自动化制备高纯碳纳米管的装置以及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高纯碳纳米管领域，尤其是制备高纯碳纳米管的装置和方法，具体涉及一种自动化制备高纯碳纳米管的装置以及方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米管是一种一维构造材料，其具有将石墨烯片卷成筒状的构造，具有大长宽比，碳纳米管具有诸多优良性能:出色的机械强度和柔软性，具有半导体或金属导电性，稳定的化学性能。电弧放电法和CVD热解法是两种常用的生产碳纳米管的方法，1991年日本物理学家饭岛澄男利用电弧放电法从碳纤维中首次发现碳纳米管，电弧放电法的具体过程是:将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发电弧，温度达到4000°C左右，在这种条件下，石墨蒸发生产的产物包括富勒烯(C6tl)、无定型碳和单壁或多壁碳纳米管，通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对含量。CVD热解法采用过渡金属作为催化剂，在700-1600K的条件下，通过碳氢化合物的分解得到碳纳米管。
[0003]电弧放电法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C6tl等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，此外该方法反应消耗能量太大。目前，通过催化烃类裂解生产多壁碳纳米管的工艺已经具有商业模式，但是如何保障一维纳米材料的顺利流化、反应床体不出现结块、不产生局部高温及浓度不均、并实现连续化生产一直是碳纳米管生产行业中难以克服的难题。
[0004]碳纳米管的一般制备过程与有机合成反映类似，其副反应复杂多样，但由于设备的原因限制了生产规模。单纯通过控制容器中氢气的含量，并不能有效的控制碳纳米管的生长和产量。目前，现有技术均是仅使用单独流化床进行进行反应制备碳纳米管，并没有真正实现连续化的生产，而且无法在较宽范围内调整工艺条件，难以控制流化状态和传质穿热的稳定性，因而无法保证连续生产出高品质的碳纳米管。
【发明内容】
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供了一种自动化制备高纯碳纳米管的装置和方法，该装置能够连续化生产碳纳米管，能够安全稳定规模化的生产出高纯碳纳米管。
[0006]本发明的原理为:催化裂解法是在600-1000°C的温度及催化剂的作用下，使含碳气体原料(如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等)分解来制备碳纳米管的一种方法。此方法在较高温度下使含碳化合物裂解为碳原子，碳原子在过渡金属-催化剂作用下，附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。催化裂解法中所使用的催化剂活性组分多为第八族过渡金属或其合金，少量加入Cu、Zn、Mg等可调节活性金属能量状态，改变其化学吸附与分解含碳气体的能力。催化剂前体对形成金属单质的活性有影响，金属氧化物、硫化物、碳化物及有机金属化合物。
[0007]为达到上述目的，本发明的技术方案如下:
[0008]一种自动化制备高纯碳纳米管的装置，其包括反应物输送装置、化学反应装置、收集装置、电炉温度控制系统和真空泵装置，所述反应物输送装置将原料、催化剂以及还原气体输送到所述化学反应装置中，在所述化学反应装置中生成碳纳米管，碳纳米管被推送到收集装置中；所述化学反应装置包括串联在一起的预反应器和主反应器，所述预反应器和主反应器由所述电炉温度控制系统控制其反应温度，原料、催化剂以及还原气体在所述预反应器内预反应生成碳纳米管，然后将碳纳米管吹入到所述主反应器中继续反应；所述预反应器的尾气通入所述主反应器中继续转化，同时向所述主反应器内部通入催化剂和原料。
[0009]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述电炉温度控制系统包括:电炉加热装置、废气排放系统、电加热元件系统、动力控制系统和温度控制系统，所述电炉加热装置通过所述电加热元件系统对化学反应装置加热，所述废气排放系统将所述化学反应装置内部的废气排出，所述动力控制系统控制所述化学反应装置出料，所述温度控制系统控制所述化学反应装置的温度。
[0010]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述电炉加热装置包括:预加热室、主加热室以及保温炉衬，所述预加热室设置为所述预反应器加热，所述主加热室为所述主反应器加热，所述保温炉衬用于预加热室和主加热室保温。
[0011]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述温度控制系统包括若干用于参数采样的热电偶，所述热电偶分别设置在所述电炉加热装置和化学反应装置内部。
[0012]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述反应物输送装置包括原料存储装置和气体装置，所述原料存储装置通过管路连接到预反应器上，所述气体装置通过管路连接到所述预反应器上。
[0013]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述原料存储装置与预反应器之间的管路上设有热气流数据控制装置，所述气体装置与预反应器之间的管路上也设有热气流数据控制装置，通过所述热气流数据控制装置分别控制所述原料存储装置和气体装置通过预反应器中物料的速度。
[0014]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，一种高纯碳纳米管的制备方法，制备方法包括以下几步:
[0015]第一步:将催化剂放入到预反应器内，在340_950°C下，在还原气氛下进行还原反应，使催化剂中活性物质还原为单质金属纳米颗粒；
[0016]第二步:预反应器的温度升温至650_950°C，再将催化剂从催化中心输送到预反应器中，通入原料、氢气与氮气的混合气体至预反应器中，进行反应；
[0017]第三步:预反应器中生成的碳纳米管逐渐膨胀到整个床层高度，然后将预反应器中的碳纳米管输送到主反应器中继续反应；接着将预反应器的尾气通入主反应器继续转化，或者直接向主反应器内通入原料进行补充；
[0018]第四步:在主反应器中再通入催化剂和原料，从预反应器中通入的尾气与通入的催化剂和原料的密度不一致形成对流，使主反应器中充分反应；
[0019]第五步:通过设置在主反应器和收集装置之间的气动阀将碳纳米管推送到收集装置中，在推送过程中使用保护气体保护，再降温冷却，最后进行包装，即成。
[0020]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，第二步中的原料包括碳源气体或者液体碳源，氢气、原料和氮气三者体积比为2.5:1:5.5。
[0021]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，第二步反应过程中气体的空塔流速为0.1-4.5m/s。
[0022]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，第三步中将碳纳米管由预反应器中输送到主反应器中的方式包括以下中的任意一种:增大预反应器中的气流将碳纳米管吹入到主反应器中；延长反应时间，粗产品密度降低，在正常气流速度下被夹带出预反应器。
[0023]本发明的有益效果是:
[0024]其一、本发明的装置能够安全稳定的连续生产高纯碳纳米管，提高了产品的稳定性和操作的灵活性，使用该装置生产高纯碳纳米管从进料到出料实现连续化生产，提高了流程效率，并且获得的碳纳米管产品的纯度高。
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