CN105502349A - 三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法，应用在混合物经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程中，在碱化过程中，采用碱性较小的碱性溶液来进行碱化处理，在碱化之后采用过滤设备并结合纯净水对碱化的混合溶液过滤清洗，从而可以去除混合物中的硅杂质，为后续的进一步纯化提供了有利条件；本发明的碱化方法，由于采用碱性较小的碱性溶液，并结合较少的工艺步骤，避免了大量的反复的间歇性过滤清洗，可以减小对碱化设备的腐蚀损伤，延长其使用寿命，节约了成本；并且，有效地去除了混合物中的硅杂质，提高了纯化率。

Description

三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法

技术领域

本发明涉及化工工艺技术领域，具体涉及一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法。

背景技术

石墨烯是由单层SP²杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，其结构稳定，具有优良的导电导热特性、良好的机械特性，因而得到了广泛的研究。石墨烯已经被制备出来并应用在能源存储、透明电极、机械驱动器等领域。为了能够进一步开发石墨烯的潜在应用，尤其在能量存储转化方面，除了二维石墨烯薄膜外，三维石墨烯结构也已经能够制备出来，并且，近年来三维石墨烯包覆氧化物、碳材料等复合材料开始得到广泛研究，例如，三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石，由于三维石墨烯的包覆，显著提高了被包覆的纳米金刚石材料的导电率，并且结合了石墨烯的优良特性，这些复合物的的导电性能会显著增加，在催化、电容器、和储能方面也表现出优良的性能，已成为物理和半导体电子研究领域的国际前沿和热点之一。

通常，三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备采用热膨胀法等方法，在制备该材料之后，在所得到的混合溶液里还有其它杂质，例如，不定形碳、残留金属杂质或金属离子、硅杂质等，因此，需要对该材料的混合溶液进行纯化处理，将三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料提取出来，得到纯度较高的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

现有的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化方法中包括高温高压条件下，采用强酸和强碱间歇振荡纯化，例如，采用硝酸或硫酸、和双氧水的混合溶液或王水等，通过反复振荡分离、过滤以达到纯化的目的。

然而，采用强碱对纯化的设备具有强烈的腐蚀性，再加上需要反复大量的间歇性过滤清洗过程才能将杂质排除，这样造成设备的使用寿命的缩短，以及生产成本的增加；并且，上述方法得到纯化率并不高，甚至需要大量的反复过滤，增加了生产时间，从而降低了生产效率，进一步增加了生产成本。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法，从而避免大量反复的间歇性过滤清洗，以达到提高纯化率和减少对设备的腐蚀的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法，应用于含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的混合物进行纯化过程中，其特征在于，所述纯化过程包括对所述混合物进行磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程；所述碱化方法采用酸化设备和过滤设备，其包括：

步骤01：将经氧化过程的所述混合物置于碱化设备中；

步骤02：在常温常压下，采用碱性溶液对所述混合物进行碱化处理；

步骤03：经一定的碱化时间后，将经碱化处理的混合溶液置于过滤设备中；

步骤04：采用纯净水和过滤设备对所述混合溶液进行过滤清洗，从而将所述混合物中的微量金属杂质去除。

优选地，所述碱性溶液为稀释的氢氧化钠，所述稀释的氢氧化钠的浓度为5-40％。

优选地，所述碱化时间为1-5小时。

优选地，所述过滤设备的过滤孔径为10-200纳米。

优选地，所述纯净水的电导率小于5μs/cm。

优选地，所述步骤04中，所述过滤清洗过程包括：向所述过滤设备中加入纯净水对混合溶液进行反复过滤清洗，直至所述混合溶液的PH值在3-9之间即完成过滤清洗。

本发明的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法，应用在混合物经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程中，在碱化过程中，采用碱性较小的碱性溶液来进行碱化处理，在碱化之后采用过滤设备并结合纯净水对碱化的混合溶液过滤清洗，从而可以去除混合物中的金属粒子杂质，为后续的进一步纯化提供了有利条件；本发明的碱化方法，由于采用碱性较小的碱性溶液，避免了大量重复的间歇性过滤清洗过程，可以减小对碱化设备的腐蚀损伤，延长其使用寿命，节约了成本；并且，有效地去除了混合物中硅杂质，提高了纯化率。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法的流程示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的碱化方法的设备关系图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

如前所述，现有的纯化方法，需要在高温高压条件下，采用强酸进行间歇性振荡分离，不仅严重腐蚀设备缩短设备寿命，增加工艺时间和增加工艺成本，而且纯化效果也不理想，往往需要大量地反复分离，进一步增加了生产成本；为此本发明提出了一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法，经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程中，其碱化过程，采用碱性较小的碱性溶液来进行碱化处理，在碱化之后采用过滤设备并结合纯净水对碱化的混合溶液过滤清洗，从而可以去除混合物中的金属粒子杂质，为后续的进一步纯化提供了有利条件。

本发明的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备可以采用含能材料反应法等现有的方法，本发明对此不再赘述。

本发明对制备好的含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的混合物进行纯化，纯化过程包括对混合物进行磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程，例如，纯化过程可以包括依次进行磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程，还可以包括依次进行磁分离、酸化、氧化、碱化、再酸化和重液分离过程中；其碱化过程的碱化方法中采用碱化设备和过滤设备碱化；碱化方法包括：

步骤01：将经氧化过程的混合物置于碱化设备中；

步骤02：在常温常压下，采用碱性溶液对混合物进行碱化处理；

步骤03：经一定的碱化时间后，将经碱化处理的混合溶液置于过滤设备中；

步骤04：采用纯净水和过滤设备对混合溶液进行过滤清洗，从而将混合物中的微量金属杂质去除。

需要说明的是，这里的碱化过程可以是一次碱化处理，也可是多次碱化处理，本发明的碱化方法可以应用于每次碱化处理中。

以下将结合附图1-2和具体实施例对本发明的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法作进一步详细说明。其中，图1为本发明的一个较佳实施例的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法的流程示意图；图2为本发明的一个较佳实施例的碱化方法的设备关系图。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

本发明中，对三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料进行制备过程可以具体包括：

步骤L1：设计配方；配方包括各种原料的配比，本实施例中，配方由如下原料组成：三硝基甲苯；黑索金/奥克托金；金属。各原料的配比可以根据实际工艺需要来设定。例如，重量百分比为20的三硝基甲苯；重量百分比为60％的黑索金，以及20％的金属。

步骤L2：根据配方制备出含能材料；

具体的，可以将配方中的各原料混合均匀，然后压制成型，即为含能材料。这里需要说明的是，含能材料可以包括炸药、点火药、起爆药等。

步骤L3：将含能材料装入反应腔中；

具体的，含能材料可以浸入含水容器中，然后将含水容器吊在反应腔中；

步骤L4：触发含能材料合成三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料；

具体的，触发含能材料的方法有很多种，比如雷管触发。通过反应产生的高能量，使游离碳反应形成三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料；同时，不可避免地会产生不定形碳、硅、金属粒子等杂质，使得产物为包含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的混合物；需要对该混合物进行纯化，以得到纯度较高的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

需要说明是，本发明中的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料还可以采用现有的方法，这是为本领域技术人员可以知晓的，本发明对此不再赘述。

本实施例中的纯化过程包括：

对上述得到的含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的混合物依次进行磁分离过程、酸化、氧化、碱化和重液分离过程；

其中，磁分离过程可以采用磁力分离设备a和自动控制装置，磁分离过程可以初步去除混合物中的大块金属杂质；酸化过程可以在常温常压下进行，将混合物置于酸性溶液中，采用的酸性反应物可以为弱酸，也可以为稀释的强酸，比如，亚硫酸，碳酸，次氯酸，氢硫酸等弱酸，或稀释的盐酸等，这是因为稀释的强酸的腐蚀性相对减小，最大限度的减小对酸性设备的腐蚀损伤；该酸化过程可以将混合物中的金属粒子杂质去除包括去除微量金属元素，例如，Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn等；氧化过程可以在常温常压条件下进行，将混合物置于氧化性溶液中，采用的氧化性溶液可以为硫酸、高锰酸钾、或双氧水等进行氧化还原反应；该氧化过程可以将混合物中的不定形碳去除；重液分离过程可以为离心过程，在常温常压条件下进行，采用高转速离心设备，比如，自卸式高转速离心机。转速可以为10000-30000转/分钟，时间可以为30-300秒，从而将混合物提取出来。重液分离过程可以去除混合物中的水分，达到对混合物进行干燥处理的目的。

该纯化过程还可以包括再酸化过程，再酸化过程是为了进一步去除残留在混合物中的微量金属离子包括前续的氧化过程所残留的K离子、Mn离子等。可以在常温常压下，采用弱酸溶液或稀释的强酸溶液，在酸化反应腔中进行，所采用的弱酸溶液可以为亚硫酸，碳酸，次氯酸，氢硫酸等，或稀释的盐酸。例如，浓度小于15％的稀盐酸，在常温常压条件下，再酸化时间为1-5个小时；然后再过滤。

请参阅图1和2，本实施例中的碱化方法，采用了碱化设备和过滤设备，该碱化方法具体包括：

步骤01：将经氧化过程的混合物置于碱化设备a中；

具体的，经过氧化过程之后，混合物中依然存在硅等杂质，因此，该氧化过程主要是将硅杂质去除。

步骤02：在常温常压下，采用碱性溶液对混合物进行碱化处理；

具体的，在常温常压下，将混合物置于碱性溶液中，所采用碱性反应物可以为稀释的强碱溶液，也可以为弱碱溶液，例如，NH₃·H₂O等，或稀释的氢氧化钠；如图2所示，这里碱化过程在碱化设备a的碱化反应腔中进行，可以采用浓度小于40％的氢氧化钠，例如，氢氧化钠的浓度为5-40％，在常温常压条件下，碱化时间为1-5个小时。这里，碱化设备可以是耐碱反应釜，配合电导仪一起使用。

步骤03：经一定的碱化时间后，将经碱化处理的混合溶液置于过滤设备中；

具体的，本实施例中的碱化时间可以为1-5个小时。

步骤04：采用纯净水和过滤设备b对混合溶液进行过滤清洗，从而将混合物中的微量金属杂质去除。

具体的，过滤设备b可以为陶瓷膜，从而可以采用陶瓷膜和纯净水对混合溶液进行过滤清洗，从而去除硅杂质。这里，陶瓷膜c的过滤孔的孔径可以为10-200纳米，纯净水的电导率可以小于5μs，所洗的混合溶液的PH值在3-9之间；可以采用自控装置来控制这一过程，本发明对此不作限制。

本实施例中，该过滤清洗过程包括：向过滤设备中加入纯净水对混合溶液进行反复过滤清洗，直至混合溶液的PH值在3-9之间即完成过滤清洗。

该碱化过程可以将混合物中的硅杂质去除，反应原理为：碱性反应物与硅杂质反应生成硅酸盐而溶于碱性溶液，从而将硅杂质由固态变为液态，进一步经过滤将其分离出去。

综上所述，通过本发明的碱化方法，由于采用碱性较小的碱性溶液，并且处理步骤和过程减少，避免了大量重复间歇性的过滤清洗，可以减小对碱化设备的腐蚀损伤，延长其使用寿命，节约了成本；并且，有效地去除了混合物中的硅杂质，提高了纯化率。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (6)

1.一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的碱化方法，对含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的混合物进行纯化，其特征在于，所述纯化过程包括对所述混合物进行磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程；所述碱化方法采用碱化设备和过滤设备，其包括：

步骤01：将经所述氧化过程的所述混合物置于所述碱化设备中；

步骤02：在常温常压下，采用碱性溶液对所述混合物进行碱化处理；

步骤03：经一定的碱化时间后，将经碱化处理的混合溶液置于过滤设备中；

步骤04：采用纯净水和过滤设备对所述混合溶液进行过滤清洗，从而将所述混合物中的硅去除。

2.根据权利要求1所述的碱化方法，其特征在于，所述碱性溶液为稀释的氢氧化钠溶液，所述稀释的氢氧化钠溶液的浓度为5-40％。

3.根据权利要求1所述的碱化方法，其特征在于，所述碱化时间为1-5小时。

4.根据权利要求1所述的碱化方法，其特征在于，所述过滤设备的过滤孔径为10-200纳米。

5.根据权利要求1所述的碱化方法，其特征在于，所述纯净水的电导率小于5μs/cm。

6.根据权利要求1所述的碱化方法，其特征在于，所述步骤04中，所述过滤清洗过程包括：向所述过滤设备中加入纯净水对混合溶液进行反复过滤清洗，直至所述混合溶液的PH值在3-9之间即完成过滤清洗。