一种利用焦油渣制备石墨烯的方法与流程

本发明涉及一种利用焦油渣制备石墨烯的实验室装备及其方法，属于焦化生产过程中废弃物回收再利用。

背景技术：

1、焦油渣是焦化生产过程中产生的固体废弃物，呈粘稠状废渣，主要成分包含：煤尘、焦粉、沥青粉、炭化室顶部热解产生的游离碳以及清扫上升管和集气管时所带入的多孔物质、焦油和沥青的聚合物等多种对人体有毒有害的物质。目前，常见的处理方法是配煤炼焦时混入，但是由于焦油渣的粘度很大，容易粘结在设备上，对设备运行产生影响，同时影响配料的准确性。

2、石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的材料。石墨烯具有强度高、比表面积大特性，是世界上最薄、最坚硬的纳米材料。石墨烯各项性能优异，但是制备成本高，因此本研究采用焦油渣为材料制备石墨烯，为焦油渣的利用提出新的思路，同时降低石墨烯制作成本。

3、目前，制备石墨烯的方法多采用通过加热分解甲烷、乙炔为碳源，然后在铜、镍金属箔上形成石墨烯薄层，但甲烷、乙炔的易燃易爆性在工业生产上容易带来完全隐患。

4、专利201310540508.6一种用焦油渣制备多层石墨烯的方法，其中石墨烯的主要制备装置包括小坩埚、大坩埚、微波炉等，此制备装置每次只能制备少量的石墨烯产品，不能连续化批量次生产，而且制备的产品干燥后容易板结，影响产品质量。

5、专利201810046031.9一种利用焦油制备石墨烯的方法，焦油本身属于产品，焦油和焦油渣相比，制备成本高，并且焦油本身具有流动性，未经处理直接涂在金属箔上，涂层厚度不好控制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用焦油渣制备石墨烯的方法，能够批量、快速、高效的利用焦油渣制备石墨烯，成本低、工艺简单，解决背景技术中存在的问题。

2、本发明的技术方案是：

3、一种利用焦油渣制备石墨烯的方法，包含以下工艺步骤：

4、①将焦油渣和碱性活性剂按质量比1:2～4进行混合；

5、②将混合物放入气氛炉中加热碳化，加热温度800～1000℃，保温时间100～300分钟；

6、③在惰性气氛下冷却至室温；

7、④将步骤③得到的混合物，倒入冲洗池内，注入盐酸溶液进行搅拌，与混合物中的碱发生中和反应，ph值检测器显示为6-8时，停止盐酸溶液的注入；

8、⑤将步骤④得到的悬浊液加入离心干燥一体机内进行干燥，干燥时间2-6h；

9、⑥将上述干燥物料放入球磨机进行研磨，出料粒度为0.05～0.1mm；

10、⑦将研磨后的物料进行筛分，筛网为100～200目，筛分时，使筛下物落入托盘内的锡箔上；

11、⑧将托盘和锡箔上的筛下物一同放入气氛炉中进行加热，加热温度为900～1200℃，保温时间20～30分钟；

12、⑨将步骤⑧加热保温后的物料自然冷却至室温，即可得到石墨烯。

13、所述步骤①中的碱性活性剂为氢氧化钠、氢氧化钾或其它氢氧化物。

14、所述步骤②和步骤⑧中气氛炉的气氛为氮气，步骤②和步骤⑧的升温速度均为每分钟30～50℃。

15、所述步骤⑦筛分时，筛下物落入托盘内锡箔上的厚度控制为0.5-2mm。

16、一种利用焦油渣制备石墨烯的实验室装备，包含依次顺序布置的焦油渣输送装置、加热炉a、冲洗池、液体泵、离心分离干燥一体机、球磨机、筛分机和加热炉b；

17、所述焦油渣输送装置包含旋转手柄、入料口、机壳、螺旋叶片、搅拌轴、出料口和底座，所述机壳为两端封闭的圆筒形，圆筒形的机壳呈水平状态固定在底座上，机壳的一端径向设有入料口，机壳的另一端轴向设有出料口，机壳的中心线上设有搅拌轴，所述搅拌轴上设有与机壳内径相匹配的螺旋叶片，搅拌轴靠近入料口的一端设有旋转手柄，所述旋转手柄位于机壳的外部；

18、所述筛分机包含进料口、刮板、推拉杆、箱体、下料口、手柄、筛网、筛框垫框和收集槽，所述箱体为下开口的矩形箱体结构，筛框垫框为与箱体相配合的矩形框架结构，箱体固定在筛框垫框上，箱体的上方设有进料口，箱体内设有竖直布置的刮板和水平布置的推拉杆，推拉杆的一端与刮板相连接，推拉杆的另一端穿出箱体且设有手柄；筛网设置在箱体与筛框垫框之间，筛网两侧的箱体上分别设有一个下料口，所述下料口的下方设有收集槽。

19、所述焦油渣输送装置中的出料口位于在加热炉a的入口上方，冲洗池设置有入水口和出水口，池内安装有过滤板，液体泵的入口设置在冲洗池内，液体泵的出口和离心分离干燥一体机的入口通过管路连接，离心分离干燥一体机的出口与球磨机的入口相连接，球磨机的出口正对筛分机的进料口。

20、所述搅拌轴的两端与机壳之间通过轴承转动连接。

21、所述底座为u型结构。

22、所述箱体内竖直布置的刮板与箱体内侧滑动连接。

23、组成中还包含托盘和平铺在托盘上的锡箔，所述托盘固定在筛网下方的筛框垫框内。

24、所述加热炉a、冲洗池、液体泵、离心分离干燥一体机、球磨机和加热炉b均为本领域公知技术内容，其中加热炉a和加热炉b均为气氛加热炉，型号为smx1800-20，离心分离干燥一体机的型号为shy800，球磨机的型号为mq750×1060。

25、本发明的有益效果是：能够批量、快速、高效的利用焦油渣制备石墨烯，成本低、工艺简单。

技术特征：

1.一种利用焦油渣制备石墨烯的方法，其特征在于：包含以下工艺步骤：

2.根据权利要求1所述的一种焦油渣制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤①中的碱性活性剂为氢氧化钠、氢氧化钾或其它氢氧化物。

3.根据权利要求1所述的一种焦油渣制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤②和步骤⑧中气氛炉的气氛为氮气，步骤②和步骤⑧的升温速度均为每分钟30～50℃。

4.根据权利要求1所述的一种焦油渣制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤⑦筛分时，筛下物落入托盘内锡箔上的厚度控制为0.5-2mm。

5. 根据权利要求1所述的一种焦油渣制备石墨烯的方法，其特征在于： 所述步骤⑦中的筛分使用的筛分机（7）包含进料口（7-1）、刮板（7-2）、推拉杆（7-3）、箱体（7-4）、下料口（7-5）、手柄（7-6）、筛网（7-7）、筛框垫框（7-10）和收集槽（7-11），所述箱体（7-4）为下开口的矩形箱体结构，筛框垫框（7-10）为与箱体（7-4）相配合的矩形框架结构，箱体（7-4）固定在筛框垫框（7-10）上，箱体（7-4）的上方设有进料口（7-1），箱体（7-4）内设有竖直布置的刮板（7-2）和水平布置的推拉杆（7-3），推拉杆（7-3）的一端与刮板（7-2）相连接，推拉杆（7-3）的另一端穿出箱体（7-4）且设有手柄（7-6）；筛网（7-7）设置在箱体（7-4）与筛框垫框（7-10）之间，筛网（7-7）两侧的箱体（7-4）上分别设有一个下料口（7-5），所述下料口（7-5）的下方设有收集槽（7-11）。

技术总结
一种利用焦油渣制备石墨烯的方法，属于焦化生产过程中废弃物回收再利用技术领域。包含以下工艺步骤：①将焦油渣和碱性活性剂混合；②将混合物放入气氛炉中加热碳化；③在惰性气氛下冷却至室温；④将步骤③得到的混合物倒入冲洗池内，注入盐酸溶液进行搅拌，与混合物中的碱发生中和反应，pH值检测器显示为6‑8时，停止盐酸溶液的注入；⑤将步骤④得到的悬浊液加入离心干燥一体机内进行干燥；⑥将干燥物料放入球磨机进行研磨；⑦将研磨后的物料进行筛分，筛下物落入托盘内的锡箔上；⑧将托盘和锡箔上的筛下物放入气氛炉中900～1200℃加热，保温时间20～30分钟；⑨自然冷却至室温，得石墨烯。能批量、快速、高效的利用焦油渣制备石墨烯，成本低、工艺简单。

技术研发人员：王晓晖,吴保华,李晓琪,朱文玲,许伟超,徐学良,王自学
受保护的技术使用者：邯郸钢铁集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14