小管徑碳納米管的純化裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種小管徑碳納米管的純化裝置及方法。本發(fā)明中的裝置包括反應(yīng)釜、換熱器、二次酸儲(chǔ)罐、擴(kuò)散滲析器及壓濾機(jī)；反應(yīng)釜內(nèi)加入酸液與小管徑碳納米管原料粉末進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的小管徑碳納米管溶液通入壓濾機(jī)內(nèi)壓濾，壓濾機(jī)內(nèi)的小管徑碳納米管經(jīng)過(guò)水洗干燥后得到小管徑碳納米管成品，壓濾濾出的廢酸液通入擴(kuò)散滲析器內(nèi)進(jìn)行純化，純化后的酸液通入二次酸儲(chǔ)罐；反應(yīng)釜內(nèi)產(chǎn)生的酸霧通入換熱器內(nèi)進(jìn)行冷卻，冷卻后的酸液通入二次酸儲(chǔ)罐；二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液經(jīng)調(diào)整濃度后通入反應(yīng)釜內(nèi)。本發(fā)明將純化過(guò)程中產(chǎn)生的酸霧進(jìn)行冷卻回收，將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢酸液進(jìn)行純化處理回用，可減小酸霧與廢酸液對(duì)環(huán)境的污染，降低生產(chǎn)成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】小管徑碳納米管的純化裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及小管徑碳納米管的純化工藝，具體地說(shuō)是一種小管徑碳納米管的純化裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管的制備工藝主要有:電弧放電法、激光刻蝕法、化學(xué)氣相沉積法、固相熱解法、火焰合成法、輝光放電法和聚合反應(yīng)合成法等。其中，化學(xué)氣相沉積法(CVD)的應(yīng)用最為廣泛，該方法是讓氣態(tài)烷烴通過(guò)附著有催化劑顆粒的模板，在600~1200°C的條件下，氣態(tài)烴分解生成碳納米管。這種方法的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是殘余反應(yīng)物為氣體，可以離開(kāi)反應(yīng)體系，得到純度較高的碳納米管，同時(shí)溫度亦不需要很高，相對(duì)而言節(jié)省了能量。然而，CVD方法需使用過(guò)渡金屬催化劑，如Fe、Co、Ni及其合金等作為催化劑。這導(dǎo)致所制備的碳納米管中往往含有較高含量的金屬雜質(zhì)，金屬雜質(zhì)的存在會(huì)直接影響碳納米管的性能及應(yīng)用。
[0003]從碳納米管中去除金屬雜質(zhì)的工藝稱(chēng)為純化。碳納米管在純化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生酸霧和廢酸。目前，酸霧和廢酸都沒(méi)有經(jīng)過(guò)回收利用，不僅造成環(huán)境污染問(wèn)題，而且也增加了生產(chǎn)成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有純化工藝中酸霧和廢酸都沒(méi)有經(jīng)過(guò)回收利用的問(wèn)題，提供一種小管徑碳納米管的純化裝置及方法，該純化裝置及方法可有效回收利用純化過(guò)程中產(chǎn)生的酸霧和廢酸，降低生產(chǎn)成本。
[0005]本發(fā)明中的裝置的技術(shù)方案為:一種小管徑碳納米管的純化裝置，包括反應(yīng)釜、換熱器、二次酸儲(chǔ)罐、擴(kuò)散滲析器及壓濾機(jī)；所述反應(yīng)釜內(nèi)加入酸液與小管徑碳納米管原料粉末進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的的小管徑碳納米管溶液通入所述壓濾機(jī)內(nèi)壓濾，所述壓濾機(jī)內(nèi)的小管徑碳納米管經(jīng)過(guò)水洗干燥后得到小管徑碳納米管成品，壓濾濾出的廢酸液通入所述擴(kuò)散滲析器內(nèi)進(jìn)行純化，純化后的酸液通入所述二次酸儲(chǔ)罐；所述反應(yīng)釜內(nèi)產(chǎn)生的酸霧通入所述換熱器內(nèi)進(jìn)行冷卻，冷卻后的酸液通入所述二次酸儲(chǔ)罐；所述二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液經(jīng)調(diào)整濃度后通入所述反應(yīng)釜內(nèi)。
[0006]進(jìn)一步地，所述換熱器布置在純化生產(chǎn)用的純水水池中。
[0007]進(jìn)一步地，所述反應(yīng)釜上設(shè)置有液封槽，所述反應(yīng)釜的蓋板嵌在所述液封槽內(nèi)。
[0008]進(jìn)一步地，所述二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)布置有攪拌器。
[0009]本發(fā)明中的方法的技術(shù)方案為:一種小管徑碳納米管的純化方法，所述小管徑碳納米管原料是采用鐵催化劑制備而成，包括以下步驟:
[0010]a.將酸液與小管徑碳納米管原料粉末按照比例加入反應(yīng)釜中反應(yīng)；
[0011] b.將反應(yīng)釜產(chǎn)生的酸霧通入換熱器中進(jìn)行冷卻，冷卻后得到的酸液導(dǎo)入二次酸儲(chǔ)te ；
[0012]c.將反應(yīng)后的小管徑碳納米管溶液使用壓濾機(jī)壓濾，將壓濾機(jī)內(nèi)的小管徑碳納米管加純水沖洗至碳納米管的pH值接近中性，烘干后即得到小管徑碳納米管成品；
[0013]d.將壓濾濾出的廢酸液通入擴(kuò)散滲析器進(jìn)行純化，純化后的酸液通入二次酸儲(chǔ)te ；
[0014]e.測(cè)定二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液酸度，通過(guò)向二次酸儲(chǔ)罐中補(bǔ)充高濃度的新酸液使其濃度達(dá)標(biāo)；
[0015]f.再次按比例向反應(yīng)釜中投入取自二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液和小管徑碳納米管原料粉末，進(jìn)行新一輪純化反應(yīng)。
[0016]進(jìn)一步地,重復(fù)所述f步驟。
[0017]進(jìn)一步地，所述酸液為氫氟酸溶液或者鹽酸溶液。
[0018]進(jìn)一步地，所述換熱器布置在純化生產(chǎn)用的純水水池中。
[0019]進(jìn)一步地，所述反應(yīng)釜半埋在地下。
[0020]本發(fā)明的技術(shù)效果在于:本發(fā)明將純化過(guò)程中產(chǎn)生的酸霧進(jìn)行冷卻回收，將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢酸液進(jìn)行純化處理回用，可減小酸霧與廢酸液對(duì)環(huán)境的污染，降低生產(chǎn)成本。換熱器布置在純化生產(chǎn)用的純水水池中，一方面，可以利用生產(chǎn)用的純水水池冷卻酸霧，降低吸收大量酸霧的成本，使酸霧得到回收利用；另一方面，反應(yīng)釜產(chǎn)生的酸霧可以加熱純水水池中的純水，通過(guò)提高純水溫度可減少水洗時(shí)間，減少純水用量，減小生產(chǎn)能耗。反應(yīng)釜上設(shè)置有液封槽，可避免酸霧從反應(yīng)釜逸出而腐蝕生產(chǎn)設(shè)備。二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)布置有攪拌器，可以使二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液濃度均勻。反應(yīng)釜半埋在地下，可避免因加熱溫度過(guò)高和使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)出現(xiàn)的反應(yīng)釜破碎導(dǎo)致高溫鹽酸泄露的危險(xiǎn)，減少了反應(yīng)釜的熱耗散，同時(shí)也降低了為放置大反應(yīng)釜而提高車(chē)間高度的建設(shè)成本。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明中的純化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為圖1中的反應(yīng)釜的放大示意圖。
[0023]圖3為本發(fā)明中的純化方法的工藝流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0025]圖1、圖2中，包括反應(yīng)釜1、換熱器2、水池3、二次酸儲(chǔ)罐4、擴(kuò)散滲析器5、壓濾機(jī)
6、泵7、蓋板8、液封槽9等。
[0026]如圖1所示，是本發(fā)明中的小管徑碳納米管的純化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該純化裝置包括反應(yīng)釜1、換熱器2、二次酸儲(chǔ)罐4、擴(kuò)散滲析器5及壓濾機(jī)6，它們之間分別通過(guò)管道與泵7相連。反應(yīng)釜I內(nèi)加入酸液與小管徑碳納米管原料粉末進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的的小管徑碳納米管溶液通入壓濾機(jī)6內(nèi)壓濾，壓濾機(jī)6內(nèi)的小管徑碳納米管經(jīng)過(guò)水洗干燥后得到小管徑碳納米管成品，壓濾濾出的廢酸液通入擴(kuò)散滲析器5內(nèi)進(jìn)行純化，純化后的酸液通入二次酸儲(chǔ)罐4 ;反應(yīng)釜I內(nèi)產(chǎn)生的酸霧通入換熱器2內(nèi)進(jìn)行冷卻，冷卻后的酸液通入二次酸儲(chǔ)罐4 ;二次酸儲(chǔ)罐4內(nèi)的酸液經(jīng)調(diào)整濃度后通入反應(yīng)釜I內(nèi)。
[0027]換熱器2最好布置在純化生產(chǎn)用的純水水池中。一方面，可以利用生產(chǎn)用的純水水池冷卻酸霧，降低吸收大量酸霧的成本，使酸霧得到回收利用；另一方面，反應(yīng)釜產(chǎn)生的酸霧可以加熱純水水池中的純水，通過(guò)提高純水溫度可減少水洗時(shí)間，減少純水用量，減小生產(chǎn)能耗。換熱器2—般采用臥式列管換熱器。
[0028]二次酸儲(chǔ)罐4內(nèi)還布置有攪拌器，可以使二次酸儲(chǔ)罐4內(nèi)的酸液濃度均勻。
[0029]如圖2所示，為了避免酸霧從反應(yīng)釜逸出，在反應(yīng)釜I上作了液封處理，可避免酸霧逸出腐蝕生產(chǎn)設(shè)備。反應(yīng)釜I上設(shè)置有液封槽9，反應(yīng)釜I的蓋板8嵌在液封槽9內(nèi)。生產(chǎn)時(shí)，液封槽9加入液體，比如水，起密封作用。
[0030]如圖3所示，是本發(fā)明中的小管徑碳納米管的純化方法的工藝流程圖。
[0031]本發(fā)明中的小管徑碳納米管原料是采用鐵催化劑制備而成，利用鐵催化劑催化乙烯裂解制小管徑碳納米管，利用氫氟酸或鹽酸一步純化法，即可得到高純度的碳納米管。
[0032]本發(fā)明中的的純化方法，包括以下步驟:
[0033]a.將酸液與小管徑碳納米管原料粉末按照比例加入反應(yīng)釜中反應(yīng)；酸液為氫氟酸溶液或者鹽酸溶液；反應(yīng)釜最好半埋在地下，可避免因加熱溫度過(guò)高和使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)出現(xiàn)的反應(yīng)釜破碎導(dǎo)致高溫鹽酸泄露的危險(xiǎn) ，減少了反應(yīng)釜的熱耗散，同時(shí)也降低了為放置大反應(yīng)釜而提高車(chē)間高度的建設(shè)成本；
[0034]b.將反應(yīng)釜產(chǎn)生的酸霧通入換熱器中進(jìn)行冷卻，冷卻后得到的酸液導(dǎo)入二次酸儲(chǔ)罐；換熱器布置在純化生產(chǎn)用的純水水池中；
[0035]c.將反應(yīng)后的小管徑碳納米管溶液使用壓濾機(jī)壓濾，將壓濾機(jī)內(nèi)的小管徑碳納米管加純水沖洗至碳納米管的pH值接近中性，烘干后即得到小管徑碳納米管成品；
[0036]d.將壓濾濾出的廢酸液通入擴(kuò)散滲析器進(jìn)行純化，純化后的酸液通入二次酸儲(chǔ)罐；該純化過(guò)程產(chǎn)生的廢酸中金屬含量低，通過(guò)滲析即可得到高純度的氫氟酸或鹽酸，可二次使用，實(shí)現(xiàn)了碳納米管純化的低污染工業(yè)化生產(chǎn)；
[0037]e.測(cè)定二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液酸度，通過(guò)向二次酸儲(chǔ)罐中補(bǔ)充高濃度的新酸液使其濃度達(dá)標(biāo)；純化的酸液和酸霧冷凝液混合后的酸度與原酸液的酸度相差較小，通過(guò)補(bǔ)充濃酸調(diào)整酸度，可獲得反應(yīng)所需要濃度，進(jìn)行二次使用。
[0038]f.再次按比例向反應(yīng)釜中投入取自二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液和小管徑碳納米管原料粉末，進(jìn)行新一輪純化反應(yīng)。
[0039]重復(fù)f步驟。
[0040]下面是本發(fā)明純化方法的兩個(gè)具體實(shí)施例。
[0041]實(shí)施例1
[0042]利用溶膠-凝膠法制備鐵催化劑，使用乙烯作反應(yīng)氣，裂解溫度為700°C，制備的小管徑碳納米管中金屬含量約為4%，碳納米管的管徑小于20nm。利用溶膠-凝膠法制備了不含稀土元素、對(duì)環(huán)境無(wú)重污染的催化劑，使用該催化劑制備得到高產(chǎn)率高導(dǎo)電性的小管徑碳納米管。
[0043]配制質(zhì)量濃度為5%的氫氟酸溶液與碳納米管反應(yīng)，溶液與碳納米管的重量比例為10:1，反應(yīng)溫度為80°C，反應(yīng)時(shí)間為20小時(shí)。
[0044]將反應(yīng)釜加熱過(guò)程中產(chǎn)生的酸霧通過(guò)純水水池中的臥式列管換熱器進(jìn)行冷卻，冷卻溫度為10 — 20°C，冷卻得到的酸液導(dǎo)入二次酸儲(chǔ)罐。
[0045]將反應(yīng)后的碳納米管溶液使用壓濾機(jī)壓濾，將壓濾濾出的廢酸液通過(guò)擴(kuò)散滲析器進(jìn)行純化。
[0046]測(cè)定純化后的氫氟酸酸度，通過(guò)向二次酸儲(chǔ)罐中補(bǔ)充高濃度的新酸使氫氟酸濃度達(dá)到5%。再次按10:1的比例向反應(yīng)釜中投入氫氟酸溶液和碳納米管粉末，80°C反應(yīng)20小時(shí)。
[0047]將壓濾機(jī)內(nèi)的碳納米管加純水沖洗4一6小時(shí)，洗至碳納米管的pH值接近中性，烘干后即得到純度大于99%的小管徑碳納米管。
[0048]將二次酸反應(yīng)結(jié)束后的碳納米管溶液壓濾，將壓濾濾出的廢酸液通過(guò)擴(kuò)散滲析器進(jìn)行純化。將壓濾機(jī)內(nèi)的碳納米管水洗至pH值接近中性，烘干得到純度大于99%的小管徑碳納米管。
[0049]實(shí)施例2
[0050]利用溶膠-凝膠法制備鐵催化劑，使用乙烯作反應(yīng)氣，裂解溫度為700°C，制備的碳納米管中金屬含量約為4%，碳納米管的管徑小于20nm。
[0051]配制質(zhì)量濃度為24%的鹽酸溶液與碳納米管反應(yīng)，溶液與碳納米管的重量比例為10:1，反應(yīng)溫度為80°C，反應(yīng)時(shí)間為20小時(shí)。
[0052]將反應(yīng)釜加熱過(guò)程中產(chǎn)生的酸霧通過(guò)純化水水池中的臥式列管換熱器進(jìn)行冷卻，冷卻溫度為10 — 20°C，冷卻得到的酸液導(dǎo)入二次酸儲(chǔ)罐。
[0053]將反應(yīng)后的碳納米管溶液使用壓濾機(jī)壓濾，將壓濾濾出的廢酸液通過(guò)擴(kuò)散滲析器進(jìn)行純化。
[0054]測(cè)定純化后的鹽酸酸度，通過(guò)向二次酸儲(chǔ)罐中補(bǔ)充高濃度的新酸使鹽酸濃度達(dá)到24%。再次按10:1的比例向反應(yīng)釜中投入鹽酸溶液和碳納米管粉末，80°C反應(yīng)20小時(shí)。
[0055]將壓濾機(jī)內(nèi)的碳納米管加純水沖洗4一6小時(shí)，洗至碳納米管的pH值接近中性，烘干后即得到純度大于98%的小管徑碳納米管。
[0056]將二次酸反應(yīng)結(jié)束后的碳納米管溶液壓濾，將壓濾濾出的廢酸液通過(guò)擴(kuò)散滲析器進(jìn)行純化。將壓濾機(jī)內(nèi)的碳納米管水洗至pH值接近中性，烘干得到純度大于98%的小管徑碳納米管。
[0057]本發(fā)明將純化過(guò)程中產(chǎn)生的酸霧進(jìn)行冷卻回收，將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢酸液進(jìn)行純化處理回用，可減小酸霧與廢酸液對(duì)環(huán)境的污染，降低生產(chǎn)成本。
[0058]上文對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了足夠詳細(xì)的具有一定特殊性的描述。所屬領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，實(shí)施例中的描述僅僅是示例性的，在不偏離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍的前提下做出所有改變都應(yīng)該屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍是由所述的權(quán)利要求書(shū)進(jìn)行限定的，而不是由實(shí)施例中的上述描述來(lái)限定的。
【權(quán)利要求】
1.一種小管徑碳納米管的純化裝置，其特征是:包括反應(yīng)釜、換熱器、二次酸儲(chǔ)罐、擴(kuò)散滲析器及壓濾機(jī)；所述反應(yīng)釜內(nèi)加入酸液與小管徑碳納米管原料粉末進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的的小管徑碳納米管溶液通入所述壓濾機(jī)內(nèi)壓濾，所述壓濾機(jī)內(nèi)的小管徑碳納米管經(jīng)過(guò)水洗干燥后得到小管徑碳納米管成品，壓濾濾出的廢酸液通入所述擴(kuò)散滲析器內(nèi)進(jìn)行純化，純化后的酸液通入所述二次酸儲(chǔ)罐；所述反應(yīng)釜內(nèi)產(chǎn)生的酸霧通入所述換熱器內(nèi)進(jìn)行冷卻，冷卻后的酸液通入所述二次酸儲(chǔ)罐；所述二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液經(jīng)調(diào)整濃度后通入所述反應(yīng)爸內(nèi)。
2.按照權(quán)利要求1所述的小管徑碳納米管的純化裝置，其特征是:所述換熱器布置在純化生產(chǎn)用的純水水池中。
3.按照權(quán)利要求1所述的小管徑碳納米管的純化裝置，其特征是:所述反應(yīng)釜上設(shè)置有液封槽，所述反應(yīng)釜的蓋板嵌在所述液封槽內(nèi)。
4.按照權(quán)利要求1所述的小管徑碳納米管的純化裝置，其特征是:所述二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)布置有攪拌器。
5.一種小管徑碳納米管的純化方法，所述小管徑碳納米管原料是采用鐵催化劑制備而成，其特征是，包括以下步驟: a.將酸液與小管徑碳納 米管原料粉末按照比例加入反應(yīng)釜中反應(yīng)； b.將反應(yīng)釜產(chǎn)生的酸霧通入換熱器中進(jìn)行冷卻，冷卻后得到的酸液導(dǎo)入二次酸儲(chǔ)罐； c.將反應(yīng)后的小管徑碳納米管溶液使用壓濾機(jī)壓濾，將壓濾機(jī)內(nèi)的小管徑碳納米管加純水沖洗至碳納米管的pH值接近中性，烘干后即得到小管徑碳納米管成品； d.將壓濾濾出的廢酸液通入擴(kuò)散滲析器進(jìn)行純化，純化后的酸液通入二次酸儲(chǔ)罐； e.測(cè)定二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液酸度，通過(guò)向二次酸儲(chǔ)罐中補(bǔ)充高濃度的新酸液使其濃度達(dá)標(biāo)； f.再次按比例向反應(yīng)釜中投入取自二次酸儲(chǔ)罐內(nèi)的酸液和小管徑碳納米管原料粉末，進(jìn)行新一輪純化反應(yīng)。
6.按照權(quán)利要求5所述的小管徑碳納米管的純化方法，其特征是:重復(fù)所述f步驟。
7.按照權(quán)利要求5所述的小管徑碳納米管的純化方法，其特征是:所述酸液為氫氟酸溶液或者鹽酸溶液。
8.按照權(quán)利要求5所述的小管徑碳納米管的純化方法，其特征是:所述換熱器布置在純化生產(chǎn)用的純水水池中。
9.按照權(quán)利要求5所述的小管徑碳納米管的純化方法，其特征是:所述反應(yīng)釜半埋在地下。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK104176723SQ201410386831
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月7日
【發(fā)明者】萬(wàn)仁濤, 沈宇棟, 張曉鴻, 顧加成, 賀樓兵 申請(qǐng)人:無(wú)錫東恒新能源科技有限公司