一种基于碳纳米管的碘提纯装置及其提纯方法与流程

本发明涉及碳纳米管的纯化技术领域，尤其涉及一种基于碳纳米管的碘提纯装置及其提纯方法。

背景技术：

近年来锂离子电池产业发展迅速，作为正极导电剂的碳纳米管产业快速崛起。在动力锂离子电池领域，对碳纳米管纯度及导电性要求极高，通常要求其粉体中的金属杂质在100ppm之内。碳纳米管的常用纯化方法有酸纯化、高温石墨化、氯气纯化。酸纯化方法每提纯一吨碳纳米管会产生200吨废水，环保处理成本极高；高温石墨化提纯设备昂贵，消耗大量电能，提纯后的产物电阻上升50%以上；氯气纯化风险较高，如有泄露会造成严重的人员伤亡。

对于上述问题，中国专利申请号为“201680004658.7”所公开的“流化床反应器的cnt纯化方法”和中国专利申请号为“201680003101.1”所公开的“碳纳米管的纯化方法”都对此提出了改进方法，但是在实施过程中仍然具有多处不足：

1、流化床反应器在使用过程中由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，降低了目标产物的收率；

2、流化床反应器中反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率，同时，床层内的复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条件下，难以揭示其统一的规律，也难以脱离经验放大、经验操作

3、由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失，催化剂的大量流失导致生产成本较高。

为此，我们提出一种基于碳纳米管的碘提纯装置及其提纯方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种基于碳纳米管的碘提纯装置及其提纯方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于碳纳米管的碘提纯方法，包括以下步骤：

s1：加碘颗粒；取一定量的碘颗粒加入到加热反应器内并将加热反应器密封；

s2：加碳纳米管粉体；取一定量的碳纳米管加入到石英管式炉中；

s3：排气；将石英管式炉和加热反应器连接，连接后向加热反应器内通入氮气，氮气通入排出加热反应器中的空气；

s4：加热；将加热反应器的温度加热至300～350℃，加热反应器中的碘颗粒产生碘蒸汽，用氮气作载气将碘蒸汽一起通入到石英管式炉；

s5：反应；将石英管式炉加热至800～900℃，碘蒸汽与碳纳米管在石英管式炉内充分反应1～3小时，除去碳纳米管中的金属杂质；

s6：降温；关闭石英管式炉，待石英管式炉内温度降低至80℃后收集石英管式炉内的高纯碳纳米管；

s7：收集；将碘蒸汽与碳纳米管反应过程中产生的含有金属碘化物的尾气与碘蒸汽混合气体用冰水收集形成碘颗粒；

s8：过滤；将碘颗粒从冰水中过滤后收集备用。

在上述的基于碳纳米管的碘提纯方法中，步骤s1中碘颗粒与步骤s2的碳纳米管的重量比例为1:15～1:25。

一种基于碳纳米管的碘提纯装置，包括加热反应器、石英管式炉和水箱，所述加热反应器与石英管式炉之间通过第一连接管连接，所述石英管式炉与水箱之间通过第二连接管连接，且第二连接管远离石英管式炉的一端插设在水箱内。

在上述的基于碳纳米管的碘提纯装置中，所述加热反应器包括反应箱体和盖体，且盖体转动连接在反应箱体上，所述反应箱体的下端对称设置有多个支撑腿，所述反应箱体的外侧壁上安装有加热盘管，所述盖体的上端连通有进气管和排气管，且第一连接管通过连接法兰安装在排气管上。

在上述的基于碳纳米管的碘提纯装置中，所述加热反应器包括反应箱体和盖体，所述盖体的上端面焊接有安装架，所述安装架的上端面安装有驱动电机，所述驱动电机的输出轴贯穿盖体并焊接有搅拌器。

在上述的基于碳纳米管的碘提纯装置中，所述石英管式炉包括机体，所述机体上水平插设有石英管体，所述机体内开设有空腔，所述空腔内安装有加热器，且加热器环设在石英管体的管壁上，所述石英管体的一端安装有安装机构，所述安装机构上插设有入气管和出气管，且入气管与第一连接管连接，且出气管与第二连接管连接。

在上述的基于碳纳米管的碘提纯装置中，所述安装机构包括安装基座和安装子座，所述安装基座安装在石英管体的侧壁上，且石英管体的管口贯穿安装基座并与安装基座的端面处于同一平面内，所述安装子座通过锁紧螺钉安装在安装基座上，所述入气管和出气管插设在安装子座上并延伸至石英管体内。

在上述的基于碳纳米管的碘提纯装置中，所述第一连接管上安装有第一阀门，所述第二连接管上安装有第二阀门。

在上述的基于碳纳米管的碘提纯装置中，所述石英管体远离安装机构的一端塞设有保温堵头，所述保温堵头上安装有把手。

在上述的基于碳纳米管的碘提纯装置中，所述安装子座的端面上安装有橡胶圈，且橡胶圈分为安装部和延伸部，所述安装部的直径与石英管体的外径相等，且安装部与石英管体的端口相抵，所述延伸部的直径与石英管体的内径相等，且延伸部延伸至石英管体内。

在上述的基于碳纳米管的碘提纯装置中，所述机体的侧壁上对称焊接有多个三角架，位置相对应的两个所述三角架之间共同焊接有加强板，其中一个所述加强板的上端面与安装机构的下端相抵，另一个所述加强板的上端面与保温堵头的下端面相抵。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用循环利用的碘纯化碳纳米管，加热温度相对低，且碘可通过冰水收集循环利用，成本较低，无环境污染。

2、本发明提纯效率高，单次提纯周期为5～8小时，优于高温石墨化的至少48小时和酸纯化的72小时。

3、本发明提纯效果显著，成品碳纳米管粉体中金属杂质可控制在100ppm以内。

4、本发明中采用了石英管式炉来进行碳纳米管的纯化，石英管式炉制造工艺成熟，炉型结构简单，操作简便，便于控制，能够实现连续化生产，动力消耗少，热效率高，对于生产产物收集率较高，一定程度上降低生产成本。

本发明中使用的核心提纯剂碘在系统中内部循环，不会造成环境污染；提纯剂循环利用，降低成本，加热温度低，降低能耗；碘蒸汽如有泄露会在空气中立刻凝华为碘颗粒，确保操作安全。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于碳纳米管的碘提纯装置的结构示意图；

图2为本发明提出的一种基于碳纳米管的碘提纯装置中加热反应器的结构示意图；

图3为本发明提出的一种基于碳纳米管的碘提纯装置中石英管式炉部分结构放大图。

图中：1加热反应器、2石英管式炉、3加强板、4三角架、5橡胶圈、6第二阀门、7第一阀门、8第一连接管、9第二连接管、10水箱；

1加热反应器、101反应箱体、102加热盘管、103支撑腿、104盖体、105排气管、106驱动电机、107安装架、108进气管、109搅拌器；

2石英管式炉、201机体、202加热器、203石英管体、204保温堵头、205安装基座、206入气管、207出气管、208安装子座。

具体实施方式

以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。

实施例一

参照图1-3，一种基于碳纳米管的碘提纯装置，包括加热反应器1、石英管式炉2和水箱10，加热反应器1与石英管式炉2之间通过第一连接管8连接，第一连接管8上安装有第一阀门7，加热反应器1包括反应箱体101和盖体104，且盖体104转动连接在反应箱体101上，反应箱体101的下端对称设置有多个支撑腿103，反应箱体101的外侧壁上安装有加热盘管102，盖体104的上端连通有进气管108和排气管105，且第一连接管8通过连接法兰安装在排气管105上；

盖体104的上端面焊接有安装架107，安装架107的上端面安装有驱动电机106，驱动电机106的输出轴贯穿盖体104并焊接有搅拌器109。

石英管式炉2与水箱10之间通过第二连接管9连接，第二连接管9上安装有第二阀门6，且第二连接管9远离石英管式炉2的一端插设在水箱10内。

石英管式炉2包括机体201，机体201上水平插设有石英管体203，机体201内开设有空腔，空腔内安装有加热器202，且加热器202环设在石英管体203的管壁上，石英管体203的一端安装有安装机构，安装机构上插设有入气管206和出气管207，且入气管206与第一连接管8连接，且出气管207与第二连接管9连接，石英管体203远离安装机构的一端塞设有保温堵头204，保温堵头204上安装有把手。

安装机构包括安装基座205和安装子座208，安装基座205安装在石英管体203的侧壁上，且石英管体203的管口贯穿安装基座205并与安装基座205的端面处于同一平面内，安装子座208通过锁紧螺钉安装在安装基座205上，入气管206和出气管207插设在安装子座208上并延伸至石英管体203内。

安装子座208的端面上安装有橡胶圈5，且橡胶圈5分为安装部和延伸部，安装部的直径与石英管体203的外径相等，且安装部与石英管体203的端口相抵，延伸部的直径与石英管体203的内径相等，且延伸部延伸至石英管体203内。

机体201的侧壁上对称焊接有多个三角架4，位置相对应的两个三角架4之间共同焊接有加强板3，其中一个加强板3的上端面与安装机构的下端相抵，另一个加强板3的上端面与保温堵头204的下端面相抵。

s1：首先称取5公斤的碘颗粒，转动盖体104，将碘颗粒从盖体104与反应箱体101之间的间隙加入到反应箱体101内，关闭盖体104；

s2：称取100公斤铁系碳纳米管（铁含量10000ppm），通过把手将保温堵头204从石英管体203的管口处拆卸，将称取的铁系碳纳米管加入到石英管体203中，然后将保温堵头204安装在石英管体203的管口处；

s3：打开第一阀门7和第二阀门6，通过外接的连接管道和进气管108向反应箱体101内通入氮气，氮气进入反应箱体101后，反应箱体101内部的空气通过第一连接管8进入石英管体203中，随着氮气的增多，空气通过第二连接管9排出石英管体203；

s4：打开加热盘管102，将反应箱体101的温度加热至350℃，加热反应器中1内的碘颗粒产生碘蒸汽，同时打开驱动电机106，却电机106的输出轴带动搅拌器109转动，对反应箱体101内部的物料进行搅拌，夹块碘颗粒产生碘蒸汽的速度，用氮气作载气将碘蒸汽一起通入到石英管体203中；

s5：打开加热器202，直至将石英管体203加热至800℃，碘蒸汽与铁系碳纳米管粉体在石英管体203内充分反应2小时；

s6：关闭加热器202，待石英管体203的温度降低至80℃后通过把手拆卸保温堵头204，收集石英管体内的高纯碳纳米管；

s7：在碘蒸汽与铁系碳纳米管反应过程中会产生的碘化亚铁与碘蒸汽混合气体，混合气体通过出气管207进入水箱10内，混合气体与水箱10内盛放的冰水反应产生碘颗粒沉降到底部；

s8：通过过滤装置过滤水箱10内的溶液获得3.5公斤碘颗粒，过滤后的溶液为碘化亚铁水溶液。

对s6中提纯后的碳纳米管经检测其中铁含量为50ppm，降低了99.5%。

实施例二：

s1：首先称取5公斤的碘颗粒，转动盖体104，将碘颗粒从盖体104与反应箱体101之间的间隙加入到反应箱体101内，关闭盖体104；

s2：称取100公斤钴系碳纳米管（钴含量8000ppm），通过把手将保温堵头204从石英管体203的管口处拆卸，将称取的钴系碳纳米管加入到石英管体203中，然后将保温堵头204安装在石英管体203的管口处；

s3：打开第一阀门7和第二阀门6，通过外接的连接管道和进气管108向反应箱体101内通入氮气，氮气进入反应箱体101后，反应箱体101内部的空气通过第一连接管8进入石英管体203中，随着氮气的增多，空气通过第二连接管9排出石英管体203；

s4：打开加热盘管102，将反应箱体101的温度加热至350℃，加热反应器中1内的碘颗粒产生碘蒸汽，同时打开驱动电机106，却电机106的输出轴带动搅拌器109转动，对反应箱体101内部的物料进行搅拌，夹块碘颗粒产生碘蒸汽的速度，用氮气作载气将碘蒸汽一起通入到石英管体203中；

s5：打开加热器202，直至将石英管体203加热至850℃，碘蒸汽与钴系碳纳米管在石英管体203内充分反应3小时；

s6：关闭加热器202，待石英管体203的温度降低至80℃后通过把手拆卸保温堵头204，收集石英管体内的高纯碳纳米管；

s7：在碘蒸汽与碳纳米管粉体反应过程中会产生的碘化亚钴与碘蒸汽混合气体，混合气体通过出气管207进入水箱10内，混合气体与水箱10内盛放的冰水反应产生碘颗粒沉降到底部；

s8：通过过滤装置过滤水箱10内的溶液获得3.3公斤碘颗粒，过滤后的溶液为碘化亚钴水溶液。

对s6中提纯后的碳纳米管经检测其中钴含量为80ppm，降低了99.2%。

尽管本文较多地使用了加热反应器1、反应箱体101、加热盘管102、支撑腿103、盖体104、排气管105、驱动电机106、安装架107、进气管108、搅拌器109、石英管式炉2、机体201、加热器202、石英管体203、保温堵头204、加热器205、入气管206、出气管207、安装子座208、加强板3、三角架4、橡胶圈5、第二阀门6、第一阀门7、第一连接管8、第二连接管9、水箱10等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。