TWI552952B - 以微波加熱方式精煉碳粉之方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種以微波加熱方式精煉碳粉之方法，尤指一種藉由微波加熱之方式以快速萃取並精煉出更容易、更適合微波加熱之碳，以作為一可吸收微波介質之方法。
目前，碳主要係由一植物在非氧化環境中經燃燒，其植物之纖維素則會轉變成碳，即非晶質碳，也就是說，係為品質較不好之碳，而目前一般碳粉在精煉過程中主要係藉由一般之燃燒程序，如以瓦斯加熱等方式，但是要精煉成純度較高之碳粉，必須花費較多之燃燒時間，以達較高之溫度，因此習知在精煉碳粉之製程上較花費時間，且需一定純度的碳則須利用大量之碳經該燃燒程序精煉，其所花費之成本亦較高。
另外，目前在高科技產業中，有些材料需經過燃燒之程序，例如陶瓷材料，而陶瓷材料之特性使其能夠應用在材料工程、電子工程、化學工程、機械工程、太空、醫藥、精鍊、食品和工業輸電、光波導傳輸等，但是燃燒陶瓷材料之過程中，因燃燒之溫度無法快速提升，因此其燃燒所花費之時間較長。
爰此，本發明人為了改善上述習知在生產製造時，因燃燒如陶瓷之材料時其燃燒之溫度無法快速提升，以導致燃燒之時間較長，而有製造成本高之缺點，且未有針對碳粉的微波精煉方式，及更無針對碳粉的微波吸收性之
改善方法，故本發明人不斷創新研發，進而提出一種以微波加熱方式精煉碳粉之方法，包含有下列步驟：
A.取一含非晶質碳的碳粉；B.將上述含非晶質碳的碳粉經至少一次微波加熱程序，使所述含非晶質碳的碳粉吸收微波後燃燒，並得一可吸收微波的介質。
進一步，在步驟B中，燃燒後之碳粉會產生一可溶於水之氧化物，將該燃燒後之碳粉與水混合攪拌以降低前述碳粉所含非晶質碳的比率。
進一步經一分離程序使所述氧化物與所述碳粉完全分離，其中，所述分離程序係包含有沈降、過濾、離心、氣吹其中之一或其組合之分離程序。
其中，步驟A所述含非晶質碳的碳粉係為活性碳、定形碳或無定形碳其中之一。
其中，步驟B該微波加熱程序之一微波加熱條件係為：微波功率介於300瓦特至2000瓦特，微波時間介於0.5分鐘至10分鐘。較佳為，步驟B該微波加熱程序之一微波加熱條件係為：微波功率為900瓦特，微波時間為3分鐘
進一步，步驟B該微波加熱程序之一微波頻率係介於1.8GHz至3GHz之間。較佳為，步驟B該微波加熱程序之微波頻率係為2.45GHz。
進一步，重複步驟B之微波加熱程序。
經過步驟B所述微波加熱程序後，所述含非晶質碳的碳粉再進一步經一冷卻程序。
其中，所述冷卻程序係在空氣中冷卻，藉由空氣中之氧幫助該含非晶質碳的碳粉燃燒。
其中，所述冷卻程序係將前述含非晶質碳的碳粉置入封閉的一冷卻爐中降溫，該冷卻爐內溫度為室溫。
本發明之功效在於：
1.本發明可將可吸收微波之碳粉藉由微波加熱之方式，將其碳粉中之非晶質碳去除，以得到更高品質、純度更高、更適合微波加熱之碳，進而能作為一可吸收微波之介質。
2.本發明利用微波加熱方式使碳粉在短時間內(約1至3分鐘)能立即使該碳粉溫度達到攝氏800度至900度左右，有效改善一般在加熱碳時需利用一般爐具，且需費時2小時至3小時左右。
3.本發明可取用少量之含非晶質碳的碳粉(如下述實施例本發明使用約6.08克)經微波加熱，係有別於傳統精煉碳粉需取用較大量之含非晶質碳的碳粉，並以傳統燃燒(瓦斯加熱)方式加熱，而本發明亦具有快速升溫，且可快速降溫，以得到純度較高、更適合微波加熱之碳，以作為一可吸收微波之介質之優點。
4.本發明可經過數次微波加熱以提高含非晶質碳的碳粉本身之燃燒溫度，亦可在短時間內快速降溫，以得到純度較高、更適合微波加熱之碳，進而能作為一可吸收微波之介質。
5.本發明將碳藉由微波加熱方式後再經一冷卻程序，主要係分為在空氣中冷卻及在一爐子中冷卻，主要目的係再次將碳本身之非晶質碳去除，以得到純度較高、更適合微波加熱之碳，進而能作為一可吸收微波之介質。
(A)‧‧‧碳粉
[第一圖]係為本發明之方法步驟圖。
[第二圖]係為本發明碳粉未微波前之金相圖。
[第三圖]係為本發明碳粉未微波前之元素分析能量圖譜圖。
[第四圖]係為本發明碳粉微波後之金相圖。
[第五圖]係為本發明碳粉微波後之元素分析能量圖譜圖。
[第六圖]係為本發明碳粉未微波前之灰燼重量百分比示意圖。
[第七圖]係為本發明碳粉微波後之灰燼重量百分比示意圖。
[第八圖]係為本發明碳粉微波3分鐘後之溫度變化圖。
[第九圖]係為本發明碳粉微波3分鐘後之溫度損失變化圖。
[附件一]係為微波加熱精煉碳粉之降溫過程照片，其中該碳粉溫度為800℃。
[附件二]係為微波加熱精煉碳粉之降溫過程照片，其中該碳粉溫度為720℃。
[附件三]係為微波加熱精煉碳粉之降溫過程照片，其中該碳粉溫度為610℃。
[附件四]係為微波加熱精煉碳粉之降溫過程照片，其中該碳粉溫度為450℃。
[附件五]係為微波加熱精煉碳粉之降溫過程照片，其中該碳粉溫度為300℃。
[附件六]係為微波加熱精煉碳粉之降溫過程照片，其中該碳粉溫度為545℃至555℃。
有關本發明之技術特徵及增進功效，配合下列圖式之較佳實施例即可清楚呈現，本發明係為一種以微波加熱方式精煉碳粉之方法，首先，請參閱第一圖所示，其係為本發明方法之步驟圖，其包含有下列步驟：
A.取一含非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]，其中，該含非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]係為活性碳或無定形碳其中之一，較佳係為活性
碳，其活性碳可吸收空氣中較活躍之有毒之粒子，故其活性較高，而在本實施例中，係取一約6.08克之含非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]。
B.將上述約6.08克之含非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]經至少一次微波加熱程序，使所述含非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]吸收微波後，加熱至高溫約為攝氏溫度800度至1000度間，使該含非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]之表面燃燒，亦即指在成堆含非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]之表面燃燒，其中又因該非晶質碳的燃點較低，因此含該非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]會優先燃燒，可再進一步藉助一攪伴程序使位於非表面處之碳粉(A)[如第二圖所示]得以燃燒，以加速燃燒之速度，除了減少非晶質碳的量，理論上，在燃燒之同時其所具有之高溫可提供碳原子移動的動能，並使碳原子排列成微晶，而燃燒後之碳粉(A)[如第二圖所示]會產生一可溶於水之氧化物，該氧化物為氧化鈉、氧化鎂、氧化鈣或氧化鉀等，因此再將該燃燒後之碳粉(A)[如第二圖所示]與水混合攪拌後，使該氧化物溶於水，以降低前述碳粉(A)[如第二圖所示]所含非晶質碳的比率。然而，可再進一步經一分離程序使所述氧化物與所述碳粉(A)[如第二圖所示]能完全分離，其中，所述分離程序係包含有沈降、過濾、離心、氣吹其中之一或其組合之分離程序，以有效降低前述碳粉(A)[如第二圖所示]所含非晶質碳的比率，進而得到一可吸收微波的介質，使在生產製造過程中，若於欲燃燒之陶瓷材料中加入前述微波後之碳粉(A)[如第二圖所示]，即可有效幫助加熱，並於短時間內提高溫度。
本實施例該微波加熱程序之一微波加熱條件係為：微波功率介於300瓦特至2000瓦特，微波時間介於0.5分鐘至10分鐘，微波頻率係介於1.8GHz至3GHz之間，較佳為：微波功率為900瓦特，微波時間為3分鐘，微波頻率係為2.45GHz。進一步，再經一冷卻程序，而所述冷卻程序可為在一空氣中冷卻或者在一爐子中冷卻，其中在空氣中冷卻係將微波後之含非晶質碳的碳粉(A)[如
第二圖所示]置於空氣中，藉由空氣中之氧幫助該碳粉(A)[如第二圖所示]燃燒，進一步將低品質的非晶質碳燃燒掉，使上述含非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]之氧化物去除更完全；而在爐子中冷卻係將微波後之含非晶質碳的碳粉(A)[如第二圖所示]置入封閉的一冷卻爐中降溫，而該冷卻爐內之溫度為室溫。
再者，請參閱第二圖至第五圖所示，其中，第二圖係為本發明碳粉(A)未經微波加熱前以一電子顯微鏡(SEM)觀察之金相圖，其中，該碳粉(A)係為一活性碳，且係在15kV、100μm條件下觀察，而第四圖係為本發明碳粉(A)經微波加熱後以該電子顯微鏡(SEM)觀察之金相圖，並在15kV、500μm條件下觀察。如第三圖，進一步利用一能量散射光譜儀(EDS)觀察微波前碳粉(A)的成分，由該能量散射光譜儀(EDS)的X光譜上元素圖譜分析，該碳粉(A)成分如下表所示：
再參閱第五圖，微波後，由於該碳粉(A)中的碳元素係作為微波吸收介質，因此在吸收微波能量並轉換成熱量時，會同時進行氧化反應，使碳元素燃燒。配合第三圖及第五圖所示，微波前碳元素比例大於其他雜質(鈉Na、鎂Mg…等)，但經微波燃燒後，碳元素能量損耗，其元素能量反應降低。
參閱第六圖及第七圖所示，第六圖係碳粉(A)未經微波加熱前各元素之重量百分比示意圖；第七圖係為碳粉(A)經微波加熱後各元素之重量百分比示意圖。由第六圖及第七圖中發現，碳粉(A)中碳元素能量反應降低，其它元素相對提高，主要係由於雜質、氧化物增加。
再請參閱第八圖及第九圖所示，主要係探討重複微波加熱對碳粉(A)性質的影響，當上述藉由取二個相同重量皆約為6.08克之碳粉(A)，而其中一個碳粉(A)[所述碳粉(A)係標注在曲線A]，係經過一次微波加熱(其微波功率為900瓦特，微波時間為3分鐘)，而另一個碳粉(A)[所述碳粉(A)係標注在曲線B]，係經過四次微波加熱(每一次之微波加熱係為：微波功率為900瓦特，微波時間為3分鐘)，而由第八圖可清楚得知，碳粉(A)經多次微波加熱越容易吸收微波，且所得最高溫度亦越高，即經過一次微波加熱之碳粉(A)[所述碳粉(A)係標注在曲線A]，其最高溫度約為攝氏800度，而經過四次微波加熱之碳粉(A)[所述碳粉(A)係標注在曲線B]，其最高溫度約為攝氏890度，而由第九圖可清楚得知，碳粉(A)溫度越高，其降溫速率亦越快，而碳粉(A)之損耗量之比較為：經過一次微波加熱之碳粉(A)[所述碳粉(A)係標注在曲線A]，其損耗量係為52.2重量百分比；而經過四次微波加熱之碳粉(A)[所述碳粉(A)係標注在曲線B]，其損耗量係為26.2重量百分比，而重量損失之原因是因為氧化燃燒成二氧化碳而逸失。
進一步要說明的是，非晶質碳要轉變為排列整齊的晶質碳(結晶碳)並不容易，因此在上述微波加熱後，再經冷卻程序，因空氣中之氧(在空氣中冷卻)或者爐子裡之氧氣(在爐子中冷卻)會幫助該碳元素燃燒，進一步再將雜質去除更完全，低品質的碳會燃燒掉，即非晶質碳較容易燃燒，因此可進而得到具有高品質且純度較高之碳，以作為一可吸收微波的介質。並請參閱下表一所示，主要係說明活性碳經微波加熱後其溫度可由200℃提升至600℃，而該活性碳之重量則為18.7克降至13.17克。
另請參閱下表二及表三所示，首先，係先取用一含非晶質碳的碳粉(A)，且在本實驗中所述含非晶質碳的碳粉(A)係為活性碳，並經微波加熱，而未微波前之活性碳其重量係為13克，而經微波加熱1分鐘後，其重量係為8.81克，且此時該活性碳之內部溫度為380℃；再者，進一步將該經第一次微波加熱後之活性碳再次微波加熱1分鐘，即第二次經微波加熱之活性碳重量係為6.23克，而內部溫度為380℃；再者，進一步將該經第二次微波加熱後之活性碳再次微波加熱1分鐘，即第三次經微波加熱之活性碳重量係為6.51克，而內部溫度為534℃，由上述可知，活性碳只要經微波加熱後，即為精練，並可有效使該活性碳更容
易吸收微波而使其內部溫度升高，進而可得到純度較高、更適合微波加熱之碳，以作為一可吸收微波的介質。
另一實驗係取用活性碳先於一爐子加熱，條件為：加熱至溫度為600℃時持溫約半小時，再將該活性碳放至常溫後，再經微波加熱1分鐘，而第一次僅經微波加熱1分鐘與先經爐子加熱並放至常溫後再經微波加熱1分鐘之活性碳比較，如表二與表三所示，由此可見，僅經微波加熱1分鐘之活性碳其溫度係為380℃，而先經爐子加熱並放至常溫後再經微波加熱1分鐘之活性碳其溫度係為480℃，由上述明顯可知活性碳經爐子加熱已具有精煉之效果，因此將該活性碳如表三之實驗方式加熱至第三次時，該活性碳之溫度已能達到572℃，其精煉較果佳，進而可得到純度較高、更適合微波加熱之碳。
請參閱附件一至附件六所示，其係為本發明在冷卻時，以空冷為例，該碳粉(A)分別在不同溫度時之照片。其中，如附件一及附件二所示，藉由上述微波加熱之碳粉(A)其溫度高達攝氏800度至1000度之間，而進一步將該具高溫之碳粉(A)放至一空氣中時，該碳粉(A)會先有劇烈燃燒之現象產生，此時，該碳粉(A)溫度係介於攝氏800度至950度之間；如附件三所示，之後該碳粉(A)將不再劇烈燃燒，並同時逐漸冷卻，其碳粉(A)表面上方之熱係向上逸失，而無法加熱下方的碳粉(A)，此時，該碳粉(A)溫度係介於攝氏700度至800度之間；如附件四所示，之後碳粉(A)會逐漸由外至內冷卻，此時，該碳粉(A)溫度係介於攝氏650度至700度之間；如附件五所示，然後碳粉(A)燃燒焰火範圍逐漸縮小，此時，該碳粉(A)溫度係介於攝氏570度至650度之間；如附件六所示，最後該碳粉(A)不再燃燒，此時，該碳粉(A)溫度係介於攝氏545度至555度之間，低於碳的燃點。
進一步要說明本發明與目前一般習知精煉碳粉之差異點在於：
1.本發明與目前一般習知精煉碳粉在製程上所需之熱量來源不同，即本發明主要藉由微波加熱，而習知係藉由一般爐具以瓦斯加熱。
2.本發明在製程上所花費之時間係與習知不同，在精煉過程中，本發明係利用微波加熱方式，其僅要加熱約1至3分鐘即可達到攝氏溫度800度至1000度之間，而習知利用一般爐具並以瓦斯加熱，若要達到相同溫度約為攝氏溫度800度至1000度之間，則必需花費至少2小時至3小時間，且所需的保溫設備因急速加熱而縮小，整體設備相對縮小。
3.本發明在製程上所得到的碳與習知係為不同，即本發明可得到具有高品質且純度較高、更適合微波加熱之碳，以作為一可吸收微波的介質，而習知則得到較低品質且純度較低之碳。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
Claims (12)
- 一種以微波加熱方式精煉碳粉之方法，包括有下列步驟：A.取一含非晶質碳的碳粉；B.將上述含非晶質碳的碳粉經至少一次微波加熱程序，使所述含非晶質碳的碳粉吸收微波後燃燒，且燃燒後之碳粉會產生一可溶於水之氧化物，並得一可吸收微波的介質。
- 如申請專利範圍第1項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，進一步，在步驟B中，將該燃燒後之碳粉與水混合攪拌以降低前述碳粉所含非晶質碳的比率。
- 如申請專利範圍第2項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，進一步經一分離程序使所述氧化物與所述碳粉完全分離，其中，所述分離程序係包含有沈降、過濾、離心、氣吹其中之一或其組合之分離程序。
- 如申請專利範圍第1項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，其中，步驟A所述含非晶質碳的碳粉係為活性碳或無定形碳其中之一。
- 如申請專利範圍第1項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，其中，步驟B該微波加熱程序之一微波加熱條件係為：微波功率介於300瓦特至2000瓦特，微波時間介於0.5分鐘至10分鐘。
- 如申請專利範圍第5項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，其中，步驟B該微波加熱程序之一微波加熱條件係為：微波功率為900瓦特，微波時間為3分鐘。
- 如申請專利範圍第5項或第6項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，進一步，步驟B該微波加熱程序之一微波頻率係介於1.8GHz至3GHz之間。
- 如申請專利範圍第7項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，進一步，步驟B該微波加熱程序之微波頻率係為2.45GHz。
- 如申請專利範圍第1項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，進一步，重複步驟B之微波加熱程序。
- 如申請專利範圍第1項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，經過步驟B所述微波加熱程序後，所述含非晶質碳的碳粉再進一步經一冷卻程序。
- 如申請專利範圍第10項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，其中，所述冷卻程序係在空氣中冷卻，藉由空氣中之氧幫助該含非晶質碳的碳粉燃燒。
- 如申請專利範圍第11項所述之以微波加熱方式精煉碳粉之方法，其中，所述冷卻程序係將前述含非晶質碳的碳粉置入封閉的一冷卻爐中降溫，該冷卻爐內溫度為室溫。
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