RO118880B1

RO118880B1 - Procedeu pentru tratarea termică a materialelor cu conţinut de carbon

Info

Publication number: RO118880B1
Application number: RO98-00003A
Authority: RO
Inventors: Steinar Lynum; Ketil Hox; Richard Smet; Jan Hugdahl; Nicolas Probst
Original assignee: Kvaerner Engineering A.S.
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 2003-12-30
Also published as: AU691760B2; ATE197810T1; PL184547B1; MX9800038A; WO1997003133A1; CA2226277A1; SK2198A3; PL324395A1; HUP9802130A3; SK282609B6; NO952725L; DE69611100T2; ES2154410T3; EP0861300B1; DE69611100D1; BG102232A; KR19990028749A; CN1148065A; SA96170380B1; MX211049B

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu pentru tratarea termică a materialelor cu conţinut de carbon şi constă în aceea că particulele de negru de fum sunt alimentate cu ajutorul unui flux de gaz şi menţinute în plasmă pentru a le induce o cantitate de entalpie de la 1 până la 10 kWh/kg, timpul de menţinere în plasmă fiind de la 0,01 până la 0,1 s, pentru asigurarea ordinei crescute în nanostructură, raportul între timpul de staţionare în plasmă şi entalpie fiind ajustat astfel încât particulele de negru de fum să fie încălzite la o temperatură de sub 3700°C. Se asigură un grad înalt de grafitizare, cu menţinerea aceleiaşi energii, fără a se produce sublimarea produsului şi fără afectarea calităţii acestuia. ŕ

Description

Invenția de față se referă la un procedeu pentru tratarea termică a materialelor cu conținut de carbon și, în special, a negrului de fum.

Microstructura în particulele de negru de fum este alcătuită din zone de cristaliți mici, într-o ordine turbo-stratificată, respectiv straturile paralele sunt rotite, dar nu ordonate în jurul axei - c. Straturile grafitice sunt ordonate concentric către suprafața particulei, respectiv o orientare paralelă, cu un grad crescut de dezordine către centrul particulelor.

Dimensiunea cristalului este definită prin caracteristicile L_c, L, și respectiv d 002, care reprezintă:

L_c dimensiunea cristalului în direcția c, respectiv înălțimea și este înălțimea medie a piramidei straturilor grafitice,

L_adimensiunea sau împrăștierea straturilor și reprezintă diametrul mediu al fiecărui strat, d 002 reprezintă distanța dintre straturile grafitice.

Dimensiunile cristaliților, măsurate prin difracție cu Raze-X a negrului de fum produs prin procedee convenționale cunoscute, sunt specificate în tabelul 1.

Tabelul 1

Proprietățile structurale ale negrului de fum determinate prin difracție cu Raze-X

Calitatea	L_a	L_c	d002
Grafit ca referință			0,335
Negru de fum termic	2,8	1,7	0,350
Negru de fum de canal	1,9	1,4	0,353
Negru de fum de furnal	2,0	1,7	0,355
Negru de fum din acetilenă	2,7	2,6	0,343

Este cunoscut faptul ca tratamentul termic modifică gradul de ordonare în nanostructura particulelor de negru de fum. Ca urmare a creșterii diametrului mediu (L_a) al straturilor grafitice și a creșterii înălțimii medii a stratului (L_c) crește dimensiunea cristalului. Distanța dintre straturile grafitice (d 002) este redusă.

Tratamentul termic al negrului de fum, efectuat la temperaturi chiar peste 1000°C, are un efect asupra nanostructurii și morfologiei. Creșterea temperaturii la valori până la 2700°C sau chiar mai ridicate are un efect puternic asupra ordinei straturilor grafitice, iar creșterea cristaliților atinge un nivel corespunzător datelor pentru negru de fum din acetilenă.

Sunt cunoscute metode de tratament termic, care constau în încălzirea într-un cuptor cu inducție, în atmosferă de gaz inert, la o temperatură cuprinsă între 1100 și 2400°C, un timp de staționare de la câteva minute până la câteva ore.

în brevetul US 4351815 este descrisă o metodă pentru tratarea termică a negrului de fum într-un cuptor cu două zone de încălzire. în prima zonă, acesta este încălzit până la o temperatură cuprinsă între 565 și 760°C, cu scopul de a converti orice urmă de oxigen prezent în bioxid de carbon, iar în cea de-a doua zonă, este încălzit până la o temperatură cuprinsă între 1400 și 2400°C. Timpul de tratare termică poate varia de la 9 s până la 10 min.

în brevetul DD 292920 este descrisă o metodă pentru producerea unui negru de fum superior din negru de fum inferior într-un reactor cu plasmă. în materialul brut este indusă o entalpie de cel puțin 3 kwh/kg la un timp de staționare cuprins între 0,1 și 1,0 s, aceasta conducând la sublimarea completă sau parțială a negrului de fum. Negru de fum este prezent sub formă de carbon gazos și, prin urmare, procesul trebuie caracterizat drept o transformare a materialului brut și nu ca un proces de tratament termic al acestuia.

RO 118880 Β1 în WO 94/17908 este descrisă o metodă pentru transformarea materialelor cu conținut de carbon, cum ar fi negrul de fum și grafitul, având o nanostructură nesatisfăcătoare, într-un reactor cu plasmă. în materialul brut este indusă o energie cuprinsă între 40 kW/h 50 și 150 kW/h, la un timp de staționare în camera de reacție cuprins între 2 și 10 s. Procesul trebuie caracterizat drept un proces de transformare a materialului brut și nu ca un proces de tratament termic.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este stabilirea parametrilor timp de reacție și temperatură astfel, încât să se asigure realizarea unei ordini crescute în nanostruc- 55 tura particulelor de negru de fum, respectiv un grad înalt de grafitizare, cu menținerea aceleiași energii, fără afectarea calității produsului și fără sublimarea acestuia.

Procedeul pentru tratarea termică a materialelor cu conținut de carbon, conform invenției, înlătură dezavantajele menționate prin aceea că particulele de negru de fum sunt alimentate cu ajutorul unui flux de gaz și menținute în plasmă pentru a le induce o cantitate de 60 entalpie de la 1 până la 10 kWh/kg, timpul de menținere în plasmă fiind de la 0,01 până la 0,1 s; pentru asigurarea ordinii crescute în nanostructură raportul între timpul de staționare în plasmă și entalpie este ajustat astfel, încât particulele de negru de fum să fie încălzite la o temperatură de sub 3700°C.

Timpul de menținere a particulelor de negru de fum în plasmă este, de preferință, 65 mai mic de 0,07 s și este ajustat prin reglarea vitezei de gas de plasmă și/sau gas purtător sau prin reglarea vitezei fluxului de gas purtător și a poziției conductei de alimentare în raport cu zona de plasmă, sau prin alegerea anumitor conducte de alimentare, care sunt utilizate pentru introducerea particulelor de negru de fum și a gazului purtător.

Fluxul de gaz pentru plasmă și fluxul de gaz purtător conțin, ca substanțe speciale, 70 un mediu oxidant ales dintre bioxid de carbon, monoxid de carbon, apă, aer și oxigen sau un mediu reducător care constă din hidrogen, halogeni sau acizi.

Tratarea termică a materialelor cu conținut de carbon este efectuată în cadrul procedeului de producere a negrului de fum.

Obectivul prezentei invenții este, prin urmare, de a asigura un procedeu îmbunătățit, 75 care să fie eficient din punct de vedere termic și ușor de controlat, pentru tratarea termică a materialelor cu conținut de carbon și, în mod special, a tuturor tipurilor de negru de fum, cu scopul de a obține o ordine crescută în nanostructură. Această ordine în nanostructură poate fi determinată prin metode de testare standard, cum este analiza cu ajutorul microscopului sau prin difracție cu Raze-X. 80

Un alt obiectiv al prezentei invenții este înnobilarea calităților comerciale ale negrului de fum, iar un alt obiectiv este înnobilarea materialelor cu conținut de carbon de tipul negrafitizat, care sunt utilizate, de exemplu, drept materiale pentru confecționarea electrozilor.

Un alt obiectiv al prezentei invenții este asigurarea atingerii unor calități speciale, care nu au putut fi realizate până în prezent sau care pot fi realizate cu greutate prin proce- 85 deele de producere cunoscute, fără utilizarea unor materii prime costisitoare cum este, de exemplu, acetilena.

Un alt obiectiv al prezentei invenții este de a asigura un procedeu prin care să poată fi tratate cantități mari de materii prime într-un timp scurt, făcând astfel ca procedeul să devină viabil din punct de vedere economic. 90 în metodele convenționale, cunoscute, privind tratamentul termic, timpul de staționare a materialului brut în cuptor este cuprins între 10 s și câteva ore. Asemenea procedee nu pot trata volume mari într-un timp scurt și, prin urmare, nu pot fi luate drept bază profitabilă. în mod surpinzător, s-a constatat că timpul de tratare termică a particulelor cu conținut de carbon, cum este negru de fum, poate fi redus în mod considerabil. Prin tratarea termică 95 într-un procedeu cu plasmă, respectiv într-o zonă de plasmă se asigură aceeași ordine a straturilor grafitice care se realizează în timpul încălzirii într-un cuptor.

RO 118880 Β1 în zona de plasmă, este deja realizată o ordine crescută în ceea ce privește nanostructura după un timp de staționare în domeniul a 0,1 s sau chiar mai scurt. S-a demonstrat că un timp de staționare chiar numai de 0,05 s și chiar mai scurt este suficient pentru a realiza o ordine satisfăcătoare în nanostructură. în acest fel este realizată o metodă profitabilă, întrucât pot fi tratate volume mari într-un timp scurt de staționare.

Acest tip de tratament termic poate fi efectuat într-o zonă de plasmă care este creată într-o faclă cu plasmă în care se produce un arc electric între electrozi sau într-o zonă de plasmă care este creată prin încălzire cu inducție, de exemplu, încălzirea cu înaltă frecvență a unui gaz.

Pot fi tratate termic diferite materiale cu conținut de carbon cum ar fi cărbunele, cocsul, etc., dar în primul rând și înainte de toate, calitățile specifice ale negrului de fum, cu scopul de a obține o calitate specială. Particulele de negru de fum sunt alimentate în zona de plasmă prin intermediul unui gaz purtător. De asemenea, gazul purtător poate fi gazul de plasmă.

Ca gaz purtător sau gaz de plasmă, se poate utiliza un gaz inert cum este argonul sau azotul. De asemenea, poate fi utilizat un gaz reducător, cum este hidrogenul, sau un gaz de proces, ce constituie un amestec de hidrogen plus metan plus oxid de carbon plus bioxid de carbon.

Poate fi folosită și o combinație a acestor gaze.

Așa cum s-a menționat anterior, procedeul pentru tratarea materialelor cu conținut de carbon, conform invenției, este un procedeu efectuat în plasmă, în vederea creșterii ordinii în nanostructură, respectiv asigurării unui grad ridicat de grafitizare a particulelor de negru de fum. Procedeul constă în înnobilarea calităților de negru de fum comercial. Tratamentul termic este efectuat în zona de plasmă, unde timpul de staționare și energia transmisă sunt controlate, astfel încât să asigure faptul că materialul carbonizat nu sublimă, prevenind în acest fel evaporarea cărbunelui și transformarea lui într-un produs nou.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- reducerea timpului de lucru;

- reducerea cheltuielilor, prin reciclarea gazului de plasmă/gazului purtător;

- posibilitatea tratării unor volume mari în timp scurt;

- posibilitatea tratării unui număr de materiale cu conținut de carbon;

- obținerea materialelor cu conținut de carbon de calități speiale.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură și cu fig. 1 și 2, care reprezintă:

- fig. 1, prezentare schematică a unei facle cu plasmă, cu alimentarea materialului brut în zona de plasmă;

- fig. 2, diagrama temperatură particule de negru de fum și gaz de plasmă/gaz purtător în zona de plasmă, în funcție de timp.

în fig. 1 este prezentat conceptul de bază al unei facle cu plasmă, care permite specialiștilor în domeniu să avanseze soluții tehnice prin utilizarea mijloacelor binecunoscute.

Facla cu plasmă poate fi de o concepție convențională. Un concept este descris în brevetul N0 174450, înregistrare internațională PCT/N092/00195 - WO 93/12633 a aceluiași solicitant. Această faclă cu plasmă s-a dorit a servi ca aport de energie în procese chimice.

Facla cu plasmă, prezentată în fig. 1, este prevăzută cu un electrod exterior 1 și un electrod central 2. Electrozii sunt de formă tubulară și sunt amplasați coaxial, unul în interiorul celuilalt. Electrozii sunt solizi și confecționați dintr-un material cu punct de topire ridicat, cu o bună conductivitate electrică, cum ar fi grafitul. De asemenea, pot fi utilizați electrozii din metal răcit. Electrozii pot fi alimentați fie cu curent continuu, fie cu curent alternativ. în jurul electrozilor, în zona de acționare a arcului electric este amplasată o bobină 3, care este alimentată cu curent continuu, formând în acest fel un câmp magnetic axial.

RO 118880 Β1

Gazul de plasmă poate fi alimentat printr-un spațiu inelar 4, situat între electrozi. Gazul de plasmă poate fi, de asemenea, gaz purtător pentru particulele de negru de fum. Particulele de negru de fum trec în acest fel prin arcul electric, fiind expuse în mod uniform în 150 zona de plasmă 9. Timpul de staționare a particulelor de negru de fum în zona de plasmă poate fi stabilit având la bază viteza fluxului de gaz utilizat drept gaz de plasmă.

Gazul purtător, conținând particule de negru de fum, poate fi alimentat prin orificiul

5, din electrodul central 2, sau printr-o conductă separată 6, care este amplasată coaxial cu electrodul central 2. Un concept al conductei de alimentare este descris în brevetul NO 155 174160, înregistrare internațională NO 92/00198 - WO 93/12634, a aceluiași solicitant. Această conductă de alimentare este deplasabilă în direcție axială, pentru poziționarea capătului de ieșire în raport cu zona de plasmă 9. Timpul de staționare pentru particulele de negru de fum în zona de plasmă 9 poate fi astfel stabilit pe baza vitezei fluxului de gaz folosit drept gaz purtător și cu ajutorul poziției conductei de alimentare în raport cu arcul electric 160 de plasmă.

Ca o a treia alternativă, gazul purtător conținând particule de negru de fum poate fi alimentat prin una sau mai multe conducte 7, în dreptul și sub arcul electric din zona 9. De-a lungul circumferinței camerei de reacție 8, la diferite nivele, pot fi amplasate mai multe conducte de alimentare, la distanțe crescute față de electrozii faclei de plasmă 1,2. în acest fel, 165 timpul de staționare, pentru particulele de negru de fum, în zona de plasmă 9, poate fi stabilit în funcție de conducta de alimentare utilizată.

Plasma de înaltă temperatură este realizată cu ajutorul gazului care este încălzit prin intermediul arcului electric ce se formează între electrozi. în zona de plasmă de acest tip sunt atinse temperaturi extrem de ridicate, de la 3000 până la 20000°C și aceasta este zona 170 în care are loc tratamentul termic.

Facla de plasmă este în legătură cu o cameră de reacție 8, în care materialul tratat termic poate fi răcit, de exemplu prin alimentarea gazului de plasmă/gazului purtător rece, care este în acest fel încălzit și poate fi reciclat și utilizat pentru aport deenergie. în plus față de acesta sau ca parte a gazului de răcire pot fi adăugate substanțe speciale, cu scopul de 175 a obține anumite grupe chimice funcționale pe suprafața particulelor de negru de fum. Asemenea substanțe pot fi alimentate într-o zonă unde temperatura este coborâtă până la un nivel specific. De asemenea, substanțele menționate pot fi alimentate într-o cameră următoare.

Restul echipamentului este de tip convențional, binecunoscut, care include un răcitor, 180 precum și un echipament de separare care poate consta dintr-un ciclon sau un echipament de filtrare în care negru de fum este separat. Un concept al unui asemenea aranjament este descris în brevetul N0 176968, înregistrare internațională PCT/N093/00057 - WO 93/20155, a aceluiași solicitant.

Procesul este foarte intensiv și fără impurități. Procesul poate fi condus ca un proces 185 continuu sau poate fi utilizat intermitent. Procesul poate fi utilizat în asociere cu un procedeu existent, ca de exemplu, un procedeu într-un cuptor cu ulei sau un procedeu cu plasmă. De asemenea, acesta poate fi integrat, într-un procedeu cu plasmă, pentru producerea negrului de fum, procedeu perfecționat de același solicitant în brevetul NO 175718, înregistrare internațională PCT/NO 92/00196 - WO 93 /12030. în acest procedeu, hidrocarburile sunt 190 descompuse, cu ajutorul energiei produse de o faclă cu plasmă, în particule de carbon și hidrogen care sunt alimentate în faza următoare, într-o cameră de reacție, cu zone de

RO 118880 Β1 temperatură pentru reglarea și controlul calității produselor obținute. în același reactor pot fi instalate una sau mai multe facle cu plasmă, suplimentare, în care procesul de tratament termic, conform invenției, este efectuat asupra negrului de fum obținut.

Prin procedeul, conform invenției, în particulele de negru de fum, se induce un nivel ridicat de entalpie, de la 1 până la 10 kwh/kg,.preferabil de la 2 până la 6kwh/kg, într-un un timp de staționare în zona de plasmă mai mic de 0,1 s, și în mod special mai mic de 0,07 s. Aceasta face ca particulele de negru de fum să atingă o temperatură ridicată, dar fără a depăși temperatura de sublimare pentru carbon care este de 3700°C.

Nivelul ridicat de entalpie care este indus conduce la o creștere a energiei totale a sistemului. în bilanțul total sunt incluse atât încălzirea negrului de fum, a gazului de plasmă și a gazului purtător, cât și pierderile de căldură. în scopul prevenirii evaporării/sublimării negrului de fum, acesta nu trebuie încălzit la temperaturi mai ridicate de 3700°C.

Energia totală transmisă particulelor de negru de fum poate fi exprimată prin următoarea ecuație:

AG=AH+TAS în care:

AG = energia liberă Gibbs = energia totală transmisă

ΔΗ = entalpia = energia de încălzire

T = temperatura în grade K

AS = entropia

Datele privind entalpia stării de carbon, acel ΔΗ, pot fi rotunjite la o valoare maximă de 2 kWh/kg, cu scopul menținerii temperaturii sub 3700°C. Rațiunea pentru care aportul unei cantități mai mari de energie nu provoacă evaporarea este că tratamentul termic asigură o structură mai ordonată, care, la rândul ei, înseamnă că entropia particulelor scade. Astfel, în relația de mai sus, este posibil ca ΔΗ să fie mai mic de 2 kWh/kg chiar atunci când energia transmisă (AG) este mai mare de 2 kWh/kg.

Prin timpul de staționare trebuie înțeles timpul scurs din momentul în care particulele de negru de fum sunt expuse în faza de transfer inițială, de absorbție a energiei în zona de plasmă sau în zona arcului electric. Particulele de carbon posedă un grad ridicat de emisivitate, e > 0,9, și în decursul unui timp foarte scurt care poate fi măsurat în milisecunde, ele ating temperaturi de peste 3000°C, ca urmare a radiației de căldură de la arcul electric și, posibil, de asemenea, de la electrozi. în decursul unui timp foarte scurt, particulele de negru de fum transferă o parte din energia lor absorbită gazului de plasmă și/sau gazului purtător prin intermediul radiației de căldură și convecției de căldură. Gazul de plasmă și gazul purtător posedă o emisivitate scăzută, e < 0,1 și astfel temperatura atinsă de particulele de negru de fum și gazul de plasmă/gazul purtător atinge un nivel mai scăzut de 2000°C. Entalpia indusă și timpul de staționare sunt ajustate, astfel ca particulele de negru de fum să nu atingă o temperatură atât de ridicată, încât ele să sublimeze, ceea ce înseamnă că temperatura trebuie menținută la un nivel mai scăzut de 3700°C.

Diagrama din fig. 2 reprezintă o diagramă privind temperatura atinsă de particulele de negru de fum și de gazul de plasmă/gazul purtător în zona de plasmă, în funcție de timp. Linia continuă indică temperatura în funcție de timp pentru particulele de negru de fum, iar linia întreruptă indică temperatura în funcție de timp, pentru gazul de plasmă/gazul purtător, la un nivel ridicat al entalpiei, în domeniul a 5 kWh/kg de negru de fum.

Tabelul 2 indică valori pentru La, Lc și d 002 împreună cu timpul de staționare și entalpie pentru diferite calități de negru de fum înainte și după tratamentul termic, cu parametrii menționați anterior pentru zona de plasmă și cu utilizarea a diferite tipuri de gaz de plasmă.

RO 118880 Β1

Proprietăți structurale ale negrului de fum determinate cu ajutorul digracției cu Raze-X (A) (CNRS - Centrul de Cercetări Paul Pascal, 1994)

245

Tabelul 2

Călitătea	Așa cum este produs (A)	După tratament termic (A)	Gazul de plasmă	Timp de staționare (sec)	Nivelul entalpiei (kw/h/kg NF)
d 002	L² a	L_c	d 002	L² *-a	L_c
Sevacarb MT	3,51	35	16	3,39	75	76	Hidro- gen	0,03	4-6
Furnex N-765	3,57	30	18	3,41	71	57	Hidrogen	0,03	4-6
Statex N-550	3,55	32	17	3,42	77	71	Hidro- gen	0,03	4-6
Corax N-220	3,54	30	16	3,40	71	59	Hidrogen	0,03	4-6
Condute x 975	3,56	39	20	3,41	76	60	Hidrogen	0,03	4-6
Condute xSC	3,56	33	16	3,45	67	41	Hidrogen	0,03	4-6
Ensaco	3,55	40	22	3,43	65	48	Argon	0,06	10
Ensaco	3,55	40	22	3,44	66	48	Gaz de proces	0,02-0,06	3-5
Kvaerner LC	3,48	60	40	3,43	89	134	Hidro- gen	0,03	8
Kvaerner HC	3,46	52	44	3,41	102	127	Hidro- gen	0,03	10

L_a ² în conformitate cu formula Scherrer.

250

255

260

265 în timpul tratamentului termic, grupele chimice funcționale și impuritățile care sunt atașate sau legate la suprafața particulelor de negru de fum sunt reduse sau îndepărtate. Tratamentul termic conduce la o reducere substanțială în activitatea de suprafață, în legătură cu eliberarea hidrogenului legat chimic, de la un nivel de 2500 ppm până la aproximativ 100 ppm și chiar mai scăzut.

în scopul realizării unor grupe funcționale chimice speciale pe suprafața particulelor de negru de fum, la gazul de plasmă și/sau la gazul purtător pot fi adăugate substanțe speciale. Acestea pot fi medii de oxidare cum ar fi bioxid de carbon, monoxid de carbon, oxigen, aer și apă sau medii reducătoare cum ar fi hidrogen, halogeni, acizi etc.

Negru de fum tratat termic, în conformitate cu procedeul din prezenta invenție, poate fi comparat cu negru de fum tratat termic timp de mai multe ore într-un cuptor cu inducție.

Tabelul 3 indică valori pentru L_a, L_c si d 002 pentru un ti p de negru de fum înainte și după tratamentul termic într-un cuptor de inducție și același negru de fum după tratamentul termic în procedeul cu plasmă, în conformitate cu prezenta invenție.

270

275

280

RO 118880 Β1

Tabelul 3

Proprietățile structurale pentru negru de fum, determinate prin difracție cu Raze-x (nm)

	L_a	L_c	d 002
Negru de fum netratat	4,0	2,2	0,355
Tratat termic în cuptor de inducție	7	5	0,341
Tratat termic în zonă cu plasmă	8,2	8	0,341

Date de proces pentru tratamentul termic într-o zonă de plasmă. Generator de plasmă și cameră de reacție așa cum a fost descris anterior.

Material de alimentare:	Negru de fum	10kg/h
Gaz purtător	Argon	3Nm³/h
Gaz de plasmă	Gaz de proces	3Nm³/h
Presiunea în reactor		2 bar
Entalpia indusă	2,9-4,8 kWh/kg
Timp de staționare	0,09 s

Gazul de proces este constituit din: 50% hidrogen, 1,5% metan, 48 % oxid de carbon și 1,5% bioxid de carbon.

Temperatura atinsă de particulele de negru de fum în zona de plasmă este mai scăzută de 3700°C, și temperatura rezultată pentru negru de fum și gaze este de aproximativ 2000°C.

Tabelul 4 indică valori pentur L_a, L,., și d 002 pentru o calitate de negru de fum înainte și după tratamentul termic în zona de plasmă, în conformitate cu invenția de față, în care au fost utilizate două gaze de plasmă diferite.

Tabelul 4

	L_a	L_c	d 002	gaz de plasmă
înainte de tratamentul termic	4	2,2	3,55
După tratamentul termic	6,5	4,8	3,43	Argon
După tratamentul termic	6,6	4,8	3,44	Gaz de proces

Efectul tratamentului termic este acela de a asigura proprietăți îmbunătățite la materialele în care negru de fum este utilizat drept aditiv. în secțiunile care urmează se face referire la diferite produse în care sunt utilizate calitățile speciale de negru de fum obținut în urma tratamentului termic, în conformitate cu prezenta invenție.

Acumulatoare cu elemente uscate.

în acumulatoarele cu elemente uscate, de tip convențional, se utilizează negru de fum de acetilenă sau, în mod alternativ, “calități de negru de fum conductiv special”. Acesta din urmă este produs prin procedeul tradițional “procedeu în cuptor de ulei”, urmat de cunoscuta fază de oxidare sau de tratament termic. Utilizarea unor calități speciale de negru de fum conduce la o creștere a capacității electrolitului, la caracteristici mai bune de descărcare etc., cu mențiunea că aceste calități demonstrează proprietăți care sunt apropiate dar nu de același nivel cu cele ale negrului de fum din acetilenă.

RO 118880 Β1

Cu ajutorul tratamentului termic în zona de plasmă, în conformitate cu prezenta invenție, a calităților de negru de fum produs tradițional, se obține un grad superior de ordine în nanostructură, ceea ce permite să se atingă valori care sunt egale sau superioare celor determinate în negru de fum obținut din acetilenă. 330

Negru de fum conductiv din punct de vedere electric

Au fost realizate o serie de calități de negru de fum cum sunt cele “conductive”, “super conductive” și “extra conductive”, pentru aplicații speciale. Acestea asigură proprietăți conductive din punct de vedere electric și proprietăți antistatice amestecurilor de polimeri, chiar atunci când sunt introduse în cantități mici. Aceste calități de negru de fum asigură o 335 conductivitate optimă, întrucât ele posedă o structură înaltă, o porozitate ridicată, o dimensiune mică a particulelor și o suprafață chimic pură. Pentru aceste calități de negru de fum, tratamentul termic, conform invenției, asigură un grad mai ridicat de conductivitate.

Calitățile tradiționale de negru de fum care sunt utilizate, de exemplu, ca aditivi la prelucrarea cauciucului, pot fi înnobilate în același mod în “negru de fum conductiv”. Prin 340 procedeul de tratare termică în zona de plasmă, conform prezentei invenții, se curăță suprafața particulelor de oxizi și impurități, și se optimizează conductivitatea internă a particulelor de negru de fum, asigurându-se un grad mai ridicat de grafitizare.

Prin procedeul de tratare termică, conform invenției, pot fi tratate materiale cu conținut de carbon negrafitice, cum ar fi antracitul, cocsul de petrol, cocsul de rezidiu (tar) și al- 345 tele. Asemenea materiale cu conținut de carbon sunt, de exemplu, utilizate frecvent ca electrozi și pentru producerea materialelor rezistente la foc după un proces de grafitizare care necesită tratament termic într-un cuptor de calcinare. Procedeul de tratare termică, conform invenției, oferă o alternativă la procedeul de calcinare tradițional și conduce la o distanță medie dintre straturile grafitice, d 002 de la o valoare de 0,344 nm în jos, la un nivel de 350 0,333 nm, așa cum este în grafit.

în tehnologia camerelor de combustie, procedeul de tratare termică a materialului de electrod este un procedeu adecvat. în camerele de combustie de acid fosforic și polimer solid, grafitul este utilizat cu un catalizator de platină ca anod și catod. în acest context este important ca electrozii să posede o bună conductivitate din punct de vedere electric. Prin 355 procedeul de tratare termică a materialelor cu conținut de carbon, conform prezentei invenții, se realizează un grad ridicat de grafitizare ca urmare a unei ordini crescute în nanostructură, ceea ce conduce la o creștere a conductivității electrice a materialului.

Negru de fum conductiv din punct de vedere termic

Este de dorit ca amestecurile de polimeri să aibă o bună conductivitate termică, în 360 scopul împiedicării acumulării căldurii și supraîncălzirii, iar negru de fum cu proprietăți conductive bune din punct de vedere termic joacă un rol substanțial în realizarea acestui deziderat. Este bine cunoscut faptul că proprietatea de bază a negrului de fum, care contribuie la acest efect, este gradul ridicat de ordine în nanostructură, respectiv o grafitizare, negru de fum din acetilenă fiind cel mai bun din acest punct de vedere. 365

Tratamentul termic realizat în zona de plasmă, în conformitate cu prezenta invenție, asigură acest efect în cazul tuturor calităților tradiționale, cunoscute de negru de fum.

Claims

1. Procedeu pentru tratarea termică a materialelor cu conținut de carbon, în special a particulelor de negru de fum, în proces cu plasmă, care constă în alimentarea particulelor de negru de fum cu ajutorul unui flux de gaz și menținerea acestora în plasmă, pentru a le induce o cantitate de entalpie de la 1 până la 10 kWh/kg, caracterizat prin aceea că timpul de menținere în plasmă este de la 0,01 până la 0,1 s, pentru asigurarea ordinii crescute în 375

RO 118880 Β1 nanostructură, raportul între timpul de staționare în plasmă și entalpie fiind ajustat astfel, încât particulele de negru de fum să fie încălzite la o temperatură care este sub 3700°C.

2. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că timpul de menținere în plasmă este, de preferință, mai mic de 0,07 s.

380

3. Procedeu conform revendicărilot 1 sau 2, caracterizat prin aceea că timpul de menținere a particulelor de negru de fum în plasmă este ajustat prin reglarea vitezei de gas de plasmă și/sau gas purtător, sau prin reglarea vitezei fluxului de gas purtător și a poziției conductei de alimentare în raport cu zona de plasmă sau prin alegerea anumitor conducte de alimentare, care sunt utilizate pentru introducerea particulelor de negru de fum și a gazu385 lui purtător.

4. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că fluxul de gaz pentru plasmă și fluxul de gaz purtător conțin, ca substanțe speciale, un mediu oxidant ales dintre bioxid de carbon, monoxid de carbon, apă, aer și oxigen sau un mediu reducător care constă din hidrogen, halogeni sau acizi.

390 5. Procedeu, conform revendicărilor 1, caracterizat prin aceea că tratarea termică a materialelor cu conținut de carbon este efectuată în cadrul procedeului de producere a negrului de fum.