一种基于磁-阿基米德的塑料废弃物动态分离装置及方法与流程

本发明涉及一种塑料废弃物分离装置，具体涉及一种基于磁-阿基米德的塑料废弃物动态分离装置及方法。

背景技术

塑料制品具有易于制造、质量轻、绝缘隔热、耐腐蚀等优势，在日常生活、工业生产等各个方面都有着广泛的应用，也由此产生了许多塑料废弃物。我国在全球的塑料生产占比最高，为29％，而回收利用率仅为9％左右，远低于欧洲的45％。如果不能合理有效的处理这些塑料废弃物，将会对自然环境、食品安全等造成威胁。分离成本高、分离方法效果差，是塑料废弃物回收利用的一大阻碍。

在工业上，较为成熟的塑料分离方法主要有光电分选法、风选法和静电分选法。光电分选法利用不同种类塑料对x射线的吸收率不同进行分离，但是只能分离块状塑料，对黑色塑料就束手无措了，此外，分离效果易受塑料清洁程度影响，且不合适破碎的细颗粒塑料。风选法利用不同塑料对气流的阻力与自重的合力差进行分选，但是对颗粒的形状要求较高，分离物的大小和形状将会对分离结果产生影响，因此，分离效果差。静电分选法是将粉碎的塑料废弃物加上高电压使之带电，再使其通过电极之间的电场进行分选，其关键是使不同种类的塑料携带极性相反的电荷，需要较为复杂的预处理，适用于两种塑料构成的混合物，多种塑料混合物的分离效果不好。因此，以上三种方法分离塑料的种类与数量有限，操作复杂，装置昂贵，分离效果欠佳，通常需要综合应用。

学术上，研究较多的是泡沫浮选法和水力旋流器法。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。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于磁-阿基米德的塑料废弃物动态分离装置及方法。该方法能够实现塑料废弃物颗粒分离。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于磁-阿基米德的塑料废弃物动态分离装置，包括：

分离池；

磁铁投放装置，所述磁铁投放装置接于所述分离池的一侧壁外侧，所述磁铁投放装置设有磁铁投放腔，所述磁铁投装置的底部与所述分离池的底部处于同一平面内；

磁铁，所述磁铁放置于所述磁铁投放腔内，高度与所述分离池内腔高度相同；

样品投放道，所述样品投放道为长方体形状，贴附于所述分离池上靠近所述磁铁投放装置的一侧壁内侧，所述样品投放道的侧壁上开设有样品出口；

所述塑料废弃物动态分离装置用于对直径处于[4mm，相邻塑料废弃物的落点之间的距离]范围内的塑料废弃物的分离。

当塑料废弃物被投放到样品投放道内时，通过样品出口涌入到分离池内，同时受到磁铁产生的静磁场对其的磁场力，顺磁性介质溶液对其产生的浮力，以及自身重力作用，使其漂浮于顺磁性介质溶液表面或沉入分离池底部，实现对塑料废弃物的分离。

为了便于观察和收集被分离的塑料废弃物，与所述样品投放道挨着的所述分离池的一侧壁为玻璃体。进一步地，所述玻璃体通过所述分离池宽度方向上两侧壁内侧的滑轨设置。

上述塑料废弃物动态分离装置不仅能实现对塑料废弃物的动态分离，还能实现对塑料废弃物进行分类，具体地，所述分离池长度方向上两侧壁的顶部内侧面上装有第一卡槽件，所述第一卡槽件上设有多个卡槽，以支撑固定多个分类隔板。进一步地，所述第一卡槽件一体成型于所述分离池长度方向上两侧壁的顶部内侧面，或可拆卸地贴附于所述分离池长度方向上两侧壁的顶部内侧面。

具体地，所述分离池的底部内可拆卸地安装有第二卡槽件，所述第二卡槽件的对称边缘上设有多个卡槽。

为了便于投放样品，所述样品投放道的任意侧壁的上部开设有若干个通孔，用于排放所述样品投放道内的顺磁性介质溶液。

为了便于取放磁铁，所述磁铁投放装置的相对的两侧壁上设有通孔。

上述顺磁性介质溶液可以为mncl2溶液，及其他磁化率大，粘度小的锰、铁、钴、镍、钆盐溶液。

为了便于投放克服顺磁性介质溶液的浮力，将待分离样品投入到分离池内，所述塑料废弃物动态分离装置还配设有样品投放勺。

一种利用上述塑料废弃物动态分离装置对塑料废弃物进行分离的方法，包括以下步骤：

根据待分离样品的密度差异，配制合适浓度的顺磁性介质溶液，以保证不同密度的待分离样品在顺磁性介质溶液中达到比较明显的分离效果，并将配置好的顺磁性介质溶液注入分离池；

利用投放勺将待测物品通过样品投放道投放到分离池内；

静置一段时间后，将不同区域的待分离样品取出，实现对塑料废弃物的分离。

利用上述塑料废弃物动态分离装置实现对塑料废弃物分离的原理为：置于顺磁性介质溶液中的塑料废弃物会在磁场力、重力、浮力作用下在溶液中向上或向下运动，其具体运动形式与塑料废弃物的密度和磁场强度有关。对于放入顺磁性介质溶液中的塑料废弃物，其受到的磁场力fmag、浮力fb、质量m和加速度a可分别表示为：

fb＝-ρmvg(2)

fg＝mg(3)

ma＝fmag+fb+fg(4)

m＝ρsv(5)

其中，χs为塑料废弃物磁化率，χm为顺磁性溶液磁化率，b为磁感应强度，为向量梯度算子，g为重力加速度，μ0＝4π×10^-7n/a²，为真空磁导率，v为塑料废弃物体积，ρs为塑料废弃物密度，ρm为顺磁性溶液密度，

综合以上公式(1)～(4)，在忽略溶液曳力的情况下，被测塑料废弃物所受合力为：

f＝fmag+fg+fb(6)

在忽略溶液曳力的情况下，利用牛顿第二定律联立上述(1)～(5)，得到加速度a为：

由公式(7)可得，加速度a与塑料废弃物的密度ρs有关，与体积v无关，因此，在保证相同初速度的前提下，密度不同的塑料废弃物，会产生不同的加速度从而导致差异化的运动轨迹，实现对塑料废弃物的分离。

该装置建议针对直径大于等于4mm的塑料废弃物分离的原因为：本发明方法的原理是在忽略溶液曳力(流体阻力)的情况下，加速度a与塑料废弃物的密度ρs有关，与体积v无关。通过仿真模拟计算得到：4mm球形颗粒在运动中所受溶液曳力占其所受合力的比例在5％以下，故建议将该方法用于分离直径大于等于4mm的塑料废弃物。如存在直径过小的塑料废弃物，所受曳力占比较大，会对分离效果有一定影响。

考虑到能够实现分离相邻两个塑料废弃物，还需要确保被分离的塑料废弃物的直径要小于等于相邻塑料废弃物的落点之间的距离。

利用上述塑料废弃物动态分离装置分离塑料废弃物时，对于密度小于介质溶液密度的颗粒，将向上运动而到达装置上部的不同位置；对于密度大于顺磁性介质溶液密度的颗粒，将向下运动而到达装置下部的不同位置。通过在装置上下方不同位置设置隔离板，可以对到达不同位置的塑料废弃物进行分离和收集。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

该方法操作简单，效果明显。克服传统分离方法操作繁琐、成本高、分离品种单一、分离效果差等问题。

附图说明

图1是本发明提供的基于磁-阿基米德的塑料废弃物动态分离装置的结构爆炸图；

图2是本发明提供的基于磁-阿基米德的塑料废弃物动态分离装置的结构示意图；

图3是图2去掉分离池的玻璃体后的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是沿图4的a-a处做剖面后得到的剖视图；

图6是与图1所示的塑料废弃物动态分离装置配合使用的样品投放勺的结构示意图；

图7是将图6所示的样品投放勺与图2所示的塑料废弃物动态分离装置配合使用时的装配图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

参见图1～图7，本发明提供的基于磁-阿基米德的塑料废弃物动态分离装置包括分离池101、磁铁投放装置102、磁铁103、样品投放道201。

分离池101整体为长方体形状，在应用的时候，分离池101装有顺磁性介质溶液。磁铁投放装置102仅接于分离池101的一侧壁外侧，磁铁投放装置102设有磁铁投放腔，磁铁投放装置的底部与分离池101的底部处于同一平面内，磁铁103放置于磁铁投放装置102的磁铁投放腔内，为了便于取放磁铁，磁铁投放装置102的两侧壁上还开有通孔。

样品投放道201为长方体形状，贴附于分离池101上靠近磁铁投放装置102的一侧壁内侧，样品投放道201的侧壁上开设有样品出口203，为了便于投放样品，样品投放道201的任意侧壁的上部开设有若干个通孔202，用于排放样品投放道201内的顺磁性介质溶液。

本实施例中，为了便于观测装置内的待分离的塑料废弃物的运动轨迹，将分离池101的一侧壁设置成透明的玻璃体104，该玻璃体104通过分离池101侧壁上相对设置的滑轨204设置。

本实施例提供的塑料废弃物动态分离装置除了对待测塑料废弃物进行分离外，还能对待测塑料废弃物进行分类。为较好地实现对待测塑料废弃物进行分类，分离池101长度方向上侧壁的顶部内侧面装有第一卡槽件，具体地，玻璃体的顶部内侧面贴附有第一卡槽件106，与玻璃体相对的分离池101的另一长度方向上的侧壁顶部内侧面上一体成型有第一卡槽件107，第一卡槽件106和第一卡槽件107上均设有多个卡槽，以支撑固定多个分类隔板。分离池101的底部平面上安装有第二卡槽件105，第二卡槽件105的对称边缘上设有多个卡槽，以支撑固定多个分类隔板，第二卡槽件105的底面上还设有4个小孔，将绳子通过该小孔，以实现对第二卡槽件105的安装和拆取。

由于顺磁性介质溶液具有一定的浮力，为了更好地投放待测塑料废弃物，该装置还还配设有样品投放勺701，应用时如图7所示。

本实施例提供的装置用于对直径处于[4mm，相邻塑料废弃物的落点之间的距离]范围内的塑料废弃物的分离或分类。

利用本实施例提供的塑料废弃物动态分离装置对塑料废弃物进行分离的方法，包括以下步骤：

根据待分离样品的密度差异，配制合适浓度的顺磁性介质溶液，以保证不同密度的待分离样品在顺磁性介质溶液中达到比较明显的分离效果，并将配置好的顺磁性介质溶液注入分离池；

利用投放勺将待测物品通过样品投放道投放到分离池内；

观测样品的运动状态和最终的落点区域后，将不同区域的待分离样品取出，实现对塑料废弃物的分离。

实施例1

磁铁1为长50mm*宽50mm*高25mm，中心表面磁感应强度为0.425t的方形磁铁。

需要配置的介质溶液为2.5mol/l的mncl2溶液，其密度为1.244g/cm³左右，磁化率为4.65×10^-4。待分离的样品为ptfe(聚四氟乙烯，密度为2.17g/cm³)、pvc(聚氯乙烯，密度为1.33g/cm³)、pla(聚乳酸，密度为1.255g/cm³)、pp(聚丙烯，密度为0.895-0.92g/cm³)、pmma(聚甲基丙烯酸甲酯，密度为1.18g/cm³)、tpee(热塑性聚酯弹性体，密度为1.22g/cm³)。将待分离的样品放进装置中，在磁场的作用下，样品最终得到了分离。最后，将这分离后的六种材料分别取出来。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。