一种氧化石墨烯除杂及干燥方法和装置与流程

本发明涉及材料处理技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯除杂及干燥方法和装置。

背景技术：

氧化石墨烯是石墨烯的一种重要衍生物，也是氧化还原法制备石墨烯的重要中间体。由于氧化石墨烯表面具备丰富的含氧官能团，性质较石墨烯更活泼，易于接枝和改性，其复合材料具有广泛的应用领域，如电池、导热材料、传感器、生物医学等等。

目前，氧化石墨烯主要的制备方法有bordie法、saudenmaier法和hummers法。hummers法由于较为安全、稳定、可控，成为氧化石墨烯制备中最常使用的方法之一。在hummers法制备氧化石墨烯中，制备完成之后，由于体系中含有硫酸根、钾离子、锰离子等杂质以及大量的水，需要进行除杂和干燥处理。目前实验室中具体的处理方法为：制备得到的粗氧化石墨烯悬浮液经过滤后，将滤饼用温水水洗三次后，重新分散至水中。用阴阳离子交换树脂处理分散液，除去剩余的杂质盐类。离心分离后，沉淀物在40℃下真空中用五氧化二磷脱水，得到干燥的氧化石墨烯。

由于实验室的方法为间歇性操作，人工操作频繁，处理能力较小，当放大至中试或者工业化量产时，已难以适用。实际生产中，常采用水洗的方式实现氧化石墨烯除杂，离心机离心实现氧化石墨烯分散液固液分离，烘箱低温烘干实现氧化石墨烯干燥。以上过程基本实现了批次处理量的放大，但同时也存在以下问题：

1、由于氧化石墨烯含有丰富的亲水性含氧官能团，极易分散在水中，水洗用水量较大，导致氧化石墨烯易转移至废水之中，损耗较大，收率较低。同时，水洗产生的废水较多，增大了废水的处理难度。

2、由于氧化石墨烯极易分散至水中，一般的离心机难以较好实现氧化石墨烯分散液的固液分离，即使使用分离因数较高的碟式离心机也无法实现。

3、烘箱低温烘干耗时长，热量利用率较低(对流传热，尾气带走部分热量)。烘干后的物料为片状或者块状，后续还需进一步粉碎成粉末，增加了工艺步骤和成本。烘箱为间歇式操作，不利于工业化大规模生产。

由以上问题可见，对于氧化石墨烯工业化量产中的除杂和干燥过程，仍有许多问题亟待解决。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种绿色、高效、可工业化生产的氧化石墨烯除杂及干燥方法和装置，以解决现有氧化石墨烯生产过程中产生废水较多、固液分离困难、干燥过程耗时耗能、处理量低、后续需进一步粉碎处理等问题。

为实现上述目的，本发明实施例的一个方面提供一种氧化石墨烯除杂及干燥方法，所述方法包括下列步骤：

(1)将粗氧化石墨烯悬浮液通过沉降分层，得到轻相上清液及重相氧化石墨烯悬浮液；

(2)将氧化石墨烯悬浮液通过循环离心分离脱出水分，得到氧化石墨烯滤饼；

(3)将步骤(2)得到的氧化石墨烯滤饼通过超声作用重新分散至水中；

(4)重复步骤(2)和(3)，直至氧化石墨烯滤饼中的杂质去除干净；

(5)将杂质去除干净的氧化石墨烯滤饼重新分散至水中，经搅拌和真空干燥共同作用，得到干燥的氧化石墨烯粉末。

进一步的，步骤(1)包括下列步骤：将制备得到的粗氧化石墨烯悬浮液转移至沉降罐中，沉降至分层明显；用自吸泵转移上清液，得到浓缩后的氧化石墨烯悬浮液，经搅拌器搅拌提高流动性后由输送泵送至预先装好滤袋的离心机中。

优选的，所述滤袋的材质为丙纶、涤纶、维纶或全棉等，优选为丙纶；所述滤袋的目数为800-1500目，优选为1200目。

其中，所述沉降罐可设置液位视镜以观察物料沉降及分层情况。因粗氧化石墨烯悬浮液中含硫酸，沉降罐需耐酸，可选材质为pp、ptfe、pvdf等，优选为ptfe，或不锈钢衬ptfe涂层。因沉降后的氧化石墨烯悬浮液流动性较差，沉降罐可配置搅拌器，底部出料时开启搅拌，使体系分散均匀、顺利出料。沉降罐底部为封头或圆锥结构，优选为圆锥结构，以减少出料罐内残留。因底部直接放料极易形成短路导致轻相上清液随重相一同排出，故沉降罐需配置自吸泵及相应管路，先由自吸泵将上清液基本排空后，再由底部连接的输送泵将搅拌分散后的重相转移至下一阶段。

进一步的，步骤(2)包括下列步骤：开启离心机，使氧化石墨烯悬浮液循环离心脱水，直至脱出液澄清，氧化石墨烯形成滤饼附在离心机滤袋内侧；脱水完成后，得到氧化石墨烯滤饼。

其中，所述离心机型式可选为三足式或平板式下出料离心机，优选为平板式下出料离心机。由于氧化石墨烯悬浮液含硫酸，故离心机材质需耐酸，优选为不锈钢衬ptfe涂层。离心机通过选择合适材质、目数的滤袋，实现氧化石墨烯悬浮液的固液分离。离心机出料口设阀门，以方便下一步分散。阀门后设循环泵，以将脱出液重新打回离心机中，实现循环过滤，直至氧化石墨烯形成滤饼完全附在滤袋内侧。

进一步的，步骤(3)包括下列步骤：关闭离心机出液阀门，离心机内加水至没过滤饼，开启超声振动器，使滤饼充分分散至水中。

其中，所述超声振动器材质需耐酸，优选为碳钢衬ptfe涂层或不锈钢衬ptfe涂层。考虑尽可能利用标准设备，超声振动器优选为投入式。如需进一步提高自动化程度，超声振动器的投入和取出动作，可由升降台或机械手臂实现以代替人工。视离心机容积大小，超声振动器的功率为50-1000w，处理时间为5-30min。

进一步的，步骤(4)中，所述杂质去除干净，是指离心脱出液ph、电导率接近纯水，例如ph为6-7，电导率为0.5-10μs/cm。

进一步的，步骤(5)包括下列步骤：将氧化石墨烯用水分散后由输送泵送至带搅拌器的真空干燥机中，设置加热温度，开启搅拌器和真空泵，经不断搅拌和真空换热干燥，最后得到氧化石墨烯粉末，由底部出料阀出料后收集包装。

其中，所述带搅拌器的真空干燥机，其型式可选为耙式真空干燥机、双锥回转型真空干燥机、锥形真空干燥机，优选为锥形真空干燥机。氧化石墨烯分散液在筒身加热介质提供的热量、搅拌和真空环境的共同作用下，水分不断蒸发，直至干燥成粉末状固体。

本发明实施例的另一个方面提供一种用于上述方法的氧化石墨烯除杂及干燥装置，所述装置包括沉降罐、离心机和真空干燥机，所述沉降罐的出料口通过输送泵连接至所述离心机的入料口，所述离心机的出料口通过输送泵连接至所述真空干燥机的入料口，所述沉降罐的出料口、所述离心机的入料口和出料口以及所述真空干燥机的入料口均带有阀门，通过所述阀门的开合实现离心机的循环离心分离和液体输送。

进一步的，所述沉降罐带有自吸泵、搅拌器和液位视镜；所述离心机带有超声振动器；所述真空干燥机带有真空泵，上部排气口处设置过滤器。

所述自吸泵用于将上清液基本排空后，再由底部连接的输送泵将搅拌分散后的重相转移至下一阶段。所述搅拌器用于在底部出料时开启搅拌，使体系分散均匀、顺利出料。所述液位视镜用于观察物料沉降及分层情况。所述超声振动器用于使滤饼再分散于水中。所述真空泵用于使真空干燥机保持真空状态。所述过滤器用于将真空干燥机中上升的蒸汽和携带的粉体颗粒进行分离。

进一步的，所述沉降罐及带有的搅拌器、离心机及带有的超声振动器和输送泵均为耐酸材质，所述耐酸材质为pp、ptfe、pvdf、不锈钢衬ptfe涂层或碳钢衬ptfe涂层等，以适应氧化石墨烯悬浮液和滤出液的酸性环境。

本发明实施例具有如下优点：

1、粗氧化石墨烯悬浮液沉降后离心，降低了离心机能耗，提高了离心机效率。

2、通过选择合适的滤袋和循环过滤过程，实现了氧化石墨烯分散液的固液分离，克服了氧化石墨烯悬浮液难以离心分离的瓶颈，提高了后段干燥的效率，降低了能耗。

3、通过离心机内加水超声分散后重新循环过滤，相比连续水洗工艺，降低了水洗用水量，减少了氧化石墨烯的损耗和产生的废水量。同时离心、分散在同一设备内完成，避免了物料转移，提高了生产效率。

4、通过真空干燥机实现干燥工段的连续化操作，可大大提高处理能力，更适宜规模化生产。干燥机为热传导方式换热，相比烘箱对流传热、尾气带走大量热量，换热效率大大提高，能量利用率也得到了提高。真空干燥机实现了液体直接干燥为粉体，避免了烘箱干燥后还需将片状、块状物料进一步粉碎的步骤，简化了工艺流程，减少了物料损耗，同时大大提高了生产效率。

综上，本发明公开的氧化石墨烯除杂及干燥方法和装置，克服了实验室方案转化为工业生产的操作复杂、效率低、产量小、能耗高、难以连续生产等等问题，适合工业化大批量生产，弥补了行业空白。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的氧化石墨烯除杂及干燥装置的结构示意图。

其中附图标记为：

1、沉降罐；2、液位视镜；3、自吸泵；4、输送泵；5、离心机；6、超声振动器；7、真空干燥机；8、过滤器；9、真空泵。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种氧化石墨烯除杂及干燥方法，所述方法包括下列步骤：

(1)将制备得到的粗氧化石墨烯悬浮液转移至沉降罐中，沉降至分层明显；用自吸泵转移轻相上清液，得到浓缩后的重相氧化石墨烯悬浮液，经搅拌器搅拌提高流动性后由输送泵送至预先装好滤袋的离心机中；所述滤袋的材质为丙纶，所述滤袋的目数为1200目；

(2)开启离心机，使氧化石墨烯悬浮液循环离心脱水，直至脱出液澄清，氧化石墨烯形成滤饼附在离心机滤袋内侧；脱水完成后，得到氧化石墨烯滤饼；

(3)关闭离心机出液阀门，离心机内加水至没过滤饼，开启超声振动器，使滤饼通过超声作用重新分散至水中；超声振动器功率为600w，处理时间为20min。

(4)重复步骤(2)和(3)，直至氧化石墨烯滤饼中的杂质去除干净；使离心脱出液ph达到6.5-7，电导率为2-5μs/cm。

(5)将杂质去除干净的氧化石墨烯滤饼重新分散至水中，然后由输送泵送至带搅拌器的真空干燥机中，设置加热温度，开启搅拌器和真空泵，经不断搅拌和真空换热干燥，最后得到氧化石墨烯粉末，由底部出料阀出料后收集包装。

实施例2

一种氧化石墨烯除杂及干燥装置，如图1所示，所述装置包括沉降罐1、离心机5和真空干燥机7，沉降罐1的出料口通过输送泵4连接至离心机5的入料口，离心机5的出料口通过输送泵4连接至真空干燥机7的入料口，沉降罐1的出料口、离心机5的入料口和出料口以及真空干燥机7的入料口均带有阀门，通过所述阀门的开合实现离心机5的循环离心分离和液体输送。其中，沉降罐1带有自吸泵3、搅拌器和液位视镜2；离心机5带有超声振动器6；真空干燥机7带有真空泵9，上部排气口处设置过滤器8。具体来说：

沉降罐1为锥底结构，带搅拌器，材质为不锈钢衬ptfe。底部设出料管口，顶部设自吸管口。沉降罐1有效容积300l，沉降时间为6h。

液位视镜2为高透明度的耐温、耐压、耐腐蚀的长条形的玻璃视镜。

自吸泵3接触物料部分为pp材质，吸程为5m。

输送泵4为磁力泵，接触物料部分为pp材质。输送泵4同时承担沉降罐1出料、离心机5循环、离心机5出料功能。

离心机5为平板式下出料离心机，有效容积45l，材质为不锈钢衬ptfe涂层，使用1200目丙纶滤袋。循环离心脱水时间为1h/次。

超声振动器6为投入式且为不锈钢衬ptfe材质，超声功率为300w，超声时间为15min。

干燥机7为锥形真空干燥机，材质为sus304。干燥机设夹套，热能通过外壁的夹套传送到内部，使水分蒸发。通过悬臂沿着器壁的旋转，增大热交换面积，提高换热效率。

真空干燥机7的排气口设过滤器8，以将粉体颗粒和蒸汽进行分离。

真空泵9连接真空干燥机7，以提供真空干燥机7内真空环境，实现分散液在负压下低温蒸发和干燥。真空泵9型式为单级直联旋片真空泵。

通过实施例1和实施例2的方法和装置，解决了现有氧化石墨烯生产过程中产生废水较多、固液分离困难、干燥过程耗时耗能、处理量低、后续需进一步粉碎处理等问题。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。