一种膨胀石墨的制备方法技术

本发明专利技术属于化学领域，特别涉及一种膨胀石墨的制备方法。本发明专利技术方法以硫酸盐、磷酸盐或硝酸盐作为电解液，以模拟乏燃料球作为阳极，以惰性电极作为阴极；在电流为25A～70A的条件下进行电解。收集的石墨颗粒比表面为20m2/g～50m2/g，膨胀容积20mL/g～70mL/g。本发明专利技术由于采用电化学插层与氧化耦合法，在大电流作用下，容易形成含有多种自由基团的氧化石墨，细化了石墨颗粒，从而降低了膨胀石墨形成温度，节约了能源，降低了模拟燃料核芯破碎率，提高了大量基体石墨的再利用，降低了高放废物的处置空间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化学领域，特别涉及。
技术介绍
核能是地球上储量丰富、高度浓集的能源。核能发电比较经济、清洁，能够大大减少环境污染问题，21世纪将是核能发电的大发展时期。高温气冷堆乏燃料元件球经过300MPa压制，1600 °C煅烧，其中95wt%以上是石墨。如果能将大部分的石墨剥离，制备成膨胀石墨再利用，既减少了高放废物处置空间，又节约了资源。石墨中碳原子是以层状结构排列，而层与层之间的结合力比层上的碳原子之间结合力弱很多，因此在一定的条件下很多物质可以插入石墨层间，生成石墨插层化合物，再经过烘干加热处理可以制备成膨胀石墨。石墨插层化合物可以通过化学法、电化学法等方法合成。以硫酸和天然鳞片石墨为原料，硝酸、过氧化氢等为氧化剂，石墨碳层被氧化剂氧化，硫酸则作为主要插层剂发生石墨插层反应(陈志刚，张勇，杨娟等.膨胀石墨的结构、制备和应用.江苏大学学报(自然科学版)，2005，3 (26): 248-251.)。氧化处理后的石墨失去大量π电子，阴离子通过插层进入石墨层间，与石墨碳原子结合，形成石墨插层化合物(GIC)。将生成的石墨插层化合物进行洗涤和烘干，再进行升温到800°C加热，最后可以生成膨胀石墨。石墨插层化合物也可以通过电化学法制备(于仁光，乔小晶，刘伟华等.影响电化学法制备的膨胀石墨的膨胀容积因素研宄，精细石油化工进展，2003，4 (10) 8-10)，具体方法是将天然鳞片石墨和辅助阳极组成阳极室，硫酸和乙酸作为电解质溶液，用铅板或铂板作阴极，再通直流。在电解过程中，发生氧化反应，电解结束后，对阳极石墨进行脱酸、水洗、脱水、干燥等过程后，再于600-800 0C加热膨化。通过控制阳极电解液浓度、电流密度、电位、氧化时间等可有效地控制反应速度并得到期望膨胀石墨，这是其它方法无法比拟的优点。上述方法都采用强酸、强氧化剂等对天然鳞片石墨进行膨胀石墨制备，而使用强酸强氧化剂对高温气冷堆乏燃料元件球进行插层氧化，容易使意外破碎的包覆颗粒溶解在溶液中，造成α放射性和裂变产物强γ放射性对大量基体石墨的污染，从而造成大量的基体石墨因污染不能再利用或者不能以中低放的形式暂存，增加高放废物处置空间；由于石墨球经过高温高压处理，现有的化学氧化及电化学工艺条件不能满足石墨球的解体，并在低温下形成并制备膨胀石墨，有必要开发一种新的技术。本专利技术使用弱酸性电解液，采用电化学插层氧化方法，在电流为25Α?70Α的条件下进行电解，阳极区容易形成含有多种自由基团的氧化石墨，细化了石墨颗粒，从而降低了膨胀石墨形成温度(在120°C?200°C下膨胀)，节约了能源，提高了大量基体石墨的再利用。
技术实现思路
针对现有技术中的不足，结合高温气冷堆石墨球的结构特点，本专利技术提供，该方法包括如下步骤:I)在电解槽中放入模拟乏燃料元件球，以硫酸盐、磷酸盐或硝酸盐作为电解液，电解液浓度为2mol/L?5mol/L，并用硝酸调节pH至3?7 ;2)以模拟乏燃料元件球作为阳极，以惰性电极作为阴极；接通电源，通入25A?70A的电流，在不高于于40°C的条件下进行电解；3)在120°C?200°C下膨胀，分离得到膨胀石墨。所述惰性电极的材质为铅、石墨或钛。所述电解的电解时间为Ih?5h。电解过程中通过自动pH调节仪器控制电解液pH保持在3?7范围内。所述膨胀的膨胀时间为Ih?3h。本专利技术的有益效果为:本专利技术使用的是弱酸性电解液，采用电化学插层氧化方法，在大电流作用下，容易形成含有多种自由基团的氧化石墨，细化了石墨颗粒，从而降低了膨胀石墨形成温度，节约了能源，降低了模拟燃料核芯破碎率，提高了大量基体石墨的再利用，降低了高放废物的处置空间。【具体实施方式】本专利技术提供了，具体为:以硫酸盐、磷酸盐或硝酸盐为电解液，以模拟乏燃料球作为阳极，以惰性电极作为阴极；在电流为25A?70A，室温的条件下进行电解。下面列举实施例进一步对本专利技术予以说明，但不以任何方式限制本专利技术。实施例1配置浓度为3mol/L的謂03的电解液置于电解槽中，并用硝酸调节pH至3，以铅板作为阴极，直径为Φ60_的模拟乏燃料元件球作为阳极，在室温下，通入25Α电流进行恒流电解。电解过程中通过自动PH调节仪器控制pH为3，进行5h后，抽滤电解液，并用去离子水洗涤滤饼至滤液PH为7左右，自然干燥，于烘箱中在200°C温度下膨胀lh，膨胀后分离石墨与模拟燃料核芯，得到的石墨颗粒比表面积为35m2/g，膨胀容积为44mL/g。实施例2配置浓度为2mol/L的他#04的电解液置于电解槽中，并用硝酸调节pH至5，以石墨作为阴极，直径为Φ60_的模拟乏燃料元件球作为阳极，在室温下，通入40Α电流进行恒流电解。电解过程中通过自动PH调节仪器控制pH为5，3h后，抽滤电解液，并用去离子水洗涤滤饼至滤液PH为7左右，自然干燥，于烘箱中在150°C温度下膨胀2h，膨胀后分离石墨与模拟燃料核芯，膨胀后得到的石墨颗粒比表面积为23m2/g，膨胀容积为25mL/g。实施例3配置浓度为2mol/L的Na2SO^电解液置于电解槽中，并用硝酸调节pH至7，以钛网作为阴极，直径为Φ60mm的模拟乏燃料元件球作为阳极，在40°C温度下，通入60A电流进行恒流电解。电解过程中通过自动PH调节仪器控制pH为7，进行2h后，抽滤电解液，并用去离子水洗涤滤饼至滤液PH为7左右，自然干燥，于烘箱中在120°C温度下膨胀3h，膨胀后分离石墨与模拟燃料核芯，膨胀后得到的石墨颗粒比表面积为50m2/g，膨胀容积为48mL/g。实施例4配置浓度为5mol/L的似勵3的电解液置于电解槽中，并用硝酸调节pH至3，以石墨作为阴极，直径为Φ60_的模拟乏燃料元件球作为阳极，在室温下，通入70Α电流进行恒流电解。电解过程中通过自动PH调节仪器控制pH为3，进行Ih后，抽滤电解液，并用去离子水洗涤滤饼至滤液PH为7左右，自然干燥，于烘箱中在120°C温度下膨胀3h，膨胀后分离石墨与模拟燃料核芯，膨胀后得到的石墨颗粒比表面积为50m2/g，膨胀容积为65mL/g。【主权项】1.，其特征在于，该方法包括如下步骤: 1)在电解槽中放入模拟乏燃料元件球，以硫酸盐、磷酸盐或硝酸盐作为电解液，电解液浓度为2mol/L?5mol/L，并用硝酸调节pH至3?7 ； 2)以模拟乏燃料元件球作为阳极，以惰性电极作为阴极；接通电源，通入25A?70A的电流，在不高于于40°C的条件下进行电解； 3)在120°C?200°C下膨胀，分离得到膨胀石墨。2.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述惰性电极的材质为铅、石墨或钦。3.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述电解的电解时间为Ih?5h。4.根据权利要求1所述的，其特征在于，电解过程中通过自动PH调节仪器控制电解液pH保持在3?7范围内。5.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述膨胀的膨胀时间为Ih?3h。【专利摘要】本专利技术属于化学领域，特别涉及。本专利技术方法以硫酸盐、磷酸盐或硝酸盐作为电解液，以模拟乏燃料球作为阳极，以惰性电极作为阴极；在电流为25A～70A的条件下进行电解。收集的石墨颗粒比表面为20m2/g～50m2/g，膨胀容积20mL/g～70mL/g。本专利技术由于采用电化学插层与氧化耦合法，在大电流作用下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膨胀石墨的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)在电解槽中放入模拟乏燃料元件球，以硫酸盐、磷酸盐或硝酸盐作为电解液，电解液浓度为2mol/L～5mol/L，并用硝酸调节pH至3～7；2)以模拟乏燃料元件球作为阳极，以惰性电极作为阴极；接通电源，通入25A～70A的电流，在不高于于40℃的条件下进行电解；3)在120℃～200℃下膨胀，分离得到膨胀石墨。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：文明芬，陈靖，王树威，王建晨，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11