本实用新型涉及一种制备氧化石墨烯的装置。
背景技术：
石墨烯是一种由单层碳原子堆积而成的二维蜂窝状晶格结构新型碳材料。因其具有高比表面积(2600m2/g)、高热导率(4800～5300W/(m·K))和高电子迁移率(15000cm2/(V·s))等性能，在复合材料、储能材料和太阳能电池等领域有着广泛的应用。
石墨烯的宏量制备是实现其诸多应用的前提。目前石墨烯的制备主要有以下方法：1)化学气相沉积法；2)微机械剥离石墨法；3)金属表面外延法；4)氧化还原法等。其中，氧化还原法是目前最为简便的方法，成本较低，能够实现大规模生产。因此，氧化石墨烯不仅是氧化还原法制备石墨烯的重要中间体，其自身所具有的特殊性质也使其在生物医学、改性聚合物材料等方面有着广泛的应用。
由于石墨天然的惰性，其氧化过程必须在较为苛刻的化学环境中完成，主要包括以下四种方法：1)Brodie法：该法采用发烟硝酸和氯酸钾作为强酸和强氧化剂，需重复氧化步骤才能提高氧化程度，另外氯酸钾的使用也有一定的危险性；2)Staudenmaier法：该法利用浓硫酸和发烟硝酸组成的混酸体系进行反应，以氯酸钾为强氧化剂，氧化程度可由搅拌时间来控制，但该方法严重地破坏了氧化石墨烯的碳层，且氯酸钾的使用也具有一定的危险性；3)Hummers法：该法采用浓硫酸和硝酸钠体系，以高锰酸钾为强氧化剂，产物氧化程度高、结构规整且易于在水中溶胀而层离得到单层氧化石墨烯，但硝酸钠的使用会产生有毒的氮氧化物，污染环境；4)改进的Hummers法：Kovtyukhova课题组将石墨在过硫酸钾和五氧化二磷的浓硫酸溶液中进行预氧化，再用高锰酸钾进行氧化，反应过程使用硝酸钠，可避免氮氧化物的产生，产物氧化程度也较高，但产生的废酸较多，操作也较为繁琐。CN103382028A中公布了一种分别以浓硫酸和高锰酸钾为强酸和强氧化剂制备氧化石墨烯的方法，但浓硫酸和高锰酸钾混合后会产生高活性的七氧化二锰，在传统的釜式反应器中进行该类反应需严格控制反应温度，否则容易引起安全事故。另外，通过釜式反应制备氧化石墨烯还存在物料搅拌不均匀、高锰酸钾利用率不高、需控温防止冲料但过低的反应温度并不利于反应快速进行等缺点。
技术实现要素：
本实用新型为了克服上述技术问题的不足，提供了一种制备氧化石墨烯的装置，可以完全解决上述技术问题。
解决上述技术问题的技术方案如下：
一种制备氧化石墨烯的装置，包括混料釜、第一管道反应器、第二管道反应器、混料器、冷凝器和后处理系统，所述的混料釜的输出端和第一管道反应器的输入端通过第一导管连接，第一导管上设置有第四计量泵，所述的第一管道反应器的输出端与混料器的输入端通过第二导管连接，所述的混料器的输出端通过第三导管与第二管道反应器的输入端连接，所述的第二管道反应器的输出端与冷凝器的输入端通过第四导管连接，冷凝器的输出端与后处理系统连接。
进一步地，所述的混料釜、第一管道反应器和第二管道反应器均带有控温夹套。
进一步地，所述的第一管道反应器或者第二管道反应器的管道为盘管、连续S型管或者连续U型管的任意一种，第一管道反应器和第二管道反应器的长径比均为50～80。
进一步地，所述的混料釜的输入端还与设置在混料釜的上游端的第一固体加料器和第二固体加料器相连，所述的混料釜的上游端还设置有第一贮存器，所述的第一贮存器与混料釜相连接的导管上依次设置有第一截止阀和第一计量泵。
进一步地，所述的混料器的输入端还分别与第二贮存器和第三贮存器相连，所述的第二贮存器和第三贮存器与混料器相连接的导管上分别依次设置有第二截止阀和第二计量泵，第三截止阀和第三计量泵。
更进一步地，所述的后处理系统包括过滤系统、离心系统、洗涤系统、超声系统、透析系统或者冻干系统中的任意一种或几种。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过管道控制物料的混合及反应方式，克服了传统的釜式反应器一锅煮的方式带来的缺陷，生产过程安全、高效，产品质量较为稳定，保证了反应过程中物料的连续化，物料混合均匀，氧化剂高锰酸钾的利用率较高，而且产物的氧化程度较高，有益于工业化生产。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为本实用新型装置的结构示意图；
图中，1为第一固体加料器，2为第二固体加料器，3为第一贮存器，4为第二贮存器，5为第三贮存器，6为第一截止阀，7为第二截止阀，8为第三截止阀，9为第一计量泵，10为第二计量泵，11为第三计量泵，12为第四计量泵，13为混料器，14为混料釜，15为第一管道反应器，16为第二管道反应器，17为混料釜控温夹套，18为第一管道反应器控温夹套，19为第二管道反应器控温夹套，20为冷凝器，21为第一导管，22为第二导管，23为第三导管，24为第四导管。
具体实施方式
实施例1：
一种制备氧化石墨烯的专用装置(如图1所示)，包括混料釜14、第一管道反应器15、第二管道反应器16、混料器13、冷凝器20和后处理系统，所述的混料釜14的输出端和第一管道反应器15的输入端通过第一导管21连接，第一导管21上设置有第四计量泵12，所述的第一管道反应器15的输出端与混料器13的输入端通过第二导管22连接，所述的混料器13的输出端通过第三导管23与第二管道反应器16的输入端连接，所述的第二管道反应器16的输出端与冷凝器20的输入端通过第四导管24连接，冷凝器20的输出端与后处理系统连接。
其中，第一管道反应器15的管长为30m，管道直径为6mm；第二管道反应器16的管长为30m，管道直径为8mm。第一管道反应器15和第二管道反应器16的管道均为盘管。
混料釜14的釜体外部设置有混料釜控温夹套17、第一管道反应器15的外部设置有第一管道反应器控温夹套18，第二管道反应器16设置有第二管道反应器控温夹套19。
混料釜14的输入端还与设置在混料釜14的上游端的第一固体加料器1和第二固体加料器2相连，所述的混料釜14的上游端还设置有第一贮存器3，所述的第一贮存器3与混料釜14相连接的导管上依次设置有第一截止阀6和第一计量泵9。
混料器13的输入端还分别与第二贮存器4和第三贮存器5相连，所述的第二贮存器4和第三贮存器5与混料器13相连接的导管上分别依次设置有第二截止阀7和第二计量泵10，第三截止阀8和第三计量泵11。
使用该装置制备氧化石墨烯时，将粒径在200微米以下的石墨粉和高锰酸钾分别置于第一固体加料器1中和第二固体加料器2中，将98％浓硫酸置于第一贮存器3中，利用混料釜控温夹套17将混料釜14降温至0℃，利用第一管道反应器控温夹套18将第一管道反应器15升温至80℃，利用第二管道反应器控温夹套19将第二管道反应器16升温至130℃，通过第一计量泵9将浓硫酸连续输入至混料釜14内，开启第一固体加料器1和第二固体加料器2，并控制加料速度，使得石墨粉、高锰酸钾和浓硫酸的质量比为1:3:40，在混料釜14中混合均匀后，通过第四计量泵12输送至第一管道反应器15中，在第一管道反应器15中进行氧化反应。
将水置于第二贮存器4中，将30％双氧水置于第三贮存器5中，分别通过第二计量泵10和第三计量泵11控制，使得水、双氧水和第一管道反应器15中的氧化反应液同时输入至混料器13中，控制流速使得进入混料器13的水、双氧水和氧化反应液的质量比为100:7:1，在混料器13中混合后输入至第二管道反应器16中进行分散和还原。
最后，将分散还原液输入至冷凝器20中冷却后再经超声处理得到亮黄色氧化石墨烯分散液。
实施例2
一种制备氧化石墨烯的专用装置，包括混料釜14、第一管道反应器15、第二管道反应器16、混料器13、冷凝器20和后处理系统，所述的混料釜14的输出端和第一管道反应器15的输入端通过第一导管21连接，第一导管21上设置有第四计量泵12，所述的第一管道反应器15的输出端与混料器13的输入端通过第二导管22连接，所述的混料器13的输出端通过第三导管23与第二管道反应器16的输入端连接，所述的第二管道反应器16的输出端与冷凝器20的输入端通过第四导管24连接，冷凝器20的输出端与后处理系统连接。
其中，第一管道反应器15的管长为30m，管道直径为6mm；第二管道反应器16的管长为30m，管道直径为10mm。第一管道反应器15和第二管道反应器16的管道均为连续S型管。
混料釜14的釜体外部设置有混料釜控温夹套17、第一管道反应器15的外部设置有第一管道反应器控温夹套18，第二管道反应器16设置有第二管道反应器控温夹套19。
混料釜14的输入端还与设置在混料釜14的上游端的第一固体加料器1和第二固体加料器2相连，所述的混料釜14的上游端还设置有第一贮存器3，所述的第一贮存器3与混料釜14相连接的导管上依次设置有第一截止阀6和第一计量泵9。
混料器13的输入端还分别与第二贮存器4和第三贮存器5相连，所述的第二贮存器4和第三贮存器5与混料器13相连接的导管上分别依次设置有第二截止阀7和第二计量泵10，第三截止阀8和第三计量泵11。
使用该装置制备氧化石墨烯时，将粒径在200微米以下的石墨粉和氯酸钾分别置于第一固体加料器1中和第二固体加料器2中，将浓硝酸置于第一贮存器3中，利用混料釜控温夹套17将混料釜14降温至-15℃，利用第一管道反应器控温夹套18将第一管道反应器15升温至20℃，利用第二管道反应器控温夹套19将第二管道反应器16升温至20℃，通过第一计量泵9将浓硝酸连续输入至混料釜14内，开启第一固体加料器1和第二固体加料器2，并控制加料速度，使得石墨粉、氯酸钾和浓硝酸的质量比为1:8:30，在混料釜14中混合均匀后，通过第四计量泵12输送至第一管道反应器15中，在第一管道反应器15中进行氧化反应。
将乙二醇置于第二贮存器4中，将30％双氧水置于第三贮存器5中，分别通过第二计量泵10和第三计量泵11控制，使得乙二醇、双氧水和第一管道反应器15中的氧化反应液同时输入至混料器13中，控制流速使得进入混料器13的乙二醇、双氧水和氧化反应液的质量比为10:2:1，在混料器13中混合后输入至第二管道反应器16中进行分散和还原。
最后，将分散还原液输入至冷凝器20中冷却后再过滤，滤饼用3％盐酸洗涤三次，再分散于去离子水中，超声处理，离心分离，取下层深色液体，冻干，得到氧化石墨烯产物。
实施例3
一种制备氧化石墨烯的专用装置，包括混料釜14、第一管道反应器15、第二管道反应器16、混料器13、冷凝器20和后处理系统，所述的混料釜14的输出端和第一管道反应器15的输入端通过第一导管21连接，第一导管21上设置有第四计量泵12，所述的第一管道反应器15的输出端与混料器13的输入端通过第二导管22连接，所述的混料器13的输出端通过第三导管23与第二管道反应器16的输入端连接，所述的第二管道反应器16的输出端与冷凝器20的输入端通过第四导管24连接，冷凝器20的输出端与后处理系统连接。
其中，第一管道反应器15的管长为20m，管道直径为6mm；第二管道反应器16的管长为20m，管道直径为8mm。第一管道反应器15和第二管道反应器16的管道均为连续U型管。
混料釜14的釜体外部设置有混料釜控温夹套17、第一管道反应器15的外部设置有第一管道反应器控温夹套18，第二管道反应器16设置有第二管道反应器控温夹套19。
混料釜14的输入端还与设置在混料釜14的上游端的第一固体加料器1和第二固体加料器2相连，所述的混料釜14的上游端还设置有第一贮存器3，所述的第一贮存器3与混料釜14相连接的导管上依次设置有第一截止阀6和第一计量泵9。
混料器13的输入端还分别与第二贮存器4和第三贮存器5相连，所述的第二贮存器4和第三贮存器5与混料器13相连接的导管上分别依次设置有第二截止阀7和第二计量泵10，第三截止阀8和第三计量泵11。
使用该装置制备氧化石墨烯时，将粒径在200微米以下的石墨粉、过硫酸钾和过硼酸钠按照质量比为1：1的混合物分别置于第一固体加料器1中和第二固体加料器2中，将乙酸置于第一贮存器3中，利用混料釜控温夹套17将混料釜14降温至10℃，利用第一管道反应器控温夹套18将第一管道反应器15升温至150℃，利用第二管道反应器控温夹套19将第二管道反应器16升温至200℃，通过第一计量泵9将乙酸连续输入至混料釜14内，开启第一固体加料器1和第二固体加料器2，并控制加料速度，使得石墨粉、氧化剂和乙酸的质量比为1:20:100，在混料釜14中混合均匀后，通过第四计量泵12输送至第一管道反应器15中，在第一管道反应器15中进行氧化反应。
将DMF置于第二贮存器4中，将30％双氧水置于第三贮存器5中，分别通过第二计量泵10和第三计量泵11控制，使得DMF、双氧水和第一管道反应器15中的氧化反应液同时输入至混料器13中，控制流速使得进入混料器13的DMF、双氧水和氧化反应液的质量比为100:40:1，在混料器13中混合后输入至第二管道反应器16中进行分散和还原。
最后，将分散还原液输入至冷凝器20中冷却后再经超声处理得到亮黄色氧化石墨烯分散液。
实施例4
一种制备氧化石墨烯的专用装置，包括混料釜14、第一管道反应器15、第二管道反应器16、混料器13、冷凝器20和后处理系统，所述的混料釜14的输出端和第一管道反应器15的输入端通过第一导管21连接，第一导管21上设置有第四计量泵12，所述的第一管道反应器15的输出端与混料器13的输入端通过第二导管22连接，所述的混料器13的输出端通过第三导管23与第二管道反应器16的输入端连接，所述的第二管道反应器16的输出端与冷凝器20的输入端通过第四导管24连接，冷凝器20的输出端与后处理系统连接。
其中，第一管道反应器15的管长为30m，管道直径为6mm；第二管道反应器16的管长为30m，管道直径为8mm。第一管道反应器15的管道为盘管，第二管道反应器16的管道为连续U型管。
混料釜14的釜体外部设置有混料釜控温夹套17、第一管道反应器15的外部设置有第一管道反应器控温夹套18，第二管道反应器16设置有第二管道反应器控温夹套19。
混料釜14的输入端还与设置在混料釜14的上游端的第一固体加料器1和第二固体加料器2相连，所述的混料釜14的上游端还设置有第一贮存器3，所述的第一贮存器3与混料釜14相连接的导管上依次设置有第一截止阀6和第一计量泵9。
混料器13的输入端还分别与第二贮存器4和第三贮存器5相连，所述的第二贮存器4和第三贮存器5与混料器13相连接的导管上分别依次设置有第二截止阀7和第二计量泵10，第三截止阀8和第三计量泵11。
使用该装置制备氧化石墨烯时，将粒径在200微米以下的石墨粉和过硼酸钠分别置于第一固体加料器1中和第二固体加料器2中，将磷酸置于第一贮存器3中，利用混料釜控温夹套17将混料釜14降温至-10℃，利用第一管道反应器控温夹套18将第一管道反应器15升温至30℃，利用第二管道反应器控温夹套19将第二管道反应器16升温至80℃，通过第一计量泵9将磷酸连续输入至混料釜14内，开启第一固体加料器1和第二固体加料器2，并控制加料速度，使得石墨粉、过硼酸钠和磷酸的质量比为1:18:50，在混料釜14中混合均匀后，通过第四计量泵12输送至第一管道反应器15中，在第一管道反应器15中进行氧化反应。
将NMP置于第二贮存器4中，将30％双氧水置于第三贮存器5中，分别通过第二计量泵10和第三计量泵11控制，使得NMP、双氧水和第一管道反应器15中的氧化反应液同时输入至混料器13中，控制流速使得进入混料器13的NMP、双氧水和氧化反应液的质量比为50:10:1，在混料器13中混合后输入至第二管道反应器16中进行分散和还原。
最后，将分散还原液输入至冷凝器20中冷却后再经透析处理得到氧化石墨烯产物。
实施例5
一种制备氧化石墨烯的专用装置，包括混料釜14、第一管道反应器15、第二管道反应器16、混料器13、冷凝器20和后处理系统，所述的混料釜14的输出端和第一管道反应器15的输入端通过第一导管21连接，第一导管21上设置有第四计量泵12，所述的第一管道反应器15的输出端与混料器13的输入端通过第二导管22连接，所述的混料器13的输出端通过第三导管23与第二管道反应器16的输入端连接，所述的第二管道反应器16的输出端与冷凝器20的输入端通过第四导管24连接，冷凝器20的输出端与后处理系统连接。
其中，第一管道反应器15的管长为30m，管道直径为6mm；第二管道反应器16的管长为30m，管道直径为8mm。第一管道反应器15的管道为连续S型管，第二管道反应器16的管道为连续U型管。
混料釜14的釜体外部设置有混料釜控温夹套17、第一管道反应器15的外部设置有第一管道反应器控温夹套18，第二管道反应器16设置有第二管道反应器控温夹套19。
混料釜14的输入端还与设置在混料釜14的上游端的第一固体加料器1和第二固体加料器2相连，所述的混料釜14的上游端还设置有第一贮存器3，所述的第一贮存器3与混料釜14相连接的导管上依次设置有第一截止阀6和第一计量泵9。
混料器13的输入端还分别与第二贮存器4和第三贮存器5相连，所述的第二贮存器4和第三贮存器5与混料器13相连接的导管上分别依次设置有第二截止阀7和第二计量泵10，第三截止阀8和第三计量泵11。
使用该装置制备氧化石墨烯时，将粒径在200微米以下的石墨粉和高锰酸钾分别置于第一固体加料器1中和第二固体加料器2中，将98％浓硫酸和乙酸(质量比为5:1)的混合物置于第一贮存器3中，利用混料釜控温夹套17将混料釜14降温至-5℃，利用第一管道反应器控温夹套18将第一管道反应器15升温至140℃，利用第二管道反应器控温夹套19将第二管道反应器16升温至190℃，通过第一计量泵9将酸连续输入至混料釜14内，开启第一固体加料器1和第二固体加料器2，并控制加料速度，使得石墨粉、高锰酸钾和酸的质量比为1:3:100，在混料釜14中混合均匀后，通过第四计量泵12输送至第一管道反应器15中，在第一管道反应器15中进行氧化反应。
将THF置于第二贮存器4中，将30％双氧水置于第三贮存器5中，分别通过第二计量泵10和第三计量泵11控制，使得THF、双氧水和第一管道反应器15中的氧化反应液同时输入至混料器13中，控制流速使得进入混料器13的THF、双氧水和氧化反应液的质量比为80:5:1，在混料器13中混合后输入至第二管道反应器16中进行分散和还原。
最后，将分散还原液输入至冷凝器20中冷却后再经超声处理得到亮黄色氧化石墨烯分散液。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。