KR100529514B1 - 카본을 함유하는 공급원료를, 규정된 나노구조를 가지는탄소 함유 물질로 전환시키는 장치 및 방법 - Google Patents

카본을 함유하는 공급원료를, 규정된 나노구조를 가지는탄소 함유 물질로 전환시키는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전기 에너지로 플라즈마 가스를 생성하고; 플라즈마 가스를, 플라즈마 가스 유동방향을 따라 좁아지는 지름을 가진 벤투리관을 통하도록 유도하고; 플라즈마 가스를 반응영역으로 유도하며, 이 반응영역에서는 공기역학적 힘과 전자기력에 의해 생성되는 우세한 유동조건(prevailing flow condition)아래에서, 공급원료 또는 생성물이 플라즈마 생성영역으로 현저하게 재순환되지 않게 하고; 공급원료를 반응영역내의 플라즈마 가스 속으로 분사하고; 반응영역으로부터 반응 생성물을 회수하고; 다른 반응 생성물로부터 카본블랙 또는 탄소 함유 합성물을 분리하는 단계를 포함하는, 카본을 함유하는 공급원료를 전환시킴으로서, 카본블랙 또는 카본 함유 합성물을 제조하는 것을 특징으로 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

카본을 함유하는 공급원료를, 규정된 나노구조를 가지는 탄소 함유 물질로 전환시키는 장치 및 방법{Device and method for converting carbon containing feedstock into carbon containing materials, having a defined nanostructure}
본 발명은, 카본(carbon)을 함유하는 공급원료(feedstock)를, 카본블랙 (carbon black) 또는 다른 카본 함유 물질, 특히 규정된 나노구조 (defined nanostructure)를 가지는 물질로 전환시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
카본블랙의 99% 이상은 현재 불완전 연소과정에 의해 만들어 진다. 가장 주된 과정은 60년 전 개발된 용광로 방법(furnace process)이다. 다른 방법들은 도관(channel), 열(thermal) 및 램프(lamp)방법이 있다. 이 모든 공업적 방법들은, 공급원료 또는 원재료(raw material)의 약 40~60%에 대한 연소에 의해 특징지어지며, 이는 공급원료들의 나머지 부분을 열분해 하기에 필요한 열을 생성하기 위한 것이다. 비록 현재 100개 이상의 다른 등급의 카본블랙이 상업적인 제조업자에 의해 제시되고 있고, 각 등급은 특정한 적용에 적합하게 하기 위해 설계된, 다양한 요구조건과 특성들을 가지지만, 화학적 방법(화학조성, 유효에너지)에 의해서는 새로운 물질의 제조는 제한 받고 있다.
해마다 전세계적으로 약 6,000,000 MT의 카본블랙이 생산되고 있다. 공급원료로 사용되는 원재료는, 저급물질을 위한 디캔트 오일(decant oil)(타이어 제조), 열분해 연료유(pyrolysis fuel oil; PFO) 및 콜타르 추출물(coal tar distillates)이다. 카본블랙을 생산하기 위해 사용되는 12,000,000 MT의 오일로부터 유발되는 대기오염물질은, 22,000,000 MT의 CO2 및 수백만 MT의 SOX와 NOX 이다. 주로 배터리 제조에 사용되는 40,000 MT의 고 등급 카본블랙을 만들기 위해서 아세틸렌의 자기분해(self-decomposition)가 행해진다.
주 에너지원으로서의 전기 플라즈마(electrical plasma)에 기반을 둔 대체 기술은, DC 카본 전극 플라즈마 생성기에 기초를 둔 공업적인 규모로 개발되었다. PCT/NO92/00196와 PCT/NO96/00167는 그러한 플라즈마 반응기(reactor)를 공개하고 있다. 이러한 공개에 의하면 수소는 주된 생성물이고 카본물질은 파생적인 생성물이다. 그 방법에 의해 상업적인 이익을 가진 카본블랙을 생성할 수 있다는 증거는 있지 않다.
PCT/EP94/00321는 교류전류를 전극(electrode)에 가함으로서 합성아크 (compound arc)를 만드는, 3개의 전극을 가진 플라즈마 반응기를 공개하고 있다. 공급원료는 아크영역을 통과하며 반응기에 공급된다. 이러한 선행기술에 따르면, 반응영역은 아크영역 바로 아래 또는 인근에 위치하며, 이 반응영역 내에서 공급원료가, 규정된 나노구조를 가진 카본 합성물, 즉 카본블랙으로 전환된다. 공급원료는 최소한 부분적으로 아크영역을 순환한다. 이러한 방법에 의해 생성된 카본블랙은 다양한 열처리에 기인한 카본물질들의 혼합물이다. 이 방법은 다른 카본블랙 물질들의 생성을 허용한다.
도1은 본 발명에 따른 반응기의 구성을 도시한 평면도.
도2는 도1의 반응기 상단부의 상세 단면도.
본 발명의 목적은, 공급원료의 높은 전환 효율 및 재생 가능한 생성물의 품질을 얻기 위해, 작동조건(operating condition) 및 방법 파라미터(process parameter)의 제어를 통해 명확한 특성을 가진 카본블랙을 만드는 방법과 장치를 제공하는 데 있다.
이 목적은, 본 발명의 청구범위에 규정된 방법과 장치에 의해 달성된다. 더 나아가 새로운 카본블랙은 본 발명의 또 다른 실시예이다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속항에 기재되어 있다. 본 발명의 특징들은 후술할 내용, 특정한 실시예 및 도면에 기술되어 있으며, 이들의 조합 또는 부조합은 추가적인 실시예를 구성한다.
본 발명은, 명확한 특성을 가진 카본블랙의 생산을 위한 작동조건의 제어를 허용하고, 공급원료와 다른 생성물이 아크영역으로 순환하는 것을 방지하여, 명확하고 일관성 있게 재생 가능한 특성을 가진 카본블랙물질을 생성하게 한다. 특히 벤투리관(venturi)은 더 좋은 반응온도 제어와, 낮은 온도영역(반응영역)에서의 더 효율적인 혼합을 가능하게 하며, 이 반응영역에서는 카본블랙이 생성된다.
본 발명의 중요한 이점은 카본을 포함하는 공급원료 모두를, 실용적으로 이용할 수 있는 가능성이다. 특히, 낮은 연소 엔탈피(예를 들어 80 BMCI이하)를 가지는 원료가 공급원료로 이용될 수 있으며, 여기에는 타이어 열분해로부터 나오는 재생유(recycling oil)가 포함된다.
본 발명의 바람직한 방법은, 플라즈마 가스가 전기아크를 통과하게 함으로서 플라즈마를 만드는 단계; 플라즈마 가스를, 관의 지름이 플라즈마 가스의 흐름방향에 따라 좁아지는 쓰로트(throat)를 가진 벤투리관 영역을 통과하게 하거나 유도하는 단계; 플라즈마 가스를, 벤투리관 영역의 쓰로트보다 더 큰 지름을 가지는 반응영역으로 통과하게 하거나 유도하는 단계; 벤투리관 영역 하류(벤투리관 영역의 쓰로트를 통과한 후의 영역)에 있는 반응영역에서, 플라즈마 가스 속으로 공급원료를 분사하는 단계; 반응 생성물을 반응영역으로부터 추출하는 단계; 카본블랙을 회수하는 단계를 포함한다. 또한, 공급원료를 벤투리관의 쓰로트 및/또는 약간 윗부분에 분사하는 것도 가능하다.
다른 반응 생성물로부터 분리된 카본블랙은 규정된 나노구조를 가진다. 이 나노구조 형태와 짜임새는 작동조건에 달려있다.
플라즈마 가스는 반응기 공간에 분사되며, 반드시 플라즈마 아크를 통과할 필요는 없다. 바람직한 실시예에서, 전기 아크는 최소한 3개의 전극에 의해 생성된 합성아크다. 바람직하게는 전극은 그래파이트(graphite)로 된 전극이고, 아크는 충분한 교류전원을 전극에 연결함으로서 생성되는 것이다. 전류 주파수(current frequency)는, 전통적인 전력원(50~60Hz)을 사용하는 그리드(grid) 주파수가 될 수 있거나 또는 고주파수 파워 스위칭 소스(high frequency power switching source)를 사용하여 더 높은 주파수가 될 수 있다. 특히 수소를 플라즈마 가스로서 사용할 때에는, 주파수의 증가가 아크의 안정성을 증가시키는데 적절할 수 있다. 이러한 경우, 바람직하게는 전류 주파수는 500Hz~10kHz사이에 포함될 수 있다.
바람직하게는 벤투리관 영역은 그래파이트 원료로 만들어지며, 원뿔형태를 가진다. 바람직하게는 벤투리관의 하류 쪽은 엣지(edge)로 형성되며, 따라서 급격한 팽창영역(expanding zone)을 만든다. 쓰로트와 팽창영역 사이의 엣지는 플라즈마 가스의 부피를 급격하게 팽창시킨다. 이것은 카본 함유 물질이 벤투리관 출구의 상류영역(특히 플라즈마 형성 영역;아크영역)으로 역류하는 것을 방지하기 위한 바람직한 수단이다. 또한 팽창영역은, 플라즈마 유동과 공급원료 사이의 혼합 효율을 증가시키고, 균등혼합(homogeneous mixture) 및 개선된 반응온도 제어를 달성하기 위해, 고 난류 영역(high turbulence zone)을 생성한다.
공급원료는, 메탄, 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔을 포함하는 C4-탄화수소, 경유(light oil), 중유(heavy oil), 폐유(waste oil) 및/또는 열분해 연료유(PFO)뿐만 아니라, 카본을 포함하는 다른 원료를 포함하거나 이들로 구성될 수 있다. 바람직하게는 기본적으로 산소 또는 산소 함유 원료는, 아크나 반응기에 분사되지 않는다. 분자 속에 제한된 양의 산소(예를 들어 산소/카본의 원자비가 1/6 이하인 경우)를 함유하는 공급원료가 사용되어 질 수 있다.
바람직하게는 플라즈마 가스는, 아크를 직접적으로 통과하게 하기 위해 전극 위 축방향으로 분사된다. 바람직하게는 플라즈마 가스 그 자체가, 수소, 질소, 탄소 일산화물, 아르곤, 헬륨 또는 적당한 다른 가스뿐만 아니라, 이들의 혼합물(예를 들어 50vol% 이하의 일산화탄소와 수소의 혼합물)을 포함하거나 이들로 구성될 수 있다. 기본적으로 폐가스(off-gas)는, 플라즈마 가스 성분 외에 독자적으로 수소, 메탄, 아세틸렌 및 에틸렌을 함유하고 있고, 그에 따라 상대적으로 탄화수소 공급원료에 대해 독립적이다. 만일 산소 합성물(oxygen compounds)이 사용된다면 약간의 일산화탄소와 극소량의 이산화탄소가 폐가스에 함유된다.
바람직하게는 폐가스의 일부는 재순환되어, 플라즈마 가스로서 이용된다. 만일 기본적으로, 재순환된 폐가스가 단독으로 수소와 미량의 탄화수소로 구성되어 있다면, 이것은 특히 이롭다.
바람직하게는 반응영역에서의 온도는, 플라즈마 가스 유동률, 전기 에너지 및 공급원료 유동률을 조절함으로서 900~3000℃의 범위 내에서 제어된다.
공급원료는 최소한 1 개, 바람직하게는 2~5개의 분사장치를 통해 분사된다. 이 분사장치들은 반응영역의 원주 주위에 일정하게 분배되어 배열될 수 있다. 공급원료의 분사는, 와류(vortex-like flow)를 생성시키기 위해, 플라즈마 가스 유동의 중심에 대한 반지름 방향 또는, 반응영역 또는 플라즈마 가스 유동 영역 외부로의 실질적인 접선방향 및/또는 축방향 분사를 함께 할 수 있다. 분사율은, 고온의 플라즈마 가스 유동 및 공급원료의 성질에 따라, 원하는 반응온도로 조정된다. 바람직한 범위는 공급원료 내의 카본 1kg당 플라즈마 가스 1~10kWh이다.
본 발명의 방법은 산소의 사용 없이 행해질 때, 반응 생성물이 특별히 좋은 품질을 가진다.
본 발명의 방법에 관한 하나의 실시예에서, 카본블랙과 수소는 유용한 생성물로서 생성된다. 본 발명의 방법은 다양한 생성물의 생성을 허용한다.
바람직하게는 본 발명에 의한 방법은, 플라즈마 내에서 카본을 포함하는 공급원료를, 규정된 나노구조를 가지는 카본 합성물로 전환시키기 위하여,
(1) 최소한 2개의 전극 및 플라즈마 가스 공급기(plasmagas supply)를 포함하는, 충분한 전력이 공급될 때 전극들 사이에서 전기 아크를 생성하여 아크영역을 생성하는 헤드부(head portion);
(2) 벤투리관 부분(venturi portion); 및
(3) 최소한 1개의 공급원료 분사장치를 포함하는 반응챔버(reaction chamber)를 포함하는 챔버를 포함하는 반응기에서 행해지며, 상기 반응챔버 내에서 벤투리관 부분은 아크영역과 공급원료 분사장치 사이에 위치하고, 반응챔버를 향하여 점차 좁아진다.
바람직하게는 반응기는 원통형이다. 바람직하게는 챔버 자체(최소한 챔버의 내부표면)는 그래파이트 함유 물질로부터 만들어 질 수 있다.
본 발명에 의한 방법으로 나노구조의 카본물질을 만들 때, 반응 생성물의 구조와 품질은 전적으로 방법 매개변수, 그 중에서도 주로 반응 온도 및 체재시간 (residence time)에 달려 있으며, 놀랍게도 공급원료와는 완전히 별개라는 것이 발견된다. 이것이 메탄 또는 폐유조차도, 규정된 나노구조를 가진 고품질의 카본물질을 생성하기 위해 사용될 수 있는 이유이다.
또한 본 발명은 새로운 카본블랙을 제공한다. 이 카본블랙은 질소 표면적(nitrogen surface area)과 CTAB 표면적(CTAB surface area)사이의 소극적인 차이(negative difference; 일반적으로 다공성(porosity)이라 불린다)를 가지는 점 및 1.9이하(바람직하게는 1.8이하이고, 특별하게는 1.5~1.9g/cm3사이)인 고유밀도 (intrinsic density)에 의해 특징지어진다. 따라서, N2SA < CTAB SA 이며,
특히 -20 m2/g ≤N2SA-CTAB SA < 0 m2/g 이다.
바람직한 카본블랙은, 5~100 m2/g의 질소표면적 및 30~300 ml/100g의 DBP흡수(DBP absorption)를 가진다.
새로운 카본블랙은 낮은 밀도를 가지는 이점을 가진다. 예를 들어 타이어 적용에 있어서, 이는 카본블랙의 필요한 무게감소 및 최종적인 고무제품에 있어서의 전체적인 무게감소를 유발시킨다. 새로운 카본블랙의 다른 적용은 건전지 전극(dry cell electrode)에서 볼 수 있다.
여기서 청구되고 도시된 카본블랙의 다양한 특성은 다음의 표준절차를 따름으로서 측정될 수 있다.
질소 표면적 : ASTM D3037-93;
CTAB SA : ASTM D3765-92;
DPB 흡수 : ASTM D2414-93;
CDBP 흡수 : ASTM D3493;
크실렌(Xylene)에 의한 고유밀도 : DIN 12797;
(15torr에서의 2.5 g 카본블랙)
요오드 번호 (Iodine number) : ASTM D 1510;
황 함유량(Sulfur content) : ASTM D 1619;
회 함유량(Ash content) : ASTM D1506;
pH : ASTM D1512;
톨루엔 변색(Toluene discoloration) : ASTM D1618;
더 나아가 본 발명의 바람직한 특성 및 실시예는 후술되며, 본 발명의 반응기에 대한 바람직한 실시예를 보여주는 도1 및 도2를 참조한다.
도1은 청구된 방법을 수행하기 위한 완전한 반응기 셋업(set-up)을 도식적으로 도시하고 있다.
도2는 도1에 도시된 반응기 상단부의 상세도이다.
도1은, 원통형의 반응챔버(2)를 포함하는 반응기(1)를 도시하고 있고, 내부 벽은 그래파이트로 이루어져 있다. 반응기의 헤드부(3)는 상단 끝부분을 나타낸다. 헤드부(3)에 장착되어 있는 3개의 전극(8)은, 3상 교류전류를 보낼 수 있는 전원장치(4)에 연결되어 있다. 전류 주파수는 네트워크 주파수(50~60Hz) 또는 더 높은 주파수가 될 수 있다. 반응챔버(2)의 하단 끝부분은, 반응 생성물이 반응기로부터 제거되어 지는 추출수단(extraction means)(5)에 연결되어 있다. 이것들은 표준 분리 수단(standard separation means)(6)으로 안내된다. 예를 들면 집진장치(cyclone) 및/또는 필터(filter)에서 카본블랙은 수소 및 다른 반응 생성물로부터 분리된다.
더 상세화된 반응챔버(2)의 상단부는 도2에 도시되고 있다. 플라즈마 가스, 바람직하게는 수소, 질소, 일산화탄소, 아르곤 또는 이들의 혼합물은, 입구(7)를 경유하여 헤드부(3)의 중심을 통과하여 반응챔버(2)로 공급된다. 플라즈마 가스 유동률은, 플라즈마 가스의 성질 및 전력에 따라 단위전력(kW)당 0.001~0.3 Nm3.h-1 로 조정된다. 전원(4)에 연결된 3개의 그래파이트 전극(8)(도2에서는 2개가 도시된다)은 헤드부(3)에 장착되어 있다. 이 전극들의 팁(tip)은, 충분한 전력원이 전극에 연결되어 있을 때, 플라즈마 가스의 존재하에 전기적 합성아크를 점화시키기에 충분하도록 밀접하게 위치하고 있다. 그 결과로서 플라즈마가 아크영역(9)내에서 생성된다. 이 플라즈마의 온도는, 플라즈마 가스 유동 및 전극(8)에 공급되는 전원에 의해 제어될 수 있다. 아크영역은 창문(opening;15)를 통해 시각적으로 제어된다. 이것은 온도 및/또는 반응영역으로 흐르는 플라즈마 가스 유동량의, 자동제어를 허용한다.
아크영역(9) 아래의, 그래파이트로 만들어진 벤투리관 요소(11)는 반응기(1)의 내부에 위치한다. 플라즈마 가스의 유동속도는 좁은 통로 즉, 벤투리관 요소(11)의 쓰로트(20)를 통과할 때 증가된다.
벤투리관의 하단 끝부분은, 연속적으로 넓어지는 부분으로 형성되어 있지 않고 날카로운 엣지로 형성되어 있기 때문에, 플라즈마 가스는 벤투리관 요소(11)를 지난 후에 갑자기 팽창하는 반응영역(10)에 들어간다. 공급원료가, 벤투리관(11)의 바로 아래의, 반응챔버(2)의 벽(12)내에 위치한 분사기(13)를 통해 반응영역(10)속으로 분사된다. 벤투리관 이후에서의 공급원료의 분사는, 플라즈마 가스와 공급원료간의 혼합을 돕는다.
바람직하게는, 공급원료는 2~5개의 분사기(13)에 의해, 직접적으로 또는 반응영역(10)의 중심에 대한 반지름 방향으로 분사된다. 대안적으로는, 공급원료는, 더 접선방향으로 즉, 반응영역(10)의 중심과 벗어나거나 정 또는 역유동(co or contra-flow)과 어떤 각도를 가지고 분사할 수 있다.
제어하기에 필요한 에너지는, 반응방법, 유동률 및 공급원료의 성질에 달려있으며, 플라즈마 가스 온도 및/또는 플라즈마 가스 유동과, 전원(4)에 의해 전극(8)에 공급되는 전력에 의해 제어된다.
바람직하게는, 압력은 산소의 내부유출(inleaking)방지를 위해 대기압보다 약간 크다. 입력 에너지(플라즈마 유동과 전력)가 충분히 클 때, 카본수율(收率; carbon yield)은 100%에 도달할 수 조차 있다. 카본블랙 구조는 소량의 알카리염의 분사에 의해 감소될 수 있다. 또한 일반적으로 소멸영역(quench zone)이 사용될 수 있고, 이 소멸영역에서는 메탄 또는 다른 적절한 소멸원료(quench materials)가 분사될 수 있다.
산소의 분사 없는 방법이 행해지는 경우에는, 카본 함유 원료를 규정된 나노구조를 가지는 카본으로 전환시키는 외에, 양질의 수소 또한 유용한 반응 생성물이다. 따라서 이 수소는 분리될 수 있다. 카본 화합물(특히 카본블랙) 및 수소의 생성이 관찰될 때, 메탄 또는 천연가스는 특별히 눈에 뜨이는 공급원료이다. 더 나아가 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌 부탄 및 부틸렌은 유용한 공급원료의 예이다.
다음에서 본 발명의 더 바람직한 특성, 특성의 조합 및 실시예가 설명되어 있다.
도1과 도2에서 보여지는 것처럼 실시예들은, 실질적으로 반응기 셋업으로 행해졌다. 263kVA의 최대전력 및 400A이하의 전류범위를 가진, 666Hz이하의 3상전원을 쓰는 플라즈마 전원장치가 3개의 그래파이트 전극들에 전기를 공급하기 위해 사용되었으며, 이 그래파이트 전극들은 이등병삼각형(isosceles)의 꼭지점(apices)에서 팁을 가진다.
실시예1:
전술된 반응기에서, 플라즈마가 9 Nm3.h-1의 질소유동에서 생성되었다. 플라즈마는 200A의 전류에서 작동되었다. 탄화수소 공급원료로서 열분해 연료유(PFO)가 2 kg.h-1의 유동률로 사용되었다. 열분해 연료유는, 0.75~1bar의 압력보다 낮은 탱크로부터, 0.5 bar 압력의 아르곤 담체(擔體; carrier gas) 가스와 함께 반응기로 분사되었다. 분사기는 그래파이트 반응기 벽의 2cm 안쪽에 위치하였다. 형성된 카본블랙은 주필터와 보조필터에서 제거되었다.
실시예2:
이 실시예에서는 공급원료로서 0.56 Nm3.h-1의 에틸렌이 사용되었다. 사용된 플라즈마는, 다시 200A에서 9 Nm3.h-1의 질소가스를 가진 플라즈마가 되었다. 5분 주기로 행해진 공급원료의 분사를 통해 290g의 카본블랙이 필터에서 얻어졌다.
실시예3:
이 실시예에서는, 조건들은 상기 실시예와 유사했으며, 30분 동안 0.56 Nm3/h의 연속적인 에틸렌의 분사를 하였다.
실시예4:
이 실시예에서는 다시 상기 실시예들의 조건들에 따른 방법조건들이었다. 이 실험에서 에틸렌은 0.56 Nm3.h-1로 16분 동안 분사되었다. 플라즈마 가스 유동은 9 Nm3.h-1의 질소였다.
실시예5:
이 실시예에서는 상기 실시예들의 조건들에 따른 방법조건들이었다. 이 실험에서 메탄은 0.6 Nm3.h-1로 90분 동안 분사되었다. 플라즈마 가스 유동은, 250A의 전류에서 12 Nm3.h-1의 질소였다.
실시예1에서 5까지의 실험에서 얻어진 카본블랙은, 일반적인 특성에 관해 실험되었다. 그 결과는 표1에 나타난다. 모든 실시예에서 카본수율(收率)은 높았다. 100%에 도달하는 것은 항상 가능했다. 예를 들어, 에너지 및 공급원료 유동을 조정함으로서 가능했다.
카본블랙 특성(properties)
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예5
BET(m2/g) 69 75.1 74.6 76 69
CTAB(m2/g) 95.7 90.9
I2(m2/g) 95.2 91.9
DBP(ml/100g) 218 210 224 206 221
CDBP(ml/100g) 94 125 124 127 121
pH 7.5 8.98 8.96 8.86 7.76
Ash (%) 0.08 0.32 0.28
C-yield 100 80 75 85 60
Toluene disc.(%) 72 80 87
Sulfur 0.04 0.036 0.074
또한, 이 발명에서 청구되고, 청구된 장치를 이용하여 청구된 방법을 수행함으로서 얻어진 카본블랙은, 표준고무조성(standard rubber compositions) ASTM3191뿐 아니라 전형적인 전지 전극 적용에서도 시험되었다. 표2에서 6까지는 이 실험에서 나온 데이터를 보여준다.
IRB#7, N-234 및 엔사코(Ensaco)250인 카본블랙은 표준 카본블랙이다. 또한, 이들의 특성은 본 발명에 따른 카본블랙과 비교하기 위하여 나타나 있다. 이들은 실시예A에서 D까지 나타나 있으며, 실시예 D는 표1의 실시예1과 같은 카본블랙이다. 실시예A에서 C까지의 카본블랙은 약간 다른 방법 조건으로 얻어져 왔다.
카본블랙 IRB#7,N-234 Ensaco 250 실시예 A 실시예 B 실시예 C 실시예 D(표1의 실시예1과 동일)
방법 Furnace MMM Plasma Plasma Plasma Plasma
공급원료 Decant,PFO,Coal tar PFO CH4 C8H8 C2H4 PFO
카본블랙 IRB#7 N-234 Ensaco 250 실시예A 실시예B 실시예C 실시예D
질소표면적(m2/g) 80 125 65 65 52 80 69
DBP 흡수 (ml/100g) 102 125 190 157 153 232 218
점도(Viscosity)와 유량계(rheometer) 데이터
카본블랙 IRB#7 N-234 Ensaco 250 실시예 A 실시예 B 실시예 C 실시예 D
ML 1+4 , 100 ℃ 83.6 98.3 103.4 85 73.4 107
유량계 at 160 ℃
최소 토크(dNm) 2.91 3.71 4.11 3.03 2.36 4.34 2.77
최대토크 (dNm) 21.27 26.62 23.42 22.61 19.48 26.59 22.37
토크차△ (dNm) 18.36 22.91 19.31 19.58 17.12 22.25 19.60
T90 (minutes) 14.5 14.96 20 9.34 15.56 9.57 14.21
카본블랙 IRB#7 N-234 Ensaco 250 실시예 A 실시예 B 실시예 C 실시예 D
응력-변형률(Stress-strain) on S2 at 500 mm/min
인장강도(Tensile strength)Mpa 28.5 31.5 25 23.8 20.4 24.7 21.4
계수(Modulus) 100 % (MPa) 3.6 3.5 3.3 3.3 2.6 3.9 3.2
계수200 % (MPa) 10.5 10.3 7.9 8.7 6.4 9.8 7.8
계수300 % (MPa) 19.4 19.8 12.8 14.8 10.9 15.9 13.1
연신률(Elongation at break) (%) 426 443 571 490 551 508 499
쇼어 A(Shore A) 70 72 70 69 64 73 67
리바운드(Rebound )(%) 46.2 41.4 41 47.4 51.3 42.9 51.8
전기저항(Electrical resistivity)(Ohm.cm) 600. 103 240. 103 12.5 1.4 103 106 165. 103
전지 평가*(Battery evaluation*) 카본블랙 실시예4 전지 카본블랙(Battery carbon black)- Super P
오픈 서킷 전압(Open circuit voltage)(V) 1.652 1.654
숏 서킷 전류(Short circuit current) (A) 9 10.7
1.1 V까지 시간 (hours) 7.42 8.53
0.9 V까지 시간(hours) 11.63 12.63
*다음 조성을 가지는 R20 형의 전지:
MnO2 - 50.73 %
NH4Cl - 1.92 %
카본블랙 - 10.79 %
ZnO - 0.64 %
ZnCl2 - 9.27 %
H20 - 26.63 %
HgCl2 - 0.03 %

Claims (15)

  1. 전기 에너지로 플라즈마 가스를 생성하는 단계;
    플라즈마 가스를, 플라즈마 가스 유동방향을 따라 좁아지는 지름을 가진 벤투리관을 통하도록 유도하는 단계;
    공기역학적 힘 및 전자기력에 의해 생성되는 우세한 유동조건(prevailing flow condition)아래에서, 공급원료 또는 생성물이 플라즈마 생성영역으로 현저하게 재순환되지 않는, 반응영역으로 플라즈마 가스를 유도하는 단계;
    공급원료를 반응영역내의 플라즈마 가스 속으로 분사하는 단계;
    반응영역으로부터 반응 생성물을 회수하는 단계;
    다른 반응 생성물로부터 카본블랙 또는 탄소 함유 합성물을 분리하는 단계;
    를 포함하는, 카본을 함유하는 공급원료를 전환시킴으로서 카본블랙 또는 카본 함유 합성물을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 플라즈마 가스를
    최소한 3개의 전극에 의해 생성되는 전기아크에 통과시켜 플라즈마 가스를 생성하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 하기 (1) 내지 (21)을 특징으로 하는 방법:
    (1) 플라즈마가, 그래파이트를 포함하는 전극에 의해 생성되는 특징;
    (2) 아크가, 교류전원을 전극에 연결함으로서 생성되는 특징;
    (3) 전류 주파수가 50Hz~10kHz사이에 포함되는 특징;
    (4) 벤투리관이, 그 내부 표면에 그래파이트를 포함하는 특징;
    (5) 벤투리관이 단차진 원뿔(stepped cone)상에서 연속적으로 형성되어 있는 특징;
    (6) 벤투리관 쓰로트로부터 급격히 팽창되는, 하류의 말단부를 가지는 벤투리관이 사용되는 특징;
    (7) 공급원료가, 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 중유, 폐유, 열분해 연료유 중 하나 이상으로부터 선택되고,
    담체가스 및 예열을, 동반 또는 동반하지 않고 공급되는 특징;
    (8) 공급원료가, 카본블랙, 아세틸렌블랙(acetylene black), 써말블랙 그래파이트(thermal black graphite), 코크(coke), 다른 고체 카본원료 중 하나 이상으로부터 선택되며, 담체가스와 함께 분사되는 고체카본원료인 특징;
    (9) 금속촉매가 공급원료에 첨가되는 특징;
    (10) 플라즈마 가스가, 아크영역 안의 아크를 직접 통과하게 하기 위하여 전극의 중심위 축방향으로 분사되는 특징;
    (11) 플라즈마 가스를 생성하는 가스가, 수소, 질소, 아르곤, 일산화탄소, 헬륨 중 하나 이상을 포함하거나 이들로 구성되는 특징;
    (12) 공급원료가 탄화수소이고, 반응영역에서의 온도가 900~3000℃사이인 특징;
    (13) 공급원료가 고체 카본(solid carbon)이고, 반응영역에서의 온도가 3000~5000℃사이인 특징;
    (14) 플라즈마 가스 유동률이, 플라즈마 가스의 성질 및 전력에 따라 kW당 0.001~0.3 Nm3/h으로 조정되는 특징;
    (15) 반응에서 나온 폐가스의 일부가, 최소한 플라즈마 가스를 생성하기 위한 가스의 일부로서 재순환되는 특징;
    (16) 공급원료가 최소한 하나의 분사기를 통해 분사되는 특징;
    (17) 공급원료가 플라즈마 가스 유동의 중심을 향하여 분사되는 특징;
    (18) 공급원료가, 플라즈마 가스 유동의 외부영역으로의, 접선방향 및/또는 반지름 방향 및/또는 축방향 성분으로 분사되는 특징;
    (19) 산소 없이 또는 소량의 산소의 존재하에 방법이 수행되는 특징;
    (20) 구조를 감소시키기 위해서, 첨가 알칼리의 존재하에 방법이 수행되는 특징;
    (21) 카본블랙, 플러렌(fullerenes), 수소, 단일벽 나노튜브(single wall nanotubes), 다중벽 나노튜브(multi-walls nanotubes) 중 하나 이상이 회수되는 특징.
  4. 충분한 전력이 공급될 때, 전극들 사이에서 전기아크를 생성하고, 플라즈마 가스를 생성하기 위해, 가스공급기로부터 나온 가스가 공급되어질 수 있는 영역인 아크영역을 생성하기 위한, 최소한 2개의 전극과 가스공급기를 포함하는 헤드부;
    초크(choke)형상의 벤투리관;
    반응부; 및
    벤투리관이 반응영역을 향해 좁아지고, 그러한 반응영역 속으로의 공급원료 가스를 분사하기 위한, 최소한 1개의 공급원료 분사기를 포함하는, 개방된 유동 전달(open flow communication)을 포함하는 방법들에 관한 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 반응기.
  5. 제4항에 있어서, 실질적으로 원통형 형상의 내부를 가지는 것을 특징으로 하는 반응기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 고온에 노출된 표면이, 그래파이트를 함유하는 내고온성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반응기.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 1.5~5m의 높이 및 20~150cm의 지름을 갖는 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  8. 질소 표면적과 CTAB 표면적 사이의 소극적인 차이(negative difference) 및
    1.9 g/cm3이하의 고유밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 카본블랙.
  9. 제8항에 있어서, 5~150 m2/g의 질소 표면적 및 30~300 ml/100g의 DBP 흡수를 가지는 것을 특징으로 하는 카본블랙.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, -20 m2/g ≤N2SA-CTAB SA < 0 m2/g 의 범위로 한정되는 다공성을 가지는 것을 특징으로 하는 카본블랙.
  11. 제2항에 있어서, 전기아크가 합성아크인 방법.
  12. 제3항에 있어서, Ni, Co 또는 Fe로부터 선택된 금속촉매가 공급원료에 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제3항에 있어서, 공급원료가 2~5개의 분사기를 통해 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제3항에 있어서, 원자량비 1/6 미만의 산소/카본의 존재하에 방법이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제8항에 있어서, 고유밀도가 1.5~1.8 g/cm3 범위인 것을 특징으로 하는 카본블랙.
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Families Citing this family (64)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2385802C (en) 2002-05-09 2008-09-02 Institut National De La Recherche Scientifique Method and apparatus for producing single-wall carbon nanotubes
DE10312494A1 (de) * 2003-03-20 2004-10-07 Association pour la Recherche et le Développement des Méthodes et Processus Industriels (Armines) Kohlenstoff-Nanostrukturen und Verfahren zur Herstellung von Nanoröhren, Nanofasern und Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis
JP2006527656A (ja) * 2003-06-16 2006-12-07 セリオンクス・インコーポレイテッド プローブ、カニューレ、ピンツール、ピペット、スプレーヘッドの表面を洗浄及び殺菌するための大気圧非熱的プラズマ装置
KR100583500B1 (ko) * 2003-11-14 2006-05-24 한국가스공사 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및수소의 제조공정
JP4584145B2 (ja) * 2003-11-21 2010-11-17 スタットオイル エイエスエイ 炭化水素を転換する方法
JP4379247B2 (ja) * 2004-04-23 2009-12-09 住友電気工業株式会社 カーボンナノ構造体の製造方法
JP4873213B2 (ja) * 2004-05-18 2012-02-08 株式会社還元溶融技術研究所 カーボン微粒子の製造方法及び製造装置
JP2005330125A (ja) * 2004-05-18 2005-12-02 Kangen Yoyu Gijutsu Kenkyusho:Kk カーボン微粒子の製造方法及び製造装置
JP5071895B2 (ja) * 2004-05-18 2012-11-14 株式会社還元溶融技術研究所 カーボン微粒子の製造方法及び製造装置
JP4494942B2 (ja) * 2004-11-19 2010-06-30 積水化学工業株式会社 プラズマ処理装置
US20060127285A1 (en) * 2004-12-10 2006-06-15 Von Drasek William A Method and apparatus for flameless carbon black deposition
US7750270B2 (en) * 2004-12-28 2010-07-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Nanoparticle generator
JP2006224066A (ja) * 2005-02-21 2006-08-31 Kanken Techno Co Ltd プラズマ除害機の制御方法および該方法を用いた装置
US20100119435A1 (en) * 2005-03-15 2010-05-13 David Herbert Roach Processes for growing carbon nanotubes in the absence of catalysts
RU2393107C2 (ru) * 2005-04-06 2010-06-27 Кабот Корпорейшн Способ производства водорода или синтез-газа
DE102005019301A1 (de) * 2005-04-26 2006-11-02 Timcal Sa Verfahren zur Weiterverarbeitung des bei der Fulleren- und Kohlenstoff-Nanostrukturen-Herstellung anfallenden Rückstandes
KR100684933B1 (ko) 2005-05-09 2007-02-20 재단법인서울대학교산학협력재단 도전성 탄소 나노물질의 제조를 위한 열플라즈마 반응기 및그 방법
WO2011022761A1 (en) * 2009-08-25 2011-03-03 Hope Cell Technologies Pty Ltd Method and apparatus for plasma decomposition of methane and other hydrocarbons
US8911596B2 (en) 2007-05-18 2014-12-16 Hope Cell Technologies Pty Ltd Method and apparatus for plasma decomposition of methane and other hydrocarbons
US7582265B2 (en) * 2007-06-28 2009-09-01 Plasma Waste Recycling, Inc. Gas conduit for plasma gasification reactors
KR100973305B1 (ko) * 2008-02-29 2010-07-30 주식회사 엑스에프씨 활성탄소의 기공조절방법 및 이에 의해 처리된 활성탄소를포함하는 수소저장장치
MD3956C2 (ro) * 2008-05-08 2010-04-30 Владимир ШКИЛЁВ Dispozitiv pentru executarea plasmatică a nanomarcajului de identificare
MD3963C2 (ro) * 2008-05-08 2010-04-30 Владимир ШКИЛЁВ Procedeu de aplicare a nanomarcajului de identificare nedetaşabil
AU2010286322B2 (en) * 2008-05-16 2014-03-06 Hope Cell Technologies Pty Ltd Method and apparatus for plasma decomposition of Methane and other hydrocarbons
FR2941942B1 (fr) * 2009-02-12 2012-08-24 Armines Procede pour la fabrication de fuels de synthese par action de decharges electriques a haute pression sur des melanges gazeux
CA2689855C (en) * 2009-03-24 2011-01-04 Recycling International Petroleum Products Inc. Method of reclaiming carbonaceous materials from scrap tires and products derived therefrom
CN102086537B (zh) * 2010-04-12 2012-01-25 北京化工大学 一种工业化生产纳米碳纤维的工艺方法及装置
EP2598602A1 (en) * 2010-07-26 2013-06-05 Agroplas AS Soil conditioner, system and method for the manufacturing of a soil conditioner
RU2448768C2 (ru) * 2010-07-28 2012-04-27 Вячеслав Геннадьевич Певгов Способ плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения и устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения
RU2538252C2 (ru) * 2011-09-15 2015-01-10 Вячеслав Геннадьевич Певгов Способ плазмохимической переработки угля и устройство для плазмохимической переработки угля
CN103084129B (zh) * 2011-10-28 2014-11-26 北京低碳清洁能源研究所 多段等离子体裂解碳质材料反应器及用其生产乙炔的方法
CN102557012B (zh) * 2012-03-12 2013-10-16 天津大学 无载气条件下化学气相法连续制备少壁碳纳米管的方法
DE102012105796B4 (de) * 2012-06-29 2016-01-21 Pyrolyx Ag Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Hybrid - Carbon Black - Teilchen
WO2014012169A1 (en) 2012-07-18 2014-01-23 Atlantic Hydrogen Inc. Electromagnetic energy-initiated plasma reactor systems and methods
DE102013016660A1 (de) * 2013-10-09 2015-04-09 Ralf Spitzl Verfahren und Vorrichtung zur plasmakatalytischen Umsetzung von Stoffen
CN103646842A (zh) * 2013-11-26 2014-03-19 苏州市奥普斯等离子体科技有限公司 一种炭黑表面大气等离子体处理装置
US10100200B2 (en) 2014-01-30 2018-10-16 Monolith Materials, Inc. Use of feedstock in carbon black plasma process
US10370539B2 (en) 2014-01-30 2019-08-06 Monolith Materials, Inc. System for high temperature chemical processing
US11939477B2 (en) 2014-01-30 2024-03-26 Monolith Materials, Inc. High temperature heat integration method of making carbon black
US10138378B2 (en) 2014-01-30 2018-11-27 Monolith Materials, Inc. Plasma gas throat assembly and method
CN110505745A (zh) 2014-01-31 2019-11-26 巨石材料公司 等离子体炬的设计
US9574086B2 (en) * 2014-01-31 2017-02-21 Monolith Materials, Inc. Plasma reactor
CA2975731C (en) * 2015-02-03 2024-01-02 Monolith Materials, Inc. Carbon black generating system
PL3253904T3 (pl) 2015-02-03 2021-01-11 Monolith Materials, Inc. Urządzenia i sposób chłodzenia regeneracyjnego
JP2018522996A (ja) * 2015-04-30 2018-08-16 キャボット コーポレイションＣａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 炭素コーティング粒子
CN107820504A (zh) * 2015-07-09 2018-03-20 英默里斯石墨及活性炭瑞士有限公司 具有低粘度的高导电炭黑
CN108292826B (zh) 2015-07-29 2020-06-16 巨石材料公司 Dc等离子体焰炬电力设计方法和设备
CA3210178A1 (en) * 2015-08-24 2017-03-02 Monolith Materials, Inc. High temperature heat integration method of making carbon black
US10808097B2 (en) 2015-09-14 2020-10-20 Monolith Materials, Inc. Carbon black from natural gas
CN105314633A (zh) * 2015-11-12 2016-02-10 厦门大学 一种活性炭的制备方法
WO2017190015A1 (en) * 2016-04-29 2017-11-02 Monolith Materials, Inc. Torch stinger method and apparatus
MX2018013162A (es) 2016-04-29 2019-07-04 Monolith Mat Inc Adicion de calor secundario para el proceso y aparato de produccion de particulas.
DE102016014362A1 (de) * 2016-12-02 2018-06-07 CCP Technology GmbH Plasmareaktor und Verfahren zum Betrieb eines Plasmareaktors
MX2019010619A (es) 2017-03-08 2019-12-19 Monolith Mat Inc Sistemas y metodos para fabricar particulas de carbono con gas de transferencia termica.
CN115637064A (zh) 2017-04-20 2023-01-24 巨石材料公司 颗粒系统和方法
EP3700980A4 (en) 2017-10-24 2021-04-21 Monolith Materials, Inc. PARTICULAR SYSTEMS AND PROCEDURES
CN112513156B (zh) * 2018-05-25 2023-07-28 卡波恩科斯Ip4私人有限公司 包含纳米碳纤维的碳网状物的用途
CN110451481B (zh) * 2019-08-12 2023-03-03 昆明理工大学 一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法
FR3112767B1 (fr) * 2020-07-27 2023-05-12 Plenesys Production optimisée d’hydrogène à partir d’un hydrocarbure.
KR20220060043A (ko) * 2020-11-02 2022-05-11 재단법인 한국탄소산업진흥원 개선된 반응원료 주입 구조를 갖는 아세틸렌 블랙 제조장치
KR102508756B1 (ko) * 2020-11-02 2023-03-10 재단법인 한국탄소산업진흥원 플라즈마 처리와 열분해 복합화를 이용한 아세틸렌 블랙 제조장치
WO2023147235A1 (en) * 2022-01-28 2023-08-03 Cabot Corporation Methods of producing carbon blacks from low-yielding feedstocks and products made from same utilizing plasma or electrically heated processes
CN114604859B (zh) * 2022-04-06 2024-03-22 昆明理工大学 一段式热解煤焦油连续制备石墨烯的方法及装置
WO2023235486A1 (en) * 2022-06-01 2023-12-07 Monolith Materials, Inc. Recycled feedstocks for carbon and hydrogen production

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3288696A (en) * 1963-03-12 1966-11-29 Ashland Oil Inc Production of carbon black
US3408164A (en) * 1966-07-08 1968-10-29 Phillips Petroleum Co Plasma treatment of carbon blacks
US4056602A (en) * 1975-08-20 1977-11-01 Thagard Technology Company High temperature chemical reaction processes utilizing fluid-wall reactors
JPH07754B2 (ja) * 1989-05-23 1995-01-11 昭和キャボット株式会社 高比表面積を有するカーボンブラックおよびゴム組成物
NO175718C (no) 1991-12-12 1994-11-23 Kvaerner Eng Fremgangsmåte ved spalting av hydrokarboner samt apparat for bruk ved fremgangsmåten
NO176885C (no) * 1992-04-07 1995-06-14 Kvaerner Eng Anvendelse av rent karbon i form av karbonpartikler som anodemateriale til aluminiumfremstilling
NO176969C (no) * 1992-12-23 1995-06-28 Kvaerner Eng Fremgangsmåte til styring av fremstillingen av karbon og hydrogen ved pyrolyse av hydrokarboner, samt anordning for bruk ved fremgangsmåten
FR2701267B1 (fr) * 1993-02-05 1995-04-07 Schwob Yvan Procédé pour la fabrication de suies carbonées à microstructures définies.
JP2526782B2 (ja) * 1993-05-14 1996-08-21 日本電気株式会社 炭素繊維とその製造方法
NO302242B1 (no) 1995-07-07 1998-02-09 Kvaerner Eng Fremgangsmåte for å oppnå en öket ordning av nanostrukturen i et karbonmateriale
FR2764280B1 (fr) 1997-06-06 1999-07-16 Yvan Alfred Schwob Procede pour la fabrication de carbone 60
AU2906401A (en) * 1999-12-21 2001-07-03 Bechtel Bwxt Idaho, Llc Hydrogen and elemental carbon production from natural gas and other hydrocarbons

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Publication number Publication date
JP2004510014A (ja) 2004-04-02
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DE60024084T2 (de) 2006-08-03
US20040045808A1 (en) 2004-03-11
CN1458966A (zh) 2003-11-26
US7452514B2 (en) 2008-11-18
UA77162C2 (en) 2006-11-15
EP1188801A1 (en) 2002-03-20
DE60024084D1 (de) 2005-12-22

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