制备甲醇的设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种石墨烯宏观材料光催化还原C02制备甲醇的设备及方法。
【背景技术】
[0002]石墨稀作为碳材料家族中的一支新秀，其越来越多奇特的物理化学性质相继被发现以及在众多应用领域的不凡表现，而迅速成为科学研究的热点领域。石墨烯被认为是所有SP2杂化碳质材料的基本结构单元，它为构筑特定结构和功能的碳质材料带来了新的机遇。通过结构组装，石墨烯片层可以构建具有特定结构的功能化石墨烯宏观材料，将微观石墨烯片层的优异性能反映到宏观材料上，如出色的力学性能、快速的电子迀移率、超大的比表面积以及良好的吸附能力等，使功能化石墨烯宏观材料在催化、吸附、储能、超级电容器以及生物医药等领域表现出良好的应用前景。
[0003]C02作为一种丰富的潜在碳源，其转化、利用技术的开发与应用是未来世界范围内实现可持续发展战略的重要研究方向。其中，光催化还原C02直接将光能转化为化学能，绿色环保低耗，有利于实现碳的循环利用，而成为C02转化和利用最具前景的技术之一。然而，现有的光催化反应装置中，催化剂多以微小颗粒均匀混合于反应介质中，导致反应产物难于从反应体系中分离出来，而且使催化剂使用寿命变短不能多次重复利用。显然，这在一定程度上限制了光催化还原C02技术的工业化推广与应用。
[0004]因此，研发一种利用功能化石墨烯宏观材料光催化还原C02制备甲醇技术，不仅可以拓宽石墨烯宏观材料的应用途径，而且可以解决光催化反应过程中催化剂不能重复多次使用的问题，具有良好的经济效益。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种石墨烯宏观材料光催化还原C02制备甲醇的设备。采用该设备能够进行石墨烯宏观材料光催化还原C02制备甲醇，制备过程绿色环保、操作简单，石墨烯宏观材料表现出优良的光催化性能，甲醇转化率高。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种石墨烯宏观材料光催化还原0)2制备甲醇的设备，其特征在于，包括反应箱，所述反应箱的内壁上设置有多个紫外灯，所述反应箱内设置有用于盛装溶液介质的反应瓶，所述反应瓶的底部设置有用于对所述溶液介质进行加热的加热器，所述反应瓶的上部与冷凝管连通，所述冷凝管与冷凝液收集罐连通，所述反应瓶的下部通过0)2管路与位于反应箱外的0)2气瓶连通，所述反应瓶内设置有多孔隔板，所述多孔隔板上设置有催化剂填料，所述C02管路上设置有流量调节阀。
[0007]上述的石墨烯宏观材料光催化还原C02制备甲醇的设备，其特征在于:所述反应箱为两端封闭的圆筒形结构，所述紫外灯的数量为六个，六个所述紫外灯均匀环布在反应箱的内壁上。
[0008]上述的石墨烯宏观材料光催化还原C02制备甲醇的设备，其特征在于:所述反应瓶的材质为石英玻璃。
[0009]上述的石墨烯宏观材料光催化还原C02制备甲醇的设备，其特征在于:所述多孔隔板中的孔为圆形孔，所述圆形孔的孔径为0.5mm?1_。
[0010]另外，本发明还提供了一种利用上述设备进行石墨烯宏观材料光催化还原0)2制备甲醇的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0011]步骤一、采用无烟煤为原料制备石墨稀宏观材料；
[0012]步骤二、采用去离子水为溶剂配制NaOH_Na2S(V混合溶液，所述NaOH_Na2S(V混合溶液中NaOH和Na2S03的浓度均为0.05?0.15mol/L ；
[0013]步骤三、将步骤二中所述Na0H-Na2S0jg合溶液作为溶液介质加入反应瓶中，将步骤一中所述石墨烯宏观材料作为催化剂填料加入反应瓶中，然后利用加热器将溶液介质的温度加热至68°C?72°C，之后利用C02气瓶向反应瓶内通入C02，并通过流量调节阀将C02的流量调至50mL/min?150mL/min，最后开启紫外灯，在紫外光的光照强度为300 μ W/cm2?500 μ ff/cm2的条件下进行光催化还原C0 2处理，在冷凝液收集罐中得到甲醇。
[0014]上述的方法，其特征在于，步骤一中所述采用无烟煤为原料制备石墨烯宏观材料的具体过程为:
[0015]步骤101、将无烟煤依次进行破碎、过筛和球磨处理，得到粒度D9。彡20 μπι的超细煤粉，然后将所述超细煤粉置于石墨坩祸中，在温度为2400°C?2600°C的条件下保温
2.5h?3.5h，得到石墨化炭；
[0016]步骤102、以步骤101中所述石墨化炭为前驱体，采用改良Hummers法制备煤基氧化石墨稀;
[0017]步骤103、以步骤102中所述煤基氧化石墨烯为原料，采用化学还原自组装法制备煤基石墨烯水凝胶；
[0018]步骤104、将步骤103中所述煤基石墨烯水凝胶在温度为_55°C?_15°C的条件下冷冻干燥36h?48h，得到气凝胶；
[0019]步骤105、在惰性气氛保护下，将步骤104中所述气凝胶以5°C /min?10°C /min的升温速率升温至550°C?850°C后恒温lh?4h进行退火处理，自然冷却后得到煤基石墨稀宏观材料。
[0020]上述的方法，其特征在于，步骤102中所述采用改良Hummers法制备煤基氧化石墨烯的具体过程为:将石墨化炭、硝酸钠、高锰酸钾和质量浓度为98%的浓硫酸按质量比1: (0.5?1): 5: (30?40)混合均匀后，在温度为0°C?20°C的条件下搅拌lOmin?50min，然后升温至30°C?40°C搅拌lOOmin?300min，之后升温至90°C?100 °C后搅拌lOmin?20min，加入去离子水进行稀释后，采用滴加的方法加入质量浓度为30%的双氧水溶液，搅拌均匀后依次进行酸洗、水洗、过滤和干燥处理，得到煤基氧化石墨烯；所述去离子水的加入量为石墨化炭质量的40?60倍，所述双氧水溶液的加入量与高锰酸钾的质量相等。
[0021]上述的方法，其特征在于，步骤103中所述采用化学还原自组装法制备煤基石墨烯水凝胶的具体过程为:将所述煤基氧化石墨烯加入去离子水中超声分散均匀，得到煤基氧化石墨烯水溶液，然后将所述煤基氧化石墨烯水溶液与乙二胺混合均匀得到混合液，之后将所述混合液在温度为90°C?120°C的条件下保温3h?8h，自然冷却后得到煤基石墨烯水凝胶；所述煤基氧化石墨烯水溶液的浓度为2g/L?6g/L，所述混合液中煤基氧化石墨烯与乙二胺的质量比为(0.2?0.75): 1。
[0022]上述的方法，其特征在于，步骤三中所述催化剂填料的加入量为:每升溶液介质中加入0.5g?5g催化剂填料。
[0023]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0024]1、本发明以煤炭为原料，经高温处理制得超纯微细石墨化炭，进而制备煤基氧化石墨烯，其原料来源广泛、成本低廉，有利于规模化生产，可以实现煤炭资源的清洁利用。
[0025]2、本发明设计的光催化反应设备，其结构新颖独特，科学合理，使用操作方便，能够实现反应后催化剂与反应介质的有效分离，并达到催化剂可多次重复再生利用的目的。
[0026]3、本发明设计的光催化反应设备，其中的紫外光源采用普通的紫外灯，其成本低廉、使用寿命长，可通过调整紫外灯个数实现探讨光强对光催化性能的影响。
[0027]4、本发明设计的光催化反应设备，其中的反应瓶C02进气方式采用下进上出逆流接触，反应瓶中的隔板对C02气体起到均匀分布的作用，从而有利于C0 2气体与液体介质及催化剂间进行充分接触。
[0028]5、本发明设计的光催化反应设备最终设有加热器和进气管，不仅可以进行光催化还原C02的实验，还可以满足光催化降解水中污染物实验的进行，探究温度、不同气体气氛或溶解氧溶度对光催化材料光催化性能的影响。
[0029]6、本发明采用无烟煤为原料制备石墨烯宏观材料，其在微观结构上呈现出明显的二维石墨烯片层结构，这些柔性片层在组装过程中堆叠、交错，形成了发达的网状孔隙结构，尺寸分布在微米到亚微米范围。这种特殊的三维网络孔隙在石墨烯宏观体内部形成通畅的传质通道，可以为光催化反应提供良好的微环境以及快速电荷转移的路径。
[0030]7、本发明采用无烟煤为原料制备石墨烯宏观材料，其具有发达的三维网状孔隙结构和多片层状结构，在光催化还原C02制备甲醇的反应过程中可以吸收大量的C02，提高了0)2气体在反应体系中的停留时间，有利于0)2气体与催化剂及反应介质的充分接触；其次这种特殊的网孔结构在其内部形成通畅的传质通道，为化学反应提供良好的微环境以及快速转移电荷的路径；此外，石墨烯宏观材料表面保留的未彻底还原的含氧官能团和活性位点，也有利于提高其光催化性能。
[0031]8、本发明采用石墨烯宏观材料为光催化剂，催化效果好，催化效率高，甲醇收率尚ο
[0032]下