Otrzymywanie tlenku grafenu Prezentacja projektu technologicznego

1.grafit, grafen oraz ich pochodne

Czym jest Grafit? Jest to oprócz diamentu i fullerenu odmiana alotropowa węgla, którą tworzą równoległe warstwy, składające się z heksagonalnie powiązanych atomów węgla. Swoją strukturą przypominają plastry miodu. Jest to minerał występujący naturalnie w przyrodzie o dobrej przewodności cieplnej oraz elektrycznej. Jest odporny na wysoką temperaturę. Jest to materiał, charakteryzujący się anizotropią właściwości (zależność od kierunku) Pochodną grafitu jest, np. tlenek grafitu, który zawiera grupy funkcyjne z atomami tlenu, tj. –COOH, -OH, grupy epoksy-

Tlenek grafitu

Czym jest Grafen? Grafen jest strukturą płaską, stanowiącą pojedynczą warstwę struktury grafitowej, tj. warstwę o grubości jednego atomu. Są to heksagonalnie powiązane atomy węgla. Ma bardzo wysoki stosunek powierzchni do objętości. Czysty grafen jest polimerem : Supercienkim Praktycznie przezroczystym Całkowicie wolnym od heteroatomów Bardzo dobrze przewodzącym ciepło i elektryczność O Bardzo wysokim przewodnictwie elektronów

Tlenek grafenu Jest to analog grafenu wzbogacony o ugrupowania funkcyjne zawierające tlen. Jest to pojedyncza warstwa tlenku grafitu GrO. Atomy węgla mają hybrydyzację sp². Membrany z tlenku grafenu są wysoce selektywne. Nie przepuszczają nawet atomów Helu i jednocześnie są przepuszczalne dla wody. Chemiczne metody otrzymywania pozwalają na uzyskanie kilku- kilkudziesięciu warstw tlenku grafenu. Jedną z tych metoda oparta o metodę Hummersa oraz jej liczne modyfikacje. Jest ona metodą utleniania sproszkowanego grafitu do postaci utlenionej- tlenku grafitu. Rolę utleniacza pełni tutaj KMnO4.

2. Projekt technologiczny otrzymywania tlenku grafenu

Opis wykonania procesu syntezy tlenku grafenu Do rozdrobnionego grafitu płatkowego dodajemy H2SO4, H3PO4 Mieszanie Dodanie utleniacza KMnO4 Dodanie wody – kontrola temperatury, dyspergent Eksfoliacja tlenku grafitu- metoda ultradźwiękowa Suszenie: sedymentacja GnO, dekantacja/ przelew, odwirowanie wysokoobrotowe, liofilizacja

schemat procesu syntezy tlenku grafenu

Schemat ideowy procesu

Schemat technologiczny procesu

Wykres Gantta dla procesu syntezy tlenku grafenu

Wykres sankeya dla procesu syntezy tlenku grafenu

Kosztorys procesowy Odczynnik Zapotrzebowanie roczne Koszt roczny Sprzedawca Kwas fosforowy 85% cz. 111,12 L (190 kg) 3056,92 zł KrakChemia S.A. Kwas siarkowy min. 95% cz. 1090,81 L (2000 kg) 14122,72 zł Potasu nadmanganian cz. 150 kg 4494,12 zł Grafit (w postaci płatków +100 mesh (≥75% min)) 50 kg 6201,25 zł Sigma-Aldrich Sp. z o.o.   Woda destylowana 16000 kg 5313,6 zł Demi-Pol Woda do rozcieńczania odpadów 20000 L 90,8 zł MPWiK Warszawa Ścieki 38276,5 kg 265,26 zł Suma kosztów 33544,67 zł

Kosztorys procesowy Do podanych szacunków kosztowych, dotyczących stricte procesu syntezy GnO należy doliczyć koszty związane z pracownikami, nadzorującymi proces syntezy, które w połączeniu z kosztami administracyjnymi oraz technicznymi ,tj. najmu hali, zużycia prądu, badań naukowych procesu syntezy (np. badania produktu ) z pewnym marginesem powinny wynieść około 1mln zł/ 100kg produktu( w skali roku ) Potencjalny zysk ze sprzedaży otrzymanego produktu GnO, przy założeniach ceny sprzedaży 1-1,5tys. zł/1g GnO jest wartością rzędu 100 mln zł /100 kg GnO. 1000zł/1g => 108 zł/ 100 kg GnO

Gospodarka odpadowa Najprostszym technicznie oraz najtańszym sposobem pozbycia się odpadów poreakcyjnych jest przekazanie ich, np. do oczyszczalni ścieków. Domniemane odpady poreakcyjne: nieprzereagowane H3PO4 oraz H2SO4, związki manganu, tj. MnO2, MnSO4, Mn3(PO4)2, woda Czynnością wymaganą przy przekazywaniu zanieczyszczeń jest ich odpowiednie rozcieńczenie- wedle wymagań firm oraz ustaw rządowych Ministra Środowiska Odpowiednie modyfikacje metody Hummersa zapewniają minimalizację szkodliwych dla środowiska odpadów poreakcyjnych

Bezpieczeństwo procesowe Ze względu na operowanie reagentami, które są powszechnie stosowane w przemyśle chemicznym jesteśmy w stanie z dużą pewnością przewidzieć ewentualne wypadki procesowe, np. rozlanie kwasów( nieszczelność rurociągów, przekaźników rurowych) i odpowiednio zabezpieczyć dane elementy aparatury, stosując, np: - uszczelki - system czujników regulowanych przez stanowisko operatorskie procesu (komputery) - wyposażenie hali produkcyjnej w środki gaśnicze: koce gaśnicze, gaśnice proszkowe, piasek gaśniczy - wyposażenie reaktorów i mieszalników w regulację zaworową (siłowniki), [„odcięcie” dopływu reagentów] - sprawnie działający system wentylacji - W hali produkcyjnej - nakaz noszenia fartuchów kwasoodpornych, rękawiczek ochronnych, okularów ochronnych, ewentualnie kasków. - coroczne szkolenia BHP pracowników

Zastosowanie tlenku grafenu Elektronika, optoelektronika (wysoka przezroczystość i konduktywność) Medycyna (zwalczanie próchnicy i chorób przyzębia) Chemia (łatwe pochłanianie radionuklidów) W postaci papieru stanowi doskonałe membrany o kontrolowanej przepuszczalności Sensory pola elektrycznego i magnetycznego Materiały ognioodporne Sztuczne mięśnie, np. serce Produkcja niezwykle wytrzymałych włókien

Analiza uzasadniająca wybór realizowanego rozwiązania   Krótki czas wytwarzania produktów Dostępność odczynników Stosunkowa wysoka wydajność procesów chemicznych Stosunkowo tani proces produkcji- stosunkowo tanie odczynniki Możliwość ingerencji w sam przebieg procesu w dowolnym momencie jego trwania Wysoka wydajność produkcyjna surowca Otrzymany produkt jest w postaci sprzyjającej do jego przetwórstwa Niewiele reakcji ubocznych(produktów ubocznych, które można bezpiecznie odprowadzić do ścieków chemicznych)

bibliografia   „POLIMERY” , 2013, 58, nr 2, Szymon Kugler, Tadeusz Spychaj „Materiały elektroniczne”, Spektroskopia ramanowska grafenu, Kacper Grodecki kwartalnik ,T. 41 - 2013 nr 1 Journal of MembraneScience 474(2015)244–25, Graphene oxide as effective selective barriers on a hollow fiber membrane for water treatment process KunliGoh, LaurentiaSetiawan , LiWei , RongmeiSi , AnthonyG.Fane , RongWang, YuanChen „Cienkie wielowarstwowe powłoki przewodzące zawierające tlenek grafenu/grafen”, Tomasz Kruk http://kopalniawiedzy.pl/tlenek-grafenu-nadmanganian-potasu-kwas-siarkowy-kwas-fosforowy- James-Toura-Rice-University,10934 http://www.nanomaterials.pl/methods?lang=PL http://ichf.edu.pl/press/2012/06/IChF120620_PL.pdf http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1301/1 Massive production of graphene oxide from expanded graphite „Badania procesu utleniania i interkalacji grafitu wybranymi pierwiastkami i ich związkami”, autoreferat rozprawy doktorskiej, Mgr inż. Mateusz Ciszewski

załączniki

załączniki

załączniki

Załączniki

załączniki

Skład zespołu projektowego Adrian Zduńczyk Piotr Moroz Artur Nita Bartłomiej Siroń

Dziękujemy za uwagę!