CN107641216B - 发泡聚苯乙烯废料的回收方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种使用溶解工序和超临界CO₂萃取工序的环保发泡聚苯乙烯(EPS)废物回收方法。该回收方法可以实现通过将EPS溶解于溶剂和一种或多种添加剂中使发泡聚苯乙烯(EPS)凝聚，从而获得发泡聚苯乙烯(EPS)溶液。该回收方法还可以实现使用过滤工序和分离工序中的至少一种来纯化EPS溶液，以获得纯化的发泡聚苯乙烯(EPS)溶液。此外，该回收方法还可以实现使用超临界CO₂萃取法在纯化的发泡聚苯乙烯(EPS)溶液中从溶剂萃取聚苯乙烯，以获得回收聚苯乙烯。该回收方法实现了EPS体积的显著降低，因而节省了物流成本以及促进了回收聚苯乙烯的数量、质量和纯度的提高。

Description

发泡聚苯乙烯废料的回收方法

技术领域

本申请主要涉及一种回收发泡聚苯乙烯(expanded polystyrene,EPS)废料的方法，且更具体而言，涉及使用溶解工序和超临界二氧化碳(CO₂)萃取工序的环保、符合成本效益的EPS废料回收方法。

背景技术

发泡聚苯乙烯(EPS)是一种硬质韧性的闭孔泡沫，其具有与绝缘和包装相关的多种应用。EPS可以回收，从而获得回收的聚苯乙烯。现有的回收方法中面临着许多挑战。在回收方法中，通常EPS废料是从来源地运送到工厂场地，该工厂场地处理EPS废料以得到所需的回收的聚苯乙烯。然而，已经观察到，运送EPS废料所需的成本非常高。这是因为，EPS废料密度低且体积大，因而易于占据很大的空间，但实际含量低。在一个实例中，一个体积为1,000,000cm³的EPS块(100×100×100cm)重量只有约16公斤。因此，对于回收EPS废料，运输成本高是一个很大的障碍。

在传统回收方法中存在的另一技术挑战是将固体EPS废料转化为在如柠檬烯和异丙基甲苯的溶剂中的溶解形式所需的凝聚(浓缩，condensation)速度。当单独使用溶剂时，现有回收方法的速率不能满足现时的需求。

处理发泡聚苯乙烯废料的现有实践是通过热熔融或焚烧，其对环境有害且效率低，具体体现在例如低萃取率、高电力需求和工艺中不可避免的毒物的释放。

发明内容

在描述本方法及其步骤之前，应当理解，本申请不限定于所描述的特定方法及其步骤，因为可以有在本申请中未明确示出的多种可能的实施方式。也应理解的是，在说明书中使用的术语仅仅是为了描述特定版本或实施方式的目的，而并不意图限制本申请的范围。该发明内容既不意图确定所要求保护的主题的必要特征，也不意图用于检测或限制所要求保护的主题的范围。

公开了一种用于回收发泡聚苯乙烯(EPS)的方法，包括三种不同工序。该方法可以包括通过将EPS溶解于溶剂以及可选地一种或多种添加剂中使发泡聚苯乙烯(EPS)凝聚(浓缩，condensing)，从而获得发泡聚苯乙烯(EPS)溶液。该方法可以进一步包括使用过滤工序和分离工序中的至少一种将上述EPS溶液纯化，以获得纯化的发泡聚苯乙烯(EPS)溶液。此外，该方法可以包括使用超临界CO₂从上述纯化的发泡聚苯乙烯(EPS)溶液中萃取溶剂，以获得回收的聚苯乙烯。

在一些实施方式中，其中所述溶剂可以是包含柠檬烯、二戊烯、异丙基甲苯、苯甲醚、肉桂醛、水芹烯、沉香醇、蒎烯、萜品烯和萜品醇中至少一种的绿色有机溶剂。

本申请中，一种或多种添加剂的加入是为了加速EPS的溶解过程。在一些实施方式中，所述一种或多种添加剂选自乙醇、甲醇、异丙醇、戊烷、己烷以及它们的混合物。所述一种或多种添加剂可以包括乙醇。在一些实施方式中，所述溶剂与乙醇的体积比可以为85:15至80:20。在一些实施方式中，所述一种或多种添加剂的体积浓度的范围为1％至50％，且优选地为1％至25％。

在一些实施方式中，所述凝聚工序在范围为20℃至80℃的温度下进行。

本申请中，使用所述过滤工序纯化所述EPS溶液使得能够从所述EPS溶液除去固体污染物和/或液体污染物。使用所述分离工序纯化所述EPS溶液能够从所述EPS溶液中除去液体污染物。

在一些实施方式中，所述使用超临界CO₂从所述纯化的发泡聚苯乙烯(EPS)溶液萃取所述溶剂的步骤在预定温度、预定压力和预定气流量下进行。在一些实施方式中，所述预定温度的范围可以为40℃至80℃，所述预定压力的范围可以为5MPa至50MPa，所述预定气流量的范围为1L/h至50L/h。

而且，本申请的超临界CO₂萃取方法基于在EPS溶液中从溶剂萃取EPS，除了得到回收的聚苯乙烯之外，还能获得回收溶剂。所获得的回收溶剂还可再用作EPS凝聚中的溶剂。

参照下面的描述和所附的权利要求，将更好地理解本申请的上述以及其他的特征、方面和优点。

附图说明

如下参照附图对本申请进行详细描述。在图中，附图标记最左边的数字标识首次出现该附图标记的图。相同的附图标记在所有附图中使用，以指代相似特征和组件。

图1示出了描述根据本申请的实施方式的EPS回收方法的步骤的流程图。

图2示出了根据本申请的实施方式的用于除去污垢(固体污染物)的过滤工序。

图3示出了根据本申请的实施方式的用于除去EPS溶液中液体污染物的过滤工序。

图4示出了根据本申请的实施方式的使用超临界CO₂萃取的聚苯乙烯。

具体实施方式

现在将详细地讨论说明本专利申请的所有特征的一些实施方式，。

贯穿整个说明书的“各种实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施方式”或“一种实施方式”指的是与该实施方式相关的描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方式中。因此，说明书中各处所出现的短语“在各种实施例中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在一种实施方式中”并不一定都指的是相同的实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以以任何适合的方式结合在一个或多个实施方式中。

词语“包含(comprising)”、“具有”、“含有(containing)”和“包括(including)”以及它们的其他形式在意思上是等同的且是开放式的，即接于这些词语中任一种之后的一种或多种项目并不意味着是该一种或多种项目的详尽列举或意味着只限于所列出的一种或多种项目。

还必须注意的是，除非上下文另有明确规定，本文和所附权利要求书中所使用的单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“所述/该(the)”包括复数个指代物。虽然与本文中描述的那些类似或等同的任何系统和方法均可以用在本申请实施方式的实践或测试中，现在仍然仅描述优选的系统和方法。所公开的实施方式仅仅是本申请的示例，其可以以各种形式体现。

本申请公开了发泡聚苯乙烯(EPS)废料的环保回收方法，其解决了聚苯乙烯发泡材料的体积问题，并在减小体积后，实现了聚苯乙烯发泡材料的便利且廉价的装运。该方法在特定温度和压力下使用超临界CO₂萃取方法进行回收生产了一种高质量的纯聚苯乙烯。参照下面的图1-4进一步对于本申请的回收方法进行详细解释。

图1示出了根据本申请的实施方式的EPS回收方法的步骤的流程图。如所示的，用于发泡聚苯乙烯(EPS)废料的回收方法涉及三个步骤，包括使用溶解工序的凝聚步骤、使用过滤工序和分离工序中至少一种的纯化步骤以及使用超临界CO₂的萃取步骤。

参照图1，使用溶解工序的凝聚步骤包括在能显著溶解EPS的适合溶剂11中溶解EPS废料10，并形成EPS-溶剂的溶液12(在下文中也称为聚苯乙烯溶液)，如图1所示，从而减小了EPS废料的体积。在各种实施方式中，适合溶剂可以是包含柠檬烯、二戊烯、异丙基甲苯、苯甲醚、肉桂醛、水芹烯、沉香醇(芳樟醇，linalool)、蒎烯、萜品烯和萜品醇中至少一种的绿色有机溶剂。在一个示例性实施方式中，EPS废料10(图1示出的)溶解于柠檬烯中。必须理解的是，天然溶剂柠檬烯可以轻易地溶解EPS废料10，以将EPS废料10的体积减小到不大于EPS废料10原始体积的1/20。因此所得EPS-溶剂12(图1中示出的)从EPS废料10原始大小的体积减小超过20倍。

要注意，在上述溶解工序中的溶解速率可以通过将EPS废料10溶解在溶剂中11和一种或多种添加剂中而进一步增加。一些实施方式中，一种或多种添加剂的体积浓度的范围为约1％至约50％，且优选地为约1％至约25％。在多种实施方式中，一种或多种添加剂可以选自乙醇、甲醇、异丙醇(IPA)、戊烷、己烷以及它们的混合物。在一个示例性实施方式中，EPS废料10(图1中示出的)溶解于乙醇和柠檬烯中。必须理解的是，加入添加剂如乙醇，溶解工序的溶解速率增加超过100％，而溶解时间减少了两倍以上。添加剂如乙醇进一步降低了柠檬烯溶液的粘度，并因此改善了柠檬烯溶液对于发泡聚苯乙烯(EPS)的渗透。

必须理解的是，在溶解工序之前，溶剂11(例如柠檬烯)原本是透明清澈的并具有柠檬气味。凝聚完成后，所获得的EPS溶液是浑浊粘稠的并具有柠檬气味。据观察，通过选择正确的溶剂和添加剂，EPS废料的体积可以显著减小，并且溶解时间可被大大缩短。EPS体积显著减少还有助于运输成本的降低。要注意，上述的溶解工序可以在是室温和常压下进行。此外，溶解工序可在约2-3小时内完成，以产生EPS-溶剂溶液12，其重量的40％萃取自EPS废料。在一个实施方式中，凝聚工序在范围为约20℃至约80℃的温度下进行。

参照图1，凝聚步骤之后，下一步骤是包括用于从聚苯乙烯溶液(即图1中示出的EPS-溶剂溶液12)除去杂质的过滤工序和分离工序中至少一种的纯化步骤。在一个实施方式中，可以采用过滤工序，以从聚苯乙烯溶液除去固体污染物(固体颗粒)。此外，可以采用分离工序和/或过滤工序，以从聚苯乙烯溶液除去液体污染物(液体颗粒)。

应当理解，EPS废料10可能被污垢和液体污染，因而影响所回收的聚苯乙烯的质量。在所收集的EPS废料10比较多污垢的情况下，含有溶解在溶剂11中的EPS废料10的所得溶液(即图1中示出的EPS-溶剂溶液12)充满了污染物。这样的污染物可能无法在使用超临界CO₂的萃取步骤中萃取出来(在随后的段落中详细解释)。因此，通过萃取步骤所获得的聚苯乙烯中可能存在该污染物，从而降低聚苯乙烯的纯度。因此，通过过滤工序和分离工序中的至少一种对聚苯乙烯溶液12进行纯化步骤。

参照图2，示出了根据本申请的实施方式的使用过滤工序进行的聚苯乙烯溶液12的纯化。如图2所示，过滤工序是使用能够从聚苯乙烯溶液12除去固体污染物的适合过滤器21(例如500目筛)进行的。参照图3，示出了根据本申请的实施方式的使用过滤工序进行的聚苯乙烯溶液纯化。如图3所示，过滤工序是使用过滤器31(例如500目筛)进行的，以除去液体污染物。基于使用过滤工序和分离工序中的至少一种的聚苯乙烯溶液12的纯化，获得了纯化的聚苯乙烯溶液或处理的聚苯乙烯溶液(在图1中表示为滤液13)。滤液可以不包含或包含对由萃取步骤获得的最终回收产物聚苯乙烯的质量具有可忽略的影响的很少量的污染物，如下文详细解释的。

参照图1，纯化步骤之后，下一个步骤是使用超临界CO₂的萃取步骤，其用于将滤液13中聚苯乙烯与溶剂分离。在萃取步骤中，根据溶液中溶解的聚苯乙烯的量将滤液13置于超临界CO₂中进行约1-3小时的萃取。在特定温度和压力下，CO₂处于超临界形式，其可以溶解并从已过滤的聚苯乙烯溶液13中带走溶剂。回收的溶剂14可以重新用于EPS的凝聚。在一个实施方式中，萃取的聚苯乙烯是图4中示出的聚苯乙烯。

必须理解的是，超临界CO₂萃取工序用于从聚苯乙烯溶液中萃取溶剂。三元体系中超临界CO₂、溶剂和聚苯乙烯组分的平衡和溶解度是控制萃取工序的效率的重要因素。由于超临界CO₂中聚苯乙烯的低溶解度以及溶剂的高溶解度，超临界CO₂用作反溶剂以从溶液分离溶剂，以使萃取可行。要注意，压力和温度都是萃取工序的重要参数，其影响溶剂的溶解度，从而影响回收的聚苯乙烯的质量。

一般而言，较高的压力导致溶解度增加；当压力大于临界点时，溶解度也可能随升高的温度(例如～60℃)而提高。萃取工序的效率也由超临界CO₂的流量控制，因为CO₂密度随温度的变化而变化。超临界CO₂的高流量可以确保萃取完全被扩散限制，但不可避免地浪费了溶剂。因此，该萃取系统的效率是一种使流量最大化和同时使溶剂的耗费量最小化之间的微妙平衡。例如，在60℃和150巴(bar)下，完成从溶液中萃取聚苯乙烯大约需要一小时。萃取工序可以通过提高压力(其引起超临界CO₂中溶剂的溶解度增加)而加速。

基于该超临界CO₂萃取工序，可以在预定温度、预定压力和预定气流量下获得高质量的纯聚苯乙烯41(图4中示出的)。在一个实施方式中，预定温度的范围为约40℃至约80℃。在一个实施方式中，预定压力的范围为约5MPa至约50MPa。在一个实施方式中，预定气流量的范围为约1L/h至约50L/h。与图1中示出的原EPS废料10相比，所萃取的聚苯乙烯41(图4中示出的)具有更高的分子量和更低的聚合分布指数(PDI)。

根据本申请的一个实施方式，通过参照下面的各种实施例进一步描述了上述回收方法。

实施例1：柠檬烯作为溶剂可以溶解大量的EPS以减小其体积。例如，参照下面的表1，观察到206g EPS的体积为大约12360ml，在溶解在500ml柠檬烯(即有机溶剂11)中后，可以减小为600ml的溶剂溶液12。

表1

柠檬烯的体积	500ml
		溶解的EPS的总重量	206g
溶解于500ml柠檬烯的EPS的百分比	41.2wt％(～0.4g/mL)
		柠檬烯溶液的最终体积	600ml

在另一实施方式中，异丙基甲苯可以用作柠檬烯的替换溶剂。要注意，异丙基甲苯具有与柠檬烯相似的性质和能力。下表2示出与柠檬烯的性能相比的异丙基甲苯的性能。

表2

溶剂(20ml)	EPS的质量/g	大小	所需时间/s
				柠檬烯	0.117	1.8×1.8×1.8cm	68.7
柠檬烯	0.495	4.4×3.8×1.9cm	63.25
				异丙基甲苯	0.114	1.8×1.8×1.8cm	40.35
异丙基甲苯	0.495	4.4×3.8×1.9cm	32.35

实施例2：作为加入到溶剂的添加剂的一些化学品可以加速溶解过程。如表3中所示，当添加剂被加入到溶剂中，溶解时间可以显著缩短。

表3

对于高浓度的EPS溶液，乙醇作为添加剂对减少溶解时间是更有效的。为了平衡效率和对环境的破坏，其中乙醇被认为是最佳选择。如从下表4观察到的，在溶剂中存在20％的乙醇的情况下，溶解时间降低了3倍以上。

表4

柠檬烯含量(体积％)	乙醇含量(体积％)	所需时间/秒	时间差％
				100	0	569	0％
85	15	280	–51％
				80	20	164	–71％

为了平衡效率与对化学品的需求，溶剂:乙醇比＝85:15被视为最有效的选择，其节省了50％的所需时间。

实施例3：为了获得高质量的回收聚苯乙烯，于超临界CO₂萃取工序之前从聚苯乙烯溶液除去如污垢和其他液体的污染物是必要的。过滤工序用于除去这些污染物并纯化聚苯乙烯溶液。为了通过过滤从聚苯乙烯溶液除去污垢，如图2所示，500目过滤器21能够使固体杂质和液体杂质与溶液分离。为了从聚苯乙烯溶液除去液体污染物(例如辣椒酱和酱油)，使用500目大小的过滤器是足够的。

实施例4：高质量的回收聚苯乙烯可以通过超临界CO₂萃取工序从聚苯乙烯溶液获得。当二氧化碳在一定的温度和压力下，它处于超临界形式，可以溶解并从聚苯乙烯溶液带走溶剂。因此，留下干燥的纯聚苯乙烯作为最终回收产物(回收聚苯乙烯)。

除了干燥的纯聚苯乙烯之外，如图1所示，也可从萃取工序获得回收的溶剂14，其可以重新用于凝聚工序。

表5

表5中示出的GPC结果描绘了与原始聚苯乙烯相比，所萃取的聚苯乙烯具有更高的分子量和更低的PDI。因此，萃取工序有助于从聚苯乙烯中除去小分子和杂质，从而获到如图4中所示的高质量的回收聚苯乙烯41。

如上所讨论的示例性实施方式可提供某些优点。即使不需要实践本申请的各方面，这些优点仍可以包括由以下特征提供的那些。

一些实施方式实现了有利于EPS块大小的缩小的EPS回收方法。根据该回收方法，在溶剂的辅助下，EPS块的大小可以缩小至原始体积的1/20。

一些实施方式实现了由于体积减小而有利于运输成本降低并从而改善运输效率的EPS回收方法。

一些实施方式实现了用于增加凝聚工序速度的系统和方法。速度的增加和由此带来的凝聚工序所需时间的减少通过加入添加剂来实现，例如乙醇和IPA的添加剂有助于减少50％的所需时间。凝聚效率的改善节省了时间，并因此节省了成本。

一些实施方式实现了有利于从聚苯乙烯溶液除去固体和液体杂质EPS的回收方法，该方法最终回收得到的聚苯乙烯没有污染物和/或杂质。

虽然用于回收发泡聚苯乙烯(EPS)的工序和方法的实施方式已用特定于结构特征和/或方法的语言进行了描述，但是要理解，所附权利要求不一定限定于所述特定特征或方法。相反，所述特定特征和方法仅作为用于回收发泡聚苯乙烯(EPS)的实施方式的实例而被公开。

Claims (7)

1.一种用于回收发泡聚苯乙烯(EPS)的方法，包括：

通过将EPS溶解于溶剂和一种或多种添加剂中而使EPS凝聚，从而获得EPS溶液，所述溶剂为柠檬烯，所述添加剂选自戊烷、己烷以及它们的混合物，所述凝聚在范围为20℃至80℃的温度下进行；

使用过滤工序和分离工序中的至少一种将所述EPS溶液纯化，以获得纯化的EPS溶液；以及

使用超临界CO₂从所述纯化的EPS溶液萃取所述溶剂，以获得回收的聚苯乙烯。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述添加剂的体积浓度的范围为1％至50％。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述添加剂的体积浓度的范围为1％至25％。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述使用超临界CO₂从所述纯化的发泡聚苯乙烯(EPS)溶液萃取所述溶剂的步骤在预定温度、预定压力和预定气流量下进行。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预定温度的范围为40℃至80℃。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述预定压力的范围为5MPa至50MPa。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述预定气流量的范围为1L/h至50L/h。

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