СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2006 года по МПК C01B31/02 

Изобретение относится к технологии получения фуллеренсодержащих материалов путем переработки исходного углесодержащего материала в высокотемпературном поле рабочей камеры установки.

В настоящее время известны принципиальные направления развития этой технологии, в котором наиболее представительным и наиболее близким по технической сущности является способ получения фуллеренсодержащих материалов, включающий введение исходного углеродсодержащего вещества в реакционную зону камеры его переработки, возгонку и фазовое превращение этого исходного вещества путем воздействия на него высокотемпературным полем, отвод продуктов переработки из полости камеры в потоке инертного газа [1; А.Плугин, RU, 2205791, 10.04.2001].

Обладая определенными преимуществами перед аналогами, в частности, за счет операций возгонки вещества и учета состояния его фазового перехода, продолжительно влияющих на качество и количество получаемого фуллеренсодержащего материала, этот способ обладает также рядом существенных и очевидных недостатков, которые определены его принципиальной технологической последовательностью осуществления операций, приемами и режимами реализации и заключается в отсутствии системы последовательного взаимодействия операций, точного по времени, характеру отводимого потока продуктов переработки, содержания того или иного класса фуллерена, пироуглерода и шлака, процесса управления количественным и качественным накоплением фуллеренов отвода шлака и пироуглерода, что вынуждает осуществлять дополнительные операции с фуллеренсодержащими материалами вне полости установки с использованием дополнительного оборудования, энергетических и трудовых затрат; это, в конечном итоге, отражается на производительности и эффективности способа, сужает и ограничивает его технологические приемы, снижая его потенциальные технические возможности при получении фуллеренов.

Технической задачей и технологическим результатом данного изобретения является дальнейшее повышение эффективности способа получения фуллеренсодержащих материалов за счет дополнительного совершенствования его традиционных операций, приемов, режимов, а также за счет учета всех известных физико-химических свойств как исходного углеродсодержащего материала, так и получаемого фуллеренсодержащего материала, проведения при этом дополнительных операций с потоком отходящего из реакционной зоны фуллеренсодержащего материала для его более целенаправленного ориентирования в требуемые области массы этого потока, распределения по удельным массовым и энергетическим характеристикам, что позволяет существенно повысить показатели чистоты фуллеренов при сохранении их свойств.

Это в изобретении достигается за счет того, что в способе получения фуллеренсодержащих материалов, включающем введение исходного углеродсодержащего вещества в реакционную зону камеры его переработки, возгонку и фазовое превращение этого исходного вещества путем воздействия на него высокотемпературным полем, отвод продуктов переработки из полости камеры в потоке инертного газа, отводимый продукт переработки в состоянии фазового перехода подвергают разделению на составляющие его компоненты и сортировке этих компонентов, включая фуллерены по их классам, пироуглерод и шлак путем подачи этих компонентов в потоке инертного газа, предварительно использованного для омывания периферийной части реакционной зоны камеры переработки и последующей подачи этого комбинированного потока в виде расширяющегося усеченного конического факела с его меньшей вершиной, примыкающей к полости камеры переработки так, что расширение этого комбинированного потока ведут по ходу его движения, в начале движения этого потока в него по касательной к окружности его сечения и под углом к оси этого потока вводят под давлением дополнительный объем инертного газа, затем центральную часть объема потока подвергают рассечению, уплотняя ее, вслед за этим подвергают разрежению с образованием вихревых зон, ориентированных к центру потока, приводящих совместно, к процессу отвода из потока шлака и части пироуглерода, которые удаляют из общей массы потока с помощью вакуумирования этой центральной части потока, остальную часть потока, омывающего в виде кольца зону рассечения центральной его части, подвергают дальнейшему расширению, формируют кольцевой поток с ограниченной внешней и внутренней областями, переводят фуллеренсодержащий материал, пироуглерод и остатки шлака в состояние псевдосжиженных слоев за счет формирования комбинированного потока, из указанного кольцевого с ограниченными областями, в поток с расширяющейся внутренней областью в виде вогнутой расходящейся сферы и с расширяющейся внешней областью в виде конуса, при этом отвод фуллеренов ведут из массы потока, ограниченной в поперечном сечении отводными каналами, заборные устья которых ориентированы отступающими на некоторое расстояние от плоскости нормального сечения потока, начиная от его центральной части к периферии, отвод пироуглерода осуществляют от границы периферийной части потока и периферии плоскости его нормального сечения, а отвод остаточных фракций шлака ведут из расширяющейся внешней области потока, из которой отводят пироуглерод и фуллерены.

Способ исследован на соответствие критериям изобретения сравнительным анализом с аналогами, изложенными в источниках [2, 3, 4, 5], в результате которого установлено соответствие предлагаемого способа всем критериям изобретения.

На фиг.1 показано формирование потока с расширением его по сфере;

на фиг.2 - то же, но с сжатием по сфере;

на фиг.3 - принципиальная схема установки для формирования потоков отводимого материала;

на фиг.4 - сечение по 1-1 на фиг.3.

Отводимый поток сначала формируют расходящимся по сфере, где центр потока "О" равноудален на "R" от границ сферического контура (фиг.1), а формирование в виде сходящейся сферы, где центры "O₁-O₁" равноудалены на "R₁" от границ сферы, а также равноудалены на "-R₂" от осевого центра потока (фиг.2). Установка (фиг.3) содержит реакционную зону 1 камеры переработки исходного углеродсодержащего материала, периферийная часть 2 камеры - рубашка охлаждения - омывается инертным газом, дополнительно инертный газ подают по патрубкам 3 и патрубкам 4, ориентированным под углом к оси потока и по касательной (фиг.4) для создания циклонического движения потока, который расширяют расходящейся периферийной стенкой 5 и ограничивают внутренней стенкой 6 его область; в центральной части 7 поток рассекают грибовидным телом 8, которым создают вихревые зоны (фиг.3), ориентированные к центру, а остальную часть потока формируют расширяющейся областью 9 установки при расхождении ее стенок 5 и 6.

Описываемый способ, согласно изложенной его технологической сущности, осуществляют следующим образом. Выбирают установку с рабочей камерой 1 и реакционной зоной для переработки исходного углеродсодержащего вещества (материала). В качестве исходного вещества берут графитовый порошок (или угольную пыль) и в потоке инертного газа вводят этот исходный материал в реакционную зону камеры 1 его переработки, где осуществляют возгонку этого материала и его фазовое превращение из твердого состояния в газоаэрозольное за счет воздействия на него высокотемпературным полем, генерируемым или путем подачи плазмы при Т=3500-5000°С, или за счет дугового электроразряда между электродами, размещенными в камере переработки материала, в полость которой подают инертный газ (Не, или Ar, или Kr), и в этом потоке газа отводят продукты переработки из полости камеры на сортировку по фракциям и последующее использование.

Далее отводимые продуты переработки, поступающие в потоке инертного газа, подвергают дополнительному физическому процессу его обработки и разделения, при котором поток фуллеренсодержащего материала, включающего компоненты: не менее трех классов (фракций) фуллеренов, пироуглерод и шлак вводят в поток инертного газа, предварительно использованного для омывания периферийной части 2 реакционной зоны камеры переработки исходного углеродсодержащего материала, и этот комбинированный поток подают в виде расширяющегося усеченного конического факела на разделение по фракциям и родам материалов, входящих в общий поток отводимого фуллеренсодержащего материала. Этот процесс ведут за счет формирования конического факела с его меньшей вершиной, примыкающей в полости камеры 1 переработки исходного материала и с его расширяющейся частью, направленной по ходу движения этого потока фуллеренсодержащего материала. Причем в начале формирования и движения этого потока в него по касательной к окружности его поперечного сечения (фиг.3, 4) из патрубков 4 и одновременно под углом к продольной оси этого потока по патрубкам 3 вводят под давлением дополнительный объем инертного газа, давление этого вводимого газа выбирают на 5-10% ниже давления в камере 1 переработки исходного материала. Непосредственно за этим общий комбинированный поток, в его центральной части объема, подвергают рассечению грибовидным телом 8, уплотняя центральную часть, которую, вслед за этим, подвергают процессу разрежения с образованием вихревых, кольцевой формы, зон, ориентированных к центру потока 7, что приводит к процессу отвода из общей массы потока фуллеренсодержащего материала включений шлака и части пироуглерода, это осуществляют с помощью операции вакуумирования этой подвергаемой разрежению центральной части потока. Остальную часть, от центральной к периферии, потока, омывающего в виде кольца зону рассечения центральной его части, подвергают дальнейшему (следующему непрерывно) расширению его сечения (относительно оси потока) в виде расходящейся периферии с внешней стороной 5 и внутренней 6, за счет этого формируют кольцевой поток фуллеренсодержащего материала с его ограниченной внешней 5 и внутренней 6 областями потока; материал этого потока (фуллерены, пироуглерод и остатки шлака) переводят таким потоком в состояние псевдоожиженных областей в виде кольцевых слоев за счет формирования этого комбинированного потока из указанного кольцевого, с его ограниченными областями, в поток с расширяющейся внутренней областью в виде вогнутой расходящейся сферы 6 и с расширяющейся внешней областью 9, при этом отвод фуллеренов из массы потока ведут из области, ограниченной в поперечном сечении отводными каналами, заборные устья которых ориентированы в зависимости от фракций фуллеренов отступающими на некоторое расстояние от плоскости нормального сечения потока, начиная от его центральной части к периферии, а отвод пироуглерода осуществляют от границы периферийной части этого потока и периферии плоскости его нормального сечения, при этом отвод остаточных фракций шлака ведут из расширяющейся внешней области потока до области этого потока, из которой отводят пироуглерод и указанные фракции фуллеренов.

Пример. В качестве исходного материала берут графит ¹²С, подвергают его тонкому помолу до фракций 0,01-0,001 мм, высушивают этот порошок до абсолютной влажности 8-10% (и менее, если позволяет такой процесс). Выбирают камеру 1 переработки данного углеродсодержащего порошкообразного материала (предпочтительно - конструкции А.И.Плугина). После проверки функционирования системы подачи газа: 2, 3, 4, в реакционную зону камеры 1 подают порошкообразный графит и ведут его переработку в высокотемпературном поле при Т=3500-5000°С и давлении в камере 0,80-0,90 кгс/см² (наиболее оптимальные условия образования молекул фуллеренов), выдерживая подачу инертного газа в полость камеры под этим же давлением; возгоняемый в газоаэрозольные фазы исходный материал, в состоянии фазового перехода, подвергают разделению на составляющие компоненты. Для этого используют поток инертного газа, предварительно использованного для омывания и охлаждения периферийной части реакционной зоны камеры 1 (рубашки ее охлаждения). Этот комбинированный поток, включающий продукты переработки исходного порошка и указанный инертный газ (преимущественно Kr или Ar), подают далее в виде расширяющегося усеченного конического факела с его меньшей вершиной, примыкающей к полости камеры (фиг.3), этот поток расширяют по ходу движения и в его начале формирования в него по касательной 4 к его окружности (фиг.3, 4) и под углом 3 к оси этого потока (по ходу) вводят под давлением 0,80-0,90 кгс/см² дополнительный объем инертного газа, центральную часть этого потока подвергают рассечению (8), учитывая, что линейная скорость закрученного вихревого потока находится в пределах 35-50 м/с, эту центральную часть потока определяют как 0,25-0,40 от общей площади поперечного сечения потока в месте его рассечения; процесс рассечения приводит к уплотнению этой центральной части потока, вслед за этим уплотненную часть потока подвергают разрежению за счет сброса его в тыльную сторону конуса (грибом 8) рассечения. Из этой разреженной части отводят основную часть (70-85%) шлака и часть (15-25%) пироуглерода, которые удаляют вакуумированием по патрубку, соединенному с грибовидным стержнем 8, выдерживая давление вакуумирования 0,60-0,70 кгс/см². Остальную часть потока фуллеренсодержащего материала, омывающего в виде кольца зону рассечения, подвергают дальнейшему рассечению под углом 20-30° и формируют кольцевой расширяющийся под этим углом поток фуллеренсодержащего материала, ограниченный с внешней стороны внутренней конической стенкой, формирующими указанный расширяющийся кольцевой поток; такая операция позволяет привести материал в псевдоожиженное состояние с псевдоожиженными слоями: фуллерена, пироуглерода и незначительного остатка шлака. Эти формируемые кольцевые слои указанных трех компонентов при движении подвергают дальнейшему расширению в виде вогнутой расходящейся (от внешней стенки) сферы по кривой с углом касательной в каждой ее точке около 10°, а внешнюю часть потока формируют за счет расходящейся (от внутренней стенки) под углом от 10 до 30° вначале и под углами 60-75° на торцах потока. Из такого фасонного (по форме и профилям) потока отводят фуллерены из области, ограниченной в поперечном сечении отводными каналами, заборные устья которых ориентированы отступающими на расстояние, определяемое углами их расхождения на 10-30° от оси потока к его периферии; отвод пироуглерода (остатка, 75-85%) ведут от границы внутренней периферийной части потока и периферии плоскости его нормального сечения, а отвод остатка (около 25%) шлака ведут из расширяющейся внешней (к оси) области потока до той области потока, из которой, как указано выше, отводят пироуглерод и фракции фуллеренов, т.е. в районе контакта этих частиц шлака с периферией потока после произведенного его фасонного расширения.

Таким образом, реализация данного способа получения фуллеренсодержащих материалов, как это показано на изложенных экспериментальных данных, позволяет существенно повысить эффективность получения этих материалов за счет фракционированного ориентирования компонентов, входящих в общую массу получаемого фуллеренсодержащего материала, отводимого в общем потоке из камеры переработки исходного материала, и ориентированных отводов каждого компонента из общей массы потока материала для непосредственного прямого использования каждого оперативно выделяемого компонента по своему прямому назначению в технологических процессах; это позволяет повысить производительность аппарата по разделению фуллеренсодержащих материалов на составляющие компоненты, в которых этот процесс по времени превосходит процесс получения фуллеренсодержащего материала в 2-3 раза, а по трудоемкости ниже в 8-10 раз, что ставит разработанный способ в число технологических операций с высокой степенью чистоты их исполнения и более перспективных в технологии получения фуллеренов и пироуглерода из, преимущественно, порошкообразных углеродосодержащих исходных материалов, включая графит, угольную пыль, кристаллические углеводороды при их возгонке в потоке плазмы или в поле электрического разряда.

Источники информации:

1. RU 2205791, 10.04.2001 (А.Плугин).

2. RU 2227120, 05.02.2001 (А.Плугин).

3. RU 2205790, 10.07.2001 (А.Плугин).

4. US 5876684, 02.03.1999.

5. JP 10045407, 17.02.1998.

6. WO 94/04461, 20.11.1998.

7. US 5876684, 02.03.1999.

8. US 5494558, 27.02.1996.

Изобретение предназначено для получения углеродсодержащих материалов, в частности фуллеренов и пироуглерода, которые могут быть использованы при производстве сорбентов для очистки жидких сред. В реакционную зону камеры подают исходное углеродсодержащее вещество, например графит. Воздействуют высокотемпературным полем, осуществляют возгонку и фазовое превращение. Продукт переработки отводят в потоке инертного газа, предварительно использованного для омывания периферийной части реакционной зоны камеры, в виде расширяющегося факела с меньшей вершиной, примыкающей к полости камеры. Расширение потока ведут по ходу его движения. Сначала в поток по касательной к окружности его сечения и под углом к оси вводят под давлением дополнительный объем инертного газа. Затем центральную часть потока подвергают рассечению с одновременным уплотнением, далее - разрежению с образованием вихревых зон, ориентированных к центру потока. Шлак удаляют вакуумированием центральной части потока. Остальную часть потока, которым омывают в виде кольца зону рассечения центральной части, подвергают дальнейшему расширению, формируют кольцевой поток с ограниченной внешней и внутренней областями. Отвод фуллеренсодержащего материала ведут из массы потока, ограниченной в поперечном сечении отводными каналами. 4 ил.

Способ получения фуллеренсодержащих материалов, включающий подачу исходного углеродсодержащего вещества в реакционную зону камеры его переработки, возгонку и фазовое превращение путем воздействия высокотемпературным полем, отвод продукта переработки в потоке инертного газа, отличающийся тем, что отводимый продукт переработки в состоянии его фазового перехода подают в потоке инертного газа, предварительно использованного для смывания периферийной части реакционной зоны камеры, в виде расширяющегося факела с его меньшей вершиной, примыкающей к полости камеры переработки так, что расширение этого комбинированного потока ведут по ходу его движения, вначале в этот поток по касательной к окружности его сечения и под углом к оси вводят под давлением дополнительный объем инертного газа, затем центральную часть потока подвергают рассечению, уплотняя эту часть, далее подвергают разрежению с образованием вихревых зон, ориентированных к центру потока, удаляют шлак из общей массы с помощью вакуумирования этой центральной части потока, остальную часть потока, которым омывают в виде кольца зону рассечения центральной его части, подвергают дальнейшему расширению, формируют кольцевой поток с ограниченной внешней и внутренней областями, а отвод фуллеренсодержащего материала ведут из массы потока, ограниченной в поперечном сечении отводными каналами.