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膨胀石墨 环境材料
时间: 2020-03-03 02:18     作者: 永利博

  膨胀石墨 环境材料_能源/化工_工程科技_专业资料。介绍了一种较常用的环境材料,膨胀石墨

  在十九世纪六十年代初, Brodie将石墨和硝酸、 硫酸等化学试剂作用后 加热,发现了膨胀石墨, 直到近百年以后,才开 始应用。 膨胀石墨是由天然鳞片石墨经插 层,水浇,干燥,高温膨化得到 的一种疏松多孔的颗粒状新型炭 材料。既保留了天然炭材料的耐 腐蚀性,耐热性,耐辐射性,无 毒性等性质,又具有天然石墨所 没有的吸附性,环境协调性,生 物相容性。 结构及特性 膨胀石墨是非极性吸附材料,层面由 石墨微晶组成,膨胀发生在层面之间, 膨胀过程,活化过程均不发生化学变 化,膨胀石墨保持了原有的非极性。 膨胀后生成石墨蠕虫,蠕虫的外壁上 也有若干孔,这些孔相互连通形成网 络孔隙结构。 1000℃的时候膨胀最大,体积可达原 初的数百倍。可简单加热再生。 一级孔 二级孔 三级孔 孔隙多为狭缝或由其衍生形成的多边形柱孔和楔形孔,表面孔 , 一般为开放孔,内部互连孔有开放孔,半开放,封闭孔三种情 况。孔径较宽,孔容积占98%。 膨胀石墨具有四级孔粒结构。一级孔为表面V型开放孔,十几 微米到几百微米。二级孔亚片层间柳叶形,横向相互连通,几 微米到十几微米。三级孔石墨为亚片层内多边形孔,1微米到 0.1微米量级。四级孔在纳米量级,极少。 吸附机理 1膨胀石墨为非极性吸附材料 2膨胀石墨的层面由石墨微晶组成,膨胀后生成大量的蠕虫空腔,孔 隙相互连接形成网络状孔隙结构。适合吸附大分子物质。 3蠕虫空腔表面的非极性,不规则性,高活性本身就具有结合在一起 的趋势,且夹层化合物在高温下迅速分解,气体压力造成孔隙表面层 外缘卷曲,又赋予其表面结构新的边缘活性,形成储油空间 4通过自身的孔隙,利用毛细现象吸附,且大多为物理性的可逆吸附。 5插层物质不同,膨胀的情况也不一样 6膨胀是熵增加的过程,膨胀伴随新的活性点的产生,以及晶格缺陷增 加和悬空键增加,膨胀石墨会自发的吸附其它分子和原子,使自身体系 更趋稳定。 膨胀石墨的合成 1 化学氧化法 在100℃左右,氧化剂与浓硫酸按一定比例配成氧化酸 液,将鳞片石墨浸泡其中,是硫酸根离子插入石墨层间, 与已经被氧化的碳原子结合,生成纳米级复合材料。 常用的氧化剂 K2Cr2O7,KMnO4,NaNO3,KClO4,NaClO3,HNO3,H2O2等 氧化剂的主要作用是打开石墨层的边缘,使得石墨边 缘相邻层面的碳原子相互排斥,增大层面间距,降低 插层反应的活化能,以便插层剂顺利进入插层空间 一般流程 石墨 预处 理 氧化 处理 氧化 后处 理 膨胀 2电化学法 电化学法是将石墨和辅助阳极一起构成阳极室浸 泡在插层剂电解液中,通以适当的阳极电流,经 过一定的氧化时间后取出,水洗干燥后即可得到 膨胀石墨,用这种方法制得的膨胀石墨含硫量低, 不需添加任何其他氧化剂,通过调节电流电压等 电化学参数控制反应的进行,可以大批量地合成 缺点是,对设备的要求较高,影响产品质 量的因素较多,有时环境温度的提升可导 致产物的膨胀体积大幅度下降。 3低硫或无硫膨胀石墨的合成 采用硫酸法生产膨胀石墨时,由于制备过程中引 入了硫酸根离子,膨胀石墨中残硫的存在,在使 用过程中易加速金属腐蚀,缩短设备的使用寿命。 因此,低硫或无硫膨胀石墨的研制对于推广应用 至关重要。一种方法是使非强酸类插入剂进入石 墨层间以部分地取代硫酸,从而降低膨胀石墨中 的含硫量。另外一种方法是将传统工艺制备的膨 胀石墨浸泡在草酸和硝酸的混合溶液中,可有效 减少可膨胀石墨中硫的含量,该方法比传统方法 要降低79%~87%的硫含量。 以350ml/g膨胀石墨讨论 膨胀石墨对煤焦油及其馏分的吸附质量比高达1:30~1:60,且随 着油品的粘度增大,吸附量增加。相对活性炭只有1:3~1:4.5的 吸附比。且膨胀石墨的比表面积有134.48m2/g,而活性炭却有900~ 1000m2/g 随着膨胀体积的增大,膨胀石墨的吸附量就越大。而活 性炭对各种油品的吸附量较小,且不随油品的变化而变 化。 1溢油污染治理 溢油污染是海洋中最为引人注目 的一种油污染。据估计,因海上 生产、运输、事故、和陆地注入 海洋的油量达400000T/a。膨胀 石墨作为一种疏松多孔的物质, 表面具有丰富的网状结构,和很 高的比表面积,和少量的化学基团,特别适于吸附疏水物质。膨胀石墨 具有从水中吸附矿物油,植物油,以及石油产品的性能,而且既可以 散粒做吸附剂,也可以做成垫板状,毡状、水栅栏和作为过滤介质进 行吸附处理。吸附油以后结成块状浮在水面上,不下沉,便于收集。 1g膨胀石墨可以吸附超过80g重油。 所吸附油品可以通过挤压、加热、或溶解的方 法加以回收 2处理印染废水 膨胀石墨吸附法是处理印染 废水的主导工艺 已有研究表明,膨胀石墨对活 性染料,酸性染料即直接染料 有吸附脱色作用。250ml/g的膨 胀石墨,对水相中质量浓度为 100~300mg/L的酸性媒介黄GG, 脱色率在97%以上。做成低密度 板的膨胀石墨,对水中COD的去 除率也有20%~40%的效果。 150ml印染废水,经1g80目250倍膨胀石墨吸附后,色度和CODcr均 能达到Ⅰ级排放标准。膨胀石墨低密度板,在一次使用时间上明 显优于活性炭,实用性和经济性有独特优势。 3控制大气污染中的应用 生活环境气体净化 对于二氧化硫,硫化氢,一氧化碳,氮氧化物,氨,装潢挥发油, 臭氧等都有吸附效果,用膨胀石墨吸附比较合适。可以利用膨胀 石墨吸附汽车汽油蒸汽,减少碳氢化合物的排放量。 烟气治理 工业废气及汽车尾气对大气污染的主要成分为燃烧所释放出来的 SOx,NOx。膨胀石墨对SOx,NOx以及烟气中的金属有较好的吸附脱 除效果。再生处理非常简单,水洗,干燥之后就可以重复使用。 石墨在烟气脱硫中可以不计成本,石墨的消耗也较少,副产品硫 酸可以回收利用。 饮用水中的应用 用膨胀石墨做水净化装置,处理量大,装置紧凑。对浑浊水质 有澄清作用,对水中含高铁、高锰等无机物质净化效果明显, 对细菌有极好的过滤效果,对氰、氯、酚等有机化合物去除率 达90%以上 医用 可作为烧伤创面的外用材料。有良好的吸附抗炎效果。各种碳 和碳素材料在人体应用实践表明具有良好的生物相容性,无排 斥反应,无毒无害,无刺激,无致敏。 在高能电池材料,阻燃防火,军工材料, 上膨胀石墨都有其应用 展望 目前国际上对于膨胀石墨处理动态下含微量乳化油的废水 吸附性能还没有专门的理论探讨,这将是未来重点研究的 方向。膨胀石墨板材的主要缺点是抗拉强度低、质脆,在 一些领域受到限制,如何将膨胀石墨板材与长纤维或薄金 属板组成复合材料,既保持膨胀石墨板材的特点,又克服 其机械强度低的不足也是未来开发的重点。我国有着丰富 的石墨储量,并以质量好而闻名世界。而石墨深加工产品 却不能满足需要,制备低硫高强度膨胀石墨由低级产品向 深加工产品发展,由作坊式生产向自动化规模生产方向发 展将是未来膨胀石墨发展方向。 Thanks for your attention!

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