基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳、制备方法和应用

本发明涉及废弃聚苯乙烯泡沫材料处理，尤其涉及一种基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳、制备方法和应用，更具体的涉及一种绝氧热解废弃挤塑式/发泡式聚苯乙烯泡沫板材制备聚苯乙烯泡沫衍生多孔碳的方法，以及将聚苯乙烯泡沫衍生多孔碳应用到水环境中吸附去除新污染物有机磷酸酯的方法。

背景技术：

1、塑料产品自大规模生产以来，由于其轻便隔热、耐冲击、能够用于保鲜和隔音，且制造成本相对较低，已广泛应用于包装、建筑、运输等行业。目前全球每年产生的塑料废物已经渗透到地球上大部分地区。

2、聚苯乙烯泡沫材料根据生产工艺不同分为模塑聚苯乙烯泡沫材料(eps)和挤塑聚苯乙烯泡沫材料(xps)两种。eps和xps主要以聚苯乙烯为原料制成，具有低导热性、低吸水性，能够防腐蚀、防老化，因此能够应用于建筑外墙、机场跑道、高速公路等处并起到保温防潮等作用。然而，即使具有优异性能的泡沫材料，其使用寿命大约在25年。废弃的泡沫材料具有紧密的闭孔结构，因此密度小体积较大，不易压缩，运输回收成本较高。目前，废弃塑料制品的处置方法以就地焚烧和填埋为主，其中直接焚烧会产生较多有毒有害气体同时会产生大量co2，这违背了全球碳中和的理念；直接填埋会占用大量的土地面积并导致微塑料的释放，同时自然降解时间和对环境产生的危害无法估计。

3、当前可应用于聚苯乙烯泡沫材料减量化、无害化和资源化的技术有水热碳化、催化热解、空气/氧气热解和绝氧热解。水热碳化技术能够有效获得固体产物，但是在碳化过程中其产生的气体无法排出反应釜，并且水热碳化技术当前只在理论研究中进行，没有进行大规模环境应用的实例；催化热解加氢技术虽然能够有效对泡沫材料进行解聚，但往往会产生难以分离的固液混合物，降低产物的可利用性；空气/氧气热解会产生大量的co2；绝氧热解技术是近些年来处理固体废弃物安全有效的技术，且没有上述水热碳化、催化热解、空气/氧气热解存在的技术问题，其已广泛应用于环境固体废弃物(生物质、污泥、厨余垃圾等)的资源化研究。通过绝氧热解技术能够有效得到固体、液体和气体产物，适合应用于废弃聚苯乙烯泡沫材料研究制备固体碳材料，但是绝氧热解技术在应用于聚苯乙烯泡沫过程中，易产生挥发性单体，导致衍生碳产率较低，致使聚苯乙烯泡沫材料可回收的产物减少。因此，如何提高衍生碳的产率是亟需解决的。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供了一种基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳、制备方法和应用，以期至少部分地解决上述技术问题，由此本发明提供的具体技术方案如下。

2、作为本发明的第一个方面，本发明提供了一种基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳的方法，包括：在聚苯乙烯泡沫材料的热解温度之下，对聚苯乙烯泡沫材料进行预处理，得到聚苯乙烯泡沫粉末；将聚苯乙烯泡沫粉末与金属盐混合均匀后置于绝氧环境中进行第一热解处理，得到金属掺杂聚苯乙烯泡沫的初级衍生多孔碳，其中第一热解处理温度低于金属盐的分解温度。

3、根据本发明的实施例，上述基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳的方法，还包括：

4、将金属掺杂聚苯乙烯泡沫的初级衍生多孔碳置于绝氧环境中进行第二热解处理，得到金属掺杂聚苯乙烯泡沫的衍生多孔碳，其中第二热解处理温度高于金属盐的分解温度。

5、作为本发明的第二个方面，本发明提供了一种衍生多孔碳，采用上述基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳的方法制得，其中，衍生多孔碳包括：多孔碳骨架和锚定在多孔碳骨架上的金属和/或金属氧化物。

6、作为本发明的第三个方面，本发明提供了一种去除有机磷酸酯的方法，包括：采用上述的衍生多孔碳处理含有机磷酸酯的污水。

7、基于上述技术方案，本发明提供的一种基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳、制备方法和应用，至少存在以下有益效果之一：

8、(1)在本发明的实施例中，由于废旧的聚苯乙烯泡沫材料具有较大的初始空隙和较大的硬度，无法将其直接与金属盐混合均匀以制备多孔碳。对此，本发明提出在聚苯乙烯泡沫材料的热解温度之下，对其进行预处理以改变聚苯乙烯中的孔隙结构，将其转化成排列紧密的结构并破坏聚苯乙烯长链结构的稳定性，从而获得聚苯乙烯泡沫粉末，以便后续与金属盐相混合。在预处理过程中，聚苯乙烯泡沫材料主要发生形变，没有单体的损失，因此获得的聚苯乙烯泡沫粉末的质量与聚苯乙烯泡沫材料的质量相差无几。随后，将获得的聚苯乙烯泡沫粉末与金属盐混合均匀后置于绝氧环境中，并将第一热解处理温度控制在金属盐的分解温度之下以进行第一热解处理。通过第一热解处理，能够使聚苯乙烯泡沫粉末融化(而非碳化)，并使融化后的聚苯乙烯泡沫与金属盐进一步混合均匀，在金属离子的催化作用下使融化的聚苯乙烯泡沫粉末交联形成大骨架碳结构，同时将金属离子锚定在大骨架碳结构中，形成金属掺杂聚苯乙烯泡沫的初级衍生多孔碳，以此利用金属离子来降低聚苯乙烯中单体的损失，提高衍生碳的产率。

9、(2)在本发明的实施例中，将金属掺杂聚苯乙烯泡沫的初级衍生多孔碳置于绝氧环境中，将第二热解处理温度控制在金属盐分解温度之上进行第二热解处理，能够将负载在大骨架碳结构上的金属盐中的阴离子脱除，提高金属与碳骨架的稳定交联程度，最终获得金属掺杂聚苯乙烯泡沫的衍生多孔碳。

10、(3)在本发明的实施例中，在聚苯乙烯泡沫材料的热解温度之下，对其进行预处理使聚苯乙烯泡沫粉末表面达到饱和，并通过选择性锚定机制在聚苯乙烯泡沫粉末的表面保持较高的金属覆盖率，从而最大限度地提高金属与所有聚苯乙烯可用配位点结合的几率，能稳定获得更高的金属含量，使金属与聚苯乙烯泡沫间更好的交联，增加聚苯乙烯泡沫粉末的留存率。

11、(4)在本发明的实施例中，将制备得到的衍生多孔碳用于处理含有机磷酸酯的污水，利用衍生多孔碳的物理吸附性能以及多孔碳表面的金属离子与有机磷酸酯的化学吸附性能，实现有机磷酸酯的吸附，相比于高级氧化技术，其处理过程操作简单，不受环境因素影响并且环保经济安全，可以大规模在水处理工艺中应用。

技术特征：

1.一种基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳的方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述金属掺杂聚苯乙烯泡沫的初级衍生多孔碳在进行第二热解处理之前包括：

4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，所述金属盐包括铁盐、镍盐、钴盐、镧盐中任意一种；

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述金属盐包括氯化金属盐、硫酸金属盐和硝酸金属盐中任意一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预处理包括：

7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一热解处理和第二热解处理的升温速度为2-10℃/min，第一热解处理的温度为350-450℃，第二热解处理的温度为550-1200℃，第一热解处理和第二热解处理的时间为1-3h。

8.一种衍生多孔碳，采用权利要求1-7中任一项所述的方法制得，其中，所述衍生多孔碳包括：多孔碳骨架，和锚定在所述多孔碳骨架上的金属和/或金属氧化物。

9.一种去除有机磷酸酯的方法，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述有机磷酸酯包括含烷基基团的有机磷酸酯、含卤素基团的有机磷酸酯、含苯环基团的有机磷酸酯中的至少一种。

技术总结
本发明提供了一种基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳、制备方法和应用，属于废弃聚苯乙烯泡沫材料处理技术领域，其中基于聚苯乙烯泡沫材料制备衍生多孔碳的方法包括：在聚苯乙烯泡沫材料的热解温度之下，对聚苯乙烯泡沫材料进行预处理，得到聚苯乙烯泡沫粉末；将聚苯乙烯泡沫粉末与金属盐混合均匀后置于绝氧环境中进行第一热解处理，得到金属掺杂聚苯乙烯泡沫的初级衍生多孔碳，其中第一热解处理温度低于金属盐的分解温度。

技术研发人员：刘文彬,孙艺齐,陈春赐,陈全,石喆元,毛天奥,尹菲
受保护的技术使用者：中国科学院大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31