一種化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于石墨烯化學(xué)合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]2004年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈和康士坦丁成功從實驗室中分離出石墨烯，這種二維的石墨烯呈現(xiàn)六角型蜂巢狀晶格，賦予其目前各種金屬、非金屬材料所不具備的特性，成為舉世矚目的一種優(yōu)秀新材料。在電子行業(yè)觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池以及航天、生物醫(yī)藥、儲能等諸多領(lǐng)域?qū)@得越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]石墨烯合成方法主要有兩種:機械方法和化學(xué)方法。其中化學(xué)法包括化學(xué)還原法和化學(xué)解離法。從目前國內(nèi)外情況看，能較易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的是化學(xué)解離法。
[0004]化學(xué)解離法是通過強酸和強氧化條件下將石墨烯六角環(huán)上部分碳原子被氧化成羥基(-0H)、醛基(-CH0)或羧基(-C00H)，產(chǎn)生層間剝離，再在還原氛圍中將氧化石墨烯還原成石墨稀。
[0005]目前國內(nèi)許多高等學(xué)校、科研院所在從事石墨烯的制備和應(yīng)用研究，制備方面集中在化學(xué)解離法。通常將石墨原料與23-26倍濃硫酸和3倍高錳酸鉀置反應(yīng)釜中，在0-5°C條件下低溫氧化反應(yīng)，然后用多倍水稀釋、清洗、過濾、精制得到初級品氧化石墨。
[0006]現(xiàn)在氧化過程通常在搪瓷反應(yīng)釜中進行，因為介質(zhì)的強酸性和強氧化性很少有其它合適材料可以選擇，而搪瓷反應(yīng)釜的特點是傳熱過程僅能依靠外夾套實現(xiàn)，設(shè)備內(nèi)無法設(shè)置加熱或冷卻的盤管，而外夾套的傳熱，隨著設(shè)備的放大，其單位釜容積所具有的傳熱強度越來越小。例如:直徑為500_的搪瓷釜，其單位容積的傳熱面積為9.5m2/m3，而直徑為2000mm的搪瓷爸，其單位容積的傳熱面積為2.lm2/m3，而石墨的強酸氧化反應(yīng)要求在較低溫度下進行(0-5°C )，由于單位傳熱強度的降低，在生產(chǎn)能力提高，設(shè)備放大后，冷卻能力降低，這樣或減少投料量或延長氧化時間，都導(dǎo)致設(shè)備有效能力降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型的目的是為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種有利于實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)。
[0008]為了達到本實用新型的目的，技術(shù)方案如下:
[0009]—種化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，具有反應(yīng)釜，所述反應(yīng)釜頂部具有數(shù)個加料口，其特征在于，所述反應(yīng)釜的下方設(shè)置有管式反應(yīng)器，所述管式反應(yīng)器的一端通過循環(huán)栗與反應(yīng)釜下端連通，另一端與反應(yīng)釜上端連通，所述管式反應(yīng)器外側(cè)設(shè)置有冷卻夾套，反應(yīng)釜內(nèi)介質(zhì)通過循環(huán)栗流入管式反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)冷卻后又重新從頂部流入反應(yīng)釜內(nèi)。
[0010]優(yōu)選地，所述反應(yīng)爸的外側(cè)設(shè)置有反應(yīng)爸夾套。
[0011]優(yōu)選地，所述反應(yīng)釜的下方還設(shè)置有冷凍水箱，所述冷凍水箱通過冷凍水栗與所述反應(yīng)爸夾套連通。
[0012]優(yōu)選地，所述反應(yīng)釜的下方還設(shè)置有熱水箱，所述熱水箱通過熱水栗與所述反應(yīng)釜夾套連通。
[0013]優(yōu)選地，所述冷卻夾套與所述冷凍水箱連通。
[0014]優(yōu)選地，所述反應(yīng)釜上方設(shè)置有存放純水的高位水槽。
[0015]本實用新型具有的有益效果:
[0016]反應(yīng)釜內(nèi)的介質(zhì)通過循環(huán)栗經(jīng)管式反應(yīng)器冷卻后返回反應(yīng)釜，實現(xiàn)外循環(huán)冷卻，彌補了釜因放大而傳熱強度降低的弊端；并且由于栗的輸送，形成管道反應(yīng)器內(nèi)強烈湍動，強化了混合和傳質(zhì)過程，加速了化學(xué)反應(yīng)。
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合實施例對本實用新型作進一步描述，但本實用新型的保護范圍不僅僅局限于實施例。
[0019]結(jié)合圖1所示，一種化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，具有反應(yīng)釜2，反應(yīng)釜2的外側(cè)設(shè)置有反應(yīng)釜夾套，所述反應(yīng)釜2頂部具有數(shù)個加料口，原料投料(石墨、硫酸等)通過頂部的加料口加入，反應(yīng)釜2內(nèi)設(shè)置有攪拌器。反應(yīng)釜2上方設(shè)置有存放純水的高位水槽8，純水通過水管加入到高位水槽8內(nèi)，再從高位水槽8通過管道向下引入，非水介質(zhì)此時通過輔助管路9加入到管道內(nèi)，與純水混合后，一起加入到反應(yīng)爸2內(nèi)。
[0020]反應(yīng)釜2的下方設(shè)置有管式反應(yīng)器1、冷凍水箱5和熱水箱7。管式反應(yīng)器1的一端通過循環(huán)栗10與反應(yīng)釜2下端連通，另一端與反應(yīng)釜2上端連通，在循環(huán)栗10的作用下，反應(yīng)釜2內(nèi)的介質(zhì)通過循環(huán)栗10流入管式反應(yīng)器1內(nèi)、經(jīng)冷卻后又重新從頂部流入反應(yīng)釜2內(nèi)。
[0021]冷凍水箱5通過冷凍水栗4以及管路與所述反應(yīng)釜夾套連通，冷凍水箱5內(nèi)通入冷卻鹽水，冷卻鹽水通入到反應(yīng)釜夾套內(nèi)對反應(yīng)釜具有冷卻作用。熱水箱7通過熱水栗6以及管路與所述反應(yīng)釜夾套連通，自來水通入到熱水箱7內(nèi)，經(jīng)電加熱后，通入到反應(yīng)釜夾套內(nèi)對反應(yīng)釜具有加熱保溫作用。另外，通冷凍鹽水的管路和筒熱水的管路在連通到反應(yīng)爸夾套之前就以及連通在一起，因此熱水和冷卻可以混合，通過調(diào)節(jié)熱水或者冷水的量，可以改變混合水的溫度，以適應(yīng)不同的反應(yīng)溫度需求，對反應(yīng)釜具有較好的保溫作用。
[0022]此外，管式反應(yīng)器1外側(cè)設(shè)置有冷卻夾套3，冷卻夾套3還通過管路與所述冷凍水箱5連通，冷凍水箱5內(nèi)的冷凍鹽水流入到冷卻夾套3內(nèi)，對流經(jīng)管式反應(yīng)器1的介質(zhì)進行冷卻。
[0023]冷卻夾套3上還具有冷卻水出口，冷卻之后的冷卻鹽水從冷卻水出口流出，再栗入到冷凍水箱5內(nèi)，實現(xiàn)循環(huán)利用。
[0024]具體生產(chǎn)過程為:
[0025]先向釜內(nèi)按石墨烯的投料量，按26倍(重量)投入濃硫酸和定量石墨，浸泡4-12小時；
[0026]開啟反應(yīng)釜夾套和管式反應(yīng)器冷卻水或冷卻鹽水，并開動攪拌器；
[0027]打開釜底閥并啟動循環(huán)栗在反應(yīng)釜和管式反應(yīng)器同時冷卻條件下建立良好循環(huán)；
[0028]冷卻；
[0029]在達到額定溫度(〈5 °C )，往釜內(nèi)投入氧化劑高錳酸鉀，監(jiān)控釜內(nèi)溫度，若溫度超過5°C，暫停加高錳酸鉀，直至加完。
[0030]在反應(yīng)釜內(nèi)和管式反應(yīng)器內(nèi)同時進行氧化反應(yīng)。
[0031]以上反應(yīng)器的組合、提高了單釜設(shè)備能力，強化了反應(yīng)過程，有利于實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0032]實施例1
[0033]對比組:50L搪瓷反應(yīng)釜，采用搪瓷釜單獨冷卻的工藝，石墨投料量為960克，緩慢加入濃硫酸14升(約25500克)開動釜攪拌，并夾套通-10°C冷鹽水，室溫為32°C，經(jīng)一小時，釜內(nèi)溫度降為10°C，停止通冷卻水和攪拌，靜置浸泡4小時，釜內(nèi)溫度升至15°C。此時緩慢投入高錳酸鉀(共2880克)，開啟攪拌和冷鹽水，控制釜溫為3-5°C。投入速度很慢，投完約1.5小時，由于大量反應(yīng)熱溫度僅保持在6-10°C。在此條件下反應(yīng)2小時，然后進行滴水反應(yīng)1.5小時，反應(yīng)體系變稠，然后加水稀釋，后續(xù)的酸洗一離心脫水一酸洗一脫水得到初級產(chǎn)品1040克，顏色深褐色。
[0034]實施組:與對照組同樣，50L搪瓷反應(yīng)釜，在釜底接搪瓷循環(huán)栗，循環(huán)栗出口接DN50長1米帶夾套的搪瓷管兩支，出搪瓷管接玻璃視盅一個，然后接回反應(yīng)釜(見附圖)。
[0035]試驗過程:投料、浸泡同上對照組，在投高錳酸鉀前，將搪瓷管夾套冷凍鹽水打開，啟動釜底循環(huán)栗，并打開釜底閥。此時釜內(nèi)物料經(jīng)循環(huán)栗和管道冷卻器再回入反應(yīng)釜形成循環(huán)流。在視盅中清晰可見物料均勻呈湍流狀態(tài)。在形成循環(huán)流后，開始加入高錳酸鉀，發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，溫度升高，由于外循環(huán)管道冷卻器、釜溫控制在3-5°C，投料時間縮短為1小時，后續(xù)程序同對照例，反應(yīng)結(jié)果得初級產(chǎn)品1060克，產(chǎn)品色澤為金黃色，從顏色判斷，氧化產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于對照組。
[0036]對比表明:采用外循環(huán)管道冷卻器，可以彌補反應(yīng)釜傳熱面積不夠的缺憾，在大生產(chǎn)放大后，這個矛盾更突出，而由于體外冷卻，可以按需要增加傳熱面積，有利于控制反應(yīng)體系在最佳溫度狀態(tài)進行，而且加大冷卻強度后，氧化劑投料速度可加快，縮短反應(yīng)時間，更重要的是從視盅觀察到的流動狀態(tài)比反應(yīng)釜更均勻良好，強化了反應(yīng)傳質(zhì)傳熱速度，優(yōu)化反應(yīng)過程，所以是得到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的良好選擇。
[0037]實施例2:在實施例1相同條件下，外循環(huán)冷卻管采用一支1M長夾套搪瓷管，在完全相同條件下，高錳酸鉀投料時間延長了 10分鐘，反應(yīng)釜內(nèi)溫度5_7°C，最終產(chǎn)品顏色比實施例1略深。
[0038]實施例3:將石墨烯投料量增加了 20%，即投入1152克，硫酸為30600克，高錳酸鉀3456克，在同樣浸泡4小時，開啟外循環(huán)后，投入高錳酸鉀后升溫劇烈，為此延長高錳酸鉀投料時間共1.5小時，釜內(nèi)溫度4-6°C，反應(yīng)2小時后，按常規(guī)后處理流程，得到產(chǎn)品1210
克，產(chǎn)品顏色金黃色。
[0039]以上實施例表明，增加了外循環(huán)冷卻器，可有利于增加反應(yīng)過程，傳熱強度及反應(yīng)體系的湍流狀態(tài)，是強化反應(yīng)過程的可靠途徑，特別對增加傳熱面積沒有更好渠道情況下，是一種有效的手段。
[0040]最后應(yīng)說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型而并非限制本實用新型所描述的技術(shù)方案，因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本實用新型已進行了詳細的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，仍然可以對本實用新型進行修改或等同替換，而一切不脫離本實用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍中。
【主權(quán)項】
1.一種化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，具有反應(yīng)釜(2)，所述反應(yīng)釜頂部具有數(shù)個加料口，其特征在于，所述反應(yīng)釜(2)的下方設(shè)置有管式反應(yīng)器(1 )，所述管式反應(yīng)器的一端通過循環(huán)栗(10)與反應(yīng)釜下端連通，另一端與反應(yīng)釜上端連通，所述管式反應(yīng)器外側(cè)設(shè)置有冷卻夾套(3 )，反應(yīng)釜內(nèi)介質(zhì)通過循環(huán)栗流入管式反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)冷卻后又重新從頂部流入反應(yīng)釜內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)釜的外側(cè)設(shè)置有反應(yīng)爸夾套。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)釜的下方還設(shè)置有冷凍水箱(5)，所述冷凍水箱通過冷凍水栗(4)與所述反應(yīng)釜夾套連通。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)釜的下方還設(shè)置有熱水箱(7)，所述熱水箱通過熱水栗(6)與所述反應(yīng)釜夾套連通。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻夾套(3)與所述冷凍水箱連通。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)釜上方設(shè)置有存放純水的高位水槽(8 )。
【專利摘要】本實用新型公開了一種化學(xué)法石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，具有反應(yīng)釜，所述反應(yīng)釜頂部具有數(shù)個加料口，其特征在于，所述反應(yīng)釜的下方設(shè)置有管式反應(yīng)器，所述管式反應(yīng)器的一端通過循環(huán)泵與反應(yīng)釜下端連通，另一端與反應(yīng)釜上端連通，所述管式反應(yīng)器外側(cè)設(shè)置有冷卻夾套，反應(yīng)釜內(nèi)介質(zhì)通過循環(huán)泵流入管式反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)冷卻后又重新從頂部流入反應(yīng)釜內(nèi)。本實用新型具有的有益效果：反應(yīng)釜內(nèi)的介質(zhì)通過循環(huán)泵經(jīng)管式反應(yīng)器冷卻后返回反應(yīng)釜，實現(xiàn)外循環(huán)冷卻，彌補了釜因放大而傳熱強度降低的弊端；并且由于泵的輸送，形成管道反應(yīng)器內(nèi)強烈湍動，強化了混合和傳質(zhì)過程，加速了化學(xué)反應(yīng)。
【IPC分類】C01B31/04
【公開號】CN204958408
【申請?zhí)枴緾N201520720048
【發(fā)明人】黨渭銘, 顧晨海
【申請人】無錫信達膠脂材料股份有限公司
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月17日