CN111068727A - 一种活性炭催化木塑复合材料废弃物热解制备芳烃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质能及固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种活性炭催化木塑复合材料废弃物热解制备芳烃的方法。本发明是以木塑复合材料废弃物为原料，活性炭为催化剂，所述活性炭由生物质通过磷酸活化法制备获得；将二者分别放入固定床反应器中在惰性气体氛围下进行催化热解，对热解气进行冷凝后即可得到富含芳香烃的液体产物；本发明为木塑复合材料废弃物的资源化利用提供了一条新途径，同时以廉价易得的生物质活性炭为催化剂，能产生良好的环境效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于生物质能及固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种活性炭催化热解木塑复合材料废弃物制备芳烃的方法。
背景技术
木塑复合材料是以纤维/粉末等形态的木质纤维材料为增强体或填料，以热塑性聚合物（如聚乙烯、聚丙烯等）为基体，经过熔融复合而成的环境友好型材料，其兼具木材与塑料的双重特性，具有力学性能优异、耐酸碱、耐腐蚀、易于加工等特点，在建筑用材、汽车零部件、工业及室内装饰等领域得到了广泛应用。木塑复合材料作为材料的一大特色和优势是其可回收再生产，然而经过多次回收循环利用后，由于大分子的降解而使力学性能降低不适于继续用作材料，成为一种新型的固体废弃物。如何对这类“固废”实现无害化、资源化处理与利用，对经济和环境的可持续发展具有重要意义。
木塑复合材料主要由生物质与聚烯烃塑料组成，这一组成特点决定了其在材料化利用周期结束后，可通过催化快速热解技术转化为高附加值的芳烃产物，实现资源化利用。而且，木塑复合材料催化快速热解还具有其他生物质原料所不具备的优势和特色：（1）生物质是一种缺氢原料（H/Ceff为0~0.3左右），而聚烯烃塑料是一种富氢原料（H/Ceff为2左右），相对富氢的塑料组分的加入，使得木塑废弃物催化热解后更易获得高附加值的烃类产物；（2）木塑复合材料中生物质组分与塑料组分在催化热解过程中存在协同作用，其热解产物间可通过相互作用形成新的芳香烃，进一步提高芳烃的产率。
ZSM-5分子筛催化剂因具有独特的孔道结构和酸性特点而被广泛应用于催化热解生物质和塑料废弃物。然而，ZSM-5的孔道尺寸非常小，大分子化合物难以扩散到其孔道内，极易与其表面的酸性位点作用形成焦炭，造成催化剂失活，从而大大限制了此类催化剂的工业化应用。因此，选择一种具有较大的比表面积、可调的孔道结构、不易结焦和廉价易得等特点的催化剂，实现木塑复合材料废弃物资源化转化为高附加值的芳烃已成为当务之急。
发明内容
本发明的目的在于针对目前分子筛催化生物质与塑料固体废弃物热解过程中存在的诸如催化剂易结焦、目标产物产率较低等问题，提供一种活性炭催化木塑复合材料废弃物热解制备芳烃化合物的方法。
根据本发明提供的方法，以木塑复合材料废弃物为原料，活性炭为催化剂，分别放入固定床反应器中，然后在氮气氛围下进行快速催化热解，对催化热解气进行冷凝后即可得到富含芳烃化合物的液体产物。
所述活性炭催化剂为生物质通过磷酸活化法制备获得的活性炭，其具体制备方法如下：生物质原料经干燥破碎至粒径1mm以下，加入磷酸溶液于室温下搅拌24h，然后将混合液置于鼓风干燥箱中于105℃下干燥至恒重；将活化后的物料放入马弗炉中炭化，冷却后即可得到活性炭。
所述活性炭的制备原料为木质纤维素类生物质，包括但不限于木材、农作物秸秆、竹材、椰壳或草本类生物质。
所述磷酸活化剂与生物质原料的质量比为（1:1）~（3:1）。
所述炭化过程的升温速率为5~20℃/min，炭化温度为600~900℃，炭化时间为0.5~2h。
所述木塑复合材料为木质纤维素类生物质与热塑性聚合物的复合材料，其中，木质纤维素类生物质包括但不限于木材、农作物秸秆、竹材或草本类生物质，热塑性聚合物包括但不限于聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。
所述木塑复合材料中木质纤维素类生物质与热塑性聚合物的质量比为（3:7）~（7:3）。
所述木塑复合材料废弃物与活性炭的质量比为（1:1）~（1:5）。
所述热解反应的升温速率高于10℃/s，热解温度为450~600℃，热解反应时间为10~30 min。
本发明的有益效果为：本发明以生物质基活性炭为催化剂，对木塑复合材料废弃物催化快速热解，制备富含芳烃化合物的液体产物。本发明所用活性炭由生物质原料制取，具有廉价易得、绿色环保等特点，相比分子筛催化剂具有一定的优势。采用磷酸活化法得到的活性炭催化剂，具有较大的比表面积和发达的空隙结构，且表面存在丰富的–P–O、–P=O、–C–P–O、–OH等活性官能团，能够作为活性位点催化木塑复合材料热解中间产物脱氧、裂化等反应，从而促进芳烃的生成。
另外，本发明以木塑复合材料废弃物为原料制备高附加值的芳烃类物质，提供了一种木塑复合材料废弃物资源化高效利用的方法，能够产生良好的环境效益和经济效益。
具体实施方式
本发明提供了一种活性炭催化木塑复合材料废弃物热解制备芳烃化合物的方法，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1。
以100g干燥玉米秸秆为原料，分别加入180g磷酸与500mL去离子水，在室温下搅拌24h，然后将混合液置于鼓风干燥箱中于105℃下干燥至恒重；将活化后的物料放入马弗炉中，在惰性气氛下以5℃/min的升温速率从室温升至600℃并恒温炭化0.5h，冷却后得到42g活性炭。
取6g上述活性炭为催化剂，取3g木塑复合材料为原料，其中木塑复合材料中杨木与聚丙烯的质量比为1:1,将两者分别放入固定床反应器中，在500℃、升温速率大于10℃/s、氮气流量为100mL/min的条件下热解10min，获得液体产物的产率为52%，通过气相色谱分析其中芳烃的含量为64%。
实施例2。
采用实施例1中制备的5.5g活性炭为催化剂，取3g木塑复合材料为原料，其中木塑复合材料中杨木与聚丙烯的质量比为4:6,将两者分别放入固定床反应器中，在550℃、升温速率大于10℃/s、氮气流量为100mL/min的条件下热解15min，获得液体产物的产率为54%，通过气相色谱分析其中芳烃的含量为68%。
实施例3。
以50g干燥玉米芯为原料，分别加入80g磷酸与300mL去离子水，在室温下搅拌24h，然后将混合液置于鼓风干燥箱中于105℃下干燥至恒重；将活化后的物料放入马弗炉中，在惰性气氛下以10℃/min的升温速率从室温升至650℃并恒温炭化1h，冷却后得到18g活性炭。
取7.5g上述活性炭为催化剂，取3g木塑复合材料为原料，其中木塑复合材料中松木与低密度聚乙烯的质量比为3:7,将两者分别放入固定床反应器中，在525℃、升温速率大于10℃/s、氮气流量为100mL/min的条件下热解20min，获得液体产物的产率为59%，通过气相色谱分析其中芳烃的含量为71%。
实施例4。
以100g干燥椰壳为原料，分别加入220g磷酸与500mL去离子水，在室温下搅拌24h，然后将混合液置于鼓风干燥箱中于105℃下干燥至恒重；将活化后的物料放入马弗炉中，在惰性气氛下以15℃/min的升温速率从室温升至700℃并恒温炭化1.5h，冷却后得到45g活性炭。
取5.5g上述活性炭为催化剂，取3g木塑复合材料为原料，其中木塑复合材料中玉米秸秆与高密度聚乙烯的质量比为1:1,将两者分别放入固定床反应器中，在550℃、升温速率大于10℃/s、氮气流量为100mL/min的条件下热解17min，获得液体产物的产率为50%，通过气相色谱分析其中芳烃的含量为65%。
以上所述仅为本发明的几种实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (9)
1.一种活性炭催化木塑复合材料废弃物热解制备芳烃的方法，其特征在于，以木塑复合材料废弃物为原料，活性炭为催化剂，二者分别放入固定床反应器中，然后在氮气氛围下进行快速催化热解，对催化热解气进行冷凝后即可得到富含芳烃化合物的液体产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性炭催化剂为生物质通过磷酸活化法制备获得的活性炭。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述活性炭制备的生物质原料为木质纤维素类生物质，包括但不限于木材、农作物秸秆、竹材、椰壳或草本类生物质。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述磷酸活化剂与生物质原料的质量比为（1:1）~（3:1）。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述炭化过程的升温速率为5~20℃/min，炭化温度为600~900℃，炭化时间为0.5~2h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木塑复合材料为木质纤维素类生物质与热塑性聚合物的复合材料，其中，木质纤维素类生物质包括但不限于木材、农作物秸秆、竹材或草本类生物质，热塑性聚合物包括但不限于聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木塑复合材料中木质纤维素类生物质与热塑性聚合物的质量比为（3:7）~（7:3）。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木塑复合材料废弃物与活性炭得质量比为（1:1）~（1:5）。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热解反应的升温速率高于10℃/s，热解温度为450~600℃，热解反应时间为10~30 min。
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| CN114433054A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-05-06 | 山东科盟新能源开发集团有限公司 | 硼掺杂活性炭催化固体废弃物热解制备单环芳烃的方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN103755528A (zh) * | 2014-01-16 | 2014-04-30 | 华北电力大学 | 一种生物质催化热解制备苯酚的方法 |
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2020
- 2020-01-07 CN CN202010014318.0A patent/CN111068727A/zh active Pending
Patent Citations (1)
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| CN114433054B (zh) * | 2021-12-22 | 2023-07-25 | 山东科盟新能源开发集团有限公司 | 硼掺杂活性炭催化固体废弃物热解制备单环芳烃的方法 |
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