一种利用废弃口罩催化热解制备富含芳烃热解油的方法

技术领域

本发明涉及废物处理及资源化利用技术领域，尤其涉及一种利用废弃口罩催化热解制备富含芳烃热解油的方法。

背景技术

一次性口罩是最常见的个人防护用品之一，为了防止病毒在人与人之间传播，一次性口罩的需求和废弃量激增，被丢弃的口罩可能存在病毒传染风险，传统的焚烧和掩埋等措施会占用土地资源，排放有毒有害气体，且无法对废弃一次性口罩进行资源化利用，在污染环境的同时造成资源的浪费。因此，开发一种利用废弃口罩催化热解制备富含芳烃热解油的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用废弃口罩催化热解制备富含芳烃热解油的方法，以解决现有技术废弃口罩无法资源化利用的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种利用废弃口罩催化热解制备富含芳烃热解油的方法，包括以下步骤：将废弃口罩与催化剂混合，在保护气氛中进行催化热解反应，即可得到富烃燃油；所述催化剂为金属负载HZSM-5分子筛催化剂。

进一步的，所述金属负载HZSM-5分子筛催化剂中的金属为镓、锌、镍、铁或铜中的一种和几种，其中金属的负载量为1～20wt％。

进一步的，所述金属负载HZSM-5分子筛催化剂的制备方法包括以下步骤：将HZSM-5分子筛浸渍于金属盐溶液中，之后顺次进行干燥和焙烧处理，即可制得金属负载HZSM-5分子筛催化剂。

进一步的，所述金属盐溶液由金属盐和水配制而成，其中金属盐和水的固液比为3～12g:160～240mL；所述金属盐为硝酸镓、硝酸锌、硝酸镍、硝酸铁和硝酸铜中的一种或几种。

进一步的，所述浸渍的温度为60～85℃，浸渍的时间为4～6h。

进一步的，所述干燥的温度为100～120℃，干燥的时间为12～24h。

进一步的，焙烧处理的温度为500～600℃，焙烧处理的时间为4～8h。

进一步的，所述废弃口罩与催化剂的质量比为1～10:1。

进一步的，所述保护气氛为氮气或氩气，所述保护气氛的流量为100～400mL/min。

进一步的，所述催化热解反应的温度为500～700℃，时间为5～30min。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的一种利用废弃口罩催化热解制备富含芳烃热解油的方法，制得的富烃燃油中单环芳烃含量高，便于后续分离提纯。制备过程中使用的金属负载HZSM-5分子筛催化剂失活情况得到改善，可以重复使用。

(2)本发明提供的一种利用废弃口罩催化热解制备富含芳烃热解油的方法能够将废弃的一次性口罩转化为富烃燃油，实现了废弃一次性口罩的资源化利用，生产工艺简单，生产过程清洁，反应器温度能够充分消灭病毒，防止产生二次污染。

具体实施方式

本发明提供了一种利用废弃口罩催化热解制备富含芳烃热解油的方法，包括以下步骤：将废弃口罩与催化剂混合，在保护气氛中进行催化热解反应，即可得到富烃燃油；所述催化剂为金属负载HZSM-5分子筛催化剂。

在本发明中，所述金属负载HZSM-5分子筛催化剂中的金属为镓、锌、镍、铁和铜中的一种或几种，优选为镓、镍和铜中的一种或几种，进一步优选镓和/或镍；其中金属的负载量为1～20wt％，优选为5～15wt％，进一步优选为10wt％。

在本发明中，所述金属负载HZSM-5分子筛催化剂的制备方法包括以下步骤：将HZSM-5分子筛浸渍于金属盐溶液中，之后顺次进行干燥和焙烧处理，即可制得金属负载HZSM-5分子筛催化剂。

在本发明中，所述HZSM-5分子筛在浸渍前优选在马弗炉中进行焙烧处理，焙烧温度为550℃，焙烧时间为2h。

在本发明中，所述金属盐溶液由金属盐和水配制而成，其中金属盐和水的固液比为3～12g:160～240mL，优选为4～11g:180～220mL，进一步优选为11g:200mL；所述金属盐为硝酸镓、硝酸锌、硝酸镍、硝酸铁和硝酸铜中的一种或几种，优选为硝酸镓、硝酸镍或硝酸铜中的一种或几种，进一步优选为硝酸镓和/或硝酸镍。

在本发明中，所述浸渍的温度为60～85℃，优选为65～80℃，进一步优选为70～75℃；浸渍的时间为4～6h，优选为4.5～5.5h，进一步优选为5h。

在本发明中，所述干燥的温度为100～120℃，优选为105～115℃，进一步优选为110℃；干燥的时间为12～24h，优选为14～22h，进一步优选为16～20h。

在本发明中，焙烧处理的温度为500～600℃，优选为550℃；焙烧处理的时间为4～8h，优选为4.5～7.5h，进一步优选为5～7h。

在本发明中，所述废弃口罩与催化剂的质量比为1～10:1，优选为3～8:1，进一步优选为5:1。

在本发明中，所述保护气氛为氮气或氩气，优选为氮气；所述保护气氛的流量为100～400mL/min，优选为150～350mL/min，进一步优选为200～300mL/min。

在本发明中，所述催化热解反应的温度为500～700℃，优选为550～650℃，进一步优选为600℃；时间为5～30min，优选为10～25min，进一步优选为15～20min。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将7.32g硝酸镓溶于200mL去离子水中，得到硝酸镓溶液，再取20g焙烧处理的HZSM-5分子筛浸渍于硝酸镓溶液，浸渍的温度为60℃，浸渍4h后，浸渍完成后在100℃条件下干燥16h，最后在550℃的条件下焙烧6h，制得10wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂。

取1g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g 10wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为100mL/min，反应的温度为550℃，反应15min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。液相产物经过GCMS检测得到的产物分布结果如表1所示。

实施例2

将9.12g硝酸锌溶于200mL去离子水中，得到硝酸锌溶液，再取20g焙烧处理的HZSM-5分子筛浸渍于硝酸锌溶液，浸渍的温度为85℃，浸渍6h后，浸渍完成后在120℃条件下干燥12h，最后在600℃的条件下焙烧4h，制得10wt％锌负载HZSM-5分子筛催化剂。

取1g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g 10wt％锌负载HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为100mL/min，反应的温度为550℃，反应15min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。液相产物经过GCMS检测得到的产物分布结果如表1所示。

实施例3

将9.86g硝酸镍溶于200mL去离子水中，得到硝酸镍溶液，再取20g焙烧处理的HZSM-5分子筛浸渍于硝酸镍溶液，浸渍的温度为70℃，浸渍5h后，浸渍完成后在110℃条件下干燥20h，最后在500℃的条件下焙烧5h，制得10wt％镍负载HZSM-5分子筛催化剂。

取1g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g 10wt％镍负载HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为100mL/min，反应的温度为550℃，反应15min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。液相产物经过GCMS检测得到的产物分布结果如表1所示。

实施例4

将8.64g硝酸铁溶于200mL去离子水中，得到硝酸铁溶液，再取20g焙烧处理的HZSM-5分子筛浸渍于硝酸铁溶液，浸渍的温度为65℃，浸渍4h后，浸渍完成后在105℃条件下干燥24h，最后在550℃的条件下焙烧6h，制得10wt％铁负载HZSM-5分子筛催化剂。

取1g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g 10wt％铁负载HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为100mL/min，反应的温度为550℃，反应15min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。液相产物经过GCMS检测得到的产物分布结果如表1所示。

实施例5

将5.875g硝酸铜溶于200mL去离子水中，得到硝酸铜溶液，再取20g焙烧处理的HZSM-5分子筛浸渍于硝酸铜溶液，浸渍的温度为80℃，浸渍4h后，浸渍完成后在115℃条件下干燥18h，最后在550℃的条件下焙烧6h，制得10wt％铜负载HZSM-5分子筛催化剂。

取1g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g 10wt％铜负载HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为100mL/min，，反应的温度为550℃，反应15min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。液相产物经过GCMS检测得到的产物分布结果如表1所示。

实施例6

将3.66g硝酸镓溶于200mL去离子水中，得到硝酸镓溶液，再取20g焙烧处理的HZSM-5分子筛浸渍于硝酸镓溶液，浸渍的温度为60℃，浸渍4h后，浸渍完成后在100℃条件下干燥16h，最后在550℃的条件下焙烧6h，制得5wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂。

取1g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g 5wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为100mL/min，，反应的温度为550℃，反应15min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。液相产物经过GCMS检测得到的产物分布结果如表1所示。

实施例7

将10.98g硝酸镓溶于200mL去离子水中，得到硝酸镓溶液，再取20g焙烧处理的HZSM-5分子筛浸渍于硝酸镓溶液，浸渍的温度为60℃，浸渍4h后，浸渍完成后在100℃条件下干燥16h，最后在550℃的条件下焙烧6h，制得15wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂。

取1g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g 15wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为100mL/min，，反应的温度为550℃，反应15min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。液相产物经过GCMS检测得到的产物分布结果如表1所示。

实施例8

将7.32g硝酸镓溶于250mL去离子水中，得到硝酸镓溶液，再取20g焙烧处理的HZSM-5分子筛浸渍于硝酸镓溶液，浸渍的温度为60℃，浸渍4h后，浸渍完成后在100℃条件下干燥16h，最后在550℃的条件下焙烧6h，制得10wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂。

取10g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g 10wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为250mL/min，反应的温度为700℃，反应5min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。

实施例9

将7.32g硝酸镓溶于150mL去离子水中，得到硝酸镓溶液，再取20g焙烧处理的HZSM-5分子筛浸渍于硝酸镓溶液，浸渍的温度为60℃，浸渍4h后，浸渍完成后在100℃条件下干燥16h，最后在550℃的条件下焙烧6h，制得10wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂。

取5g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g 15wt％镓负载HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为400mL/min，反应的温度为500℃，反应30min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。

对比例1

取1g破碎后的废弃口罩放在固定床中，再加入1g HZSM-5分子筛催化剂，混合均匀后，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为100mL/min，反应的温度为550℃，反应15min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。液相产物经过GCMS检测得到的产物分布结果如表1所示。

对比例2

取1g破碎后的废弃口罩放在固定床中，在氮气保护气氛中进行催化热解反应，氮气的流量为100mL/min，反应的温度为550℃，反应15min，将热解反应产物经气液固分离得到液相产物、气体和少量热解炭，液相产物即为富烃燃油。液相产物经过GCMS检测得到的产物分布结果如表1所示。

表1实施例1～7和对比例1～2所得富烃燃油中产物分布结果

从表1可以看出，对比例2在不使用任何催化剂的情况下，废弃口罩经热解反应得到的液相产物中不含有单环芳烃，对比例1使用了HZSM-5分子筛催化剂，液相产物中产生了52.71％的单环芳烃，这是由于HZSM-5分子筛能够促进长链烃的二次裂解，并且在HZSM-5分子筛中存在酸性位点，在酸性位点的作用下，热解产生的烃类化合物通过异构、环化，进一步脱氢形成了单环芳烃。实施例1～7对HZSM-5分子筛催化剂进行了改性，实施例1～5分别将不同种类的金属负载在HZSM-5分子筛上，发现负载镓的HZSM-5分子筛催化剂对单环芳烃的选择性最高，能够达到70％。实施例6～7，采用不同负载量的Ga对HZSM-5分子筛进行改性，随着负载量增加，热解油单环芳烃的含量增加，最高可达74.55％，因此，可通过15wt％的Ga负载HZSM-5分子筛对废弃口罩进行催化热解以制备富含芳烃的热解油。另外，镍、铁或铜负载的HZSM-5分子筛催化剂在一定程度上也能够提高单环芳烃的选择性。

由以上实施例可知，本发明提供了一种利用废弃口罩催化热解制备富含芳烃热解油的方法，将废弃口罩与金属负载HZSM-5分子筛催化剂混合，在保护气氛中进行催化热解反应，即可得到富烃燃油。本发明在制备过程中使用的金属负载HZSM-5分子筛催化剂能够提高对单环芳烃的选择性，实现了废弃一次性口罩的资源化利用，生产工艺简单，生产过程清洁，反应器温度能够充分消灭病毒，防止产生二次污染。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。