CN113134921A - 一种塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，包括用于盛放介质溶液的分离箱；还包括送料机构和设于送料机构与分离箱之间的轴向充磁环形磁铁组；送料机构包括出料端穿过环形磁铁组并与分离箱连通的送料通道以及滑动设置在送料通道内并能将送料通道内的物料推送至分离箱的摆锤；送料通道的出料端端面与环形磁铁组中轴线方向垂直；摆锤的推料端端面为与出料端端面一致的型面结构；出料端端面的中心靠近或位于环形磁铁组的中轴线。本发明的自动化分离装置分离精准度高，分离回收率高，单次分离量大，并能够分离多种塑料废弃物的混合物，大大提高了工作效率，降低了分离成本。

Description

一种塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置

技术领域

本发明属于塑料废弃物分离技术领域，具体涉及一种塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置。

背景技术

塑料因其具有易塑形，质量轻，疲劳强度高，抗腐蚀等多种优势在日常生活和工业生产中得到广泛应用，但也因此产生了大量塑料废弃物。同时，塑料废弃物通常具有混合度高，种类繁杂，数量大等特点，难以进行合理高效的回收利用。对塑料废弃物的分离成本过高、分离效率低等式塑料废弃物回收的主要难点。

为了对应对不同的塑料分离回收，目前讨论较多的主要有泡沫分离法、水力旋流器分离和静电分离法等。泡沫浮选法对颗粒的直径要求较高，一般用于分离微粒。水力旋流器法只能同时分离两种密度不同的物质。静电分离法是使用高压电使塑料废弃物携带极性相反的电荷，再通过电场对其进行分离。以上三种方法适用的颗粒粒径都相对较小，并且有些还需要一些复杂的预处理，需要额外的能源成本，同时分离塑料的数量与种类十分有限，难以很好地应对工业应用情况。

申请号为201810463642.3的专利公开了一种基于磁-阿基米德的塑料废弃物动态分离装置及方法，包括分离箱、磁铁和样品投放道；塑料废弃物经样品投放道进入分离箱内，在磁铁水平斥力、塑料废弃物自身重力及分离箱内介质溶液的浮力三重作用下，将塑料废弃物分离开来。该装置能够分离多种塑料混合废弃物，且操作简单，成本低。

但上述分离装置单次分离量较少，当分离量较多时，样品投放道内所有废弃物受磁铁水平斥力的起始移动点不同，造成分离精准度降低，不能满足大批量塑料废弃物的分离需要。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，可以实现多种塑料废弃物颗粒的自动化分离。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，包括用于盛放介质溶液的分离箱；

还包括送料机构和设于所述送料机构与分离箱之间的轴向充磁环形磁铁组；

所述送料机构包括出料端穿过所述环形磁铁组并与所述分离箱连通的送料通道以及滑动设置在送料通道内并能将所述送料通道内的物料推送至所述分离箱的摆锤；

所述送料通道的出料端端面与环形磁铁组中轴线方向垂直；所述摆锤的推料端端面为与出料端端面一致的型面结构；

所述出料端端面的中心靠近或位于所述环形磁铁组的中轴线。

上述自动化分离装置中，分离箱由透明材质制成，其内装有顺磁介质溶液(该介质溶液的密度根据待分离塑料废弃物的密度范围而定)；设于送料机构和分离箱之间的环形磁铁组用于提供磁场环境；送料机构用于将待分离塑料废弃物推送至分离箱内进行分离。

上述自动化分离装置的原理为：待分离塑料废弃物由送料通道进料端放入，摆锤在送料通道内滑动，将该塑料废弃物推动至分离箱内；塑料废弃物在分离箱内，在自身重力和介质溶液浮力两种力的综合作用下向上(塑料废弃物密度小于介质溶液的密度)或向下(塑料废弃物密度大于介质溶液的密度)移动，当塑料废弃物向上或向下移动至环形磁铁组磁场作用力所覆盖的水平区域内时，环形磁铁组会向塑料废弃物施加沿其中轴线方向的斥力，并向远离环形磁铁组的方向移动；由此，不同种类的塑料废弃物在环形磁铁组斥力以及自身重力与介质溶液浮力差的共同作用下，向远离环形磁铁组和靠近所述分离箱内壁方向作抛物运动，形成不同轨迹的投射曲线，从而实现多种塑料废弃物的分离。

上述自动化分离装置中，所述送料通道的出料端端面与环形磁铁组中轴线方向垂直；所述摆锤的推料端端面为与出料端端面一致的型面结构；使摆锤将塑料废弃物推离送料通道时，塑料废弃物的起点相同，提高分离的精准度，有效增加单次分离量，提高工作效率。

上述自动化分离装置中，所述出料端端面的中心靠近或位于所述环形磁铁组的中轴线设置，是为了保证塑料废弃物在离开送料通道时均不受环形磁铁组的斥力，保证所有塑料废弃物作抛物运动的起点相同，进一步提高分离精准度。

上述自动化分离装置中，采用环形磁铁是为了利用环形磁铁磁场分布均匀的特性，使塑料废弃物所受环形磁铁组的斥力相同，提高分离效果。设置环形磁铁组以弥补单个环形磁铁磁场因其中间的空洞而被大幅削减的问题。分离箱内的介质溶液为顺磁介质溶液。环形磁铁组由两个同轴设置、磁场方向相同的环形磁铁组成。

作为优选，所述环形磁铁组的中轴线水平设置。

作为优选，所述送料通道为竖直设置的圆弧形筒状结构，其出料端底缘高度高于其内壁最低点高度，进料端高于所述分离箱内液面高度。

上述技术方案中，送料通道设计成圆弧形筒状结构，以降低推料难度，防止送料通道存在死角，使塑料废弃物进入而无法被推送。

摆锤推动使待分离塑料废弃物在到达送料通道出口时，具有一个较小的横向速度，可以防止塑料废弃物在送料通道内受环形磁铁组中间孔存在的“陷阱区域”(陷阱区域是指环形磁铁孔附近会有一个磁场向外分量和向内分量抵消的区域，如果没有一定速度，塑料会被卡住)的影响而无法继续运动。

作为优选，送料通道的出料端穿出环形磁铁组中间孔，其出料端端面所在平面与环形磁铁组靠近分离箱的磁极面所在平面之间的垂直距离为2～5mm。

作为优选，送料通道出料端高于底端，即出料端存在上升倾角，是为了抵消塑料废弃物在送料通道内的速度，尽量使塑料废弃物脱离送料通道时速度与摆锤速度一致，以进一步提高分离效果。

上述上升倾角为送料通道外壁最低端切面与出料端外壁切面之间的夹角，该夹角小于15°。

送料通道的进料端高于所述分离箱，防止介质溶液由进料端流出。

作为优选，所述环形磁铁组通过可拆分的盖板安装于所述送料机构和分离箱之间；

所述送料通道包括进料段和出料段，其中，所述出料段贯穿所述盖板设置。

作为进一步优选，所述环形磁铁组包含两个环形磁铁，两个环形磁铁之间设有垫片，方便拆卸时将两个环形磁铁分开；两个环形磁铁由两个可拆分的盖板安装。所述盖板具有一定厚度，该厚度大于所述环形磁铁的厚度；两个盖板相对的一侧分别设有用于安装所述环形磁铁的环形放置槽，放置槽的内形成了柱状凸起，所述凸起内设有沿所述盖板厚度方向贯穿的送料孔，两个盖板的送料孔共同组成了所述送料通道的出料段。

作为进一步优选，所述自动化分离装置还包括能推动所述摆锤沿所述送料通道滑动的摆条，所述进料段的侧壁设有避让所述摆条的避让口。

作为进一步优选方案，所述摆条由设于所述盖板上的舵机驱动，舵机由ArduinoUNO控制和供能，并推动送料通道内的塑料废弃物颗粒。

作为进一步优选方案，所述摆锤与所述摆条活动连接，所述摆锤能沿所述摆条移动，由此保留了摆条和摆锤旋转径向的自由度，使摆锤在送料通道内旋转滑动半径浮动时保持一定的灵活性。

作为进一步优选，所述自动化分离装置还包括所述避让口对接并将所述送料通道与所述盖板相对固定的两个扇形板。

上述技术方案中，设置两个扇形板连接所述送料通道和盖板，提高了所述送料通道的结构稳定性，避免送料通道在使用过程中折断。所述送料箱优选透明容器，方便观察。

作为进一步优选方案，所述送料通道、两个扇形板和与所述扇形板连接的盖板一体成型，进一步设备的提高结构强度。

作为进一步优选，所述自动化分离装置还包括送料箱；所述扇形板上设有流通孔，所述送料箱用于承接流通孔排出的介质溶液。

上述技术方案中，流通孔可以是任意形状，如圆形孔、腰型孔等，以方便摆条摆动时介质溶液流通。送料箱的设置是为了节约介质溶液使用量，降低成本。

作为进一步优选，所述避让口的尺寸小于所述送料通道内待分离塑料废弃物的最小尺寸。以防止送料通道内的塑料废弃物从避让口流出，影响送料。上述所说避让口的尺寸是指避让口的宽度。

作为优选，所述摆锤的推料端端面的下端设有托料部，所述托料部与推料端端面的连接处钝化处理。

上述技术方案中，设置托料部以便于将送料通道内壁上的塑料废弃物上托，进而被顺利推出送料通道。托料部与推料端端面连接处钝化处理是为了防止卡料。

作为优选，所述分离箱的顶部和底部分别设有多个沿所述环形磁铁组中轴线依次设置的塑料挡板，所述塑料挡板与所述环形磁铁组中轴线垂直；

所述分离箱的内壁的顶部和底部分别设有多个卡槽，所述塑料挡板可拆卸安装于所述卡槽内。

上述技术方案中，塑料挡板用于区分不同塑料废弃物的分离区域。塑料挡板可以安装在任意对应的卡槽内，方便针对不同种类塑料废弃物进行分区划分，

作为进一步优选，位于顶部的塑料挡板下侧与环形磁铁中轴线之间的垂直距离、位于底部的塑料挡板上侧与环形磁铁中轴线之间的垂直距离可根据待分离塑料废弃物的种类进行设置，以保证不同种类的塑料废弃物能够通过抛物运动进行精准分离。

作为进一步优选，位于顶部的塑料挡板下侧与位于底部的塑料挡板上侧之间的垂直距离小于等于所述环形磁铁组的外径。以使塑料废弃物在移动至分离箱内壁前持续受到环形磁铁组施加的斥力，提高分离精度。

利用上述塑料废弃物双向磁投射自动分离装置对塑料废弃物颗粒进行分离的方法，主要包括以下步骤：

(1)首先，根据塑料混合物的密度范围配置合适密度(一般选择混合物密度范围的中间值)的顺磁介质溶液，保证不同密度的塑料废弃物颗粒在溶液中具有较好的分离效果，并将配置的溶液注入分离区的透明容器中；

(2)然后，将塑料废弃物颗粒从送料通道进料端处投入，Arduino UNO控制舵机开始工作带动摆锤以均匀的速度推动塑料混合物从出料端推出；

(3)不同密度的塑料废弃物颗粒在顺磁介质溶液中经过双向的磁投射被分离在分离箱上下表面的不同分隔区间，最终实现塑料分离。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.叠加环形磁铁

本方法采用环形磁铁代替矩形磁铁实现磁投射，环形磁铁中部的孔洞为双向的磁投射送料通道的设计带来方便。并且通过叠加合适数量的环形磁铁弥补了环形磁铁磁场因其中间的孔洞而被大幅削减的问题。

2.可以同时分离多种塑料且具有很好的分离效果

传统的泡沫浮选法、静电分离法和水力旋流分离只能处理二元混合物，本方法可以同时分离多种不同密度的塑料，而且具有很好的分离效果。

3.节能环保

本方法在进行塑料分离时，相较水力旋流器(2mm以下)和静电分离(0.2-1mm)而言，适用塑料粒径大得多，对物料粉碎所需投入的能源更少，且分离过程除电机外无需消耗其他任何能源。另外，泡沫浮选法会消耗起泡剂，而本分离方法不消耗任何物质(顺磁介质可以无限期重复使用)，因此，本方法在分离过程中产生的废料和对环境的影响也几乎没有。

4.无需复杂的预处理

一些传统分离方法需要使用组合试剂、表面改性作为预处理，以提高分离效果，这会降低分离作业的效率，且进一步增加分离成本。相反，本方法无需任何复杂的预处理，简单高效且经济。

综上所述，本发明的自动化分离装置分离精准度高，分离回收率高，单次分离量大，并能够分离多种塑料废弃物的混合物，大大提高了工作效率，降低了分离成本。

附图说明

图1为本发明实施例的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例的立体结构示意图；

图3为图2中A部放大图；

图4为本发明实施例中摆锤的主视示意图；

图5为本发明实施例中盖板和环形磁铁组的爆炸示意图；

图6为本发明实施例中六种塑料废弃物颗粒分离效果对比图。

图中：1—送料通道、2—摆锤、3—送料箱、4—扇形板、5—摆条、6—舵机、7—环形磁铁、8—分离箱、9—盖板、10—塑料挡板、11—卡槽、12—放置槽、13—避让口、14—流通孔、101—进料段、102—送料孔、201—推料端端面、202—托料部。

具体实施方式

如图1～5所示，本发明提出的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，包括送料机构、分离箱以及均为轴向充磁的两个环形磁铁；

送料机构包括送料箱3、送料通道1及摆锤2；两个环形磁铁7同轴设置，且其中轴线水平设置，并通过两个可拆分的盖板9安装于送料箱3和分离箱8之间；分离箱8内装有顺磁介质溶液。

送料通道1包括进料段和出料段，该出料段与分离箱8连通。两个盖板9相对的一侧分别设有环形放置槽12，环形磁铁7安装于环形放置槽12内。放置槽12中间形成圆柱形凸起，凸起内部设有沿盖板9厚度方向贯穿的送料孔102，两个盖板9的送料孔102连通并构成送料通道1的出料段。

送料通道1为圆弧形圆筒状结构，摆锤2滑动设于该送料通道1内，并由摆条5带动沿送料通道1滑动，用于将送料通道1内的塑料废弃物颗粒推送至分离箱8，摆条5由舵机6带动，舵机6设于盖板9顶部并由Arduino UNO控制和供能。

送料通道1的进料段侧壁设有避让摆条5的避让口13，该避让口13的尺寸小于塑料废弃物颗粒的最小尺寸。送料通道1的进料段通过对接避让口13的两个扇形板4与靠近送料箱3的盖板9连接，进料段、两个扇形板4、靠近送料箱3的盖板9由FDM3D打印一体而成。

两个扇形板4上均设有多个腰形流通孔14，流通孔14在扇形板4上水平设置。流通孔14的设置是为了方便摆条5摆动时顺磁介质溶液流动。

摆条5与摆锤2之间未相对固定，即摆锤2能沿摆条5移动，以保留摆条5和摆锤2旋转径向的自由度，使摆锤2在送料通道1内旋转滑动半径浮动时保持一定的灵活性。

送料通道1的出料端端面与环形磁铁7中轴线垂直，且出料端端面的中点位于环形磁铁7的中轴线上；摆锤2的推料端端面201为与送料通道1出料端端面一致的型面，即摆锤2推料终点时的推料端端面201与环形磁铁7中轴线垂直，且推料端端面201的中点位于环形磁铁7的中轴线上。

送料通道1竖直放置，其进料端高度高于分离箱8内的液面高度，其出料端底缘高度高于其内壁最低点高度。送料通道1的进料端端面水平设置，弧形送料通道的角度大于90度，即出料端并非送料通道1最底端，送料通道1出料端存在上升倾角。为防止在塑料废弃物颗粒在送料通道1中卡顿，摆锤2推料端端面201的下端设有托料部202，便于将样品上托。

分离箱8的顶部和底部分别设有多个沿环形磁铁7中轴线依次设置的塑料挡板10，塑料挡板10与环形磁铁7中轴线垂直设置；塑料挡板10用于对待分离塑8料废弃物颗粒进行分区隔离。分离箱8的内壁顶部和底部分别设有多个卡槽11，塑料挡板10可拆卸安装于卡槽11内。塑料挡板10的个数和相邻两个塑料挡板10之间的距离均可根据待分离塑料废弃物颗粒进行增减(实际使用时，挡板设置的位置为两相邻塑料种类仿真投射落点的中间)，安装于对应的卡槽11内。本实施例中，相邻卡槽11之间的距离为1mm。

位于顶部的塑料挡板10下侧与位于底部的塑料挡板10上侧之间的垂直距离等于环形磁铁7的外径。

为方便观察，送料箱3和分离箱8均设置为透明容器。透明容器均由3mmPMMA板粘接而成，两个盖板9相背的一侧均设有粘接槽，透明容器通过粘接槽与相应的盖板9粘接在一起。

环形磁体7为两块组合的N52环形磁铁(宁波磁铁，中国)，外径为100mm，内径为46mm，厚度为15mm，剩余磁通密度为1.41±0.01T。环形磁铁7充磁方向为轴向充磁，靠近分离箱8的磁极面所在平面与送料通道1出料端端面所在平面之间的距离为3mm，舵机6旋转角速度为1.16rad/s。

送料通道1直径为15mm，转动半径为101.15mm，转动中心即舵机的旋转中心。摆条5宽度为5mm，厚度为2mm，两个盖板9的总厚度为41mm。分离箱8的尺寸为82mm×62mm×125mm，位于顶部的塑料挡板10下侧与环形磁铁7中轴线之间的垂直距离等于位于底部的塑料挡板10上侧与环形磁铁7中轴线之间的垂直距离，均为50mm。塑料挡板10的厚度0.5mm，插入位置由待分离塑料废弃物颗粒的种类确定。

本发明的自动分离装置安装完成后，送料箱3、送料通道1和分离箱8内的顺磁介质溶液的液面等高。塑料废弃物颗粒在送料通道1内即开始分离，密度大于顺磁介质溶液的塑料废弃物颗粒向下沉，密度小于顺磁介质溶液的塑料废弃物颗粒则上浮；因此在摆锤2将塑料废弃物颗粒推离送料通道1时，密度大于顺磁介质溶液的塑料废弃物颗粒由出料端端面底部移出，密度小于顺磁介质溶液的塑料废弃物颗粒由出料端端面顶部移出。

利用本发明的塑料废弃物双向磁投射自动分离装置对塑料废弃物颗粒进行分离的方法，主要包括以下步骤：

(1)首先，根据塑料废弃物颗粒混合物的密度范围配置合适密度(一般选择混合物密度范围的中间值)的顺磁介质溶液，保证不同密度的塑料废弃物颗粒在顺磁介质溶液中具有较好的分离效果，并将配置的顺磁介质溶液注入透明容器分离箱8中。

(2)然后，将塑料废弃物颗粒混合物从送料通道1进料端投入，Arduino UNO控制舵机6带动摆条5和摆锤2以均匀的速度推动塑料废弃物颗粒混合物从出料端推出。

(3)不同密度的塑料废弃物颗粒在顺磁介质溶液中经过双向的磁投射被分离在上下表面的不同区间，最终实现塑料分离。

分离效果测试：

配置2.2mol/L MnCl₂水溶液(密度ρ_m＝1.216g/cm³，磁化率χ_m＝3.95×10^-4，粘度η＝0.00224Pa·s)作为顺磁介质溶液。待分离样品为聚丙烯(PP，0.91±0.01g/cm³)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS，1.06±0.01g/cm³)、聚碳酸酯(PC，1.16±0.01g/cm³)、聚乳酸(PLA，1.26±0.01g/cm³)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET，1.34±0.01g/cm³)和聚氯乙烯(PVC，1.63±0.01g/cm³)六种常见塑料的混合物，除PLA作为丝材外，其余塑料均来自废弃板材，切碎成等效直径为3～6mm的颗粒。将待分离样品从送料通道进料端投入，使用舵机带动摆锤推动样品从溶液中部(出料端端面)放出，在磁场、样品颗粒自身重力以及顺磁介质溶液浮力的作用下，可最终分离至塑料挡板形成的不同区域。分离实验结果如下表所示：

表1 六种塑料废弃物粒子分离实验结果

表1中，“实验值”和“仿真值”为投射距离(出料端端面处为0点位置，环形磁铁轴向为投射方向)；“杂质”指最终分离得到的产品中夹杂的其他杂质及夹杂量。

如图6所示，为上述分离效果测试中六种塑料废弃物颗粒分离效果对比图。由图6可知，上述六种塑料的分离回收率均在95％以上。

Claims (10)

1.一种塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，包括用于盛放介质溶液的分离箱；

其特征在于，还包括送料机构和设于所述送料机构与分离箱之间的轴向充磁环形磁铁组；

所述送料机构包括出料端穿过所述环形磁铁组并与所述分离箱连通的送料通道以及滑动设置在送料通道内并能将所述送料通道内的物料推送至所述分离箱的摆锤；

所述送料通道的出料端端面与环形磁铁组中轴线方向垂直；所述摆锤的推料端端面为与出料端端面一致的型面结构；

所述出料端端面的中心靠近或位于所述环形磁铁组的中轴线。

2.根据权利要求1所述的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，其特征在于，所述送料通道为竖直设置的圆弧形筒状结构，其出料端底缘高度高于其内壁最低点高度，进料端高于所述分离箱内液面高度。

3.根据权利要求1所述的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，其特征在于，所述环形磁铁组通过可拆分的盖板安装于所述送料机构和分离箱之间；

所述送料通道包括进料段和出料段，其中，所述出料段贯穿所述盖板设置。

4.根据权利要求3所述的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，其特征在于，还包括能推动所述摆锤沿所述送料通道滑动的摆条，所述进料段的侧壁设有避让所述摆条的避让口。

5.根据权利要求4所述的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，其特征在于，还包括与所述避让口对接并将所述送料通道与所述盖板相对固定的两个扇形板。

6.根据权利要求5所述的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，其特征在于，还包括送料箱；所述扇形板上设有流通孔，所述送料箱用于承接流通孔排出的介质溶液。

7.根据权利要求4所述的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，其特征在于，所述避让口的尺寸小于所述送料通道内待分离塑料废弃物的最小尺寸。

8.根据权利要求1所述的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，其特征在于，所述摆锤的推料端端面的下端设有托料部，所述托料部与推料端端面的连接处钝化处理。

9.根据权利要求1所述的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，其特征在于，所述分离箱的顶部和底部分别设有多个沿所述环形磁铁组中轴线依次设置的塑料挡板，所述塑料挡板与所述环形磁铁组中轴线垂直；

所述分离箱的内壁的顶部和底部分别设有多个卡槽，所述塑料挡板可拆卸安装于所述卡槽内。

10.根据权利要求9所述的塑料废弃物双向磁投射自动化分离装置，其特征在于，位于顶部的塑料挡板下侧与位于底部的塑料挡板上侧之间的垂直距离小于等于所述环形磁铁组的外径。

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