DE60106540T2

DE60106540T2 - Verfahren zur Trennung von Plastikgemischen basierend auf der magnetoarchimedischen-Schwebung

Info

Publication number: DE60106540T2
Application number: DE2001606540
Authority: DE
Inventors: Tsunehisa Hachioji City Kimura; Shogo Hachioji City Mamada; Masafumi Hachioji City Yamato; Koichi Bunkyo-ku Kitazawa
Original assignee: Japan Society for Promotion of Science; Japan Society For Promotion of Machine Industry
Current assignee: Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2021-08-22
Also published as: DE60106540D1; JP2002059026A; US20020153295A1; JP3401487B2; US6902065B2; ATE279987T1; EP1181982B1; EP1181982A1

Description

(1) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein auf der magneto-Archimedischen Schwebung beruhendes Verfahren zur Trennung fester Kunstststoffgemische.
(2) Stand der Technik
Es hat bereits verschiedene Berichte über die diamagnetische magnetische Schwebung gegeben (E. Beaugnon und R. Tournier, Nature, Vol. 349, S. 470, 1991, usw.). Es ist bekannt, dass Wassertropfen und Kunststoffteilchen in der Luft magnetisch emporgehoben werden. Zusätzlich wurde berichtet, dass, wenn ein unter Druck stehendes paramagnetisches Gas (z.B. Sauerstoffgas) als ein Suspensionsmedium verwendet wird, die diamagnetische Schwebung in einem moderaten magnetischen Feld möglich ist und sogar paramagnetische Materialien emporgehoben werden können (Ikezoe et al., Nature, Vol. 393, S. 749, 1998). Dieses Phänomen wird magneto-Archimedische Schwebung genannt. Bei der magneto-Archimedischen Schwebung wird die Gravitationskraft und die unmittelbar auf eine suspendierte Substanz ausgeübte magnetische Kraft mit dem Auftrieb und der von dem paramagnetischen Suspensionsmedium durch die Oberfläche der Substanz ausgeübten magnetischen Kraft im Gleichgewicht gehalten. Und zwar (1) Gravitationskraft, (2) Auftrieb, (3) auf die suspendierte Substanz wirkende magnetische Kraft und (4) vom Suspensionsmedium verursachter magnetischer Auftrieb.
Eine Trennung ist notwendig zum Recyclen oder Deponieren von Altkunststoff mit geringen Umweltbelastungen. Zu diesem Zweck sind bislang Trennungsverfahren vorgeschlagen worden, einschließlich eines Verfahrens, in welchem spektrale Muster von Kunststoff bei einer hohen Geschwindigkeit analysiert werden. Trennung von Pulver in einem Hochdruck-Sauerstoffgas unter Verwendung des magneto-Archimedischen Effekts ist auch berichtet worden.
Die US-A-4187170 offenbart ein Verfahren zum magnetischen Trennen eines einzigen nicht-magnetischen Materials aus einem Gemisch, indem das Gemisch mit einer magnetisierenden Lösung vereinigt wird, die das Salz eines magnetischen Elements enthält.
Die US-A-3483969 offenbart eine Vorrichtung und eine Methode zum Trennen von Materialien verschiedener Dichte. Ein gesteuertes Magnetfeld wird durch ein Ferroflu id geleitet. Die darin eingeführten Materialien verteilen sich entsprechend ihren Dichten.
Jedoch waren die herkömmlichen Verfahren unzulänglich, um eine große Menge von benutztem Kunststoff bei einer hohen Geschwindigkeit und niedrigen Kosten zu bewältigen.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass verschiedene Arten von Kunststoff an verschiedenen Stellen in einer paramagnetischen Suspensionsflüssigkeit im Gleichgewicht mit den Gravitations- und magnetischen Kräften aufgrund des Unterschieds in ihren magnetischen Suszeptibilitäten und Dichten schweben können. Zusätzlich wird dieses Ergebnis leicht auf einen fortlaufenden Trennungsprozess angewandt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen verschiedener Arten von festen Kunststoffteilchen in einem festen Kunststoffgemisch, das die Schritte des Herstellens eines festen Kunststoffgemischs umfassend mehrere Arten von diamagnetischen festen Kunststoffteilchen, Aufschwemmens, Suspendierens oder Präzipitierens der festen Kunststoffteilchen in einer Flüssigkeit, Anlegens eines Magnetfeldgradienten an das feste Kunststoffgemisch und Emporhebens oder Niederdrückens der Kunststoffteilchen an verschiedenen Stellen in der Unterstützungsflüssigkeit unter einem magnetischen Feldgradienten, in Abhängigkeit von ihren Dichten und diamagnetischen Suszeptibilitäten, umfasst.

(1) Die Unterstützungsflüssigkeit ist paramagnetisch. Bevorzugte Bedingungen zum Ausführen des vorgeschlagenen Verfahrens sind wie folgt:
(2) Wässrige Lösungen von paramagnetischen anorganischen Salzen werden als die Unterstützungsflüssigkeit verwendet. Paramagnetische Flüssigkeiten ermöglichen das Schweben unter relativ schwachen magnetischen Feldern. Außerdem lösen die meisten wässrigen Lösungen anorganischer Salze den Kunststoff nicht auf und sind preiswert. Die Unterstützungsflüssigkeit ist paramagnetisch, während die Kunststoffteilchen diamagnetisch sind.
(3) die Trennung wird fortlaufend ausgeführt, wenn die Unterstützungsflüssigkeit fortlaufend fliesst. Auf diese Weise kann eine große Menge von Altkunststoff in geeigneter Weise bewältigt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
1(a) ein bei der vorliegenden Erfindung verwendeter Elektromagnet ist und
1(b) zeigt die magnetische Flussdichte Bund die Größe BdB/dz aufgetragen gegen die vertikale Koordinate z bezüglich des als z=0 angenommenen Zentrums des Magnetfelds zeigt;
2 schematisch ein Ergebnis der Trennung von syndiotaktischen Poly(propylen) (SPP), Styren-Butadien-Kopolymer (SB), Poly(styren) (PS) und Styren-Acrylnitril-Kopolymer (SA) in einer wässrigen Lösung von Manganchlorid suspendiert zeigt;
3 schematisch ein Ergebnis der Trennung von Poly(methylmethacrylat)- und Poly(ethylenterephthaltat)-Pellets zeigt, die in einer wässrigen Lösung von Malganchlorid suspendiert sind; und
4 schematisch ein auf der vorliegenden Erfindung beruhendes fortlaufendes Trennungsverfahren darstellt.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Zuerst wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Vier Kräfte wirken auf ein in einem Unterstützungsflüssigkeitsmedium in einem Magnetfeld suspendiertes festes Kunststoffmaterial: (1) Gravitationskraft, (2) Auftrieb, (3) unmittelbar auf das feste Kunststoffmaterial wirkende magnetische Kraft und (4) magnetischer Auftrieb, der auf das Material von der Unterstützungsflüssigkeit wirkt (Trans. MRS-),24 [1] 77 (2000)). Das feste Kunststoffmaterial bleibt an einer Stelle, wo diese Kräfte im Gleichgewicht sind. Dies wird unter der Bedingung erreicht:
worin g die Gravitationsbeschleunigung ist, µ₀ die magnetische Permeabilität des Vakuums ist, B die magnetische Flussdichte ist, z die vertikale Koordinate bezüglich des Zentrums des Magnetfelds (z=0 ) und z>0 und z<0 jeweils die oberen und unteren Seiten bezüglich des Zentrums des Felds bezeichnen.
Der Unterschied in den Dichten zwischen jedem der festen Kunststoffe und der Unterstützungsflüssigkeit und der Unterschied in den magnetischen Suszeptibilitäten zwischen diesen sind definiert als:
worin ρ₁ und ρ₂ jeweils die Dichten der festen Kunststoffkomponente und der Unterstützungsflüssigkeit sind und χ₁ und χ₁ die magnetischen Suszeptibilitäten sind. Da die betrachtete Unterstütrungsflüssigkeit paramagnetisch ist, während die Kunststoffe diamagnetisch sind, ist dann χ₁<0, χ₂>0, und daher Δ_χ<0.
1(a) zeigt die schematische Darstellung des verwendeten Elektromagneten und 1(b) zeigt die magnetische Flussdichte Bund die Größe BdB/dz aufgetragen gegen die vertikale Koordinate z mit dem Zentrum des Magnetfelds als Usprung genommen. Der verwendete Elektromagnet (Tamagawa Manufacturing Co., Ltd.) erzeugt ein horizontales Magnetfeld. Der oberhalb und unterhalb des magnetischen Zentrums (2,1 T) erzeugte Feldgradient wurde verwendet. In 1(b) wird die vertikale Position bezüglich des Magnetfeldzentrums (z=0 ) gemessen, das zwischen den zwei Polteilen angeordnet ist. Die Größe BdB/dz(in der Figur von einer gestrichelten Linie dargestellt) wurde numerisch unter Verwendung der B Daten (von einer durchgezogenen Linie gezeigt), die vom Hersteller zur Verfügung gestellt wurden, berechnet.
2 zeigt schematisch das Ergebnis der Trennung. Pellets von syndiotaktischem Polypropylen (sPP), hergestellt von Mitsui Chemical Co., Ltd., Styren-Butadien-Kopolymer (SB), Polystyren (PS), Styren-Acrylnitril-Kopolymer (SA), hergestellt von Asahi Kasei Co., Ltd. (jeweils mit einem Durchmesser von ungefähr 5 mm), die auf der Oberfläche der Unterstützungsflüssigkeit (wässrige Manganchloridlösung mit ungefähr 11 Gewichtsprozent) in einem Teströhrchen mit 2 cm Durchmesser schwimmen, wurden in die Flüssigkeit gedrückt und blieben an den jeweiligen Stellen (Anit-Levitation), wenn das Teströhrchen in das Zentrum des Magnetfelds von unterhalb des Zentrums gebracht wurde. Die Trennung wurde fast sofort erhalten. Die Größe BdB/dzist jeweils bei den Regionen oberhalb und unterhalb des Magnetfeldzentrums negativ und positiv. Wenn Δρ > 0 ist, wird das Gleichgewicht oberhalb des Feldzentrums erhalten, während, wenn Δρ < 0 ist, das Gleichgewicht dagegen unterhalb des Zentrums erhalten wird. Ein stabiles Gleichgewicht ist unmöglich, wenn |BdB/dz| < |μ₀gΔρ/Δx| ist. Es ist aus Gleichung (1) klar, dass, je kleiner die Änderung in BdB/dz außerhalb des Minimumpunkts von BdB/dz ist, die Teilung zwischen zwei Teilchen desto größer ist.
[0012] Das Folgende ist die ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung (1) Unterstützungsflüssigkeit Die für die Unterstützungsflüssigkeit verwendeten paramagnetischen Flüssigkeiten sollten Kunststoffe nicht auflösen. Eine wässrige Lösung paramagnetischer anorganischer Salze würde diese Bedingung erfüllen. Zum Beispiel können Manganchlorid, Mangansulfat, Eisenchlorid, Eisensulfat, Gadoliniumchlorid, usw. verwendet werden. Paramagnetische anorganische Salze mit einer großen paramagnetischen Suszeptibilität sind angesichts des Waschens nach der Trennung und der benötigten Feldstärke geeignet. Da die magnetische Suszeptibilität von verdünnten paramagnetischen anorganischen wässrigen Salzlösungen ungefähr proportional zur Konzentration ist, sind mit Salzen mit einer großen magnetischen Suszeptibilität hergestellte Lösungen für die Verwendung bei einer niedrigen Konzentration geeignet. Die optimale Konzentration wird von der gewünschten räumlichen Auflösung bestimmt. Die räumliche Auflösung hängt von der magnetischen Suszeptibilität und der Dichte der Kunststoffe und jener des wässrigen Lösungen zusammen mit dem Profil von BdB/dz des verwendeten Magneten ab.
Unter den wässrigen Lösungen ist eine mit Manganchlorid hergestellte geeignet, da diese Lösung bei einer niedrigen Konzentration eine große paramagnetische magnetische Suszeptibilität zeigt. Bei der vom verwendeten Elektromagneten bereitgestellten Feldstärke sind Konzentrationen im Bereich von 1 bis 10 Gewichtsprozent am Besten geeignet. Wenn die Konzentration zu niedrig ist, wird die magnetische Kraft ungenügend. Andererseits wird die Dichte der Unterstützungsflüssigkeit, wenn die Konzentration zu hoch ist, so hoch, dass die meisten Kunststoffkomponenten zu schweben anfangen. Demzufolge wird der auf die Kunststoffe wirkende Auftrieb die Magnetkraft übersteigen, was zu einem Mangel an Feldstärke führt.
(2) Kunststoffe
Die von der vorliegenden Erfindung zu trennenden Kunststoffe schließen die meisten kommerziell verwendeten Kunststoffe wie z.B. Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polypropylen, Polystyren, Polyacrylnitril, Nylon, Polymethylmetacrylat und viele andere ein.
[0014] Der Trennungsprozess wird erfolgreich auf Kunststoffe in einer Form von Pellets angewandt. Wenn pulverisierte Kunststoffe von Mikrogröße verwendet werden, verstreicht eine längere Zeit, bevor die Trennung vollendet ist, weil die Teilchen sich langsamer bewegen, wenn ihre Größe klein ist. Zusätzlich ist die räumliche Auflösung für kleine Teilchen niedrig. Wenn die Kunststoffe in der Form von Flaschen behandelt werden, kann die Trennung aufgrund der innen eingefangenen Luft unvollständig sein. Die Größe der zu trennenden Kunststoffe sollte im Bereich von einigen wenigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern sein. Abfallkunststoffe einer beliebigen Größe und verschiedener Arten können auf eine geeignete Größe (Pelletgröße) ohne vorherige Klassifikation gemahlen werden und dann der Trennung durch das in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Verfahren unterworfen werden.
[0015] Manganchlorid, Mangansulfat, Eisenchlorid, Eisensulfat und Gadolinumchlorid könnten verwendet werden, um paramagnetische wässrige Lösungen herzustellen. Die Konzentration der Lösung kann geeigneterweise in Abhängigkeit vom verwendeten Magnetfeldgradienten, usw. angepasst werden. Kunststoffe mit ρ₁ < ρ₂ werden unterhalb des Zentrums des Magnetfelds getrennt, während jene mit ρ₁ > ρ₂ oberhalb des Zentrums des Magnetfelds getrennt werden. Dieses Trennverfahren wird auch auf das Kunststoffe enthaltende Gemisch mit p₁ größer und kleiner als die Dichte ρ₂ der Unterstützungsflüssigkeit angewandt.
Der Volumenanteil von Kunststoffen sollte nicht zu hoch sein, da Kunststoffteilchen sich daran hindern können, problemlos getrennt zu werden. Er sollte bis zu 50 Volumenprozent, vorzugsweise weniger als 20 Volumenprozent sein.
(3) Magnetischer Gradient
Magnetische Gradienten werden von Permanentmagneten, Elektromagneten und supraleitenden Magneten erzeugt. Die Richtung des Magnetfelds kann vertikal oder horizontal sein, aber es ist bevorzugt, dass es einen stabilen Levitationspunkt in Bezug auf die horizontale Richtung, zusätzlich zur vertikalen Richtung, gibt. Um eine hohe räumliche Auflösung zu erhalten, sollte die zweite Ableitung von B² in Bezug auf die vertikale Richtung z kleiner sein.
(4) Trennungsverfahren
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden feste Kunststoffe an verschiedenen Stellen in Abhängigkeit von ihren Dichten und diamagnetischen Suszeptibilitäten emporgehoben. Getrennte Teilchen werden von einem Charge-Verfahren oder einem fortlaufenden Verfahren gesammelt.
Die oben beschriebene Trennung kann am effektivsten in einem fortlaufenden Verfahren ausgeführt werden, in welchem die Unterstützungsflüssigkeit fortlaufend zirkuliert wird. Die Einzelheiten sind oben beschrieben.
Ein fortlaufendes Verfahren ist in 4 gezeigt. Kunststoffe werden in einen Fluss von Unterstützungsflüssigkeit, der in einem Kanal zirkuliert, gespeist. In 4 fließt die zirkulierende Flüssigkeit von links nach rechts. Die Kunststoffe, die eingespeist wurden, werden in Abhängigkeit von ihren Dichten in Gruppe A (schwimmend) und Gruppe B (sinkend) getrennt. Dann wird ein Magnetfeldgradient von oben auf die Kunststoffe angelegt, der die schwimmenden Kunststoffe in das Fluid drückt und sie an verschiedenen Stellen in Abhängigkeit von der Kunststoffart niederdrückt. Dann werden die getrennten Kunststoffe von einem Fangnetz (2-1) gesammelt. Während dieses Vorgangs bewegen sich zur Gruppe B gehörende Kunststoffe zum Boden des Kanals. Anschließend wird ein magnetischer Feldgradient von unten auf diese Kunststoffe angelegt, der diese sinkenden Kunststoffe in das Fluid drückt und sie an verschiedenen Stellen in Abhängigkeit von der Kunststoffart emporhebt. Dann werden die getrennten Kunststoffe von einem Fangnetz (2-2) gesammelt. Der Pegel und die Qualität der Unterstützungsflüssigkeit wird beibehalten, indem zusätzliche Unterstützungsflüssigkeit hinzugefügt wird.
Beispiele
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung von einigen Beispielen ausführlicher beschrieben werden. Diese sind bloß Beispiele, welche die vorliegende Erfindung darstellen, und sie werden niemals den Schutzbereich der Erfindung einschränken.
(Beispiel 1) Teilchen werden unterhalb des Zentrums des Magnetfelds niedergedrückt:
Pellets (syndiotaktisches Poly(propylen) (sPP), Styren-Butadien-Block-Kopolymer (SB), Poly(styren) (PS)) wurden in einer wässrigen Lösung von Manganchlorid (ρ₂=1,098 g/cm^³, χ₂=1,7×10^–4), welche in ein Teströhrchen von 2 cm Durchmesser gefüllt wurde, suspendiert. Die Größe jedes Pellets war ungefähr 5×5×5 mm^³. Da die Dichten dieser Pellets niedriger als die der Unterstütrungslösung waren, schwammen sie am Anfang auf der Oberfläche der Lösung. Dann, wenn das Teströhrchen von unterhalb des magnetischen Zentrums bewegt wurde, wurde jedes Pellet nach unten gedrückt, unter Anti-Levitation an verschiedenen Stellen wie in 2 gezeigt.
[0022] (Beispiel 2) Teilchen werden oberhalb des Zentrums des Magnetfelds emporgehoben: Pellets (Poly(methymethacrylat) (PMMA) und Poly(ethylenterephthalat (PET)) wurden in einer wässrigen Lösung von Manganchlorid (ρ₂=1,098 g/cm^³, χ₂=1,7×10^–4) suspendiert, die in ein Teströhrchen von 2 cm Durchmesser gefüllt wurde. Die Größe jedes Pellets war ca. 5×5×5 mm^³. Da die Dichten dieser Pellets höher als die der Unterstützungsflüssigkeit waren, sanken sie am Anfang auf den Boden des Teströhrchens. Dann, wenn das Teströhrchen von oberhalb des magnetischen Zentrums bewegt wurde, wurde jedes Pellet an verschiedenen Stellen wie in 3 gezeigt emporgedrückt.
(Beispiel 3)
Das Beispiel 3 beruht auf den Beispielen 1 und 2. Theoretische Überlegungen zeigen, dass eine räumliche Auflösung größer gemacht werden kann. In Kombination mit dieser vergrößerten Auflösung wird ein fortlaufendes Trennungsverfahren im großen Maßstab möglich.
Lassen sie uns den Bereich betrachten, in welchem die linke Seite der Gleichung (1) als a×z + b ausgedrückt ist. Die räumliche Auflösung Δz zwischen zwei Kunststoffteilchen mit dem Unterschied Δ(Δρ/Δ_χ) wird ausgedrückt als
Wenn die Größe ausreichend klein ist, könnte die Auflösung bis zu mehrere Meter groß sein. Ein in 4 gezeigte fortlaufende Vorrichtung ermöglicht, ein KunststofFgemisch kontinuierlich in seine Bestandteilskomponenten zu trennen.
Ein charakteristisches Merkmal des in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Trennungsverfahrens wird wie folgt zusammengefasst: Unter einem magnetischen Feldgradienten werden feste Kunststoffteilchen, die in einer paramagnetischen Suspensionsflüssigkeit schwimmen und sinken, an verschiedenen Stellen in Abhängigkeit von ihren Dichten und diamagnetischen Suszeptibilitäten emporgehoben, was zu einer Trennung führt.

Claims

Verfahren zur Trennung verschiedener Arten von festen Kunststoffteilchen in einem festen Kunststoffgemisch, umfassend die Schritte des Zubereitens eines festen Kunststoffgemischs umfassend mehrere Arten von festen Kunststoffteilchen, Aufschwemmens, Suspendierens oder Präzipitierens der festen Kunststoffteilchen in einer paramagnetischen Unterstützungsflüssigkeit, Anlegens eines Magnetfeldgradienten an die Mischung verschiedener fester Kunststoffteilchen mit verschiedenen magnetischen Suszeptibilitäten in der Flüssigkeit und Emporhebens oder Niederdrückens der Kunststoffteilchen an verschiedenen Stellen in der Unterstützungsflüssigkeit unter dem magnetischen Feldgradienten, in Abhängigkeit von den Dichten und magnetischen Suszeptibilitäten der Teilchen.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei eine wässrige Lösung von paramagnetischem anorganischen Salz als Unterstützungsflüssigkeit benutzt wird.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 oder 2 beansprucht, wobei die Trennung fortlaufend durchgeführt wird, indem die Unterstützungsflüssigkeit zirkuliert wird.
Vorrichtung zur Trennung verschiedener Arten von festen Kunststoffteilchen, umfassend – einen Kanal zum Aufnehmen einer fließenden paramagnetischen Flüssigkeit, die verschiedene Arten fester Kunststoffteilchen mit verschiedenen Dichten und/oder magnetischen Suszeptibilitäten in der Flüssigkeit enthält; – eine paramagnetische Flüssigkeit, die in dem Kanal aufgenommen wird, – Mittel zum Anlegen mindestens eines inhomogenen magnetischen Felds in einer Richtung quergerichtet zum Flüssigkeitsfluss, und – ein quer durch den Flüssigkeitsfluss angeordnetes Auffangnetz zum Auffangen einer aufgetrennten Art von diamagnetischen festen Kunststoffteilchen aus dem Flüssigkeitsfluss.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei zwei Auffangnetze an verschiedenen Stellen entlang dem Flüssigkeitsfluss angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei magnetische Felder mit entgegengesetzten Gradienten stromaufwärts jedes Auffangnetzes an den Flüssigkeitsfluss angelegt sind.