ES2328007T3

ES2328007T3 - Tribocarga y separacion electrostatica de particulas mezcladas electricamente aislantes.

Info

Publication number: ES2328007T3
Application number: ES00901430T
Authority: ES
Inventors: James D. Brown; Paul F. Wynen; Thomas E. Doyle
Original assignee: University of Western Ontario
Current assignee: University of Western Ontario
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2009-11-06
Anticipated expiration: 2020-01-21
Also published as: CA2397506A1; AU2000222723A1; DE60012989T2; ATE273079T1; EP1251964A1; DE60012989D1; EP1251964B1; WO2001052998A1; US6927354B1

Abstract

Aparato para tribocargar partículas (6) de materiales eléctricamente aislantes, que comprende: un tambor giratorio (1) hecho de un material metálico para transportar las partículas (6), teniendo dicho tambor una entrada (11) y una salida (13), estando dicho tambor ligeramente inclinado de modo que dicha salida esté ligeramente más baja que dicha entrada; medios (7, 8) para hacer girar el tambor de modo que dichas partículas se volteen unas contra otras y contra paredes interiores del tambor, quedando así tribocargadas, y avancen desde dicha entrada hasta dicha salida; y una torre de separación electrostática (20) que tiene al menos un par de electrodos (24) dispuestos en paredes opuestas de dicha torre, para separar las partículas que caen desde dicha salida de dicho tambor en dicha torre en un campo eléctrico generado entre dicho al menos un par de electrodos; caracterizado porque dicho aparato comprende, además, medios de vigilancia para proporcionar a un operador información sobre la cantidad de partículas que se están separando en dicha torre, comprendiendo dichos medios de vigilancia: una red de láseres (22) que están dispuestos en una pared de dicha torre, siendo dirigida la luz emitida por los láseres a través de una parte inferior de dicha torre en dirección sustancialmente perpendicular a los electrodos; y una red de fotodiodos (23) dispuestos análogamente a dicha red de láseres, pero en la pared opuesta de dicha torre, estando dispuesta dicha red de fotodiodos para detectar la intensidad de la luz que llega a dicha red de fotodiodos desde dicha red de láseres.

Description

Tribocarga y separación electrostática de partículas mezcladas eléctricamente aislantes.

La invención se refiere a mejoras en la separación electrostática de materiales, particularmente materiales residuales de plástico mezclados. Tal separación es particularmente deseable para fines de reciclado y reutilización de los materiales. La invención puede utilizarse también para separar otros materiales eléctricamente aislantes uno de otro o de materiales conductores, tales como metales.

El plástico residual se deriva típicamente de la basura o de residuos de producción durante la fabricación de artículos de consumo de plásticos, y existe la necesidad de separar tipos de plástico diferentes. La separación electrostática, es decir, la separación de plásticos de acuerdo con sus cargas electrostáticas, es conocida como un medio para llevar a cabo esta separación deseada. El plástico residual se trocea o desmenuza primero en forma de partículas relativamente pequeñas y luego se separan éstas electrostáticamente después de cargarlas con ayuda de medios adecuados.

Las cargas electrostáticas se acumulan sobre materiales eléctricamente aislantes (incluyendo la mayoría de los plásticos) cuando se ponen en contacto materiales de esta clase con funciones de trabajo diferentes. Suponiendo que la función de trabajo de un material A es menor que la de un material B, el contacto físico directo del material A con el material B da como resultado una transferencia de electrones de A a B. Los materiales pasan a estar tribocargados. El material A queda positivamente cargado y el material B, que gana los electrones, queda negativamente cargado.

La tribocarga tiene lugar únicamente cuando las funciones de trabajo de los dos materiales que están en contacto son diferentes. En algunos casos raros, dependiendo de la estructura cristalina de los materiales, es posible encontrar una ligera diferencia en la función de trabajo en un punto del cristal del material en comparación con otro punto de la superficie del mismo cristal. En tal caso, puede tener lugar una triboelectrificación muy pequeña incluso entre los mismos materiales.

Las diferentes tasas a las que los materiales plásticos captan cargas cuando se ponen en contacto de esta manera pueden utilizarse como la base para separar el material A del material B por medio de campos eléctricos cuando los dos materiales están presentes en una mezcla. La invención se orienta a mejorar la medida en que puede acumularse la magnitud de tribocarga en los materiales y, por tanto, persigue mejorar el rendimiento de la separación.

La triboelectrificación puede utilizarse solamente entre materiales eléctricamente aislantes o entre metales y materiales eléctricamente aislantes. La triboelectrificación no puede ser utilizada para separar materiales eléctricamente conductores tales como dos metales. Por ejemplo, si hubiera que poner en contacto cobre y níquel, se produciría una transferencia de carga, ya que la función de trabajo del níquel es considerablemente más alta que la del cobre. Sin embargo, si se tratara entonces de separar las partículas, las cargas retomarían inmediatamente al sitio de donde llegaron, y el resultado neto sería que ambas partículas metálicas serían neutras después de la separación.

Técnica anterior

La patente US No. 5,289,922 de Inculet et al. describe la separación electrostáticas de residuos de plástico mezclados, Inculet et al. describen un aparato para tribocargar partículas de materiales aislantes. El aparato incluye una cuba para contener las partículas, y la cuba es de un material tal que la función de trabajo del material de la cuba es diferente de la de los materiales de al menos algunas de las partículas contenidas en la cuba.

La cuba es giratoria y el aparato incluye un medio para hacer girar la cuba alrededor de un eje de rotación. La orientación del eje de rotación es tal que, en funcionamiento del aparato, las partículas son volteadas unas contra otras y contra las paredes de la cuba, quedando así tribocargadas.

La mezcla de los materiales plásticos a separar es alimentada a la cuba en un punto de entrada de ésta y sale de la cuba en un punto de salida de la misma. El aparato incluye, además, medios para mover gradual y progresivamente el material a través de la cuba desde el punto de entrada hasta el punto de salida; y la disposición del aparato es tal que el ma-
terial en cualquier punto de la progresión del mismo se mantiene separado del material en otros puntos de la progresión.

La progresión de las partículas a través de la cuba es tal que la partículas generalmente no se mezclan, es decir, con partículas a niveles diferentes de carga, sino sólo con partículas al mismo nivel de carga. Por tanto, se permite que la carga de las partículas aumente progresivamente, sin ser disipada, a medida que las partículas se desplazan a través de la cuba.

La cuba tiene preferiblemente la forma de un tubo que está abierto en cada extremo, entrando las partículas tribocargadas por un extremo y saliendo por el otro extremo del tubo. El tubo está montado para rotación y el eje de rotación del tubo está inclinado hacia abajo de la entrada a la salida bajo un ligero ángulo con la horizontal. La velocidad de rotación del tubo y dicho ligero ángulo son preferiblemente ajustables.

El tubo puede incluir al menos un nervio del mismo material que el tubo, extendiéndose el nervio radialmente hacia dentro desde la superficie interior de la pared del tubo. El nervio está dispuesto a lo largo de la longitud axial del tubo,
de modo que, a medida que gira el tubo el nervio sirve para voltear la mezcla de partículas que residen en el tubo.

El aparato de separación puede incluir, además, un canal posicionado en linea con el extremo del tubo, teniendo el canal al menos una abertura (por ejemplo, una ranura alargada, preferiblemente estrechada, o una pluralidad de pequeños agujeros) a lo largo del fondo del mismo para que las partículas caigan a su través como una cortina de partículas, estando dispuestos unos electrodos de alto voltaje verticalmente a cada lado del canal y extendiéndose a lo largo del mismo y hacia abajo para separar las partículas.

El objetivo de esta construcción es proporcionar un medio de triboelectrificación que operará de manera altamente eficaz y con menos coste de capital y menos consumo de energía que en los aparatos tradicionales de lecho fluidizado. Aunque el aparato descrito por Inculet et al. alcanza este objetivo, existen ciertos inconvenientes en el aparato allí descrito que esta invención se propone superar.

Dado que en el proceso de separación electrostática la separación se basa en la relación de carga a masa y esta relación aumenta linealmente cuando disminuye el tamaño de las partículas, el tamaño uniforme de las partículas es un parámetro importante para determinar la pureza y el rendimiento en una separación de plásticos mezclados. Además, los finos que se cargan muy fuertemente pueden acumularse de manera no deseable sobre los electrodos, disminuyendo la intensidad del campo eléctrico a medida que crece el depósito, y de este modo pueden degradar el rendimiento de separación con el tiempo.

En una etapa del proceso de separación, como se describe por Inculet et al., se posiciona un canal en linea con el extremo del tubo, teniendo el canal una pluralidad de aberturas o una ranura estrechada a lo largo del fondo del mismo para que las partículas caigan a su través coma una "cortina". Unos electrodos de alto voltaje se disponen verticalmente en forma de una torre a cada lado del canal y se extienden a lo largo del mismo y hacia abajo para separar las partículas. El inconveniente en ese sistema es que no hay una información instantánea continúa para el operador sobre la cantidad de la distribución de material que se está separando.

Para obtener una buena separación y aftas tasas de circulación de partículas, se requiere una corriente continua de partículas en una linea paralela a los electrodos desde la etapa descrita anteriormente, ya que el campo de separación actúa solamente en una dirección perpendicular a los electrodos. Asimismo, la velocidad inicial de las partículas que entran en la torre deberá ser tan uniforme y tan pequeña como sea posible. Sin embargo, ambas calidades deseables no se consiguen suficientemente en la técnica anterior.

Descripción de la invención

Un objeto de la invención es hacer mejoras en sistemas de distribución de partículas para la separación electrostática de residuos de plástico mezclados.

Otro objetivo de la invención es proporcionar un aparato que sea versátil y simple de hacer funcionar, y que sea compatible con otras fases de sistemas de reciclado de plástico y que puede ajustarse fácilmente para que se adapte a una diversidad de requisitos de funcionamiento.

Como se ha comentado anteriormente en relación con el documento US 5,289,922, un aparato para tribocargar partículas de materiales eléctricamente aislantes comprende un tambor giratorio hecho de un material metálico para contener las partículas. El tambor tiene una entrada para cargar material y una salida para descargar material. Además, el aparato tiene medios para hacer girar el tambor alrededor de un eje de rotación, siendo tal la orientación del eje de rotación que, en funcionamiento del aparato, las partículas se voltean unas contra otras y contra paredes interiores del tambor, pasando así a estar tribocargadas. Una torre de separación electrostática, que tiene paredes que se estrechan gradualmente y al menos un par de electrodos dispuestos en paredes opuestas de la torre, está dispuesta junto a la salida. Las partículas descargadas caen en la torre y son separadas en un campo eléctrico generado entre el al menos un par de electrodos.

De acuerdo con la presente invención, tal aparato comprende, además, medios de vigilancia para proporcionar a un operador información sobre la cantidad de partículas que se están separando en la torre. Los medios de vigilancia comprenden una red de láseres que están dispuestos en una pared de la torre, siendo dirigida la luz emitida por los láseres a través de una parte inferior de la torre en dirección sustancialmente perpendicular a los electrodos; y una red de fotodiodos dispuestos análogamente a la red de láseres, pero en la pared opuesta de la torre. La red de fotodiodos está dispuesta para detectar la intensidad de la luz que alcanza la red de electrodos desde la red de láseres.

Los medios de vigilancia comprenden además, preferiblemente, unos medios amplificadores, inversores y convertidores para amplificar, invertir y convertir la salida de la red de fotodiodos, unos medios multiplexores para escrutinizar los datos recogidos y un ordenador al cual se alimentan los datos escrutinizados y en donde se presentan los datos sobre unos medios de presentación.

En la superficie exterior del tambor pueden estar dispuestos unos medios de tamizado de mallas de retirada de finos para permitir que escapen los finos de dentro del tambor.

El tambor comprende ventajosamente al menos dos secciones separadas unidas una con otra por una pluralidad de barras mezcladoras dispuestas en una superficie interna de las secciones. Las barras mezcladoras están radialmente espaciadas y posicionadas longitudinalmente a lo largo de una pared interior del tambor. Los medios de tamizado de mallas de retirada de finos pueden estar, además, cubiertos en parte por una banda metálica para proporcionar resistencia mecánica a los medios de tamizado.

El tambor puede comprender, además, unos medios directores de una corriente de flujo de aire dispuestos junto a los medios de tamizado de mallas de retirada de finos para dirigir un flujo de aire contra los medios de tamizado a fin de impedir así que los medios de tamizado se cieguen con material suelto que circule en el tambor.

El aparato comprende además, preferiblemente, una pluralidad de paletas dispuestas en la salida del tambor y fijadas a lo largo de una pared interior del tambor para igualar el flujo de descarga de partículas del tambor a través de la salida.

El aparato comprende además, ventajosamente, un embudo dispuesto por debajo de la salida y entre la salida y la torre de separación basta electrostática para dirigir partículas hacia fuera de una posición central de dicho embudo. El embudo comprende preferiblemente una estructura de forma de tejado dispuesta en el interior del embudo. La estructura de forma de tejado tiene ventajosamente unas paletas fijas para dirigir adicionalmente partículas hacia fuera de la posición central del embudo. El embudo comprende además, ventajosamente, un canal de salida que tiene una varilla dispuesta para asegurar una velocidad mínima de las partículas que abandonan el canal de salida.

Otras características de la invención serán descritas o resultarán evidentes en el curso de la descripción detallada siguiente.

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Breve descripción de los dibujos

Con el fin de que pueda entenderse más claramente la invención, se describirá ahora con detalle la realización preferida de la misma a título de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una vista en perspectiva del sistema de distribución de partículas en su conjunto para la separación electrostática de residuos de plástico mezclados;

la Figura 2 es una vista lateral del sistema;

la Figura 2a es una vista en sección parcial de la zona en la que el tubo entrega partículas al embudo de distribución;

la Figura 2b es una vista frontal superior del sistema;

la Figura 3 es una vista frontal del sistema;

la Figura 4 es una vista en sección frontal del tambor, tomada por la linea A-A de la Figura 2;

la Figura 4a es una vista en sección frontal del tambor, tomada por la linea B-B de la Figura 2;

la Figura 5 es una vista lateral en sección parcial de la zona de tamizado del tambor;

la Figura 5a es una vista de primer plano de la Figura 5 mostrando las boquillas de aire y el tamiz;

la Figura 6 es un diagrama esquemático del sistema de vigilancia del sistema de separación; y

la Figura 7 es un histograma de la cantidad de partículas en un instante ilustrativo.

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Mejor modo de realizar la invención

Como se muestra en las Figuras 1 a 7, se representan en estas Figuras 1 a 7 una realización preferida de la invención. Un aparato para la separación electrostática de partículas residuales de plástico mezcladas está designada en general con 50. El aparato comprende un tambor 1 que tiene una entrada 11 y una salida 13. El tambor está inclinado con la entrada situada a mayor altura que la salida, de modo que el residuo de plástico cargado es transportado de la entrada a la salida cuando se hace girar el tambor. El tambor tiene, además, unos nervios 4 de soporte del mismo espaciados de preferencia en sentido longitudinal y dispuestos en una superficie exterior del tambor. Los nervios de soporte engranan con al menos una rueda de accionamiento 7, hecha preferiblemente de caucho o revestida de caucho para proporcionar una fricción incrementada. Ventajosamente, y para lograr una tracción incrementada entre el tambor 1 y las ruedas de accionamiento 7, está dispuesto un par de ruedas de accionamiento que tienen el eje de rotación de la ruedas paralelo al eje de rotación del tambor, y las ruedas del par están dispuestas en lados opuestos de un plano vertical que pasa por el centro del tambor. La al menos una rueda de accionamiento es propulsada por una unidad de accionamiento 8, por ejemplo un motor eléctrico. El tambor está dividido preferiblemente en secciones, por ejemplo una primera sección 3 y una segunda sección 5. La unión entre las dos secciones tiene barras mezcladoras internas 16' que alinean y soportan las diferentes secciones, y también proporcionan un mezclado adicional de los residuos. Las barras mezcladoras están radialmente espaciadas una de otra y posicionadas longitudinalmente a lo largo de la pared interior del tambor, como se muestra en las Figuras 4 y 5. Hay al menos tres de estas barras mezcladoras para alinear y soportar apropiadamente las secciones del tambor formando un tambor alargado ininterrumpido. El tambor 1 está posicionado preferiblemente encima de un bastidor 9 para elevar el tambor lo suficiente por encima del nivel del suelo.

Posicionado entre la circunferencia exterior de las dos secciones, y apoyándose en ellas, hay un tamiz de mallas 10, tal como se muestra con detalle en las Figuras 5 y 5a. El tamiz tiene ventajosamente una anchura de alrededor de 5 a 10 cm. El tamaño del tamiz de mallas se selecciona apropiadamente para la aplicación deseada, tal como se describirá seguidamente con mayor detalle. Una banda metálica 12 está fijada con medios de sujeción apropiados, por ejemplo tornillos, cola o soldadura, a una superficie exterior de las secciones del tambor. La banda mecánica proporciona resistencia mecánica e impide una perforación del tamiz. Posicionados por encima del tambor y junto a la zona del tamiz se encuentran unos medios 14 directores de una corriente de flujo de aire, por ejemplo unas boquillas de aire, conectados a una fuente de aire presurizado (no mostrado). La corriente de flujo de aire se dirige hacia el tamiz 10 para impedir que este tamiz se obstruya con el material suelto que circule en el tambor. En una realización de la invención una torre electrostática 20' de separación de finos posicionada justo por debajo del tamiz, cuyos parámetros se han optimizado para partículas finas, separa el material más fino que cae a través del tamiz. Como alternativa, los finos pueden ser simplemente recogidos y desechados si la cantidad de finos hace que su separación resulte antieconómica. Esto puede hacerse en cualquier cuba adecuada, tal como recipientes o bolsas de plástico, etc.

Una torre 20 de separación basta electrostática está dispuesta junto a la salida 13 del tambor 1. La torre de separación basta electrostática tiene al menos un par de electrodos 24 que generan un campo eléctrico entre ellos. Las partículas 6 que caen en el campo eléctrico tomarán trayectorias diferentes dependiendo de la carga eléctrica de las partículas individuales. De esta manera, las partículas son separadas en fracciones diferentes que constan de un grupo de materiales por fracción. Esto facilita en gran medida la recuperación y reutilización de plásticos residuales.

Para producir una "cortina" deseable de partícula 6, después de que las partículas salen del tambor rotativo 1, una serie de paletas 16, aproximadamente de 10 cm de longitud y preferiblemente en número de al menos diez, están fijadas a la superficie interior del tambor en la salida 13 de este tambor (Figuras 2a y 2b). Las paletas sirven para igualar el flujo de partículas procedentes de la salida y para extender las partículas en una dirección a lo largo de la longitud de los electrodos, como se muestra en la Figura 2b. Para minimizar aún más la velocidad de las partículas que salen del tambor y extender las partículas en una linea paralela a los electrodos, un embudo 30 está posicionado ventajosamente justo por debajo de la salida del tambor y dispuesto entre la salida y la torre 20 de separación basta electrostática. El embudo tiene un canal de salida 33 con una abertura en su fondo, teniendo la abertura preferiblemente una anchura de 8 a 10 mm. El tamaño de la abertura viene dictado por el máximo tamaño de las partículas a encontrar en los materiales residuales de entrada y se especifica como dos veces el tamaño máximo de las partículas. En el interior del embudo 30 hay una estructura 34 de forma de tejado en la cual están montadas unas pequeñas paletas fijas 32 para dirigir las partículas hacia fuera de la posición central del embudo, en donde las partículas caen fuera del embudo, a lo largo de una linea paralela a los electrodos 24. El patrón de paletas es ilustrativo solamente, ya que podrían encontrarse otras disposiciones que distribuyen también las partículas de la manera deseada. Una pequeña varilla 36, dispuesta aproximadamente a mitad de camino del canal de salida del embudo, asegura una velocidad mínima de las partículas, ya que éstas no tienen una trayectoria de caída recta al salir del embudo.

Para producir una deseable información instantánea del funcionamiento de la torre 20 de separación basta electrostática, la estructura global del aparato 50 para la separación electrostática de residuos de plástico mezclados es como se ilustra en las Figuras 1 y 2. Para presentar la distribución del material a medida que las partículas 6 caen a través del campo electrostático en la torre 20 de separación basta electrostática, se ha diseñado y construido una unidad como la mostrada diagramaticamente en la Figura 6. El campo electrostático es generado entre el al menos un par de electrodos 24 dispuestos en paredes laterales opuestas de la torre. Unos medios de vigilancia consistentes en una red de láseres 22 están dispuestos en una pared lateral de la torre. La luz emitida por los láseres es dirigida a través de una parte inferior de la torre en dirección sustancialmente perpendicular a los electrodos 24. Preferiblemente, se utilizan dieciséis láseres individuales, aunque el número real depende, entre otros factores, del tamaño de la torre. La intensidad de la luz que alcanza la pared lateral alejada de la torre es detectada por una red de fotodiodos 23 dispuestos análogamente a la red de láseres, pero en la pared lateral opuesta a la red de láseres. La salida de los fotodiodos es amplificada, invertida y convertida en un número digital de ocho bits por una unidad de control. Utilizando un multiplexor, los datos recogidos son escrutinizados y alimentados a un ordenador, en donde los datos son presentados en un medio de presentación, por ejemplo en forma de un histograma como se ilustra en la Figura 7. La altura de las barras representa la cantidad de material que cae a través de esa porción de la torre de separación basta electrostática y el patrón del histograma puede utilizarse para evaluar sobre una base continua la efectividad de la separación.

La estructura de tamiza de separación de finos tiene una serie de ventajas sobre la técnica anterior. Dado que el material es separado por tamaño en dos fracciones que son separadas después electrostáticamente, se mejoran la calidad y rendimientos de la separación. Además, dado que las dos fracciones se separan en torres electrostáticas diferentes, el campo puede optimizarse para las partículas pequeñas y las grandes, dando así una mejor separación. Dado que se pueden retirar los finos antes de que entren en la torre 20 de separación basta electrostática, se puede minimizar la contaminación de los electrodos en la torre de separación. La presencia de las paletas 16 en la salida 13 del tambor da como resultado que salga material del tambor en un flujo sustancialmente continuo, sin ráfagas repentinas de cantidades grandes de material. La estructura interior del embudo, en el que la pieza interior 34 de forma de tejado impide que caigan las partículas en una trayectoria clara desde la salida del tambor hasta la torre de separación basta electrostática, disminuye la velocidad de las partículas que entran en la torre. Las paletas 32 en el interior del embudo dirigen el material a lo largo de una línea paralela a los electrodos de la torre. Por tanto, se mejora la capacidad de producción sin degradar las prestaciones, lo cual es causado por los números extremos de partículas que caen a través de una región de espacio limitada, siendo el resultado que la carga de las partículas está apantallando a las partículas contiguas frente al campo completo requerido para una separación apropiada. Se le presenta al operador una indicación instantánea de la eficacia de la separación, sobre la cual aquél puede basar decisiones concernientes a si la unidad está funcionando apropiadamente. Por ejemplo, para una mezcla binaria 50-50 se esperaría una distribución bimodal, mientras que para una mezcla 95-5 ha de esperarse una distribución gaussiana con un hombro en un lado. Las desviaciones de los patrones esperados y presentados inducirían al operador a buscar la causa de la desviación. El almacenamiento de patrones de distribución durante una separación satisfactoria de una alimentación mixta particular le permitiría al operador reclamar ese patrón y comparar el patrón corriente como un medio de asegurarse de que está teniendo lugar un funcionamiento apropiado de la unidad. Esto es particularmente importante cuando se vuelve a un material de alimentación particular después de periodos en los que se han separado otras alimentaciones. La atenuación del haz de láser es proporcional a la cantidad de material que cae entre el láser y el detector. Por tanto, el histograma, después de calibraciones, puede utilizarse para totalizar la cantidad de material que está siendo procesada por la unidad de separación. Además, se pueden calcular rendimientos basándose en la posición de los separadores utilizados para establecer corrientes de producto.

En el proceso de separación descrito las partículas son alimentadas a un tambor rotativo ligeramente inclinado. Las partículas se voltean una sobre otra dando como resultado una transferencia de carga por electrificación de contacto. Debido a la inclinación, las partículas se mueven gradualmente hacia el extremo de salida del tambor una vez que han quedado plenamente cargadas. Luego caen verticalmente a través de la torre de separación basta electrostática en la cual se mantiene el campo eléctrico con ayuda de electrodos sometidos a alto voltaje. Como consecuencia del campo, las partículas se mueven hacia el electrodo positivo o negativo dependiendo de la polaridad de la carga en cada partícula individual, y se efectúa la separación de acuerdo con el tipo de plástico.

1. Tamaño de partículas, rango de tamaño de partículas y finos

El proceso depende de la capacidad de que las partículas cargadas sean arrastradas a lo largo de una distancia significativa en dirección horizontal por las fuerzas electrostáticas en la torre de separación. Las mediciones muestran que cuanto más grande sea la relación de carga a masa, tanto más lejos serán movidas las partículas por el campo eléctrico. La carga que una partícula puede alcanzar depende del área de la superficie, que evoluciona proporcionalmente al cuadrado del tamaño de las partículas, mientras que la masa depende del volumen, que evoluciona proporcionalmente el cubo del tamaño de las partículas. Así, las relaciones de carga a masa aumentan cuando disminuye el tamaño de las partículas. Las partículas más pequeñas pueden ser movidas más fácilmente por las fuerzas eléctricas.

Prácticamente, los voltajes superiores a aproximadamente 60 kW son difíciles de sostener. Esto limita el campo eléctrico práctico aproximadamente 400 kW/m con un espaciamiento entre electrodos de aproximadamente 300 mm. Dado que los plásticos tienen densidades que usualmente están cerca de 1 gramo/centímetro cúbico, el límite superior de las partículas que pueden moverse significativamente en tal campo eléctrico es aproximadamente 10 mm. Esto define las partículas más grandes que pueden ser separadas por el proceso. La excepción de esto son las partículas de espuma de plástico, tal como poliuretano, cuya densidad es inferior en un factor de aproximadamente 10. Para tales materiales, el límite superior del tamaño de las partículas es aproximadamente 20 mm.

En el límite inferior, las partículas que son muy finas, con un tamaño inferior a aproximadamente 100 micrómetros, cuando se cargan con polaridad opuesta se pegarán una a otra debido a las fuerzas electrostáticas entre las partículas. Esta unión no puede romperse fácilmente con ayuda de medios mecánicos, tal como impacto sobre una superficie. Las partículas combinadas actuarán entonces en un campo eléctrico como si fueran una sola partícula con una carga igual a la suma de las cargas positivas y negativas, un valor próximo a cero. Evidentemente, para estas partículas combinadas no es efectiva la separación. Por tanto, el proceso puede aplicarse a partículas en el rango de aproximadamente 100 micrómetros a 10 mm.

La alimentación ideal para el proceso es un material con un rango de tamaño de partículas muy estrecho. En ese caso, cada partícula será cargada hasta aproximadamente la misma carga total y las relaciones de carga a masa de cada partícula serán muy aproximadamente las mismas. Esto conduce a un rango muy estrecho de desplazamientos horizontales en la torre de separación para partículas del mismo plástico. Las partículas de tamaños diferentes del mismo plástico tendrán un rango de relaciones de carga a masa, un rango más amplio de desplazamientos horizontales y, por tanto, resultados de separación más pobres. Prácticamente, se obtiene una buena separación con un rango de tamaños de partículas de un factor de 3, por ejemplo 2 a 6 mm.

Los finos presentes en una mezcla de material residual han de ser retirados para lograr resultados de separación de alta pureza. Las partículas finas de un plástico cargada con una polaridad se fijan a partículas grandes de un plástico diferente cargado con polaridad opuesta. Las fuerzas mecánicas vuelven a ser incapaces de desalojar estas partículas finas, las cuales son transportadas entonces a la corriente producto de partículas grandes reduciendo la pureza obtenida. Para separaciones de alta pureza, estas partículas tienen que ser retiradas, por ejemplo por elutriación con aire o tamizado, antes del proceso de separación.

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2. Humedad

El proceso depende de la carga por contacto o triboelectrificación, en la cual se transfiere carga durante el contacto de dos materiales no conductores disimilares. Los materiales tienen que estar lo bastante secos para que la conductividad superficial sea baja. Aunque los materiales conductores se cargarán también por contacto, gran parte de la carga transferida retorna cuando se rompe el contacto. En general, los materiales conductores se cargan menos bien que los materiales aislante. La humedad, en forma de materiales de alta humedad o de alto contenido de humedad, conduce a una conductividad superficial incrementada, disminuyendo así o destruyendo por completo cualquier carga por contacto. Prácticamente, los materiales han de ser expuestos a una humedad de 50% de humedad relativa o más baja para que tenga lugar una carga apropiada. Los resultados de los ensayos muestran el modo en que se degrada la separación cuando la humedad aumenta hasta más del 50% de humedad relativa. La humedad tiene que controlarse en la región alrededor del tambor, y el material que entra en el tambor ha de estar seco. Una alta humedad en las proximidades del tambor puede ser evitada calentando los materiales en aproximadamente 10ºC inmediatamente antes de la separación. En este caso, el breve tiempo que los materiales residen en el tambor no es suficiente para que sus superficies queden saturadas con humedad que destruiría la carga.

3. Tiempo de carga

El proceso de carga depende de una multitud de contactos (muchos millares), de modo que la cantidad de densidad de carga sobre la superficie de cualquier partícula no varia en gran medida respecto de la densidad de carga media. Esto es critico para la calidad de la separación. La carga es un proceso autolimitativo en el que las partículas que se cargan plenamente no tendrán más transferencia de carga en los contactos. Prácticamente, tiempos de residencia de 0,5 a 2 minutos en el tambor, que está girando a 10-20 rpm, son suficientes para conseguir una carga uniforme y suficiente.

4. Geometría y material del tambor

Si dos materiales disimilares están en contacto en ausencia de un campo eléctrico externo, se producirá la carga de las partículas. Si está presente un campo eléctrico que es de dirección opuesta a la transferencia de carga, no se transferirá carga alguna, o si el campo es suficientemente fuerte, se producirá una transferencia de carga en la dirección opuesta. Por tanto, para un proceso satisfactorio, la carga tiene que ocurrir en una situación libre de campo. Tal es el caso dentro de un tambor conductor. Por tanto, el tambor está hecho preferiblemente de un material metálico. Si el tambor está hecho de un material aislante, se pueden acumular cargas muy grandes en el interior del tambor. Esta carga podría perforar súbitamente el aislamiento y dar como resultado una punta de carga grande que podría ser fatal para una persona en contacto con el tambor. Por la misma razón, cualquier tambor conductor tiene que ponerse cuidadosamente a masa. Al mismo tiempo, en un tambor aislante, la carga que alcanzan las partículas positivamente cargadas ha de ser exactamente equilibrada por la carga que alcanzan las partículas negativamente cargadas, es decir que no puede crearse ni destruirse carga. Por otro lado, en un tambor conductor puesto a masa, la carga no necesita ser equilibrada, ya que la carga puede hacerse pasar a las partículas a través del tambor. Esto es importante cuando se retiran pequeñas concentraciones de un material desde un material casi puro; el material principal puede quedar significativamente cargado, mejorando la separación.

5. Sobrecarga

Para materiales con un tamaño medio de partículas de menos de aproximadamente 2 mm y para materiales que se cargan muy fuertemente, tal como Teflon en presencia de polietileno o incluso policloruro de vinilo, la carga puede ser tan fuerte que las partículas se apelotonen unas con otras y la separación resulte insatisfactoria. La solución es reducir el tiempo de residencia en el tambor de carga a 15-30 segundos.

6. Composición de la mezcla

Para mezclas 50-50 de dos componentes, cada uno de los materiales se cargará aproximadamente en la misma cuantía. El material separado en la base de la torre de separación formará una distribución bimodal con la mayoría del componente positivamente cargado cayendo hacia el electrodo negativo y el material negativamente cargado cayendo hacia el electrodo positivo. A medida que las concentraciones se decantan hacia un lado, por ejemplo una mezcla de 95-5, el componente menor se carga muy fuertemente, ya que cada partícula está casi siempre en contacto con una partícula del componente mayor, mientras que el componente mayor se carga poco, ya que cada partícula está principalmente en contacto con el mismo material, lo que no da como resultado transferencia de carga. Así, el componente menor, si la carga es positiva, seguirá siendo arrastrado hacia el electrodo negativo, pero el componente mayor caerá más cerca del eje central de la torre.

Para mezclas de más de dos componentes, habrá siempre un material de carga negativa dominante o un material de carga positiva dominante. Sin embargo, cuando uno de los materiales de carga dominantes es retirado de la mezcla y el material restante es recargado en el tambor, la carga será enteramente diferente. Por ejemplo, en una mezcla que contenga Teflon (PTFE), polietileno (PE) y policloruro de vinilo (PVC), el PTFE se cargara negativamente y será arrastrado hacia el electrodo positivo, mientras que tanto el PE como el PVC se cargarán positivamente y serán arrastrados hacia el electrodo negativo. Sin embargo, después de que se haya retirado el PTFE, el PVC se cargará negativamente, mientras que el PE continuará cargándose positivamente. De esta manera, debido a que cambia la carga a medida que se retiren componentes, múltiples pasadas a través del proceso de separación pueden deshacer mezclas complejas.

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7. Parámetros de entrada de campo

Las partículas que caen desde reposo por gravedad en el aire son aceleradas rápidamente hasta velocidades cada vez mayores. Para maximizar el efecto del campo eléctrico horizontal sobre las partículas cargadas, se deberá minimizar la velocidad a la cual éstas caen a través del campo. Idealmente, deberán partir del estado de reposo justo cuando entran en el campo electrostático. A este fin, se diseñó un embudo de modo que las partículas son forzadas a moverse de un lado a otro y se deslizan a lo largo de planos inclinados después de salir del tambor y antes de entrar en el campo eléctrico. Esto sirve para decelerar las partículas hasta una velocidad mínima antes de que entren en el campo. Al mismo tiempo, todas las partículas deberán entrar en el campo a lo largo del eje entre los electrodos. La capacidad de la unidad puede ser limitada si entran simultáneamente demasiadas partículas en el campo en cualquier punto entre los electrodos. Estas partículas cargadas pueden conducir a una carga espacial que disminuirá el campo y reducirá la eficacia de la separación. Las mismas superficies que se usan para decelerar las partículas son utilizadas también para guiar las partículas, de modo que éstas entren en el campo a lo largo de una línea paralela a los electrodos. Por tanto, una torre de separación de un metro de longitud puede dar acomodo fácilmente a una capacidad de producción de 1 tonelada/hora.

Se apreciará que la descripción anterior se refiere a la realización preferida a título de ejemplo solamente. Muchas variaciones de la invención resultarán evidentes para los expertos en este campo, y tales variaciones evidentes están dentro del alcance de la invención descrita y reivindicada, estén o no expresamente descritas.

Por ejemplo, en vez de una combinación de los componentes banda metálica y tamiz de mallas separado, se contempla una banda integral con porciones de tamiz de mallas a lo largo de su circunferencia. Además, aunque solamente se describen dos secciones como constitutivas del tambor, pueden emplearse también tres o más secciones. Por consiguiente, se pueden incorporar zonas adicionales de tamizado de mallas entre estas secciones adicionales. Zonas de tamizado de mallas más abajo en la dirección del flujo del material pueden retirar partículas más gruesas que las de las zonas de tamizado situadas delante de ellas. Una pluralidad de pequeñas varillas, dispuestas en un patrón apropiado a través de la abertura del embudo, pueden servir para distribuir adicionalmente las partículas a lo largo de la sección transversal de la abertura. Los haces de luz podrían ser creados por lámparas y lentes, aunque se prefiere la luz paralela de un láser.

Aplicabilidad industrial

La presente invención se refiere a un aparato para la separación electrostática de residuos de plástico mezclados, estando la recuperación de los mismos motivada tanto por consideraciones tanto medioambientales como económicas.

Claims

1. Aparato para tribocargar partículas (6) de materiales eléctricamente aislantes, que comprende:

un tambor giratorio (1) hecho de un material metálico para transportar las partículas (6), teniendo dicho tambor una entrada (11) y una salida (13), estando dicho tambor ligeramente inclinado de modo que dicha salida esté ligeramente más baja que dicha entrada;

medios (7, 8) para hacer girar el tambor de modo que dichas partículas se volteen unas contra otras y contra paredes interiores del tambor, quedando así tribocargadas, y avancen desde dicha entrada hasta dicha salida; y

una torre de separación electrostática (20) que tiene al menos un par de electrodos (24) dispuestos en paredes opuestas de dicha torre, para separar las partículas que caen desde dicha salida de dicho tambor en dicha torre en un campo eléctrico generado entre dicho al menos un par de electrodos;

caracterizado porque dicho aparato comprende, además, medios de vigilancia para proporcionar a un operador información sobre la cantidad de partículas que se están separando en dicha torre, comprendiendo dichos medios de vigilancia:

una red de láseres (22) que están dispuestos en una pared de dicha torre, siendo dirigida la luz emitida por los láseres a través de una parte inferior de dicha torre en dirección sustancialmente perpendicular a los electrodos; y

una red de fotodiodos (23) dispuestos análogamente a dicha red de láseres, pero en la pared opuesta de dicha torre, estando dispuesta dicha red de fotodiodos para detectar la intensidad de la luz que llega a dicha red de fotodiodos desde dicha red de láseres.

2. Aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos medios de vigilancia comprenden, además:

unos medios amplificadores, inversores y convertidores para amplificar, invertir y convertir la salida de la red de fotodiodos;

unos medios multiplexores para escrutinizar los datos recogidos; y

un ordenador al cual se alimentan los datos escrutinizados y en cual se presentan los datos sobre un medio de presentación.

3. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado, además, por un tamiz de mallas (10) de retirada de finos alrededor de una parte de dicho tambor por delante de dicha salida para permitir que escapen los finos de dicho tambor antes de que alcancen dicha salida.

4. Aparato según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho tambor comprende, además, unos medios (14) directores de una corriente de flujo de aire, dispuestos junto al tamiz de mallas de retirada de finos, para dirigir un flujo de aire contra dicho tamiz de mallas a fin de impedir que dicho tamiz de mallas se obstruya con material suelto que circula en dicho tambor.

5. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicho tambor tiene una pluralidad de barras mezcladoras (16) dispuestas longitudinalmente a lo largo de una pared interior de dicho tambor.

6. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicho aparato comprende, además, un embudo (30) dispuesto por debajo de dicha salida (13) y entre dicha salida y dicha torre de separación electrostática (20).

7. Aparato según la reivindicación 6, caracterizado, además, por una estructura (34) de forma de tejado por encima de dicho embudo (30) para dirigir partículas hacia fuera del centro de dicho embudo.

8. Aparato según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, caracterizado porque dicho embudo (30) comprende, además, un canal de salida (33) que tiene una varilla (36) dispuesta en el mismo para reducir la velocidad de las partículas que abandonan dicho canal de salida.

9. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado además, por medios para calentar los materiales ligeramente, antes de su introducción en dicho tambor, a fin de reducir su contenido de humedad.