CN102060290B

CN102060290B - 一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法

Info

Publication number: CN102060290B
Application number: CN201010570296A
Authority: CN
Inventors: 葛介超; 汪鹏飞; 张洪艳; 刘卫敏
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2030-12-02
Also published as: CN102060290A

Abstract

本发明公开了一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：1)将生物质处理成供燃烧的细粉，置于燃烧室中；2)燃烧室的温度控制在1700℃～2200℃；3)同时通入助燃气体，燃烧室内压力控制在2.6×10⁴～8.0×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧生物质，得到含有富勒烯的碳灰；4)收集含富勒烯的炭灰，用提取装置提取富勒烯，再分离提纯得到富勒烯产品。本发明首次提出利用可再生的生物质为原料制备富勒烯；所用的生物质为可再生资源，取之不尽，用之不竭；和煤炭、石油等不可再生资源相比，大大降低了经济成本，而且更加绿色环保，具有低投入、高产出的特点。

Description

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法

技术领域

本发明涉及一种低成本批量生产富勒烯的方法，具体来讲，涉及一种利用生物质燃烧法大规模生产富勒烯的方法。

背景技术

富勒烯（Fullerene) 是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状、椭圆状或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。1985年Robert Curl等人制备出了C60。1989年，德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构，从此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。富勒烯的结构和建筑师Fuller的代表作相似，所以称为富勒烯。富勒烯材料应用范围广，在工业、农业、能源、国防等各方面都有广泛的应用，具有广阔的市场应用前景。据美国市场调查公司2006年10月发布的《全球富勒烯市场调查报告》的统计和预测，富勒烯在近十年将以年增长率70%的速度增长，到2016年全球富勒烯市场将达到47亿美元。富勒烯及其衍生品必将成为现代化工业不可替代的核心基础材料。

目前，富勒烯的产量远远不能满足工业发展的需要，主要原因是现有工艺成本太高、不易于大批量的工业化操作，例如，电弧放电法的生产效率太低、成本高；苯燃烧法的环保性和操控性较差且成本相对过高。

生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。它包括植物、动物和微生物。广义概念：生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。狭义概念：生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物等物质。其特点有：可再生，低污染且广泛分布。而生物质利用是发展替代石油、煤炭等不可再生资源的新途径，发展潜力大，前景广阔。面对国际上急剧增长的富勒烯市场，研究用生物质材料低成本大批量生产富勒烯的方法是意义巨大、十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工艺路线简单、可操作性强、成本低、高附加值的利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法。

为解决上述技术问题，本发明一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将生物质处理成供燃烧的细粉，置于燃烧室中；

2)燃烧室的温度控制在1700℃～2200℃；

3)同时通入助燃气体，燃烧室内压力控制在2.6×10⁴～8.0×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧生物质，得到含有富勒烯的碳灰；

4)收集含富勒烯的炭灰，用提取装置提取富勒烯，再分离提纯得到富勒烯产品。

进一步地，在步骤1）中，将催化剂加入到生物质细粉中混合均匀，再置于燃烧室中；催化剂可对生物质进行脱氧处理。

进一步地，所述催化剂是Co、Ni、Sc、V、Cr、Mn、Fe、Cu、Y、Nb、Mo、Pd、W、Au中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，在步骤1)中，所述生物质为木质素、农产品加工业下脚料、农林废弃物。

进一步地，所述木质素和催化剂之间的重量比大致为1：0.01~0.5，优选地，木质素和催化剂之间的重量比为1：0.03。

进一步地，在步骤2)中，温度优选地控制在1950～2050℃；最优选地，温度控制在2000℃。

进一步地，在步骤3)中，所述助燃气体是纯度超过99.9%的氧气。

进一步地，在步骤3)中，燃烧室内压力优选地控制在4.5×10⁴～5.5×10⁴帕；最优选地，燃烧室内压力控制在5.33×10⁴帕。

进一步地，在步骤3)中，所述助燃气体与木质素的重量比为：1：1~6；优选地，助燃气体与木质素的重量比为1：1.5；一般来说，碳氧比较低时，木质素燃烧充分，所得到的含富勒烯炭灰少，但炭灰里富勒烯含量高；而当碳氧比较高时，木质素不充分燃烧，产生的炭灰多，但炭灰中富勒烯的含量低，所以必须调整合适的碳氧比，以得到最佳的富勒烯产率。

进一步地，在步骤4)中, 所述提取装置是索氏提取器，分离提纯用色谱分离得到富勒烯产品。

与现有燃烧煤或石墨、苯等有机溶剂制备富勒烯技术比较，本发明具有如下有益效果：

1）本发明首次提出利用可再生的生物质为原料制备富勒烯；

2）本发明所用的生物质为可再生资源，取之不尽，用之不竭，和煤炭、石油等不可再生资源相比，大大降低了经济成本，而且更加绿色环保，具有低投入、高产出的特点。

附图说明

图1 为本发明所用制备装置框图。

图中数字标记表示如下:

1、进料系统； 2、混气室； 3、燃烧室； 4、冷却室；

5、多向喷头； 6、多向喷头；7、收集罐； 8、出气系统。

具体实施方式

实施例1

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1) 将木质素研磨成供燃烧的细粉，置于燃烧室中；

2)燃烧室的温度控制在1700℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在2.6×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

4)收集含富勒烯的炭灰，经过索氏提取器提取后得到的淋洗液用色谱分离得到富勒烯产品。

实施例2

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Cu粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Cu粉之间的重量比为1：0.01；

2)燃烧室的温度控制在1750℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在3.0×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例3

本发明一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将农产品加工业下脚料烘干、研磨成供燃烧的细粉，加入Co粉混合均匀，置于燃烧室中；所述烘干后的农产品加工业下脚料和Co粉之间的重量比为1：0.03；

2)燃烧室的温度控制在1800℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与农产品加工业下脚料的重量比为1：2.0；燃烧室内压力控制在3.4×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧生物质，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例4

1)将农作物废弃物烘干、研磨成供燃烧的细粉，加入Ni粉混合均匀，置于燃烧室中；所述烘干后的农作物废弃物和Ni粉之间的重量比为1：0.06；

2)燃烧室的温度控制在1850℃；

3)同时通入纯度超过99.9%的氧气，纯度超过99.9%的氧气与农作物废物的重量比为1：2.5；燃烧室内压力控制在3.8×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧生物质，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例5

下面结合附图1对本发明的一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法进行详细说明，操作步骤如下：

1) 将木质素，先进行除气研磨处理成粉状，然后置入进料系统1中；通过螺旋进料器均匀可控地注入混气室2，混气室2内预先通入纯度大于99.9%的氧气；混气室2通过多孔耐火陶瓷和燃烧室3相连，由点火装置引燃燃烧室3，细粉在燃烧室3内燃烧；调整木质素与氧气的比例，使其在1:1碳氧比下燃烧；一般来说，碳氧比较低时，木质素燃烧充分，所得到的含富勒烯炭灰少，但炭灰里富勒烯含量高；而当碳氧比较高时，木质素不充分燃烧，产生的炭灰多，但炭灰中富勒烯的含量低，所以必须调整合适的碳氧比，以得到最佳的富勒烯产率；燃烧室设置系列测温点，以监测燃烧的进行；

2) 木质素燃烧后产生的烟雾气体被多向喷头6吹进冷却室4，冷却室4是双层缸体，双层间流有循环冷却水；含富勒烯的灰分烟雾在缸壁上冷却，其他的气体由出气系统8抽出处理；

3) 经冷却后的含富勒烯炭灰被多向喷头5喷出的高压空气震落，并被位于冷却室下方的收集罐7储存起来；收集罐7与冷却室之间以球阀相连，可以在不破环体系整体真空环境条件下进行独立更换；

4) 从收集罐7中收集到的炭灰用索氏提取器提取，得到甲苯淋洗溶液，用高效液相色谱仪（HPLC）对其进行分离，得富勒烯产品。

根据实际分离后的产品计算，每吨木质素可产生40公斤碳灰，每百克碳灰中可得到3克C₆₀ （纯度＞98%），0.5克C₇₀（纯度＞96 %），说明木质素燃烧法制备富勒烯完全可以实现低成本、大批量制备富勒烯。

实施例6

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Sc 粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Sc粉之间的重量比为1：0.1；

2)燃烧室的温度控制在1900℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在4.2×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例7

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入V 粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和V粉之间的重量比为：1：0.15；

2)燃烧室的温度控制在1950℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在4.6×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例8

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Cr 粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Cr粉之间的重量比为：1：0.18；

2)燃烧室的温度控制在2000℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在5.0×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例9

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Mn 粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Mn粉之间的重量比为：1：0.23；

2)燃烧室的温度控制在2050℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在5.4×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例10

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Fe 粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Fe粉之间的重量比为：1：0.28；

2)燃烧室的温度控制在2100℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在5.8×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例11

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Y粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Y粉之间的重量比为：1：0.35；

2)燃烧室的温度控制在2150℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在6.2×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例12

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Nb粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Nb粉之间的重量比为：1：0.38；

2)燃烧室的温度控制在2200℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在6.6×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例13

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Mo粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Mo粉之间的重量比为：1：0.43；

2)燃烧室的温度控制在2000℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在7.0×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例14

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Pd 粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Pd 粉之间的重量比为：1：0.45；

2)燃烧室的温度控制在2000℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在7.4×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例15

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入W粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和W粉之间的重量比为：1：0. 5；

2)燃烧室的温度控制在2000℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在7.8×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

实施例16

一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，包括以下步骤：

1)将木质素研磨成供燃烧的细粉，加入Au 粉混合均匀，置于燃烧室中；所述木质素和Au粉之间的重量比为：1：0.05；

2)燃烧室的温度控制在2000℃；

3)同时通入纯度大于99.9%的氧气，氧气与木质素的重量比为1：1.5；燃烧室内压力控制在8.0×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧木质素，得到含有富勒烯的碳灰；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将生物质处理成供燃烧的细粉，置于燃烧室中；

2)燃烧室的温度控制在1700℃～2200℃；

3)往燃烧室内通入助燃气体，燃烧室内压力控制在2.6×10⁴～8.0×10⁴帕，在燃烧室直接燃烧生物质，得到含有富勒烯的碳灰；

4)收集含富勒烯的碳灰，用提取装置提取富勒烯，再分离提纯得到富勒烯产品;所述生物质为木质素。

2.根据权利要求1所述的一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，其特征在于：在步骤1）中，将催化剂加入到生物质细粉中混合均匀，再置于燃烧室中。

3.根据权利要求2所述的一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，其特征在于：所述催化剂是Co、Ni、Sc、V、Cr、Mn、Fe、Cu、Y、Nb、Mo、Pd、W、Au中的一种或两种以上的混合物。

4.根据权利要求3所述的一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，其特征在于：所述生物质和催化剂之间的重量比为1：0.01~0.5。

5.根据权利要求1所述的一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，其特征在于：在步骤2)中，燃烧室内温度控制在1950～2050℃。

6.根据权利要求1所述的一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，其特征在于：在步骤3)中所述助燃气体是纯度超过99.9%的氧气。

7.根据权利要求1所述的一种利用生物质燃烧法生产的方法，其特征在于：在步骤3)中，燃烧室内压力控制在4.5×10⁴～5.5×10⁴帕。

8.根据权利要求1所述的一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，其特征在于：在步骤3)中，所述助燃气体与木质素的重量比为：1：1~6。

9.根据权利要求1所述的一种利用生物质燃烧法生产富勒烯的方法，其特征在于：在步骤4)中,所述提取装置是索氏提取器，分离提纯用色谱分离。