СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ Российский патент 2014 года по МПК C01B31/02 C02F1/461 B82B3/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к производству фуллеренов, а именно к электрохимическому получению фуллеренов из отходов, получающихся при электрохимической очистке сточных вод, имеющих сложный состав органического происхождения и ряд неорганических компонентов.

Известны способ и устройство для электрохимического метода обработки воды [«Способ электрохимической очистки воды», А.Н. Диденко, А.Н. Чижов, С.В. Образцов и Л.Е. Марков. А.С. SU №1171428 А, от 03.12.82. опубл. 07.08.85. Бюл №29], которые могут быть использованы при очистке природных, технологических и сточных вод от примесей органического и неорганического происхождения; организации оборотного водоснабжения, обеспечение водой малонаселенных, осваиваемых районов; предварительной подготовки воды для дальнейшего глубокого обессоливания, например электродиализом и т.д. Недостатком способа является невозможность очистки сточных вод со сложным составом примесей неорганического и органического происхождения, позволяющего получать осадок после обработки сточной воды в анодной камере содержащий элементарный углерод в виде мелкодисперсного порошка (сажи).

Известны способ и устройство для получения нанодисперсного углерода [см. патент RU №2344074 C1 C01B 31/00, В82В 3/00 «Способы получения нанодисперсного углерода и устройство для их реализации» Каргопольцев В.А., Носачев Л.В., Прохоров Р.В. от 15.03.2007, опубл. 20.01.2009 Бюл. №2], которые использованы при получении твердофазных наноструктурированных материалов, в частности ультрадисперсных алмазов, фуллеренов и углеродных нанотрубок. Смесь, состоящую из углеродосодержащего вещества и окислителя, готовят с отрицательным кислородным балансом. В качестве углеродосодержащего вещества, используют ацетилен или керосин. Смесь, содержащую ацетилен, вводят в детонационный объем, выполненный в виде полузамкнутой резонансной камеры с коэффициентом избытка окислителя не менее 0,14 через пористую стенку и с коэффициентом избытка окислителя более 0,96 через кольцевое сверхзвуковое сопло. Смесь, содержащую керосин, подогретую при давлении 0,2-25 МПа до 640-860°С, вводят в камеру с коэффициентом избытка окислителя менее 0,12 через пористую торцевую стенку, а с коэффициентом избытка окислителя более 0,9, подогретую при давлении 0,6 МПа до 640-860°С, - через кольцевое сверхзвуковое сопло. В камере при помощи инициатора производят детонацию смеси. Процесс проводят периодически в квазистационарном режиме с частотой 100-20000 Гц при скорости охлаждения продуктов детонации 2 10⁵-10⁶ К/с. Способ снижает трудоемкость процесса, уменьшается масса и габариты устройства, повышается качество за счет снижения примесей в продуктах детонации при их быстром выбросе в вакуум или инертную среду.

Известны способ и устройство для получения фуллереносодержащей сажи (см. патент RU №2234457, МПК СO1В 31/02, опубликован 20.08.2004). Способ производства фуллереносодержащей сажи заключается в испарении графита в электрической дуге между коаксиальными графитовыми электродами, размещенными в атмосфере инертного газа, один из которых непрерывно перемещается в зону электрической дуги через зону тлеющего разряда. На перемещаемый в зону электрической дуги графитовый электрод подают электрическое напряжение попеременно положительной полярности в течение 2-15 мин. и отрицательной полярности в течение 1-5 мин. Сформировавшиеся внутри дуги продукты удаляются оттуда кольцевым потоком инертного газа, направленным вдоль оси электродов через область, отстоящую на расстояние R>45 мм от оси электродов. В способе предусмотрена дополнительная операция дегазации электрода тлеющим разрядом. Устройство включает плазменный реактор в виде герметичной цилиндрической камеры с системой циркуляции инертного газа со средством улавливания фуллереносодержащей сажи, с размещенными по оси камеры двумя графитовыми стержневыми электродами, один из которых неподвижно закреплен в охлаждаемом токовводе, а другой установлен во втором охлаждаемом токовводе. с возможностью осевого поступательного перемещения. Реактор дополнительно снабжен камерой обезгаживания подвижного графитового электрода тлеющим разрядом, система циркуляции инертного газа снабжена кольцевым щелевым соплом, размещенным коаксиально электродам, а средство улавливания фуллереносодержащей сажи снабжено электрофильтром, установленным на входе системы циркуляции инертного газа. К недостаткам относится осаждение катодного депозита заполярности, относительно невысокая производительность по саже и фуллеренам при значительных затратах энергии, возможность срыва дуги потоком инертного газа и прожигания стенки разрядной камеры.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа производства фуллеренов, который обеспечивает высокую производительность по фуллеренам при минимальных затратах энергии, снижение материальных затрат, в том числе и затрат на исходные материалы. Задача достигается тем, что проводят электрохимическую обработку фекальных сточных вод, содержащих органические примеси, в анодной камере двухкамерного электролизера под действием переменного асимметричного тока плотностью 500 мА/дм² с асимметрией 7-10 (отношением плотности тока отрицательного полупериода к плотности тока положительного полупериода Iк/Iа) и частотой тока 1900-2200 Гц, затем воду отстаивают и/или центрифугируют, полученный осадок в виде суспензии обрабатывают толуолом.

Пример реализации способа.

Один литр исходной фекальной сточной воды обрабатывается в анодной камере двухкамерного электролизера, где под действием переменного асимметричного тока плотностью 500 мА/дм² с частотой 2100 Гц и асимметрией (отношением плотности тока отрицательного полупериода к плотности тока положительного полупериода I_к/I_а) S=8. Происходит анодное восстановление углерода, содержащегося в молекулах органических примесей в исходной фекальной воде и он выпадает в осадок в виде элементарного углерода. После обработки вода с осадком поступает в отстойник. После отстаивания и/или центрифугирования и промывки фуллерены экстрагируются из осадка в виде суспензии толуолом.

Из полученного осадка весом 5 г в раствор толуола переходит 0,65 г углерода, что составляет 13% вещества. Анализ показал, что получены кластеры С₆₀.

Технический результат: высокая эффективность способа позволяет получать кластеры углерода С₆₀ с минимальными энергетическими и финансовыми затратами из отходов (фекальных сточных вод). Высокая эффективность заключается в том, что в отличие от существующих способов получения фуллеренов предлагаемый способ использует в качестве сырья дешевые материалы, он прост и сравнительно недорог в изготовлении оборудования для реализации, причем одновременно происходит очистка фекальных сточных вод, что является основным процессом, и получение фуллеренов, что является сопутствующим процессом.

Изобретение может быть использовано при электрохимической очистке сточных вод, имеющих сложный состав органического происхождения и ряд неорганических компонентов. Проводят электрохимическую обработку сточных вод, содержащих органические примеси, в анодной камере двухкамерного электролизера под действием переменного асимметричного тока плотностью 500 мА/дм² с асимметрией 7-10 (отношением плотности тока отрицательного полупериода к плотности тока положительного полупериода Iк/Iа) и частотой тока 1900-2200 Гц. Затем воду отстаивают и/или центрифугируют, полученный осадок в виде суспензии промывают и обрабатывают толуолом. Технический результат: получают кластеры С₆₀ с минимальными энергетическими и материальными затратами.

Способ получения фуллеренов, включающий электрохимическую обработку сточных вод, содержащих органические примеси, в анодной камере двухкамерного электролизера под действием переменного асимметричного тока плотностью 500 мА/дм² с асимметрией 7-10 (отношением плотности тока отрицательного полупериода к плотности тока положительного полупериода Iк/Iа) и частотой тока 1900-2200 Гц, затем воду отстаивают и/или центрифугируют, полученный осадок в виде суспензии обрабатывают толуолом.