KR102233101B1 - Oxide manufaturing device and oxide manufaturing method using the same - Google Patents

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Abstract

단시간에 친환경적으로 산화 그래핀을 제조할 수 있는 산화 그래핀 제조장치 및 산화그라파이트 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 산화그라파이트 제조장치는 제1직경의 제1원통부, 제1직경보다 큰 제2직경을 갖고, 제1원통부와 회전중심이 동일한 제2원통부, 제1원통부와 제2원통부 사이에, 제1원통부의 회전에 의하여 전단응력이 부여될 대상인 그라파이트를 투입하기 위한 그라파이트 투입구, 그라파이트를 산화시키는 산화제를 투입하기 위한 산화제 투입구 및 산화제로 산화된 산화그라파이트가 배출되는 산화그라파이트 배출구;를 포함한다. An apparatus for producing graphene oxide and a method for producing graphite oxide capable of producing graphene oxide environmentally friendly in a short time are disclosed. The apparatus for producing graphite oxide according to an embodiment of the present invention includes a first cylindrical portion having a first diameter, a second cylindrical portion having a second diameter larger than the first diameter, and having the same rotation center as the first cylindrical portion, and a first cylindrical portion. Between the part and the second cylindrical part, a graphite inlet port for introducing graphite, which is a target to be subjected to shear stress by rotation of the first cylindrical part, an oxidizing agent inlet port for introducing an oxidizing agent to oxidize graphite, and graphite oxide oxidized with the oxidizing agent are discharged It includes; graphite oxide outlet to be.

Description

산화그라파이트 제조장치 및 산화그라파이트 제조방법{OXIDE MANUFATURING DEVICE AND OXIDE MANUFATURING METHOD USING THE SAME}Graphite oxide manufacturing device and graphite oxide manufacturing method {OXIDE MANUFATURING DEVICE AND OXIDE MANUFATURING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 산화 그래핀 제조장치 및 산화그라파이트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단시간에 친환경적으로 산화 그래핀을 제조할 수 있는 산화 그래핀 제조장치 및 산화그라파이트 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus for producing graphene oxide and a method for producing graphite oxide, and more particularly, to an apparatus for producing graphene oxide and a method for producing graphite oxide that can eco-friendlyly produce graphene oxide in a short time.

그라파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 형성된 판상의 2차원 시트인 그래핀이 적층된 구조를 갖는다. 그라파이트는 전기 전도성 및 열전도성이 매우 뛰어나 기계적 강도가 우수하고 탄성이 높으며 투명도가 높다는 장점 등이 있는 바, 2차 전지, 연료 전지, 슈퍼 캐패시터와 같은 에너지 저장소재, 여과막, 화학검출기, 투명전극 등과 같은 다양한 응용분야에서 사용될 수 있다. Graphite has a structure in which graphene, which is a plate-shaped two-dimensional sheet in which carbon atoms are formed in a hexagonal shape, is stacked. Graphite has the advantages of excellent electrical and thermal conductivity, excellent mechanical strength, high elasticity, and high transparency. As such, it has advantages such as secondary cells, fuel cells, energy storage materials such as super capacitors, filtration membranes, chemical detectors, transparent electrodes, etc. It can be used in a variety of applications such as.

이러한 그라파이트를 산화시킨 후 여러층으로 분리한 후 다시 환원시켜 제조되는 그래핀(grephene) 역시 높은 열전도도, 높은 전류 이송 능력, 우수한 강성 등의 뛰어난 물성을 지니고 있으므로 나노 스케일의 전기전자 디바이스, 나노센서, 광전자 디바이스, 고기능 복합재 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 평가되고 있다. Graphene, which is produced by oxidizing graphite and then dividing it into several layers and reducing it again, also has excellent physical properties such as high thermal conductivity, high current transfer ability, and excellent rigidity, so it is a nanoscale electric and electronic device, a nanosensor. , Optoelectronic devices, and high-performance composites are evaluated to be applied in various fields.

그래핀은 일반적으로 화학기상증착법(CVD법), 화학적 합성법(흑연의 산화/환원법) 등을 통해 제조될 수 있다. 소위 스카치 테이프법으로 알려져 있는 기계적 박리 방법에 의해 그래핀을 생산 가능하다는 발표 이후, 많은 기술들이 연구 개발되고 분류된 결과다. In general, graphene can be prepared through a chemical vapor deposition method (CVD method), a chemical synthesis method (an oxidation/reduction method of graphite), or the like. After the announcement that graphene can be produced by a mechanical peeling method known as the so-called Scotch tape method, many technologies have been researched, developed, and classified.

이러한 방법들 중, 탑다운 공법으로 대량생산이 가능할뿐더러 비교적 저비용으로 그래핀을 생산할 수 있는 화학적 합성법이 가장 현실적이고도 간편한 방법으로 알려져 있다.Among these methods, a chemical synthesis method that can produce graphene at a relatively low cost as well as mass-produced by the top-down method is known as the most practical and simple method.

화학적 합성법을 개략적으로 설명하면, 그라파이트를 강산으로 산화 처리하여 산화 그래핀(graphene oxide, GO)으로 분산 및 박리시킨 다음에 다시 열처리를 통하여 GO를 환원시켜서 환원된 그래핀 산화그라파이트(reduced graphene oxide, rGO)로 만드는 방법이다. 즉, 산화 그래핀은 그래핀의 원료물질에 해당하는 것으로, 그래핀 기반 산업에 있어 핵심적인 출발 물질에 해당한다. To briefly explain the chemical synthesis method, graphite is oxidized with a strong acid to disperse and exfoliate with graphene oxide (GO), and then by reducing GO through heat treatment again, reduced graphene oxide (reduced graphene oxide) is performed. rGO). That is, graphene oxide corresponds to the raw material of graphene, and is a key starting material in the graphene-based industry.

그러나 상술한 것과 같은 화학적 합성법을 이용하여 산화 그래핀을 제조하는 전통적인 방법(험머스 방법, Hummer's method)에서는 그라파이트의 층간 거리가 0.34nm로 매우 협소하므로, 층간 화학 반응을 유도하기 위해 오랜 시간(대략 2~5일)이 소요되는 문제가 있어 경쟁력 있는 산화 그래핀 제조가 현실적으로 어렵다. However, in the traditional method (Hummer's method) of producing graphene oxide using the above-described chemical synthesis method, the interlayer distance of graphite is very narrow (0.34nm), so it takes a long time (approximately) to induce an interlayer chemical reaction. It takes 2 to 5 days), so it is practically difficult to manufacture competitive graphene oxide.

그리고 제조시간 단축을 위해서 강산 및 온도제어 등을 통해 반응속도를 조정하는 방안이 제안되고는 있으나, 이 경우에는 폐산액 증가에 따른 환경문제 및 이들을 처리하기 위한 비용이 증가되는 문제점이 발생하고 있다. 화학적 합성법을 통한 산화 그래핀 제조에 있어 제조시간을 줄임과 동시에 보다 친환경적인 방법이 모색되고 있는 이유다. In addition, in order to shorten the manufacturing time, a method of adjusting the reaction rate through strong acid and temperature control, etc., has been proposed, but in this case, there is a problem in that environmental problems due to an increase in the waste acid solution and cost for treating them increase. This is the reason why a more eco-friendly method is being sought while reducing the manufacturing time in the production of graphene oxide through a chemical synthesis method.

산화제로 사용되고 있는 과망간산칼륨은 황산과의 폭주 반응으로 인해 고온 및 폭발의 위험성이 있고, 반응 후 고품질의 산화그라파이트 제조를 위한 칼륨과 망간 세척 공정이 필요하며, 이 때 발생하는 하폐수 처리도 문제가 되고 있다. Potassium permanganate, which is used as an oxidizing agent, has a high temperature and risk of explosion due to runaway reaction with sulfuric acid, and a potassium and manganese washing process is required to produce high-quality graphite oxide after the reaction, and wastewater treatment generated at this time is also a problem. have.

최근 이러한 문제점들을 극복하고자 약산 기반 산화그라파이트를 제조하거나, 흑연 가장자리를 기능화 및 화학반응을 유도하여 박리하는 기술들이 보고되고 있으나, 전술한 문제의 해결기술은 여전히 과제로 남아있는 상태이다.
Recently, in order to overcome these problems, technologies for preparing weakly acid-based graphite oxide or functionalizing graphite edges and inducing chemical reactions to exfoliate have been reported, but the technology to solve the above problems is still a problem.

본 발명의 실시예들에서는 단시간에 친환경적으로 산화 그래핀을 제조할 수 있는 산화 그래핀 제조장치 및 산화그라파이트 제조방법이 제공된다.
In the embodiments of the present invention, an apparatus for producing graphene oxide and a method for producing graphite oxide capable of producing graphene oxide environmentally friendly in a short time are provided.

본 발명의 일 측면에 따르는 산화그라파이트 제조장치는, 제1직경의 제1원통부; 제1직경보다 큰 제2직경을 갖고, 제1원통부와 회전중심이 동일한 제2원통부; 제1원통부와 제2원통부 사이에, 제1원통부의 회전에 의하여 전단응력이 부여될 대상인 그라파이트를 투입하기 위한 그라파이트 투입구; 그라파이트를 산화시키는 산화제를 투입하기 위한 산화제 투입구; 및 산화제로 산화된 산화그라파이트가 배출되는 산화그라파이트 배출구;를 포함한다. An apparatus for producing graphite oxide according to an aspect of the present invention includes: a first cylindrical portion having a first diameter; A second cylindrical portion having a second diameter larger than the first diameter and having the same rotation center as the first cylindrical portion; A graphite inlet between the first and second cylindrical parts, for injecting graphite, which is an object to be subjected to shear stress by rotation of the first cylindrical part; An oxidizing agent inlet port for introducing an oxidizing agent to oxidize graphite; And a graphite oxide outlet through which the graphite oxide oxidized with the oxidizing agent is discharged.

산화제는 오존일 수 있다. The oxidizing agent can be ozone.

산화제 투입구에는 오존발생기가 연결되어 발생된 오존이 투입될 수 있다.Ozone generated by connecting an ozone generator to the oxidizer inlet may be introduced.

그라파이트 투입구에는 산용액이 함께 투입될 수 있다. An acid solution may be added to the graphite inlet.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1직경의 제1원통부; 및 제1직경보다 큰 직경을 갖고, 제1원통부와 회전중심이 동일한 제2원통부;를 포함하는 산화그라파이트 제조장치 사이에 제1원통부의 회전에 의하여 전단응력이 부여될 대상인 그라파이트를 투입하는 단계; 및 그라파이트를 산화시키는 산화제를 투입하는 단계;를 포함하는 산화그라파이트 제조방법이 제공된다.
According to another aspect of the present invention, the first cylindrical portion of the first diameter; And a second cylindrical portion having a diameter larger than the first diameter and having the same rotational center as the first cylindrical portion; inserting graphite, which is a target to be subjected to shear stress by rotation of the first cylindrical portion, between the graphite oxide manufacturing apparatus including step; And adding an oxidizing agent to oxidize graphite.

본 발명의 실시예들은 쿠에트-테일러 반응기에서 형성되는 테일러 와류를 이용하여 그라파이트의 산화 반응을 일으킴으로써, 그라파이트 층간에 산을 보다 용이하게 침투시켜 산화 그래핀 제조시간을 크게 단축시킬 수 있다. The embodiments of the present invention cause an oxidation reaction of graphite by using a Taylor vortex formed in a Kuet-Taylor reactor, so that an acid can more easily penetrate between the graphite layers, thereby greatly shortening the production time of graphene oxide.

이에 따라 상온에서도 각력한 산화력을 가지며 시간이 지나면 인체에 무해한 산소로 최종 분해되어 친환경적인 공정수행이 가능한 오존을 산화제로 이용하여 보다 짧은 시간에 산화 그래핀을 제조할 수 있는 효과가 있다.
Accordingly, there is an effect of producing graphene oxide in a shorter time by using ozone, which has a strong oxidizing power even at room temperature and is finally decomposed into oxygen that is harmless to the human body over time and can perform an eco-friendly process as an oxidizing agent.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화그라파이트 제조장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 산화그라파이트 제조장치 내부에서의 유체흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 그라파이트의 내부층에 전단응력이 부여된 후에 산화제가 침투하는 것을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화그라파이트 제조장치의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of an apparatus for producing graphite oxide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a fluid flow in the apparatus for manufacturing graphite oxide of FIG. 1.
3 is a diagram showing that an oxidizing agent penetrates after a shear stress is applied to an inner layer of graphite.
4 is a cross-sectional view of an apparatus for manufacturing graphite oxide according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art. In the accompanying drawings, there may be elements having a specific pattern or having a predetermined thickness, but this is for convenience of explanation or distinction, so even if they have a specific pattern and a predetermined thickness, the present invention is characterized by the illustrated elements. It is not limited to just that.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화그라파이트 제조장치의 단면도이고, 도 2는 도 1의 산화그라파이트 제조장치 내부에서의 유체흐름을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 그라파이트의 내부층에 전단응력이 부여된 후에 산화제가 침투하는 것을 도시한 도면이다. 이하 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 1 is a cross-sectional view of an apparatus for manufacturing graphite oxide according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing a fluid flow in the apparatus for manufacturing graphite oxide of FIG. 1, and FIG. 3 is It is a diagram showing that the oxidizing agent penetrates after the shear stress is applied. Hereinafter, it will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

본 실시예에 따르는 산화그라파이트 제조장치(100)는, 제1직경의 제1원통부(110); 제1직경보다 큰 제2직경을 갖고, 제1원통부(110)와 회전중심이 동일한 제2원통부(120); 제1원통부(110)및 제2원통부(120) 사이에, 제1원통부(110)의 회전에 의하여 전단응력이 부여될 대상인그라파이트를 투입하기 위한 그라파이트 투입구(130); 그라파이트를 산화시키는 산화제를 투입하기 위한 산화제 투입구(140); 및 산화제로 산화된 산화그라파이트가 배출되는 산화그라파이트 배출구(150);를 포함한다. The graphite oxide manufacturing apparatus 100 according to the present embodiment includes a first cylindrical portion 110 having a first diameter; A second cylindrical portion 120 having a second diameter larger than the first diameter and having the same rotation center as the first cylindrical portion 110; Between the first cylindrical portion 110 and the second cylindrical portion 120, a graphite inlet 130 for injecting graphite, which is an object to be sheared stress by rotation of the first cylindrical portion 110; An oxidizing agent inlet 140 for introducing an oxidizing agent to oxidize graphite; And a graphite oxide outlet 150 through which graphite oxide oxidized with an oxidizing agent is discharged.

본 발명에 다른 산화그라파이트 제조장치(100)는 동일한 회전중심을 갖는 2개의 서로 다른 직경의 원통부를 포함한다. 산화그라파이트 제조장치(100)는 더 큰 제2직경의 제2원통부(120) 내부에 동일한 회전중심을 갖는 더 작은 제1직경을 갖는 제1원통부(110)가 위치하게 되고, 제1원통부(110) 및 제2원통부(120) 사이에 유체가 투입되면 제1원통부(110)가 회전하게 되어 유체에 회전방향으로 일정한 흐름이 발생한다. The graphite oxide manufacturing apparatus 100 according to the present invention includes two cylindrical portions of different diameters having the same center of rotation. In the graphite oxide manufacturing apparatus 100, a first cylindrical portion 110 having a smaller first diameter having the same rotation center is located inside a second cylindrical portion 120 having a larger second diameter, and the first cylinder When a fluid is input between the part 110 and the second cylindrical part 120, the first cylindrical part 110 rotates, so that a constant flow in the direction of rotation occurs in the fluid.

도 2에는 산화그라파이트 제조장치(100) 내부의 유체흐름이 도시되어 있다. 산화그라파이트 제조장치(100)의 제1원통부(210)와 제2원통부(220) 사이에는 고리쌍 배열의 와류가 발생하게 된다. 이러한 구조의 반응기로는 쿠에트-테일러 반응기가 있다. 2 shows a fluid flow inside the apparatus 100 for producing graphite oxide. A vortex of a ring pair arrangement is generated between the first cylindrical portion 210 and the second cylindrical portion 220 of the graphite oxide manufacturing apparatus 100. As a reactor of this structure, there is a Kuet-Taylor reactor.

쿠에트-테일러(Couette-Taylor) 반응기는 테일러 와류(Taylor vortex)라는 나선형 와류를 사용하는 장비로, 중심이 같은 두 개의 원통 사이에 유체가 흐를 때 내부원통이 회전을 하면서 유체는 회전방향으로 흐름이 생기게 된다. 이 때, 원심력과 코리올리힘(Coriolis force)에 의해 내부원통 쪽에 존재하는 유체들이 외부원통 방향으로 나가려는 힘이 생기고, 회전속도가 올라갈수록 점점 불안정하게 되어 축 방향에 따라 규칙적이며 서로 반대 방향으로 회전하는 고리쌍 배열의 와류가 형성하게 된다. Couette-Taylor reactor is an equipment that uses a helical vortex called Taylor vortex.When fluid flows between two cylinders with the same center, the inner cylinder rotates while the fluid flows in the direction of rotation. Will be produced. At this time, the fluid existing on the inner cylinder side is generated by the centrifugal force and the Coriolis force to exit the outer cylinder direction, and as the rotational speed increases, it becomes increasingly unstable, which is regular along the axial direction and rotates in opposite directions. A vortex of an array of ring pairs is formed.

쿠에트-테일러 반응기에서 유체가 유입되면, 내부원통(210)의 회전에 따라 제1유체흐름(231)과 상이한 방향으로 흐르는 제2유체흐름(232)이 형성되어 이중유체흐름(230)이 형성된다. 이중유체흐름(230)을 더 상세히 보면, 도 2와 같이 고리쌍 배열의 와류(230)일 수 있고, 이를 테일러 와류(Taylor Vortex)라 한다. 내부원통(210)과 외부원통(220) 사이에 형성된 제1유체흐름(231)의 흐름 방향과 제2유체흐름(232)의 흐름방향은 서로 상이하며 이에 의해 유체내의 물질에 대하여 전단응력이 부여될 수 있다. When fluid flows in from the Kuet-Taylor reactor, a second fluid stream 232 flowing in a direction different from the first fluid stream 231 is formed according to the rotation of the inner cylinder 210 to form a double fluid stream 230 do. Looking at the double fluid flow 230 in more detail, it may be a vortex 230 of a ring pair arrangement as shown in FIG. 2, which is referred to as a Taylor Vortex. The flow direction of the first fluid flow 231 and the flow direction of the second fluid flow 232 formed between the inner cylinder 210 and the outer cylinder 220 are different from each other, thereby imparting a shear stress to the material in the fluid. Can be.

예를 들어, 층상구조를 갖는 그라파이트와 같은 물질은 전단응력이 부여될 수 있고, 구조적으로 안정적인 그라파이트는 전단응력이 부여되기 때문에 반응성이 증가될 수 있다. 반응성이 증가된다는 것은, 그라파이트와 같은 2차원 층상물질이 반응물질과 반응이 일어나거나 층상구조가 붕괴되어 더 적은 층수의 물질로 변환될 수 있게 되는 것을 의미한다. For example, a material such as graphite having a layered structure may be given a shear stress, and a structurally stable graphite may have increased reactivity because a shear stress is applied. Increasing the reactivity means that a two-dimensional layered material such as graphite can react with a reactant or the layered structure is collapsed to be converted into a material with a smaller number of layers.

도 3은 그라파이트의 내부층에 전단응력이 부여된 후에 산화제가 침투하는 것을 도시한 도면이다. 도 2에서의 나선형 와류는 층상구조를 갖는 그라파이트에 전단응력을 부여하게 된다. 즉, 이 힘은 층상구조를 갖는 2차원 물질의 각 층에 평행하게 응력을 주기 때문에 각 층이 좀더 쉽게 벌어지게 만들어 준다. 도 3에서와 같이 그라파이트의 제1층(310)과 제2층(320)의 말단이 벌어지게 되어 반응물질(330)이 쉽게 침투할 수 있게 된다. 따라서, 반응물질이 산화제인 경우, 산화가 어려운 그라파이트를 산화시킨 산화그라파이트 제조가 용이하게 된다. 3 is a diagram showing that an oxidizing agent penetrates after a shear stress is applied to an inner layer of graphite. The spiral vortex in FIG. 2 imparts shear stress to graphite having a layered structure. In other words, this force exerts a parallel stress on each layer of a two-dimensional material having a layered structure, making each layer more easily open. As shown in FIG. 3, the ends of the first layer 310 and the second layer 320 of graphite are opened, so that the reactant 330 can easily penetrate. Therefore, when the reactant is an oxidizing agent, it becomes easy to manufacture graphite oxide obtained by oxidizing graphite, which is difficult to oxidize.

산화그라파이트 제조장치(100)에는 그라파이트 투입구(130)에 그라파이트가 투입되게 되고, 산화제 투입구(140)로 산화제가 투입되면서 산화그라파이트가 산화그라파이트 배출구(150)로 배출되게 된다. 그라파이트의 경우, 층간 거리가 매우 작아 층간 화학 반응을 유도하기 위해 화학적으로 매우 오랜시간이 소요되었으나, 이렇게 그라파이트의 반응성을 증가시키면 단시간 제조가 가능하다. 그라파이트는 상용 그라파이트를 이용할 수 있으며, 이를테면 상용 그라파이트 파우더(graphite powder)가 사용될 수 있다. In the graphite oxide manufacturing apparatus 100, graphite is introduced into the graphite inlet 130, and the oxidizing agent is introduced into the oxidant inlet 140, so that the graphite oxide is discharged to the graphite oxide outlet 150. In the case of graphite, since the interlayer distance is very small, it took a very long time chemically to induce a chemical reaction between layers. However, if the reactivity of graphite is increased in this way, it is possible to manufacture for a short time. As the graphite, commercial graphite may be used, for example, commercial graphite powder may be used.

그라파이트 투입구(130)에는 산용액이 함께 투입될 수 있다. 산용액은 산화제와 함께 그라파이트를 산화시키기 위해 필요한 것으로, 황산(H2SO4)이 사용될 수 있다. 또한, 황산 이외에도 질산, 염산, 인산 및 이들의 염(예컨대 질산 나트륨, NaNO3)에서 선택되는 물질을 첨가제로 사용할 수 있다. 첨가제는 강산인 황산과 산화제가 급격히 반응하여 과도한 반응열이 생기는 것을 방지하는 기능을 한다. 황산과 첨가제의 혼합비율은 2:1 내지 10:1일 수 있다. 산용액은 그라파이트와 함께 투입될 수 있는데, 상세하게는 그라파이트를 상온에서 산용액에 담지시켜 교반시킨 후에 함께 그라파이트 투입구(130)로 투입할 수 있다. The acid solution may be added to the graphite inlet 130 together. An acid solution is required to oxidize graphite together with an oxidizing agent, and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) may be used. In addition, in addition to sulfuric acid, a substance selected from nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, and salts thereof (eg, sodium nitrate, NaNO 3 ) may be used as an additive. The additive functions to prevent excessive reaction heat from rapidly reacting with sulfuric acid, which is a strong acid, and an oxidizing agent. The mixing ratio of sulfuric acid and the additive may be 2:1 to 10:1. The acid solution may be added together with the graphite, and in detail, graphite may be added to the graphite inlet 130 after being stirred by immersing the graphite in the acid solution at room temperature.

그라파이트를 산화시키기 위한 산화제로는 어떤 산화제도 사용될 수 있는데 특히 오존(O3)을 산화제로 사용하는 것이 바람직하다. 오존이 아닌 과망간산칼륨과 같은 산화제를 사용하는 경우, 황산과의 반응시 높은 온도 상승과 폭발 위험성이 야기될 수 있다. 또한, 사용 후 금속이온의 세척과 폐수 처리가 필요하다. Any oxidizing agent may be used as an oxidizing agent for oxidizing graphite, and it is particularly preferable to use ozone (O 3 ) as an oxidizing agent. In the case of using an oxidizing agent such as potassium permanganate other than ozone, the reaction with sulfuric acid may cause a high temperature rise and an explosion hazard. In addition, it is necessary to wash the metal ions and treat wastewater after use.

오존은 산소 원자 3개로 이루어진 2.07 V의 산화전위를 갖고 있는 강력한 산화제이며, 1.67 V의 산화전위를 갖고 있는 과망간간칼륨보다 산화력이 강하다. 오존은 상온에서 높은 산화력을 갖기 때문에 그라파이트 산화에 소요되는 시간을 단축하고 사용 후에도 인체에 무해한 산소로 최종분해되기 때문에 친환경적인 공정수행이 가능하다. 특히 황산 등과 반응할 때의 폭발성도 없으며 유해 부산물이 발생하지 않아 환경문제가 발생하지 않는 것이다. 다만, 오존의 경우 짧은 반감기로 인하여 가능한 한 단시간에 반응하는 것이 바람직하므로 본 발명에 따른 산화그라파이트 제조장치(100)와 같이 유체흐름을 이용하여 그라파이트의 층 말단에 전단응력을 부여하여 반응성을 높여 단시간 산화반응을 유도하는 것이 바람직하다. Ozone is a strong oxidizing agent with an oxidation potential of 2.07 V, which is composed of three oxygen atoms, and has a stronger oxidizing power than potassium permanganese, which has an oxidation potential of 1.67 V. Since ozone has a high oxidizing power at room temperature, the time required for graphite oxidation is shortened, and even after use, it is finally decomposed into oxygen, which is harmless to the human body, enabling environmentally friendly processes. In particular, there is no explosive property when reacting with sulfuric acid, and no harmful by-products are generated, so environmental problems do not occur. However, in the case of ozone, it is preferable to react in a short time as possible due to a short half-life, so as in the graphite oxide production apparatus 100 according to the present invention, shear stress is applied to the end of the layer of graphite using a fluid flow to increase the reactivity for a short time. It is preferable to induce an oxidation reaction.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화그라파이트 제조장치의 단면도이다. 이하 도 1 내지 도 3과 관련하여 설명한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다. 4 is a cross-sectional view of an apparatus for manufacturing graphite oxide according to another embodiment of the present invention. Hereinafter, a description of the components described in connection with FIGS. 1 to 3 will be omitted.

본 실시예에 따른 산화그라파이트 제조장치(100)는 제1원통부(410), 제2원통부(420), 그라파이트 투입구(430), 산화제 투입구(440) 및 산화그라파이트 배출구(450)를 포함하고, 산화제 투입구(440)에는 오존발생기(460)가 연결되어 산화제인 오존이 투입될 수 있다.The graphite oxide manufacturing apparatus 100 according to the present embodiment includes a first cylindrical portion 410, a second cylindrical portion 420, a graphite inlet 430, an oxidant inlet 440, and a graphite oxide outlet 450, and , The ozone generator 460 is connected to the oxidizer inlet 440 so that ozone, which is an oxidizing agent, may be injected.

오존발생기(460)는 산소가스공급부(470)로부터 산소를 공급받아 고압의 전기장을 이용해 산소를 방전시켜 오존가스를 생성한다. 오존발생기(460)는 산화제 투입구(440)와 연결되어 연속적으로 오존을 공급할 수 있다. The ozone generator 460 receives oxygen from the oxygen gas supply unit 470 and discharges oxygen using a high-pressure electric field to generate ozone gas. The ozone generator 460 may be connected to the oxidizer inlet 440 to continuously supply ozone.

연속적으로 공급된 오존에 의해 반응성이 증가된 그라파이트가 산화되고, 이에 의해 산화그라파이트가 산화그라파이트 배출구(450)로 배출된다. 배출된 산화그라파이트 용액은 필터프레스(Filter press)를 이용하여 황산이 세척된다. 이후, 진공오븐(vacuum oven) 등을 이용하여 건조시키면 산화그라파이트 분말(Graphite oxide powder)를 얻는다.Graphite whose reactivity is increased by the continuously supplied ozone is oxidized, whereby the graphite oxide is discharged to the graphite oxide outlet 450. The discharged graphite oxide solution is washed with sulfuric acid using a filter press. Thereafter, when dried using a vacuum oven or the like, graphite oxide powder is obtained.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1직경의 제1원통부; 및 제1직경보다 큰 직경을 갖고, 제1원통부와 회전중심이 동일한 제2원통부;를 포함하는 산화그라파이트 제조장치 사이에 제1원통부의 회전에 의하여 전단응력이 부여될 대상인 그라파이트를 투입하는 단계; 및 그라파이트를 산화시키는 산화제를 투입하는 단계;를 포함하는 산화그라파이트 제조방법이 제공된다. 산화그라파이트 제조방법에 대하여는 이상 산화그래핀 제조장치와 관련하여 설명한 바와 동일하므로 그 설명은 생략하기로 한다. According to another aspect of the present invention, the first cylindrical portion of the first diameter; And a second cylindrical portion having a diameter larger than the first diameter and having the same rotational center as the first cylindrical portion; inserting graphite, which is a target to be subjected to shear stress by rotation of the first cylindrical portion, between the graphite oxide manufacturing apparatus including step; And adding an oxidizing agent to oxidize graphite. The graphite oxide manufacturing method is the same as described above in connection with the graphene oxide manufacturing apparatus, so the description thereof will be omitted.

본 발명에 따르면, 산화그라파이트 제조장치를 이용하여 2차원 층상물질인 그라파이트의 반응성을 증가시켜 층간에 산화제 투입이 용이하도록 하여 단시간에 친환경적으로 산화그라파이트를 제조할 수 있다. 이와 함께 산화그라파이트 제조장치는 그라파이트의 층간거리 또는 말단 층간 거리를 증가시켜 반응성을 증가시키기 때문에, 그라파이트의 산화반응 이외에도 그라파이트의 층분리, 즉 박리 반응에도 응용 가능하다. According to the present invention, by using the graphite oxide manufacturing apparatus, the reactivity of graphite, which is a two-dimensional layered material, is increased to facilitate the introduction of an oxidizing agent between layers, thereby making it possible to manufacture graphite oxide environmentally friendly in a short time. In addition, since the graphite oxide manufacturing apparatus increases the reactivity by increasing the interlayer distance or the terminal interlayer distance of graphite, it can be applied not only to the oxidation reaction of graphite, but also to the layer separation of graphite, that is, the peeling reaction.

이에 따라, 본 발명에 따른 산화그라파이트 제조장치를 이용하여 그라파이트를 박리하여 그래핀으로 단시간에 제조할 수 있다. 아울러, 그라파이트와 같은 2차원 층상구조를 갖는 물질로는, 헥사고날 보론 나이트라이드(hBN) 및 전이금속 칼코겐화합물 등이 있는데, 이들 또한 산화그라파이트 제조장치를 이용하여 층간 반응성을 높여 단시간의 산화반응이나 박리반응이 일어나도록 응용할 수 있다.
Accordingly, graphite can be peeled off by using the graphite oxide production apparatus according to the present invention to produce graphene in a short time. In addition, materials having a two-dimensional layered structure such as graphite include hexagonal boron nitride (hBN) and transition metal chalcogen compounds, and these also increase interlayer reactivity using a graphite oxide manufacturing device to increase short-time oxidation reactions. Or it can be applied to cause a peeling reaction.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
In the above, the embodiments of the present invention have been described, but those of ordinary skill in the art will add, change, delete or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. It will be possible to variously modify and change the present invention by the like, and it will be said that this is also included within the scope of the present invention.

100, 400 산화그라파이트 제조장치 110, 210, 410 제1원통부
120, 220, 420 제2원통부 130, 430 그라파이트 투입구
140, 440 산화제 투입구 150, 450 산화그라파이트 배출구
230 고리쌍 배열의 와류 231 제1유체흐름
232 제2유체흐름 310 제1층
320 제2층 330 산화제
460 오존발생기 461 고압봉
462 냉각수 470 산소가스공급부100, 400 Graphite oxide manufacturing device 110, 210, 410 First cylindrical part
120, 220, 420 second cylinder 130, 430 graphite inlet
140, 440 Oxidant inlet 150, 450 Graphite oxide outlet
230 Vortex flow in a pair of rings 231 First fluid flow
232 Second fluid flow 310 First layer
320 Second layer 330 Oxidizing agent
460 ozone generator 461 high pressure rod
462 Coolant 470 Oxygen gas supply

Claims (6)

제1직경의 제1원통부;
상기 제1직경보다 큰 제2직경을 갖고, 상기 제1원통부와 회전중심이 동일한 제2원통부;
상기 제1원통부 및 상기 제2원통부 사이에, 상기 제1원통부의 회전에 의하여 전단응력이 부여될 대상인 그라파이트를 투입하기 위한 그라파이트 투입구;
상기 그라파이트를 산화시키는 산화제를 투입하기 위한 산화제 투입구; 및
상기 산화제로 산화된 산화그라파이트가 배출되는 산화그라파이트 배출구;를 포함하는 산화그라파이트 제조장치로서,
상기 산화제는 오존이고,
그라파이트는 투입되어 전단응력이 부여되어 그라파이트 층간에 오존의 침투성이 높아져 산화에 소요되는 시간이 단축되는 것을 특징으로 하는 산화그라파이트 제조장치.
A first cylindrical portion of a first diameter;
A second cylindrical portion having a second diameter larger than the first diameter and having the same rotation center as the first cylindrical portion;
A graphite inlet port between the first and second cylindrical parts, for injecting graphite, which is an object to be subjected to shear stress by rotation of the first cylindrical part;
An oxidizing agent input port for introducing an oxidizing agent to oxidize the graphite; And
As a graphite oxide production apparatus comprising a; graphite oxide outlet through which the graphite oxide oxidized with the oxidizing agent is discharged,
The oxidizing agent is ozone,
Graphite oxide manufacturing apparatus, characterized in that the time required for oxidation is shortened by increasing the permeability of ozone between the graphite layers by adding graphite to give shear stress.
 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 산화제 투입구에는 오존발생기가 연결되는 것을 특징으로 하는 산화그라파이트 제조장치.
The method according to claim 1,
An apparatus for producing graphite oxide, characterized in that an ozone generator is connected to the oxidizer inlet.
 청구항 3에 있어서,
상기 그라파이트 투입구에는 산용액이 함께 투입되는 특징으로 하는 산화그라파이트 제조장치.
The method of claim 3,
An apparatus for producing graphite oxide, characterized in that an acid solution is added to the graphite input port.
 제1직경의 제1원통부; 및 상기 제1직경보다 큰 직경을 갖고, 상기 제1원통부와 회전중심이 동일한 제2원통부;를 포함하는 산화그라파이트 제조장치 사이에 상기 제1원통부의 회전에 의하여 전단응력이 부여될 대상인 그라파이트를 투입하는 단계; 및
상기 그라파이트를 산화시키는 산화제를 투입하는 단계;를 포함하는 산화그라파이트 제조방법으로서,
상기 산화제는 오존이고,
그라파이트는 투입되어 전단응력이 부여되어 그라파이트 층간에 오존의 침투성이 높아져 산화에 소요되는 시간이 단축되는 것을 특징으로 하는 산화그라파이트 제조장치.A first cylindrical portion of a first diameter; And a second cylindrical part having a diameter larger than the first diameter and having the same rotation center as the first cylindrical part; between the graphite oxide production apparatus including, a target to which shear stress is applied by rotation of the first cylindrical part. Injecting; And
Injecting an oxidizing agent to oxidize the graphite; a method for producing graphite oxide comprising,
The oxidizing agent is ozone,
Graphite oxide manufacturing apparatus, characterized in that the time required for oxidation is shortened by increasing the permeability of ozone between the graphite layers by adding graphite to give shear stress. 삭제delete
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