化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，包括CVD管式爐；分流裝置，用于不同壓力狀態(tài)下生產(chǎn)石墨烯所產(chǎn)生的尾氣的分流；冷凝裝置，用于尾氣中可凝氣體的過濾冷凝；儲存裝置，用于尾氣中不可凝氣體的儲存以及能量轉(zhuǎn)化裝置，用于尾氣中可燃氣體的使用及電能的轉(zhuǎn)化；CVD管式爐一端與分流裝置一端通過管道連接，分流裝置的另一端與冷凝裝置連接，冷凝裝置的另一端與儲存裝置相連，儲存裝置的另一端與能量轉(zhuǎn)化裝置的一端相連，能量轉(zhuǎn)化裝置另一端與CVD管式爐的輔助電源相連。該設(shè)備實用性強，安全性高，最終將尾氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，供給管式爐的輔助電源使用，實現(xiàn)尾氣的循環(huán)再利用，合理解決尾氣問題，減少了環(huán)境污染。
【專利說明】
化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及尾氣綜合處理裝置，尤其涉及化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣的綜合處理設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是碳原子以Sp2雜化軌道組成的六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，它是一種典型的平面二維材料，可以看作零維富勒烯，一維碳納米管，三維石墨等的組成結(jié)構(gòu)單元。單層石墨烯只有一個碳原子的厚度，是目前為止人們發(fā)現(xiàn)的最薄的材料。并且，它還是已知強度最大的物質(zhì)，具有極高的比表面積和優(yōu)異的電學(xué)熱學(xué)性能等。這些優(yōu)異的性能使其在納米電子器件、復(fù)合材料、超輕超硬材料、透明導(dǎo)電材料、超級電容器、鋰離子電池、防腐材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用研發(fā)前景。
[0003]迄止目前，制備石墨烯最常用的方法有:機械剝離法、氧化還原法、碳化硅外延生長法以及化學(xué)氣相沉積法?；瘜W(xué)氣相沉積法制備的石墨烯具有表面積大、質(zhì)量好、缺陷少等優(yōu)點，是目前最有可能實現(xiàn)大面積石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的方法。但現(xiàn)階段該方法制備成本較高，工藝流程還需要進一步的優(yōu)化完善。
[0004]化學(xué)氣相沉積方法是一種利用空間氣相化學(xué)反應(yīng)沉積生長固態(tài)薄膜的制備方法。在利用化學(xué)氣相沉積生長石墨烯的過程中，研究發(fā)現(xiàn)大量的可燃氣體(如氫氣、甲烷等烷烴類)并不能被完全利用，它們大部分最終隨尾氣排入大氣中。若不妥善處理，不僅存在危險性，還會污染大氣。目前專利中還沒有針對化學(xué)氣相沉積方法的尾氣處理方法，但一些專利中介紹了相關(guān)尾氣處理的裝置或方法。專利《一種氣體回收裝置》(公告號:CN2496872Y)中將塑化油生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不凝氣體，如甲烷、氫氣、乙烷、丙烷、丙烯等進行回收、清洗后，再經(jīng)出氣管排放到爐膛做燃料。專利《一種燃氣回收利用裝置》(公告號:CN201231116Y)公開了一種對工業(yè)煙氣處理并回收利用煙氣中的一氧化碳、甲烷、氫氣等的裝置，通過過濾去除硫化物，將可燃性氣體引入鍋爐，進行再次燃燒，提高了能源利用率。這些裝置可以在一定程度上解決尾氣的再利用和污染問題，但是沒有和石墨烯生長所用的化學(xué)氣相沉積法結(jié)合起來，不能針對性地解決CVD管式爐(化學(xué)氣相沉積管式爐)所產(chǎn)生的尾氣。并且，化學(xué)氣相沉積方法生產(chǎn)石墨烯分為常壓、低壓或真空:而不同的狀態(tài)使用的可燃氣體的量和產(chǎn)生的尾氣情況也各不相同?？紤]到不同的生長環(huán)境，需要不同的尾氣處理方式。另外高溫尾氣的冷卻問題也關(guān)系到實驗的安全性?；瘜W(xué)氣相沉積實驗的氣體比例及量的不確定性，導(dǎo)致后面尾氣的成分和量也不一樣，若直接使用，不能穩(wěn)定的輸出。因此，如何根據(jù)不同的實驗方式來調(diào)節(jié)尾氣的處理，如何保證處理后尾氣的穩(wěn)定使用以及整個過程中涉及到的安全問題，是實現(xiàn)化學(xué)氣相沉積方法制備石墨烯尾氣處理及利用的關(guān)鍵性問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型提出了一種化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣的綜合處理設(shè)備，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中利用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中尾氣的污染和安全問題。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，包括CVD管式爐，用于石墨烯的制備，該尾氣綜合處理設(shè)備還包括:
[0007]分流裝置，用于不同壓力狀態(tài)下生產(chǎn)石墨烯所產(chǎn)生的尾氣的分流；
[0008]冷凝裝置，用于尾氣中可凝氣體的過濾冷凝；
[0009]儲存裝置，用于尾氣中不可凝氣體的儲存；
[0010]以及能量轉(zhuǎn)化裝置，用于尾氣中可燃氣體的使用及電能的轉(zhuǎn)化；
[0011]所述CVD管式爐一端與所述分流裝置的一端通過管道連接，所述分流裝置的另一端與所述冷凝裝置連接，所述冷凝裝置的另一端與所述儲存裝置的一端相連，所述儲存裝置的另一端與所述能量轉(zhuǎn)化裝置的一端相連，所述能量轉(zhuǎn)化裝置另一端與所述CVD管式爐的輔助電源相連；
[0012]尾氣從所述CVD管式爐產(chǎn)生經(jīng)其一端排出后，進入所述分流裝置，流經(jīng)所述冷凝裝置，在所述儲存裝置儲存，再進入所述能量轉(zhuǎn)化裝置，實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化。
[0013]優(yōu)選地，所述分流裝置包括至少兩個支路，一個支路依次由截止閥、真空栗和截止閥組成，一個支路依次由截止閥、洗氣瓶和截止閥組成，每個支路用于不同壓力狀態(tài)下生產(chǎn)石墨烯所產(chǎn)生的尾氣的分流。
[0014]優(yōu)選地，所述冷凝裝置，包括冷凝箱和排出口，排出口焊接在冷凝箱下端，用于尾氣中冷凝氣體的排出。
[0015]優(yōu)選地，所述儲存裝置包括:氣罐、活塞、軟管、濃度檢測器、壓力表、承重線、重物和滑輪，活塞和軟管位于氣罐中，軟管的一端固定在活塞下端，另一端伸出氣罐外部與能量轉(zhuǎn)化裝置相連，承重線的一端固定在活塞上，另一端通過滑輪與重物相連，承重線、滑輪和重物用于控制氣罐內(nèi)的壓力，使尾氣中可燃氣體通過軟管排出。
[0016]優(yōu)選地，所述能量轉(zhuǎn)化裝置包括空氣進氣口、火花塞、燃氣渦輪發(fā)動機和發(fā)電機，空氣進氣口與軟管相連，燃氣渦輪發(fā)動機和發(fā)電機連接，發(fā)電機用于實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化。
[0017]優(yōu)選地，所述CVD管式爐的另一端與Ar氣罐、H2氣罐和碳氫化合物氣罐通過管道連接，CVD管式爐輔助電源通過開關(guān)與所述的能量轉(zhuǎn)化裝置中的發(fā)電機連接。
[0018]本實用新型提供的化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，具有如下有益效果:本實用新型的分流裝置針對石墨烯制備過程中常壓、低壓或真空壓力狀態(tài)下使用的可燃氣體進行分類處理，實用性強；通過可凝性氣體的冷凝裝置，采用水洗、過濾方式處理尾氣中的可凝性氣體，效率高;采用不可凝氣體的儲存裝置，將尾氣中的不可凝氣體通過氣罐儲存，安全性高;尾氣通過能量轉(zhuǎn)化裝置，實現(xiàn)了電能的轉(zhuǎn)化，電能供給CVD管式爐的輔助電源使用，實現(xiàn)尾氣的循環(huán)再利用，合理解決尾氣問題，減少了環(huán)境污染。
【附圖說明】
[0019]圖1為化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]【附圖說明】:IAr氣罐;2?氣罐;3碳氫化合物氣罐;4CVD管式爐；5排出口；6-1截止閥；6-2截止閥；6-3截止閥；6-4截止閥；7洗氣瓶;8真空栗;9冷凝箱；10分流裝置；11冷凝裝置;12氣罐;13重物；14滑輪;15承重線；16排氣口 ； 17濃度檢測器;18活塞；19儲存裝置;20軟管;21空氣進氣口 ； 22能量轉(zhuǎn)化裝置;23火花塞;24燃氣渦輪發(fā)動機;25發(fā)電機;26開關(guān);27壓力表;28-1止回閥；28-2止回閥；28-3止回閥。
【具體實施方式】
[0021]以下由特定的具體實施例說明實用新型的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實用新型的其他優(yōu)點及功效。
[0022]如圖1所示，本實用新型提供了化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，包括CVD管式爐4、分流裝置10、冷凝裝置11、儲存裝置19和能量轉(zhuǎn)化裝置22。其中，CVD管式爐4的一端與Ar氣罐1、H2氣罐2和碳氫化合物氣罐3通過管道連接，另一端與分流裝置10的一端連接，分流裝置10的另一端與冷凝裝置11連接，冷凝裝置11的另一端與儲存裝置19的一端相連，儲存裝置19的另一端與能量轉(zhuǎn)化裝置22的一端相連，能量轉(zhuǎn)化裝置22中的發(fā)電機25通過開關(guān)26與CVD管式爐4的輔助電源相連。
[0023]所述的分流裝置10由呈并聯(lián)連接的兩個支路組成，其中一個支路依次由截止閥6-
1、真空栗8和截止閥6-2組成，用于真空或低壓狀態(tài)下尾氣的分流。另一個支路依次由截止閥6-3、洗氣瓶7和截止閥6-4組成，用于常壓狀態(tài)下尾氣的分流。
[0024]所述的冷凝裝置11由冷凝箱9和排出口5組成，排出口 5焊接在冷凝箱9側(cè)面下端，用于尾氣中可凝氣體的冷凝排出。
[0025]所述的儲存裝置19包括氣罐12、活塞18、軟管20、濃度檢測器17、壓力表27、排氣口16、承重線15、重物13、滑輪14以及止回閥28-1和止回閥28-2。壓力表27和排氣口 16位于氣罐12的頂端。氣罐12內(nèi)包括活塞18和軟管20，軟管20的一端固定在活塞18下端，但不密封，軟管20的另一端伸出氣罐12外部與能量轉(zhuǎn)化裝置22相連。承重線15的一端與活塞18的上端相連，另一端通過滑輪14與重物13相連。
[0026]所述能量轉(zhuǎn)化裝置22包括空氣進氣口21、火花塞23、燃氣渦輪發(fā)動機24、發(fā)電機25和以及止回閥28-3?？諝膺M氣口 21與軟管20相連。燃氣渦輪發(fā)動機24和發(fā)電機25皮帶連接，發(fā)電機25通過開關(guān)26與CVD管式爐4的輔助電源相連。
[0027]本設(shè)備首先是利用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯，氣源包括Ar氣罐I，H2氣罐2，碳氫化合物氣罐3。氫氣主要作用是還原催化劑，增強催化活性。碳氫化合物提供石墨烯生長所需要的碳原子。將樣品放入CVD管式爐4中，高溫下碳源分解，生長產(chǎn)生石墨烯，同時大量的尾氣從CVD管式爐4的一端排出。
[0028]氣體離開CVD管式爐4后進入分流裝置10，當在低壓或真空狀態(tài)下采用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯時，氣流通過分流裝置10中依次由截止閥6-1、真空栗8和截止閥6-2組成的支路管道，使用該支路時，關(guān)閉另一支路的單向閥6-3，同時打開該支路中的截止閥6-1、截止閥6-2和真空栗8，保管道內(nèi)的低壓或真空狀態(tài)；當進行的是常壓狀態(tài)下采用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯時，氣流通過依次由截止閥6-3、洗氣瓶7和截止閥6-4組成的支路管道，使用該支路時，關(guān)閉另一支路的單向閥6-1，同時打開該支路中的截止閥6-3和截止閥6-4，尾氣經(jīng)過洗氣瓶7后，將大部分可凝性氣體過濾出來。因為低壓或真空狀態(tài)下采用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯的過程中氣流流速較快，碳源等氣體不能完全反應(yīng)，產(chǎn)生的碳衍生物質(zhì)較少，因此不需要通過洗氣瓶7，但常壓狀態(tài)下采用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中氣流流速較慢，碳源充分地反應(yīng)，產(chǎn)生大量的含碳物質(zhì)，所以需要通過洗氣瓶7來過濾。
[0029]尾氣經(jīng)過分流裝置10后，尾氣合流通過冷凝裝置11，在冷凝箱9中將尾氣中可凝氣體冷卻，降低危險性。同時將冷凝的氣體以液體的形式析出，然后通過冷凝箱9側(cè)面下端的經(jīng)排出5排出。
[0030]接著，打開止回閥28-1，尾氣中的不可凝氣體通過管道進入儲存裝置19中，氣體儲存在氣罐12中。氣罐中間為可上下滑動的活塞18，將氣體分為上下兩部分，利用承重線15、滑輪14和重物13來控制氣罐12中下部尾氣的壓力。利用濃度檢測器17來檢測尾氣中是否有可燃性氣體泄露。由于尾氣中氫氣密度最小而且量比較大，所以在活塞18底部固定一個軟管20，在一定程度上保證輸出可燃氣體為單一純凈氣體。
[0031 ]當儲存一定程度的尾氣后，調(diào)節(jié)重物13質(zhì)量，改變尾氣壓力，打開止回閥28-2，將尾氣中的可燃氣體與空氣進氣口 21的空氣混合形成混合氣體，打開止回閥28-3，通入到燃氣渦輪發(fā)動機24中，火花塞23點燃上述混合氣體，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，推動燃氣渦輪發(fā)動機24做功，燃氣渦輪發(fā)動機24和發(fā)電機25皮帶連接，進一步的通過發(fā)電機25將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫碾娔埽a充CVD管式爐4生產(chǎn)石墨烯過程中的加熱所需電能，作為CVD管式爐4的輔助電源使用，從而實現(xiàn)尾氣的循環(huán)再利用，合理解決尾氣問題，減少了環(huán)境污染。
【主權(quán)項】
1.化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，包括CVD管式爐，用于石墨烯的制備，其特征在于，該尾氣綜合處理設(shè)備還包括: 分流裝置，用于不同壓力狀態(tài)下生產(chǎn)石墨烯所產(chǎn)生的尾氣的分流； 冷凝裝置，用于尾氣中可凝氣體的過濾冷凝； 儲存裝置，用于尾氣中不可凝氣體的儲存； 以及能量轉(zhuǎn)化裝置，用于尾氣中可燃氣體的使用及電能的轉(zhuǎn)化； 所述CVD管式爐一端與所述分流裝置的一端通過管道連接，所述分流裝置的另一端與所述冷凝裝置連接，所述冷凝裝置的另一端與所述儲存裝置的一端相連，所述儲存裝置的另一端與所述能量轉(zhuǎn)化裝置的一端相連，所述能量轉(zhuǎn)化裝置另一端與所述CVD管式爐的輔助電源相連； 尾氣從所述CVD管式爐產(chǎn)生經(jīng)其一端排出后，進入所述分流裝置，流經(jīng)所述冷凝裝置，在所述儲存裝置儲存，再進入所述能量轉(zhuǎn)化裝置，實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，其特征在于，所述分流裝置包括至少兩個支路，一個支路依次由截止閥、真空栗和截止閥組成，一個支路依次由截止閥、洗氣瓶和截止閥組成，每個支路用于不同壓力狀態(tài)下生產(chǎn)石墨烯所產(chǎn)生的尾氣的分流。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，其特征在于，所述冷凝裝置，包括冷凝箱和排出口，排出口焊接在冷凝箱下端，用于尾氣中冷凝氣體的排出。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，其特征在于，所述儲存裝置包括:氣罐、活塞、軟管、濃度檢測器、壓力表、承重線、重物和滑輪，活塞和軟管位于氣罐中，軟管的一端固定在活塞下端，另一端伸出氣罐外部與能量轉(zhuǎn)化裝置相連，承重線的一端固定在活塞上，另一端通過滑輪與重物相連，承重線、滑輪和重物用于控制氣罐內(nèi)的壓力，使尾氣中可燃氣體通過軟管排出。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，其特征在于，所述能量轉(zhuǎn)化裝置包括空氣進氣口、火花塞、燃氣渦輪發(fā)動機和發(fā)電機，空氣進氣口與軟管相連，燃氣渦輪發(fā)動機和發(fā)電機連接，發(fā)電機用于實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)石墨烯過程中的尾氣綜合處理設(shè)備，其特征在于，所述CVD管式爐的另一端與Ar氣罐、出氣罐和碳氫化合物氣罐通過管道連接，CVD管式爐輔助電源通過開關(guān)與發(fā)電機連接。
【文檔編號】C01B31/04GK205419785SQ201521012935
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月9日
【發(fā)明人】周忠福, 王會利, 姜川, 王清露
【申請人】上海晶頓科技有限公司