一种高效超重力剥离二维纳米材料的方法与流程

本发明涉及化学工程与技术领域，尤其涉及一种高效超重力剥离二维纳米材料的方法。

背景技术：

超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术，由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点，使得超重力技术在环保、材料、生物、化工等工业领域中有广阔的商业化应用前景。超重力工程技术的基本原理是利用超重力场条件下多相流体系的独特流动行为,强化相与相之间的相对速度和相互接触,从而实现高效的动量、质量和热量传递过程。形成超重力场的方式是通过马达转动设备整体或部件形成离心力场。

所谓正、负能量流是指流体在流动过程中机械能正快速增加或减少，二者之间存在着相互吸引，相互依托和相互转化的关系。旋转的基本方式有两种：一次旋转和二次旋转，一次旋转是指物体始终沿着一个方向旋转，二次旋转是指物体每旋转180度，旋转方向颠倒一次。一次旋转流的特征是旋转中心和离心力的方向都始终固定不变，以离心泵为例，流体进入离心泵时机械能沿轴向迅速减小，属于负能量流；而当流体沿着离心泵的径向被向外甩出时，机械能沿径向快速增加，属于正能量流。一次旋转流从整体来看是典型的正能量流，但正能量流的中心是负能量流，一次旋转流内正、负能量流是完全分离的。

二次旋转流从整体来看是典型的负能量流，当含有很高机械能的流体进入二次旋转流道时，流体的机械能沿流动方向（即轴向）快速均匀地降低。与此同步，在流通截面上产生二次流动，二次流动属于正能量流，当二次流动达到惯性流动状态后，正能量流消失。因此，在二次旋转流的初始阶段，正、负能量流同时产生并完全融为一体，正能量流可以充分吸收负能量流的能量并形成高速旋转的迪恩涡，迪恩涡的形成是流体径向剪应力均匀分布的结果和外在表现。通过不断提高二次旋转流的超重力水平和颠倒频率，可以延长二次旋转流内正能量流的存在时间。

中国专利文献上公开了“一种高效剥离二维纳米材料的方法及装置”，其公告号为cn107139573a，该发明介绍了一种高效剥离二维纳米材料的方法，其典型特征是二次旋转流混合器，流体在混合器内流动过程中，每旋转180度旋转方向颠倒一次，旋转方向每颠倒一次超重力场强度增大一次，实验发现采用这种方法可以实现高效剥离高质量的少层石墨烯（石墨烯层数可以控制在小于3层范围内）的效果。但是，这种方法仍存在明显的不足之处，即二次旋转流反应器需要与一台多级离心泵和一台列管式换热器串联使用，当二次旋转流反应器的入口压力达到2.0兆帕，入口流量为200毫升/秒，流体的总机械能约为0.4千瓦。为了达到上述压力和流量的要求，多级离心泵的总输出功率需要2.0千瓦，多出的1.6千瓦的机械能以热能的方式耗散进入剥离体系中，即多级离心泵的有效功率只有20%。为了控制剥离过程在较低温度下连续进行，需要串联一台列管式换热器，而列管式换热器内部的致冷液，则来自总输出功率高达4.0千瓦的冷冻液体循环泵。

技术实现要素：

本发明为了克服上述现有技术中存在的问题，提供了一种高效超重力剥离二维纳米材料的方法，可以实现快速、高效节能、低成本、大批量、高质量地生产各种二维层状纳米材料的效果。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高效超重力剥离二维纳米材料的方法，包括以下步骤：

（1）将二维层状材料投入分散液中，使得二维层状材料的表面被分散液充分润湿，且混合均匀，得物料分散液，然后将物料分散液输入至循环储槽；

（2）所述物料分散液从循环储槽下端的出口输出，通过管路进入高速旋转的二次旋转流反应器的中心入口，从反应器出口流出的料液，通过管路进入列管式换热器的入口，从列管式换热器出口流出的料液回流至循环储槽中，如此循环多次后得到层数在3层以下的少层二维纳米材料。

本发明将一次旋转与二次旋转统一为一个整体，使一次旋转产生的正能量流与二次旋转产生的负能量流统一为一体，正能量流直接转化为负能量流，基本不存在机械能的耗散，进而显著降低致冷功率。

作为优选，所述二次旋转流反应器包括转盘，所述转盘的中心设有入口，所述转盘外侧设有开口，所述开口通过二次旋转流道与入口相连接；所述二次旋转流道的流通截面为圆形，以利于形成均匀分布的剪切力场和迪恩涡，最小的二次旋转半径r与流通截面的直径d之比大于5。

高速旋转的二次旋转流反应器是一个转盘，进口位于转盘的中心开口处，出口位于转盘最外侧的两个开口。在剥离二维纳米材料过程中，进、出口压力完全相等，该反应器靠一部马达驱动而高速转动起来，当料液进入高速旋转的反应器中心后被快速甩入二次旋转流道内，在二次旋转流道内料液沿轴向所具有的很高的超重力势能直接转化为沿径向高速旋转所形成的迪恩涡的动能，避免了先前所述的超重力势能先转化为静压能，静压能再转化为动能所带来的中转过程中机械能的损耗。在迪恩涡内的所有二维材料，全部被迪恩涡甩向壁面，二维材料与壁面发生碰撞和摩擦，迪恩涡内流层间强劲的剪切力作用为二维材料在壁面上摩擦提供了足够高的动能，使二维材料被快速层层剥离出二维纳米材料（层数少于3层），这些紧贴壁面剥离下来的二维纳米材料再被流层从壁面强力剥离进入液相主体中。

作为优选，所述二维层状材料为第四至第六主族半导体化合物（如gase、sns）、过渡金属卤化物（如pbi2、mgbr2）、金属氧化物(如mno2、moo3)、六方氮化硼（白石墨烯）、石墨相氮化碳、过渡金属碳化物、碳氮化物、第四主族石墨烯类似物（半金属硅烯、锗烯）、第四主族元素的蜂窝状二元化合物（如sic、snge）、第三至第六主族化合物（如insb、gan）、第五主族元素（如磷烯、砷烯和锑烯）、硅酸盐、硅铝酸盐的电荷平衡膜板（如云母、粘土）、层状水滑石中的一种。

作为优选，步骤（1）中，所述物料分散液的浓度控制在2.0~8.0g/l。

作为优选，步骤（2）中，流体在二次旋转流反应器内的二次旋转流道中共旋转360度，在旋转过程中由二次旋转所产生的超重力场强连续快速增加，在第一个180度旋转过程中超重力场强从3000g连续快速增加至6000g，然后旋转方向发生颠倒，在第二个180度旋转过程中超重力场强从6000g连续快速增加至9000g。

作为优选，通过连续缩短旋转半径实现二次旋转所产生的超重力场强的连续快速增加。

作为优选，步骤（2）中，在剥离过程中高速旋转的二次旋转流反应器进口与出口之间的超重力势能差大于2.0mpa。

作为优选，步骤（2）中，所述物料分散液在二次旋转流道中流动时轴向平均线速度不低于30m/s。

作为优选，所述二次旋转流反应器腔体内部具有流线形结构，转盘在腔体内部高速旋转过程中空气阻力越小越好。

作为优选，剥离过程中温度控制在0℃以下。

作为优选，所述超重力剥离二维纳米材料的方法进行规模放大的方式是按比例放大。

因此，本发明具有如下有益效果：采用本发明的工艺可以实现快速、高效、低成本、大批量、高质量地生产各种二维层状纳米材料。

附图说明

图1是二次旋转流反应器的结构示意图。

图2是二次旋转流反应器中转盘的结构示意图。

图中：转盘1，支架2，马达3，入口4，开口5，二次旋转流道6。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。

本发明所用二次旋转流反应器如图1所示，包括转盘1，该转盘由上、下两部分构成，图1中所示转盘部分是将转盘上、下两部分合在一起后的示意图，转盘底部设有支架2，转盘固定在马达3的转子上；图2中所示部分是将转盘上部打开后显示的二次旋转流道的内部结构。转盘的中心设有入口4，转盘外侧设有两个开口5，开口通过二次旋转流道6与入口相连接；二次旋转流道的流通截面为圆形，最小的二次旋转半径r与流通截面的直径d之比大于5；二次旋转流反应器腔体内部具有流线形结构。

以剥离制备少层石墨烯材料的过程作为具体实施例加以说明，采用异丙醇水溶液（英文缩写：ipa）作为分散液，该溶液的比重为0.95至0.96g/ml，以鳞片状石墨为原料。

具体操作步骤如下：

（1）将鳞片状石墨投入异丙醇水溶液中，使得鳞片状石墨的表面被分散液充分润湿，且混合均匀得浓度为4.0g/l的石墨本体分散液，然后将石墨本体分散液输入至循环储槽；

（2）石墨本体分散液从循环储槽下端的出口输出，通过管路进入高速旋转的二次旋转流反应器的中心入口，从反应器出口流出的料液，通过管路进入列管式换热器的入口，从列管式换热器出口流出的料液回流至循环储槽中，如此循环多次后得到层数在3层以下的石墨烯纳米材料；流体在二次旋转流反应器内的二次旋转流道中共旋转360度，在旋转过程中由二次旋转所产生的超重力场强连续快速增加，在第一个180度旋转过程中超重力场强从3000g连续快速增加至6000g，然后旋转方向发生颠倒，在第二个180度旋转过程中超重力场强从6000g连续快速增加至9000g；石墨本体分散液在二次旋转流道中流动时轴向平均线速度为40m/s，整个剥离过程中，温度控制在0℃以下；

在剥离鳞片状石墨过程中，二次旋转流反应器的进、出口压力完全相等，高速旋转的二次旋转流反应器进口与出口之间的超重力势能差大于2.0mpa。该二次旋转流反应器靠一部马达驱动而高速转动起来，当石墨本体分散液进入高速旋转的二次旋转流反应器中心后被快速甩入二次旋转流道内，在二次旋转流道内料液沿轴向所具有的很高的超重力势能直接转化为沿径向高速旋转所形成的迪恩涡的动能，避免了先前所述的超重力势能先转化为静压能，静压能再转化为动能所带来的中转过程中机械能的损耗。在迪恩涡内的所有二维材料，全部被迪恩涡甩向壁面，二维材料与壁面发生碰撞和摩擦，迪恩涡内流层间强劲的剪切力作用为二维材料在壁面上摩擦提供了足够高的动能，使二维材料被快速层层剥离出石墨烯二维纳米材料（层数少于3层），这些紧贴壁面剥离下来的石墨烯二维纳米材料再被流层从壁面强力剥离进入液相主体中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。