專利名稱：一種利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法
技術領域：
本發明涉及聚氯乙烯廢料的回收再利用，確切地說是一種利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法。
背景技術：
能源危機和環境保護已成為人類社會可持續發展戰略的核心，是影響當前世界各國能源決策和科技導向的關鍵因素。超級電容器的相關研究以及近年來的大力發展順應了人類對新能源的需求。超級電容器又稱電化學電容器，是一種介于傳統電容器和電池之間的新型儲能器件，具有比傳統電容器高得多的功率密度，集高能量密度、高功率密度、長壽命等特性于一身，而且終身不需維護，使用完后對環境友好、無污染，因而又被稱為綠色能源。這些優良的性能使其在通訊科技、信息技術、家用電器等各種工業領域以及電動汽車、 航空航天等領域有廣泛的應用前景。目前，超級電容器用電極材料的研發主要集中在碳材料、稀有金屬氧化物材料和導電聚合物材料。與金屬氧化物電極和聚合物電極相比，碳電極具有較大的比表面，優良的導熱、導電性能等優點，其密度低，抗化學腐蝕性能好，熱膨脹系數小，能夠儲存較多的能量，快速充放電，且價廉易得，易于實現工業化生產，是目前唯一實用化的雙電層電極材料， 成為超級電容技術研究的熱點。聚氯乙烯(簡稱PVC)是合成材料中五大通用合成樹脂之一，產量僅次于聚乙烯， 廣泛應用于工業、農業、建筑、醫藥等領域。但隨著產量的日益增長，隨之而來的是如何合理有效地回收利用不斷增加的PVC廢棄材料。PVC廢料具有含碳量高，雜質含量少的特點，因而可能成為制備活性炭的優良原料，既可為廢棄物處置提供新的途徑，又能提供廉價、高效的電極材料，因而應用前景十分廣闊。
發明內容
本發明旨在提供一種利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法，所要解決的技術問題是以聚氯乙烯廢料為原料，以CaO作為脫氯劑制備比表面積高、孔徑分布合理、能量密度高的活性炭。本發明解決技術問題采用如下技術方案本發明利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法的特點在于按以下步驟操作將聚氯乙烯廢料破碎、篩分后得到粒徑不大于5mm的粒料；將所得粒料、CaO粉末和水混合并攪拌均勻，所述粒料、CaO粉末和水的質量比為1 3 3-1 4 4，于 60-100°C干燥4-6小時后置于管式爐中，在氮氣或氬氣氣氛中于500-800°C炭化活化1_4小時，冷卻至室溫后將所得樣品用質量濃度10-30%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗3-5分鐘，再攪拌反應6-7小時，使燒樣中微溶于水的Ca0、Ca(0H)2、CaC10H轉化成易溶于水的CaCl2，過濾后水洗至中性，水洗去可溶性雜質主要是CaCl2,干燥即得成品；
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本發明利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法的特點也在于管式爐的升溫速率設置為1-10°C /min。本發明利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法的特點也在于所述炭化活化的溫度為600-800°C，炭化活化的時間為2-4小時。本發明中的CaO與水混合即發生反應，生成Ca(OH)2,因此CaO或Ca(OH)2都作為脫氯劑。通常制備活性炭主要分為炭化和活化兩個步驟。炭化就是含碳原材料在惰性氣氛中的熱分解，脫除非碳原子，形成一些不發達孔隙；而活化的目的就是擴大原有的孔隙以及創造新的孔隙。活化又分為化學活化和物理活化。化學活化常用的活化劑K0H、ZnCl2等容易產生污染，在相對較低的溫度(500 800°C )下進行；物理活化常用水蒸汽、CO2等在較高溫度(800 1100°C )與碳反應而形成孔，制得的活性炭的比表面積不高。本發明利用聚氯乙烯廢料，以CaO作為脫氯劑制備超級電容器電極材料在國內外鮮有報道。與已有技術相比，本發明的有益效果體現在1、本發明以聚氯乙烯廢料為原料，原料來源廣，回收利用對環境造成污染的廢棄物，生產成本低；2、本發明以廉價的CaO作為脫氯劑，且最終產物對環境無污染；3、本發明制得的活性炭比表面積高、孔徑分布合理，采用本發明提供的活性炭作電極材料組裝的超級電容器具有高能量密度，產品性能高等特點；4、本發明制備方法簡單，操作簡便。
四
圖1為本發明煅燒以后樣品洗滌前(a)、洗滌后(b)的XRD譜圖。洗滌前樣品含有 CaO、Ca(OH)2、CaC10H，說明在實驗中有新物質CaClOH生成；洗滌后樣品的組成為純活性炭。圖2為本發明制得的超級電容器用活性炭的FESEM圖，表明樣品具有二維片狀納米結構。圖3為本發明制得的活性炭作為電極材料組裝成三電極體系在6mol/L的KOH溶液中的恒流充放電曲線圖。圖4為本發明制得的超級電容器用活性炭作為電極材料組裝成三電極體系，在 6mol/L的KOH溶液中，在不同的掃描速率下的循環伏安曲線圖。其中曲線A的掃描速率 10mV/s,曲線B的掃描速率20mV/s，曲線C的掃描速率50mV/s，曲線D的掃描速率100mV/s。
五具體實施例方式為更好理解本發明，下面結合附圖和實例對本發明做進一步說明，非限定實施例如下。實施例1 本實施例中利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法是按以下步驟操作將聚氯乙烯廢料破碎、篩分后得到粒徑不大于5mm的粒料；將所得粒料、CaO粉末和水混合并攪拌均勻，粒料、CaO粉末和水的質量比為1 4 4，于60°C干燥6小時后置于管式爐中，在氮氣氣氛中以10°C /min升溫速率從室溫升溫至800°C，恒溫池，然后降至室溫，將所得樣品用質量濃度20%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗4分鐘，再攪拌反應7小時，過濾后水洗至中性，干燥即得成品。實施例2 本實施例中利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法是按以下步驟操作將聚氯乙烯廢料破碎、篩分后得到粒徑不大于5mm的粒料；將所得粒料、CaO粉末和水混合并攪拌均勻，粒料、CaO粉末和水的質量比為1 3 3，于100°C干燥4小時后置于管式爐中，在氬氣氣氛中以8°C /min升溫速率從室溫升溫至800°C，恒溫池，然后降至室溫，將所得樣品用質量濃度20%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗4分鐘，再攪拌反應6小時，過濾后水洗至中性，干燥即得成品。實施例3 本實施例中利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法是按以下步驟操作將聚氯乙烯廢料破碎、篩分后得到粒徑不大于5mm的粒料；將所得粒料、CaO粉末和水混合并攪拌均勻，粒料、CaO粉末和水的質量比為1 4 4，于80°C干燥5小時后置于管式爐中，在氮氣氣氛中以5°C /min升溫速率從室溫升溫至700°C，恒溫池，然后降至室溫，將所得樣品用質量濃度30%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗3分鐘，再攪拌反應7小時，過濾后水洗至中性，干燥即得成品。實施例4 本實施例中利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法是按以下步驟操作將聚氯乙烯廢料破碎、篩分后得到粒徑不大于5mm的粒料；將所得粒料、CaO粉末和水混合并攪拌均勻，粒料、CaO粉末和水的質量比為1 4 4，于80°C干燥6小時后置于管式爐中，在氬氣氣氛中以10°C /min升溫速率從室溫升溫至800°C，恒溫池，然后降至室溫，將所得樣品用質量濃度10%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗5分鐘，再攪拌反應6小時，過濾后水洗至中性，干燥即得成品。將實施例1-4制備的活性炭研磨成粉末，過180目篩，按活性炭石墨聚四氟乙烯乳液的質量比80 15 5的比例，加入少量的無水乙醇混合均勻，均勻涂抹在IcmX Icm 的壓制好的鎳制電極上，在100°C下真空干燥M小時，以Ag/AgCl電極作為參比電極，以鉬電極作為對電極組成三電極體系，在6mol/L的KOH電解質水溶液中進行電化學性能的測
試ο在電流密度為ImA/cm2，充放電電壓為-1. 0 0. OV條件下進行電化學性能測試， 充放電曲線呈現出典型的三角對稱分布且都隨時間線性變化，說明其充放電過程中電容器的電壓隨時間線性變化，具有良好的電容特性，如圖2所示；在不同掃描速率下的循環伏安曲線呈較為規則的矩形，不存在氧化還原峰，說明其容量主要來自活性炭電極和電解液界面的雙電層電容，如圖3所示。
權利要求
1.一種利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法，其特征在于按以下步驟操作將聚氯乙烯廢料破碎、篩分后得到粒徑不大于5mm的粒料；將所得粒料、CaO粉末和水混合并攪拌均勻，所述粒料、CaO粉末和水的質量比為1 :3:3-1:4: 4，于60_100°C 干燥4-6小時后置于管式爐中，在氮氣或氬氣氣氛中于500-800°C炭化活化1-4小時，冷卻至室溫后將所得樣品用質量濃度10-30%的稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗3-5分鐘，再攪拌反應6-7小時，過濾后水洗至中性，干燥即得成品；
2.根據權利要求1所述的利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法，其特征在于管式爐的升溫速率設置為1-10°C /min。
3.根據權利要求1所述的利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法，其特征在于所述炭化活化的溫度為600-800°C，炭化活化的時間為2-4小時。
全文摘要
本發明公開了一種利用聚氯乙烯廢料制備超級電容器用活性炭的方法，是將聚氯乙烯廢料破碎、篩分后得到粒徑不大于5mm的粒料；將所得粒料、CaO粉末和水混合并攪拌均勻，于60-100℃干燥4-6小時后置于管式爐中，在氮氣或氬氣氣氛中炭化活化1-4小時，冷卻至室溫后將所得樣品用稀鹽酸或稀硝酸超聲清洗3-5分鐘，再攪拌反應6-7小時，過濾后水洗至中性，干燥即得成品。本發明生產成本低，制備工藝簡單，綠色環保，制得的活性炭比表面積高、孔徑分布合理。采用本發明提供的活性炭作電極材料組裝的超級電容器具有能量密度高，產品性能好等特點。
文檔編號B09B3/00GK102351176SQ201110180468
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者吳燁欽, 周青青, 張磊, 楊保俊, 陳祥迎 申請人:合肥工業大學