一种利用太阳能热-电耦合降解聚丙烯高效制氢和轻烃的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用太阳能热‑电耦合降解聚丙烯高效制氢和轻烃的方法，包括如下步骤：(1)制备电解用料：将聚丙烯和电解质混合均匀，制成电解用料；(2)电解：将步骤(1)制得的电解用料放入反应装置中，将电解电极插入电解用料中，然后密封反应装置，利用太阳能集热装置将密封后的反应装置内的温度加热至设定温度，再利用太阳能电池通电，在恒定电流或恒定电压且设定温度下下进行电解；(3)收集氢和轻烃：停止加热和通电，收集气相产物，得到含有氢和轻烃的混合物。该方法可以实现废塑料的绿色、清洁和可持续降解，还可以获得可利用价值高的氢和轻烃。

【技术实现步骤摘要】
一种利用太阳能热-电耦合降解聚丙烯高效制氢和轻烃的方法
本专利技术涉及高分子材料降解
，尤其涉及一种利用太阳能热-电耦合降解聚丙烯高效制氢和轻烃的方法。
技术介绍
在废弃的塑料垃圾中，聚丙烯占有很大的比重。传统的热裂解法存在消耗能源、产物可利用价值低的特点。分子筛催化降解法虽然能改善产物的分布，降低反应温度，但也存在消耗能源与催化剂昂贵等问题。太阳能是一种清洁、绿色的可再生能源。在当前环境保护问题与能源危机问题的严峻形势下，若是能将太阳能作为能源应用到聚丙烯降解中无疑可以大大降低该塑料垃圾的处理成本。基于上述考虑，本专利技术研发出了一种利用太阳能降解聚丙烯的技术，将塑料垃圾中废弃的聚丙烯大分子降解为小分子的含能物质如氢、轻烃等。通过与其他方法分析比较发现，该过程具有节省能源、改善环境污染问题、生成氢及轻烃燃料的三重收益。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对现有的聚丙烯降解方法中存在的成本高、产物可利用价值低的问题，本专利技术提供了一种利用太阳能热-电耦合降解聚丙烯高效制氢和轻烃的方法。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：1、一种利用太阳能热-电耦合降解聚丙烯高效制氢和轻烃的方法，包括如下步骤：(1)制备电解用料：将聚丙烯和电解质混合均匀，制成电解用料；(2)电解：将步骤(1)制得的电解用料放入反应装置中，将电解电极插入电解用料中，然后密封反应装置，利用太阳能集热装置将密封后的反应装置内的温度加热至设定温度，再利用太阳能电池通电，在恒定电流或恒定电压且设定温度下下进行电解；(3)收集氢和轻烃：停止加热和通电，收集气相产物，得到含有氢和轻烃的混合物。2、根据技术方案1所述的方法，按照如下方法收集气相产物：将反应装置内的气体排至冷凝装置中进行冷凝，再将经冷凝后的气体干燥，将干燥后的气体收集至气体收集装置中；优选的是，采用气体采样泵将气体排至冷凝装置中；优选的是，所述冷凝装置采用的是具有U型结构的冷凝装置；优选的是，采用填充有变色硅胶的干燥装置进行所述气体干燥。3、根据技术方案2所述的方法，气体采样泵设置干燥装置和气体收集装置之间。4、根据技术方案1所述的方法，所述轻烃为C原子数为1至5的烷烃和/或不饱和烃中的任一种或多种。5、根据技术方案1至4任一项所述的方法，所述电解电极采用螺旋电极，所述螺旋电极采用镍丝缠绕制成；优选的是，所述镍丝的直径为0.5～1mm；优选的是，所述螺旋电极的直径为1～1.5cm。6、根据技术方案5所述的方法，所述电解电极的阳极电极和阴极电极保持1～3cm的间距，优选为1～2cm，更优选为1～1.5cm。7、根据技术方案1至4任一项所述的方法，所述电解质为氢氧化钠和氢氧化钾的混合物；优选的是，氢氧化钠和氢氧化钾的摩尔比为1:1；进一步优选的是，聚丙烯和电解质的质量比为(0.5～2)：(4.5～5)。8、根据技术方案1至4任一项所述的方法，按照6～7℃/min的升温速率对反应装置进行加热，设定温度控制在350～400℃。9、根据技术方案1至4任一项所述的方法，在0.05～0.5mA的恒电流条件下进行所述电解，电解时间为60～360分钟；或在1～1.5V的恒电压条件下进行所述电解，电解时间为60～360分钟。10、根据技术方案1至4任一项所述的方法，步骤(3)之后，所述方法还包括对反应装置进行冷却的步骤；优选的是，先采用沙浴冷却的方法对反应装置进行冷却，待反应装置的温度降至100～150℃后，再采用水浴冷却的方法进行冷却。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有如下优点：采用太阳能热-电耦合降解聚丙烯，实现废塑料的绿色、清洁和可持续降解。利用了太阳的全光谱能量，太阳能光-热转换过程利用太阳能的全光谱能量为聚丙烯提供热能使其升高温度，太阳能光-电转换过程利用太阳能的短波长为聚丙烯电化学反应提供一定外加电势，在高温条件下，发生热-电耦合反应，使聚丙烯大分子分子转化为氢及一系列小分子烃类，提高了降解产物的可利用价值。附图说明图1是在350℃下，实施例1和对比例1制得的气相产物中氢和轻烃含量的对比图；图2是在400℃下，实施例2和对比例2制得的气相产物中氢和轻烃含量的对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种利用太阳能热-电耦合降解聚丙烯高效制氢和轻烃的方法，包括如下步骤：将聚丙烯烘干，烘干可以在烘箱中进行，为了确保聚丙烯的表面干燥无水，可以将烘箱的温度设定为70～100℃，并在该温度条件下烘干5～20分钟。将烘干后的聚丙烯与电解质混合均匀，将混合均匀后的混合物料放入反应装置中。电解质优选为氢氧化钠和氢氧化钾的混合物，更优选的是，氢氧化钠和氢氧化钾的摩尔比为1:1。聚丙烯作为一种绝缘材料，如果电极之间仅仅存在聚丙烯这一种单一物质，电极之间无法形成通路，从而无法发生电化学反应。本专利技术人采用氢氧化钠和氢氧化钾按照上述特定质量比组成的混合物作为导电材料，其熔点在170℃左右，在反应过程中呈熔融状态，可以为反应体系提供电荷转移所需的离子。经过专利技术人大量研究，当聚丙烯和电解质的质量比为(0.5～2)：(4.5～5)时，聚丙烯的降解效果较佳。将电解电极插入反应装置中，确保电极的部分或全部插入混合物料中。在本专利技术中，电解电极(包括阳极电极和阴极电极)可以采用螺旋电极。由于聚合物在即使在高温下黏度也很大，不易流动，采用螺旋电极进行电解时，电极表面与反应物更容易从不同位置接触。同时，使用螺旋电极在反应后更容易实现固体残渣与电极表面的分离。在一些实施例中，螺旋电极可以按照如下方法进行制备：用直径为0.5～1mm(例如，可以为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm)的镍丝缠绕制成直径为1～1.5cm(例如，可以为1cm、1.1cm、1.2cm、1.3cm、1.4cm、1.5cm)的螺旋电极。以采用直径为0.8mm的镍丝进行缠绕，直径为1cm为例，可以缠绕10圈，镍丝缠绕总长度为26cm，此时螺旋电极的外表面积S＝π×0.08cm×26cm＝6.53cm2。为了确保电解的顺利进行，所述电解电极的阳极电极和阴极电极可以保持1～3cm的间距，优选为1～2cm，更优选为1～1.5cm。按照上述方法插入电解电极后，将反应装置密封，然后利用太阳能集热装置对密封后的反应装置进行加热。太阳能集热装置可以实现太阳能的光-热转换，将太阳能转换为热能，对反应装置进行加热。在一些实施方式中，可以采用碟式太阳能集热器。它可以利用旋转抛物面将入射光聚焦在焦点上，放置在焦点上的反应装置可以接收较高温度的热能，运行温度最高可达750～1382℃。加热时，可以按照6～7℃/min的升温速率对反应装置进行加热，使反应装置内的温度达到预设温度，如350～400℃(可以具体为350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃)。当反应装置内的温度达到设定温度后，利用太阳能电池通过电解电极对混合物料施加恒定电流或恒定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用太阳能热‑电耦合降解聚丙烯高效制氢和轻烃的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)制备电解用料：将聚丙烯和电解质混合均匀，制成电解用料；(2)电解：将步骤(1)制得的电解用料放入反应装置中，将电解电极插入电解用料中，然后密封反应装置，利用太阳能集热装置将密封后的反应装置内的温度加热至设定温度，再利用太阳能电池通电，在恒定电流或恒定电压且设定温度下下进行电解；(3)收集氢和轻烃：停止加热和通电，收集气相产物，得到含有氢和轻烃的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种利用太阳能热-电耦合降解聚丙烯高效制氢和轻烃的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)制备电解用料：将聚丙烯和电解质混合均匀，制成电解用料；(2)电解：将步骤(1)制得的电解用料放入反应装置中，将电解电极插入电解用料中，然后密封反应装置，利用太阳能集热装置将密封后的反应装置内的温度加热至设定温度，再利用太阳能电池通电，在恒定电流或恒定电压且设定温度下下进行电解；(3)收集氢和轻烃：停止加热和通电，收集气相产物，得到含有氢和轻烃的混合物。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：按照如下方法收集气相产物：将反应装置内的气体排至冷凝装置中进行冷凝，再将经冷凝后的气体干燥，将干燥后的气体收集至气体收集装置中；优选的是，采用气体采样泵将气体排至冷凝装置中；优选的是，所述冷凝装置采用的是具有U型结构的冷凝装置；优选的是，采用填充有变色硅胶的干燥装置进行所述气体干燥。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：气体采样泵设置在干燥装置和气体收集装置之间。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述轻烃为C原子数为1至5的烷烃和/或不饱和烃中的任一种或多种。5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于：所述电解电极采用螺旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜婷婷，谷笛，江泓，朱凌岳，赵许乐，王宝辉，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23