廢棄一次性醫用口罩回收再利用研究進展

英世濤,本德萍,竇仁杰,肖永要,李慧菁

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048)

自2019年全球新冠肺炎疫情爆發以來,中國乃至世界的醫療衛生產品使用量日益增多,尤其是一次性醫用口罩。伴隨著一次性醫療衛生產品的應用,相關廢棄物帶來了難以估量的環境污染。據海洋保護組織Oceans Asia發表的一篇報道顯示,2020 年全球總共生產了大約520億只口罩,其中至少有15.6億只口罩流入海洋,而降解這些口罩至少需要450年,在降解過程中會對地球的生態環境造成難以預估的破壞[1];在衛生方面,以在多個不同環境下佩戴4 h后的口罩為例,口罩外側菌落平均值為1 096 個,內側菌落數為1 840個[2]?？谡謥G棄后,口罩附帶的細菌伴隨著口罩分散在我們生活的各個角落,破壞環境。同時大量的廢棄一次性醫用口罩所產生的資源浪費日益嚴重,因此如何高效清潔地處理日常生活中產生的廢棄一次性醫用口罩已經成為迫在眉睫的問題。

一次性醫用口罩一般由兩層紡粘非織造材料中間復合一層熔噴非織造材料為主體,以及附屬的耳帶和鼻夾組成。主體部分以聚丙烯(PP)為原材料,外層和內層紡粘非織造材料主要作用是防水、防濺射,同時提供一定的強力支撐,避免里層的熔噴非織造材料因強力過低而損壞;中間層的熔噴非織造材料主要起過濾作用,熔噴非織造材料纖維直徑小,在2μm 左右,纖維網孔徑小,孔隙率大。復合后的口罩經過靜電駐極后能有效吸附粉塵顆粒,捕獲細菌及病毒飛沫。

目前,廢棄一次性醫用口罩的處理方法主要有填埋法、焚燒法、物理回收利用及化學回收利用四大類[3]。填埋法利用微生物分解口罩,降解時間長,且對土壤有污染,文中主要對后三種回收再利用方法進行研究分析,比較不同方法之間的優缺點。

1 焚燒法

焚燒法是通過焚燒廢棄一次性醫用口罩產生熱量,并將熱量用于發電、動力驅動等方面,從而達到廢棄一次性醫用口罩再利用的方法。

賀泓博[4]提出了利用酒精對廢棄口罩消毒處理后用于燃燒發電的方法,通過試驗模擬了廢棄一次性醫用口罩利用酒精在不同處理方法下產生的熱量值,并通過續燃時間反映燃燒性能。試驗表明,酒精處理后的廢棄一次性醫用口罩燃燒性能優于未處理的口罩,續燃時間更長,產生的熱量更大;同時處理后的口罩利用真空包裝機包裝能有效減少酒精揮發從而提高口罩燃燒產生的熱量值,但廢棄一次性醫用口罩焚燒發電產生的廢氣、廢渣對大氣環境污染嚴重,并且資源利用率低。

2 物理機械回收

物理機械回收主要是通過物理機械作用將消毒后的廢棄一次性醫用口罩破碎成顆粒或碎片狀態,并與其他材料混合均勻后在熱效應、壓力作用或兩者協同作用下粘連形成新的產物,使廢棄一次性醫用口罩得到再次利用。

虞嘉希等[5]將廢棄一次性醫用口罩用消毒劑處理后,利用破碎裝置得到口罩顆粒,再通過靜電分離機進行電選以及浮選機浮選得到聚丙烯顆粒,將聚丙烯顆粒與木粉和聚丙烯接枝馬來酸酐混合均勻后在開煉機中混煉,最后熱壓成型制備木塑復合材料。該方法得到的木塑材料力學性能優異,耐酸堿性好,耐腐蝕能力強,不易被蟲蛀,不長真菌,適用于家裝建筑材料。

費俊豪等[6]以廢棄一次性醫用口罩為原料,經消毒處理后將廢棄一次性醫用口罩與木質素磺酸鹽分別烘干、粉碎并以一定比例混合均勻,同時混入一種或多種偶聯劑、增強劑、抗氧劑、顏料、抗菌劑等經熱壓熔融后制備高吸水性木塑復合薄膜,得到的木塑復合薄膜吸水性好,拉伸斷裂強度較高。并且,添加木質素磺酸鹽的木塑復合薄膜相比于不添加木質素磺酸鹽的木塑復合薄膜,具有更高的斷裂強力和斷裂伸長率,可用于保水地膜、樹膜等產品。

Mohammad Saberian 等[7]將廢棄一次性醫用口罩的耳掛和鼻夾去除,經過消毒處理后切割成2 cm長、0.5 cm 寬的纖維碎片,以不同的質量百分比混入道路再生混凝土骨料(RCA)中,制備的混凝土試樣再經固化處理,通過一系列測試表明,一次性廢棄口罩碎片的引入提高了混凝土的強度和剛度,并提升了混凝土的延展性和耐用性。經預測,利用這種方法修建一條1公里長的雙車道公路,大約能消耗300萬只廢棄口罩,有效解決廢棄一次性醫用口罩處理難題。

Daniele Battegazzore等[8-9]設計了兩種機械回收方案用于廢棄一次性醫用口罩回收處理。第一種將廢棄一次性醫用口罩過濾部分單獨回收,首先將口罩過濾層破碎成規定大小,送入內部混合器(Brabender)混合均勻,再喂入螺桿擠壓機中熔融,擠出成再生聚丙烯顆粒,顆粒加入升溫至190 ℃的熱壓成型機中,壓制成聚丙烯薄膜。第二種將耳掛與過濾部分一起回收,取出鼻夾后將口罩破碎成規定大小,后續操作與第一種方法相同。結果表明兩種方案制備的再生聚丙烯相比于利用其他廢棄塑料制備的混合聚烯烴具有更加優異的剛度和強度;引入耳掛后的聚丙烯相比于沒有引入耳掛的聚丙烯產物,剛度大幅提升,但黏度略有降低,強度和韌性下降明顯;同時兩種再生聚丙烯對光氧化的穩定性與商用聚丙烯相差不大。Daniele的這種回收方法對廢棄一次性醫用口罩的回收再利用有積極作用,在工業應用方面具有潛在市場。

陸振乾等[10]將廢棄一次性醫用口罩回收后利用高溫消毒,再浸入消毒液中二次消毒后清洗烘干。將消毒后口罩的紡粘材料和熔噴材料拆分后分別進行壓燙處理,處理后的熔噴、紡粘材料及高性能織物疊層后通過熱壓機復合在一起。高性能織物作為增強材料放置在中間,由玻纖織物、玄武巖織物、碳纖維織物組成;紡粘及熔噴材料分布在兩側,紡粘層及熔噴層由1～6層紡粘布或熔噴布復合而成。該方法制備的復合板成型工藝簡單,成本低,能有效減少廢棄一次性醫用口罩帶來的污染,綠色環保。

3 化學回收利用

化學回收利用是將廢棄一次性醫用口罩消毒處理后加入反應裝置中,在特定條件下與化學試劑相互反應生成可利用的化學產物,從而達到回收利用廢棄一次性醫用口罩的目的。

于榮華等[11]將廢棄一次性醫用口罩去除耳帶和鼻夾后,浸入NaOH 水溶液中,隨后加入六水合氯化鎳(NiCl2·6 H2O),發生原位反應后使NiOH2沉積在廢棄口罩上再烘干。然后在坩堝中用700 ℃高溫使其碳化,冷卻后用去離子水洗滌三次除去可溶性物質,得到C/Ni雜化物。結果表明,C/Ni雜化物應用于微波吸收方面表現了優異性能,包括-56.3 d B的強發射損耗以及4.3 GHz的吸收帶寬。該技術對廢棄一次性醫用口罩的回收處理提供了新思路,且產品附加值高,過程環保污染小。

付民等[12]提供了一種利用廢棄一次性醫用口罩制備過渡金屬氧化物/生物質炭復合材料的方法。將廢棄一次性醫用口罩消毒殺菌后,放置在過渡金屬鹽溶液中使金屬離子均勻吸附,再加入堿性溶液反應生成金屬氫氧化物。將處理后的口罩放在管式爐內高溫碳化,口罩碳化成碳材料,金屬氫氧化物轉化成金屬氧化物,得到金屬氧化物/生物質炭復合材料。該方法電化學性能優異,工藝簡單,解決了單一碳材料電容性差、金屬氧化物導電性差的問題,且應用前景廣闊,產品附加值高。

Sungyup Jung等[13]采用Ni/SiO2(5wt%)作為熱解催化劑,在管式反應器中利用多階段熱解法先切斷廢棄一次性醫用口罩纖維中C—C 鍵和C—H 鍵產生H2和C1-2HCs,再進一步催化裂解生成H2、CH4、CO等氣體。同時發現了在有CO2存在的環境中能裂解產生CO,在N2環境中則不會生成CO。這種方法為廢棄一次性醫用口罩的利用提供了一種綠色的處理方法。

徐桂銀等[14]通過一種碳泡沫微波等離子體(CFMP)發生裝置,如圖1所示,利用微波照射誘導等離子體放電在氮氣中產生3 000 K 以上的表面溫度,使廢棄一次性醫用口罩分解成氣體(H2、CO、C2H4、C3H6、CH4等)和少量的無機礦物。隨著時間推移,固態碳微凸體接枝泡沫的增加提高了等離子體放電效率,使得這一過程可以自我延續。氣體通過分離裝置分離后用于工業生產,固態碳進一步處理后可以用于火力發電。在生產過程中,廢棄一次性醫用口罩不需要進行消毒、預分選等處理,同時不會產生溫室氣體及微細顆粒物,從而減少空氣污染。

圖1 碳泡沫微波等離子體發生裝置

宗軍等[15]將廢棄一次性醫用口罩放置在烘箱中低溫加熱滅活微生物,然后取下金屬條,將滅菌后的口罩放入氣氛保護爐中,再通入惰性氣體在400 ℃高溫下預碳化,待結構穩定后放入惰性氣體保護的高溫碳化爐中,在1 000 ℃高溫下碳化形成多孔碳凝膠材料。試驗得出,制備的多孔碳凝膠材料具有高比表面積及孔隙率,在能量儲存、制造領域有巨大的應用前景。

李麗等[16]提供了一種利用微藻處理廢棄一次性醫用口罩用于生物油的制備方法。將口罩破碎后與微藻(鈍頂螺旋藻)混合,在高溫反應釜中發生共水熱液化反應(CO-HTL),冷卻后過濾得到固態生物炭及油水混合物,將油水混合物與二氯甲烷混合后再離心處理,取下層液體在60 ℃下蒸發20 h得到生物油。多組試驗表明微藻與廢棄口罩有協同作用,能有效提高生物油的產量及質量,相比于普通方法制備生物油,能有效減少生物油中的氮硫含量,減少對環境的污染。

向虎等[17]利用高溫高壓反應釜使廢棄一次性醫用口罩碳化,碳化后的口罩用作碳源經熱處理后形成中空纖維多孔結構,用于制備高性能超級電容器電極材料,其流程如圖2所示,口罩粉碎后形成口罩碎片,經磺化處理后與活性劑均勻混合,然后在750 ℃高溫熱處理下碳化成活性多孔碳,可以用做超級電容器的陰極電極。分析表明,相比于普通陰極電極,利用廢棄一次性醫用口罩制備的中空纖維多孔結構具有孔隙率高,比電容高,生產的固態電容器循環穩定性好,電容保持率高的特點;同時相比于其他廢棄一次性醫用口罩處理方法,該方法具有產品附加值高、環保等特點,為廢棄一次性醫用口罩等醫療衛生用品的回收提供了新思路。

圖2 活性多孔碳(CMS)樣品形成過程示意圖

4 結束語

通過對廢棄一次性醫用口罩的回收再利用方法進行研究分析,主要分為焚燒法、物理機械回收、化學回收三類。其中焚燒法利用燃燒產生的熱量用于發電及機械驅動,特點是工藝成熟簡單,有較大的使用范圍,但環境污染嚴重,產能低,資源利用率低;物理機械回收是在物理機械作用下將廢棄一次性醫用口罩破碎成規定尺寸,與其他材料混合均勻后在熱效應、壓力或兩者協同作用下粘連形成新的產物,特點是工藝較成熟、流程簡單,但制得的產物產品價值低、資源利用率低;化學回收利用對廢棄一次性醫用口罩的利用較成功,通過化學反應將聚合物大分子轉化為小分子化合物進一步利用,或使廢棄口罩中特定基團與化學試劑反應生成新的產物,特點是產品的附加值較高、綠色環保,但部分試劑對環境有污染,可以尋找其他綠色試劑替代。

總的來說,以上3種方法對廢棄一次性醫用口罩的利用各有優勢,可以通過深入研究口罩材料,設計可降解、可循環利用的口罩;或將口罩的回收利用產品附加值提高,同時探究更多利用廢棄一次性醫用口罩的新思路。減少資源的浪費,促進資源的可持續發展,推動社會的綠色環保新進程。