(填充有5％至40％滑石的滑石PP)，
[0025] --填充聚乙烯：(填充有2％至40％的填料的PE)，
[0026] --不饱和聚酯(d＝约1.10-1.13)，
[0027] --饱和聚酯(d≥1.20)，其是填充或未填充的(通常用玻璃纤维填充)，[0028] --聚酰胺：PA6(d＝1.13)、PA6.6(d＝1.14)、PA6.10(d＝1.08)、PA11(d＝1.04)、PA12(d＝1.02)、其是填充或未填充的，
[0029] --聚甲基丙烯酸甲酯：PMMA(d＝1.18)，
[0030] --其它。
[0031] 依次处理这两个流体以从中提取各组分、按同质流体将其分离、并根据塑料加工操作对其进行处理以制备可直接使用的配制颗粒(formulated pellet)。
[0032] 然而，为了接着制备配制颗粒而处理这两个流体以按同质流体来提取各种待富集的废弃有机合成材料，这并不能从待处理的有机合成材料的流体中精细并同质地选择混合物中存在的各种聚合物成分；也就是说，并不能提高所提取并分离得到的聚合物成分的纯度。
[0033] 在可富集的有机合成材料的混合物流体的密度小于1时，在水性介质中通过一系列分离过程处理该流体，这通过具有按照一系列逐步增加的浴密度而调节的密度的浴来实施，使得能够实现所述流体中存在的各种聚合物成分的所谓的同质选择，但是在选择后聚合物成分的纯度尚不够。
[0034] 在有机材料的混合物流体的密度大于或等于1时，各种有机合成材料在浴中进行分离的过程存在若干问题，其中，从一个浴转换到下一个浴时浴的密度规则增加，假定该密度适于该分离过程并且随着时间的流逝是稳定的，即每个浴的密度保持恒定。
[0035] 对于上述第二种流体，其由填充或非填充的聚合物和/或共聚物的混合物组成，其密度为1至约1.6，存在于混合物中的各种有机合成材料的分离是通过提高一连串的水力分离器中的密度来实现的，每个分离器中的水性分离介质由水、可溶性无机化合物(如无机盐)和/或诸如粘土(特别是皂土)的无机化合物形成，其中用到的所有这些化合物都是为了提高液相密度并使之达到能使所述各种有机合成材料分离成两个独立相的密度值，这两个独立相中的一相为上浮物，另一相沉淀于分离器底部，其中每个沉淀相形成一个新的流体并依次经过一个新的密度分离步骤而分成两个独立相，即一相为上浮物，另一相沉淀于分离器底部。
[0036] 因此，在现有技术中似乎是通过密度差异来分离混合物中的废弃聚合物材料，这是通过一系列水力分离器按两相的方式来实施的，一相为上浮物，另一相发生沉淀，从一个分离器到另一个，一个挨着一个，每个分离器中的水性介质的密度规则增加，直到每种最初存在的废弃聚合物材料都完全分离。
[0037] 专利申请US 2003/0027877公开了这样一种分离混合物中的废弃聚合物材料的方法，所述混合物包含通过将报废的耐用消费品进行碾磨而得到的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、ABS/PC合金、聚苯乙烯(PS)以及聚烯烃(PE、PP)，该方法包括：在两步碾磨粒化(6mm，然后是2mm)之后，在密度递增的水性介质中通过一组四步水力分离步骤，对混合物中的ABS和PC进行密度分离：
[0038] -第一分离步骤中的水性介质的密度为1.04，从而能够除去由聚烯烃、聚苯乙烯以及少量ABS形成的上浮部分并回收要在第二分离步骤中进行处理的沉淀部分，[0039] -第二分离步骤中的水性介质的密度为1.090，从而能够回收由第一可回收产品(由ABS和PC组成)形成的上浮部分、以及要在第三分离步骤中进行处理的沉淀部分，[0040] -第三分离步骤中的水性介质的密度为1.160，其中，除去上浮部分，并将沉淀部分送至第四分离步骤进行处理，
[0041] -第四分离步骤中的水性介质的密度为1.203，其中，回收由第二可回收产品(由ABS和PC组成)形成的上浮部分，并将沉淀部分再循环。
[0042] 然而，看来在应用中，特别是在处理待富集的废弃有机合成材料的工业组件所用的密度分离装置中，
[0043] -由于水性分离介质会被污染而发生改变，所以随着时间的流逝，所述水性分离介质并不能足够稳定而确保进行充分地选择性和同质型的密度分离，即不能将各种要分选的材料完全分离。因此，分离得到的流体可能混有多种密度彼此相近的材料，[0044] -并且分选的材料的纯度不能达到大于96％或98％。
[0046] -很难得到彼此分离并且纯度高的聚合物材料，
[0048] -液态介质的表观密度出现偏差或变化，其密度不能保持稳定在为了良好分离待富集的废弃有机合成材料而最初选定的水平，该偏差(变化)使得由重液介质(dense liquid medium)分离得到的流体的组成发生改变，
[0049] -随着时间的流逝，分散在水性介质中的、用以产生选定密度的部分无机化合物发生沉淀，该沉淀部分地发生在液态分离介质的密度开始改变的时候。
[0050] 因此，关于将待富集的废弃有机合成材料(例如是填充或未填充的聚合物和/或共聚物，并且是通过将报废的机动车及耐用消费品碾磨破碎而得到的)进行密度分离，以获得选定的分离出的材料的同质流体、而没有任何密度偏差也不存在所选材料的混合物或所选材料与杂质的混合物、并且获得高纯度的分离出的有机合成材料的流体，还存在着明显而严重的问题。
发明内容
[0051] 本发明的将待回收富集的废弃有机合成材料进行选择性密度分离同时提高其纯度的方法可克服现有技术的缺陷，同时可对前述手段做出重大改进，其中，所述待回收富集的废弃有机合成材料的密度小于1或者大于或等于1，其是通过将报废的耐用消费品(如汽车、家用电器、电子产品等)碾磨破碎而得到的。
[0052] 本发明的方法是通过重质水性介质(dense aqueous media)来选择性分离具有不同密度的两种碎片状废弃有机合成材料同时提高其纯度的方法，所述两种碎片状废弃有机合成材料彼此混合并与多种待除去的杂质混合，并且密度小于1或大于1，其中，每种水性介质具有选定的密度“ds”，该密度“ds”为将所述有机材料和杂质分离成两个流体的分离阈值，一个流体为上浮物，另一流体发生沉淀；所述方法的特征在于包括以下步骤：
[0053] a)高密度ds(a)分离步骤，该步骤通过水性介质将混合物分离成两个流体，一个流体为上浮物(a1)，另一流体发生沉淀(a2)，其中，所述水性介质的密度ds(a)被选择为介于待分离的各有机合成材料的密度之间的中间值，优选为接近于密度最低的待分离的有机材料的密度，从而保证完全漂浮，
[0054] b)低密度ds(b)分离步骤，该步骤通过水性介质分离所述上浮流(a1)成分，其中，所述水性介质的密度ds(b)被选择为低于ds(a)，从而除去由杂质形成的上浮流(b1)并收集由待回收的第一废弃有机合成材料碎片形成的沉淀流(b2)，
[0055] c)密度高于ds(a)的高密度ds(c)分离步骤，该步骤通过水性介质分离沉淀流(a2)成分，其中，所述水性介质的密度ds(c)被选择为至少等于存在于所述流体(a2)中的有机合成材料的密度，其中，由密度为ds(c)的有机合成材料碎片以及密度在ds(a)和ds(c)之间的杂质材料形成上浮流(c1)，由密度低于ds(c)的杂质材料形成沉淀流(c2)，将该沉淀流(c2)除去，
[0056] d)低密度ds(d)分离步骤，该步骤通过水性介质分离所述上浮物(c1)，其中，所述水性介质的密度ds(d)被选择为小于ds(c)，其中，由密度在ds(a)和ds(c)之间的杂质材料形成上浮流(d1)，将该上浮流(d1)除去，由密度为ds(d)的同质废弃有机合成材料碎片形成沉淀流(d2)，收集该沉淀流(d2)以进行富集。
具体实施方式
[0057] 因此，尽管现有技术的方法涉及了采用一系列水力分离器、通过密度差异按两相的方式(一相为上浮物，另一相发生沉淀)将混合物中的废弃有机合成材料分离，但是，从一个分离器转换到下一个分离器时水性分离介质的密度规律且系统地递增，直至最后阶段；而本发明方法涉及在连续分离器中的密度的变化，即高密度分离器之后是低密度分离器，该低密度分离器之后接着是高密度分离器，这样高密度分离器中的漂浮相在下一个分离器中则成为沉淀相，以此类推。
[0058] 在本发明方法中：
[0059] -将由两种废弃有机合成材料和其夹带的杂质形成的混合物进行分离的步骤(a)包括通过水性介质将所述混合物分为两个流体，所述水性介质的分离密度“dsa”为介于待分离的各有机合成材料的密度之间的中间值，并且经过选择以确保密度最低的有机材料能够漂浮：
[0060] a1)由同质有机合成材料碎片和杂质材料形成上浮流，其密度至少为等于“dsa”，[0061] a2)由同质有机合成材料碎片和杂质材料形成沉淀流，其密度大于“dsa”，[0062] -将由两种废弃有机合成材料和其夹带的杂质形成的混合物进行分离的步骤(b)包括通过采用水性介质处理从而将上浮流(a1)成分分离，所述水性介质的密度“dsb”低于“dsa”，其中，除去由密度低于“dsb”的杂质形成的上浮物(b1)，并收集由待富集的密度为“dsb”的同质有机合成材料碎片形成的沉淀(b2)以进行回收富集；
[0063] -将由两种废弃有机合成材料和其夹带的杂质形成的混合物进行分离的步骤(c)包括通过水性介质处理沉淀流(a2)以将其分离，所述水性介质的密度“dsc”大于密度“dsa”，但至少等于存在于所述沉淀流(a2)中的有机合成材料的密度，收集由密度为“dsc”的有机合成材料碎片与密度在“dsa”和“dsc”之间的杂质的混合物形成的上浮物(c1)，并除去由密度大于“dsc”的杂质形成的沉淀部分(c2)；
[0064] -将由两种废弃有机合成材料和其夹带的杂质形成的混合物进行分离的步骤(d)包括通过水性介质处理上浮流(c1)而将该上浮流分离，所述水性介质的密度“dsd”低于密度“dsc”，其中，除去由密度在“dsa”和“dsc”之间的杂质形成的上浮物(d1)，并收集由密度为“dsd”的同质有机合成材料碎片形成的沉淀部分(d2)以进行回收富集。
[0065] 本发明选择性分离待回收富集的碎片状废弃有机合成材料的混合物的方法适用于所有待富集的填充或非填充的聚合物和/或共聚物材料，其本质上是热塑性和/或热固性的。
[0066] 采用本发明的分离方法进行回收富集和分离的碎片状废弃有机合成材料的混合物在大多数情况下是通过对来自于各种废料的废弃有机合成材料进行富集处理而得到的；所述废料包括特别是报废的机动车碾磨尾料(automobile grinding tailing)、耐用消费品或其他来源的废弃物，其中多种类型的可富集的废弃有机合成材料为填充或非填充的、耐火或不耐火的、掺混或非掺混的聚合物和/或共聚物，并且已经通过至少部分分离和分离而从已知为杂质的其它材料中提取出来，所述杂质例如是木头、矿物、金属、玻璃、橡胶、聚烯烃或聚氨酯泡沫、线材、织物、废膜等等。
[0067] 接下来，要采用本发明的分离方法分离为至少两种并与其余杂质材料分开的碎片状废弃有机合成材料的混合物处于洁净和干燥的状态，以使它们不能显著改变选定的、为分离阈值的水性分离介质的密度“ds”。
[0068] 对在本发明分离方法中使用的具有选定的密度“ds”(为分离阈值)的水性分离介质加以选择，使得其能够将以下两种流体中的有机合成材料均分离出来，这两种流体分别为：所含每种材料的密度小于1的待富集的废弃有机合成材料的混合物流体、以及所含每种材料的密度大于或等于1的待富集的废弃有机合成材料的混合物流体。
[0069] 当待富集的有机合成材料的流体的密度小于1时，水性分离介质由水和至少一种密度小于1的水溶性有机试剂组成，所述水溶性有机试剂例如是单羟基醇或多羟基醇，如最简单的那些：甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丁醇、乙二醇等，其中，控制所述试剂的量以达到所选的为分离阈值的密度“ds”值。
[0070] 当待富集的有机合成材料的流体的密度大于或等于1时，针对被选择为刚好等于1的分离阈值“ds0”，所述水性分离介质由水形成，其由水和受控量的无机水溶性化合物和/或不溶于水或在水中的溶解度低并且具有非常小的粒径而悬浮于水中的矿物化合物组成，使得能够获得所选的为分离阈值的密度“ds”值，其中，所述无机水溶性化合物例如是无机盐，所述矿物化合物例如是粘土、碳酸钙。
[0071] 当废弃有机合成材料碎片为热塑性材料时，一旦将该碎片状废弃有机合成材料分离成两个没有夹带杂质的同质有机合成材料的流体，则可以按照塑料加工技术将它们以掺混或非掺混的聚合物颗粒的形式挤出，其中将这些再生颗粒引入工业操作循环中，从而将其用于机动车、家用电器和电子行业等零部件的生产。
[0072] 本发明的密度分离方法用于选择性分离至少两种有机合成材料的混合物并去除其夹带的杂质，其中所述材料是可为待回收废弃物的填充或非填充的聚合物和/或共聚物，特别是将报废的机动车及耐用消费品进行碾磨破碎而获得的那些。
[0073] 通过本发明方法，最初为混合物的两种有机合成材料在分离后，各自均能够达到99％的纯度。
[0074] 实施例
[0075] 下文中，结合以下实施例可更好地理解本发明，该实施例涉及在水性介质中以密度分离的方式分离碎片状聚乙烯和聚丙烯与待去除的杂质的混合物，其中所述混合物通过将报废车辆碾磨破碎而得到。
[0076] 采用如下方法处理2吨含有以下成分的材料：
[0077] -1.204吨的聚丙烯与填充有3％滑石的聚丙烯的混合物，其密度为0.920，即总量的60.2％，
[0078] -0.684吨聚乙烯，即总量的34.2％，
[0079] -0.056吨杂质C1，即总量的2.8％(其密度＜聚丙烯的密度)，
[0080] -0.036吨杂质C2，即总量的1.8％(其密度＞聚丙烯且＜聚乙烯)，[0081] -0.020吨杂质C3，即总量的1.0％(其密度＞聚乙烯)。即总量为2吨。
[0082] 每种杂质C1、C2、C3的性质为：
[0083] -C1由泡沫(聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯等)、木材、微孔塑料或泡沫塑料等组成，
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