聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置

562 编辑：中冶有色技术网来源：四川化工职业技术学院

2023-12-08 14:04:42

权利要求书： 1.一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，其特征在于，包括：

氧化石墨烯分散液制备单元系统，所述氧化石墨烯分散液制备单元系统包括通过管路依次连接的预混釜、阶梯氧化反应设备、还原缓冲罐、第二过滤器和超声分散罐；所述预混釜连接配置有石墨储罐和浓硫酸储罐，所述阶梯氧化反应设备用于提供低温氧化、中温氧化和高温氧化所需的阶梯式温度，所述阶梯氧化反应设备连接配置有高锰酸钾储罐和第二纯化水储罐，该第二纯化水储罐通过管道还分别连接还原缓冲罐和超声分散罐，所述还原缓冲罐连接配置有双氧水储罐，所述第二过滤器连接配置有稀盐酸储罐；以及，聚苯胺/氧化石墨烯制备单元系统，所述聚苯胺/氧化石墨烯制备单元系统包括通过管路依次连接的聚合釜、第一过滤器和聚苯胺/氧化石墨储罐，所述超声分散罐连接聚合釜，所述聚合釜连接配置有过硫酸铵储罐、浓盐酸储罐和苯胺混合液制备装置，所述苯胺混合液制备装置包括苯胺储罐、四氯化碳储罐和混合器，所述苯胺储罐和四氯化碳储罐分别连接混合器，所述混合器连接聚合釜，所述第一过滤器连接配置有无水乙醇储罐和第一纯化水储罐。

2.根据权利要求1所述的一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，其特征在于，所述阶梯氧化反应设备包括依次连接的低温氧化釜、中温氧化釜和高温氧化釜，所述低温氧化釜连接高锰酸钾储罐，所述第二纯化水储罐连接高温氧化釜，且该高温氧化釜连接还原缓冲罐。

3.根据权利要求2所述的一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，其特征在于，所述阶梯氧化反应设备还包括离心机，所述离心机配置于中温氧化釜和高温氧化釜之间，所述离心机配置有废液循环装置，该废液循环装置用以回收利用浓酸和高锰酸钾。

4.根据权利要求3所述的一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，其特征在于，所述废液循环装置为泵体，该泵体一端连接离心机，另一端连接低温氧化釜。

5.根据权利要求1所述的一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，其特征在于，所述阶梯氧化反应设备与还原缓冲罐之间配置有冷却器。

6.根据权利要求2所述的一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，其特征在于，所述第一过滤器和第二过滤器分别配置有废液罐。

7.根据权利要求1所述的一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，其特征在于，所述第一过滤器和聚苯胺/氧化石墨储罐之间配置有干燥器。

说明书：一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置技术领域[0001] 本实用新型涉及苯胺/氧化石墨烯的制备技术领域，具体而言，涉及一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置。背景技术[0002] 重金属元素在自然环境中难降解、毒性大，还具有致癌、致畸和诱变效应，且易于通过生物富集在动植物体内积累，一旦生物体内重金属积累过量将严重影响生物体的生命安全，当人体内的重金属含量超过规定的限度会对身体的重要器官，如肾、肝、脑、生殖和神经系统造成严重损害。[0003] 在众多重金属污水处理方法中，吸附法由于效率高、速度快、适应性强、工艺简单、操作方便且无二次污染等优点，被认为是一种快速且相对便宜的废水处理方法。吸附材料通常具有较大的比表面积和较高的表面能，能够将重金属离子从水中分离、去除，实现净化水的目的。并且吸附材料可以通过简单的解吸方法再生、重复利用，大大节约了成本，目前已被广泛应用。[0004] 大量研究证实了氧化石墨烯的大比表面积和大量含氧官能团，以及聚苯胺的分子链上的大量含氮基团对重金属的吸附均具有良好作用。但单一的氧化石墨烯在水溶液中会引起不可逆的聚集，导致比表面积减小，影响吸附性能；单一的聚苯胺在水中的溶解性较差，也不溶于一般有机溶剂，且存在机械强度差、难以加工的缺陷。利用氧化石墨烯的大比表面积为苯胺的聚合提供基体和骨架而制得的聚苯胺/氧化石墨烯(PANI/GO)复合材料，可以有效的改善单一纳米材料性能上的缺陷。[0005] 目前聚苯胺/氧化石墨烯复合材料实现了在实验室中的制备，如：采用原位聚合技术合成的聚苯胺(PANI)改性氧化石墨烯，制备得到的PANI/GO复合材料，而该制备方法较为复杂，不便于大规模进行生产；且在对氧化石墨烯的制备过程的制备中，常采用Hummers法，Hummers法以石墨粉为原料，在氧化剂的作用下得到氧化石墨烯，而Hummers法中硝酸钠和石墨粉的质量比约为1：1～1：3，硝酸钠的使用量不低，硝酸钠作为强氧化剂，氧化后会产生高污染氮氧化物，对环境造成污染。实用新型内容

[0006] 本实用新型的目的在于提供一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，以解决背景技术中提出的问题，提供一种便于大规模生产聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，提高了聚苯胺/氧化石墨烯的产品质量，减少了生产过程中的污染。[0007] 本实用新型的实施例通过以下技术方案实现一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，包括：[0008] 氧化石墨烯分散液制备单元系统，所述氧化石墨烯分散液制备单元系统包括通过管路依次连接的预混釜、阶梯氧化反应设备、还原缓冲罐、第二过滤器和超声分散罐；所述预混釜连接配置有石墨储罐和浓硫酸储罐，所述阶梯氧化反应设备用于提供低温氧化、中温氧化和高温氧化所需的阶梯式温度，所述阶梯氧化反应设备连接配置有高锰酸钾储罐和第二纯化水储罐，该第二纯化水储罐通过管道还分别连接还原缓冲罐和超声分散罐，所述还原缓冲罐连接配置有双氧水储罐，所述第二过滤器连接配置有稀盐酸储罐；以及，[0009] 聚苯胺/氧化石墨烯制备单元系统，所述聚苯胺/氧化石墨烯制备单元系统包括通过管路依次连接的聚合釜、第一过滤器和聚苯胺/氧化石墨储罐，所述超声分散罐连接聚合釜，所述聚合釜连接配置有过硫酸铵储罐、浓盐酸储罐和苯胺混合液制备装置，所述苯胺混合液制备装置包括苯胺储罐、四氯化碳储罐和混合器，所述苯胺储罐和四氯化碳储罐分别连接混合器，所述混合器连接聚合釜，所述第一过滤器连接配置有无水乙醇储罐和第一纯化水储罐。[0010] 所述阶梯氧化反应设备包括依次连接的低温氧化釜、中温氧化釜和高温氧化釜，所述低温氧化釜连接高锰酸钾储罐，所述第二纯化水储罐连接高温氧化釜，且该高温氧化釜连接还原缓冲罐。[0011] 所述阶梯氧化反应设备还包括离心机，所述离心机配置于中温氧化釜和高温氧化釜之间，所述离心机配置有废液循环装置，该废液循环装置用以回收利用浓酸和高锰酸钾。[0012] 所述废液循环装置为泵体，该泵体一端连接离心机，另一端连接低温氧化釜。[0013] 所述阶梯氧化反应设备与还原缓冲罐之间配置有冷却器。[0014] 所述第一过滤器和第二过滤器分别配置有废液罐。[0015] 所述第一过滤器和聚苯胺/氧化石墨储罐之间配置有干燥器。[0016] 本实用新型实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：[0017] (1)本实用新型通过过量使用浓酸和高锰酸钾对石墨氧化，避免了硝酸钠的使用，进而避免了氮氧化物对环境造成污染，且通过配置离心机将多余的浓酸和高锰酸钾分离出，并由废液循环装置将多余的废酸和高锰酸钾送入低温氧化釜中回收利用，从而降低了原物料成本，减少了含酸废液的产生，对环境具有保护作用。[0018] (2)本实用新型通过设置低温氧化釜、中温氧化釜和高温氧化釜将氧化反应分为三步：低温氧化(0～10℃)、中温氧化(30～50℃)、高温氧化(80～95℃)，分步反应有助于严格控制反应温度，使每个阶段充分反应，尽可能缩短氧化反应的时间，提升反应效率。[0019] (3)本实用新型通过将苯胺与四氯化碳混合再加入聚合釜中，可灵活控制苯胺的加入速率，使苯胺与氧化石墨烯分散液充分接触，提高苯胺在氧化石墨烯表面原位聚合的均匀性，从而提高了产品质量。[0020] (4)本实用新型将制备得到的聚苯胺/氧化石墨烯粗品分别用无水乙醇和纯化水进行洗涤，无水乙醇可有效洗去苯胺的低聚物和残留的四氯化碳，纯化水可有效洗去多余的酸和氧化剂，有利于提高产品质量。附图说明[0021] 为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。[0022] 图1为本实用新型的整体结构示意图；[0023] 图2为本实用新型中氧化石墨烯分散液制备单元系统的结构示意图；[0024] 图3为本实用新型中聚苯胺/氧化石墨烯制备单元系统的结构示意图；[0025] 图标：1?预混釜，2?阶梯氧化反应设备，201?低温氧化釜，202?中温氧化釜，203?高温氧化釜，204?离心机，205?泵体，3?还原缓冲罐，4?第二过滤器，5?超声分散罐，6?石墨储罐，7?浓硫酸储罐，8?高锰酸钾储罐，9?第二纯化水储罐，10?双氧水储罐，11?稀盐酸储罐，12?聚合釜，13?第一过滤器，14?聚苯胺/氧化石墨储罐，15?过硫酸铵储罐，16?浓盐酸储罐，

17?苯胺储罐，18?四氯化碳储罐，19?混合器，20?无水乙醇储罐，21?第一纯化水储罐，22?废液罐，23?冷却器，24?干燥器。

具体实施方式[0026] 为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。[0027] 因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。[0028] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。[0029] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。[0030] 在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。[0031] 实施例1[0032] 请参照图1至图3，本实施例提供了一种聚苯胺/氧化石墨烯的制备装置，包括氧化石墨烯分散液制备单元系统和聚苯胺/氧化石墨烯制备单元系统。[0033] 所述氧化石墨烯分散液制备单元系统，包括通过管路依次连接的预混釜1、阶梯氧化反应设备2、还原缓冲罐3、第二过滤器4和超声分散罐5；所述预混釜1连接配置有石墨储罐6和浓硫酸储罐7，该石墨储罐6存储粉化天然石墨片，浓硫酸储罐7存储浓硫酸，石墨片与浓硫酸在预混釜1中初步混合形成预混液，所述阶梯氧化反应设备2用于提供低温氧化、中温氧化和高温氧化所需的阶梯式温度，所述阶梯氧化反应设备2连接配置有高锰酸钾储罐8和第二纯化水储罐9，高锰酸钾储罐8存储高锰酸钾，第二纯化水储罐9存储纯化水，即去离子水；预混液和高锰酸钾在阶梯氧化反应设备2中进行氧化反应，通过阶梯氧化反应依次进行低温(0～10℃)氧化、中温(30～50℃)氧化和高温(80～95℃)氧化，在高温氧化反应时添加纯化水，通过分步反应使每个阶段充分反应，缩短氧化反应的时间，提升反应效率；该第二纯化水储罐9通过管道还分别连接还原缓冲罐3和超声分散罐5，所述还原缓冲罐3连接配置有双氧水储罐10，双氧水储罐10储存双氧水，经过氧化反应后的高温混合液降温后进入到还原缓冲罐3中，再缓慢加入双氧水，使过量的高锰酸钾中七价锰离子还原为可溶的二价锰离子，形成混合液，所述第二过滤器4连接配置有稀盐酸储罐11，稀盐酸储罐11存储稀盐酸，混合液进入到第二过滤器4中，通过稀盐酸进行洗涤并过滤，过滤后的滤饼送入到超声分散罐5中，加入纯化水超声分散，得到氧化石墨烯分散液。[0034] 所述聚苯胺/氧化石墨烯制备单元系统，包括通过管路依次连接的聚合釜12、第一过滤器13和聚苯胺/氧化石墨烯储罐14，所述氧化石墨烯分散液制备单元系统连接聚合釜12，具体地，所述超声分散罐5连接聚合釜12，通过氧化石墨烯分散液制备单元系统制备的氧化石墨烯分散液送入到聚合釜12中，所述聚合釜12连接配置有过硫酸铵储罐15、浓盐酸储罐16和苯胺混合液制备装置，所述过硫酸铵储罐15存储过硫酸铵，所述浓盐酸储罐16存储浓盐酸，一定量的过硫酸铵和浓盐酸添加到聚合釜12中；所述苯胺混合液制备装置包括苯胺储罐17、四氯化碳储罐18和混合器19，所述苯胺储罐17存储苯胺，所述四氯化碳储罐18存储四氯化碳，所述苯胺储罐17和四氯化碳储罐18分别连接混合器19，所述混合器19连接聚合釜12，苯胺和四氯化碳按一定比例经过混合器19混合后进入到聚合釜12，充分搅拌后使苯胺均匀分散，引发苯胺在氧化石墨烯表面的原位聚合反应，形成聚苯胺/氧化石墨混合液，通过将苯胺和四氯化碳混合再加入聚合釜12中，可灵活控制苯胺的加入速率，使苯胺与氧化石墨烯分散液充分接触，提高苯胺在氧化石墨烯表面原位聚合的均匀性，提高产品质量；所述第一过滤器13连接配置有无水乙醇储罐20和第一纯化水储罐21，所述无水乙醇储罐20存储无水乙醇，所述第一纯化水储罐21存储纯化水，聚苯胺/氧化石墨混合液送入到第一过滤器13，通过无水乙醇洗去残留的四氯化碳和苯胺的低聚物、通过纯化水洗去残留的酸和氧化剂，过滤后的滤饼进行干燥、分散后得到聚苯胺/氧化石墨产品，并通过聚苯胺/氧化石墨烯储罐14将聚苯胺/氧化石墨进行存储。

[0035] 本实施例进一步地，所述阶梯氧化反应设备2包括依次连接的低温氧化釜201、中温氧化釜202和高温氧化釜203，所述低温氧化釜201连接高锰酸钾储罐8，所述纯化水储罐连接高温氧化釜203，且该高温氧化釜203连接还原缓冲罐3。通过分别配置低温氧化釜201、中温氧化釜202和高温氧化釜203，低温氧化釜201中控制温度为0～10℃，中温氧化釜202中控制温度为30～50℃，高温氧化釜203控制温度为80～95℃，便于严格控制分布反应中的反应温度，提升反应效率。[0036] 本实施例进一步地，所述阶梯氧化反应设备2还包括离心机204，所述离心机204配置于中温氧化釜202和高温氧化釜203之间，所述离心机204配置有废液循环装置，该废液循环装置用以回收利用浓酸和高锰酸钾。通过配置离心机204，对中温氧化反应后对混合液进行离心，离心分离后上层液体含有浓酸和高锰酸钾，通过废液循环装置进行回收利用，下层浆料送入到高温氧化釜203进行高温氧化反应；本实施例具体地，所述废液循环装置为泵体205，该泵体205一端连接离心机204，另一端连接低温氧化釜201，离心分离的浓酸和高锰酸钾通过泵体205输送到低温氧化釜201中进行循环利用，从而降低了原物料成本，而且减少了含酸废液的产生，对环境具有保护作用。

[0037] 本实施例进一步地，所述第一过滤器13和第二过滤器4分别配置有废液罐22；第一过滤器13和第二过滤器4过滤后的滤液送入到废液罐22中储存，以便后续集中处理。[0038] 本实施例进一步地，所述阶梯氧化反应设备2与还原缓冲罐之间配置有冷却器23，通过冷却器23对氧化反应后的高温混合液进行降温，提高了生产效率。[0039] 本实施例进一步地，所述第一过滤器13和聚苯胺/氧化石墨烯储罐14之间配置有干燥器24，通过干燥器24进行干燥，节约了时间，提高了干燥效率。[0040] 使用本实施例对聚苯胺/氧化石墨烯的制备方法如下：[0041] 一、氧化石墨烯分散液的制备，本制备方法在不加入硝酸钠的情况下，以粉化的天然石墨为原料，经过氧化、分离、洗涤、离心、超声等过程制备氧化石墨烯分散液，具体操作如下：[0042] (1)石墨从石墨储罐6中、浓硫酸从浓硫酸储罐7中送入预混釜1中，在5℃以下搅拌混合，使石墨均匀分散在浓硫酸中，并与酸充分接触，酸进入石墨的层状结构，形成预混液；[0043] (2)将预混液送入低温氧化釜201，低温氧化釜201控制温度0～10℃，高锰酸钾从高锰酸钾储罐8缓慢加入到低温氧化釜201中，接着进行充分搅拌，使高锰酸钾充分溶解形成低温反应混合液；[0044] (3)将低温反应混合液送入中温反应釜，中温反应釜控制温度30～50℃，充分搅拌后发生氧化反应，形成中温反应混合液；[0045] (4)将中温反应混合液送入离心机204，低速离心使固液分离，上层液体含有浓酸和高锰酸钾，部分浓酸和高锰酸钾液体通过泵体205送入低温反应釜中回收利用，其余浆料送入高温反应釜；[0046] (5)控制高温反应釜的温度80～95℃，通过第二纯化水储罐9往高温反应釜中缓慢加入纯化水，避免反应体系大量放热和过快产生气体，继续进行氧化反应，形成高温混合液；[0047] (6)将高温混合液送入冷却器23中冷却至常温；[0048] (7)通过第二纯化水储罐9先向还原缓冲罐3中送入一定质量的纯化水，将降温后的高温混合液送入还原缓冲罐3中，对其进行稀释；再缓慢加入双氧水，使过量的高锰酸钾中七价锰离子还原为可溶的二价锰离子，形成还原混合液；[0049] (8)将还原混合液送入第二过滤器4中过滤，再用稀盐酸充分洗涤，废液送入废液罐22中集中处理，过滤后的滤饼送入超声分散罐5中，加入纯化水进行超声分散，得到氧化石墨烯分散液。[0050] 二、聚苯胺/氧化石墨烯复合材料的制备：[0051] (1)将制备的氧化石墨烯分散液送入聚合釜12中，通过过硫酸铵储罐15向聚合釜12中加入一定量的过硫酸铵，通过浓盐酸储罐16再向聚合釜12中加入一定量的浓盐酸；

[0052] (2)将苯胺储罐17的苯胺、四氯化碳储罐18的四氯化碳送入混合器19中，按一定比例混合，混合液送入聚合釜12中，充分搅拌，使苯胺均匀分散，引发苯胺在氧化石墨烯表面的原位聚合反应，形成反应混合液；[0053] (3)将反应混合液送入第一过滤器13中过滤，并先用无水乙醇洗涤数次，洗去残留的四氯化碳和苯胺的低聚物；再用纯化水洗涤数次，洗去残留的酸和氧化剂，直至滤液吸光度为0；滤液送入废液罐22中集中处理；[0054] (4)将第一过滤器13过滤后的滤饼送入干燥器24中进行干燥、分散，得到聚苯胺/氧化石墨烯产品，将产品储存在聚苯胺/氧化石墨烯储罐中。[0055] 以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。