CN103241726B - 混合等离子体技术裂解有机化合物制备纳米导电炭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合等离子体技术裂解有机化合物制备纳米导电炭的方法，包括由直流电弧等离子体形成的裂解第一反应区和由高频等离子体组成的混合等离子体形成的裂解第二反应区；裂解第一反应区和裂解第二反应区之间由石墨圆柱形壁面分隔，直流电弧等离子体位于石墨圆柱形壁面内侧，高频等离子体位于石墨圆柱形壁面外侧。该发明能够高效率的获得纯净的纳米导电炭，还可以获得有价值的可燃气副产品，同时装置具有良好的运行稳定性和连续性，并能够处理大颗粒和块状固体物料。

Description

混合等离子体技术裂解有机化合物制备纳米导电炭的方法

技术领域

本发明涉及一种高效利用废弃固体有机化合物制备纯净纳米级低阻值导电炭的方法，特别是指一种结合混合等离子体技术制备纳米导电炭的方法。导电炭具有很好的导电性能，其成品具有导电或防静电作用，广泛应用于防静电产品和导电产品。

背景技术

有机固体废弃物包括城市生活垃圾、农业生产废弃物和部分工业废弃物。随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的提高，有机废弃物的产生总量也与日俱增。大量的有机废弃物引发了严重的生态环境问题。如何高效回收利用这一大量增加的资源是亟需解决的问题。

导电炭具有导电性能，高结构性质，聚集体不规则且尺寸非常小（纳米级），与其他物料混炼均匀容易等特点，可在绝缘体（如塑料）中形成立体网状结构导电通路，使绝缘体产品在导电炭的作用下具有了导电功能，从而使得绝缘体材料具有防静电和导电能力。有效的增加产品的使用性能和范围，如用导电的塑料管材取代了以钢铁管道为通道的矿井通风管道，利用塑料的耐老化，可导出静电，操作容易等优点。另外，导电炭还具有粒径小，结构高，表面纯净，粗糙多孔且空心胶囊状等特点，可有效在绝缘体中形成立体网状结构，有效提高导电性。导电炭应用于橡胶，塑料，涂料等行业，可起到良好的防静电作用，避免电荷积造成放电，影响生产安全。导电炭是所有的导电填料中效果最好，成本最低，最不容易引起产品物理性能变坏的产品。传统制备炭黑的方法可以分为槽法和炉法。传统方法生产炭黑不仅过程耗能高、污染多，而且所生成炭黑性能不高。利用等离子体技术制备炭黑能极大的改善产品性能，并降低污染程度。

等离子体是被激发的电离气体，当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。等离子体总体呈电中性，并具有导电性。根据温度、电子密度的不同，等离子体可以分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体各种粒子热力学温度统一，达到热力学平衡状态。实验室和工业设备一般采用低温等离子体，在低温等离子体中，按重粒子温度水平又分为：（1）热等离子体。它具有统一的热力学温度，基本达到热力学平衡；（2）冷等离子体。重粒子温度接近室温，而电子温度却可以达到上万度，远离热力学平衡状态。热等离子体能够提供能量集中，温度很高的反应环境，能大幅提高物质的化学活性，产生其他反应体系中无法发生的化学反应。因此，等离子体技术被广泛应用于化工、材料、冶金、电子、能源等领域。

根据固体有机废弃物在等离子体中的热解过程，热解产物可燃气体产物与固体产物，固体产物一般由三部分组成：无机物氧化形成的灰分、未完全反应的固体物料、气体产物二次裂解的产物，其中气体产物二次裂解的产物即为纳米导电炭黑，但是由于与无机物氧化形成的灰分、未完全反应的固体物料混在一起，导致回收利用困难。

利用直流电弧等离子体处理固体有机废弃物的技术可见于中国专利01129931和02250661等，利用高频等离子体处理固体有机废弃物的技术可见于中国专利93102963，中国专利CN1297781C，中国专利ZL200810025606.5等等，但是，上述专利方法所述利用等离子体技术处理固体有机废弃物侧重于回收可燃气体产物，对固体产物较少提及；另外中国专利一种等离子体技术制备导电炭和氢气的方法（201010570793.2）公开了一种低成本、高分散性和高导电性导电炭和氢气的制备方法，但其利用的是低温冷等离子体，受此局限，其主要以气态或可气化的碳氢化合物作为原料，不能直接利用固态的有机化合物。

发明内容

鉴于现有技术存在上述不足，本发明的目的是克服现有技术的局限性，提供一种混合等离子体技术裂解有机化合物制备纳米导电炭的方法；该方法具有良好的运行稳定性和连续性，能够利用气态、液态碳氢化合物、还能利用固态的粉末、大颗粒或块状固体有机化合物物料，制备粒径达到纳米级高性能导电炭，同时还能够高效率地获得有价值的可燃气。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种混合等离子体技术裂解有机化合物制备纳米导电炭的方法，包括以下步骤：

1）开启氮气，为等离子体发生提供工作气体；

2）形成裂解第一反应区：启动直流电弧等离子体电源，通过直流电弧等离子体电源与直流电弧等离子体发生器产生直流电弧等离子体，形成直流电弧等离子体热解反应区；

3）形成裂解第二反应区：启动高频电源，调节电源匹配器，通过高频等离子体电源及感应电极产生高频等离子体，形成高频等离子体热解反应区；

4）原料进入裂解第一反应区，在直流电弧等离子体作用下进行热解并循环流动；

5）在裂解第一反应区产生的气体及小分子碳氢化合物进入裂解第二反应区，在高频等离子体作用下深度裂解为纳米级导电炭；

6）完成裂解反应后被氮气形成的气流携带出反应器，在产物仓中沉积下来，反应结束后收集获得纳米级导电炭。

采用喷动床技术：原料在等离子体射流作用下，被氮气形成的工作气流夹带向上喷动，粗大颗粒由于重力作用从射流中分离出来，返回向下回流区，再进入下一喷动循环；未完全反应的原料及无机物氧化形成的灰分将持续在直流等离子体热解反应区循环，使得固体大颗粒和块状物料在喷动床有足够的停留时间，直至完成裂解反应。

作为优选地，所述原料由螺旋进料器送到直流电弧等离子体热解反应区的入口，再由工作气体载入直流电弧等离子体热解反应区进行裂解反应。

作为优选地，所述原料为气态、液态的碳氢化合物或者固态的粉末、大颗粒或者块状固体有机化合物。

作为优选地，所述裂解第一反应区和裂解第二反应区之间由石墨圆柱形壁面分隔，直流电弧等离子体位于石墨圆柱形壁面内侧，高频等离子体位于石墨圆柱形壁面外侧。

作为优选地，由于高频电流的趋肤效应，高频等离子体呈环状，且位于石英炬管壁与圆柱形石墨壁面之间。

其中电源的最大输出功率根据生产的具体情况确定。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1）将反应的过程分为独立的两个反应区，对物料进行不同程度的裂解反应，在直流等离子体区裂解产生的气体及小分子碳氢化合物进入高频等离子体反应区，进一步裂解成为纳米级导电炭，克服了现有技术的局限性，能够高效率的获得纯净的纳米导电炭，还可以获得有价值的可燃气副产品，同时装置具有良好的运行稳定性和连续性，能够处理大颗粒和块状固体物料。

2）利用混合等离子体形成两个反应区域，不仅使得反应稳定性得以提高，还使得高频等离子体点火更加安全方便；

3）采用喷动床技术，改善了物料在反应区域的循环，使热量混合更充分均匀，使反应更完全，产物性能更加优良；

4）可同时获得可燃性气体作为副产品利用，提高了过程的经济性。

附图说明

图1本发明的方法所用装置的示意图。

图中：1—直流电弧等离子体热解反应区，2—高频等离子体热解反应区，5—直流电弧等离子体电源，6—感应电极，7—高频电源匹配器，8—高频等离子体电源，9—螺旋进料器，10—产物仓，11—抽气泵。

具体实施方式

实施例1

本实施例以轮胎粉为原料制备导电炭，方法采用的装置如图1所示，首先在螺旋进料器9中装入适量轮胎粉；开启抽气泵11，并开启氮气阀门12，控制流量在等离子体炬的要求范围内，为等离子体发生提供工作气体；直流电弧等离子体电源5输出功率0～10kW，启动直流电弧等离子体电源5，形成直流电弧等离子体热解反应区1，高频等离子体电源8型号JG-10K-B，输出功率0～10kW，配备高频电源匹配器7，感应电极6用铜管绕制；启动高频等离子体电源8，调节高频电源匹配器7，形成高频等离子体热解反应区2；启动螺旋进料器9，使轮胎粉原料通过螺旋进料器9进入到直流电弧等离子体热解反应区1开始热解并循环流动，在抽气泵11作用下，裂解产生的气体及小分子碳氢化合物进入高频等离子体热解反应区2，进一步裂解成为纳米级导电炭并被气流携带出反应器，在产物仓10中沉积下来收集产物。产物导电炭粒径15nm左右，电阻率：1.2Ω·cm。

实施例2

本实施例以稻壳为原料制备导电炭的方法，采用的装置如图1所示，首先在螺旋进料器9中装入适量稻壳；开启抽气泵11，并开启氮气阀门12，控制流量在等离子体炬的要求范围内，为等离子体发生提供工作气体；直流电弧等离子体电源5输出功率0～10kW，启动直流电弧等离子体电源5，形成直流电弧等离子体热解反应区1，高频等离子体电源8型号JG-10K-B，输出功率0～10kW，配备高频电源匹配器7，感应电极6用铜管绕制；启动高频等离子体电源8，调节高频电源匹配器7，形成高频等离子体热解反应区2；启动螺旋进料器9，使稻壳原料通过螺旋进料器9进入到直流电弧等离子体热解反应区1开始热解并循环流动，在抽气泵11作用下，裂解产生的气体及小分子碳氢化合物进入高频等离子体热解反应区2，进一步裂解成为纳米级导电炭并被气流携带出反应器，在产物仓10中沉积下来收集产物。产物导电炭粒径20nm左右，电阻率：1.3Ω·cm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种混合等离子体技术裂解有机化合物制备纳米导电炭的方法，包括以下步骤：

1)开启氮气，为等离子体发生提供工作气体；

2)形成裂解第一反应区：启动直流电弧等离子体电源，通过直流电弧等离子体电源与直流电弧等离子体发生器产生直流电弧等离子体，形成直流电弧等离子体热解反应区；

3)形成裂解第二反应区：启动高频电源，调节电源匹配器，通过高频等离子体电源及感应电极产生高频等离子体，形成高频等离子体热解反应区；

4)原料进入裂解第一反应区，在直流电弧等离子体作用下进行热解并循环流动；

5)在裂解第一反应区产生的气体及小分子碳氢化合物进入裂解第二反应区，在高频等离子体作用下深度裂解为纳米级导电炭；

6)完成裂解反应后被氮气形成的气流携带出反应器，在产物仓中沉积下来，反应结束后收集获得纳米级导电炭；

其中，所述裂解第一反应区和裂解第二反应区之间由石墨圆柱形壁面分隔，直流电弧等离子体位于石墨圆柱形壁面内侧，高频等离子体位于石墨圆柱形壁面外侧。

2.如权利要求1所述的混合等离子体技术裂解有机化合物制备纳米导电炭的方法，其特征在于：所述原料由螺旋进料器送到直流电弧等离子体热解反应区的入口，再由工作气体载入直流电弧等离子体热解反应区进行裂解反应。

3.如权利要求1或2所述的混合等离子体技术裂解有机化合物制备纳米导电炭的方法，其特征在于：所述原料为气态、液态的碳氢化合物或者固态的粉末、颗粒或者块状固体有机化合物。

4.如权利要求1所述的混合等离子体技术裂解有机化合物制备纳米导电炭的方法，其特征在于：由于高频电流的趋肤效应，高频等离子体呈环状，且位于石英炬管壁与圆柱形石墨壁面之间。