一种利用焦耳热转化废弃塑料制备石墨烯和氢气的方法及装置
阅读说明：本技术 一种利用焦耳热转化废弃塑料制备石墨烯和氢气的方法及装置 (Method and device for preparing graphene and hydrogen by converting waste plastics through joule heat ) 是由 王颖 闫义龙 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用焦耳热转化废弃塑料同时制取石墨烯与氢气的方法及装置。该方法利用强电流通过导电助剂掺杂的混合塑料物料时所产生的焦耳热作为反应驱动能量,在电场与热量的作用下碳碳键与碳氢键断裂,无定型碳转化为sp～(2)杂化的高纯度石墨烯,氢原子转化为氢气。该方法借助的反应装置主要由气密反应腔、集气系统与电源控制系统三部分构成,处理每千克混合塑料废弃物能耗仅为2～4kW·h,塑料混合物料中碳元素演变为高品质石墨烯的转化率为25～50％,氢元素演变为氢气的转化率超过90％。与现有的塑料废弃物回用技术相比,该方法及装置可以转化塑料混合物料或复合塑料为高值产物,工艺简单且能耗较低,具有大规模应用前景。(The invention discloses a method and a device for simultaneously preparing graphene and hydrogen by converting waste plastics by using joule heat. The method uses Joule heat generated when strong current passes through mixed plastic material doped with conductive additive as heat sourceReaction driving energy, breaking carbon-carbon bond and carbon-hydrogen bond under the action of electric field and heat, and converting amorphous carbon into sp 2 And (3) converting hydrogen atoms of hybridized high-purity graphene into hydrogen. The reaction device used in the method mainly comprises an airtight reaction cavity, a gas collection system and a power supply control system, energy consumption for treating each kilogram of mixed plastic waste is only 2-4 kW.h, the conversion rate of carbon element converted into high-quality graphene in the plastic mixed material is 25-50%, and the conversion rate of hydrogen element converted into hydrogen gas is over 90%. Compared with the existing plastic waste recycling technology, the method and the device can convert plastic mixed materials or composite plastics into high-value products, have simple process and lower energy consumption, and have large-scale application prospect.)
技术领域
本发明涉及一种利用焦耳热转化废弃塑料同时制取石墨烯与氢气的方法及装置，属于固废处理与资源化利用技术领域。
背景技术
全球每年的塑料制品产量高约3.8亿吨，并且以约8.4％的速率逐年增加。其中，绝大多数的塑料制品仅被使用一次后就被废弃或填埋，仅有约18％的塑料废弃物被回收利用，处理不当的塑料废物引发一系列的生态环境问题，例如海洋生物对塑料垃圾的摄取和微纳塑料在生物体内的积累。目前主流的塑料废弃物回用技术包括机械回收，裂解(热解)和焚烧。机械回收工艺简单且被广泛应用，但是无法处理热敏塑料或成分复杂的复合塑料，且需要复杂的预分选过程，目前仅PET与PE两种塑料通过此法得以规模化回用。塑料裂解技术工艺复杂、能耗高且产物选择性较差，导致裂解产物纯化困难且经济价值较低，废塑料裂解技术发展缓慢。焚烧不需要复杂的前处理过程并且可以产生电能，然而来源于化石燃料的聚合物单体在此过程中仅以热能形式被部分回收进而失去回用价值，资源转化率低，一定程度上加速了化石燃料资源的消耗并且增加了本国的二氧化碳排放量。综上，目前塑料废弃物回收率低且亟需发展一种工艺简单、转化效率高、经济效益可观且环境影响低的具备可持续特性的绿色转化方法。
一步热分解技术是利用强场作用，如磁场或电场，使反应底物即废弃塑料直接解构为高值碳基材料(碳纳米管或石墨烯)和氢气，部分过程通过引入催化剂进一步调控产物的选择性与产率。与传统的塑料废弃物回用技术相比，该方法可以同时处理多种类型的塑料混合物料或复合塑料(LDPE、HDPE、PP、PS、PET等)，简化预分拣过程，反应速度快且能耗较低，固相与气相产物经济价值高，易分离且无需纯化过程，具有大规模应用前景，有望解决塑料废弃物回用率低且转化技术相对滞后的困局。
发明内容
本发明的目的是要解决现有塑料废弃物回用率低、塑料废弃物预分拣与处理技术复杂、处理工艺能耗高环境影响较大、塑料废弃物资源转化率低，转化产物经济价值较低品质较差的问题，提供一种利用焦耳热转化废弃塑料同时制取石墨烯与氢气的方法及装置。
本发明提供如下技术方案：一种利用焦耳热转化废弃塑料制备石墨烯和氢气的装置，所述装置包括气密反应腔、集气系统与电源控制系统；
所述气密反应腔包括用于盛放废弃塑料混合填料的中心石英腔、设置于所述中心石英腔左右两侧的2个多孔透气导电隔层、从所述中心石英腔左右两侧插入的2个耐热中空电极；
所述气密反应腔外设置有用于向其内输送惰性保护气体的进气管路；
所述集气系统包括过滤冷阱、耐压集气管路、气体收集单元、设置于所述耐压集气管路上且与所述气体收集单元连接的气压控制单元；所述气密反应腔的进气管路、过滤冷阱和所述集气系统的耐压集气管路通过三通阀连接；所述中空电极的外侧通过所述过滤冷阱与三通阀和耐压集气管路构成气密通路；
所述过滤冷阱用以去除烟尘和蜡状副产物，与所述耐热中空电极的外侧部分相接；
所述电源控制系统根据所述气密反应腔内的所述废弃塑料填料电阻值，调控输出的电压值、电路的开合状态、开合时间和开合方式。
进一步地，所述耐热中空电极于所述中心石英腔内侧与所述多孔透气导电隔层紧密贴合，所述耐热中空电极于所述多孔透气导电隔层的外侧间隔10～20mm处设置有耐热硅胶密封圈，所述硅胶密封圈与中心石英腔外壁和耐热中空电极共同形成阻气结构，约束中心石英腔内的气体仅能从耐热中空电极内侧的孔道出入。
进一步地，所述耐热中空电极由石墨或铜耐热导电材料制备而成。
进一步地，所述多孔透气导电隔层由泡沫铜或细密铜线编织压实制备而成。
进一步地，所述电源控制系统包括紧密包覆于耐热中空电极左右两侧的2个铜制连接织带、与所述铜制连接织带连接的2条耐高压电缆、电路控制单元和容量为50mF～300mF的高耐压电容组，所述2条耐高压电缆分别连接高耐压电容组的正负极，所述电路控制单元设置于与所述高耐压电容组连接的耐高压电缆上。
本发明还提供采用上述述装置的利用焦耳热转化废弃塑料制备石墨烯和氢气的方法，所述方法包括以下步骤：S1：将要处理的塑料废弃物进行初步预处理，剔除杂质，粉碎至粒径0.1～2.0mm左右，添加5～20wt％的炭黑做导电助剂，与塑料粉粒均匀混合，控制废弃塑料混合填料两端电阻至0.1～100Ω，填入所述中心石英腔内；
S2：反应前通过拨动三通阀，开启进气管路并闭合集气管路，通入惰性保护气体氩气或氮气至反应腔体内，然后通过闭合进气管路开启集气管路收集反应时产生的气体；
S3：反应过程中依据所述废弃塑料混合填料的填加量和阻值，电源控制系统将所述高耐压电容组充电至50～1000v，所述高耐压电容组正极端的耐高压电缆由所述电路控制单元控制开合状态、50～1000ms的开合时间和开合次数。
进一步地，所述S2步骤中所述气密通路的气压由气压控制单元控制在0～0.5Mpa范围内，当压力高于设定值后气体经过压控制单元的排气孔进入到气体收集单元内存储。
进一步地，所述塑料废弃物包括LDPE、HDPE、PP、PS、PET。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的方法和装置利用强电流通过导电混合塑料物料微粒时产生的焦耳热作为反应驱动能量，在电场与热量的作用下碳碳键与碳氢键断裂，无定型碳转化为sp2杂化的高纯度石墨烯，氢原子转化为氢气。该方法借助的反应装置主要由三部分构成，分别是气密反应腔、集气系统与电源控制系统。反应时，电源控制系统将高压直流电以极短的时间通过封存在气密反应腔内的导电混合塑料微粒，混合物料自身的电阻在电流的作用下产生大量焦耳热进而使物料温度迅速由室温提升至3000k以上，极快的退火过程有效抑制了石墨烯的堆叠，多余的能量以强光形式散失，可以有效避免反映腔体过热导致的低装置使用寿命和高安全隐患问题，反应生成的气态产物经简单过滤去除少量蜡状产物即可获取高纯度氢气，处理每千克混合塑料废弃物能耗仅为2～4kW·h，混合塑料物料中碳元素演变为高品质石墨烯的转化率为25～50％，氢元素演变为氢气的转化率超过90％。固相产物与气体产物均无需进一步的纯化处理，石墨烯可直接分散至溶液中，氢气可收集储存作为绿色能源使用。
2、本发明实现了混合废弃塑料的高值转化，相较于现有回用方法如机械回收、裂解和焚烧，该方法简化了塑料分拣的工序且适用塑料种类更多，转化过程快速高效、耗能低、安全隐患与环境风险小，产物经济价值高且具备可持续能源特征，一方面提高了资源与能源的转化效率，另一方面将塑料回用技术的经济效益显著提升，为塑料高值回用产业的发展奠定坚实基础，有望缓解由塑料废弃物引发的一系列生态环境问题。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的装置的整体示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，为本发明提供的一种利用焦耳热转化废弃塑料制备石墨烯和氢气的装置，其特征在于，装置包括气密反应腔、集气系统与电源控制系统；
气密反应腔包括用于盛放废弃塑料混合填料的中心石英腔1、设置于中心石英腔1左右两侧的2个多孔透气导电隔层2、从中心石英腔1左右两侧插入的耐热中空电极5；
气密反应腔外设置有用于向其内输送惰性保护气体的进气管路8；
集气系统包括过滤冷阱6、耐压集气管路9、气体收集单元11、设置于耐压集气管路9上且于气体收集单元11连接的气压控制单元10；气密反应腔的进气管路8、过滤冷阱6和集气系统的耐压集气管路9通过三通阀7连接；中空电极5的外侧通过过滤冷阱6与三通阀7和耐压集气管路9构成气密通路；耐热中空电极5于中心石英腔1内侧与多孔透气导电隔层2紧密贴合，耐热中空电极5于多孔透气导电隔层2的外侧间隔10～20mm处设置有耐热硅胶密封圈4，硅胶密封圈4与中心石英腔1外壁和耐热中空电极5共同形成阻气结构，约束中心石英腔内1的气体仅能从耐热中空电极5内侧的孔道出入。
过滤冷阱6用以去除烟尘和蜡状副产物，与耐热中空电极5的外侧部分相接；
电源控制系统根据所述气密反应腔内的废弃塑料填料电阻值，调控输出的电压值、电路的开合状态、开合时间和开合方式。
耐热中空电极5由石墨或铜等耐热导电材料制备而成，多孔透气导电隔层2由泡沫铜或细密铜线编织压实制备而成。
电源控制系统包括紧密包覆于耐热中空电极5左右两侧的2个铜制连接织带15、与铜制连接织带15连接的2条耐高压电缆14、电路控制单元13和容量为50mF～300mF的高耐压电容组12，2条耐高压电缆分别连接高耐压电容组12的正负极，电路控制单元设置于与高耐压电容组12连接的耐高压电缆14上。
实施例2
本实施例提供采用实施例1提供的装置的利用焦耳热转化废弃塑料制备石墨烯和氢气的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：将要处理的包括LDPE、HDPE、PP、PS、PET等塑料废弃物进行初步预处理，剔除杂质，粉碎至粒径0.1～2.0mm左右，添加5～20wt％的炭黑做导电助剂，与塑料粉粒均匀混合，控制废弃塑料混合填料两端电阻至0.1～100Ω，填入中心石英腔1内；
S2：反应前通过拨动三通阀7，开启进气管路8闭合集气管路9通入惰性保护气体氩气或氮气至反应腔体内，然后通过闭合进气管路8开启集气管路9收集反应时产生的气体；气密通路的气压由气压控制单元10控制在0～0.5Mpa范围内，当压力高于设定值后气体经过压控制单元10的排气孔进入到气体收集单元11内存储；
S3：反应过程中依据所述废弃塑料混合填料的填加量和阻值，电源控制系统将所述高耐压电容组充电至50～1000v，高耐压电容组12正极端的耐高压电缆由电路控制单元13控制开合状态、50～1000ms的开合时间和开合次数。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。