化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，包括CVD管式炉；分流装置，用于不同压力状态下生产石墨烯所产生的尾气的分流；冷凝装置，用于尾气中可凝气体的过滤冷凝；储存装置，用于尾气中不可凝气体的储存以及能量转化装置，用于尾气中可燃气体的使用及电能的转化；CVD管式炉一端与分流装置一端通过管道连接，分流装置的另一端与冷凝装置连接，冷凝装置的另一端与储存装置相连，储存装置的另一端与能量转化装置的一端相连，能量转化装置另一端与CVD管式炉的辅助电源相连。该设备实用性强，安全性高，最终将尾气的化学能转化为电能，供给管式炉的辅助电源使用，实现尾气的循环再利用，合理解决尾气问题，减少了环境污染。
【专利说明】
化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备
技术领域
[0001]本实用新型涉及尾气综合处理装置，尤其涉及化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气的综合处理设备。
【背景技术】
[0002]石墨烯是碳原子以Sp2杂化轨道组成的六边形蜂窝状结构，它是一种典型的平面二维材料，可以看作零维富勒烯，一维碳纳米管，三维石墨等的组成结构单元。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，是目前为止人们发现的最薄的材料。并且，它还是已知强度最大的物质，具有极高的比表面积和优异的电学热学性能等。这些优异的性能使其在纳米电子器件、复合材料、超轻超硬材料、透明导电材料、超级电容器、锂离子电池、防腐材料等领域具有广阔的应用研发前景。
[0003]迄止目前，制备石墨烯最常用的方法有:机械剥离法、氧化还原法、碳化硅外延生长法以及化学气相沉积法。化学气相沉积法制备的石墨烯具有表面积大、质量好、缺陷少等优点，是目前最有可能实现大面积石墨烯工业化生产的方法。但现阶段该方法制备成本较高，工艺流程还需要进一步的优化完善。
[0004]化学气相沉积方法是一种利用空间气相化学反应沉积生长固态薄膜的制备方法。在利用化学气相沉积生长石墨烯的过程中，研究发现大量的可燃气体(如氢气、甲烷等烷烃类)并不能被完全利用，它们大部分最终随尾气排入大气中。若不妥善处理，不仅存在危险性，还会污染大气。目前专利中还没有针对化学气相沉积方法的尾气处理方法，但一些专利中介绍了相关尾气处理的装置或方法。专利《一种气体回收装置》(公告号:CN2496872Y)中将塑化油生产过程中产生的不凝气体，如甲烷、氢气、乙烷、丙烷、丙烯等进行回收、清洗后，再经出气管排放到炉膛做燃料。专利《一种燃气回收利用装置》(公告号:CN201231116Y)公开了一种对工业烟气处理并回收利用烟气中的一氧化碳、甲烷、氢气等的装置，通过过滤去除硫化物，将可燃性气体引入锅炉，进行再次燃烧，提高了能源利用率。这些装置可以在一定程度上解决尾气的再利用和污染问题，但是没有和石墨烯生长所用的化学气相沉积法结合起来，不能针对性地解决CVD管式炉(化学气相沉积管式炉)所产生的尾气。并且，化学气相沉积方法生产石墨烯分为常压、低压或真空:而不同的状态使用的可燃气体的量和产生的尾气情况也各不相同。考虑到不同的生长环境，需要不同的尾气处理方式。另外高温尾气的冷却问题也关系到实验的安全性。化学气相沉积实验的气体比例及量的不确定性，导致后面尾气的成分和量也不一样，若直接使用，不能稳定的输出。因此，如何根据不同的实验方式来调节尾气的处理，如何保证处理后尾气的稳定使用以及整个过程中涉及到的安全问题，是实现化学气相沉积方法制备石墨烯尾气处理及利用的关键性问题。
【实用新型内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型提出了一种化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气的综合处理设备，用于解决现有技术中利用化学气相沉积法生产石墨烯过程中尾气的污染和安全问题。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型提供了化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，包括CVD管式炉，用于石墨烯的制备，该尾气综合处理设备还包括:
[0007]分流装置，用于不同压力状态下生产石墨烯所产生的尾气的分流；
[0008]冷凝装置，用于尾气中可凝气体的过滤冷凝；
[0009]储存装置，用于尾气中不可凝气体的储存；
[0010]以及能量转化装置，用于尾气中可燃气体的使用及电能的转化；
[0011]所述CVD管式炉一端与所述分流装置的一端通过管道连接，所述分流装置的另一端与所述冷凝装置连接，所述冷凝装置的另一端与所述储存装置的一端相连，所述储存装置的另一端与所述能量转化装置的一端相连，所述能量转化装置另一端与所述CVD管式炉的辅助电源相连；
[0012]尾气从所述CVD管式炉产生经其一端排出后，进入所述分流装置，流经所述冷凝装置，在所述储存装置储存，再进入所述能量转化装置，实现电能转化。
[0013]优选地，所述分流装置包括至少两个支路，一个支路依次由截止阀、真空栗和截止阀组成，一个支路依次由截止阀、洗气瓶和截止阀组成，每个支路用于不同压力状态下生产石墨烯所产生的尾气的分流。
[0014]优选地，所述冷凝装置，包括冷凝箱和排出口，排出口焊接在冷凝箱下端，用于尾气中冷凝气体的排出。
[0015]优选地，所述储存装置包括:气罐、活塞、软管、浓度检测器、压力表、承重线、重物和滑轮，活塞和软管位于气罐中，软管的一端固定在活塞下端，另一端伸出气罐外部与能量转化装置相连，承重线的一端固定在活塞上，另一端通过滑轮与重物相连，承重线、滑轮和重物用于控制气罐内的压力，使尾气中可燃气体通过软管排出。
[0016]优选地，所述能量转化装置包括空气进气口、火花塞、燃气涡轮发动机和发电机，空气进气口与软管相连，燃气涡轮发动机和发电机连接，发电机用于实现电能的转化。
[0017]优选地，所述CVD管式炉的另一端与Ar气罐、H2气罐和碳氢化合物气罐通过管道连接，CVD管式炉辅助电源通过开关与所述的能量转化装置中的发电机连接。
[0018]本实用新型提供的化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，具有如下有益效果:本实用新型的分流装置针对石墨烯制备过程中常压、低压或真空压力状态下使用的可燃气体进行分类处理，实用性强；通过可凝性气体的冷凝装置，采用水洗、过滤方式处理尾气中的可凝性气体，效率高;采用不可凝气体的储存装置，将尾气中的不可凝气体通过气罐储存，安全性高;尾气通过能量转化装置，实现了电能的转化，电能供给CVD管式炉的辅助电源使用，实现尾气的循环再利用，合理解决尾气问题，减少了环境污染。
【附图说明】
[0019]图1为化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备的结构示意图。
[0020]【附图说明】:IAr气罐;2?气罐;3碳氢化合物气罐;4CVD管式炉；5排出口；6-1截止阀；6-2截止阀；6-3截止阀；6-4截止阀；7洗气瓶;8真空栗;9冷凝箱；10分流装置；11冷凝装置;12气罐;13重物；14滑轮;15承重线；16排气口 ； 17浓度检测器;18活塞；19储存装置;20软管;21空气进气口 ； 22能量转化装置;23火花塞;24燃气涡轮发动机;25发电机;26开关;27压力表;28-1止回阀；28-2止回阀；28-3止回阀。
【具体实施方式】
[0021]以下由特定的具体实施例说明实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
[0022]如图1所示，本实用新型提供了化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，包括CVD管式炉4、分流装置10、冷凝装置11、储存装置19和能量转化装置22。其中，CVD管式炉4的一端与Ar气罐1、H2气罐2和碳氢化合物气罐3通过管道连接，另一端与分流装置10的一端连接，分流装置10的另一端与冷凝装置11连接，冷凝装置11的另一端与储存装置19的一端相连，储存装置19的另一端与能量转化装置22的一端相连，能量转化装置22中的发电机25通过开关26与CVD管式炉4的辅助电源相连。
[0023]所述的分流装置10由呈并联连接的两个支路组成，其中一个支路依次由截止阀6-
1、真空栗8和截止阀6-2组成，用于真空或低压状态下尾气的分流。另一个支路依次由截止阀6-3、洗气瓶7和截止阀6-4组成，用于常压状态下尾气的分流。
[0024]所述的冷凝装置11由冷凝箱9和排出口5组成，排出口 5焊接在冷凝箱9侧面下端，用于尾气中可凝气体的冷凝排出。
[0025]所述的储存装置19包括气罐12、活塞18、软管20、浓度检测器17、压力表27、排气口16、承重线15、重物13、滑轮14以及止回阀28-1和止回阀28-2。压力表27和排气口 16位于气罐12的顶端。气罐12内包括活塞18和软管20，软管20的一端固定在活塞18下端，但不密封，软管20的另一端伸出气罐12外部与能量转化装置22相连。承重线15的一端与活塞18的上端相连，另一端通过滑轮14与重物13相连。
[0026]所述能量转化装置22包括空气进气口21、火花塞23、燃气涡轮发动机24、发电机25和以及止回阀28-3。空气进气口 21与软管20相连。燃气涡轮发动机24和发电机25皮带连接，发电机25通过开关26与CVD管式炉4的辅助电源相连。
[0027]本设备首先是利用化学气相沉积法生产石墨烯，气源包括Ar气罐I，H2气罐2，碳氢化合物气罐3。氢气主要作用是还原催化剂，增强催化活性。碳氢化合物提供石墨烯生长所需要的碳原子。将样品放入CVD管式炉4中，高温下碳源分解，生长产生石墨烯，同时大量的尾气从CVD管式炉4的一端排出。
[0028]气体离开CVD管式炉4后进入分流装置10，当在低压或真空状态下采用化学气相沉积法生产石墨烯时，气流通过分流装置10中依次由截止阀6-1、真空栗8和截止阀6-2组成的支路管道，使用该支路时，关闭另一支路的单向阀6-3，同时打开该支路中的截止阀6-1、截止阀6-2和真空栗8，保管道内的低压或真空状态；当进行的是常压状态下采用化学气相沉积法生产石墨烯时，气流通过依次由截止阀6-3、洗气瓶7和截止阀6-4组成的支路管道，使用该支路时，关闭另一支路的单向阀6-1，同时打开该支路中的截止阀6-3和截止阀6-4，尾气经过洗气瓶7后，将大部分可凝性气体过滤出来。因为低压或真空状态下采用化学气相沉积法生产石墨烯的过程中气流流速较快，碳源等气体不能完全反应，产生的碳衍生物质较少，因此不需要通过洗气瓶7，但常压状态下采用化学气相沉积法生产石墨烯过程中气流流速较慢，碳源充分地反应，产生大量的含碳物质，所以需要通过洗气瓶7来过滤。
[0029]尾气经过分流装置10后，尾气合流通过冷凝装置11，在冷凝箱9中将尾气中可凝气体冷却，降低危险性。同时将冷凝的气体以液体的形式析出，然后通过冷凝箱9侧面下端的经排出5排出。
[0030]接着，打开止回阀28-1，尾气中的不可凝气体通过管道进入储存装置19中，气体储存在气罐12中。气罐中间为可上下滑动的活塞18，将气体分为上下两部分，利用承重线15、滑轮14和重物13来控制气罐12中下部尾气的压力。利用浓度检测器17来检测尾气中是否有可燃性气体泄露。由于尾气中氢气密度最小而且量比较大，所以在活塞18底部固定一个软管20，在一定程度上保证输出可燃气体为单一纯净气体。
[0031 ]当储存一定程度的尾气后，调节重物13质量，改变尾气压力，打开止回阀28-2，将尾气中的可燃气体与空气进气口 21的空气混合形成混合气体，打开止回阀28-3，通入到燃气涡轮发动机24中，火花塞23点燃上述混合气体，将化学能转变为机械能，推动燃气涡轮发动机24做功，燃气涡轮发动机24和发电机25皮带连接，进一步的通过发电机25将机械能转变为可利用的电能，补充CVD管式炉4生产石墨烯过程中的加热所需电能，作为CVD管式炉4的辅助电源使用，从而实现尾气的循环再利用，合理解决尾气问题，减少了环境污染。
【主权项】
1.化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，包括CVD管式炉，用于石墨烯的制备，其特征在于，该尾气综合处理设备还包括: 分流装置，用于不同压力状态下生产石墨烯所产生的尾气的分流； 冷凝装置，用于尾气中可凝气体的过滤冷凝； 储存装置，用于尾气中不可凝气体的储存； 以及能量转化装置，用于尾气中可燃气体的使用及电能的转化； 所述CVD管式炉一端与所述分流装置的一端通过管道连接，所述分流装置的另一端与所述冷凝装置连接，所述冷凝装置的另一端与所述储存装置的一端相连，所述储存装置的另一端与所述能量转化装置的一端相连，所述能量转化装置另一端与所述CVD管式炉的辅助电源相连； 尾气从所述CVD管式炉产生经其一端排出后，进入所述分流装置，流经所述冷凝装置，在所述储存装置储存，再进入所述能量转化装置，实现电能转化。2.根据权利要求1所述的化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，其特征在于，所述分流装置包括至少两个支路，一个支路依次由截止阀、真空栗和截止阀组成，一个支路依次由截止阀、洗气瓶和截止阀组成，每个支路用于不同压力状态下生产石墨烯所产生的尾气的分流。3.根据权利要求1所述的化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，其特征在于，所述冷凝装置，包括冷凝箱和排出口，排出口焊接在冷凝箱下端，用于尾气中冷凝气体的排出。4.根据权利要求1所述的化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，其特征在于，所述储存装置包括:气罐、活塞、软管、浓度检测器、压力表、承重线、重物和滑轮，活塞和软管位于气罐中，软管的一端固定在活塞下端，另一端伸出气罐外部与能量转化装置相连，承重线的一端固定在活塞上，另一端通过滑轮与重物相连，承重线、滑轮和重物用于控制气罐内的压力，使尾气中可燃气体通过软管排出。5.根据权利要求1或4所述的化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，其特征在于，所述能量转化装置包括空气进气口、火花塞、燃气涡轮发动机和发电机，空气进气口与软管相连，燃气涡轮发动机和发电机连接，发电机用于实现电能的转化。6.根据权利要求5所述的化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备，其特征在于，所述CVD管式炉的另一端与Ar气罐、出气罐和碳氢化合物气罐通过管道连接，CVD管式炉辅助电源通过开关与发电机连接。
【文档编号】C01B31/04GK205419785SQ201521012935
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月9日
【发明人】周忠福, 王会利, 姜川, 王清露
【申请人】上海晶顿科技有限公司