RU2531291C2 - Method of obtaining soot, which contains fullerenes and nanotubes, from gaseous hydrocarbon raw material - Google Patents

Method of obtaining soot, which contains fullerenes and nanotubes, from gaseous hydrocarbon raw material Download PDF

Info

Publication number
RU2531291C2
RU2531291C2 RU2012151069/05A RU2012151069A RU2531291C2 RU 2531291 C2 RU2531291 C2 RU 2531291C2 RU 2012151069/05 A RU2012151069/05 A RU 2012151069/05A RU 2012151069 A RU2012151069 A RU 2012151069A RU 2531291 C2 RU2531291 C2 RU 2531291C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
soot
nanotubes
discharge
fullerenes
raw material
Prior art date
Application number
RU2012151069/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012151069A (en
Inventor
Рустем Шафагатович Тахаутдинов
Ильгиз Гатуфович Галеев
Борис Ахунович Тимеркаев
Наиль Камилевич Гисматуллин
Дамир Ильгисович Зиганшин
Рустем Бельгиорович Мухамедзянов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная организация "Инновация" (ООО НПО "Инновация")
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 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная организация "Инновация" (ООО НПО "Инновация") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная организация "Инновация" (ООО НПО "Инновация")
Priority to RU2012151069/05A priority Critical patent/RU2531291C2/en
Publication of RU2012151069A publication Critical patent/RU2012151069A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2531291C2 publication Critical patent/RU2531291C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to the field of plasmochemistry and can be applied for production of fullerenes and nanotubes. A carbon-containing raw material is decomposed in a gas discharge. For this purpose, first, inflamed is a volume glow discharge in a mixture of gaseous hydrocarbons and inert gas under pressure of 20-80 Torr. Then, under visual observation burning of the glow discharge with a constricted cathode area and diffuse positive column is obtained. Products of decomposition are precipitated in the form of soot.
EFFECT: carrying out process in a strongly non-equilibrium electric discharge makes it possible to increase the speed of soot obtaining and 9,6 times increase the output of nanotubes and fullerenes per unit of put in energy.
1 dwg

Description

Изобретение относится к области плазмохимии, плазменной обработки и разложения материалов, производства фуллеренов и нанотрубок.The invention relates to the field of plasma chemistry, plasma processing and decomposition of materials, the production of fullerenes and nanotubes.

Известен способ получения сажи, содержащей фуллерены, который заключается в сжигании углеводородов (А.В. Елецкий, Б.М. Смирнов «Фуллерены и структуры углерода» УФН, т.165, №9, 1995, с.997). Отрицательной особенностью получаемых при этом фуллеренов является то, что они образуют связи с кислородом, что сильно влияет на их свойства.There is a method of producing soot containing fullerenes, which consists in the combustion of hydrocarbons (A. Yeletsky, B. M. Smirnov "Fullerenes and carbon structures" Physics – Uspekhi, vol. 165, No. 9, 1995, p. 997). A negative feature of the resulting fullerenes is that they form bonds with oxygen, which greatly affects their properties.

Известен способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, который заключается в испарении графита при помощи лазера (H.W.Kroto, J.R.Heath, S.C.O'Brien, R.F.Curi & R.E.Smolley // Nature, 1985. V.318. P.162). Испарение графита осуществляется в среде гелия. Гелий подается импульсами на время порядка 10-3 с. Лазер включается в середине времени истока гелия. Испаряющийся материал захватывается потоком гелия, смешивается, охлаждается и затем конденсируется.A known method of producing soot containing fullerenes and nanotubes, which consists in the evaporation of graphite using a laser (HWKroto, JRHeath, SCO'Brien, RFCuri & RESmolley // Nature, 1985. V.318. P.162). Graphite is vaporized in helium. Helium is supplied by pulses for a time of the order of 10 -3 s. The laser turns on in the middle of the source time of helium. Evaporating material is captured by a stream of helium, mixed, cooled and then condensed.

Недостатком указанного способа является малое количество испаряемого графита и, соответственно, незначительное количество получаемой фуллеренсодержащей сажи.The disadvantage of this method is the small amount of evaporated graphite and, accordingly, a small amount of the obtained fullerene-containing soot.

Известен способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, который заключается в подаче порошка графита в зону микроволнового газового разряда, в котором графит испаряется, а из паров углерода образуются фуллерены (№05-238717, МКИ С01В 31/02, опубл. 17.09.93). При реализации этого способа наблюдается низкая производительность процесса, низкое содержание фуллеренов в саже и большое энергопотребление для производства одного грамма сажи. Кроме того, необходимо обеспечение защиты от используемого микроволнового излучения.A known method of producing soot containing fullerenes and nanotubes, which consists in feeding graphite powder to a microwave gas discharge zone in which graphite is vaporized and fullerenes are formed from carbon vapors (No. 05-238717, MKI C01B 31/02, publ. 09/17/93 ) When implementing this method, there is a low productivity of the process, a low content of fullerenes in soot and high energy consumption for the production of one gram of soot. In addition, it is necessary to provide protection against used microwave radiation.

Известен также способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, включающий в себя операции испарения графита в дуговом разряде. Разряд зажигается в атмосфере гелия при давлении 100 Торр. Для получения дугового разряда используется переменный ток I=100 - 200 А, частотой f=60 Гц и напряжением U=20-30 В (Electric arc process for making fallerenes. United States Patent. US 5227038. Jul. 13, 1993).There is also known a method of producing soot containing fullerenes and nanotubes, including the operation of evaporation of graphite in an arc discharge. The discharge is ignited in a helium atmosphere at a pressure of 100 Torr. To obtain an arc discharge, an alternating current I = 100 - 200 A, frequency f = 60 Hz and voltage U = 20-30 V (Electric arc process for making fallerenes. United States Patent. US 5227038. Jul. 13, 1993) is used.

Известен способ получения сажи, содержащей фуллерены, который включает испарение графита в электрической дуге постоянного тока между соосными графитовыми электродами, размещенными в атмосфере инертного газа, перемещение образовавшихся в электрической дуге продуктов инертным газом и последующее осаждение их в виде сажи, содержащей фуллерены (патент на изобретение RU 2234457 С2, МПК С01В 31/02, опубл. 20.08.2004, прототип). К недостаткам этих способов относится малая производительность и высокое энергопотребление.A known method of producing soot containing fullerenes, which includes the evaporation of graphite in a direct current electric arc between coaxial graphite electrodes placed in an inert gas atmosphere, moving the products formed in the electric arc with an inert gas and their subsequent deposition in the form of soot containing fullerenes (patent for the invention RU 2234457 C2, IPC СВВ 31/02, published on 08.20.2004, prototype). The disadvantages of these methods include low productivity and high power consumption.

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, в высоковольтном сильнонеравновесном электрическом разряде путем разложения углеводородного сырья, увеличение скорости получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки.The technical result of the claimed invention is to obtain soot containing fullerenes and nanotubes in a high voltage highly nonequilibrium electric discharge by decomposing hydrocarbon raw materials, increasing the rate of production of soot containing fullerenes and nanotubes.

Поставленный технический результат решается описываемым способом получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, заключающимся в разложении углеродосодержащего сырья газовым разрядом и осаждении продуктов разложения в виде сажи.The technical result is solved by the described method for producing soot containing fullerenes and nanotubes, which consists in the decomposition of carbon-containing raw materials by gas discharge and the deposition of decomposition products in the form of soot.

Новым является то, что сначала зажигают объемный тлеющий разряд в смеси газообразных углеводородов и инертного газа при давлении 20-80 Торр, далее при визуальном наблюдении добиваются горения тлеющего разряда с контрагированной катодной областью, для чего на короткое время увеличивают электрический ток до момента шнурования всего разряда, а затем уменьшают его до оптимального значения, которое характеризуется диффузным положительным столбом и контрагированной катодной областью тлеющего разряда.What is new is that first they ignite a volume glow discharge in a mixture of gaseous hydrocarbons and inert gas at a pressure of 20-80 Torr, then, by visual observation, they achieve burning of a glow discharge with a contracted cathode region, for which they increase the electric current for a short time until the entire discharge is laced up , and then reduce it to the optimal value, which is characterized by a diffuse positive column and a contracted cathode region of the glow discharge.

Рассмотрим осуществление способа получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, и работу устройства для получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки. Разрядное устройство (фиг.1) устанавливают внутри вакуумного шкафа 1 с прозрачным окном 2 (выполненным, например, из толстого оргстекла) для наблюдения за разрядом. Сначала в вакуумном шкафе 1 создают вакуум, а затем через вентильный вход 3 подают смесь газообразных углеводородов и инертного газа (например, гелия или аргона). Инертный газ может составлять до 50% объема смеси. Давление рабочего газа в вакуумном шкафе 1 устанавливают в диапазоне 20-80 Торр. После этого по токопроводящим шинам 4 через балластное сопротивление подают минимальное электрическое напряжение на катод 5 и анод 6, достаточное для пробоя межэлектродного промежутка и установления разряда, например 4 кВ. После пробоя часть напряжения падает на балластном сопротивлении (на фигуре не показан), а на межэлектродном промежутке устанавливается напряжение горения разряда. При этом реализуется нормальный тлеющий разряд с объемной формой горения во всем межэлектродном промежутке, на катоде наблюдается катодное пятно фиолетового цвета, площадь которого пропорциональна току разряда. Далее при визуальном наблюдении через окно 2 вакуумного шкафа 1 добиваются горения тлеющего разряда с контрагированной катодной областью, для чего увеличивают электрический ток до момента шнурования всего разряда, а затем уменьшают его до значения, которое характеризуется диффузным (объемным) положительным столбом и контрагированной катодной областью тлеющего разряда, при этом цвет разряда поменяется на оранжево-желтый. При этом катодное пятно сужается до ярко светящейся точки, а в объеме вакуумного шкафа начинается выделение мелких частиц сажи в виде дыма, рост нитевидных образований сажи на аноде. При взаимодействии плазмы разряда с газообразным углеводородным сырьем происходит разрыв связей углеводородных молекул и появляется атомарный углерод (соотношение углеводородного сырья и инертного газа - аргона 1:1). При расстоянии между электродами 20 мм напряжение разряда составило 600 В при токе 100 мA.Consider the implementation of the method of producing soot containing fullerenes and nanotubes, and the operation of the device for producing soot containing fullerenes and nanotubes. The discharge device (Fig. 1) is installed inside the vacuum cabinet 1 with a transparent window 2 (made, for example, of thick plexiglass) to monitor the discharge. First, a vacuum is created in the vacuum cabinet 1, and then a mixture of gaseous hydrocarbons and an inert gas (for example, helium or argon) is supplied through the valve inlet 3. Inert gas can make up to 50% of the mixture volume. The working gas pressure in the vacuum cabinet 1 is set in the range of 20-80 Torr. After that, a minimum electric voltage is supplied to the cathode 5 and the anode 6 via conductive buses 4 through the ballast resistance to break the interelectrode gap and establish a discharge, for example, 4 kV. After the breakdown, part of the voltage drops at the ballast resistance (not shown in the figure), and the discharge burning voltage is set at the interelectrode gap. In this case, a normal glow discharge with a volumetric combustion form is realized in the entire interelectrode gap; a violet-colored cathode spot is observed at the cathode, the area of which is proportional to the discharge current. Further, during visual observation through the window 2 of the vacuum cabinet 1, a glow discharge with a contracted cathode region is burned, for which an electric current is increased until the entire discharge is laced, and then it is reduced to a value that is characterized by a diffuse (volume) positive column and a contracted cathode region of a glow discharge, while the color of the discharge changes to orange-yellow. In this case, the cathode spot narrows to a brightly luminous point, and in the volume of the vacuum cabinet, the emission of small soot particles in the form of smoke begins, the growth of filamentary soot formations on the anode. When the discharge plasma interacts with gaseous hydrocarbon feed, the bonds of hydrocarbon molecules break and an atomic carbon appears (the ratio of hydrocarbon feed to inert gas is 1: 1 argon). At a distance between the electrodes of 20 mm, the discharge voltage was 600 V at a current of 100 mA.

При достижении тока разряда 100 мА разряд переходит в режим горения с объемным положительным столбом и контрагированной катодной частью. В объеме вакуумного шкафа при этом начинается выделение мелких частиц сажи в виде дыма, рост нитевидных образований сажи на аноде, которая периодически счищается с помощью скребка путем прокручивания анодного диска. Сажа накапливалась в специальную емкость. Некоторое количество сажи уносится конвективным потоком газа, возникающим между электродами, и оседает на стенках вакуумной камеры.When the discharge current reaches 100 mA, the discharge switches to the combustion mode with a positive positive column and a counterpart cathode part. In the volume of the vacuum cabinet, the emission of small soot particles in the form of smoke begins, the growth of filamentary soot formations on the anode, which is periodically cleaned with a scraper by scrolling the anode disk. Soot accumulated in a special container. A certain amount of soot is carried away by the convective gas flow arising between the electrodes and settles on the walls of the vacuum chamber.

Проведем оценку производительности и экономическую эффективность производства фуллереновой сажи предложенным способом. При токе I=100 мА и напряжении U=600 В за t=10 минут, как показали эксперименты, образовывается m=0,3 г фуллереновой сажи. Тогда количество электроэнергии, необходимое для производства 1 г сажи, равноWe will evaluate the productivity and economic efficiency of the production of fullerene soot by the proposed method. At a current of I = 100 mA and a voltage of U = 600 V in t = 10 minutes, as shown by experiments, m = 0.3 g of fullerene soot is formed. Then the amount of electricity needed to produce 1 g of carbon black is

IUt/m=0,1 А 600 В 0,166 час/0,3 г=33,2 Вт·час/г=0,0332 кВт·час/г.IUt / m = 0.1 A 600 V 0.166 hours / 0.3 g = 33.2 W · h / g = 0.0332 kW · h / g.

Для сравнения оценим расход электроэнергии в предложенном способе в патенте на изобретение RU 2234457 С2, МПК С01В 31/02, опубл. 20.08.2004 (прототип). При характерном напряжении U=30B ток дуги составлял I=80A, а скорость подачи графитового электрода диаметром d=6 мм составляла v=4 мм/мин. Плотность графита ρ=2,26 г/см3. Если принять, что при однократном выпаривании половина испарямого графита превращается в сажу (вторая половина осаждается на катоде), то расход графита будет равен G=ρπd2v/8=2.26 3,14 0,36 0,4/8 г/мин=0,1275 г/мин. Тогда количество электроэнергии, необходимой для производства 1 г сажи способом, приведенным в прототипе (RU 2234457 С2, МПК С01В 31/02, опубл. 20.08.2004), потребуется электроэнергияFor comparison, we estimate the energy consumption in the proposed method in the patent for invention RU 2234457 C2, IPC СВВ 31/02, publ. 08/20/2004 (prototype). At a characteristic voltage of U = 30 V, the arc current was I = 80 A, and the feed rate of a graphite electrode with a diameter of d = 6 mm was v = 4 mm / min. The density of graphite is ρ = 2.26 g / cm 3 . If we assume that with a single evaporation, half of the vaporized graphite turns into soot (the second half is deposited on the cathode), then the graphite consumption will be equal to G = ρπd 2 v / 8 = 2.26 3.14 0.36 0.4 / 8 g / min = 0.1275 g / min. Then the amount of electricity needed to produce 1 g of carbon black by the method described in the prototype (RU 2234457 C2, IPC C01B 31/02, publ. 08/20/2004) will require electricity

IU/G=80А 30В мин / 0,1275 г = 0,32 кВт·час/г.IU / G = 80A 30V min / 0.1275 g = 0.32 kWh / g.

Таким образом, предложенный способ позволяет в 9,6 раза увеличить производимую продукцию на единицу вложенной энергии. Так как предложенный способ легко масштабируется, то получается существенный выигрыш и в производительности.Thus, the proposed method allows a 9.6-fold increase in manufactured products per unit of energy input. Since the proposed method is easily scalable, a significant gain in productivity is obtained.

Claims (1)

Способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, заключающийся в разложении углеродосодержащего сырья с помощью газового разряда и осаждении продуктов разложения в виде сажи, отличающийся тем, что сначала зажигают объемный тлеющий разряд в смеси газообразных углеводородов и инертного газа при давлении 20-80 Торр, далее при визуальном наблюдении добиваются горения тлеющего разряда с контрагированной катодной областью и диффузным положительным столбом. The method of producing soot containing fullerenes and nanotubes, which consists in the decomposition of carbon-containing raw materials using a gas discharge and the deposition of decomposition products in the form of soot, characterized in that they first ignite a volume glow discharge in a mixture of gaseous hydrocarbons and inert gas at a pressure of 20-80 Torr, then during visual observation, a glow discharge with a contracted cathode region and a diffuse positive column is achieved.
RU2012151069/05A 2012-11-28 2012-11-28 Method of obtaining soot, which contains fullerenes and nanotubes, from gaseous hydrocarbon raw material RU2531291C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012151069/05A RU2531291C2 (en) 2012-11-28 2012-11-28 Method of obtaining soot, which contains fullerenes and nanotubes, from gaseous hydrocarbon raw material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012151069/05A RU2531291C2 (en) 2012-11-28 2012-11-28 Method of obtaining soot, which contains fullerenes and nanotubes, from gaseous hydrocarbon raw material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012151069A RU2012151069A (en) 2014-06-10
RU2531291C2 true RU2531291C2 (en) 2014-10-20

Family

ID=51213948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012151069/05A RU2531291C2 (en) 2012-11-28 2012-11-28 Method of obtaining soot, which contains fullerenes and nanotubes, from gaseous hydrocarbon raw material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2531291C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5227038A (en) * 1991-10-04 1993-07-13 William Marsh Rice University Electric arc process for making fullerenes
RU2234457C2 (en) * 2001-06-01 2004-08-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "НеоТекПродакт" Method of production of fulleren-containing carbon black and a device for its realization
RU2341451C1 (en) * 2007-03-30 2008-12-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "НеоТекПродакт" Method of production of fullerene-containing soot and device to this end
RU112678U1 (en) * 2011-07-21 2012-01-20 Общество с ограниченной ответственностью "Центр Новых Технологий "НУР" DEVICE FOR PRODUCING CARBON NANOSTRUCTURES (OPTIONS)

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5227038A (en) * 1991-10-04 1993-07-13 William Marsh Rice University Electric arc process for making fullerenes
RU2234457C2 (en) * 2001-06-01 2004-08-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "НеоТекПродакт" Method of production of fulleren-containing carbon black and a device for its realization
RU2341451C1 (en) * 2007-03-30 2008-12-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "НеоТекПродакт" Method of production of fullerene-containing soot and device to this end
RU112678U1 (en) * 2011-07-21 2012-01-20 Общество с ограниченной ответственностью "Центр Новых Технологий "НУР" DEVICE FOR PRODUCING CARBON NANOSTRUCTURES (OPTIONS)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЕЛЕЦКИЙ А.В., СМИРНОВ Б.М., Фуллерены и структуры углерода, Успехи физических наук, 1995, т. 165, N9, с.с. 977-1009. . . . *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012151069A (en) 2014-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2234457C2 (en) Method of production of fulleren-containing carbon black and a device for its realization
Sagas et al. Basic characteristics of gliding-arc discharges in air and natural gas
JP4825846B2 (en) Carbon nanotube production equipment
Niu et al. Optical and electrical analysis of multi-electrode cylindrical dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor
US20100296989A1 (en) Molecular Conversion Processing of Greenhouse Gases of Global Warming Effect and Conversion Units Employing a Solid Particle Trap
Kharlamov et al. New low-temperature method for joint synthesis of C 60 fullerene and new carbon molecules in the form of C 3-C 15 and quasi-fullerenes C 48, C 42, C 40
RU2531291C2 (en) Method of obtaining soot, which contains fullerenes and nanotubes, from gaseous hydrocarbon raw material
KR102219321B1 (en) method for producing hydrogen and nano carbon from hydrocarbon using liquid phase plasma reaction
RU2414418C2 (en) Method of producing hydrogen and carbon nanofibres from hydrocarbon gas
RU2489350C2 (en) Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation
Hu et al. Discharge Characteristics of Series Surface/Packed-Bed Discharge Reactor Diven by Bipolar Pulsed Power
RU2556926C1 (en) Method of continuous production of graphenes
Lei et al. DBD plasma jet in atmospheric pressure neon
Lu et al. Generation of fullerenes and metal–carbon clusters in a pulsed arc cluster ion source (PACIS)
Kareev et al. Electric-arc high-capacity reactor for the synthesis of carbon soot with a high content of endohedral metallofullerenes
Nedybaliuk et al. Plasma-catalytic system with wide-aperture rotating gliding discharge
RU2511384C2 (en) Method for production of black containing fullerenes and nanotubes and device for its implementation
Wu et al. Investigation of the physical properties in rotating gliding arc discharge with rapeseed oil
Popov et al. Obtaining nano-disperse soot from orthoxylene by the high-voltage AC plasma torch
RU2483020C2 (en) Method of synthesizing fullerene mix in plasma at barometric pressure
Zhang et al. Fe nanoparticle production by an atmospheric cold plasma jet
RU175915U1 (en) Graphene hydrogenation device during its synthesis
RU88008U1 (en) FULLERENA MIXTURE INSTALLATION
Caraman et al. Arc discharge installation for fullerene production
Subbotin et al. Fullerenes production by electric arc pyrolysis of methane in an AC three-phase plasma torch

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180806

Effective date: 20180806

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191129