一种利用无纺布废布制备氮掺碳布的方法
阅读说明：本技术 一种利用无纺布废布制备氮掺碳布的方法 (Method for preparing nitrogen-doped carbon cloth by utilizing waste non-woven fabric ) 是由 黄涛 杜晶 曹振兴 宋东平 刘龙飞 张树文 金俊勋 周璐璐 于 2020-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用无纺布废布制备氮掺碳布的方法,将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中,得到盐浸废布,将盐浸废布置于低温等离子体低压电极上进行低温等离子体照射,即得氮掺碳布。本发明应用低温等离子照射技术,通过调节氮气与氢气气氛获得氮自由基和氢自由基,直接将无纺布废布转化为氮掺杂碳布,所制备的氮掺杂碳布具有一定的催化性,最高可获得86％最大CO法拉第效率。(The invention discloses a method for preparing nitrogen-doped carbon cloth by using waste non-woven fabric cloth. The method adopts a low-temperature plasma irradiation technology, obtains nitrogen free radicals and hydrogen free radicals by regulating the atmosphere of nitrogen and hydrogen, and directly converts the waste non-woven fabric into the nitrogen-doped carbon fabric, so that the prepared nitrogen-doped carbon fabric has certain catalytic performance, and the maximum CO Faraday efficiency of 86 percent can be obtained at most.)
技术领域
本发明涉及无纺布废布的资源化利用，尤其涉及一种利用无纺布废布制备氮掺碳布的方法。
背景技术
无纺布也称为非织造布，其在生产和使用过程中会产生大量的废料。每年中国经编企业可产生千万吨级的无纺布废料。当前，大部分经编企业仅将无纺布废料销售转运至第三方机构，而不会选择循环利用。转运至第三方机构的无纺布废料或被堆存在库区，或被填埋，或被用于垃圾焚烧发电。通过填埋方式处理无纺布废料不仅占用大量土地，无法实现废料资源化利用，且在缺氧潮湿的填埋环境下，无纺布废料易渗出有机染料，从而造成填埋区域土壤和地下水污染。焚烧过程中若无纺布边料和废料掺量过多，不仅会降低热效率而且会显著增加烟气中二噁英生成量。
对无纺布废料回收和循环再利用，不仅可减缓下游处置压力，而且可以降低生产成本，提高经济效益。目前主要通过小螺杆、造粒、压片等方式对无纺布边料和废料进行回收处置。企业一般会根据自身生产情况选择合适的方式对无纺布边料和废料进行回收。然而，通过上述回收方式回收和循环废料也会给产品质量和工艺设备带来不利影响。因此，如何拓宽无纺布废料资源化途径，从而实现无纺布废料高值化利用是目前研究的关键。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种利用无纺布废布制备氮掺碳布的方法，在实现无纺布废料资源化利用的同时，所制备的氮掺碳布具有较强的催化活性。
技术方案：本发明所述的一种利用无纺布废布制备氮掺碳布的方法，称取氯化钠溶于水中，配制1～5mol/L氯化钠水溶液，按照液固比1～3:1，将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中，10～30min后取出无纺布废布，得到盐浸废布，需要说明的是，此浓度范围的氯化钠水溶液可以在去除无纺布废布上杂质的同时，又增加其导电性，低于此浓度范围无纺布废布导电性变差，电子束在无纺布表面积聚从而使得放电通道能量密度减小，最终导致无纺布碳化效果与氮加载效果变差，高于该浓度范围，碳布导电性进一步提升不明显，无纺布碳化与氮加载效果随着氯化钠浓度进一步增加提升不显著；将盐浸废布置平铺在低温等离子体低压电极上，曝入气氛后接通电源，进行低温等离子体照射，即得氮掺碳布。
其中，所述低温等离子体照射的作用时间为0.5～3h，进一步优选为0.5～2.5h；作用气氛为氢气与氮气混合气体，所述氢气与氮气的体积比为3～15:100；作用电压为5～50kV；所述低温等离子照射采用介质挡板放电，所述介质挡板与盐浸废布间距为0.2～2cm。
将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中，不仅可以去除无纺布废布上的杂质，同时可以将氯化钠吸附在无纺布废布上增加其导电性。将盐浸废布平铺在低温等离子体低压电极上后开启电源，介质板感应产生高密度的放电通道。氢气和氮气在放电通道中发生电离、解离，生成氢自由基和氮自由基。氢自由基与无纺布废布接触后可与无纺布废布中的氧结合生成水从而实现无纺布废布碳化。低温等离子体处置过程中释放大量的热，从而使得无纺布吸附的水发生汽化转化为水蒸气。水蒸气在放电通道中生成氢氧根自由基、氢自由基和水合电子。氢氧根自由基和氮自由基可加速无纺布中染色剂的分解并加速碳化过程。同时氮自由基还可加载在碳布上，从而实现碳布表面的氮掺杂。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点是：本发明制备过程简单，应用低温等离子照射技术，通过调节氮气与氢气气氛获得氮自由基和氢自由基，直接将无纺布废布转化为氮掺杂碳布，所制备的氮掺杂碳布具有一定的催化性，最高可获得86％最大CO法拉第效率。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的无纺布废布料取自浙江湖州市南浔镇马腰工业园，需要说明的是，本发明的无纺布废布料包括多种类型，如丙纶、涤纶、锦纶、粘胶纤维、腈纶、乙纶、氯纶无纺布等均在本发明的保护范围之内。
实施例1
低温等离子体照射时间对所制备氮掺碳布催化性能影响
氮掺碳布的制备：如图1所示，称取氯化钠溶于水中，配制1moL/L的氯化钠水溶液，按照液固比1:1(mL:mg)分别称取氯化钠水溶液和无纺布废布，将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中，10分钟后取出无纺布废布，得到盐浸废布；将盐浸废布平铺在低温等离子体低压电极上，曝入气氛后接通电源，分别进行低温等离子体照射0.25小时、0.35小时、0.45小时、0.5小时、1.5小时、2.5小时、2.6小时、2.8小时、3小时，得到氮掺碳布，其中曝入的低温等离子体作用气氛为氢气与氮气混合气体，氢气与氮气体积比为3:100，低温等离子体照射作用电压为5kV，低温等离子体照射采用介质挡板放电，介质板与盐浸废布间距为0.2cm。
通过二氧化碳还原反应性能测试研究上述制备的氮掺碳布的催化性能。具体测试步骤是：将双室带隔膜密闭反应器连接到电化学工作站(型号：CHI660E，上海辰华仪器有限公司)。以制备的氮掺碳布为主电极、Ag/AgCl为参比电极、铂片电极作为对电极，1moL/L碳酸氢钾溶液为电解液。测试前通入CO2气体至饱和并随后保持20mL/min流速持续通入CO2气体。测试过程中阴极气相产物通过气相色谱仪进行组分分析，使用氢火焰离子检测器检测二氧化碳还原产物浓度，以最大CO法拉第效率(FE％)来判断电极材料的催化性能。试验结果见表1。
表1低温等离子体照射时间对所制备氮掺碳布催化性能影响
由表1可看出，当低温等离子体照射时间小于0.5小时(如表1中，低温等离子体照射时间＝0.45小时、0.35小时、0.25小时以及表1中未列举的更低值)，低温等离子体照射时间过短，纺布中染色剂的分解和无纺布碳化均不充分，导致最大CO法拉第效率随着低温等离子体照射时间减小而显著降低。当低温等离子体照射时间等于0.5～2.5小时(如表1中，低温等离子体照射时间＝0.5小时、1.5小时、2.5小时)，氢气和氮气在放电通道中发生电离、解离，生成氢自由基和氮自由基，氢自由基与无纺布废布接触后可与无纺布废布中的氧结合生成水从而实现无纺布废布碳化，低温等离子体处置过程中释放大量的热，从而使得无纺布吸附的水发生汽化转化为水蒸气，水蒸气在放电通道中生成氢氧根自由基、氢自由基和水合电子，氢氧根自由基和氮自由基可加速无纺布中染色剂的分解并加速碳化过程，同时氮自由基还可加载在碳布上，从而实现碳布表面的氮掺杂，最终，最大CO法拉第效率均大于73％。当低温等离子体照射时间大于2.5小时(如表1中，低温等离子体照射时间＝2.6小时、2.8小时、3小时以及表1中未列举的更高值)，最大CO法拉第效率随着低温等离子体照射时间进一步增加变化不显著。因此，综合而言，结合效益与成本，当低温等离子体照射时间等于0.5～2.5小时，最有利于提高所制备氮掺碳布催化性能。
实施例2
氢气与氮气体积比对所制备氮掺碳布催化性能影响
氮掺碳布的制备：称取氯化钠溶于水中，配制3moL/L氯化钠水溶液，按照液固比2:1(mL:mg)分别称取氯化钠水溶液和无纺布废布，将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中，20分钟后取出无纺布废布，得到盐浸废布；将盐浸废布平铺在低温等离子体低压电极上；曝入气氛后接通电源，进行低温等离子体照射2.5小时，得到氮掺碳布，其中曝入的低温等离子体作用气氛为氢气与氮气混合气体，氢气与氮气体积比分别为1.5:100、2:100、2.5:100、3:100、9:100、15:100、16:100、18:100、20:100，低温等离子体照射作用电压为27.5kV，低温等离子体照射采用介质挡板放电，介质板与盐浸废布间距为1.1cm。
二氧化碳还原反应性能测试同实施例1，试验结果见表2。
表2氢气与氮气体积比对所制备氮掺碳布催化性能影响
氢气与氮气体积比
FE<sub>％</sub>
相对误差
1.5:100
60.71％
±0.1％
2:100
65.92％
±0.1％
2.5:100
72.68％
±0.2％
3:100
78.79％
±0.1％
9:100
80.46％
±0.1％
15:100
83.85％
±0.1％
16:100
76.32％
±0.1％
18:100
70.51％
±0.2％
20:100
64.28％
±0.3％
由表2可看出，当氢气与氮气体积比小于3:100时(如表2中，氢气与氮气体积比＝2.5:100、2:100、1.5:100时以及表2中未列举的更低比值)，氢气较少，氢自由基生成量减少，无纺布废布碳化不充分，导致最大CO法拉第效率随着氢气与氮气体积比减小而显著降低。当氢气与氮气体积比等于3～15:100时(如表2中，氢气与氮气体积比＝3:100、9:100、15:100时)，氢气和氮气在放电通道中发生电离、解离，生成氢自由基和氮自由基，氢自由基与无纺布废布接触后可与无纺布废布中的氧结合生成水从而实现无纺布废布碳化，氢氧根自由基和氮自由基可加速无纺布中染色剂的分解并加速碳化过程，同时氮自由基还可加载在碳布上，从而实现碳布表面的氮掺杂，最终，最大CO法拉第效率均大于78％。当氢气与氮气体积比大于15:100时(如表2中，氢气与氮气体积比＝16:100、18:100、20:100时以及表2中未列举的更高比值)，氢气过多，生成的氢自由基过量，氢自由基与氮自由基竞争性反应，从而使得碳布表面的氮掺杂效果变差，导致最大CO法拉第效率随着氢气与氮气体积比进一步增加显著降低。因此，综合而言，结合效益与成本，当氢气与氮气体积比等于3～15:100时，最有利于提高所制备氮掺碳布催化性能。
实施例3
介质板与盐浸废布间距对所制备氮掺碳布催化性能影响
氮掺碳布的制备：称取氯化钠溶于水中，配制5moL/L氯化钠水溶液，按照液固比3:1(mL:mg)分别称取氯化钠水溶液和无纺布废布，将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中，30分钟后取出无纺布废布，得到盐浸废布；将盐浸废布平铺在低温等离子体低压电极上。曝入气氛后接通电源，进行低温等离子体照射2.5小时，得到氮掺碳布，其中曝入的低温等离子体作用气氛为氢气与氮气混合气体，氢气与氮气体积比为15:100，低温等离子体照射作用电压为50kV，低温等离子体照射采用介质挡板放电，介质板与盐浸废布间距分别为0.1cm、0.15cm、0.18cm、0.2cm、1.1cm、2cm、2.1cm、2.3cm、2.5cm。
二氧化碳还原反应性能测试同实施例1，试验结果见表3。
表3介质板与盐浸废布间距对所制备氮掺碳布催化性能影响
介质板与盐浸废布间距
FE<sub>％</sub>
相对误差
0.1cm
46.51％
±0.2％
0.15cm
62.93％
±0.2％
0.18cm
71.68％
±0.1％
0.2cm
83.49％
±0.1％
1.1cm
86.27％
±0.1％
2cm
85.16％
±0.1％
2.1cm
79.31％
±0.1％
2.3cm
72.82％
±0.2％
2.5cm
66.54％
±0.1％
由表3可看出，当介质板与盐浸废布间距小于0.2cm时(如表3中，介质板与盐浸废布间距＝0.18cm、0.15cm、0.1cm时以及表3中未列举的更低值)，介质板与盐浸废布间距过小，低温等离子体照射过程中布料易吸附到介质挡板上，从而造成反应器短路，放电通道消失，无纺布废布碳化与氮掺杂均不充分，从而导致最大CO法拉第效率随着介质板与盐浸废布间距减小而显著降低。当介质板与盐浸废布间距等于0.2～2cm时(如表3中，介质板与盐浸废布间距＝0.2cm、1.1cm、2cm时)，将盐浸废布平铺在低温等离子体低压电极上后开启电源，介质板感应产生高密度的放电通道，氢气和氮气在放电通道中发生电离、解离，生成氢自由基和氮自由基，氢自由基与无纺布废布接触后可与无纺布废布中的氧结合生成水从而实现无纺布废布碳化，低温等离子体处置过程中释放大量的热，从而使得无纺布吸附的水发生汽化转化为水蒸气，水蒸气在放电通道中生成氢氧根自由基、氢自由基和水合电子，氢氧根自由基和氮自由基可加速无纺布中染色剂的分解并加速碳化过程，同时氮自由基还可加载在碳布上，从而实现碳布表面的氮掺杂，最终，最大CO法拉第效率均大于83％。当介质板与盐浸废布间距大于2cm时(如表3中，介质板与盐浸废布间距＝2.1cm、2.3cm、2.5cm时以及表3中未列举的更高值)，介质板与盐浸废布间距过大，介质板感应产生放电通道能量高密度降低，氢气和氮气在放电通道中发生电离、解离的效率降低，盐浸废布碳化与氮掺杂效果变差，导致最大CO法拉第效率随着介质板与盐浸废布间距进一步增加而显著降低。因此，综合而言，结合效益与成本，当介质板与盐浸废布间距等于0.2～2cm时，最有利于提高所制备氮掺碳布催化性能。
实施例4
氯化钠水溶液浓度对所制备氮掺碳布催化性能影响
氮掺碳布的制备：称取氯化钠溶于水中，分别配制0.5moL/L、0.7moL/L、0.9moL/L、1moL/L、3moL/L、5moL/L、5.2moL/L、5.5moL/L、6moL/L氯化钠水溶液，按照液固比3:1(mL:mg)分别称取氯化钠水溶液和无纺布废布，将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中，30分钟后取出无纺布废布，得到盐浸废布；将盐浸废布平铺在低温等离子体低压电极上，曝入气氛后接通电源，进行低温等离子体照射2.5小时，得到氮掺碳布，其中曝入的低温等离子体作用气氛为氢气与氮气混合气体，氢气与氮气体积比为15:100，低温等离子体照射作用电压为50kV，低温等离子体照射采用介质挡板放电，介质板与盐浸废布间距为1.1cm。
二氧化碳还原反应性能测试同实施例1，试验结果见表4。
表4氯化钠水溶液浓度对所制备氮掺碳布催化性能影响
氯化钠水溶液浓度
FE％
相对误差
0.5moL/L
62.44％
±0.1％
0.7moL/L
68.15％
±0.2％
0.9moL/L
74.52％
±0.1％
1moL/L
81.38％
±0.2％
3moL/L
84.59％
±0.1％
5moL/L
86.27％
±0.1％
5.2moL/L
86.34％
±0.1％
5.5moL/L
86.51％
±0.2％
6moL/L
86.62％
±0.2％
由表4可看出，当氯化钠水溶液浓度小于1moL/L时(如表4中，氯化钠水溶液浓度＝0.9moL/L、0.7moL/L、0.5moL/L时以及表4中未列举的更低值)，无纺布废布导电性变差，电子束在无纺布表面积聚从而使得放电通道能量密度减小，最终导致最大CO法拉第效率随着氯化钠水溶液浓度减小而显著降低。当氯化钠水溶液浓度等于1～5moL/L时(如表4中，氯化钠水溶液浓度＝1moL/L、3moL/L、5moL/L时)，将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中，不仅可以去除无纺布废布上的杂质，同时可以将氯化钠吸附在无纺布废布上增加其导电性。最终，最大CO法拉第效率均大于81％。当氯化钠水溶液浓度大于5moL/L时(如表4中，氯化钠水溶液浓度＝5.2moL/L、5.5moL/L、6moL/L时以及表4中未列举的更高值)，随着氯化钠水溶液浓度进一步增加最大CO法拉第效率变化不显著。因此，综合而言，结合效益与成本，当氯化钠水溶液浓度等于1～5moL/L时，最有利于提高所制备氮掺碳布催化性能。
不同制备工艺所制备氮掺碳布催化性能对比
实施例5(本发明方法)
称取氯化钠溶于水中，配制5moL/L氯化钠水溶液，按照液固比3:1(mL:mg)分别称取氯化钠水溶液和无纺布废布，将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中，30分钟后取出无纺布废布，得到盐浸废布；将盐浸废布平铺在低温等离子体低压电极上。曝入气氛后接通电源，进行低温等离子体照射2.5小时，得到氮掺碳布，其中曝入的低温等离子体作用气氛为氢气与氮气混合气体，氢气与氮气体积比为15:100，低温等离子体照射作用电压为50kV，低温等离子体照射采用介质挡板放电，介质板与盐浸废布间距分别为1.1cm。
对比例1(无纺布废布浸泡在水溶液中)
按照液固比3:1(mL:mg)分别称取水溶液和无纺布废布，将无纺布废布浸泡在水溶液中，30分钟后取出无纺布废布，得到水浸废布；将水浸废布平铺在低温等离子体低压电极上。曝入气氛后接通电源，进行低温等离子体照射2.5小时，得到氮掺碳布，其中曝入的低温等离子体作用气氛为氢气与氮气混合气体，氢气与氮气体积比为15:100，低温等离子体照射作用电压为50kV，低温等离子体照射采用介质挡板放电，介质板与水浸废布间距分别为1.1cm。
对比例2(作用气氛为空气)
称取氯化钠溶于水中，配制5moL/L氯化钠水溶液，按照液固比3:1(mL:mg)分别称取氯化钠水溶液和无纺布废布，将无纺布废布浸泡在氯化钠水溶液中，30分钟后取出无纺布废布，得到盐浸废布；将盐浸废布平铺在低温等离子体低压电极上。曝入气氛后接通电源，进行低温等离子体照射2.5小时，得到氮掺碳布，其中曝入的低温等离子体作用气氛为空气，低温等离子体照射作用电压为50kV，低温等离子体照射采用介质挡板放电，介质板与盐浸废布间距分别为1.1cm。
二氧化碳还原反应性能测试同实施例1，试验结果见表5。
表5不同制备工艺所制备氮掺碳布催化性能对比
不同制备工艺
FE％
相对误差
实施例5
86.27％
±0.1％
对比例1
32.52％
±0.1％
对比例2
43.78％
±0.1％
由表5可看出，本发明方法制备的氮掺碳布获得的最大CO法拉第效率远高于对比例1和对比例2工艺方法所制备的氮掺碳布且高于两者之和。相比于实施例5，对比例1的无纺布废布浸泡在水溶液中，无纺布废布导电性差，电子束在无纺布表面积聚从而使得放电通道能量密度小，最终导致无纺布碳化效果与氮加载效果差；对比例2的作用气氛为空气，只能生成少量的氮自由基，因此，无纺布的碳化及氮加载效果不佳。因此，氢氧化钠水溶液的浸泡及作用气氛对本发明起到较为关键的作用。