本發(fā)明屬于化工分離技術領域，具體涉及一種新型的石墨烯泡沫精餾塔填料的制備方法及其應用。

背景技術：

化學工業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)，分離技術則為化工生產過程中的原料凈化、產品提純和廢物處理等提供了技術保證。隨著化學工程技術的發(fā)展，分離技術逐漸向著多元化發(fā)展。常規(guī)的化工分離技術包括精餾、吸收、萃取、結晶、吸附、膜分離等。精餾仍是應用最廣泛、技術最成熟的分離方法之一，在工業(yè)生產中占有相當的比重。

精餾是化學工業(yè)中應用最廣泛的關鍵共性技術，主要應用于石油、化工、醫(yī)藥、環(huán)境保護等行業(yè)。精餾具有應用廣泛、技術成熟等優(yōu)點，但存在設備投資大、分離能耗高等問題，因此研究開發(fā)的新型高效傳質元件，能夠提高精餾塔板的分離效率，降低塔器的投資成本，對于整個精餾行業(yè)來說具有重要的社會意義和經濟價值。

催化反應精餾技術是將反應與分離偶合在一起，反應與產物分離同時進行，代替常規(guī)的反應、分離兩者分開進行的工藝流程。然而對于化工行業(yè)大多數的可逆反應體系，需要及時產物分離，反應平衡向有利于產物方向進行，才能提高產率，大大降低過程能耗，達到節(jié)能減排目的。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新型的石墨烯泡沫精餾塔填料的制備方法，制備的填料能夠有效減小壓降，提高傳質效率，有效的持液量使三維石墨烯泡沫填料能夠作為精餾過程中的新型的催化微反應器。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種新型的石墨烯泡沫精餾塔填料的制備方法，包括以下步驟：

1)將50mL氧化石墨烯漿料超聲震蕩處理30min后進行磁力攪拌，用移液槍移取7mL吐溫-80/乙醇混合溶液滴加到氧化石墨烯溶液中，待溶液混合均勻后，繼續(xù)攪拌10min；

2)將混合溶液轉移到100mL的聚四氟不銹鋼反應釜中，同時將作為精餾填料所用的金屬架結構放到反應釜中，180℃下恒溫溶劑熱反應6h，取出內嵌金屬架結構的凝膠塊狀物，真空冷凍干燥后得到三維的外包石墨烯泡沫、內嵌金屬架結構的精餾塔填料。

具體地，所述步驟1)中氧化石墨烯漿料的濃度為8mg/mL，氧化石墨烯的片層厚度在2-5nm，為單層、雙層或少層氧化石墨烯，片徑大小在2-10μm范圍，為小片徑氧化石墨烯。

具體地，所述步驟1)中吐溫-80/乙醇溶液的濃度為100-200mg/mL。

具體地，所述步驟2)中三維石墨烯孔徑尺寸為200-800nm，具有這種孔結構的石墨烯泡沫對有機溶劑表現出了很高的吸附及脫附能力，具有優(yōu)異的傳質性能，對醇類和脂類有機溶液吸附量能達到100-200g/g，脫附量能達到80-170g/g。

具體地，所述步驟2)中真空冷凍干燥的條件為-55℃，真空度5pa，冷凍干燥72h。

本發(fā)明的另一個目的在于提供所述石墨烯泡沫精餾塔填料在精餾塔中的應用。石墨烯泡沫具有大的持液量0.2-0.4m³/m³，三維石墨烯每一個孔洞都可作為催化精餾的微反應器。采用石墨烯泡沫作為填料的精餾塔傳質能力，相比于普通填料提升2倍，與傳統(tǒng)市面上的精餾填料對比，壓降能降到傳統(tǒng)填料的1/3。

本發(fā)明的石墨烯泡沫采用內嵌金屬架結構作為精餾填料的支撐骨架，能夠保證填料的機械強度，增強抗壓性，有助于氣液相傳質的穩(wěn)定性，還能減少有機溶劑與金屬的接觸，有效的降低腐蝕程度。催化精餾填料的催化劑先與氧化石墨烯混合，能夠提高催化劑在三維石墨烯內表面的分散均勻程度，有助于提升催化效果。

本次發(fā)明設計的三維石墨烯金屬架結構填料相比傳統(tǒng)的精餾填料哈埃派克(HY-Pac)、鮑爾環(huán)(Pall ring)具有以下幾點優(yōu)勢：

1)三維石墨烯金屬架結構填料傳質性能遠遠超過傳統(tǒng)填料HY-Pac、Pall ring傳質能力，相比于普通填料提升2倍，大大提高了精餾效率。

2)三維石墨烯金屬架結構填料所需操作壓力要比傳統(tǒng)填料HY-Pac、Pall ring小得多，能夠減少到普通填料的1/3，減少能量需求，達到節(jié)能的效果。

3)三維石墨烯有優(yōu)異的吸附脫附性能，石墨烯填料相比傳統(tǒng)填料HY-Pac、Pall ring持液量能夠提升3倍，有效持液量能達到0.24m³/m³，作為新型的微反應器，能夠給予催化劑一定的液相反應環(huán)境，提供充足的反應時間，而且三維石墨烯具有良好的傳質能力和熱傳導能力，能夠快速轉移產物，釋放反應熱，有利于產物生成，從而大大提高催化反應效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例制備的石墨烯泡沫精餾塔填料的實物圖片。

圖2是本發(fā)明實施例制備的石墨烯泡沫精餾塔填料的SEM圖。

圖3是本發(fā)明制備的新型石墨烯泡沫精餾塔填料ΔP/Z-F_v圖。

圖4是本發(fā)明制備的新型石墨烯泡沫精餾塔填料持液量-F_v圖。

圖5是三種填料的ΔP/Z—F_v對比圖。

圖6是三種填料的持液量—F_v對比圖。

圖7是三種填料的傳質效率對比圖。

具體實施方式

以下是本發(fā)明的具體實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步描述，但是本發(fā)明的保護范圍并不限于這些實施例。凡是不背離本發(fā)明構思的改變或等同替代均包括在本發(fā)明的保護范圍之內。

一種新型的石墨烯泡沫精餾塔填料的制備方法，包括以下步驟：

1)將50mL濃度為8mg/mL的氧化石墨烯漿料超聲震蕩處理30min后進行磁力攪拌，用移液槍移取7mL濃度為100-200mg/mL的吐溫-80/乙醇混合溶液滴加到氧化石墨烯溶液中，待溶液混合均勻后，繼續(xù)攪拌10min；氧化石墨烯的片層厚度在2-5nm，為單層、雙層或少層氧化石墨烯，片徑大小在2-10μm范圍，為小片徑氧化石墨烯。

2)將混合溶液轉移到100mL的聚四氟不銹鋼反應釜中，同時將作為精餾填料所用的金屬架結構放到反應釜中，180℃下恒溫溶劑熱反應6h，取出內嵌金屬架結構的凝膠塊狀物，-55℃、真空度5pa真空冷凍干燥72h后得到三維的外包石墨烯泡沫、內嵌金屬架結構的精餾塔填料。三維石墨烯孔徑尺寸為200-800nm，具有這種孔結構的石墨烯泡沫對有機溶劑表現出了很高的吸附及脫附能力，具有優(yōu)異的傳質性能，對醇類和脂類有機溶液吸附量能達到100-200g/g，脫附量能達到80-170g/g。

新型三維石墨烯泡沫精餾塔填料的動力學性能采用空氣/水系統(tǒng)通過流體力學實驗裝置進行模擬檢測。三維石墨烯填料與市面?zhèn)鹘y(tǒng)填料以相同的方式進行精餾填充，傳統(tǒng)填料選擇典型的哈埃派克(HY-Pac)、鮑爾環(huán)(Pallring)精餾塔填料。

實驗儀器為天津大學流體力學實驗裝置，具體實驗采用空氣/水系統(tǒng)進行模擬，采用Φ380mm的有機玻璃塔為實驗塔，塔內件測試段高1m，由上、下兩段均高0.5m的填料組成。采用管式液體分布器，塔內件上下各有一定高度的波紋板規(guī)整填料，起到勻分和穩(wěn)定汽液兩相流體的作用。噴淋密度0～30m³/m²·h，空塔氣速0.31～2.2m/s。先使塔液泛，確保元件表面全部潤濕，分別測試石墨烯填料在不同噴淋密度下的壓降、持液量及傳質效率分析，之后對再選擇試驗選定的噴淋密度對石墨烯填料及市面上傳統(tǒng)的HY-Pac及Pallring填料進行對照。

對填料層進行預液泛，使填料充分潤濕后進行濕填料壓降的測定。圖3是石墨烯填料在流體力學實驗裝置模擬空氣/水系統(tǒng)得到的不同噴淋密度下壓降與氣相動能因子的關系圖，這種催化精餾規(guī)整填料與普通填料的濕填料壓降曲線趨勢基本一樣。根據圖5中石墨烯填料與傳統(tǒng)市面上的HY-Pac及Pallring填料對比，石墨烯填料的壓降能降到傳統(tǒng)填料的1/3。

圖4是石墨烯填料在不同噴淋密度下的持液量與氣相動能因子關系圖，隨著噴淋密度增大持液量有所增加且趨于穩(wěn)定，持液量在0.24m³/m³，通過圖6中三種填料的持液量對比可知，石墨烯填料持液量要高于HY-Pac及Pallring填料2倍以上。作為新型的微反應器，能夠給予催化劑一定的液相反應環(huán)境，提供充足的反應時間，有助于提升催化效率。

填料的傳質效率反映到具體參數上，一般用每米理論板數或者等板高度來表示。通過實驗，我們測得了隨氣相負荷增大，石墨烯填料每米理論板數的變化情況。通過圖7中石墨烯填料與傳統(tǒng)填料HY-Pac及Pallring曲線對比，三種填料的變化趨勢相近，說明石墨烯填料很大程度保持規(guī)整填料特性，理論板數高出兩倍，說明石墨烯填料分離效果好，傳質能力強。