KR20120134685A - A method and apparatus for manufacturing graphite oxide - Google Patents
A method and apparatus for manufacturing graphite oxide Download PDFInfo
- Publication number
- KR20120134685A KR20120134685A KR1020110053777A KR20110053777A KR20120134685A KR 20120134685 A KR20120134685 A KR 20120134685A KR 1020110053777 A KR1020110053777 A KR 1020110053777A KR 20110053777 A KR20110053777 A KR 20110053777A KR 20120134685 A KR20120134685 A KR 20120134685A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- graphite
- slurry
- reaction
- mixer
- mixture
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/20—Graphite
- C01B32/21—After-treatment
- C01B32/23—Oxidation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2204/00—Structure or properties of graphene
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 산화흑연의 제조방법 및 그 제조장치, 특히, 그래핀 구조 물질을 제조하는 데 사용하는 중간체인 산화흑연의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a process for producing graphite oxide and a process for producing graphite oxide, and more particularly, to a process for producing graphite oxide, which is an intermediate used for producing a graphene structure material, and a process for producing the same.
2004년 맨체스터 대학의 안드레 제임(Andre Geim) 교수 팀이 "스카치테이프방법(Scotch tape method)"을 이용해 최초로 기계적으로 흑연에서 그래핀을 박리하는데 성공하였고, 또한 박리된 그래핀을 이용하여 양자홀 효과 연구를 통해 그래핀의 뛰어난 전기전도성을 밝힌 바 있다. 이후 2008년 미국 콜롬비아 대학의 제임스 혼(James Hone) 연구팀에 의해 그래핀의 뛰어난 강도가 확인되었으며, 2008년 미국 캘리포니아 리버사이드 대학의 알렉산더 발라딘(Alexander Balandin) 연구팀에 의해 그래핀의 열전도도가 탄소나노튜브보다 약 2배 높은 5300pW/mpK로 측정되었다.Andre Geim, a professor at the University of Manchester in 2004, first succeeded in mechanically removing graphene from graphite using the "Scotch tape method," and also using quantum Hall effect Research has revealed the excellent electrical conductivity of graphene. In 2008, the excellent strength of graphene was confirmed by the James Hone research team at Columbia University in the United States. In 2008, researchers at Alexander Balandin of the University of California, Riverside, USA, It was measured at 5300pW / mpK, about twice as high as the nanotubes.
이러한 그래핀을 얻는 방법에는 산화흑연을 열충격에 의하여 박리시켜 제조하는 방법, 안드레 제임처럼 흑연에서 인발해서 얻는 방법, 표면성장법, 산화흑연시트를 히드라진으로 환원하는 법, 화학증착법, 나노튜브를 황산과 과망간산의 용액과의 반응으로 절개하는 법 등이 알려져 있으나 산화흑연을 열충격에 의하여 박리시켜 제조하는 방법 외에는 모두 실험실적 제법을 벗어나지 못하고 있다. Examples of the method for obtaining such graphene include a method of producing graphite oxide by peeling off by thermal shock, a method of drawing graphite like Andrejames, a surface growth method, a method of reducing graphite sheet to hydrazine, a chemical vapor deposition method, And a method of dissolving graphite in a reaction with a solution of permanganic acid are known. However, all of them except for the method of peeling off graphite oxide by thermal shock have not been able to go beyond the experimental method.
한편, 흑연 플레이크에 산 등을 가하여 흑연 결정의 층간에 삽입(intercalation)하고 열충격을 가하여 웜(worm) 또는 어코디온(accordion) 형태의 팽창흑연을 제조하는 방법은 오래 전부터 알려져 있다. 이러한 웜 형태의 팽창흑연은 충진제로 사용되거나 압착 가공하여 이방 전도성을 띤 시트로 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 팽창 흑연은 흑연의 일부 층간이 느슨하게 된 구조로, 그래핀에 비하여 물성이 떨어지고 입자의 크기도 훨씬 크다.On the other hand, it has been known for a long time that a worm or accordion type expanded graphite is produced by adding an acid or the like to graphite flakes and intercalating the graphite crystals between layers and applying a thermal shock. Such worm-like expanded graphite is widely used as a filler or as an anisotropic sheet due to the compression process. However, such expanded graphite has a structure in which some layers of graphite are loosened, and the physical properties thereof are lower than that of graphene, and the size of the particles is much larger.
산화흑연을 제조하는 방법에 대해서는 흑연 분말에 황산, 발연질산과 과염소산칼륨을 가하여 수일 동안 반응시켜 산화흑연을 제조하는 스타우덴마이어(Staudenmaier) 법이 알려져 있다. 또한, 미국특허 2798878호에서 허머스(HUMMERS)는 이를 개선하여 황산, 질산나트륨과 과망간산칼륨을 사용하여 반응시간을 단축한 바 있다. As a method for producing graphite oxide, there is known a Staudenmaier method for producing graphite oxide by adding sulfuric acid, fuming nitric acid and potassium perchlorate to graphite powder and reacting for several days. In addition, HUMMERS in US Pat. No. 2798878 has improved this by using sulfuric acid, sodium nitrate and potassium permanganate to shorten the reaction time.
황산, 질산나트륨과 과망간산칼륨의 혼합 반응은 발열반응이면서 상기 혼합 반응 중 황산과 과망간산칼륨 간의 반응에 의해 생성되는 칠산화이망간(Mn2O7)이 55℃ 이상의 온도에서 폭발의 위험성이 있기 때문에 일반적으로 아주 소량씩 배치 방법으로만 산화흑연을 제조할 수 있어 대량 생산에 한계가 있었다. 따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있고 산화흑연을 대량 생산할 수 있는 공정의 개발이 시급한 실정이다.The mixing reaction of sulfuric acid, sodium nitrate and potassium permanganate is an exothermic reaction and is generally caused by the danger of explosion at a temperature of 55 ° C or higher due to the reaction between sulfuric acid and potassium permanganate during the mixing reaction and Mn 2 O 7 , It is possible to produce graphite oxide only by a very small amount of batch method, which has a limitation in mass production. Therefore, there is an urgent need to develop a process capable of solving such problems and capable of mass-producing graphite oxide.
본 발명자들의 일부는 현재 계류중인 특허출원 제2010-76871호에서 수 마이크로에서 수mm 직경을 갖고 수분에서 수 일의 체류시간을 갖는 다수의 마이크로채널들이 서로 연결된 마이크로 리액터를 산화흑연의 연속 제조방법으로 제시한 바가 있다. 그러나 이러한 기다랗고 좁은 마이크로 채널에 의한 반응기는 반응의 진행이나 반응온도의 제어에는 유리하나 헤드손실이 커서 중간 중간에 많은 수의 승압펌프를 설치해야하고 고내압의 내산성 마이크로 채널 반응기를 구비해야하는 문제점이 있다. 또한 반응기 크기에 비해 효율이 높지 않다.Some of the present inventors have proposed a continuous reactor of oxidized graphite in which a plurality of microchannels connected to each other having several micro-millimeters in diameter and a retention time of several minutes to several days are connected in a current patent application No. 2010-76871 There is a suggestion. However, such a long and narrow microchannel reactor is advantageous for controlling the reaction progress or the reaction temperature, but the head loss is large, so that a large number of booster pumps must be installed in the middle and a problem of having a high pressure resistant acidic microchannel reactor have. It is also not as efficient as the reactor size.
본 발명의 목적은 나노 크기의 그래핀 구조 물질을 제조하는 데 적합한 산화흑연을 제조하는 방법 및 그 장치를 제공하는 데에 있다.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for producing oxidized graphite suitable for producing nano-sized graphene structural materials.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 흑연과 황산을 혼합하여 흑연 슬러리를 준비하는 단계; 상기 흑연 슬러리에 과망간산, 과망간산염과 과망간산염 황산 용액으로 이루어지는 산화제 중에 선택되는 산화제를 다단으로 연결된 연속회분 혼합기에서 단계적으로 투입하여 혼합시키는 단계; 상기 혼합물을 초음파가 부가되는 항온조 내에 장입된 직경 5mm 내지 50mm 튜브형 반응기 내로 압입하여 0.2 시간 내지 5시간 동안 체류시켜 중간 반응시키는 단계; 상기 중간 반응 혼합물을 연속교반탱크 반응기에 장입하여 추가 반응시키는 단계; 상기 추가 반응혼합물에 물을 투입하고 혼합시키는 단계; 상기 물 혼합 반응혼합물에 과산화수소 수용액을 투입하고 혼합하여 산화반응을 종결시키는 단계; 상기 산화반응이 종결된 반응혼합물 중 산화흑연을 세척하고 분리하는 단계; 및 상기 분리된 산화흑연을 건조시키는 단계로 이루어지며 원소분석기에 의한 탄소/산소 비가 1~5/1이고 X선회절분석으로 2θ=12°근방에서 최대 피크를 가지는 산화흑연의 제조방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method for producing a graphite slurry, comprising: preparing graphite slurry by mixing graphite and sulfuric acid; Adding the oxidizing agent selected from permanganic acid, permanganate and permanganate sulfuric acid solution to the graphite slurry stepwise in a continuous batch mixer connected in a multistage manner, and mixing the graphite slurry; Pressing the mixture into a tubular reactor having a diameter of 5 mm to 50 mm packed in a thermostat to which ultrasonic waves are added, and allowing the mixture to stand for 0.2 to 5 hours to perform an intermediate reaction; Charging the intermediate reaction mixture into a continuous stirred tank reactor to perform an additional reaction; Adding and mixing water to the additional reaction mixture; Introducing an aqueous hydrogen peroxide solution into the water mixed reaction mixture and mixing to terminate the oxidation reaction; Washing and separating the oxidized graphite in the reaction mixture in which the oxidation reaction is terminated; And drying the separated graphite oxide. The present invention also provides a method for producing graphite oxide having a carbon / oxygen ratio of 1 to 5/1 by an elemental analyzer and having a maximum peak near 2θ = 12 ° by X-ray diffraction analysis .
또한, 본 발명은 흑연과 황산을 혼합하여 흑연 슬러리를 준비하는 흑연 슬러리 혼합기; 상기 흑연 슬러리 혼합기에 2단 내지 10단의 다단 직렬로 연결된 연속회분 산화제 혼합기; 중간 반응 혼합물을 만들기 위하여 상기 산화제 혼합기에 이어서 연결되고 초음파가 부가되는 항온조 내에 장입된 직경 5mm 내지 50mm, 체류시간 0.2시간 내지 5시간의 튜브형 반응기; 및 상기 튜브형 반응기에 연결되어 중간 반응 혼합물을 추가 반응시키는 연속교반탱크 반응기; 및 상기 추가 반응혼합물에 냉수를 투입하고 혼합시키는 물 혼합기; 상기 물 혼합 반응혼합물에 과산화수소 수용액을 투입하고 혼합하여 산화반응을 종결시키는 과산화수소 혼합기; 상기 산화반응이 종결된 반응혼합물 중 산화흑연을 세척하고 분리하는 세척분리기; 및 상기 분리된 산화흑연을 건조시키는 건조기로 이루어지는 산화흑연의 제조장치를 제공한다. The present invention also relates to a graphite slurry mixer for preparing a graphite slurry by mixing graphite and sulfuric acid; A continuous batch oxidizer mixer connected to the graphite slurry mixer in a cascade of two to ten stages in series; A tubular reactor having a diameter of 5 mm to 50 mm and a residence time of 0.2 hours to 5 hours charged in a thermostat to which an ultrasonic wave is added and which is subsequently connected to the oxidizer mixer to make an intermediate reaction mixture; And a continuous stirred tank reactor connected to the tubular reactor for further reaction of the intermediate reaction mixture; And a water mixer for introducing and mixing cold water into the further reaction mixture; A hydrogen peroxide mixer for introducing and mixing an aqueous hydrogen peroxide solution into the water mixture reaction mixture to terminate the oxidation reaction; A washing separator for washing and separating the oxidized graphite in the reaction mixture in which the oxidation reaction is terminated; And a dryer for drying the separated graphite oxide.
본 발명에서 산화흑연의 탄소/산소 비가 1/1보다 작으면 그래핀이 잘게 쪼개지고 탄소/산소 비가 5/1보다 크면 그래핀 박리가 적게 일어나 모두 물성이 떨어진다. 원료인 흑연 분말은 층간 거리가 3.4 Å 전후이나, 본 발명의 산화흑연은 산화반응에 의해 히드록실기, 카르복실산기, 에폭시기 등의 관능기가 각 층에 생성되어 형성되므로 층간 거리 7 Å 전후로 팽창되며, X-선 분석에서 흑연분말의 특성인 2θ=26°부근에서 흔적을 제외한 피크를 갖지 않고 2θ=12.7°주위에서 피크를 나타낸다. In the present invention, when the carbon / oxygen ratio of the graphite oxide is less than 1/1, graphene is finely divided and when the carbon / oxygen ratio is larger than 5/1, graphene peeling is reduced and all properties are deteriorated. Since the graphite powder as the raw material has an interlayer distance of about 3.4 Å, the oxidized graphite of the present invention is formed by forming functional groups such as a hydroxyl group, a carboxylic acid group, and an epoxy group in each layer by an oxidation reaction, , X-ray analysis shows peaks around 2? = 12.7 占 without peaks except for traces at around 2? = 26 占 characteristic of graphite powder.
상기 흑연 슬러리는 흑연:황산 중량비가 1:10 내지 1:100, 바람직하게는 1:30 내지 1:70이다. 흑연:황산 중량비가 너무 높으면 흑연 슬러리의 점도가 높아져 튜브형 반응기 내에 반응물의 이송과 혼합이 원활하지 않는 반면, 흑연:황산 중량비가 너무 낮으면 반응 효율성이 낮고 폐황산 부산물이 많이 발생할 수 있다. The graphite slurry has a graphite: sulfuric acid weight ratio of 1:10 to 1: 100, preferably 1:30 to 1:70. If the weight ratio of graphite: sulfuric acid is too high, the viscosity of the graphite slurry becomes high and the transfer and mixing of the reactants in the tubular reactor is not smooth. On the other hand, if the weight ratio of graphite: sulfuric acid is too low, reaction efficiency is low and waste sulfuric acid by-
상기 흑연은 일반적으로 입도가 클수록 좋고, 1㎛ 이상이면 사용가능하며, 예를 들어 1 내지 300㎛의 흑연 분말, 바람직하게는 1 내지 100㎛의 흑연 분말을 사용할 수 있다. 흑연의 입도가 너무 낮으면 중량 밀도에 따른 팽창효과가 낮아 박리에 의한 그래핀이 잘 형성되지 않는 문제가 야기될 수 있다. 또한, 상기 황산은 농도가 70 % 이상, 바람직하게는 85 내지 98%인 황산을 사용하며, 상기 흑연 슬러리는 황산에 흑연 분말을 분산하여 제조할 수 있다. 흑연 슬러리 혼합기 내에서 혼합물은 0 내지 60℃, 바람직하게는, 후공정에서 온도가 유지 되도록 8 내지 10℃의 온도를 유지한다. The graphite generally has a larger particle size, and can be used if it is 1 μm or larger. For example, graphite powder of 1 to 300 μm, preferably 1 to 100 μm, can be used. If the particle size of graphite is too low, the effect of expansion due to the weight density is low, which may cause a problem that graphene is not formed well due to peeling. Also, sulfuric acid having a concentration of 70% or more, preferably 85 to 98%, is used, and the graphite slurry can be produced by dispersing graphite powder in sulfuric acid. In the graphite slurry mixer, the mixture is maintained at a temperature of from 0 to 60 캜, preferably from 8 to 10 캜, so that the temperature is maintained in the subsequent process.
상기 흑연 슬러리는 다단으로 연결된 동일한 용량의 연속회분 산화제 혼합기에 공급되고 산화제를 단계적으로 투입하여 혼합시킨다. 산화제 혼합기에서는 0 내지 54℃의 온도 범위 중 낮은 온도에서 과망간산염과 황산 간의 혼합이 수행되어야 한다. 특히 과망간산염과 황산의 반응에 의해 생성되는 칠산화이망간(Mn2O7)은 55℃이상의 온도에서 폭발의 위험성이 있기 때문에 과망간산 또는 과망간산염을 단계적으로 소량씩 투입하고 혼합해야 한다. 연속회분 산화제 혼합기 내에서의 온도는 산화 반응을 억제하고 안전을 고려하여 30℃ 이하의 가급적 낮은 온도를 유지하는 것이 일반적이나 바람직하게는, 5 내지 30℃, 가장 바람직하게는, 5 내지 15℃의 온도를 유지한다. 연속회분 산화제 혼합기 내에서는 안전 범위 내에서 목표치의 20% 미만의 산화 반응은 허용된다. 상기 연속회분 산화제 혼합기는, 바람직하게는, 2단 이상 10 단 이하의 다단으로 연결되어 진다. 산화제는 과망간산, 과망간산염과 과망간산염 황산 용액으로 이루어지는 산화제 중에서 선택된다. The graphite slurry is fed to a continuous batch oxidizer mixer of the same capacity connected in multiple stages and the oxidizer is charged in stages and mixed. In the oxidizer mixer, the mixing between the permanganate and the sulfuric acid should be carried out at a low temperature in the temperature range of 0 to 54 占 폚. In particular, Mn 2 O 7 produced by the reaction between permanganate and sulfuric acid has to be blended with permanganate or permanganate step by step in small quantities because of the danger of explosion at temperatures above 55 ° C. The temperature in the continuous batch oxidizer mixer is generally kept at a low temperature of 30 DEG C or lower, preferably 5 to 30 DEG C, most preferably 5 to 15 DEG C Keep the temperature. Oxidation reactions of less than 20% of the target value within the safe range are allowed in the continuous ash oxidizer mixer. The continuous ash oxidizer mixer is preferably connected in a multi-stage of two or more stages and ten stages or less. The oxidizing agent is selected from the group consisting of permanganic acid, permanganic acid salts and permanganic acid sulfuric acid solution.
전체적으로 투입되는 산화제는 과망간산염을 기준으로 과망간산염:황산 중량비가 1:2 내지 1:50, 바람직하게는 1:5 내지 1:30이다. 상기 과망간산염은 과망간산칼륨 또는 과망간산나트륨, 과망간산암모늄, 과망간산칼슘 등을 포함한다. 만약, 과망간산염:황산 중량비가 상기 함량범위보다 작으면 산화반응이 원활하지 못한 반면, 크면 원재료비 상승으로 제조비용이 많이 드는 문제가 야기될 수 있다. The oxidizing agent to be added as a whole is a permanganate: sulfuric acid weight ratio of 1: 2 to 1:50, preferably 1: 5 to 1:30 based on the permanganate. The permanganate includes potassium permanganate or sodium permanganate, ammonium permanganate, calcium permanganate and the like. If the weight ratio of permanganate: sulfuric acid is less than the above range, the oxidation reaction is not smooth, whereas if it is large, the production cost may be increased due to an increase in raw material cost.
상기 과망간산염과 같은 산화제는 연결된 정량펌프에 의하여 연속회분 산화제 혼합기에 공급되며, 공급된 과망간산염의 양은 정량 방식 등에 의하여 엄격하게 조절되어야 한다. 산화제 첨가가 완료된 흑연 슬러리는 초기 산화에 의하여 발열에 의한 위험을 방지하고 산화 반응을 고루 진행시키기 위하여 튜브형 반응기 내로 압입된다. 이러한 튜브형 반응기는 정확한 온도 조절을 위하여 항온조 내에 장입된다. 이러한 항온조는 일정범위의 온도에서 제어되도록 냉각설비가 되어 있는 열교환기가 구비된다. 또한, 항온조는 흑연 층간의 팽창 및 박리 효율을 높여 열팽창에 의하여 양호한 그래핀을 제조하기 위하여 초음파가 부가된다. 튜브형 반응기의 내직경은 5mm 내지 50mm이나, 바람직하게는, 8mm 내지 12mm이고 체류시간은 0.2시간 내지 5시간, 바람직하게는, 1 내지 3 시간이다. 튜브형 반응기의 길이는 10m 내지 1000m, 바람직하게는, 100m 내지 300m이다. 이때, 상기 초음파의 출력은 대략적으로 0.05W/cm3 내지 5.0W/cm3이다. 이 튜브형 반응기에서 흑연의 중간 산화 반응이 이루어지는데 가장 결렬한 발열반응 구간으로 국지적인 온도까지 정확하게 제어하기 위하여 좁은 내구경의 튜브형을 사용한다. 국지적인 온도의 정밀한 제어가 가능하면 반응온도 5 내지 54℃의 범위에서, 예를 들면, 30 내지 50℃ 범위의 높은 온도를 선택하는 것이 산화반응을 가속화시키는 데 유리하다. 튜브형 반응기에서는 탄소/산소 원소 분석을 기준으로 목표 흑연 산화반응의 40% 내지 90%, 바람직하게는, 50% 내지 70%를 목표로 한다.The oxidizing agent such as the permanganate is supplied to the continuous batch oxidizing agent mixer by a connected metering pump, and the amount of supplied permanganate should be strictly controlled by a quantitative method or the like. The graphite slurry to which the oxidizing agent has been added is pressed into the tubular reactor in order to prevent the risk of heat generation due to the initial oxidation and smoothly proceed the oxidation reaction. These tubular reactors are charged into a thermostat for accurate temperature control. Such a thermostat is equipped with a heat exchanger that is cooled to be controlled at a certain range of temperatures. In addition, ultrasonic waves are added to the thermostatic chamber in order to improve expansion and peeling efficiency between graphite layers and to produce good graphene by thermal expansion. The inner diameter of the tubular reactor is 5 to 50 mm, preferably 8 to 12 mm, and the residence time is 0.2 to 5 hours, preferably 1 to 3 hours. The tubular reactor has a length of 10 m to 1000 m, preferably 100 m to 300 m. At this time, the output of the ultrasonic wave is approximately 0.05 W / cm 3 to 5.0 W / cm 3 . The intermediate oxidation of graphite is accomplished in this tubular reactor. The most annoying exothermic reaction zone is to use a narrow inner diameter tube to precisely control the local temperature. If precise control of the local temperature is possible, it is advantageous to accelerate the oxidation reaction by selecting a high temperature in the range of the reaction temperature of 5 to 54 DEG C, for example in the range of 30 to 50 DEG C. In a tubular reactor, 40% to 90%, preferably 50% to 70% of the target graphite oxidation reaction is targeted based on carbon / oxygen element analysis.
산화제와 흑연의 결합으로 산화의 후반부는 국지적인 발열과 폭발의 위험이 훨씬 완화되었으므로 긴 튜브형 반응기 대신에 연속교반탱크 반응기를 사용하여 제조장치를 단순화시키고 효율화 시킨다. 급격한 산화반응은 상기 튜브형 반응기에 의하여 이루어 졌으므로 안전을 고려하여 상기 튜브형 반응기보다 낮은 온도, 예를 들면, 8 내지 30℃의 범위에서 목표 온도를 설정하여 제어한다. 이러한 연속교반탱크 반응기에서 산화반응의 나머지 10 내지 50%가 추가적으로 이루어진다. 체류시간은 바람직하게는 0.5 시간 내지 5시간이다.The combination of oxidizer and graphite simplifies and streamlines the manufacturing process by using a continuous stirred tank reactor instead of a long tubular reactor because the latter part of the oxidation has a much reduced risk of localized heat and explosion. Since the rapid oxidation reaction is performed by the tubular reactor, the target temperature is set and controlled at a lower temperature than the tubular reactor, for example, in the range of 8 to 30 ° C, in consideration of safety. The remaining 10 to 50% of the oxidation reaction is additionally effected in this continuous stirred tank reactor. The residence time is preferably 0.5 to 5 hours.
상기 연속교반탱크 반응기(40)에서 인출된 추가 반응혼합물에 냉수 공급유니트(55)를 연결하여 반응혼합물에 차가운 물, 바람직하게는, 0℃ 이하의 과냉수를 첨가하여 남은 산화제를 희석시키고 곧이어 과산화수소 공급유니트(75)를 연결하여 정량펌프를 통하여 3% 과산화수소 수용액을 과산화수소 혼합기(70)에 투입하고 산화반응이 종결된 반응혼합물을 세척기(80)에서 세척한 다음 이를 분리 건조시키면 목표로 하는 산화흑연이 얻어진다.The cold
산화반응의 종결을 준비하기 위하여 물 혼합기에서 상기 추가 반응혼합물에 물을 투입한다. 혼합시키는 물 혼합기에서 물은 흑연을 기준으로 흑연:물 중량비가 1:1 내지 1:100인 것이 바람직하며, 흑연:물 중량비가 상기 함량범위를 벗어나 작은 경우에는 산화반응을 원활하게 동결시키지 못하는 반면, 큰 경우에는 폐수가 많이 발생하여 제조비용이 많이 드는 문제가 야기될 수 있다. Water is added to the additional reaction mixture in a water mixer to prepare for the end of the oxidation reaction. Water in the mixing water mixer is preferably graphite to water weight ratio of 1: 1 to 1: 100 on the basis of graphite, and if the weight ratio of graphite and water is out of the above range, the oxidation reaction can not be performed smoothly , A large amount of wastewater may be generated, which may result in a problem of high manufacturing cost.
상기 과산화수소 수용액은 과산화수소의 농도가 특별히 제한되지 않으나 일반적으로, 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 2 내지 7 중량%일 수 있다. 흑연: 과산화수소 수용액의 중량비는 정량적은 아니나 경험칙에 의하여 과산화수소의 농도가 3 중량%인 경우를 기준으로 흑연: 황산 중량비와 비슷하게 1:10 내지 1:100, 바람직하게는 1:30 내지 1:70이 되도록 가할 수 있다. 과산화수소 수용액은 여분의 과망간산염을 환원하여 흑연 산화를 종결한다. 과량을 가하면 세척 및 건조하는 데 비용이 많이 들고 소량을 가하면 반응이 종결되지 않는다. 과산화수소 수용액 첨가 후 유지시간은 수십 분 이내일 수 있다.The concentration of hydrogen peroxide in the aqueous hydrogen peroxide solution is not particularly limited, but it may be generally 1 to 10% by weight, preferably 2 to 7% by weight. The weight ratio of graphite: hydrogen peroxide aqueous solution is not quantitative but is 1:10 to 1: 100, preferably 1:30 to 1:70, which is similar to the graphite: sulfuric acid weight ratio based on the case where the concentration of hydrogen peroxide is 3 wt% It is possible to do so. The aqueous hydrogen peroxide solution reduces excess permanganate to terminate graphite oxidation. The excess is expensive to wash and dry, and the addition of a small amount does not terminate the reaction. The holding time after the addition of the aqueous hydrogen peroxide solution can be within several tens of minutes.
과산화수소 수용액의 투입에 의하여 여분의 과망간산이 환원되고 반응이 종결된 반응혼합물은 건조되기 전에 순수한 물 또는 적절한 pH를 가진 물, 예를 들면 pH가 5 내지 6인 세척수로 한차례 이상 세척할 수 있으며, 200℃이하, 바람직하게는 80℃ 이하에서 96시간 이내에서 감압 건조될 수 있다. 이러한 세척과 건조는 앞 단계와는 별도로 수행되거나 연속적으로 수행될 수 있다.The excess permanganic acid is reduced by the addition of the aqueous hydrogen peroxide solution and the reaction mixture is terminated. The reaction mixture may be washed once more with pure water or water having an appropriate pH, for example, washing water having a pH of 5 to 6 before drying, Deg.] C or less, preferably 80 [deg.] C or less, for 96 hours or less. Such washing and drying may be carried out separately from the previous step or may be carried out continuously.
세척된 산화흑연은 분리되고 건조되어 산화흑연 저장조에 저장된다.The washed oxidized graphite is separated, dried and stored in an oxidized graphite reservoir.
본 발명에 따르면, 산화제 첨가공정은 저온으로 유지되는 다단으로 연결된 연속회분 혼합기에 단계적으로 투입하여 산화를 억제시키면서 산화제를 혼합시키고 흑연의 산화반응 중 과열폭발의 위험 구간은 열교환기 내에 장입된 튜브형 반응기를 사용하여 온도를 국지적으로 정밀하게 조정하고 초음파 처리를 통해 산화제의 흑연 층간 침투 효과를 높이고 위험구간을 벗어난 추가 반응 구역에서는 연속교반탱크 반응기를 사용하여 산화반응을 숙성시킴으로서 산화흑연 제조 시 폭발 위험을 줄이고 대량의 산화흑연을 경제적으로 생산할 수 있다. According to the present invention, the oxidant addition process is carried out in a multi-stage continuous ash mixer maintained at a low temperature in a stepwise manner to suppress oxidization while mixing the oxidizer, and the dangerous period of the superheat explosion during the oxidation reaction of graphite, To precisely adjust the temperature locally and to enhance the penetration effect of the oxidizer into the graphite interlayer through ultrasonic treatment and to agitate the oxidation reaction in the continuous reaction tank reactor in the additional reaction zone outside the danger zone, And it is possible to economically produce a large amount of graphite oxide.
이러한 산화흑연을 층간분리하여 얻는 나노 크기의 그래핀 구조 물질은 탄소나노튜브와 필적할 만한 물성을 가질 뿐만 아니라 잔존하는 미량의 카르복실기 또는 히드록시기와 같은 관능기에 의하여 낮은 분산성을 갖는 탄소나노튜브보다 월등한 분산성을 제조과정에서 손쉽게 얻을 수 있다.The nano-sized graphene structure material obtained by delamination of graphite oxide has not only comparable physical properties to carbon nanotubes but also superior properties than carbon nanotubes having low dispersibility by a functional group such as a residual carboxyl or hydroxyl group A single acid can be easily obtained in the manufacturing process.
도 1은 본 발명의 한 실시양태로서 산화흑연을 만드는 제조장치에 있어서 중간 산화단계까지의 공정도이다.
도 2은 본 발명의 한 실시양태로서 산화흑연을 만드는 제조장치에 있어서 도1 이후의 공정도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process diagram to the intermediate oxidation step in a production apparatus for producing oxidized graphite as an embodiment of the present invention. FIG.
Fig. 2 is a process chart of Fig. 1 and subsequent figures in a production apparatus for producing graphite oxide as one embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다. 이러한 도면은 시험용 파일로트 플랜트 규모로서 반응기의 선택, 반응온도 조절 및 반응시간의 늘임 등에 의하여 스케일업이 가능하다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. These drawings are scale of the pilot lot plant for the scale-up by selecting the reactor, adjusting the reaction temperature, and increasing the reaction time.
용량 50ℓ의 흑연 슬러리 혼합기(10)에 흑연 분말과 85 내지 98%의 진한 황산 용액을 중량비 1:50으로 첨가하여 40ℓ의 흑연 슬러리로 혼합한다. 흑연 슬러리 혼합기(10)에서 온도는 다음 공정을 위하여 8~10℃에서 유지한다. Graphite powder and 85 to 98% concentrated sulfuric acid solution are added to the
흑연 슬러리 혼합기(10)에서 얻어진 흑연 슬러리는 5단 직렬로 연결된 연속회분 산화제 혼합기(21)에 투입된다. 이 산화반응은 발열반응이고 중간에 생성되는 칠산화이망간(Mn2O7)은 55℃ 이상의 온도에서 폭발의 위험성이 있기 때문에 연속회분 산화제 혼합기(21, 22, 23, 24, 25)는 국지적인 과열에 의한 폭발을 방지하기 위하여 2ℓ의 소용량으로 혼합물의 온도가 8~10℃에서 정밀하게 제어되고 산화제인 과망간산염이 각 산화제 혼합기에 배분되어 부가된다. 5단에 걸쳐 산화제가 첨가된 산화제 혼합 슬러리는 초음파 트랜스듀서(32)가 장착되고 쿨러(33)가 구비된 항온조(31) 내에 장입된 4단의 10mm 내경의 튜브형 반응기(30)에 펌프(26)으로 압입한다. 압입되는 슬러리의 헤드로스를 저감시키기 위하여 중간에 3개의 펌프(27, 28, 29)를 구비하여 승압한다. 튜브형 반응기(30)의 총 길이는 200 m이고 반응 체류시간은 2시간이다. 각 펌프(26, 27, 28, 29 )에는 감압장치(36)가 연결되어 튜브형 반응기(30)의 내압에 맞추어 펌핑 압력을 조절한다.The graphite slurry obtained in the
상기 튜브형 반응기(30)에서 압출되는 흑연 중간 산화물()은 도2에 예시되어 있는 바와 같이 50ℓ 용량의 연속교반탱크 반응기(40)에서 추가 산화된다. 상기 튜브형 반응기에서 산화제의 층간 삽입이 이루어진 흑연 중간 산화물은 추가 반응에 의하여 목표 흑연산화물로 얻어진다. 체류시간은 2시간 정도이다. 산화제와 흑연의 결합으로 산화의 후반부는 국지적인 발열과 폭발의 위험이 훨씬 완화되었으므로 긴 튜브형 반응기 대신에 연속교반탱크 반응기를 사용하여 제조장치를 단순화시키고 효율화 시킨다.The graphite intermediate oxide () extruded from the tubular reactor (30) Are further oxidized in a 50 L continuous stirred
상기 연속교반탱크 반응기(40)에서 인출된 추가 반응혼합물에 냉수 공급유니트(55)를 연결하여 반응혼합물에 물을 첨가하여 남은 산화제를 희석시키고 곧이어 과산화수소 공급유니트(75)를 연결하여 정량펌프를 통하여 3% 과산화수소 수용액을 과산화수소 혼합기(70)에 투입하고 산화반응이 종결된 반응혼합물을 세척기(80)에서 인출된 세척된 산화흑연(B)을 분리 건조시키면 목표로 하는 산화흑연이 얻어진다. 얻어진 산화흑연의 원소분석 결과는 C1O3 .65H2 .45이었다. The cold
이렇게 얻어진 산화흑연은 초음파 조사 하에 산화반응이 흑연 층간에 고루 진행되어 뒤이어 열충격에 의하여 박리시키면 물성이 우수한 그래핀을 얻을 수 있다.The oxidation graphite obtained in this way proceeds smoothly through the graphite layer under an ultrasonic irradiation, and then peeled off by thermal shock, whereby graphene having excellent physical properties can be obtained.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020110053777A KR101265709B1 (en) | 2011-06-03 | 2011-06-03 | a method and apparatus for manufacturing graphite oxide |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020110053777A KR101265709B1 (en) | 2011-06-03 | 2011-06-03 | a method and apparatus for manufacturing graphite oxide |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20120134685A true KR20120134685A (en) | 2012-12-12 |
KR101265709B1 KR101265709B1 (en) | 2013-05-20 |
Family
ID=47902844
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020110053777A KR101265709B1 (en) | 2011-06-03 | 2011-06-03 | a method and apparatus for manufacturing graphite oxide |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101265709B1 (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014168362A1 (en) * | 2013-04-11 | 2014-10-16 | 주식회사 아이디티인터내셔널 | Method for manufacturing graphite oxide and apparatus therefor |
WO2016114617A1 (en) * | 2015-01-15 | 2016-07-21 | 주식회사 그래핀올 | Purification method for graphene oxide |
US9624108B2 (en) | 2012-06-28 | 2017-04-18 | Standardgraphene Co., Ltd. | Apparatus for manufacturing nano-size graphene-structured material |
KR20170122454A (en) * | 2016-04-27 | 2017-11-06 | 전자부품연구원 | Method of recovering manganese in cleaning solution of graphite oxide and apparatus for recovering manganese |
KR20190118194A (en) * | 2017-03-31 | 2019-10-17 | 아르셀러미탈 | Process for preparing graphene oxide from Kish Graphite |
KR20190118196A (en) * | 2017-03-31 | 2019-10-17 | 아르셀러미탈 | Method for preparing reduced graphene oxide from Kish graphite |
WO2021002498A1 (en) * | 2019-07-02 | 2021-01-07 | 한국전기연구원 | Method for preparing graphite oxide through kneading and graphite oxide prepared through kneading |
KR102318089B1 (en) * | 2021-03-23 | 2021-10-26 | 김석겸 | Manufacturing method of environmental friendly expandable graphite |
CN114345268A (en) * | 2021-12-14 | 2022-04-15 | 昆明云天墨睿科技有限公司 | Industrial-grade mass production automatic production system and production method of graphene oxide |
CN117680040A (en) * | 2024-01-12 | 2024-03-12 | 青岛和盛凯碳材料科技有限公司 | Autoclave for continuous production of graphite |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102249622B1 (en) | 2018-01-04 | 2021-05-07 | 한국전기연구원 | Graphite oxide by kneading and their fabrication methods |
KR102532424B1 (en) | 2018-12-03 | 2023-05-12 | 한국전기연구원 | Carbon nano material-nano metal complex and method for fabricating the same |
KR20200067060A (en) | 2018-12-03 | 2020-06-11 | 한국전기연구원 | Carbon nanotube silver nano wire one component type coating composition and manufacturing method thereof |
KR102357478B1 (en) * | 2020-07-27 | 2022-02-07 | 주식회사 덕양에코 | Manufacturing method of filler for vinyl house film and packing materials, the filler and film using the filler |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2493812B1 (en) | 2009-08-10 | 2018-02-14 | Standardgraphene Co., Ltd. | A method of producing nano-size graphene-based material and an equipment for producing the same |
-
2011
- 2011-06-03 KR KR1020110053777A patent/KR101265709B1/en active IP Right Grant
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9624108B2 (en) | 2012-06-28 | 2017-04-18 | Standardgraphene Co., Ltd. | Apparatus for manufacturing nano-size graphene-structured material |
US10040688B2 (en) | 2013-04-11 | 2018-08-07 | Standardgraphene Co., Ltd. | Method for manufacturing graphite oxide and apparatus therefor |
KR101500692B1 (en) * | 2013-04-11 | 2015-03-09 | 주식회사 아이디티인터내셔널 | Method and apparatus for manufacturing graphite oxide |
CN105452161A (en) * | 2013-04-11 | 2016-03-30 | 标准石墨烯有限公司 | Method for manufacturing graphite oxide and apparatus therefor |
WO2014168362A1 (en) * | 2013-04-11 | 2014-10-16 | 주식회사 아이디티인터내셔널 | Method for manufacturing graphite oxide and apparatus therefor |
WO2016114617A1 (en) * | 2015-01-15 | 2016-07-21 | 주식회사 그래핀올 | Purification method for graphene oxide |
KR20170122454A (en) * | 2016-04-27 | 2017-11-06 | 전자부품연구원 | Method of recovering manganese in cleaning solution of graphite oxide and apparatus for recovering manganese |
KR20190118194A (en) * | 2017-03-31 | 2019-10-17 | 아르셀러미탈 | Process for preparing graphene oxide from Kish Graphite |
KR20190118196A (en) * | 2017-03-31 | 2019-10-17 | 아르셀러미탈 | Method for preparing reduced graphene oxide from Kish graphite |
US11702341B2 (en) | 2017-03-31 | 2023-07-18 | Arcelormittal | Method for the manufacture of graphene oxide from Kish graphite |
WO2021002498A1 (en) * | 2019-07-02 | 2021-01-07 | 한국전기연구원 | Method for preparing graphite oxide through kneading and graphite oxide prepared through kneading |
KR102318089B1 (en) * | 2021-03-23 | 2021-10-26 | 김석겸 | Manufacturing method of environmental friendly expandable graphite |
CN114345268A (en) * | 2021-12-14 | 2022-04-15 | 昆明云天墨睿科技有限公司 | Industrial-grade mass production automatic production system and production method of graphene oxide |
CN117680040A (en) * | 2024-01-12 | 2024-03-12 | 青岛和盛凯碳材料科技有限公司 | Autoclave for continuous production of graphite |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR101265709B1 (en) | 2013-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101265709B1 (en) | a method and apparatus for manufacturing graphite oxide | |
EP2867163B1 (en) | Method and apparatus for manufacturing graphite oxide | |
KR101053933B1 (en) | Graphite oxide manufacturing method and apparatus for producing nano-sized graphene structural material | |
CN102616768B (en) | Graphene nanoribbon manufacturing method | |
CN103145121B (en) | Preparation method of thin-layer graphene oxide material | |
CN105452161B (en) | For manufacturing the method for graphite oxide and device for manufacturing graphite oxide | |
CN104071782A (en) | Preparation method of graphene | |
CN103539106A (en) | Preparation method of carbon material | |
WO2011019184A2 (en) | Method and apparatus for producing a nanoscale material having a graphene structure | |
CN106082194B (en) | A kind of method for preparing bigger serface and the less graphene of the number of plies | |
CN108557806A (en) | A kind of preparation method and applications of spiral carbon nanotubes-graphene hybrid | |
TWI640472B (en) | Method for manufacturing graphene nanoplatelets by ultrasonic waves | |
Heidarpour et al. | Structural and morphological characterization of the layered carbide-derived-carbon nanostructures obtained by HF etching of Ti2AlC | |
CN106564881A (en) | Preparation of reduced graphene oxide by one-step method | |
US11027252B2 (en) | Reactor for continuous production of graphene and 2D inorganic compounds | |
US11339054B2 (en) | Continuous process and apparatus for producing graphene | |
US20210114880A1 (en) | Continuous production of pristine graphene and graphene oxide | |
CN108285173A (en) | A kind of preparation method of tungsten disulfide nano slices | |
BR102016005632B1 (en) | PROCESS FOR OBTAINING GRAPHITE OXIDE AND GRAPHENE OXIDE, AND PRODUCTS | |
CN104071772B (en) | A kind of equipment of preparation of industrialization graphite oxide | |
KR101265712B1 (en) | apparatus for manufacturing nano-size graphene-structured material | |
CN104418320B (en) | System for continuous microwave preparation graphite alkene nanobelt | |
CN106744832A (en) | The preparation method of electronation graphene film | |
CN110104639A (en) | A kind of extensive, controllable, inexpensive graphene preparation method | |
WO2019006475A1 (en) | Method for preparing graphene oxide and reduced graphene oxide |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
N231 | Notification of change of applicant | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160324 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180503 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190426 Year of fee payment: 7 |