一种微波催化塑料热解蒸汽转化为富含BTX产物的方法

本发明涉及一种微波催化塑料热解蒸汽转化为富含btx产物的方法，具体属于化学及环境。

背景技术：

1、塑料广泛应用于包装、建筑、汽车、电子以及农业等领域，在人类的日常生活中扮演着至关重要的角色，并且提高了现代生活基本产品的质量标准。由于塑料在各行各业和家庭的使用变得更加普遍，导致全球每年塑料生产量都在增加。然而，这种为人类造福的便利却给生态带来了灾难。过去60年间，全世界总计生产出约83亿吨塑料制品，其中有63亿吨已成为塑料废物，只有9%被回收利用。塑料废物是不同塑料产品的混合物，主要由低密度聚乙烯 (ldpe)、高密度聚乙烯(hdpe)、聚丙烯 (pp)、聚苯乙烯 (ps)、聚氯乙烯 (pvc) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (pet) 构成。塑料废物垃圾成分复杂，人工回收成本不断增加，难以用传统方法回收利用。

2、催化热解是一种典型的塑料回收方法，能够高效地将塑料废弃物热解转化为更小分子可利用的能源化合物。另一方面，微波加热由于能量传递效率高、加热速率快以及加热均匀等优势被成功用于生物质热解中。近年来，鉴于微波加热的独特优势，将微波辐射应用于生物质催化开始得到关注。然而，由于常规催化剂介电性质较弱导致微波吸收性能差。为此，有研究者开发了一类分子筛覆膜sic催化剂，利用sic具有强吸波性达到微波加热的目的。然而，由于核心催化剂分子筛本身不具备吸波性能，它所接受的热量仍是来自sic的热传导，而发挥的微波效应（如“热点”及“等离子体”）非常有限。因此，如何将微波与催化有机结合，发挥“热点-催化”以及其它“微波-催化”协同催化效应以建立微波驱动的催化核心是微波催化的重要发展方向。

3、生物炭具有良好的吸波性能，不需要额外添加吸波剂就能达到催化剂的均匀受热，催化温度更为均衡，同时炭表面的“吸附-催化”耦合微波电磁场激发，促使分子进入激发态甚至解离态，进一步降低了催化反应能以及强化了催化反应进程。此外，由于比表面积大、孔隙度高以及活性官能团多使生物炭近年来在生物质催化领域获得越来越多关注。因此，这类价廉易得的碳基材料是一种理想的微波响应催化剂。然而，通过单纯热处理得到的生物炭往往表面活性匮乏以及孔隙丰度有限，导致其催化活性受限。常见的生物炭活化方式有酸碱浸渍以及金属负载。其中，酸活化可以有效地为生物炭提供酸性活性位点，提升裂化催化性能；而金属活化有利于氢转移催化位点的形成。两种催化功能一是有效促进的有机结合，协同微波催化效应，可显著提升塑料转化效率。截至目前，未见有单纯采用生物炭类材料作为微波响应催化剂用于在线微波催化固体废弃物的相关报道。

技术实现思路

1、为了将微波与催化有机结合，发挥“热点-催化”以及“微波-催化”协同催化效应，促进塑料废弃物的转化，本发明提供一种微波催化塑料热解蒸汽转化为富含btx（轻质芳烃）产物的方法，生产成本低，催化性能优异，操作简单。

2、本发明一种微波催化塑料热解蒸汽转化为富含btx产物的方法通过热解耦合微波辅助催化系统，将酸活化的生物炭负载金属作为催化剂，并以串联连接方式置于微波催化管中，对塑料废弃物的热解蒸汽进行在线微波催化热解为富含btx产物；具体过程为：

3、将塑料废弃物置于热解炉中，在400～600°c温度下热解，得到的塑料热解蒸汽进入热解耦合微波辅助催化系统，生物炭负载金属催化剂以串联连接方式置于微波管式炉的微波催化管中，在300～700°c温度下对塑料热解蒸汽催化热解，反应时间控制在30～120min，产物经冷却后得到富含btx产物；

4、所述的生物炭负载金属催化剂的制备过程为：

5、将干燥生物质粉末浸渍于质量浓度为40%~85%的磷酸溶液中，连续搅拌浸渍24 h后于100～110℃进行干燥，其后置于真空马弗炉中，在600～900℃温度下煅烧2～4 h，得到具有酸性活性位点的生物炭经冷却、洗涤、干燥和研磨处理，再浸渍于金属溶液中，并在室温下搅拌1～2h后浸渍12h，其后取出生物炭并在100～110°c温度下干燥至恒重，再在600~900℃温度下煅烧2～4h，冷却后即得生物炭负载金属催化剂，其中金属负载量为生物炭的5wt.%～25 wt.%。

6、所述的热解炉为电热解炉或微波热解炉的一种。

7、所述的生物炭负载金属催化剂的用量为塑料废弃物质量的10%～40%。

8、所述的金属溶液为镍、钴、铜、铁、钌或铂的氯化物、硫酸盐、硝酸盐或醋酸盐溶液中的至少一种。

9、本发明通过酸活化耦合金属负载的方法获得具有酸性和氢转移双重催化位点的微波响应催化剂。其中，酸性位点可保障c–c键的有效断裂；而氢转移催化位点可促进短链烯烃发生diels-alder反应从而生产btx（轻质芳烃）环芳烃。然后搭载热解耦合微波辅助催化系统，对塑料废弃物进行“热解-微波催化”一体化转化，最后收集冷凝液体即富含btx产物。

10、本发明的有益效果：

11、（1）本发明采用的生物炭负载金属催化剂通过磷酸和金属浸渍双重活化，不仅具有酸性和氢转移双重催化功能，同时拥有较强微波吸收性能。

12、（2）本发明采用在线微波催化塑料热解蒸汽热解的方法，可将塑料废弃物转化为有市场价值的富含btx的产品。

13、（3）本发明利用微波优势，在生物炭负载金属催化剂上形成“微波界面热点”以及“微波强化催化”的耦合催化效应，促进了塑料向btx的转化效率，富含btx的液体产物中，btx的化学选择性最高可达87.9%。

技术特征：

1.一种微波催化塑料热解蒸汽转化为富含btx产物的方法，其特征在于：所述的方法通过热解耦合微波辅助催化系统，将酸活化的生物炭负载金属作为催化剂，并以串联连接方式置于微波催化管中，对塑料废弃物的热解蒸汽进行在线微波催化转化为富含btx产物；具体过程为：

2.根据权利要1所述的一种微波催化塑料热解蒸汽转化为富含btx产物的方法，其特征在于：所述的热解炉为电热解炉或微波热解炉的一种。

3.根据权利要1所述的一种微波催化塑料热解蒸汽转化为富含btx产物的方法，其特征在于：所述的生物炭负载金属催化剂的用量为塑料废弃物质量的10%～40%。

4.根据权利要1所述的一种微波催化塑料热解蒸汽转化为富含btx产物的方法，其特征在于：所述的金属溶液为镍、钴、铜、铁、钌或铂的氯化物、硫酸盐、硝酸盐或醋酸盐溶液中的至少一种。

技术总结
本发明一种微波催化塑料热解蒸汽转化为富含BTX产物的方法通过热解耦合微波辅助催化系统，以生物炭负载金属为催化剂，对塑料废弃物的热解蒸汽微波催化转化为富含BTX产物。塑料废弃物热解温度为400～600°C，生物炭负载金属催化剂催化温度为300～700°C。生物炭负载金属催化剂的制备过程中，活化生物质粉末的磷酸质量浓度为40%~85%，浸渍金属溶液后的生物炭煅烧温度为600~900℃，生物炭负载金属催化剂中金属负载量为生物炭的5 wt.%～25 wt.%。本发明生物炭负载金属催化剂对塑料废弃物催化热解的转化效率高，产物中BTX的化学选择性最高可达87.9%。

技术研发人员：樊亮亮,黄佩,周文广,刘蕾,胡金烨,罗婷,王伟鑫,王梦娇
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13