一种氧化石墨连续纯化的方法及所用的电渗析实验设备

摘要

本发明涉及一种氧化石墨连续纯化的方法及所用的电渗析实验设备。电渗析设备被阴离子交换膜、截留介质、阳离子交换膜三种介质分为四个隔室，四个隔室分别为阴极室、阳极室、料液室、纯水室；待纯化的氧化石墨溶液循环采用纯水清洗并分离直到其变为稳定的溶胶状态后通入上述电渗析实验设备进一步纯化；在直流电场作用下，氧化石墨溶液中阳离子通过阳离子交换膜到阴极室，阴离子先通过截留介质到纯水室，然后再通过阴离子交换膜到阳极室；氧化石墨颗粒本身带负电，同样会向阳极移动，而被截留在截留介质上。该方法具有生产效率高、周期短、耗能低、耗水少、操作简单的优点。

权利要求

1.一种氧化石墨连续纯化的电渗析实验设备；其特征是电渗析设备被阴离子交换膜(A)、截留介质(I)、阳离子交换膜(C)三种介质分为四个隔室，四个隔室分别为阴极室、阳极室、料液室、纯水室；在电渗析设备两侧为阴阳电极，提供直流电场；清洗后的氧化石墨溶液通入电渗析设备的料液室，纯水室通入纯水，阴阳极室通入一定浓度的电解质溶液；所述的截留介质为滤布，孔径比氧化石墨颗粒直径小；所述的阴离子交换膜、阳离子交换膜和截留介质排列顺序为从阳极开始依次是阴离子交换膜、截留介质、阳离子交换膜，料液室为阳离子交换膜和截留介质组成的隔室，纯水室是阴离子交换膜与截留介质组成的隔室，阴极室为阴极板所在的隔室，阳极室为阳极板所在的隔室。

2.如权利要求1所述的设备，其特征是四个隔室为顶端开放形式或四个隔室为封闭形式。

3.如权利要求1所述的设备，其特征是四个隔室为顶端开放形式，需对料液室进行搅拌；四个隔室为封闭形式，采用泵进行循环操作，且料液室的压力要大于或等于纯水室的压力，流量为8-15L/h。

4.一种氧化石墨连续纯化的方法，其特征在于，待纯化的氧化石墨溶液循环采用纯水清洗并分离直到其变为稳定的溶胶状态后通入权利要求1-3任一项所述设备进一步纯化；

在直流电场作用下，氧化石墨溶液中阳离子通过阳离子交换膜到阴极室，阴离子先通过截留介质到纯水室，然后再通过阴离子交换膜到阳极室；氧化石墨颗粒本身带负电，同样会向阳极移动，而被截留在截留介质上。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是所述的待纯化的氧化石墨溶液的固体浓度为5-

15g/L。

6.如权利要求4所述的方法，其特征是所述的清洗氧化石墨纯水用量与待纯化氧化石墨溶液体积之比为1:1。

7.如权利要求4所述的方法，其特征是两极板间的电压为5-25V。

8.如权利要求4所述的方法，其特征是电解质溶液为10-1000mg/L的Na2SO4溶液。

说明书

一种氧化石墨连续纯化的方法及所用的电渗析实验设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种氧化石墨连续纯化的方法，具体涉及一种氧化石墨连续纯化的方法及所用的电渗析实验设备。

背景技术

[0002] 石墨在强酸体系(如浓硫酸、浓硝酸等)中，经强氧化剂(如高锰酸钾、高氯酸钾等)深度液相氧化并水解后，形成氧化石墨。该物质是一种层间距大于原石墨的层状化合物，其平面上和边缘上有大量含氧官能团，表现出较强的极性，具有比表面积大及粒子交换能力强等特点。以氧化石墨作为原料合成的石墨烯具有高电导、高热导、高硬度和高强度等物理和力学性能，已广泛应用于电子器件、传感器、锂离子电池、超级电容器、医药载体、催化剂、复合材料等方面。

[0003] 制备氧化石墨的方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hummer法及电化学氧化法，目前应用最广泛的是Hummer法。采用Hummer法制备的氧化石墨原料中含有大量的K+、Na+ 2+ + - 2-、Mn 、H、NO3 和SO4 ，必须对其进行纯化。在水清洗纯化过程中，由于大部分金属离子被清洗出去，氧化石墨层间亲水性官能团与水分子作用增强，使层间距增大，发生吸水溶胀现象，溶液由悬浮液状态变为溶胶状态，其中水分很难分离出去，其纯化也受到限制。氧化石墨溶胶的纯度决定了其应用价值。目前实验室采用大量水反复清洗并离心或过滤，该方法用水量大、生产效率低、耗能高、步骤繁琐。另外，也有采用常规的电渗析设备进行纯化处理，由于氧化石墨颗粒本身带负电，容易积聚在阴离子交换膜上，从而造成堵塞并且难清洗的问题，不利于电渗析过程持续进行。这些方法均不适用于氧化石墨连续纯化的操作。

发明内容

[0004] 本发明是克服已有技术中的缺点和不足，提供一种生产效率高、周期短、耗能低、耗水少、操作简单的实现氧化石墨连续纯化的方法和实验设备。

[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

[0006] 一种氧化石墨连续纯化的电渗析实验设备；电渗析设备被阴离子交换膜(A)、截留介质(I)、阳离子交换膜(C)三种介质分为四个隔室，四个隔室分别为阴极室、阳极室、料液室、纯水室；在电渗析设备两侧为阴阳电极，提供直流电场；清洗后的氧化石墨溶液通入电渗析设备的料液室，纯水室通入纯水，阴阳极室通入一定浓度的电解质溶液。

[0007] 所述的截留介质为滤布或高分子半透膜，孔径比氧化石墨颗粒直径小。

[0008] 所述的阴离子交换膜、阳离子交换膜和截留介质排列顺序为从阳极开始依次是阴离子交换膜、截留介质、阳离子交换膜，料液室为阳离子交换膜和截留介质组成的隔室，纯水室是阴离子交换膜与截留介质组成的隔室，阴极室为阴极板所在的隔室，阳极室为阳极板所在的隔室。

[0009] 四个隔室为顶端开放形式或四个隔室则为封闭形式。

[0010] 四个隔室可为顶端开放形式，需对料液室进行搅拌；四个隔室则为封闭形式，采用泵进行循环操作，且料液室的压力要大于或等于纯水室的压力，流量为8-15L/h。

[0011] 本发明的一种氧化石墨连续纯化的方法，待纯化的氧化石墨溶液循环采用纯水清洗并分离直到其变为稳定的溶胶状态后通入上述电渗析实验设备进一步纯化；在直流电场作用下，氧化石墨溶液中阳离子通过阳离子交换膜到阴极室，阴离子先通过截留介质到纯水室，然后再通过阴离子交换膜到阳极室；氧化石墨颗粒本身带负电，同样会向阳极移动，而被截留在截留介质上。

[0012] 所述的待纯化的氧化石墨溶液的固体浓度为5-15g/L。

[0013] 所述的清洗氧化石墨纯水用量与待纯化氧化石墨溶液体积之比为1:1。

[0014] 两极板间的电压为5-25V。电解质溶液为10-1000mg/L的Na2SO4溶液。

[0015] 具体说明如下：

[0016] 在电渗析设备两侧有阴阳电极，提供直流电场。清洗后的氧化石墨溶液通入该电渗析设备的料液室，纯水室通入纯水，阴阳极室通入一定浓度的电解质溶液。

[0017] 所述的阴阳离子交换膜为普通的离子交换膜，截留介质为滤布或高分子半透膜，孔径比氧化石墨颗粒直径小，且不容易变形。

[0018] 若所需处理的氧化石墨量少，四个隔室可为顶端开放形式，但需间隔一定时间对料液室进行搅拌；对于大批量处理，四个隔室则为封闭形式，采用泵进行循环操作，且料液室的压力要大于或等于纯水室的压力，流量可为8-15L/h；

[0019] 待纯化的氧化石墨溶液循环采用纯水清洗并分离直到其变为稳定的溶胶状态后通入上述电渗析实验设备进一步纯化。所述的待纯化氧化石墨溶液清洗后分离方式为离心或抽滤。所述的待纯化氧化石墨溶液清洗后分离的循环次数为1-3次。

[0020] 本发明提供的氧化石墨纯化的方法基于电渗析的原理，在直流电场作用下，氧化石墨溶液中阳离子通过阳离子交换膜到阴极室，阴离子先通过截留介质到纯水室，然后再通过阴离子交换膜到阳极室。氧化石墨颗粒本身带负电，同样会向阳极移动，而被截留在截留介质上。从而防止了氧化石墨堵塞阴离子交换膜的问题，保证了电渗析过程持续进行。

[0021] 该方法具有生产效率高、周期短、耗能低、耗水少、操作简单的优点。

附图说明

[0022] 图1(a)顶端开放形式的电渗析实验设备结构原理

[0023] 其中：1-阳极板、2-阴离子交换膜、3-截留介质、4-阳离子交换膜、5-阴极板、6-阳极室、7-纯水室、8-料液室、9-阴极室

[0024] 图1(b)循环形式的电渗析实验设备结构原理

[0025] 其中：1-阳极板、2-阴离子交换膜、3-截留介质、4-阳离子交换膜、5-阴极板、6-阳极室、7-纯水室、8-料液室、9-阴极室、10-电流表、11-直流稳压电源、12-纯水室储槽、13-阳极室储液槽、14-阴极室储液槽、15-料液储槽、16-阴极室循环泵、17-料液循环泵、18-纯水室循环泵、19-阳极室循环泵、20-流量控制阀

具体实施方式

[0026] 下面对本发明的实例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0027] 一种氧化石墨连续纯化的电渗析实验设备；电渗析设备被阴离子交换膜(A)、截留介质(I)、阳离子交换膜(C)三种介质分为四个隔室，四个隔室分别为阴极室、阳极室、料液室、纯水室；在电渗析设备两侧为阴阳电极，提供直流电场；清洗后的氧化石墨溶液通入电渗析设备的料液室，纯水室通入纯水，阴阳极室通入一定浓度的电解质溶液。

[0028] 若所需处理的氧化石墨量少，四个隔室可为顶端开放形式，但需间隔一定时间对料液室进行搅拌，如图1a所示；对于大批量处理，四个隔室则为封闭形式，采用泵进行循环操作，且料液室的压力要大于或等于纯水室的压力，流量可为8-15L/h，如图1b所示。

[0029] 本发明的一种氧化石墨连续纯化的方法，待纯化的氧化石墨溶液循环采用纯水清洗并分离直到其变为稳定的溶胶状态后通入上述电渗析实验设备进一步纯化；在直流电场作用下，氧化石墨溶液中阳离子通过阳离子交换膜到阴极室，阴离子先通过截留介质到纯水室，然后再通过阴离子交换膜到阳极室；氧化石墨颗粒本身带负电，同样会向阳极移动，而被截留在截留介质上。

[0030] 实施例1：截留介质为孔径5-8um的滤布，阴离子交换膜和阳离子交换膜就是工业上常用的膜

[0031] 电渗析实验设备如图1(a)所示，膜面积为100cm2，隔室宽度为3mm，由三种介质阴离子交换膜(2)、截留介质(3)、阳离子交换膜(4)顺序隔开的四个隔室阳极室(6)、纯水室(7)、料液室(8)和阴极室(9)组成，且四个隔室顶端开放，截留介质采用孔径5-8um、厚度0.8mm的滤布，阳极板(1)和阴极板(5)放置于设备两侧，提供直流电压。采用纯水稀释制备好的氧化石墨悬浮液，使固体浓度达5g/L，取30ml，采用30ml纯水充分清洗并离心1次，得到的固相采用30ml纯水再次分散，得到的氧化石墨溶液置于料液室(8)，纯水室(7)放置纯水，阴极室(9)和阳极室(6)放置10mg/L的Na2SO4溶液，两侧加载5V电压。料液室每间隔10分钟手动搅拌一次。电渗析两个小时。K+、Na+、Mn2+离子浓度之和降低到0.39％。

[0032] 实施例2

[0033] 电渗析实验设备结构同实施例1，采用纯水稀释制备好的氧化石墨悬浮液，使固体浓度达12.97g/L，取30ml，采用30ml纯水充分清洗并离心2次，得到的固相采用30ml纯水再次分散，得到的氧化石墨溶液置于料液室(8)，纯水室(7)放置纯水，阴极室(9)和阳极室(6)放置100mg/L的Na2SO4溶液，两侧加载10V电压。料液室每间隔10分钟手动搅拌一次。电渗析两个小时。K+、Na+、Mn2+离子浓度之和降低到0.23％。

[0034] 实施例3

[0035] 电渗析实验设备结构同实施例1，采用纯水稀释制备好的氧化石墨悬浮液，使固体浓度达15g/L，取30ml，采用30ml纯水充分清洗并离心3次，得到的固相采用30ml纯水再次分散，得到的氧化石墨溶液置于料液室(8)，纯水室(7)放置纯水，阴极室(9)和阳极室(6)放置1000mg/L的Na2SO4溶液，两侧加载25V电压。料液室每间隔10分钟手动搅拌一次。电渗析两个小时。K+、Na+、Mn2+离子浓度之和降低到0.21％。

[0036] 实施例4

[0037] 电渗析实验设备如图1(b)所示，膜面积为100cm2，隔室宽度为3mm，由三种介质阴离子交换膜(2)、截留介质(3)、阳离子交换膜(4)顺序隔开的四个隔室阳极室(6)、纯水室(7)、料液室(8)和阴极室(9)组成，且四个隔室封闭，阳极板(1)和阴极板(5)放置于设备两侧，通过直流稳压电源(11)提供直流电压，电流表(10)电渗析过程中电流变化。待纯化的氧化石墨溶液放置于料液储槽(15)，通过料液循环泵(17)进行循环；纯水室储槽(12)放置100mL纯水，通过纯水室循环泵(18)进行循环；阴极室储液槽(14)和阳极室储液槽(13)分别放置10mg/L的Na2SO4溶液100mL，通过阴极室循环泵(16)和阳极室循环泵(19)进行循环。每个隔室均可采用流量控制阀(20)进行流量控制。采用纯水稀释制备好的氧化石墨悬浮液，使固体浓度达5mg/mL，取100mL，采用100ml纯水充分清洗并抽滤1次。得到的滤饼采用100ml纯水再次分散，得到的氧化石墨溶液放置于料液储槽(15)，进行电渗析实验，料液室和纯水室的循环流量控制在8L/h左右。在阴阳极板两侧采用直流电源加载5V电压。电渗析两个小+ + 2+
时。K、Na、Mn 离子浓度之和降低到0.64％。

[0038] 实施例5

[0039] 电渗析实验设备结构同实施例4，采用纯水稀释制备好的氧化石墨悬浮液，使固体浓度达12.97mg/mL，取100mL，采用100ml纯水充分清洗并抽滤2次。得到的滤饼采用100ml纯水再次分散，得到的氧化石墨溶液放置于料液储槽(15)，进行电渗析实验，料液室和纯水室的循环流量控制在10L/h左右。在阴阳极板两侧采用直流电源加载10V电压。电渗析两个小时。K+、Na+、Mn2+离子浓度之和降低到0.38％。

[0040] 实施例6

[0041] 电渗析实验设备结构同实施例4，采用纯水稀释制备好的氧化石墨悬浮液，使固体浓度达15mg/mL，取100mL，采用100ml纯水充分清洗并抽滤3次。得到的滤饼采用100ml纯水再次分散，得到的氧化石墨溶液放置于料液储槽(15)，进行电渗析实验，料液室和纯水室的循环流量控制在15L/h左右。在阴阳极板两侧采用直流电源加载25V电压。电渗析两个小时。K+、Na+、Mn2+离子浓度之和降低到0.21％。

[0042] 本发明公开和提出的一种氧化石墨连续纯化的方法及所用的电渗析实验设备，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和设备进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。