CN110240147B - 一种利用生物质热解油制备石墨烯的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质利用领域，并具体公开了一种利用生物质热解油制备石墨烯的装置。该装置中进料单元置于制备单元上方，制备单元置于底部开口的反应器中，第一加压柱位于第二加压柱的上方，并且第一加压柱的下表面和第二加压柱的上表面均设置有卡槽，用于放置金属箔，孔板置于第二加压柱的下方并与滑道连接，通过该滑道带动孔板和第二加压柱进行上下移动，方便更换金属箔；加压单元用于带动第一加压柱进行上下移动并对其施加压力，加热单元用于将第一加压柱和第二加压柱加热到预设温度，供气单元与反应器连接。本发明供的装置结构简单并且易于操作，可实现生物质热解油的高值化利用，并且极大降低了石墨烯的生产成本。

Description

一种利用生物质热解油制备石墨烯的装置

技术领域

本发明属于生物质利用领域，更具体地，涉及一种利用生物质热解油制备石墨烯的装置。

背景技术

生物质具有清洁、可再生、分布广泛和碳中性等特点。开发生物质利用技术有利于优化我国能源供应结构，并缓解日益严峻的环境问题。生物质具有原料分散、收集半径小、运输存储成本高的特点，而将生物质转化成生物质热解油可使其能量密度变为其原料的5～10倍，便于运输和存储。

生物质热解油具有广泛的用途，例如，生物质热解油可以通过锅炉直接燃烧用于供热或发电；也可以通过气化炉气化或水蒸汽重整制取合成气或富氢燃料；还可以通过催化裂解或催化加氢制备生物燃油。但是大多数生物质热解油转化利用的工艺都包含对生物质热解油的热处理。例如，生物质热解油的气化、催化裂解、加氢转化、酯化和燃烧等技术路线都需要首先对生物质热解油进行快速加热以加速生物质热解油的转化。因生物质热解油具有组分复杂、热稳定性差等特点，在受热条件下极易产生积碳，因此积碳成为生物质热解油热转化利用中所面临的重要挑战。

石墨烯是21世纪的热门功能性材料，因其出色的导电性能、超高的电子迁移率及比表面积、高导热、高透光、高断裂强度及良好的化学稳定性等优势，在众多技术领域的应用前景极为广阔。现有技术中对于石墨烯的制备方法和制备装置的研究存在一些弊端，如CN201810765580.1公开了一种基于爆轰工艺制备石墨烯的方法及制备石墨烯的装置，但其生产工艺操作较为复杂、生产条件严苛、总体生产成本高，且由于用到爆轰工艺实验操作危险系数较大；CN201810359752.5公开了一种可控液态碳源化学气相沉积制备石墨烯的方法及装置，其着眼于解决石墨烯制备过程中碳源的进料问题，但也存在实验条件相对严苛、系统的经济性能不高的问题。因此若要实现石墨烯在新一代电子、光电子器件中的应用，首先需要研发出能够低成本、大面积制备高质量石墨烯的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其中利用第一加压柱和第二加压柱的旋转加压使得生物质热解油在金属箔表面生成石墨烯，相应的可有效降低石墨烯的生产成本，因而尤其适用于石墨烯制备的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种利用生物质热解油制备石墨烯的装置，该装置包括进料单元、制备单元、反应器、加压单元、加热单元和供气单元，其中：

所述进料单元置于所述制备单元上方，用于为所述制备单元提供待处理的生物质热解油；

所述制备单元置于底部开口的反应器中，其包括第一加压柱、第二加压柱、孔板和滑道，所述第一加压柱位于所述第二加压柱的上方，并且所述第一加压柱的下表面和所述第二加压柱的上表面均设置有卡槽，用于放置金属箔，工作时，所述待处理的生物质热解油处于两个所述金属箔之间，所述孔板置于所述第二加压柱的下方并与所述滑道连接，通过该滑道带动所述孔板和第二加压柱进行上下移动，方便更换金属箔，多余的所述待处理的生物质热解油通过所述孔板从所述反应器的底部流出；

所述加压单元用于带动所述第一加压柱进行上下移动并对其施加压力，使得所述待处理的生物质热解油在金属箔表面形成薄膜；

所述加热单元用于将所述第一加压柱和第二加压柱加热到预设温度，使得所述待处理的生物质热解油发生热解并在金属箔表面生成石墨烯；

所述供气单元与所述反应器连接，通过提供保护气体保证所述待处理的生物质热解油在隔绝空气的条件下进行热解。

作为进一步优选地，所述利用生物质热解油制备石墨烯的装置还包括旋转控制器，所述旋转控制器用于控制所述第一加压柱和第二加压柱的卡槽进行旋转，并保证其转速为60r/min～120r/min。

作为进一步优选地，所述进料单元包括进料器、活塞、阀门、进料控制器和搅拌器，其中所述进料器用于储存所述待处理的生物质热解油，该进料器的上方设置有活塞，其下方设置有阀门，通过所述进料控制器控制所述活塞的运动速度和所述阀门的开启与关闭，进而调节所述待处理的生物质热解油的进料速度和进料量，所述搅拌器设置在所述进料器的内部，用于防止所述待处理的生物质热解油发生静态沉积。

作为进一步优选地，所述进料单元还包括储存有机物的储液箱，所述储液箱与所述进料器连接，用于将所述有机物添加到所述待处理的生物质热解油中。

作为进一步优选地，所述有机物包括丙酮溶液或二氯甲烷与甲醇的混合液，其与所述待处理的生物质热解油的质量比优选为2:1～8:1，所述有机物还包括含羰基、呋喃环或醛基的有机物，其与所述待处理的生物质热解油的质量比优选为0.05:1～0.15:1。

作为进一步优选地，所述加压单元包括升降杆和控制电机，其中左右对称设置的所述升降杆通过连杆与所述第一加压柱连接，用于带动该第一加压柱进行上下移动并对该第一加压柱施加压力，所述控制电机用于控制所述升降杆的运动。

作为进一步优选地，所述加热单元包括加热组件和温度控制器，所述加热组件设置在所述第一加压柱和第二加压柱内部，用于将其加热到预设温度，所述温度控制器用于控制所述加热组件的工作过程。

作为进一步优选地，所述加热单元的升温程序为加热至300℃～400℃后保温5min～10min，然后加热至800℃～1200℃再保温5min～20min。

作为进一步优选地，所述金属箔为Ni箔、Cu箔、Fe箔、CuNi合金箔或FeCu合金箔。

作为进一步优选地，所述供气单元提供的保护气体为氮气、氩气或氢气。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提供的利用生物质热解油制备石墨烯的装置结构简单并且易于操作，仅需将生物质热解油置于金属箔上，并利用加压柱和加热单元对其进行加压加热处理，便可在金属箔表面制得石墨烯，从而实现了生物质热解油的高值化利用，并且极大降低了石墨烯的生产成本；

2.同时，本发明根据生物质热机油粘度较大不易形成薄膜的特点，在进料单元中设置储液箱，将用于降低粘度、增加结焦量的有机物添加到生物质热解油中，并通过优化有机物的种类和添加比例从而有效提高了石墨烯的产率；

3.此外，本发明利用加热单元将生物质热解油加热至300℃～400℃，使生物质热解油在该温度下通过结焦生成大量无定型碳，然后再加热至800℃～1200℃使得无定型碳生成石墨烯，从而有效提高石墨烯的产率。

附图说明

图1是本发明提供的利用生物质热解油制备石墨烯的装置的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-控制电机，2-升降杆，3-反应器，4-第一加压柱，5-第一卡槽，6-第二卡槽，7-第二加压柱，8-孔板，9-底座，10-旋转控制器，11-温度控制器，12-进料器，13-进料控制器，14-活塞，15-搅拌器，16-阀门，17-储液箱，18-滑道，19-供气单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提出了一种利用生物质热解油制备石墨烯的装置，该装置包括进料单元、制备单元、反应器3、加压单元、加热单元和供气单元19，其中：

进料单元置于制备单元上方，用于为制备单元提供生物质热解油，反应器3设置在底座9的上方；

制备单元置于底部开口的反应器3中，其包括第一加压柱4、第二加压柱7、孔板8和滑道18，第一加压柱4位于第二加压柱7的上方，并且第一加压柱4的下表面和第二加压柱7的上表面均设置有卡槽，用于放置金属箔，工作时，待处理的生物质热解油处于两个金属箔之间，孔板8置于第二加压柱7的下方并与滑道18连接，通过该滑道18带动孔板8和第二加压柱7进行上下移动，方便更换金属箔，多余的待处理的生物质热解油通过孔板8从反应器3的底部流出；

加压单元用于带动第一加压柱4进行上下移动并对其施加压力，使得待处理的生物质热解油在金属箔表面形成薄膜；

加热单元用于将第一加压柱4和第二加压柱7加热到预设温度，使得待处理的生物质热解油发生热解并在金属箔表面生成石墨烯；

供气单元19与反应器3连接，通过提供保护气体保证待处理的生物质热解油在隔绝空气的条件下进行热解。

进一步，利用生物质热解油制备石墨烯的装置还包括旋转控制器10，旋转控制器10用于控制第一加压柱4和第二加压柱7的卡槽进行旋转，并保证其转速为60r/min～120r/min。

进一步，进料单元包括进料器12、活塞14、阀门16、进料控制器13和搅拌器15，其中进料器12用于储存待处理的生物质热解油，该进料器12的上方设置有活塞14，其下方设置有阀门16，通过进料控制器13控制活塞14的运动速度和阀门16的开启与关闭，进而调节待处理的生物质热解油的进料速度和进料量，搅拌器15设置在进料器12的内部，用于防止待处理的生物质热解油发生静态沉积；

进料单元还包括储存有机物的储液箱17，储液箱17与进料器12连接，用于将有机物添加到待处理的生物质热解油中；

有机物包括用于降低生物质热解油粘度的丙酮溶液或二氯甲烷与甲醇的混合液，其与待处理的生物质热解油的质量比优选为2:1～8:1，从而保证生物质热解油呈溶液状，较易在金属箔表面形成薄膜，有机物还包括用于增加生物质热解油结焦量的含羰基、呋喃环或醛基的有机物，其与待处理的生物质热解油的质量比优选为0.05:1～0.15:1，通过促进生物质热解油结焦提高石墨烯的产率。

进一步，加压单元包括升降杆2和控制电机1，其中左右对称设置的升降杆2通过连杆与第一加压柱4连接，用于带动该第一加压柱4进行上下移动并对该第一加压柱4施加压力，控制电机1用于控制升降杆2的运动；

加热单元包括加热组件和温度控制器11，加热组件优选为电阻丝并且设置在第一加压柱4和第二加压柱7内部，用于将其加热到预设温度，温度控制器11用于控制加热组件的工作过程；

更具体地，加热单元的升温程序为加热至300℃～400℃后保温5min～10min，然后加热至800℃～1200℃再保温5min～20min，因生物质热解油在300℃～400℃的温度下结焦率最高，在该温度下保温一段时间能够保证生物质热解油完全结焦生成大量无定型碳，而在800℃～1200℃的温度下无定型碳会在金属箔表面生成石墨烯，从而提高石墨烯的比表面积。

进一步，金属箔为Ni箔、Cu箔、Fe箔、CuNi合金箔或FeCu合金箔，供气单元19提供的保护气体为氮气、氩气或氢气。

下面对本发明提供的利用生物质热解油制备石墨烯的装置的具体工作过程进行介绍。

(1)打开储液箱将有机物添加到进料器12中，通过搅拌器15的搅拌保证有机物与待处理的生物质热解油混合均匀获得混合液，利用升降杆2带动第一加压柱4向上移动，在第一加压柱4的第一卡槽5和第二加压柱7的第二卡槽6上放置金属箔，然后通过进料控制器13控制阀门16打开，将进料器12中的混合液滴加到第二加压柱7的金属箔上，通过调节活塞14的运动速度改变滴加速度；

(2)滴加的混合液达到目标体积后，关闭阀门16，通过升降杆2带动第一加压柱向下移动，并对其施加目标压力，同时通过旋转控制器10保证第一卡槽5和第二卡槽6保持旋转；

(3)通过供气19向反应器3中通保护气体，并利用温度控制器11对8孔板和第二加压柱进行加热，使生物质热解油在隔绝空气的条件下热解，并在金属箔表面生成石墨烯；

(4)反应结束后，通过滑道18带动孔板8向上移动，将第一卡槽5和第二卡槽6上的金属箔取下，并将石墨烯从金属箔表面分离。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，该装置包括进料单元、制备单元、反应器(3)、加压单元、加热单元和供气单元(19)，其中：

所述进料单元置于所述制备单元上方，用于为所述制备单元提供待处理的生物质热解油；

所述制备单元置于底部开口的反应器(3)中，其包括第一加压柱(4)、第二加压柱(7)、孔板(8)和滑道(18)，所述第一加压柱(4)位于所述第二加压柱(7)的上方，并且所述第一加压柱(4)的下表面和所述第二加压柱(7)的上表面均设置有卡槽，用于放置金属箔，工作时，所述待处理的生物质热解油处于两个所述金属箔之间，所述孔板(8)置于所述第二加压柱(7)的下方并与所述滑道(18)连接，通过该滑道(18)带动所述孔板(8)和第二加压柱(7)进行上下移动，方便更换金属箔，多余的所述待处理的生物质热解油通过所述孔板(8)从所述反应器(3)的底部流出；

所述加压单元用于带动所述第一加压柱(4)进行上下移动并对其施加压力，使得所述待处理的生物质热解油在金属箔表面形成薄膜；

所述加热单元用于将所述第一加压柱(4)和第二加压柱(7)加热到预设温度，使得所述待处理的生物质热解油发生热解并在金属箔表面生成石墨烯；

所述供气单元(19)与所述反应器(3)连接，通过提供保护气体保证所述待处理的生物质热解油在隔绝空气的条件下进行热解。

2.如权利要求1所述的利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，所述利用生物质热解油制备石墨烯的装置还包括旋转控制器(10)，所述旋转控制器(10)用于控制所述第一加压柱(4)和第二加压柱(7)的卡槽进行旋转，并保证其转速为60r/min～120r/min。

3.如权利要求1所述的利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，所述进料单元包括进料器(12)、活塞(14)、阀门(16)、进料控制器(13)和搅拌器(15)，其中所述进料器(12)用于储存所述待处理的生物质热解油，该进料器(12)的上方设置有活塞(14)，其下方设置有阀门(16)，通过所述进料控制器(13)控制所述活塞(14)的运动速度和所述阀门(16)的开启与关闭，进而调节所述待处理的生物质热解油的进料速度和进料量，所述搅拌器(15)设置在所述进料器(12)的内部，用于防止所述待处理的生物质热解油发生静态沉积。

4.如权利要求3所述的利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，所述进料单元还包括储存有机物的储液箱(17)，所述储液箱(17)与所述进料器(12)连接，用于将所述有机物添加到所述待处理的生物质热解油中。

5.如权利要求4所述的利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，所述有机物包括丙酮溶液或二氯甲烷与甲醇的混合液，其与所述待处理的生物质热解油的质量比为2:1～8:1，所述有机物还包括含羰基、呋喃环或醛基的有机物，其与所述待处理的生物质热解油的质量比为0.05:1～0.15:1。

6.如权利要求1所述的利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，所述加压单元包括升降杆(2)和控制电机(1)，其中左右对称设置的所述升降杆(2)通过连杆与所述第一加压柱(4)连接，用于带动该第一加压柱(4)进行上下移动并对该第一加压柱(4)施加压力，所述控制电机(1)用于控制所述升降杆(2)的运动。

7.如权利要求1所述的利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，所述加热单元包括加热组件和温度控制器(11)，所述加热组件设置在所述第一加压柱(4)和第二加压柱(7)内部，用于将其加热到预设温度，所述温度控制器(11)用于控制所述加热组件的工作过程。

8.如权利要求1所述的利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，所述加热单元的升温程序为加热至300℃～400℃后保温5min～10min，然后加热至800℃～1200℃再保温5min～20min。

9.如权利要求1所述的利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，所述金属箔为Ni箔、Cu箔、Fe箔、CuNi合金箔或FeCu合金箔。

10.如权利要求1～9任一项所述的利用生物质热解油制备石墨烯的装置，其特征在于，所述供气单元(19)提供的保护气体为氮气、氩气或氢气。

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