TWI796678B - 碳材後改質反應器、後改質反應裝置、後改質處理系統及其方法 - Google Patents

Abstract

所提供的碳材後改質反應器包括：一投料口，設於該碳材後改質反應器之上游處，供投入碳材原料；一出料口，設於該碳材後改質反應器之下游處，供輸出改質碳材；一螺桿裝置，位於反應器的內部以於投料口和出料口之間同時推送和翻置自投料口投入之碳材原料；以及一進氣裝置，臭氧氣體係藉由該進氣裝置輸入至碳材後改質反應器的內部。螺桿裝置包括直桿部、逆向的內螺旋葉片組和正向的外螺旋葉片組。藉由螺桿裝置的作用與設計，本發明之碳材後改質反應器可於內部同時推送、返送及翻置反應器內部的碳材原料，以提升後改質反應的效能。

Description

碳材後改質反應器、後改質反應裝置、後改質處理系統及其 方法

本發明與碳材的改質技術有關；特別是，本發明與碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維等碳材的後改質技術有關。

碳黑的本質為親油性，對於極性溶劑(例如水)的分散性極低，因而限制其應用。為使碳黑能進一步應用於油墨、油漆、或電子封裝等領域而提高其應用價值，可於產製過程中對碳黑進行表面氧化改質處理，提高碳黑的分散性能，以使得改質後的碳黑能夠安定良好地分散於極性溶劑中，增廣碳黑的應用層面。

以現有技術而言，碳黑的改質程序多於產製碳黑的過程中進行，於產製過程中導入過氧化氫進行反應，以增加產製之碳黑的含氧極性基團；或是在碳黑產製完成後進一步利用強酸(例如鹽酸、硝酸等)溶液或臭氧電漿對碳黑進行表面酸化或表面氧化等後改質處理。惟利用強酸溶液進行碳黑後改質處理勢將產生高污染性廢液處理及排放的問題，而利用臭氧電漿進行碳黑後改質處理則因臭氧電漿濃度太低而導致效率不彰。此外，在現有的碳黑後 改質技術中，均是於反應槽內使用攪拌器進行攪拌、以批次方式進行碳黑的表面改質處理，不僅處理效率不彰、產率和經濟價值難以提升，也容易因批次處理各式條件差異而導致所產製的改質碳黑品質不一；縱開發以流體化床進行連續式處理，惟仍存在有產生高污染性廢液的嚴重問題。另就活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維等碳材而言，亦亟需可提高處理效率並且能產製品質良好的改質碳材之後改質技術。

鑑於上述問題，本發明提出一種碳材後改質反應器、包括此後改質反應器以進行碳材後改質處理之系統、以及相應的方法。本發明以連續製程方式對已經產製的原生碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維等碳材原料進行後改質處理，可有效提高改質碳材製品的品質及其產製效率。

根據本發明的一第一構想，所提供的一種碳材後改質反應器包括：一投料口，設於該碳材後改質反應器之一上游處，供投入一碳材原料；一出料口，設於該碳材後改質反應器之一下游處，供輸出一改質碳材；一螺桿裝置，位於該碳材後改質反應器的內部以於該投料口和該出料口之間同時推送和翻置自該投料口投入之該碳材原料；以及一進氣裝置，臭氧氣體係藉由該進氣裝置輸入至該碳材後改質反應器的內部。該螺桿裝置包括：一直桿部，其耦合至一馬達且受該馬達驅動；一內螺旋葉片組，其包括均勻分隔設置於該直桿部靠近該投料口的一第一部分上且自該直桿部徑向延伸的複數個內螺旋葉片；及一外螺旋葉片組，其包括複數個短桿及複數個外螺旋葉片。所述複數個短桿係均勻分隔設置於該直桿部上且自該直桿部徑向延伸，所述複數個外螺旋葉片係 以螺旋方式環繞於該直桿部外部，且於該直桿部上係呈均勻分隔設置，其中所述複數個短桿的各短桿的一端係連接於各所述複數個外螺旋葉片。

基於前述構想，該外螺旋葉片組進一步包括複數個連接葉片，所述複數個連接葉片係各連接於該外螺旋葉片組中的一部分的至少兩個外螺旋葉片之間。

基於前述構想，該內螺旋葉片組係一右旋螺葉組，且其中該外螺旋葉片組係一左旋螺葉組。

基於前述構想，該外螺旋葉片組具有一第一葉片間距，該內螺旋葉片組具有一第二葉片間距，其中該第一葉片間距小於該第二葉片間距。較佳為，該第一葉片間距係介於80mm至120mm之間，且該第二葉片間距係介於100mm至150mm之間。

基於前述構想，該直桿部之長度係介於1500mm至15000mm之間。較佳為，該直桿部的該第一部分之長度係介於1000mm至10000mm之間。

基於前述構想，該碳材後改質反應器的長寬比係介於3至8之間。

基於前述構想，在該碳材後改質反應器中，該內螺旋葉片組之各所述複數個內螺旋葉片的葉片直徑係介於90mm至170mm之間。

基於前述構想，在該碳材後改質反應器中，所述複數個內螺旋葉片中的一第一內螺旋葉片與該直桿部之一前端係相距一第一距離，該第一距離係介於0至直桿部之長度的三分之二之間。

基於前述構想，該進氣裝置包括複數個注入口，自該進氣裝置輸入之臭氧氣體係通過所述複數個注入口進入該碳材後改質反應器內部。

基於前述構想，該進氣裝置係設於該碳材後改質反應器之一端、該碳材後改質反應器內部之該投料口下方、該碳材後改質反應器之下方、或直接由該直桿部所形成。

基於前述構想，本發明之碳材後改質反應器更包括一溫度控制裝置，係耦合於該碳材後改質反應器以調整該碳材後改質反應器的內部之溫度。

基於前述構想，所述碳材原料係選自碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維中其一。

根據本發明之一第二構想，所提供的一種碳材後改質反應裝置包括：一總投料口，設於該碳材後改質反應裝置之一上游處，供投入一碳材原料；一總出料口，設於該碳材後改質反應裝置之一下游處，供輸出一改質碳材；以及複數個如前所述之碳材後改質反應器，所述複數個碳材後改質反應器中的一上游反應器的出料口係連接於一下游反應器的投料口，所述複數個碳材後改質反應器係於該總投料口和該總出料口之間彼此串聯而流體連通，且係各耦合至一各自馬達，並且受該各自馬達驅動以同時推送和翻置在各該碳材後改質反應器內部的該碳材原料。

基於前述構想，其中所述複數個碳材後改質反應器的各自進氣裝置係流體耦合於一共同臭氧產生單元。

基於前述構想，所述碳材原料係選自碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維中其一。

根據本發明之一第三構想，所提供的一種碳材後改質處理系統包括：一空氣壓縮單元，其接收及壓縮空氣以產生一壓縮空氣；一氧氣產生單 元，其接收該壓縮空氣並自該壓縮空氣產生一濃縮氧氣；一臭氧產生單元，其接收該濃縮氧氣並自該濃縮氧氣產生臭氧氣體；以及一改質單元，其接收該臭氧產生單元所產生的臭氧氣體，並使所述臭氧氣體與一碳材原料混合及反應以產生一改質碳材。

基於前述構想，該改質單元包括如前述任一構想之碳材後改質反應器、或包括如前述任一構想之碳材後改質反應裝置。

基於前述構想，本發明之碳材後改質處理系統更包括一乾燥單元，其設置於該空氣壓縮單元和該氧氣產生單元之間以乾燥該壓縮空氣。

基於前述構想，本發明之碳材後改質處理系統更包括一空氣貯槽，其設置於該乾燥單元與該氧氣產生單元之間以貯存經乾燥的壓縮空氣。

基於前述構想，該氧氣產生單元係一分子篩裝置，其分離該壓縮空氣中的氧氣和氮氣以產生該濃縮氧氣。

基於前述構想，本發明之碳材後改質處理系統更包括一氧氣貯槽，其設於該氧氣產生單元與該臭氧產生單元之間以貯存該濃縮氧氣。

基於前述構想，該臭氧產生單元係一高壓放電裝置。

基於前述構想，本發明之碳材後改質處理系統更包括一投料裝置，其對該改質單元投入該碳材原料。

基於前述構想，本發明之碳材後改質處理系統更包括一研磨裝置，其研磨自該改質單元輸出之該改質碳材。

基於前述構想，所述碳材原料係選自碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維中其一。

根據本發明之一第四構想，所提供的一種用於進行碳材後改質處理之方法包括下列步驟：(a)提供一壓縮空氣；(b)自該壓縮空氣分離出一濃縮氧氣；(c)利用高壓放電方式，自該濃縮氧氣產生一臭氧氣體；以及(d)令該臭氧氣體通過一碳材原料並且與該碳材原料混合及反應達一預定時間以產生一改質碳材。

基於前述構想，在步驟(a)後，本發明之方法更包括一步驟(a1)乾燥及/或貯存該壓縮空氣。

基於前述構想，在步驟(b)後，本發明之方法更包括一步驟(b1)貯存該濃縮氧氣。

基於前述構想，在步驟(c)後，本發明之方法更包括一步驟(c1)控制將通過該碳材原料之該臭氧氣體的流量及/或濃度。

基於前述構想，所述碳材原料係選自碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維中其一。

10:碳材後改質反應器

10a:碳材後改質反應器的一端

10b:碳材後改質反應器下部的一端

10c:碳材後改質反應器的下部

10A~10F:碳材後改質反應器

12:投料口

14:出料口

15:馬達

16:螺桿裝置

16A:第一區段

16B:第二區段

162:直桿部

162A:直桿部的第一部分

162B:直桿部的第二部分

164:內螺旋葉片組

164a:內螺旋葉片

166:外螺旋葉片組

166a、166a1~166a4:外螺旋葉片

166b、166b1~166b7:外螺旋葉片

167:連接葉片

167a1、167b1~167b3:連接葉片

168:短桿

168A:短桿的一端

18:進氣裝置

182A:注入口

19:溫度控制裝置

50A、50B、50C:碳材後改質反應器

60:碳材後改質反應裝置

62:總投料口

64:總出料口

70:碳材後改質處理系統

72:空氣壓縮單元

722:空氣壓縮裝置

724:控制單元

726:乾燥單元

728:空氣貯槽

74:氧氣產生單元

742:分子篩裝置

744:氧氣貯槽

76:臭氧產生單元

762:高壓放電裝置

78:改質單元

782:碳材後改質器(裝置)

782A:碳材原料

7822:投料口

7824:出料口

784:投料裝置

80:研磨單元

810~860:步驟

D1:第一間距

D2:第二間距

L:長度

W:寬度

為能更進一步瞭解本發明之特徵與技術內容，請參閱下述有關本發明實施例之詳細說明及如附圖式。惟所揭詳細說明及如附圖式係僅提供參考與說明之用，並非用以對本發明加以限制；其中：第1圖說明根據本發明一實施例之碳材後改質反應器的剖面示意圖；第2A圖和第2B圖分別說明根據本發明實施例之碳材後改質反應器的螺桿裝置的第一區段和第二區段之示意結構； 第3圖說明根據本發明實施例之碳材後改質反應器的進氣裝置配置示意圖；第4A圖至第4D圖為根據本發明實施例之碳材後改質反應器中進氣裝置的各種配置位置及進氣方式之示意圖；第5A圖至第5C圖說明根據本發明另一實施例之碳材後改質反應器及其進氣裝置的配置示意圖；第6圖說明根據本發明一實施例之碳材後改質反應裝置的配置示意圖；第7圖說明根據本發明一實施例之碳材後改質處理系統的配置示意圖；以及第8圖說明根據本發明一實施例之用於進行碳材後改質處理之方法的流程圖。

下文係參照圖式、並且以示例實施例說明本發明之概念，在圖式或說明中，相似或相同的部分係使用相同的元件符號；再者，圖式係為利於理解而繪製，圖式中各單元或裝置之尺寸與形狀並非裝置之實際尺寸，亦非呈現特定的比例關係。

請參閱第1圖，其係根據本發明一實施例，說明本發明之碳材後改質反應器10的配置之剖面示意圖。本發明之碳材後改質反應器10包括一投料口12，投料口12設於碳材後改質反應器10的上游處，待進行改質之一碳材原料(圖中未示)即由投料口12注入碳材後改質反應器10的內部。本發明之碳材後 改質反應器10亦包括一出料口14，出料口14設於碳材後改質反應器10的下游處，完成反應的改質碳材(圖中未示)即由出料口14輸出，以進一步依實際應用需要進行後續的研磨及/或包裝處理。在本發明中，所述碳材原料可為碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維中任一者。

本發明之碳材後改質反應器10的內部設有一螺桿裝置16，螺桿裝置16用以於投料口12和出料口14之間同時推送和翻置自投料口12投入之碳材原料。如圖所示，螺桿裝置16包括在反應器上游的一第一區段16A、以及在反應器下游的一第二區段16B；換言之，螺桿裝置16的第一區段16A係較第二區段16B靠近於碳材後改質反應器10的投料口12。

如第1圖所示，本發明之碳材後改質反應器10中的螺桿裝置16包括一直桿部162、一內螺旋葉片組164以及一外螺旋葉片組166。

直桿部162係耦合至一馬達15且受馬達15驅動，使得螺桿裝置16於碳材後改質反應器10內部同時推送和翻置自投料口12投入的碳材原料。直桿部162可分為一第一部分162A和一第二部分162B，其分別對應於螺桿裝置16的第一區段16A和第一區段16B。換言之，直桿部162的第一部分162A係指直桿部162之位於碳材後改質反應器10的上游處的部分，其較第二部分162B靠近於投料口12；直桿部162的第二部分162B係指直桿部162之位於碳材後改質反應器10的下游處的部分，其較第一部分162A靠近於出料口。

併參第2A圖，其係本發明之碳材後改質反應器10的螺桿裝置16的第一區段16A之結構示意圖。如圖所示，內螺旋葉片組164係呈連續式螺旋葉片結構，其由複數個內螺旋葉片164a1~164a4所構成，所述內螺旋葉片164a1~164a4係設置在直桿部162的第一部分162A上，且葉片間係呈均勻分隔、自直桿 部162徑向延伸。在本實施例中，內螺旋葉片組164係由四個(即形成四圈)內螺旋葉片164a1~164a4所構成；惟於其他實施例中，係可依實際應用條件和產製需求調整內螺旋葉片的個數(圈數)。在本發明實施例中，內螺旋葉片組164係一右旋螺葉組(即呈現逆向螺旋)，且僅設置在直桿部162的第一部分162A；換言之，逆向的內螺旋葉片組164僅位設於螺桿裝置16中的第一區段16A，在受直桿部162帶動時於第一區段16A中反向推送(返送)碳材原料回上游處，進以增加碳材原料在本發明之碳材後處理反應器10中的停留時間。

在本實施例中，內螺旋葉片組164係設置在直桿部162的第一部分162A，且其中第一內螺旋葉片164a1係設置在碳材後改質反應器10中之螺桿裝置16的直桿部162前端E處，如第1圖所示；惟於其他實施例中，內螺旋葉片組亦可設置於直桿部上不同位置處，例如位於直桿部前端和與直桿部前端相距為直桿部總長度的三分之二處之間的任何位置，端視實際應用需求而定。

在本實施例中，內螺旋葉片組164的各個內螺旋葉片164a1~164a4的葉片大小(即葉片直徑c，如第2A圖所示)係經設計，例如為130mm；惟於其他實施例中，依實際反應器之設計而定，內螺旋葉片的葉片直徑亦可加以調整，例如介於90mm至170mm間。

併參第1圖、第2A圖和第2B圖，其中第2B圖係本發明之碳材後改質反應器10的螺桿裝置16的第二區段16B之結構示意圖。如圖所示，螺桿裝置16的外螺旋葉片組166包括複數個短桿168及複數個外螺旋葉片166a、166b。所述複數個短桿168係均勻分隔設置於直桿部162整體(包括第一部分162A和第二部分162B)上，且自直桿部162徑向延伸；所述複數個外螺旋葉片166a、166b呈連續式螺旋葉片結構而環繞直桿部162，其係分別均勻分隔設置於直桿 部162的第一部分162A和第二部分162B上。在本發明實施例中，外螺旋葉片組166係一左旋螺葉組，且各個外螺旋葉片166a、166b係於各相應短桿168的一端168A連接(例如藉由焊接方式)，從而於直桿部162上形成環繞於外部且呈正向螺旋的螺葉結構，以於碳材後改質反應器10中將碳材原料朝下游處推送。

如第1圖所示，本發明實施例之碳材後改質反應器10係呈一水平式配置；在本實施例中，位於碳材後改質反應器10上游處的投料口12係如圖所示位於圖面左側，下游處的出料口14係如圖所示位於圖面右側。如前述說明，在本實施例中，外螺旋葉片組166包括分別設置於螺桿裝置16的第一區段16A和第二區段16B中的外螺旋葉片166a和外螺旋葉片166b且為正向螺旋葉片，例如為一左旋螺葉組，其在馬達15驅動直桿部162軸向轉動下係受帶動而將碳材後改質反應器10內的碳材原料朝向出料口14(即下游處)的方向(在第1圖中係向右)推送。在本實施例中，螺桿裝置16的第一區段16A中還設有包括複數個內螺旋葉片164a之內螺旋葉片組164，其係逆向螺旋葉片，且例如為一右旋螺葉組，在馬達15驅動直桿部162軸向轉動下係受帶動而將碳材原料朝向投料口12(即上游處)的方向(在第1圖中係向左)推送(亦即「返送」)，進以控制碳材原料在本發明之碳材後改質反應器10內的停留時間(反應時間)。

在本實施例中，螺桿裝置16的外螺旋葉片組166還包括複數個連接葉片167，所述複數個連接葉片167係各連接於外螺旋葉片組166a、166b中的一部分的至少兩個葉片之間。舉例而言，如第1圖和第2A圖、第2B圖所示，在螺桿裝置16的第一區段16A的外螺旋葉片組166的葉片166a1~166a4間即連接有一連接葉片167a1；在螺桿裝置16的第二區段16B中，連接葉片167b1~167b3即分別連接於外螺旋葉片組166中的相鄰兩葉片(例如葉片166b1和葉片166b2、 葉片166b3和葉片166b4、以及葉片166b5和葉片166b6)之間。根據本發明，螺桿裝置16的連接葉片167係於直桿部162受馬達15而軸向轉動時受帶動而翻置碳材後改質反應器10內的碳材原料，以使碳材原料與臭氧於反應器內部均勻混合，提高兩者之間的反應效率。

在本實施例中，螺桿裝置16的外螺旋葉片組166具有一第一葉片間距D1，內螺旋葉片組164具有一第二葉片間距D2，其中第一葉片間距D1小於第二葉片間距D2。換言之，根據本發明實施例，在碳材後改質反應器10的螺桿裝置16中，用以正向推送碳材原料的外螺旋葉片組166的葉片間距D1係小於用以返送碳材原料的內螺旋葉片組164的葉片間距D2。

根據本發明，碳材後改質反應器10之螺桿裝置16的外螺旋葉片組166和內螺旋葉片組164的個別葉片間距(D1、D2)、第一區段16A和第二區段16B的個別配置長度、以及各連接葉片167的長度等係可依製程上的實際需求而加以設計及調整。舉例而言，根據本發明實施例，碳材後改質反應器10中的第一葉片間距D1係介於80mm至120mm之間，第二葉片間距係介於100mm至150mm之間。根據本發明實施例，第一區段之長度係介於1000mm至10000mm之間，且第一區段之長度和第二區段之長度的總和(亦即螺桿裝置整體之長度)係介於1500mm至15000mm之間。舉例而言，在本實施例中，外螺旋葉片組166的葉片間距D1可為例如100mm，而內螺旋葉片組164的葉片間距D2可為例如125mm。此外，螺桿裝置16之第一區段16A的總長度可為例如1000mm，且連接葉片167a1的長度可為例如605mm。

根據本發明，碳材後改質反應器10的長寬比係介於3至8之間。舉例而言，在本實施例中，碳材後改質反應器10的總長度L為1500mm，寬度W(反應器內徑)為212.3mm，其長寬比(L/D)約為7.06。

根據本發明，碳材後改質反應器還包括一進氣裝置，臭氧氣體係藉由進氣裝置輸入至碳材後改質反應器的內部以與碳材原料進行混合及反應。請參閱第3圖，其說明根據本發明實施例之碳材後改質反應器的進氣裝置配置示意圖。根據本發明實施例，碳材後改質反應器10的進氣裝置18係設於碳材後改質反應器10的內部、投料口12的下方，並且進一步包括複數個(在本實施例中為例如五個)注入口182A，如第3圖所示；自進氣裝置18輸入之臭氧氣體係通過各注入口182A進入碳材後改質反應器10的內部。藉此設計，可提高臭氧氣體在碳材後改質反應器10內部的分散均勻性，進而提高臭氧氣體與碳材原料的混合與反應效率。此外，本發明之碳材後改質反應器10進一步包括一溫度控制裝置19，溫度控制裝置19係耦合於碳材後改質反應器10以調整(例如加熱)碳材後改質反應器10內部的溫度，進而提高臭氧氣體與碳材原料的反應效率。

進氣裝置除可位設於碳材後改質反應器10的內部之外，在本發明中，亦可依實際製程所需改變進氣裝置的設置位置與方式。舉例而言，請參閱第4A圖至第4D圖，其示意說明根據本發明實施例之碳材後改質反應器中進氣裝置的各種配置位置及進氣方式。在一種實施方式中，進氣裝置可設置於碳材後改質反應器10的一端10a，使臭氧自該端10a進入碳材後改質反應器10的內部，如第4A圖中箭頭18a所示，以與自投料口12注入之碳材原料(如箭頭12a所示)在反應器內部混合及反應。可替代地，進氣裝置可設置於碳材後改質反應 器10下部之一端10b(第4B圖)、或沿著碳材後改質反應器10的下部10c而設置(第4C圖)，使臭氧分別自碳材後改質反應器下部之一端10b、或自下部10c進入碳材後改質反應器10的內部，分別如第4B圖中箭頭18b與第4C圖中箭頭18c所示，以與自投料口12注入之碳材原料(如箭頭12b、12c所示)在反應器內部混合及反應。在又一替代實施方式中，進氣裝置可直接藉由於直桿部162上形成複數個注入孔而構成，使得從直桿部162軸向注入的臭氧可通過直桿部162上的注入孔均勻進入碳材後改質反應器10的內部，如第4D圖中箭頭18d、18d1至18dn所示，以與自投料口12注入之碳材原料(如箭頭12d所示)在反應器內部混合及反應。

如前述說明，第1圖所示之碳材後改質反應器10係呈水平式配置，惟本發明之碳材後改質反應器的配置方式並不限於此。舉例而言，如第5A圖至第5C圖所示，本發明之碳材後改質反應器50A、50B、50C亦可設計為呈一垂直式配置，端視於碳材產製廠區的空間條件而設計。在第5A圖至第5C圖所示之垂直式碳材後改質反應器50A、50B、50C中，其投料口52和出料口54係分別位於碳材後改質反應器的上方(上游處)和下方(下游處)(即分別為第5A圖至第5C圖之圖面的上方和下方)，進氣裝置則可視實際需求而設置，使得臭氧可從垂直式碳材後改質反應器50A的上方(上游處)、垂直式碳材後改質反應器50B的下方(下游處)、或由垂直式碳材後改質反應器50C的側部注入，分別如第5A圖中箭頭58a、第5B圖中箭頭58b及第5C圖中箭頭58c所示，以與自投料口52注入之碳材原料(如箭頭52a、52b、52c所示)在反應器內部混合及反應。熟習本發明領域技藝之人士應理解，吾人當可根據碳材後改質反應器的配置方 向和馬達的驅動方向來調整第5A圖至第5C圖中所示之碳材後改質反應器的螺桿裝置、葉片旋轉方向、葉片間距等設計。

請參閱第6A圖和第6B圖，其示意說明根據本發明實施例之碳材後改質反應裝置的配置。

如第6A圖所示，本實施例之碳材後改質反應裝置60包括一總投料口62和一總出料口64，總投料口62係設於碳材後改質反應裝置60之上游處(例如為第6A圖所示左上方)，碳材原料係通過總投料口62注入碳材後改質反應裝置60的內部；總出料口64設於碳材後改質反應裝置60之下游處(例如為第6A圖所示左下方)，反應完成而產製的改質碳材即通過總出料口64輸出，以依需要進行後續的研磨及/或包裝處理。

本發明之碳材後改質反應裝置60是由複數個(例如在本實施例中為6個)如前述說明之碳材後改質反應器10A至10F串聯而構成。詳言之，構成碳材後改質反應裝置60的複數個碳材後改質反應器10A至10F中的一上游反應器(例如第6A圖中所示之碳材後改質反應器10A)的出料口係連接於一下游反應器(例如第6A圖中所示之碳材後改質反應器10B)的投料口，從而構成出複數個碳材後改質反應器10A至10F係於總投料口62和總出料口64之間彼此串聯而流體連通，使得自總投料口62注入之碳材原料(如箭頭62a所示)在碳材後改質反應裝置60內部隨著各反應器的螺桿裝置的推送、返送和翻置而與通過進氣裝置注入(在本實施例中，係藉由各自反應器的直桿部穿孔注入，如箭頭68a至68f所示)反應裝置內部的臭氧均勻混合及反應。碳材後改質反應器10A至10F的螺桿裝置之直桿部係各耦合至一各自馬達(圖中未示)，直桿部受該各自馬達驅動而帶動螺桿裝置的外螺旋葉片組和內螺旋葉片組同時推送、返送和 翻置在各該碳材後改質反應器內部的碳材原料。在本實施例中，碳材後改質反應裝置60所包含的碳材後改質反應器的數量可依實際廠區的面積及高度而調整，各個碳材後改質反應器10A至10F的內部構成與運作方式係與前述碳材後改質反應器10相同，在此即不再贅述。利用複數個碳材後改質反應器串聯之設計可有效增加碳材原料與臭氧的反應時間，進一步提升改質效果。

可替代地，進氣裝置亦可設置於各碳材後改質反應器10A至10F下部之一端，以供注入臭氧，注入之臭氧即於各碳材後改質反應器10A至10F內部與碳材原料混合及反應，如第6B圖所示。

應理解，本發明之碳材後改質反應裝置中所含反應器的數量、反應器的配置方向、進氣裝置的設計與進氣方向等皆可依前述說明並根據實際需要而加以組合與變化。

請參閱第7圖，其係根據本發明實施例之碳材後改質處理系統的配置示意圖。如第7圖所示，本發明之碳材後改質處理系統70包括：空氣壓縮單元72，其接收及壓縮空氣以產生一壓縮空氣；氧氣產生單元74，其接收該壓縮空氣並自該壓縮空氣產生一濃縮氧氣；臭氧產生單元76，其接收該濃縮氧氣並自該濃縮氧氣產生臭氧氣體；以及改質單元78，其接收該臭氧產生單元所產生的臭氧氣體，並使所述臭氧氣體與一碳材原料混合及反應以產生一改質碳材而輸出。詳言之，空氣壓縮單元72中可包括、但不限於：空氣壓縮裝置722、控制單元724、乾燥單元726(例如，冷凍乾燥裝置)及空氣貯槽728。輸入之空氣經空氣壓縮裝置722壓縮並經乾燥單元726予以乾燥後，可注入空氣貯槽728中貯存以備後續製程使用。控制單元724即時控制壓縮空氣的流量與流率等，並可進行空氣調理(即過濾、調壓、給油潤滑)以防止管路磨損導致雜質 的產生，俾使供給之壓縮空氣的品質符合實際製程所需。經空氣壓縮單元72壓縮及乾燥之壓縮空氣輸入至氧氣產生單元74，氧氣產生單元74可為、但不限於一分子篩裝置742，其分離壓縮空氣中的氧氣與氮氣而產生濃度高達90%之濃縮氧氣。氧氣產生單元74還可包括一氧氣貯槽744，其可貯存濃縮氧氣以備後續製程使用。氧氣產生單元74所產生之濃縮氧氣係進一步輸入至臭氧產生單元76，其包括一高壓放電裝置762，釋出能量使濃縮氧氣分子斷鍵而產生臭氧(O₃)氣體，藉由調整臭氧產生單元76的氣體流量與處理效能，即可改變所產生之臭氧氣體的流量和濃度，使其符合後續反應所需。所產生之臭氧氣體即可注入改質單元78的碳材後改質反應器(裝置)782中與碳材原料782A均勻混合及反應。

根據本發明實施例，改質單元78係包括如第1圖所示之水平式碳材後改質反應器10。在另一實施例中，改質單元78亦可包括如第5A圖至第5C圖所示之垂直式碳材後改質反應器50A-50C。在另一實施例中，改質單元78可包括如第6A圖或第6B圖所示之碳材後改質反應裝置60；如前述說明，所述碳材後改質反應裝置60係由複數個碳材後改質反應器串聯而構成。

根據本發明實施例，碳材後改質反應系統70還包括一投料裝置784，其與改質單元78之碳材後改質反應器(裝置)782的投料口7822流體相通，以供對改質單元78的碳材後反應器(裝置)782注入碳材原料。此外，本發明之碳材後改質反應系統70可進一步包括一研磨單元80，自改質單元78之碳材後改質反應器(裝置)782的出料口7824所輸出之改質碳材係輸入至研磨單元80進行研磨，以符碳材產品應用所需之規格後進一步包裝輸出。

請參閱第8圖，係說明根據本發明實施例之用於進行碳材後改質處理之方法的流程圖。本發明之方法包括如下步驟：對輸入空氣進行壓縮以提供一壓縮空氣(步驟810)；視情況，對壓縮空氣進行乾燥及貯存(步驟815)，例如、但不限於，利用冷凍乾燥裝置來乾燥壓縮空氣，並將其貯存在一空氣貯槽中。接著，藉由例如分子篩裝置分離壓縮空氣中的氮氣和氧氣，以產生一濃縮氧氣(步驟820)；視情況，貯存所產生的濃縮氧氣(步驟825)。接著，利用高壓放電方式，自該濃縮氧氣產生一臭氧氣體(步驟830)。令產生之臭氧氣體通過一碳材原料(例如，經由進氣裝置注入前述碳材後改質反應器的內部)並且與該碳材原料混合及反應達一預定時間以產生一改質碳材(步驟840)；視情況，在步驟840中，可進一步控制將通過碳材原料之臭氧氣體的流量及/或濃度，以獲得具所需性質之改質碳材產品。產出之改質碳材係視情況進行研磨(步驟850)，並進一步加以包裝後輸出(步驟860)。

本發明提供一種新穎的碳材後改質反應器(裝置)、包括此後改質反應器(裝置)以進行碳材後改質處理之系統、以及相應的方法，其係一連續式製程，且易於進行製程控制以產生具有所需性質之改質碳材產品。

根據本發明，可依實際處理需求增加碳材後改質反應器的串聯數量，以增加碳材原料在反應器中的反應時間；藉由調整碳材原料(例如，原生碳黑)於投料口之投料頻率，可相應調整改質碳材(例如，改質碳黑)的單位時間產量。此外，在本發明之碳材後改質反應器中，對反應器內部提供臭氧氣體之進氣裝置的位置和形式(例如注入孔的數量和位置)亦可依據實際應用所需而加以調整，俾使注入之臭氧氣體得以均勻分佈於反應器內部與碳材原料混合及反應。藉由調整本發明之碳材後改質反應系統中臭氧產生單元的氣體流 量和處理效能，即可調整臭氧氣體注入反應器內部之流量和濃度。利用螺桿裝置所耦接之馬達的作動頻率調整，可調整反應器內部之碳材翻攪效率，進以提升改質碳材製品的品質。由於本發明係以連續製程方式對已經產製的碳材原料(例如，原生碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維等)進行後改質處理，故可即時調整後改質反應之各式條件參數，能有效提高改質碳材製品的品質及其產製效率。

需注意的是，本發明所提之前述實施例係僅用於例示說明本發明，而非用於限制本發明之範圍。熟習本發明所屬領域技藝之人對本發明所進行之諸般修飾和變化皆不脫離本發明之精神與範疇。不同實施例中相同或相似的構件、或不同實施例中以相同元件符號表示的構件係具有相同的物理或化學特性。此外，在適當的情況下，本發明之上述實施例係可互相組合或替換，而非僅限於上文所描述的特定實施例。在一實施例中所描述的特定構件與其他構件的連接關係亦可應用於其他實施例中，其皆落於本發明如附申請專利範圍之範疇。

10:碳材後改質反應器

12:投料口

14:出料口

15:馬達

16:螺桿裝置

16A:第一區段

16B:第二區段

162:直桿部

162A:直桿部的第一部分

162B:直桿部的第二部分

164:內螺旋葉片組

166:外螺旋葉片組

166a、166b:外螺旋葉片

167:連接葉片

168:短桿

Claims (26)

1. 一種碳材後改質反應器，包括：一投料口，設於該碳材後改質反應器之一上游處，供投入一碳材原料；一出料口，設於該碳材後改質反應器之一下游處，供輸出一改質碳材；一螺桿裝置，位於該碳材後改質反應器的內部以於該投料口和該出料口之間同時推送和翻置自該投料口投入之該碳材原料，該螺桿裝置包括：一直桿部，其耦合至一馬達且受該馬達驅動；一內螺旋葉片組，包括均勻分隔設置於該直桿部之靠近該投料口的一第一部分上且自該直桿部徑向延伸的複數個內螺旋葉片；及一外螺旋葉片組，包括：複數個短桿，其係均勻分隔設置於該直桿部上且自該直桿部徑向延伸；及複數個外螺旋葉片，所述複數個外螺旋葉片係以螺旋方式環繞於該直桿部外部，且於該直桿部上係呈均勻分隔設置，其中所述複數個短桿的各短桿的一端係連接於各所述複數個外螺旋葉片；以及一進氣裝置，臭氧氣體係藉由該進氣裝置輸入至該碳材後改質反應器的內部。
2. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中該外螺旋葉片組進一步包括複數個連接葉片，所述複數個連接葉片係各連接於該外螺旋葉片組中的一部分的至少兩個外螺旋葉片之間。
3. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中該內螺旋葉片組係一右旋螺葉組，且其中該外螺旋葉片組係一左旋螺葉組。
4. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中該外螺旋葉片組具有一第一葉片間距，該內螺旋葉片組具有一第二葉片間距，其中該第一葉片間距小於該第二葉片間距。
5. 如請求項4所述之碳材後改質反應器，其中該第一葉片間距係介於80mm至120mm之間，且該第二葉片間距係介於100mm至150mm之間。
6. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中該直桿部之長度係介於1500mm至15000mm之間。
7. 如請求項6所述之碳材後改質反應器，其中該直桿部的該第一部分之長度係介於1000mm至10000mm之間。
8. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中該碳材後改質反應器的長寬比係介於3至8之間。
9. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中該內螺旋葉片組之各所述複數個內螺旋葉片的葉片直徑係介於90mm至170mm之間。
10. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中所述複數個內螺旋葉片中的一第一內螺旋葉片與該直桿部之一前端係相距一第一距離，該第一距離係介於0至直桿部之長度的三分之二之間。
11. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中該進氣裝置包括複數個注入口，自該進氣裝置輸入之臭氧氣體係通過所述複數個注入口進入該碳材後改質反應器內部。
12. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中該進氣裝置係設於該碳材後改質反應器之一端、該碳材後改質反應器內部之該投料口下方、該碳材後改質反應器之下方、或直接由該直桿部所形成。
13. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，更包括一溫度控制裝置，係耦合於該碳材後改質反應器以調整該碳材後改質反應器的內部之溫度。
14. 如請求項1所述之碳材後改質反應器，其中該碳材原料係選自下列其一：碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維。
15. 一種碳材後改質反應裝置，包括：一總投料口，設於該碳材後改質反應裝置之一上游處，供投入一碳材原料；一總出料口，設於該碳材後改質反應裝置之一下游處，供輸出一改質碳材；以及複數個如請求項1至13中任一項所述之碳材後改質反應器，所述複數個碳材後改質反應器中的一上游反應器的出料口係連接於一下游反應器的投料口，所述複數個碳材後改質反應器係於該總投料口和該總出料口之間彼此串聯而流體連通，且係各耦合至一各自馬達，並且受該各自馬達驅動以同時推送和翻置在各該碳材後改質反應器內部的該碳材原料。
16. 如請求項15所述之碳材後改質反應裝置，其中所述複數個碳材後改質反應器的各自進氣裝置係流體耦合於一共同臭氧產生單元。
17. 如請求項15所述之碳材後改質反應裝置，其中該碳材原料係選自下列其一：碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維。
18. 一種碳材後改質處理系統，包括：一空氣壓縮單元，其接收及壓縮空氣以產生一壓縮空氣；一氧氣產生單元，其接收該壓縮空氣並自該壓縮空氣產生一濃縮氧氣；一臭氧產生單元，其接收該濃縮氧氣並自該濃縮氧氣產生臭氧氣體；以及一改質單元，其接收該臭氧產生單元所產生的臭氧氣體，並使所述臭氧氣體與一碳材原料混合及反應以產生一改質碳材，其中該改質單元包括如請求項1至13中任一項所述的碳材後改質反應器、或包括如請求項15至16中任一項所述的碳材後改質反應裝置。
19. 如請求項18所述之碳材後改質處理系統，更包括一乾燥單元，其設置於該空氣壓縮單元和該氧氣產生單元之間以乾燥該壓縮空氣。
20. 如請求項19所述之碳材後改質處理系統，更包括一空氣貯槽，其設置於該乾燥單元與該氧氣產生單元之間以貯存經乾燥的壓縮空氣。
21. 如請求項18所述之碳材後改質處理系統，其中該氧氣產生單元係一分子篩裝置，其分離該壓縮空氣中的氧氣和氮氣以產生該濃縮氧氣。
22. 如請求項18所述之碳材後改質處理系統，更包括一氧氣貯槽，其設於該氧氣產生單元與該臭氧產生單元之間以貯存該濃縮氧氣。
23. 如請求項18所述之碳材後改質處理系統，其中該臭氧產生單元係一高壓放電裝置。
24. 如請求項18所述之碳材後改質處理系統，更包括一投料裝置，其對該改質單元投入該碳材原料。
25. 如請求項18所述之碳材後改質處理系統，更包括一研磨裝置，其研磨自該改質單元輸出之該改質碳材。
26. 如請求項18所述之碳材後改質處理系統，其中該碳材原料係選自下列其一：碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳纖維。

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