CN108993784A - 一种连续超重力分离二维纳米材料的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米材料分离领域，公开了一种连续超重力分离二维纳米材料的方法与装置。包含以下步骤：1）启动连续超重力分离装置；2）将含二维纳米材料的浆液连续注入其中；3）料液分离成浓缩的二维本体相浆液和二维纳米材料澄清液；4）剥离剂稀释二维本体相浆液，再进入连续剥离装置中继续剥离；5）澄清液进入连续超重力渗滤装置将二维纳米材料与剥离剂分离开。本发明借助U形管原理对间歇式超重力分离机进行改进，得到了连续超重力分离装置，实现了二维纳米材料澄清液与本体相浓缩浆液连续快速分离过程，平均停留时间明显缩短，具有高效、快速、低成本、大批量、高质量分离二维纳米材料澄清液的效果。

Description

一种连续超重力分离二维纳米材料的方法与装置

技术领域

本发明涉及二维纳米材料分离领域，尤其涉及一种连续超重力分离二维纳米材料的方法与装置。

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的上升趋势。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。液相剥离法是最有可能实现规模化、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，只有将二者之间分离开来才能打破这个平衡，使剥离过程快速进行。因此，在连续剥离过程中应同时伴随着连续的分离过程。

中国专利CN201610531626中报道了一种二维材料的制备方法，该方法将球磨工艺和液相超声剥离工艺相结合制备二维材料，同时采用离心分离和真空抽滤相结合的方法将二维材料和剥离溶剂进行分离。本发明方法制备的二维材料具有纯度高和产率高等特点，本发明方法所用的原料可重复使用，但是在球磨过程中易破坏二维材料的层状结构，制备产率低。

采用超重力分离的方法是目前液相分离二维纳米材料最高效的方法，这是由于本体相比表面积小，溶剂化程度低，随着被剥离下来的二维纳米材料层数逐步减少，比表面积逐步增大，溶剂化程度也逐步增强，因此，越来越容易分散于液相中。中国专利201610783098.1公开了一种高效低成本制备二维纳米材料的方法，通过将层状材料分散至其层状氧化物的水相分散液中，之后在超重力旋转填料床中进行剥离，得到小于十层的二维纳米材料，但是该方法的层数仍然较多，而且无法进行连续分离，不利于工业化应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种连续超重力分离二维纳米材料的方法与装置，通过采用连续超重力分离装置，实现了连续剥离操作，平均停留时间可以明显缩短，实现高效、快速、低成本、大批量、高质量地分离出少层二维层状纳米材料澄清料液的过程。

本发明的具体技术方案为：

1）启动连续超重力分离装置，调节超重力场强度；

2）将从连续剥离装置中流出的二维材料浆液直接注入到连续超重力分离装置的上中心腔室内圆锥形分布器表面，沿多条流道进入到超重力分离腔中；

3）在超重力分离腔中，料液在超重力场作用下，二维本体相被快速浓缩并甩向超重力分离腔的外侧，然后从超重力分离腔外侧的上喷口喷出，而澄清料液则顺着U形管回路向下回流至下中心腔室中，然后从下中心腔室外侧的下喷口喷出，上、下两股喷出的料液分别汇聚到上、下两个完全隔离的静止腔室中，并分别从上出料口和下出料口流出；

4）澄清料液中只含有二维纳米材料，澄清料液进入到连续超重力渗滤装置中，将二维纳米材料与剥离剂进行完全的分离。

5）用第4步骤分离出来的剥离剂冲洗稀释高度浓缩的二维本体相浆液，所得稀释后的二维本体相浆液再回流进入连续剥离装置中继续剥离；

第5步骤中液相剥离少层二维纳米材料的过程必须是连续剥离操作过程，而不是间歇剥离操作过程，连续超重力分离二维纳米材料的分离原理为，在离心装置中越靠近旋转轴心的位置超重力场强度越低，越远离旋转轴心的位置超重力场强度越高，当超重力场强度达到一定高的程度时，二维材料浆液中的本体相由于密度明显高于溶剂的密度而被快速地向外甩出，但其中所含少层二维纳米材料由于比表面积大，溶剂化程度高，透明度高，当向外移动时需要克服的粘滞阻力非常大，所以向外移动的速度极为缓慢，这样就实现了二维材料本体相与少层二维纳米材料之间的快速分离。

连续超重力离心分离过程可以显著提高分离效率，这主要体现在以下两个方面：（一）连续超重力离心分离不存在辅助时间，而间歇超重力离心分离需要离心加速和降速时间，以及倾倒料液和清洗离心罐所需时间；（二）在间歇超重力离心分离过程中本体相必须全部沉积到离心分离罐的底部，但是在连续超重力离心分离过程中与离心分离腔直接相连的U形管回路的进料口和出料口在同一离心面上，只需在该离心面附近约10 mm厚的区域内本体相与二维纳米材料之间完全分离开即可，因此，在连续超重力分离过程中物料平均停留时间可以明显缩短。

作为优选，所述步骤2）中二维材料浆液的质量百分比浓度为0.3-1.5%，所含少层二维纳米材料的浓度不低于0.01 mg/ml。

浓度过低会导致少层二维纳米材料的产率过低，考虑损耗后很难分离得到。

作为优选，所述步骤3）中超重力分离腔外缘最大超重力水平为3000-6000g，內缘最小超重力水平不低于1500 g。

超重力分离腔外缘最大超重力水平优选为3500 g 至5000 g之间，g为正常重力场加速度9.8 m/s²。

作为优选，所述步骤3）中料液分离的空间时间（空间时间是指超重力分离腔中料液总体积与料液总体积流量之比）为10-30s；上、下喷口喷出料液的线速度与该位置处转子线速度之比为1∶1-2；出料时二维本体相浆液和澄清料液流量比为1∶5-20。

本发明还提供了一种连续超重力分离装置，该装置包括马达，转子部分和定子部分；所述转子部分含有上中心腔、下中心腔和包围在上、下中心腔外部对称分布的N个相互连通的超重力分离腔；所述定子部分含有上、下两个完全隔离的静止腔，分别设置有上出料口和下出料口。

作为优选，所述上、下中心腔与外部N个超重力分离腔通过上、下两层各N条管路相连通构成N个U形管回路；其中N≥8。

在正常重力场作用下一根U形管两端的液位能始终保持水平相等，在超重力场中U形管原理同样适用即U形管两端的液面是在同一离心面（即超重力场强度相等的平面）上，可以借助U形管实现料液在超重力场中从靠近轴心的近端运动到远端，再从远端回流至靠近轴心的位置。

作为优选，所述上中心腔内设有圆锥形分布器。

作为优选，所述超重力分离腔相邻超重力分离腔之间通过一块隔板隔开，超重力分离腔外侧设有上喷口，下中心腔外侧设有下喷口。

作为优选，所述定子部分的上、下静止腔之间设置有V字形挡板。

作为优选，所述上、下喷口设置在沿转子部分外缘的切线方向并与转子部分旋转方向相反。

超重力分离装置的转子部分分成上、下两个中心腔和外部N（通常N≥8）个对称分布的超重力分离腔，将料液注入上中心腔中，料液迅速向四周均匀分布散开，并顺着四周的流道进入相对应的N个超重力分离腔内，这些离心分离腔的远端是彼此连通的。在设定的超重力场作用下，料液中的本体相快速地浓缩并向外甩出，这使靠近旋转轴心一端的料液立即变得澄清，在澄清料液中只含少层二维纳米材料，该澄清料液沿下层流道快速回流至下中心腔体中，再从下中心腔体的外侧出口甩离转子部分。在超重力分离腔内被浓缩的本体相浆液向旋转轴心的远端汇聚，并从远端的出口被高速甩出，这两股被高速甩出的料液分别汇聚到定子中上、下两个完全隔离的静止腔室中，并从各自出口流出，可以实现高效、快速、低成本、大批量、高质量地分离出含二维层状纳米材料澄清液的效果。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明通过借助U形管原理对间歇式超重力分离机进行改进，得到了连续超重力分离装置，实现了对少层二维纳米材料进行连续剥离操作，平均停留时间可以明显缩短，实现高效、快速、低成本、大批量、高质量地分离出只含少层二维层状纳米材料的澄清液，适于工业化生产应用，最后进一步分离得到的二维纳米材料的层数为5层以下的，质量较佳。

附图说明

图1为本发明实施例1的连续超重力分离装置结构示意图；

图2为本发明实施例1的连续超重力分离装置的转子部分俯视图。

附图标记为：马达1，转子部分2，定子部分3，上中心腔21，下中心腔22，超重力分离腔23，隔板24，料液进口25，料液分布器26，上喷口27，下喷口28，上静止腔31，下静止腔32，V字形挡板33，上出料口34，下出料口35。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1-2所示，该连续超重力分离装置由马达1、转子部分2和定子部分3三个部分构成，转子部分2包含：上、下中心腔21和22以及N个超重力分离腔23。相邻超重力分离腔23之间通过一块隔板24隔开，但在隔板24的外缘处二者仍然是相通的。每个超重力分离腔23都与上、下中心腔21和22之间通过一根管路相连通。转子部分2中心处设置一个垂直向下的料液进口25，进口下端设置有圆锥形料液分布器26。在超重力分离腔23的外缘处对称设置两个上喷口27，用于排出二维本体相浆液。此外，在下中心腔22的外缘处对称设置两个下喷口28，用于排放二维纳米材料澄清料液。定子部分3由上、下两个完全隔离的静止腔室31和32组成，这两个腔室之间被转子部分2和V字形挡板33隔开，这两个腔室的外缘分别设置上出料口34和下出料口35，分别用于排出二维本体相浆液和澄清料液。

连续超重力分离二维纳米材料的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。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。启动连续超重力分离装置，将该离心分离装置的转速调至5000 rpm，此时该机转子中的超重力分离腔的外缘处最大超重力场强度为3500 g，內缘最小超重力场强度为1500 g。该浆液通过管路直接注入到连续超重力分离装置的上中心腔内的圆锥形分布器表面，料液向四周均匀地甩出，并顺着四周对称布置的12根管道流入到12个相对应的超重力分离腔中，料液进入超重力分离腔后，在设定的超重力场作用下，料液中的石墨相快速地浓缩并向外甩出，这使得靠近旋转轴心一端的料液立即变得黑色透明，在黑色澄清料液中只含少层石墨烯材料，层数在2至3层之间，该黑色澄清料液沿12根下层回流管快速回流至下中心腔体中，再从下中心腔体外侧的下喷口向后甩离转子部分。在超重力分离腔内被浓缩的石墨本体相浆液向远端汇聚，并从远端的出口上喷口向后被高速甩出，这两种料液分别汇聚到上、下两个完全隔离的静止腔室中，并从相应上、下出料口中流出。转子的上喷口处转子的线速度此时为80m/s，石墨浆液沿切线方向向后喷出的线速度为60 m/s，转子的下喷口处转子的线速度为40m/s，黑色澄清料液沿切线方向向后喷出的线速度为30 m/s,，上、下喷口之间的流量比为1∶11。从上喷口喷出的石墨浆液流入V字形挡板中，用无色透明的IPA溶液冲洗稀释该石墨浆液，IPA溶液的流量为11 L/min，被稀释后的石墨浆液从上出料口再回流进入连续剥离装置中继续剥离石墨烯。黑色澄清料液从下出料口流出，进入到连续超重力渗滤装置中，该装置可以将石墨烯与IPA溶液进行完全的分离，分离后的IPA溶液是完全无色透明液体，其流量为11 L/min，该无色透明的IPA溶液回流至连续超重力分离机内冲洗稀释高度浓缩的石墨浆液。

所得二维纳米材料的层数少于5层，料液分离的空间时间为20s。

实施例2

连续超重力分离装置与实施例1相同。

石墨浆液中石墨浓度为0.3%，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24 L/min。启动连续超重力分离装置，超重力分离腔个数为8个，将该离心分离装置的转速调至8000 rpm，此时该机转子中的超重力分离腔的外缘处最大超重力场强度为8000 g，內缘处最小超重力场强度为2000 g。转子的上喷口处转子的线速度此时为120 m/s，石墨浆液沿切线方向向后喷出的线速度为80 m/s，转子的下喷口处转子的线速度为60 m/s，黑色澄清料液沿切线方向向后喷出的线速度为40 m/s,，上、下喷口之间的流量比为1∶20；IPA溶液的流量为22.86L/min。其余连续超重力分离二维纳米材料的方法与实施例1相同。

所得二维纳米材料的层数少于5层，料液分离的空间时间为10s。

实施例3

连续超重力分离装置与实施例1相同。

石墨浆液中石墨浓度为0.3%，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8 L/min。启动连续超重力分离装置，超重力分离腔个数为10个，将该离心分离装置的转速调至4000 rpm，此时该机转子中的超重力分离腔的外缘处最大超重力场强度为3000 g，內缘处最小超重力场强度为1600 g。转子的上喷口处转子的线速度此时为60 m/s，石墨浆液沿切线方向向后喷出的线速度为40 m/s，转子的下喷口处转子的线速度为30 m/s，黑色澄清料液沿切线方向向后喷出的线速度为30 m/s,，上、下喷口之间的流量比为1∶5；IPA溶液的流量为6.67 L/min。其余连续超重力分离二维纳米材料的方法与实施例1相同。

所得二维纳米材料的层数少于5层，料液分离的空间时间为30s。

实施例4

连续超重力分离装置与实施例1相同。

石墨浆液中石墨浓度为0.5%，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8 L/min。启动连续超重力分离机，超重力分离腔个数为16个，将该离心分离装置的转速调至6000 rpm，此时该机转子中的超重力分离腔的外缘处最大超重力场强度为5000 g，內缘处最小超重力场强度为1800 g。转子的上喷口处转子的线速度此时为100 m/s，石墨浆液沿切线方向向后喷出的线速度为70 m/s，转子的下喷口处转子的线速度为50 m/s，黑色澄清料液沿切线方向向后喷出的线速度为40 m/s,，上、下喷口之间的流量比为1∶10；IPA溶液的流量为7.27 L/min。其余连续超重力分离二维纳米材料的方法与实施例1相同。

所得二维纳米材料的层数少于5层，料液分离的空间时间为30s。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续超重力分离二维纳米材料的方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：

1）启动连续超重力分离装置，调节超重力场强度；

2）将从连续剥离装置中流出的二维材料浆液直接注入到连续超重力分离装置的圆锥形分布器表面，沿多条流道进入到超重力分离腔中；

3）在超重力分离腔中料液分离成为二维本体相浆液和澄清料液，分别从上、下喷口喷出，汇聚到上、下两个完全隔离的静止腔室中，并分别从上出料口和下出料口流出；

4）用剥离剂冲洗稀释高度浓缩的二维本体相浆液，所得稀释后的二维本体相浆液再回流进入连续剥离装置中继续剥离；

5）澄清料液进入到连续超重力渗滤装置中，将二维纳米材料进行完全的分离。

2.如权利要求1所述的连续超重力分离二维纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤1）中超重力场外缘最大超重力水平为3000-6000g，內缘最小超重力水平不低于1500 g。

3.如权利要求1所述的连续超重力分离二维纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤2）中二维材料浆液的质量百分比浓度为0.3-1.5%，所含少层二维纳米材料的浓度不低于0.01mg/ml。

4.如权利要求1所述的连续超重力分离二维纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤3）中料液分离的空间时间为10-30s；上、下喷口喷出料液的线速度与该位置处转子线速度之比为1∶1-2；出料时二维本体相浆液和澄清料液流量比为1∶5-20。

5.一种权利要求1所述的连续超重力分离装置，其特征在于，包括马达，转子部分和定子部分；所述转子部分含有上中心腔、下中心腔和包围在上、下中心腔外部对称分布的N个相互连通的超重力分离腔；所述定子部分含有上、下两个完全隔离的静止腔，分别设置有上出料口和下出料口。

6.如权利要求5所述的连续超重力分离装置，其特征在于，所述上、下中心腔与外部N个超重力分离腔通过上、下两层各N条管路相连通构成N个U形管回路；其中N≥8。

7.如权利要求5或6所述的连续超重力分离装置，其特征在于，所述上中心腔内设有圆锥形分布器。

8.如权利要求5或6所述的连续超重力分离装置，其特征在于，所述超重力分离腔相邻超重力分离腔之间通过一块隔板隔开，超重力分离腔沿转子部分外缘设有上喷口，下中心腔沿转子部分外缘设有下喷口。

9.如权利要求5所述的连续超重力分离装置，其特征在于，所述定子部分的上、下静止腔之间设置有V字形挡板。

10.如权利要求8所述的连续超重力分离装置，其特征在于，所述上、下喷口设置在沿转子部分外缘的切线方向并与转子部分旋转方向相反。