JP5066828B2 - Method for producing carbon material - Google Patents

Method for producing carbon material Download PDF

Info

Publication number
JP5066828B2
JP5066828B2 JP2006116111A JP2006116111A JP5066828B2 JP 5066828 B2 JP5066828 B2 JP 5066828B2 JP 2006116111 A JP2006116111 A JP 2006116111A JP 2006116111 A JP2006116111 A JP 2006116111A JP 5066828 B2 JP5066828 B2 JP 5066828B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
carbon material
ppm
moisture
catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2006116111A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2007284317A (en
Inventor
稔彦 瀬戸口
祐一 藤岡
守雄 湯村
賢治 畠
澄男 飯島
浩樹 吾郷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyushu University NUC
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Kyushu University NUC
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyushu University NUC, Mitsubishi Heavy Industries Ltd, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical Kyushu University NUC
Priority to JP2006116111A priority Critical patent/JP5066828B2/en
Publication of JP2007284317A publication Critical patent/JP2007284317A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5066828B2 publication Critical patent/JP5066828B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、カーボン材料を効率的にしかも純度良く製造することができるカーボン材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a carbon material capable of producing a carbon material efficiently and with high purity.

カーボンナノチューブは、黒鉛(グラファイト)シートが円筒状に閉じた構造を有するチューブ状の炭素多面体である。このカーボンナノチューブには、黒鉛シートが円筒状に閉じた多層構造を有する多層ナノチューブと、黒鉛シートが円筒状に閉じた単層構造を有する単層ナノチューブとがある。   The carbon nanotube is a tubular carbon polyhedron having a structure in which a graphite (graphite) sheet is closed in a cylindrical shape. The carbon nanotube includes a multi-layer nanotube having a multilayer structure in which a graphite sheet is closed in a cylindrical shape, and a single-wall nanotube having a single-layer structure in which a graphite sheet is closed in a cylindrical shape.

一方の多層ナノチューブは、1991年に飯島により発見された。すなわち、アーク放電法の陰極に堆積した炭素の塊の中に、多層ナノチューブが存在することが発見された(非特許文献1)。その後、多層ナノチューブの研究が積極的になされ、近年は多層ナノチューブを多量に合成できるまでにもなった。   One multi-walled nanotube was discovered by Iijima in 1991. That is, it was discovered that multi-walled nanotubes exist in the carbon mass deposited on the cathode of the arc discharge method (Non-Patent Document 1). Since then, research on multi-walled nanotubes has been actively conducted, and in recent years, it has become possible to synthesize a large number of multi-walled nanotubes.

これに対して、単層ナノチューブは概ね0.4〜10ナノメータ(nm)程度の内径を有しており、その合成は、1993年に飯島とIBMのグループにより同時に報告された。単層ナノチューブの電子状態は理論的に予測されており、ラセンの巻き方により電子物性が金属的性質から半導体的性質まで変化すると考えられている。従って、このような単層ナノチューブは、未来の電子材料として有望視されている。   In contrast, single-walled nanotubes have an inner diameter of approximately 0.4 to 10 nanometers (nm), and their synthesis was simultaneously reported in 1993 by a group of Iijima and IBM. The electronic state of single-walled nanotubes has been predicted theoretically, and it is thought that the electronic properties change from metallic properties to semiconducting properties depending on how the spiral is wound. Therefore, such single-walled nanotubes are considered promising as future electronic materials.

単層ナノチューブのその他の用途としては、ナノエレクトロニクス材料、電界電子放出エミッタ、高指向性放射源、軟X線源、一次元伝導材、高熱伝導材、水素貯蔵材等が考えられている。また、表面の官能基化、金属被覆、異物質内包により、単層ナノチューブの用途はさらに広がると考えられている。   Other applications of single-walled nanotubes include nanoelectronic materials, field electron emitters, highly directional radiation sources, soft X-ray sources, one-dimensional conducting materials, high thermal conducting materials, hydrogen storage materials, and the like. Further, it is considered that the use of single-walled nanotubes is further expanded by functionalization of the surface, metal coating, and inclusion of foreign substances.

従来、上述した単層ナノチューブは、鉄、コバルト、ニッケル、ランタン等の金属を陽極の炭素棒に混入し、アーク放電を行うことにより製造されている(特許文献1)。
しかし、この製造方法では、生成物中に、単層ナノチューブの他、多層ナノチューブ、黒鉛、アモルファスカーボンが混在し、収率が低いだけでなく、単層ナノチューブの糸径・糸長にもばらつきがあり、糸径・糸長の比較的揃った単層ナノチューブを高収率で製造することは困難であった。
Conventionally, the single-walled nanotubes described above are manufactured by mixing a metal such as iron, cobalt, nickel, or lanthanum into a carbon rod of an anode and performing arc discharge (Patent Document 1).
However, in this production method, in addition to single-walled nanotubes, multi-walled nanotubes, graphite, and amorphous carbon are mixed in the product, and not only the yield is low, but also the diameter and length of single-walled nanotubes vary. In addition, it was difficult to produce single-walled nanotubes with relatively uniform yarn diameter and yarn length in high yield.

なお、カーボンナノチューブの製造方法としては、上述したアーク放電法の他、気相熱分解法、レーザー昇華法、凝縮相の電解法などが提案されている(特許文献2乃至4)。   In addition to the arc discharge method described above, a gas nanotube pyrolysis method, a laser sublimation method, a condensed phase electrolysis method, and the like have been proposed as methods for producing carbon nanotubes (Patent Documents 2 to 4).

S,Iijima,Nature,354,56(1991)S, Iijima, Nature, 354, 56 (1991) 特開平06−280116号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-280116 特許第3100962号公報Japanese Patent No. 3100962 特表2001−520615号公報JP-T-2001-520615 特開2001−139317号公報JP 2001-139317 A

しかしながら、これらの文献等に開示する製造方法はいずれも実験室又は小規模レベルの製造方法であり、特に炭素材料の収率が低く、しかも純度が低い、という問題がある。   However, any of the production methods disclosed in these documents is a laboratory or small-scale production method, and there is a problem that the yield of the carbon material is low and the purity is particularly low.

ここで、純度が良好ではないカーボン材料の一例である不純物炭素が成長するメカニズムについて図20を参考にしつつ説明する。
図20に示すように、基材である担体1に触媒である活性金属2が担持されており、このような活性金属2の表面に炭素原料である炭素源(例えばメタンCH4)を供給すると、活性金属表面に付着したメタンから炭素が溶込み、再析出することでナノカーボン材料3が成長する。順次炭素源の炭素が溶け込んでナノカーボン材料を再析出するが、活性金属3の表面にはアモルファスカーボンやグラファイトカーボン等の不純物4も同時に成長する。
この不純物4が活性金属2の表面を覆うことにより、炭素源からの炭素(C源)の溶け込みが阻害され、ひいてはナノカーボン材料3の成長停止を引き起こすこととなる。
Here, the mechanism by which impurity carbon, which is an example of a carbon material with poor purity, grows will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 20, an active metal 2 that is a catalyst is supported on a carrier 1 that is a base material, and a carbon source (for example, methane CH 4 ) that is a carbon raw material is supplied to the surface of such an active metal 2. Then, carbon is dissolved from methane adhering to the active metal surface and re-deposited, whereby the nanocarbon material 3 grows. The carbon of the carbon source gradually dissolves to reprecipitate the nanocarbon material, but impurities 4 such as amorphous carbon and graphite carbon also grow simultaneously on the surface of the active metal 3.
By covering the surface of the active metal 2 with the impurities 4, the penetration of carbon (C source) from the carbon source is inhibited, and as a result, the growth of the nanocarbon material 3 is stopped.

近年炭素材料の種々の用途が拡大しており、このため、大量に効率よく製造することができると共に、純度が良好なカーボン材料を製造する装置の出現が望まれている。   In recent years, various uses of carbon materials have been expanded, and for this reason, the advent of an apparatus that can produce carbon materials with good purity while being able to be produced efficiently in large quantities is desired.

本発明は、上記の事情に鑑み、連続的に大量生産することができ且つ純度が高いカーボン材料を製造することができる製造方法及び装置を提供することを課題とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a manufacturing method and apparatus capable of continuously mass-producing and manufacturing a carbon material having high purity.

上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、炭素原料を用いてカーボン材料を反応器により製造するカーボン材料の製造方法において、カーボン材料の成長の際に発生する不純物炭素を分解する水分の反応器出口濃度が、770ppm以上10000ppm以下となるように制御しつつカーボン材料を製造することを特徴とするカーボン材料の製造方法にある。 The first invention of the present invention for solving the above-described problem is a method for producing a carbon material using a carbon raw material by a reactor, and decomposes impurity carbon generated during the growth of the carbon material. The carbon material production method is characterized in that the carbon material is produced while controlling the concentration of water to be discharged from the reactor at 770 ppm or more and 10,000 ppm or less .

の発明は、第1の発明において、前記水分の反応器入口濃度が12000ppm以下となるように制御しつつカーボン材料を製造することを特徴とするカーボン材料の製造方法にある。 A second invention is the carbon material production method according to the first invention, wherein the carbon material is produced while controlling the concentration of the moisture at the reactor inlet to be 12000 ppm or less.

の発明は、第1又は2の発明において、前記カーボン材料が、ナノカーボンであることを特徴とするカーボン材料の製造方法にある。 A third invention is the method for producing a carbon material according to the first or second invention, wherein the carbon material is nanocarbon.

の発明は、第の発明において、前記ナノカーボンが、単層又は多層のカーボンナノチューブ、フィッシュボーンタイプ又はプレートレットタイプのカーボンファイバーであることを特徴とするカーボン材料の製造方法にある。
A fourth invention is the method for producing a carbon material according to the third invention, wherein the nanocarbon is a single-walled or multi-walled carbon nanotube, a fishbone type or a platelet type carbon fiber.

本発明によれば、不純物炭素を分解する水分の反応器の出口濃度を770ppm以上と制御することで、触媒の活性を促進させ、触媒の寿命を延ばすことができる。
この結果、カーボン材料の製造を効率的に行うことができ、大規模な大量生産化を実現することができる。
According to the present invention, the activity of the catalyst can be promoted and the life of the catalyst can be extended by controlling the outlet concentration of the water reactor for decomposing impurity carbon to be 770 ppm or more.
As a result, the carbon material can be efficiently manufactured, and large-scale mass production can be realized.

また、カーボン材料がカーボンナノチューブの場合、触媒反応を促進させた結果、非常に密度が高く、しかもカーボンナノチューブの長さを飛躍的に成長させることができる。   Further, when the carbon material is a carbon nanotube, as a result of promoting the catalytic reaction, the density is very high, and the length of the carbon nanotube can be dramatically increased.

また、不純物炭素が存在しない結果、純粋なカーボン材料のみとなり、カーボン材料生成物から、触媒除去、不純物除去等の付加的な操作をしても高純度なカーボン材料を得ることができる。   Further, as a result of the absence of impurity carbon, only a pure carbon material is obtained, and a high-purity carbon material can be obtained from the carbon material product even if additional operations such as catalyst removal and impurity removal are performed.

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態及び実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態及び実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment and an Example. In addition, constituent elements in the following embodiments and examples include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.

[第1実施形態]
本発明による第1実施形態に係るカーボン材料を製造するカーボン材料製造装置について、図面を参照して説明する。
図1は、第1実施形態に係るカーボン材料製造装置を示す概略図である。
図1に示すように、本実施形態に係るカーボン材料製造装置10Aは、メタン等の炭素源14と、鉄等の活性成分を有する担体の集合体からなる流動触媒21と、該流動触媒21を流動層反応器23内で流動化させる流動ガス22とが材料供給ライン20を介して供給される流動層反応器23と、前記材料供給ライン20に介装され、水分の濃度を調整する水分濃度調整装置25と、前記流動層反応器23の出口側のカーボン材料生成物24の排出ライン26に設けられ、出口側の水分濃度を計測する出口側水分計27とを具備するようにしている。なお、前記流動触媒21の代わりに、触媒を別途供給し、流動材を供給するようにしてもよい。また、材料供給ライン20は各々別々であってもよい。
[First Embodiment]
A carbon material manufacturing apparatus for manufacturing a carbon material according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view showing a carbon material manufacturing apparatus according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, a carbon material manufacturing apparatus 10A according to the present embodiment includes a fluid source 21 composed of a carbon source 14 such as methane, a carrier having an active component such as iron, and the fluid catalyst 21. A fluidized gas 22 to be fluidized in the fluidized bed reactor 23 is supplied to the fluidized bed reactor 23 supplied through the material supply line 20 and the material supply line 20 to adjust the moisture concentration. An adjustment device 25 and an outlet-side moisture meter 27 that measures the moisture concentration on the outlet side are provided in the discharge line 26 of the carbon material product 24 on the outlet side of the fluidized bed reactor 23. Instead of the fluid catalyst 21, a fluid may be supplied separately by supplying a catalyst. Further, the material supply lines 20 may be separate from each other.

本実施形態では、炭素源14、流動触媒21及び流動ガス22が供給される材料供給ライン20に、水分濃度を調整する水分濃度調整装置25を設けており、出口側水分計27を用いた計測によって所定の濃度となるように、不純物炭素を分解する水分の濃度を調整するようにしている。   In the present embodiment, the material supply line 20 to which the carbon source 14, the flow catalyst 21, and the flow gas 22 are supplied is provided with a moisture concentration adjusting device 25 that adjusts the moisture concentration, and measurement using the outlet-side moisture meter 27. Therefore, the concentration of moisture that decomposes the impurity carbon is adjusted so as to obtain a predetermined concentration.

本発明では、水分量の調整を流動層反応器23の出口側の出口側水分計27により行い、その水分濃度が770ppm以上となるように、図示しない制御装置を用いて水分濃度調整装置25での水分を調整し、不純物炭素が生成しないような良好な反応となるように制御するようにしている。   In the present invention, the moisture content is adjusted by the outlet-side moisture meter 27 on the outlet side of the fluidized bed reactor 23, and the moisture concentration adjusting device 25 is used with a control device (not shown) so that the moisture concentration becomes 770 ppm or more. The water content is adjusted to control the reaction so that the impurity carbon is not generated.

また、反応器の出口側での水分濃度の上限としては、32000ppm程度、好ましくは10000ppm程度とするのが好ましい。特に好ましくは、770〜6800ppmの範囲とするのが好適である。   Further, the upper limit of the water concentration on the outlet side of the reactor is preferably about 32000 ppm, preferably about 10000 ppm. Especially preferably, it is suitable to set it as the range of 770-6800 ppm.

この水分濃度調整装置25により不純物炭素分解物の濃度を調整する結果、流動層反応器23内では所定の濃度の不純物炭素分解物が触媒表面を被覆するアモルファスカーボン、グラファイトカーボン等の不純物炭素を分解除去し、触媒活性を維持させることができ、良好な流動化反応が促進する結果、純度の高いカーボン材料生成物24を成長させることができる。   As a result of adjusting the concentration of the impurity carbon decomposition product by the moisture concentration adjusting device 25, the impurity carbon decomposition product having a predetermined concentration decomposes the impurity carbon such as amorphous carbon and graphite carbon covering the catalyst surface in the fluidized bed reactor 23. It can be removed and the catalytic activity can be maintained, and a good fluidization reaction is promoted. As a result, the carbon material product 24 with high purity can be grown.

ここで、前記出口側水分計27に用いる水分計測装置としては、例えば水分:露点計、伸縮式湿度計、板付湿度計、アースマン湿度計、鏡面冷却式露点計、電気式湿度計(抵抗式、静電容量式)を挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
この水分計測により、出口側の水分を所定濃度の水分量とすることができ、カーボン材料を高効率,高純度で製造することができる。
Here, as a moisture measuring device used for the outlet side moisture meter 27, for example, moisture: dew point meter, telescopic hygrometer, plate-type hygrometer, earthman hygrometer, specular cooling dew point meter, electric hygrometer (resistance type, Capacitance type), but the present invention is not limited to these.
By this moisture measurement, the moisture on the outlet side can be set to a predetermined amount of moisture, and the carbon material can be produced with high efficiency and high purity.

また、前記水分濃度調整装置25に水分計を設け、入口側の水分濃度を計測するようにしてもよい。この場合において、水分の反応器入口濃度が12000ppm以下、より好ましくは6000ppm以下とするのが好ましい。   In addition, a moisture meter may be provided in the moisture concentration adjusting device 25 to measure the moisture concentration on the inlet side. In this case, it is preferable that the concentration of water at the reactor inlet is 12000 ppm or less, more preferably 6000 ppm or less.

また、流動触媒21を製造する場合には、流動触媒21が含有する水分量と別途添加する水分量の合計の上限が12000ppmとなるようにしている。
なお、出口側の水分濃度の下限値である770ppm以下とならないように水分の量を調整するようにすればよい。
Moreover, when manufacturing the fluid catalyst 21, the upper limit of the sum total of the water content which the fluid catalyst 21 contains and the water content added separately is set to 12000 ppm.
Note that the amount of moisture may be adjusted so that it does not become 770 ppm or less, which is the lower limit value of the moisture concentration on the outlet side.

ここで、本発明でカーボン材料とは、ナノ単位ミクロ単位のカーボン材料であり、供給された炭素源が触媒に作用し、再析出されて出現される例えばファイバ状、チューブ状、カップ状等の種々の形状を有するカーボンをいう。ここで、ナノ単位のカーボン材料をナノカーボンという。   Here, the carbon material in the present invention is a carbon material of a nano unit and a micro unit, and the supplied carbon source acts on the catalyst, and is reprecipitated and appears, for example, in a fiber shape, a tube shape, a cup shape, etc. It refers to carbon having various shapes. Here, the nano-unit carbon material is referred to as nanocarbon.

前記ナノカーボンの一例としては、例えば単層カーボンナノチューブ(SWNTs)に、多層カーボンナノチューブ(MWNTs)のような他のナノチューブ、フィッシュボーンタイプ又はプレートレットタイプのカーボンファイバー等を挙げることができ、これらの製造において、不純物炭素分解物を適用することで、カーボン材料の飛躍的な成長を図ることができる。   Examples of the nanocarbon include, for example, single-walled carbon nanotubes (SWNTs), other nanotubes such as multi-walled carbon nanotubes (MWNTs), fishbone-type or platelet-type carbon fibers, and the like. In the production, the carbon material can be drastically grown by applying the impurity carbon decomposition product.

この不純物炭素を分解する分解のメカニズムの概略を、カーボン材料の一つであるカーボンナノチューブの製造を例として図2に示す。なお、この分解メカニズムは一推定例であり、本発明はこれに限定されるものではない。   An outline of the decomposition mechanism for decomposing the impurity carbon is shown in FIG. 2 by taking as an example the production of a carbon nanotube which is one of the carbon materials. Note that this decomposition mechanism is an estimation example, and the present invention is not limited to this.

図2に示すように、担体12に担持された触媒11の近傍において水分を存在させることにより、この触媒11の表面に成長する不純物炭素17を分解又は成長を阻害させ、この結果、炭素の溶け込み阻害要因を除去するようにしている。よって、不純物炭素17は分解除去される結果、カーボンナノチューブ16の成長が阻害されることがなくなり、成長が促進されることとなる。   As shown in FIG. 2, the presence of moisture in the vicinity of the catalyst 11 supported on the carrier 12 inhibits the decomposition or growth of the impurity carbon 17 that grows on the surface of the catalyst 11, and as a result, the carbon dissolves. The obstruction factor is removed. Therefore, as a result of the impurity carbon 17 being decomposed and removed, the growth of the carbon nanotubes 16 is not inhibited and the growth is promoted.

このように、好適な範囲の水分が存在する場合では、触媒を覆う不純物炭素17を分解すると共に、触媒表面をアモルファスカーボン等の不純物炭素17で覆われないように、水が保護剤としての役割を果たすこととなるものである。   As described above, when moisture in a suitable range is present, the water acts as a protective agent so that the impurity carbon 17 covering the catalyst is decomposed and the catalyst surface is not covered with the impurity carbon 17 such as amorphous carbon. Will be fulfilled.

前記水分濃度調整装置25において、水分を付与する調湿方法としては、以下の方法を例示することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。   In the moisture concentration adjusting device 25, examples of the humidity control method for applying moisture include the following methods, but the present invention is not limited to this.

前記水分を付与する調湿方法は、例えば水をポンプでガスラインに供給する方法を挙げることができる。他の例としては、例えばガスを水にバブリングする方法、所定量の結晶水を保有する粒子を触媒に所定量混入する方法、同時に反応器に投入する方法、例えば反応器にイナートな水酸化マグネシウムの水和物等を投入する方法等種々の方法を挙げることができる。   Examples of the humidity control method for applying moisture include a method of supplying water to a gas line with a pump. Other examples include, for example, a method of bubbling gas into water, a method of mixing a predetermined amount of particles containing a predetermined amount of water of crystallization into a catalyst, a method of simultaneously charging the reactor, for example, magnesium hydroxide inert to the reactor Various methods such as a method of adding a hydrate or the like can be mentioned.

[第2実施形態]
次に、不純物炭素分解物として、水を適用する場合の流動層反応器での製造の一例について図3を用いて説明する。
図3は第2実施形態に係る水分調整を行って不純物炭素を分解除去する流動層反応器によるカーボン材料製造装置10Bの概略図である。なお、図1の流動層反応器と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図3に示すように、本実施の形態に係るカーボン材料製造装置10Bは、流動触媒21は材料供給ライン20に設けられた前処理装置31において熱処理される。ここで、前処理装置31における熱処理条件は、約200〜300℃程度の除湿処理と、300℃以上、好ましくは800℃の熱処理とのいずれかを行うようにしている。
[Second Embodiment]
Next, an example of production in a fluidized bed reactor when water is applied as the impurity carbon decomposition product will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a schematic view of a carbon material production apparatus 10B using a fluidized bed reactor that performs moisture adjustment and decomposes and removes impurity carbon according to the second embodiment. In addition, about the same member as the fluidized bed reactor of FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 3, in the carbon material manufacturing apparatus 10 </ b> B according to the present embodiment, the fluidized catalyst 21 is heat-treated in a pretreatment apparatus 31 provided in the material supply line 20. Here, the heat treatment condition in the pretreatment apparatus 31 is to perform either a dehumidification treatment of about 200 to 300 ° C. or a heat treatment of 300 ° C. or higher, preferably 800 ° C.

前記約200〜300℃程度の除湿処理は流動触媒21に含まれる水分を除去するものである。これに対して、300℃以上の熱処理は、担体に担持された触媒のサイトを微細化させて、活性点を小さくするものである。この前処理を行うことにより、より微細なナノ単位のカーボン材料を得ることができる。   The dehumidifying treatment at about 200 to 300 ° C. is for removing water contained in the fluidized catalyst 21. On the other hand, the heat treatment at 300 ° C. or higher makes the active sites smaller by refining the sites of the catalyst supported on the carrier. By performing this pretreatment, a finer nano-unit carbon material can be obtained.

前処理装置31により前処理がなされた流動触媒21は、第1水分計33−1によりその水分濃度が計測される。   The fluid catalyst 21 pretreated by the pretreatment device 31 has its moisture concentration measured by the first moisture meter 33-1.

また、炭素源14と流動ガス22とは、除湿装置32により除湿されて、第2水分系33−2によりその水分濃度が計測される。これにより流動触媒21と流動ガス22と炭素源14とは共に除湿されたこととなる。そこで、所定量の水34を材料供給ライン20に供給することで、流動層反応器23に入る前で水分の調整をするようにしている。   In addition, the carbon source 14 and the flowing gas 22 are dehumidified by the dehumidifying device 32, and the moisture concentration is measured by the second moisture system 33-2. As a result, the fluid catalyst 21, fluid gas 22 and carbon source 14 are all dehumidified. Therefore, by supplying a predetermined amount of water 34 to the material supply line 20, the moisture is adjusted before entering the fluidized bed reactor 23.

水分添加された後は、その添加が規定範囲内に合致しているかどうかを確認するために、流動層反応器23の入口側において第3水分計33−3により監視している。
また、流動層反応器23内で水分が所定濃度に維持されているかを確認するために、流動層反応器23の出口側において、出口側水分計27を設置している。
After the addition of moisture, the third moisture meter 33-3 is monitored on the inlet side of the fluidized bed reactor 23 in order to confirm whether the addition is within the specified range.
Further, in order to confirm whether or not moisture is maintained at a predetermined concentration in the fluidized bed reactor 23, an outlet side moisture meter 27 is installed on the outlet side of the fluidized bed reactor 23.

このように水34を所定量供給した後、流動層反応器23の入口側と出口側とで第3水分計33−3及び出口側水分計27を設置しているので、例えば入口を10000ppm、出口を800ppmとなるように監視しつづけることができ、出口側の水分濃度の基準値を超える場合には、適宜量の調整をするようにして、常に流動層反応器23内において、不純物炭素分解物である水34が規定範囲となるようにして、純度が高くしかも長さが長い良好なカーボン材料を製造するようにしている。   After supplying a predetermined amount of water 34 in this way, the third moisture meter 33-3 and the outlet moisture meter 27 are installed on the inlet side and the outlet side of the fluidized bed reactor 23. For example, the inlet is 10000 ppm, The outlet can be continuously monitored to reach 800 ppm, and when the reference value of the moisture concentration on the outlet side is exceeded, the carbon content is constantly decomposed in the fluidized bed reactor 23 by appropriately adjusting the amount. A good carbon material having a high purity and a long length is produced so that the water 34 as a product falls within a specified range.

ここで、水分を除去する方法としては、例えば冷却除湿方法、圧縮除湿方法、固体吸着式除湿方法、液体吸収式除湿方法(カサバ方式)及び膜分離方法等を挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
前記冷却除湿方法としては、例えば空気を露点以下に冷却し、凝縮した水分を除去するものである。露点が8〜10℃以上の場合に適用することができる。
また、前記圧縮除湿方法としては、湿り空気を圧縮し、冷却して水分を分離するものである。
また、前記固体吸着式除湿方法としては、固体吸湿剤に毛管作用で水分を吸着するものである。
また、前記液体吸収式除湿方法(カサバ方式)としては、塩化リチウム水溶液の噴霧中に空気を通し水分を吸収するものである。
また、前記膜分離方法としては、水分不透過膜を用いて分離するものである。
Here, examples of the method for removing moisture include a cooling dehumidification method, a compression dehumidification method, a solid adsorption dehumidification method, a liquid absorption dehumidification method (cassava method), and a membrane separation method. It is not limited to these.
As the cooling and dehumidifying method, for example, air is cooled to a dew point or lower to remove condensed water. It can be applied when the dew point is 8 to 10 ° C or higher.
As the compression dehumidification method, wet air is compressed and cooled to separate moisture.
Moreover, as said solid adsorption type dehumidification method, water | moisture content is adsorbed | sucked to a solid moisture absorbent by capillary action.
In addition, as the liquid absorption dehumidification method (cassava method), air is absorbed during spraying of the lithium chloride aqueous solution to absorb moisture.
As the membrane separation method, separation is performed using a moisture-impermeable membrane.

このような種々の水分除去方法を適用し、カーボン材料を製造する際には,反応器中に投入するガス,触媒中の水分を管理するようにして、不純物炭素を効率良く分解除去するようにしている。   When carbon materials are manufactured by applying such various water removal methods, the gas introduced into the reactor and the water in the catalyst are controlled so that the impurity carbon is efficiently decomposed and removed. ing.

また、水分をほぼ完全に除去した後に、所定量の水分を供給する水供給装置を用いるようにしてもよい。   Alternatively, a water supply device that supplies a predetermined amount of water after the water is almost completely removed may be used.

また、水供給部分は加熱するようにしてもよく、又は、ガス予熱部分に水を供給するようにしてもよい。また、調湿した後に、別途設けた加熱手段により加熱するようにしてもよい。   Further, the water supply portion may be heated, or water may be supplied to the gas preheating portion. Further, after humidity adjustment, heating may be performed by a separately provided heating means.

また、除湿後、導入する水分以外のものとして、例えば酸素ガス又は酸素原子を含む分子種を用いることができ、水の代用とすることができる。   Further, after dehumidification, for example, a molecular species containing oxygen gas or oxygen atom can be used as a substance other than the water to be introduced, which can be used as a substitute for water.

[第3実施形態]
次に、不純物炭素分解物として、水を適用する場合の他の流動層反応器での製造の一例について図4を用いて説明する。
図4は第3実施形態に係る水分調整を行って不純物炭素を分解除去する流動層反応器によるカーボン材料製造装置10Cの概略図である。なお、図1及び図3の流動層反応器と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図4に示すように、本実施の形態に係るカーボン材料製造装置10Cは、前述した図3に示す製造装置における前処理装置31の代わりに、流動触媒21が含む水分を流動ガス22に転換する水分交換装置35を設置するものである。
[Third Embodiment]
Next, an example of production in another fluidized bed reactor in the case of applying water as the impurity carbon decomposition product will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a schematic view of a carbon material production apparatus 10C using a fluidized bed reactor that performs moisture adjustment according to the third embodiment to decompose and remove impurity carbon. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same member as the fluidized bed reactor of FIG.1 and FIG.3, and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 4, the carbon material manufacturing apparatus 10 </ b> C according to the present embodiment converts moisture contained in the fluid catalyst 21 into fluid gas 22 instead of the pretreatment device 31 in the manufacturing apparatus shown in FIG. 3 described above. A water exchange device 35 is installed.

この水分交換装置35は流動触媒21が含む水分を流動ガス22に転換して、流動ガスを水分リッチ流動ガス36とするものである。
水分リッチ流動ガス36は、流動層反応器23の入口側に設置した入口側水分計33によりその水分量を計測して、所定の水分量となるように水分交換装置35での水分交換率を調整している。
The moisture exchange device 35 converts the moisture contained in the fluid catalyst 21 into the fluid gas 22 and turns the fluid gas into the moisture rich fluid gas 36.
The moisture-rich fluid gas 36 is measured for its moisture content by an inlet-side moisture meter 33 installed on the inlet side of the fluidized bed reactor 23, and the moisture exchange rate in the moisture exchange device 35 is adjusted so as to obtain a predetermined moisture content. It is adjusted.

また、本実施形態では、流動層反応器23の出口側においても出口側水分計27を設置しておき、流動層反応器23の入口側と出口側とで水分量を監視するようにしているので、例えば入口を10000ppm、出口を770ppmとなるように監視しつづけることができる。そして、例えば基準値を超えるような場合には、適宜水分量を調整するようにして、常に流動層反応器23内において、不純物炭素分解物である水分量が規定範囲となるようにして、純度が高く、しかも長さが長い良好なカーボン材料を製造するようにしている。   In the present embodiment, an outlet-side moisture meter 27 is also installed on the outlet side of the fluidized bed reactor 23 so that the moisture content is monitored on the inlet side and the outlet side of the fluidized bed reactor 23. Therefore, for example, it is possible to continuously monitor the inlet at 10000 ppm and the outlet at 770 ppm. And, for example, when the reference value is exceeded, the water content is adjusted appropriately so that the water content, which is the impurity carbon decomposition product, is always within the specified range in the fluidized bed reactor 23. A good carbon material having a high length and a long length is produced.

[第4実施形態]
本実施形態では、流動層反応器と回収装置とからなるカーボン材料製造システムについて図5を参照して説明する。
図5は、第4実施形態に係るカーボンナノファイバを製造する装置の具体例の概略図である。
図5に示すように、カーボン材料の製造装置50と、上記カーボン材料の内、流動層内に滞留する粗粒状の流動触媒21にカーボン材料が生成付着したカーボン材料生成物(粗粒)24−2を製造装置から回収する回収装置53と、排ガス57とともに随伴される微粒状の流動触媒21に生成付着したカーボン材料生成物(微粒)24−1を排ガス57から分離・回収装置52と、該回収されたカーボン材料から流動触媒21を分離するカーボン材料の精製装置55とを具備するものである。
[Fourth Embodiment]
In the present embodiment, a carbon material production system including a fluidized bed reactor and a recovery device will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a schematic view of a specific example of an apparatus for producing carbon nanofibers according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 5, a carbon material product (coarse particles) 24-in which a carbon material is produced and adhered to the carbon material production apparatus 50 and the coarse granular fluid catalyst 21 staying in the fluidized bed among the carbon materials. 2 is recovered from the manufacturing apparatus, and the carbon material product (fine particles) 24-1 generated and attached to the fine fluid catalyst 21 accompanied with the exhaust gas 57 is separated from the exhaust gas 57 and the recovery apparatus 52, And a carbon material refining device 55 for separating the fluid catalyst 21 from the recovered carbon material.

具体的には、カーボン材料の製造システムは、内部に流動材である流動触媒21を充填した流動層反応部23−1と、炭素源14を上記流動層反応部23−1内に供給する原料供給装置41と、流動触媒21を上記流動層反応部23−1内に供給する流動触媒供給装置42と、上記流動層反応部23−1内の流動材である流動触媒21が飛散及び流下する空間を有するフリーボード部23−2と、上記流動層反応部23−1に導入し、内部の流動触媒21を流動させる流動ガス22を供給する流動ガス供給装置43と、流動層反応部23−1を加熱する加熱部23−3と、該フリーボード部23−2から排ガス57と共に飛散されたカーボン材料生成物(微粒)24−1を回収する第1回収ライン51−1と、第1回収ライン51−1で回収された流動触媒21及びカーボン材料生成物(微粒)24−1から排ガス57を分離・回収する分離・回収装置52と、流動層反応部23−1から流動触媒21及びカーボン材料生成物(粗粒)24−2を抜き出す第2回収ライン51−2と、抜き出された流動触媒21及びカーボン材料生成物(粗粒)24−2と、分離・回収装置52からのカーボン材料生成物(微粒)24−1とを回収する回収装置53と、回収装置53で回収されたカーボン材料生成物(微粒)24−1及びカーボン材料生成物(粗粒)24−2に付着している触媒を除去し、カーボン材料純品56とするカーボン材料の精製装置55と、前記分離・回収装置52で分離された排ガス57を処理する排ガス処理装置58と、第1回収ライン51−1に介装され出口側の水分量を計測する出口側水分計27とを具備するものである。   Specifically, the carbon material production system includes a fluidized bed reaction unit 23-1 filled with a fluidized catalyst 21 that is a fluidized material, and a raw material that supplies the carbon source 14 into the fluidized bed reaction unit 23-1. The supply device 41, the fluidized catalyst supply device 42 for supplying the fluidized catalyst 21 into the fluidized bed reaction unit 23-1, and the fluidized catalyst 21 that is the fluidized material in the fluidized bed reaction unit 23-1 scatter and flow down. A free board part 23-2 having a space, a fluidized gas supply device 43 for supplying a fluidized gas 22 introduced into the fluidized bed reaction part 23-1 and fluidizing the fluid catalyst 21 inside, and a fluidized bed reaction part 23- A first recovery line 51-1 for recovering the carbon material product (fine particles) 24-1 scattered together with the exhaust gas 57 from the free board portion 23-2, and a first recovery line Collect at line 51-1. The separation / recovery device 52 for separating and recovering the exhaust gas 57 from the fluidized catalyst 21 and the carbon material product (fine particles) 24-1 and the fluidized catalyst 21 and the carbon material product (coarse particles) from the fluidized bed reaction unit 23-1. ) The second recovery line 51-2 for extracting 24-2, the extracted fluid catalyst 21 and the carbon material product (coarse particles) 24-2, and the carbon material product (fine particles) from the separation / recovery device 52) 24-1 is recovered, and the carbon material product (fine particles) 24-1 and the catalyst adhering to the carbon material product (coarse particles) 24-2 recovered by the recovery device 53 are removed. The carbon material refining device 55, which is a pure carbon material 56, the exhaust gas treatment device 58 for treating the exhaust gas 57 separated by the separation / recovery device 52, and the outlet side provided in the first recovery line 51-1. of Those comprising an outlet-side water meter 27 for measuring a quantity.

本実施形態では、炭素源14、流動ガス22及び流動触媒21中の不純物炭素を分解する不純物炭素分解物の量を制御する不純物炭素分解物濃度制御装置15を、材料供給ライン20に介装してなり、流動層反応部23−1の前流側において、不純物炭素分解物の量を調整するようにしている。なお、本実施形態では、カーボン材料の製造装置50として、第2の実施形態に係る製造装置を適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。   In this embodiment, an impurity carbon decomposition product concentration control device 15 that controls the amount of impurity carbon decomposition products that decompose the impurity carbon in the carbon source 14, the flowing gas 22, and the flow catalyst 21 is provided in the material supply line 20. Thus, the amount of impurity carbon decomposition products is adjusted on the upstream side of the fluidized bed reaction section 23-1. In the present embodiment, the manufacturing apparatus according to the second embodiment is applied as the carbon material manufacturing apparatus 50, but the present invention is not limited to this.

上記流動層反応部23−1の流動層反応形式には気泡型流動層型と噴流型流動層型とがあるが、本発明ではいずれのものを用いてもよい。
本実施形態では、流動層反応部23−1とフリーボード部23−2と加熱部23−3とから流動層反応器23を構成している。また、フリーボード部23−2は、流動層反応部23−1よりもその流路断面積の大きいものが好ましい。
The fluidized bed reaction mode of the fluidized bed reaction section 23-1 includes a bubble fluidized bed type and a jet fluidized bed type, and any of them may be used in the present invention.
In this embodiment, the fluidized bed reactor 23 is comprised from the fluidized bed reaction part 23-1, the free board part 23-2, and the heating part 23-3. Moreover, the free board part 23-2 has a larger flow-path cross-sectional area than the fluidized bed reaction part 23-1.

上記原料供給装置41より供給される炭素源14は、炭素を含有する化合物であれば、いずれのものでもよく、例えばCO、CO2の他、メタン,エタン,プロパン及びヘキサンなどのアルカン類、エチレン,プロピレン及びアセチレン等の不飽和有機化合物、ベンゼン、トルエン等の芳香族化合物、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等の含酸素官能基を有する有機化合物、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子材料、又は石油や石炭(石炭転換ガスを含む)等を挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素濃度制御のため、含酸素炭素源CO、CO2、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等と、酸素を含まない炭素源とを2つ以上組み合わせて供給することもできる。 The carbon source 14 supplied from the raw material supply device 41 may be any carbon-containing compound, such as CO, CO 2 , alkanes such as methane, ethane, propane and hexane, ethylene, and the like. , Unsaturated organic compounds such as propylene and acetylene, aromatic compounds such as benzene and toluene, organic compounds having an oxygen-containing functional group such as alcohols, ethers and carboxylic acids, polymer materials such as polyethylene and polypropylene, or petroleum And coal (including coal conversion gas) and the like, but the present invention is not limited to these. In order to control the oxygen concentration, two or more oxygen-containing carbon sources CO, CO 2 , alcohols, ethers, carboxylic acids and the like and carbon sources not containing oxygen can be supplied in combination.

この炭素源14は、流動層反応部23−1内にガス状態で供給し、流動材である流動触媒21による攪拌により均一な反応が行われ、カーボン材料を成長させている。この際、所定の流動条件となるように、別途流動ガス22として流動ガス供給装置43により不活性ガスを流動層反応部23−1内に導入している。   The carbon source 14 is supplied in a gas state into the fluidized bed reaction section 23-1, and a uniform reaction is performed by stirring with the fluidized catalyst 21 that is a fluidized material, thereby growing the carbon material. At this time, an inert gas is separately introduced into the fluidized bed reaction section 23-1 as the fluidized gas 22 by the fluidized gas supply device 43 so as to satisfy the predetermined fluidization conditions.

また、触媒を固体状又はガス状態で反応手段内に供給するようにしてもよい。この場合には、触媒供給手段を別途設けるようにすればよい。   Further, the catalyst may be supplied into the reaction means in a solid or gas state. In this case, a catalyst supply means may be provided separately.

そして、300℃から1300℃の温度範囲、より好ましくは400℃から1200℃の温度範囲とし、メタン等の炭素原料を不純物炭素分解物の共存環境下で一定時間触媒に接触することによってカーボン材料を合成している。   The carbon material is brought into contact with the catalyst for a certain period of time in a coexisting environment of impurity carbon decomposition products in a temperature range of 300 ° C. to 1300 ° C., more preferably in a temperature range of 400 ° C. to 1200 ° C. Synthesizing.

上記分離・回収装置52としてサイクロン以外には、例えばバグフィルタ、セラミックフィルタ、篩等の公知の分離手段を用いることができる。   In addition to the cyclone, the separation / collection device 52 may be a known separation means such as a bag filter, a ceramic filter, or a sieve.

また、分離・回収装置52で分離されたカーボン材料生成物24は、付着した触媒を分離するカーボン材料の精製装置55により、ナノ単位のカーボン材料(例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ等)純品56として回収するようにしている。
本実施形態においては、不純物炭素を分解する水分の割合を出口側水分計27で調整するようにしているので、反応器内で触媒の活性を促進させ、触媒の寿命を延ばすことができ、カーボン材料の製造を効率的に行うことができ、この結果大規模な大量生産化を実現することができる。
Further, the carbon material product 24 separated by the separation / recovery device 52 is converted into a nano-unit carbon material (for example, carbon nanotube, carbon nanofiber, etc.) pure product 56 by a carbon material purification device 55 for separating the attached catalyst. To be collected as.
In the present embodiment, the proportion of moisture that decomposes the impurity carbon is adjusted by the outlet-side moisture meter 27, so that the activity of the catalyst can be promoted in the reactor, and the life of the catalyst can be extended. Materials can be manufactured efficiently, and as a result, large-scale mass production can be realized.

本発明では、カーボン材料の大きさはナノ単位のものに限定されるものではなく、すべてのカーボン材料の製造において適用することができる。   In the present invention, the size of the carbon material is not limited to that of a nano unit, and can be applied in the production of all carbon materials.

また、その製造も気流層反応方法、固定層反応方法、移動層反応方法、流動層反応方法など公知のカーボン材料の反応方法に適用することができる。   Further, the production can also be applied to known carbon material reaction methods such as a gas bed reaction method, a fixed bed reaction method, a moving bed reaction method, and a fluidized bed reaction method.

次に、出口側水分濃度を調整することでカーボン材料を製造した一実施例を以下に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
本実施例では、カーボン材料の反応器として、例えば基板上に触媒を配置した固定層反応器を用いた。炭素原料としては、メタン(CH4)を用い、触媒としては、MgOを担体としたFe−Mo系触媒を用いた。そして、反応器の反応温度を例えば750℃において、出口側の水分濃度を770ppm、1500ppm、1800ppm、5200ppm、6800ppmの水分量に調整してカーボンナノチューブを製造し、触媒11の表面から不純物炭素17を分解し、単層カーボンナノチューブの成長を促進させることができた。
Next, although one Example which manufactured the carbon material by adjusting an outlet side moisture concentration is shown below, the present invention is not limited to this.
In this example, as the carbon material reactor, for example, a fixed bed reactor in which a catalyst is arranged on a substrate was used. As the carbon raw material, methane (CH 4 ) was used, and as the catalyst, an Fe—Mo based catalyst using MgO as a carrier was used. Then, at a reaction temperature of the reactor of, for example, 750 ° C., the moisture concentration on the outlet side is adjusted to a moisture content of 770 ppm, 1500 ppm, 1800 ppm, 5200 ppm, 6800 ppm to produce carbon nanotubes. It decomposed and promoted the growth of single-walled carbon nanotubes.

そのときのTEM写真を図6〜10に示すと共に、それに対応するTG/DTG曲線を図13(水分濃度:1500ppm)、図14(水分濃度:1800ppm)、図15(水分濃度:6800ppm)に示す。   The TEM photographs at that time are shown in FIGS. 6 to 10, and the corresponding TG / DTG curves are shown in FIG. 13 (water concentration: 1500 ppm), FIG. 14 (water concentration: 1800 ppm), and FIG. 15 (water concentration: 6800 ppm). .

ここで、カーボンナノチューブを燃焼してその熱重量を計測する手段としては、例えば熱重量分析(Thermogravimetric Analysis:TG)を用いた。前記熱重量分析(TG)は、カーボンナノチューブを100%燃焼させる場合における温度(℃)と熱重量分析(%)との関係を示すものであり、その燃焼曲線をTG曲線ともいう。またこのTG曲線を微分したのをDTG曲線といい、温度と示差熱重量分析(μg/秒)との関係を示すものである。   Here, for example, thermogravimetric analysis (TG) was used as a means for burning the carbon nanotubes and measuring the thermogravimetry thereof. The thermogravimetric analysis (TG) shows the relationship between the temperature (° C.) and the thermogravimetric analysis (%) when the carbon nanotubes are burned 100%, and the combustion curve is also called a TG curve. The differentiated TG curve is called a DTG curve, which shows the relationship between temperature and differential thermogravimetric analysis (μg / sec).

なお、比較として、出口側水分濃度が230ppm、10400ppmの場合を示した。そのときのTEM写真を図11〜12に示すと共に、TG/DTG曲線を図16(230ppm)に示す。出口側水分濃度が230ppmの場合にはカーボンナノチューブが出来なかった。また、出口側水分濃度が10400ppmの場合にはカーボンナノチューブの生成量が極めて少なかった。   For comparison, the case where the outlet water concentration was 230 ppm and 10400 ppm was shown. The TEM photographs at that time are shown in FIGS. 11 to 12, and the TG / DTG curve is shown in FIG. 16 (230 ppm). Carbon nanotubes could not be formed when the outlet water concentration was 230 ppm. In addition, when the outlet water concentration was 10400 ppm, the amount of carbon nanotubes produced was very small.

これにより、所定の出口の水分濃度(例えば770〜6800ppm)であれば、10分間あたり、長さ約2.5mmの単層カーボンナノチューブを成長することができた。   Thus, single-walled carbon nanotubes having a length of about 2.5 mm could be grown for 10 minutes at a predetermined outlet moisture concentration (for example, 770 to 6800 ppm).

触媒反応を水によって促進させた結果、非常に密度が高く、しかも長さが飛躍的に成長した単層カーボンナノチューブの森(単層カーボンナノファイバがあたかも森林のように密集して生育しているような状態)を認めた。また、生成物からは触媒を容易に除去することができ、触媒除去後のカーボンナノチューブの純度は99.98%以上であった。   As a result of promoting the catalytic reaction with water, the single-walled carbon nanotube forest is very dense and drastically grown in length (single-walled carbon nanofibers grow as densely as a forest Such a state). In addition, the catalyst could be easily removed from the product, and the purity of the carbon nanotubes after removal of the catalyst was 99.98% or more.

[試験例]
次に、入口側水分濃度、反応途中の水分濃度及び出口側水分濃度を計測して、水分濃度と生成炭素量との関係を試験した。
[Test example]
Next, the inlet side moisture concentration, the moisture concentration during the reaction, and the outlet side moisture concentration were measured, and the relationship between the moisture concentration and the amount of produced carbon was tested.

本実施例では、カーボン材料の反応器として、例えば基板上に触媒を配置した固定層反応器を用いた。炭素原料としては、メタン(CH4)を用い、触媒としては、MgOを担体としたFe−Mo系触媒を用いた。そして、反応器の反応温度を例えば750℃において、入口側の水分濃度をCH420%の場合570ppm、3000ppm、4400ppm、3200ppm、4050ppm、4700ppm、4900ppm、5000ppm、6000ppm、7000ppm、12000ppmに調整すると共に、CH480%の場合3000ppm、6000ppm、12000ppm、16000ppmに調整してカーボンナノチューブを製造した。
この結果を図17〜図19に示す。
In this example, as the carbon material reactor, for example, a fixed bed reactor in which a catalyst is arranged on a substrate was used. As the carbon raw material, methane (CH 4 ) was used, and as the catalyst, an Fe—Mo based catalyst using MgO as a carrier was used. When the reaction temperature of the reactor is, for example, 750 ° C. and the moisture concentration on the inlet side is 20% CH 4 , the reactor is adjusted to 570 ppm, 3000 ppm, 4400 ppm, 3200 ppm, 4050 ppm, 4700 ppm, 4900 ppm, 5000 ppm, 6000 ppm, 7000 ppm, 12000 ppm. In the case of 80% CH 4 , carbon nanotubes were prepared by adjusting to 3000 ppm, 6000 ppm, 12000 ppm, and 16000 ppm.
The results are shown in FIGS.

図中、白四角印はCH420%の場合を、黒四角印はCH480%の場合を示す。
図17−1は、入口水分濃度[ppm]と生成炭素(C)/触媒[%]との関係を示し、図17−2は入口S(スチーム)/C(炭素)と生成炭素(C)/触媒[%]との関係を示す。
図18−1は、反応途中の最大出口水分濃度[ppm]と生成炭素(C)/触媒[%]との関係を示し、図18−2は反応途中の最大の出口S(スチーム)/C(炭素)と生成炭素(C)/触媒[%]との関係を示す。
図19−1は、反応最終の出口水分濃度[ppm]と生成炭素(C)/触媒[%]との関係を示し、図19−2は反応最終の出口S(スチーム)/C(炭素)と生成炭素(C)/触媒[%]との関係を示す。
In the figure, white square marks indicate the case of CH 4 20%, and black square marks indicate the case of CH 4 80%.
FIG. 17-1 shows the relationship between the inlet water concentration [ppm] and the produced carbon (C) / catalyst [%], and FIG. 17-2 shows the inlet S (steam) / C (carbon) and the produced carbon (C). / The relationship with the catalyst [%] is shown.
FIG. 18-1 shows the relationship between the maximum outlet moisture concentration [ppm] during the reaction and the produced carbon (C) / catalyst [%], and FIG. 18-2 shows the maximum outlet S (steam) / C during the reaction. The relationship between (carbon) and produced carbon (C) / catalyst [%] is shown.
FIG. 19-1 shows the relationship between the final outlet moisture concentration [ppm] and the produced carbon (C) / catalyst [%], and FIG. 19-2 shows the final outlet S (steam) / C (carbon). And carbon (C) / catalyst [%].

試験の結果より、入口水分濃度が12000ppm以下の場合に炭素の生成が良好であった。この際、反応途中の最大の水分濃度は約32000ppmであった。また、反応最終の出口水分濃度は約7300ppm以下の場合に炭素の生成が良好であった。   From the results of the test, the carbon generation was good when the inlet water concentration was 12000 ppm or less. At this time, the maximum water concentration during the reaction was about 32000 ppm. Further, when the outlet water concentration at the end of the reaction was about 7300 ppm or less, the production of carbon was good.

以上のように、本発明に係るカーボン材料の製造方法は、不純物炭素を分解する不純物炭素分解物の割合を反応器内において制御することで、触媒の活性を促進させ、触媒の寿命を延ばすことができ、カーボン材料の製造を効率的に行うことができ、大規模なカーボン材料の大量生産化を実現することができる。   As described above, the method for producing a carbon material according to the present invention promotes the activity of the catalyst and extends the life of the catalyst by controlling the ratio of the impurity carbon decomposition product that decomposes the impurity carbon in the reactor. Carbon material can be efficiently manufactured, and mass production of a large-scale carbon material can be realized.

第1実施形態に係るカーボン材料の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of the carbon material which concerns on 1st Embodiment. 不純物炭素を分解する分解のメカニズムの概略図である。It is the schematic of the mechanism of decomposition | disassembly which decomposes | disassembles impurity carbon. 第2実施形態に係るカーボン材料の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of the carbon material which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係るカーボン材料の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of the carbon material which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係るカーボンナノファイバを製造する装置の具体例の概略図である。It is the schematic of the specific example of the apparatus which manufactures the carbon nanofiber which concerns on 4th Embodiment. 本発明品(出口水分濃度770ppm)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the product of the present invention (exit water concentration 770 ppm). 本発明品(出口水分濃度1500ppm)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the product of the present invention (exit water concentration 1500 ppm). 本発明品(出口水分濃度1800ppm)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the product of the present invention (exit water concentration 1800 ppm). 本発明品(出口水分濃度5200ppm)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the product of the present invention (exit water concentration 5200 ppm). 本発明品(出口水分濃度6800ppm)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the product of the present invention (exit water concentration 6800 ppm). 比較品(出口水分濃度230ppm)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a comparative product (exit water concentration 230 ppm). 比較品(出口水分濃度10400ppm)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a comparative product (exit water concentration 10400 ppm). 本発明品(出口水分濃度1500ppm)のTG/DTG曲線図である。It is a TG / DTG curve diagram of the product of the present invention (exit water concentration 1500 ppm). 本発明品(出口水分濃度1800ppm)のTG/DTG曲線図である。It is a TG / DTG curve diagram of the product of the present invention (exit water concentration 1800 ppm). 本発明品(出口水分濃度6800ppm)のTG/DTG曲線図である。It is a TG / DTG curve diagram of the product of the present invention (exit water concentration 6800 ppm). 比較品(出口水分濃度230ppm)のTG/DTG曲線図である。It is a TG / DTG curve diagram of a comparative product (exit water concentration 230 ppm). 入口水分濃度[ppm]と生成炭素(C)/触媒[%]との関係図である。It is a relationship diagram of inlet water concentration [ppm] and produced carbon (C) / catalyst [%]. 入口S(スチーム)/C(炭素)と生成炭素(C)/触媒[%]との関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram of inlet S (steam) / C (carbon) and produced carbon (C) / catalyst [%]. 反応途中の最大出口水分濃度[ppm]と生成炭素(C)/触媒[%]との関係図である。It is a relationship diagram of maximum outlet water concentration [ppm] in the middle of reaction and produced carbon (C) / catalyst [%]. 反応途中の最大の出口S(スチーム)/C(炭素)と生成炭素(C)/触媒[%]との関係図である。It is a relationship diagram of the largest exit S (steam) / C (carbon) in the middle of reaction, and produced | generated carbon (C) / catalyst [%]. 反応最終の出口水分濃度[ppm]と生成炭素(C)/触媒[%]との関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram between the final outlet moisture concentration [ppm] and the produced carbon (C) / catalyst [%]. 反応最終の出口S(スチーム)/C(炭素)と生成炭素(C)/触媒[%]との関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram of the final reaction outlet S (steam) / C (carbon) and produced carbon (C) / catalyst [%]. カーボン材料の生成における不純物発生の模式図である。It is a schematic diagram of the impurity generation in the production | generation of a carbon material.

符号の説明Explanation of symbols

14 炭素源(C源)
21 流動触媒
22 流動ガス
23 流動層反応器
24 カーボン材料生成物
25 水分濃度調整装置
27 出口側水分計
14 Carbon source (C source)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Fluid catalyst 22 Fluid gas 23 Fluidized bed reactor 24 Carbon material product 25 Moisture concentration adjusting device 27 Outlet side moisture meter

Claims (4)

炭素原料を用いてカーボン材料を反応器により製造するカーボン材料の製造方法において、
カーボン材料の成長の際に発生する不純物炭素を分解する水分の反応器出口濃度が、770ppm以上10000ppm以下となるように制御しつつカーボン材料を製造することを特徴とするカーボン材料の製造方法。
In the method for producing a carbon material in which a carbon material is produced by a reactor using a carbon raw material,
A method for producing a carbon material, comprising producing a carbon material while controlling a concentration at a reactor outlet of moisture that decomposes impurity carbon generated during the growth of the carbon material to be 770 ppm or more and 10,000 ppm or less .
請求項1において、
前記水分の反応器入口濃度が12000ppm以下となるように制御しつつカーボン材料を製造することを特徴とするカーボン材料の製造方法。
Oite to claim 1,
A method for producing a carbon material, comprising producing a carbon material while controlling the concentration of moisture at a reactor inlet to be 12000 ppm or less.
請求項1又は2において、
前記カーボン材料が、ナノカーボンであることを特徴とするカーボン材料の製造方法。
In claim 1 or 2 ,
The method for producing a carbon material, wherein the carbon material is nanocarbon.
請求項において、
前記ナノカーボンが、単層又は多層のカーボンナノチューブ、フィッシュボーンタイプ又はプレートレットタイプのカーボンファイバーであることを特徴とするカーボン材料の製造方法。
In claim 3 ,
The method for producing a carbon material, wherein the nanocarbon is a single-walled or multi-walled carbon nanotube, a fishbone-type or platelet-type carbon fiber.
JP2006116111A 2006-04-19 2006-04-19 Method for producing carbon material Active JP5066828B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006116111A JP5066828B2 (en) 2006-04-19 2006-04-19 Method for producing carbon material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006116111A JP5066828B2 (en) 2006-04-19 2006-04-19 Method for producing carbon material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007284317A JP2007284317A (en) 2007-11-01
JP5066828B2 true JP5066828B2 (en) 2012-11-07

Family

ID=38756441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006116111A Active JP5066828B2 (en) 2006-04-19 2006-04-19 Method for producing carbon material

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5066828B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101049927B (en) * 2007-04-18 2010-11-10 清华大学 Method for producing Nano carbon tubes continuously and equipment
KR102388564B1 (en) 2017-07-03 2022-04-20 에스케이이노베이션 주식회사 Carbon nanotube synthesis in a fluidized bed reactor

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3816017B2 (en) * 2002-03-27 2006-08-30 大阪瓦斯株式会社 Tubular carbon material production apparatus, production equipment, and carbon nanotube production method
US7854991B2 (en) * 2004-07-27 2010-12-21 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Single-walled carbon nanotube and aligned single-walled carbon nanotube bulk structure, and their production process, production apparatus and application use
JP2006342040A (en) * 2005-05-09 2006-12-21 Kumamoto Univ Cylindrical molecular structure, its producing method, pretreated substrate and its producing method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007284317A (en) 2007-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nhut et al. Synthesis and catalytic uses of carbon and silicon carbide nanostructures
KR101785593B1 (en) Method for simultaneously producing carbon nanotubes and hydrogen, and device for simultaneously producing carbon nanotubes and hydrogen
US9102525B2 (en) Process for producing carbon nanotubes
Hsieh et al. Parameter setting on growth of carbon nanotubes over transition metal/alumina catalysts in a fluidized bed reactor
Yeoh et al. Synthesis of high purity multi-walled carbon nanotubes over Co-Mo/MgO catalyst by the catalytic chemical vapor deposition of methane
Nasibulin et al. Carbon nanotube synthesis from alcohols by a novel aerosol method
JP2006306636A (en) Method for refining nanocarbon material and nanocarbon material
Xu et al. One-step preparation of highly dispersed metal-supported catalysts by fluidized-bed MOCVD for carbon nanotube synthesis
JP4064759B2 (en) Carbon nanofiber manufacturing apparatus and method
JP2007070166A (en) Method and apparatus for producing raw material gas for producing carbon nanomaterial
JP2006232595A (en) Apparatus for and system of producing nanocarbon material
Jiménez et al. Pilot plant scale study of the influence of the operating conditions in the production of carbon nanofibers
JP2006231107A (en) Catalyst for manufacturing nanocarbon material, catalyst fine particles, manufacturing method of catalyst for manufacturing nanocarbon material
JP5066828B2 (en) Method for producing carbon material
JP4949794B2 (en) Method for producing catalyst for producing nanocarbon material
JP2006231247A (en) Catalyst for producing nanocarbon material, catalyst particulate, method for producing catalyst for producing nanocarbon material and carbon material production system
JP2004076196A (en) Method and apparatus for producing carbon nanofiber
JP4604223B2 (en) Carbon material manufacturing method and manufacturing apparatus thereof
JP4551240B2 (en) Catalyst for producing nanocarbon material, method for producing the same, and apparatus for producing nanocarbon material
JP5422625B2 (en) Method for producing nanocarbon material
Liu et al. Industrially scalable process to separate catalyst substrate materials from MWNTs synthesised by fluidised-bed CVD on iron/alumina catalysts
Li et al. Surface energetics of carbon nanotubes–based nanocomposites fabricated by microwave-assisted approach
Zhao et al. Physical activation and characterization of multi-walled carbon nanotubes catalytically synthesized from methane
JP4511972B2 (en) Nanocarbon material production carrier, method for producing the carrier, nanocarbon material production apparatus
JP2007145678A (en) Method for producing nanocarbon material

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080815

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20101216

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110920

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111121

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120710

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120730

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150824

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5066828

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250