СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНА Российский патент 2006 года по МПК C01B31/02 

Изобретение относится к технологии получения фуллерена путем переработки исходного углеродсодержащего материала в тепловом поле установки и направлено на расширение рода и класса исходных материалов за счет использования нетрадиционных углеродсодержащих материалов техногенного характера.

В настоящее время известны способы получения фуллерена из графитового сырья, являющегося основным фуллеренпроизводящим материалом при его переработке в тепловом поле. Из известных способов наиболее представительным и наиболее близким является способ получения фуллерена, включающий приготовление композиции на основе углеродсодержащего порошка, подачу этого материала в реакционную зону установки и тепловую возгонку, отвод продукта переработки на разделение центрифугированием и фильтрацией (US 5227038, С 01 В 31/00, 1993).

Существенными и очевидными недостатками этого способа являются его технологическое ограничение за счет использования только графитового (углеродсодержащего) материала, что сужает область его применения, расширение которой принципиально невозможно ввиду отсутствия в режимах, операциях и приемах способа условий использования других материалов; кроме того, переработка исходного материала ведется только за счет расхода тепловой энергии от дополнительного источника и не используются энергетические возможности тепловой возгонки перерабатываемого материала, что, естественно, требует значительных затрат энергии на процесс возгонки исходного материала.

Технической задачей и технологическим результатом данного изобретения является повышение эффективности способа за счет включения энергии перерабатываемого исходного материала в процесс его же переработки при одновременном расширении сырьевой базы получения фуллеренов за счет использования вторичного сырья техногенного характера.

Это достигается за счет того, что способ получения фуллерена включает приготовление смеси на основе углеродсодержащего порошка, подачу приготовленной смеси в реакционную зону установки и тепловую возгонку, отвод продукта переработки на разделение центрифугированием и фильтрацией, при этом в качестве углеродсодержащего материала берут твердое топливо и обработанный реакторный графит, измельченные до фракций не более 2 мм, смешивают их до получения однородной массы. Затем в эту смесь дополнительно вводят 5% от массы всей смеси

MgO+Al₂О₃+SiO₂+CaF₂+С_20-28.

Тепловую возгонку этой смеси ведут сначала при температуре 1800÷2700°С, после чего повышают температуру до 3500÷4000°С. Продукт переработки подают на разделение в ультрацентрифуге. Твердый материал отводят на использование, а газовые фазы - на процесс барботирования через щелочной раствор с последующей консервацией осадка. Газ окончательно обрабатывают в фильтре.

Соотношение твердого топлива к отработанному реакторному графиту выбирают 1:2÷1:10, а в качестве фильтра используют фильтр системы Петрянова.

Пример.

В качестве исходных углеродсодержащих материалов берут некондиционное твердое топливо НМФ-3 с содержанием углерода 30-40% и отработанный реакторный графит. Соотношение твердого топлива (ТТ) к отработанному реакторному графиту, соответственно, 1:2-1:10, предпочтительно 2:5 (по их массам). Размер фракций каждого из этих материалов должен быть не более 2 мм. Если размеры частиц этих материалов крупнее 2-х мм, то каждый из них отдельно подвергают переработке (дроблению, измельчению, помолу) до получения в них фракций не более 2-х мм. После такой подготовки эти оба материала: ТТ и ОРГ (отработанный реакторный графит) смешивают до получения однородной массы. В эту смесь для поглощения, отделения и вывода посторонних включений, таких как в ТТ - химически связанные и свободные окислители, а в ОРГ - активные элементы: ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴³Ce, дополнительно вводят компонент, составленный из ингредиентов: MgO+Al₂O₃+SiO₂+CaF₂+С_20-28. Соотношение этих ингредиентов между собой выбирают в пределах (20÷40)+(10÷15)+(20÷40)+(15÷20)+(5÷10), а массовое количество указанного компонентов берут около 5% к массе всей реакционной смеси. Все компоненты (ингредиенты) смешивают до получения однородной массы и подают в реакционную зону установки, причем подачу ведут строго дозированными навесками (порциями).

В реакционной зоне производят тепловую возгонку приготовленной смеси сначала при температуре 1800-2700°С в течение 0,05-0,1 с, после чего температуру повышают до 3500-5090°С практически мгновенно за счет непрерывного движения перерабатываемого материала из первой температурной зоны установки во вторую зону. При таком температурном режиме соблюдается процесс перехода возгоняемого материала в парогазовые фазы и аэрозольную фазу, которая наиболее эффективно перерабатывается тепловой возгонкой в фуллеренсодержащий материал, находящийся в истинном молекулярном состоянии, в массе которого находятся спекшиеся кластерные образования из указанных посторонних включений. Продукт переработки отводят на процесс разделения в полости ультрацентрифуги, из которой газы подают на барботирование через щелочной раствор, например Са(ОН)₂ или LiOH, с последующей консервацией твердого осадка и окончательной обработкой газов в фильтре Петрянова. Твердый материал после ультрацентрифуги отводят на селективное разделение, где отделяют фуллерен от спекшихся частиц. Выделенный фуллерен используют по прямому назначению в технологических процессах.

Таким образом, изобретение позволяет расширить сырьевую базу для получения фуллеренов, утилизировать некондиционные материалы - отработанный реакторный графит и твердое топливо, улучшить экологию.

Изобретение может быть использовано для утилизации некондиционных материалов - отработанного реакторного графита и твердого топлива. Готовят смесь из твердого топлива и отработанного реакторного графита, измельченных до фракции не более 2 мм, при их соотношении от 1:2 до 1:10, соответственно. Смешивают до получения однородной массы. Дополнительно вводят 5% от массы всей смеси MgO, Al₂O₃, SiO₂, CaF₂ и С_20-28. Приготовленную смесь подают в реакционную зону установки. Проводят тепловую возгонку сначала при 1800÷2700°С с последующим повышением температуры до 3500-5000°С. Продукт переработки отводят на разделение в ультрацентрифугу. Отделенный твердый материал отводят на использование в качестве целевого продукта - фуллерена. Газовые фазы барботируют через щелочной раствор с последующей консервацией осадка. Окончательную обработку газа проводят с использованием фильтра системы Петрянова. Изобретение расширяет сырьевую базу для получения фуллеренов, позволяет утилизировать некондиционные материалы, улучшить экологию. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения фуллерена, включающий приготовление смеси на основе углеродсодержащего порошка, подачу приготовленной смеси в реакционную зону установки и тепловую возгонку, отвод продукта переработки на разделение центрифугированием и фильтрацией, отличающийся тем, что для приготовления смеси берут твердое топливо и отработанный реакторный графит, измельченные до фракции не более 2 мм, смешивают их до получения однородной массы, дополнительно вводят в нее MgO, Al₂О₃, SiO₂, CaF₂ и C_20-28 в количестве около 5% от массы всей смеси, тепловую возгонку проводят сначала при температуре 1800÷2700°С с последующим повышением температуры до 3500÷-5000°С, для разделения продукта переработки центрифугированием используют ультрацентрифугу, причем отделенный твердый материал отводят на использование, а газовые фазы барботируют через щелочной раствор с последующей консервацией осадка и окончательной обработкой газа на фильтре.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение твердого топлива к отработанному реакторному графиту выбирают 1:2÷1:10, а в качестве фильтра используют фильтр системы Петрянова.