精馏芳樟醇的釜残液溶解废弃聚苯乙烯泡沫的研究

陈广明, 刘小兵, 赵小丽，林俊岳

(井冈山大学 化学化工学院, 江西 吉安 343009)

聚苯乙烯泡沫塑料被广泛应用于工业和家用电器制品的外包装，此种塑料用过即被丢弃，自行降解能力弱，导致了“白色污染”的出现[1-3].回收、再生及再利用废弃聚苯乙烯塑料[4-9]，不但可以减轻环境污染，而且还能变废为宝和节约资源.目前，回收的主要方法有加热熔融回收、溶剂溶解回收、裂解回收等[10-14]，其中溶剂法工艺简单、能耗低，可直接得到聚苯乙烯树脂，回收得到的聚苯乙烯由于可保持原聚苯乙烯分子链不断裂，与用悬浮聚合法制备的聚苯乙烯性能相差无几[2, 15-17].

目前报道溶解聚苯乙烯的溶剂主要有苯烃类、有机酯和水等.如刘英俊等[18]报道了以氯化锂、硝酸钠、碳酸钙、氯化钙、碳酸镁、烧碱和盐卤等无机助剂的水溶液为溶剂，温度控制在80～280 ℃的回收工艺；李俊锋等[19]公开了一种回收处理聚苯乙烯树脂发泡材料的方法，但所用的柑橘油难于得到.上述溶剂存在或易燃易爆，使用不安全，对环境造成危害，或是操作温度高，或是成本高等缺点.本文探索了用精馏生产芳樟醇后的精馏釜残存的高沸点物质进行溶解聚苯乙烯泡沫的可能性.

1 实验部分

1.1 原料

芳樟醇釜残液来源于江西思派思化工有限公司，常压下沸点在220 ℃以上.废弃聚苯乙烯泡沫塑料来自实验设备的包装材料，预先粉碎成1 mm左右的颗粒.

1.2 溶解量的测定

在三口烧瓶中放入磁力搅拌子和20 mL溶剂，并称量质量，记为m1.在一定温度下，向三口烧瓶中缓慢加入一定质量的聚苯乙烯泡沫，并开始计时，经溶解一段时间后停止投入聚苯乙烯泡沫，并记录此时的三口烧瓶质量，记为m2.计算溶剂溶解聚苯乙烯的溶解度大小(g/mL).

1.3 芳樟醇釜残液的成分分析

采用气质联用进行分析.气相柱温箱：100 ℃保持1 min，25 ℃/min 升至150 ℃， 再以10 ℃/min 的速率升至250 ℃，最后以5 ℃/min 的速率升温至300 ℃，保持3 min,离子源温度为300 ℃.

2 结果与讨论

2.1 温度对溶剂溶解度的影响

本实验量取20 mL五种不同溶剂分别在室温、30、40、50和80 ℃五种温度下进行相同时间(50 min)的溶解度试验，其结果如图1所示.从试验结果可以看出，各种溶剂的溶解度在26～50 ℃随着温度上升而上升，在50 ℃基本上达到最大溶解度(二氯甲烷除外)；50 ℃之后再升高温度溶解度变化得不明显，甚至在乙酸乙酯的实验组中溶解度反而随温度升高而下降，主要是因为是当温度超过50 ℃时，低沸点溶剂的挥发性增大，溶解度降低.当芳樟醇釜残液作为溶剂时，因芳樟醇釜残液的沸点较高，在一定的温度范围下，它的溶解度与温度成线性关系.这是芳樟醇釜残液作为溶剂的优势，挥发性小，操作安全.综合上述结果，考虑到在50 ℃之后温度对溶解度变化没有明显作用，而升高温度造成能耗高，因此本工艺的溶解度的最适温度定为50 ℃.

图1 温度对溶解度的影响Fig.1 Effect of temperature on solubility

2.2 溶解时间对溶剂溶解度的影响

在50 ℃下加入20 mL溶剂，将溶解时间调为30、40、50、60和70 min.其中由于二氯甲烷的沸点低，在50 ℃下的溶解度已经下降得很低，所以在研究时间因素时，只考虑四种溶剂受时间的影响，从图2中发现：甲苯和乙酸丁酯受时间的影响变化程度最大.各溶剂的溶解度差别也明显增大，并且在50 min时，溶解度达到最大，之后溶解度几乎不随时间变化.芳樟醇釜残液的溶解度与时间成线性关系，即溶解时间超过了50 min，溶解度依然在增加.这是由于经过一样的操作，芳樟醇釜残液在50 min的时间溶解没有达到饱和，说明芳樟醇釜残液的溶解度大于其他的溶剂.但考虑溶解时间过长将造成生产效率低，所以认定最佳的溶解时间为50 min.

图2 溶解时间对溶剂溶解度的影响Fig.2 Effect of dissolution time on solubility of solvent

2.3 沉淀剂对回收率的影响

为使聚苯乙烯从溶剂中析出，需选择合适的沉淀剂，主要的选择原则有：能够很好地使聚苯乙烯聚沉，不能和各种溶剂发生反应，沉淀不存在其他能够溶解的杂质、生成的沉淀能够很好处理，无毒或毒性小，无污染，且对聚苯乙烯泡沫溶解性小而与溶剂互溶性好; 为了能够很好地分离回收溶剂，沉淀剂的沸点要明显高于或低于溶剂，原料易得，成本低.所以本实验选择了正丁醇，正丙醇，无水乙醇，75%乙醇，50%乙醇作为沉淀剂探究沉淀剂对回收率的影响.将60 mL各种沉淀剂从恒压滴液漏斗加入三口烧瓶中，并将磁力搅拌开到最大，让其充分沉淀后，过滤聚苯乙烯泡沫，称重，计算回收率，并将滤液进行旋蒸，回收沉淀剂和芳樟醇釜残液.数据如表1、2所示.从表中可以看出，使用正丁醇回收聚苯乙烯和芳樟醇釜残液的回收率较高.

表1 不同沉淀剂对聚苯乙烯的回收率

表2 沉淀剂对芳樟醇釜残液的回收率Table 2 Recovery of residual liquid from linalool kettle by precipitant

2.3 芳樟醇釜残液的组成研究

聚苯乙烯很难溶于有机酸、碱盐、低级醇、某些矿物油及其水溶液，但易受大量烃类、高级脂肪以及酮类等的腐蚀而软化，而在苯、甲苯、乙苯和苯乙烯单体等大多数芳香族化合中有很好的溶解性.经气质分析和相关实验发现芳樟醇釜残液中86%是倍半萜烯，但是哪几种倍半萜烯，有待进一步研究.

图3 芳樟醇釜残液的气质谱图Fig.3 GC-MS spectrogram on the residue of rectifying still for production of linalool

3 结论

1) 芳樟醇釜残液能溶解废弃的聚苯乙烯泡沫塑料，在50 ℃，溶解时间为50 min时，1 mL芳樟醇釜残液能溶解0.29 g废弃聚苯乙烯泡沫塑料.

2) 使用正丁醇作为沉淀剂，可回收86%的聚苯乙烯.

3) 经气质分析，芳樟醇釜残液的主要成分是倍半萜烯，比苯、甲苯、乙苯和苯乙烯单体等大多数芳香族化合物和二氯甲烷、乙酸乙酯的毒性小而且沸点高.因此，芳樟醇釜残液作为废弃的聚苯乙烯泡沫塑料的溶剂，具有操作安全和环境友好的特点.