【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サンプリング装置を備えたフラーレンの製造設備及びそれを用いたフラーレンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フラーレンは、ダイヤモンド、黒鉛に次ぐ第三の炭素同素体の総称であり、Ｃ６０、Ｃ７０等に代表されるように５員環と６員環のネットワークを有する閉じた中空殻状の炭素分子である。フラーレンの存在が最終的に確認されたのは比較的最近の１９９０年のことであり、比較的新しい炭素材料であるが、その特殊な分子構造ゆえに特異的な物理的性質を示すことが認められ、例えば、超硬材料への応用、医薬品への応用、超伝導材料への応用、半導体製造への応用等の広範囲な分野に渡り、革新的な用途開発が急速に展開されつつある。特に、フラーレンの中でもＣ６０、及びＣ７０は比較的合成が容易であり、それゆえ今後の需要も爆発的に高まることが予想されている。
フラーレンの製造方法としては、例えば、レーザ蒸着法、抵抗加熱法、アーク放電法、高周波誘導加熱法、燃焼法、ナフタレン熱分解法等の種々の方法が提案されている。そして、いずれの方法においても、フラーレンは気流中で形成されるすす状物質（カーボンブラック）中に含まれて生成する。また、品質、特性の安定したフラーレンを歩留り良く製造するには、生成したフラーレンの品質を測定してその品質特性に応じてフラーレンの製造条件を随時調整することが必要となる。このとき、品質測定の対象となるフラーレンは、製造されたフラーレンの平均的な品質を反映しているフラーレンではなくて、現在の製造条件の影響を反映しているフラーレンとすることが重要である。そのためには、先ず、フラーレン含有すす状物質をその生成領域の近傍位置で適宜採取することが必要となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フラーレン含有すす状物質の回収は、減圧下の高温の気流中から行う必要がある。特に、フラーレンを製造する上で最も安価で、効率的な製造方法の一つとして考えられている燃焼法では、フラーレン含有すす状物質は、フラーレン製造炉から排出される、例えば１４００℃の高温排ガス（主成分は一酸化炭素ガスと水蒸気）中に浮遊している。このため、フラーレン製造設備内の高温排ガス中からフラーレン含有すす状物質を、フラーレンの製造条件の変動を防止して採取する必要がある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、フラーレンの製造条件の変動を防止して高温排ガス中からフラーレン含有すす状物質を回収することが可能なサンプリング装置を備えたフラーレンの製造設備及びそれを用いたフラーレンの製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係るフラーレンの製造設備は、フラーレン含有すす状物質が浮遊した排ガス中より該フラーレン含有すす状物質を採取するサンプリング装置を備えたフラーレンの製造設備において、前記サンプリング装置は冷却構造を備え前記フラーレン含有すす状物質を捕集する捕集手段と、前記捕集手段を前記排ガスの流路に対して進退させる駆動手段を備えている。
フラーレン含有すす状物質は減圧下の高温（例えば、６００〜１８００℃）の排ガス中に浮遊しているので、フラーレン含有すす状物質を回収するにはこの高温の排ガス中に捕集手段を所定時間（例えば、１〜５分）挿入する必要がある。このため、捕集手段に冷却構造を設けることにより、高温の排ガス中に挿入して所定時間にわたって安定して使用することができる。その結果、フラーレン含有すす状物質を確実に回収することができる。また、駆動手段を設けて、フラーレン含有すす状物質の回収を行うときだけ捕集手段を流路内に挿入するので、排ガスの流通を妨げることが少ない。更に、捕集手段にガスシール機構を設けてもよく、捕集手段を流路内に出し入れしてもフラーレン製造設備内の雰囲気の変動を防止することができる。その結果、フラーレンの製造条件の変動を防止して、フラーレン含有すす状物質の回収をおこなうことができる。
【０００５】
第１の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記捕集手段には前記フラーレン含有すす状物質を前記排ガスと共に吸引して回収する吸引回収機構を設けることができる。
ここで、吸引回収機構は、排ガスの吸込み部と、排ガスを吸引する吸引部を備えた構成とすることができる。吸込み部は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱金属を使用して作製することができる。また、吸引部には排気ポンプを使用することができ、排気ポンプの入口側にフラーレン含有すす状物質を捕集するフィルタ（例えば、線径が１〜１０μｍの略線状焼結金属をプレス成形等によって形成したフィルター等）を設置することにより、フラーレン含有すす状物質を回収することができる。なお、吸引する排ガス量は、全排ガス量に対して１／５０〜１／１００００とするのがよい。全排ガス量の１／５０を超えて排ガスを吸引すると、製品として回収するフラーレンの製造歩留りが低下すると共に、フラーレン製造設備内の圧力バランスが変化してフラーレンの製造条件が変化する。また、全排ガス量の１／１００００未満では回収されるフラーレン含有すす状物質の量が少なく、フラーレン含有すす状物質を回収する時間が長くなる。
【０００６】
第１の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記捕集手段には前記フラーレン含有すす状物質を付着させて回収する付着回収機構を設けることができる。付着回収機構は、捕集手段の先側に設けられフラーレン含有すす状物質を付着させる付着部と、付着したフラーレン含有すす状物質を掻き取って回収するガスシール性の回収部を有した構成とすることができる。ここで、付着部は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱金属を使用して作製され、内部を冷却することにより外表面側の温度を低く（例えば、２００〜６００℃に）保つことができる。排ガス中に挿入した付着部の外表面側の温度を低くすることにより、排ガス中のフラーレン含有すす状物質を容易に付着させることができる。また、回収部には、付着部に付着したフラーレン含有すす状物質を回収する掻き取り部材と、回収したフラーレン含有すす状物質を収納する回収ボックスを設けることにより、付着させたフラーレン含有すす状物質を確実に回収することができる。
【０００７】
第１の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記捕集手段には前記排ガス中から前記フラーレン含有すす状物質を捕捉し該排ガスを透過させる濾過回収機構を設けることができる。
ここで、濾過回収機構は、捕集手段の先側に設けられた濾過部と、濾過部を収納するガスシール性を備えた回収部を有する構成とすることができる。濾過部を、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱金属を使用して形成された網を使用して作製することにより、排ガス中に挿入して排ガス中のフラーレン含有すす状物質だけを捕捉することができる。また、回収部はガスシール性を有しているので、フラーレン製造設備内の雰囲気を乱さないで濾過部をフラーレン製造設備から外部に取り出すことができる。
【０００８】
前記目的に沿う第２の発明に係るフラーレンの製造方法は、第１の発明のフラーレンの製造設備を用い、前記サンプリング装置で前記フラーレン含有すす状物質を採取し、該フラーレン含有すす状物質からフラーレンを抽出しその品質を測定して、フラーレンの製造条件を調整する。
サンプリング装置によりフラーレン製造設備で生成した直後のフラーレン含有すす状物質をサンプリングして、その中のフラーレンの品質を測定するので、フラーレンの生成に及ぼす製造条件の影響を適宜把握することができ、フラーレンの製造条件の調整を的確に行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備の全体構成を示すブロック図、図２は同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の説明図、図３は同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の吸込み部の説明図、図４は本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の説明図、図５は同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置からのフラーレン含有すす状物質の回収方法の説明図、図６は本発明の第３の実施の形態に係るフラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の説明図、図７は同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置からのフラーレン含有すす状物質の回収方法の説明図、図８は同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の濾過部本体の説明図である。
【００１０】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備１０は、フラーレンの原料である炭素含有化合物を酸素含有ガスの下で燃焼してフラーレンを製造するフラーレン製造炉１１と、フラーレン製造炉１１で発生した排ガスを排出する排ガス導出配管１２（排ガスが流れる流路の一例）と、排ガス導出配管１２に取付けられ排ガス中よりフラーレン含有すす状物質を採取するサンプリング装置１３と、排ガス導出配管１２を介して送られた排ガス中よりフラーレン含有すす状物質を回収する回収装置１４と、回収装置１４から排出された排ガスを処理して大気中に放散する排ガス処理装置１５とを有している。以下、これらについて詳細に説明する。
【００１１】
フラーレン製造炉１１は、例えば、製造炉本体１６と、製造炉本体１６の上部側に設けられた炉頂部１７を備えている。製造炉本体１６と炉頂部１７は、例えばステンレス鋼等の耐熱鋼で構成されており、その内周面側は、例えばアルミナ質の耐火煉瓦やアルミナ質の不定形耐火材等の耐火物でライニングされている。また、製造炉本体１６の下部側には、例えば、ステンレス鋼等の耐熱鋼で形成されたバーナ部１８が備えられ、バーナ部１８には炭素含有化合物を吐出する複数の供給口と、酸素含有ガスを吐出する複数の供給口がそれぞれ設けられている。炉頂部１７には排ガス導出管１２が接続されている。排ガス導出管１２に接続された回収装置１４は、排ガス中からフラーレン含有すす状物質を捕集する、例えば濾過部材を備えた回収装置本体１９と、捕集されたフラーレン含有すす状物質を濾過部材から回収して貯留する貯留槽２０を有している。回収装置１４を通過した排ガスは、排ガス処理装置１５に導入されて、例えば一酸化炭素ガス等の有害成分が吸着除去されて大気中に放出される。
【００１２】
図２に示すように、排ガス導出配管１２に取付けられたサンプリング装置１３は、フラーレン含有すす状物質を排ガスと共に吸引して回収する吸引回収機構２０ａを備えた捕集手段２１と、捕集手段２１を排ガス導出配管１２に対して進退する駆動手段２２を有している。吸引回収機構２０ａは、排ガスを取り込む吸込み部２３と、排ガスを吸引する吸引部２４と、吸込み部２３を排ガス導出配管１２内に取付ける取付け部２５を備えている。図３に示すように、吸込み部２３は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱金属を使用して作製することができ、吸込み部本体２６と、吸込み部本体２６の先側に設けられた先部２８を備えている。また、先部２８には排ガスを吸引する吸引口２７が設けられ、内部には吸引したガスが滞留する空間部が形成されている。吸込み部本体２６は、外管２９、中管３０、及び内管３１を備えた３重管の冷却構造３１ａを有しており、基部側は端板３２に固定されて閉じている。吸込み部本体２６の先側において、外管２９の先端に端板３３が固定され、内管３１は端板３３を貫通して先部２８の空間部にその先端側を突出しており、中管３０は外管２９と連通している。更に、吸込み部本体２６の基部側において、外管２９には冷却水導入口３４が、中管３０には冷却水導出口３５が、内管３１には排ガス導出口３６がそれぞれ設けられている。吸引部２４は、排ガス導出口３６に排ガス配管３７を介して接続された排気ポンプ３８と、排気ポンプ３８の入口側に設けられフラーレン含有すす状物質を捕集する捕集部３９を備えている。なお、捕集部３９には、例えば、線径が１〜１０μｍの略線状焼結金属をプレス成形等によって形成したフィルタを使用することができる。
【００１３】
取付け部２５は、吸込み部２３を軸受４０を介して支持する取付け部材の一例である取付け板４１と、吸込み部２３の基部側に接合された固定部材の一例である固定板４２と、両端が取付け板４１及び固定板４２にそれぞれ取付けられた耐熱性のベローズ４３を有している。そして、排ガス導出配管１２に設けたフランジ部４４のフランジ４５で図示しないガスケットを介して取付け板４１を固定している。駆動手段２２は、吸込み部本体２６の端板３２に一端側が固定されたピストン４６と、このピストン４６を進退させる、例えばエアシリンダ４７を有している。
このような構成とすることにより、エアシリンダ４７を駆動させてピストン４６を押し出し、吸込み部２３を排ガス導出配管１２内に挿入することができる。その際、吸込み部本体２６を支持している取付け板４１では、その一方側はガスケットを介してフランジ４５で、他方側は固定板４２とベローズ４３でそれぞれシールされているので、排ガスが洩れたり、空気が排ガス導出配管１２内に流入することを防止できる。また、冷却水導入口３４より冷却水を外管２９の基部側から導入し、先部側で中管３０内に流入させて中管３０の基部側から冷却水導出口３５より排出することができ、吸込み部本体２６を冷却することができる。また、吸込み部本体２６が冷却されるため、熱伝導により吸込み部本体２６の先側に設けられた先部２８の冷却も間接的に行うことができる。更に、排気ポンプ３８を運転することにより、先部２８に形成された吸引口２７から排ガス導出配管１２内の排ガスを吸引して内管３１内を流通させながら冷却し、排ガス導出管口３６より捕集部３９に流入させることができ、捕集部３９に設けられたフィルタにより排ガス中のフラーレン含有すす状物質を捕集することができる。
【００１４】
次に、本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備１０を適用したフラーレンの製造方法について詳細に説明する。
先ず、サンプリング装置１３の吸込み部２３が排ガス導出配管１２内から退避していることを確認し、冷却水導入口３４から冷却水を流入し冷却水導出口３５から排出して吸込み部本体２６を冷却する。
フラーレン製造炉１１のバーナ部１８に炭素含有化合物の一例であるトルエンと、酸素含有ガスの一例である酸素とアルゴンの混合ガスを供給し、燃焼させてフラーレン含有すす状物質を生成させる。生成したフラーレン含有すす状物質は、同時に発生した排ガス（主成分は一酸化炭素ガス、水蒸気）中に浮遊した状態で、炉頂部１７に接続された排ガス導出配管１２を経由して、回収装置１４内に流入する。回収装置１４では、回収装置本体１９で排ガス中からフラーレン含有すす状物質を捕集して貯留槽２０に貯留する。回収装置１４を通過した排ガスを排ガス処理装置１５に流入させ、例えば一酸化炭素ガス等の有害成分を吸着除去して大気中に放散する。
【００１５】
フラーレンの製造が開始されると、予め設定された時間間隔でサンプリング装置１３を稼働させて排ガス中よりフラーレン含有すす状物質の回収を行う。先ず、エアシリンダ４７を駆動して吸込み部２３を排ガス導出配管１２内に挿入する。次いで、排気ポンプ３８を運転して吸引口２７より排ガスを吸引し、吸込み部本体２６の内管３１内を通過させて排ガス導出口３６から捕集部３９に流入させる。捕集部３９では、捕集部３９に設けられたフィルタにより排ガス中のフラーレン含有すす状物質は捕集され、排ガスは透過して排気ポンプ３８の出口から排出する。なお、吸引する排ガス量は、全排ガス量に対して１／５０〜１／１００００であるが、フラーレン製造炉１１内でのより動的状態を把握しフラーレンの製造条件の調整を行う場合は、サンプリング時間を短縮するため、吸引する排ガス量を多くする。また、フラーレン製造炉１１内での平均的な状態を把握してフラーレンの製造条件の調整を行う場合は、サンプリング時間を長くするため、吸引する排ガス量を少なくする。捕集部３９のフィルタに品質測定に十分な量のフラーレン含有すす状物質が回収されると、排気ポンプ３８の運転を停止し、エアシリンダ４７を運転して吸込み部２３を排ガス導出配管１２内から退避する。
【００１６】
捕集部３９のフィルタで捕集されたフラーレン含有すす状物質を、捕集部３９から回収し、フラーレンの品質測定工程に送る。フラーレンの品質測定工程では、例えば、有機溶剤等のフラーレンを溶解する溶媒中にフラーレン含有すす状物質を分散させて、フラーレンのみを抽出し、液体クロマトグラフ等を用いてフラーレンの定量分析を行う。
その結果、例えば、Ｃ６０のフラーレンを製造することが目的の場合、フラーレンの生成量が少ない場合は、製造炉１１へ供給する炭素含有化合物や酸素含有ガスの量を調整し、また該製造炉１１内の圧力や流速を調整する等の対応を行う。以上のように、フラーレンの製造条件を調整することが可能となる。
【００１７】
図４に示すように、本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造設備４８は、フラーレン含有すす状物質を付着させて回収する付着回収機構４９が設けられた捕集手段５０と、捕集手段５０を排ガス導出配管１２に対して出し入れする駆動手段２２を有したサンプリング装置５１が排ガス導出配管１２に取付けられていることが特徴である。なお、第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備１０と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
捕集手段５０に設けられた付着回収機構４９には、フラーレン含有すす状物質を付着させる付着部５２と、付着したフラーレン含有すす状物質を掻き取って回収するガスシール性を備えた回収部５３を有している。付着部５２は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱金属を使用して作製され、内部を冷却することにより外表面側の温度を低く（例えば、２００〜６００℃）保つことにより、排ガス中のフラーレン含有すす状物質を付着させる。回収部５３は、付着部５２の周囲に付着したフラーレン含有すす状物質を掻き落とす掻き取り部材の一例である掻き取り刃５４と、掻き取り刃５４を支持して掻き落としたフラーレン含有すす状物質を収納する回収ボックス５５を下側に有している。回収部５３の一端側にある分岐管５６は、排ガス導出配管１２に取付けられている。また、分岐管５６の内側には、付着部５２を挿通させ排ガス導出配管１２側が拡径したテーパー孔５８が形成された分離壁５９が設けられている。付着部５２は、外管２９と、図示しない中管からなる２重管の冷却構造５９ａを有しており、基部側は端板３２に固定されて閉じており、付着部５２の先側で中管は外管２９と連通している。更に、付着部５２の基部側において、外管２９には冷却水導入口３４が、中管には冷却水導出口３５がそれぞれ設けられている。
【００１８】
回収部５３の他端側には、付着部５２を軸受４０を介して支持する支持部５７が設けられている。また、付着部５２の基部側には固定板４２が接続されており、支持部５７及び固定板４２には耐熱性のベローズ４３が取付けられている。付着部５２の先側には、分離壁５９に形成されたテーパー孔５８を閉じる蓋６０が設けられ、更にその先側には分岐管５６の接続口６１を閉じる蓋６２が設けられている。なお、蓋６０、６２は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱金属を使用して作製することができる。駆動手段２２は、付着部５２の端板３２に一端側が固定されたピストン４６と、このピストン４６を進退させる、例えばエアシリンダ４７を有している。
回収ボックス５５には、回収したフラーレン含有すす状物質を取り出すための取り出し手段５５ａが接続されている。取り出し手段５５ａには、排出バルブ６３を介して回収ボックス５５と接続している保留槽６４と、開閉バルブ６５を介して保留槽６４に接続している貯留ボックス６６と、保留槽６４及び貯留ボックス６６内を排気する排気ポンプ３８が設けられている。
【００１９】
このような構成とすることにより、エアシリンダ４７を駆動させてピストン４６を押し出し、付着部５２を排ガス導出配管１２内に挿入することができる。その際、付着部５２を支持している軸受４０は、一方側は支持部５７で、他方側は固定板４２とベローズ４３でそれぞれシールされているので、排ガスが洩れたり、空気が排ガス導出配管１２内に流入することを防止できる。また、冷却水導入口３４より冷却水を外管２９の基部側から導入し、先部側で中管内に流入させて中管の基部側から冷却水導出口３５より排出することができ、付着部５２を冷却することができる。また、付着部５２が冷却されるため、熱伝導により付着部５２の先側に設けられた蓋６０、６２の冷却も間接的に行うことができる。
図５に示すように、エアシリンダ４７を駆動させてピストンを後退させて付着部５２を排ガス導出配管１２内から後退させると、付着部５２の外表面は掻き取り刃５４内を摺動しながら後退するので、外表面に付着したフラーレン含有すす状物質を回収ボックス５５内に掻き落とすことができる。付着部５２の後退が完了すると、排ガス導出配管１２の接続口６１は蓋６２で、またテーパー孔５８は蓋６０でそれぞれ閉じられるので、回収ボックス５５を排ガス導出配管１２に対して密封することができる。そのため、排出バルブ６３を開けて、回収ボックスの上側に設けられたガス流入口６７から、例えば窒素ガスを流入させながら排気ポンプ３８で保留槽６４内を排気すると、回収したフラーレン含有すす状物質を保留槽６４内に移動させることができる。更に排出バルブ６３を閉じて、排気ポンプ３８で貯留ボックス６６内を真空状態としてから開閉バルブ６５を開けると、圧力差を利用して保留槽６４内のフラーレン含有すす状物質を貯留ボックス６６内に移すことができる。
【００２０】
本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造設備４８を適用したフラーレンの製造方法は、排ガス中よりフラーレン含有すす状物質の採取をサンプリング装置５１を用いて行うこと以外は第１の実施の形態に係るフラーレンの製造装置１０を使用したフラーレンの製造方法と実質的に同じであるので、サンプリング装置５１の使用方法についてのみ説明し、その他のフラーレンの製造方法についての詳細な説明は省略する。
先ず、サンプリング装置５１の付着部５２が排ガス導出配管１２内から退避していることを確認し、冷却水導入口３４から冷却水を流入し冷却水導出口３５から排出させて付着部５２を冷却する。フラーレンの製造が開始されると、予め設定された時間間隔でサンプリング装置５１を稼働させて排ガス中よりフラーレン含有すす状物質の回収を行う。先ず、エアシリンダ４７を駆動して付着部５２を排ガス導出配管１２内に挿入する。付着部５２の表面温度は２００〜６００℃と排ガス温度に比べて低いので、排ガス中のフラーレン含有すす状物質は付着部５２の表面に接触すると急激に温度が低下してその表面に付着する。特に、フラーレンは高温の排ガス中では気相状態であるが、付着部５２に接触して温度が低下すると凝縮する。このため、排ガス中より特にフラーレンを効率的に付着させることができる。
【００２１】
付着部５２に品質測定に十分な量のフラーレン含有すす状物質が付着すると、エアシリンダ４７を駆動して付着部５２を排ガス導出配管１２内から後退する。その際、付着部５２は、掻き取り刃５４内を摺動しながら後退するので、表面に付着したフラーレン含有すす状物質は掻き落とされて回収ボックス５５内に落下する。付着部５２の後退が完了すると、接続口６１及びテーパー孔５８はそれぞれ蓋６２、６０で閉じられ、回収ボックス５５は排ガス導出配管１２に対して気密状態となる。そこで、ガス流入口６７から窒素ガスを流入させながら保留槽６４内を排気ポンプ３８で排気すると、窒素ガスの流れに乗って、回収ボックス５５内に堆積しているフラーレン含有すす状物質は保留槽６４内に移動する。次いで、排出バルブ６３を閉じて、排気ポンプ３８で貯留ボックス６６内を真空状態にして開閉バルブ６５を開け、保留槽６４内のフラーレン含有すす状物質を貯留ボックス６６内に移す。開閉バルブ６５を閉じて貯留ボックス６６を保留槽６４から切り離してフラーレン含有すす状物質を取り出し、フラーレンの品質測定工程に送って、フラーレンの定量分析を行う。
【００２２】
図６〜図８に示すように、本発明の第３の実施の形態に係るフラーレンの製造設備６８は、フラーレン含有すす状物質を捕捉し排ガスを透過させる濾過回収機構６９が設けられた捕集手段７０と、捕集手段７０を排ガス導出配管１２に対して出し入れする駆動手段２２を有したサンプリング装置７１が排ガス導出配管１２に取付けられていることが特徴である。なお、第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備１０と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
捕集手段７０は、排ガス導出配管１２設けた取付け部７０ａを介して排ガス導出配管１２に取付けられている。捕集手段７０の濾過回収機構６９には、濾過部７２と、濾過部７２を取り出す気密性の回収部７３が設けられている。濾過部７２は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱金属を使用して作製され内部が水冷された濾過部支持体７３ａと、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱金属を使用して作製された濾過部本体７４を有している。濾過部支持体７３ａは、外管２９と、中管３０を備えた２重管の冷却構造７３ｂを有しており、基部側は端板３２に固定されて閉じており、濾過部支持体７３ａの先部側で外管２９の先端側には端板３３が接合されて中管３０は外管２９と連通状態となっている。更に、濾過部支持体７３ａの基部側において、外管２９には冷却水導入口３４が、中管３０には冷却水導出口３５がそれぞれ設けられている。濾過部本体７４は、排ガスの流れ方向に対向して排ガスの流入口７５が設けられた円筒形の濾材７６と、濾材７６を端板３３に固定する固定部材７７を有している。固定部材７７は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱金属を使用して作製することができ、押え板７８と一端側が押え板７８に接続され他端側が端板３３にねじ止めされる支持棒７９を備えている。このような構成とすることにより、支持棒７９を端板３３にねじ込んで押え板７８で濾材７６を端板３３に押しつけることができ、濾材７６を端板３３の先端に固定することができる。
【００２３】
取付け部７０ａは、排ガス導出配管１２に接続した分岐配管８０と、分岐配管８０に取付けられたボールバルブ８１を有している。回収部７３は、ボールバルブ８１に一端側が接続され他端側にフランジ８２を備えた支持管８３と、濾過部支持体７３ａを支持する支持部材８４を有している。
支持部材８４は、濾過部支持体７３ａにガスケット８５とガスケット押え８６により固定された支持板８７と、支持板８７を支持管８３に接続する接続管８８を有している。なお、支持板８７と接続管８８とは、支持板８７に設けられたフランジ８９と接続管８８に設けられたフランジ９０の間にガスケット９０ａを介して固定している。また、接続管８８と支持管８３は、接続管８８に設けられたフランジ９１と支持管８３のフランジ８２との間にガスケット９２を介しクランプ９３で締めつけることにより接続している。
【００２４】
このような構成とすることにより、ボールバルブ８１を開けてエアシリンダ４７を駆動させ、ピストン４６を押し出して濾過部支持体７３ａを前進させ濾過部本体７４を排ガス導出配管１２内に挿入することができる。その際、濾過部支持体７３ａを支持している支持部材８４の支持板８７はガスケット８５、９０ａで、接続管はガスケット９２でそれぞれシールされているので、排ガスが洩れたり、空気が排ガス導出配管１２内に流入することを防止できる。また、冷却水導入口３４より冷却水を外管２９の基部側から導入し、先部側で中管３０内に流入させて中管３０の基部側から冷却水導出口３５より排出することができ、濾過部支持体７３ａを冷却することができる。また、濾過部支持体７３ａが冷却されるため、熱伝導により濾過部支持体７３ａの先側に設けられた濾過部本体７４の冷却も間接的に行うことができる。
図７に示すように、エアシリンダ４７を駆動させてピストン４６を後退させて濾過部支持体７３ａを後退させて濾過部本体７４を排ガス導出配管１２内から退避させてボールバルブ８１を閉じると、排ガス導出配管１２と回収部７３を分離することができる。そして、例えば、支持管８３の上側に設けられたガス流入口９４から窒素ガスを回収部７３内に流入させて、支持管８３の下側に設けられたガス流出口９５から排出することにより、濾過部本体７４を急速に冷却することができ、クランプ９３を外して、濾過部７２を取り出すことができる。
【００２５】
本発明の第３の実施の形態に係るフラーレンの製造設備６８を適用したフラーレンの製造方法は、排ガス中よりフラーレン含有すす状物質の捕集をサンプリング装置７１を用いて行うこと以外は第１の実施の形態に係るフラーレンの製造装置１０を使用したフラーレンの製造方法と実質的に同じであるので、サンプリング装置７１の使用方法についてのみ説明し、その他のフラーレンの製造方法についての詳細な説明は省略する。
先ず、サンプリング装置７１の濾過部本体７４が回収部７３内に収納され、ボールバルブ８１が閉じていることを確認し、冷却水導入口３４から冷却水を流入し冷却水導出口３５から排出させて濾過部支持体７３ａを冷却する。フラーレンの製造が開始されると、予め設定された時間間隔でサンプリング装置７１を稼働させて排ガス中よりフラーレン含有すす状物質の回収を行う。先ず、ボールバルブ８１を開けてエアシリンダ４７を駆動して濾過部本体７４を排ガス導出配管１２内に挿入する。濾過部本体７４には、流入口７５が排ガスの流れに対向して設けられているので、排ガスは流入口７５から濾過部本体７４内に流入する。濾過部本体７４の側壁部分は濾材７６で構成されているので、排ガスはこの濾材７６を透過して濾過部本体７４の外部に流出できるが、排ガス中に浮遊しているフラーレン含有すす状物質は濾材７６に捕捉される。従って、濾過部本体７４の内部には、徐々にフラーレン含有すす状物質が堆積していく。
【００２６】
濾過部本体７４の内部に品質測定に十分な量のフラーレン含有すす状物質が堆積すると、エアシリンダ４７を駆動して濾過部本体７４を排ガス導出配管１２内から後退させ、回収部７３内に収納して、ボールバルブ８１を閉じる。次いで、ガス流入口９４から窒素ガスを回収部７３内に流入させガス流出口９５から排出させることにより窒素ガス流を形成し、濾過部本体７４を冷却する。濾過部本体７４が冷却されたのを確認して、クランプ９３を取り外して濾過部７２を回収部７３から取り出す。取り出された濾過部７２から、濾過部本体７４の先端側に設けられている固定部材７７を取り外し濾材７６を回収し、フラーレンの品質測定工程に送って、フラーレンの定量分析を行う。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、例えば、第１及び第２の実施の形態では軸受のガスシールをベローズを使用して行ったが、ガスシール性を備えた軸受を使用することもできる。ガスシール性を有する軸受を使用することによりサンプリング装置の構造を簡単にすることができる。第２の実施の形態で付着部の先端に耐熱金属製の蓋を設けたが、排ガス導出配管の接続口を閉じる蓋部分まで冷却可能な構造とすれば、蓋を耐熱金属の代りに銅を用いて作製することができる。第３の実施の形態では、フラーレン含有すす状物資の捕捉に濾材を使用したが、側面に多数の孔が形成された耐熱金属性の管を使用することもできる。また、本実施の形態では、サンプリング装置を排ガス導出配管に取付けたが、製造炉本体、あるいは炉頂部に取付けてもよい。更に、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明のフラーレンの製造設備及びフラーレンの製造方法を構成する場合にも本発明は適用される。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１〜４記載のフラーレンの製造設備においては、サンプリング装置は冷却構造を備えフラーレン含有すす状物質を捕集する捕集手段と、捕集手段を排ガスの流路に対して進退させる駆動手段を備えているので、フラーレンの製造条件の変動を防止して高温の排ガス中からフラーレン含有すす状物質を回収することが可能となる。
【００２９】
特に、請求項２記載のフラーレンの製造設備においては、捕集手段にはフラーレン含有すす状物質を排ガスと共に吸引して回収する吸引回収機構が設けられているので、最も簡便にフラーレン製造設備内の高温の排ガス中からフラーレン含有すす状物質を回収することが可能となる。
【００３０】
請求項３記載のフラーレンの製造設備においては、捕集手段にはフラーレン含有すす状物質を付着させて回収する付着回収機構が設けられているので、フラーレン製造設備内の高温の排ガス中からフラーレン含有率の高いフラーレン含有すす状物質を回収することが可能となる。
【００３１】
請求項４記載のフラーレンの製造設備においては、捕集手段には排ガス中からフラーレン含有すす状物質を捕捉し排ガスを透過させる濾過回収機構が設けられているので、フラーレンの製造条件の変動を防止して、フラーレン製造設備内の高温排ガス中からフラーレン含有すす状物質を多量に回収することが可能となる。
【００３２】
請求項５記載のフラーレンの製造方法においては、請求項１〜４のいずれか１項に記載のフラーレンの製造設備を用い、サンプリング装置でフラーレン含有すす状物質を採取し、フラーレン含有すす状物質からフラーレンを抽出しその品質を測定して、フラーレンの製造条件を調整するので、フラーレンの製造条件の調整を的確に行うことができ、フラーレンの品質を安定させると共に、歩留りを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の説明図である。
【図３】同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の吸込み部の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の説明図である。
【図５】同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置からのフラーレン含有すす状物質の回収方法を示す説明図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るフラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の説明図である。
【図７】同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置からのフラーレン含有すす状物質の回収方法を示す説明図である。
【図８】同フラーレンの製造設備に備えられたサンプリング装置の濾過部本体の説明図である。
【符号の説明】
１０：フラーレンの製造設備、１１：フラーレン製造炉、１２：排ガス導出配管、１３：サンプリング装置、１４：回収装置、１５：排ガス処理装置、１６：製造炉本体、１７：炉頂部、１８：バーナ部、１９：回収装置本体、２０：貯留槽、２０ａ：吸引回収機構、２１：捕集手段、２２：駆動手段、２３：吸込み部、２４：吸引部、２５：取付け部、２６：吸込み部本体、２７：吸引口、２８：先部、２９：外管、３０：中管、３１：内管、３１ａ：冷却構造、３２、３３：端板、３４：冷却水導入口、３５：冷却水導出口、３６：排ガス導出口、３７：排ガス配管、３８：排気ポンプ、３９：捕集部、４０：軸受、４１：取付け板、４２：固定板、４３：ベローズ、４４：フランジ部、４５：フランジ、４６：ピストン、４７：エアシリンダ、４８：フラーレンの製造設備、４９：付着回収機構、５０：捕集手段、５１：サンプリング装置、５２：付着部、５３：回収部、５４：掻き取り刃、５５：回収ボックス、５５ａ：取り出し手段、５６：分岐管、５７：支持部、５８：テーパー孔、５９：分離壁、５９ａ：冷却構造、６０：蓋、６１：接続口、６２：蓋、６３：排出バルブ、６４：保留槽、６５：開閉バルブ、６６：貯留ボックス、６７：ガス流入口、６８：フラーレンの製造設備、６９：濾過回収機構、７０：捕集手段、７０ａ：取付け部、７１：サンプリング装置、７２：濾過部、７３：回収部、７３ａ：濾過部支持体、７３ｂ：冷却構造、７４：濾過部本体、７５：流入口、７６：濾材、７７：固定部材、７８：押え板、７９：支持棒、８０：分岐配管、８１：ボールバルブ、８２：フランジ、８３：支持管、８４：支持部材、８５：ガスケット、８６：ガスケット押え、８７：支持板、８８：接続管、８９、９０：フランジ、９０ａ：ガスケット、９１：フランジ、９２：ガスケット、９３：クランプ、９４：ガス流入口、９５：ガス流出口[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fullerene manufacturing facility provided with a sampling device and a fullerene manufacturing method using the same.
[0002]
[Prior art]
Fullerene is a generic term for the third carbon allotrope next to diamond and graphite, 60 , C 70 And the like are closed hollow shell-shaped carbon molecules having a network of five-membered rings and six-membered rings. The existence of fullerene was finally confirmed in the relatively recent 1990, a relatively new carbon material, which was found to exhibit specific physical properties due to its special molecular structure. For example, innovative application development is being rapidly developed over a wide range of fields such as application to superhard materials, application to pharmaceuticals, application to superconducting materials, and application to semiconductor production. In particular, among fullerenes, C 60 , And C 70 Is relatively easy to synthesize, and it is expected that future demand will explode.
As a method for producing fullerene, for example, various methods such as a laser vapor deposition method, a resistance heating method, an arc discharge method, a high-frequency induction heating method, a combustion method, and a naphthalene thermal decomposition method have been proposed. In any of the methods, fullerene is generated by being contained in a soot-like substance (carbon black) formed in an airflow. Further, in order to produce fullerenes having stable quality and characteristics with good yield, it is necessary to measure the quality of the produced fullerenes and to adjust the production conditions of the fullerenes as needed in accordance with the quality characteristics. At this time, it is important that the fullerene to be subjected to the quality measurement is not a fullerene that reflects the average quality of the manufactured fullerene, but a fullerene that reflects the influence of the current manufacturing conditions. . For that purpose, first, it is necessary to appropriately collect the fullerene-containing soot-like substance at a position near the generation region.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, fullerene-containing soot-like substances need to be recovered from a high-temperature air stream under reduced pressure. In particular, in the combustion method considered as one of the cheapest and efficient production methods for producing fullerene, fullerene-containing soot-like substances are discharged from a fullerene production furnace, for example, a high-temperature exhaust gas at 1400 ° C. (Main components are carbon monoxide gas and water vapor). For this reason, it is necessary to collect the fullerene-containing soot-like substance from the high-temperature exhaust gas in the fullerene production facility while preventing fluctuations in fullerene production conditions.
The present invention has been made in view of such circumstances, and a fullerene manufacturing facility including a sampling device capable of preventing fluctuations in fullerene manufacturing conditions and recovering fullerene-containing soot-like substances from high-temperature exhaust gas, and a method for manufacturing the same. It is an object of the present invention to provide a method for producing fullerenes using the same.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The fullerene manufacturing equipment according to the first invention according to the above object is a fullerene manufacturing equipment equipped with a sampling device for sampling the fullerene-containing soot-like substance from exhaust gas in which the fullerene-containing soot-like substance floats. Has a cooling means for collecting the fullerene-containing soot-like substance, and a drive means for moving the collecting means forward and backward with respect to the flow path of the exhaust gas.
The fullerene-containing soot-like substance is suspended in high-temperature (eg, 600 to 1800 ° C.) exhaust gas under reduced pressure. (For example, 1 to 5 minutes). For this reason, by providing a cooling structure in the trapping means, the trapping means can be inserted into high-temperature exhaust gas and used stably for a predetermined time. As a result, the fullerene-containing soot-like substance can be reliably recovered. In addition, the driving means is provided, and the collecting means is inserted into the flow channel only when the fullerene-containing soot-like substance is collected, so that the flow of the exhaust gas is hardly obstructed. Furthermore, a gas sealing mechanism may be provided in the collecting means, and even if the collecting means is taken in and out of the flow path, fluctuation of the atmosphere in the fullerene manufacturing equipment can be prevented. As a result, fluctuations in fullerene production conditions can be prevented, and fullerene-containing soot-like substances can be recovered.
[0005]
In the fullerene manufacturing facility according to the first invention, the collection means may be provided with a suction / recovery mechanism for suctioning and recovering the fullerene-containing soot-like substance together with the exhaust gas.
Here, the suction / recovery mechanism may be configured to include a suction part for exhaust gas and a suction part for sucking exhaust gas. The suction part can be manufactured using a heat-resistant metal such as stainless steel, Hastelloy, and Inconel. In addition, an exhaust pump can be used for the suction part, and a filter (for example, press-molding a substantially linear sintered metal having a wire diameter of 1 to 10 μm) that captures fullerene-containing soot-like material at the inlet side of the exhaust pump. And the like, a fullerene-containing soot-like substance can be collected. The amount of exhaust gas to be sucked is preferably 1/50 to 1 / 10,000 with respect to the total amount of exhaust gas. If the exhaust gas is sucked in more than 1/50 of the total exhaust gas amount, the production yield of fullerene to be recovered as a product is reduced, and the pressure balance in the fullerene production equipment is changed to change the fullerene production conditions. If the total amount of exhaust gas is less than 1 / 10,000, the amount of the fullerene-containing soot-like substance to be recovered is small, and the time to recover the fullerene-containing soot-like substance becomes long.
[0006]
In the fullerene manufacturing facility according to the first invention, the collecting means may be provided with an adhesion and recovery mechanism for adhering and recovering the fullerene-containing soot-like substance. The adhesion recovery mechanism has a configuration provided with a deposition section provided on the front side of the collection means for adhering the fullerene-containing soot-like substance, and a gas-sealing collection section for scraping and collecting the adhered fullerene-containing soot-like substance. can do. Here, the attachment portion is made of, for example, a heat-resistant metal such as stainless steel, Hastelloy, or Inconel, and keeps the temperature on the outer surface side low (for example, at 200 to 600 ° C.) by cooling the inside. Can be. By lowering the temperature on the outer surface side of the attachment portion inserted into the exhaust gas, the fullerene-containing soot-like substance in the exhaust gas can be easily attached. In addition, the collecting section is provided with a scraping member for collecting the fullerene-containing soot-like substance adhered to the adhering section and a collection box for storing the collected fullerene-containing soot-like substance. Can be reliably collected.
[0007]
In the fullerene manufacturing facility according to the first invention, the collection means may include a filtration and recovery mechanism that captures the fullerene-containing soot-like substance from the exhaust gas and transmits the exhaust gas.
Here, the filtration and recovery mechanism may be configured to include a filtration unit provided on the front side of the collection unit and a recovery unit having a gas sealing property for accommodating the filtration unit. By making the filtration part using a mesh formed using a heat-resistant metal such as stainless steel, Hastelloy, Inconel, etc., it is inserted into the exhaust gas to capture only fullerene-containing soot-like substances in the exhaust gas can do. Further, since the recovery unit has a gas sealing property, the filtration unit can be taken out of the fullerene manufacturing facility to the outside without disturbing the atmosphere in the fullerene manufacturing facility.
[0008]
A method for producing fullerene according to a second aspect of the present invention, which meets the above object, comprises using the fullerene production facility of the first aspect, sampling the fullerene-containing soot-like substance with the sampling device, Is extracted and its quality is measured to adjust fullerene production conditions.
The sampling device samples the fullerene-containing soot-like material immediately after it is generated in the fullerene production facility, and measures the quality of the fullerene in the sample.Therefore, the influence of the production conditions on the production of fullerene can be appropriately grasped. The manufacturing conditions can be accurately adjusted.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
Here, FIG. 1 is a block diagram showing an entire configuration of a fullerene manufacturing facility according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of a sampling device provided in the fullerene manufacturing facility, and FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of a suction unit of a sampling device provided in the fullerene manufacturing facility, FIG. 4 is an explanatory diagram of a sampling device provided in a fullerene manufacturing device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating a method of recovering soot-like substances containing fullerene from a sampling device provided in a fullerene manufacturing facility. FIG. 6 is a diagram illustrating a sampling device provided in a fullerene manufacturing facility according to a third embodiment of the present invention. FIG. 7 is an explanatory view of a method of recovering fullerene-containing soot-like substances from a sampling device provided in the fullerene manufacturing facility, and FIG. 8 is provided in the fullerene manufacturing facility. It was an illustration of the filtration body of the sampling device.
[0010]
As shown in FIG. 1, a fullerene production facility 10 according to a first embodiment of the present invention is a fullerene production furnace for producing fullerene by burning a carbon-containing compound as a raw material of fullerene under an oxygen-containing gas. 11, an exhaust gas outlet pipe 12 for discharging exhaust gas generated in the fullerene production furnace 11 (an example of a flow path of exhaust gas), and a sampling device 13 attached to the exhaust gas outlet pipe 12 for sampling fullerene-containing soot-like substances from exhaust gas A collection device 14 for collecting fullerene-containing soot-like substances from the exhaust gas sent through the exhaust gas discharge pipe 12, an exhaust gas treatment device 15 for processing the exhaust gas discharged from the collection device 14 and dispersing it into the atmosphere. have. Hereinafter, these will be described in detail.
[0011]
The fullerene production furnace 11 includes, for example, a production furnace main body 16 and a furnace top 17 provided on an upper side of the production furnace main body 16. The production furnace main body 16 and the furnace top 17 are made of heat-resistant steel such as stainless steel, and the inner peripheral surface side is lined with a refractory such as alumina-based refractory brick or alumina-based irregular-shaped refractory material. Have been. Further, on the lower side of the manufacturing furnace main body 16, for example, a burner section 18 formed of heat-resistant steel such as stainless steel is provided. The burner section 18 has a plurality of supply ports for discharging a carbon-containing compound, A plurality of supply ports for discharging gas are provided. The exhaust gas outlet pipe 12 is connected to the furnace top 17. The recovery device 14 connected to the exhaust gas outlet pipe 12 collects the fullerene-containing soot-like material from the exhaust gas. For example, the recovery device main body 19 provided with a filtering member, and the collected fullerene-containing soot-like material is filtered. And has a storage tank 20 for collecting and storing the same. The exhaust gas that has passed through the recovery device 14 is introduced into an exhaust gas treatment device 15, where harmful components such as carbon monoxide gas are adsorbed and removed, and released into the atmosphere.
[0012]
As shown in FIG. 2, the sampling device 13 attached to the exhaust gas outlet pipe 12 includes a collection unit 21 having a suction and recovery mechanism 20a for suctioning and recovering the fullerene-containing soot-like material together with the exhaust gas, and a collection unit 21. And a driving means 22 for moving back and forth with respect to the exhaust gas outlet pipe 12. The suction / recovery mechanism 20a includes a suction part 23 for taking in exhaust gas, a suction part 24 for sucking exhaust gas, and a mounting part 25 for mounting the suction part 23 in the exhaust gas outlet pipe 12. As shown in FIG. 3, the suction portion 23 can be made using, for example, a heat-resistant metal such as stainless steel, Hastelloy, or Inconel, and is provided on the suction portion main body 26 and the front side of the suction portion main body 26. A tip 28 is provided. In addition, a suction port 27 for sucking exhaust gas is provided in the tip portion 28, and a space in which the sucked gas stays is formed inside. The suction portion main body 26 has a triple-tube cooling structure 31a including an outer tube 29, a middle tube 30, and an inner tube 31, and the base side is fixed to an end plate 32 and closed. An end plate 33 is fixed to the distal end of the outer tube 29 on the front side of the suction portion main body 26, and the inner tube 31 penetrates the end plate 33 and protrudes from the distal end into the space of the front portion 28. 30 communicates with the outer tube 29. Further, on the base side of the suction portion main body 26, a cooling water inlet 34 is provided in the outer tube 29, a cooling water outlet 35 is provided in the middle tube 30, and an exhaust gas outlet 36 is provided in the inner tube 31. . The suction unit 24 includes an exhaust pump 38 connected to the exhaust gas outlet 36 via an exhaust gas pipe 37, and a collection unit 39 provided on the inlet side of the exhaust pump 38 for collecting fullerene-containing soot-like substances. . In addition, as the collection part 39, for example, a filter in which a substantially linear sintered metal having a wire diameter of 1 to 10 μm is formed by press molding or the like can be used.
[0013]
The mounting portion 25 includes a mounting plate 41 that is an example of a mounting member that supports the suction portion 23 via a bearing 40, a fixing plate 42 that is an example of a fixing member joined to the base side of the suction portion 23, and both ends. It has a heat-resistant bellows 43 attached to the mounting plate 41 and the fixing plate 42, respectively. The mounting plate 41 is fixed by a flange 45 of a flange portion 44 provided on the exhaust gas outlet pipe 12 via a gasket (not shown). The driving means 22 has a piston 46 whose one end is fixed to the end plate 32 of the suction portion main body 26, and an air cylinder 47 for moving the piston 46 forward and backward, for example.
With such a configuration, the air cylinder 47 can be driven to push out the piston 46, and the suction part 23 can be inserted into the exhaust gas outlet pipe 12. At this time, the mounting plate 41 supporting the suction portion main body 26 is sealed on one side by a flange 45 via a gasket, and on the other side by a fixing plate 42 and a bellows 43. In addition, it is possible to prevent air from flowing into the exhaust gas outlet pipe 12. Further, cooling water may be introduced from the base side of the outer pipe 29 through the cooling water inlet 34, flow into the middle pipe 30 at the front side, and discharged from the cooling water outlet 35 from the base side of the middle pipe 30. Thus, the suction unit main body 26 can be cooled. In addition, since the suction portion main body 26 is cooled, the front portion 28 provided on the front side of the suction portion main body 26 can be indirectly cooled by heat conduction. Further, by operating the exhaust pump 38, the exhaust gas in the exhaust gas outlet pipe 12 is sucked from the suction port 27 formed in the tip portion 28 and cooled while flowing through the inner pipe 31. The fullerene-containing soot-like substance in the exhaust gas can be collected by the filter provided in the collection unit 39 and the filter provided in the collection unit 39.
[0014]
Next, a fullerene manufacturing method using the fullerene manufacturing equipment 10 according to the first embodiment of the present invention will be described in detail.
First, it is confirmed that the suction part 23 of the sampling device 13 is retracted from the exhaust gas outlet pipe 12, and the cooling water flows in from the cooling water inlet 34 and is discharged from the cooling water outlet 35 to remove the suction part main body 26. Cooling.
Toluene, which is an example of a carbon-containing compound, and a mixed gas of oxygen and argon, which is an example of an oxygen-containing gas, are supplied to the burner section 18 of the fullerene production furnace 11 and burned to generate a fullerene-containing soot-like substance. The generated fullerene-containing soot-like substance is suspended in the simultaneously generated exhaust gas (main component is carbon monoxide gas and water vapor), and is passed through the exhaust gas outlet pipe 12 connected to the furnace top 17 through the recovery device 14. Flows into. In the recovery device 14, the fullerene-containing soot-like substance is collected from the exhaust gas by the recovery device main body 19 and stored in the storage tank 20. Exhaust gas that has passed through the recovery device 14 flows into an exhaust gas treatment device 15 where, for example, harmful components such as carbon monoxide gas are adsorbed and removed and released into the atmosphere.
[0015]
When the production of fullerene is started, the sampling device 13 is operated at a preset time interval to collect the fullerene-containing soot-like substance from the exhaust gas. First, the air cylinder 47 is driven to insert the suction part 23 into the exhaust gas outlet pipe 12. Next, the exhaust pump 38 is operated to suck the exhaust gas from the suction port 27, passes through the inner pipe 31 of the suction unit main body 26, and flows into the collection unit 39 from the exhaust gas outlet 36. In the collection unit 39, the fullerene-containing soot-like substance in the exhaust gas is collected by a filter provided in the collection unit 39, and the exhaust gas is transmitted and discharged from the outlet of the exhaust pump 38. The amount of exhaust gas to be sucked is 1/50 to 1 / 10,000 of the total amount of exhaust gas. However, when a more dynamic state in the fullerene production furnace 11 is grasped and fullerene production conditions are adjusted, In order to shorten the sampling time, the amount of exhaust gas to be sucked is increased. Further, when the average condition in the fullerene manufacturing furnace 11 is grasped to adjust the fullerene manufacturing conditions, the amount of exhaust gas to be sucked is reduced in order to increase the sampling time. When a fullerene-containing soot-like substance is collected in the filter of the collection unit 39 in an amount sufficient for quality measurement, the operation of the exhaust pump 38 is stopped, and the air cylinder 47 is operated to move the suction unit 23 into the exhaust gas outlet pipe 12. Evacuate from
[0016]
The fullerene-containing soot-like substance collected by the filter of the collection unit 39 is collected from the collection unit 39 and sent to a fullerene quality measurement step. In the fullerene quality measuring step, for example, fullerene-containing soot-like substances are dispersed in a solvent that dissolves fullerene such as an organic solvent, and only fullerene is extracted, and quantitative analysis of fullerene is performed using a liquid chromatograph or the like.
As a result, for example, C 60 For the purpose of producing fullerenes, when the amount of fullerenes produced is small, the amounts of the carbon-containing compound and oxygen-containing gas supplied to the production furnace 11 are adjusted, and the pressure and flow rate in the production furnace 11 are reduced. Make adjustments and take other actions. As described above, it becomes possible to adjust the production conditions of the fullerene.
[0017]
As shown in FIG. 4, the fullerene manufacturing equipment 48 according to the second embodiment of the present invention includes a collection unit 50 provided with an adhesion recovery mechanism 49 for adhering and recovering a fullerene-containing soot-like substance; It is characterized in that a sampling device 51 having a driving means 22 for moving the trapping means 50 into and out of the exhaust gas outlet pipe 12 is attached to the exhaust gas outlet pipe 12. Note that the same components as those of the fullerene manufacturing equipment 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
The adhering and collecting mechanism 49 provided in the collecting means 50 includes an adhering section 52 for adhering the fullerene-containing soot-like substance and a collecting section 53 having a gas sealing property for scraping and collecting the adhering fullerene-containing soot-like substance. have. The attachment portion 52 is made of, for example, a heat-resistant metal such as stainless steel, Hastelloy, or Inconel, and keeps the temperature of the outer surface side low by cooling the inside (for example, 200 to 600 ° C.), thereby reducing the exhaust gas. A fullerene-containing soot-like substance therein is attached. The recovery unit 53 includes a scraping blade 54 that is an example of a scraping member that scrapes off the fullerene-containing soot-like material attached to the periphery of the attachment unit 52, and a fullerene-containing soot-like material that is supported by the scraping blade 54 and scraped off. Is provided on the lower side. A branch pipe 56 on one end side of the recovery unit 53 is attached to the exhaust gas outlet pipe 12. Further, inside the branch pipe 56, a separation wall 59 is provided in which a tapered hole 58 is formed in which the attachment portion 52 is inserted and the exhaust gas outlet pipe 12 side is enlarged in diameter. The attachment part 52 has an outer tube 29 and a double-tube cooling structure 59a composed of a middle tube (not shown). The base part is fixed to the end plate 32 and closed. The middle tube communicates with the outer tube 29. Further, on the base side of the attachment portion 52, a cooling water inlet 34 is provided in the outer tube 29, and a cooling water outlet 35 is provided in the middle tube.
[0018]
On the other end side of the collecting section 53, a supporting section 57 for supporting the attaching section 52 via the bearing 40 is provided. A fixed plate 42 is connected to the base side of the attachment portion 52, and a heat-resistant bellows 43 is attached to the support portion 57 and the fixed plate 42. A lid 60 for closing the tapered hole 58 formed in the separation wall 59 is provided on the tip side of the attachment portion 52, and a lid 62 for closing the connection port 61 of the branch pipe 56 is provided on the tip side. The lids 60 and 62 can be manufactured using a heat-resistant metal such as stainless steel, Hastelloy, or Inconel. The driving means 22 includes a piston 46 having one end fixed to the end plate 32 of the attachment portion 52, and an air cylinder 47 for moving the piston 46 forward and backward, for example.
The collection box 55 is connected to a take-out means 55a for taking out the collected fullerene-containing soot-like substance. The take-out means 55a includes a holding tank 64 connected to the collection box 55 via the discharge valve 63, a storage box 66 connected to the holding tank 64 via the opening / closing valve 65, and the holding tank 64 and the storage box. An exhaust pump 38 for exhausting the inside 66 is provided.
[0019]
With such a configuration, the air cylinder 47 can be driven to push out the piston 46, and the attachment portion 52 can be inserted into the exhaust gas outlet pipe 12. At this time, the bearing 40 supporting the attachment portion 52 is sealed on one side by the support portion 57 and on the other side by the fixed plate 42 and the bellows 43, so that exhaust gas leaks or air is exhausted. 12 can be prevented from flowing. In addition, cooling water can be introduced from the base side of the outer pipe 29 through the cooling water inlet 34, flow into the middle pipe at the front end side, and can be discharged from the cooling water outlet 35 from the base side of the middle pipe. The part 52 can be cooled. Further, since the attachment portion 52 is cooled, the lids 60 and 62 provided on the front side of the attachment portion 52 can be indirectly cooled by heat conduction.
As shown in FIG. 5, when the air cylinder 47 is driven to retract the piston to retreat the adhering portion 52 from within the exhaust gas outlet pipe 12, the outer surface of the adhering portion 52 slides inside the scraping blade 54. Since it retreats, the fullerene-containing soot-like substance attached to the outer surface can be scraped into the collection box 55. When the retreat of the attachment portion 52 is completed, the connection port 61 of the exhaust gas outlet pipe 12 is closed by the lid 62 and the tapered hole 58 is closed by the lid 60, so that the collection box 55 can be sealed with respect to the exhaust gas outlet pipe 12. it can. Therefore, by opening the discharge valve 63 and exhausting the holding tank 64 with the exhaust pump 38 while flowing, for example, nitrogen gas from the gas inlet 67 provided on the upper side of the collection box, the collected fullerene-containing soot-like substance is removed. It can be moved into the holding tank 64. Further, when the discharge valve 63 is closed and the inside of the storage box 66 is evacuated by the exhaust pump 38 and then the opening / closing valve 65 is opened, the fullerene-containing soot-like substance in the storage tank 64 is put into the storage box 66 by utilizing the pressure difference. Can be transferred.
[0020]
The method for producing fullerene using the fullerene production equipment 48 according to the second embodiment of the present invention is the first embodiment except that the sampling of fullerene-containing soot-like substances from exhaust gas is performed using a sampling device 51. The method is substantially the same as the method for producing fullerenes using the apparatus 10 for producing fullerenes according to the embodiment. Therefore, only the method of using the sampling device 51 will be described, and the detailed description of other methods for producing fullerenes will be omitted. .
First, it is confirmed that the attachment portion 52 of the sampling device 51 is retracted from the exhaust gas outlet pipe 12, and cooling water flows in from the cooling water inlet 34 and is discharged from the cooling water outlet 35 to cool the attachment portion 52. I do. When the production of fullerene is started, the sampling device 51 is operated at preset time intervals to collect the fullerene-containing soot-like substance from the exhaust gas. First, the air cylinder 47 is driven to insert the adhering portion 52 into the exhaust gas outlet pipe 12. Since the surface temperature of the attaching portion 52 is 200 to 600 ° C. lower than the exhaust gas temperature, when the fullerene-containing soot-like substance in the exhaust gas comes into contact with the surface of the attaching portion 52, the temperature is rapidly lowered and adheres to the surface. In particular, fullerene is in a gaseous state in a high-temperature exhaust gas, but condenses when it comes into contact with the attachment portion 52 and its temperature decreases. For this reason, fullerene can be more efficiently adhered than in the exhaust gas.
[0021]
When a fullerene-containing soot-like substance having a sufficient amount for quality measurement adheres to the attachment portion 52, the air cylinder 47 is driven to retract the attachment portion 52 from the exhaust gas outlet pipe 12. At that time, the attachment portion 52 retreats while sliding inside the scraping blade 54, so that the fullerene-containing soot-like material attached to the surface is scraped off and falls into the collection box 55. When the retraction of the attachment portion 52 is completed, the connection port 61 and the tapered hole 58 are closed by the lids 62 and 60, respectively, and the collection box 55 becomes airtight with respect to the exhaust gas outlet pipe 12. Therefore, when the inside of the holding tank 64 is evacuated by the exhaust pump 38 while flowing the nitrogen gas from the gas inlet 67, the fullerene-containing soot-like substance deposited in the collection box 55 rides on the flow of the nitrogen gas. Move into 64. Next, the discharge valve 63 is closed, the inside of the storage box 66 is evacuated by the exhaust pump 38, the opening and closing valve 65 is opened, and the fullerene-containing soot-like substance in the storage tank 64 is transferred into the storage box 66. The opening / closing valve 65 is closed, the storage box 66 is separated from the holding tank 64, and the fullerene-containing soot-like substance is taken out and sent to a fullerene quality measuring step to perform a fullerene quantitative analysis.
[0022]
As shown in FIGS. 6 to 8, a fullerene production facility 68 according to the third embodiment of the present invention is provided with a collection and filtration mechanism 69 that captures fullerene-containing soot-like substances and transmits exhaust gas. It is characterized in that a sampling device 71 having a means 70 and a driving means 22 for putting the collecting means 70 into and out of the exhaust gas outlet pipe 12 is attached to the exhaust gas outlet pipe 12. Note that the same components as those of the fullerene manufacturing equipment 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
The collecting means 70 is attached to the exhaust gas outlet pipe 12 via an attachment portion 70 a provided on the exhaust gas outlet pipe 12. The filtering and collecting mechanism 69 of the collecting means 70 is provided with a filtering section 72 and an airtight collecting section 73 for taking out the filtering section 72. The filtration unit 72 is manufactured using, for example, a heat-resistant metal such as stainless steel, Hastelloy, and Inconel, and is formed using a filtration unit support 73a whose inside is water-cooled and a heat-resistant metal such as stainless steel, Hastelloy, and Inconel. And a filtered main body 74. The filtration unit support 73a has an outer tube 29 and a double-tube cooling structure 73b including the middle tube 30. The base side is fixed to the end plate 32 and closed, and the filtration unit support 73a is closed. An end plate 33 is joined to the distal end of the outer tube 29 at the front end of the outer tube 29, and the middle tube 30 is in communication with the outer tube 29. Further, a cooling water inlet 34 is provided in the outer tube 29 and a cooling water outlet 35 is provided in the middle tube 30 on the base side of the filtration portion support 73a. The filtration unit main body 74 includes a cylindrical filter medium 76 provided with an exhaust gas inlet 75 facing the flow direction of the exhaust gas, and a fixing member 77 for fixing the filter medium 76 to the end plate 33. The fixing member 77 can be made using, for example, a heat-resistant metal such as stainless steel, Hastelloy, or Inconel. The holding plate 78 and one end are connected to the holding plate 78, and the other end is screwed to the end plate 33. A support bar 79 is provided. With such a configuration, the support rod 79 can be screwed into the end plate 33, and the filter medium 76 can be pressed against the end plate 33 by the holding plate 78, and the filter medium 76 can be fixed to the end of the end plate 33.
[0023]
The mounting portion 70a has a branch pipe 80 connected to the exhaust gas outlet pipe 12, and a ball valve 81 mounted on the branch pipe 80. The collection unit 73 includes a support tube 83 having one end connected to the ball valve 81 and a flange 82 at the other end, and a support member 84 that supports the filtration unit support 73a.
The support member 84 includes a support plate 87 fixed to the filtration unit support 73 a by a gasket 85 and a gasket retainer 86, and a connection pipe 88 connecting the support plate 87 to the support pipe 83. The support plate 87 and the connection pipe 88 are fixed via a gasket 90a between a flange 89 provided on the support plate 87 and a flange 90 provided on the connection pipe 88. The connection pipe 88 and the support pipe 83 are connected between a flange 91 provided on the connection pipe 88 and a flange 82 of the support pipe 83 by tightening with a clamp 93 via a gasket 92.
[0024]
With such a configuration, it is possible to open the ball valve 81, drive the air cylinder 47, push out the piston 46, advance the filtration unit support 73a, and insert the filtration unit main body 74 into the exhaust gas outlet pipe 12. it can. At this time, the support plate 87 of the support member 84 supporting the filtration portion support 73a is sealed by gaskets 85 and 90a, and the connection pipe is sealed by the gasket 92, so that exhaust gas leaks or air is exhausted. 12 can be prevented from flowing. Further, cooling water may be introduced from the base side of the outer pipe 29 through the cooling water inlet 34, flow into the middle pipe 30 at the front side, and discharged from the cooling water outlet 35 from the base side of the middle pipe 30. As a result, the filtration portion support 73a can be cooled. Further, since the filtration unit support 73a is cooled, the filtration unit main body 74 provided on the front side of the filtration unit support 73a can be indirectly cooled by heat conduction.
As shown in FIG. 7, when the air cylinder 47 is driven to retract the piston 46, the filter support 73 a is retracted, the filter main body 74 is retracted from the exhaust gas outlet pipe 12, and the ball valve 81 is closed. The exhaust gas outlet pipe 12 and the recovery unit 73 can be separated. Then, for example, by flowing nitrogen gas into the recovery unit 73 from a gas inlet 94 provided above the support pipe 83 and discharging it from a gas outlet 95 provided below the support pipe 83, The filtration unit main body 74 can be cooled quickly, and the filtration unit 72 can be taken out by removing the clamp 93.
[0025]
The method for producing fullerenes using the fullerene production equipment 68 according to the third embodiment of the present invention is the first method except that the sampling of fullerene-containing soot-like substances from exhaust gas is performed using a sampling device 71. Since it is substantially the same as the method for producing fullerenes using the apparatus 10 for producing fullerenes according to the embodiment, only the method of using the sampling device 71 will be described, and the detailed description of other methods for producing fullerenes will be omitted. I do.
First, it is confirmed that the filtration unit main body 74 of the sampling device 71 is housed in the collection unit 73 and the ball valve 81 is closed, and the cooling water flows in from the cooling water inlet 34 and is discharged from the cooling water outlet 35. Then, the filtration unit support 73a is cooled. When the production of fullerene is started, the sampling device 71 is operated at a preset time interval to collect the fullerene-containing soot-like substance from the exhaust gas. First, the ball valve 81 is opened and the air cylinder 47 is driven to insert the filtration unit main body 74 into the exhaust gas outlet pipe 12. Since the inflow port 75 is provided in the filtering section main body 74 so as to face the flow of the exhaust gas, the exhaust gas flows into the filtering section main body 74 from the inflow port 75. Since the side wall portion of the filtration unit main body 74 is formed of the filter medium 76, the exhaust gas can pass through the filter medium 76 and flow out of the filtration unit main body 74, but the fullerene-containing soot-like substance floating in the exhaust gas is It is captured by the filter medium 76. Therefore, the fullerene-containing soot-like substance gradually accumulates inside the filtering portion main body 74.
[0026]
When a fullerene-containing soot-like substance is deposited in the filter unit main body 74 in a sufficient amount for quality measurement, the air cylinder 47 is driven to retract the filter unit body 74 from the exhaust gas outlet pipe 12 and housed in the recovery unit 73. Then, the ball valve 81 is closed. Next, a nitrogen gas flow is formed by flowing nitrogen gas into the recovery unit 73 from the gas inlet 94 and discharging it from the gas outlet 95, and cools the filtration unit main body 74. After confirming that the filtration unit main body 74 has been cooled, the clamp 93 is removed and the filtration unit 72 is taken out of the collection unit 73. From the taken out filtration unit 72, the fixing member 77 provided on the distal end side of the filtration unit main body 74 is removed, and the filter medium 76 is collected, sent to a fullerene quality measurement step, and quantitatively analyzed for fullerene.
[0027]
The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this embodiment. For example, in the first and second embodiments, a bellows is used for the gas seal of the bearing. However, it is also possible to use a bearing having gas sealing properties. By using a bearing having gas sealing properties, the structure of the sampling device can be simplified. In the second embodiment, a heat-resistant metal lid is provided at the tip of the attachment portion. However, if the lid is configured to be cooled to a lid portion that closes the connection port of the exhaust gas outlet pipe, the lid may be made of copper instead of the heat-resistant metal. It can be manufactured using. In the third embodiment, the filter medium is used for capturing the fullerene-containing soot-like material. However, a heat-resistant metal tube having a large number of holes formed on the side surface may be used. Further, in the present embodiment, the sampling device is attached to the exhaust gas outlet pipe, but may be attached to the production furnace main body or the furnace top. Further, changes can be made without changing the gist of the invention, and a part or all of the above-described embodiments and modifications are combined to configure the fullerene manufacturing equipment and the fullerene manufacturing method of the present invention. The present invention also applies in such cases.
[0028]
【The invention's effect】
In the fullerene manufacturing facility according to any one of claims 1 to 4, the sampling device has a cooling structure for collecting the fullerene-containing soot-like substance, and a driving unit for moving the collecting unit forward and backward with respect to the flow path of the exhaust gas. Therefore, fluctuations in fullerene production conditions can be prevented, and fullerene-containing soot-like substances can be recovered from high-temperature exhaust gas.
[0029]
In particular, in the fullerene production facility according to the second aspect, since the collection means is provided with a suction and recovery mechanism that suctions and recovers the fullerene-containing soot-like substance together with the exhaust gas, the simplest method in the fullerene production facility is provided. Fullerene-containing soot-like substances can be recovered from high-temperature exhaust gas.
[0030]
In the fullerene production facility according to the third aspect, the collection means is provided with an adhesion and recovery mechanism for adhering and recovering the fullerene-containing soot-like substance. It becomes possible to recover a fullerene-containing soot-like substance having a high rate.
[0031]
In the fullerene production facility according to the fourth aspect, the collection means is provided with a filtration and recovery mechanism that captures fullerene-containing soot-like substances from the exhaust gas and allows the exhaust gas to pass therethrough, thereby preventing fluctuations in fullerene production conditions. As a result, a large amount of fullerene-containing soot-like substances can be recovered from the high-temperature exhaust gas in the fullerene production facility.
[0032]
In the method for producing fullerene according to claim 5, the fullerene-containing soot-like substance is collected by a sampling device using the fullerene-production facility according to any one of claims 1 to 4, and the fullerene-containing soot-like substance is collected from the fullerene-containing soot-like substance. Since fullerene is extracted and its quality is measured and fullerene production conditions are adjusted, it is possible to accurately adjust fullerene production conditions, stabilize fullerene quality, and improve yield. Become.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an entire configuration of a fullerene manufacturing facility according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a sampling device provided in the fullerene manufacturing facility.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a suction unit of a sampling device provided in the fullerene manufacturing facility.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a sampling device provided in a fullerene manufacturing facility according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view showing a method of recovering fullerene-containing soot-like substances from a sampling device provided in the fullerene manufacturing facility.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a sampling device provided in a fullerene manufacturing facility according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory view showing a method of recovering a fullerene-containing soot-like substance from a sampling device provided in the fullerene manufacturing facility.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a filtration unit main body of the sampling device provided in the fullerene manufacturing facility.
[Explanation of symbols]
10: Fullerene production equipment, 11: Fullerene production furnace, 12: Exhaust gas outlet pipe, 13: Sampling device, 14: Recovery device, 15: Exhaust gas treatment device, 16: Production furnace main body, 17: Furnace top, 18: Burner , 19: Collection device main body, 20: Storage tank, 20a: Suction / recovery mechanism, 21: Collection means, 22: Driving means, 23: Suction part, 24: Suction part, 25: Mounting part, 26: Suction part main body, 27: suction port, 28: tip, 29: outer pipe, 30: middle pipe, 31: inner pipe, 31a: cooling structure, 32, 33: end plate, 34: cooling water inlet, 35: cooling water outlet , 36: exhaust gas outlet, 37: exhaust gas pipe, 38: exhaust pump, 39: trapping part, 40: bearing, 41: mounting plate, 42: fixing plate, 43: bellows, 44: flange portion, 45: flange, 46: piston, 47: air , 48: fullerene manufacturing equipment, 49: adhesion and recovery mechanism, 50: collection means, 51: sampling device, 52: adhesion section, 53: collection section, 54: scraping blade, 55: collection box, 55a: take-out Means, 56: branch pipe, 57: support portion, 58: tapered hole, 59: separation wall, 59a: cooling structure, 60: lid, 61: connection port, 62: lid, 63: discharge valve, 64: holding tank, 65: open / close valve, 66: storage box, 67: gas inlet, 68: fullerene manufacturing equipment, 69: filtration and recovery mechanism, 70: collection means, 70a: mounting part, 71: sampling device, 72: filtration part, 73: recovery part, 73a: filtration part support, 73b: cooling structure, 74: filtration part main body, 75: inflow port, 76: filter medium, 77: fixing member, 78: holding plate, 79: support rod, 80: branch Piping, 81 Ball valve, 82: flange, 83: support tube, 84: support member, 85: gasket, 86: gasket presser, 87: support plate, 88: connection tube, 89, 90: flange, 90a: gasket, 91: flange, 92: gasket, 93: clamp, 94: gas inlet, 95: gas outlet
