制备方法对废旧轮胎热解制备的炭材料性能的影响.pdf

收稿日期:基金项目:河南省科技攻关计划项目(项目编号:)作者简介:严智慧硕士生:.通信作者:杜家熙教授博士研究方向:机械系统化设计:.:./.制备方法对废旧轮胎热解制备的炭材料性能的影响严智慧徐贝贝刘恒辰冯宜鹏杜家熙(河南科技学院 机电学院河南 新乡)摘 要:采用 种不同方法对废旧轮胎热解制备炭材料即以废旧汽车轮胎粉碎物为原料分别运用直接制炭法、添加碱类一步制炭法和添加碱类二步制炭法来制备炭材料并对比研究了其性能 分析发现以碱类二步法制备的炭材料中 和 含量明显减少石墨晶格间距变大 检测发现以碱类二步法制备的炭材料中芳香环 键官能团和 键官能团得到了增强 电化学检测发现以碱类二步法制备的炭材料的导电性最佳阳极峰和阴极峰最大响应电流分别为 和 综合来看采用碱类二步法制炭的效果最佳可为废旧轮胎制备炭材料技术的开发奠定基础关键词:废旧轮胎炭材料官能团导电性中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:第 卷 第 期 年 月 湖 北 理 工 学 院 学 报 .引言截止到 年中国的汽车保有量约为.亿辆随之而来的废旧轮胎产量逐年攀升 废旧轮胎大量堆积不仅滋生细菌污染环境还侵占土地资源 但是废旧轮胎是一种放错位置的重要资源有着“黑色黄金”之称 废旧轮胎里有着 的炭黑经过提炼可以运用到石墨、活性炭、改性剂、电池等多种领域 发 达 国 家 的 废 旧 轮 胎 利 用 率 约 为 而 我 国 的 为 存 在 一 定 的 差距 废旧轮胎的传统利用方法主要是焚烧、生产胶粉、翻新、原型利用等 这些方法给环境和人类身体健康及安全带来了一些不利因素轮胎热解作为一种热处理技术是在氮气、氩气等惰性气氛下使废旧轮胎粉末受热裂解为固相、液相、气相产物的过程 其中由橡胶高分子生成的炭材料具备较高的使用价值可以重新用于轮胎的制造也可以通过活化改性制备活性炭用于化工、电池生产等领域 等将 废 旧 轮 胎 热 解 炭 材 料 同 在 温度下进行活化比表面积可达到 /与商用活性炭特性相当 等在 时用 活化热解炭材料发现 的活化效果要高于 和 目前关于对比直接制炭法、加碱一步制炭法和加碱两步制炭法对热解产物特性影响的研究相对较少 因此本文拟对这 种方法进行不同温度的对比研究试验部分.试验材料与试剂将废旧汽车轮胎粉碎后筛选 目内的碎粒烘干、备用 使用 试剂(天津市北辰方正试剂厂)进行活化处理载气为高纯氮(新乡市北普特种气体有限公司)其他试验用 材 料 包 括:氧 化 铝 砂 纸(、.、.)、无水乙醇、二甲基甲酰胺溶液、铁氰化钾电解液.试验设备试验用设备包括:电子天平(梅特勒 托利多仪器上海有限公式)真空管式高温烧结炉(型合肥科晶材料技术有限公司)电热鼓风干燥箱(型天津市泰斯特仪器有限公司)射线衍射仪(德 国)电 化 学 工 作 站(型上海陈华仪器有限公司).试验方法直接制备炭材料法:将筛选后的轮胎碎粒称量烘干取出 放入管式炉中载气通入管式炉中分别进行、的热解得到炭材料一步制备炭材料法:取出 烘干后的轮胎碎粒加入等量 活化剂进行热解温度同上得到炭材料二步制备炭材料法:取出 轮胎碎粒放入管式炉 预加热后取出加入等量 活化剂 温度同上 放入管式炉进行热解得到炭材料.试验安排采用 种不同方法在 种不同的温度下制备得到 组炭材料试验分组见表 表 试验分组组别直接制炭法一步制炭法二步制炭法 .产物测试分析方法采用傅里叶转换红外光谱仪分析炭材料中的官能团测试范围 压片法 采用 法分析炭材料的相组成扫描范围为 采用电化学工作站进行循环伏安测试电压范围为 .扫描速度为 /:清洗玻碳电极首先将玻碳电极在、.、.氧化铝粒径下进行抛光处理依次在去离子水、无水乙醇、去离子水中进行 超声烘干制备滴涂液取 烧制的炭材料溶解在 湖 北 理 工 学 院 学 报 年 的 溶液中超声 左右直至分散均匀取 溶液滴在电极上烘干将烘干后的电极放入含有./的./()/()电解池中连接在电化学工作站中进行实验结果与讨论.分析不同温度下 种方法制备的炭材 料 的 图谱如图 所示 从图 中可以看出相同温度不同方法制备的炭材料在 和 时都出现了较宽的衍射峰分别对应石墨的()晶面和()晶面 其中二步制炭法的晶面峰型更高说明石墨结构更多 在直接制备炭材料方法中样品在 、时都出现了 的衍射峰主要是由于轮胎热解炭中存在着、等 在加热过程中与 元素反应生成 随着 的加入 和 消失可以看到石墨的衍射峰值在逐渐向左移动说明石墨的晶格间距()/随着衍射角度减小而逐渐增大 在二步制备炭材料方法中炭材料的晶格间距达到最大 一步制炭法和二步制炭法制备的样品 图谱都比直接制炭法的光滑说明热解炭随着加碱活化和温度升高表面附着的灰分等杂质元素变少峰值较小更趋近平滑()()()()()图 不同温度下 种方法制备的炭材料的 图谱.不同制备方法 结果分析不同方法制备的炭材料的红外光谱如图 所示 从图 可以看出 种方法制备的炭材料都在 至 处出现了芳香环 官能团(骨架振动)在 处出现了 官能团(伸缩振动)在一步制炭法和二步制炭法中醇类和酚类的官能团以及取代芳香环的官能团 消失但是其芳香环 键以及 键得到了增强 在一步制炭法中样品中出现了较多的醇类、酚类 官能团(伸缩振动)(、)、醚类 官能团(伸缩振动)和(、)取代芳香环的 外延伸键第 期 严智慧徐贝贝刘恒辰等:制备方法对废旧轮胎热解制备的炭材料性能的影响 ()()()()()图 不同方法制备的炭材料的红外光谱.不同制备方法产物导电性分析不同方法制备的炭材料的 曲线和电流响应如图 所示 从图 可以看出当扫描速度从 /增到 /时 种制备方法获得的炭材料的 曲线整体相似响应电流值都增大()曲线()曲线()曲线()电流响应()电流响应()电流响应图 不同方法制备的炭材料的 曲线和电流响应 湖 北 理 工 学 院 学 报 年在直接制备炭材料方法中不同温度下的最大响应电流值相差不大最大响应电流出现在 阳极峰和阴极峰的最大响应电流分别为 和 在一步制备炭材料方法中样品在 时出现的最大响应电流为 和 在二步制备炭材料方法中当温度大于 时样品的最大响应电流逐渐增大到 时达到最大值为 和 相比而言二步制炭法的响应值电流值普遍要大且呈现逐渐增大的规律性 造成这方面的主要原因是碳材料具有良好的导电性碳材料通过预加热后使表面杂质减少改善了内部空隙结构此时能够更好地引入含氧官能团 加入 活化剂后能够使金属离子进入碳骨架中离子的通道变多使得在电化学试验中阳极峰和阴极峰的感应电流要大于一步法和不加碱制备法从而导电性能表现得更加优秀结论)二步制备法得到的炭材料具有较大的晶格间距通过 高温活化能够去除石墨中、等杂质能够得到相对纯净的炭材料)二步法制备的炭材料有较多的芳香环(骨架振动)官能团和(伸缩振动峰)直接制备法制备的炭材料中含有较多的醇类、酚类(伸缩振动)、醚类(伸缩振动)官能团)二步法制备的炭材料的导电性能最好且当温度大于 时随着温度升高其电流有增大的趋势当温度达到 时响应电流最大值为 参 考 文 献 .():.强金凤黎广李涛等.废旧橡胶回收再利用方法概述.橡胶科技():.平丹黄思光张冠铭等.废旧轮胎热解炭资源利用研究进展.轻工学报():.:.:.():.:.:.李权高云智温慧颖.热解废旧轮胎制备硬碳在钠离子电池中的应用.化工新型材料():.罗琴琴孙玉林.基磷酸铝盐的制备及其阻燃环氧树脂的性能研究.高分子通报():.姚忠樱邱勇杨喜生等.基于磷杂菲基因阻燃环氧树脂的研究进展.中国塑料():.王梦雅.废轮胎胎面和胎侧热解碳特性探究.大连:大连理工大学.代镜涛.棉秆基生物炭的制备及导电性能研究.阿拉尔:塔里木大学.季炫宇林伟坚周雄等.废轮胎热裂解技术研究现状与进展.化工进展():.袁家睿李建波龙潇飞等.废轮胎热解半焦的单颗粒燃烧特性实验研究.燃烧科学与技术 ():.王婷婷谢辉英吴茶水等.废旧轮胎热裂解油复合脱氮剂的研究.精细石油化工():.殷志童吕洪炳张东明等.废轮胎热解富芳烃油燃烧温度与烟气污染物排放特性.环境工程():.(责任编辑 张银凤)第 期 严智慧徐贝贝刘恒辰等:制备方法对废旧轮胎热解制备的炭材料性能的影响