新型废弃口罩回收装置设计

傅杨祉 于竞贤 李泓杉 李兆兴 薛仲卿 王鑫宇

1太原工业学院（山西太原 030008）2中国民航大学（天津 300300）

口罩是一种卫生用品，一般指戴在口鼻部位用于过滤进入口鼻的空气，以达到阻挡有害的气体、气味、飞沫进出佩戴者口鼻的用具，其主体采用的面料材料通常为聚丙烯（PP，医用无纺布原料）。

后疫情时代，尽管新冠肺炎疫情在国内已经基本得到控制，但是境外输入病例仍持续出现，本土也偶有反弹。因此，公共卫生的防护仍然不能松懈，出行佩戴口罩成为保护自身和他人安全的常态化生活习惯。口罩需求量大、消耗快，需定期更换。大量一次性口罩使用后的处理问题成为公共防疫的关注重点。通常，人们将使用后的口罩随机丢弃，废弃口罩的处理方法也以定点焚烧为主。但使用后的口罩外表面附着有细菌或病毒，流通至空气中易造成环境污染和病毒传播，且丢弃后的口罩易被不法人士回收再利用。因此，需要一种废弃口罩回收处理装置来解决以上问题。

李茜[1]对口罩回收效率低、不规范，以及造成的环境污染问题进行了研究，报告了现阶段难以对废弃口罩进行有效回收的现状，同时进行了一系列产品理念和应用场景的调查，将产品设计与大数据、人工智能理念相结合，最终设计出一款智能口罩回收终端。陈海明等[2]从化学升级再造的角度出发，综述和展望了废弃一次性医用口罩（DMMs）主体材料PP的回收现状和未来升级再造的途径，并分析了各种途径的优劣势，指出将废弃PP通过化学方法有选择性地转换为产品种类单一的相关化学品、燃料和高附加值的相关材料，是实现将其变废为宝和可持续发展的根本方法。陈思等[3]通过问卷调查方式，深入分析“口罩自助回收贩卖机”的市场需求，力求使产品目标定位更为准确，发现“口罩自助回收贩卖机”的规格更符合消费者的需求。

1 关于废弃口罩回收处理装置需求的调查研究

为了解民众对口罩处理装置的需求状况以及废弃口罩回收处理装置的设计可行性，对太原工业学院部分学生以及学校周边部分居民进行了问卷调查，共得到199份有效问卷，其结果如下所示。

（1）你通过什么渠道获得废弃口罩处理知识？（多选）

结果显示，通过微信、QQ的有109人，占比54.77%；通过微博、抖音的有97人，占比48.74%；通过电视的有109人，占比43.22%；通过其他渠道的有49人，占比24.62%；尚未了解过的有33人，占比16.58%。

（2）你平常生活的地方附近是否放有废旧口罩回收箱？

选择“是”的有103人，占比51.8%；选择“否”的有96人，占比48.2%。

（3）你觉得废旧口罩回收箱是否有利于你的生活？

选择“是”的有183人，占比92%；选择“否”的有16人，占比8%。

（4）如果你生活、工作场所附近有废旧口罩回收箱，你是否会经常使用？

选择“是”的有181人，占比90.95%；选择“否”的有18人，占比9.05%。

（5）对于平常用完的口罩，你会如何处理？

选择“随手丢进垃圾桶”的有62人，占比31.16%；选择“扔到口罩专用垃圾桶”的有88人，占比44.22%；选择“其他”的有11人，占比5.53%；选择“消毒后放到袋子里，再扔到垃圾桶”的有38人，占比19.1%。

通过调查发现，本校学生和当地居民对口罩的相关知识有一定的了解，对规范、正确地处理废弃口罩持有积极态度。但是，本校及附近社区将废弃口罩按照医疗废物的方式进行处理，即将其投入到黄色的医废回收箱内，但后续并未有任何的处理（如杀菌、消毒）。另外，很多医废回收箱是空的，说明相当一部分口罩仍被作为普通垃圾丢弃，这样的状况会带来不小的环境及卫生隐患。因此，设计一种新式的口罩处理装置，投放到社区人流密集区域（如宿舍楼、教学楼、餐厅、商超等），具有一定的必要性和可行性，且会在社会卫生方面对民众起到正确的引导作用。

2 口罩回收装置的设计思路

2.1 设计目的

通过设计一款新型废旧口罩回收装置，防止口罩被随意丢弃所带来的二次污染，提高废旧口罩回收的系统性、安全性及回收效率，保护医用废品工作人员的安全，减轻医用废品工作人员工作量，也促使城镇居民改掉乱扔、乱丢口罩或用过的口罩清洗再利用的错误生活方式。机器内部的智能终端实时记录回收数据，并上传至后台和疾控防疫中心，便于工作人员及时处理，也为传染病的预防和卫生健康的保障工作提供最基础的数据支撑。

2.2 应用场景

将废旧口罩回收装置放置在社区、学校、商场、交通枢纽等人员密集场所。人们可通过微信扫描二维码将废弃口罩投递进装置，同时可获得积分返利，积分可以免费领取新的口罩。另外，微信公众号的推文引导人们改掉口罩乱丢乱弃的习惯，增强民众对口罩回收装置的认知度，增加民众对其的使用频率。

2.3 装置展示

（1）首先，使用者开启微信扫描显示屏上的二维码（初次使用的用户需进入小程序通过微信注册账户），启动装置，然后将废弃口罩依次从投放口投入。经点验装置清点数量后，用户的投放个数将显示在屏幕上，待用户确认后，经后台处理，将用户投放的口罩数量转化为奖励积分并发放到用户的账户上。用户在积攒一定的积分后即可消耗积分兑换全新的口罩。

（2）当口罩被投进投放口即掉落至挡物板上，挡物板翻转，使口罩落入杀菌消毒区，接受5 min的紫外线和高温杀菌；5 min后，密集齿轮运转，将口罩传送至破碎区；在破碎区，刀轮组转动搅碎，将废弃口罩搅成碎片，并喷洒75%的医用酒精。与此同时，若有人投放口罩，则挡物板翻转进行如上操作。

（3）破碎后的口罩碎屑会掉入下方的收集区，当口罩碎屑将要存放满时，系统会提示相关工作人员及时清理；当用于兑换的口罩数量不足时，控制系统也会提示相关人员及时增添、补充一次性口罩，并对装置进行定期维护。

（4）根据使用环境的不同，将装置分为室内型和室外型。室内型设备于附近接入电源和网络，并采用可充电锂电池作为应急供电。室外型设备由于可见太阳光，因此采取太阳能电池板配可充电锂电池作驱动能源（节能环保），并配备挡雨板和排水装置以达到保护设备的作用。此外，室外型设备的控制板上集成了GPS系统和SIM卡，便于设备联网和网点定位。

（5）以钢化玻璃和镀锌板作为机身的主要材料。镀锌板坚固耐磨、防腐防潮、视觉效果好且性价比较高，保障产品在室外环境下稳定运行。

（6）隔热材料选用酚醛泡沫塑料。该材料密度小、质轻、比强度高、弹性性能优良，其强度随密度增加而增大，有吸收冲击载荷的能力，具有优良的缓冲减震性能和隔音吸音性能，低热导率，较好的隔热性能，优良的电绝缘性能，以及耐腐蚀、耐霉菌的性能。

（7）箱体由外壳、废弃口罩投递口、取物口、防盗锁、口罩存储箱、LED显示屏、太阳能板等模块组成。终端系统具有紫外线、加热、酒精消毒杀菌，兑换奖励，自动箱门，溢满感应，网络操作，实时监测，太阳能充电，避雨，底部排水等功能，操作简单且适用于各类街道、社区、公园等户外场地以及商场等地。

2.4 技术关键

（1）采用功率为20 W、波长为340 nm、光辐照度为75μW/cm2的紫外线UVA灯对废弃口罩进行照射，使得废弃口罩主体面料中的PP分子链被破坏，进而加速废面料的老化分解（形成PP粉料），在完成对废弃口罩消毒的同时，实现对废弃口罩的光照分离。分离工序简单高效，且安全无毒。

（2）口罩由无纺布和熔喷布制成。无纺布主要材料为聚乙烯，熔点为92℃；熔喷布主要材料为PP，熔点为164℃。新型冠状病毒（COVID-19）的灭活温度为56℃，金黄色葡萄球菌灭活温度为74℃，H7N9型禽流感病毒灭活温度为65℃。因此，控制加热管温度在80～90℃之间，即可灭活绝大多数主流致病菌。

（3）装置设计智能化，在系统内以微信小程序的形式与用户绑定，设置反馈奖励机制，对使用口罩回收装置次数多的用户发放奖品。

2.5 工作流程

口罩进入投放口后落入挡板上，随后挡物板翻转，使口罩落入杀菌消毒区，接受5 min的紫外线和高温杀菌；5 min后，密集齿轮运转，将口罩传送至破碎区；在破碎区，刀轮组转动搅碎，将废弃口罩搅成碎片，并喷洒75%的医用酒精，口罩完全搅碎，流程结束。与此同时，若有人投放口罩，则挡物板翻转进行如上操作，相关流程如图1所示。

2.6 装置概念图

口罩回收装置中加热管及紫外线杀菌灯如图2，图3所示。

图2 加热管

图3 紫外线杀菌灯

加热管是在无缝金属管内装入电热丝，空隙部分填满具有良好导热性和绝缘性的氧化镁粉后缩管制成。它结构简单、热效率好、机械强度好，对恶劣环境有良好的适应性。主机控制加热管温度在80～90℃之间。装置总体结构如图4所示。

图4 总体结构示意图

投放口：用户将废弃口罩从投放口投入口罩处理装置。

挡物板：用于盛放投入的口罩并翻转，使口罩落入处理系统。

传感器1，用于检测口罩投放数量；传感器2，用于检测口罩是否进入破碎区，并启动搅碎系统；传感器3，用于检测用户兑换新口罩时，新口罩是否按数量投放；传感器4，用于检测存放区的口罩碎屑是否存满；传感器5，用于检测废弃口罩是否落入杀菌消毒区，并启动杀菌消毒系统。

紫外线灭菌灯：位于侧边和上方，用于消毒灭菌。

加热管：用于高温灭菌。

隔热层：位于外层板材和加热板之间，防止温度传递到外层使用户烫伤。

齿状传送轮：齿轮均匀紧密分布于杀菌消毒区下方，将灭菌完毕的口罩送入破碎区，并将口罩压紧压实。

刀具组：用于破碎口罩。

太阳能板：用于为安装在户外的口罩回收装置发电。

LED显示屏：用于显示系统及公众号相关信息，也便于用户扫描二维码，领取新的口罩。

奖品储放室：储存用于兑换的新口罩。

控制板：用于控制装置内的各个零部件。

酒精存放室：储存用于消毒的75%酒精。

酒精喷洒口：当刀具组搅碎口罩后，向碎屑喷洒酒精。

取物口：用于领取兑换的新口罩。

2.7 投放策略

第一步：计划用时半年，主要在公共场所试点放置，如行政区、中心商务区、大学城等地。

第二步：根据试点使用状况，对反馈较好的试点周边再次投放，范围扩大到街道，计划用时半年。

第三步：根据反馈结果，在全市范围内的小区、大中小学校、商场、景点等地放置，从而逐渐实现区域全覆盖。

3 结语

在疫情常态化时代，尤其是新冠病毒的变种——德尔塔毒株席卷而来，使得刚缓过劲的民众不得不再次警觉起来。当前新冠疫苗对德尔塔毒株的预防率并不是很高，因此公众防疫意识及措施的提高对于应对新一轮疫情将具有十分重要的意义。已知的废弃口罩处理装置都比较单一，它们或只有粉碎功能，或只有高温处理功能，且大都是集中处理，极易在收集运输过程中再次传播病毒。本研究成果将紫外线、高温及粉碎装置三者相结合以更好地达到杀菌消毒的作用，而且，这种小型废弃口罩回收装备的投放，可有效阻断病毒再传播，防止被不法商家将废弃口罩二次利用。

此外，希望通过装置的微信小程序功能来增强公众卫生知识，提升防疫素质，以弥补防疫措施的不足，为营造科学健康的防疫氛围贡献一份力量。