CN113815152A

CN113815152A - 一种基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置与方法

Info

Publication number: CN113815152A
Application number: CN202111037740.9A
Authority: CN
Inventors: 赵朋; 颉俊; 张承谦; 贾宇寒; 张雪纯; 傅建中
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2041-09-06
Also published as: CN113815152B

Abstract

本发明提供一种基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置与方法。其中，连续分离装置包括：磁铁；设于所述磁铁上方且相对固定的上板和下板，所述下板上设有与所述磁铁错开设置的下料口；所述上板上设有投料口以及与磁铁对正的出料口；设于所述上板上方与出料口对正的一个或多个沿磁铁中心线设置的收集器；设于所述上板和下板之间，用于将投料口处的待分离样品依次移动至磁铁上和下料口处的传送机构。本发明的连续分离装置结构简单，成本低廉；本发明的分离方法，通过传送机构的持续工作能够实现混合聚合物材料的连续分离，并可实现分离过程自动化，有效提高了分离效率，降低了分离成本。

Description

一种基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置与方法

技术领域

本发明属于聚合物材料分离技术领域，具体涉及一种基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置与方法。

背景技术

聚合物的大量应用在方便我们生活的同时，也对环境也产生了巨大负担。实际上，很多聚合物材料可以被回收再利用，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)等。因此对聚合物废料的分离回收可以有效减少了环境负担并具有很高的经济性。

现有的广泛应用的分离技术包括：泡沫浮选法、离心法、磁悬浮法等。这些方法的原理均利用材料之间的微小密度差异将材料进行分离。浮沉法通过配置密度合适的溶液，将两种材料中较轻的材料浮起，从而分离两种材料。离心法通过不同材料受到的离心力不同，使不同材料出现分层从而实现分离。

泡沫浮选法与离心法两种方法在实际生产过程中均具有较为广泛的应用，方法较为成熟。但是，这两种方法存在仅能对两种材料进行分离的缺点，严重影响分离效率。若要对多种材料进行分离，通常需要进行多次分离作业，操作较为繁琐。其中，浮沉法需要多次配置溶液，而离心法无法使不同材料产生明显分层，很难达到完全分离。另外，对于密度相近的高分子材料，上述方法的精度很难将不同的材料准确分离出来，或者需要更加精密且昂贵的仪器进行分离作业，导致成本昂贵。而磁悬浮方法虽然可以一次分离多种材料，但是需要静置以使不同材料分离，无法实现材料的连续分离。并且磁悬浮法分离后的材料取出困难，难以实现自动化，效率难以大幅提升。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种适用于不同高分子材料分离的基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，以及利用该分离装置进行聚合物材料分离的分离方法。

一种基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，包括：

磁铁；

设于所述磁铁上方且相对固定的上板和下板，所述下板上设有与所述磁铁错开设置的下料口；所述上板上设有投料口以及与磁铁对正的出料口；

设于所述上板上方与出料口对正的一个或多个沿磁铁中心线设置的收集器；

设于所述上板和下板之间，用于将投料口处的待分离样品依次移动至磁铁上和下料口处的传送机构。

本发明的连续分离装置，通过传送机构的持续工作，不断将样品由投料口移动至出料口进行分离和轻质样品收集后，将留在下板上的重质样品由下料口推离下板，进而实现混合样品的连续分离。

本发明的连续分离装置中，收集器的个数可根据待分离样品的种类进行增减，使用灵活。

作为优选，所述磁铁的工作面(靠近下板并与之平行的面)嵌入下板内，并与下板的顶面位于同一平面内。

作为优选，所述上板和下板相互平行，所述传送机构包括设有多个容纳孔并轴接于所述上板和下板之间的输送板；

所述输送板在外力的作用下能水平转动，并使容纳孔依次移动至投料口、出料口、下料口处，分别实现待分离样品的上料、待分离样品的分离和轻质样品的收集、分离后留在下板上的样品的下料。

容纳孔位于上板和下板之间时，与上板和下板共同组成容纳样品的腔室，并能够随输送板转动将自身内部的样品移动至相应位置。

在本发明的连续分离装置中，投料口处作为上料位，出料口处作为工作位，下料口处作为下料位。输送板转动使容纳孔移动至上料位与投料口导通，使投料口内的待分离样品落入对应的容纳孔内；输送板继续转动，将容纳孔移动至工作位与出料口导通，并形成分离通道；不同密度的待分离样品在分离通道内被分离开来，密度最大的样品沉积在下板上并继续留在容纳孔内，其他密度的样品被收集在对应的收集器内；随着输送板继续转动，使容纳孔移动至下料位，并与下料口导通，容纳孔内的密度最大的样品被推离出下板，完成该容纳孔内所有样品的分离和收集，该容纳孔随输送板转动再次移动至上料位，进入下一循环。

与此同时，输送板带动其他容纳孔重复上述过程，不断完成不同密度样品混合物的分离，且上一轮样品的分离和收集不影响下一轮样品的分离和收集，实现了连续自动化分离。

作为进一步优选，本发明的连续分离装置还包括驱动所述输送板轴向转动的驱动机构。驱动机构可以是驱动电机，驱动电机的输出轴与输送板的中心垂直连接，并能带动输送板绕输出轴水平转动；输送板上多个容纳孔的中心与输出轴的中线轴线之间的距离相等。

作为进一步优选，所述磁铁为方形磁铁。

作为优选，所述收集器为底部中间设有通孔的圆盘结构，所述通孔与所述出料口对应设置。

作为优选，一个或多个收集器相对所述上板的高度可调节。

使用时，可根据待分离样品种类，调节每个收集器相对上板的高度，使收集器的设置高度适应对应的样品，可适用于多种不同密度的样品混合物。

作为优选，所述收集器通过安装架设于所述上板上，安装架固定于上板上，安装架上设有用于安装收集器的安装槽。

作为优选，所述投料口连接储料机构。由此可以实现自动化上料，进一步提高连续分离装置的自动化程度和工作效率。

作为优选，所述下料口的下方设有接料盘，所述接料盘与所述下板连接。接料盘用于收集密度最大的样品，降低取料难度。

一种利用上述基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置的分离方法，包括以下步骤：

(1)配置介质溶液，确定收集器高度，将连续分离装置放入介质溶液中；

(2)传动机构工作接收投料口处的待分离样品，并将其移动至出料口处进行分离，最大密度样品沉积在下板上，其他密度样品收集在收集器内；

(3)传动机构继续工作将沉积在下板上的样品由下料口处推离下板；

(4)传动机构持续工作，实现待分离样品的连续分离。

上述基于磁-阿基米德磁悬浮的物质分离方法，应当在检测前根据待分离混合样品的构成估测不同样品的密度，同时配制相应的介质溶液。

上述步骤(2)中，样品分离时，在介质溶液中，其他密度的样品首先悬浮在不同高度，后自动向背离磁铁中心线的方向移动，并收集在相应的收集器中。

作为优选，所述磁铁选用50mm*50mm*25mm的方形磁铁，其中心表面磁感应强度为0.425T；

所述介质溶液使得最大密度样品沉积于磁铁表面，其他密度样品的最终悬浮高度(样品的最终上浮位置与磁铁表面之间的距离)大于8mm。

作为优选，所述磁铁选用牌号为N45，N48或N52。

作为优选，步骤(1)中，根据待分离样品的种类(密度及体积差异)确定介质溶液。

作为优选，步骤(1)中，通过数值仿真或实验的方法确定每种样品的悬浮轨迹，根据悬浮轨迹确定每种样品的收集高度，进而确定对应收集器的安装高度。

考虑悬浮的震荡过程、材料的粒度等因素，作为进一步优选，收集器的安装高度比仿真或实验得到的最终悬浮高度低1～3mm，以确保收集器不会干涉比该收集器收集的样品密度更小的样品在分离过程中的运动轨迹。

作为优选，所述介质溶液为顺磁介质的水溶液或醇溶液。

作为进一步优选，所述顺磁介质为过渡元素离子的金属盐；如Mn²⁺，Fe²⁺，Gd³⁺，Ho³⁺等。

作为优选，将待分离样品投入所述连续分离装置前，先使用乙醇对待分离样品进行冲洗。保证样品在浸入介质溶液时不会有气泡附着在样品表面，降低分离干扰，提高分离精准度。

本发明的连续分离装置的分离原理如下：

由磁介质的分子环流假设，根据毕奥-萨伐尔定理，对尺寸为长a*宽a*高h的方形磁铁的一角为坐标原点建立坐标，长宽方向分别为x轴和y轴，高度h方向为z轴，则空间一点(x，y，z)的磁感应强度为：

式中，J为与平面xOy平行的任意平面的面电流密度，μ₀为真空磁导率，Ψ与Φ为函数记号，分别为：

z₀是与z无关的参数；B₀为单块磁铁表面磁感应强度；

表示函数记号内z₀＝h的值与z₀＝0的值之差。

当磁铁给定尺寸与表面磁感应强度，则J的计算公式如下：

当两块磁铁中间存在介质时，介质的受力满足：

式中：

是磁场对样品产生的力，N；χ_m是介质溶液的磁化率，无量纲；V为被测样品体积，cm³；

为向量梯度算子，

为被测样品所在位置磁场的磁感应强度，T。

由于两块磁铁之间

呈梯度变化，因此，两块磁铁之间介质每一点受力都不一样。若中间介质为顺磁溶液，则当溶液中放入被测样品，受磁场力影响，样品获得的附加浮力满足：

式中：

是磁场产生的力，N；χ_s是样品的磁化率，无量纲。

以尺寸为50mm*50mm*25mm，中心表面磁感应强度为0.425T的方形磁铁为例，根据计算结果，在水平方向上悬浮高度小于8mm的样品将被推至中心线，高于8mm的样品被推离中心向四周发散。而在竖直方向上，在附加浮力和溶液浮力的共同作用下，样品会根据自身密度不同分散于不同高度，并最终在连续分离装置不同高度的收集器内聚集从而达到分离的效果。样品的悬浮过程可通过下列公式描述：

其中，a_x、a_y、a_z为样品在x，y，z三个方向的加速度分量。而样品受加速度可表示为：

其中，η为介质溶液粘度，Pa·s；r为样品半径，mm；

为样品速度，m/s。当给定运动的初始条件与边界条件时，可通过仿真或直接计算获得样品的悬浮轨迹及最终高度。

根据理论分析结果，样品在磁铁表面中心区域，其受到的竖直方向力远大于水平方向力，因此样品的悬浮轨迹可分为快速悬浮阶段与震荡水平移动阶段：样品将会在释放之后首先快速上浮到一定高度，然后在水平磁场力的作用下，被较慢地推出磁铁上方范围，并在推出过程中伴随小范围的高度震荡。

不同密度样品的上浮高度不同，且最终推离出磁铁范围时的高度也不同。根据样品不同密度在不同的高度设置收集器，则可以实现样品的自动分离收集。同时，由于样品的最终位置不会在中心线稳定，因此，磁铁上方的空间被释放出来，不会影响下一轮的样品分离，从而可以实现样品的连续分离。针对不同的材料配置不同的溶液，可以对大部分高分子材料进行分离。合理配置溶液，本方法在可行范围内至少可以对密度差异0.05g/cm³的不同物质进行分离。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的连续分离装置结构简单，成本低廉；本发明的分离方法，通过传送机构的持续工作能够实现混合聚合物材料的连续分离，并可实现分离过程自动化，有效提高了分离效率，降低了分离成本。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的侧视图；

图3为本发明实施例的爆炸结构示意图；

图4为本发明实施例中下板和传送机构的结构示意图；

图5为本发明实施例中磁铁对称面上

水平分力大小分布及样品受力。

图中：1—上板、2—下板、3—接料盘、4—输送板、5—方形磁铁、6—收集器、7—输出轴、8—投料管、9—出料口、10—容纳孔、11—下料口。

具体实施方式

为使本发明被更清楚地理解，下面根据本发明的具体实例及附图，对本发明进行进一步的说明。

如图1～4所示，一种基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，包括：

方形磁铁5；

设于磁铁5上方且相对固定且相互平行设置的上板1和下板2，磁铁5的工作面(靠近下板并与之平行的面)嵌入下板2内，并与下板2的顶面位于同一平面内。

下板2上设有与磁铁5错开设置的下料口11，下料口11的下方设有接料盘3，接料盘3与下板2连接；

上板1上设有投料口以及与磁铁5对正的出料口9；投料口上设置投料管8，投料管8可选择地连接储料机构。

上板1上方设有与出料口9对正的一个或多个沿磁铁5中心线设置的收集器6；其中，收集器6为底部中间设有通孔的圆盘结构，该通孔与出料口9对应设置；收集器6的个数可根据待分离样品的种类进行增减，使用灵活。

收集器6通过安装架(图中未示出)设于上板1上，每个收集器6相对上板1的高度可根据待分离样品的密度进行调节。如可在安装架上设置可升降的安装槽，收集器6置于安装槽中实现高度调节。

本发明的连续分离装置还包括带有多个容纳孔10并轴接于上板1和下板2之间的输送板4和驱动输送板4转动的驱动电机；驱动电机的输出轴7垂直连接输送板4，并能够驱动输送板4绕该输出轴7转动。

输送板4上多个容纳孔10的中心与输出轴7的中线轴线之间的距离相等。容纳孔10位于上板1和下板2之间时，与上板1和下板2共同组成容纳样品的腔室。输送板4转动使容纳孔10依次移动至投料口、出料口9、下料口11处，分别实现待分离样品的上料、待分离样品的分离和轻质样品的收集、分离后留在磁铁5上的样品的下料。

在上述连续分离装置中，投料口处作为上料位，出料口9处作为工作位，下料口11处作为下料位。连续分离装置的工作过程如下：

将连续分离装置置于介质溶液中，驱动电机驱动输送板4转动，使容纳孔10移动至上料位与投料管8导通，使投料管8内的待分离样品落入对应的容纳孔10内；输送板4继续转动，将容纳孔10移动至工作位与出料口9导通，并形成分离通道；不同密度的待分离样品在分离通道内被分离开来，密度最大的样品沉积在下板2上并继续留在容纳孔10内，其他密度的样品被收集在对应的收集器6内；随着输送板4继续转动，使容纳孔10移动至下料位，并与下料口11导通，容纳孔10内的密度最大的样品被推离出下板2落入接料盘3中，完成该容纳孔10内所有样品的分离和收集，该容纳孔10随输送板4转动再次移动至上料位，进入下一循环。

与此同时，输送板4带动其他容纳孔10重复上述过程，不断完成不同密度样品混合物的分离，且上一轮样品的分离和收集不影响下一轮样品的分离和收集，实现了连续自动化分离。

本实施例选用长50mm*宽50mm*高25mm中心表面磁感应强度为0.425T磁铁时，对称面

大小分布及样品受力如图5所示。在区域I中，样品受磁场力水平分力指向中心线，样品趋向于向中心线聚集；区域II中，样品受磁场力水平分力背离中心线，样品趋向于背离中心线分散。

一种利用上述连续分离装置对聚合物材料进行分离的分离方法，包括以下步骤：

(1)连续分离装置选用50mm*50mm*25mm的方形磁铁，其中心表面磁感应强度为0.425T；

根据待分离样品的种类配置介质溶液，使得最大密度样品沉积于磁铁表面，其他密度样品的最终悬浮高度大于8mm。

其中，介质溶液可以选用Mn²⁺，Fe²⁺，Gd³⁺或Ho³⁺的盐溶液。

(2)通过数值仿真方法确定每种样品的悬浮轨迹，根据悬浮轨迹确定每种样品的收集高度，进而确定对应收集器的安装高度；

其中，收集器的安装高度比仿真或实验得到的最终悬浮高度低1～3mm。

(3)将连续分离装置放入顺磁溶液中；

(4)将经乙醇冲洗过的待分离样品放入投料管内；传动机构工作接收投料管内的待分离样品，并将其移动至出料口处进行分离，最大密度样品沉积在下板上，其他密度样品收集在收集器内；

(5)传动机构继续工作将沉积在下板上的样品由下料口处推离下板；

(6)传动机构持续工作，实现待分离样品的连续分离。

采用上述方法对PA6(尼龙6，密度1.134g/cm³)、PU(聚氨酯，密度1.116g/cm³)和PTFE(聚四氟乙烯，密度2.202g/cm³)的粉碎颗粒混合物(粒径3～5mm)进行分离，收集器设置两个，介质溶液选用1.0mol/L的氯化锰(MnCl₂)水溶液(密度1.094g/cm³，磁化率1.77×10^-4)。

通过仿真的方法，确定三种材料最终悬浮高度分别为14.99mm，18.62mm与0，据此设置出料口上方两个收集器高度分别为12mm与17mm。

将调整好收集器高度的连续分离装置置于配置好的MnCl₂水溶液中，待分离样品经过酒精清洗表面后，置于MnCl₂水溶液中，放进投料管，并通过驱动电机带动输送板转动将颗粒混料送至方形磁铁上方。在磁场力作用下，PA6与PU悬浮分离，并被推向四周，最终在两层收集器中被分别收集。而PTFE则沉在方形磁铁表面。分离完成后，输送板继续转动，将PTFE送至下料口，PTFE从下料口处掉落被下放接收盘收集。

同时，输送板的持续运动将由投料口处接收的新的待分离样品持续送至磁铁上方进行分离，如此循环使得分离可以持续进行。

以上所述仅为本发明的一个应用实例，并非对适用被测样品范围的限定。可应用本发明分离的材料，这里无需也无法一一穷举，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，其特征在于，包括：

磁铁；

2.根据权利要求1所述的基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，其特征在于，所述上板和下板相互平行，所述传送机构包括设有多个容纳孔并轴接于所述上板和下板之间的输送板；

3.根据权利要求2所述的基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，其特征在于，还包括驱动所述输送板轴向转动的驱动机构。

4.根据权利要求2所述的基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，其特征在于，所述磁铁为方形磁铁。

5.根据权利要求1所述的基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，其特征在于，一个或多个收集器相对所述上板的高度可调节。

6.根据权利要求1所述的基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，其特征在于，所述投料口连接储料机构。

7.根据权利要求1所述的基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置，其特征在于，所述下料口的下方设有接料盘，所述接料盘与所述下板连接。

8.一种利用权利要求1所述的基于磁阿基米德原理的聚合物材料连续分离装置的分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

(4)传动机构持续工作，实现待分离样品的连续分离。

9.根据权利要求8所述的分离方法，其特征在于，所述磁铁选用50mm*50mm*25mm的方形磁铁，其中心表面磁感应强度为0.425T；

所述介质溶液使得最大密度样品沉积于磁铁表面，其他密度的样品的最终悬浮高度大于8mm。

10.根据权利要求8所述的分离方法，其特征在于，所述介质溶液为顺磁介质的水溶液或醇溶液。