CN102897747A - 碳纳米管纯化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纳米管纯化系统，其包括酸洗装置和过滤洗涤装置。所述酸洗装置用于使用盐酸溶液对碳纳米管进行酸洗以使得碳纳米管中的金属杂质与所述盐酸溶液进行反应。所述过滤洗涤装置用于对在所述酸洗装置中反应得到的浆料进行过滤和洗涤以去除该浆料中的酸液并降低浆料中氯离子的含量。这样，通过对碳纳米管的酸洗可以去除其内的金属杂质，提高碳纳米管的纯度。
Description
【技术领域】
本发明涉及碳纳米管的纯化技术，特别涉及一种碳纳米管的纯化系统。
【背景技术】
碳纳米管具有优异的导电、导热及耐腐蚀性能，作为高性能添加剂可应用于锂离子电池正负极材料、塑料、高性能聚合物、涂料等产品中。目前常用化学气相沉积（CVD）制备碳纳米管。然而CVD法使用过渡金属催化剂导致所制备的碳纳米管中往往含有较高含量的金属杂质，比如铁（Fe）杂质，较高的金属含量易引起电池自放电，导致电池内部微短路，存在安全隐患。
因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种碳纳米管纯化系统，其可以降低碳纳米管中金属杂质的含量，提高碳纳米管的纯度。
为了解决上述问题，本发明提供一种碳纳米管纯化系统，其包括酸洗装置和过滤洗涤装置。所述酸洗装置用于使用盐酸溶液对碳纳米管进行酸洗以使得碳纳米管中的金属杂质与所述盐酸溶液进行反应。所述过滤洗涤装置用于对在所述酸洗装置中反应得到的浆料进行过滤和洗涤以去除该浆料中的酸液并降低浆料中氯离子的含量。
进一步的，所述碳纳米管纯化系统还包括有干燥粉碎装置，所述干燥粉碎装置用于对在所述过滤洗涤装置进行过滤洗涤后的浆料进行干燥和粉碎处理以得到碳纳米管粉末。
进一步的，所述碳纳米管纯化系统还包括有第一过滤釜，该第一过滤釜用于过滤并混合输送至其内的的去离子水和盐酸以得到盐酸溶液。
进一步的，所述碳纳米管纯化系统还包括装有去离子水的罐体和装有盐酸溶液的盐酸桶，利用离心泵将所述罐体中的去离子水和所述盐酸桶中的盐酸输送至所述第一过滤釜。
进一步的，所述酸洗装置包括反应釜、搅拌器、恒温器和石墨冷凝器，所述反应釜用于容纳碳纳米管和由所述第一过滤釜提供的盐酸溶液；所述恒温装置用于使所述反应釜保持恒定的反应温度；所述搅拌器用于对所述反应釜中的碳纳米管和所述盐酸溶液进行搅拌；所述石墨冷凝器用于冷凝从所述反应釜中挥发出的盐酸酸雾，并使冷凝后的盐酸回流至所述反应釜。
更进一步的，所述过滤洗涤装置包括第二过滤釜，所述第二过滤釜用于对在所述酸洗装置中反应后得到的浆料进行过滤，并用于对过滤后的浆料进行水洗后再过滤。
更进一步的，所述过滤洗涤装置包括第二过滤釜和超声波洗涤器，所述第二过滤釜用于对在所述酸洗装置中反应后得到的浆料进行过滤；所述超声波洗涤器用于对经所述第二过滤釜过滤后的浆料进行水洗；所述第二过滤釜也用于对经过所述超声波洗涤器水洗后的浆料进行过滤。
更进一步的，所述过滤洗涤装置包括第二过滤釜和板框压滤机，所述第二过滤釜用于对在所述酸洗装置中反应后得到的浆料进行过滤；所述板框压滤机用于对经过所述第二过滤釜过滤后的浆料进行压滤；所述第二过滤釜也用于对经过所述板框压滤机压滤后的浆料进行水洗后再过滤。
更进一步的，所述板框压滤机为塑料板框压滤机。
更进一步的，所述反应釜的壁部是中空的，所述恒温装置向所述反应釜的中空的壁部内提供循环的恒温的液体。
与现有技术相比，本发明中的碳纳米管纯化系统利用盐酸溶液溶解碳纳米管中的金属杂质，以降低碳纳米管中过渡金属杂质的含量，从而提高碳纳米管的纯度。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中的碳纳米管纯化系统在一个实施例中的结构示意图；
图2为本发明中的碳纳米管纯化系统在另一个实施例中的结构示意图；和
图3为本发明中的碳纳米管纯化系统在另一个实施例中的结构示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明中的碳纳米管的纯化设备利用盐酸溶液溶解碳纳米管中的过渡金属杂质，以降低碳纳米管中过渡金属杂质的含量，从而提高碳纳米管的纯度，进而减少以碳纳米管作为正负极材料时电池的自放电，改善电池性能。
请参考图1所示，其为本发明中的碳纳米管纯化系统在一个实施例中的结构示意图。所述碳纳米管纯化系统包括装有去离子水的罐体1、装有盐酸溶液的盐酸桶2、第一过滤釜3、酸洗装置10、过滤洗涤装置11和干燥粉碎装置9。
所述第一过滤釜3用于过滤并混合输送入所述第一过滤釜3内的去离子水和盐酸，以得到盐酸溶液。由于所述第一过滤釜3内设置有过滤器件，比如过滤筛网，其可以对输送入所述第一过滤釜内的去离子水和盐酸进行过滤，以去除杂质，使得到的所述盐酸溶液比较纯净。本实施例中，利用离心泵将罐体1中的去离子水和盐酸桶2中的盐酸输送至所述第一过滤釜3内。
所述酸洗装置10用于使碳纳米管中的金属杂质与所述盐酸溶液进行反应，以将碳纳米管与金属杂质分离，也可以说使碳纳米管中的金属杂质溶于所述盐酸溶液中。在本实施例中，所述酸洗装置10包括反应釜4、搅拌器5、恒温器6和石墨冷凝器7。所述反应釜4用于容纳碳纳米管和由所述第一过滤釜3提供的盐酸溶液。所述恒温装置6用于使所述反应釜4保持恒定的反应温度，以使所述反应釜4中的过渡金属杂质和所述盐酸溶液中的盐酸可以发生充分反应。所述搅拌器5用于对所述反应釜4中的碳纳米管和所述盐酸溶液进行搅拌，使其中的金属杂质与盐酸反应更加充分。所述石墨冷凝器7用于冷凝从所述反应釜4中挥发出的盐酸酸雾，并使冷凝后的盐酸回流至所述反应釜4。
在一个实施例中，所述反应釜4的壁部是中空的，所述恒温装置6向所述反应釜4的中空的壁部内提供循环的恒温的液体。
以下结合图1，具体介绍所述酸洗装置10的工作过程。首先利用离心泵将所述第一过滤釜3中的盐酸溶液输送至所述反应釜4中，同时按比例加入碳纳米管，然后开动搅拌机5和恒温装置6。所述恒温装置6使所述反应釜4的温度升温并保持预定的反应温度，碳纳米管中的金属杂质和所盐酸溶液中的盐酸发生反应。由于盐酸具有挥发性，因此，在所述反应釜4的上部空间会聚集大量的酸雾。开动石墨冷凝器7，通过离心泵将所述反应釜4中的酸雾输送至所述石墨冷凝器7，由所述石墨冷凝器7对该酸雾进行冷凝，并将冷凝后盐酸回流至所述反应釜4中。当所述碳纳米管中的金属杂质和所述盐酸溶液中的盐酸充分反应后，关闭所述搅拌机5、恒温装置6和石墨冷凝器7。此时，所述酸洗装置10的酸洗过程（反应过程）结束，所述反应釜4中为反应（或者酸洗）结束后得到的浆料，该浆料包括碳纳米管和反应后生成的酸液，该酸液包括金属离子和氯离子。
所述过滤洗涤装置11用于对在所述酸洗装置10中反应后得到的浆料进行过滤和洗涤，以去除该浆料中的酸液并降低浆料中氯离子的含量。在本实施例中，所述过滤洗涤装置11包括第二过滤釜8，所述第二过滤釜8用于对在所述酸洗装置中反应后得到的浆料进行过滤，并用于对过滤后的浆料进行水洗和再过滤。以下具体介绍所述过滤洗涤装置11的工作过程。
当所述酸洗装置10的反应过程结束后，打开设置于所述反应釜4底部的阀门，使所述反应釜4中的浆料流入所述第二过滤釜8中，通过第二过滤釜8中设置的过滤器件，比如过滤筛，对该浆料进行过滤，以滤除浆料中的酸液。在对所述浆料过滤时，打开所述第二过滤釜8底部的阀门(当然也可以通过其他方式，比如倒入的方式)，使滤出的酸液流入回收桶（图中未示出）中进行回收，之后关闭所述第二过滤釜8底部的阀门。所述第二过滤釜对其内剩余的浆料进行洗涤和过滤，比如向所述第二过滤釜8中注入去离子水后，进行水洗并过滤。水洗结束后，打开所述第二过滤釜8底部的阀门，使滤出的酸液流入回收桶（图中未示出）中进行回收。所述第二过滤釜8对其内剩余的浆料进行洗涤和过滤后得到的浆料中的氯离子的含量更低。由于碳纳米管对氯离子有较强的吸附性，并且对浆料的洗涤、过滤不完全会导致之后的干燥过程中出现仪器腐蚀等问题，因此，需要在第二过滤釜8中对浆料反复水洗-过滤多次，直到浆料的PH值接近中性，即表明该浆料中的氯离子含量很低。
所述干燥粉碎装置9用于对在所述过滤洗涤装置11进行过滤洗涤后的浆料进行干燥和粉碎处理，以得到纯化后的碳纳米管粉末。由于降低碳纳米管中金属杂质的含量，从而提高了碳纳米管的纯度，进而减少以碳纳米管作为正负极材料时电池的自放电，改善电池性能。
由于碳纳米管对氯离子有较强的吸附性，且洗涤不完全会导致之后的干燥过程中出现仪器腐蚀等问题，因此，在图1所示的实施例中，所述第二过滤釜8对浆料的洗涤过滤的过程中需要反复水洗-过滤多次，需要耗费大量的去离子水，且会产生大量的需回收的酸液。为克服这些问题，本发明提出了另一个实施例的碳纳米管纯化系统。
请参考图2所示，其为本发明中的碳纳米管纯化系统在另一个实施例中的结构示意图。其与图1的区别在于：所述过滤洗涤装置11不仅包括第二过滤釜8，还包括超声波洗涤器12。同样的，所述第二过滤釜8用于对在所述酸洗装置10中反应后得到的浆料进行过滤。所述超声波洗涤器12用于对经所述第二过滤釜8过滤后的浆料进行水洗。所述第二过滤釜8也用于对经过所述超声波洗涤器12水洗后的浆料进行过滤。以下具体介绍所述过滤洗涤装置11的工作过程。当所述酸洗装置10的反应过程结束后，打开设置于所述反应釜4底部的阀门，使所述反应釜4内的浆料流入所述第二过滤釜8内，通过第二过滤釜8内设置的过滤器件，比如过滤筛，对该浆料进行过滤，以滤除浆料中的酸液。在对所述浆料过滤时，打开所述第二过滤釜8底部的阀门，使滤出的酸液流入回收桶（图中未示出）中进行回收，之后关闭所述第二过滤釜8底部的阀门。将所述第二过滤釜8内剩余的浆料输送至所述超声波洗涤器12中进行超声波水洗，比如向所述超声波洗涤器12中注入去离子水，对放入其中的浆料进行超声波水洗，利用超声波振动松弛浆液中碳纳米管和氯离子之间的附着力从而使氯离子从碳纳米管中脱离出来。超声波水洗完成后，将所述超声波洗涤器12中的浆料输送至所述第二过滤釜8中进行过滤，以滤除该浆料中的酸液，水洗并过滤结束后，打开所述第二过滤釜8底部的阀门，使滤出的酸液流入回收桶（图中未示出）中进行回收。经过所述超声波洗涤器12的超声水洗和所述第二过滤釜8过滤后得到的浆料中的氯离子的含量更低。由于碳纳米管对氯离子有较强的吸附性，并且对浆料的洗涤、过滤不完全会导致之后的干燥过程中出现仪器腐蚀等问题。因此，需要对浆料反复超声波水洗-过滤多次，直到浆料的PH值接近中性，即表明该浆料中的氯离子含量很低。
由于利用了超声洗涤浆料，提高了碳纳米管和氯离子的分离效率，极大的降低了水洗的次数，减少了去离子水的使用量，并降低了酸液的排放量，减少了碳纳米管中氯离子残余，避免了干燥设备受到残留酸的腐蚀，改善了碳纳米管在锂电池中的应用。
请参考图3所示，其为本发明中的碳纳米管纯化系统在再一个实施例中的结构示意图。其与图1的区别在于，所述过滤洗涤装置11不仅包括第二过滤釜8，还包括板框压滤机13。同样的，所述第二过滤釜8用于对在所述酸洗装置10中反应后得到的浆料进行过滤。所述板框压滤机13用于对经过所述第二过滤釜8过滤后的浆料进行压滤。所述第二过滤釜8也用于对经过所述板框压滤机13压滤后的浆料进行水洗后再过滤。以下具体介绍所述板框压滤机13的工作过程。当所述酸洗装置10的反应过程结束后，打开设置于所述反应釜4底部的阀门，使所述反应釜4内的浆料流入所述第二过滤釜8内，通过第二过滤釜8内设置的过滤器件，比如过滤筛，对该浆料进行过滤，以滤除浆料中的酸液。在对所述浆料的过滤时，打开所述第二过滤釜8底部的阀门，使滤出的酸液流入回收桶（图中未示出）中进行回收，之后关闭所述第二过滤釜8底部的阀门。将所述第二过滤釜8内剩余的浆料输送至所述板框压滤机13中进行压滤，以提高了碳纳米管和酸液的分离效率。将经过所述板框压滤机13压滤后的浆料输送至所述第二过滤釜8中进行水洗后再过滤，比如向所述第二过滤釜8中注入去离子水后，进行水洗并过滤。在水洗后过滤时，打开所述第二过滤釜8底部的阀门，使滤出的酸液流入回收桶（图中未示出）中进行回收。经过板框压滤机13压滤和所述第二过滤釜8水洗过滤后得到的浆料中的氯离子的含量更低。由于碳纳米管对氯离子有较强的吸附性，并且对浆料的洗涤、过滤不完全会导致之后的干燥过程中出现仪器腐蚀等问题，因此，需要对浆料反复压滤-水洗-过滤多次，直到浆料的PH值接近中性，即表明该浆料中的氯离子含量很低。
为了避免浆料中的酸液对所述板框压滤机13的腐蚀，在一个实施例中，所述板框压滤机13为塑料板框压滤机。
由于利用了板框压滤机压滤浆料，从而有效提高了碳纳米管和氯离子的分离效率，极大的降低了水洗的次数，减少了去离子水的使用量，并降低了酸液的排放量，减少了碳纳米管中氯离子残余，避免了干燥设备受到残留酸的腐蚀，改善了碳纳米管在锂电池中的应用。
在另一实施例中，所述过滤洗涤装置11不仅包括第二过滤釜8和板框压滤机13，其还包括超声波洗涤器12。同样的，所述第二过滤釜8用于对在所述酸洗装置10中反应后得到的浆料进行过滤。所述板框压滤机13用于对经过所述第二过滤釜8过滤后的浆料进行压滤。所述超声波洗涤器12用于对经所述板框压滤机13压滤后的浆料进行超声波水洗。所述第二过滤釜8也用于对经过所述超声波洗涤器12水洗后的浆料进行过滤。以下具体介绍所述板框压滤机13的工作过程。当所述酸洗装置10的反应过程结束后，打开设置于所述反应釜4底部的阀门，使所述反应釜4内的浆料流入所述第二过滤釜8内，通过第二过滤釜8内设置的过滤器件，比如过滤筛，对该浆料进行过滤，以滤除浆料中的酸液。在对所述浆料的过滤时，打开所述第二过滤釜8底部的阀门，使滤出的酸液流入回收桶（图中未示出）中进行回收，之后关闭所述第二过滤釜8底部的阀门。将所述第二过滤釜8内剩余的浆料输送至所述板框压滤机13中进行压滤，以提高了碳纳米管和酸液的分离效率。将经过所述板框压滤机13压滤后的浆料输送至所述超声波洗涤器12中进行超声波水洗，比如向所述超声波洗涤器12中注入去离子水，对放入其中的浆料进行超声波水洗，利用超声波振动松弛浆液中碳纳米管和氯离子之间的附着力从而使氯离子从碳纳米管中脱离出来。超声波水洗完成后，将所述超声波洗涤器12中的浆料输送至所述第二过滤釜8中进行过滤，以滤除该浆料中的酸液，水洗并过滤结束后，打开所述第二过滤釜8底部的阀门，使滤出的酸液流入回收桶（图中未示出）中进行回收。经过板框压滤机13压滤、所述超声波洗涤器12的超声水洗和所述第二过滤釜8过滤后得到的浆料中的氯离子的含量更低。由于碳纳米管对氯离子有较强的吸附性，并且对浆料的洗涤、过滤不完全会导致之后的干燥过程中出现仪器腐蚀等问题，因此，需要对浆料反复压滤-超声波水洗-过滤多次，直到浆料的PH值接近中性，即表明该浆料中的氯离子含量很低。
由于利用了板框压滤机13压滤浆料和所述超声波洗涤器12的超声水洗浆料，从而大大提高了碳纳米管和氯离子的分离效率，极大的降低了水洗的次数，减少了去离子水的使用量，并降低了酸液的排放量，减少了碳纳米管中氯离子残余，避免了干燥设备受到残留酸的腐蚀，改善了碳纳米管在锂电池中的应用。
综上所述，本发明中的碳纳米管纯化系统包括包括第一过滤釜3、酸洗装置10、过滤和洗涤装置11和干燥粉碎装置9。通过一过滤釜3将盐酸和去离子水进行混合，以得到盐酸溶液。所述酸性装置10用于将碳纳米管中的金属杂质溶于所述盐酸溶液中。所述过滤洗涤装置11对所述酸洗装置10酸洗结束后得到的浆料进行过滤和洗涤，以去除该浆料中的酸液并降低浆料中氯离子的含量。所述干燥粉碎装置9用于对在所述过滤洗涤装置进行过滤洗涤后的浆料进行干燥和粉碎处理，以得到纯化后的碳纳米管粉末。由于降低碳纳米管中金属杂质的含量，从而提高了碳纳米管的纯度，进而减少以碳纳米管作为正负极材料时电池的自放电，改善电池性能。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。
Claims (10)
1.一种碳纳米管纯化系统，其特征在于，其包括酸洗装置和过滤洗涤装置，
所述酸洗装置用于使用盐酸溶液对碳纳米管进行酸洗以使得碳纳米管中的金属杂质与所述盐酸溶液进行反应；
所述过滤洗涤装置用于对在所述酸洗装置中反应得到的浆料进行过滤和洗涤以去除该浆料中的酸液并降低浆料中氯离子的含量。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管纯化系统，其特征在于，其还包括有干燥粉碎装置，所述干燥粉碎装置用于对在所述过滤洗涤装置进行过滤洗涤后的浆料进行干燥和粉碎处理以得到碳纳米管粉末。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管纯化系统，其特征在于，其还包括有第一过滤釜，该第一过滤釜用于过滤并混合输送至其内的的去离子水和盐酸以得到盐酸溶液。
4.根据权利要求3所述的碳纳米管纯化系统，其特征在于，其还包括装有去离子水的罐体和装有盐酸溶液的盐酸桶，利用离心泵将所述罐体中的去离子水和所述盐酸桶中的盐酸输送至所述第一过滤釜。
5.根据权利要求1-4任一所述的碳纳米管纯化系统，其特征在于，所述酸洗装置包括反应釜、搅拌器、恒温器和石墨冷凝器，
所述反应釜用于容纳碳纳米管和由所述第一过滤釜提供的盐酸溶液；
所述恒温装置用于使所述反应釜保持恒定的反应温度；
所述搅拌器用于对所述反应釜中的碳纳米管和所述盐酸溶液进行搅拌；
所述石墨冷凝器用于冷凝从所述反应釜中挥发出的盐酸酸雾，并使冷凝后的盐酸回流至所述反应釜。
6.根据权利要求5所述的碳纳米管纯化系统，其特征在于，所述过滤洗涤装置包括第二过滤釜，所述第二过滤釜用于对在所述酸洗装置中反应后得到的浆料进行过滤，并用于对过滤后的浆料进行水洗后再过滤。
7.根据权利要求5所述的碳纳米管纯化系统，其特征在于，所述过滤洗涤装置包括第二过滤釜和超声波洗涤器，
所述第二过滤釜用于对在所述酸洗装置中反应后得到的浆料进行过滤；
所述超声波洗涤器用于对经所述第二过滤釜过滤后的浆料进行水洗；
所述第二过滤釜也用于对经过所述超声波洗涤器水洗后的浆料进行过滤。
8.根据权利要求5所述的碳纳米管纯化系统，其特征在于，所述过滤洗涤装置包括第二过滤釜和板框压滤机，
所述第二过滤釜用于对在所述酸洗装置中反应后得到的浆料进行过滤；
所述板框压滤机用于对经过所述第二过滤釜过滤后的浆料进行压滤；
所述第二过滤釜也用于对经过所述板框压滤机压滤后的浆料进行水洗后再过滤。
9.根据权利要求8所述的碳纳米管纯化系统，其特征在于，所述板框压滤机为塑料板框压滤机。
10.根据权利要求5所述的碳纳米管纯化系统，其特征在于，所述反应釜的壁部是中空的，所述恒温装置向所述反应釜的中空的壁部内提供循环的恒温的液体。
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