JP2002201013A - 微細中空状炭素とその製造方法 - Google Patents
微細中空状炭素とその製造方法Info
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Abstract
二酸化炭素はミキシングタンク2で混合され、供給ポン
プ3と循環ポンプ4を経て反応器5に供給される。反応
器5では次の反応(1)により反応管中に炭素が生成し、
反応管5b内に留まる。 CH4 + CO2 → 2C + 2H2O (1) 水素セパレータ8を経たガスは循環ポンプ4により再び
反応器5に戻され、(1)式の反応を完結させる。
Description
ばれている微細中空状炭素、それを用いた建材等の黒色
着色材及び微細中空状炭素の製造方法に関するものであ
る。
電又はレーザー光によって熔融させ、不活性ガス中で冷
却して結晶化させることにより製造されている。しか
し、その方法は、収量を左右する重要なパラメータが不
活性ガスの圧力であり、反応容器内を真空に保つ必要が
ある。そのため、特殊な反応装置が必要になるだけでな
く、均質な形状や物性を持つ微細中空状炭素を工業的に
大量に、かつ安価に製造することができない。
野において、セメントや建材に黒色着色することはあま
り行われていない。稀に黒色着色する場合には、鉄黒の
ような金属酸化物系の顔料や微粒子系のファーネスブラ
ックが建築物などの表面に塗布される方法で使用されて
いる。
のセメント補強など)は、周囲の環境に適合した配色を
施し、長期間風雨や風雪、紫外線に絶えなければならな
い。更に、着色材は素材であるセメントなどの強度を低
下させることなく、素材に容易に混練りでき、かつ安価
に供給できるものでなければならない。しかし、従来の
微細中空状炭素はこのような要請に応えうるものではな
かった。
は、均質な微細中空状炭素を提供することである。本発
明の第2の目的は、そのような微細中空状炭素からなる
黒色着色材を提供することである。本発明の第3の目的
は、そのような微細中空状炭素を大量に、かつ安価に製
造することのできる方法を提供することである。
は、直径が10〜200nm、長さが50nm〜0.1
μmの微細中空状炭素である。本発明の黒色着色材、こ
の微細中空状炭素からなるものである。
発明の製造方法では、少なくともメタンと二酸化炭素を
含む混合ガスを温度400〜600℃、圧力0.1〜
0.3MPa.absの条件下でニッケル系触媒に接触
させる。この製造方法で得られる微細中空状炭素の形状
や結晶構造、物性は、触媒の特性、原料ガスであるメタ
ンと二酸化炭素の組成、反応時間、反応温度などに依存
して変化する。
持つ微細中空状炭素を大量に、かつ安価に製造すること
ができるようになる。この製造方法により得られる微細
中空状炭素は、直径が10〜200nm、長さが50n
m〜0.1μmのサイズをもつ。そして、この微細中空
状炭素は、セメント混練、建設材などの製造工程で、着
色材として加えて素材を着色することができる。この微
細中空状炭素を混入した素材は、長期間着色が落ちず、
素材強度を低下させることなく、比較的安価、かつ容易
にセメントや建材などに着色を施すことができる。
応装置を概略的に示したものであり、微細中空状炭素製
造の実験装置の一例を概略的に示したものである。1は
原料として供給されたメタン(CH4)と二酸化炭素
(CO2)ガスを配合して所定の組成となるように設定
するガスブレンダーである。2はミキシングタンクであ
り、ガスブレンダー1で組成が調整されて供給されたガ
スを混合する。3はミキシングタンク2からの混合ガス
を反応系に送り込む供給ポンプである。5は反応器であ
り、供給ポンプ3と反応器5の間には、この反応装置で
反応ガスの循環流路を構成するための循環ポンプ4が設
けられている。
応管5bと、反応管5bの外側方を取り囲み、反応管5
b内を所定の温度に保つ電気炉5cとを備えている。触
媒5aは反応管5b内で上下両側からガラスウールなど
の支持材により支持されて固定床反応器を構成してい
る。
タ6、凝縮器7、水素セパレータ8が設けられている。バ
グフィルタ6は反応器5から飛散した炭素を捕捉するもの
である。凝縮器7はバグフィルタ6を経由したガスから水
を凝縮して除去するものである。水素セパレータ8は、
凝縮器7で水分が除去された後のガスから水素を分離し
て系外に取り出すものである。原料ガスの組成がメタン
過剰の場合には、水素が余剰に生成するからである。水
素セパレータ8の下流の流路は、三方弁13を経て供給
ポンプ3と循環ポンプ4の間の流路に接続され、循環流
路を構成している。
られてガスを排出する排出流路14が接続されている。
また、余剰に供給された原料ガスをミキシングタンク2
から排出する開閉弁15も設けられている。この反応装
置は三方弁13の切替えにより、反応器5を通ったガス
を再び反応器5に戻す循環式反応様式と、反応器5を一
度通ったガスは再び反応器5には戻さないで外部に排出
する流通式反応様式の何れかに切り替えて使用すること
ができる。
監視するために、3箇所の位置にガスを取り出すガスク
ロポート10〜12が設けられている。各ポート10〜
12から取り出されたガスはガスクロマトグラフにより
分析し、反応状態を監視する。それらのガスクロポート
は、ミキシングタンク2で供給する原料ガスの組成を監
視するためのガスクロポート10、反応器5の直前の位
置で反応器に供給される反応ガス組成を監視するための
ガスクロポート11、及び水素セパレータ8を経た後で
循環流路に戻すガス組成又は外部に排出するガス組成を
監視するためのガスクロポート12である。
を用いることができる。ニッケル系触媒の一例は、触媒
成分のニッケルを担体のシリカ(SiO2)に担持したもの
で、その担持触媒に占めるニッケルの割合が90%のも
のである。反応管5bのサイズは内径が約85mm、長
さが約50cmであり、内部に充填される触媒5aの量
は1〜20gである。電気炉5cにより反応管5b内の
反応温度を400〜600℃に設定する。ガスブレンダ
ー1で設定する原料ガスの組成はCH4:CO2=5:5
〜9:1である。反応器5に供給される原料ガスの流量
は、循環式の場合も流通式の場合も2〜10リットル/
分であり、反応管5b内の圧力が0.1〜0.3MP
a.abs(ゲージ圧)となるように供給ポンプ3と循
環ポンプ4を調節する。
応を行なわせる場合の動作について説明する。三方弁1
3は水素セパレータ8を経たガスを循環ポンプ4により
反応器5に戻す循環流路を構成するように設定してお
く。ガスブレンダー1で調合されたメタンと二酸化炭素
はミキシングタンク2で混合され、供給ポンプ3と循環
ポンプ4を経て反応器5に供給される。反応器5では次
の反応(1)により反応管中に炭素が生成し、反応管5b
内に留まる。 CH4 + CO2 → 2C + 2H2O (1)
タ6で捕捉される。バグフィルタ6を経たガス中の水分
は凝縮器7で除去され、ガス組成比により生成した余剰
の水素は水素セパレータ8で分離されて系外に取り出さ
れる。原料ガス組成中のメタンが余剰の場合、次の反応
(2)により水素が生成する。 CH4 → C + 2H2 (2)
4により再び反応器5に戻され、上の(1)式の反応を
完結させる。反応中は随時ガスクロポート10〜12か
らガスを取り出し、ガスクロマトグラフにより分析して
反応状態を監視した。
時間に渡って行なった。72時間経過時点でも反応が起
こっていた。この反応装置を用いて流通式の反応様式で
反応を行なわせる場合は、三方弁13を切り替えて、水
素セパレータ8を経たガスを反応器5に戻すことなく、
排出流路14から系外に排出する。ミキシングタンク2
の開閉弁15を用いて反応器5に供給する原料ガスの流
量を調節し、余剰の原料ガスは開閉弁15から系外に排
出する。
中空状炭素の透過型電子顕微鏡写真を図2と図3に示
す。図2と図3は異なる条件で製造されたものである。
図2は25000倍、図3は20万倍に拡大したもので
ある。
m、長さが50nm〜0.1μmの非直線状で微細中空
状の炭素が生成している。図3中の符号Aで示されるよ
うに、長い炭素の先端に付着している黒い塊は触媒であ
る。また符号Bで示されるように、先端が白く中空にな
っているのは、触媒から離脱した後を示している。図3
の写真からこの長い炭素が中空であることがわかる。付
着している触媒は不純物であるが、建材等の着色材とし
て使用する場合には炭素と分離することなく使用しても
差し支えがない。
b内に固定された固定床反応槽であるが、触媒5aが反
応管5b内で流動可能に封中された流動槽方式のもので
あってもよい。実施例は実験装置であるので、原料ガス
としてメタンと二酸化炭素を用い、それらを混合して原
料混合ガスとしているが、実際の製造装置として利用す
る場合にはメタンと二酸化炭素の混合ガスとして供給さ
れることもあり得る。そのような混合ガスを原料に利用
する場合は、ガスブレンダー1とミキシングタンク2は
不要になる。例えば、有機廃棄物を嫌気性発酵させて発
生するガスは、メタンと二酸化炭素にわずかな窒素を含
んだ混合ガスである。メタンと二酸化炭素以外に(1)
式の反応を阻害しないガスが含まれていても差し支えが
なく、そのまま供給ポンプ3により反応器5に供給する
ことができる。また、化学処理プラントなどから発生す
るガスでもメタンと二酸化炭素を含んで(1)式の反応
を起こすことができの混合ガスであれば、そのまま原料
ガスとして利用することができる。
〜200nm、長さが50nm〜0.1μmの微細中空
状炭素であるので、セメント、建設材などの黒色着色材
として好適である。本発明の製造方法は、少なくともメ
タンと二酸化炭素を含む混合ガスを温度400〜600
℃、圧力0.1〜0.3MPa.absの条件下でニッ
ケル系触媒に接触させることにより、均質な形状と物性
を持つ微細中空状炭素を大量に、かつ安価に製造するこ
とができる。
一例を概略的に示すブロック図である。
状炭素の透過型電子顕微鏡写真である。
状炭素の透過型電子顕微鏡写真である。
Claims (3)
- 【請求項1】 直径が10〜200nm、長さが50n
m〜0.1μmの微細中空状炭素。 - 【請求項2】 直径が10〜200nm、長さが50n
m〜0.1μmの微細中空状炭素からなる黒色着色材。 - 【請求項3】 少なくともメタンと二酸化炭素を含む混
合ガスを温度400〜600℃、圧力0.1〜0.3M
Pa.absの条件下でニッケル系触媒に接触させるこ
とを特徴とする微細中空状炭素の製造方法。
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