[发明专利]一种利用低温等离子技术协同处理有机废液和制备石墨烯的装置及方法

说明书

本发明公开了一种利用低温等离子技术协同处理有机废液和制备石墨烯的装置及方法，该装置包括混气箱、注射泵、注射器、气液三通阀、石英管、射频等离子发生源系统、加热系统、石英舟和真空抽气泵；混气箱与气液三通阀通过管路连通，且在管路上设置入口气压计；注射器与注射泵连接；注射器的出口通过密封胶管与气液三通阀连通；注射器的出口处还设置注射器锁紧阀；石英管的入口与气液三通阀连通，石英管外置有射频等离子发生源系统和加热系统，石英管的反应段放置帆状泡沫镍基底，石英管的出口与真空抽气泵通过管路连通，且在管路上设置出口气压计。本发明具有工艺简单、处置效率高、适用范围广、可调性灵活、产物价值高等特点。

技术领域

本发明属于液态有机废物的无害化处置和资源化利用等技术领域，尤其涉及一种采用电感耦合(射频)等离子技术处置焦油模化物并制备得到高附加值碳材料(垂直石墨烯)的技术方法。

背景技术

随着我国工业和经济的发展，城市基础建设和居民生活水平有了显著的提高，随之而来产生了大量的生活垃圾，其占用土地、污染环境的状况以及对人们健康的影响也越加凸显。热处理是目前常用的生活垃圾处理方式之一，可分为直接焚烧和热解气化。在高温条件下对废弃物进行分解，实现快速、显著地减容，并对其中的有用成分加以充分利用。垃圾气化是将垃圾置于O₂不足的条件下，进行不完全燃烧，以产生气化气为主要目的过程；此过程产物单一，投资较低，既保证了良好的环保效果，又将废物中的有机成分转化为气化气。目前，欧美、日本等发达国家均在致力于开发面向未来的垃圾气化技术，试图使垃圾热处置过程中的包含焦油组分等二次污染物排放降至最低，因此，气化技术作为焚烧的替代技术，实现生活垃圾能源化清洁利用的前景广阔，被认为是下一代城市生活垃圾处理的主流技术。

生活垃圾气化所产生的气体成分主要包括CO、H₂、CO₂、CH₄等，而焦油是气化过程中不可避免的副产物。焦油是一种高芳香度的碳氢化合物的复杂混合物，绝大部分为带侧链或不带侧链的多环、稠环化合物和含氧、硫、氮的杂环化合物，并含有少量脂肪烃、环烷烃和不饱和烃。焦油在高温下可以发生裂解，与气化气一起呈气体状态，但在低于200℃的情况下就开始凝结为液体，成为黑色粘稠油状物，严重影响气化设备系统稳定和安全运行，造成能量浪费，降低气化效率。而且焦油成分中的多环芳烃在净化及燃烧时产生的二次污染物也会对环境及人类健康构成严重危害。

考虑到焦油的复杂组分和高温气化特性，其处理和分离比较困难。目前处理生物质焦油的方法主要分为物理方法和热化学方法。物理方法包括水洗法、过滤法和机械法，也有较复杂的静电法。其主要是将焦油组分从产品气中去除，但是这并不能将焦油本身加以利用，且会造成一定程度的二次污染。热化学方法包括热裂解和催化裂解。在一定的反应条件下，以焦油本身为碳源，制备合成高附加值的碳材料。其中，热裂解需要提供较高的环境温度，能量耗散造成该方法经济性的下降；而催化裂解则面临着催化剂稳定性差、易失活等问题。因此寻找一种既能利用焦油本身能量、不产生二次污染，又能实现低成本高效处理的方法是当前实现焦油绿色处置的关键。

等离子技术正是一种极具应用前景的新兴技术。由于其具有化学反应活性高、设备结构简单、启停迅速等优点，等离子技术目前已经被广泛的应用到材料制备、辅助燃烧、能源转化等领域。通过其内部高能电子、激发态分子(原子)、自由基、离子等活性成分间的反应，等离子体能快速将焦油组分分子裂解成氢气和碳材料等产物，且无需催化剂。此外，丰富的放电形式和便捷的调节手段，也为焦油高效裂解和产物定向制备提供了基础。

而采用等离子催化裂解方法制备得到的纳米碳材料，在特定条件下，可以得到石墨烯、纳米碳管等高品质碳。尤其是通过等离子协同处理的气相沉积法得到石墨烯片层，由于其具有高度柔性、导热导电、光学等特性，在许多工程领域是一种值得期待的替代材料。