热固性聚氨酯废弃物制备的多孔炭及其制备方法技术

本发明专利技术属于多孔炭材料技术领域，具体涉及热固性聚氨酯废弃物制备的多孔炭及制备方法。本发明专利技术所要解决的技术问题是提供一种热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法，包括以下步骤：a、炭化：将热固性聚氨酯废弃物、水、醛类物质混合均匀，然后进行水热炭化，得到炭化物；b、活化：将炭化物进行活化，得到多孔炭初品；c、后处理：对多孔炭初品水洗至中性、干燥，即得产品多孔炭。本发明专利技术方法具有多孔炭得率高，同时制备所得多孔炭的表面官能团多、孔隙结构好、吸附性能高。

Porous carbon prepared from thermosetting polyurethane waste and its preparation method

The invention belongs to the technical field of porous carbon material, in particular to porous carbon for the preparation of thermosetting polyurethane waste and a preparation method thereof. The technical problem to be solved by the invention is to provide a method for preparing porous carbon from thermosetting polyurethane waste, which comprises the following steps: A. carbonization: mixing thermosetting polyurethane waste, water and aldehydes evenly, and then carrying out hydrothermal carbonization to obtain the carbonized substance; B. activation: activating the carbonized substance to obtain the initial product of porous carbon; C. post treatment: preparing the initial product of porous carbon The porous carbon can be obtained by washing to neutral and drying. The method has the advantages of high yield of porous carbon, multiple surface functional groups, good pore structure and high adsorption performance.

【技术实现步骤摘要】
热固性聚氨酯废弃物制备的多孔炭及其制备方法
本专利技术属于多孔炭制备领域，具体涉及一种热固性聚氨酯废弃物制备的多孔炭及其制备方法。
技术介绍
聚氨酯是由异氰酸酯与聚酯型或聚醚型多元醇经聚合而制得，其结构重复单元为氨基甲酸酯-NHCOO-。聚氨酯具有优良的机械强度、柔曲性和回弹性、氧化稳定性、耐油性等性能，可制备合成革、涂料、粘合剂、橡胶和聚氨酯纤维等，尤其在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下制备的聚氨酯泡沫具有优良的抗冲、吸音、隔热等性能，被广泛地用作家具、床垫、座椅的垫材，冰箱、冰柜、冷藏车等的绝热层，以及建筑物、储罐及管道保温材料等。2015年全球聚氨酯泡沫市场的需求是946万吨，到2024年将达到1274万吨，聚氨酯泡沫市场达到919.6亿美元。随着聚氨酯的广泛应用，其废弃物也逐渐增多。根据聚氨酯聚合方式的不同，聚氨酯可分为热塑性和热固性两类。热塑性聚氨酯由于分子链段具有一定的运动能力，能够热塑加工，易于通过挤出造粒、填充等物理方法回收。但热固性聚氨酯分子链段间为交联结构，不溶不融，难以通过物理方法回收利用。目前，热固性聚氨酯废弃物处理方法主要有填埋、焚烧和化学回收。填埋：直接进行垃圾填埋处理。由于热固性聚氨酯废弃物密度低、体积庞大，填埋费用较高。填埋处理不仅浪费了资源，还占用了大量的土地资源。焚烧：与城市固体废物一起燃烧提供热能。焚烧过程会产生大量有毒气体，造成二次污染，需要进行严格控制。化学回收：通过水解、醇解、碱解等化学反应，将聚氨酯分解成低聚物或者小分子有机物，进而回收利用。化学回收法前期投入大、工艺复杂且见效缓慢，目前不适合工业上大规模运用，具有一定局限性。热固性聚氨酯废弃物材料如不正确有效的回收利用，不仅浪费资源，还会对环境构成巨大威胁。因此，发展热固性聚氨酯废弃物回收利用的新方法具有重要的经济和社会意义。废弃聚氨酯含碳量高达40wt％，可作为多孔炭的前驱体。另一方面，废旧聚氨酯含氮量高，为15～25wt％，可得氮掺杂多孔炭。氮掺杂多孔炭材料可以极大地改变材料的表面结构、增强其亲水性、影响材料表面pKa值、改善材料的电子传输速率、增强吸附和催化化学反应活性，引入具有碱性/催化活性位的含氮官能团，可强化多孔炭材料固有的优异性能并赋予其新功能，应用于气体吸附分离、储氢及污染气体脱除等领域。氮掺杂炭材料制备方法主要包括两类：原位掺氮：在合成多孔炭材料过程中直接掺杂含氮前体，如双氰胺、尿素、三聚氰胺等。后处理掺氮：用含氮体如NH3等对多孔炭材料进行后处理，后处理掺氮法存在氮掺杂量较低、成本较高、毒性较大等问题。相对于原位掺氮和后处理掺氮，以含氮聚氨酯废弃物为炭前驱体制备的多孔炭氮含量较高，表面化学基团丰富，能有效提升多孔炭表面碱性，且成本低廉，工艺简便。CN103754869A尝试采用冰箱保温层的热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭，将废旧聚氨酯泡沫冷却粉碎后，与KOH或/和K2CO3在600～950℃，N2或CO2保护下活化0.5～2h，冷却、水洗、干燥后得到多孔炭。该方法炭化和活化过程同时进行，通过增加活化剂的用量提高活化效果，活性剂用量较高；同时，炭原料和活化剂直接反应，活化反应条件剧烈，炭损失量较大，多孔炭得率较低；此外，由于反应剧烈，原料中的氮、氧等元素损失较大，所得多孔炭的表面官能团含量相对较少。因此，该方法制备的多孔炭得率低，约5％，吸附值较低，亚甲基蓝吸附值仅为21～330mg/g，孔隙结构不发达，炭表面的含氮量也较低。水热炭化通常是生物质材料炭化的有效方法，是指在150℃至350℃下水溶液中密闭1小时以上，进行脱羟基碳化反应的过程，前驱体降解成单体，单体脱水并诱发聚合，芳构化反应最终成炭。水热法主要应用于生物质材料，常为多糖，而在废弃聚合物材料尤其是热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭方面应用尚未见报道。
技术实现思路
针对现有热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭存在得率低、孔隙结构差、官能团含量低等的缺陷，本专利技术提供了一种以热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的新方法以及制备得到的多孔炭。本专利技术采用水热炭化-高温活化相结合的方法，以热固性聚氨酯废弃物为原料，先用水热法将其炭化，将炭化物在惰性气氛中于高温下通过物理或化学活化剂进行活化，然后经洗涤、过滤、烘干处理后，得到氮掺杂多孔炭材料；所述热固性聚氨酯废弃物为垫材、绝热层或保温材料，例如家具、床垫、座椅的垫材，或冰箱、冰柜、冷藏车等的绝热层，或建筑物、储罐及管道保温材料。本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法。该方法包括以下步骤：a、炭化：将热固性聚氨酯废弃物、水、醛类物质混合均匀，然后进行水热炭化，得到炭化物；b、活化：将炭化物进行活化，得到多孔炭初品；c、后处理：对多孔炭初品水洗至中性、干燥，即得多孔炭产品。优选的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述热固性聚氨酯废弃物的粒度为30～200目。优选的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述醛类物质为戊二醛或乙二醛。进一步的，所述醛类物质为戊二醛。具体的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述戊二醛的添加量为每1g热固性聚氨酯废弃物添加0～2mL戊二醛。进一步的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述戊二醛的添加量为每1g热固性聚氨酯废弃物添加0.5～1mL戊二醛。进一步的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，当戊二醛添加量为0mL时，需控制水热炭化的温度在160℃以下。具体的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述水的添加量为每10g热固性聚氨酯废弃物对应加入不低于30mL水。进一步的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述水的添加量为每10g热固性聚氨酯废弃物对应加入30～100mL水。更进一步的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述水的添加量为每10g热固性聚氨酯废弃物对应加入50～80mL水。具体的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述水热炭化的温度为80～300℃。进一步的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述水热炭化的温度为150～240℃。更进一步的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述水热炭化的温度为160～200℃。具体的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述水热炭化的时间为2～10h。进一步的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤a中，所述水热炭化的时间为优选2～6h。具体的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤b中，所述活化采用物理活化或化学活化。进一步的，上述热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法步骤b中，所述物理活化温度为600～1000℃。物理活化时间为0.5～4h。物理活化升温速率为1～20℃/min。物理活化剂流速为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法，其特征在于：包括以下步骤：/na、炭化：将热固性聚氨酯废弃物、水、醛类物质混合均匀，然后进行水热炭化，得到炭化物；/nb、活化：将炭化物进行活化，得到多孔炭初品；/nc、后处理：将多孔炭初品水洗至中性、干燥，即得多孔炭成品。/n

【技术特征摘要】
1.热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、炭化：将热固性聚氨酯废弃物、水、醛类物质混合均匀，然后进行水热炭化，得到炭化物；
b、活化：将炭化物进行活化，得到多孔炭初品；
c、后处理：将多孔炭初品水洗至中性、干燥，即得多孔炭成品。


2.根据权利要求1所述的热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法，其特征在于：步骤a中，所述热固性聚氨酯废弃物的粒度为30～200目。


3.根据权利要求1所述的热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法，其特征在于：步骤a中，所述醛类物质为戊二醛或乙二醛；优选的，所述醛类物质为戊二醛。


4.根据权利要求3所述的热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法，其特征在于：步骤a中，所述戊二醛的添加量为每1g热固性聚氨酯废弃物添加0～2mL戊二醛；优选的，所述戊二醛的添加量为每1g热固性聚氨酯废弃物添加0.5～1mL戊二醛。


5.根据权利要求1所述的热固性聚氨酯废弃物制备多孔炭的方法，其特征在于：步骤a中，所述水的添加量为每10g热固性聚氨酯废弃物对应加入不低于30mL水；优选的，所述水的添加量为每10g热固性聚氨酯废弃物对应加入30～100mL水；进一步优选的，所述水的添加量为每10g热固性聚氨酯废弃物对应加入50～80mL水。


6.根据权利要求1～5任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：江霞，张国晨，白时兵，蒋文举，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51