CN113119349A - 废旧纺织品及洗衣废水中棉和微塑料分离的方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种废旧纺织品及洗衣废水中棉和微塑料分离的方法及应用，该分离方法是将待分离物置于具有梯度的磁场中进行分离回收。本发明首次提出采用梯度磁场对废旧纺织品及洗衣废水中的棉类和微塑料进行分离，利用同一梯度磁场中棉类和微塑料顺磁性或抗磁性的磁化率(或者是磁化强度)差别导致磁力大小不同，从而可以将其中的微塑料捕获，分离回收。该方法简单操作方便，不需要大型仪器设备，只需要将含有待分离物质的管路放入梯度磁场中就可实现两种组分的分离。无论是顺磁性还是抗磁性，采用本发明的方法可以快速地对废旧纺织品中棉涤组分或洗衣废水中微塑料分离回收。

Description

废旧纺织品及洗衣废水中棉和微塑料分离的方法及应用
技术领域
本发明属于分离回收技术领域，具体而言，涉及一种废旧纺织品及洗衣废水中棉和微塑料分离的方法及应用。
背景技术
废旧纺织品的回收主要有两类方法，化学法是将纺织品中的聚合物解聚成单体进行回收；物理法是将高分子溶解后进行再生回收。对于含棉纤维(纤维素)的废旧纺织品，目前占主导地位的是黏胶再生法。黏胶再生法从1904年到今天已经有100多年的历史。但是，大多数的废旧纺织品并不是由单一纤维组分组成的，这就需要在回收过程中对纺织品中的各种混纺纤维组分进行分离。对于在纺织品中最常见的棉纤维/聚酯混纺纺织品而言，若回收棉纤维素，最常用的方法是采用黏胶法先将纤维素溶解，再将不溶物滤除。也有研究尝试利用N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)溶解分离纤维素和聚酯。利用聚酯在NaOH中的选择性水解和纤维素在NMMO中的选择性溶解，将两种组分分离回收。然而这些体系存在着很多问题，比如：纤维素和聚酯的回收率低，并且在回收过程中会消耗大量化学品。回收聚酯时，往往采用高浓度的磷酸或者硫酸作为溶剂，溶解条件苛刻，而且酸溶剂会促使纤维素中的糖苷键发生水解作用，导致纤维素降解。也有研究提出了利用水解发酵技术制备纤维素乙醇，但是这类反应成本非常高，反应条件也很苛刻。传统的分离和再生方法会对环境造成污染，同时也增加了对废旧纺织品进行回收再利用的成本。因此，使用清洁高效的分离回收方法将是未来发展趋势。
2013年，Sun等人利用N-甲基咪唑硫酸氢盐([Hmim]HSO4)作为纤维素乙酰化的催化剂，将废旧纺织品中的纤维素转化为可溶于丙酮的醋酸纤维素，成功对废旧纤维素/聚酯混纺纺织品进行了分离。2019年，张军等人[ZL201510183951.1]利用离子液体的选择性溶解，实现了废旧纺织品的绿色高效回收再利用。
除了需要对废旧纺织品进行分离回收，在洗衣废水中也会产生很多颗粒较小的棉纤维及微塑料，而目前的分离方法仅仅是利用过滤的方式，由于过滤的方法无法实现不同组分的分离回收，而且过滤装置孔径较大时，虽然不会影响流速，但颗粒较小的微塑料无法截留；而当过滤装置孔径较小时，需要很大的压力才可以保持水流，大大限制了分离效率。因此目前也迫切需要出现一种快速高效的分离方法，以实现废旧纺织品和洗衣废水中棉类纤维和颗粒与微塑料的截留及分离回收。
发明内容
本发明旨在提供一种废旧纺织品及洗衣废水中棉类纤维或颗粒与微塑料分离的方法及应用，将待分离物置于具有梯度的磁场中进行分离回收。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种废旧纺织品及洗衣废水中棉和微塑料分离的方法，包括将待分离物置于具有梯度的磁场中进行分离回收。
进一步地，分离的方法包括如下步骤：对废旧纺织品进行粉碎预处理，之后分散在液态介质中，形成液态混合物，将液态混合物通入待分离管路中，将待分离管路部分或全部置于梯度磁场中；或者向所述待分离管路中通入液态介质溶液，之后再通入洗衣废水，将待分离管路部分或全部置于梯度磁场中。
进一步地，分离的方法包括如下步骤：向待分离管路中通入液态介质，对废旧纺织品进行粉碎预处理，将粉碎预处理后的废旧纺织品置于待分离管路中；以及将待分离管路部分或全部置于梯度磁场中。
进一步地，所述梯度磁场为永磁铁磁场或电磁铁磁场或超导磁体。
优选地，梯度磁场中由边缘至中心的磁场强度与梯度的乘积(B▽B)z在0～100T2/m之间。优选地，所述梯度磁场的磁场强度为0～10特斯拉(T)；优选为0～3特斯拉(T)。
更优选地，所采用的磁场为磁场强度为0～1T的永磁铁、磁场强度为0～2T的电磁铁或者磁场强度为0～10T的超导磁体。
进一步地，所述棉类为棉纤维或棉颗粒。
进一步地，所述废旧纺织品粉碎预处理后得到颗粒或碎片。优选地，所述颗粒或碎片的粒径小于2mm。
优选地，所述待分离管路的管径为0.5～10厘米。
进一步地，所述液态介质为水、醇类及顺磁性金属盐形成的混合物，其中水、醇类及顺磁性金属盐的质量比为(8～1):(0～6):(0～1)。
优选地，所述醇类可以为甲醇、乙醇或丙醇；所述顺磁性金属盐可以为MnCl2及其水合物、MnSO4及其水合物、MnI2、MnBr2、CoCl2、CoBr2、CoI2、CoSO4、GdCl3及其水合物、Gd2(SO4)3及其水合物、FeCl2及其水合物、FeBr2、FeI2、FeCl3及其水合物、Fe(NO3)3及其水合物中的一种或多种。
进一步优选地，所述液态介质为水、乙醇及MnCl2所形成的混合物。
优选地，所述液态介质的密度小于废旧纺织品或废液中棉类及微塑料成分。
进一步地，所述废旧纺织品为含有塑料成分的废旧纺织品，可以为衣着用纺织品、装饰用纺织品、工业用纺织品。
优选为棉/聚酯混纺纺织品、棉/毛/聚酯混纺纺织品。
优选地，所述洗衣废水中棉类和微塑料的粒径小于2mm。
优选地，所述微塑料为聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒、聚氨基甲酸酯颗粒和聚酰胺颗粒中的一种或多种。
更优选地，所述洗衣废水为含有颗粒≤100μm的PET聚酯颗粒与颗粒≤100μm的棉颗粒的洗衣废水。
进一步地，当液态介质中含有醇类时，其密度小于等于1g/ml；当液态介质中不含醇类时，其密度大于等于1g/ml。
进一步地，废旧纺织品为顺磁性，洗衣废水中棉类及微塑料为顺磁性或抗磁性。
根据本发明的另一方面，还提供了上述任一种废旧纺织品及洗衣废水中棉和微塑料分离回收的方法在分离含有棉类和微塑料物品中的应用。
本发明的有益效果：
本发明首次提出了采用具有梯度的磁场对废旧纺织品及洗衣废水中的棉类纤维、颗粒和微塑料进行分离。废旧纺织品中一般都是有染料的，所以一般都是顺磁性，而洗衣废水中有可能染料残留很少或者没有，此时其表现为顺磁性或者抗磁性。本发明利用同一梯度磁场中棉类和微塑料顺磁性或抗磁性的磁化率(或者是磁化强度)差别导致磁力大小不同，从而可以将其中的微塑料捕获，分离回收。该方法简单操作方便，不需要大型仪器设备，只需要将含有待分离物质的管路放入梯度磁场中就可实现两种组分的分离。无论是顺磁性还是抗磁性，采用本发明的方法可以快速地对废旧纺织品中棉涤组分或洗衣废水中微塑料分离回收。
本发明还采用粉碎预处理和加入磁性金属盐的方式提高分离效果，通过加入磁性金属盐，能够提升分离体系中各组分的磁效应，因为磁效应与本体以及本体所在的环境有关。
附图说明
图1为实施例1中利用永磁铁分离洗衣废水中顺磁性棉及聚酯成分的照片。
图2为实施例2中利用电磁铁分离废旧纺织品中顺磁性棉及聚酯成分的照片。
图3为实施例3中利用电磁铁分离洗衣废水中抗磁性棉及PET聚酯的照片。
图4为洗衣废水中棉类及聚酯成分的照片。
图5为实施例2中废旧纺织品中顺磁性棉及聚酯成分的磁性能图。
图6为实施例1中利用永磁铁分离后棉类及聚酯成分的红外图。
图7为实施例2中废旧纺织品利用电磁铁分离后棉类及聚酯成分的XRD图。
图8为实施例4中的抗磁性聚氨基甲酸酯及聚酰胺在溶液中被磁场捕获的照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
本发明提供了一种棉和微塑料分离的方法，将待分离样品置于具有梯度的磁场中进行分离回收，待分离样品可以为废旧纺织品、洗衣废水或其他包含棉纤维、颗粒和微塑料的样品。其中，废旧纺织品可以为含有塑料成分的废旧纺织品，例如可以为衣着用纺织品、装饰用纺织品、工业用纺织品等。废旧纺织品优选为棉/聚酯混纺纺织品、棉/毛/聚酯混纺纺织品。
本发明中的棉是指棉类纤维或颗粒，也可以是其他的棉类物质。洗衣废水中棉类纤维或颗粒及微塑料的重要来源为衣服上脱落的细小纤维，有染料的残留，也表现为顺磁性，有时表现为抗磁性，这正是本申请的发明人在实验中所发现的。发明人创造性地发现，对于废旧纺织品，由于染料中的显色物或者固色物含有金属成分，且染料具有良好的浸润性，废旧纺织品中会有染料的残留，染料一般会使纤维具有顺磁性，所以就变成顺磁性的棉和塑料，而洗衣废水中有可能染料残留很少或者没有，此时其表现为顺磁性或者抗磁性。
正是基于此，本申请根据棉与塑料成分的染料残留不同，染料对于塑料的浸润性要优于棉，导致棉的顺磁性比塑料成分弱，所以当通过同一梯度磁场中时，棉类颗粒或纤维能通过分离管，塑料被捕获，进而实现分离。当利用梯度磁场分离抗磁性的废旧纺织品或废水时，由于棉的抗磁性比微塑料弱，所以在同一个梯度磁场中棉能够通过而塑料不能，从而被截留捕获。
当处理的棉及微塑料为顺磁性时，仅需要利用水，不需要添加任何金属盐就能够利用梯度磁场实现快速分离。根据本发明的一个方面，本发明棉纤维和微塑料分离的方法还包括如下步骤：向待分离管路中通入液态介质；对废旧纺织品进行粉碎预处理，将粉碎预处理后的废旧纺织品置于待分离管路中；以及将待分离管路部分或全部置于梯度磁场中。
根据本发明的另一方面，用于废旧纺织品及洗衣废水中棉纤维和微塑料分离的方法还可以采用如下步骤：对废旧纺织品进行粉碎预处理，之后分散在液态介质中形成液态混合物，将液态混合物和/或洗衣废水通入待分离管路中；以及将待分离管路部分或全部置于梯度磁场中。
本发明所采用的液态介质可以为水或者水、醇类及磁性金属盐形成的混合物。加入磁性金属盐目的在于提升液态介质组分的磁效应，因为磁效应与本体以及本体所在的环境有关。而醇类的加入主要用来调节溶液的密度，醇类越多，溶液密度越小，用于沉降不同密度的棉纤维及微塑料。
根据本发明，水、醇类及顺磁性金属盐的质量比为(8～1):(0～6):(0～1)。优选地，醇类可以为甲醇、乙醇或丙醇。顺磁性金属盐可以为MnCl2及其水合物、MnSO4及其水合物、MnI2、MnBr2、CoCl2、CoBr2、CoI2、CoSO4、GdCl3及其水合物、Gd2(SO4)3及其水合物、FeCl2及其水合物、FeBr2、FeI2、FeCl3及其水合物、Fe(NO3)3及其水合物中的一种或多种。本发明中所使用的顺磁性金属盐及醇类均为无毒无害成分，能够在处理废旧纺织品及含有棉纤维及微塑料的洗衣废水的管路中循环利用。
根据本发明，当液态介质中含有醇类时，其密度小于等于1g/ml。当液态介质中不含醇类时，其密度大于等于1g/ml。进一步优选地，液态介质可以为水、乙醇及MnCl2所形成的混合物。
在本发明的一个实施例中，液态介质可以为水和MnCl2按照质量比8：1配置的溶液。在本发明的另一个实施例中，液态介质可以为水/乙醇/MnCl2按照质量比2：1：6配置的溶液。
本发明的梯度磁场中由边缘至中心的磁场强度与梯度的乘积(B▽B)Z在0～100T2/m之间。优选地，梯度磁场的磁场强度为0～10T，更优选为0～3T。进一步优选地，所采用的磁场可以为磁场强度为0～1T的永磁铁、磁场强度为0～2T的电磁铁或者磁场强度为0～10T的超导磁体。
根据本发明，废旧纺织品采用粉碎预处理，是考虑到废旧纺织品中的棉涤组分是纺织在一起的，纤维太长缠结在一起，通过粉碎打开缠结实现充分分离，分离彻底，同时也容易通入到管路中进行磁分离。洗衣废水中，一般粒径比较小，所以可以直接输入到分离管中分离。
对废旧纺织品粉碎预处理后可以得到颗粒或碎片，其中颗粒粒径小于2mm。优选地，洗衣废水中棉类和微塑料的粒径也小于2mm。采用本发明的方案可以分离微米级的颗粒，甚至可以分离含有颗粒≤100μm的PET聚酯颗粒与≤100μm棉颗粒的洗衣废水。
具体地，微塑料可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)颗粒、聚氨基甲酸酯(PU)颗粒和聚酰胺(PA)颗粒中的一种或多种。
根据本发明，液态介质的密度小于废旧纺织品或废液中棉类及微塑料成分。对于洗衣废水中抗磁性棉纤维及微塑料，由于棉纤维及微塑料比分散介质密度大，会由于重力随介质的流动下沉，当到达磁场附近时，由于本身的抗磁性的差别，导致产生不同大小的远离磁场的力，实现截留及分离。
本发明所采用的分离管路的管径可以为0.5～10厘米。其可以是两端开口的或者一端开口，如试管结构，可以竖直地将分离管路放入梯度磁场，也可以水平放入梯度磁场。在本发明的一个实施例中，梯度磁场可以是左右放置，分离管路可以竖直进入磁场。如果待分离的是水流流动的洗衣废水，分离管路也可以不竖直。洗衣废水从上端注入，棉类经梯度磁场流出后聚集在下端，塑料被截留。
本发明还提供了上述任一种废旧纺织品及洗衣废水中棉纤维和微塑料分离回收的方法在分离含有棉类和微塑料物品中的应用。
实施例1
利用永磁铁分离废旧纺织品中顺磁性棉类及聚酯成分：
对废旧纺织品进行预处理，将其粉碎为直径小于2mm的颗粒，得到预处理后的废旧纺织品。向直径0.5厘米的分离管路中通入水，之后将上述预处理过的颗粒置于管路中。将分离管路竖直地置于磁场强度与梯度的乘积(B▽B)Z为0～100T2/m之间的磁场中。
可观察到棉类成分通过磁场，而聚酯成分被磁场强度在0.4～0.5T处捕获，实现了两组分的分离，如图1所示。分离后两组分的红外图如图6所示，证明两组分成功分离。
实施例2
利用电磁铁分离废旧纺织品中顺磁性棉类及聚酯成分，该实施例中废旧纺织品中顺磁性棉及聚酯成分的磁性能如图5所示。
对废旧纺织品进行预处理，将其粉碎为直径小于2mm的颗粒，得到预处理后的废旧纺织品。将预处理后的废旧纺织品按照质量比1：10与水混合。将上述混合物置于直径1.5厘米的分离管路中。将分离管路竖直地置于磁场强度与梯度的乘积(B▽B)Z为0～100T2/m之间的磁场中。
可观察到棉成分通过磁场，聚酯成分被磁场强度在0.4～0.6T处捕获，实现两组分分离，如图2所示。分离后两组分的XRD图如图7所示，证明两组分成功分离。
实施例3
利用电磁铁分离洗衣废水中的抗磁性棉及PET聚酯
向直径1.5厘米的分离管路中通入水和MnCl2按照质量比8：1配置好的溶液，溶液密度为1.06g/ml。将含有粒径小于100μm的PET聚酯与棉颗粒的洗衣废水通入待分离管路中。其中PET聚酯颗粒密度为1.36g/cm3，棉类颗粒密度为1.40g/cm3。
调制电磁铁磁场强度与梯度的乘积(B▽B)Z在0～100T2/m之间，将分离管路置于梯度磁场中。可观察到PET聚酯成分被磁场强度在0.4～0.6T处捕获，棉类成分通过磁场，实现两组分分离，如附图3所示。
实施例4
利用电磁铁捕获抗磁性聚氨基甲酸酯
向分离管路中通入水/乙醇/MnCl2按照质量比2：1：6的比例配置好的溶液，溶液密度0.91g/ml。将含有直径小于100μm的聚氨基甲酸酯颗粒及聚酰胺颗粒的废水置于分离管路中，分离管路的直径为1.5厘米，聚氨基甲酸酯颗粒密度为1.10g/cm3，聚酰胺颗粒密度为1.12g/cm3。
调制电磁铁磁场强度与梯度的乘积(B▽B)Z在0～100T2/m之间。将分离管路置于梯度磁场中，可观察到聚氨基甲酸酯颗粒及聚酰胺颗粒被磁场强度在0.3～0.4T处捕获，如附图8所示。

Claims (10)

1.一种废旧纺织品及洗衣废水中棉和微塑料分离的方法，包括将待分离物置于具有梯度的磁场中进行分离回收。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
对所述废旧纺织品进行粉碎预处理，之后分散在液态介质中，形成液态混合物，将所述液态混合物通入待分离管路中，将所述待分离管路部分或全部置于梯度磁场中；或者
向所述待分离管路中通入液态介质溶液，之后再通入所述洗衣废水，将所述待分离管路部分或全部置于梯度磁场中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
向待分离管路中通入液态介质；
对所述废旧纺织品进行粉碎预处理，将粉碎预处理后的所述废旧纺织品置于待分离管路中；以及
将所述待分离管路部分或全部置于梯度磁场中。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述梯度磁场为永磁铁磁场或电磁铁磁场或超导磁体。优选地，梯度磁场中由边缘至中心的磁场强度与梯度的乘积(B▽B)Z在0～100T2/m之间。
优选地，所述梯度磁场的磁场强度为0～10特斯拉(T)；优选为0～3特斯拉(T)。
更优选地，所采用的磁场为磁场强度为0～1T的永磁铁、磁场强度为0～2T的电磁铁或者磁场强度为0～10T的超导磁铁。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，对所述废旧纺织品粉碎预处理后得到颗粒或碎片。优选地，所述颗粒或碎片的粒径小于2mm。
优选地，所述待分离管路的管径为0.5～10厘米。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述液态介质为水、醇类及顺磁性金属盐形成的混合物，其中水、醇类及磁性金属盐的质量比为(8～1):(0～6):(0～1)。
优选地，所述醇类可以为甲醇、乙醇或丙醇；所述顺磁性金属盐可以为顺磁性金属盐可以为MnCl2及其水合物、MnSO4及其水合物、MnI2、MnBr2、CoCl2、CoBr2、CoI2、CoSO4、GdCl3及其水合物、Gd2(SO4)3及其水合物、FeCl2及其水合物、FeBr2、FeI2、FeCl3及其水合物、Fe(NO3)3及其水合物中的一种或多种。
进一步优选地，所述液态介质为水、乙醇及MnCl2所形成的混合物。
优选地，所述混合物的密度小于废旧纺织品或废液中棉类及微塑料成分。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废旧纺织品为含有塑料成分的废旧纺织品，可以为衣着用纺织品、装饰用纺织品、工业用纺织品。
优选为棉/聚酯混纺纺织品、棉/毛/聚酯混纺纺织品。
优选地，所述洗衣废水中棉类和微塑料的粒径小于2mm。
优选地，所述微塑料为聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒、聚氨基甲酸酯颗粒和聚酰胺颗粒中的一种或多种。
更优选地，所述洗衣废水为含有颗粒≤100μm的PET聚酯颗粒与棉颗粒的洗衣废水。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述液态介质中含有醇类时，其密度小于等于1g/ml；当所述液态介质中不含醇类时，其密度大于等于1g/ml。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废旧纺织品为顺磁性，所述洗衣废水中棉纤维及微塑料为顺磁性或抗磁性。
10.权利要求1-9中任一项废旧纺织品及洗衣废水中棉纤维和微塑料分离回收的方法在分离含有棉类和微塑料物品中的应用。
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US20020153295A1 (en) * 2000-08-23 2002-10-24 Tsunehisa Kimura Method for separation of plastic mixtures based on magneto-archimedes levitation
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CN204352998U (zh) * 2014-12-18 2015-05-27 民勤县家兴节能服务有限公司 一种废旧衣物回收再利用处理的金属物分离装置
CN206285589U (zh) * 2016-11-28 2017-06-30 李经纬 一种洗衣废水的微塑料去除装置

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