CN103071442B - 波裂解大分子有机物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的波裂解大分子有机物的方法，通过辐射波引起有机物中含有碳-碳化学键的重复单元产生共振，将碳-碳化学键在共振条件下形成断裂，从而定向地形成小分子有机物的裂解反应，以提高工业与生活垃圾中有机物的裂解率与转化率，进而获得可回收再利用的能源产品。所述波裂解大分子有机物的方法，是将波长在0.1微米-1.0米之间的辐射波，导入到放置有固态或液态大分子有机物的密封容器中；辐射波照射于有机物的表面和穿透至有机物内部，从而引起有机物中含有碳-碳化学键的重复单元产生共振；控制辐射波的频率与辐照时间，使得碳-碳化学键在共振条件下发生断裂，大分子有机物被分解为气态的低碳有机物、液态的中碳有机物和固态的高碳有机物。

Description

波裂解大分子有机物的方法

技术领域

本发明是一种使用辐射波针对大分子有机物中含有的碳-碳化学键进行共振裂解的方法与工艺控制，属于分解化学领域。

背景技术

化学家主要任务是合成，将小分子化合物合成为大分子产物。1900-2011年100年间，人类已合成出2340万种化学合成物，尤其是人造的有机大分子产物塑料，橡胶，化学纤维，树脂，尼龙等制品，业已成为人类必不可少的日用品和消费品。而且，在合成化学领域有41项诺贝尔奖被合成领域的化学家获得。

在21世纪以前，人类努力仿造大自然，去合成天然产物，如人造胰岛素。因为被诺贝尔基金委员会誉为地球上最重要的化学反应——大自然的光合作用，就是将二氧化碳，硫化氢和水这些小分子化合物，在太阳光的照射下，形成有机大分子的过程，大自然若没有了光合作用就不会有植物的生长，也不会有动物的生存。植物通过光合作用将空气中的二氧化碳作为碳源，形成纤维素、木质素、淀粉、糖类和蛋白质等天然有机大分子。但是，大自然光合作用创造的天然有机大分子产物，除了那些被埋在地下，经过千百万年的分解反应，形成当今的化石能源，煤、天然气、石油以外，暴露在地面上的天然有机大分子产物，又通过太阳光的照射，发生分解反应，形成气态或液态的有机小分子化合物而滋润了大地。因此，大自然的光合作用通过大自然的光解作用构成了地球资源的循环。

然而，化学合成物的大肆生产，造成了地球资源循环链的打断。大自然赐予人类的分解产物天然气、石油、煤，随着人类对能源的加速消耗，将很快被开采殆尽。人工合成的大分子产物很难分解，如塑料、橡胶、尼龙、有机纤维等，这些人造有机大分子制品的废弃物，已给人类居住环境造成了严重的污染。轮胎所造成的“黑色污染”和塑料所造成的“白色污染”已引起了世界各国政府的特别关注。这些人造制品在太平洋和大西洋形成的“塑料洲”，更是造成了各国政府的不安。仅太平洋“塑料洲”的面积已经是整个欧洲陆地面积的三分之一，而且“塑料洲”面积增长速度极快。到2030年，塑料洲的面积将会变成是欧洲大陆面积的3倍。

为解决工业与生活垃圾处理对于环境的污染、占用农业耕地和回收利用能源等诸多问题，当前较为常见的处理手段是热裂解方法。

热裂解的基本手段是采用外部热源，例如明火燃烧或是微波、电磁波等加热介质，将热能转化为化合物分解所需的化学能。在热裂解过程中，依靠热交换和热传导作用将大分子化合物达到高温分解的临界点。

虽然微波与电磁波裂解是将电能转换成热能，将热裂解技术中的供热源由明火加热改变成暗火加热，是热裂解技术的改进。但对于有机大分子产物而言，都是热的不良导体，热交换和热传导效果很差，况且，不同有机物热分解温度不同，有高有低、有难有易，热裂解技术很难对复杂成份的有机混合物完全实现裂解，分解产物的成分十分复杂。

如公开下述内容的在先申请专利，申请号200410039398，名称是一种光催化降解PVC塑料的新方法，其方案是处理废弃的PVC塑料而在PVC塑料中加入光催化剂杂多酸化合物，均匀成膜并在光的照射下，利用杂多酸化合物独特的氧化一还原性实现PVC的快速光催化氧化降解。该专利实施是降解而非裂解，所降解的产物仅是对环境降低污染危害而无回收再利用的用途，因此应用领域较为狭小，并不能替代当前的能源产品。

再如以下在先申请专利，申请号200910188796，名称是一种垃圾微波裂解综合处理系统及系统使用的方法和设备，其方案是综合处理系统由城市生活垃圾前期处理系统A、立式垃圾连续微波加热低温裂解炉B、固体产物生产活性炭系统C、裂解汽制备燃料汽系统D、液体产物蒸馏提

取轻油和燃料油系统F和配套的污水处理系统G构成。其中，城市生活垃圾前期处理系统A、固体产物生产活性炭系统C和裂解汽制备燃料汽系统D分别与立式垃圾连续微波加热低温裂解炉B连接，液体产物蒸馏提取轻油和燃料油系统F与裂解汽制备燃料汽系统D中的收油管路连接。该专利实质是利用微波实现的热裂解，仍然需要将电能转换成热能，利用热能将化学键断裂，不仅需耗费较多的能量，而且所裂解产物与裂解温度相关，难以定向地控制并获取特定种类的裂解产物，如由此获得天然气、液化气、汽油、柴油等能源产品。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述的波裂解大分子有机物的方法，在于解决上述现有技术存在的问题而创造性提出利用辐射波裂解大分子有机物，即通过辐射波引起有机物中含有碳-碳化学键的重复单元产生共振，将碳-碳化学键在共振条件下形成断裂，从而定向地形成小分子有机物的裂解反应。

发明目的之一，利用波裂解的方式进行大分子有机物的裂解，以提高工业与生活垃圾中有机物的裂解率与转化率，进而获得可回收再利用的能源产品。

发明目的之二，利用波裂解方法获得操作较为简单、分解产物收集方便、反应速度快的控制工艺与裂解设备，有利于大规模地推广与实现工业化产能。

为实现上述发明目的，所述的波裂解大分子有机物的方法是：

将波长在0.1微米-1.0米之间的辐射波，导入到放置有固态或液态大分子有机物的密封容器中；

辐射波照射于有机物的表面和穿透至有机物内部，从而引起有机物中含有碳-碳化学键的重复单元产生共振；

控制辐射波的频率与辐照时间，使得碳-碳化学键在共振条件下发生断裂，大分子有机物被分解为气态的低碳有机物、液态的中碳有机物和固态的高碳有机物。

如上述基本方案，所述波裂解大分子有机物的方法，是以所有含碳-碳化学键的大分子有机物为原料，针对碳-碳化学键发生共振断键形成有机小分子产品。

即采用固定频率的辐射波，只对碳-碳化学键产生共振影响，对其它化学键没有影响或者影响很小，因此对无机物或共轭双键体系波裂解作用不大。因此对混合物中存在碳-碳化学键的有机大分子，能方便地、选择性利用而得到可燃气，燃料油和固体炭，以替代化石能源天然气、石油和煤等产品。

大分子有机物所含有碳-碳化学键的共振频率是不同的、跨度也较大。本专利所选用的辐射波为特定频率的波，由于共振频率可以是倍频、半频等特定频率的整数倍次方或分数倍次方。所以波长在0.1微米-1.0米的辐射波都可以使用。

辐射波的发生装置为电场与磁场相互作用，产生具有特定频率的波动，以辐射方法传送出去。

大分子有机物对于地球环境污染的根源在于人造化学合成物难以分解，本发明提出的波裂解方法与热裂解的区别主要在于波裂解无需供热源，采用共振断裂化学键，选择性好。

更为重要的是，本专利利用有机大分子结构中都存在有碳-碳化学键，选择使碳-碳化学键共振的特定频率的辐射波，使有机大分子结构中的碳-碳化学键产生共振而发生化学键断裂，形成分解产物。

波裂解依靠特定频率的辐射波使有机大分子中含有的碳-碳化学键的重复单元产生共振，持续共振直至碳-碳化学键完全地断裂，即大分子有机物被完全地分解，此方法是一种将共振能作用于化合物分解所需化学能的过程。

由于波是一种清洁能源，无碳消耗，可以直接来源于太阳光中的辐射波。波裂解比一般意义上的光裂解范围更广泛。

实际上，除了利用某一固定频率的辐射波对碳-碳化学键形成共振断裂分解以外，化学键一端含有碳原子的C-O键、C-S键、C-N键等也可利用共振断裂原理实现杂原子有机物裂解。

本发明所述的波裂解与微波能裂解、电磁波热裂解的区别在于，波裂解依靠共振使得碳-碳化学键断裂，即此类裂解反应机理是选择性的断键，所形成的分解产物也是定向可选择、可以控制的。

波裂解大分子有机物的方法，能够直接地解决当前世界的能源危机问题。世界能源利用90％以上的化石能源煤、石油、天然气。原料就是有机生命体，埋在地底下经过千百万年的分解反应，形成气态的分解产物就是天然气等可燃性气体，形成液态的分解产物就是石油等，形成固态的分解产物就是煤等。波裂解技术可以将所有有机生命体快速分解成天然气、生物质油和固体炭，形成化石能源的替代产品。

波裂解大分子有机物的方法，针对人造有机大分子产物，同样可以快速将难以降解的人造有机大分子产物分解成C1-C4的可燃气，C5-C20的燃料油和C20以上的固态炭。只要人造有机大分子产物中存在有碳-碳化学键，波裂解可以选择性的使碳-碳化学键断裂，形成小分子有机物。

例如，煤的结构和沥青的结构中都含有碳-碳单键和氢元素。波裂解方法可以用于煤的焦化，煤的液化和煤的气化，也可以用于沥青裂解生产轻质油，液化气和沥青焦炭。

在上述方法的基础上，为提高波裂解反应中辐射波产生、传输与引发裂解反应全过程中的可靠性，降低对于周围环境与操作人员的危害，可采取的进一步改进措施是，产生辐射波的辐射发生装置设置于密闭容器的外部，通过设定的窗口将辐射波向容器内部导入；

密闭容器设置有供有机物投入与裂解产物排出的通道，针对通道实施防辐射泄露处理。

辐射发生装置安装在裂解反应容器的外部，与裂解原料属非接触性引发反应。当辐射波发生启动或停止时，能方便地操作裂解反应的进行与终止。整个分解反应过程无碳消耗，无任何废弃物，安全卫生无污染。

采用波裂解方法实施碳-碳化学键共振断裂的种类有多种，包括有碳-碳单键、碳-碳双键、以及碳-碳叁键。

为加速形成自由基反应，可在上述波裂解过程中，向密闭容器中投入光引发剂以加快碳-碳化学键的链反应速度。

针对上述光引发剂添加比例的控制是，向密闭容器中投入的光引发剂与大分子有机物的混合比例，按质量比在0.1％-10％之间。

另外，还可在进行波裂解之前，将光引发剂均匀地混合于大分子有机物中。

预先加入、配比光引发剂的比例范围是，光引发剂与大分子有机物的混合比例，按质量比是0.1％-10％。

为提高密闭容器中辐射波均匀地照射于和/或穿透有机物，可在波裂解之前，采用机械粉碎装置将大分子有机物粉碎至直径为1.5厘米以下的颗粒。

波裂解大分子有机物主要会得到气态和固态的裂解产物，所采取的后续处理手段是，对于裂解产生的气态有机物采用冷凝装置将不可冷凝气体与可冷凝气体分离，得到气态产物和液态产物。

对于裂解产生的固态有机物，采用余热利用收集热能，再根据原料特点，得到炭黑、活性炭和焦炭。

综上所述，本发明波裂解大分子有机物的方法具有以下优点：

l、创造性提出利用辐射波裂解大分子有机物的方法，能够定向地形成大分子有机物的裂解反应，无需外部热源，显著地降低能耗与对于外部环境的污染。

2、利用波裂解的方式，能够有效地提高工业与生活垃圾中有机物的裂解率与转化率，进而可直接获得再次利用的能源产品，如天然气、可燃油与固体炭等。

3、波裂解方法的操作工艺较为简单、分解产物收集方便、反应速度快，有利于与之配套的控制工艺与裂解设备的设计与生产，能够大规模地推广与实现工业化。

4、碳-碳化学键的键长在之间，大分子有机物如纤维素、半纤维素、木质素、甲壳素、淀粉、多糖、蛋白质、多肽等，或者是人造有机大分子化合物，塑料、橡胶、树脂、有机纤维、人造革、玻璃钢、电木、农药等，结构中都存在有C-C键重复基元，波裂解工艺能够将上述的有机大分子化合物都分解形成有机小分子产物，或者说形成化石能源的替代品。因此，本专利的应用范围十分广泛，同时也能够包括任何含有有机物的工、农业废弃物，如废旧塑料、橡胶、秸秆、干草等工农业垃圾，以及木屑、树叶、树枝、虾皮、蟹壳等城市生活垃圾、医疗垃圾和电子垃圾。

具体实施方式

实施例1，对于农业生产收割后遗留的玉米秸秆，可以采取如下内容的波裂解大分子有机物方法：

将波长在0.3微米-0.3厘米之间的辐射波，导入到放置有已经粉碎的玉米秸秆的密封容器中；

辐射波照射于已粉碎的玉米秸秆表面、和/或穿透玉米秸秆的内部，从而引起碳-碳化学键的重复单元产生共振；

控制辐射波的辐照时间，使得碳-碳化学键在共振条件下发生断裂，将玉米秸秆分解为天然气、生物质油和活性炭。

产生辐射波的辐射发生装置设置于密闭容器的外部，通过设定的窗口将辐射波向容器内部导入；

密闭容器设置有供有机物投入与裂解产物排出的通道，针对通道实施防辐射泄露处理。

在上述波裂解过程中，向密闭容器中投入光引发剂以加快碳-碳化学键的链反应速度。

向密闭容器中投入的光引发剂与大分子有机物的混合比例，按质量比是0.1％～10％。

在波裂解之前，采用机械粉碎装置将玉米秸秆粉碎至直径为1.5厘米以下的颗粒。

裂解产生的气态有机物，采用冷凝装置加以收集，再通过加压降温液化分离与提纯。

裂解产生的固态有机物，首先将固体热能利用起来，然后精制、造粒生产活性炭。

Claims (8)

1.一种波裂解大分子有机物的方法，其特征在于：将波长在0.1微米-1.0米之间的辐射波，导入到放置有固态或液态大分子有机物的密封容器中；向密闭容器中投入光引发剂，光引发剂与大分子有机物的混合比例，按质量比在0.1％-10％之间；

辐射波照射于有机物的表面和穿透至有机物内部，从而引起有机物中含有碳-碳化学键的重复单元产生共振；

控制辐射波的频率与辐照时间，使得碳-碳化学键在共振条件下发生断裂，大分子有机物被分解为气态的低碳有机物、液态的中碳有机物和固态的高碳有机物。

2.根据权利要求1所述的波裂解大分子有机物的方法，其特征在于：产生辐射波的辐射发生装置设置于密闭容器的外部，通过设定的窗口将辐射波向容器内部导入；

密闭容器设置有供有机物投入与裂解产物排出的通道，针对通道实施防辐射泄露处理。

3.根据权利要求2所述的波裂解大分子有机物的方法，其特征在于：所述的碳-碳化学键包括有，碳-碳单键、碳-碳双键、以及碳-碳叁键。

4.根据权利要求1、2或3所述的波裂解大分子有机物的方法，其特征在于：在进行波裂解之前，将光引发剂均匀地混合于大分子有机物中。

5.根据权利要求1、2或3所述的波裂解大分子有机物的方法，其特征在于：在波裂解之前，采用机械粉碎装置将大分子有机物粉碎至直径为1.5厘米以下的颗粒。

6.根据权利要求1、2或3所述的波裂解大分子有机物的方法，其特征在于：裂解产生的气态有机物，采用冷凝装置加以收集、分离与提纯。

7.根据权利要求6所述的波裂解大分子有机物的方法，其特征在于：冷凝装置为加压冷凝装置。

8.根据权利要求1、2或3所述的波裂解大分子有机物的方法，其特征在于：裂解产生的固态有机物，采用余热回收方法将其热量利用，降至室温的固态有机物根据原料不同，可生产炭黑、活性炭与焦炭。