黃河 鄒偉 王榮吉

(1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，湖南 衡陽(yáng)，421002；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410004)

隨著塑料工業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的塑料制品走進(jìn)人們的生活[1]，僅中國(guó)汽車制造行業(yè)的塑料年消耗量就高達(dá)上百萬(wàn)噸[2]。因此，如何妥善處理廢舊塑料成為當(dāng)下亟需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的塑料處理方式主要有填埋、集中焚燒等，但是填埋會(huì)污染土壤及地下水質(zhì)，焚燒會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，造成空氣污染[3]。廢舊塑料的回收利用符合環(huán)境友好型和經(jīng)濟(jì)節(jié)約型社會(huì)發(fā)展的需要。下面綜述了目前廢舊塑料鑒別、回收領(lǐng)域方面取得的成果，并指出了未來(lái)廢舊塑料鑒別回收領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

1 廢舊塑料的鑒別技術(shù)

廢舊塑料的鑒別技術(shù)主要分為傳統(tǒng)鑒別法和現(xiàn)代鑒別法[4]。傳統(tǒng)鑒別法主要有外觀鑒別法、密度鑒別法、溶解鑒別法、燃燒鑒別法，但鑒別精度不高，目前已無(wú)法滿足廢舊塑料的鑒別要求。現(xiàn)代鑒別法主要有電選鑒別法和數(shù)種光譜鑒別法。

1.1 傳統(tǒng)鑒別法

傳統(tǒng)鑒別法主要是根據(jù)塑料的顏色、透明度、光澤等外觀特征對(duì)塑料進(jìn)行鑒別，識(shí)別度不高，要求鑒別人員經(jīng)驗(yàn)豐富。

1.1.1 常用塑料的外觀特征及用途

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，呈半透明狀，顏色為無(wú)色，光澤度高，硬度較硬，柔韌性差，主要用于機(jī)械零部件和通訊設(shè)備等；聚酰胺(PA)，呈半透明狀，顏色為無(wú)色，光澤度低，硬度較軟，柔韌性較好，主要用于開(kāi)關(guān)類電器產(chǎn)品、輸血管醫(yī)療器械、接線柱汽車配件等；聚碳酸酯(PC)，呈透明狀，顏色為無(wú)色，光澤高，硬度較硬，柔韌性好，主要用于安全帽、家電外殼、齒輪等地方；聚乙烯(PE)，呈半透明狀，顏色為白色，光澤度低，硬度與密度的大小有關(guān)，柔韌性較好，主要用于薄膜、包裝袋、杯碗等地方；聚對(duì)苯二甲酸乙二脂醇(PET)，呈透明狀，顏色分為乳白色和淺黃色，光澤度高，硬度較硬，柔韌性較好，用于礦泉水瓶等地方；有機(jī)玻璃(PMMA)，呈透明狀，顏色為無(wú)色，光澤度高，硬度較硬，柔韌性差，主要用于儀表盤、醫(yī)用容器、燈光散射器等地方；聚甲醛(POM)，呈不透明狀，顏色為淡黃色和白色，光澤度較高，硬度較硬，柔韌性差，主要用于機(jī)械零件、滑輪、殼體等地方；聚丙烯(PP)，呈半透明狀，顏色為白色，光澤度低，硬度較硬，柔韌性好，主要用于儀表盤、編織袋、微波爐餐盒、盤碗等地方；聚苯乙烯(PS)，呈透明狀，顏色為無(wú)色，光澤度高，硬度較硬，柔韌性差，主要用于儀表殼、電器零件、快餐盒等地方；聚氯乙烯(PVC)，呈透明狀，顏色為微黃色，光澤度高，硬度與密度有關(guān)，柔韌性好，主要用于雨衣、建材、塑料模、塑料盒等地方。

1.1.2 密度鑒別法常用溶液

密度鑒別法常用的溶液有水、飽和食鹽水、酒精溶液、氯化鈣溶液等。用水鑒別的塑料有PE，PP。飽和食鹽水可用于鑒別PE，PP，PA。體積分?jǐn)?shù)58.4%的酒精溶液可用于鑒別PP。體積分?jǐn)?shù)55.4%的酒精溶液可用于鑒別PP，HDPE(高密度聚乙烯)。氯化鈣溶液可用于鑒別PP，PE，PA，PC，PMMA。

1.2 現(xiàn)代鑒別法

1.2.1 電選分離法

根據(jù)不同種類塑料摩擦后所帶電荷不同，受到兩極帶正電荷和負(fù)電荷的吸引而分離開(kāi)。PVC塑料總是帶負(fù)電荷，易于從多種混合塑料中分離出來(lái)。黎士煜[5]通過(guò)高壓摩擦靜電分選試驗(yàn)對(duì)汽車上的常見(jiàn)塑料PP、PA、丙烯腈-丁二烯塑料(AB)、PU、PVC、PE等6種塑料進(jìn)行分選，其中，PVC分選效果最好，PP和PE分選效果最差。摩擦靜電分選法適用于分選含有PVC的混合物，對(duì)其他多種塑料的混合物的分選效果不太理想。另外，電選分選廢舊塑料對(duì)塑料干燥程度和試驗(yàn)溫度的要求嚴(yán)格，操作成本高。

1.2.2 X射線熒光(X-ray)光譜法

X-ray光譜與其他光譜結(jié)合使用可鑒別廢舊塑料。馬梟等[6]采用X-ray光譜法和紅外光譜對(duì)33種不同來(lái)源的塑料打包帶進(jìn)行區(qū)分，效果好。朱曉晗等[7]采用X-ray光譜結(jié)合拉曼光譜(Raman)法對(duì)27個(gè)一次性塑料鞋套進(jìn)行了分選，利用系統(tǒng)聚類法與K-Means聚類法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，區(qū)分結(jié)果較好。姜紅等[8]采用聚類分析法結(jié)合X-ray光譜技術(shù)分選47個(gè)不同藥品品牌的鋁塑包裝片，該方法操作簡(jiǎn)單，結(jié)果可靠。黃世杰等[9]運(yùn)用X-ray光譜法對(duì)8種涂有不同金屬層的廢塑料進(jìn)行了區(qū)分，與電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜的測(cè)試結(jié)果一致，表明X-ray光譜可用于區(qū)分涂有不同金屬層的廢舊塑料。

1.2.3 Raman識(shí)別法

Raman檢測(cè)是向檢測(cè)物體發(fā)射一束激光，采集并分析檢測(cè)物體表面反射回來(lái)的光譜信號(hào)，判別檢測(cè)物。董鹍等[10]對(duì)食品包裝用塑料材料進(jìn)行Raman檢測(cè)，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)Raman比對(duì)，鑒別食品塑料包裝材料，識(shí)別度高達(dá)95%。盧迪[11]采用拉曼光譜儀采集了9種常見(jiàn)塑料的光譜信息，通過(guò)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模型、支持向量機(jī)識(shí)別模型、Fisher判別法對(duì)塑料進(jìn)行鑒別，3種方法的識(shí)別度均高于90%。姜紅等[12]利用差分Raman識(shí)別法對(duì)53個(gè)不同廠家生產(chǎn)的食品塑料包裝盒進(jìn)行鑒別，對(duì)差分Raman數(shù)據(jù)進(jìn)行凝聚性系統(tǒng)聚類分析，結(jié)合皮爾遜相關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，能較好地鑒別食品塑料包裝盒。該識(shí)別法存在儀器設(shè)備昂貴、反應(yīng)速度慢、鑒別時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

1.2.4 激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)識(shí)別法

LIBS識(shí)別法是將一束強(qiáng)激光束聚焦到檢測(cè)塑料表層，形成等離子體，通過(guò)對(duì)等離子體發(fā)出的光譜進(jìn)行分析來(lái)檢測(cè)塑料[13]。LIBS技術(shù)結(jié)合人工算法識(shí)別廢舊塑料的效果非常好。劉可等[14]基于偏最小二乘分析方法建立預(yù)測(cè)模型對(duì)11種塑料進(jìn)行分選試驗(yàn)，該方法對(duì)塑料的識(shí)別度為99.80%。劉凱等[15]結(jié)合化學(xué)計(jì)算方法對(duì)4種塑料樣品進(jìn)行了鑒選，該方法用于廢舊塑料快速建模的有效性較好。王茜蒨等[16]結(jié)合誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)7種常見(jiàn)塑料進(jìn)行分類鑒別，識(shí)別度97.50%。宋海聲等[17]結(jié)合遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)9種常見(jiàn)塑料進(jìn)行分類鑒別，識(shí)別度99.72%。王翔等[18]結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)8種塑料進(jìn)行分類鑒別，識(shí)別度99.00%。

1.2.5 近紅外光譜(NIR)識(shí)別法

NIR結(jié)合人工智能算法成為鑒別廢舊塑料的主流研究方向。薛蓮蓮[19]結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法、偏最小二乘辨別分析法對(duì)7種塑料進(jìn)行分類鑒別，其中,遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的識(shí)別度96.36%，支持向量機(jī)法的識(shí)別度95.15%，偏最小二乘辨別分析法的識(shí)別度82.42%。韓清新[20]結(jié)合主成分分析法對(duì)廢舊家電產(chǎn)品塑料片進(jìn)行分類鑒別，識(shí)別度91.00%。田靜等[21]基于NIR識(shí)別法對(duì)食品包裝材料中的聚乙烯、聚丙烯進(jìn)行鑒別，結(jié)合SIM-CA法(類模型法)、貝葉斯判別法、K-近鄰法建立預(yù)測(cè)模型，該方法檢測(cè)迅速、結(jié)果準(zhǔn)確。王鵬[22]結(jié)合距離判別分析法對(duì)10種常見(jiàn)廢舊塑料進(jìn)行鑒別,結(jié)果準(zhǔn)確可靠。劉紅莎[23]結(jié)合Fisher判別法對(duì)6種難分離的廢棄塑料進(jìn)行了準(zhǔn)確鑒別。王娜[24]結(jié)合Fisher判別法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立了6種混合塑料的預(yù)測(cè)模型，其中，F(xiàn)isher判別法識(shí)別度89.50%， BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法識(shí)別度73.33%，PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法識(shí)別度97.67%。

2 廢舊塑料的回收技術(shù)

2.1 熔融再生技術(shù)

根據(jù)回收廢舊塑料來(lái)源的不同，熔融再生技術(shù)可分為直接熔融再生技術(shù)和復(fù)合熔融再生技術(shù)。其中，直接熔融再生技術(shù)針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄塑料邊角料，進(jìn)行熔融造粒；復(fù)合熔融再生技術(shù)針對(duì)廢舊混合塑料，通過(guò)加入添加劑，對(duì)廢舊塑進(jìn)行熔融造粒處理[25]。熔融再生技術(shù)工藝對(duì)廢舊塑料的要求比較高，要求廢舊塑料要分離、清洗干凈，且品種和顏色均要單一化，不得混有雜質(zhì)或異物。

2.2 熱裂解和氣化技術(shù)

熱裂解技術(shù)是將塑料在無(wú)氧條件下高溫(高于750 ℃)裂解,裂解產(chǎn)物為燃油或化工原料[26]。氣化技術(shù)是將廢舊塑料在高溫下(高于1 500 ℃)裂解成一氧化碳、二氧化碳、氫氣等，可用于合成甲醇、尿素等[27-28]。通過(guò)裂解，將廢舊塑料制為化工原料和燃料，是資源回收和避免二次污染的重要途徑，但是目前尚存在許多待解決的問(wèn)題。如廢塑料導(dǎo)熱性差，塑料受熱產(chǎn)生高黏度融化物，不利于輸送；廢舊塑料中含有PVC，會(huì)產(chǎn)生氯化氫(HCl)，腐蝕設(shè)備，并使催化劑活性降低；生產(chǎn)中產(chǎn)生的油渣目前還沒(méi)有較好的處理辦法。

2.3 化學(xué)分解法

廢舊塑料與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，塑料分子鏈斷裂生成單體，可用作化工原料。分解方式包括水解、醇解、糖酵解、胺解等。PET塑料通過(guò)水解、醇解、糖酵解、胺解生成對(duì)苯二甲酸、對(duì)苯二甲酸二甲酯、對(duì)苯二甲酸雙羥乙脂和乙二醇[29-33]。但化學(xué)分解法不適用于混雜型廢舊塑料，原因有二：1)所用試劑均有嚴(yán)格的選擇性；2)對(duì)廢舊塑料預(yù)處理的清潔度和品種均勻性皆有較高的要求。因此，化學(xué)分解法更適用于較單一品種的無(wú)污染型廢舊塑料?；瘜W(xué)分解法對(duì)多種塑料都是可行的，但目前主要是處理聚氨酯、熱塑性聚酯、聚酰胺類等極性類廢舊塑料。

2.4 能量回收法

廢舊塑料燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，可用來(lái)發(fā)電。但有些塑料燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，如PVC塑料在燃燒時(shí)產(chǎn)生HCl等強(qiáng)侵蝕性氣體，有關(guān)該方面研究還處于探索研究階段[34]。

3 結(jié)語(yǔ)

NIR技術(shù)和LIBS技術(shù)具有識(shí)別度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在廢舊塑料分選回收領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。目前，我國(guó)對(duì)NIR技術(shù)和LIBS技術(shù)的研究及應(yīng)用仍處于起始階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)這兩種技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用將是我國(guó)今后的重點(diǎn)發(fā)展方向。