Спосіб одержання графіту, що термічно розширюється

Спосіб одержання графіту, що термічно розширюється, який містить стадії послідовної обробки графіту водним розчином хромового ангідриду, концентрованою сірчаною кислотою, подальшої обробки окисленого графіту водою у стаціонарному, а потім у динамічному режимах та сушки кінцевого продукту, який відрізняється тим, що стадію обробки окисленого графіту водою у динамічному режимі здійснюють у центрифузі. (19) (21) 98062881 (22) 02.06.1998 (24) 15.12.2000 (33) UA (46) 15.12.2000, Бюл. № 7, 2000 р. (72) Ярошенко Олександр Павлович, Савоськін Михайло Віталійович (73) ІНСТИТУТ ФІЗИКО-ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ ТА ВУГЛЕХІМІЇ ІМ. Л.М. ЛИТВИНЕНКА НАН УКРАЇНИ 30796 промитого водою на нутч-фільтрі продукту окислення 50 кг графіту передбачає випаровування 60-75 кг води, триває 40-45 годин та потребує використання великої кількості електроенергії). Ще одним недоліком способу-прототипу [2] є неможливість одержання кінцевого продукту з параметром Кс500, який перевищує 200 см3/г. В основу винаходу, що пропонується, покладено слідуючи задачі. 1. Підвищення економічності та технологічності процесу за рахунок істотного зменшення тривалості стадії обробки окисленого графіту водою у динамічному режимі та зниження витрат води. 2. Зменшення тривалості стадії сушки промитого водою окисленого графіту та енергоємності цієї стадії за рахунок істотного зниження вологості промитого водою окисленого графіту, який подається на сушку. 3. Одержання кінцевого продукту з коефіцієнтом спучення при нагріві при 500°С у режимі теплового удару на рівні, який перевищує досягнутий при реалізації способу-прототипу, тобто одержання кінцевого продукту з параметром Кс500>200 см3/г. Рішення поставлених задач у пропонованому винаході досягається за рахунок того, що, на відміну від відомого способу-прототипу [2], який містить стадію обробки окисленого графіту водою у стаціонарному режимі, а потім у динамічному режимі на фільтрі під вакуумом, обробку окисленого графіту водою у динамічному режимі здійснюють у центрифузі. Суттєвою відміною пропонованого винаходу від прототипу є заміна стадії обробки окисленого графіту водою у динамічному режимі на фільтрі під вакуумом на стадію обробки окисленого графіту водою у динамічному режимі на фільтрі, який встановлено у центрифузі. Реалізація пропонованого винаходу дозволяє: - скоротити витрати води на стадії обробки окисленого графіту водою у динамічному режимі у 4 рази; - скоротати тривалість стадії обробки окисленого графіту водою у динамічному режимі у 56 разів; - зменшити вологість промитого водою окисленого графіту приблизно у 3,5 рази; - зменшити тривалість та енергоємність процесу сушки у 5-6 разів; - збільшити параметр Кс500 кінцевого продукту до 240 см3/г, тобто у 1,2 рази. Технічні ефекти, що досягнуто, дозволяють повністю вирішити задачі даного винаходу. Одночасно з суттєвим зниженням витрат води та тривалості обробки цілком несподівано знайдено, що при реалізації пропонованого винаходу відбувається збільшення коефіцієнту спучення кінцевого продукту. Виходячи з існуючих уявлень про механізм процесу переводу бісульфату графіту у залишковий бісульфат графіту можна було очікувати, що зниження кількості використаної у цьому процесі води та зменшення тривалості цього процесу приведе до зниження параметру Кс500, тому що при цьому повинен зменшуватися ступінь заміщення сольватуючих молекул сірчаної кислоти на молекули води у міжшаровому просторі бісульфату графіту. Однак, у протилежність очікуваному, спостерігається істотне підвищення коефіцієнту спучення кінцевого продукту. Це може бути пояснено таким чином. При обробці окисленого графіту водою у стаціонарному режимі відбувається вихід сольватних молекул сірчаної кислоти з міжшарового простору часток бісульфату графіту у рідку фазу та протилежний процес транспорту молекул води з рідкої фази у міжшаровий простір бісульфату графіту. Ці процеси є дифузійними, мають рівноважний характер та зупиняються опісля вирівнювання хімічних потенціалів часток, що знаходяться у міжшаровому просторі сполуки інтеркалювання графіту та у навколишній рідкій фазі. Паралельно з цими дифузійними процесами у міжшаровому просторі відбуваються окислювально-гідролітичні процеси з участю молекул води та сполук хрому (VІ), які були інтеркальовані у міжшаровий простір на стадії обробки графіту кислотами. Обробка на фільтрі по способу-прототипу забезпечує подальше протікання у міжшаровому просторі дифузійних процесів заміщення сольватних молекул сірчаної кислоти на молекули води. На відміну від способу-прототипу, обробка окисленого графіту водою у динамічному режимі у центрифузі відбувається в умовах підвищеного тиску. Згідно з попередніми розрахунками, при факторі розділення 800, тиск у корзині центрифуги дорівнює 20 атм. Це означає, що кожна частка окисленого графіту безперервно промивається водою під тиском біля 20 атм. Оскільки істинна густина окисленого графіту менш, ніж густина вихідного графіту, підвищення тиску, згідно з принципом Лє Шательє, повинно призводити до процесу деінтеркалювання окисленого графіту. Тобто при підвищенні тиску сольватні молекули сірчаної кислоти повинні виходити з міжшарового простору окисленого графіту значно ефективніше, чим при нормальних умовах. У момент зупинення центрифуги тиск поступово знижується до нормального й у цей час, напевно, відбувається процес кінцевого насичення міжшарового простору окисленого графіту молекулами води. Такий режим динамічної обробки окисленого графіту водою забезпечує підвищення ступеня заміщення молекул сірчаної кислоти на молекули води у міжшаровому просторі й, як наслідок цього, підвищення коефіцієнту спучення кінцевого продукту. Для здійснення способу використовували природний лускатий крупнокристалічний графіт марки ГТ-1 (ДСТ 4596-75) Завал'євського родовища (Україна). Використовували концентровану сірчану кислоту технічну (ДСТ 2184-77), яка мала концентрацію 93,0-93,5% мас. Водний розчин хромового ангідриду концентрацією 50% мас. (густина 1,5 г/см3) готували шляхом розчинення хромового ангідриду технічного марки А (ДСТ 2548-77) у дистильованій воді. Для окислення графіту використовували циліндричний горизонтальний водоохолоджуваний реактор місткістю 200 дм3, якого було зроблено з нержавіючої сталі та обладнано багатолопатевою мішалкою. Швидкість обертання валу мішалки (100±10) хв-1. Введення концентрованої сірчаної кислоти у реакційну масу здійснювали з використанням спеціального пристрою, що забезпечував її 2 30796 мового ангідриду з густиною 1,5 г/см3. Через 10 хвилин опісля початку введення у реактор водного розчину хромового ангідриду у реакційну масу протягом 20 хвилин рівномірно додають 21 дм3 концентрованої сірчаної кислоти. Опісля завершення подачі у реактор сірчаної кислоти реакційну масу перемішують 10 хвилин. Після цього перемішування зупиняють. Окислений графіт переносять у проміжну ємкість та додають 200 дм3 води. Одержану суміш усереднюють перемішуванням протягом кількох хвилин й залишають у стаціонарному стані на протязі 24 годин. Після цього окислений графіт відділяють від рідкої фазі на нутч-фільтрі та безперервно промивають на вказаному фільтрі протягом 6 годин з використанням 4000 дм3 води. Одержаний промитий водою окислений графіт з вологістю 55% мас. сушать при 120°С протягом 45 годин. По закінченні сушки одержують 60 кг терморозширюваного графіту з вологістю 0,7% мас. з параметром Кс500=200 см3/г. Приклад 2 (по пропонованому способу) У горизонтальному водоохолоджуваному реакторі окислюють 50 кг порошку природного лускатого графіту марки ГТ-1 як наведено у прикладі 1. Окислений графіт переносять у проміжну ємкість, додають 200 дм3 води. Одержану суміш усереднюють перемішуванням протягом кількох хвилин й залишають у стаціонарному стані на протязі 24 годин. Після цього вміст проміжної ємкості переносять у центрифугу, відділяють окислений графіт від рідкої фазі та промивають його там при факторі розділення G=800 протягом 50 хвилин з використанням 1000 дм3 води. Промитий водою окислений графіт додатково центрифугують протягом 10 хвилин. Одержаний промитий водою та віджатий у центрифузі окислений графіт з вологістю 15% мас. сушать при 120°С протягом 8 годин. По закінченні сушки одержують 65 кг терморозширюваного графіту з вологістю 0,7% мас. з параметром Кс500=240 см3/г. Переваги пропонованого способу у порівнянні зі способом-прототипом [2] стають більш очевидними при аналізі даних, які наведено у табл. 1 та табл. 2. Наведені у табл. 1 та табл. 2 дані показують, що реалізація пропонованого способу дозволяє одержувати терморозширюваний графіт з коефіцієнтом спучення при 500°С, який в 1,2 рази перевищує значення вказаного параметру для продукту, який одержано по способу-прототипу [2]. Одночасно з підвищенням якості кінцевого продукту реалізація пропонованого винаходу забезпечує істотне підвищення економічності та технологічності стадій обробки окисленого графіту водою у динамічному режимі та сушки промитого водою окисленого графіту за рахунок зменшення витрат води, а також зниження тривалості та енергоємності цих стадій. Джерела інформації 1. Патент 20513 А Україна, МПК6 С01В31/04. Спосіб одержання сполуки, що терморозширюється, на основі графіту, 1997. 2. Патент 21167 А Україна, МПК6 С01В31/04. Спосіб одержання графіту, що терморозширюється, 1997 (прототип). рівномірний розподіл по довжині реактору. Вказаний пристрій було обладнано приладом, який дозволяв регулювати швидкість подачі сірчаною кислоти у реактор. Для охолодження реактору використовували воду з мережі побутового водопостачання з температурою 10°С. Обробку окисленого графіту водою у стаціонарному режимі вели на протязі доби при масовому співвідношенні (вода / окислений графіт)= =(2/1). Для обробки окисленого графіту на цій стадії використовували воду з мережі побутового водопостачання з температурою 10°С. Обробку окисленого графіту водою у динамічному режимі по способу-прототипу [2] здійснювали з використанням нутч-фільтру місткістю 150 дм3 та вакууму, який створювали водокільцевим насосом. У якості фільтруючого елементу використовували бельтинг. Для обробки окисленого графіту водою у динамічному режимі по пропонованому способу використовували центрифугу вертикального типу з фактором розподілення G=800, обладнану перфорованою корзиною з нержавіючої сталі місткістю 200 дм3 з встановленим в ній фільтруючим елементом з бельтингу. Для промивки окисленого графіту у центрифузі використовували воду з мережі побутового водопостачання з температурою 10°С. Обробку окисленого графіту водою у динамічному режимі по способу-прототипу [2] та по пропонованому способу вели до досягнення значення параметру рН промивних вод 4-5. Сушку промитого водою окисленого графіту вели до вмісту залишкової вологи не більш 1,0% мас. Процес здійснювали у сушарці відкритого типу, яка уявляє собою горизонтальний стіл діаметром 2,5 м, який обертається за допомогою електричного приводу. Сушарку зроблено з нержавіючої сталі та обладнано стаціонарним електронагрівачем, що розташовано під столом. Вологість промитого водою окисленого графіту визначали по методиці згідно ДСТ 17818.1-90 "Графит. Метод определения влаги" шляхом нагріву зразка, що досліджується, в електрошафі при 105°С протягом 2 годин. Коефіцієнт спучення кінцевого продукту (параметр Кс500, см3/г) визначали шляхом нагрівання терморозширюваного графіту у режимі теплового удару таким чином. У розігріту до температури 500°С муфельну піч встановлювали металеву кювету, в яку вносили зважений зразок терморозширюваного графіту масою m (0,2-0,3 г) й тримали його в печі до повного спучення протягом 30 с. Кювету з одержаним терморозширеним графітом виймали з печі й терморозширений графіт кількісно переносили у вимірювальний циліндр й вимірювали зайнятий їм об'єм V. Значення коефіцієнту спучення для кожного зразка розраховували як середнє арифметичне з трьох паралельних вимірювань з використанням співвідношення Кс=V/m. Середня помилка вимірювань ±5%. Винахід ілюструється наступними прикладами. Приклад 1 (порівняльний, по прототипу [2]) У горизонтальний водоохолоджуваний реактор завантажують 50 кг порошку природного лускатого графіту марки ГТ-1, вмикають перемішування й додають до графіту 6,5 дм3 водного розчину хро 3 30796 Таблиця 1 Порівняння основних параметрів здійснення стадії промивки продукту окислення 50 кг графіту водою у динамічному режимі по способу-прототипу [2] та по пропонованому способу Спосіб Прототип [2] Пропонований Тривалість, години Витрати води, м3 6 1 4000 1000 Вологість продукту, який поступає на сушку, % мас. 55 15 Таблиця 2 Порівняння основних параметрів здійснення стадії сушки промитого водою продукту окислення 50 кг графіту та параметру KС500 кінцевого продукту при реалізації способу-прототипу [2] та пропонованого способу Спосіб Прототип [2] Пропонований Тривалість, години 45 8 Кількість виведеної вологи, кг 73 12 Відносні витрати електроенергії 6,0 1,0 Кс500 кінцевого продукту, см3/г 200 240 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4