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環境友好型材料——膨脹石墨的制備方法及應用現狀(一) |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-07-15 10:13:19 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/班建偉)膨脹石墨又稱為柔性石墨,是由天然鱗片石墨經化學或電化學插層處理、水洗、干燥、高溫膨化制得的。膨化之后的石墨呈蠕蟲狀,又稱膨脹石墨蠕蟲。由于天然鱗片石墨沿微晶c 軸方向膨脹數十倍到數百倍,從而在膨脹石墨蠕蟲表面和內部形成許多微小的孔,比表面積大為增加,因此是一種很好的吸附材料。
由于膨脹石墨吸附材料有發達的網絡狀孔形結構,有高的比表面積,高的表面活性和非極性,同時孔系結構中主要以中大孔為主,因此對各種非極性有機分子具有良好的吸附性能。另外,由于膨脹石墨表面有微量的極性基團并且石墨微晶c軸方向與a軸方向吸附具有各向異性,在一定的條件下對極性分子也會有一定量的吸附。
膨脹石墨還具有低密度、質輕的特點,并且耐氧化,耐腐蝕,具有高的化學穩定性;還可以耐高溫、低溫,無毒,不會造成環境污染。因此,膨脹石墨作為一種優良的環保材料,在廢水、廢氣的治理領域中得到了廣泛的應用與研究。
目前,對于膨脹石墨的準備方法主要有:化學氧化法、電解氧化法、超聲氧化法、氣相擴散法等。
1 化學氧化法
化學氧化法主要是通過利用石墨與強氧化劑反應,使得一些無機或有機的小分子插層劑插入到石墨的層間,制得石墨的層間化合物,以及通過進一步的膨化處理制得膨脹石墨材料。
制備用的原料系含碳量為99%以上32~80目的天然高碳鱗片狀石墨,常見得氧化劑為濃硫酸、過氧化氫、濃硝酸、氯酸鉀、高錳酸鉀、重鉻酸鉀、過二硫酸銨等,插層劑一般為硝酸、甲酸、乙酸、金屬鹵化物、金屬氧化物等。制備的一般步驟為:在適當溫度下,將不同配比的天然鱗片石墨與氧化劑與插層劑以一定的比例,在不斷攪拌下反應一定時間,然后水洗至中性,脫水干燥,制得可膨脹石墨材料,再經過高溫膨化反應后,制得膨脹石墨材料。
優勢及不足:該方法用的最早,且時間最長,但這種方法存在三廢處理的問題。此外,在高溫膨化階段,產生的廢氣含酸濃度過高,對人體危害較嚴重。
2 電解氧化法
電解氧化法主要是將石墨粉和插層劑溶液放入電解槽內,石墨粉可以是陽極的組成部分,也可以是電解液中的懸浮質。電解液是稀釋的酸液(插層劑),濃度很低。帶負電的酸根離子在外電場的作用下,向石墨(陽極)周圍集中,則在石墨層的內外形成了濃度差。酸根離子在濃度差和外電場兩者的共同作用下,向石墨層的間隙侵入,生成層間化合物。一般采用的酸液(插層劑)為硫酸、硝酸、重氯酸等。
優勢及不足:電解氧化法反應效果好,電解裝置結果簡單,生產過程可以連續進行,反應速度快,生產效率高,適合大規模的生產,但設備必須由耐酸腐蝕材料制造。
3 超聲氧化法
在電解法制備膨脹石墨的過程中,對陽極氧化的電解液進行超聲波振動、超聲波振動的時間與陽極氧化的時間相同,超聲波功率電流小于500mA。
優勢及不足:由于超聲波對電解液的振動有利于陰陽極的極化作用,從而加快了陽極氧化的速度,縮短了氧化時間,提高了生產效率,并節約了能源。
4 氣相擴散法
將石墨和插層物分別置于一真空密封管的兩端,在插層物端加熱,利用兩端的溫差形成必要反應壓差,使得插層物以小分子的狀態進入鱗片石墨層間,從而制得膨脹石墨。
優勢及不足:此種方法生產的膨脹石墨的階層數可控制,但其生產成本高。
膨脹石墨作為一種新型的環境材料已經越來越受到人們的重視,我國對于膨脹石墨在環境方面的研究與應用相對于國外來說起步晚,研究深度不夠,產品檔次不高,很多的研究仍然處于實驗室階段。開發出性能更高、效果更好的膨脹石墨材料,并大規模的應用于工業生產中,不僅有利于環境領域,同時也能促進材料領域、化學領域、礦物領域的交叉和綜合發展,從長遠來看具有巨大的經濟效益和社會效益。
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