CN110589822B - 一种塑料废弃物制备活性炭的方法及其应用 - Google Patents

一种塑料废弃物制备活性炭的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及活性炭制备技术领域，尤其涉及一种塑料废弃物制备活性炭的方法及其应用。所述方法包括如下步骤：(1)炭化：将废弃塑料粉碎后在惰性气氛中进行炭化，得到炭化前躯体，备用；(2)活化：将所述炭化前躯体浸渍在电镀废水中，完成后将得到的化前躯体烘干；然后在活化温度下进行活化，完成后无需洗涤，即得活性炭。本发明利用富含氯、锌、铜、铁、铬等离子的电镀废水浓缩液作为活化剂，对废塑料基炭化料进行活化，得到了高性能活性炭，其表面积高达400m2/g以上，对亚甲基蓝、甲基橙等有机染料也表现出了很好的吸附性能。

Description

一种塑料废弃物制备活性炭的方法及其应用
技术领域
本发明涉及活性炭制备技术领域，尤其涉及一种塑料废弃物制备活性炭的方法及其应用。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
活性炭是一种具有发达孔隙的碳材料，因为其特殊的空间结构，使得活性炭具备非常好的吸附性能。常常用活性炭吸附染料废水、含重金属废水、烟道气、净化水等。目前活性炭绝大多数是由果壳、煤或石油焦等作为碳源，采用磷酸、氯化锌、氢氧化钾、二氧化碳或者水蒸气作为活化剂活化得到。
截止2018年，全球塑料废弃物年产量为3亿吨左右，大量的废塑料进入土壤和海洋，最终形成白色污染。处理大量废弃塑料已经迫在眉睫。利用废弃塑料里含有大量的碳元素，是理想的炭化前躯体。同时不同的废弃塑料含有不同含量的硫或氮元素，生产的活性炭具有特殊应用领域。例如，中国专利文献201510777686.X公开了一种“废弃塑料碳化制备超级电容器用多孔碳的方法”，其提出利用废弃塑料碳化后制备出超级电容器用多孔碳，该专利用烯烃类或芳香烃类塑料碳化，活化剂采用LiCl和KCl的混合物、LiF和NaF和KF的混合物、KCl和ZnCl2的混合物或者是LiNO3和KNO3的混合物等熔融盐。最终得到性能较好的超级电容器用多孔碳。然而，上述方法中制备的活性炭功能单一,并且因为用作超级电容器而需要消耗大量水来洗除所得的活性炭中的金属离子。
发明内容
针对上述的问题，本发明旨在提供一种塑料废弃物制备活性炭的方法及其应用。本发明采用富含氯、锌、铜、铁、铬等离子的电镀废水浓缩液作为活化剂，对废塑料基炭化料进行活化，同时使活化时的金属离子负载在活性炭上，用作特殊吸附使用或催化作用的多孔碳。
本发明第一目的：提供一种塑料废弃物制备活性炭的方法。
本发明第二目的：提供所述塑料废弃物制备活性炭的方法的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开一种塑料废弃物制备活性炭的方法，包括如下步骤：
炭化：将废弃塑料粉碎后在惰性气氛中进行炭化，得到炭化前躯体，备用；
活化改性：将所述炭化前躯体浸渍在电镀废水中，完成后将得到的化前躯体烘干；然后在活化温度下进行活化和改性，完成后无需洗涤，即得活性炭。
作为进一步的技术方案，所述炭化步骤中，废弃塑料粉碎后的粒径为20-400目，优选为200目。
作为进一步的技术方案，所述炭化步骤中，惰性气氛包括氮气等；气体流量50-200ml/min。
作为进一步的技术方案，所述炭化步骤中，炭化温度为300℃-500℃，时长4-12小时。炭化温度太低不能形成碳化物，温度越高所得碳化物收率越低。炭化时间太短，炭化程度不够；时间越长，收率越低。
作为进一步的技术方案，所述活化步骤中，活化温度为600-900℃，活化时长0.5-2小时。活化温度太低不能活化，温度太高活化剂可能发生其他反应导致活化失败。活化时间太短，活化程度不够；时间太长，可能发生其他反应。
作为进一步的技术方案，所述活化步骤中，电镀废水为经过浓缩后的饱和液；优选地，所述饱和液的制备方法为：取得电镀废水，蒸发至饱和溶液后冷却至室温，即得。
作为进一步的技术方案，所述活化步骤中，炭化前躯体和电镀废水饱和液的质量比为1:(5-20)。
作为进一步的技术方案，所述活化步骤中，干燥的条件为：在90-130℃干燥22-25小时。
本发明提出的塑料废弃物制备活性炭的方法的特点之一是：电镀废水是加工电子产品、金属材料防腐等表面处理中产生的典型废水，成分复杂，含有多种对环境的危害较大的重金属离子。根据电镀工艺种类的不同，电镀废水中所含重金属离子也有所差异。常见的重金属离子包括锌、铜、铁、铬等。对于酸性废水，里面还含有氯离子、硫酸根、硝酸根。直接处理电镀废水成本较高，同时浪费其中的资源。本发明利用富含氯、锌、铜、铁、铬等离子的电镀废水浓缩液作为活化剂，对废塑料基炭化料进行活化制备得到高性能活性炭。
本发明提出的塑料废弃物制备活性炭的方法的特点之二是：在高温活化后无需对得到的活性炭进行冲洗，所得无机盐负载活性炭可用于吸附特殊物质或者用于化学反应的催化剂。
最后，本发明公开所述塑料废弃物制备活性炭的方法在吸附染料中的应用。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明利用富含氯、锌、铜、铁、铬等离子的电镀废水浓缩液作为活化剂，对废塑料基炭化料进行活化，得到了高性能活性炭，其表面积高达400m2/g以上，对亚甲基蓝、甲基橙等有机染料也表现出了很好的吸附性能。
(2)本发明在利用电镀液对活性炭进行活化的同时，还利用电解液中的金属离子对活性炭进行改性，这进一步提高了含硫化合物的吸附。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1利用废弃塑料制备的活性炭的扫描电镜图。
图2为本发明实施例2利用废弃塑料制备的活性炭的扫描电镜图。
图3为本发明实施例3利用废弃塑料制备的活性炭的扫描电镜图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如前文所述，现有的一些利用废弃塑料制备活性炭的方法中，仍然存在采用的活化剂存在成本过高，制备的活性炭功能单一等问题。因此，本发明基于电镀废水提出了一种塑料废弃物制备活性炭的方法；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
实施例1
一种塑料废弃物制备活性炭的方法，包括如下步骤：
(1)炭化：将废弃塑料粉碎至200目，放入炭化室，通入氮气作为保护气，气体流量为100ml/min；然后以10K/min的升温速率升温至300℃进行炭化8小时后自然降至室温，取出固体产物，得到炭化前躯体；
(2)活化剂改性剂：取得电镀废水，蒸发至饱和溶液后冷却至室温，即得；
(3)活化改性：将步骤(1)得到的炭化前躯体与步骤(2)制备的活化剂改性剂(饱和电镀废水)按质量比1:20混合后搅拌4小时，然后放入110℃烘箱烘干24小时；再将烘干的炭化前躯体放入活化室，通入氮气作为保护气，以10K/min升温速率升温至800℃活化改性1.5小时后自然将至室温；取出固体产物，即得活性炭。
实施例2
一种塑料废弃物制备活性炭的方法，包括如下步骤：
(1)炭化：将废弃塑料粉碎至400目，放入炭化室，通入氮气作为保护气，气体流量为50ml/min；然后以10K/min的升温速率升温至400℃进行炭化12小时后自然降至室温，取出固体产物，得到炭化前躯体；
(2)活化剂改性剂：取得电镀废水，蒸发至饱和溶液后冷却至室温，即得；
(3)活化改性：将步骤(1)得到的炭化前躯体与步骤(2)制备的活化剂改性剂(饱和电镀废水)按质量比1:10混合后搅拌4小时，然后放入130℃烘箱烘干22小时；再将烘干的炭化前躯体放入活化室，通入氮气作为保护气，以5K/min升温速率升温至600℃活化改性2小时后自然将至室温；取出固体产物，即得活性炭。
实施例3
一种塑料废弃物制备活性炭的方法，包括如下步骤：
(1)炭化：将废弃塑料粉碎至20目，放入炭化室，通入氮气作为保护气，气体流量为200ml/min；然后以10K/min的升温速率升温至500℃进行炭化4小时后自然降至室温，取出固体产物，得到炭化前躯体；
(2)活化剂改性剂：取得电镀废水，蒸发至饱和溶液后冷却至室温，即得；
(3)活化改性：将步骤(1)得到的炭化前躯体与步骤(2)制备的活化剂改性剂(饱和电镀废水)按质量比1:5混合后搅拌4小时，然后放入90℃烘箱烘干25小时；再将烘干的炭化前躯体放入活化室，通入氮气作为保护气，以10K/min升温速率升温至900℃活化改性0.5小时后自然将至室温；取出固体产物，即得活性炭。
实验例
一种塑料废弃物制备活性炭的方法，包括如下步骤：
(1)炭化：将废弃塑料粉碎至200目，放入炭化室，通入氮气作为保护气，气体流量为100ml/min；然后以10K/min的升温速率升温至300℃进行炭化8小时后自然降至室温，取出固体产物，得到炭化前躯体；
(2)活化剂改性剂：取得电镀废水，蒸发至饱和溶液后冷却至室温，即得；
(3)活化改性：将步骤(1)得到的炭化前躯体与步骤(2)制备的活化剂改性剂(饱和电镀废水)按质量比1:20混合后搅拌4小时，然后放入110℃烘箱烘干24小时；再将烘干的炭化前躯体放入活化室，通入氮气作为保护气，以10K/min升温速率升温至800℃活化改性1.5小时后自然将至室温；取出固体产物，用去离子水冲洗该产物，直至抽滤液无氯离子，烘干后即得活性炭。
性能测试：
(1)图1-3分别为实施例1-3制备的活性炭的SEM图，可以看出，本发明制备出的活性炭具有良好的孔道结构，孔道中所负载的金属离子对含硫化合物能起到额外的吸附作用。
(2)测定实施例活性炭的主要性质，包括比表面积、碘值以及对亚甲基蓝、甲基橙、SO2的吸附效果结果如表1所示，其中，SO2吸附进气浓度为3000mg/m3；吸附温度298K。
表1
比表面积(m<sup>2</sup>/g) 碘值(mg/g) 亚甲基蓝mg/g 甲基橙mg/g SO<sub>2</sub> mg/g
实施例1 417 638 431 230 29.54
实施例2 237 324 223 105 28.21
实施例3 397 589 402 224 25.35
实验例 404 629 398 193 16.15
从表1的测试结果可以看出：在相同条件下制备的活性炭，实施例1负载有锌、铜、铁、铬等金属离子的活性炭在比表面积、碘值吸附、亚甲基蓝吸附以及甲基橙的吸附性能较优于实验例中未负载金属离子的活性炭的性能；在SO2吸附性能方面，负载Fe、Cu等金属离子的活性炭能吸附更多的SO2。有研究者(刘峥.活性炭吸附法净化丙酮和二氧化硫的研究[D].中南大学,2014.)利用商业活性炭(比表面积932.2m2/g)得到的SO2饱和吸附量为29.51mg/g。可以看出，在本发明制备的活性炭的比表面积不到上述商业活性炭一半的情况下，本发明得到的活性炭最高SO2吸附量(29.54mg/g)仍然达到了商业活性炭对的SO2饱和吸附量水平，甚至还要更高，这说明本发明通过电镀废水负载锌、铜、铁、铬等金属离子后制备的活性炭在SO2吸附性能的提升上发挥了重要作用，为了实现上述效果，本发明经过研究，在高温活化后不对得到的活性炭进行冲洗，直接作为活性炭使用，以避免金属离子流失，得到了优异的含硫化合物吸附性能，使所得无机盐负载活性炭可用于吸附特殊物质或者用于化学反应的催化剂。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种废弃塑料制备活性炭的方法，其特征在于，包括如下步骤：
炭化：将废弃塑料粉碎后在惰性气氛中进行炭化，得到炭化前躯体，备用；
活化改性：将所述炭化前躯体浸渍在电镀废水中，完成后将得到的炭 化前躯体烘干；然后在活化温度下进行活化和改性，完成后无需洗涤，即得活性炭；
所述炭化步骤中，炭化温度为250℃-500℃，时长4-12小时；
所述活化步骤中，活化温度为600-900℃，活化时长0.5-2小时。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炭化步骤中，废弃塑料粉碎后的粒径为20-400目。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述废弃塑料粉碎后的粒径为200目。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炭化步骤中，惰性气氛为氮气，气体流量50-200ml/min。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述活化步骤中，电镀废水为经过浓缩后的饱和液。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述饱和液的制备方法为：取得电镀废水，蒸发至饱和溶液后冷却至室温，即得。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述活化步骤中，炭化前躯体和电镀废水饱和液的质量比为1:（5-20）。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活化步骤中，干燥的条件为：在90-130℃干燥22-25小时。
9.权利要求1-8任一项所述的方法在染料吸附中的应用。
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