CN103215832A

CN103215832A - 基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法

Info

Publication number: CN103215832A
Application number: CN2013101182182A
Authority: CN
Inventors: 李擘; 刘晓雯; 武书彬; 何俊雅; 苗苗; 李乾; 詹金森
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-04-07
Filing date: 2013-04-07
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-04-07
Also published as: CN103215832B

Abstract

本发明公开了基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法。该方法先将无菌纸包装材料剪切成小片后浸泡在盛有水溶液的容器中，并使固体材料完全浸没在液面以下，进行超声处理时间2～8小时，超声波发生器功率为200～2700W，超声波频率为25KHz～100KHz，将废纸撕碎后，与超声波预处理后的无菌纸包装材料和水的混合物一起置于碎浆机中碎浆15～40分钟；碎浆的浆料放入筛浆机中进行筛分，筛出铝塑部分，收集筛后的良浆。本发明通过超声波预处理，在同等碎浆强度和时间等条件下，能够显著提高无菌纸包装材料各部分的分离效率，充分回收纸、铝、塑各部分，提高回收材料的品质，进一步增加回收的经济效益。

Description

基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法

技术领域

本发明涉及纸包装材料分离，特别是涉及无菌纸包装中纸、铝、塑三种材料的分离，具体涉及无菌纸包装材料高效分离方法，属于废弃包装物高效回用及二次纤维回用技术领域。

背景技术

无菌纸包装是以食品专用纸板作为基料的包装系统，一般分为6～7层，由纸、聚乙烯和铝箔等复合而成，以重量百分比计，主要材料所占比例大致为纸75％、聚乙烯薄膜20％、铝箔5％。其中，纸板是主要的原材料，成分主要是高品质硫酸盐木浆，用于确保整个包装的牢固性；聚乙烯薄膜是一种常用的塑料，用于密封液体，保护产品免受外部湿气的影响；铝箔层，保护产品免受氧气、气味和光线的影响。这些材料的应用及包装的整体结构特点决定了无菌纸包装具有较高的回收再利用价值，特别是包装中的纤维具有良好的纤维形态和较高的物理强度指标，适合于抄造较高强度要求的包装用纸，如牛皮包装纸、挂面箱板纸、高强瓦楞纸，或者与办公废纸配比后用来抄制文化用纸等；而铝塑部分分离后则可以重新加工成塑料制品和铝制品。但是，由于复合包装中使用的原辅材料品种繁多，除了各种基材，还包括有黏合剂、溶剂及油墨等，并且不同产品的包装结构千变万化，造成了无菌纸包装废弃物种类杂乱，筛选难度大，而且各基材之间相互黏结强度高，采用一般方法难以分离，回收利用比较复杂，是目前无菌纸包装材料发展的颈瓶。

目前，除了少部分的无菌纸包装废料被科学的回收外，大部分的废弃包进入城市固体垃圾(MSW)流，被当做一般的生活垃圾处理，如自然降解、焚烧、填埋等简单的垃圾处理方式，其中的木浆纤维、优质塑料和工业铝箔因得不到有效回收而浪费。对于少部分被回收的废弃包，采用的处理技术主要有四种：水力再生、剥离剂、塑木技术和彩乐板技术等。其中，前两种技术分别采取水力碎浆和化学分离方式分离纸、塑、铝等各种材料；而后两种技术则采取直接将包装整体粉碎碾压的方式，重新制成塑木制品，或者再热压后制成果皮箱、公共场所休息长椅等。就此几种技术相比较，后两种的加工成本虽然较低，但是没有充分回用废弃包中的优质材料，利用等级不高，造成相当的浪费，而且从长远来看，该类制品一定使用周期之后的回用问题可能又会成为新的难题，因此适合作为过渡时期的方法，而不是长久发展的良方；前两种是采取将各材料分离的方式，处理的成本可能会高些，但是能够还原各种材料，提高回用价值，具有一定发展前景。分离处理方式存在的问题有：化学分离法一般使用强度较高的酸、碱或者有机溶剂，对包装中的各材料有一定的损伤，并且会影响到再生制品的用途，应用范围有限；而水力碎浆虽然是当前废纸循环处理最为广泛的处理方式，但是对于复合纸包装这种材料，常规的碎浆条件并不能有效分离纸和铝塑部分，通常要采取升高碎浆温度、延长碎浆时间以及加快碎浆转子转速等方法来实现，对各部分材料也会产生损伤，降低回用材料的品质。

因此，从无菌纸包装材料的分离技术着手，寻求高效、高品质还原各种材料的方法和技术，实现废弃包的资源化利用，就成为该类型纸复合包装材料回收利用发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种纤维得率高，纤维和铝塑的损伤小，适合于规模化处理的基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法，包括如下步骤：

(1)超声波预处理：将无菌纸包装材料剪切成小片后浸泡在盛有水溶液的容器中，使固体材料完全浸没在液面以下，进行超声处理2～8小时，超声波发生器功率为200～2700W，超声波频率为25KHz～100KHz，控制水溶液的pH值为4～10，温度为20～70℃；

(2)碎浆：将废纸撕碎后，与经过步骤(1)超声波预处理后的无菌纸包装材料和水的混合物一起置于碎浆机中，在温度为40～70℃、转速为200～1000rpm、浆浓为12～18％条件下碎浆15～40分钟；以绝干质量计算，无菌纸包装材料和废纸的配比为1∶4～4∶1；

(3)分离：碎浆的浆料放入筛浆机中进行筛分，筛出铝塑部分，收集筛后的纸浆。

超声处理的超声波发生器的谐振元件与容器中的水直接接触或者间接接触

进一步地，所述无菌纸包装材料剪切成小片是指剪切成边长为4～30cm²的方形和/或棱形小片。所述pH值优选通过加入盐酸、硫酸、乙酸、柠檬酸等无机酸或有机酸，以及氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸氢钠等碱调整。所述的将废纸撕碎是根据碎浆机的规模将废纸的尺寸减小到与之相适应的尺寸。所述废纸撕碎的大小优选为边长3cm²×3cm²的方形或棱形。所述废纸优选包括回收的废旧新闻纸、混合办公废纸、旧瓦楞箱板纸和旧书刊纸等。所述筛浆机的筛缝优选为0.10mm～0.20mm。

步骤(3)筛出铝塑部分后，收集筛后的纸浆为良浆。良浆是指通过筛浆机筛缝筛选后得到包括固形物和水分在内的混合物，其中固形物绝大部分为纤维，还包含有填料等其他物质成分。

本发明先利用超声波在液体中的空化效应对浸泡在水中的无菌纸包装材料进行预处理，破坏纸、铝、塑复合层之间的结合，使得各层特别是纤维层与铝塑层之间结构由紧密趋于松散；然后，采用水力碎浆的方式，将处理后的无菌纸包装与废纸按比例配比后高浓碎浆，利用纤维间的摩擦较温和的分离纸、铝、塑，碎浆条件为。碎后的纸浆放入筛浆机中进行筛选，筛出铝塑部分，收集筛后的良浆，取样烘干后计算浓度，然后得到良浆总量，除以碎浆时放入的原材料中非铝塑部分的总量(即原材料的绝干质量减去铝塑部分之差，其中铝塑部分的在无菌纸包装中的比例一般是固定的，可以事先检测得到)，得到良浆得率，铝塑部分留用。

本发明中涉及的碎浆是指通过机械转子的转动和液体存在时产生的流体作用力将废纸和无菌纸包装中的纸板分散成单根的纤维，同时将铝塑部分与纤维部分分散开的处理过程。碎浆浆浓是指所有固形物不含水分时的绝干质量占浸泡后连同水在内的混合物总质量的百分比。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1.能够使纸和铝塑之间的结构在碎浆前变得松散，由此在随后的水力碎浆处理时，纤维能够更容易、更充分地从铝塑表面剥离下来，提高无菌纸包装中高品质纤维的回收率，同时降低分离出的铝塑部分中纤维含量，提高铝塑材料纯度。

2.当超声波预处理及后续碎浆阶段的pH值都保持在中性范围时，能够避免纤维和铝受酸、碱的负面影响，从而还原出更多高品质的纤维和铝塑材料，实现废弃包装物的同质化转化。

3.能够充分发挥水力再生技术较之其他处理方法适合应用于工业化生产的优势，特别是当前超声波技术较为成熟，应用成本也较低，直接与现已广泛应用的废纸回用设备相结合，即可实现本专利所述的无菌纸包材料的高效高品质回用技术，在当前无菌纸包装市场需求量逐年增大的趋势下，为最大程度地发挥该类纸基复合包装材料的再生利用价值奠定基础，同时也减少该类型材料废弃对环境产生的危害，实现双赢目标。

具体实施方式

为了更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。除非特别说明，下面实施例中的％均为质量百分比。

实施例1

称取总量为360g(绝干质量)的利乐包和复印纸，质量比例为2∶3，将利乐包剪成3cm×3cm的方形和/或棱形小片，浸泡在2000g水中，然后进行超声波处理，超声波功率开至450W，超声波频率40KHz，温度设定为30℃，pH值为4(用盐酸调)，处理2小时，然后加入称取好的复印纸，同样也撕成3cm×3cm的方形和/或棱形小片，再一起放入碎浆机中碎浆(碎浆是指通过机械转子的转动和液体存在时产生的流体作用力将废纸和无菌纸包装中的纸板分散成单根的纤维，同时将铝塑部分与纤维部分分散开的处理过程)，碎浆条件为：温度50℃、浆浓15％(浆浓是指所有固形物不含水分时的绝干质量与浸泡后连同水在内的混合物总质量的百分比)、转速300rpm、时间20min，然后取碎后浆用平板筛筛选，筛板筛缝为0.15mm，收集筛出的铝塑部分以及筛后的良浆。良浆取样烘干后计算浆浓，得到良浆绝干质量，除以碎浆时放入的原材料中非铝塑部分的总量(即原材料的绝干质量减去铝塑部分之差，本实施例所用的无菌纸包装中铝塑部分比例占30％)，得到良浆得率。

本实施例先进行超声波预处理，然后将预处理后的无菌纸包装与废纸配比后再在实验室条件下按照工厂常用的水力碎浆条件进行碎浆，得到的纤维得率是81.13％；在实验室条件下，如果只按照此碎浆条件(即工厂常用的水力碎浆条件)不进行超声波预处理，则纤维得率为79.89％。可见增加了超声波预处理，得率提高了1.24％。如果单纯从改变碎浆条件的角度提高纤维得率，则需要加强碎浆的强度，如提高碎浆机转速或者延长碎浆时间等，这些机械作用力的增强和作用时间的增加不可避免的会对纤维和铝塑产生损伤，同时增加较多能耗。但是采用超声波预处理就可以避免这些问题。

由本实施例可以看出，酸性条件下，较低温度、较短时间的超声波预处理，具有明显提高良浆得率的作用。由本实施例的结果可以预测，工厂条件下，碎浆前面增加超声波预处理(实际生产条件下，超声波的功率应随着无菌纸包装用量的增加而相应提高)，能够相应提高纤维得率。

一般工厂的日处理量(按包括无菌纸包装和废纸在内的总绝干质量计)都在100～7、800吨之间，也有大型厂的处理能力会更高些。因此，纤维得率提高1.24％，意味着工厂每天能够多回收1.2吨到近10吨的纤维，按照市场上纸制品的价格在3000～6000元/吨计算，每天的效益可以增加3000多元到几万元，这是相当可观的。

实施例2

同样称取总量为360g(绝干质量)的利乐包和复印纸，比例为2∶3，将利乐包剪成3cm×3cm的方形和/或棱形小片，浸泡在2000g水中，然后进行超声波处理，超声波功率开至350W，超声波频率40KHz，温度设定为30℃，pH值为7，处理4h，然后加入称取好的复印纸，同样也撕成3cm×3cm的小片，再一起放入碎浆机中碎浆，碎浆条件为：温度50℃、浆浓15％、转速300rpm、时间20min，然后取碎后浆用平板筛筛分，筛板筛缝为0.15mm，收集筛出的铝塑部分以及筛后的良浆，良浆取样烘干后计算浆浓，得到良浆绝干质量，除以碎浆时放入的原材料中非铝塑部分的总量(即原材料的绝干质量减去铝塑部分之差，本实验所用的无菌纸包装中铝塑部分比例占30％)，得到良浆得率。

为了便于比较结果，本实施例以及后续的实施例都采取与实施例1中相同的碎浆条件，而将超声波预处理条件进行调整，无菌纸包装和废纸的配比等条件都不变。本实施例条件下的纤维得率为83.22％，与直接碎浆和筛分所得到的结果79.89％的纤维得率相比，提高了3.33％。本实施例中，超声波预处理的条件为中性且温度较低，对纤维和铝塑的负面影响更小，但是最终的纤维得率却提高非常明显。

由实施例2的结果可以看出，中性条件下，较低温度、处理一定时间，就算超声波功率低，都仍然能够提高良浆得率，且提高的幅度较大。对于实际生产更有意义。

实施例3

同样称取总量为360g(绝干质量)的利乐包和复印纸，比例为2∶3，将利乐包剪成3cm×3cm的方形和/或棱形小片，浸泡在2000g水中，然后进行超声波处理，超声波功率开至450W，超声波频率60KHz，温度设定为45℃，pH值为10，处理4h，然后加入称取好的复印纸，也撕成3cm×3cm的小片，一起放入碎浆机中碎浆，碎浆条件为：温度50℃、浆浓15％、转速300rpm、时间20min，然后取碎后浆用平板筛筛选，筛板筛缝为0.15mm，收集筛出的铝塑部分以及筛后的良浆，良浆取样烘干后计算浆浓，得到良浆绝干质量，除以碎浆时放入的原材料中非铝塑部分的总量(即原材料的绝干质量减去铝塑部分之差，本实施例所用的无菌纸包装中铝塑部分比例占30％)，得到良浆得率。

本实施例处理后的纤维得率为85.90％，与实验室条件下模拟实际生产的碎浆条件，但是只进行碎浆，不做超声波预处理，得到的79.89％的纤维得率相比，提高了6.01％。也就是说，如果在现有实际生产中的碎浆处理前添加超声波预处理，且预处理的条件同本实施例，则最终的纤维得率提高非常显著。

由实施例3可以看出，碱性条件下，提高处理温度、处理一定时间，且加大超声波处理功率，也能够提高纤维的得率。

实施例4

同样称取总量为360g(绝干质量)的利乐包和复印纸，比例为2∶3，将利乐包剪成3cm×3cm的方形和/或棱形小片，浸泡在2000g水中，然后进行超声波处理，超声波功率开至450W，超声波频率60KHz，温度设定为60℃，pH值为7，处理6h，然后加入称取好的复印纸，撕成3cm×3cm的小片，放入碎浆机中碎浆，碎浆条件为：温度50℃、浆浓15％、转速300rpm、时间20min，然后取碎后浆用平板筛筛选，筛板筛缝为0.15mm，收集筛出的铝塑部分以及筛后的良浆，良浆取样烘干后计算浆浓，得到良浆绝干质量，除以碎浆时放入的原材料中非铝塑部分的总量(即原材料的绝干质量减去铝塑部分之差，本实验所用的无菌纸包装中铝塑部分比例占30％)，得到良浆得率。

本实施例处理后的纤维得率为88.11％，与实验室条件下模拟实际生产的碎浆条件，但是只进行碎浆，不做超声波预处理，得到的79.89％的纤维得率相比，提高了8.22％。本实施例中超声波预处理在中性条件下进行，对于纤维和铝塑的负面影响都较小，但是效果尤其突出。也就是说将此条件的超声波预处理实施在实际生产中，可以在现有技术基础上，更进一步显著提高纤维得率。

由实施例4的结果可以看出，在中性条件下，选择适当的处理时间，提高处理温度和超声波功率，能够非常显著的提高良浆得率。提高8％以上的纤维得率对于经济效益的提高已经不容置疑，对于工厂也有足够的吸引力。

综合实施例1-4可以看出，只要在现有的水力再生处理基础上增加超声波预处理，无论预处理是在酸、碱还是中性条件下进行，都能有效提高无菌纸包装回收处理时的纤维得率，但是不同条件下的得率有所差异。考虑到对纤维、铝塑的负面影响，中性条件是较为适宜的超声波预处理条件，选择其他与之相适应的处理条件，能够将最终的纤维得率提高到较高的水平，对经济效益的增加具有相当的意义。

Claims

1.基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法，其特征在于：所述无菌纸包装材料剪切成小片是指剪切成边长为4～30cm²的方形和/或棱形小片。

3.根据权利要求1所述的基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法，其特征在于：所述pH值通过加入盐酸、硫酸、乙酸、柠檬酸、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸氢钠调节。

4.根据权利要求1所述的基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法，其特征在于：所述的将废纸撕碎是根据碎浆机的规模将废纸的尺寸减小到与之相适应的尺寸。

5.根据权利要求4所述的基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法，其特征在于：所述废纸撕碎的尺寸大小为边长3cm²×3cm²的方形或棱形。

6.根据权利要求1所述的基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法，其特征在于：所述废纸包括回收的废旧新闻纸、混合办公废纸、旧瓦楞箱板纸和旧书刊纸。

7.根据权利要求1所述的基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法，其特征在于：所述筛浆机的筛缝为0.10mm～0.20mm。

8.根据权利要求1所述的基于超声波预处理的无菌纸包装材料分离方法，其特征在于：所述浆浓是指所有固形物不含水分时的绝干质量占浸泡后连同水在内的混合物总质量的百分比。