[发明专利]一段式热解煤焦油连续制备石墨烯的方法及装置

说明书

本发明开发了一种一段式热解煤焦油连续制备石墨烯的方法，该方法是将煤焦油从文丘里射流器的喷嘴注入，煤焦油与从吸气管处吸入含纳米催化剂的氧气‑氩气混合物一起进入文丘里射流器中，在扩压管处充分混合；混合物随后进入磁辅助电弧等离子体发生装置中，在纳米催化剂、高密度电弧等离子体作用下煤焦油发生高温催化热解反应制得石墨烯；本发明选用危险废物煤焦油做碳源，资源化利用且环保，通过电弧等离子体放电可实现高品质、高产量石墨烯的生产，方法简单，可连续化生产。

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种一段式热解煤焦油连续制备石墨烯的方法及装置。

背景技术

煤焦油主要通过煤热解炭化过程获得，是炼焦过程中的副产物，其产量占炉内煤的3%-5%。焦油化学结构复杂、稳定性差、热值低，具有毒性，会堵塞管道和设备。而其馏分重、质量差，尤其金属和沥青质量和含量均比较高，煤焦油的综合化学分析及利用是一项艰巨任务。煤焦油因含有大量的多环芳烃族碳氢化合物作为碳源可用来生产可石墨化的碳，这些化合物容易通过受控的等离子体热解过程在石墨或类似石墨的结构中转化，已有将焦油沥青用来制备石墨烯的研究。在选择合适且廉价的碳源制备石墨烯时可考虑一种具有成本效益绿色生产石墨烯的原料---煤焦油。

通常石墨烯的生产方法较多，其中机械剥离法、切割碳纳米管法、电弧放电等方法，这些方法虽合成成本低、技术简单但制备出的石墨烯纯度低、结构不一致，可控性不强。此外还有一些化学法包括溶剂合成法、化学气相沉积、氧化石墨还原法以及热解法等，往往因碳前体昂贵、难以定位合适的衬底、产物结构缺陷等使得工业化生产石墨烯受限。电弧放电法具有高度可重复性、成本效益、可扩展性，但多数对于石墨烯制备研究是基于纯净的碳前体开展的，且能耗较高、反应环境条件较贵。而通过优化参数调整工艺条件等可使得该方法有规模化生产石墨烯的潜力。即通过调整反应条件、优化等离子体放电参数可提高石墨烯的产率。申请号为CN201810046031.9是将焦油涂抹在镍箔表面放置于反应炉内进行高温处理，冷却得石墨烯。该方法制备的石墨烯生长在镍箔表面需要后续分离处理，从而限制了石墨烯的量产。王城等人(申请号为CN 108557809 A)公开一种以烃类化合物为碳源的磁旋转电弧放电的高温重粒子氛围下裂解成核制备石墨烯的方法，但所用烃类化合物为烷烃、烯烃、炔烃、环烃及芳香烃等且产物沉积在反应腔内壁上不易收集。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种一段式热解煤焦油连续制备石墨烯的方法，具体是将煤焦油从文丘里射流器的喷嘴注入，煤焦油与从吸气管处加入含纳米催化剂的氧气-氩气混合物一起进入文丘里射流器中，随即送入文丘里射流器的扩压管充分混合，在文丘里射流器中催化剂与煤焦油均匀混合并初步催化脱氢脱氧；混合物随后进入磁辅助电弧等离子体发生装置中，在催化剂、磁场及高密度电弧等离子体作用下发生高温催化热解反应制得石墨烯。

通过喷射方式将煤焦油与催化剂混合，同时煤焦油中少量大分子化合物在催化剂作用下分解，再经磁场辅助的电弧等离子体放电过程进一步深入催化热解。此时，在纳米催化剂及高能作用下煤焦油中稠环芳烃、杂环化合物侧链断裂、开环；长链烃分解成短链烃；短链烃在磁场辅助的等离子体电离过程中激发成烷基自由基，并分解脱氢；最后产物产物被引风机送入产物收集室中，气体产物被收集至储气室中。

所述纳米催化剂选自MgO、NiO、TiO、Y₂O₃、Al₂O₃。

所述磁辅助电弧等离子体发生装置包括壳体、阴极、阳极、压力表、磁场发生器、不锈钢过滤网，壳体一端设置有进料口，不锈钢过滤网设置在壳体的另一端上，不锈钢过滤网外侧套设有产物收集室，2对以上的阳极、阴极并排设置在壳体内并与交流电源连接，与直流电源连接的磁场发生器设置在壳体外且产生的磁场覆盖反应区，壳体后端上设置有冷却装置，压力表设置在壳体上。

所述磁场发生器为磁线圈。

所述阳极材质为钼镧合金、锆铜合金、钨钼合金中的一种；阴极材质为钨铜合金、二硼化锆、二硼化钛中的一种。