JP4747366B2 - プラスチック廃棄物の分別回収方法 - Google Patents

Description

本発明は、使用済みプラスチックの分別処理方法、特に植物由来プラスチックを他のプラスチックから分別して有効に回収する方法に関するものである。

近年、ＰＥ（ポリエチレン），ＰＰ（ポリプロピレン），ＰＳ（ポリスチレン）といった石油化学製品である石油由来の化学合成系プラスチックの生産量及びその使用量は膨大を極め、その使用後の処理は国内，国外を問わず環境汚染の大きな原因となっており大きな社会問題となっている。

この問題はとりもなおさず、化学合成系プラスチックは、自然分解しない、つまり、自然に帰らないことにある。この問題に対応すべく、自然分解可能なプラスチック（生分解性プラスチック）の研究が国内，国外で盛んに行われており、ある種のものに於いては一部実用化に到っている。

また、近年行われた博覧会に於いても一つの大きなテーマとして生分解性プラスチックが取り上げられている。このような状況から判断して、ここ数年内に石油由来によるプラスチックに取って代わるものも数多く出現するものと期待されている。

しかしながら、この生分解性プラスチックは、自然分解が可能とはいうものの、廃棄量が少量の間は、自然分解に頼れるが、自然分解には長時間を要してしまうことから現在の石油由来の化学合成系プラスチックと同様に大量に使用され、その結果大量に廃棄されるようになると、その途端、廃棄物処理の問題に直面し、結局は再び焼却や、埋め立てに頼らざるを得ないという状況となって、当初の期待は裏切られ、環境汚染の大きな原因となっており大きな社会問題となるという悪循環を繰り返す結果になるのは明らかである。

もっとも、生分解性プラスチックを含む廃棄物のリサイクル方法はいままでにも種々の提案がなされてきた。例えば、特許文献１には、メタン醗酵技術を利用して生分解性プラスチックが混在する有機系廃棄物を、生分解性プラスチックを含めて短期間に効率よく分解，醗酵させ、醗酵により生成したメタンガスを回収する技術が紹介されている。

こうして回収されたメタンガスはクリーンな燃料エネルギーとして活用される。また、特許文献２には、生分解性プラスチック及び食品残渣などを含む生分解性廃棄物を肥料，飼料などの資源として再生させる方法が記載されている。この方法によるときには、生分解性廃棄物が生分解性プラスチックだけであるときには、原料である乳酸に再生することも可能である。

しかしながら、廃棄処理物が生分解性プラスチックだけであるというのは、特殊な場合であって、通常生分解性プラスチック廃棄物には、他の種類のプラスチックを含めて多様な種類の廃棄物が混入しているために、生分解性プラスチック廃棄物から、その原料である乳酸を再生させるには廃棄物が種類ごとに分別されていることが必要である。

とはいえ、廃棄物がプラスチックの場合に、その廃棄物が分解不能な化学合成プラスチックか、生分解性プラスチックかを区別することは難しい。厳密にいえば、生分解性プラスチックであっても、植物由来のものと、石油由来のものとは違うのである。従来、プラスチックの処理に際しては、種類を問わず、一括して埋立や焼却処分されるほか、廃棄物からプラスチックを再生するときには、予め、分解不能の化学合成系のプラスチック、分解可能な植物由来の生分解性プラスチック、分解可能な石油由来の生分解性プラスチックに分別する処理が必要である。

分別回収された石油由来の化学合成系のプラスチックは、破砕し、化学処理を経て他の材料と混合することによって新たな資源に再生される。また、植物由来及び石油由来の生分解性プラスチックは、いずれも加水分解処理や、微生物処理によって分解が可能であるが、その条件は必ずしも同じではない。
特許公開２００５−９５７２９ 特許公開２００５−１３１６３１

解決しようとする問題点は、プラスチックの廃棄物を再生利用する場合に、廃棄物に特定のプラスチックのみが含まれているか、或いは十分に廃棄物が分別されていないと、再生することが難しいという点である。

本発明は、予め人手によって分別することなくプラスチックの廃棄物を一括処理して、最終的にプラスチックの種類ごとに再生材料の回収を可能にしたことを最も主要な特徴とする。

本発明のプラスチック廃棄物の分別回収方法によれば、プラスチック廃棄物を一括処理し、プラスチック廃棄物の特性の違いを利用して最終的に植物由来，分解可能な石油由来の生分解性プラスチックと、石油由来の化学合成系のプラスチックとに分別回収し、それぞれのプラスチック原料として再生することができる。

植物由来，石油由来の生分解性プラスチックと、石油由来の化学合成系プラスチックに分別回収するという目的を、プラスチック廃棄物を一括して加水分解処理による粗乳酸水溶液の抽出と、残存固形物の粒径選別並びに、不純物除去処理とによって、プラスチック廃棄物を予め分別することなく、実質的に植物由来，分解可能な石油由来の生分解性プラスチックと石油由来の化学合成系プラスチックの分別回収を実現した。

図１に本発明方法に用いるシステムの構成を示す。図１において、本発明によるシステムは、加水分解処理装置Ａと、粒度選別装置Ｂと、不純物除去装置Ｃとの組合わせから構成されているものである。

加水分解処理装置Ａは、処理チャンバー１と、抽出管２と、冷却塔３と、循環ポンプ４との組み合わせからなっている。処理チャンバー１は、内部に投入された被処理物を加熱して加水分解処理を行う釜であり、その外壁にはヒータ５が装備され、処理チャンバー１と、冷却塔３間は、前記抽出管２で接続されている。

抽出管２は、処理チャンバー１の下部の蒸気戻り口６と、上部の蒸気送出口７間をつなぐ循環管路であり、冷却塔３は、その管路内に接続され、循環ポンプ４は、冷却塔３の上流側の管路内に接続されたものである。また、処理チャンバー１は、被処理物の投入口８と排出口９とを有し、その内部には、垂直軸を中心に回転しながら処理チャンバー１内に投入された被処理物を攪拌する攪拌羽根１０を装備している。

冷却塔３は、抽出管２内の空気（蒸気）を冷却する熱交換器であり、循環ポンプ４は、被処理物の加水分解処理後、処理チャンバー１内の水蒸気を冷却塔３に強制送風するものである。冷却塔３には、ドレイン１１を備え、冷却塔３内に水蒸気中の加水分解成分である抽出された粗乳酸水溶液が貯められ、冷却塔３内にためられた粗乳酸水溶液は、抽出液として容器Ｖ１内に回収される。また、チャンバー１内で加水分解によって溶出した粗乳酸はドレイン１１’を開くことによって、容器Ｖ２に回収する。

粒度選別装置Ｂは、処理チャンバー１内の固形物を粒径選別によって粉体と、粒状物とに選別する装置である。不純物除去装置Ｃは、この例では磁気分離，比重分離などの方法を用いて粒度選別装置Ｂで選別された粉体を除く他の残存物を主として金属成分と非金属成分とに分離する装置である。粒度選別装置Ｂによって選別された粉体は、主として石油由来の生分解性プラスチックであり、不純物除去装置Ｃによって金属が除かれた残留物は、石油由来の化学合成系プラスチックである。

本発明は、加水分解処理と、粒度選別処理と、不純物除去処理とを順に行ってプラスチック廃棄物からプラスチックを分別回収する方法である。加水分解処理は、プラスチック廃棄物中に含まれる生分解性プラスチックを選択的に加水分解する処理であり、加水分解処理の結果、植物由来の生分解性プラスチックは溶液として抽出され、分解可能な石油由来の生分解性プラスチックは加水分解処理によって粉末状となる。

粒度選別処理は、植物由来の生分解性プラスチック溶液として抽出されて残存する固形物から、粉末状に加水分解された分解可能な石油由来の生分解性プラスチックを粒径選別する処理である。不純物除去処理は、粒径選別された石油由来の生分解性プラスチック以外に残存する固形物から石油由来の化学合成系プラスチックを選別する処理である。

なお、不純物除去処理は、プラスチック廃棄物中に含まれる不純物中、分解可能な石油由来の化学合成系プラスチック以外にも加水分解されない金属成分を除去する処理である。

次に上記システムを用いてプラスチック廃棄物からそれぞれのプラスチックの再生材料を回収する要領を図２のフローを参照しつつ図１に基づいて説明する。

（１）破砕処理（ステップＳ１）
本発明において、被処理物は、植物由来の生分解プラスチックを主体とするプラスチック廃棄物の破砕物である。ここに、植物由来のプラスチックを主体とするプラスチック廃棄物とは、廃棄物の大部分が植物由来のプラスチックであり、その中に、石油由来の生分解性プラスチック、石油由来の化学合成系プラスチックのような他の種類のプラスチックが含まれていてもかまわないという意味である。

つまり予め人手によってこれらを分別して原料を植物由来のプラスチックのみに限定する必要はないという意味に用いている。植物由来のプラスチックを主体とするプラスチック廃棄物を３〜５ｃｍの大きさに破砕する。

（２）原料投入（ステップＳ２）
３〜５ｃｍの大きさに破砕された被処理物を処理チャンバー１内に投入し、処理チャンバー１の容量一杯に充填する。

（３）給水（ステップＳ３，ステップＳ４）
処理チャンバー１内には、被処理物の総重量の２０％の水を添加し、処理チャンバー１を密閉する。
（４）加熱モード開始（ステップＳ５）
タイマーをセットしてヒータ５に通電し、処理チャンバー１内を約１４０℃に加熱しつつ加熱モードを開始する。加熱モードでは処理チャンバー１内の圧力を、約１４０℃の加熱温度での飽和水蒸気圧に保つ。また、一定間隔（例えば２秒）ごとに1回程度攪拌羽根１０を回転駆動して処理チャンバー１内の原料を攪拌する。

（５）加水分解処理（ステップＳ６）
この状態で一定時間をかけて処理チャンバー１内の被処理物を加熱しながら処理チャンバー１内に発生する飽和水蒸気の雰囲気中に被処理物を曝して加水分解反応を進行させる。加熱モードによって、乳酸系生分解性プラスチックの加水分解反応が進行して、粗乳酸水溶液の蒸気が生成され、その蒸気が処理チャンバー１を充満する。予め定められた時間経過後、ヒータ５の電源を遮断して加熱モードを完了する。

被処理物の加水分解処理に要する時間は、処理チャンバー１の容量にもよるが、通常は５〜８時間である。つまり密閉された処理チャンバー１内で、約１４０℃で加熱したときには、１４０℃での飽和水蒸気圧のもとで数時間のうちに被処理物中の生分解性プラスチックを加水分解することができる。

図３は、加水分解による有機物の分解メカニズムを示す図である。図２において、加水分解とは、基本的に電気結合されている有機物の酸素と他の原子（例えば炭素Ｃ）との間に水イオン（Ｈ^＋とＯＨ⁻）を作用させて電気結合を切ることである。

すなわち、炭素「Ｃ」と酸素「Ｏ」との間で電子の移動が起こり偏在する、いわゆる分極が起こり、そこに水イオン「Ｈ^＋」と「ＯＨ⁻」が引き寄せられて電気的に結合する現象であるが、そこに電子と原子とのそれぞれが持つエネルギーが深く関係しており、温度・圧力はこの電子と原子の励起エネルギーとして直接作用している。従って、この時に反応に作用させる温度・圧力によって加水分解反応の反応速度は微妙に変化する。

例えばポリ乳酸の原料である乳酸は、ある温度範囲で昇華して気体となったり、融解して液体となったり、また蒸発して気体となったりする。しかしながら、融解自体は分解を伴う反応であり、乳酸が分解すると、純粋な乳酸ではなくなり、ポリ乳酸の原料とはなりにくい。しかし、雰囲気の温度・圧力を制御することによって、この微妙な反応領域を通過させることが可能である。

ここで、温度・圧力を制御することによってポリ乳酸を加水分解させ、乳酸オリゴマーにする。高圧下であれば比較的低温でも昇華し、一旦気体となった後、この気体は水溶性であるため熱水に多量に溶解する。これによって多量の乳酸を溶液で回収することが可能となる。

タイマーで設定した時間は、加水分解処理の加熱モードの時間である。加熱モードでは、抽出管２の蒸気送出口７及び蒸気戻り口６を閉じ、処理チャンバー１内を密閉した状態で、被処理物を加熱・加圧し、加熱温度での飽和水蒸気圧のもとで被処理物の加水分解を進行させる。設定時間が経過するとブザーで報知する。また設定時間前であっても、加熱モードの異常（温度異常，圧力異常）が発生したときには、ブザーで報知することもできる。

（６）冷却モード（ステップＳ７）
タイマーで設定した加熱モードの時間が経過したときには、加熱モードを終了させ、ついで冷却モードに移行する（ステップＳ７）。冷却モードは、図４に示す飽和水蒸気圧曲線に従って、処理チャンバー１内の圧力と温度を制御しつつ降温させる。冷却モードでは、送出側，戻り側の抽出管２のバルブを開き、循環ポンプ４を起動して処理チャンバー１内の水蒸気を抽出管２内に吸引し、冷却塔３を経由させて一部を凝結させ、乾燥冷却後の乾燥空気は再び処理チャンバー１内に戻し、処理チャンバー１内の水蒸気を冷却塔３と処理チャンバー１間で循環させつつ処理チャンバー１内に残される溶液を回収する。

冷却モードにおいては、処理チャンバー１内には、粗乳酸の水溶液と乾燥した固形物が残され、被処理物から抽出されて蒸気中に含まれる抽出物は、冷却塔３内に送り込まれて、冷却塔３内で冷却され、凝結して粗乳酸水溶液として冷却塔３内に貯められる。

（７）溶液回収（ステップＳ８）
処理チャンバー１内の水蒸気は、冷却が繰り返されることによって次第に温度・圧力が下がり、処理チャンバー１内が常温，常圧になったことを確認して冷却塔３のドレイン１１を開き、冷却塔３内で抽出された粗乳酸水溶液を容器Ｖ１内に回収すると共に処理チャンバー１内の溶液はドレイン１１’を開いて容器Ｖ２に回収する。また固形生成物は排出口９から回収する。容器Ｖ１及びＶ２内に回収した粗乳酸水溶液は、再び生分解性プラスチック製品の原料になる。

（８）乾燥処理実行（ステップＳ９）
処理チャンバー１内に残された固形物を更に乾燥させて湿度４％以下に乾燥させて処理チャンバー１から回収する。
（９）粒度選別処理（ステップＳ１０）
処理チャンバー１から回収された固形物を粒度選別装置Ｂに取り出し、粒径選別を行い、粉体と粒体とに選別し、粒度の細かい粉体を容器Ｖ３に回収する。選別の粒度の大きさを規定することができないが、粒度の細い粉体は、主として石油由来の生分解性プラスチックである。石油由来の生分解性プラスチックも生分解性である限り、加水分解作用を受けて細かい粉となり、加水分解されないものは、最初に破砕処理された大きさのままである。粉体として得られた石油由来の生分解性プラスチックは、例えばプラスチックの再生原料、土壌改良材に加工される。

（１０）不純物除去処理（ステップＳ１１）
粒度選別処理後、粒度選別装置Ｂに残存した粒径の大きい固形物を不純物除去処理装置Ｃで選別する。この例では金属粒を選別し、金属粒は、容器Ｖ４に回収し、残存する粒体を容器Ｖ５に回収する。残存する粒体は主として石油由来のプラスチックである。回収した石油由来のプラスチックは、プラスチック製品の原料として再生する。以上実施例においては、処理チャンバー１内の温度を上昇させる手段としてヒータを用いる例を説明したが、大型のシステムでは、ボイラーを用いて加熱水蒸気を熱源とするほうが効率的である。

本発明によれば、予め人手によって分別することなくプラスチックの廃棄物を一括処理して、最終的にプラスチックの種類ごとに回収することができる。以上実施例においては、生分解性プラスチックの処理チャンバー内にて一定温度と圧力の条件の下、特に加熱温度１４０℃での飽和水蒸気圧での加熱モード及び加熱モード終了後の冷却モードで降温させつつ物理的に加水分解処理を行う例を示した。この方法によれば、５〜８時間の比較的短時間で加水分解処理を完了できるが、本発明における加水分解処理は、必ずしも物理的に処理を行う場合に限られるものではない。加水分解処理は、微生物処理、化学反応処理その他の既存の方法によっても原理的に可能であるが、既存の方法のままでは、加水分解に時間が掛かりすぎて実用上問題がある。処理時間で実用上クリアできるならば、微生物処理、化学反応処理による加水分解処理も当然活用することができる。

本発明方法は、生鮮食料品，保存加工品，調理済み品，調理料理提供などの流通業界，レストラン，スーパーマーケット，コンビニなどから発生する大量のプラスチック廃棄物の処理に適用して廃棄物を処理し、併せてプラスチック原料の再生利用を効率よく行うことができる。

本発明方法に用いるシステムの構成図である。 本発明方法のフローを示す図である。 有機物の加水分解メカニズムを説明する図である。 飽和水蒸気圧曲線を示すグラフである。

符号の説明

１ 処理チャンバー
２ 抽出管
３ 冷却塔
４ 循環ポンプ
５ ヒータ
６ 蒸気戻り口
７ 蒸気送出口
８ 投入口
９ 排出口
１０ 攪拌羽根
１１，１１’ドレイン
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５ 容器

Claims (3)

1. 加水分解処理と、粒度選別処理と、不純物除去処理とを有するプラスチック廃棄物からプラスチックを分別回収する方法であって、
   加水分解処理は、プラスチック廃棄物中に含まれる生分解性プラスチックを選択的に約１４０℃の飽和水蒸気圧のもとで加水分解する処理であり、生分解性プラスチックは、植物由来の乳酸系生分解性プラスチック及び石油由来の分解可能な生分解性プラスチックであり、
   植物由来の乳酸系生分解性プラスチックは加水分解処理によって溶液として抽出され、石油由来の分解可能な生分解性プラスチックは加水分解処理によって粉末状となり、
   粒度選別処理は、植物由来の乳酸系生分解性プラスチック溶液として抽出された後に残存する固形物から、粉末状の石油由来の分解可能な生分解性プラスチックを粒径選別する処理であり、
   不純物除去処理は、粒径選別された石油由来の分解可能な生分解性プラスチック以外に残存する固形物から石油由来の化学合成系プラスチックを選別する処理であることを特徴とするプラスチック廃棄物の分別回収方法。
2. 不純物除去処理は、プラスチック廃棄物中に含まれる不純物中、石油由来の化学合成系プラスチック以外にも加水分解されない金属成分を除去する処理であることを特徴とする請求項１に記載のプラスチック廃棄物の分別回収方法。
3. プラスチック廃棄物を一定の大きさに粉砕するステップと、粉砕されたプラスチックを加水分解するステップと、加水分解によってプラスチック廃棄物中に含まれる植物由来の乳酸系生分解性プラスチックから生成した粗乳酸水溶液を抽出するステップと、粗乳酸水溶液の抽出後、残存する固体成分を粒度選別して粉体状の石油由来の分解可能な生分解性プラスチックを選別するステップと、粉体状の石油由来の分解可能な生分解性プラスチックの選別後、残存する固体成分の中から、不純物を除去して石油由来の化学合成系プラスチックを選別するステップとを有することを特徴とする請求項１に記載のプラスチック廃棄物の分別回収方法。

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