CN113620277A - 一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法 - Google Patents

一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法 Download PDF

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Abstract

一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，属于固体废物的处理领域。本技术无需对废弃医用口罩进行预处理，可直接进料，在惰性气氛中进行一段或多段热解和催化反应后得到碳纳米管和氢气。该技术原料成本低、易于操作、流程短、可重复性好，符合我国发展循环经济和绿色制造的战略方向，极具工业应用前景，得到的碳纳米管在电极材料、催化剂载体、吸附材料等领域潜力巨大。

Description

一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化利用领域，特别涉及一种将低值的 废弃医用口罩转化为高附加值的碳纳米管和氢气的方法。
背景技术
为了阻断疫情传染，医用口罩已成为人们生活的必需品。由于其 失效快，且价格低廉，所以医用口罩几乎不进行重复利用。大量废弃 医用口罩的产生，只有少部分被焚烧或进入填埋场，大多数仍散落在 自然环境中。由于医用口罩的主体通常由多层聚丙烯无纺布和熔喷布 组成，所以其无法自然降解，尤其风化破碎后形成的小颗粒将对生态 系统产生严重威胁。目前的废弃医用口罩处置方式为焚烧或填埋若将 废弃医用口罩作为一种资源进行循环利用，则既可解决其带来的环境 污染问题，又能实现资源的绿色发展。
现将废弃口罩的再利用现状总结如下：专利CN111516183A公开 了一种废弃口罩的回收利用方法，即将拆除鼻梁条之后的废弃口罩碎 片与偶联剂、增强剂、抗氧剂、颜料、抗菌剂等密炼加工，制得具有 一定力学性能和抗菌性能的聚丙烯复合材料；专利112062990A公开 了一种利用废弃医用口罩经木质素磺酸盐处理后制备高吸水性木塑 复合薄膜的工艺；专利CN111590785A公开了一种利用废弃口罩制备 可用于建筑材料或家具材料的木塑复合材料的方法；专利 CN111745851A公开了一种废旧口罩再生阻燃塑胶弹性体的制备方 法；专利CN112158823A公开了一种应用废弃口罩经低温加热、生物 灭活、预碳化、高温碳化烧结等一系列过程制备多孔碳凝胶材料中的 方法。以上这些手段虽然实现了废弃医用口罩的再利用，但获得的再 生产品价值较低，并未实现废弃医用口罩的高值化利用。
发明内容
为了实现废弃医用口罩的高值化利用，本发明的目的在于提供一 种利用废弃医用口罩为原料制备高附加值的碳纳米管和氢气的方法， 获得的碳纳米管可应用于电极材料、吸附材料、催化剂载体等领域。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特 征在于，以废弃医用口罩为原料，在惰性气氛中进行一段或多段热解 和催化反应后得到碳纳米管和氢气。具体步骤如下：
(1)将废弃医用口罩破碎为尺寸小于8mm的碎片，将该碎片 与催化剂混合置于一段式密闭加热区，或者将碎片和催化剂分别置于 两段式密闭加热区；
(2)在惰性气氛中进行加热，到达特定温度后保持一段时间， 同时收集出口处的气体，经分离后获得纯净的氢气；
(3)停止加热，待自然冷却至室温后，关闭惰性气体，取出固 体混合物；
(4)将上述固体混合物用稀酸清洗，过滤，干燥后获得碳纳米 管。
所述的废弃医用口罩碎片和催化剂的质量比范围为1:1～50:1。
所述的废弃医用口罩为未经处理的废弃一次性医用口罩、医用外 科口罩、医用防护口罩；
所述的催化剂为金属与氧化物载体构成的复合催化剂，其中金属 为铁基、镍基、钴基、铜基一元催化剂或铁—镍、铁—钴、铁—铜、 镍—钴、铜—镍或铜—钴基二元催化剂，或铁—钴—镍等以上任意三 种金属组成的三元催化剂，所述的氧化物载体选自碱土金属氧化物、 稀土金属氧化物和其它金属或非金属氧化物，如氧化镁、氧化钙、氧 化铝、氧化硅、氧化镧、氧化铈等；金属与氧化物采用机械混合或化 学方式混合，其中金属的质量占比为5％～50％。
所述的惰性气氛为氮气、氩气、氦气或二氧化碳气体中的至少一 种；
所述的加热特定温度为500～900℃；保持的时间为30分钟～3小 时；
所述的酸洗为采用硝酸、盐酸、硫酸或稀释的氢氟酸将表面残留 的催化剂溶解洗掉；
若步骤(1)采用采用一段式密闭加热，将废弃医用口罩碎片和 催化剂置于一段加热区；或两段式密闭加热区，碎片置于一段加热区， 催化剂置于另一段加热区，在惰性气体下，碎片加热区的出气进入催 化剂加热区，在催化剂加热区形成碳纳米管；两段加热区的温度均为 500～900℃。催化剂加热区的出气口中的气体含有氢气。
本发明所得的碳纳米管为包裹金属颗粒的碳纳米管、不包裹金属 颗粒的碳纳米管，碳纳米管为多壁碳纳米管、薄壁碳纳米管、单壁碳 纳米管、竹节状碳纳米管、叠杯状碳纳米管，直径范围为10～120nm； 包裹金属颗粒的碳纳米管中的金属颗粒位于碳纳米管中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明既实现了废弃医用口罩的无害化、减量化和资源化，也实 现了高附加值碳纳米管的低成本制备。该技术易于操作、可重复性好、 条件温和，极具应用前景。
附图说明
图1是实施实例1中的碳纳米管透射电镜照片。
图2是实施实例2中的碳纳米管透射电镜照片。
具体实施方式
本发明目的在于提供一种将低值的废弃医用口罩转化为高附加 值的碳纳米管和氢气的技术，即以废弃医用口罩为原料，在惰性气氛 中进行一段或多段热解和催化反应后得到碳纳米管和氢气。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于 以下实施例。
实施例1：将0.3g氧化镧负载的铁—镍金属催化剂置于加热区 一，在氮气气氛中预加热至800℃；将1.0g废弃医用口罩的破碎料 置于加热区二，在氮气气氛中逐渐加热，且加热区二的出口气通入加 热区一，温度上升至800℃后继续保持20分钟，与此同时收集加热 区一的出口气，其中含有氢气。然后停止加热，待温度降至室温时， 将加热区一中的得到固体混合物取出，采用1M的硝酸进行加热清洗， 将沉淀物于60℃干燥后得到碳纳米管，其产量为0.18g。
实施例2：将0.3g氧化镧负载的钴—镍金属催化剂置于加热区 一，在氮气气氛中预加热至800℃；将1.0g废弃医用口罩的破碎料 置于加热区二，在氮气气氛中逐渐加热，且加热区二的出口气通入加 热区一，温度上升至850℃后继续保持20分钟，其它条件和程序同 例1，得到碳纳米管产量为0.26g。
实施例3：将0.2g氧化镧负载的钴—镍金属催化剂和1.0g废弃 医用口罩的破碎料混合均匀后置于加热区，在氮气气氛中逐渐加热至 800℃；然后停止加热，待温度降至室温时，将加热区中的得到固体 混合物取出，采用1M的硝酸进行加热清洗，将沉淀物于60℃干燥 后得到碳纳米管，其产量为0.13g。
实施例4：将0.2g氧化镧负载的铁—镍金属催化剂置于加热区 一，在氮气气氛中预加热至850℃；将1.0g废弃医用口罩的破碎料 置于加热区二，在氮气气氛中逐渐加热，且加热区二的出口气通入加 热区一，温度上升至850℃后继续保持20分钟，其它条件和程序同 例1，得到碳纳米管产量为0.10g。
以上仅为本发明的优选实施例，不局限本发明的专利保护范围。 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或 等效变换的技术方案，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特征在于，以废弃医用口罩为原料，在惰性气氛中进行一段或多段热解和催化反应后得到碳纳米管和氢气。
2.按照权利要求1所述的一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将废弃医用口罩破碎为尺寸小于8mm的碎片，将该碎片与催化剂混合置于一段式密闭加热区，或者将碎片和催化剂分别置于两段式密闭加热区；
(2)在惰性气氛中进行加热，到达特定温度后保持一段时间，同时收集出口处的气体，经分离后获得纯净的氢气；
(3)停止加热，待自然冷却至室温后，关闭惰性气体，取出固体混合物；
(4)将上述固体混合物用稀酸清洗，过滤，干燥后获得碳纳米管。
3.按照权利要求1或2所述的一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特征在于，废弃医用口罩碎片和催化剂的质量比范围为1:1～50:1。
4.按照权利要求1或2所述的一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特征在于，所述的废弃医用口罩为未经处理的废弃一次性医用口罩、医用外科口罩、医用防护口罩。
5.按照权利要求1或2所述的一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特征在于，所述的催化剂为金属与氧化物载体构成的复合催化剂，其中金属为铁基、镍基、钴基、铜基一元催化剂或铁—镍、铁—钴、铁—铜、镍—钴、铜—镍或铜—钴基二元催化剂，或铁—钴—镍等以上任意三种金属组成的三元催化剂，所述的氧化物载体选自碱土金属氧化物、稀土金属氧化物和其它金属或非金属氧化物，如氧化镁、氧化钙、氧化铝、氧化硅、氧化镧、氧化铈等；金属与氧化物采用机械混合或化学方式混合，其中金属的质量占比为5％～50％。
6.按照权利要求1或2所述的一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特征在于，所述的惰性气氛为氮气、氩气、氦气或二氧化碳气体中的至少一种；所述的酸洗为采用硝酸、盐酸、硫酸或稀释的氢氟酸将表面残留的催化剂溶解洗掉。
7.按照权利要求1或2所述的一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特征在于，所述的加热特定温度为500～900℃；保持的时间为30分钟～3小时。
8.按照权利要求1或2所述的一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特征在于，若步骤(1)采用一段式密闭加热，将废弃医用口罩碎片和催化剂置于一段加热区；或采用两段式密闭加热，碎片置于一段加热区，催化剂置于另一段加热区，在惰性气体下，碎片加热区的出气进入催化剂加热区，在催化剂加热区形成碳纳米管；加热区的温度均为500～900℃。催化剂加热区的出气口中的气体含有氢气。
9.按照权利要求1或2所述的一种高值化利用废弃医用口罩制备碳纳米管和氢气的方法，其特征在于，碳纳米管为包裹金属颗粒的碳纳米管、不包裹金属颗粒的碳纳米管，碳纳米管为多壁碳纳米管、薄壁碳纳米管、单壁碳纳米管、竹节状碳纳米管、叠杯状碳纳米管，直径范围为10～120nm；包裹金属颗粒的碳纳米管中的金属颗粒位于碳纳米管中。
10.按照权利要求1-9任一项所述的方法制备得到的碳纳米管。
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