再生资源的物理化学分选塑料浮选体系中的界面相互作用

摘要

自然资源可以分为恒定性资源、再生资源和不可再生资源3类，其中再生资源是指能够重复利用的资源，包括土地资源、森林资源、水资源、大气资源以及工业固体废物等。再生材料区别于再生资源，是指再生资源中可回收加工成材料的那部分资源，不包括土地、水、大气等更广泛意义上的资源，而且焚烧、堆肥、填埋等再生资源利用途径不属于再生材料的范畴。 为了使可进行材料回收的再生资源转变为再生材料，可以依据再生资源中各有用成分的物理化学特性的差异，采用物理的或化学的方法实现各有用成分的高效分离与材料回收，我们将这一过程称之为再生资源的物理化学分选，其研究的重点在于再生资源的物理化学特性及各分离过程的物理化学原理。论文的主要研究内容是塑料浮选，涉及废旧塑料的物理化学分选。 相对于传统泡沫浮选而言，塑料浮选是一全新的研究体系。论文围绕浮选技术在塑料分选中的应用，以表面制备、表面能检测以及界面相互作用自由能计算等为主要手段，从静电力、Lifshitz-van derWaals(LW)力、Lewis acid-base(AB)相互作用力(疏水引力或水化斥力)、氢键等微观力学方面对塑料浮选研究中的关键科学问题之一——“塑料浮选体系中的界面相互作用”进行了系统研究，包括塑料浮选体系中低能表面与水之间的相互作用、低能表面与浮选药剂之间的相互作用、塑料颗粒间相互作用、塑料颗粒与气泡间相互作用等界面相互作用，在此基础上详细研究了塑料的自然可浮性、起泡剂调整可浮性以及润湿剂调整可浮性三类浮选与分离行为，从而初步建立了以固/液/气三相界面相互作用为核心，涉及低能表面的润湿行为、低能表面的吸附行为、塑料颗粒间凝聚与分散行为、颗粒与气泡间粘附行为等主要内容的塑料浮选理论框架，在实验室规模上实现了多组分复杂体系废旧塑料的高效浮选分离，为塑料浮选的产业化发展打下了理论基础。 在针对低能表面的润湿行为与塑料的自然可浮性研究过程中，得到了浮选体系中决定颗粒上浮与否的重要参数——亲水指数，固体颗粒上浮的必要条件是亲水指数＜5。系统研究了水介质中颗粒表面形成水化层以及在有气泡存在情况下形成水化膜的微观力学因素，得到了水化膜厚度(H0，nm)、气泡与颗粒之间的粘附能(Gad，mJ/m2)等参数与颗粒大小及表面特性之间的关系。考察了助剂的存在对塑料粉碎断面表面能及其润湿性能和浮选行为的影响，得到了各因素之间的定量关系。塑料的自然可浮性是指在不添加任何浮选药剂情况下，塑料颗粒仅仅在气泡作用下所具有的可浮性。按水化膜厚度和气泡与颗粒表面间的粘附能两因素来考查颗粒的自然可浮性，可以得到颗粒可浮性.水化膜厚度一粘附能(F-H0-Gad)关系图。 通过低能表面上起泡剂的吸附行为与塑料的起泡剂调整可浮性的研究，发现弱亲水性物质(如起泡剂)与高能表面或极性较强的低能表面间要么是排斥的，要么是亲和力很弱，而与表面能较低的低能表面间则存在较强的亲和力。比较水介质中低能表面与水之间和低能表面与弱亲水性物质之间的Lewis酸-碱相互作用自由能的大小，可以将各种低能表面进一步划分为三大类。通过系统研究，得到了起泡剂分子在低能表面上吸附的“水化膜液膜”吸附模型。塑料的起泡剂调整可浮性是在自然可浮性基础之上形成的，起泡剂的加入增大了具有第一类低能表面塑料颗粒的可浮性，降低了具有第三类低能表面塑料颗粒的可浮性，不同种类的起泡剂对具有第二类低能表面塑料颗粒的可浮性产生了重要影响。 论文选用4种润湿剂系统研究了润湿剂的吸附行为与塑料的润湿剂调整可浮性，确定了润湿剂在低能表面上的吸附机理。指出润湿剂分子与高分子材料表面间的吸附是通过水化膜作为中间相来完成的。润湿指数以及润湿剂与水之间Lewis A-B相互作用自由能的大小是衡量润湿剂润湿能力的重要表征；高分子材料与水之间的LewisA-B相互作用自由能与润湿剂分子与水之间的Lewis A-B相互作用自由能之和是衡量润湿剂物理吸附强度的指标；同一润湿剂在亲水指数高的材料表面将发生更为牢固的物理吸附；在气泡作用下，润湿剂有可能从水化膜表面脱附，固体表面亲水指数越低，润湿剂脱附的趋势越大；助剂的存在不仅促进润湿剂分子在固体表面的物理吸附，而且润湿剂与助剂之间的化学吸附决定了一些添加了助剂的高分子材料将更易于被润湿剂所抑制。塑料的润湿剂调整可浮性是指在润湿剂和起泡剂(有时不含起泡剂)联合作用下，塑料颗粒所具有的可浮性。在润湿剂作用下，塑料浮选的选择性来自润湿剂在高分子材料表面的物理.化学吸附过程。 塑料颗粒间的相互作用与其浮选分离密切相关。水介质中各类低能表面之间存在大小不等的疏水引力，只有第三类低能表面之间的疏水引力几乎可以忽略。浮选过程中，塑料颗粒进入水介质后，无论是同名颗粒还是不同颗粒，引力作用的结果使所有颗粒倾向于互相团聚。润湿剂加入后，颗粒间的相互作用形式发生了显著变化，随润湿剂的吸附颗粒间的引力逐渐消失，继而转化为较强的斥力，体系中的各颗粒获得良好的分散。充气浮选时，亲水指数相对较低的高分子材料表面的水化膜受到影响，润湿剂在气泡作用下从颗粒表面脱附，颗粒的可浮性及颗粒之间的引力被恢复，颗粒以团聚体的形式随气泡上浮；吸附于亲水指数相对较高的材料表面的润湿剂并未受到气泡的影响，颗粒之间仍然维持斥力并处于分散状态。只要充分利用塑料颗粒在不同浮选阶段的可浮性差异，配合适当的分离流程，在表层浮选、自然可浮性浮选、起泡剂调整可浮性浮选、润湿剂调整可浮性浮选等基础上实现多组分复杂体系废旧塑料的浮选分离可以获得令人满意的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

绪论

0.1资源与自然资源

0.1.1资源和自然资源的定义

0.1.2自然资源的综合特征

0.2循环经济

0.2.1循环经济的定义

0.2.2循环经济的科学基础

0.2.3循环经济的内涵与特征

0.2.4循环经济的技术体系

0.3资源循环

0.3.1资源循环的定义

0.3.2资源循环的发展阶段及战略地位

0.3.3资源循环的研究对象

0.4再生资源的物理化学分选

0.4.1再生材料

0.4.2废旧塑料的物理化学分选

0.4.3报废电器的物理化学分选

0.4.4其他再生资源的物理化学分选

0.5塑料浮选

参考文献

第一章塑料浮选研究背景

1.1塑料生产与消费

1.2塑料废弃与危害

1.3废旧塑料的回收

1.3.1废旧塑料循环利用研究现状

1.3.2废旧塑料回收过程中遇到的挑战

1.4废旧塑料的分选

1.4.1与分选有关的物理化学性质

1.4.2废旧塑料分选研究进展

1.4.3塑料浮选

参考文献

第二章塑料浮选研究现状

2.1塑料浮选历史

2.2塑料浮选原理

2.2.1塑料的γ浮选

2.2.2塑料的物理调控浮选

2.2.3塑料的化学调控浮选

2.3塑料浮选药剂

2.3.1塑料浮选起泡剂

2.3.2塑料浮选润湿剂

2.4未来研究的方向

参考文献

第三章塑料浮选体系中的界面相互作用

3.1固体的表面能及扩展的DLVO理论

3.2低能表面的润湿行为与塑料的自然可浮性

3.2.1低能表面与水之间的相互作用

3.2.2塑料的自然可浮性

3.3低能表面的吸附行为与塑料的调整可浮性

3.3.1低能表面与表面活性物质之间的相互作用

3.3.2塑料的起泡剂调整可浮性与润湿剂调整可浮性

3.4塑料颗粒间相互作用

3.5塑料颗粒与气泡间相互作用

3.6论文研究目标与技术思路

参考文献

第四章实验材料与研究方法

4.1实验材料

4.1.1高分子材料

4.1.2化学试剂

4.2研究方法

4.2.1接触角、表面张力及动电位测量

4.2.2表面能的检测与计算

4.2.3界面相互作用自由能的计算

4.2.4塑料粉碎与塑料浮选

参考文献

第五章低能表面的润湿行为与塑料的自然可浮性

5.1高分子树脂材料的润湿行为与自然可浮性

5.1.1高分子树脂的结构及表面能

5.1.2高分子树脂颗粒与水之间相互作用

5.1.3高分子树脂颗粒与气泡间相互作用

5.1.4高分子树脂颗粒的亲水指数

5.1.5高分子树脂颗粒的自然可浮性

5.2助剂对塑料润湿行为与自然可浮性的影响

5.2.1组合表面的表面能及亲水指数

5.2.2组合表面与水之间相互作用

5.2.3组合表面与气泡间相互作用

5.2.4组合表面上水化膜的厚度及气泡的粘附能

5.2.5气泡、颗粒大小对水化膜厚度、粘附能的影响

5.2.6塑料自然可浮性与亲水指数、水化膜厚度以及粘附能之间的关系

5.3废旧塑料的润湿行为与自然可浮性

5.3.1废旧塑料的表面能及亲水指数

5.3.2废旧塑料表面的水化膜厚度及气泡与颗粒之间的粘附能

5.3.3废旧塑料的自然可浮性及F-H0-Gad关系

参考文献

第六章低能表面的吸附行为与塑料的调整可浮性

6.1低能表面上起泡剂的吸附行为与塑料的起泡剂调整可浮性

6.1.1起泡剂的结构及表面能

6.1.2起泡剂在低能表面上的吸附行为

6.1.3塑料的起泡剂调整可浮性

6.2低能表面上润湿剂的吸附行为与塑料的润湿剂调整可浮性

6.2.1润湿剂的结构及表面能

6.2.2润湿剂在低能表面上的吸附行为及塑料浮选润湿机理

6.2.3塑料的润湿剂调整可浮性

参考文献

第七章颗粒间相互作用与塑料的浮选分离

7.1高分子材料颗粒间相互作用

7.1.1高分子树脂颗粒间相互作用

7.1.2废旧塑料颗粒间相互作用

7.1.3疏水引力与物质表面特性之间的关系

7.2润湿剂对颗粒间相互作用的影响

7.2.1润湿剂对同名树脂颗粒间相互作用的影响

7.2.2润湿剂对不同树脂颗粒间相互作用的影响

7.2.3润湿剂对颗粒间相互作用影响的综合分析

7.3高分子材料的浮选分离

7.3.1高分子树脂浮选分离的可能性

7.3.2废旧塑料的浮选分离

第八章结论

致谢

攻读博士学位期间主要研究成果

附录 常用塑料英语缩略语