CN1541938A - 一种由煤连续制备碳纳米管材料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤化工、等离子体科学以及碳素材料相交叉的技术领域。本发明的特征是将粉煤和高温的水蒸汽直接喷入电弧等离子体中来连续制备碳纳米管材料，即用高温和富含高活性粒子的电弧等离子体为介质实现碳纳米管材料的连续化制备。电弧等离子体的工作气体是氮气，通过外加磁场实现等离子体的旋转。整个装置由水蒸汽发生和供给系统、煤粉输送系统、等离子体发生器、产物收集器、气体的冷却和净化系统、防爆装置、系统压力调节系统组成，其中水蒸汽系统和煤粉输送系统分别通过水蒸汽输送管线和煤粉输送管线与等离子体发生器连接。

Description

一种由煤连续制备碳纳米管材料的方法和装置

技术领域

本发明属于煤化工、化学反应工程、等离子体科学以及碳素材料科学相交叉的技术领域。涉及到以电弧等离子体技术为核心，以煤为原料连续直接制备碳纳米管材料的方法和装置。

背景技术

碳纳米管材料因为其特殊的结构，使其在电学和力学等方面具有独特的性能，应用前景极其广泛。但是，只有实现碳纳米管材料的连续制备，才能使其真正大规模地在众多高新技术领域得到应用。碳纳米管材料的连续制备方法目前主要有固定床技术、移动床技术(CN01111561)、流化床技术(CN01118349)、电弧喷射技术(CN02135447)。在固定床技术中，由于气、固接触有限，所以催化剂的利用效率比较低；移动床属于移动的固定床，在一定程度上也存在类似的问题；在流化床中，气、固接触良好，催化剂利用效率高，是最有可能实现碳纳米管材料大规模化制备的技术，但是过程比较复杂；对于电弧喷射技术而言，难于调控电弧和反应原料之间的作用程度，因此所得碳纳米管材料的质量和数量均受到很大的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用电弧等离子体技术连续化制备碳纳米管材料的方法和装置。采用本装置可以直接以粉煤为原料连续制备碳纳米管材料，其突出的特点是通过外加电磁场使电弧等离子体旋转起来，既延长了电弧等离子体反应器的使用寿命，提高了等离子体中活性粒子的寿命，同时激发并强化了活性粒子和原料之间的作用，达到提高原料利用率的目的，通过这一技术手段，实现了对碳纳米管材料的生长过程或反应进行有效的约束和控制，使得整个工艺过程变得可控。

本发明的特征是一种利用电弧等离子体技术实现碳纳米管材料连续化制备的技术方法和装置，该装置主要由水蒸汽的发生和供给系统、煤粉输送系统、等离子体发生器、产物收集器、气体的冷却和净化系统、防爆装置、系统的压力调节系统和引风机组成，它们的连接按自上而下和从左到右顺序的为：水蒸汽的发生和供给系统、煤粉输送系统、等离子体发生器、产物收集器、气体的冷却和净化系统、防爆装置、系统的压力调节系统和引风机。水蒸汽发生系统和煤粉输送系统分别通过水蒸汽输送管线和煤粉输送管线与等离子体发生器相连接。

以上所述的制备碳纳米管材料的装置，其特征在于：等离子体发生器置于产物收集器和气体净化和冷却系统的前面，水蒸汽和高纯氮气夹带的煤粉进入等离子体发生器后，经过旋转的电弧区时受到高活性的等离子体激发而发生反应，反应后的固体沿着等离子体发生器下方的中央通道落到产物收集器中，气体沿着产物收集器上方的横向管道进入气体净化和冷却系统由引风机排出。

以上所述的制备碳纳米管材料的方法，其特征在于：用高纯氮气作为等离子体工作气，在等离子体发生器的上方，高纯的氮气沿着煤粉输送管线末端的一个支路进入煤粉输送的管线，当启动煤粉输送系统后，高纯氮气夹带煤粉进入等离子体发生器。等离子体反应器的盖子是水冷夹套，水蒸汽的输入管线垂直穿过反应器的盖子后进入等离子体发生器。煤粉输送管线沿着盖子的径向穿过盖子上的水冷夹套并与盖子成50度角进入发生器。

以上所述的制备碳纳米管材料的方法，其特征在于：煤粉的输送量是通过改变煤粉输送系统中直流电动机的转速来改变的，也就是说通过改变此电路中滑线变阻器的接入电阻可以改变加在电动机上的电压，从而改变煤粉输送杆的转速，最后改变煤粉的输送量。

以上所述的制备碳纳米管材料的装置，其特征在于：此装置的顶部以及等离子体发生器的示意图见附图2，其组件包括：一个空心圆筒形阳极，一个与该阳极电绝缘的盖子，在盖子中心处装有一个阴极构件，阴极构件中的石墨棒作为阴极，阴极棒具有轴向可调性，可随反应的进行随时给进。电弧产生在阴极棒和圆筒形石墨阳极之间；在阳极筒壁的下部，也就是电弧的下方放置一个中央带有圆孔的石墨隔膜块，这样可以使得经过电弧区边缘低温区只进行部分反应的煤颗粒因为受到隔模块阻挡而反弹回反应器，从而提高原料和等离子体中高活性粒子的作用时间，进而达到提高原料利用率之目的；在空心圆筒形阳极的外部装有一个磁场可调的直流电磁线圈，其作用是将电弧限制在电磁线圈的中部并使电弧在磁场力的作用下旋转起来，这既延长了电弧等离子体反应器的使用寿命，提高了等离子体中活性粒子的寿命，同时激发并强化了活性粒子和原料之间的作用。

按照上述的制备碳纳米管材料的装置，其特征在于：等离子体发生器的阳极筒壁及其下行的每一节通道都是由三层组成，最内层为石墨衬套，其内部直径均为150毫米，高度均为300毫米；向外一层为隔热衬套；最外层为水冷夹套。阴极石墨棒置于阳极筒壁的中心，其直径为30毫米。

按照上述的制备碳纳米管材料的装置，其特征在于：反应系统中的气体通过引风机的抽引而排出，使等离子体发生器中的压力处于微负压状态；产生的气体沿着反应器的下行通道，经过产物收集器上方的横向管道后进入气体净化和冷却系统，最后经引风机排出。系统的压力可以根据需要通过引风机前面的压力调节系统自如地进行调节。另外，为防止意外，在气体净化和冷却系统的上方设置有防爆装置，也就是在管的末端用弹性胶皮密封，弹性胶皮的垂直正上方装有一个刀片，构成防爆装置；当系统的压力增大到一定的程度时，向上膨胀的胶皮就会被刀片划破，从而起到防爆之目的。

采用该装置连续制备碳纳米管材料的具体步骤和工艺为：

(1)加热水蒸汽发生器内的水，将水蒸汽发生器内气体的压力调控在1.4～1.8个大气压范围；水蒸汽达到设定的压力后，打开引风机，调节压力调节系统，使系统压力为负20个毫米水柱，接通循环冷却水。

(2)接通等离子体工作气体，该工作气体为高纯氮气，其流量调控在1.5～3.0立方米/小时；给电磁线圈通电并调控电流为190～310安培；接通总电源并引发等离子体发生器的电弧，调控电弧的电流为220～280安培，此时电弧的电压为260～220伏特；接通水蒸汽发生和供给系统，调控水蒸汽的流量为1.5～3.0千克/小时；启动煤粉输送系统，调控煤粉的输送量为1.5～2.5千克/小时，与此同时，高纯氮气夹带煤粉并将其直接喷射入旋转的电弧等离子体中。

本发明的效果和益处是由粉煤连续的直接制备碳纳米管材料，降低了碳纳米管材料的制备成本；采用气流输送的方式向反应系统输送煤粉以及在电弧等离子体反应器的外部设置磁控线圈调控电弧的旋转，这些措施保证了反应物体系的均匀性，这是本发明能够实现碳纳米管材料之连续化生产的前提条件；以电弧等离子体作为反应介质，不仅保证了反应系统能够处于极高的反应温度，而且通过外加的电磁场还可以对电弧等离子体进行约束和控制，既延长了电极和等离子体中高活性粒子的寿命，又强化了旋转的高活性粒子的作用，使得反应在很短的时间内完成，达到提高原料利用率的目的。另外，通过改变电磁线圈中的电流可以对反应的强度进行调节。本发明所述的装置结构合理，操作简便、可控，可连续化运行。

附图说明

图1是本发明利用电弧等离子体技术直接由粉煤连续制备碳纳米管材料的装置示意图。

图中：1水蒸汽发生和供给系统；2煤粉输送系统；3等离子体发生器；4产物收集器；5气体的冷却和净化系统；6防爆装置；7系统压力调节系统；8引风机。

图2是等离子体发生器结构示意图。

图中：1水蒸气入口；2煤粉入口；3高纯氮气入口；4石墨隔膜块；5电磁线圈；6阴极；7空心圆筒形阳极。

图3是扫描电子显微镜拍摄的利用本发明所合成的碳纳米管材料的照片。

图4是透射电子显微镜拍摄的利用本发明所合成的碳纳米管材料的照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

将水蒸汽发生和供给系统1、煤粉输送系统2、等离子体发生器3、产物收集器4、气体的冷却和净化系统5、防爆装置6、系统压力调节系统7和引风机8按照从下至上和从左到右的顺序连接；煤粉输送系统通过煤粉输送管线和等离子体发生器连接，水蒸汽发生和供给系统通过供气管线和等离子体发生器连接。以台吉煤为原料，煤粉的粒径小于1毫米。加热水蒸汽发生器中的水，将蒸汽发生器中气体的压力调控在1.6个大气压；打开引风机，调节压力调节系统，使整个系统压力处于负20个毫米水柱，接通循环冷却水；随后，接通等离子体工作气体(高纯氮气)，高纯氮气的流量为2.0立方米/小时；接通电源并引发等离子体发生器的电弧，电弧的电流调节到230安培，此时电弧的电压约为250伏特；通入高温的水蒸汽，水蒸汽的流量为2.4千克/小时；接通煤粉输送系统，煤粉的输送量约为1.6千克/小时；用高纯氮气将粉煤直接喷射入旋转的氮气电弧等离子体中；最后，在等离子体发生器中，煤粉和水蒸气等混合物在旋转的高活性粒子的激发下发生反应生成碳纳米管材料，生成的碳纳米管材料落在产物收集器中，部分碳纳米管材料富集在等离子体发生器的壁上；气体产物沿着产物收集器上部的横向管道通过旋风分离器和冷却系统并从引风机的出口排出。所得到的碳纳米管材料的电子扫描显微镜照片和透射电子显微镜的照片分别见图3和图4。从图3和图4可以看出所得碳纳米管材料的长度达到几十微米，直径为60纳米；用X-射线衍射技术研究这些炭纳米管材料，计算出这些碳纳米管材料中的石墨层片间距离介于0.35～0.44nm之间。

实施例2

反应系统的连接同实施例1。以台吉煤为原料，煤粉的粒径小于0.50毫米。加热水蒸汽发生器中的水，将蒸汽发生器中气体的压力调控在1.8个大气压；打开引风机，调节压力调节系统，使整个系统压力处于负20个毫米水柱，接通循环冷却水；随后，接通等离子体工作气体(高纯氮气)，调控其流量为2.6立方米/小时；接通电源并引发等离子体发生器的电弧，电弧的电流调节到230安培，此时电弧的电压约为250伏特；通入高温的水蒸汽，水蒸汽的流量为2.0千克/小时；接通煤粉输送系统，煤粉的输送量约为2.0千克/小时；用高纯氮气将粉煤夹带进入旋转的氮气电弧等离子体中；在等离子体发生器中，煤粉和水蒸气等混合物在旋转的高活性粒子的激发下发生反应生成碳纳米管材料，生成的碳纳米管材料落在产物收集器中，部分碳纳米管材料富集在等离子体发生器的壁上；气体产物沿着产物收集器上部的横向管道通过旋风分离器和冷却系统并从引风机的出口排出。所得到的碳纳米管材料分别用电子扫描显微镜和透射电子显微镜以及XRD技术研究，其外观形貌与图3和图4极为相似，长度达在20～60微米左右，直径为40～70纳米左右，其石墨层片间距离在0.35～0.40nm之间。

Claims (2)

1.一种由煤连续制备碳纳米管材料的方法和装置，其特征在于，此装置主要由水蒸汽发生和供给系统1、煤粉输送系统2、等离子体发生器3、产物收集器4、气体的冷却和净化系统5、防爆装置6、系统压力调节系统7和引风机8组成，它们的连接按自上而下和从左到右顺序为：水蒸汽发生和供给系统1、煤粉输送系统2、等离子体发生器3、产物收集器4、气体的冷却和净化系统5、防爆装置6、系统压力调节系统7和引风机8；水蒸汽发生和供给系统1和煤粉输送系统2分别通过供水蒸汽管线和煤粉输送管线与等离子体发生器3连接；其特征还在于，直接以煤为原料、水蒸汽为反应介质，利用直流电弧等离子体技术连续制备碳纳米管材料，具体步骤和工艺为：

(1)加热水蒸汽发生器内的水，将水蒸汽发生器内气体的压力调控在1.4～1.8个大气压左右，水蒸汽达到设定的压力后，打开引风机，调节反应装置的压力调节系统，使系统压力保持在负20个毫米水柱左右，接通循环冷却水；

(2)接通等离子体工作气体，该工作气体为高纯氮气，其流量控制在1.5～3.0立方米/小时；接通电磁线圈的电流，控制电流为190～310安培；接通总电源并引发等离子体发生器的电弧，控制电弧的电流为220～280安培，电弧的电压为260～220伏特；接通水蒸汽发生和供给系统中的水蒸汽，水蒸汽的流量为1.5～3.0千克/小时；启动煤粉输送系统，将煤粉的输送量控制在1.5～2.5千克/小时；随后，用高纯氮气直接将粉煤喷射入旋转的电弧等离子体中；

(3)在等离子体发生器中，煤粉和水蒸气等混合物在高速旋转的富含高活性物种的电弧等离子体的激发下发生反应生成碳纳米管材料，生成的碳纳米管材料落在产物收集器中，同时有少量的固体产物沉积在等离子体发生器的壁上，气体沿着产物收集器上方设置的横向气体通道进入气体冷却和净化系统并通过引风机排出；

(4)煤粉的输送量是通过控制煤粉输送系统中直流电动机的转速来改变的，具体来说是通过改变电路中滑线变阻器的接入电阻来改变加在电动机上的电压，从而改变煤粉输送杆的转速，达到改变煤粉输送量的目的；

(5)在等离子体发生器的上方，高纯氮气沿着煤粉输送管线末端的一个支管进入煤粉输送管线，其作用是夹带煤粉进入等离子体发生器中；反应装置内的气体通过引风机的排出，保证整个反应系统中处于微负压状态。产生的气体沿着装置的下行通道，经过产物收集器上方的横向气体通道进入气体净化和冷却系统并经过引风机排出。系统内的压力可以根据需要通过引风机前面的压力调节系统的调节而满足不同的制备要求。

2.根据权利要求1所述的一种由煤连续制备碳纳米管材料的方法和装置，其特征在于：

(1)水蒸汽的输入管线垂直穿过用水冷却的反应器顶部的短盖进入等离子体发生器；煤粉输送管则沿着圆形盖子的径向穿过水冷却的盖子并与盖子成50度夹角进入发生器；

(2)等离子体发生器包括：水蒸气入口1、煤粉入口2、高纯氮气入口3、空心圆筒形阳极7，一个与阳极7电绝缘的盖子，在盖子中心处装有一个阴极构件，阴极构件中的石墨棒作为阴极6，阴极棒6具有轴向可调性，电弧在阴极棒6和圆筒形阳极7之间形成；空心圆筒形阳极筒壁的底部，也就是电弧的下方放置一个中央带有圆孔的石墨隔膜块4；

(3)所述的空心圆筒形阳极的筒壁以及下行的每一节反应通道都是由三层组成，最内层为石墨衬套，其内径均为150毫米，高度均为300毫米；向外一层为隔热衬套；最外层为水冷夹套；阴极石墨棒置于阳极圆筒的中心，其直径为30毫米；所述的在空心圆筒形阳极的外部装有一个磁场可调的直流电磁线圈；

(4)在气体净化和冷却系统的上方，也就是在管路的末端设置防爆装置。

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