一种废弃烟蒂的回收利用方法与流程

本发明涉及一种废弃烟蒂的回收利用方法，具体的是，将收集的废弃烟蒂焙烧后作为锂/钠离子可充电电池负极材料，属于新能源材料的领域。

背景技术

废弃烟蒂是一种最常见的生活垃圾，据统计全球每年消费大约5.8万亿根香烟。中国是烟草大国，烟民数量世界第一，每天都会产生大量的废弃烟蒂，这些烟蒂被随意丢弃，不仅会引起火灾等严重危害，而且会造成环境污染和资源浪费。废弃烟蒂由两部分组成，一部分是外层残留的包装纸和未燃烧的烟丝，另一部分是过滤嘴，其主要成分为醋酸纤维素。在废弃的烟蒂含有许多的化学物质，其中包括尼古丁、焦油、氰化氢和吡啶等有害物质。当烟蒂被丢弃在各种环境中，通过雨水等的浸泡，其有害物质会溢出并随着水流扩散到周边环境，不仅污染水资源，而且会对生物产生一定危害（如烟头浸泡液可以对鱼、微生物、昆虫等造成毒害）。

众所周知，垃圾是放错位置的资源，如果利用得当，垃圾就是宝贵的资源，所以目前对废弃物的绿色回收和利用是人们广泛关注的话题。然而，目前关于废弃烟蒂的处理主要是与其他垃圾一起焚烧或掩埋，这样不仅会造成二次污染，也是资源的浪费。废弃烟蒂因为数量巨大，随处可见，易于收集；同时，考虑到废弃烟蒂中的醋酸纤维素、残留的烟丝和包装纸都可以在惰性气氛下通过简单的热解得到高经济附加值的碳材料，而且其中的尼古丁、焦油、氰化氢、吡啶等含有氮元素的有害物质在惰性气氛下同时焙烧可以得到氮掺杂碳材料。由于碳材料具有导电性高、结构稳定、热稳定性和化学稳定好等诸多优点，被广泛应用于储能装置中，且通过氮原子的掺杂其电化学性能可以进一步提高。在当今化石类资源趋于紧缺、环境污染日益严峻的形势下，如果能构建废弃烟蒂与储能设备的新型关联，将是一种解决废弃烟蒂污染和应用废弃烟蒂的新途径。

锂离子电池是一种技术发展相对成熟、应用广泛的储能装置，目前商业化的锂离子电池普遍采用石墨碳电极。随着锂离子电池的快速发展，石墨碳电极的消耗量将十分巨大，如果不建立一种循环碳材料的发展模式，未来石墨材料的短缺可能会导致锂离子电池成本攀升，并限制锂离子电池的发展。钠与锂属于同一主族，两者具有相似的理化性质，且钠元素在地壳中含量十分丰富，所以钠离子电池较适合用于大规模储能系统，是一种有前途的二次电池。通过简单的一步热解，废弃烟蒂碳石墨化程度较低，可以同时应用于锂离子电池和钠离子电池，不仅可以避免污染，而且提高资源利用率，变废为宝，有利于促进循环经济和可持续战略的发展。

技术实现要素：

本发明针对废弃烟蒂的污染和回收再利用问题，首次提供了一种废弃烟蒂的新应用方法，具体主要是利用废弃烟蒂为原料，焙烧后作为可充电电池的负极材料，实现变废为宝。

一种废弃烟蒂的回收利用方法，具体步骤如下：

将回收的废弃烟蒂剪碎，置于管式炉中，直接在n2气氛下以3~5℃·min^-1升温速率升温到600~900℃，并恒温焙烧1~2h，待冷却到室温后取出产物，洗涤后真空干燥后得到废弃烟蒂负极材料；将所得废弃烟蒂负极材料研磨成粉末并制备成电极片，与锂箔或钠箔组装成锂离子电池或钠离子电池。

所述洗涤先用稀盐酸洗涤，去除其中的灰分等无机盐，再用蒸馏水洗涤至中性。

本发明的优势：

（1）本发明首次将废弃烟蒂应用于新能源材料领域，从而变废为宝，不仅能缓解废弃烟蒂对生态环境造成的影响，而且能充分发挥废弃资源的利用价值。

（2）本发明步骤简单，成本低，原材料来源广泛，实用性强且可重复性好，具有工业化可行性。

（3）本发明制备了废弃烟蒂负极材料，并探索其应用于锂离子充电电池或钠离子充电电池中的可行性，结果显示了良好的电化学性能。

附图说明

图1为废弃烟蒂的数码照片；

图2为实施例1制备的废弃烟蒂负极材料的sem图；

图3为实施例2制备的废弃烟蒂负极材料的xrd图；

图4为实施例3制备的废弃烟蒂负极材料的raman谱图；

图5为实施例4制备的废弃烟蒂负极材料钠离子电池的循环稳定曲线图；

图6为实施例4制备的废弃烟蒂负极材料锂离子电池的充放电曲线图；

图7为实施例5制备的废弃烟蒂负极材料锂离子电池的循环伏安曲线图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做出进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种废弃烟蒂的回收利用方法，具体步骤如下：

回收废弃烟蒂，照片如图1所示，将废弃烟蒂剪碎，置于管式炉中，在n2气氛下以5℃·min^-1升温速率升温到800℃，并恒温焙烧1h，待冷却到室温后取出焙烧产物，先用稀盐酸洗涤，去除其中的灰分等无机盐，再用蒸馏水洗至中性，真空干燥后得到废弃烟蒂负极材料；然后将所得废弃烟蒂负极材料研磨成粉末，通过sem测试，结果如图2所示，由图2可知，所得废弃烟蒂负极材料粉末呈现无规则的颗粒形貌，粒径小于8μm，许多的小颗粒随机分布在大颗粒周围。

实施例2

一种废弃烟蒂的回收利用方法，具体步骤如下：

将回收的废弃烟蒂剪碎，置于管式炉中，在n2气氛下以3℃·min^-1升温速率升温到600℃，并恒温焙烧2h，待冷却到室温后取出焙烧产物，先用稀盐酸洗涤，去除其中的灰分等无机盐，再用蒸馏水洗至中性，真空干燥后得到废弃烟蒂负极材料；然后将所得废弃烟蒂负极材料研磨成粉末，并测试其xrd，如图3所示，由图3可知，在2θ=23°左右和2θ=43°左右出现了与石墨晶面（002）和（101）所对应的衍射峰,表明所制备废弃烟蒂负极材料为无定形碳。

实施例3

一种废弃烟蒂的回收利用方法，具体步骤如下：

将回收的废弃烟蒂剪碎，置于管式炉中，在n2气氛下以5℃·min^-1升温速率升温到700℃，并恒温焙烧1h，待冷却到室温后取出焙烧产物，先用稀盐酸洗涤，去除其中的灰分等无机盐，再用蒸馏水洗至中性，真空干燥后得到废弃烟蒂负极材料；然后将所得废弃烟蒂负极材料研磨成粉末，通过测试raman光谱，如图4所示，由图4可知，在波数为1345cm^-1处出现的d峰，表明存在混乱的石墨结构；在波数为1598cm^-1处出现的g峰，对应于理想的石墨结构；d峰与g峰的强度比（id/ig）为0.84，表明该废弃烟蒂负极材料石墨化程度较低。

实施例4

一种废弃烟蒂的回收利用方法，具体步骤如下：

将回收的废弃烟蒂剪碎，置于管式炉中，在n2气氛下以5℃·min^-1升温速率升温到800℃，并恒温焙烧2h，待冷却到室温后取出焙烧产物，先用稀盐酸洗涤，去除其中的灰分等无机盐，再用蒸馏水洗至中性，真空干燥后得到废弃烟蒂负极材料；然后将所得废弃烟蒂负极材料研磨成粉末并制备成电极片。

将电极片与钠箔组装成扣式模拟钠离子电池，并以恒流充/放电法测试其电化学性能，如图5所示循环稳定曲线图，由图5可知，在100ma·g^-1的电流密度下充/放电测试循环100圈，电池容量可以维持在215mah·g^-1，说明本实施例中模拟钠离子电池的电极片具有较高的储钠性能和较好的循环稳定性。

将电极片与锂箔组装成扣式模拟锂离子电池，并在25ma·g^-1的电流密度下以恒流充/放电法测试其电化学性能，如图6所示充放电曲线，由图6可知，首圈放电比容量为1182mah·g^-1，在第2圈出现一个不可逆的容量损失，可逆容量为686mah·g^-1，第20圈后放电容量基本稳定在532mah·g^-1，随后的第80圈和100圈放电比容量分别为531mah·g^-1和528mah·g^-1，且充放电曲线几乎与第20圈重合，说明本实施例中模拟锂离子电池的电极片具有较高的储锂性能和较好的可逆性。

实施例5

一种废弃烟蒂的回收利用方法，具体步骤如下：

将回收的废弃烟蒂剪碎，置于管式炉中，在n2气氛下以4℃·min^-1升温速率升温到900℃，并恒温焙烧1h，待冷却到室温后取出焙烧产物，先用稀盐酸洗涤，去除其中的灰分等无机盐，再用蒸馏水洗至中性，真空干燥后得到废弃烟蒂负极材料；然后将所得废弃烟蒂负极材料研磨成粉末并制备成电极片，与锂箔组装成扣式模拟锂离子电池，然后使用循环伏安法（cv）测试其电化学特征，如图7所示，由图7可知，在0.6v附近出现氧化峰，在0v和0.5v附近出现还原峰，表明了锂离子在充放电过程中可逆的电化学反应过程。