本发明涉及化工技术领域，尤其涉及一种石墨烯粉体制备系统。
背景技术：
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六元环周期性蜂窝状点阵结构的新型碳同素异形体，其厚度约为0.335nm。石墨烯其因独特的二维晶体结构和优良的力学、电学、热学和光学特性，成为近几年材料领域的研究热点。
目前，对于石墨烯材料的制备、性质及应用的研究，已成为当今全球最热门研究领域之一。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法、外延晶体生长法与氧化还原法等。但这些方法都存在一些缺点,而极大的限制了其进一步的应用，如微机械剥离法不适合大规模性生产；化学气相沉积法虽可制备高质量、大面积的石墨烯薄膜,但是理想的基底材料的价格太昂贵,影响了石墨烯的工业化生产；氧化还原法会使得石墨烯产生不可修复的缺陷，且利用该方法大量制备石墨烯的过程中容易带来废液污染,肼等还原剂有毒,且易燃易爆,不利于大批量安全生产。要实现石墨烯产业化，其关键问题是探索大规模、高质量、低成本的石墨烯制备技术。
超临界流体技术制备石墨烯是一种新型技术，该技术利用一种或多种溶剂(如二氧化碳、乙醇、dmf、nmp等溶剂)在超临界状态下以其密度、粘度、扩散系数等方面的特性对石墨进行插层，并在快速泄压过程中完成石墨片层的快速膨胀剥离得到石墨烯。中国专利专利号为201110021033.0公开了一种“超临界流体制备石墨烯的方法”，其通过将石墨原料和有机溶剂混合，且在200℃-700℃和10-100mpa范围内，而后快速降温和降压从而制备石墨烯。在该专利中，存在所采用有机溶剂毒性大，单位时间内制备的石墨烯量小，且步骤繁琐，不易控制等问题，无法进行石墨烯的产业化生产。
因此，有必要设计一种能够循环利用溶剂、制备效率高、制备效果好的石墨烯粉体制备系统。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种石墨烯粉体制备系统。
为解决上述技术问题，本发明的实施例采用的技术方案是：
一种石墨烯粉体制备系统，包括：气体冷却装置、气体预热装置、物料添加装置、反应装置、物料收集装置、气体回收装置；其中：
所述气体冷却装置与气源连接，所述气体冷却装置用于冷却气体；
所述气体预热装置与所述气体冷却装置连接，所述气体预热装置用于将经所述气体冷却装置冷却后的气体进行预热，以使冷却后的气体达到预设温度
所述气体预热装置和所述物料添加装置均与所述反应装置连接，以使：经所述气体预热装置预热的气体以及所述物料添加装置中的物料进入所述反应装置中；
所述反应装置用于使气体与原料进行混合以形成气固混合物；
所述物料收集装置与所述反应装置连接并用于接收所述气固混合物，并将气固混合物中的反应产物与气体分离，所述反应产物进入收集袋；
所述气体回收装置与所述物料收集装置连接，并用于接收所述物料收集装置所分离的气体；
所述气体回收装置与所述气体冷却装置连接，所述气体冷却装置用于接收所述气体回收装置中的气体。
优选地，所述气体冷却装置包括相连接的干燥器和冷凝器，以使气体经过干燥器后进入所述冷凝器进行冷却。
优选地，所述气体预热装置包括相连接的第一循环泵和预热器；所述第一循环泵使得经所述气体冷却装置冷却的气体以一定压力进入所述预热器，所述预热器用于将气体预热至预设温度。
优选地，所述反应装置包括反应罐，所述反应罐内设置有搅拌器，所述搅拌器用于将进入所述反应罐中的物料与气体进行充分混合以形成所述固气混合物。
优选地，所述物料收集装置包括产物收集罐以及与所述产物收集罐连通的真空泵，所述真空泵用于使所述产物收集罐在接收所述反应装置的固气混合物前，使所述产物收集罐内的压力降低；所述产物收集罐的下端设置有收集袋，所述收集袋用于收集反应产物并分离气体；气体经过所述收集袋后进入所述气体回收装置。
优选地，所述气体回收装置包括相连接的气体收集罐和粉体过滤器；所述粉体过滤器用于过滤气体中的粉体状的反应产物；所述气体收集罐用于收集经所述粉体过滤器过滤的气体。
优选地，所述气体回收装置与所述气体冷却装置之间设置有第二循环泵，所述第二循环泵用于将所述气体回收装置中的气体泵入所述气体冷却装置。
优选地，至少在反应装置与物料收集装置之间设置有开关阀，当设置于所述反应装置与物料收集装置之间的开关阀打开后，所述反应装置中的固气混合物喷入所述产物收集罐中。
与现有技术相比，本发明的实施例所提供的石墨烯粉体制备系统的有益效果是：本发明的石墨烯粉体制备系统，通过气体回收装置能够有效将作为溶剂的二氧化碳气体回收，并通过再次通入气体冷却装置而进行再次利用，从而节省了二氧化碳气体，避免了反应后的二氧化碳气体(可能携带有毒气体)直接排入大气对大气造成污染。本发明为连续循环反应，制备效率高，成本较低。
附图说明
图1为本发明的一个实施例提供的石墨烯粉体制备系统的结构示意图。
图2为本发明的一个实施例提供的石墨烯粉体制备系统中的气罐、第三开关阀以及控制阀之间的连接关系。
图3为图2的局部a的放大视图。
图4为图2的局部b的放大视图。
图中：
10-气体冷却装置；11-干燥器；12-冷凝器；13-第一开关阀；20-气体预热装置；21-第一循环泵；22-预热器；23-第二开关阀；30-物料添加装置；31-计量罐；40-反应装置；41-反应罐；42-搅拌器；50-物料收集装置；51-产物收集罐；52-真空泵；54-第三开关阀；541-永磁体；542-电磁体；543-通道；544-先导孔；60-气体回收装置；61-粉体过滤器；62-气体收集罐；63-第二循环泵；64-第五开关阀；70-第四开关阀；80-气罐；81-导管；90-控制阀；91-阀体；92-阀芯；93-导气通道；94-进气口；95-出气口；96-作用孔。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明的实施例公开了一种石墨烯粉体制备系统，包括气体冷却装置10、气体预热装置20、物料添加装置、反应装置、物料收集装置50、气体回收装置60；气体冷却装置10与气源连接，气源用于提供二氧化碳气体，气体冷却装置10用于冷却二氧化碳气体；气体预热装置20与气体冷却装置10连接，气体预热装置20用于将经气体冷却装置10冷却后的二氧化碳进行预热，以使冷却后的气体达到预设温度(预设温度是参与反应所要求的额定温度)；气体预热装置20和物料添加装置均与反应装置连接，物体添加装置用于向反应装置中添加石墨，气体预热装置20用于向反应装置中通入二氧化碳气体，二氧化碳气体与石墨在反应装置中进行充分混合，以形成固气混合物；物料收集装置50与反应装置连接并用于接收气固混合物，在固气混合物以一定流速喷入物料收集装置50后，在物料收集装置50中便产生了石墨烯，该物料收集装置50还将所产生的石墨烯与二氧化碳气体进行分离，作为反应产物的石墨烯进入收集袋；气体回收装置60与物料收集装置50连接，并用于接收物料收集装置50所分离的二氧化碳气体；气体回收装置60与气体冷却装置10连接，气体冷却装置10用于接收气体回收装置60中的二氧化碳气体。
根据上述可知，本发明的石墨烯粉体制备系统，通过气体回收装置60能够有效将作为溶剂的二氧化碳气体回收，并通过再次通入气体冷却装置10而进行再次利用，从而节省了二氧化碳气体，避免了反应后的二氧化碳气体(可能携带有毒气体)直接排入大气对大气造成污染。本发明为连续循环反应，制备效率高，成本较低。
应该说明的是：二氧化碳与石墨混合制备出石墨烯为物理反应，公知地，二氧化碳与石墨混合物以一定速度喷入收集装置中便使石墨转换成石墨烯。即，对于本发明，石墨烯产生位置为物料收集装置50(二氧化碳与石墨的混合物以一定流速喷入物料收集装置50中便产生了石墨烯，而二氧化碳的化学形态并未发生变化)。
气体冷却装置10、气体预热装置20、物料添加装置、反应装置、物料收集装置50以及气体回收装置60各装置的组合可以有多种，在本发明的一个优选实施例中，气体冷却装置10包括相连接的干燥器11和冷凝器12，以使气体经过干燥器11后进入冷凝器12进行冷却。气体预热装置20包括相连接的第一循环泵21和预热器22；第一循环泵21使得经气体冷却装置10冷却的气体以一定压力进入预热器22，预热器22用于将气体预热至预设温度。反应装置包括反应罐，反应罐内设置有搅拌器，搅拌器用于将进入反应罐中的物料与气体进行充分混合以形成固气混合物。物料收集装置50包括产物收集罐51以及与产物收集罐51连通的真空泵52，真空泵52用于使产物收集罐51在接收反应装置的固气混合物前，使产物收集罐51内的压力降低；产物收集罐51的下端设置有收集袋，收集袋用于收集反应产物并分离气体；气体经过收集袋后进入气体回收装置60。气体回收装置60包括相连接的气体收集罐62和粉体过滤器61；粉体过滤器61用于过滤气体中的粉体状的反应产物；气体收集罐62用于收集经粉体过滤器61过滤的气体。气体回收装置60与气体冷却装置10之间设置有第二循环泵63，第二循环泵63用于将气体回收装置60中的气体泵入气体冷却装置10。
根据上述可知，气体收集罐62中的气体经过第二循环泵63进入气体冷却装置10中的干燥器11首先进行干燥，干燥后进入冷凝器12中进行冷却，然后在第一循环泵21的作用下，进入预热器22，将冷却的二氧化碳气体升温，使气体温度满足反应要求，然后，再通入反应罐中，而物料添加装置中的计量罐计量出石墨的量后将石墨导入反应罐中，反应罐中的搅拌器将二氧化碳气体与石墨混合，然而使混合物以较大速度喷入产物收集罐51中，从而在产物收集罐51得到石墨烯，该石墨烯被装设于产物收集罐51的下端收集袋收集，而二氧化碳气体经过收集袋进入粉体过滤器61，该粉体过滤器61将二氧化碳气体中混有的粉末状的石墨烯过滤掉，经过滤后的二氧化碳气体进入气体收集罐62并再次经过第二循环泵63泵入干燥器11以便再次循环利用。
优选地，在冷凝器12与第一循环泵21之间设置有第一开关阀13，在预热器22与反应罐之间设置有第二开关阀23，在反应罐与产物收集罐51之间设置有第三开关阀54；在粉体过滤器61与产物收集罐51之间设置有第四开关阀70，在第二循环泵63与干燥器11之间设置有第五开关阀64。各开关阀具有相同的作用：控制反应进程或者循环进程。
在上述各开关阀中，第三开关阀54相比其他开关阀具有一个特殊作用：使反应罐中的二氧化碳与石墨的混合物以一定流速进入产物收集罐51，二氧化碳与石墨的混合物的流速越大，所制备出的石墨烯的质量越好。为此，该第三开关阀54为直通开关阀，从而使得二氧化碳与石墨的混合物较顺畅的经过第三开关阀54。
二氧化碳与石墨的混合物能够以一定流速进入产物收集罐51的原因为：产物收集罐51被真空泵52抽成真空状态，从而使反应罐与产物收集罐51之间产生一定的压差。实际上这种压差越大越能够使混合物的流速越大，从而越能够制备出质量较好的石墨烯。
然而，在无法降低产物收集罐51内的压力前提下(其已接近真空状态，压力无法再降低)，需要提高反应罐内的压力，然而，使反应罐长时间保持高压状态对其上的零部件以及其安全性是一个严峻的挑战。
为解决混合物流速的问题，在本发明的一个优选实施例中，如图2至图4所示，使第三开关阀54设置成：用于控制第三开关阀54通断的阀芯有两个磁体控制动作，其中一个磁体为永磁体541，另一个磁体为电磁体542；通过为电磁体542通/断电而封堵第三开关阀54中的通道543，从而控制产物收集罐51与反应罐之间的通断，即，控制混合物的喷出；并在第三开关阀54的通道543中开设有先导孔544；石墨烯粉体制备系统还增设气罐80，该气罐80内盛放有高压二氧化碳气体，该气罐80通过一个控制阀90与反应罐连接，该控制阀90用于控制气罐80向反应罐内通高压气体。该控制阀90包括具有进气口94和出气口95的阀体91，设置于阀体91中的阀芯92，该阀芯92中开设有导气通道93，阀芯92通过移动而使进气口94通过导气通道93与出气口95连通，从而能够为反应罐通高压气体，或者通过移动用于截断进气口94与出气口95，从而截断气罐80为反应罐通气，在阀体91弹簧的作用下，阀芯92通常是保持在截断的位置。在阀体91上开设一个作用孔96，当该作用孔96通有一定压力气体后，推抵阀芯92移动而使进气口94与出气口95连通。第三开关阀54的先导孔544通过导管81与阀体91的作用孔96连通。
根据上述可知，当反应罐中二氧化碳气体与石墨混合均匀后，为第三开关阀54中的电磁体542通电后，其内的阀芯动作而使其内的通道543打开，反应罐中的混合物经过该通道543喷出，同时，混合物中的气体经过先导孔544、导管81进入作用孔96，推抵控制阀90中的阀芯92动作，而使控制阀90的进气孔与出气孔连通，此时，气罐80快速将高压的二氧化碳气体经过控制阀90通入反应罐而使反应罐内的压力迅速升高，然后使反应罐与产物收集罐51之间的压差迅速增大，从而使混合物喷入产物收集罐51的流出迅速增大，从而能够制备出质量更加的石墨烯。当反应罐中的混合物将要喷完后，为第三开关阀54中的电磁体542断电，第三开关阀54的阀芯动作而封堵通道543，先导孔544没有气体经过，控制阀90在弹簧力的作用下，其阀芯92回复到截断位置，反应罐内的压力下降。
本发明将第三开关阀54的动作与控制气罐80的控制阀90的动作关联，使得反应罐在向产物收集罐51喷射的同时，使控制阀90打开而使反应罐内压力迅速上升，从而便于提高混合物的流速，并在不需要喷射时，关闭控制阀90。
本发明的上述结构只是在反应罐喷射的瞬间使得反应罐处于高压状态，从而不会损坏其上的各个部件，高压危险系数大大减小。
应该说明的是：通过在先导孔544处设置过滤装置可有利过滤掉混合物中的粉末，而仅允许气体通过导管81。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。