本发明涉及新能源材料技术领域，尤其涉及一种去除碳材料中金属离子的加压流体提取系统和方法。
背景技术：
随着人类社会对化石资源与能源的消耗快速增长，各种环境与可持续发展问题日益突出。可再生能源的发展以及高效的能源储存管理技术在未来可以有效地应对这些问题。高性能的电化学能量存储系统，如可充放电池、超级电容等，将会在工业和社会经济各个体系中得到广泛的应用。
随着新能源的发展，对于高性能的新能源材料的研发已成为重要的关键突破方向。其中，新型碳基材料在储能材料的发展中占有重要的位置，特别是随着纳米技术的发展，各种新型碳材料不断出现，如超级活性碳，纳米孔隙碳，碳纳米管，石墨烯等。这类材料有优异的电性能以及可以调控的孔隙特性，非常适合离子和电子的快速传输。另外，碳基材料还有很好的复合性能，可以与金属、氧化物、高分子进行复合形成新的材料体系。
碳基材料目前主要应用还是集中在锂离子电池和超级电容的电极材料，但碳材料中微量金属离子污染对储能器件来说是重大的安全隐患。金属离子的存在可能其他电化学现象，会引起短路或产生自放电，金属离子的存在会引起电解液的电解造成器件鼓包。从而缩短电池的寿命或是造成严重的安全问题。
超级活性碳，纳米孔隙碳，碳纳米管，石墨烯等碳材料由原料或是制备过程的因素，都不可避免地存在微量金属离子污染问题。超级活性碳和纳米孔隙碳由于原料和制孔工艺会引入金属离子污染，碳纳米管与石墨烯在制备过程中使用金属催化剂，这些催化剂金属都混在产物中，虽然较大量的利用酸洗去除，但微量的金属离子还是存在。去除微量金属离子是所有电极碳材料生产中非常重要的工序。
工业上处理多采用氧化加酸洗的方法，这一过程用到较大量的氧化剂过氧化氢，硝酸以及无机酸硫酸、盐酸，通常的反复浸出清洗过程，为了达到较低的金属离子含量的标准，必须对材料进行多次处理，过程耗时比较长，也会产生大量的含酸废水，造成极大的环保处理压力。
技术实现要素：
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种去除碳材料中金属离子的加压流体提取系统和方法，用以解决现有去除方法需要反复清洗进而使用大量的含酸清洗液以及同时去除多种金属离子时去除效果差的技术问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本申请提供了一种去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，包括以下步骤：
步骤1、将碳材料原料在空气中预氧化，获得预氧化碳材料原料，将预氧化碳材料原料在氮气氛围中冷却至室温；
步骤2、将冷却后的预氧化碳材料原料与石英砂混合形成固体料，装入加压流体提取系统的提取单元中；
步骤3、将提取单元加热至工作温度，将洗脱液注入提取单元内进行加压提取操作，单次加压提取的时间小于15min，洗脱液分2～8次加压注入提取单元中；
步骤4、在相同工作条件下，向提取单元注入去离子水进行清洗，通入氮气排除液体，卸下固体料并在去离子水中分离出石英砂，经过滤、干燥后得到去除微量金属离子的碳材料。
进一步地，在步骤1中，碳材料原料的空气中预氧化温度为300～450℃。
进一步地，在步骤1中，碳材料原料的空气预氧化时间为1.0～30min。
进一步地，在步骤3中，加压流体提取单元的工作温度范围为40～200℃；的加压流体提取单元柱前压力范围2.0～20mpa。
进一步地，单次加压提取的时间为2～15min；加压提取的次数为2～8次。
进一步地，在步骤3中，洗脱液为浓度为0.1～1.0wt％的聚丙烯酸水溶液。
进一步地，聚丙烯酸的平均分子量为600-5000。
进一步地，在步骤4中，去离子水清洗的单次清洗时间为1～10min；去离子水清洗的次数为1～5次。
另一方面，本申请还提供了一种去除碳材料中微量金属离子的加压流体提取系统，该提取系统用于实现上述去除碳材料中微量金属离子的加压流体提取方法，该加压流体提取系统包括提取单元，提取单元包括提取管和加热部件；提取管的顶端分别与设有第一加压泵和第一控制阀的第一管道、设有第二加压泵和第二控制阀的第二管道和设有第三控制阀的第三管道连通；
第一管道的另一端与洗脱液罐连接，第二管道的另一端与去离子水罐连接，第三管道的另一端与氮气罐连接；提取管的下端通过第四管道与废液罐连通；加热部件用于为提取管加热。
在一种可能的设计中，提取管内设有上层金属筛板和下层金属筛板，上层金属筛板和下层金属筛板之间的区域为装料区，上层金属筛板和下层金属筛板的孔径小于固体料粒度。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明方法采用加压流体提取过程以提高对微量金属离子洗脱的效率，通过对提取过程条件的优化设计，以实现碳纳米材料中含有的微量金属污染在最短的操作时间与最少量的洗脱液的条件下达到储能器件应用的要求。
(2)本发明洗脱液采用浓度为0.1～1.0wt％的聚丙烯酸的水溶液，采用聚丙烯酸的水溶液作为洗脱液不仅降低洗脱液与碳材料颗粒接触时的表面势能，使得洗脱液能充分浸润颗粒；同时还可调节溶液酸性；络合与扑捉洗脱的金属离子，防止被其他碳颗粒吸附。通过结合加压流体提取过程，使得碳材料中微量金属离子污染的洗脱过程，耗时可以控制在1.0h内，洗脱液的用量从原来的洗脱过程降低数十倍。
(3)本发明提供高效的去除碳材料中金属离子的加压流体提取系统和方法能够避免使用大量的含酸清洗液，减少反复清洗的操作次数，同时实现将多种金属离子含量去除到很低的水平。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本申请去除碳材料中微量金属离子的加压流体提取流程示意图。
附图标记：
1-洗脱液；2-第一加压泵；3-第一控制阀；4-第二控制阀；5-提取管；6-加热部件；7-氮气罐；8-去离子水罐；9-第二加压泵；10-第三控制阀；11-废液罐。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本申请提供了一种去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，包括以下步骤：
步骤1、将碳材料原料在空气中预氧化，获得预氧化碳材料原料，将预氧化碳材料原料在氮气氛围中冷却至室温；
步骤2、将冷却后的预氧化碳材料原料与石英砂按质量比为1:1～2:1混合后形成固体料，将该固体料装入加压流体提取系统的提取单元中；
需要说明的是，在上述步骤2中，在提取柱中加入石英砂的目的是以石英砂颗粒作为孔隙结构的支撑，避免出现碳材料颗粒在压力之下形成密实层。如果没有石英砂作为支撑填充物，碳材料颗粒非常容易由于提取管5的压差造成管内阻塞，影响提取过程。将碳材料原料与石英砂的质量比值控制在1:1～2:1的范围内，有利于在保持柱压差、提取流量以及单柱提取效率几个关键因素之间相互平衡。如果此比值低于1:1，石英砂的量过多占据大部分有效柱体积，降低单柱的提取效率；如果比值高于2:1，会因为石英砂量过少造成压差过大和局部阻塞。
步骤3、将提取单元加热至工作温度，利用第一加压泵2将洗脱液1泵入提取单元内进行加压提取操作，单次加压提取的时间小于15min，洗脱液1分多次加压注入提取单元中；
步骤4、将步骤3中处理完的提取单元在如步骤3相同的工作温度、流体压力及工作时间条件下注入去离子水清洗，之后通入氮气排除液体，从提取单元中卸下固体料，在去离子水中分离出石英砂，处理完的碳材料经过过滤、干燥后得到相应的去除离子材料。
与现有技术相比，本发明采用将预氧化碳材料原料与石英砂制成固体料并将该固体料装入加压流体提取系统中，向加压流体提取系统泵入洗脱液1进而出去碳材料中微量的金属离子，这种方法能够避免使用氧化剂例如过氧化氢、硝酸、无机酸硫酸和盐酸等，进而避免使用大量的含酸清洗液，从而避免产生大量的含酸废水；另外，本申请避免了反复清洗碳材料，减少反复清洗的操作次数，不仅能够减少使用酸洗液的用量，同时节省了碳材料去除微量金属离子的时间，实现了将多种金属离子含量去除到很低的水平，从环保的角度考虑，本申请更加节约环保和高效。
在上述步骤1中，碳材料原料在处理之前需要在空气中进行预氧化处理，将空气预氧化温度控制在300～450℃以及控制空气预氧化时间为1.0～30min能够保证材料表面的一些具有离子络合能力的官能团分解，有利于金属离子从材料中脱附，空气预处理后样品在氮气中冷却至室温。
在上述步骤3中，加压流体提取系统包括提取管5、加热部件6和加压部件；其中，提取管5的顶端分别与设有第一加压泵2和第一控制阀3的第一管道、设有第二加压泵9和第二控制阀4的第二管道和设有第三控制阀10的第三管道连通，第一管道的另一端与洗脱液1瓶连接，第二管道的另一端与去离子水罐8连接，第三管道的另一端与氮气罐7连接；提取管5的下端通过第四管道与废液罐11连通。
需要说明的是，在提取管5内设有上层金属筛板和下层金属筛板，上层金属筛板和下层金属筛板之间的区域为装料区，上层金属筛板和下层金属筛板的孔径能够根据填料(如固体填料)粒度调整，进而防止填料从上层金属筛板和下层金属筛板上漏出；当将预氧化碳材料原料与石英砂按照质量比为1:1的配比混合形成的固体料装入装料区并固定好后，开启加热部件6、加压部件和第一控制阀3，将提取管5的温度和压力保持在设定温度和设定压力，利用第一加压泵2将洗脱液1泵入到提取管5中，采用间歇式加压，一次加压的持续时间为2～15min，整个提取流程需要间歇式加压的次数为2～8次，完成然后关闭第一控制阀3，开启第二控制阀4，在相同工作条件下向提取管5中注入去离子水清洗固体料，然后关闭第二控制阀4同时开启第三控制阀10，向提取管5内通入氮气以排除固体料中含有的洗脱液1，从提取单元中卸下固体料，在去离子水中利用重力将石英砂分离出来，得到固体产物，将该固体产物进行过滤和干燥，最终获得去除微量技术离子是碳材料；利用电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp-aes)测定该碳材料中的各种金属离子的含量，固体样品在测试前需要进行消解处理，消解处理按照标准方法usepa3050b操作。
需要强调的是，为了保证提取柱的使用强度和保证提取柱内壁的光洁度，提取柱为耐温和耐压的316s不锈钢材质，提取管5内壁衬为聚四氟乙烯，加热部件6设于提取管5外部且为电加热，加压部件采用液体泵调节。
在上述步骤3中，提取单元的工作温度范围为40～200℃；提取单元的柱前压力范围2.0～20mpa。本发明将提取单元的温度范围控制在40～200℃能够保持洗脱液1与碳材料颗粒有良好的浸润性，提高金属离子的溶解速度以及洗脱液1对金属离子的溶解度。将提取单元的柱前压力控制在2.0～20mpa范围内能够大大提高洗脱液1对碳材料颗粒的渗透深度，从而提高单次洗脱效率。
在上述步骤3中，加压提取所用的洗脱液1浓度为0.1～1.0wt％的聚丙烯酸水溶液，聚丙烯酸的平均分子量为600～5000；具体地，加压提取所用的洗脱液1为浓度0.1～1.0wt％的聚丙烯酸水溶液，聚丙烯酸的平均分子量为600～5000。选取如此质量浓度范围和分子量范围主要目的为：保证洗脱液1与碳材料颗粒有很好的浸润性，使得洗脱保持稳定ph值以及络合洗脱能力，使得洗脱保持适当的黏度及流动性，有利于洗脱过程的传质。
本申请采用的聚丙烯酸主要起到三个作用：1)在洗脱液1与碳材料颗粒接触时降低表面势能，使得洗脱液1能充分浸润颗粒；2)调节溶液酸性；3)络合与扑捉洗脱的金属离子，防止被其他碳颗粒吸附。通过结合加压流体提取过程，使得碳材料中微量金属离子污染的洗脱过程，耗时可以控制在1.0h内，洗脱液1的用量从通常洗脱过程降低数十倍。
为了保证将提取管5内的固体料中洗脱液1最大程度的去掉，在向提取管5注入去离子水清洗固体料时，去离子水清洗的单次清洗时间为1～10min，去离子水的清洗的次数为1～5次。
需要说明的是，本发明中所用碳材料指的是超级活性碳、纳米孔隙碳、碳纳米管、石墨烯等较为广泛应用于锂离子电池与超级电容的新型纳米碳材料。超级活性碳与纳米孔隙碳主要应用于碳-碳超级电容，在材料的生产制备过程会采用koh或naoh活化，由于原料中不可避免地含有金属杂质，同时在碱活化过程中会引入金属离子，需要去除离子达到电子器件要求的纯度。碳纳米管和石墨烯是目前新能源材料研究的热点，但其制备过程都涉及金属催化剂，或是含有金属的试剂，各种因素都会使得最终材料中含有一定量的金属离子污染。无论材料以何种形式加入储能器件的电极材料，其中含有的金属离子污染必须控制在很低的水平，而本申请提供的加压流体提取方法能够将该类碳材料中微量金属离子控制在超低的水平，使上述碳材料能够满足储能器件的要求。
实施例1
步骤1、碳材料原料在空气中加热420℃预氧化10min，在氮气中冷却至室温；
步骤2、100克预氧化碳材料原料与150目石英砂按质量比1：1混合后装入加压流体提取管5中；
步骤3、将提取单元加热至100℃，第一加压泵2将洗脱液1按工作压力5.0mpa注入提取单元，单次加压提取的时间10min，洗脱液1分5次加压注入提取管5中；
步骤4、洗脱液1为浓度为0.5wt％的聚丙烯酸溶液，聚丙烯酸的平均分子量为3000，处理完的提取单元在与步骤3相同的工作条件下注入去离子水清洗，单次清洗时间为8min，清洗次数为3次；之后通入氮气排除液体，从提取单元中卸下固体料，在去离子水中分离出石英砂，处理完的碳材料经过滤与干燥后得到相应的去除离子材料。
最终处理所得的固体产物中的各种金属离子的含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp-aes)进行测定，固体样品在测试前需要进行消解处理，消解处理按照标准方法usepa3050b操作。样品的测试结果如表1所示。
表1实施例1的测试结果
实施例2
步骤1、将活性碳样品在空气中加热预氧化(处理条件如表2所示)，在氮气中冷却至室温；
步骤2、将100克预氧化碳材料原料与150目石英砂按质量比1：1混合后装入加压流体提取管5中；
步骤3、提取单元加热至100℃，第一加压泵2将洗脱液1按工作压力5.0mpa注入提取单元，单次加压提取的时间10min，洗脱液1可以分5次加压注入；
步骤4、洗脱液1为浓度为0.5wt％的聚丙烯酸溶液，聚丙烯酸的平均分子量为3000。处理完的提取单元在相同工作条件下注入去离子水清洗，单次清洗时间为8min，清洗次数为3次。之后通入氮气排除液体，从提取单元中卸下固体料，在去离子水中分离出石英砂，处理完的碳材料经过滤与干燥后得到相应的去除离子材料。
最终处理所得的固体产物中的各种金属离子的含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp-aes)进行测定，固体样品在测试前需要进行消解处理，消解处理按照标准方法usepa3050b操作。样品的测试结果如表2所示。
表2：实施2的测试结果
实施例3
步骤1、材料原料在空气中加热420℃预氧化10min，在氮气中冷却至室温；
步骤2、100克预氧化碳材料原料与150目石英砂按质量比1：1混合后装入加压流体提取管5中。
步骤3、提取单元加热至工作温度，第一加压泵2将洗脱液1按工作压力注入提取单元(提取操作条件如表3所示)。
步骤4、洗脱液1为浓度为0.5％的聚丙烯酸溶液，聚丙烯酸的平均分子量为3000。处理完的提取单元在相同工作条件下注入去离子水清洗，单次清洗时间为8min，清洗次数为3次。之后通入氮气排除液体，从提取单元中卸下固体料，在去离子水中分离出石英砂，处理完的碳材料经过滤与干燥后得到相应的去除离子材料。
最终处理所得的固体产物中的各种金属离子的含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp-aes)进行测定，固体样品在测试前需要进行消解处理，消解处理按照标准方法usepa3050b操作。样品的测试结果如表3所示。
表3：实施例3的测试结果
实施例4
步骤1、将碳材料原料在空气中加热420℃预氧化10min，在氮气中冷却至室温；
步骤2、将100克预氧化碳材料原料与150目石英砂按质量比1：1混合后装入加压流体提取管5中；
步骤3、提取单元加热至100℃，第一加压泵2将洗脱液1按工作压力5.0mpa注入提取单元，单次加压提取的时间10min，洗脱液1可以分5次加压注入。
步骤4、洗脱液1为浓度聚丙烯酸溶液(洗脱液1的条件如表4)。处理完的提取单元在相同工作条件下注入去离子水清洗，单次清洗时间为8min，清洗次数为3次。之后通入氮气排除液体，从提取单元中卸下固体料，在去离子水中分离出石英砂，处理完的碳材料经过滤与干燥后得到相应的去除离子材料。
最终处理所得的固体产物中的各种金属离子的含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp-aes)进行测定，固体样品在测试前需要进行消解处理，消解处理按照标准方法usepa3050b操作。样品的测试结果如表4所示。
表4：洗脱液1的浓度及实施例4的测试结果
对照例1
步骤1、将碳材料原料在空气中加热420℃预氧化10min，在氮气中冷却至室温；
步骤2、将10克预氧化碳材料原料与250克洗脱液混合；
步骤3、将步骤2中混合物搅拌加热至80℃，继续搅拌洗脱45min；洗脱完成后过滤去掉洗脱液，加入250克新鲜洗脱液重复加热搅拌洗脱过程。重复这一过程直至icp-aes测定的残留离子浓度不变为止。
步骤4、洗脱液为1 9盐酸或是含5％过氧化氢的1 9盐酸(洗脱液的条件如表5)；1 9盐酸为1.0体积浓盐酸(12mol/l,1.179g/ml)与9.0体积去离子水的混合物；酸洗完碳样品用250克去离子水清洗2次。碳材料经过滤与干燥后得到相应的去除离子材料。
表5本申请的加压流体提取方法与现有酸洗方法的对比情况表
最终处理所得的固体产物中的各种金属离子的含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp-aes)进行测定，固体样品在测试前需要进行消解处理，消解处理按照标准方法usepa3050b操作。样品的测试结果如上表5所示。
由上表5可以看出，采用现有技术中的碳材料金属离子去除方法时，洗脱液选择1 9盐酸(1 9盐酸为1.0体积浓盐酸(12mol/l,1.179g/ml)与9.0体积去离子水的混合物)或者含5％过氧化氢的1 9盐酸(1 9盐酸为1.0体积浓盐酸(12mol/l,1.179g/ml)时，都存在以下缺陷：1)废液量巨大，造成很大环保压力；2)反复洗脱耗时耗能；3)洗脱效果存在极限，无法做到深度去除离子。
当采用本申请的加压流体提取方法不仅废洗脱量少，操作过程耗时少(74min)，而且去除离子效率高，处理效果好。
综上，现有的以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将碳材料原料在空气中预氧化，获得预氧化碳材料原料，将预氧化碳材料原料在氮气氛围中冷却至室温；
步骤2、将冷却后的预氧化碳材料原料与石英砂混合形成固体料，装入加压流体提取系统的提取单元中；
步骤3、将提取单元加热至工作温度，将洗脱液注入提取单元内进行加压提取操作，单次加压提取的时间小于15min，洗脱液分2～8次加压注入提取单元中；
步骤4、在相同工作条件下，向提取单元注入去离子水进行清洗，通入氮气排除液体，卸下固体料并在去离子水中分离出石英砂，经过滤、干燥后得到去除微量金属离子的碳材料。
2.根据权利要求1所述的去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述碳材料原料的空气中预氧化温度为300～450℃。
3.根据权利要求1所述的去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述碳材料原料的空气预氧化时间为1.0～30min。
4.根据权利要求1所述的去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述加压流体提取单元的工作温度范围为40～200℃；所述的加压流体提取单元柱前压力范围2.0～20mpa。
5.根据权利要求1所述去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，其特征在于，所述单次加压提取的时间为2～15min；所述加压提取的次数为2～8次。
6.根据权利要求1所述的去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述洗脱液为浓度为0.1～1.0wt％的聚丙烯酸水溶液。
7.根据权利要求6所述的去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，其特征在于，所述聚丙烯酸的平均分子量为600-5000。
8.根据权利要求1所述的去除碳材料中金属离子的加压流体提取方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述去离子水清洗的单次清洗时间为1～10min；所述去离子水清洗的次数为1～5次。
9.一种去除碳材料中微量金属离子的加压流体提取系统，其特征在于，用于实现权利要求1至8所述的去除碳材料中微量金属离子的加压流体提取方法，所述加压流体提取系统包括提取单元；所述提取单元包括提取管和加热部件；所述提取管的顶端分别与设有第一加压泵和第一控制阀的第一管道、设有第二加压泵和第二控制阀的第二管道和设有第三控制阀的第三管道连通；
所述第一管道的另一端与洗脱液罐连接，所述第二管道的另一端与去离子水罐连接，所述第三管道的另一端与氮气罐连接；所述提取管的下端通过第四管道与废液罐连通；所述加热部件用于为提取管加热。
10.根据权利要求9所述的去除碳材料中微量金属离子的加压流体提取系统，其特征在于，所述提取管内设有上层金属筛板和下层金属筛板；所述上层金属筛板和下层金属筛板之间的区域为装料区；所述上层金属筛板和下层金属筛板的孔径小于固体料粒度。
技术总结