[發(fā)明專(zhuān)利]一種等離子體制備無(wú)硫可膨脹石墨的裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010537536.2
• 申請(qǐng)日: 2020-06-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111533123A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋春蓮;徐元成;李金懋;秦立達(dá);路丹丹;江志國(guó);池金亮;金泰平;鞏倫江
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 黑龍江工業(yè)學(xué)院;雞西市普晨石墨有限責(zé)任公司
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/22
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/22
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明涉及一種等離子體制備無(wú)硫可膨脹石墨的裝置及方法，用于可膨脹石墨制備技術(shù)領(lǐng)域。包括等離子體反應(yīng)器、中間罐、高壓電源、氣泵、石墨溶液罐、溶劑氣壓罐、氣壓罐進(jìn)氣口、液罐進(jìn)料口、液罐出料口、中間罐進(jìn)料口、中間罐出料口、溶劑分布器、電加熱器、氣罐、攪拌裝置、卸料口；等離子體反應(yīng)器是氣?液介質(zhì)阻擋放電管式結(jié)構(gòu)，等離子體反應(yīng)器內(nèi)部不設(shè)置攪拌裝置，通過(guò)多個(gè)回液進(jìn)口和懸浮液分布器，起到石墨和等離子體活性粒子充分接觸的作用。該裝置設(shè)計(jì)合理，操作簡(jiǎn)單，設(shè)備利用率高，節(jié)約成本，降低能耗，通過(guò)該方法制備的可膨脹石墨膨容積高，膨脹石墨品質(zhì)高，方法簡(jiǎn)單，操作性強(qiáng)，不需要高溫。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)硫可膨脹石墨制備技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種等離子體制備無(wú)硫可膨脹石墨的裝置及方法。

背景技術(shù)

石墨晶體具有由碳元素組成的六角網(wǎng)平面層狀結(jié)構(gòu)。層平面上的碳原子以強(qiáng)有力的共價(jià)鍵結(jié)合，而層與層間以非常弱范德華力結(jié)合，而且層間距離較大。因此，在適當(dāng)?shù)臈l件下，酸、堿金屬、鹽類(lèi)等多種化學(xué)物質(zhì)可插入石墨層間，并與碳原子結(jié)合形成新的化學(xué)相--石墨層間化合物。這種層間化合物在加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，可瞬間迅速分解，產(chǎn)生大量氣體，使石墨沿軸方向膨脹成蠕蟲(chóng)狀的新物質(zhì)，即膨脹石墨。這種未膨脹的石墨層間化合物就是可膨脹石墨。

膨脹石墨一般是天然鱗片石墨經(jīng)過(guò)加工而制得的，它保持了鱗片石墨的分子結(jié)構(gòu)，是元素碳的同素異性體，相鄰的3個(gè)碳原子間以sp2雜化軌道形成120°夾角的共價(jià)鍵，因而具有耐熱、導(dǎo)電、耐輻射、耐腐蝕和自潤(rùn)滑等方面性能，同時(shí)還有質(zhì)輕、多孔、柔軟、可壓縮等天然石墨不具備的特性，在機(jī)械、環(huán)保等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。

膨脹石墨的制備已經(jīng)具有幾十年的歷史，工藝方法都是基于插層-膨化這個(gè)基本原理，插層過(guò)程就是可膨脹石墨的制備過(guò)程，它是讓小分子進(jìn)入石墨片層之間。可膨脹石墨制備即插層方法主要有化學(xué)氧化法、電化學(xué)法。

鱗片石墨片層是一種網(wǎng)狀的非極性大分子，片層之間依靠較為微弱的范德華力連接，單獨(dú)的插層劑很難進(jìn)入石墨片層之間，因而需要借助氧化劑的作用。將氧化劑、插層劑和天然鱗片石墨在一定溫度下，按照一定比例混合，通過(guò)強(qiáng)氧化劑的作用，鱗片石墨發(fā)生氧化，在片層之間產(chǎn)生正電荷。在正電荷排斥作用下，石墨片層間距離逐漸加大，同時(shí)由于石墨片層間碳正離子的形成，插層劑陰離子進(jìn)入石墨片層間，最終形成石墨插層物。

傳統(tǒng)的化學(xué)氧化法，將濃硫酸、濃硝酸等強(qiáng)氧化性酸和重鉻酸鉀、高氯酸鉀、高錳酸鉀、過(guò)氧化氫等強(qiáng)氧化劑的混合物與天然鱗片石墨反應(yīng)，在鱗片石墨層間插入硫酸根離子。

這類(lèi)制備方法存在高能耗、高污染的問(wèn)題，產(chǎn)品中含硫量高達(dá)1.8-4.5%，嚴(yán)重影響了材料的耐腐蝕性，而且往往還會(huì)釋放大量的二氧化硫氣體，污染環(huán)境。插層效果不明顯，膨脹體積一般不到200mL/g。電化學(xué)法是基于電子接受的機(jī)理，以硫酸或硝酸銨等為電解液，將石墨與輔助電極一起構(gòu)成陽(yáng)極，開(kāi)通電流，利用石墨本身的導(dǎo)電性，通過(guò)電解，在石墨層間發(fā)生氧化，酸根離子進(jìn)入層間，得到含有插層物的可膨脹石墨。這種方法同化學(xué)氧化法相比，合成設(shè)備簡(jiǎn)單，氧化劑的需求量相對(duì)減少很多，利用率更高，可通過(guò)調(diào)控電流強(qiáng)度影響產(chǎn)物的插層效果，是插層劑在石墨片層間的分布均勻，產(chǎn)物可膨脹性更穩(wěn)定。

高級(jí)氧化技術(shù)是通過(guò)一系列反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化能力的羥基自由基，參與的化學(xué)反應(yīng)，將被氧化物氧化，直至可以分解成小分子物質(zhì)，甚至礦化為二氧化碳和水。高級(jí)氧化技術(shù)具有處理效率高、操作簡(jiǎn)便和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的廣泛關(guān)注。

等離子體技術(shù)是一種典型的高級(jí)氧化技術(shù)。它是通過(guò)氣體放電或加熱的方法，熊外界獲得足夠的能量，使氣體分子或原子鐘軌道所束縛的電子變?yōu)樽杂呻娮樱罱K形成等離子體。等離子體處理過(guò)程中，在空氣存在下，溶液中放電產(chǎn)生臭氧、羥基自由基、過(guò)氧化氫等活性粒子，同時(shí)還會(huì)伴隨高能電子、紫外線、超聲等現(xiàn)象。利用這些物質(zhì)能有效氧化溶液中的石墨溶液，進(jìn)而達(dá)到氧化、插層的目的。