一种片状碳材料粉体的低成本生产方法技术

本发明专利技术属于材料化学领域，更具体的为一种片状碳材料粉体的低成本生产方法，其中片状碳材料是纳米石墨片、石墨烯或氧化石墨烯中的一种。本发明专利技术的特点在于，炭黑生产过程会产生大量的过剩能量和炭黑尾气，而液相剥离得到的片状碳材料滤饼或者浆料中又含有大量的液体。所以，利用炭黑生产过程中或炭黑尾气燃烧中所产生的热量，来给经液相剥离得到的片状碳材料干燥过程供热，会大大降低片状碳材料粉体生产过程的干燥能耗和生产成本，具有较好的工业化潜力，也有利于形成片状碳材料粉体生产和炭黑生产之间的循环经济效益。炭黑生产过程中经空气预热器产生的高温热空气或者经过净化处理的炭黑尾气，都可以作为液相剥离得到的片状碳材料干燥步骤的热量来源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料化学领域，更具体的为。
技术介绍
自从2004年被英国曼彻斯特大学的Geim等科学家发现以来，石墨烯的研究和应用工作在世界各地被广泛开展(Novoselov K.S.，Geim A.Κ.,Morozov S.V.，et al.Electricfield effect in atomically thin carbon films.Science，2004，306(5696):666-669)。石墨烯是一种由SP2杂化碳原子构成的平面片状纳米碳材料，理论热传导系数5000W/m.K，理论比表面积2630m2/g，单层吸光系数只有2.3%。是已知的理论强度最高的物质，同时具有良好的透明性、导电性和导热性，有望在复合材料、储能材料、电子材料、光学器件等方面有广阔应用前景。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，保留了很多石墨烯的优秀性质。纳米石墨片，厚度比石墨稀厚，但是生广成本低，相比石墨稀更容易生广。纳米石墨片、石墨稀或氧化石墨烯，都是片状碳材料中的一种。目前，片状碳材料粉体的生产技术包括机械剥离法、液相剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、热分解SiC法、电化学法等。液相剥离法，有实现大吨位、高质量片状碳材料粉体生产的可能性。其中，以Hummer法为基础利用强酸对石墨进行氧化处理，得到氧化石墨，再采用各种工艺对其深度液相剥离，可以得到氧化石墨烯。若是在氧化石墨烯的基础上，最后加上还原处理步骤还可以得到石墨烯。直接在有机溶剂中对鳞片石墨液相剥离法，也可以得到高质量的薄层石墨稀。美国的James Μ.Tour等(Natnae 1 Behabtu , JayR.Lomeda，Micah J.Green,et al.Spontaneous high-concentrat1n dispers1ns andliquid crystals of grapnene.Nature Nanotechnology 5，406_411 (2010))利用超强酸-氯磺酸对石墨进行液相剥离，基于超强酸的强烈质子化作用，超强酸容易进入石墨的片层结构，克服石墨片层间的范德华力，剥离开石墨烯。在搅拌2-3天后得到石墨烯-超强酸分散液，直接观测分散液其中存在大量的单层石墨烯。加入水分解氯磺酸，进行过滤洗涤干燥，就能获得石墨烯粉体。石墨是一种典型的层间化合物，在受到剪切力的时候，层和层之间容易滑动被剥离开。球磨的时候，可以提供强劲剪切力促进石墨片层的彼此剥离。黄海栋等采用搅拌球磨设备(黄海栋，涂江平等.片状纳米石墨的制备及其作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能.摩擦学报，第25卷第4期)，以天然石墨为原料以水为介质，液相球磨剥离出厚度10nm以上的纳米石墨片。球磨法设备和工艺简单，很容易实现大吨位生产。由于片状碳材料的特性，其片径和厚度之比较大，比表面积从常见的40m2/g到2630m2/g。在液相剥离完成后，片状碳材料吸附大量的液体介质。无论采用压滤得到片状碳材料滤饼干燥或者采用片状碳材料的分散液直接喷雾干燥，其中都含有大量的水分或有机液态，其中1 % -30 %为片状碳材料，其中70 % -99 %为液体，干燥的能耗非常高，大大增加了其生产成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，通过大幅度降低其干燥步骤的成本，从而降低片状碳材料粉体的综合生产成本。本专利技术的技术方案是:—种片状碳材料粉体的低成本生产方法，是使用液相剥离工艺，经干燥制得片状碳材料粉体，其中片状碳材料是纳米石墨片、石墨烯或氧化石墨烯中的一种，其特征在于:片状碳材料粉体干燥过程的热量来自于炭黑生产过程中或炭黑尾气燃烧中所产生的热量。炭黑的生产系统会产生大量的过剩能量，这些能量完全可以供干燥片状碳材料所用，从而节约大量的生产成本。具体说来，炭黑是由烃类在严格控制的工艺条件下经不完全燃烧或热解而生成的黑色粉末状物质。炭黑的工业生产主要是油炉法路线，油炉炭黑的产量已占炭黑总量的70%?90%。油炉法的燃料可以是天然气、焦炉气或者是液态烃，原料则选用高芳烃油料，如乙烯焦油和蒽油等。炭黑原料油经雾化后喷入燃烧的火焰中，在2000°C左右的高温下形成炭黑烟气。烟气含有大量过剩热能，温度太高，需要喷入冷却水，进行一次急冷把温度降低到1000°C左右。经过一次冷却后送空气预热器、油预热器进一步降温，回收部分的剩余能量，最后喷入二次冷却水，把温度降到250°C以下，才可以进入袋滤器，进行收集。即使经过多步处理，炭黑生产的尾气中还有大量剩余能量。炭黑尾气是炭黑生产中经主袋滤器过滤炭黑烟气产生的，主要成分为(体积份数):H2，10-12% ; C0，9-13% ; C02，2-3% ；N2,36-38% ；H20,36-40% ;H2S(mg/m3)，250_800(炭黑尾气成分随生产的炭黑品种不同而有变化)。炭黑尾气是一种热值偏低的可燃性气体(低位发热值Qdw=500-700Kcal/Nm3)，它含有H2、C0等可燃烧气体，其含量只占炭黑尾气总量的20%左右。但是炭黑生产中的尾气产量是很大的，其所含的总能量约合炭黑生产总能量的30-40%左右，生产每吨炭黑会产生约104m3左右的炭黑尾气。目前，国内对炭黑尾气的处理主要有以下两种途径。一种途径是焚烧炉焚烧后直接高空排放，这种办法虽然基本达到环保要求，但没有有效利用热源，尾气低位发热值约为510-630Kcal/Nm3(炭黑尾气低位发热值随生产炭黑品种不同而不同)，经济性不好。另外一种通过锅炉燃烧，生产蒸汽供生产、生活用或者带动汽轮机发电机组发电。目前炭黑尾气利用由于各种原因，还存在炭黑尾气发电并网困难，炭黑尾气没有得到充分利用的现象。片状碳材料粉体的干燥由于含水或者有机溶剂量大，干燥的能耗高，通过利用炭黑生产系统的多余能量，可以产生足够的热量供片状碳材料干燥所用，这样可形成循环经济效益。既有利于炭黑行业的节能减排，也可以大大降低片状碳材料的生产成本。炭黑尾气作为燃料供热前还可以经过预处理，提高燃气品质。经过脱除大部分水蒸气、硫化物和氮气后，炭黑尾气的热值甚至可以提高到3000Kcal/Nm3左右。此外，还可以采取炭黑尾气先进行尾气发电，然后电加热的方式供片状碳材料粉体干燥的电加热设备使用。这样的方式，可以就地消化炭黑尾气转化的电能，不需要电网输送到别的地方，有利形成循环经济。【附图说明】附图示出本专利技术实施例1生产的石墨烯扫描电镜照片。 具体实施例方式以下结合附图及具体实施例方式进一步说明本专利技术，附图和下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本领域技术人员根据本专利技术上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本专利技术保护的范围。下文示例具体的时间、投料量等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。实施例1使用固定碳含量98%粒度80目的鳞片石墨为原料，100公斤鳞片石墨放在400公斤高氯酸(70 %浓度)和15公斤硝酸(65 %浓度)的混合酸中，加热至90°C浸渍处理20分钟。然后，真空抽滤分离出滤液，将酸浸过的鳞片石墨水洗、烘干，就得到酸插层的石墨层间化合物。石墨层间化合物在900°C热膨胀，15秒内膨胀400倍，得到膨胀石墨。取10公斤膨胀石墨，加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种片状碳材料粉体的低成本生产方法，是使用液相剥离工艺，经干燥制得片状碳材料粉体，其中片状碳材料是纳米石墨片、石墨烯或氧化石墨烯中的一种，其特征在于：片状碳材料粉体干燥过程的热量来自于炭黑生产过程中或炭黑尾气燃烧中所产生的热量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵社涛，赵社军，
申请(专利权)人：赵社涛，
类型：发明
国别省市：云南;53