[发明专利]一种等离子体制备无硫可膨胀石墨的装置及方法

说明书

本发明涉及一种等离子体制备无硫可膨胀石墨的装置及方法，用于可膨胀石墨制备技术领域。包括等离子体反应器、中间罐、高压电源、气泵、石墨溶液罐、溶剂气压罐、气压罐进气口、液罐进料口、液罐出料口、中间罐进料口、中间罐出料口、溶剂分布器、电加热器、气罐、搅拌装置、卸料口；等离子体反应器是气‑液介质阻挡放电管式结构，等离子体反应器内部不设置搅拌装置，通过多个回液进口和悬浮液分布器，起到石墨和等离子体活性粒子充分接触的作用。该装置设计合理，操作简单，设备利用率高，节约成本，降低能耗，通过该方法制备的可膨胀石墨膨容积高，膨胀石墨品质高，方法简单，操作性强，不需要高温。

技术领域

本发明属于无硫可膨胀石墨制备技术领域，具体为一种等离子体制备无硫可膨胀石墨的装置及方法。

背景技术

石墨晶体具有由碳元素组成的六角网平面层状结构。层平面上的碳原子以强有力的共价键结合，而层与层间以非常弱范德华力结合，而且层间距离较大。因此，在适当的条件下，酸、碱金属、盐类等多种化学物质可插入石墨层间，并与碳原子结合形成新的化学相--石墨层间化合物。这种层间化合物在加热到适当温度时，可瞬间迅速分解，产生大量气体，使石墨沿轴方向膨胀成蠕虫状的新物质，即膨胀石墨。这种未膨胀的石墨层间化合物就是可膨胀石墨。

膨胀石墨一般是天然鳞片石墨经过加工而制得的，它保持了鳞片石墨的分子结构，是元素碳的同素异性体，相邻的3个碳原子间以sp2杂化轨道形成120°夹角的共价键，因而具有耐热、导电、耐辐射、耐腐蚀和自润滑等方面性能，同时还有质轻、多孔、柔软、可压缩等天然石墨不具备的特性，在机械、环保等领域都有很好的应用前景。

膨胀石墨的制备已经具有几十年的历史，工艺方法都是基于插层-膨化这个基本原理，插层过程就是可膨胀石墨的制备过程，它是让小分子进入石墨片层之间。可膨胀石墨制备即插层方法主要有化学氧化法、电化学法。

鳞片石墨片层是一种网状的非极性大分子，片层之间依靠较为微弱的范德华力连接，单独的插层剂很难进入石墨片层之间，因而需要借助氧化剂的作用。将氧化剂、插层剂和天然鳞片石墨在一定温度下，按照一定比例混合，通过强氧化剂的作用，鳞片石墨发生氧化，在片层之间产生正电荷。在正电荷排斥作用下，石墨片层间距离逐渐加大，同时由于石墨片层间碳正离子的形成，插层剂阴离子进入石墨片层间，最终形成石墨插层物。

传统的化学氧化法，将浓硫酸、浓硝酸等强氧化性酸和重铬酸钾、高氯酸钾、高锰酸钾、过氧化氢等强氧化剂的混合物与天然鳞片石墨反应，在鳞片石墨层间插入硫酸根离子。

这类制备方法存在高能耗、高污染的问题，产品中含硫量高达1.8-4.5%，严重影响了材料的耐腐蚀性，而且往往还会释放大量的二氧化硫气体，污染环境。插层效果不明显，膨胀体积一般不到200mL/g。电化学法是基于电子接受的机理，以硫酸或硝酸铵等为电解液，将石墨与辅助电极一起构成阳极，开通电流，利用石墨本身的导电性，通过电解，在石墨层间发生氧化，酸根离子进入层间，得到含有插层物的可膨胀石墨。这种方法同化学氧化法相比，合成设备简单，氧化剂的需求量相对减少很多，利用率更高，可通过调控电流强度影响产物的插层效果，是插层剂在石墨片层间的分布均匀，产物可膨胀性更稳定。

高级氧化技术是通过一系列反应产生强氧化能力的羟基自由基，参与的化学反应，将被氧化物氧化，直至可以分解成小分子物质，甚至矿化为二氧化碳和水。高级氧化技术具有处理效率高、操作简便和无二次污染等优点，得到了人们的广泛关注。

等离子体技术是一种典型的高级氧化技术。它是通过气体放电或加热的方法，熊外界获得足够的能量，使气体分子或原子钟轨道所束缚的电子变为自由电子，最终形成等离子体。等离子体处理过程中，在空气存在下，溶液中放电产生臭氧、羟基自由基、过氧化氢等活性粒子，同时还会伴随高能电子、紫外线、超声等现象。利用这些物质能有效氧化溶液中的石墨溶液，进而达到氧化、插层的目的。