CN108926881A - 一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学工程与技术领域，尤其涉及一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置及方法，所述装置包括转子，定子和旋转渗滤床，所述旋转渗滤床固定于转子内腔中心位置，并与定子转动连接；所述旋转渗滤床设有旋转填充床，所述旋转填充床内填充有二维材料本体相颗粒；所述旋转渗滤床外壁设有若干渗滤孔；所述旋转渗滤床底部距离轴心相等位置处对称设有若干孔道；所述旋转渗滤床沿中心轴上端设有进料口，所述进料口与贯穿旋转渗滤床中心轴的喷淋装置相连接，所述喷淋装置外壁设有若干喷淋孔；所述定子设有上出料口和下出料口。本发明通过连续超重力旋转渗滤床装置，使从连续超重力离心分离装置中流出的澄清液中少层二维纳米薄片与剥离溶剂之间实现快速分离。

Description

一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置及方法

技术领域

本发明涉及化学工程与技术领域，尤其涉及一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置及方法。

背景技术

超重力技术产生于二十世纪八十年代初，超重力场具有显著强化化工过程中动量、质量和热量传递的特性，在地球正常重力场条件下我们通常是借助离心力的作用形成超重力场。二维纳米材料以其独特的性质得到广泛的关注，相关制备和应用的研究近年来呈现井喷式上升发展。这些材料的优异性质使其在能源存储、吸附、催化、光电等方面展现出巨大的应用潜力。以石墨烯为例，单层石墨烯拥有高体征迁移率、大比表面积、优异的力学强度、高透光性，在诸多高技术领域具有广阔的应用前景。尽管二维纳米材料展现出诱人的前景，但是制约其发展的瓶颈在于规模化、高质量制备大片层的二维纳米材料。液相剥离法是最可能实现规模化、高质量制备大片层二维纳米材料的方法，液相剥离下来的二维纳米材料可以均匀分散于剥离溶剂中，而未剥离的本体相则仍然是以固态形式存在，二者之间存在着剥离过程的热力学平衡，只有将二者之间完全分离开来，才能打破这个平衡，使剥离过程快速进行。

二维纳米材料与剥离溶剂之间的分离实际上是纳米薄片之间通过软团聚实现浓缩的过程。在传统的过滤操作中，由于滤膜表面孔隙很容易被二维纳米材料堵住，因此，传统的过滤过程能耗很高，分离速率极慢。

发明内容

本发明为了克服传统二维纳米材料剥离方法能耗高，分离速率极慢，无法实现高质量规模化生产的问题，提供了一种结构简单、操作方便、能够实现少层二维纳米薄片与剥离溶剂之间实现快速分离的连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置。

本发明还提供了一种机械能转化效率高、顺流特性好、能够实现在液相中高效、规模化、高质量剥离出大片层的二维纳米材料的连续超重力渗滤分离二维纳米材料的方法。

本发明中将二维纳米材料的层数少于5层以下的，称为少层二维纳米材料。本发明所述方法在使用过程中必须满足的前提条件是：待分离的液相中只含有少层二维纳米材料，二维材料本体相已经被完全分离干净。高分散的少层二维纳米材料澄清液的浓度通常在0.01 mg/mL附近，也就意味着每分离出1 kg的少层二维纳米材料，就要分离出体积约100m³的剥离液。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，包括转子，定子和旋转渗滤床，所述旋转渗滤床固定于转子内腔中心位置，并与定子转动连接；所述旋转渗滤床设有旋转填充床，所述旋转填充床内填充有二维材料本体相颗粒；所述旋转渗滤床外壁设有若干直径为1mm的渗滤孔；所述旋转渗滤床底部距离轴心相等位置处对称设有若干孔径为1mm的孔道；所述旋转渗滤床沿中心轴上端设有进料口，所述进料口与贯穿旋转渗滤床中心轴的喷淋装置相连接，所述喷淋装置外壁设有若干喷淋孔，用于将料液均匀喷洒到旋转渗滤床体的内表面上；所述定子设有上出料口和下出料口，每个出料口都设置了阀门。转子通过马达控制实现旋转。

本发明的连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置与超重力离心分离装置共同使用可以实现连续超重力渗滤分离二维纳米材料的分离，所述超重力离心分离装置并不属于本发明范畴，具体结构参照申请号：201810575493X，专利名称：一种连续超重力分离二维纳米材料的方法与装置。

作为优选，所述旋转填充床内对称设置了若干块第一挡板，所述定子内壁对称设置了若干块第二挡板；所述第一挡板的宽度为30~70mm，优选为30~50 mm；所述第二挡板的宽度为3~10mm，优选为3~5mm。

第一挡板的作用是用于在渗滤过程中防止二维材料本体相颗粒滑移以及在洗脱过程中促进料液与填充床颗粒之间的混合；第二挡板的作用是阻止甩到内壁上的料液沿内壁的切线方向形成环流流动。

作为优选，所述二维材料本体相颗粒的粒度范围控制在50~300目。

作为优选，所述旋转填充床中二维材料本体相颗粒的堆积厚度控制在100~200mm，优选为100~150 mm。

作为优选，所述喷淋装置为圆筒状结构，所述喷淋孔沿喷淋装置轴向和径向的分布，径向为列，轴向为排；优选为径向每隔90°一列孔，相邻两列孔之间沿径向错开45°，沿轴向共有8排孔，每排相邻孔之间的距离为10mm。

作为优选，所述旋转填充床内、外侧和孔道分别设有300目的筛网。旋转填充床内、外侧的筛网将二维材料本体相颗粒限定在所构成的圆环状腔体内，无论是在渗滤或脱洗过程中，筛网内的颗粒都不会随着料液从筛网或孔道处漏出。

作为优选，所述孔道的直径为10~20mm，优选为10~15 mm；所述孔道的数量为4~8个，优选为4~6个。

一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的方法，采用上述装置实现，包括以下步骤：

（1）超重力渗滤过程：

关闭上出料口，打开下出料口，将含少层二维纳米材料的待分离液通入连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置中的旋转渗滤床的中心位置，打开转子带动旋转渗滤床高速旋转，最大超重力水平控制在500~1000 g，优选为500~800 g。待分离液中内少层二维纳米材料吸附于旋转填充床，剩余的溶液从旋转渗滤床外壁的渗滤孔甩出，经定子的下出料口流出，当旋转渗滤床内吸附的二维纳米薄片质量达到设定值时，停止上述操作过程；

该待分离液在穿过旋转渗滤床的旋转填充床过程中，待分离液从喷淋孔喷出后先喷射到高速旋转的内筛网上，然后以无数微小液滴的形式被均匀地甩到旋转渗滤床层的内表面，这些微小液滴以很薄的液膜形式穿过旋转渗滤床层，所含少层二维纳米薄片被旋转填充床中的孔缝阻挡，并快速附着在颗粒层的内表面不断堆积形成软团聚体。旋转填充床中的孔隙被逐渐填满的过程中，待分离液穿过床层的阻力会逐渐增大，因此，需要逐步提高旋转床的转速，使旋转床的超重力场强度逐步增强，进而提高澄清液穿过床层所需的超重力势能。从旋转床层中被高速甩出的溶液中完全不含有少层二维纳米薄片，这些液滴汇集在定子的内表面形成液流，由于定子的内表面对称设置有多个第二挡板，因此不会形成环流，这些液流从装置的下出料口不断流出。

（2）洗脱过程：

关闭下出料口，打开上出料口，将洗液填充满旋转渗滤床内，打开转子带动旋转渗滤床低速旋转，每隔几十秒钟旋转方向颠倒一次，旋转填充床内吸附的二维纳米材料被不断脱洗，旋转渗滤床层中的所有颗粒被带动起来悬浮于脱洗液中，颗粒表面附着的二维纳米薄片被不断脱洗下来，这些脱洗下来的二维纳米薄片以软团聚的方式聚集在一起悬浮于溶液中，得到少层二维纳米材料软团聚体浆液，并从旋转渗滤床的孔道流出，从定子的上出料口流出，进入超重力离心分离装置中；（3）循环渗滤分离：

通过超重力离心分离装置，实现少层二维纳米材料软团聚体浆液与洗液快速分离，二维纳米薄片软团聚体浓缩液从超重力离心分离装置的上出料口被不断排出并收集起来，洗液从下出料口回流至连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置中的旋转渗滤床中，不断重复步骤（1）和步骤（2），直至从超重力离心分离装置的上出料口中出来的料液为清液，即实现含少层二维纳米材料的待分离液中二维纳米材料的分离。

本发明的核心是通过连续超重力旋转渗滤床装置，使从连续超重力离心分离装置中流出的澄清液中少层二维纳米薄片与剥离溶剂之间实现快速分离。

作为优选，步骤（1）中，每隔一段时间测定进料口和下出料口处料液中所含二维纳米材料的浓度，根据浓度的变化确定旋转填充床内吸附的二维纳米薄片质量；观察下出料口的剥离液颜色的变化，如果剥离液颜色发生变化，将旋转渗滤床的转速向上提高一个档次，当旋转渗滤床内吸附的二维纳米薄片质量达到设定值时，停止上述操作过程。

作为优选，步骤（2）中，旋转渗滤床内二维材料本体相颗粒与洗液混合形成悬浮液，所述悬浮液的旋转厚度控制在150~300 mm，优选为150~200 mm；所述旋转渗滤床的转速控制在10~50 rpm，优选为20~40 rpm之间。

作为优选，在脱洗过程中，从超重力离心分离装置的上、下出料口出料时少层二维纳米材料软团聚体浆液和澄清料液流量比为1∶（5~20）。

因此，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明的装置中旋转渗滤床的渗滤层孔缝多、孔缝分布宽、孔缝空隙率大；在高速旋转的渗滤层中，液体以发散的方式向外流通，液体流阻小；

（2）液体在超重力渗滤层中所获得的超重力势能可直接转化为液体穿过渗滤层所需动能，机械能转化效率高；

（3）随着渗滤层中少层二维纳米薄片填充量的逐渐增大，液体流经渗滤层的流动阻力增加得十分缓慢，这主要是因为在超重力场中液体主要以超薄液膜的形式沿径向铺开，并沿轴向流动，即使非常细小的缝隙，液膜也容易穿过；

（4）在超重力渗滤过程中，二维纳米薄片具有良好的顺流特性，在超薄液膜中的二维纳米薄片流经很窄的渗滤层孔缝时，很容易被阻挡并快速附着在渗滤层颗粒的表面；

（5）在超重力渗滤过程结束后，脱洗渗滤层中少层二维纳米材料非常容易，这是因为渗滤层颗粒在洗液中可以高度的分散，颗粒与少层二维纳米薄片之间的附着力很弱，简单的脱洗操作就可以将绝大部分吸附的少层二维纳米材料软团聚体连续脱洗出来。

附图说明

图1是实施例中连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置超重力渗滤示意图。

图2是实施例中连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置洗脱过程的示意图。

图中：转子1，定子2，旋转渗滤床3，旋转填充床4，筛网5，渗滤孔6，孔道7，进料口8，喷淋装置9，喷淋孔10，第一挡板11，第二挡板12，上出料口13，下出料口14。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。

以剥离制备少层石墨烯材料的过程作为具体实施例加以说明，采用异丙醇水溶液（英文缩写：IPA）作为剥离剂，该溶液的比重为0.95至0.96 g/mL，以鳞片状石墨为原料。

具体操作步骤如下：从连续剥离装置中流出的石墨浆液中石墨浓度为0.8%，所含少层石墨烯浓度在0.01 mg/mL与0.02 mg/mL之间波动，石墨浆液的流量为12 L/min，该石墨浆液首先进入连续超重力分离机，从连续超重力分离机上出口流出的是石墨本体相浆液，其流量为12 L/min，从连续超重力分离机上出口流出的是只含少层石墨烯的澄清液，少层石墨烯的浓度保持不变，流量为11 L/min。

如图1所示，一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，包括转子1，定子2和旋转渗滤床3，旋转渗滤床固定于转子内腔中心位置，并与定子转动连接；旋转渗滤床设有填充有粒度50~300目的石墨相的旋转填充床4，石墨相颗粒堆积厚度控制在100~200 mm，旋转填充床内、外侧分别设有300目的筛网5，旋转渗滤床外壁设有若干直径为1mm的渗滤孔6；所述旋转渗滤床底部距离轴心相等位置处对称设有6个直径为15 mm的孔道7，孔道处设有300目的筛网5；所述旋转渗滤床沿中心轴上端设有进料口8，所述进料口与贯穿旋转渗滤床中心轴的喷淋装置9相连接，喷淋装置外壁设有若干喷淋孔10，喷淋装置为圆筒状结构，喷淋孔沿喷淋装置轴向和径向的分布，径向为列，轴向为排；径向每隔90°一列孔，相邻两列孔之间沿径向错开45°，沿轴向共有8排孔，每排相邻孔之间的距离为10 mm；旋转填充床内对称设置了若干块宽度为35mm的第一挡板11，定子内壁对称设置了若干块宽度为8mm的第二挡板12，定子设有上出料口13和下出料口14，转子通过马达驱动旋转。

（1）超重力渗滤过程：

如图1所示，关闭上出料口阀门，打开下出料口阀门，从超重力离心分离装置中流出的含少层石墨烯的澄清液进入超重力旋转渗滤床的中心位置，澄清液从喷淋装置的诸多个喷淋孔喷出后先喷射到高速旋转的内筛网上，然后以无数微小液滴的形式被均匀地甩到旋转渗滤床层的内表面，这些微小液滴以很薄的液膜形式穿过旋转渗滤床层，所含少层石墨烯被床层中的孔缝阻挡，并快速附着在颗粒层的内表面不断堆积形成软团聚体。渗滤床层中的孔隙被逐渐填满的过程中，澄清液穿过床层的阻力会逐渐增大，因此，逐步提高旋转渗滤床的转速，使旋转渗滤床的超重力场强度逐步增强，进而提高澄清液穿过床层所需的超重力势能。这些液滴先穿过外筛网，再穿过旋转床外壁的诸多小孔，最后甩离旋转渗滤床，从旋转渗滤床外壁被高速甩出的液滴中完全不含有少层石墨烯薄片，这些液滴汇集在定子的内表面形成液流，由于定子的内表面对称设置有多个挡板11，因此不会形成环流，这些液流从旋转渗滤床装置的下出口不断流出。在操作过程中，要求每隔一段时间从进料口和出料口取样，进料口的样品需要测定其中所含石墨烯的浓度，根据该浓度的变化确定床内吸附的石墨烯质量，出料口的样品需要观察剥离液颜色的变化，如果剥离液颜色发生变化，说明旋转渗滤床内部流阻增大导致部分料液从孔道处流出，需要将旋转渗滤床的转速向上提高一个档次，当旋转渗滤床内吸附的石墨烯薄片质量达到设定值附近时，停止上述操作过程；

（2）旋转渗滤床层中石墨烯的洗脱过程：

当旋转渗滤床层中积聚的石墨烯达到设定值时，这时就需要将旋转渗滤床层中的石墨烯洗脱分离出来。如图2所示，洗脱方法是先关闭下出料口阀门，打开上出料口阀门，将从超重力离心分离装置中流出的洗液填满整个超重力旋转渗滤床装置的内腔和外腔，旋转渗滤床在马达的带动下低速旋转，并且每隔几十秒钟旋转方向颠倒一次，在低速旋转过程中，旋转渗滤床层中的所有颗粒被带动起来悬浮于脱洗液中，颗粒表面附着的石墨烯被不断脱洗下来，这些脱洗下来的石墨烯以软团聚的方式聚集在一起悬浮于溶液中，该悬浮液先从孔道9流出，再从旋转渗滤床装置的出口处不断流出并进入超重力离心分离装置中；

（3）循环渗滤分离：

在超重力离心分离装置中，石墨烯的软团聚体与洗液之间实现快速分离，石墨烯软团聚体浓缩液从超重力离心分离装置的上出料口被不断排出并收集起来，洗液从下出料口回流至超重力旋转填充床中，不断重复上述操作过程，直至从超重力离心分离装置的上出料口中出来的料液基本上是清液为止。

本实施例所用超重力离心分离装置的具体结构参照申请号：201810575493X，专利名称：一种连续超重力分离二维纳米材料的方法与装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，其特征在于，包括转子，定子和旋转渗滤床，所述旋转渗滤床固定于转子内腔中心位置，并与定子转动连接；所述旋转渗滤床设有旋转填充床，所述旋转填充床内填充有二维材料本体相颗粒；所述旋转渗滤床外壁设有若干渗滤孔；所述旋转渗滤床底部距离轴心相等位置处对称设有若干孔道；所述旋转渗滤床沿中心轴上端设有进料口，所述进料口与贯穿旋转渗滤床中心轴的喷淋装置相连接，所述喷淋装置外壁设有若干喷淋孔；所述定子设有上出料口和下出料口。

2.根据权利要求1所述的一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，其特征在于，所述旋转填充床内对称设置了若干块第一挡板，所述定子内壁对称设置了若干块第二挡板；所述第一挡板的宽度为30~70 mm，所述第二挡板的宽度为3~10 mm。

3.根据权利要求1所述的一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，其特征在于，所述二维材料本体相颗粒的粒度范围控制在50~300目。

4.根据权利要求1所述的一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，其特征在于，所述旋转填充床中二维材料本体相颗粒的堆积厚度控制在100~200 mm。

5.根据权利要求1所述的一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，其特征在于，所述喷淋装置为圆筒状结构，所述喷淋孔沿喷淋装置轴向和径向的分布，径向为列，轴向为排；优选为径向每隔90°一列孔，相邻两列孔之间沿径向错开45°，沿轴向共有8排孔，每排相邻孔之间的距离为10 mm。

6.根据权利要求1所述的一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，其特征在于，所述旋转填充床内、外侧和孔道分别设有300目的筛网。

7.根据权利要求1所述的一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，其特征在于，所述孔道的直径为10~20 mm；所述孔道的数量为4~8个。

8.一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的方法，其特征在于，采用权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的装置实现，包括以下步骤：

（1）超重力渗滤过程：

关闭上出料口，打开下出料口，将含少层二维纳米材料的待分离液通入连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置中的旋转渗滤床的中心位置，打开转子带动旋转渗滤床高速旋转，最大超重力水平控制在500~1000 g，待分离液中内少层二维纳米材料吸附于旋转填充床，剩余的溶液从旋转渗滤床外壁的渗滤孔甩出，经定子的下出料口流出；

（2）洗脱过程：

关闭下出料口，打开上出料口，将洗液填充满旋转渗滤床内，打开转子带动旋转渗滤床低速旋转，每隔几十秒钟旋转方向颠倒一次，旋转填充床内吸附的二维纳米材料被不断脱洗，得到少层二维纳米材料软团聚体浆液，并从旋转渗滤床的孔道流出，从定子的上出料口流出，进入超重力离心分离装置中；

（3）循环渗滤分离：

通过超重力离心分离装置，实现少层二维纳米材料软团聚体浆液与洗液快速分离，二维纳米薄片软团聚体浓缩液从超重力离心分离装置的上出料口被不断排出并收集起来，洗液从下出料口回流至连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置中的旋转渗滤床中，不断重复步骤（1）和步骤（2），直至从超重力离心分离装置的上出料口中出来的料液为清液，即实现含少层二维纳米材料的待分离液中二维纳米材料的分离。

9.根据权利要求8所述的一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的方法，其特征在于，步骤（1）中，每隔一段时间测定进料口和下出料口处料液中所含二维纳米材料的浓度，根据浓度的变化确定旋转填充床内吸附的二维纳米薄片质量；观察下出料口的剥离液颜色的变化；如果剥离液颜色发生变化，将旋转渗滤床的转速向上提高一个档次，当旋转渗滤床内吸附的二维纳米薄片质量达到设定值时，停止上述操作过程。

10.根据权利要求8或9所述的一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的方法，其特征在于，步骤（2）中，旋转渗滤床内二维材料本体相颗粒与洗液混合形成悬浮液，所述悬浮液的旋转厚度控制在150~300 mm，所述旋转渗滤床的转速控制在10~50 rpm。