CN104071772B - 一种工业化制备氧化石墨的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业化制备氧化石墨的设备，其特征在于所述设备包括搅拌混料装置，淋水反应塔，反应沉降装置，酸洗沉降装置和水洗沉降装置等，利用本发明的设备，应用改进的氧化方法制备氧化石墨，能够安全高效的实现大规模的氧化石墨制备；此外该工业化制备氧化石墨的设备还包括硫酸沸腾回收塔和盐酸沸腾回收塔分别回收浓硫酸和盐酸，实现了反应副产物的回收，避免了环境污染，有效地降低了生产成本。

Description

一种工业化制备氧化石墨的设备

技术领域

本发明涉及一种制备氧化石墨的设备。属于无机化合物碳材料的制备设备的技术领域。

背景技术

石墨烯作为新兴的碳族材料从发现之初便以其优良的性质包括优异的电学、热学和机械性能引起科学界的广泛关注，具有极其广阔的应用前景。氧化石墨（GrapheneOxide, GO）作为石墨烯的重要的一种衍生物同样得到了广泛的研究，普遍认为通过还原GO是大规模制备石墨烯的有效途径。同时，由于GO具有极大的比表面积、表面带有丰富的含氧基团（如羟基、羧基及环氧基团等等）通过现有技术容易对其进行化学修饰，从而使GO被广泛用于制备各种石墨烯-有机物复合材料或者石墨烯-无机物复合材料。

化学方法是目前大规模高效制备石墨及其衍生物的有效方法，实现从石墨到石墨烯及其衍生物的过程中最大的障碍是如何克服石墨层之间的范德华力，迄今为止，采用化学剥离石墨的主要策略是利用夹层分子、衍生化学基团、热膨胀分裂、氧化还原以及表面活性剂等减弱层与层之间的范德华力，从而实现石墨层的分离形成层数较少甚至单层的石墨及其衍生物。其中最常用的剥离石墨的方法是利用强的氧化剂将石墨氧化为GO。尽管石墨烯的结构难以细致的检测，但显然原先连续的单层石墨晶格被环氧基团、醇、酮羟基及羟基中断，1859年，Brodie通过向在发烟硝酸中的石墨浆中加入一定量的氯酸钾，首次制备氧化石墨；1898年，Staudenmaier通过在该过程中加入浓硫酸，与发烟硝酸一同作用，有效的提高了单次反应中石墨的氧化程度；1958年，Hummers等提出了更有效的制备氧化石墨的方法，即利用高锰酸钾和硝酸钠与浓硫酸共同作用制备氧化石墨。但在此过程中产生有毒气体NO2、N2O4和ClO2，甚至可能引起爆炸。

如前所述，按照目前的氧化石墨的制备条件，由于其反应物氧化性极强，反应放热量极大，难以实现大规模制备，目前现有技术中还没有相应设备适用于工业化生产；并且该反应的反应副产物多为强酸，其排放将造成严重的环境污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一套制备氧化石墨的设备并利用改进的氧化方法制备氧化石墨，利用本发明的设备，能够安全高效的实现大规模的氧化石墨制备，并且本发明实现了反应副产物的回收，避免了环境污染，有效地降低了生产成本。

本发明具体公开了一种制备氧化石墨的设备：

一种工业化制备氧化石墨的设备，其特征在于所述设备包括搅拌混料装置，淋水反应塔，反应沉降装置，酸洗沉降装置和水洗沉降装置；其中搅拌混料装置的第一出料口与淋水反应塔通过第一蠕动泵相连接，淋水反应塔通过节流阀与反应沉降装置相连接，反应沉降装置通过第二蠕动泵与酸洗沉降装置相连接，酸洗沉降装置通过第三蠕动泵与水洗沉降装置相连接。

所述搅拌混料装置顶部设有加料口；所述反应沉降装置顶部设有双氧水入口和第一溢流泵；所述酸洗沉降装置顶部设有第一料浆入口、盐酸入口和第二溢流泵；所述水洗沉降装置顶部设有第二料浆入口、去离子水入口和第三溢流泵，底部设有出料蠕动泵和与之相连接的第二出料口。

该工业化制备氧化石墨的设备还包括硫酸沸腾回收塔和盐酸沸腾回收塔；其中硫酸沸腾回收塔的入口与反应沉降装置的第一溢流泵出口相连接，硫酸沸腾回收塔的水蒸气出口与淋水反应塔的淋水器入口相连接，硫酸沸腾回收塔底部设有硫酸回收出口；盐酸沸腾回收塔的入口与酸洗沉降装置和水洗沉降装置分别通过第二溢流泵和第三溢流泵相连接，盐酸沸腾回收塔的盐酸出口设有冷却装置。

所述搅拌混料装置顶部设有3个加料口，分别作为石墨、浓硫酸和高锰酸钾的加料口。

所述搅拌混料装置外壁设有水冷套。

所述搅拌混料装置包括搅拌杆、搅拌桨、交流感应电机和转速控制设备。

所述搅拌混料装置内壁为抗氧化抗腐蚀材料制成。

所述搅拌混料装置内壁为聚四氟乙烯材料或硼硅玻璃。

本发明弥补了现有技术中所缺少的工业化制备氧化石墨的设备，并进一步具有以下优点：

1.通过对通用化工设备的组合和改装，形成高效和安全的氧化石墨设备，节约了生产成本；

2.通过有效利用各个生产环节中产生的热量，简化了散热、供热管路；

对反应副产物进行了有效回收利用，避免污染物的排放，防止了环境污染。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

附图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

一种工业化制备氧化石墨的设备，其特征在于所述设备包括搅拌混料装置1，淋水反应塔2，反应沉降装置3，酸洗沉降装置4和水洗沉降装置5；其中搅拌混料装置1的第一出料口14与淋水反应塔2通过第一蠕动泵15相连接，淋水反应塔2通过节流阀22与反应沉降装置3相连接，反应沉降装置3通过第二蠕动泵33与酸洗沉降装置4相连接，酸洗沉降装置4通过第三蠕动泵45与水洗沉降装置5相连接。

搅拌混料装置1外壁设有水冷套12，内壁为聚四氟乙烯材料或硼硅玻璃材料，其顶部设有加料口11，设备运行前将石墨、浓硫酸和高锰酸钾分别投入加料开11，之后关闭加料口，启动搅拌混料装置1，设置转速控制设备，使搅拌桨转速在500~5000转/分钟下运行，搅拌1~48小时；

将搅拌混料装置1中充分混合好的原料从第一出料口14排出经由第一蠕动泵15送入淋水反应塔2，开启淋水器21，使原料与水逐步接触反应，生成氧化石墨原始浆料，其中包括未反应的硫酸、高锰酸钾和未氧化的石墨等杂质；

淋水反应塔2产出的氧化石墨原始浆料经由节流阀22滴入反应沉降装置3，同时，通过设置在反应沉降装置3顶部的双氧水入口31滴加10%~30%的双氧水，使双氧水与残留的高锰酸钾反应，待反应完全，静置沉降2~48小时；开启设置于反应沉降装置3顶部的第一溢流泵，将上层清液抽出，收集作为硫酸回收液；

反应沉降装置3中充分沉降形成的浆料由第二蠕动泵33经酸洗沉降装置4顶部设有第一料浆入口41送入酸洗沉降装置4中，同时通过酸洗沉降装置4顶部设置的盐酸入口42加入稀盐酸，静置沉降2~48小时；开启设置于酸洗沉降装置4顶部的第二溢流泵44，将上层清液抽出，收集作为盐酸回收液；

酸洗沉降装置4中充分沉降形成的浆料由第三蠕动泵45经水洗沉降装置5顶部设有第二料浆入口51送入水洗沉降装置5中，同时通过水洗沉降装置5顶部设置的水入口52加入水，静置沉降2~48小时；开启设置于水洗沉降装置5顶部的第三溢流泵53，将上层清液抽出，收集作为盐酸回收液；之后开启设置于其底部的出料蠕动泵54，收集与之相连接的第二出料口55排出的浆料，即为氧化石墨。

实施例2

一种工业化制备氧化石墨的设备包括实施例1中的全部特征，于实施例不同的是，该设备还包括硫酸沸腾回收塔6和盐酸沸腾回收塔7；

硫酸沸腾回收塔6的入口与反应沉降装置3的第一溢流泵34出口相连接，首先将反应沉降装置3中抽出的上清液作为硫酸回收液送入硫酸沸腾回收塔6中，其次将沸腾塔升温至90~110摄氏度，所产生的由水蒸气出口进入淋水反应塔2的淋水器21入口，作为淋水反应塔中的原料水，硫酸沸腾回收塔6底部设有硫酸回收出口61，收集浓硫酸，作为原料循环利用；

盐酸沸腾回收塔7的入口与酸洗沉降装置4和水洗沉降装置5分别通过第二溢流泵44和第三溢流泵53相连接，将酸洗沉降装置4和水洗沉降装置5中的上清液交替抽入盐酸沸腾回收塔7，将沸腾塔升温至90~100摄氏度，分离出的盐酸溶液经冷却装置71冷凝后从出口72排出，作为稀盐酸循环利用。

Claims (6)

1.一种工业化制备氧化石墨的设备，其特征在于所述设备包括搅拌混料装置（1），淋水反应塔（2），反应沉降装置（3），酸洗沉降装置（4）和水洗沉降装置（5）；其中搅拌混料装置（1）的第一出料口（14）与淋水反应塔（2）通过第一蠕动泵（15）相连接，淋水反应塔（2）通过节流阀（22）与反应沉降装置（3）相连接，反应沉降装置（3）通过第二蠕动泵（33）与酸洗沉降装置（4）相连接，酸洗沉降装置（4）通过第三蠕动泵（45）与水洗沉降装置（5）相连接；还包括硫酸沸腾回收塔（6）和盐酸沸腾回收塔（7）；其中硫酸沸腾回收塔（6）的入口与反应沉降装置（3）的第一溢流泵（34）出口相连接，硫酸沸腾回收塔（6）的水蒸气出口与淋水反应塔（2）的淋水器（21）入口相连接，硫酸沸腾回收塔（6）底部设有硫酸回收出口（61）；盐酸沸腾回收塔（7）的入口与酸洗沉降装置（4）和水洗沉降装置（5）分别通过第二溢流泵（44）和第三溢流泵（53）相连接，盐酸沸腾回收塔（7）的盐酸出口（72）设有冷却装置（71）；所述搅拌混料装置（1）内壁为抗氧化抗腐蚀材料制成。

2.根据权利要求1所述的工业化制备氧化石墨的设备，其特征在于所述搅拌混料装置（1）顶部设有加料口（11）；所述反应沉降装置（3）顶部设有双氧水入口（31）和第一溢流泵（34）；所述酸洗沉降装置（4）顶部设有第一料浆入口（41）、盐酸入口（42）和第二溢流泵（44）；所述水洗沉降装置（5）顶部设有第二料浆入口（51）、水入口（52）和第三溢流泵（53），底部设有出料蠕动泵（54）和与之相连接的第二出料口（55）。

3.根据权利要求2所述的工业化制备氧化石墨的设备，其特征在于所述搅拌混料装置（1）顶部设有3个加料口，分别作为石墨、浓硫酸和高锰酸钾的加料口。

4.根据权利要求1所述的工业化制备氧化石墨的设备，其特征在于所述搅拌混料装置（1）外壁设有水冷套（12）。

5.根据权利要求1所述的工业化制备氧化石墨的设备，其特征在于所述搅拌混料装置（1）包括搅拌杆、搅拌桨、交流感应电机和转速控制设备。

6.根据权利要求1所述的工业化制备氧化石墨的设备，其特征在于所述搅拌混料装置（1）内壁为聚四氟乙烯材料或硼硅玻璃。