Per què el carbur de calci és una font pràctica de carboni
El carbur de calci (CaC2) es fabrica mitjançant la reducció d'alta-temperatura de la calç amb carboni en un forn elèctric, i segueix sent un dels transportadors de carboni concentrat de menor cost-comercialitzat en tonatge a granel. El seu valor per a la producció de grafè rau en la reactivitat de l'ió carbur: l'esquelet de carboni necessari per al creixement bi-dimensional ja està muntat en una unitat simple de dos{-carbons, de manera que la matèria primera arriba amb molt menys treball de pre-pretractament que el grafit natural o el gas d'hidrocarburs, tots dos primers s'han de trencar o purificar com a font de creixement.
El carbur de calci comercial es classifica principalment pel rendiment d'acetilè i per la mida dels grumolls. Les classes de mida estàndard inclouen 0-5 mm, 5-25 mm, 25-50 mm i 50-80 mm. Les classes gruixudes es seleccionen normalment per a la síntesi química perquè exposen menys superfície a la humitat ambiental durant l'emmagatzematge i el transport, de manera que es perd menys material per hidròlisi prematura abans d'arribar al reactor.
Ruta de preparació de cinc-passos per al grafè bi-dimensional
El primer pas forma el precursor de la font de carboni. El carbur de calci i un tensioactiu es carreguen en un agitador tancat amb una relació de massa de 50:(3-6). El recipient es manté a 60-100 graus C i s'agita a 80-120 rpm durant 5-10 minuts. La temperatura moderada i la cisalla baixa s'utilitzen deliberadament, perquè el sobreescalfament local descompondria el tensioactiu abans que pugui estabilitzar el carbur dispers.
El segon pas construeix la plantilla. La rectorita es renta primer amb etanol i després es combina amb un catalitzador amb una relació de massa de rectorita-a-catalitzador de 8:(0,1-0,3). La barreja es tracta en una unitat de microones de 500-600 W durant 3-5 minuts per donar una plantilla de catalitzador suportada per rectorita. El rentat amb etanol és un punt de control més que un pas de neteja: l'aigua adsorbida a l'argila competeix amb el precursor de carboni durant la intercalació i redueix la uniformitat de l'ompliment de les capes intercalades.
El tercer pas és l'etapa d'intercalació. El precursor del primer pas i la plantilla carregada del pas dos es carreguen en un mesclador de dispersió tancat amb una relació de massa d'1:(3-4). El mesclador es manté a 60-80 graus C i funciona a 800-1000 rpm mentre s'aplica un buit de 5-10 MPa durant 10-20 minuts, de manera que el precursor s'introdueix i reté dins de les galeries intercapa de rectorita. El producte és un precursor de font de carboni de rectorita entre capes intercalades.
El quart pas és l'etapa de creixement. El precursor intercalat es col·loca en un reactor sec tancat, s'afegeix un àcid barrejat i el reactor s'escalfa a 800-1000 graus C sota un flux d'argó de 80-100 ml/min. El temps de reacció és de 3-8 hores, després de les quals la càrrega es refreda de manera natural a uns 20 graus C. A continuació, s'elimina l'estructura de rectorita amb un 30-50% d'àcid nítric en massa per deixar un producte primari de grafè.
El cinquè pas purifica el producte. El producte primari es renta amb una solució alcalina fins que el líquid de rentat és neutre i després s'asseca. La sortida és de gran-grafè bi-dimensional amb un gruix de capa de 2 nm o menys, equivalent a un petit nombre de capes de carboni apilades.
| Fase del procés | Paràmetre clau | Configuració |
|---|---|---|
| Formació de precursors | Relació de massa CaC2 a tensioactiu | 50:(3-6) |
| Formació de precursors | Temperatura / agitació | 60-100 graus C / 80-120 rpm / 5-10 min |
| Preparació de la plantilla | Relació de massa rectorita a catalitzador | 8:(0.1-0.3) |
| Preparació de la plantilla | Valoració / temps de microones | 500-600 W / 3-5 min |
| Intercalació | Relació de massa precursora de la plantilla | 1:(3-4) |
| Intercalació | Temps de buit/dispersió | 5-10 MPa / 10-20 min a 800-1000 rpm |
| Reacció de creixement | Temperatura / temps / flux d'argó | 800-1000 graus C / 3-8 h / 80-100 ml per min |
| Purificació | Força de l'àcid nítric | 30-50% en massa, després rentar a neutre |
Pràctica al forn i intensitat energètica de la matèria primera
La reducció del-forn elèctric és l'única via utilitzada per a la producció industrial de carbur de calci. El carbur fos flueix des de la part inferior del forn de reacció cap a un dipòsit receptor i es refreda en un producte sòlid que després es tritura i es criba. L'operació és un procés d'alta-temperatura i pols-intensiu. A la dècada de 1980, la producció d'una tona de carbur de calci industrial consumia de 10 a 11 GJ d'energia elèctrica; Ara es prefereixen els forns tancats i de gran-capacitat perquè redueixen la pèrdua de calor i fan que el subproducte-de monòxid de carboni es pugui recuperar com a combustible o com a matèria primera química en lloc de fer-lo en torsió.
Paràmetres de qualitat a especificar per al producte de grafè
Tres valors d'acceptació controlen el valor comercial de la sortida: el gruix de la capa, la mida del floc lateral i el contingut inorgànic residual. Un gruix de capa de 2 nm o menys s'ha de confirmar per microscòpia i amb el vocabulari de material bidimensional corresponent, i el certificat del proveïdor per si sol no és una prova suficient. Els residus de catalitzador i argila residuals es controlen pel tractament amb àcid nítric i pel rentat de neutralització, de manera que la força de l'àcid, la durada del tractament i el punt final del rentat haurien d'aparèixer al registre del lot. ISO/TS 80004-13 defineix el grafè i els materials bidimensionals relacionats i proporciona la terminologia que s'utilitza normalment quan aquests valors s'escriuen en una especificació de compra.
Embalatge, emmagatzematge i seguretat
El carbur de calci s'ha de mantenir sec i allunyat de l'aigua, perquè el contacte amb la humitat genera acetilè, un gas inflamable. Els bidons d'acer segellats en mides de 50 kg i 100 kg són els envasos d'exportació habituals, i es prefereixen els grumolls gruixuts de 50-80 mm per a l'exportació perquè sobreviuen a la manipulació amb menys generació de fines. Un bidó o una bossa que hagi absorbit la humitat no s'ha d'obrir mai en un espai tancat sense ventilació. Pel que fa al grafè, l'assecat s'ha de completar abans de l'embalatge: la humitat adsorbida en una pols de carboni d'-superfície-alta -àrea promou la re-aglomeració i canvia la distribució mesurada de la mida de les partícules.
Preguntes freqüents
Q:Quin és l'avantatge del carbur de calci sobre el grafit com a font de carboni de grafè?
R: La columna vertebral del carboni ja està present com a unitat reactiva de dos-carbons, de manera que el procés evita les etapes de purificació del grafit i de craqueig d'hidrocarburs que consumeixen energia i capital addicionals.
Q:Quina relació de massa de carbur de calci a tensioactiu s'utilitza en l'etapa precursora?
A: 50:(3-6), barrejat en un agitador tancat a 60-100 graus C i 80-120 rpm durant 5-10 minuts.
Q:Per què es renta la rectorita amb etanol abans del pas de microones?
R: L'etanol elimina l'aigua adsorbida i la humitat residual competiria amb el precursor de carboni quan s'introdueix a les galeries entre capes durant la intercalació al buit.
Q:Quin nivell de buit i velocitat de mescla s'utilitzen al mesclador de dispersió?
A: 800-1000 rpm amb un buit de 5-10 MPa durant 10-20 minuts a una temperatura controlada de 60-80 graus C.
Q:Quines són les condicions de creixement dins del reactor sec?
R: 800-1000 graus C durant 3-8 hores sota argó a 80-100 ml per minut, seguit d'un refredament natural a uns 20 graus C.
Q:Com s'elimina la plantilla de rectorita després del creixement?
R: Amb un 30-50% d'àcid nítric en massa, després del qual el producte es renta amb una solució alcalina fins a la neutralitat i s'asseca fins a la pols de grafè final.