JP2007237585A - 廃プラスチック中のアルミニウム除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】廃プラスチックからルミニウムを効率良く分離する方法を提供する。
【解決手段】廃プラスチックを加熱，溶融，脱塩素，冷却，固化の過程を経て渦流中で衝撃粉砕した後、渦電流選別を施すことによってアルミニウムを除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃プラスチックを再生処理して鉱石還元剤や固形燃料を製造する工程で、廃プラスチック中のアルミニウムを除去する方法に関するものである。

近年、資源の有効利用，炭酸ガスの発生量削減等を達成するために、産業廃棄物系廃プラスチックや一般廃棄物系廃プラスチックを再利用する技術が種々検討されている。また、「容器包装に係る分別収集及び再商品化の促進等に関する法律（平成七年法律第百十二号）」（以下、容器包装リサイクル法という）および「特定家庭用機器再商品化法（平成十年法律第九十七号）」（以下、家電リサイクル法という）が制定され、容器包装リサイクル法に基づいて分別収集された廃プラスチック（以下、容器包装廃プラスチックという）や家電リサイクル法に基づいて分別収集された廃プラスチック（以下、家電廃プラスチックという）が再利用されている。ここでは容器包装廃プラスチック，家電廃プラスチックのみならず、都市ごみ，産業廃棄物，一般廃棄物に含まれるプラスチックを総称して廃プラスチックと記す。

分別収集された容器包装廃プラスチックや家電廃プラスチックを再利用する技術の一つとして、廃プラスチックから鉱石還元剤や固形燃料を製造する技術が検討されている。
しかし、容器包装廃プラスチックや家電廃プラスチックには、
(a)難燃化剤や増量剤等の様々な添加物（いわゆるフィラー）、
(b)一体的に成形された金属（たとえば鉄，アルミニウム等）や無機物（たとえばガラス等）、
(c)分別収集する置場で混入する空き缶や空き瓶，陶磁器
等の異物が混入する。

廃プラスチックを鉱石還元剤や固体燃料として再利用する際には、単位重量あたりの発熱量を高水準に維持するとともに、これらの異物を除去する必要がある。ここでは、上記の(b)，(c)に挙げた金属や無機物を除去する技術について説明する。
異物の除去は、予め廃プラスチックを破砕し、得られた粒子から金属や無機物を除去することによって行なう。従来から鉄の分離には磁力選別機，その他の金属（たとえばアルミニウム，ステンレス鋼等）の分離には金属選別機，無機物（たとえばガラス，陶磁器等）の分離には風力選別機が広く使用される。また、廃プラスチックを溶融あるいは油化して、ろ過や遠心分離と組み合わせる技術も検討されている。

たとえば特許文献１には、廃プラスチックの油化工程において遠心分離を採用することによって異物を除去する技術が開示されている。また特許文献２には、加熱溶融された廃プラスチックをろ過して異物を除去する技術が開示されている。特許文献３には、溶剤に廃プラスチックを溶解した後、ろ過して異物を除去する技術が開示されている。
さらに特許文献４および特許文献５には、容器包装廃プラスチックを再利用する前処理として磁力選別と風力選別を行なう技術が開示されている。特許文献６には、磁力選別と非鉄選別の組み合わせが開示されている。特許文献７および特許文献８には、家電廃プラスチックを処理する工程で磁力選別と渦電流選別を組み合わせる技術が開示されている。特許文献９には、傾斜したデッキを有する振動選別機によって異物を分離する技術が開示されている。

以上に挙げたように、廃プラスチック中の異物を除去する技術は、枚挙にいとまがない。
特開2002-180068号公報 特開平11-70588号公報 特開2000-226469号公報 特開2001-232633号公報 特開平8-120285号公報 特開平10-1680号公報 特開平6-226242号公報 特開平6-106091号公報 特開2000-167833号公報

しかしながら廃プラスチックに異物として混入したアルミニウムを除去するのは困難である。その理由を説明する。
廃プラスチックから鉱石還元剤や固体燃料を得る工程では、前処理として破砕機を用いて廃プラスチックを破砕した後、磁力選別や風力選別によって異物を除去する。磁力選別や風力選別における廃プラスチックと異物の分離を効率良く行なうためには、破砕機で廃プラスチックを数ミリメートル〜十数ミリメートルに破砕する必要がある。このように廃プラスチックを細かく破砕すると、破砕機の刃物の耐用性が著しく低下するのは避けられない。

特に容器包装廃プラスチックには、ポテトチップス等の包装袋に代表されるようなプラスチックとアルミニウムとの複合成形品（いわゆるラミネートフィルム）が多量に混入する。ラミネートフィルムに使用されるアルミニウムは、数ミクロン〜数十ミクロン程度の極めて薄いフィルムであり、渦電流選別を行なうと、渦電流によってアルミニウムに発生するする反発力は小さく、かつアルミニウムが飛び出す際の空気抵抗が大きいので、その飛距離は短くなる。つまり、アルミニウムを分離する際に渦電流選別を適用すると効率の低下を招く。

本発明は上記のような問題を解消し、廃プラスチックからアルミニウムを効率良く分離する方法を提供することを目的とする。

発明者らは、廃プラスチックとアルミニウムの熱膨張率の違いおよび界面特性の違いに着目して、廃プラスチックからアルミニウムを分離する方法について鋭意検討した。その結果、廃プラスチックを加熱して溶融させた状態で塩素を除去（以下、脱塩素という）し、さらに冷却して固化することによって得られた固形物を粉砕すると、アルミニウムを廃プラスチックから容易に分離できることを見出した。さらに、特定の粉砕機を使用することによって、アルミニウムが球状の粒子に変化し、渦電流選別による分離効率が著しく向上し、しかも粉砕されたアルミニウムの球状の粒子には、アルミニウムが濃縮されることが分かった。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、廃プラスチックを加熱，溶融，脱塩素，冷却，固化の過程を経て渦流中で衝撃粉砕した後、渦電流選別を施すことによってアルミニウムを除去する廃プラスチック中のアルミニウムの除去方法である。
また本発明は、廃プラスチックを加熱，溶融，脱塩素，冷却，固化，粉砕の過程を経て得られた固体を篩によって選別し、篩の目開きよりも大きい粒子径を有する固体を渦流中で衝撃粉砕した後、渦電流選別を施すことによってアルミニウムを除去する廃プラスチック中のアルミニウムの除去方法である。

本発明のアルミニウム除去方法においては、衝撃粉砕を行なうにあたって、ケーシングに設けられた溝と、回転するローターとの間に微小の渦を発生させる微粉砕機を使用することが好ましい。

本発明によれば、廃プラスチックからアルミニウムを効率良く分離できる。その結果、
(A)廃プラスチックを原料として、発熱量が大きく燃焼性に優れた固体燃料や鉱石還元剤を製造できる、
(B)塩素を含有する廃プラスチックから塩素を除去できるので、廃プラスチックを原料として、無公害の固体燃料や鉱石還元剤を製造できる、
(C) 塩素を含有する廃プラスチックから塩素を除去できるので、廃プラスチックを原料として製造した固体燃料や鉱石還元剤を使用した場合に燃焼装置や還元反応炉の化学的浸蝕を防止できる
等の効果が得られる。

本発明を適用する廃プラスチックと、その加熱，溶融，脱塩素，冷却，固化，粉砕の工程を説明する。
〔廃プラスチック〕
本発明を適用する廃プラスチックは、容器包装廃プラスチック，家電廃プラスチックのみならず、都市ごみ，産業廃棄物，一般廃棄物に含まれるプラスチックである。具体的には、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，塩素化ポリエチレン，ポリスチレン，ポリエチレンテレフタレート，ポリカーボネイトおよびナイロンやその他の熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂など全てのものに適用できる。なお本発明を適用する廃プラスチックは、ここで挙げた化学物質のうち１種のみであっても良いし、あるいは２種以上が混在しても良い。

廃プラスチックは、加熱するに先立って粗く裁断する。すなわち紐状，帯状の廃プラスチックは長さ10cm程度に裁断し、平板状，シート状の廃プラスチックは一辺10cm程度の矩形に裁断する。さらに細かく裁断しても、支障なく加熱，溶融を行なうことは可能である。しかし、細かく裁断すれば裁断コストが上昇するので、10cm程度に粗く裁断することが好ましい。

〔加熱，溶融，脱塩素工程〕
粗く裁断した廃プラスチックを反応器内で200〜400℃（好ましくは250〜340℃）に加熱して溶融させ、塩素を除去（すなわち脱塩素）する。これらの処理はバッチ方式で行なっても良いし、あるいは一連の処理を連続して行なっても良い。また、バッチ切り替え等の中間型でも良い。また、脱塩素は、前述の温度に加熱することによって塩素含有樹脂が一部熱分解し、塩素がＨClとして樹脂から離脱することで行なう。水素を共存させ、水素化脱塩素することも可能であるが、経済的ではない。

処理時間が10分未満では、反応器内の温度を一定に維持するのが困難であるばかりでなく、脱塩素の効率が低下する。一方、処理時間が30時間を超えると、脱塩素処理効率が低下する。したがって、処理時間は、10分〜30時間の範囲内が好ましい。
なお、反応器内に熱媒体を共存させても支障なく処理を行なうことができる。
〔冷却，固化工程〕
脱塩素の終了後、溶融状態の廃プラスチックを冷却し、固化（すなわち凝固）させる。除熱量は、溶融状態の廃プラスチックの温度と固化した廃プラスチックの温度との間のエンタルピー量および冷却から固化までの所要時間から計算される。たとえば容器包装廃プラスチックでは、固化した中心部の温度が110℃程度になるように制御すれば良い。

このようにして行なう冷却固化は、溶融状態の廃プラスチックをベルトクーラーに定量供給することによって冷却し固化する方法、溶融状態の廃プラスチックを直径数mm〜数十mmの孔から押し出しながら溶融状態のままカッティングして水中に投入する方法（いわゆるホットカット）、溶融状態の廃プラスチックを冷却用容器に流し込んで冷却し固化する方法等を採用する。

〔粉砕工程〕
溶融状態の廃プラスチックを冷却し固化することによって得られた固形物を粗粉砕して所定の粒度に調整した後、渦流中で衝撃粉砕を行なう。粗粉砕は、ジョークラッシャー，ロールクラッシャー，ジェットミル，ハンマーミル，ボールミル，遠心ミル等の従来から知られている粉砕機を使用する。

図１は、渦流による衝撃粉砕を行なう微粉砕機の例を模式的に示す断面図である。内面に溝２が設けられたケーシング１の内側には、回転するローター３が配設される。ローター３が矢印ａの方向へ回転することによって、ローター３の先端とケーシング１の内面との隙間に高速の渦流４（ジェット気流）を発生させる。廃プラスチックの固形物は、この渦流４中で衝撃粉砕され、含有されるアルミニウムが球状の粒子に変形する。このような衝撃粉砕機としては、ウルトラローター（独エッカリング社製），ニューミクロシクロマット（増野製作所製）等を使用すれば、支障なく衝撃粉砕を行なうことが可能である。

渦流中の衝撃粉砕によって得られた廃プラスチックの微粉砕物の粒径が10mmを超えると、後述するアルミニウムの渦電流選別が困難になる。したがって、廃プラスチックの微粉砕物の粒径は10mm以下が好ましい。
渦電流選別に先立って廃プラスチックの微粉砕物を分級し、粒径が10mmを超えるものは、再度、微粉砕機に装入して衝撃粉砕を行なうことによって、渦電流選別の効率を高めることができる。

〔アルミニウム除去工程〕
渦流中の衝撃粉砕によって得られた廃プラスチックの微粉砕物は、渦電流選別によってアルミニウムの粒子を分離する。渦電流選別は、渦電流を発生させたときの電磁誘導力を利用してアルミニウムの粒子を弾き飛ばす技術である。
アルミニウムを除去した後、さらに廃プラスチックの微粉砕物を細かく粉砕しても良い。アルミニウムを除去して次工程（たとえば鉱石還元剤や固形燃料の製造工程）に送給する際の粒径は、次工程で用いる装置の仕様や廃プラスチックの微粉砕物の用途等に応じて設定する。

以上に説明した工程を経て得られた廃プラスチックの微粉砕物の粒度分布，灰分含有量，灰分中のAl含有量を調査した結果を表１に示す。なお表１は、廃プラスチックとして容器包装廃プラスチックに関する調査結果の一例であり、その他の廃プラスチック（たとえば家電廃プラスチック，都市ごみ等に含まれるプラスチックなど）は異なる分布を有する。

表１から明らかなように、粒子径0.15mm以下の粉砕物のアルミニウム（Al）含有量は小さい。この現象は、廃プラスチックの微粉砕物にはラミネートフィルムに使用される金属アルミニウムや添加剤として使用されるアルミナが混在するので、粉砕され難い金属アルミニウムが粗粒中に多く残存したことが原因であると推定される。
このような廃プラスチックを加熱，溶融，脱塩素，冷却，固化の過程を経て得られた固形物を、さらに渦流中で衝撃粉砕して得られた粒子径１〜２mmの微粉砕物に含まれるアルミニウムを選別したものを図２，３に示す。図２は渦流中で衝撃粉砕した微粉砕物中のアルミニウムの形態を示す写真（10倍）であり、図３はシュレッダーで粉砕した微粉砕物中のアルミニウムの形態を示す写真（10倍）である。図２のアルミニウムは球状の粒子であるのに対して、図３のアルミニウムは平板に近い形状を有している。

図２に示す球状のアルミニウム粒子は、渦電流を発生させたときの電磁誘導力を利用してアルミニウムの粒子を弾き飛ばす際に空気抵抗が小さくなり、渦電流選別を効率良く行なうことができる。
本発明を適用してアルミニウムを除去した微粉砕物は、鉱石還元剤や固体燃料の原料として使用できる。この廃プラスチックの微粉砕物から製造した鉱石還元剤は、銑鉄を製造する竪型炉（たとえば高炉等）で支障なく使用できる。また、廃プラスチックの微粉砕物から製造した固体燃料は、コークス炉，ロータリーキルン，キュポラ，ボイラー等の燃料として使用できる。

10kgの容器包装廃プラスチックを１cm程度に裁断した後、図２に示す反応器５（容量50リットル）に収容し、320℃で１時間加熱して溶融させた。その結果、水封式流出管11内の水封水12のｐＨが２以下となり、塩素イオンが検出された。これによって、反応器５内の溶融状態の廃プラスチック６から塩素が除去されたことが分かる。
次いでバルブ10を開いて反応器５から廃プラスチック６を冷却用容器（図示せず）に排出し、室温まで冷却して固化した。こうして得られた廃プラスチックの固形物をシュレッダー型のカッターミル（朋来鉄工所製）で粗粉砕し、さらに目開き９mm（円孔）の篩で分級した。その結果、粒径９mm以下の粒子（以下、処理済廃プラスチック粗粉という）が8.2kg回収された。

この処理済廃プラスチック粗粉を大気中で焼成（625℃，４時間）した後、灰分含有量を測定した。灰分含有量は10.8質量％であった。また、灰分中のAl含有量は31.8質量％であった。
次に、処理済廃プラスチック粗粉をウルトラローターで衝撃粉砕した。こうして得られた微粉砕物100ｇを渦電流選別したところ、ほぼ純粋なアルミニウム粒子が2.3ｇ回収された。なお、渦電流選別にはアルミ選別機（日本マグネティックス製）を使用した。

アルミニウムを除去した廃プラスチックの微粉砕物97.7ｇを大気中で焼成（625℃，４時間）した後、灰分含有量を測定した。灰分含有量は5.53質量％であった。また、灰分中のAl含有量は20.8質量％であった。これを発明例１とする。
また、発明例１と同様の方法で製造した処理済廃プラスチック粗粉をウルトラローターで衝撃粉砕し、目開き1.18mmの篩で分級した。粒径1.18mmを超える粒子100ｇについて手作業でアルミニウム粒子を除去したところ、ほぼ純粋なアルミニウム粒子が9.2ｇ回収された。もちろん、手作業によらず、渦電流選別を行なうことも可能である。同じように、粒径1.18mm以上の粒子100ｇを渦電流選別したところ、ほぼ純粋なアルミニウム粒子が9.1ｇ回収された。なお、渦電流選別にはアルミ選別機（日本マグネティックス製）を使用した。これを発明例２とする。

一方、比較例として、発明例１と同様の方法で製造した処理済廃プラスチック粗粉230ｇを渦電流選別したところ、アルミニウムとプラスチックが融着した粒子が２ｇ回収された。なお、渦電流選別にはアルミ選別機（カネテック製）を使用した。アルミニウムを除去した処理済廃プラスチック粗粉を大気中で焼成（625℃，４時間）した後、灰分含有量を測定した。灰分含有量は10.9質量％であった。また、灰分中のAl含有量は30.6質量％であった。

比較例のアルミニウム回収量は、処理済廃プラスチック粗粉100ｇあたり0.9ｇとなる。この数値にはアルミニウム粒子に付着したプラスチックも含まれるが、プラスチックは軽量であるから、アルミニウムが0.9ｇ回収されたと判定した。
発明例１，２のアルミニウム回収量は、処理済廃プラスチック粗粉の微粉砕物100ｇあたり2.3ｇ，9.1ｇであったのに対して、比較例では、処理済廃プラスチック粗粉100ｇあたり0.9ｇであった。

したがって、本発明を適用することによって、廃プラスチックからアルミニウムを効率良く分離できることが確かめられた。
また発明例１と発明例２を比べると、発明例２は衝撃粉砕に先立って分級を行なったので、アルミニウムを分離する効率が大幅に向上した。

渦流による衝撃粉砕を行なう微粉砕機の例を模式的に示す断面図である。 渦流中で衝撃粉砕した粉砕物中のアルミニウムの形態を示す写真である。 シュレッダーで粉砕した粉砕物中のアルミニウムの形態を示す写真である。 反応器の例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ 溝
３ ローター
４ 渦流
５ 反応器
６ 溶融状態の廃プラスチック
７ 加熱装置
８ モーター
９ 攪拌羽根
10 バルブ
11 水封式流出管
12 水封水

Claims (3)

1. 廃プラスチックを加熱、溶融、脱塩素、冷却、固化の過程を経て渦流中で衝撃粉砕した後、渦電流選別を施すことによって前記廃プラスチック中のアルミニウムを除去することを特徴とする廃プラスチック中のアルミニウムの除去方法。
2. 廃プラスチックを加熱、溶融、脱塩素、冷却、固化、粉砕の過程を経て得られた固体を篩によって選別し、前記篩の目開きよりも大きい粒子径を有する固体を渦流中で衝撃粉砕した後、渦電流選別を施すことによって前記廃プラスチック中のアルミニウムを除去することを特徴とする廃プラスチック中のアルミニウムの除去方法。
3. 前記衝撃粉砕を行なうにあたって、ケーシングに設けられた溝と、回転するローターとの間に微小の渦を発生させる微粉砕機を使用することを特徴とする請求項１または２に記載の廃プラスチック中のアルミニウムの除去方法。