close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13680

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.10.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 13680
(13) C1
(19)
C 01B 31/00
B 82B 3/00
B 01J 19/08
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА
(21) Номер заявки: a 20081438
(22) 2008.11.13
(43) 2010.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Жданок Сергей Александрович; Буяков Игорь Федорович;
Крауклис Андрей Владимирович;
Борисевич Кирилл Олегович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт теплои массообмена имени А.В. Лыкова
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) FULCHERI L. et al. Carbon. - 2002. V. 40. - P. 169-176.
JP 11116218 A, 1999.
JP 10203810 A, 1998.
JP 06280116 A, 1994.
JP 07061803 A, 1995.
BY 13680 C1 2010.10.30
(57)
Способ получения углеродного наноматериала в плазме дугового разряда, при котором сырье в виде жидкого или газообразного углеводорода и плазмообразующий газ подают в реактор, где осуществляют пиролиз и образование углеродного наноматериала,
после чего образовавшиеся продукты подвергают охлаждению и фильтрации, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего газа используют магистральный воздух,
сырье в виде жидкого или газообразного углеводорода предварительно смешивают с воздухом в молярном соотношении, превышающем теоретически рассчитанное для реакции
частичного окисления до CO используемого углеводорода, а образование углеродного
наноматериала осуществляют при температуре 700–900 °С.
Изобретение относится к области химии углеродных материалов, в частности к получению углеродных наноматериалов, содержащих многостенные углеродные нанотрубки,
углеродные нановолокна и частицы нанографита и может быть использовано для создания
полимерных нанокомпозитов, используемых в машиностроении, приборостроении, химической промышленности, авиастроении, электронике, электротехнике и других отраслях
народного хозяйства.
Известен способ получения углеродных наноматериалов в дуговом разряде [1]. В этом
способе между двумя графитовыми электродами поджигается электрическая дуга. Графит
испаряется, и частицы углерода осаждаются на подложку с катализатором, образуя различные углеродные наноструктуры. Выращивание углеродного наноматериала происходит в среде инертного газа (гелий, аргон, криптон) при давлении 0,5-0,7 атм.
Производительность данного способа не превышает 1-3 г/ч углеродного материала со
средним содержанием структурированного углерода 30-45 %. Недостатком способа является малая производительность и высокая энергетическая стоимость продукта, связанная с
BY 13680 C1 2010.10.30
использованием чистого графита, инертного газа и катализатора, а также с необходимостью поддержания низкого давления.
Известен способ получения углеродных наноматериалов путем лазерной абляции графита [2]. В этом способе используется комбинированный подвод энергии: образецмишень помещают в печь, нагретую до 1000-1200 °С, и лишь небольшую часть энергии
вводят с использованием лазерного излучения. Графит испаряется и затем осаждается на
каталитической поверхности, находящейся за образцом-мишенью. Процесс происходит в
инертном газе. Производительность данного способа 3-5 г/ч углеродного материала с содержанием структурированного углерода 20-40 %. Недостатком способа является малая
производительность, использование чистого графита, инертного газа, катализатора, а также необходимость нагрева до высоких температур.
Известен способ получения углеродного наноматериала использующий процесс
химического осаждения в газовой фазе [3]. В этом способе в качестве сырья могут использоваться любые жидкие или газообразные углеводороды, которые подвергаются термическому нагреву до температур 850-950 °С, необходимых для начала реакции пиролиза. В
результате реакции получается водород и атомарный углерод, который далее осаждается и
структурируется на каталитической поверхности. Производительность данного способа
достигает 5-8 г/ч углеродного материала с содержанием структурированного углерода до
70-90 %. Недостатком данного способа является малая производительность и использование катализатора, что повышает стоимость получаемого продукта.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения углеродного
наноматериала в плазме дугового разряда [4]. По этому способу в качестве плазмообразующего газа используется азот, гелий или аргон, в качестве сырья - любой жидкий или газообразный углеводород. Сырье и плазмообразующий газ подают в реактор, где
осуществляют пиролиз. В результате образуются отдельные радикалы (промежуточные
продукты), из которых происходит образование углеродного наноматериала и водорода.
После прохождения высокотемпературной зоны продукты реакции охлаждаются до температуры, близкой комнатной и фильтруются. В завершении процесса получается углеродный наноматериал, и молекулярный водород. При затрачиваемых мощностях в
пределах 50-100 кВт выход углеродного наноматериала (неструктурированного) в данном
способе составляет 0,5-1,0 кг/ч, а удельные энергозатраты - 100-150 кВт ч/кг.
Недостатком данного способа является необходимость поддержания высоких температур (1500-1800 °С) для осуществления реакции пиролиза, что увеличивает энергозатраты и снижает удельную производительность, а также использование в качестве плазмообразующего газа азота, аргона или гелия, требующих хранения в баллонах, что
усложняет технологию. Кроме этого, данный способ позволяет получать лишь углеродный наноматериал низкого качества с небольшим содержанием структурированного углерода.
Задачей изобретения является повышение эффективности способа путем снижения
энергозатрат, повышения удельной производительности, улучшения качества углеродного
материала, а также упрощение технологического процесса.
Задача решается следующим образом. В известном способе получения углеродного
наноматериала в плазме дугового разряда сырье в виде жидкого или газообразного углеводорода и плазмообразующий газ подают в реактор, где осуществляют пиролиз. Образовавшиеся продукты подвергают охлаждению и фильтрации. Согласно предлагаемому
способу, в качестве плазмообразующего газа используют магистральный воздух, подачу
которого осуществляют из трубопровода, сырье в виде жидкого или газообразного углеводорода предварительно смешивают с воздухом в молярном соотношении, превышающем теоретически рассчитанное для реакции частичного окисления до CO используемого
углеводорода, а температура, при которой происходит образование углеродного наноматериала, составляет 700-900 °С.
2
BY 13680 C1 2010.10.30
Способ осуществляется следующим образом. В реактор подают плазмообразующий
газ (воздух) и сырье, в качестве которого используют жидкий или газообразный углеводород. Сырье предварительно смешивают с воздухом в молярном соотношении, превышающем теоретически рассчитанное для реакции частичного окисления до CO
используемого углеводорода, таким образом, наряду с пиролизом происходит экзотермическая реакция частичного окисления, за счет которой выделяется тепловая энергия, составляющая около 25-30 % энергии, необходимой для поддержания теплового режима
процесса образования углеродного наноматериала. Баланс между реакциями пиролиза и
частичного окисления определяется молярным соотношением углеводорода и сырья.
Вследствие реакций пиролиза и частичного окисления происходит преобразование исходной смеси реагентов в промежуточные продукты: атомарный углерод, окись углерода, водород, азот и неразложившиеся углеводородные соединения. Атомарный углерод и
неразложившиеся углеводороды являются прямым поставщиком "строительного вещества" для углеродных наноматериалов. Дополнительный атомарный углерод образуется
благодаря реакции диспропорционирования ангармоничной молекулы CO: CO(v) + CO(w)
= CO2 + C(Ev + Ew = 5,5 eV), что повышает удельную производительность. Далее продукты реакции подвергаются охлаждению и фильтрации. Следует отметить, что часть атомарного углерода, его оксида и неразложившихся углеводородов перед охлаждением
осаждается на металлической поверхности реактора и структурируется в углеродные
наноматериалы (нанотрубки и нановолокна) с высоким содержанием структурированного
углерода. В завершении процесса образуется углеродный наноматериал, водород, оксид и
диоксид углерода. Синтез углеродного наноматериала происходит при температурах 700900 °С, что снижает энергозатраты.
Разложение углеводородов при этих температурах возможно благодаря присутствию
кислорода, который участвует в реакциях частичного окисления с образованием оксида углерода. Использование магистрального воздуха из трубопровода в качестве плазмообразующего газа позволяет упростить технологию и техническое обслуживание установки. За
счет предварительного смешения углеводорода и воздуха достигается однородность исходной смеси, что способствует инициации экзотермической реакции частичного окисления.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
В реактор подаем плазмообразующий газ (воздух) и исходную смесь, представляющую собой предварительно смешанный воздух с сырьем (метан), соответственно расходам (G): Gплазм = 5,3 м3/ч, Gвозд = 4,3 м3/ч, Gгаз = 4,23, при этом молярное соотношение
составляет CH4:O2 = 2,0084:1. После поджига дугового разряда устанавливают следующие
показатели: по току 140 A, по напряжению 200 B (мощность 28,0 кВт). Длительность процесса в указанных - 40 минут. Результаты приведены в таблице.
Пример 2
В реактор подаем плазмообразующий газ (воздух) и исходную смесь, представляющую собой предварительно смешанный воздух с сырьем (метан), соответственно расходам (G): Gплазм = 5,3 м3/ч, Gвозд = 4,3 м3/ч, Gгаз = 4,44, при этом молярное соотношение
составляет CH4:O2 = 2,1081:1. После поджига дугового разряда устанавливают следующие
показатели: по току 140 A, по напряжению 210 B (мощность 29,4 кВт). Длительность процесса в указанных - 30 минут. Результаты приведены в таблице.
Пример 3
В реактор подаем плазмообразующий газ (воздух) и исходную смесь, представляющую собой предварительно смешанный воздух с сырьем (метан), соответственно расходам (G): Gплазм = 5,3 м3/ч, Gвозд = 4,3 м3/ч, Gгаз = 4,84, при этом молярное соотношение
составляет CH4:O2 = 2,2980:1. После поджига дугового разряда устанавливают следующие
показатели: по току 140 A, по напряжению 180 B (мощность 25,2 кВт). Длительность процесса в указанных - 180 минут. Результаты приведены в таблице.
3
BY 13680 C1 2010.10.30
Пример №
1
2
3
Молярное соотношение CH4:O2
2,0084:1
2,1081:1
2,2980:1
Общий выход углеродного мате0,25
0,23
1,59
риала, кг
Содержание структурированного
до 50
до 30
до 20
углерода, %
Производительность,
0,38
0,46
0,53
кг/ч
Удельные энергозатраты,
73,7
63,9
47,5
кВт⋅ч/кг
Удельная производительность,
0,014
0,016
0,021
кг/кВт⋅ч
Примечание: молярное соотношение для частичного окисления метана до CO составляет CH4:O2 = 2:1.
Приведенные в таблице результаты позволяют выделить несколько основных режимов протекания процесса. Ключевым критерием в этом случае является молярное соотношение смеси углеводорода с воздухом, которое определяется отдельно для каждого
углеводорода из известных химических превращений. Приведенная выше таблица показывает, что при увеличении содержания метана в смеси качество получаемого углеродного наноматериала ухудшается, но при этом снижаются удельные энергозатраты и,
следовательно, растет удельная производительность. С другой стороны, при уменьшении
содержания метана качество получаемого углеродного наноматерала улучшается, но возрастают удельные энергозатраты и снижается удельная производительность.
Таким образом, предлагаемый способ за счет использования магистрального воздуха в
качестве плазмообразующего газа и снижения температур в зоне образования углеродного
наноматериала позволяет снизить энергозатраты и повысить удельную производительность, а также упростить технологию и улучшить качество получаемого углеродного
наноматериала.
Источники информации:
1. М. Cadek, R. Murphy, В. McCarthy, A. Drury, В. Lahr, R.C. Barklie. Optimisation of the
arc-discharge production of multi-walled carbon nanotubes. - Carbon 40 (2002). - P. 923-928.
2. S. Arepalli, P. Nikolaev, W. Holmes, Bradley S. Files. Production and measurements of
individual single-wall nanotubes and small ropes of carbon // Applied Physics Letters. - Vol. 78. No 10. - 2001. - P. 1-3.
3. P. Chen, X. Wu, J. Lin, H. Li, K.L. Tan. Comparative studies on the structure and electronic properties of carbon nanotubes prepared by the catalytic pyrolysis of CH4 and disproportionation of CO. - Carbon 38 (2000). - P. 139-143.
4. L. Fulcheri, N. Probst, G. Flamant, F. Fabry, E. Grivei, X. Bourrat. Plasma processing: a
step towards the production of new grades of carbon black. - Carbon 40 (2002). - P. 169-176.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
86 Кб
Теги
by13680, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа