一种可膨胀石墨电化学插层反应装置及制备方法与流程

本发明涉及电化学反应设备，具体涉及一种可膨胀石墨电化学插层反应装置及制备方法。

背景技术：

1、可膨胀石墨是通过在天然鳞片石墨层间引入插层物而获得的功能性碳材料，受热后能够沿石墨层间方向快速膨胀，在密封、防火、吸附及导热等领域具有广泛应用。传统化学氧化法通常需要使用高浓度酸和强氧化剂，存在废液量大、氧化剂残留以及产品灰分偏高等问题，因此，采用电化学方式实现石墨氧化和插层是可膨胀石墨绿色制备的重要技术路线。

2、申请号为202511055290.4、名称为一种可膨胀石墨的制备方法的中国专利申请记载了一种采用硫酸与多元硫酸盐混合电解液制备可膨胀石墨的技术方案，通过控制电解液组成、电流密度、反应温度及反应时间等参数进行电化学插层，并在反应结束后对电解液进行过滤、组分补充和循环利用。该方案为改善传统化学氧化法污染较大以及传统电化学法插层效率较低的问题提供了一种解决途径。

3、申请号为202521647987.6、名称为一种电化学阳极导电防爆装置的中国专利申请记载了一种适用于阳极搅拌结构的旋转导电及防爆方案，通过导电轴向阳极搅拌结构供电，并利用相应的密封及防爆结构提高阳极旋转工作过程中的导电稳定性和安全性。

4、然而，在可膨胀石墨的工业化电化学插层过程中，仅对电解液组成、电化学反应参数以及阳极旋转导电结构进行改进，仍难以解决石墨颗粒在阴、阳极之间无序运动以及反应区域内电场和物料分布不均的问题。由于石墨颗粒自身具有导电性，若石墨颗粒在搅拌过程中进入阴极所在区域并与阴极接触，容易影响预定的电化学反应状态；同时，阴、阳极相对位置以及石墨颗粒、电解液在反应区域内的分布状态也会影响不同位置石墨颗粒的插层程度，进而影响产品的一致性。

5、此外，随着电化学插层反应持续进行，电解液中的组分浓度、电导率、杂质含量等参数会发生变化。若仅在反应结束后对电解液进行再生处理，难以在反应过程中持续保持电解液状态的均一和稳定。因此，如何在限制石墨颗粒活动区域的同时合理布置阴、阳极，并结合电解液的循环过滤和在线调节，使石墨颗粒在较为均匀、稳定的电化学环境下进行插层反应，成为有待解决的问题。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种膨胀石墨电化学插层反应装置及制备方法。

2、一种可膨胀石墨电化学插层反应装置，包括搅拌罐，所述搅拌罐包括罐体，还包括阳极、过滤网、阴极和搅拌桨；

3、所述过滤网呈筒状并设置于所述罐体内，所述过滤网围成用于容纳石墨颗粒和电解液的物料反应区，所述过滤网具有供电解液通过并限制所述石墨颗粒通过的过滤孔；

4、所述阳极和所述搅拌桨设置于所述物料反应区内，所述搅拌桨与所述阳极连接，所述阳极与所述搅拌桨构成可转动的阳极搅拌组件；

5、所述阴极呈筒状并环绕所述过滤网设置，所述过滤网位于所述阳极与所述阴极之间，以使所述阳极与所述阴极通过能够穿过所述过滤网的电解液形成电化学反应通路，并将所述石墨颗粒限制于所述物料反应区内。

6、进一步，所述过滤网为200目不锈钢过滤网，所述阳极和所述搅拌桨位于所述过滤网内。

7、进一步，所述阴极的内周侧设置有多个定位件，多个所述定位件沿所述阴极的轴向等间隔设置，以使所述过滤网与所述阴极同轴设置，所述阳极位于所述过滤网的中心区域。

8、进一步，所述阳极沿所述过滤网的轴向延伸，所述搅拌桨设置有多个，多个所述搅拌桨沿所述阳极的轴向间隔设置；所述装置还包括搅拌电机，所述搅拌电机与所述阳极传动连接，以驱动所述阳极搅拌组件转动。

9、进一步，还包括电解液循环组件，所述电解液循环组件包括循环泵、过滤装置和循环管路，所述循环泵和所述过滤装置设置于所述循环管路上，所述循环管路分别与所述搅拌罐连通，以使所述搅拌罐内的电解液经过滤后循环回流至所述搅拌罐。

10、进一步，还包括补料桶，所述补料桶通过补料管路与所述循环管路连通，所述补料管路上设置有流量控制阀，所述补料管路通过三通接入所述循环管路，以向循环流动的电解液中补充电解液组分。

11、进一步，所述循环管路上设置有监测传感器，所述搅拌罐上设置有温度传感器，所述装置还包括控制单元，所述控制单元分别与所述循环泵、所述流量控制阀、所述监测传感器、所述温度传感器和所述搅拌电机连接；所述监测传感器用于检测循环电解液的硫酸浓度、ph值、电导率和密度中的至少一种，所述控制单元根据所述监测传感器的检测结果控制所述流量控制阀的开启、关闭和/或开度。

12、进一步，还包括升降组件，所述升降组件包括升降支架、升降电机、升降杆、连接板和导杆，所述导杆沿竖向设置于所述升降支架上，所述连接板与所述导杆滑动配合，所述升降电机通过所述升降杆驱动所述连接板升降，所述搅拌电机设置于所述连接板上，以带动所述阳极和所述搅拌桨进入或退出所述搅拌罐。

13、进一步，所述循环管路与所述搅拌罐的连通位置位于所述过滤网的外侧，以使所述石墨颗粒被所述过滤网限制于物料反应区内，且位于所述过滤网外侧的电解液进入所述循环管路进行循环过滤。

14、一种可膨胀石墨的制备方法，包括以下步骤：

15、s1、混合电解液制备：以硫酸为基体，将硫酸钠、硫酸钾、硫酸锌和硫酸铵中的至少两种硫酸盐加入硫酸溶液中进行混合，得到混合电解液；其中，所述硫酸的浓度为5～45wt%，硫酸盐的总浓度为0.5～2.0 mol/l；

16、s2、石墨预处理：对天然鳞片石墨进行超声清洗预处理，得到预处理石墨；

17、s3、电化学插层反应：将所述预处理石墨和所述混合电解液加入搅拌罐内，所述搅拌罐的罐体内设置有呈筒状的过滤网，所述过滤网围成物料反应区，阳极和搅拌桨设置于所述物料反应区内，呈筒状的阴极环绕所述过滤网设置；通过所述过滤网允许电解液通过并将石墨颗粒限制于所述物料反应区内；

18、所述预处理石墨与所述混合电解液的固液质量比为1:8～1:15；

19、启动搅拌电机，通过所述阳极带动所述搅拌桨转动，使石墨颗粒在所述物料反应区内分散并与所述阳极接触，在所述阳极与所述阴极之间以恒电流模式进行电化学插层反应；其中，电流密度为80～150 ma/cm²，反应温度为30～60℃，反应时间为2～5 h，搅拌转速为100～300 r/min；

20、s4、电解液循环调控：在所述电化学插层反应过程中，通过循环泵驱动所述搅拌罐内的电解液进入循环管路，使电解液经设置于所述循环管路上的过滤装置过滤后循环回流至所述搅拌罐，电解液的循环流速为0.8～1.5 m/s；

21、通过设置于所述循环管路上的监测传感器对循环电解液的硫酸浓度、ph值、电导率和密度中的至少一种进行在线监测，并根据监测结果通过补料桶向所述循环管路中的电解液补充硫酸、硫酸盐和预先配置的补充电解液中的至少一种，通过流量控制阀调节补料量，以维持电化学插层反应过程中电解液组分的稳定；

22、s5、固液分离：电化学插层反应结束后，对反应物料进行固液分离，获得可膨胀石墨前驱体和分离电解液；

23、s6、洗涤和干燥：对所述可膨胀石墨前驱体进行洗涤，直至洗涤液的ph值为5～6，并将洗涤后的可膨胀石墨前驱体在60～80℃条件下进行干燥，得到可膨胀石墨；

24、s7、电解液再生：将步骤s5获得的分离电解液过滤除去固体杂质，对过滤后的电解液进行在线监测并补充硫酸和/或硫酸盐，使电解液的ph值维持在1.0～2.0并使电解液组分恢复至预设配比，将再生后的电解液循环用于后续电化学插层反应。

25、本发明技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

26、本发明通过滤网在阳极和筒状阴极之间形成物料约束边界，电解液能够穿过过滤网维持正常的离子传导，而石墨颗粒被限制在阳极所在的物料反应区内，能够降低石墨颗粒直接进入阴极区域以及在阴、阳极之间形成非预期电子导电路径的可能，使石墨颗粒的电化学反应环境更加可控。

27、本发明通过轴向等间隔定位件限定过滤网相对于筒状阴极的径向位置，并使阳极位于过滤网中心区域，能够减小不同轴向位置的极间距差异；同时，阳极带动搅拌桨转动，使石墨颗粒和电解液持续混合，从电场分布和物料分布两个方面改善反应均一性。

28、本发明中，电解液在插层反应进行过程中即进行外循环、过滤、在线监测和补料，能够及时去除固体杂质并补充消耗组分，使硫酸浓度、ph值、电导率、密度等参数保持在设定范围附近，减缓电解液老化和反应条件随时间漂移。

29、本发明通过升降组件便于阳极搅拌组件进入或退出搅拌罐，便于投料、出料、清洗和检修；本装置还设置电化学阳极导电防爆装置，在阳极搅拌组件旋转时实现稳定导电和防爆保护。

30、本发明采用硫酸-多元硫酸盐协同电解液并配合上述装置结构及循环调控方式，可在不添加高锰酸钾等强氧化剂的情况下进行石墨插层，有利于降低灰分及废液处理负担，并提高产品膨胀性能和批次稳定性。