二段法催化裂解废弃塑料制备碳纳米管的方法技术

本发明专利技术公开了一种二段法催化裂解废弃塑料制备碳纳米管的方法，属于碳纳米管技术领域。该方法为废弃塑料在上层热解炉中经热解反应生成热解气，热解气进入下层布置有催化剂的催化反应炉中，分解形成氢气和碳纳米管，其中，碳纳米管均匀地生长在催化剂的表面，碳纳米管和催化剂之间作用力较弱，便于分离。本发明专利技术的制备方法简单，得到的碳纳米管呈中空纤维状，且形状良好。

【技术实现步骤摘要】
二段法催化裂解废弃塑料制备碳纳米管的方法
本专利技术涉及塑料制备碳纳米管，属于碳纳米管
，具体地涉及一种二段法催化裂解废弃塑料制备碳纳米管的方法。
技术介绍
碳纳米材料是指分散相的尺度至少有一维小于100nm的材料，目前已经报道的碳纳米材料包括碳纳米纤维、石墨烯、纳米碳球等，而碳纳米管是作为世界公认的最细的纤维；这些材料由于具备良好的导电性、高机械性能和高比表面积，在电化学催化和储能等可再生能源转换
中占据着重要角色。目前碳纳米管的常用制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法和固相热解法等，但现有的这些制备方法中使用的碳源通常都是有机碳氢小分子，原料成本较高，且这些方法消耗能量高，反应条件比较苛刻，工艺较复杂。科学家们在制备碳纳米材料原料的选用上不断探索，实现了从化学试剂到淀粉、葡萄糖等食品有机质直至有机废弃物的转变，需要指出的是，以有机废弃物为碳源制备碳纳米材料不仅实现了价格低廉、大规模生产的要求，也可满足可持续发展最好的选择。以传统的“白色垃圾”塑料为例，据报道，世界塑料的产量已经从1950年的170万吨增长到2011年的28亿吨，其空前的生产和使用规模越来越成为亟待解决的问题。目前，废弃塑料的常见处理方法有掩埋、焚烧、物理回收、化学处理等，其中，化学处理包括催化降解及热解气化等；热解气化代表了当今世界废旧塑料处理技术的发展方向，被认为是当前最好的废旧塑料回收利用方法之一，废旧塑料制品中的高分子键在热能作用下发生断裂，得到低分子量的化合物，分解后，它生成链长、结构无一定规律的低分子化合物；在适当的温度、压力和催化剂条件下，热解产生的低分子化合物的链长和结构可被限制在一定范围内，利用这一性质，可以生产出高质量的汽油和柴油；而塑料的气化是在更高的温度下，利用水蒸汽或者CO2等气化剂，把碳氢化合物转化为短链的CH4、H2、CO或者C2H6、C2H4等，由于气化的选择性较低，为了提高其选择性，往往采用催化气化的方法，而实际上，在定向气化过程中，催化剂的选择是一个关键因素。如中国专利技术专利申请(申请公布号：CN105349161A，申请公布日：2016-02-24)公开了一种用废旧轮胎和生物质热解产生氢气和碳纳米管的方法。具体的制备过程为先将废旧轮胎和生物质破碎后按照一定比例混合，然后隔绝空气在450～650℃下进行热解；再将热解产生的热解气体加入水蒸气中，在800～900℃温度下进行催化重整，采用的催化剂由Al2O3载体、NiO主催化剂和MgO助催化剂混合组成，得到氢气和碳纳米管的产物质量分别占原料总量的5～15％和20～40％。该制备方法的缺点是工艺要求严格，操作较复杂。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种操作装置一体化且操作简便的二段法催化裂解废弃塑料制备碳纳米管的方法。为实现上述目的，本专利技术公开了一种二段法催化裂解废弃塑料制备碳纳米管的方法，该方法在反应炉中进行，所述反应炉包括由上至下依次分别设置的热解炉和催化反应炉，所述热解炉的内部和催化反应炉的内部保持相通且均处于真空状态，包括如下步骤：1)废弃塑料的预处理；2)热解和催化：将步骤1)处理得到的塑料固体置于热解炉中，取铁基催化剂置于催化反应炉中，控制塑料固体与铁基催化剂的质量比为4～8:1，控制热解炉的反应温度为350～500℃，催化反应炉的反应温度为500～800℃，反应1～3小时，观察到铁基催化剂表面负载有碳纳米管，继续反应至塑料固体反应完全；3)分离：待反应炉冷却至室温后，取出表面负载有碳纳米管的铁基催化剂，采用机械分离即得到中空纤维状的碳纳米管。进一步地，所述步骤3)中，所述碳纳米管的直径为10～100nm。再进一步地，所述铁基催化剂由Al2O3载体与铁氧化物或SiO2载体与铁氧化物组成，所述铁氧化物的负载量为1～10％。更进一步地，所述铁氧化物为氧化铁或四氧化三铁中的一种。更进一步地，所述废弃塑料的材质为PVC、PE、PP、PS或PPS中的一种或一种以上的混合物。更进一步地，所述步骤1)中，取废弃塑料经清洗、干燥及粉碎后得到粒度小于1cm的塑料固体。作为本专利技术技术方案的其中一种技术优选：控制塑料固体与铁基催化剂的质量比为5:1；控制热解炉的反应温度为400℃；催化反应炉的反应温度为550℃；所述铁氧化物的负载量为3％；所述废弃塑料的材质为PP和PS的混合物；作为本专利技术技术方案的其中一种技术优选：控制塑料固体与铁基催化剂的质量比为6:1；控制热解炉的反应温度为450℃；催化反应炉的反应温度为600℃；所述铁氧化物的负载量为4％；所述废弃塑料的材质为PS和PPS的混合物。有益效果：本专利技术的制备方法在上下两层反应装置中进行，经过上下二段反应最终制备得到中空纤维状碳纳米管；不仅反应装置一体化，只需要严格控制工艺温度，操作简单，同时，由于制备的碳纳米管均匀的生长在催化剂表面，碳纳米管和催化剂作用力较弱，便于机械分离，而且制备的碳纳米纤维可应用于电化学储能等
附图说明图1为本专利技术实施例的反应装置剖面图；图2为本专利技术实施例制备的碳纳米管的电镜扫描图；图3为本专利技术实施例制备的碳纳米管的电镜扫描图；其中，图1中的各部件标号如下：热解炉1、催化反应炉2、冷凝系统3、气体收集系统4、热电偶5、碳收集器6。具体实施方式本专利技术公开了一种二段法催化裂解废塑料制备碳纳米管的方法，该方法在图1所示的反应装置中进行，结合图1可知，该反应装置包括反应炉，所述反应炉包括由上至下依次分别设置的热解炉1和催化反应炉2，该反应装置还包括冷凝系统3、气体收集系统4及分别设置在热解炉1和催化反应炉2中的热电偶5，所述催化反应炉2中还设置有碳收集器6；该反应装置的物料入口可采用螺旋给料的方式输送物料。所述热解炉1用于塑料热解生成热解气，热解气在催化反应炉2中经铁基催化剂催化反应制备得到碳纳米管，反应生成的副产物如碳落入到催化反应炉中设置的碳收集器6中，生成的氢气一部分进入冷凝系统3，剩余的进入气体收集系统4中。为了更好地解释本专利技术，以下结合具体实施例进一步阐明本专利技术的主要内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于以下实施例。实施例1取4克的废弃塑料(材质为PE)采用乙醇、水洗涤若干次后自然风干，再采用粉碎机粉碎得到粒度小于1cm的塑料固体；反应炉中抽真空，然后将塑料固体通过螺旋给料的方式装入热解炉中，同时催化反应炉中装入1克的负载量为4％的铁基催化剂(载体为SiO2，铁氧化物为氧化铁)，同时打开热解炉和催化反应炉中的热电偶对其分别进行加热，控制热解炉的反应温度为350℃左右，使得塑料固体缓慢的生成热解气，控制催化反应炉的反应温度为500℃左右，反应3小时左右；热解气在催化反应炉中催化反应得到碳纳米管和氢气，其中，碳纳米管不断均匀的负载在铁基催化剂的表面，生成的氢气一部分作为热解炉中的载气，一部分逸出反应炉被气体收集系统收集。待上述反应结束后，反应炉冷却至室温后，取出表面负载有碳纳米管的铁基催化剂，采用手动剥离的方式即可得到中空纤维状的碳纳米管，如图2和图3所示，该碳纳米管形貌良好，且直径相对均匀，直径主要分布在10～30nm之间。实施例2取4克的废弃塑料(材质为PP)采用乙醇、水洗涤若干次后自然风干，再采用粉碎机粉碎得到粒度小于1cm的塑料固体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二段法催化裂解废弃塑料制备碳纳米管的方法，该方法在反应炉中进行，所述反应炉包括由上至下依次分别设置的热解炉和催化反应炉，所述热解炉的内部和催化反应炉的内部保持相通且均处于真空状态，其特征在于：包括如下步骤：1)废弃塑料的预处理；2)热解和催化：将步骤1)预处理处理得到的塑料固体置于热解炉中，取铁基催化剂置于催化反应炉中，控制塑料固体与铁基催化剂的质量比为4～8:1，控制热解炉的反应温度为350～500℃，催化反应炉的反应温度为500～800℃，反应1～3小时，观察到铁基催化剂表面负载有碳纳米管，继续反应至塑料固体反应完全；3)分离：待反应炉冷却至室温后，取出表面负载有碳纳米管的铁基催化剂，采用机械分离方式即得到中空纤维状的碳纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种二段法催化裂解废弃塑料制备碳纳米管的方法，该方法在反应炉中进行，所述反应炉包括由上至下依次分别设置的热解炉和催化反应炉，所述热解炉的内部和催化反应炉的内部保持相通且均处于真空状态，其特征在于：包括如下步骤：1)废弃塑料的预处理；2)热解和催化：将步骤1)预处理处理得到的塑料固体置于热解炉中，取铁基催化剂置于催化反应炉中，控制塑料固体与铁基催化剂的质量比为4～8:1，控制热解炉的反应温度为350～500℃，催化反应炉的反应温度为500～800℃，反应1～3小时，观察到铁基催化剂表面负载有碳纳米管，继续反应至塑料固体反应完全；3)分离：待反应炉冷却至室温后，取出表面负载有碳纳米管的铁基催化剂，采用机械分离方式即得到中空纤维状的碳纳米管。2.根据权利要求1所述二段法催化裂解废弃塑料制备碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩哲楠，沈伯雄，田路泞，吴春飞，陈玺，刘威，赵清华，张如宾，
申请(专利权)人：武汉光谷环保科技股份有限公司，河北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42