[发明专利]一种利用有机物合成碳纳米结构材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米结构材料的制备方法，尤其涉及利用生活及工业用塑料废弃物、橡胶轮胎废弃物以及生物质废弃物等固体有机废弃物，在高温以及催化剂的作用下，将有机物合成碳纳米结构材料的方法。

背景技术

碳纳米管，碳黑以及石墨烯等同素异形纳米结构材料具有优异的导热，导电和机械性能，可广泛应用于纳米科技、电子、光学和材料科学与技术等领域。常用的碳纳米结构材料合成方法包括电弧放电、激光烧蚀、高压一氧化碳、火焰合成以及化学气相沉积等。目前的合成方法需要消耗大量昂贵的碳氢化合物以及高度易燃的化学品，比如氢气（H2）。因此，随着碳纳米结构材料的大规模普及其应用，制备就需要考虑可持续的原材料供应以及更加安全与可控的制备方法。中国专利申请号200410011337.9介绍的一种燃烧聚烯烃合碳纳米管的方法，200610016733.X介绍的裂解聚合物合成碳纳米管的方法，200810019267.X介绍的一种通过制备α-磷酸锆催化剂催化炭化聚合物来制备碳纳米管的方法虽然具有成本较低的优点，以上制备方法仅局限于使用石油基聚合物，并且因其无法精确控制反应条件，导致其无法选择性的合成质量可控的碳纳米材料。另外，这些制备方法加工过程中，由于没有将燃料与空气充分混合，在合成过程中会产生大量不可控的碳烟，不利于大规模工业化生产，也不符合环保要求。专利申请号200910099470.7介绍的一种利用生物质残渣制备高比表面微孔碳材料的方法，201110023855.2介绍的一种利用生物可降解塑料制备碳纳米管的方法，虽然这些使用生物质或生物基聚合物为碳源制备碳纳米结构材料可以降低对反应条件的要求，简化工艺设备，但其转化过程是基于固态到固态的结构转化，限制了其对其它碳基废弃物的应用，需要进行大规模的工艺改进才能符合工业化生产的要求。

随着中国经济的快速发展和社会的进步，人民在不断提高生活水平的同时，也不断地消耗越来越多的资源，同时制造出越来越多的生活以及工业用废弃物。在这之中占很大比例的是含碳的有机废弃物，比如废弃塑料，废弃橡胶轮胎，以及生物质废弃物。其中只有一小部分的有机废弃物通过回收实现再利用，而其大部分都是通过填埋和焚烧的方式进行处理。随可利用土地的日益减少，通过填埋来处理有机废弃物终将无法作为一种可持续发展的解决方案。采用焚烧处理固体有机废弃物，虽然可以解决废物占地庞大的问题，单纯的将其焚烧是完全忽略了这样一个事实：这些含碳的有机废弃物其实是十分优质的原材料。比如作为石油制品的废弃塑料，其蕴藏的能量是与汽油（或者煤炭）的能量是相当的。从节约地球资源的角度考虑，通过利用这些固体有机废弃物作为原料生产出高附加值的产品，是十分重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服现有碳纳米结构材料合成中对碳基原材料使用的局限性，同时能提供将有机废弃物变废为宝的更加完善的解决途径的利用有机物合成碳纳米结构材料的方法。

本发明采用以下技术方案，碳纳米结构材料制备的具体步骤如下：

首先，将固体有机废弃物破碎后置于加热管中，在300℃以上温度中通入惰性气体，在隔绝氧气下进行热裂解，产生气态碳氢化合物的混合物；

其次，在混合物中加入助燃气体充分混合后，在高温下燃烧，产生含二氧化碳、一氧化碳和氢气20-50%的混合气体；

再其次，将所得混合气体导入一个过滤器，过滤后得到用于合成碳纳米材料的反应气体；

最后，在过滤器的输出端设置管式炉，管式炉设有两层以上合金金属网膜作为催化剂，加热至400℃以上，上述的反应气体通过管式炉内合金金属网膜阵列，即合成得黑色的碳纳米结构材料。

所述的获得的碳纳米结构材料在冷却至200℃以下时，从合金金属网膜上刮取，得到粉末状的管状一维碳纳米结构材料或者粉片状的二维石墨烯碳纳米结构材料。

所述的固体有机废弃物为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯、 聚乳酸、 聚酯、 聚氨酯、 聚碳酸酯、 聚酰胺、 丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、 聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、天然橡胶、 丁苯橡胶、甘蔗渣，玉米、干酒糟及其可溶物。

所述的惰性气体为氩气或者二氧化碳。

所述的气态碳氢化合物的混合物主要成分为甲烷，乙烷，乙烯，乙炔，苯和氢气。

所述的助燃气体为氧气、氮气、氩气、二氧化碳、水蒸气中的一种或两种以上的混合气体，或者氢气、氮气、氩气、二氧化碳、水蒸气中的一种或两种以上的混合气体。

所述的合金金属网膜的材料为铁基合金或者铜基合金，其包括铁，镍，钴，锰，铜。