СПОСОБ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА УГЛЕРОДНОЙ СМЕСИ ВЫСОКОЙ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ МЕТОДОМ ХОЛОДНОЙ ДЕСТРУКЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК C01B31/04 B01J20/20 

Изобретение относится к химической технологии получения легких материалов высокой реакционной способности, а именно к технологии получения углеродной смеси высокой реакционной способности низкотемпературным способом - методом холодной деструкции.

Известны способы получения расширенного графита, при которых разрывы Ван-дер-Ваальсовых связей в структуре графита осуществляются в результате быстрого расширения солей графита под воздействием термического удара при температуре не ниже 1000^oC в течение 2-3 с (например, авт. св. SU N 1630213, кл. С 01 В 31/04, 30.01.94 г.), при этом графит предварительно обрабатывают окислителями: H₂SO₄ + K₂Cr₂ O₇ или NH₄ NO₃ или другими с образованием бисульфата графита. Устройство для получения расширенного графита указанным способом включает загрузочную емкость, обогреваемую камеру с патрубками для подачи и отвода газов и приемный бункер. Расширенный графит, изготовленный данным способом, имеет невысокую реакционную способность, связанную с тем, что в нем происходит расслаивание кристаллитов исходного графита на отдельные пакеты базисных плоскостей без разрушения гексагоналов, т.е. без разрыва ковалентных связей, что является пределом расширения графита, т.к. процесс происходит в сильно анизотропных слоистых структурах, где межгексагональные связи значительно превышают межплоскостные.

Наиболее близкими к предложенным являются способ и устройство получения углеродной смеси высокой реакционной способности с использованием резистивного нагрева (патент RU N 2128624, кл. С 01 В 31/04, 10.04.99), при котором резистивный нагрев осуществляют после предварительной обработки исходного сырья - графитового порошка кислотой. Резистивный нагрев осуществляется в специальном реакторе, снабженном загрузочной емкостью и приемным бункером. Полученный данным способом расширенный графит представляет собой смесь гексагоналов углерода и углеродных соединений и обладает высокой реакционной способностью. Однако способ является энергоемким, а устройство требует специальных конструкционных материалов, связанных с пропусканием через смесь электрического тока и высокой температурой процесса.

Технической задачей изобретения является получение углеродной смеси высокой реакционной способности, содержащей нанокристаллы углерода (углеродные нанотрубки) и обладающей высокой поглотительной способностью по отношению к различным химическим веществам и соединениям. Кроме того, снижаются энергозатраты за счет уменьшения применяемых температур в процессе ее производства, а также упрощается устройство для ее производства.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения углеродной смеси высокой реакционной способности, включающем химическую обработку исходного графитосодержащего сырья, ее осуществляют, по крайней мере, одним галогенкислородным соединением, имеющим формулу МХО_n, где: M - одно из химических веществ ряда: H, NH₄, Na, K; X - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J; a n=1 - 4, с последующим взрывным разложением соединений, инициированным путем или фотохимического, или электрохимического, или механического, или термохимического, или сонохимического, или прямого химического воздействия.

В качестве исходного графитосодержащего сырья используют природный чешуйчатый графит или графит в виде порошка.

Для обеспечения наилучших результатов весовое соотношение исходного графитосодержащего сырья и галогенкислородных соединений выполняют равным 2: 1.

Поставленная задача решается также тем, что устройство для получения углеродной смеси высокой реакционной способности, включающее загрузочную емкость, корпус и приемный бункер, снабжено блоком инициирования взрывного разложения графита и выходным патрубком, соединенным с поглотителем паров и газов, при этом корпус выполнен герметичным и разъемным, а загрузочная емкость и приемный бункер помещены внутри корпуса.

В частном случае выполнения блок инициирования взрывного разложения графита выполнен в виде источника света, расположенного внутри корпуса с возможностью освещения по крайней мере участка исходного сырья, находящегося в загрузочной емкости.

В другом частном случае блок инициирования взрывного разложения графита выполнен в виде по крайней мере пары электродов, расположенных в загрузочной емкости.

В третьем частном случае блок инициирования взрывного разложения графита выполнен в виде элемента механического воздействия на загрузочный бункер и/или исходное сырье, находящееся в нем, например, в виде бойка с приводом.

В четвертом частном случае блок инициирования взрывного разложения графита выполнен в виде по крайней мере одного нагревателя, расположенного снаружи или внутри загрузочной емкости.

В пятом частном случае блок инициирования взрывного разложения графита выполнен в виде источника ультразвуковых колебаний, расположенного снаружи или внутри загрузочной емкости.

В шестом частном случае блок инициирования взрывного разложения графита выполнен в виде переворачиваемого сосуда, содержащего химическое инициирующее вещество и расположенного над загрузочной емкостью.

Для обеспечения лучшего удаления паров и газов приемный бункер выполнен сетчатым.

В частных случаях выполнения блок поглощения паров и газов расположен в нижней части корпуса или вне корпуса.

Для обеспечения лучшего удаления паров и газов выходной патрубок соединен с компрессором.

На фиг. 1 и 2 схематически изображены варианты выполнения устройства для промышленного производства углеродной смеси высокой реакционной способности.

В предлагаемом способе химическая обработка исходного графитосодержащего сырья (природного чешуйчатого графита или графита в виде порошка) производится галогенкислородными соединениями общей формулы МХО_n, где: M - одно из химических веществ ряда: H, NH₄, Na, K; X - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J; a n=1 - 4, с образованием инициирующих комплексов, способных в результате или фотохимического, или электрохимического, или механического, или термохимического, или сонохимического, или прямого химического воздействия к экзотермическому взрывообразному разложению с последующим инициированием автокаталитического процесса распада соединения. Инициирующие комплексы вводятся в межслоевые пространства графита, инициируется их взрывообразное разложение и происходит разрыв не только Ван-дер-Ваальсовых, но и ковалентных связей с образованием так называемой углеродной смеси высокой реакционной способности (УСВР).

Процесс преобразования осуществляется в любой емкости (сосуде и т.п.), в том числе возможен и без доступа кислорода.

Процесс преобразования графита (разрыв Ван-дер-Ваальсовых связей) осуществляется под воздействием микровзрывов вводимых в межслойные пространства графита взрывчатых веществ, в данном случае названных инициирующими комплексами. Взрывчатое вещество находится в межслойном пространстве на молекулярном уровне и химическим путем инициируется до взрыва. В результате энергий, высвобождаемых микровзрывом, происходят разрывы не только Ван- дер-Ваальсовых связей, но и межатомарных связей с образованием не только свободных радикалов C, C₂, C₃,C₄, C₅, но и радикалов в виде гексагоналов (одного или нескольких) с присоединенными к ним радикалами вида C, C₂, C₃, С₄ и C₅, обеспечивающих в совокупности высокую реакционную способность получаемой углеродной смеси.

Устройство выполнено в виде герметичного корпуса 1, внутри которого в верхней части корпуса расположена загрузочная емкость 2, в которую загружается исходное графитосодержащее сырье 3 после соответствующей химической обработки. Под загрузочной емкостью размещается приемный сетчатый бункер 4, в который поступает готовый продукт 5.

После загрузки исходного графитосодержащего сырья инициируется взрывообразный процесс любым из вышеуказанных способов. Блок, инициирующий данный процесс, на схемах фиг. 1 и 2 не показан. В результате преобразования графита и образования углеродной смеси высокой реакционной способности (УСВР) объем исходного вещества увеличивается в несколько сотен раз и готовый УСВР, поднимаясь, высыпается через край загрузочной емкости 2 и попадает в приемный сетчатый бункер 4. Образующиеся внутри устройства пары и газы откачиваются через поглотитель 6 паров и газов компрессором 7. Поглотитель 6 паров и газов представляет собой молекулярное сито для улавливания вредных составляющих газовой смеси, например, паров соляной кислоты и хлора, и в виде уже безвредных паров воды, углекислого газа и др. выбрасывается в атмосферу. Для выхода газа из корпуса в его нижней части предусмотрен патрубок, снабженный клапаном.

Поглотитель 6 паров и газов может быть расположен вне корпуса 1 (фиг. 1) или внутри корпуса 1 перед выходным патрубком (фиг.2).

После завершения процесса наружный корпус 1 раскрывается и готовый продукт 5 (УСВР) выгружается из приемного сетчатого бункера 4.

Поглотительная способность и универсальность материала (УСВР), получаемого данным способом, по отношению к различным химическим материалам и соединениям очень высока и приведена в таблице.

В отличие от известных материалов аналогичного назначения, например расширенного графита, частицы УСВР имеют размеры порядка десятков мкм и образуют гранулы, имеющие на поверхности вытянутую волокнистую структуру (подобную мочалу) с диаметром волокон порядка единиц и даже долей мкм (фиг. 3). Основу УСВР составляют нанокристаллы углерода с присоединенными к ним радикалами вида C - C₅. Эти структуры имеют невыгодное энергетическое состояние и стремятся компенсировать его за счет присоединения к себе различных химических элементов и соединений.

Способ и устройство для получения и промышленного производства углеродной смеси высокой реакционной способности (УСВР) в соответствии с данным изобретением является экологически безопасными: получаемый материал является чистым углеродом и не представляет вреда для живых организмов.

Кроме того, устройство обеспечивает улавливание и отвод вредных паров, газов и проч., получаемых в процессе производства.

Изобретение позволяет производить УСВР промышленным низкотемпературным способом - методом холодной деструкции.

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при получении сорбентов. Природный чешуйчатый или порошковый графит обрабатывают соединением, имеющим общую формулу МХО_n, где М - Н, NН₄, Nа, K; Х - Cl, Br или J; n = 1 - 4. Обработанный графит подвергают взрывному разложению. Разложение инициируют фотохимически, электрохимически, механически, термохимически, сонохимически или химически. Соотношение графит: соединение по массе равно 2:1. Устройство содержит герметичный разъемный корпус, загрузочную емкость, приемный бункер, блок инициирования взрывного разложения и выходной патрубок. Загрузочная емкость и приемный бункер размещены внутри корпуса. В качестве блока инициирования можно использовать источник света, электроды, боек с приводом, нагреватель, источник ультразвуковых колебаний, сосуд, содержащий химическое инициирующее вещество. Полученная углеродная смесь высокой реакционной способности содержит нанокристаллы углерода, состоит из частиц в виде гранул с волокнистой поверхностью (подобно мочалу), обладает высокой поглотительной способностью по отношению к различным веществам и соединениям. 2 c. и 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Способ получения углеродной смеси высокой реакционной способности, включающий химическую обработку исходного графитосодержащего сырья, отличающийся тем, что химическую обработку исходного графитосодержащего сырья осуществляют, по крайней мере, одним галогенкислородным соединением, имеющим формулу
МХО_n,
где М - одно из химических веществ ряда H, NH₄, Na, K;
X - одно из химических веществ ряда Cl, Br, J;
n = 1 - 4,
с последующим взрывным разложением соединений, инициированным путем фотохимического, или электрохимического, или механического, или термохимического, или сонохимического, или прямого химического воздействия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного графитосодержащего сырья используют природный чешуйчатый графит или графит в виде порошка. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что весовое соотношение исходного графитосодержащего сырья и галогенкислородных соединений равно 2 : 1.

4 Устройство для получения углеродной смеси высокой реакционной способности, включающее загрузочную емкость, корпус и приемный бункер, отличающееся тем, что оно снабжено блоком инициирования взрывного разложения графита и выходным патрубком, соединенным с поглотителем паров и газов, при этом корпус выполнен герметичным и разъемным, а загрузочная емкость и приемный бункер помещены внутри корпуса.