一种铁基催化剂、制备方法及一次性医用口罩微波热解的方法

1.本发明属于微波催化热解回收技术领域，具体涉及一种铁基催化剂、制备方法及一次性医用口罩微波热解的方法。


背景技术：

2.一次性医用口罩的大量使用给环境造成了沉重的负担。一项调查显示，新冠疫情期间亚洲地区每天需要消耗18亿个一次性医用口罩，中国的一次性医用口罩日消耗近7.02亿个。世界自然科学基金会在2020年的一份报告中指出，即使只有1％的废弃一次性医用口罩没有得到妥善处理，每年也有大约1000万个一次性医用口罩流向大自然。暴露于自然环境中的废弃一次性医用口罩在自然老化两个月后释放的微塑料纤维数量增加了近3000多倍，给自然环境和人类健康带来了极大的隐患。废弃一次性医用口罩是一种石油基的聚合物，传统的填埋和焚烧会产生严重的环境问题，如二次污染物和碳排放等问题，因此寻找一种经济高效的回收方法就变得至关重要。
3.热解是废弃聚合物回收的一种极具工业潜力的方法，然而常规热解需要较高的能耗，产物多以热解油为主，附加值低。微波加热是一种清洁、可控高效的加热方式，可以在极短的时间内加热到800℃以上，显著降低热解过程中能耗高的问题。但是废弃聚合物的微波吸收能力较弱，需要添加合适的微波吸收剂才能实现聚合物的热解。其中铁基催化剂不仅具有良好的微波吸收能力，也对挥发分具有较高的重整能力，是聚合物微波热解的首选催化剂。然而目前大多数工艺合成的铁基催化剂的微波吸收能力差，无法作为微波热解的催化剂，限制了廉价铁基催化剂在微波催化热解领域的应用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种铁基催化剂、制备方法及一次性医用口罩微波热解的方法，本发明所述催化剂可以实现一次性医用口罩快速的微波催化热解，此外，通过调控铁基催化剂中的金属铁含量，可以将气体成分局限在以氢气为主(大于60vol％)的富氢气体和多壁碳纳米管。
5.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种铁基催化剂，所述铁基催化剂中单质铁的含量为0～10wt％；所述铁基催化剂的载体为氧化铝。
6.本发明还提供了一种铁基催化剂的制备方法，以尿素为燃料，以硝酸铁溶液为铁源，以硝酸铝溶液为载体，经微波处理后再在含有还原性气体的惰性气氛下加热处理得到。
7.优选的，所述硝酸铁溶液的摩尔浓度为1～10mol
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；所述硝酸铝溶液的摩尔浓度为1～10mol
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；所述尿素溶液的摩尔浓度为0.25～2.5mol
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l-1
。
8.优选的，所述尿素、硝酸铁溶液、硝酸铝溶液的体积比为(1～2):(0.7～1.3):(0.7～1.3)。
9.优选的，所述所述微波处理功率为1900～2100w，处理时间为8～12min。
10.优选的，所述含有还原性气体的惰性气氛的流量为5～1000ccm；所述还原性气体浓度为5～50vol％；所述还原性气体包括氢气、一氧化碳；所述惰性气体包括氮气、氩气。
11.优选的，加热温度为300～650℃，加热时间为0.5～2h。
12.本发明还提供了一种一次性医用口罩微波热解的方法，将所述铁基催化剂与一次性医用口罩混合并置于微波热解体系中，开启微波至体系不再产生气体后，得到富氢气体和多壁碳纳米管。
13.优选的，所述微波热解的功率为500～10000w。
14.优选的，所述铁基催化剂与一次性医用口罩的质量比为(0.2～1):(1～2)。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16.本发明提供了一种铁基催化剂、制备方法及一次性医用口罩微波热解的方法，本发明所述制备方法通过高温下的还原将铁基催化剂中微波吸收能力较差的无定型的铁以及赤铁矿转化为具有强微波吸收能力的磁性铁和金属铁，其与废弃一次性医用口罩的混合物可以在10min内快速升高至900℃以上，实现废弃一次性医用口罩快速的微波催化热解。本发明以处理后的铁基催化剂为微波启动剂，通过高效的微波催化热解将废弃一次性医用口罩转化为高附加值的富氢气体(大于60vol％)和多壁碳纳米管等，基本不产生冷凝性的液体，该方法能耗低、工序简单。此外，本发明所述热解方法对设备要求简单，易于实现连续化、规模化的作业方式。
附图说明
17.图1为实施例1和对比例1中铁基催化剂与一次性医用口罩按照质量比1:1混合后的微波升温状况图；
18.图2为实施例1回收的多壁碳纳米管的sem和tem图。
具体实施方式
19.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
20.本发明提供了一种铁基催化剂，所述铁基催化剂中单质铁的含量为0～10wt％；所述铁基催化剂的载体为氧化铝。
21.本发明还提供了一种铁基催化剂的制备方法，以尿素为燃料，以硝酸铁溶液为铁源，以硝酸铝溶液为载体，经微波处理后再在含有还原性气体的惰性气氛下加热处理得到。
22.在本发明中，所述硝酸铁溶液的摩尔浓度优选为1～10mol
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，所述硝酸铁溶液优选为硝酸铁的水溶液；所述硝酸铝溶液的摩尔浓度优选为1～10mol
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，所述硝酸铝溶液优选为硝酸铝的水溶液；所述尿素溶液的摩尔浓度为0.25～2.5mol
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，所述尿素溶液优选为尿素的水溶液。
23.在本发明中，所述尿素、硝酸铁溶液、硝酸铝溶液的体积比优选为(1～2):(0.7～1.3):(0.7～1.3)，更优选为1:1:1。
24.在本发明中，所述所述微波处理功率优选为1900～2100w，更优选为2000w，处理时间优选为为8～12min，更优选为10min。
25.在本发明中，所述含有还原性气体的惰性气氛的流量优选为5～1000ccm，更优选
为100～500ccm；所述还原性气体浓度为5-50vol％；所述还原性气体包括氢气、一氧化碳；所述惰性气体包括氮气、氩气。
26.在本发明中，加热温度为300～650℃，加热时间为0.5～2h。
27.本发明还提供了一种一次性医用口罩微波热解的方法，将铁基催化剂与一次性医用口罩混合并置于微波热解体系中，开启微波至体系不再产生气体后，得到富氢气体和多壁碳纳米管。
28.在本发明中，所述一次性医用口罩先静置15天以上或者紫外杀毒后，破碎成0.1～20mm的碎片。
29.在本发明中，所述微波热解的功率优选为500～10000w，更优选为500～1500w；所述铁基催化剂与一次性医用口罩的质量比优选为(0.2～1):(1～2)。
30.在本发明中，所述铁基催化剂中铁从无定型结构或者低结晶的赤铁矿转化为低价的磁性铁或者金属铁，其中金属铁的含量在0-10wt％才能保证微波热解废弃沉积在催化剂上的碳主要以多壁碳纳米管为主，而气体主要以氢气(大于60vol％)为主。
31.为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
32.实施例1
33.(1)以1mol
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l-1
的硝酸铁的水溶液为铁源、1mol
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l-1
的硝酸铝的水溶液为载体，0.25mol
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l-1
的尿素为燃料，尿素、硝酸铁、硝酸铝的体积比为1:1:1，在2000w的微波条件下处理10min得到铁基催化剂，之后在100ccm的含有10vol％的氢气的氮气中，加热至500℃并保温1h来确保铁基催化剂中单质铁的含量在0-10wt％之间；
34.(2)将一次性医用口罩静置杀毒后，破碎成1～5mm的碎片，然后将破碎的一次性医用口罩和铁基催化剂按照1:1的质量比混合，置于1000w的微波热解体系中，体系快速升温至1000℃左右，持续至体系不在产生气体，得到热多壁碳纳米管和富氢气体。
35.对比例1
36.(1)以1mol
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l-1
的硝酸铁的水溶液为铁源、1mol
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l-1
的硝酸铝的水溶液为载体，0.25mol
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l-1
的尿素为燃料，尿素、硝酸铁、硝酸铝的体积比为1:1:1，在2000w的微波条件下处理10min得到铁基催化剂；
37.(2)将一次性医用口罩静置杀毒后，破碎成1～5mm的碎片，然后将破碎的一次性医用口罩和铁基催化剂按照1:1的质量比混合，置于1000w的微波热解体系中，体系仅升温至175℃左右，无法加热到一次性医用口罩的热解温度。
38.将实施例1与对比例1制备的铁基催化剂与一次性医用口罩混合后的微波升温状况如图1所示，与对比例1的铁基催化剂与一次性医用口罩的混合物在10min内仅升温至175℃相比，实施例1的催化剂在13min内快速升温至900℃左右，平均升温速率为59℃
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min-1
。经还原气氛保温处理的催化剂铁主要以四氧化三铁和金属铁的形式存在，其中金属铁的含量在0.34wt％。热解后的产物中不凝性气体与多壁碳纳米管的含量接近95％。此外。热解气中h2的含量超过60vol％，表明产生的气体主要是富氢气体。由图2可知，回收的多壁碳纳米管的sem和tem表明，残余碳主要为多壁碳纳米管。
39.实施例2
40.(1)以1mol
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的硝酸铁的水溶液为铁源、2mol
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的硝酸铝的水溶液为载体，
0.5mol
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的尿素为燃料，尿素、硝酸铁、硝酸铝的体积比为1:1:1，在，在2000w的微波条件下处理10min得到铁基催化剂，之后在200ccm的含有5vol％的氢气的氮气中，加热至650℃并保温1h来确保铁基催化剂中单质铁的含量在0-10wt％之间；
41.(2)将一次性医用口罩静置杀毒后，破碎成0.1～2mm的碎片，然后将破碎的一次性医用口罩和处理后的铁基催化剂按照2:1的质量比混合，置于1000w的微波热解体系中，反应体系快速升温至600℃左右，反应至体系不在产生气体，得到多壁碳纳米管和富氢气体。
42.实施例3
43.(1)以2mol
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l-1
的硝酸铁的水溶液为铁源、1mol
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l-1
的硝酸铝的水溶液为载体，0.25mol
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的尿素为燃料，尿素、硝酸铁、硝酸铝的体积比为1:1:1，在在2000w的微波条件下处理10min得到铁基催化剂，之后在1000ccm的含有20vol％的一氧化碳的氮气中，加热至500℃并保温1h来确保铁基催化剂中单质铁的含量在0-10wt％之间。
44.(2)将一次性医用口罩静置杀毒后，破碎成10～20mm的碎片，然后将破碎的一次性医用口罩和处理后的铁基催化剂按照1:1的质量比混合(fealox-800+m)，置于800w的微波热解体系中，10min内快速升温至1000℃左右，反应至体系不在产生气体，得到多壁碳纳米管和富氢气体。
45.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。