CN102190292A - 一种富勒烯制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富勒烯制备装置，包括：依次相连并通过阀门控制其连接关系的合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器，分别与所述合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器相连并分别通过阀门控制其连接关系的真空泵和加气泵。本发明集合成、反应、过滤、超声、蒸馏、进液、出料等功能于一体，并能够在连续、密闭、无粉尘污染、无化学污染条件下进行富勒烯的制备。

Description

一种富勒烯制备装置

技术领域

本发明涉及富勒烯的制备，尤其涉及一种富勒烯的制备装置。

背景技术

通常，富勒烯的制备需要通过多步骤完成，比如合成烟炱的步骤，富勒烯提取的步骤，以及高效液相色谱分离的步骤等等。

目前，合成烟炱一般都是通过在电弧放电合成炉中生成烟炱，然后人工收集所生成的烟炱，由于在收集过程中需要打开炉门，从而使烟炱暴露在空气中，对空气敏感的富勒烯会迅速发生变化，最终产率下降甚至得不到所要的富勒烯样品；而且，在收集过程中，粉尘污染大，对环境和人员的健康造成了危害。因此，日本的Shinohara研究小组在合成炉上部安装手套箱，利用气流将烟炱带入手套箱内再收集样品，但是只能有一部分烟炱进入手套箱，因此只能收集部分样品，在下部的炉腔内依然含有大量的烟炱，仍然要打开炉腔收集，同样会造成富勒烯产率低下并污染空气的缺陷。

富勒烯的提取方法主要是溶剂提取方法，一般将常试剂如甲苯、二硫化碳、吡啶、三氯苯等溶解在索氏提取器中，而这些试剂具有挥发性和毒性，在提取结束后打开索氏提取器时，有机试剂暴露在空气中，会污染环境，并且对提取液进行后续处理时，提取液中的富勒烯也会与空气接触而发生变化。

因此，在富勒烯的制备过程中，由于各步骤的操作是分离的，从而存在烟炱粉尘和有机试剂污染的问题，并且烟炱和提取分离的样品要经常暴露在空气中，使一些对空气敏感的富勒烯样品在实验过程中发生变化，从而造成富勒烯最终产率低，甚至不能分离出纯的样品的缺点。同时，由于制备过程中每一步都是人工操作，不确定因素多，工作量大，且试验过程不连续，各步的条件控制存在人为因素，导致最终产品的产率等各种指标重复性差。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种富勒烯制备装置，使其集合成、反应、过滤、超声、蒸馏、进液、出料等功能于一体，并能够在连续、密闭、无粉尘污染、无化学污染条件下进行富勒烯的制备。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种富勒烯制备装置，所述装置包括：

依次相连并通过阀门控制其连接关系的合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器，分别与所述合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器相连并分别通过阀门控制其连接关系的真空泵和加气泵；

其中所述合成炉，用于生成含有富勒烯的烟炱；

其中所述收集器，用于收集所述合成炉中的烟炱并使烟炱与所需试剂在其中溶解；

其中所述反应釜，用于将所述收集器中的溶液吸入到其中，并使溶液与反应所需要的试剂在其中进行反应；

其中所述离心机，用于对在所述反应釜反应后的溶液进行离心过滤；

其中所述减压蒸馏超声反应器，用于对所述离心机中过滤完的溶液进行蒸馏，并对蒸馏后的固体加入溶解所需溶剂进行超声溶解；

其中所述超声过滤反应器，用于将所述减压蒸馏超声反应器中的溶液加入反应所需试剂进行超声反应，并将反应后的不溶物质过滤掉；

其中所述真空泵，用于根据需要对所述合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器进行抽真空；

其中所述加气泵，用于根据需要对所述合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器加压或提供惰性气体。

所述装置还包括：通过阀门与所述超声过滤反应器连接的平板过滤器，通过阀门与所述平板过滤器另一端相连的样品瓶以及通过阀门与所述样品瓶相连的高效液相色谱仪。

所述阀门为电控阀门。

所述装置还包括外部控制设备，用来控制所述电控阀门的通断。

所述合成炉为电弧放电合成炉，在所述电弧放电合成炉的一侧下方设有密封手套箱，用来在密闭条件下对所述电弧放电合成炉生成的烟炱进行收集。

所述装置还包括分别与所述收集器、反应釜、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器的进液口相连的试剂瓶，所述试剂瓶通过所述加气泵加压，使其中的试剂进入到所述收集器、反应釜、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器中。

所述收集器的内部置有搅拌器。

所述反应釜的外部具有加热套，内部置有搅拌器。

由上述技术方案可知，本发明在富勒烯的提取过程中从放电合成到样品分离自动控制，连续，密闭，无粉尘污染，无化学污染，可大规模合成纯品，且可以根据实际需要改变制备流程，适用范围广。整个流程均可在惰性气氛下进行，保证了样品不与空气接触，避免了不稳定样品的化学变化。

附图说明

图1为本发明的富勒烯制备装置的流程示意图；

图2为本发明的富勒烯制备装置的结构示意图；

图3为本发明的富勒烯制备装置中的合成炉的结构示意图；

图4为本发明的富勒烯制备装置中的收集器的结构示意图；

图5为本发明的富勒烯制备装置中的反应釜的结构示意图；

图6为本发明的富勒烯制备装置中的离心机的结构示意图；

图7为本发明的富勒烯制备装置中的减压蒸馏超声反应器的结构示意图；

图8为本发明的富勒烯制备装置中的超声过滤反应器的结构示意图。

其中，在附图中：

1、合成炉；2、收集器；3、反应釜；4、离心机；5-1、5-2减压超声蒸馏超声反应器；6、超声过滤反应器；7、平板过滤器；8、样品瓶；9、高效液相色谱仪；10、支架；11、阴极；12、阳极；13、观察窗；14、密封手套箱；15、手套；16、出灰口；17、炉体；18；左侧炉盖；19、右侧炉盖；21、进灰口；22、进气口；23、进液口；24、出液口；25、搅拌电机；26、搅拌器；31、进料口；32、进液口；33、抽真空口；34、加气口；35、出液口；36、搅拌电机；37、搅拌器；38、保温套；39、加热套；41、进料口；42、出料口；43、过滤网；44、离心电机；51、抽真空口；52出液口；53、进料口；54、出料口；55、加气口及进液口；56、超声水浴锅；57、58冷却管；61、进液口；62、超声装置、63、加气口；64、出液口；70、试剂瓶；71、阀门；72、真空泵；73、加气泵。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

参考图1和图2，本发明的富勒烯宏量制备装置主要组成部分有合成炉1、收集器2、反应釜3、离心机4、减压超声蒸馏超声反应器5-1、超声过滤反应器6以及真空泵72和加气泵73。这些组成部分分别完成以下功能：合成炉1用来合成含有富勒烯的烟炱；收集器2用来收集合成炉1中所生成的烟炱，并将其溶解在所需要的溶剂中；反应釜3用来将收集器2中的混合物溶液吸入到其中，并加入与溶液反应所需要的试剂，对其加热；离心机4用于对在反应釜反应后的溶液进行离心过滤；减压蒸馏超声反应器5用于对离心机4中过滤完的溶液进行蒸馏，并对蒸馏后的固体加入溶解所需溶剂进行超声溶解；超声过滤反应器用于将减压蒸馏超声反应器5中的溶液加入反应所需试剂进行超声反应，并将反应后的不溶物质过滤掉；真空泵72用于根据需要对其它各部分进行抽真空；加气泵73用于根据需要对其它各部分加压或提供惰性气氛。

本发明的富勒烯宏量制备装置主要组成部分还可以有外部计算机控制装置，用来控制真空泵和加气泵的抽真空或加压，并控制其它各组成部分之间的通断，还可以控制合成炉的放电过程，从而控制反应流程，监控反应情况。可以了解到的是，通过外部计算机控制的这种操作可以通过人工操作来完成。

下面结合图3-图8来详细描述各组成部分的基本功能构造。

1)合成炉1：图3为合成炉1的基本结构示意图，如图3所示，合成炉1可以为电弧放电合成炉，其中阴极11为单根石墨棒，阳极12为安装在圆盘上的多根石墨棒，旋转阳极12的圆盘可以分别对其不同的碳棒放电。通过调节合成炉的放电电压来控制放电过程。可以理解到的是，合成炉1所采用的电弧放电合成炉的基本原理同现有技术是基本一样的，但是根据下面的描述，在其它结构上同现有技术有一些差别。

在合成炉1炉体上方一侧安装有观察窗13，可以看到放电时的状况。炉体另一侧安有另一个观察窗(未示出)，上面安有照明灯(未示出)，开启灯后可以通过前面的观察窗观察到炉体内的状况，以便通过下方的出灰口16收集合成的炭灰。

在观察窗13下方炉体上有可容纳一只手进出的带有密封盖子的开口，盖子以两只螺栓固定，一只螺栓作为轴心，打开另外一只螺栓，就可以旋转盖子，打开或盖上开口进行收集或放电操作。在放电时将盖子密闭，保证放电时炉体密闭不漏气，具有足够的真空度，同时盖子周围通冷却水，保证密封垫不会高温老化。密封手套箱14就安装在上述开口前(箱体尽量薄，只要不影响盖子开关就可以)，密封手套箱14单独通惰性气体，内部还可以放置收集用具。在密封手套箱的下端设有手套，在收集时打开密封手套箱的盖子，带上手套15进行收集，可以将炉腔内所有烟炱收集出，以使供应给收集器2。密封手套箱14收集结束后，盖子以两个螺栓拧紧，进行下一次放电。这里所述的通过密封手套箱收集烟炱，并非是将烟炱收集出来再送入到收集器2中，而是因为在合成炉中的烟炱可能附着在炉体内的四周壁上，通过密封手套箱可以在密闭条件下，将四周壁上的烟炱都收集到出灰口16，以使能完全将合成炉中的烟炱都送入到收集器2中。

2)收集器2：图4是收集器2的简化结构示意图，收集器2主要由进灰口21、进气口22、进液口23、出液口24、搅拌器26以及置于外部的搅拌电机25等构成，需要作说明的是，搅拌器26以及置于外部的搅拌电机25可并不如图4所示的放置在侧面，而可以各种位置放置到收集器的内部容器中，只要实现搅拌功能即可。如图2所示，收集器2的进灰口21与合成炉1的出灰口16相连，通过进气口22可以向收集器2中加入惰性气体，而进液口23可以加入所需试剂，出液口24与反应釜3的进液口32相连。从合成炉生成的烟炱通过直接收集进入收集器2，在收集器2中加入烟炱溶解所需的溶剂并搅拌均匀后，吸入反应釜3中。另外本领域普通技术人员可以理解到的是，收集器的其他部件在这里省略掉，并不作详细介绍。

3)反应釜3：图5是反应釜的简化结构示意图，其中反应釜3具有与收集器2相连的进液口32，与真空泵相连的抽真空口33，与加气泵相连的加气口34，添加反应试剂的进料口31，以及搅拌装置(由搅拌电机36和搅拌器构成)等。反应釜3的整体外型是圆柱状，根据内部的溶液所需要的反应条件，可以在外部设有加热套39，对反应釜中的溶液进行加热反应，也可根据所需要的气氛环境，对其进行抽真空或者加入惰性气氛。收集器2中的溶液进入反应釜3后，加入反应所需要的试剂，搅拌反应后，通过反应釜的出料口35排入离心机4中。

4)离心机4：图6是离心机的简化示意图，离心机4的上部进料口41通过管路与反应釜3的出料口35相连，其离心机4的出料口42与减压蒸馏超声反应器5-1的进料口51相连，在离心机4中内置有过滤网43，外部置有电机44，在电机44的带动下，离心机对反应釜3中反应后的溶液进行离心过滤，滤液可直接吸入减压蒸馏超声反应器5-1中。

5)减压蒸馏超声反应器5-1：图7是减压蒸馏超声反应器的简化结构示意图，减压蒸馏超声反应器5-1的进料口53与离心机4的出料口42相连，对进入到其中超声水浴锅56的烧瓶中的滤液进行减压蒸馏，同时可伴有间断的超声，蒸馏后的试剂可进入收集器重新利用，也可作为废液排放掉。蒸干后，吸入再次反应所需要的试剂，超声溶解蒸馏瓶中的固体，形成混合溶液，利用压差导入超声过滤反应器6中。在这里，根据反应的需要，安装1至几个这样的反应器5-1，比如说在超声过滤反应器6之后，需要对反应后的溶液再次进行蒸馏浓缩，可以再安装具有与减压蒸馏超声反应器5-1同样结构的减压蒸馏超声反应器5-2。

6)超声过滤反应器6：图8是超声过滤反应器的简化示意图，超声过滤反应器6由真空/加气口63，内置超声器62，进液口61，出料口64等组成，下部安有过滤网，进液口61与减压蒸馏超声反应器5-1相连，也能通过此口加入反应所需要的试剂，将减压蒸馏超声反应器5-1中的溶液导入超声过滤反应器6后，可以通过超声反应对该溶液进行过滤使固液分离，经过滤分离的样品分为两部分，液体和固体，根据需要可以获取固体或者液体；如废弃液体，则直接作为废液除去，若保留液体则进入下一个减压蒸馏超声反应器5-2做比如蒸馏浓缩的再处理；若保留固体则可以加入反应溶剂，并通过加料口根据需要在反应过程中加入液体或固体试剂，使过滤后的固体发生反应，加热带缠绕在反应器上，可加热，反应完全后，再次过滤分离，此时的固体废弃，液体利用压差导入减压蒸馏超声反应器5-2进行诸如蒸馏浓缩的再处理。在整个流程中可根据需要安装1至几个这样的反应器6、直至得到所需要的富勒烯样品溶液。

本发明在合成炉生成的烟炱经过收集器2、反应釜3、离心机4、减压蒸馏超声反应器5-1、超声过滤反应器6之后，得到富勒烯样品的溶液，在此过程中，均是连续、密闭、无粉尘污染、无化学污染，因此保证了样品不与空气接触，避免了不稳定样品的化学变化。并且上述各个部件都根据需要设计了多种功能，可以集反应，过滤，超声，蒸馏，进液，出料等功能于一体。

本发明还可以在密闭条件完成获取富勒烯固定纯品的过程，比如，增加平板过滤器7，将减压蒸馏超声反应器5-2或者超声过滤反应器6之后获取的富勒烯样品溶液通过平板过滤器7利用压差直接导入样品瓶8中，然后将样品瓶8中的溶液导入到高效液相色谱仪9中，对富勒烯样品溶液进行分离，得到富勒烯纯品。

本发明通过多个阀门71(这里仅在图2中标记一个阀门71)来控制各个部分的连接与断开，并使用真空泵对需要抽真空的各部分进行抽真空，而加气泵73根据需要对各部分加压或提供惰性气氛，同时提供各个试剂瓶70连接到各部分的进液口或出液口储存整个流程中所用试剂、废液、溶剂等。

优选地，本发明的阀门可以是电控阀门，通过一外部计算机来控制其通断，并且该外部计算机也可以控制合成炉的放电过程，比如说，控制合成炉中用来供应放电电压的电机，还可以控制真空泵和/或加气泵的抽真空和/或加压、加气。

本发明的装置具有以下优点：1)在合成炉的一侧安装密封手套箱，使烟炱的收集是在不暴露空气的条件下进行。炭灰直接进入装有溶剂的收集器中，避免在收集过程中接触外界；2)根据试验要求设计各个分设备，使每一分设备具备多种功能，如进液，出液，真空，惰性气氛，加料等，并使各个分设备之间以管路连接，通过减压或加压，使收集器中的混合液直接进入反应装置，然后依次进入分离或溶剂处理等后续装置。3)各个分设备上加有惰性气氛，使整个流程均在惰性气氛下进行，不与外界相通。4)反应条件可以控制，避免人员操作带来的误差，大大降低操作人员的劳动强度，而且可以提高合成效率。5)各步设有溶剂回收装置，溶剂可回收利用，避免浪费和污染。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种富勒烯制备装置，其特征在于，所述装置包括：

依次相连并通过阀门控制其连接关系的合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器，分别与所述合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器相连并分别通过阀门控制其连接关系的真空泵和加气泵；

其中所述合成炉，用于生成含有富勒烯的烟炱；

其中所述收集器，用于收集所述合成炉中的烟炱并使烟炱与所需溶剂在其中溶解；

其中所述反应釜，用于将所述收集器中的溶液吸入到其中，并使溶液与反应所需要的试剂在其中进行反应；

其中所述离心机，用于对在所述反应釜反应后的溶液进行离心过滤；

其中所述减压蒸馏超声反应器，用于对所述离心机中过滤完的溶液进行蒸馏，并对蒸馏后的固体加入所需溶剂进行超声溶解；

其中所述超声过滤反应器，用于将所述减压蒸馏超声反应器中的溶液加入反应所需试剂进行超声反应，并将反应后的不溶物质过滤掉；

其中所述真空泵，用于根据需要对所述合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器进行抽真空；

其中所述加气泵，用于根据需要对所述合成炉、收集器、反应釜、离心机、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器加压或提供惰性气体。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：通过阀门与所述超声过滤反应器连接的平板过滤器，通过阀门与所述平板过滤器另一端相连的样品瓶以及通过阀门与所述样品瓶相连的高效液相色谱仪。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阀门为电控阀门。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括外部控制设备，用来控制所述电控阀门的通断。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述合成炉为电弧放电合成炉，在所述电弧放电合成炉的一侧下方设有密封手套箱，用来在密闭条件下对所述电弧放电合成炉生成的烟炱进行收集。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括分别与所述收集器、反应釜、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器的进液口相连的试剂瓶，所述试剂瓶通过所述加气泵加压，以使其中的试剂进入到所述收集器、反应釜、减压蒸馏超声反应器以及超声过滤反应器中。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集器的内部置有搅拌器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应釜的外部具有加热套，内部置有搅拌器。

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