CN217756908U - 一种电化学法制备石墨烯电解槽用电解液循环控温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电化学剥离制备石墨烯技术领域，提供一种电化学法制备石墨烯电解槽用电解液循环控温装置，包括电解槽、剥离用石墨电极、第一喷流组件、第二喷流组件、第一输出管、循环泵和加压泵；第一喷流组件包括第一喷流总管、第一喷流管，第二喷流组件包括第二喷流总管、第二喷流支管和第二喷流管喷头；第一输出管的一端端口位于电解槽内的底部，另一端连接循环泵的进液口，循环泵的出液口连接三通阀门的第一接口，三通阀门的第二接口通过管道连接第一喷流总管，三通阀门的第三接口通过管道连接加压泵，加压泵通过第二回流管道连接第二喷流总管。本实用新型保证了槽内电解液的温度与浓度均一化，提高了石墨烯产品的批次稳定性和质量可靠性。

Description

一种电化学法制备石墨烯电解槽用电解液循环控温装置

技术领域

本实用新型涉及电化学剥离制备石墨烯领域技术领域，具体涉及一种电化学法制备石墨烯电解槽用电解液循环控温装置。

背景技术

石墨烯是由单层sp²杂化碳原子排列形成的蜂窝状六角平面二维晶体，在二维平面上，sp²杂化的碳原子通过强的σ键与相邻的三个碳原子连接，剩余的P电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围的原子形成大π键，使石墨烯具有良好的导电导热以及机械性能，电子迁移率高达 200,000cm²/V.s，电导率达106S/m，热导率可达5000W/m·K，强度可达130GPa。石墨烯的这些优异特性使其在光电子器件、化学电源(如太阳能电池、锂离子电池)、气体传感器、抗静电和散热材料等领域有巨大的潜在应用前景。这要求石墨烯的品质足够好，且可以大规模的生产。

然而目前石墨烯的制备面对产业化应用还存在很大的挑战。首先，通过小分子热分解碳原子重组生长法制取石墨烯的方法，如化学气相沉积技术和外延生长法，可以得到高品质的石墨烯材料，但是产率低，能耗大，转移困难，技术门槛高，产品多应用于石墨烯膜领域，规模的广泛应用受限；其次，通过剥离石墨获得石墨烯材料的方法中，除微机械剥离法以外，化学氧化还原法，液相剥离，可以大规模制备石墨烯，但通过化学氧化还原法大量含氧基团连接在石墨烯片层上，导致大量的结构缺陷，使石墨烯的导电导热性能大幅度降低，制备过程中使用大量强氧化性试剂和还原性强的有毒试剂，不利于环境保护。液相剥离法能够得到高质量的石墨烯材料，也不使用强酸或强氧化剂，但是剥离过程所用溶剂及助剂不易除去，而且产品片径小，产率低，效率低，污染大，成本高。现有技术存在一种石墨与以羧酸或含羰基的化合物作为添加物发生局部或插层反应，其边界官能团化或形成插层石墨，再由球磨或者超声方法剥离石墨得到高质量石墨烯的低成本宏量制备方法，这种方法获得的石墨烯缺陷较少，导电性好，且具有一定水溶性，但是面临添加物难以除去，工艺复杂，效率低，污染严重等问题。

针对现有技术的现状，要么高质量低产率高成本，要么低质量高产率重污染，石墨烯产业发展亟需一种大规模、高质量、低成本、绿色无污染的制备技术，才能突破石墨烯材料瓶颈。而电化学法制备石墨烯则是可能的途径之一。相比于氧化还原法，电化学法不需要强氧化剂，取而代之的是电场插层剥离；相比于化学气相沉积，电化学的产量远远大于气相沉积技术，技术门槛低，且石墨烯的质量易于调控；相比于液相剥离低于5％的产率，电化学法剥离的产率可以超过90％。然而采用电化学的方法规模化制备石墨烯过程中，不可避免地会出现部分电能及化学能转化为热能，导致电解池温度不能持续稳定且形成波动，影响剥离的批次一致性和稳定性，不利于生产，且在电解过程中，电极间的浓度差极化，也会影响产品的批次的一致性和稳定性。为了解决上述问题，本实用新型中提出一种阵列式石墨电极电化学剥离制备用控温与对流匀质装置。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种电化学法制备石墨烯电解槽用电解液循环控温装置，本实用新型具有严格控温的特点，可实现电解槽内主电解液和电极侧电解液的温度快速均一化，同时也可以减少槽内各电极间的浓度差极化，从而能保证石墨烯剥离的批次一致性和产品稳定性。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种电化学法制备石墨烯电解槽用电解液循环控温装置，包括电解槽本体、多个剥离用石墨电极、第一喷流组件、第二喷流组件、第一输出管、循环泵和加压泵；所述多个剥离用石墨电极平行安装在电解槽内，相邻的剥离用石墨电极形成间隔；所述第一喷流组件包括第一喷流总管、第一喷流管，所述第一喷流总管沿电解槽内的一侧壁横向设置，且该侧壁与多个剥离用石墨电极的连线平行，所述第一喷流总管的同侧间隔连接并连通有多个第一喷流管，多个第一喷流管远离第一喷流总管的一端向上方延伸后下弯形成钩形弯管，第一喷流管远离第一喷流总管的管口朝向电解槽内；所述第二喷流组件包括第二喷流总管、第二喷流支管和第二喷流管喷头，所述第二喷流总管在电解槽槽底围合成方框形，多个第二喷流支管的两端连接在第二喷流总管的不同边上并与第二喷流总管管内连通，各第二喷流支管上分别设置有多个喷射方向朝上的第二喷流管喷头；所述第一输出管的一端端口位于电解槽内的底部，另一端连接循环泵的进液口，所述循环泵的出液口通过管道连接三通阀门的第一接口，所述三通阀门的第二接口通过第一回流管道连接并连通第一喷流总管，所述三通阀门的第三接口通过管道连接第二回流管道，第二回流管道连接并连通第二喷流总管。

本实用新型中，优选地，所述装置还包括横向喷管，所述横向喷管连接并连通第一喷流总管，所述横向喷管水平设置。

本实用新型中，优选地，所述装置还包括中央控制器，所述三通阀门为三通电磁阀，所述中央控制器与循环泵和三通电磁阀分别通过电路控制连接。

本实用新型中，优选地，所述装置还包括温度探测组件、中央控制器和热交换机；所述温度探测组件包括固定架、电动伸缩杆和温度探头，所述固定架位于电解槽外侧，固定架上转动安装电动伸缩杆的固定端，转动方向为竖直方向，电动伸缩杆的伸缩端靠近并延伸至电解槽上方，电动伸缩杆的伸缩端通过安装块固定所述温度探头；所述温度探测组件设置多组，各所述温度探头分别位于相邻剥离用石墨电极形成的间隔内；所述三通阀门的第二接口通过管道连接热交换机的进液口，热交换机的出液口连接第二回流管道的一端，第二回流管道上设置有加压泵，第二回流管道的出液口连接并连通第二喷流总管；所述三通阀门为三通电磁阀，所述中央控制器与温度探头、电动伸缩杆、热交换机、加压泵、循环泵和三通电磁阀分别通过电路控制连接。

本实用新型中，优选地，所述第一回流管道为软管，所述第一喷流组件通过多组高低不同的悬挂组件与电解槽的侧壁悬挂相连，使第一喷流组件可以悬挂在电解槽的不同高度。

本实用新型中，优选地，所述第一喷流管为可摆动式结构，由第一驱动组件驱动其水平摆动。

本实用新型中，优选地，所述第二喷流管喷头为可摆动式结构，由第二驱动组件驱动其喷射方向进行变化。

本实用新型中，优选地，所述横向喷管为可摆动式结构，由第三驱动组件驱动喷射方向变化。

本实用新型中，优选地，所述第一驱动组件包括第一电机、第一曲轴杆、第一连接块、第二连接块、活动杆和连杆；所述第一喷流管由竖直部分和钩状部分连接组成，所述竖直部分和钩状部分密封转动连接并连通，钩状部分的转动方向为水平方向，所述钩状部分通过连接件连接连杆的一端，所述连杆的该一端与连接件为活动铰接，多个所述连杆的另一端固定连接同一活动杆，所述活动杆外侧活动套接有第一连接块，所述第一连接块上固定连接第一曲轴杆的弯曲段，所述第一曲轴杆的一端连接第一电机的输出轴并由第一电机驱动第一曲轴杆在沿水平方向转动，第一曲轴杆的另一端转动连接在第二连接块上；所述第一电机通过第一电机支架安装在电解槽上或者安装在电解槽外侧；所述第二连接块固定在第一电机支架或电解槽上；所述第一电机与中央控制器电性连接。

本实用新型中，优选地，所述第二喷流管喷头的下端为球状管，第二喷流支管上设置有与球状管匹配的圆槽，所述第二喷流管喷头的下端通过球状管可转动安装在第二喷流支管上的圆槽内；所述第二驱动组件包括动力格栅、第二曲轴杆和第二电机，所述动力格栅由外框和连接在外框内的若干隔条组成，每个隔条上开设有动力孔，动力格栅活动放置在第二喷流管上面且每个第二喷流管喷头均套在一个动力孔内侧；所述第二曲轴杆的弯曲段与动力格栅的外框固定连接，第二曲轴杆的上端连接第二电机的输出轴并由第二电机驱动第二曲轴杆在沿水平方向转动，第二曲轴杆的下端转动连接在第三连接块上；所述第二电机通过第二电机支架固定在电解槽上或者固定在电解槽外侧；所述第三连接块固定在电解槽内；所述第二电机与中央控制器电性连接。

本实用新型中，优选地，所述横向喷管的一端为球状管，第一喷流总管远离第一回流管道的另一端内侧设置有与球状管匹配的圆槽，所述横向喷管通过球状管可转动安装在第一喷流总管远离第一回流管道的另一端的圆槽内；所述第三驱动组件包括第三电机支架、液压杆、第三电机和第三曲轴杆；所述第三电机支架上固定设置第四连接块，所述第四连接块铰接有转动支杆，转动支杆的转动方向为竖直方向，转动支杆上固定安装有第三电机，第三电机的输出轴连接第三曲轴杆的一端，第三曲轴杆的弯曲端固定连接横向喷管；所述液压杆的一端铰接第三电机支架，另一端铰接转动支杆；所述第三电机与中央控制器电性连接；所述第一喷流总管或横向喷管上设置有控制横向喷管流量的流体控制阀，所述流体控制阀与中央控制器电性连接。

本实用新型中，优选地，所述电解槽的内侧壁设有不同位置和不同深度的通过挂钩固定有固定式温度探头。

本实用新型中，优选地，所述热交换机的出液口与第二喷流总管之间设置有电解液缓冲罐，缓冲罐的体积与电解槽内电解液体积比为1:3。

本实用新型中，优选地，各所述剥离用石墨电极的外部罩设有滤袋或滤框，所述第一喷流管远离第一喷流总管的管口朝向滤袋或滤框内。

本实用新型还提供电化学剥离石墨制备石墨烯的控温与对流匀质方法，利用上述的装置，具体方法为：

通过循环泵将电解槽本体内的电解液抽出后，通过三通阀门分流后，一部分输送至热交换器，经过热交换后，再通过第二喷流总管回流到电解槽本体内，形成向上的流体进行电解液的均质；另一部分通过第一回流管、第一喷流总管和第一喷流管直接回流到电解槽内，用作于槽内对流的主要动力和介质，形成向下的流体；分别调节循环泵和加压泵的出口阀门可以直接增加或减小输出功率，从而从总体上控制电解槽内对流强度，使电解槽内的电解液浓度均一化，减少浓度极差；

对于温度的调控，通过电动伸缩杆的伸缩，温度探头可以移动，并测量石墨电极在剥离过程中各电极间不同部位的温度变化，固定式温度探头可以测试电解槽侧壁附近的电解液温度，中央控制器在将各部位进行比较后，根据各部位温度差的大小，可以更精确地控制加压泵的输送流量、循环泵的输送流量、热交换机的工作、三通阀门的开合、流体控制阀的开合，从而使第一喷流管、第二喷流管喷头、横向喷灌的流量增加或者降低来调控对流的强度，以实现快速的流体温度与浓度快速匀质化。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过设置第一喷流组件、第二喷流组件、第一输出管和循环泵，可以实现电解液的循环均质，经三通阀门的分流后，其中一部分电解液回流至电解槽内时形成向下流动的流体，另一部分电解液回流时形成向上流动的流体，两部分使电解槽内的电解液形成稳定的对流，从而使电解液的温度和浓度更好地均一化。

2、本实用新型通过设置温度探测组件、中央控制器和热交换机，可以对电解槽内多点的电解液进行温度监测，在温度差超过一定值时，通过调整循环泵和加压泵的功率来调节对流强度，通过热交换机来进行电解液升温或降温，以更快地实现电解液的匀质和温度均一化。

3、本实用新型通过将第一喷流组件、第二喷流组件和横向喷管设置为可调整喷射方向的结构，可进一步扩大喷射范围，以更快地实现电解液的匀质和温度均一化。

附图说明

图1为本实用新型的整体布局图；

图2为本实用新型中电解槽的立体结构图；

图3为本实用新型中第一喷流组件、第二喷流组件、横向喷管以及对应的驱动结构的示意图；

图4为本实用新型中第一驱动组件的结构示意图；

图5为本实用新型中温度探测组件的结构示意图；

图6为本实用新型中的控制原理图。

图7不进行控温和对流均质前，某监测点电解液pH的变化情况；

图8控温和对流均质后，同一监测点电解液pH的变化情况；

图9不进行控温和对流均质前，某监测点温度变化情况；

图10控温和对流均质后，同一监测点温度变化情况；

图11温控和均质循环系统连续运行时，某一点的电解槽温度变化情况；

图12在不进行控温和对流均质的情况下，极片的剥离效果；

图13控温和对流均质后开启时极片的剥离效果。

1-电解槽本体，2-石墨电极，3-第一喷流组件，301-第一喷流总管，302-第一喷流管，4- 第二喷流组件，401-第二喷流总管，402-第二喷流支管，403-第二喷流管喷头，404-球状管， 5-流体控制阀，6-横向喷管，7-电极承重杆，8-温度探测组件，801-固定架，802-电动伸缩杆， 803-温度探头，9-循环泵，10-三通阀门，11-加压泵，12-温度显示器，13-固定式温度探头， 14-管道截止阀，15-热交换机，16-中央控制器，17-第一输出管，18-第一回流管道，19-第二回流管道，20-滤框，21-第一驱动组件，2101-第一电机，2102-第一连接块，2103-第二连接块，2104-活动杆，2105-连杆，2106-第一电机支架，2107-第一曲轴杆，22-第二驱动组件， 2201-动力格栅，2202-第二曲轴杆，2203-第二电机，2204-第三连接块，2205-第二电机支架， 24-第三驱动组件，2401-第三电机支架，2402-液压杆，2403-第三电机，2404-第三曲轴杆， 2405-转动支杆。

具体实施方式

为了更清楚地表达本实用新型，以下通过具体实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型提供一种电化学法制备石墨烯电解槽用电解液循环控温装置，通过结构改进，实现电解过程中电解液浓度和温度的均一化，从而实现石墨烯产品批次一致性和产品稳定性。本实用新型包括电解槽本体1、多个剥离用石墨电极2、第一喷流组件3、第二喷流组件4、第一输出管17、循环泵9和加压泵11；其中本实用新型的电解槽本体1为现有的产品结构，包括电解槽本体1、电解槽电流导通母线、导电端子、电极承重杆7、电解阴极部分等结构，本实用新型不对该现有的部分进行改进，本领域技术人员已熟知能实现电化学剥离的电解槽基础结构，故本实用新型不再进行详细描述，附图为了清晰地表达本实用新型的改进部分，本领域技术人员应理解为本实用新型具有实现电解的所有基本结构。本实用新型中，多个剥离用石墨电极2通过电极承重杆7平行安装在电解槽内，相邻的剥离用石墨电极2形成间隔，电解用阴极设置在相邻石墨电极2之间，形成电解的电极对。参见图1-3，本实用新型的改进在于，第一喷流组件3包括第一喷流总管301、第一喷流管302，第一喷流总管301沿电解槽内的一侧壁横向设置，且该侧壁与多个剥离用石墨电极2的连线平行，横向设置并不要求一定为水平状态，所述第一喷流总管301的同侧(具体是在上侧)间隔连接并连通有多个第一喷流管302，多个第一喷流管302远离第一喷流总管301的一端向上方延伸后下弯形成钩形弯管，第一喷流管302远离第一喷流总管301的管口朝向电解槽内，用于将电解液回流加入电解槽中，形成向下流动的流体；第二喷流组件4包括第二喷流总管401、第二喷流支管 402和第二喷流管喷头403，第二喷流总管401在电解槽槽底围合成方框形，多个第二喷流支管402的两端连接在第二喷流总管401的不同边上并与第二喷流总管401管内连通，第二喷流支管402的两边可以连接在相邻边上，更优选是连接在方框形的相对边上，各第二喷流支管402上分别设置有多个喷射方向朝上的第二喷流管喷头403，用于向上喷射电解液，形成向上流动的流体，该处的向上可以是竖直向上，倾斜向上等情况；第一输出管17的一端端口位于电解槽内的底部，另一端连接循环泵9的进液口，循环泵9的出液口连接三通阀门10的第一接口，三通阀门10的第二接口通过第一回流管道18连接并连通第一喷流总管301，三通阀门10的第三接口通过管道连接第二回流管道19，第二回流管道19连接并连通第二喷流总管401。各管道设置有管道截止阀14。

通过上述设置，在进行电化学剥离时，向电解槽中注入电解液到预定液位，在开启循环泵9后，电解槽内的电解液在循环泵9的作用下，可以经由循环泵9进入三通阀门10，三通阀门10对电解液进行分流，一部分电解液通过第一回流管道18进入第一喷流总管301，再由第一喷流总管301进入第一喷流管302，再回流至电解槽内，形成向下流动的流体，另一部分电解液通过管道、第二回流管道19进入第二喷流总管401，再通过第二喷流管喷头403 向上喷射电解液，形成向上流动的流体，使电解槽内的电解液形成稳定的对流，从而使电解液的温度和浓度更好地均一化。而通过调节循环泵9的流量可以控制对流的强度。

在本实用新型的一些优选的实施例中，本装置还包括横向喷管6，横向喷管6连接并连通第一喷流总管301，第一喷流总管301或横向喷管6上设置有控制横向喷管6流量的流体控制阀5；所述横向喷管6水平设置。在循环泵9工作时，第一喷流总管301内回流的电解液还可以通过横向喷管6流出，从而形成水平方向的流动，进一步促进电解液的温度和浓度更好地均一化，通过控制流体控制阀5的开合度，可以控制流体流动强度。

在本实用新型的一些优选的实施例中，本装置还包括温度探测组件8、中央控制器16和热交换机15；结合图1、图2、图3和图5，所述温度探测组件8包括固定架801、电动伸缩杆802和温度探头803，所述固定架801位于电解槽外侧，固定架801上转动安装电动伸缩杆802的固定端，转动方向为竖直方向，电动伸缩杆802的伸缩端靠近并延伸至电解槽上方，电动伸缩杆802的伸缩端通过安装块固定所述温度探头803；所述温度探测组件8设置多组，各所述温度探头803分别位于相邻剥离用石墨电极2形成的间隔内；所述三通阀门10的第二接口通过管道连接热交换机15的进液口，热交换机15的出液口连接第二回流管道19的一端，第二回流管道19上设置有加压泵11，第二回流管道19的出液口连接并连通第二喷流总管401；所述三通阀门10为三通电磁阀，所述中央控制器16与温度探头803、电动伸缩杆802、热交换机15、加压泵11、循环泵9和三通电磁阀分别通过电路控制连接，温度通过温度显示器13进行显示。

通过上述设置，在进行电化学剥离时，温度探头803实时测量电解液的温度，电动伸缩杆802通过伸长或缩短可以将温度探头803快速移动到电极的两侧及中间位置，测量剥离用石墨电极2在剥离过程中各电极间不同部位的温度变化，使PLC中央控制器16收集到各部位准确温度数值，在温差较大时，中央控制器16通过控制加压泵11、循环泵9的功率加大电解液对流的强度，从而促进电解液的温度和浓度快速地均一化。同时，PLC中央控制器16根据温度值，控制热交换机15对电解液进行温度交换的速度，加快温度均一化。例如在电极侧的温度较高时，中央控制器16通过控制加压泵11、循环泵9的功率加大电解液对流的强度，并控制热交换机15对电解液进行降温，降温后的电解液再通过第一喷流管302喷头进入电解槽后，能通过热交换方式使温度更快均一化。基于此，本实用新型还优选在电解槽的内侧壁的不同位置和不同深度通过挂钩固定有固定式温度探头13，固定式温度探头13与中央控制器16电性连接，从而可以测试电解槽侧壁附近的电解液温度，了解更多点的温度情况，中央控制器16在将各部位进行比较后，可以更精确地控制加压泵11、循环泵9的功率以及热交换机15的工作，达到更快地电解液均一化。

本实用新型中，所述热交换机15的出液口与第二喷流总管401之间设置有电解液缓冲罐 (未示出)，缓冲罐的体积与电解槽内电解液体积比为1:3；由热交换机15进入缓冲罐的电极液，用于电解槽内电解液降温时，温度低于槽内温度15～25℃。

在本实用新型的一些优选的实施例中，各所述剥离用石墨电极2的外部罩设有滤袋或滤框20，所述第一喷流管302远离第一喷流总管301的管口朝向滤袋或滤框20内。通过该设置，可以使第一喷流管302喷射的流体在石墨电极2表面形成对流强烈的湍流层，快速实现电极表面的匀质和温度均一化。

在本实用新型的一些优选的实施例中，所述第一喷流管302为可摆动式结构，由第一驱动组件21驱动其水平摆动。优选地，所述第一驱动组件21包括第一电机2101、第一曲轴杆 2107、第一连接块2102、第二连接块2103、活动杆2104和连杆2105；所述第一喷流管302由竖直部分和钩状部分连接组成，所述竖直部分和钩状部分密封转动连接并连通，转动方向为水平方向，所述钩状部分通过连接件连接连杆2105的一端，所述连杆2105的该一端与连接件为活动铰接，多个所述连杆2105的另一端固定连接同一活动杆2104，所述活动杆2104 外侧活动套接有第一连接块2102，所述第一连接块2102上固定连接第一曲轴杆2107的弯曲段，所述第一曲轴杆2107的一端连接第一电机2101的输出轴并由第一电机2101驱动第一曲轴杆2107在沿水平方向转动，第一曲轴杆2107的另一端转动连接在第二连接块2103上；所述第一电机2101通过第一电机支架2106安装在电解槽上或者安装在电解槽外侧；所述第二连接块2103固定在第一电机支架2106或电解槽上。通过该设置，在第一电机2101工作时，输出轴带动第一曲轴杆2107水平转动，从而带动第一连接块2102、活动杆2104和连杆2105 分别做圆周运动，从而带动钩状部分进行水平摆动，可在水平面上移动喷口位置，将电解液的喷射范围增大，更快地促进电解液的匀质和温度均一化。将第一电机2101与中央控制器 16通过电路进行电性连接，可以进一步实现自动化调整。

在本实用新型的一些优选的实施例中，所述第二喷流管喷头403为可摆动式结构，由第二驱动组件22驱动其喷射方向进行变化。优选地，所述第二喷流管喷头403的下端为球状管，第二喷流支管402上设置有与球状管匹配的圆槽，所述第二喷流管喷头403的下端通过球状管可转动安装在第二喷流支管402上的圆槽内，球状管和圆槽的连接处可以设置密封垫加强密封效果；所述第二驱动组件22包括动力格栅2201、第二曲轴杆2202和第二电机2203，所述动力格栅2201由外框和连接在外框内的若干隔条组成，每个隔条上开设有动力孔，动力格栅2201活动放置在第二喷流管上面且每个第二喷流管喷头403均套在一个动力孔内侧；所述第二曲轴杆2202的弯曲段与动力格栅2201的外框活动连接，第二曲轴杆2202的上端连接第二电机2203的输出轴并由第二电机驱动第二曲轴杆2202在沿水平方向转动，第二曲轴杆2202 的下端转动连接在第三连接块2204上；所述第二电机2203通过第二电机支架2205固定在电解槽上或者固定在电解槽外侧；所述第三连接块2204固定在电解槽内。通过该设置，在第二电机2203工作时，输出轴带动第二曲轴杆2202水平转动，从而带动动力格栅2201做圆周运动，从而带动第二喷流管喷头403的上部分做圆周运动，喷头的喷射方向可在电解槽内进行立体的方向调整，将电解液的喷射范围增大，更快地促进电解液的匀质和温度均一化。将第二电机2203与中央控制器16通过电路进行电性连接，可以进一步实现自动化调整。

在本实用新型的一些优选的实施例中，所述横向喷管6为可摆动式结构，由第三驱动组件24驱动喷射方向变化。优选地，所述横向喷管6的一端为球状管，第一喷流总管301远离第一回流管道的另一端内侧设置有与球状管匹配的圆槽，所述横向喷管6通过球状管可转动安装在第一喷流总管301远离第一回流管道的另一端的圆槽内；所述第三驱动组件24包括第三电机支架2401、液压杆2402、第三电机2403和第三曲轴杆2404；所述第三电机支架2401 上固定设置第四连接块，所述第四连接块铰接有转动支杆2405，转动支杆2405的转动方向为竖直方向，转动支杆2405上固定安装有第三电机2403，第三电机2403的输出轴连接第三曲轴杆2404的一端，第三曲轴杆2404的弯曲端固定连接横向喷管6；所述液压杆2402的一端铰接第三电机支架2401，另一端铰接转动支杆2405。通过该设置，在第三电机2403工作时，只进行小于180°的往复转动，输出轴带动第三曲轴杆2404往复摆动，从而第三曲轴杆2404的弯曲段带动横向喷管6做水平摆动，横向喷管6的喷射方向可在电解槽内进行立体的方向调整；在液压杆2402伸缩时，可带动第三电机2403的上下位置变化，从而也带动第三曲轴杆2404、横向喷管6的上下位置变化；从而可将电解液的喷射范围增大，更快地促进电解液的匀质和温度均一化。将第三电机2403与中央控制器16通过电路进行电性连接，可以进一步实现自动化调整。

在本实用新型的一些优选的实施例中，所述第一回流管道18为软管，所述第一喷流组件 3通过多组高低不同的悬挂组件与电解槽的侧壁悬挂相连，使第一喷流组件3可以悬挂在电解槽的不同高度。对应地，第一电机支架2106为可以进行对应升降的结构。图4为其中的一种实施方式，第一电机支架2106的底部连接电动升降杆的活动端，电动升降杆的固定端固定在一底座上，第一电机支架2106滑动连接在底座两侧的滑槽内，保持结构的稳定。

本实用新型的工作原理：

电解槽的第一喷流总管301与第二喷流总管401各自有独立的流体输送泵，且第一喷流总管301的循环泵9流体输送量远大于第二喷流总管401的加压泵11。在一般情况下，通过循环泵9将电解槽本体1内的电解液抽出后，通过三通阀门10分流后，一部分输送至热交换器，经过热交换后，再通过第二喷流总管401回流到电解槽本体1内，形成向上的流体进行电解液的均质；另一部分通过第一回流管、第一喷流总管301和第一喷流管302直接回流到电解槽内，用作于槽内对流的主要动力和介质，形成向下的流体；分别调节循环泵9和加压泵11的出口阀门可以直接增加或减小输出功率，从而从总体上控制电解槽内对流强度，使电解槽内的电解液浓度均一化，减少浓度极差。

对于温度的调控，通过电动伸缩杆802的伸缩，温度探头803可以移动，并测量石墨电极2在剥离过程中各电极间不同部位的温度变化，固定式温度探头13可以测试电解槽侧壁附近的电解液温度，中央控制器16在将各部位进行比较后，根据各部位温度差的大小，可以更精确地控制加压泵11的输送流量、循环泵9的输送流量、热交换机15的工作、三通阀门10 的开合、流体控制阀5的开合，从而使第一喷流管302、第二喷流管喷头403、横向喷灌的流量增加或者降低来调控对流的强度，以实现快速的流体温度与浓度快速匀质化。

采用本实用新型的装置进行电化学剥离石墨制备石墨烯，在不进行控温和对流均质前，电解液pH的变化情况见图7，控温和对流均质后，电解液pH的变化情况见图8；纵轴代表 pH值，横轴代表时间，可以看出，采用本实用新型的装置进行控温和对流均质后，同一监测点的电解液pH浮动范围更小，电解液性质更为稳定均一。

在不进行控温和对流均质前，各监测点温度变化情况见图9，控温和对流均质后，某一监测点温度变化情况见图10，温控循环系统连续运行时，某一点的电解槽温度变化情况见图 11；可以看出，采用本实用新型的装置进行控温和对流均质后，同一监测点的电解液温度波动范围更小，电解液温度更为稳定均一。

在不进行控温和对流均质的情况下，极片的剥离效果见图12，解槽温控系统开启时极片的剥离效果见图13。可以看出，通过控温和对流均质，可以提高产品性能的均一稳定性。

电解槽有无控温系统时生产电极剥离随机取样对比结果见表1，可以看出，经过控温和对流均质，剥离更为均一，少碎裂和掉渣现象。

表1

电解槽有无控温系统时生产所得物料取样测试氧含量对比结果见表2，可以看出，经过控温和对流均质，产品性能更为稳定。

表2

综上所述，本实用新型相比现有装置，能更快地促进电解液的匀质和温度均一化，同时也可以减少槽内各电极间的浓度差极化，从而能保证石墨烯剥离的批次一致性和产品稳定性。上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims (14)

1.一种电化学法制备石墨烯电解槽用电解液循环控温装置，其特征在于：包括电解槽本体、多个剥离用石墨电极、第一喷流组件、第二喷流组件、第一输出管、循环泵和加压泵；所述多个剥离用石墨电极平行安装在电解槽内，相邻的剥离用石墨电极形成间隔；所述第一喷流组件包括第一喷流总管、第一喷流管，所述第一喷流总管沿电解槽内的一侧壁横向设置，且该侧壁与多个剥离用石墨电极的连线平行，所述第一喷流总管的同侧间隔连接并连通有多个第一喷流管，多个第一喷流管远离第一喷流总管的一端向上方延伸后下弯形成钩形弯管，第一喷流管远离第一喷流总管的管口朝向电解槽内；所述第二喷流组件包括第二喷流总管、第二喷流支管和第二喷流管喷头，所述第二喷流总管在电解槽槽底围合成方框形，多个第二喷流支管的两端连接在第二喷流总管的不同边上并与第二喷流总管管内连通，各第二喷流支管上分别设置有多个喷射方向朝上的第二喷流管喷头；所述第一输出管的一端端口位于电解槽内的底部，另一端连接循环泵的进液口，所述循环泵的出液口连接三通阀门的第一接口，所述三通阀门的第二接口通过第一回流管道连接并连通第一喷流总管，所述三通阀门的第三接口通过管道连接第二回流管道，第二回流管道连接并连通第二喷流总管。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括横向喷管，所述横向喷管连接并连通第一喷流总管，所述横向喷管水平设置。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：还包括中央控制器，所述三通阀门为三通电磁阀，所述中央控制器与循环泵和三通电磁阀分别通过电路控制连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：还包括温度探测组件、中央控制器和热交换机；所述温度探测组件包括固定架、电动伸缩杆和温度探头，所述固定架位于电解槽外侧，固定架上转动安装电动伸缩杆的固定端，转动方向为竖直方向，电动伸缩杆的伸缩端靠近并延伸至电解槽上方，电动伸缩杆的伸缩端通过安装块固定所述温度探头；所述温度探测组件设置多组，各所述温度探头分别位于相邻剥离用石墨电极形成的间隔内；所述三通阀门的第二接口通过管道连接热交换机的进液口，热交换机的出液口连接第二回流管道的一端，第二回流管道上设置有加压泵，第二回流管道的出液口连接并连通第二喷流总管；所述三通阀门为三通电磁阀，所述中央控制器与温度探头、电动伸缩杆、热交换机、加压泵、循环泵和三通电磁阀分别通过电路控制连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一回流管道为软管，所述第一喷流组件通过多组高低不同的悬挂组件与电解槽的侧壁悬挂相连，使第一喷流组件可以悬挂在电解槽的不同高度。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述第一喷流管为可摆动式结构，由第一驱动组件驱动其水平摆动。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述第二喷流管喷头为可摆动式结构，由第二驱动组件驱动其喷射方向进行变化。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述横向喷管为可摆动式结构，由第三驱动组件驱动喷射方向变化。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述第一驱动组件包括第一电机、第一曲轴杆、第一连接块、第二连接块、活动杆和连杆；所述第一喷流管由竖直部分和钩状部分连接组成，所述竖直部分和钩状部分密封转动连接并连通，钩状部分的转动方向为水平方向，所述钩状部分通过连接件连接连杆的一端，所述连杆的该一端与连接件活动铰接，多个所述连杆的另一端固定连接同一活动杆，所述活动杆外侧活动套接有第一连接块，所述第一连接块上固定连接第一曲轴杆的弯曲段，所述第一曲轴杆的一端连接第一电机的输出轴并由第一电机驱动第一曲轴杆在沿水平方向转动，第一曲轴杆的另一端转动连接在第二连接块上；所述第一电机通过第一电机支架安装在电解槽上或者安装在电解槽外侧；所述第二连接块固定在第一电机支架或电解槽上；所述第一电机与中央控制器电性连接。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述第二喷流管喷头的下端为球状管，第二喷流支管上设置有与球状管匹配的圆槽，所述第二喷流管喷头的下端通过球状管可转动安装在第二喷流支管上的圆槽内；所述第二驱动组件包括动力格栅、第二曲轴杆和第二电机，所述动力格栅由外框和连接在外框内的若干隔条组成，每个隔条上开设有动力孔，动力格栅活动放置在第二喷流管上面且每个第二喷流管喷头均套在一个动力孔内侧；所述第二曲轴杆的弯曲段与动力格栅的外框活动连接，第二曲轴杆的上端连接第二电机的输出轴并由第二电机驱动第二曲轴杆在沿水平方向转动，第二曲轴杆的下端转动连接在第三连接块上；所述第二电机通过第二电机支架固定在电解槽上或者固定在电解槽外侧；所述第三连接块固定在电解槽内；所述第二电机与中央控制器电性连接。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述横向喷管的一端为球状管，第一喷流总管远离第一回流管道的一端内侧设置有与球状管匹配的圆槽，所述横向喷管通过球状管可转动安装在第一喷流总管远离第一回流管道的一端的圆槽内；所述第三驱动组件包括第三电机支架、液压杆、第三电机和第三曲轴杆；所述第三电机支架上固定设置第四连接块，所述第四连接块铰接有转动支杆，转动支杆的转动方向为竖直方向，转动支杆上固定安装有第三电机，第三电机的输出轴连接第三曲轴杆的一端，第三曲轴杆的弯曲端固定连接横向喷管；所述液压杆的一端铰接第三电机支架，另一端铰接转动支杆；所述第三电机与中央控制器电性连接；所述第一喷流总管或横向喷管上设置有控制横向喷管流量的流体控制阀，所述流体控制阀与中央控制器电性连接。

12.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述电解槽的内侧壁设有不同位置和不同深度的通过挂钩固定有固定式温度探头。

13.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述热交换机的出液口与第二喷流总管之间设置有电解液缓冲罐，缓冲罐的体积与电解槽内电解液体积比为1:3。

14.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：各所述剥离用石墨电极的外部罩设有滤袋或滤框，所述第一喷流管远离第一喷流总管的管口朝向滤袋或滤框内。

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