CN207986687U - 一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置 - Google Patents

一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置 Download PDF

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谢宇海
吴茂玲
方爱金
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Abstract

本实用新型是一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置，主要包括氯气加热部分、纳米碳材料除铁反应部分和尾气吸收部分；其特征在于：氯气加热部分主要包括氯气加热内胆和加热炉，氯气加热内胆主要有：内胆上密封法兰盘、内胆上密封法兰盘螺纹孔、螺栓卡箍、螺母盖、螺母塞、螺栓卡箍、内胆盖板、内胆下密封法兰盘、石英内胆、螺母、螺栓卡箍垫圈、双头螺栓；纳米碳材料除铁反应部分主要有：纳米碳材料存储腔、除铁仓端盖、石英管、加热炉；尾气吸收部分主要有：废气吸收仓、废气吸收仓端盖、加热炉。本实用新型的优点是：整个工艺实现了氯气的无损耗反应，减少了废弃物对大气环境的污染。

Description

一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置
技术领域
本实用新型涉及一种纳米碳材料提纯领域，尤其涉及一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置。
背景技术
纳米碳材料是新型的纳米材料，主要包括碳纳米管和石墨烯等材料。自从上世纪90年代NEC公司的Sumio Iijima发现纳米碳材料以来，纳米碳材料独特的力学性能和电学性能吸引着全世界的科研工作者不断地去研究。纳米碳材料的sp2键合方式使得碳原子以平面内σ键或者平面外π键方式主要连接成六边形，也会存在一些五边形缺陷，纳米碳材料主要呈现六边形壁的管状，最小管径内达到0.4nm，纳米碳材料具有半导体性质，其导电率最高达到10-2 S/cm。纳米碳材料主要被用在材料领域和器件领域这两大领域，具体包括微电子器件、场发射器件、复合材料、化学传感器、生物传感器、检测器、量子线结点、探针、储存器、逻辑器等。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
锂离子电池电极材料的导电性的优良涉及到锂离子电池的功率密度，循环寿命和倍率性能，现在锂离子电池电极材料中用的导电剂主要是导电炭黑。纳米碳材料拥有比导电炭黑更高的导电率，而且纳米碳材料很容易在电极材料颗粒中形成网络结构，这种结构无论是对导电效果而言，还是对电极材料的包覆来说，都是最理想的。纳米碳材料对于锂离子电池来说是最理想的导电剂。
纳米碳材料的制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法和CVD法，其中大批量制备纳米碳材料主要用的是CVD法。CVD法制备纳米碳材料的时候需要用到催化剂Fe、Ni、Co、Mo，所以商业化大批量制备的纳米碳材料中残留有很高浓度的磁性催化剂，尤其是残留的金属铁杂质。金属铁杂质在锂电池充放电过程中很容易在电极上沉积并积累，产生尖硬的利角，刺穿隔膜后，引起的自放电速度加快，电解质盐在这个过程中会逐渐放出HF，它将氧化单质Fe而形成稳定的FeF3，甚至形成FeF3•3H2O，最后形成一种凸起的、直接接触正负极SEI膜的枝晶，即使是在电极材料中肉眼都发现不了的金属污染物都可能导致电池非常高自放电，颗粒>5μm非常容易产生电池内部短路，我么拆开电池观察到有棕黄色的固体，这就是FeF3•3H2O对锂离子电池自放电影响最大，严重的时候会造成电池的短路，甚至是失效。
以下公式是Fe在锂电池充放电过程当中所发生的反应：
Fe3+ + LixCoO2 + e = Fe2+ + Lix+2CoO2 (正极上的反应)；
Fe2+ + LixCoO2 + 2e = Fe + Lix+2CoO2 (正极上的反应)；
Fe3+ + LixC – e = Fe2+ + Lix-1C (负极上的反应)；
Fe2+ + LixC + 2e = Fe + Lix-2C (负极上的反应)；
FeF3的形成及沉积反应式Fe3+ + F- + H+ = Fe2+。
铁杂质对锂电池影响很严重，主要是因为铁杂质在锂电池中会产生自放电现象，导致锂电池材料过热，甚至会引发爆炸，是很大的隐患，因此各大厂家都在要求降低锂电池原材料中铁杂质含量。而电池不均匀性的另一个重要因素是其自放电率差异，动力电池组中个别自放电率太大的电池会导致其他电芯过充，从而影响整个动力电池组的寿命。
纳米碳材料中铁杂质成为纳米碳材料用于锂电池导电剂的最大障碍，因此对纳米碳材料中Fe杂质的去除具有非常重要的意义。行业当中去除纳米碳材料中Fe普遍选用酸洗工艺，酸洗工艺所需设备简单，成本低，比较容易实现。但是环境污染严重，而且酸洗的纳米碳材料的纯度并不是很高，Fe的杂质含量依然在5000 ppm以上，如此高铁含量的纳米碳材料很难用作功率型锂电池的导电剂，酸洗工艺对于纳米碳材料除杂来说并不是长久的办法。
发明内容
本实用新型在于克服现有技术存在的缺点，针对纳米碳材料除铁的上述问题，我们开发了高温下氯气和铁杂质反应生成氯化亚铁的工艺，氯化亚铁在高温下呈气态，并被保护气体带出纳米碳材料，从而达到除铁的目的。在空气中对反应生成物氯化亚铁进行加热处理，又可以把氯置换出来，整个工艺实现了氯气的无损耗反应，减少了废弃物对大气环境的污染。
为了达到上述目的，本实用新型提供一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置，主要包括氯气加热部分、纳米碳材料除铁反应部分和尾气吸收部分；其特征在于：氯气加热部分、纳米碳材料除铁反应部分和尾气吸收部分之间靠PTFE管连接，并且保证连接管温度不低于120°C；氯气加热部分主要包括氯气加热内胆和加热炉，氯气加热内胆主要有：内胆上密封法兰盘、内胆上密封法兰盘螺纹孔、螺栓卡箍、螺母盖、螺母塞、螺栓卡箍、内胆盖板、内胆下密封法兰盘、石英内胆、螺母、螺栓卡箍垫圈、双头螺栓；纳米碳材料除铁反应部分主要有：碳管存储腔、除铁仓端盖、石英管、加热炉；尾气吸收部分主要有：废气吸收仓、废气吸收仓端盖、加热炉；其特征在于：氯气内胆由夹层内胆盖板盖紧，内胆盖板由内胆上密封法兰盘和内胆下密封法兰盘密封；内胆上密封法兰盘和内胆下密封法兰盘密封由螺母上紧，上密封法兰盘上有内胆上密封法兰盘螺纹孔，内胆上密封法兰盘螺纹孔连接螺栓卡箍，螺母盖，螺母塞和双头螺栓；螺栓卡箍由螺母，螺栓卡箍垫圈和双头螺栓组成，双头螺栓和螺母靠螺纹连接，中间有卡箍垫圈压紧；螺母塞和螺母盖与内胆盖板靠螺纹连接；内胆盖板上有螺栓卡箍、螺母盖、螺母塞；
除铁仓端盖需要镀金属保护层，并开有小孔，在进气处，除铁仓端盖进孔中一段连接碘升华部分内胆的出气孔，另一端伸入碳管存储腔底部；
废气吸收仓一端靠PTFE管接除铁仓出气口，一端靠PTFE管接氯气回收瓶。
本实用新型所述的氯气加热部分主要是氯气加热内胆，氯气加热内胆置于加热炉中，加热温度为80°C-200°C。
本实用新型所述的氯气加热内胆以及内胆上密封法兰盘、内胆上密封法兰盘螺纹孔、螺栓卡箍、螺母盖、螺母塞、螺栓卡箍、内胆盖板、内胆下密封法兰盘、石英内胆、螺母、螺栓卡箍垫圈、双头螺栓材质为石英件或者高分子材料件。
本实用新型所述的螺栓卡箍有两个，分别作为气体的入气口和出气口。
本实用新型所述的螺母塞为加料口。
金属连接件需要镀镍铜保护层，即先需要在金属件外表镀镍，然后镀铜，最后再镀一层镍，镀层总厚度为0.5mm。
内胆上密封法兰盘和内胆下密封法兰盘需要镀金属保护层，靠螺纹连接在一起。
内胆上密封法兰盘和内胆下密封法兰盘中间夹层内胆盖板，内胆盖板和内胆上密封法兰盘、内胆下密封法兰盘之间连接部分有垫圈，内胆盖板由聚合物材质制备。
内胆盖板上开有孔，这些孔分别螺纹连接螺母塞、双头螺栓。
如图3是所使用的螺栓卡箍结构图。
碘升华部分和除铁仓靠PTFE管连接，其中PTFE管保持温度在100°C-150°C。
如图10是碳管除铁仓的装配图，纳米碳材料除铁仓包括外部石英管、纳米碳材料储存腔、除铁仓端盖。
纳米碳材料除铁仓要架在加热炉上，并确保碳管储存腔温度在800-950°C之间。
如图12是碳管储存腔结构图，材质是石英件，一段封闭，一段开口，开口一段朝向纳米碳材料除铁仓进气处。
所述的纳米碳材料储存腔放置于除铁仓中。
如图13是废气吸收仓组装图，两端是废气吸收仓端盖，之间螺纹连接。
废气吸收仓一端靠PTFE管接除铁仓出气口，一端靠PTFE管接氯气回收瓶。
废气吸收仓置于加热炉中，保持温度80-200°C，废气吸收仓中放置活性炭，活性炭用来吸附反应物。
本实用新型的优点：本实用新型采用在高温下氯气和纳米碳材料中的铁反应的工艺，去除纳米碳材料中的铁杂质。在高温下氯气和铁的反应生成物氯化亚铁呈现气体状态，并随保护气体排出纳米碳材料。相对于市场上流行的硫酸洗涤铁杂质工艺来说，本实用新型所需的设备简单，并且能实现氯气的零损耗，成本低廉，并且环境污染特别小。
附图说明
图1为本实用新型的碘升华部分结构示意图。
图2为本实用新型的内胆上下密封法兰盘示意图。
图3为本实用新型的内胆盖板示意图。
图4为本实用新型的螺栓卡箍示意图。
图5为本实用新型的螺栓卡箍垫圈示意图。
图6为本实用新型的双头螺栓示意图。
图7为本实用新型的螺母示意图。
图8为本实用新型的螺母塞示意图。
图9为本实用新型的螺母盖示意图。
图10为本实用新型的纳米碳材料除铁部分结构示意图。
图11为本实用新型的除铁仓端盖图。
图12为本实用新型的碳管储存腔示意图。
图13为本实用新型的废气吸收仓组装图。
图14为本实用新型的废气吸收仓示意图。
图15为本实用新型的废气吸收仓示意图。
内胆上密封法兰盘1、内胆上密封法兰盘螺纹孔2、螺栓卡箍3、螺母盖4、螺母塞5、螺栓卡箍6、内胆盖板7、内胆下密封法兰盘8、内胆9、螺母10、螺栓卡箍垫圈11、双头螺栓12、碳管储存腔13、除铁仓端盖14、石英管15、废气吸收仓端盖16、废气吸收仓17。
具体实施方式
一种去除纳米碳材料中铁杂质的方法，包括氯气加热部分图1、纳米碳材料除铁部分图9和废气吸收部分图12，氯气加热部分主要是氯气加热内胆，氯气加热内胆结构主要包括内胆上密封法兰盘1、内胆上密封法兰盘螺纹孔2、螺栓卡箍3、螺母盖4、螺母塞5、螺栓卡箍6、内胆盖板7、内胆下密封法兰盘8、内胆9、螺母10、螺栓卡箍垫圈11、双头螺栓12、碳管储存腔13、除铁仓端盖14、石英管15、废气吸收仓端盖16、废气吸收仓17。
主要用到的化学反应式如下：
Fe + Cl2 = FeCl2 (加热，除铁反应式)；
4FeCl2 + 3O2 = 2Fe2O3 + 4Cl2 (加热，氯气回收)；
首先安装好升华部分、反应部分和尾气吸收部分，然后将三部分收尾连接，并检查气密性。
在反应部分的管式炉中加入2.5kg的纳米碳材料粉至储存腔中，将活性炭填满废气吸收仓，并准备800g单质氯气。
设置反应部分温度为900°C，并开始通入氮气，气体流量设置为2 L/min。
待温度达到900°C后，将氯气加至升华内胆中，然后将氯气加热部分加热至180°C，并且氮气气体流量设置为4L/min。

Claims (7)

1.一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置，主要包括氯气加热部分、纳米碳材料除铁反应部分和尾气吸收部分；其特征在于：氯气加热部分主要包括氯气加热内胆和加热炉，氯气加热内胆主要有：内胆上密封法兰盘、内胆上密封法兰盘螺纹孔、螺栓卡箍、螺母盖、螺母塞、内胆盖板、内胆下密封法兰盘、石英内胆、螺母、螺栓卡箍垫圈、双头螺栓；纳米碳材料除铁反应部分主要有：纳米碳材料存储腔、除铁仓端盖、石英管、加热炉；尾气吸收部分主要有：废气吸收仓、废气吸收仓端盖、加热炉；氯气加热内胆由夹层内胆盖板盖紧，内胆盖板由内胆上密封法兰盘和内胆下密封法兰盘密封；内胆上密封法兰盘和内胆下密封法兰盘密封由螺母上紧，上密封法兰盘上有内胆上密封法兰盘螺纹孔，内胆上密封法兰盘螺纹孔连接螺栓卡箍，螺母盖，螺母塞和双头螺栓；螺栓卡箍由螺母，螺栓卡箍垫圈和双头螺栓组成，双头螺栓和螺母靠螺纹连接，中间有卡箍垫圈压紧；螺母塞和螺母盖与内胆盖板靠螺纹连接；内胆盖板上有螺栓卡箍、螺母盖、螺母塞；
除铁仓端盖需要镀金属保护层，并开有小孔，在进气处，除铁仓端盖进孔中一段连接氯气加热部分内胆的出气孔，另一端伸入碳管存储腔底部；
废气吸收仓一端靠PTFE管接除铁仓出气口，一端靠PTFE管接氯气回收瓶。
2.根据权利要求1所述的一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置，其特征在于：所述的氯气加热部分主要是氯气加热内胆，氯气加热内胆置于加热炉中，加热温度为80°C-200°C。
3.根据权利要求1所述的一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置，其特征在于：碳管除铁仓要架在加热炉上，并确保碳管储存腔温度在800-950°C之间。
4.根据权利要求1所述的一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置，其特征在于：废气吸收仓置于加热炉中，保持温度80-200°C，废气吸收仓中放置活性炭，活性炭用来吸附反应物。
5.根据权利要求1所述的一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置，其特征在于：所述的螺栓卡箍有两个，分别作为气体的入气口和出气口。
6.根据权利要求1所述的一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置，其特征在于：所述的螺母塞为加料口。
7.根据权利要求1所述的一种去除纳米碳材料中铁杂质的装置，其特征在于：内胆盖板上开有孔，这些孔分别螺纹连接螺母塞、双头螺栓。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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