[发明专利]一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置及方法

说明书

本发明涉及化学工程与技术领域，尤其涉及一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置及方法，所述装置包括转子，定子和旋转渗滤床，所述旋转渗滤床固定于转子内腔中心位置，并与定子转动连接；所述旋转渗滤床设有旋转填充床，所述旋转填充床内填充有二维材料本体相颗粒；所述旋转渗滤床外壁设有若干渗滤孔；所述旋转渗滤床底部距离轴心相等位置处对称设有若干孔道；所述旋转渗滤床沿中心轴上端设有进料口，所述进料口与贯穿旋转渗滤床中心轴的喷淋装置相连接，所述喷淋装置外壁设有若干喷淋孔；所述定子设有上出料口和下出料口。本发明通过连续超重力旋转渗滤床装置，使从连续超重力离心分离装置中流出的澄清液中少层二维纳米薄片与剥离溶剂之间实现快速分离。

技术领域

本发明涉及化学工程与技术领域，尤其涉及一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置及方法。

背景技术

超重力技术产生于二十世纪八十年代初，超重力场具有显著强化化工过程中动量、质量和热量传递的特性，在地球正常重力场条件下我们通常是借助离心力的作用形成超重力场。二维纳米材料以其独特的性质得到广泛的关注，相关制备和应用的研究近年来呈现井喷式上升发展。这些材料的优异性质使其在能源存储、吸附、催化、光电等方面展现出巨大的应用潜力。以石墨烯为例，单层石墨烯拥有高体征迁移率、大比表面积、优异的力学强度、高透光性，在诸多高技术领域具有广阔的应用前景。尽管二维纳米材料展现出诱人的前景，但是制约其发展的瓶颈在于规模化、高质量制备大片层的二维纳米材料。液相剥离法是最可能实现规模化、高质量制备大片层二维纳米材料的方法，液相剥离下来的二维纳米材料可以均匀分散于剥离溶剂中，而未剥离的本体相则仍然是以固态形式存在，二者之间存在着剥离过程的热力学平衡，只有将二者之间完全分离开来，才能打破这个平衡，使剥离过程快速进行。

二维纳米材料与剥离溶剂之间的分离实际上是纳米薄片之间通过软团聚实现浓缩的过程。在传统的过滤操作中，由于滤膜表面孔隙很容易被二维纳米材料堵住，因此，传统的过滤过程能耗很高，分离速率极慢。

发明内容

本发明为了克服传统二维纳米材料剥离方法能耗高，分离速率极慢，无法实现高质量规模化生产的问题，提供了一种结构简单、操作方便、能够实现少层二维纳米薄片与剥离溶剂之间实现快速分离的连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置。

本发明还提供了一种机械能转化效率高、顺流特性好、能够实现在液相中高效、规模化、高质量剥离出大片层的二维纳米材料的连续超重力渗滤分离二维纳米材料的方法。

本发明中将二维纳米材料的层数少于5层以下的，称为少层二维纳米材料。本发明所述方法在使用过程中必须满足的前提条件是：待分离的液相中只含有少层二维纳米材料，二维材料本体相已经被完全分离干净。高分散的少层二维纳米材料澄清液的浓度通常在0.01 mg/mL附近，也就意味着每分离出1 kg的少层二维纳米材料，就要分离出体积约100m³的剥离液。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置，包括转子，定子和旋转渗滤床，所述旋转渗滤床固定于转子内腔中心位置，并与定子转动连接；所述旋转渗滤床设有旋转填充床，所述旋转填充床内填充有二维材料本体相颗粒；所述旋转渗滤床外壁设有若干直径为1mm的渗滤孔；所述旋转渗滤床底部距离轴心相等位置处对称设有若干孔径为1mm的孔道；所述旋转渗滤床沿中心轴上端设有进料口，所述进料口与贯穿旋转渗滤床中心轴的喷淋装置相连接，所述喷淋装置外壁设有若干喷淋孔，用于将料液均匀喷洒到旋转渗滤床体的内表面上；所述定子设有上出料口和下出料口，每个出料口都设置了阀门。转子通过马达控制实现旋转。

本发明的连续超重力渗滤分离二维纳米材料的装置与超重力离心分离装置共同使用可以实现连续超重力渗滤分离二维纳米材料的分离，所述超重力离心分离装置并不属于本发明范畴，具体结构参照申请号：201810575493X，专利名称：一种连续超重力分离二维纳米材料的方法与装置。