CN102939166B - 不同合成材料颗粒中分离特定合成材料颗粒的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于从松散的各种合成材料块中分离微粒形式的合成材料的方法，包括如下操作：沿着包含摩擦表面的轨道输送微粒块，使微粒块从摩擦表面掉落到一电场，利用电场分离收集至少一种微粒块，其中，块在摩擦表面上以单层形式向前移动，当维持微粒以单层形式与摩擦表面接触时，摩擦表面沿其平面方向反向或者切向重复加速，用于移动摩擦表面上的块从而提高静电量，摩擦表面被相对于微粒块摩擦电特性来说具有中等程度摩擦电特性的材料覆盖，或者由这种材料制成，优选被与块中的一种待分离的材质相同的材料覆盖。

Description

不同合成材料颗粒中分离特定合成材料颗粒的方法和设备

技术领域

本发明涉及合成材料制品的再生，这些材料从以循环利用为首要目标的垃圾收集中获得。

背景技术

在现有技术中，首先将由彼此不同材料制成的物品切碎，获得平均尺寸在0.5-25mm的微粒材料，以便进行回收。

微粒材料包含各种材料的微粒组成的块（mass），为了实现重复利用，这些材料必须被分类，从而获得由同种材料微粒组成的均质体。

利用摩擦起电效应的微粒分离技术已在塑料材料分离中为人们所熟知，这个技术基于以下的现象。

通过使第一种材料的颗粒A与第二种材料的颗粒B摩擦，颗粒A和B会带相反极性的静电荷。在相同的摩擦过程中，同种类型的颗粒一点也不带电。

现有技术描述了各种摩擦起电分离不同材料颗粒的方法，方法包括：

a．塑料材料物品的未分类收集；

b．物品的清洗；

c．切碎物品，使之成为大小均匀的颗粒；

d．一次静电充电操作；

e．运送带电颗粒经过一电场。

美国专利US6,903,294公开了一种分离装置，包括通过不同类型的合成材料相互摩擦来进行静电充电的部分，第一静电分离站位于上方，至少一第二静电分离站位于较低的水平，和一分离的颗粒的收集站，其中，该站配有一转鼓式金属电极，颗粒掉落在该电极的部分区域，以及一具有相反极性的相邻电极，从而在第一电极和第二电极中形成一电场，颗粒落在第一电极，并且经过电场，根据其极性和带电量进行分离。

美国专利US6,927,354公开了用于绝缘材料颗粒充电的装置。该装置内包含一金属圆筒，颗粒在入口和出口之间传输。圆筒绕装置的轴定向旋转，这样，颗粒之间相互摩擦的同时也与圆筒壁摩擦，从而使之带静电。

圆筒下游的静电分离塔根据颗粒所带电量对其进行分离。

美国专利US5,289,922阐述了塑料材料混合物的静电分离方法。该方法使材料微粒通过一旋转的圆筒，该圆筒由金属制成或者由待分离的一种材料制成，确切的说，是由微粒混合物中数量最少的微粒材料构成。

当圆筒是由微粒混合物中数量最少的材料构成时，其任务是增加微粒混合物中数量最多的那种材料微粒的带电量。

在现有技术中，使颗粒混合物在表面前移，当它们相互接触时，就会相互以某种方式约束来摩擦，并根据它们的自身性质失去或者得到电子，从而进行静电充电。

现有技术存在许多缺陷，其中至少重要的是颗粒间的相互拖动不够也不充分均匀，不能使粒子带上优势数量的电荷。

美国专利US6,681,938公开了一种改进或增强的摩擦静电（triboelectrostatic）分离器，其具有多个出口装置，便于分离飞灰中的各个成分。

具有一定尺寸的颗粒与充电表面接触，从而使颗粒带上正电荷、负电荷或者不带电。一些颗粒带有正电荷，另一些带负电荷，还有一些颗粒不带电，这取决于它们的化学成分。

带电和不带电的粒子通过由多个导电电极或带电的百叶窗式平板组成的静电分离器，在电极或者平板之间施加高电压。

总之，已知系统不能控制各种颗粒的电荷密度，而只能是电荷的极性。

颗粒经过电场时所受的力取决于负载的电荷密度，而这又取决于经受摩擦的颗粒的质量。有时，两种不同的物质处于一定的比例以吸收相同的电荷密度，并且具有相同的极性，要将二者分开是不可能的。

发明内容

在本发明的目的是提供一种方法和一种装置，用于摩擦起电分离微粒混合物中未知比例的合成材料，克服了以上缺陷。

在本发明中，用于从微粒混合物中分离出特定材料微粒的方法，所述微粒混合物来源于切碎未分类的垃圾收集中的不同合成材料制品，一般包括如下步骤：

将合成材料制品之后，切碎和干燥，颗粒块M通过与一摩擦表面摩擦而进行静电充电，该摩擦表面由存在于颗粒混合物中的一种材料组成。

颗粒物（graniles）维持的与摩擦表面接触的作用力大于重力。

通过这种方式充电的颗粒块遇到一个电场，导致分离成三堆微粒，第一堆微粒材料与摩擦表面的组成材质相同，没有偏离电场；第二堆颗粒带负电荷，向电场的正极偏移；以及第三堆颗粒带正电而向电场的负极偏移。

用颗粒混合物中的一种材料构成摩擦表面，将带正电荷的材料重复进行上述操作，并且收集没有在电场中偏移的微粒堆。

使用由其中一种材料构成的摩擦表面，将带负电荷的材料重复进行上述操作，并且收集没有在电场中偏移的微粒堆。每一次用其中一种待分离材料构成摩擦表面，将余下的带正电或负电的材料进行上述操作，直至残余的材料数量减少到分离目的的微量为止。例如，如果最初的微粒块M由在摩擦电序中确定的7种材料组成，即M1（负电）-M7（正电），该块在由M1材料构成的摩擦表面上进行处理，从而使M1同M2-M7分离。

连续用同样的方法操作，使用由M2材料构成的摩擦表面，使M2同M3-M7分离；使用由M3材料构成的摩擦表面来使M3同M4-M7分离；使用由M4材料构成的摩擦表面来使M4同M5-M7分离；使用由M5构成的表面来使M5同M6-M7；使用M6构成的摩擦表面来使M6同M7分离。

一个不同的分离上述7种材料方案包括：首先使用M4材料制成摩擦表面来获得一个由M1、M2和M3组成的材料堆和一个由M5、M6和M7组成的材料堆，以及M4材料堆。

通过使用由材料M2制成的摩擦表面来处理由M1、M2和M3组成的材料堆，可获得3个材料堆，每一堆由单一的材料组成；通过使用M6构成的摩擦表面能获得相似的结果，分别为M5、M6和M7材料堆。

在这种方法的启用以及上述例子中，在摩擦起电阶段，笼罩颗粒的空气必须具备一定的条件，至少应该控制湿度。

如果要阻止带电粒子向空气放电，空气的湿度必须控制在30%以下。

而且，减小湿度能增强电枢之间的电场水平而不会发生放电现象。

测试中曾经出现过在高度潮湿环境中，塑料在不同时间放电：如果两种不同材料通过与充电表面摩擦而带上相似电量，在某些情况下，可能引入一个潮湿控制站用来使那些对潮湿敏感的材料进行放电，从而在接下来的穿过电枢环节中分离剩余的材料。

迄今，已参考了被选择用于摩擦表面材料作为与微粒材料相同的材料，所述微粒材料为从微粒块待分离的微粒。

然而，显而易见的是，当材料块中只含有两种材料的微粒，特别地，但不完全是，相对于待分离的两种材料，被选择用于摩擦表面的材料可以是具有中等程度摩擦电性质的材料。

根据本发明，启动上述方法的装置包括在摩擦表面上布置并推动微粒块向前移动的构件。

该装置还包括用于使微粒具有一大于重力的力来维持与摩擦表面作用的构件。

微粒块在必要时应尽可能薄一些，以便减小微粒之间的相互摩擦，优选单层微粒。

提供使摩擦表面重复反向加速的构件，其有一组件位于表面的平面上，用来加强单层微粒与表面的摩擦活动。

提供一电场位于轨道中的摩擦表面下游，颗粒离开表面后进入电场。

电场是由于两相对的电枢之间的电压不同而产生的。

电枢表面呈扁平或圆锥形结构，该表面应优选发散结构，以防止脱离两电枢之间电场的颗粒在电枢表面跳动。

随着两电枢之间的相互距离增加，电场强度减弱，为了最大限度增加电场强度以及因其产生的作用在颗粒上的偏向力，优选的解决方案是将电枢对连续排列在颗粒轨道上，电枢面对面设置，其特征在于电枢对的电势差逐渐增大。

附图说明

下面借助通过非限制性示例方式给出本发明的各种实施例以及附图对本发明进行详细描述，显现出本发明的优势和特点。

图1示意性地示出了根据摩擦表面的性质得出的各种材料的电荷密度和极性；

图2示意性地示出了本发明的第一实施例；

图3是图2的III-III截面图；

图4示意性地示出了本发明的第二实施例；

图5示意性地示出了本发明的第三实施例；

图6是图5的VI-VI截面图；

图7是图5的VII-VII截面图；

图8示意性地示出了本发明的第四实施例；

图9示意性地示出了发明的第五实施例；

图10示意性地示出了本发明的第六实施例。

具体实施方式

图1列出了假定各种不同材料颗粒与不同材料表面摩擦后所带电荷密度和极性的顺序。

在该图中，各种材料由如下字母表示：

a.PTFE（聚四氟乙烯）

b.PVC（聚氯乙烯）

c.PP（聚丙烯）

d.HDPE（高密度聚乙烯）

e.PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）

f.PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）。

该图显示了一种特定的材料颗粒在与相同材料构成的摩擦表面摩擦时，颗粒往往很少或根本不充电。

而其他颗粒与相同的摩擦表面摩擦时，根据它们的摩擦电序不同而带上正电或负电荷。

以HDPE制成构成的摩擦表面为例，PET和PMMA颗粒带正电，并且PMMA的电荷密度明显高于PET。

另一方面，通过与HDPE材料表面摩擦，PP、PVC和PTFE颗粒带负电，并且电荷密度逐渐增大。

图2和图3描述了本发明的第一种驱动方式。

据图所示，基底1支承在轴3上旋转的截顶圆锥状（truncoconical）接收容器2。

接收容器2覆盖一层与微粒块中一种待分离的微粒材质相同的材料。

特别地，接收容器2的底部由一楔入到非圆形齿轮32的轴上的轴销31支撑，齿轮32和一具有反对称外形的类似齿轮33啮合，开始通过基底传送电动机34的匀速圆周运动。

通过这种方式，齿轮32做非匀速圆周运动，在每一次循环的特征为至少一次加速和一次相应的减速。

基底1支撑一固定的盖4，其与接收容器2平行且等距。

盖4具有一轴向的垂直的中心导管41，通过它引入待分离的材料以粒子的形式。

沿着中心导管41嵌入一个颗粒流计量器或调节器40。

导管41的底部有一输送铲42，其中输送铲42将掉落在外围的材料推送到接收容器2的中心。

基底1包括两个同轴的截顶圆锥状表面51和52，其定义了一往下逐渐增大的空间53，并且覆在三个同轴的收集室61、62和63上。

截顶圆锥状表面51和52沿轴向均包含三个部分，分别为511、512和513以及521、522和523，这些部分由导电材料制成构成，并相互绝缘，对其施加电压的方法在此不做阐述。

为了使沿材料轨道的电枢之间的电场最大化，电枢对511/521，512/522和513/523之间的电压差异是连续的。

壁22和44被包含在接收容器2的上边缘和盖4的上边缘之间，它们在空间53中输送材料。

表面电荷中和装置6沿盖4的母面设置。

由调节构件9传送的空气流促进了材料从材料收集室61、62和63向中心管41的流动，便于材料进入。

调节构件的任务是至少控制空气中的湿度，使其维持在30%以下。

图4阐述了本发明的第二个实施例，其中与第一个实施例相同的部分用与图2和图3相同的数字标示。

两个实施例唯一不同的是在第二实施例（图4）中，支撑接收容器2的销31是直接楔入电动机340的转子上，其包含用于传递运动的机械或电子构件。

图5至7阐述了本发明的第三个实施例。如图所示，提供一漏斗100，配备具有一遮板构件121的出口嘴102。

遮板构件121使微粒的无序流落入结构210中，该结构能引导在圆柱/圆锥管300内的微粒流。该管300可自由旋转，并由合适的轴承301支承。

管300在垂直平面内具有倾斜的轴，便于微粒依靠重力向前移动。

管300与机械构件400相连，机械构件400设置成绕轴旋转，在一个循环中其速度是变化的。

在此例中，该构件400包括一壳体，两个相互啮合的齿轮402和403在其中自由旋转。

齿轮402和403相对于另一个齿轮的轮廓以及相对于各自旋转轴呈现出反对称的轮廓，这样当它们朝相反方向旋转时，二者仍保持啮合并可在每一个循环中具有变化的传动比（transmissionratio）。

两个齿轮中的一个，更准确地说齿轮402，与楔入在旋转轴上的电动机421相连，该电动机使轴匀速旋转，速度在100弧度/秒至500弧度/秒之间，优选300弧度/秒。

与第一个齿轮啮合的另一个齿轮403被带动以与齿轮402相同的平均角速度做圆周运动，但是在每一个循环中是变化的，且每一个循环中至少有一次剧烈的加速运动和一次相应的减速运动。

管300在与旋转轴同轴的位置被固定在齿轮403上，因此做非匀速圆周运动。颗粒在管内做匀速旋转，速度与管300的平均速度相同：离心力决定了颗粒撞击墙壁的破碎的力，提高摩擦充电效率，保证颗粒在管内表面分布均匀。管子的角加速度和减速度决定了管壁和颗粒之间的相对牵引力。除了促进颗粒前移，锥形管能保证了颗粒在穿过管子的整个过程中维持薄层状态。

在管300内可以放置至少一个电极，该电极由石墨制成并接地，在具有颗粒的接触表面上受到保护。

底层电结构置于圆筒300的下游，包括两个同轴的电极，分别是正极410和负极420，二者之间有维持一电势差，以使他们之间的最大电场强度在100kV/m和1000kV/m之间，优选400kV/m。

为了最大化电场，每个电极及与之相对的电极可由至少两个连续的电极组成，每一对相对的电极之间的电势差沿材料前进方向逐渐增大。

这样，两电极之间形成一电场，微粒块因与管300内表面摩擦而带电并在电场中通过自由落体进行传输。

在下落过程中，带负电的微粒向正电极偏移，而带正电的微粒向负电极偏移，不带电或几乎不带电的微粒基本上没有偏移并沿垂直轨道下落。

因此形成三个堆500、501和502，它们收集了带上述特定电荷的微粒。

管300的长度在800至1500mm之间，在阐述的例子中为1000mm，而内部直径为150至400mm之间，例子中为300mm。

管300的平均角速度在100-500弧度/秒，优选300弧度/秒。

通过构件209使环境湿度维持在至少30%以下，从而使整个过程发生在一个条件适合的环境中。

图8描述了本发明的第四个实施例，其包括一漏斗500，其中放置了事先经过清洗和干燥的不同材料的微粒块，各物质比例不确定。

漏斗500包括一细小出口嘴502，其形状使微粒由于重力而一连串下落，微粒高度略大于漏斗中微粒的最大尺寸。

出口嘴502设有遮板构件和闭合构件521，其类型已知，在此不作详述。

从嘴502掉落的微粒被表面503接收，表面503的形状设置成具有一平底503的斜槽530。

斜槽530倾斜以便于微粒由于重力向前移动。

这样支撑斜槽有助于其在平底503的平面上摆动，方向与斜槽的轴重合，这样，微粒倾向于以单层形式排列在平底上，相邻微粒间的相互摩擦因而减少，而单个微粒与斜槽底部的摩擦增加。

在上述例子中，斜槽由板簧532支撑，并与构件533相连，以便传送振动而导致在相反方向的急剧加速。

至少一个电极534被固定在斜槽530上并接地，用来中和石墨所带电荷。

电极沿斜槽530进行往复运动。

振动是为了增加在斜槽基底上的微粒的摩擦，增加微粒的电荷密度。

例如，构件533由一旋转质量（rotary-mass）振荡器组成，将会在斜槽上产生0.1-5mm的振荡，时间为0.01-1秒。

在上述例子中，斜槽530的轴长为3000mm，有利地，可包含长度1000-10000mm。

斜槽530的基底的宽度为1000mm，有利地，可包含宽度为500-2000mm。

斜槽基底相对于水平面的倾斜度可以调节。

口502的遮板构件531可以调节，从而使下落微粒的数量在100kg/h和1000kg/h之间。

设置斜槽530的下游末端位置，使其覆盖包含两极化电极的电结构，分别为正电极541和负电极542，二者之间保持一电势差，以决定它们之间的最大电场强度在100-1000kV/m之间，优选400kV/m。

因此，两电极之间便形成一电场，通过与斜槽530的表面503摩擦而带电的微粒块在该电场中通过重力进行运输。

在这个下落过程中，带负电微粒偏向正电极541，带正电微粒偏向负电极542，不带电或几乎不带电的微粒基本上没有偏移，而沿着轨道垂直下落。

于是形成三个微粒堆550、551和552，对上述带特定电荷的微粒进行收集。

在这个例子中，通过设备561对发生的整个过程的环境进行控制。

上述例子中的设备处理能力为100÷1000kg/h。

在图9所述的实施例中，摩擦表面901呈向外展开的圆锥形状，像一个凹形圆盘。

它由一个位于中心的轴902支撑。

轴902可以自由旋转，与主体903相关联，主体903通过弹性构件如弹性体弹簧905与基底904相连。

两个旋转质量（rotating-mass）设备906被固定在主体903上，并在摩擦表面901上传送所需的加速度。

在这个例子中，也提供了调节构件907和颗粒流调整装置940。

参考图10，其涉及到本发明的第六个实施例，包括一漏斗600，其中放置了事先经过清洗和干燥的不同材料微粒块，各物质比例不确定。

漏斗600包含一细小出口嘴602，其形状使微粒由于重力而一连串下落，这些微粒的高度略大于漏斗中微粒的最大尺寸。

出口嘴602设有遮板构件和闭合构件621，其类型已知，在此不作详述。

从嘴602掉落的微粒被由传送带603组成的表面接收，该表面被一种合成材料覆盖。

另外一覆盖有海绵状弹性体材料的带613覆盖在传送带603上，其通过合适的推力辊614与传送带603保持挤压状态。

带613以不同的速度移向传送带603。

构件616用于分离一直粘附在带613上的颗粒，以及设备615和605用于中和电荷。

设置传送带603的末端位置使其覆盖包含有两个电极的电结构，分别为正电极641和负电极642，二者之间保持一电势差，以确定它们之间的最大电场强度在100-1000kV/m之间，优选400kv/m。

因此，两电极之间便产生一电场，微粒块在电场间通过与带603摩擦而充电。

在下落过程中，带负电微粒偏向正电极641，带正电微粒偏向负电极642，不带电或几乎不带电的微粒基本上没有偏移，沿着轨道垂直下落。

于是形成三个微粒堆650、651和652，对上述带特定电荷的粒子进行收集。

在这个例子中，通过设备661对发生的整个过程的环境进行了控制。

可以从以下例子中得到进一步的说明。

例1-与图8的设备有关。

在漏斗500中放入由未知比例微粒组成的微粒块，单独地由以下材料组成：PMMA、PTFE、PET、PVC。

若分离PVC微粒块，则用由PVC材料实现或覆盖的斜槽基底503组成的摩擦表面。

这样，PVC微粒在与斜槽摩擦时不会带电。

在电场区域下游获得三个微粒堆，分别是处于中心的只有PVC材料微粒落下的堆550、在负电极下面的落下的PMMA和PET微粒堆55，以及掉落在正电极下方的PTFE微粒堆552。

例2-与图5至图7的设备有关。

漏斗100中的微粒块包括PVC、PP和PTFE颗粒。

若要分离PVC颗粒，管300由PVC材料覆盖，则可获得在电场中不会出现偏移的由单一材料PVC组成的微粒堆501。

本发明并不局限于所描述的实施例，所有根据本发明精神所做的改动和改进均应属于本发明的保护范围。

Claims (24)

1.一种用于从松散的各种合成材料块中分离微粒形式的合成材料的方法，包括如下操作：沿着包含一摩擦表面的轨道输送微粒块，使微粒块从摩擦表面掉落到一电场，利用电场分离收集至少一种微粒块，其特征在于：所述微粒块在所述摩擦表面上以单层形式向前移动，当维持微粒以单层形式与所述摩擦表面接触时，所述摩擦表面沿其平面方向反向或者切向重复加速，用于移动摩擦表面上的所述微粒块从而提高静电量，所述摩擦表面被相对于所述微粒块摩擦电特性来说具有中等程度摩擦电特性的材料覆盖，或者由这种材料构成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述摩擦表面被与所述微粒块中的一种待分离的材质相同的材料覆盖。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微粒块通过一大于重力的力保持与所述摩擦表面相互挤压。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述微粒通过离心力与所述摩擦表面相互挤压。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法在温度和湿度受到控制的环境中实施，湿度不高于30％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在对合成材料微粒块进行静电充电动作前，所述方法包含消去单种微粒的静电的操作。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：可以对所述摩擦表面进行电中和。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在电场中偏移的微粒块通过与存在于所述微粒块中的其中一种材料构成的摩擦表面相互摩擦，进行进一步充电，随后它们被送入一电场，从而分离与所述摩擦表面材质相同的微粒块。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法被重复的次数不大于微粒块种类数减1的数量。

10.一种实施权利要求1到9中任一项所述方法的装置，其特征在于：包括沿包含一摩擦表面的轨道传送微粒块的传输构件，所述微粒块在所述摩擦平面上通过摩擦以单层形式前移，使摩擦表面重复反向加速的构件和位于所述摩擦表面下游的产生电场的构件，所述微粒块横穿通过所述电场，以及收集至少不被所述电场偏移的微粒的构件。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：将传输构件设计成具有一平底的斜槽，所述传输构件局限在所述平底的一平面内运动。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：传输构件被设计成一旋转管。

13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：传输构件被设计成一传送带，其上覆有一压力传输机，所述压力传输机具有一柔软表面，以不同的速度移向所述传送带。

14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：传输构件由相对于待分离的材料的摩擦电特性来说具有中等程度摩擦电特性的材料包覆或者构成。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：传输构件由与一种从微粒块中待分离的微粒的材质相同的材料制成。

16.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：传输构件为所述微粒块的微粒提供一牵引表面。

17.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：在所述摩擦表面内或与所述摩擦表面相切的平面内加速。

18.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：施加加速度的构件是一旋转质量振荡器。

19.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：使摩擦表面重复反向加速的构件包括一个机械变速器，使摩擦表面以相同的平均角速度旋转，并且在每单个循环中，其瞬间角速度是循环变化的。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于：所述机械变速器包括相互啮合的两个非圆形的齿轮，具有偏心旋转轴和相对于旋转轴线的一反对称外形。

21.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：产生电场的构件位于所述摩擦表面的下游，并包括至少一对面对面的由具有不同电压的两个相反电极组成的表面。

22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于：每对所述表面在材料的前移方向分开。

23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于：所述装置包括至少两对相对表面，每对电极之间的电势能沿材料前进方向增加。

24.根据权利要求22所述的装置，其特征在于：每对所述两个表面之间的整体电场强度介于100-1000kV/m之间。