[發明專利]一種基于網狀催化劑高產率制備碳納米管和氫氣及其再生方法

在審

• 申請號: 202111351683.1
• 申請日: 2021-11-16
• 公開（公告）號: CN114031068A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 張會巖;江冬陽;劉晴雨;洪儒;彭勃;肖睿
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;C01B3/02
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 王澤涵

本發明公開了一種基于網狀催化劑高產率制備碳納米管和氫氣及其再生方法，屬于有機固廢利用領域，本發明以廢塑料作為原料，生產高附加值的碳納米管和氫氣，在遏制白色污染的同時，實現了塑料的資源化利用；以不銹鋼網作為催化劑，成本低廉，催化活性高，再生性能好，制備的碳管及氫氣產率高；不銹鋼催化劑的獨特優勢在于同時充當催化劑和載體，可以將反應后的碳管與網狀催化劑進行簡單的物理剝離，避免了化學分離帶來的高成本高污染問題，易于實現碳管及氫氣的大規模制備，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于有機固廢利用領域，更具體地，涉及以廢塑料為原料實現碳納米管和氫氣制備及催化劑再生方法。

背景技術

塑料在給人類社會帶來便利的同時也產生了許多環境問題，如土壤污染、海洋微塑料污染等。據統計，2018年中國塑料制品總產量達6042萬噸，但廢塑料回收僅1574萬噸，約占26%。塑料被認為是自然界最難降解的物質之一，世界范圍內有超過60%的廢塑料采用焚燒和填埋粗放式方法處理，帶來的水氣土污染及占地問題不容忽視。尤其是微塑料顆粒易被海洋生物攝入，進而侵入海洋生態系統和包括人類在內的整個食物鏈，嚴重危害健康。

近年發展起來的催化熱解聯產高值碳材料和氫氣技術，無論是在技術的先進性還是過程的經濟性方面都具有顯著的優勢，已逐漸成為學者們廣泛關注的話題。碳材料在吸附、分離、催化、儲能和環境治理等領域應用廣泛，而氫能作為21世紀最具發展潛力的清潔能源，是世界未來能源發展的必然選擇。因此，在生產清潔能源的基礎上，還可以最大限度地實現塑料的高附加值利用，是現階段實現廢塑料資源化利用的重要方向。

過渡金屬Fe、Co、Ni基催化劑具備從碳氫氣體中提取碳納米管的良好催化活性，目前被廣泛研究。該類粉體催化劑的制備依賴于共沉淀、浸漬或溶膠凝膠法等較高成本的技術手段，而無論催化劑的種類和制備方法如何，如果要獲得高純度的碳納米管都必須去除分布于碳納米管中的催化劑顆粒及其催化劑載體。在大規模工業應用中用于碳納米管純化的主要技術依賴各種氧化劑的選擇性氧化化學工藝，存在能耗高、后期處理繁瑣等問題。雖然目前許多研究都集中在粉末過渡金屬催化劑上，但其工業應用仍然面臨高昂的制備成本、復雜的分離工藝和凈化困難的限制。因此，在有機固廢熱解-催化聯產高價值碳納米管和氫氣過程中開發有具備低成本優勢、分離工藝簡單、產品純度較高且催化劑易于回收再利用的系統及方法就顯的尤為重要。

發明內容

發明目的：針對現有技術中的不足和改進需求，本發明提供一種基于網狀催化劑高產率制備碳納米管和氫氣及其再生方法，該方法能有效降低催化劑制備與碳納米管產品提純成本，提高碳納米管和氫氣產品產率，實現催化劑的回收利用與產品的再生。

技術方案：本發明所述的一種以廢塑料為原料利用不銹鋼網狀催化劑實現碳納米管-氫氣聯產及再生方法，包含以下步驟：

步驟一，將廢塑料原料置于熱解段進行慢速升溫直至到達設定熱解溫度，并保持一定時間，該過程保持持續通入氮氣或惰性氣體，使塑料發生熱解反應生成揮發組分；

步驟二，將揮發組分通入保持在催化溫度下的高溫催化段，在不銹鋼網狀催化劑的作用下進行催化反應，在催化劑表面生成碳納米管，同時產生高純氫氣；

步驟三，冷卻降溫后，將反應后的網狀催化劑置于乙醇溶液中多次超聲，通過抽濾裝置收集分散于乙醇溶液中的碳納米管，同時將催化劑返回高溫段再次反應，進行碳納米管及氫氣的再生。

進一步的，所述步驟一中的廢塑料被預先粉碎處理至粒徑為30目-200目的粉末，塑料種類包括低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、通用級聚苯乙稀（GPPS）及高抗沖聚苯乙烯（HIPS）。

進一步的，所述步驟一中的廢塑料熱解升溫速率為10-20℃/min，終溫范圍為500-600 ℃，保持時間為10-20分鐘，熱解反應器類型為固定床。