Спосіб одержання інтеркальованого графіту

1. Спосіб одержання інтеркальованого графіту, що включає електрохімічну обробку графіту у водному розчині сірчаної кислоти в електролітичній комірці з анодом і катодом для розміщення графітового порошку, який притискають до анода і піддають електролізу при густині струму, меншій ніж 500мА/см2, який відрізняється тим, що графіт попередньо змішують з розчином сірчаної кислоти у співвідношенні 0,5-1,0см3 електроліту на 1г графіту, між графітом і катодом розміщують розділювальну пористу мембрану з хімічно стійкого матеріалу, електрохімічну обробку горизонтального або вертикального шару графіту ведуть у гальваноста C2 2 (19) 1 3 77533 4 залежність процесу від концентрації кислоти; якщо електроліту, що містить речовину, здатну до концентрація сірчаної кислоти менша від 92%, інтеркалювання графіту, інтеркалювання одержати якісний Інтеркальований графіт неможздійснюють при густині струму меншій, ніж 500 ливо; мА/см2, і при застосуванні тиску до графітового окисники, які застосовують досить дорогі й порошку, розміщеного в анодній камері, принаймні агресивні. в одному напрямку так, щоб притискати Більш економічно вигідними є електрохімічні графітовий порошок у напрямку до поверхні аноспособи одержання ІГ. Електрохімічні способи мада. За цим патентом до графіту прикладають тиск ють ряд переваг: від 10 г/см2 до 5 кг/см2, переважним оптимальним більш безпечні екологічно; тиском є 30-100 г/см2. Речовиною, здатною до не потребують значних витрат кислоти і води для інтеркалювання графіту, є сірчана кислота або промивання; азотна кислота. Спосіб включає рециркуляцію використаний електроліт і промивну воду можна розчину, який містить, принаймні, частину викориповторно використати для виготовлення нових станого водного розчину електроліту і промивного порцій електроліту, який використовують для розчину, отриманого після промивання водою одержання ІГ; інтеркальованого графіту, отриманого одержуваний ІГ не забруднюється окислювачем і електролізом. Концентрація речовини, здатної до продуктами його відновлення; інтеркалювання графіту в повторному циклі просинтез ІГ можна здійснювати в контрольованому цесу, регулюється для повторного використання, режимі й одержувати продукт із заданими харакяк водний розчин електроліту, додаванням теристиками [Апостолов С.П., Краснов В.В., Финазваної речовини. наенов А.И. Электрохимический синтез гидроСпільними ознаками з винаходом, що сульфата графита в потенциос-татическом заявляється, є: електрохімічна обробка графіту у режиме // Журнал прикладной химии. - 1997. - Т. водному розчині сірчаної кислоти в 70. - Вып. 4. -С. 602-607]. електролітичній комірці з анодом і катодом для Розрахована авторами за законами Фарадея розміщення графітового порошку, який притискатеоретична кількість електрики, необхідна для ють до анода і піддають електролізові при густині окислення матриці графіту, у випадку одержання 1 струму меншій, ніж 500 мА/см2. . стадії ІГ дорівнює 93 А год/кг, для одержання 1+2 Недоліками способу-прототипу є високі енерстадії дорівнює 62 А.год/кг, а для одержання 2 гозатрати, що становлять за розрахунками авторів стадії - 46,5 А.год/кг. Отже, теоретично для одер220 А.год/кг. жання ІГ 1 стадії при напрузі 4-8 В необхідно заВ основу винаходу, що заявляється, постав. тратити усього 0,372-0,744 Квт год електроенергії лено задачу у способі одержання сполук на 1 кг графіту. Основними недоліками існуючих інтеркалювання графіту шляхом зміни параметрів методів електрохімічного синтезу ІГ і апаратів для та введення додаткових операцій забезпечити його здійснення є низька продуктивність процесу й зменшення енергозатрат при збереженні високих енерговитрати, що значно перевищують теоретичспоживчих властивостей одержаного продукту. но розраховані (понад 200 А.год/кг). Тому актуальПоставлена задача вирішується тим, що у ною проблемою в технології одержання ІГ є пошук способі одержання сполук інтеркалювання ефективних економічно вигідних електрохімічних графіту, який включає електрохімічну обробку способів інтеркалювання графіту. графіту у водному розчині сірчаної кислоти в Відомий спосіб одержання шаруватих сполук електролітичній комірці з анодом і катодом для графіту (інтеркальованого графіту), який описано в розміщення графітового порошку, який притискаавторському свідоцтві СРСР № 1541981, МПК5 ють до анода і піддають електролізові при густині С01В 31/04, 09.11.87. За цим способом готують струму меншій, ніж 500 мА/см2, згідно з винахосуспензію порошку графіту в електроліті, а дом, графіт попередньо змішують з розчином електролітичну обробку ведуть у полі сірчаної кислоти у співвідношенні 0,5-1,0 см3 відцентрових сил при значенні критерію Фруда від електроліту на 1г графіту, між графітом і катодом 5 до 1500 (швидкість обертання анода від 212 до розміщують розділювальну пористу мембрану з 3790 об/хв.). Електролітичну обробку графіту прохімічно стійкого матеріалу, електрохімічну обробку водять під напругою 4 В протягом 40-80 хв., горизонтального або вертикального шару графіту енергетичні затрати від 300 до 600 А.год/кг ведуть у гальваностатичному режимі з густиною графіту. Недоліками цього способу є високі струму 1-50 мА/см2 при відношенні площі анодного енергетичні витрати, а також необхідність викорипідведення струму до маси графіту 0,5-3 см2/г. стання виготовленого з кислотостійких матеріалів Перша додаткова відмінність полягає в тому, центрифужного обладнання. що в якості розділювальної пористої мембрани За прототип вибрано електрохімічний спосіб беруть хімічно стійку тканину. одержання інтеркальованого графіту [патент США Друга додаткова відмінність полягає в тому, №4350576, МПК С25В1/00, 1982 рік], який що беруть розчин сірчаної кислоти з масовою чазбігається за найбільшим числом спільних сткою 30-94%. суттєвих ознак з винаходом, що заявляється. За Третя додаткова відмінність полягає в тому, цим способом інтеркальований графіт одержують що під час електрохімічної обробки горизонгальнов електролітичній комірці, що має катод, анод і го шару графіту його притискають до анода, приканодну камеру, пристосовану для розміщення там ладаючи тиск 0,5-3,5 кПа. графітового порошку, який піддається Четверта додаткова відмінність полягає в тоелектролізові в анодній камері у водному розчині му, що електрохімічну обробку горизонтального 5 77533 6 шару графіту ведуть при розміщенні пористої інтеркалювання. Крім того, вільний кисень, що мембрани і катода над шаром графіту. виділяється на аноді, в момент утворення має П'ята додаткова відмінність полягає в тому, високу окислювальну здатність і також бере участь що електрохімічну обробку горизонтального шару в окислюванні матриці графіту, сприяючи прискографіту ведуть при розміщенні пористої мембрани ренню процесу. і катода під шаром графіту. Здатність до термічного розширення одержаШоста додаткова відмінність полягає в тому, них за пропонованим способом сполук що електрохімічну обробку графіту ведуть безпеінтеркальованого графіту визначають за рервно, протискуючи суміш графіту з електролітом коефіцієнтом термічного розширення (спучення) у проміжок між анодом і пористою мембраною. (Kc1000, см3/г). Для цього зразки сполуки Технічним результатом винаходу, що інтеркалювання графіту промивають водою та заявляється, є зменшення в енергетичних витрат у висушують. У кварцову склянку, розміщену в розігрітій до температури 1000°С шахтній печі, 2 7 разів при збереженні високих споживчих вносять зважений зразок сполуки властивостей терморозширеного графіту. інтеркальованого графіту масою m (1г) і витримуДля здійснення способу, що заявляється, брають протягом 60с до повного спучення. Склянку з ли: одержаним терморозширеним графітом виймають графіт марки ГСМ-2, ГОСТ 17022-81; з печі. Після охолодження терморозширений сірчану кислоту за ГОСТ 4204. графіт переносять у мірний циліндр і визначають Спосіб, що заявляється, здійснювали таким його об'єм V. Значення коефіцієнта термічного чином: Порошок графіту попередньо змішують з розширення (спучення) для кожного зразка розраелектролітом у розрахунку 0,5-1,0 см3 електроліту ховують як середнє арифметичне з трьох на 1г графіту. Як електроліт беруть сірчану кисловимірювань за такою формулою: ту з концентрацією 30-94%. На поверхні анода Kc1000=V/m. електрохімічного реактора рівномірно Далі винахід, що заявляється, розподіляють суміш графітового порошку з підтверджується такими прикладами конкретної електролітом у такій кількості, щоб співвідношення реалізації. площі анода до маси графіту становило 0,5-3 Приклад 1. Природний графіт масою 200 г см2/г. На шар суміші графітового порошку з змішали з 200 см3 30% водного розчину сірчаної електролітом кладуть пористу мембрану з хімічно кислоти (співвідношення об'єму кислоти до маси стійкої поліпропіленової тканини, яка є гарним сеграфіту дорівнює 1 см3/г), одержану суміш паратором з низьким опором рухові іонів і має розподілили рівномірним шаром по поверхні свиндостатню товщину. Експериментальні дослідження 2 цевого анода площею 100см (співвідношення авторів показали, що хімічно стійку площі анода до маси графіту дорівнює 0,5 см2/г). поліпропіленову тканину можна використовувати Зверху поклали мембрану з поліпропіленової ткадля відділення тонкого шару графіту безпосереднини, а на тканину свинцевий катод з вантажем ньо від поверхні катода. У такому випадку 500г (тиск 0,5 кПа). Потім через графіт пропускали відпадає необхідність використання значного постійний струм протягом 1,5 години, густина об'єму електроліту, достатньою є та кількість розструму 50 мА/см2. Витрачена кількість електрики чину сірчаної кислоти, що була змішана з порош3 становила 37,5 Ач/кг. Після промиваная і висушуком графіту у розрахунку 0,5-1,0 см електроліту вання одержали інтеркальований графіт з на 1г графіту. На шар поліпропіленової тканини коефіцієнтом спучування 105 см3/г. накладають катод з вантажем, який забезпечує Приклади 2-7. Сполуки інтеркалювання тиск від 0,5 до 3,5 кПа. Потім через графіт пропусграфіту одержували так, як описано у прикладі 1, кають постійний струм, густина струму 1-50 за винятком того, що змінювали параметри спосомА/см2. При цьому іонний обмін і перенесення бу. У прикладах 3 та 6, де концентрація сірчаної зарядів між катодом і графітом відбувається безкислоти становила 94%, брали анод і катод з посередньо в об'ємі поліпропіленової тканини. нержавіючої сталі. У прикладах 2-7 таблиці навеВода з електроліту в процесі електролізу дено конкретні дані про параметри способу, а тарозкладається на кисень і водень, окислюючись на кож про коефіцієнт спучення для одержаного проаноді і відновлюючись на катоді. Тому дукту. відбувається концентрування кислоти біля поверхні часток графіту, що прискорює процес Таблиця 1 № прикладу 1 Відношення Відношення Коефіцієнт Масова Положення об’єму киплощі анода Густина Орієнтація Витрати спучення частка Прикладений пористої слоти до до маси струму, шару електрики, при кислоти, тиск, кПа мембрани і 2 графіту, графіту, мА/см графіту А год/кг 1000°С, % катода 3 2 3 см /г см /г см /г 1 30 0,5 50 0,5 зверху горизонт. 37,5 105 2 0,5 55 3 1 1,75 знизу горизонт. 30 200 3 1 94 0,5 25 3,5 зверху горизонт. 90 290 4 0,5 55 0,75 5 2 знизу горизонт. 33 210 5 0,75 55 0,5 10 0,5 зверху горизонт. 32 250 6 1 94 0.65 5 вертик. 90 415 7 77533 8 7 1 60 2 40 вертик. 80 255 8(п.) 50 0,785 40 3 знизу горизонт. 220 160 9 77533 Приклад 8 (за прототипом). Процес електролітичної обробки графіту провели так, як описано у прототипі. Для цього у циліндричну анодну камеру, що має зовнішній діаметр близько 10 см і оснащену двома розділювальними мембранами з пористого скла, поміщали 100 г графітового порошку. За допомогою проникної для рідини притискної пластини, з'єднаної із платиновою перфорованою круглою анодною пластиною, і однієї із двох вищезгаданих мембран до графітових часток прикладали тиск 30 г/см2. Катодна камера була оснащена платиновою катодною пластиною. В електролітичну комірку наливали електроліт - 50%-ний водний розчин сірчаної кислоти. Після цього протягом 7 годин пропускали струм з постійною густиною струму 40 мА/см2. У процесі електролізу розчин сірчаної кислоти перемішували. Після такої електрохімічної обробки продукт ретельно промивали водою і сушили при температурі 95±5°С. Отриманий у такий спосіб бісульфат графіту мав насипну густину 0,35 г/см3. При нагріванні продукту при 1000°С протягом 1 хв. Комп’ютерна верстка М. Клюкін 10 одержали спучений графіт, коефіцієнт спучення якого становив 160 см3/г. Приклад 9. Суміш 50% водного розчину сірчаної кислоти і графіту в співвідношенні 1 см3/г безперервно продавлювали скрізь реакційну камеру у зазор між свинцевим анодом і пористою мембраною з пропіленової тканини. Відношення площі аноду до маси графіту становило 3 см2/г. Густина струму становила 20 мА/см2. При витратах кількості електрики 40 А.год/кг після промивання та сушіння одержували інтеркальований графіт з коефіцієнтом спучення 250 см3/г. Наведені приклади підтверджують досягнення технічного результату: енергозатрати зменшились 2 7 разів, при у порівнянні з прототипом у збереженні високих споживчих властивостей одержаного продукту. Спосіб, що заявляється, порівняно простий у виконанні, не потребує спеціальних реагентів і може бути реалізований з використанням стандартного обладнання. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601