Способ синтеза углеродсодержащих наночастиц и попутного получения технического водорода Российский патент 2017 года по МПК C01B32/15 C01B32/26 B82B3/00 B82Y40/00 C01B3/22 

Изобретение относится к области синтеза наночастиц, в частности к технологиям получения наноструктурированных материалов в соответствии с областью применения, а также к области получения газообразного сжатого водорода.

Фундаментальным отличием наноструктурированных материалов от макроэлементов является то, что у первых число поверхностных атомов соизмеримо с числом атомов в объеме, что определяет, например, их уникальные триботехнические свойства, а также их высокую каталитическую активность.

Известно также, что наноструктуры, имеющие поверхностную плотность частиц не менее 10^-12 см^-2, перспективны для создания высокоэффективных устройств наноэлектроники, таких как ультрабыстрые переключатели, ультраминиатюрные ячейки памяти и т.п.

Наноструктурные материалы могут быть применены как добавки для придания уникальных функциональных характеристик высокомолекулярным органическим связующим, применяемым при изготовлении композиционных материалов нового поколения.

Вместе с тем, в настоящее время находит широкое применение сжатый газообразный водород в технологиях синтеза мономеров и высокомолекулярных полиорганических соединений.

Из уровня техники известно превращение различных форм углерода в наноалмаз при давлении порядка 10000 кг/см² (RU 2359902, C01B 31/06).

Известно также, что при схлопывании кавитационных пузырьков в воде образуются локальные области давления более 10000 бар.

Известны способы получения водорода с помощью плазменного генератора (RU 2440925, C01F 7/42) и плазмохимического пиролиза углеводородов (RU 2202593, C10G 15/12).

Также известен способ получения наночастиц (RU 2455119), заключающийся в том, что в вакуумированной камере с размещенным в ней катодом и анодом в катодных пятнах при приложении напряжения не менее 10 В и разрядом тока не менее 1 А происходит синтез наночастиц и их осаждение на коллектор или носитель, при этом давление в камере поддерживается не более 0,0001 бар. Синтез наночастиц осуществляется путем испарения материала катода, естественного расширения пара из катодных пятен в вакуум и/или низкоплотную холодную плазму межэлектронного промежутка и его охлаждения и нуклеации в зоне или зонах первичного синтеза. Кроме того, синтез также может осуществляться путем транспортировки при помощи электромагнитных полей несинтезированной при испарении и естественном расширении в вакуум ионизированной части пара в зоны или зоны вторичного синтеза и его обработки в этих зонах низкотемпературной плазмы и/или ионным, и/или электронным, и/или молекулярным пучком.

Недостатком аналога является сложность оборудования для его реализации, так как способ синтеза наночастиц базируется на сложных плазмохимических процессах с нестабильными направлениями протекания реакций.

Наиболее близким аналогом, выбранным заявителем в качестве прототипа, является способ получения углеродсодержащих наночастиц (RU 2484014), включающий формирование плазменной струи из спирта или его водного раствора. Плазменную струю вводят в объем воды, погружая сопло плазмотрона перпендикулярно поверхности воды на глубину 10-20 мм. Техническим результатом является получение наноалмазов 20-40 нм в непрерывном процессе. Недостатком способа является низкий выход наноалмазов ввиду ограниченной зоны плазмохимического синтеза, а также безвозвратная потеря образующегося при синтезе водорода, который, в свою очередь, создает опасность взрыва при образовании смеси с кислородом воздуха.

Задачей предлагаемого изобретения является создание непрерывного процесса получения углеродсодержащих наночастиц, включая наноалмазы, с одновременным синтезом газообразного водорода.

Техническим результатом является повышение производительности способа получения углеродсодержащих наночастиц и его безопасности, а также возможность попутного получения газообразного водорода.

Для достижения поставленной задачи в способе синтеза углеродсодержащих наночастиц и попутного получения технического водорода, включающем формирование плазмотроном плазменной струи, которая входит в объем воды, согласно изобретению плазменную струю формируют в присутствии паров этанола, технологический процесс проводят в герметичной камере при отрицательном давлении, на область плазмохимической реакции воздействуют индукционным полем, создаваемым конусным индуктором при силе тока 100 А и частоте 1300 Гц, и одновременно компрессируют выделенный газообразный водород.

Использование герметичной камеры позволяет осуществлять компрессирование выделенного газообразного водорода, а также обеспечивает повышение безопасности технологического процесса.

Отрицательное давление на момент пуска плазмотрона способствует формированию плазменной струи со скоростью порядка 300 м/с, обеспечивает отсутствие окислителя (кислорода воздуха) в реакционной зоне, что способствует повышению безопасности технологического процесса, а также эффективный отвод синтезированного водорода.

При силе тока 100 А и частоте 1300 Гц технологический процесс синтеза переходит в стабильную фазу, в высокотемпературной зоне происходит плазмохимическая реакция диссоциации этанола, наложение процессов плазмохимической диссоциации паров этилового спирта и протекания кавитационных процессов синтеза наноалмазов в схлопывающихся пузырьках приводит к синтезу наноалмазов и углеродсодержащих наночастиц.

Воздействием на область плазмохимической реакции индукционного поля с помощью конусного индуктора осуществляется увеличение зоны протекания комбинированных реакций плазмохимической диссоциации за счет вытягивания плазменного ядра от среза сопла плазмотрона по направлению истечения струи, что способствует повышению производительности процесса.

Компрессирование выделенного газообразного водорода позволяет одновременно получать газообразный водород, а также повысить безопасность работы.

Патентные исследования не выявили способов, характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанный способ соответствует критерию «новизна».

Предлагаемый способ может быть реализован в промышленных масштабах и найдет применение в области синтеза наночастиц, т.е. характеризуется критерием «промышленная применимость».

Сущность заявляемого технического решения поясняется на фиг. 1, где изображена схема установки, с помощью которой осуществляется способ, на фиг. 2 - фотография зоны кавитационной области, на фиг. 3 - диаграмма состояния углерода.

Способ осуществляется следующим образом.

Герметичная камера 1 (фиг. 1) заполняется водой комнатной температуры. При запуске плазмотрона 2 в условиях газодинамического разряжения до -5 бар, формируется плазменная струя 3 со скоростью истечения до 300 м/с. В качестве плазмообразующего газа выступают пары этанола, образующиеся на рубашке охлаждения плазмотрона. Струя входит в дистиллированную воду 4, при погружении сопла не более чем на 5-7 мм. Вокруг плазменной струи образуется активная зона формирования кавитационной области, интенсивность которой увеличивается по мере истечения струи в конусный индуктор 5 (фиг. 1 и 2). Конусный индуктор 5 обеспечивает увеличение зоны протекания комбинированных реакций плазмохимической диссоциации за счет вытягивания плазменного ядра от среза сопла плазмотрона по направлению истечения струи. При выходе на режим плазмотрона с параметрами тока 6 А и напряжением 120 В, при рабочем токе на конусном индукторе 100 А и частоте 1300 Гц, технологический процесс синтеза переходит в стабильную фазу. В высокотемпературной зоне 6000°С-8000°С происходит плазмохимическая реакция диссоциации этанола С₂Н₅ОН→2С+2Н₂+Н₂О. В процессе реакции образуются свободные радикалы С+, Н+, О-, которые попадают в активно развивающуюся область кавитации и переносятся в объеме схлопывающихся пузырьков в дистиллированную воду температура которой за счет внешнего охлаждения не превышает 30°С. Таким образом, наложение процессов плазмохимической диссоциации паров этилового спирта и протекания кавитационных процессов синтеза наноалмазов в схлопывающихся пузырьках, давление в которых может возникать порядка 10000 бар, приводит к синтезу наноалмазов и углеродсодержащих наночастиц размером 40-100 нм. Стабильность протекания вышеуказанных химических превращений обеспечивает высокую стабильность и непрерывность технологического процесса. Образующийся в результате синтеза газообразный водород, закачивается компрессором 6 (фиг. 1) через адсорбционный осушитель 7 в газовый баллон 8.

Возможность реализации изобретения основана на выполнении условий синтеза наноалмазов в соответствии с диаграммой состояния углерода (фиг. 3).

Пример конкретного выполнения

В герметичную водоохлаждаемую камеру 1 (фиг. 1) объемом 12 литров, заливают 6 литров дистиллированной воды при комнатной температуре. В емкость 9 заправляют три литра 98% этанола. Осциллятором 10 возбуждают электрическую дугу, которая приводит к ионизации паров этанола и формированию плазменной струи 3. Компрессором 6 обеспечивается разряжение до -5 бар. При этом уровень воды покрывает сопло на глубину 5-7 мм. Плазменная струя вызывает в воде активное развитие кавитационных процессов. После чего подается питание на водоохлаждаемый конусный индуктор 5 с выходом на параметры силы тока 100 А и частоты 1300 Гц. При включении индуктора происходит удлинение плазменной струи до 200 мм, с формированием зоны плазмохимической реакции порядка длиной до 150 мм по оси струи. Скорость истечения струи составит до 300 м/с. Торможение плазменной струи о поверхность воды и активные процессы парообразования на границе плазменная струя-вода вызывают процесс парообразования пузырьков, переходящий в развитие кавитационных явлений в области диаметром 30-40 мм от оси струи и на глубину порядка 300-400 мм. В результате приведенный технологический процесс обеспечивает полноту протекания синтеза наноалмазов не менее 30% от стехиометрического объема выхода продукта по реакции синтеза, т.е. выход наноалмазов и углеродсодержащих наночастиц составит не менее 300-400 г, при протекании процесса непрерывного синтеза в течение 24 часов. Энергозатраты при этом не превысят 50 кВт. Выработанное количество газообразного водорода составит при этом не менее 350-400 г, по своим физико-химическим показателям газ отвечает нормам ГОСТ 3022-80.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет решить поставленную задачу по созданию процесса получения наноалмазов с одновременным синтезом газообразного водорода.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при изготовлении композиционных материалов, синтезе мономеров и высокомолекулярных полиорганических соединений. Сначала герметичную камеру 1 заполняют водой 4. Затем при отрицательном давлении в присутствии паров этанола, подаваемых из емкости 9, формируют плазмотроном 2 плазменную струю 3, входящую в объем воды 4, образуя область плазмохимической реакции, на которую воздействуют индукционным полем, создаваемым конусным индуктором 5 при силе тока 100 А и частоте 1300 Гц. Выделенный газообразный водород компрессируют компрессором 6, сушат в адсорбционном осушителе 7 и собирают в газовом баллоне 8. Повышаются производительность и безопасность способа. 3 ил.

Способ синтеза углеродсодержащих наночастиц и попутного получения технического водорода, включающий формирование плазмотроном плазменной струи, которая входит в объем воды, отличающийся тем, что плазменную струю формируют в присутствии паров этанола, технологический процесс проводят в герметичной камере при отрицательном давлении, на область плазмохимической реакции воздействуют индукционным полем, создаваемым конусным индуктором при силе тока 100 А и частоте 1300 Гц, и одновременно компрессируют выделенный газообразный водород.