CN115677716A - 一种棉花加工废弃物高值化利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于废弃物资源化利用领域,具体涉及一种棉花加工废弃物高值化利用的方法。该方法以磷酸和[Emim]BF4预处理的棉花加工废弃物为原料,通过与催化剂混合,在惰性无氧环境下于320~550℃进行快速催化热解,热解气冷凝后可获得富含1‑羟基‑3,6‑二氧二环[3.2.1]辛‑2‑酮的液体产物。热解产生的固体焦炭可作为炭源,在惰性氛围中于700~900℃高温活化制备杂原子掺杂的活性炭。通过对棉花加工废弃物预处理,可以选择性制备高附加值化学品,且预处理过程中掺杂的杂原子可以大幅提升活性炭的电化学性能,可用于制备超级电容材料。本发明是一种棉花加工废弃物回收利用经济而有效的方法。
Description
技术领域
本发明属于废弃物资源化利用领域,具体涉及一种棉花加工废弃物高值化利用的方法。
背景技术
棉花在纺织行业中是一种非常重要的原料,在棉花加工和棉纱生产过程中会产生清车肚废棉、梳车肚废棉、青弹棉、清滤尘废棉和棉短绒等大量具有可回收利用价值的废弃物,目前主要用于生产再生棉。然而,再生棉纤维长度短、张力低、毛羽多、整体品质较差,无法用于生产生活用品,导致经济效益不佳、大量棉纤维难以高效利用。
棉花加工废弃物中棉纤维含量可达90%以上,且纤维长度远高于工业提取后的纤维素,在催化热解选择性制备高附加值脱水糖方面极具潜力。1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮是一种典型的脱水糖平台化合物,具有一个内酯、一个羟基、一个四氢呋喃环和两个手性中心,其独特的化学结构可用于合成糖类、肽类和毒蝇碱类药物,在治疗特殊重大疾病中具有十分重要的应用价值。然而,由于棉花分拣、清洗成本较高,使得原棉中存在的草屑、棉壳、虫屎、泥沙等杂质会全部聚集到加工产生的废弃棉花中。这些物质在热解过程中会导致副反应发生,从而改变纤维素的热解路径,影响1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的生成。本人在先前的中国专利申请CN202210670790.9公开了一种废纸张高值化利用的方法,通过对废纸张进行乙醇-冰乙酸-Amberlyst-15联合预处理以去除碳酸钙等造纸添加剂,从而促进废纸张中的纤维素向脱水糖的转化。但对于棉花加工废弃物,其含有的草屑、棉壳等木质纤维素类杂质和虫屎、泥沙等难以溶解的杂质利用乙醇-冰乙酸-Amberlyst-15预处理无法实现有效的去除,从而难以将棉花加工废弃物中的杂质去除。同时,棉纤维的结晶度较高而可及度较低,这不利于向脱水糖的转化,而乙醇-冰乙酸-Amberlyst-15预处理也不能有效的改变棉纤维的结构,这导致对废纸张行之有效的预处理手段无法适用于棉花加工废弃物。
此外,中国专利申请CN202011391885.4公开了利用微晶纤维素催化热解实现了1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的选择性制备,但是由于微晶纤维素的纤维长度较短,导致其热解产生的固体炭品质较低,无法实现二次回收利用。对于棉花加工废弃物,虽然纤维长度远高于微晶纤维素,但是其中的杂质经高温分解的产物会进入热解生成的固体产物中,一方面影响热解炭的成分,另一方面可以进入到热解炭的孔道中造成堵塞,从而降低热解炭的性能,也无法实现二次回收利用。
因此,开发一种高效的棉花加工废弃物预处理工艺,即可以将棉花加工废弃物中的杂质去除,又可以优化棉纤维的结构以实现废弃棉花催化热解选择性制备1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮,还能够提升固体炭的理化性能,是实现棉花加工废弃物高值化利用的关键所在。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种棉花加工废弃物高值化利用的方法。
本发明提供了一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,该方法包括:
(1)以棉花加工废弃物为原料,依次经磷酸和[Emim]BF4预处理后,过滤;过滤后的滤液加入去离子水中搅拌后,过滤;将过滤后的固体再用去离子水洗涤至中性,并干燥;
(2)将干燥后的固体(即预处理后的棉花加工废弃物)与催化剂按照质量比为(3∶1)~(1∶6)进行机械混合,在无氧条件下于320~550℃进行快速热解,热解反应时间不超过30s;
热解产生的挥发性组分经冷凝后得到富含1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的液体产物,热解得到的固体产物在N2氛围下升温至700~900℃进行高温活化,待冷却至室温后用去离子水洗涤至中性,干燥后可得能够制备超级电容材料的活性炭。
步骤(1)中,优选的,所述棉花加工废弃物包括清车肚废棉、梳车肚废棉、青弹棉、清滤尘废棉和棉短绒中的至少一种。
优选的,所述磷酸预处理是指将棉花加工废弃物按照固液比为(1∶30)~(1∶50)(g/mL)浸渍于磷酸溶液中,并于30~70℃搅拌2~5h,随后过滤。
更优选的,所述磷酸溶液为磷酸的水溶液,所述溶液的浓度为10~30%。
优选的,所述[Emim]BF4预处理是指将磷酸预处理后的棉花加工废弃物按照固液比为(1∶30)~(1∶50)(g/mL)浸渍于[Emim]BF4溶液中,并于50~90℃搅拌1~3h,随后过滤。
优选的,所述过滤后的滤液加入去离子水中是指将[Emim]BF4预处理后的滤液按照质量比为(1∶20)~(1∶40)加入去离子水中,并于30~50℃搅拌0.5~2.5h,随后过滤。
更优选的,所述去离子水洗涤温度为40~80℃。
步骤(1)中,所述固液比是指原始棉花加工废弃物的质量与相应处理溶液的体积比,处理溶液具体指磷酸预处理时采用的磷酸溶液、[Emim]BF4预处理时的[Emim]BF4溶液。所述[Emim]BF4(CAS 143314-16-3)是一种酸性催化剂,属于离子液体,可通过商购获得,例如购自麦克林试剂。
步骤(2)中,优选的,所述催化剂包括锌铝复合金属氧化物或镁改性氮化HZSM-5分子筛等。所述惰性无氧条件是指维持反应体系在惰性保护气体无氧环境下。
优选的,所述热解反应的升温速率不低于100℃/s。
优选的,所述固体产物高温活化的升温速率为5~15℃/min。
优选的,所述去离子水洗涤温度为40~80℃。
优选的,所述干燥温度为100~110℃,干燥时间为12~24h。
本发明的有益效果为:
本发明利用磷酸和[Emim]BF4对棉花加工废弃物进行联合预处理,并采用酸性催化剂辅助快速热解,实现了棉花加工废弃物选择性制备1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮;同时,热解所得固体炭通过高温活化可得能够制备超级电容材料的活性炭。目前,棉花加工废弃物回收利用需要进行繁复的分拣,不仅对于设备的要求较高,而且导致再生棉的成本显著增加。本发明所采用的预处理技术,首先通过磷酸预处理溶解去除棉花加工废弃物中的杂质,再将磷酸预处理后的棉花加工废弃物与[Emim]BF4溶液混合,而棉纤维在[Emim]BF4中可以完全溶解,使无法溶于磷酸的杂质与棉纤维彻底分离,经过筛可去除大部分的杂质,然后在[Emim]BF4预处理的滤液中加入去离子水使溶解的棉纤维再生,进而全面去除棉花加工废弃物中的杂质。这不仅解决了乙醇-冰乙酸-Amberlyst-15预处理无法去除棉花加工废弃物中杂质的难题,还使预处理的成本大幅降低;而且,溶解再生后的棉纤维具有更高的比表面积和可及度,且纤维素结构更加松散,这对于热解过程中的解聚和脱水反应的发生是非常有利的,从而可以大幅促进1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的生成。同时,在预处理过程中,溶解再生的棉纤维会生成含磷、含氮基团,使得热解产生的固体产物会掺杂P、N原子,有利于增加炭材料的赝电容,显著提高其电容性能,经高温活化后就可以获得能够制备超级电容材料的活性炭。
总之,本发明通过利用磷酸和[Emim]BF4对棉花加工废弃物进行联合预处理,不仅降低了预处理的成本,获得了高品质的棉纤维,有利于棉花加工废弃物向1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的转化,而且能够大幅提升热解炭的理化特性。此外,本发明的方法适用于包括清车肚废棉、梳车肚废棉、青弹棉、清滤尘废棉和棉短绒中等在内的多种棉花加工废弃物,原料适应性强,可以实现不同种类棉花加工废弃物的高效回收利用。
具体实施方式
本发明提供了一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
下述实施例中液体产物产率计算方法如下:
液体产物产率=(收集得到的液体产物质量÷预处理后棉花加工废弃物的质量)×100%。
下述实施例中通过气相色谱/质谱联用仪分析液体产物中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,利用外标法定量,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮产率与选择性的计算方法如下:
1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率=(1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的质量÷预处理后棉花加工废弃物的质量)×100%;
1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的选择性=(1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的质量÷有机液体产物的质量)×100%,有机液体产物是指液体产物中扣除水分之外的有机物。
下述实施例中的百分含量如无特殊说明均为质量百分含量。
实施例1
取5g清车肚废棉放入150mL浓度为10%的磷酸溶液中,于30℃搅拌2h,然后过滤;将滤饼转移至150mL[Emim]BF4溶液中,于60℃搅拌2h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1000mL去离子水中,于30℃搅拌0.5h,然后过滤;将过滤后的固体用40℃的去离子水洗涤至中性,最后于100℃干燥12h,获得预处理后的清车肚废棉。
取1g上述预处理后的清车肚废棉与0.33g锌铝复合金属氧化物进行机械混合,并在320℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为26.37%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为3.13%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为36.49%。热解所得固体炭在N2氛围下于5℃/min升温至700℃活化1h,待冷却至室温后用30℃的去离子水洗涤至中性,最后于100℃干燥12h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6molmol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为118.7F/g。
实施例2
取5g梳车肚废棉放入200mL浓度为15%的磷酸溶液中,于60℃搅拌4h,然后过滤;将滤饼转移至180mL[Emim]BF4溶液中,于50℃搅拌3h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1300mL去离子水中,于40℃搅拌2h,然后过滤;将过滤后的固体用70℃的去离子水洗涤至中性,最后于105℃干燥15h,获得预处理后的梳车肚废棉。
取1g上述预处理后的梳车肚废棉与0.5g锌铝复合金属氧化物进行机械混合,并在450℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为50.27%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为3.61%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为20.77%。热解所得固体炭在N2氛围下于7℃/min升温至750℃活化2h,待冷却至室温后用70℃的去离子水洗涤至中性,最后于105℃干燥15h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为113.4F/g。
实施例3
取2g青弹棉和3g清车肚废棉放入200mL浓度为30%的磷酸溶液中,于50℃搅拌5h,然后过滤;将滤饼转移至230mL[Emim]BF4溶液中,于90℃搅拌5h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1500mL去离子水中,于45℃搅拌1.5h,然后过滤;将过滤后的固体用50℃的去离子水洗涤至中性,最后于105℃干燥24h,获得预处理后的废棉。
取1g上述预处理后的废棉与4g镁改性氮化HZSM-5分子筛(Mg/N-HZSM-5)进行机械混合,并在350℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为44.68%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为9.52%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为41.28%。热解所得固体炭在N2氛围下于10℃/min升温至900℃活化2.5h,待冷却至室温后用50℃的去离子水洗涤至中性,最后于110℃干燥24h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为101.8F/g。
实施例4
取4g清滤尘废棉和1g梳车肚废棉放入250mL浓度为20%的磷酸溶液中,于30℃搅拌4h,然后过滤;将滤饼转移至250mL[Emim]BF4溶液中,于50℃搅拌3h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入2000mL去离子水中,于40℃搅拌1.5h,然后过滤;将过滤后的固体用60℃的去离子水洗涤至中性,最后于100℃干燥18h,获得预处理后的废棉。
取1g上述预处理后的废棉与6g镁改性氮化HZSM-5分子筛(Mg/N-HZSM-5)进行机械混合,并在400℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为44.49%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为6.21%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为31.95%。热解所得固体炭在N2氛围下于15℃/min升温至800℃活化1.5h,待冷却至室温后用80℃的去离子水洗涤至中性,最后于110℃干燥12h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为73.7F/g。
实施例5
取5g棉短绒放入230mL浓度为15%的磷酸溶液中,于70℃搅拌3h,然后过滤;将滤饼转移至200mL[Emim]BF4溶液中,于70℃搅拌4h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1800mL去离子水中,于35℃搅拌2.5h,然后过滤;将过滤后的固体用40℃的去离子水洗涤至中性,最后于105℃干燥24h,获得预处理后的棉短绒。
取1g上述预处理后的棉短绒与3g锌铝复合金属氧化物进行机械混合,并在320℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为41.99%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为6.72%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为31.29%。热解所得固体炭在N2氛围下于12℃/min升温至850℃活化1h,待冷却至室温后用40℃的去离子水洗涤至中性,最后于110℃干燥24h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为95.3F/g。
实施例6
取3g青弹棉和2g清车肚废棉放入180mL浓度为20%的磷酸溶液中,于60℃搅拌3h,然后过滤;将滤饼转移至180mL[Emim]BF4溶液中,于80℃搅拌3h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1500mL去离子水中,于50℃搅拌2h,然后过滤;将过滤后的固体用80℃的去离子水洗涤至中性,最后于110℃干燥21h,获得预处理后的废棉。
取1g上述预处理后的废棉与1g镁改性氮化HZSM-5分子筛(Mg/N-HZSM-5)进行机械混合,并在550℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为41.43%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为2.62%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为15.87%。热解所得固体炭在N2氛围下于15℃/min升温至900℃活化3h,待冷却至室温后用60℃的去离子水洗涤至中性,最后于110℃干燥21h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为68.5F/g。
实施例7
取5g青弹棉放入230mL浓度为25%的磷酸溶液中,于60℃搅拌4h,然2后过滤;将滤饼转移至250mL[Emim]BF4溶液中,于60℃搅拌2h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1000mL去离子水中,于30℃搅拌0.5h,然后过滤;将过滤后的固体用70℃的去离子水洗涤至中性,最后于105℃干燥18h,获得预处理后的青弹棉。
取1g上述预处理后的青弹棉与5g锌铝复合金属氧化物进行机械混合,并在350℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为41.27%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为4.86%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为28.77%。热解所得固体炭在N2氛围下于7℃/min升温至800℃活化1.5h,待冷却至室温后用70℃的去离子水洗涤至中性,最后于105℃干燥18h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为126.2F/g。
实施例8
取1g梳车肚废棉和4g棉短绒放入250mL浓度为30%的磷酸溶液中,于40℃搅拌5h,然后过滤;将滤饼转移至230mL[Emim]BF4溶液中,于70℃搅拌5h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入2000mL去离子水中,于45℃搅拌1h,然后过滤;将过滤后的固体用70℃的去离子水洗涤至中性,最后于100℃干燥24h,获得预处理后的废棉。
取1g上述预处理后的废棉与2g镁改性氮化HZSM-5分子筛(Mg/N-HZSM-5)进行机械混合,并在450℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为48.03%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为4.63%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为22.31%。热解所得固体炭在N2氛围下于5℃/min升温至900℃活化2.5h,待冷却至室温后用60℃的去离子水洗涤至中性,最后于110℃干燥15h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为148.9F/g。
实施例9
取1g梳车肚废棉、2g清滤尘废棉和2g棉短绒放入200mL浓度为25%的磷酸溶液中,于70℃搅拌2h,然后过滤;将滤饼转移至200mL[Emim]BF4溶液中,于50℃搅拌2h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1800mL去离子水中,于35℃搅拌2.5h,然后过滤;将过滤后的固体用80℃的去离子水洗涤至中性,最后于105℃干燥15h,获得预处理后的废棉。
取1g上述预处理后的废棉与2g锌铝复合金属氧化物进行机械混合,并在400℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为50.52%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为8.36%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为37.79%。热解所得固体炭在N2氛围下于10℃/min升温至700℃活化3h,待冷却至室温后用80℃的去离子水洗涤至中性,最后于105℃干燥21h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为86.6F/g。
实施例10
取1g清车肚废棉、1g青弹棉和3g棉短绒放入250mL浓度为10%的磷酸溶液中,于50℃搅拌4h,然后过滤;将滤饼转移至150mL[Emim]BF4溶液中,于80℃搅拌4h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1000mL去离子水中,于50℃搅拌1h,然后过滤;将过滤后的固体用40℃的去离子水洗涤至中性,最后于105℃干燥18h,获得预处理后的废棉。
取1g上述预处理后的废棉与4g镁改性氮化HZSM-5分子筛(Mg/N-HZSM-5)进行机械混合,并在350℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为48.35%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为7.67%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为36.49%。热解所得固体炭在N2氛围下于5℃/min升温至850℃活化3h,待冷却至室温后用50℃的去离子水洗涤至中性,最后于110℃干燥24h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为130.6F/g。
实施例11
取1g梳车肚废棉、3g清滤尘废棉和1g棉短绒放入180mL浓度为20%的磷酸溶液中,于60℃搅拌3h,然后过滤;将滤饼转移至180mL[Emim]BF4溶液中,于60℃搅拌3h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1500mL去离子水中,于45℃搅拌2h,然后过滤;将过滤后的固体用60℃的去离子水洗涤至中性,最后于100℃干燥21h,获得预处理后的废棉。
取1g上述预处理后的废棉与1g镁改性氮化HZSM-5分子筛(Mg/N-HZSM-5)进行机械混合,并在400℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为30.26%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为2.95%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为25.95%。热解所得固体炭在N2氛围下于12℃/min升温至700℃活化2.5h,待冷却至室温后用60℃的去离子水洗涤至中性,最后于100℃干燥18h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为74.8F/g。
实施例12
取5g棉短绒放入150mL浓度为15%的磷酸溶液中,于40℃搅拌2h,然后过滤;将滤饼转移至150mL[Emim]BF4溶液中,于90℃搅拌2h,随后过滤;取50mL[Emim]BF4预处理后过滤所得的滤液加入1800mL去离子水中,于40℃搅拌0.5h,然后过滤;将过滤后的固体用50℃的去离子水洗涤至中性,最后于110℃干燥12h,获得预处理后的棉短绒。
取1g上述预处理后的棉短绒与0.5g锌铝复合金属氧化物进行机械混合,并在500℃、氮气氛围下快速热解20s,得到挥发性组分和固体炭。挥发性组分经冷凝获得液体产物,液体产物产率为53.38%,通过气相色谱分析其中1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的含量,计算得知1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的产率为3.27%,1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮在有机液体产物中的选择性为17.53%。热解所得固体炭在N2氛围下于15℃/min升温至750℃活化2h,待冷却至室温后用30℃的去离子水洗涤至中性,最后于110℃干燥12h,即获得活性炭材料。
取0.2g上述活性炭制备超级电容材料,在浓度为6mol/L的KOH溶液中,采用三电极体系(参照电极为饱和甘汞电极,对比电极为铂片电极)在电流密度为1A/g下,测定超级电容材料的比电容为68.8F/g。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改,等同替换、改进等,均应包含在本发明的范围之内。
Claims (9)
1.一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,其特征在于,以棉花加工废弃物为原料,依次经磷酸和[Emim]BF4预处理后,过滤;过滤后的滤液加入去离子水中搅拌后,再次过滤;将再次过滤后的固体再用去离子水洗涤至中性,并干燥;随后将干燥后的固体与催化剂按照质量比为(3∶1)~(1∶6)进行机械混合,在无氧条件下于320~550℃进行快速热解,热解反应时间不超过30s,热解产生的挥发性组分经冷凝后得到富含1-羟基-3,6-二氧二环[3.2.1]辛-2-酮的液体产物;热解得到的固体产物在N2氛围下升温至700~900℃进行高温活化1~3h,待冷却至室温后用去离子水洗涤至中性,干燥后即得活性炭。
2.根据权利要求1所述的一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,其特征在于,所述棉花加工废弃物包括清车肚废棉、梳车肚废棉、青弹棉、清滤尘废棉或棉短绒中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,其特征在于,所述磷酸预处理是指将棉花加工废弃物按照固液比为(1∶30)~(1∶50)(g/mL)浸渍于磷酸溶液中,并于30~70℃搅拌2~5h,随后过滤。
4.根据权利要求3所述的一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,其特征在于,所述磷酸溶液为磷酸的水溶液,其浓度为10~30%。
5.根据权利要求1所述的一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,其特征在于,所述[Emim]BF4预处理是指将磷酸预处理后的棉花加工废弃物按照固液比为(1∶30)~(1∶50)(g/mL)浸渍于[Emim]BF4溶液中,并于50~90℃搅拌1~3h,随后过滤。
6.根据权利要求1所述的一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,其特征在于,所述过滤后的滤液加入去离子水中是指将[Emim]BF4预处理后的滤液按照质量比为(1∶20)~(1∶40)加入去离子水中,并于30~50℃搅拌0.5~2.5h,随后过滤。
7.根据权利要求1所述的一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,其特征在于,所述催化剂包括锌铝复合金属氧化物或镁改性氮化HZSM-5分子筛。
8.根据权利要求1所述的一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,其特征在于,所述预处理后所得固体和高温活化后所得固体的干燥温度为100~110℃,干燥时间为12~24h。
9.根据权利要求1所述的一种棉花加工废弃物高值化利用的方法,其特征在于,所述升温至700~900℃的升温速率为5~15℃/min。
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