一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的系统及其方法与流程

本发明属于多壁碳纳米管制备，具体属于一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的系统及其方法。

背景技术：

1、随着全球对可持续发展和绿色化学的关注度不断提升，利用可再生碳源制备碳纳米材料已成为材料科学领域的研究热点。碳纳米材料，尤其是多壁碳纳米管（mwcnts），因其独特的电子结构、优异的力学性能、高导电性和导热性等特性，在能源存储、复合材料增强、电子器件、催化剂载体等众多领域展现出巨大的应用潜力。传统的碳纳米材料制备方法多依赖于化石燃料衍生的碳源，如甲烷、乙烯等，这不仅加剧了对不可再生资源的依赖，还与全球倡导的低碳环保理念相悖。因此，开发基于可再生碳源的碳纳米材料制备技术，对于减少碳排放、实现资源循环利用以及推动纳米材料产业的绿色可持续发展具有重要意义。

2、目前，已有研究尝试将生物质气化或沼气重整为合成气（主要成分为 co 和 h2），并以此作为碳源用于碳材料的合成。然而，这类工艺在实际应用中存在诸多显著问题：

3、1、工艺流程复杂：从生物质或沼气转化为合成气，再到最终合成碳纳米材料，通常需要经过多步转化过程。每一步转化都需要特定的反应条件和设备，涉及多个单元操作的串联，导致整个工艺流程冗长且复杂。这不仅增加了设备投资和占地面积，还提高了操作难度和运行成本。

4、2、能耗高：多步转化过程中的各个反应步骤大多需要高温、高压等苛刻条件，例如生物质气化通常需要在 800 - 1200℃的高温下进行，沼气重整也需要在较高的温度和催化剂作用下才能实现有效转化。这些高温高压条件需要消耗大量的能源来维持，使得整个工艺的能耗居高不下，不符合节能减排的发展要求。

5、3、对气体纯度要求严格：合成气中杂质的存在会严重影响碳纳米材料的合成质量和催化剂的活性。例如，微量的硫化合物、氯化物等杂质可能导致催化剂中毒失活，从而降低碳纳米管的产率和质量。因此，为了获得高质量的碳纳米材料，需要对合成气进行深度提纯处理，这进一步增加了工艺的复杂性和成本。

6、4、难以实现经济高效的大规模应用：由于上述工艺流程复杂、能耗高以及对气体纯度要求严格等因素的综合影响，导致基于合成气制备碳纳米材料的成本较高，在经济上缺乏竞争力，难以实现大规模的工业化应用。这使得该技术在推广和普及过程中面临巨大障碍，无法充分发挥其在资源利用和环境保护方面的潜在优势。

7、此外，沼气中残留的硫化物,二氧化碳极易导致催化剂失活，进一步增加了技术难度。因此，开发一种能够直接利用未经深度提纯的沼气（如餐厨垃圾发酵沼气）在简化工艺条件下高效制备高质量多壁碳纳米管的技术，不仅有助于提升有机废弃物的资源化价值，也为绿色、低碳纳米材料的生产提供了新路径。目前，尚缺乏一种集沼气适应性预处理、抗中毒催化剂设计与高效cvd原位转化于一体的集成化技术方案。

技术实现思路

1、针对上述问题,本发明的目的在于提供一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的系统及其方法，本申请无需对沼气进行深度提纯或重整，可直接以含ch4、co2、h2s等组分的原始沼气为碳源，在优化的催化体系下高效生成多壁碳纳米管，实现废弃物的高值转化。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的系统，包括反应管，所述反应管的外侧设置有管式炉，反应管的进口端连接有氢气输送管线、沼气输送管线和惰性气体输送管线，反应管的出口端通过管道连接有用于吸收水和二氧化碳的吸收箱，吸收箱通过管道连接有气相色谱仪和氢气变压吸附装置。

4、优选的，所述吸收箱中设置有多孔网，多孔网上放置有吸附材料，反应管与吸收箱连接的管道伸入到多孔网的下方。

5、优选的，所述吸收箱与气相色谱仪之间的管道上设置有注气装置，注气装置包括活塞外筒，活塞外筒中活动密封设置有活塞头，活塞头连接有推杆，活塞外筒的底部设置有排气管，排气管中设置有供气体从活塞外筒流向气相色谱仪的第一单向阀，活塞外筒的侧壁设置有进气管且进气管靠近活塞外筒的底部，进气管中设置有供气体从吸收箱流向活塞外筒的第二单向阀。

6、优选的，所述吸收箱与氢气变压吸附装置之间的管道上设置有压力控制阀。

7、优选的，所述氢气输送管线、沼气输送管线和惰性气体输送管线中均设置有阀门和质量流量控制器，氢气输送管线连接有氢气发生装置，沼气输送管线连接有沼气罐，惰性气体输送管线连接有惰性气体罐。

8、一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的方法，采用所述系统，所述方法包括以下步骤：

9、s1：将催化剂放于反应管中间，惰性气体输送管线向反应管通入惰性气体，同时开启氢气变压吸附装置对反应管进行抽真空，控制管式炉将反应管加热至反应温度；

10、s2、温度到达反应温度后，氢气输送管线输送氢气对反应管中的催化剂进行预活化；

11、s3、预活化完毕后，停止输送氢气并开启气相色谱仪进行预热，沼气输送管线向反应管输送沼气，同时开启气相色谱仪进行尾气的在线检测；

12、s4、反应结束后，停止通入沼气，关闭气相色谱仪并降温，调节管式炉进行降温程序，继续通入惰性气体，降温后收集产物。

13、优选的，所述步骤s1中，反应温度为500-1050℃，惰性气体的流量为0-60l/h。

14、优选的，所述步骤s2中，氢气的预活化时间为30-120min,气流为0-60 l/h。

15、优选的，所述沼气中的甲烷所占比例为60～70%，二氧化碳所占比例为30～40%。

16、优选的，所述步骤s4中，管式炉的降温程序设定为10-20℃/min。

17、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

18、本申请无需对沼气进行深度提纯或重整，可直接以含ch4、co2、h2s等组分的原始沼气为碳源，在优化的催化体系下高效生成多壁碳纳米管，实现废弃物的高值转化。

1.一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的系统，其特征在于，包括反应管（4），所述反应管（4）的外侧设置有管式炉（5），反应管（4）的进口端连接有氢气输送管线、沼气输送管线和惰性气体输送管线，反应管（4）的出口端通过管道连接有用于吸收水和二氧化碳的吸收箱（6），吸收箱（6）通过管道连接有气相色谱仪（9）和氢气变压吸附装置（11）。

2.根据权利要求1所述的一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的系统，其特征在于，所述吸收箱（6）中设置有多孔网（7），多孔网（7）上放置有吸附材料，反应管（4）与吸收箱（6）连接的管道伸入到多孔网（7）的下方。

3.根据权利要求1所述的一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的系统，其特征在于，所述吸收箱（6）与气相色谱仪（9）之间的管道上设置有注气装置（8），注气装置（8）包括活塞外筒（801），活塞外筒（801）中活动密封设置有活塞头（803），活塞头（803）连接有推杆（802），活塞外筒（801）的底部设置有排气管（804），排气管（804）中设置有供气体从活塞外筒（801）流向气相色谱仪（9）的第一单向阀（805），活塞外筒（801）的侧壁设置有进气管（806）且进气管（806）靠近活塞外筒（801）的底部，进气管（806）中设置有供气体从吸收箱（6）流向活塞外筒（801）的第二单向阀（807）。

4.根据权利要求1所述的一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的系统，其特征在于，所述吸收箱（6）与氢气变压吸附装置（11）之间的管道上设置有压力控制阀（10）。

5.根据权利要求1所述的一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的系统，其特征在于，所述氢气输送管线、沼气输送管线和惰性气体输送管线中均设置有阀门（12）和质量流量控制器（13），氢气输送管线连接有氢气发生装置（1），沼气输送管线连接有沼气罐（2），惰性气体输送管线连接有惰性气体罐（3）。

6.一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述系统，所述方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述步骤s1中，反应温度为500-1050℃，惰性气体的流量为0-60l/h。

8.根据权利要求6所述的一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述步骤s2中，氢气的预活化时间为30-120min,气流为0-60 l/h。

9.根据权利要求6所述的一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述沼气中的甲烷所占比例为60～70%，二氧化碳所占比例为30～40%。

10.根据权利要求6所述的一种直接裂解沼气制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述步骤s4中，管式炉（5）的降温程序设定为10-20℃/min。