RU2489350C2 - Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation - Google Patents
Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2489350C2 RU2489350C2 RU2011148073/05A RU2011148073A RU2489350C2 RU 2489350 C2 RU2489350 C2 RU 2489350C2 RU 2011148073/05 A RU2011148073/05 A RU 2011148073/05A RU 2011148073 A RU2011148073 A RU 2011148073A RU 2489350 C2 RU2489350 C2 RU 2489350C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- carbon
- anode
- hydrocarbon
- plasma
- Prior art date
Links
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для получения наноуглеродных материалов, в том числе нанотрубок и фуллеренов.The invention relates to the field of nanotechnology and can be used to obtain nanocarbon materials, including nanotubes and fullerenes.
Известен способ получения фуллеренов (заявка на изобретение RU №2005141129 «Способ получения фуллеренов», МПК C01B 31/02, опубл. 10.06.2006), в котором углеводородсодержащий газ и кислородсодержащий газ выпускают из выпускной секции, размещенной в фуллереновом реакторе, в фуллереновый реактор и сжигают.A known method for producing fullerenes (patent application RU No. 2005141129 "Method for producing fullerenes", IPC C01B 31/02, published June 10, 2006), in which a hydrocarbon-containing gas and an oxygen-containing gas are discharged from the outlet section located in the fullerene reactor into the fullerene reactor and burn.
Недостатками известного способа является невысокая доля конверсии углеводородного сырья в фуллерены, высокое содержание кислорода в фуллереновой продукции, а также неэкологичность процесса, обусловленная большим количеством отходов и выбросами продуктов сгорания в атмосферу.The disadvantages of this method is the low fraction of the conversion of hydrocarbons to fullerenes, the high oxygen content in fullerene products, as well as the environmental friendliness of the process due to the large amount of waste and emissions of combustion products into the atmosphere.
Известен способ (заявка на изобретение RU 97115694 «Способ и устройство для получения фуллеренов», МПК C01B 31/02, опубл. 10.07.1999), в котором фуллерены получают путем воздействия на углеводород электрической дугой, причем в качестве углеродосодержащего материала используют жидкий углеводород.A known method (patent application RU 97115694 "Method and device for producing fullerenes", IPC C01B 31/02, publ. 07/10/1999), in which fullerenes are obtained by exposure of a hydrocarbon to an electric arc, and liquid hydrocarbon is used as the carbon-containing material.
Недостатками такого способа является высокая энергоемкость процесса, связанная с использованием электрической дуги, а также низкая технологичность процесса, обусловленная, тем, что жидкий углеводород заполняет корпус выше уровня электродов, что затрудняет введение углеводорода в разрядную камеру и сбор готового продукта.The disadvantages of this method are the high energy intensity of the process associated with the use of an electric arc, as well as the low processability of the process, due to the fact that liquid hydrocarbon fills the housing above the level of the electrodes, which makes it difficult to introduce hydrocarbon into the discharge chamber and collect the finished product.
Известен способ получения углеродных нанотрубок (патент RU 2414418 «Способ получения водорода и углеродных нанотрубок из углеводородного газа», МПК C01B 3/26, C01B 31/02, B82B 3/00, опубл. 20.03.2011), в котором предварительно в среде инертного газа осуществляют распыление катализатора до наноразмерных частиц путем испарения анодного графитового электрода, внутри которого устанавливают проволоку из металла, который используют в качестве катализатора, диаметром 0,5 мм и менее. Затем инертный газ откачивают, зажигают электрическую дугу переменного тока методом касания электродов с последующим увеличением межэлектродного расстояния до 0,3÷0,5 мм и в плазме электрического разряда осуществляют высокотемпературный пиролиз углеводородного газа при давлении в реакторе 0,5÷2 атм с получением водорода и углеродных наноструктур. Рост углеродных наноструктур, представляющих собой преимущественно одно- и многослойные нанотрубки без примесей других углеродных структур углерода, происходит на синтезированных частицах катализатора. В качестве инертного газа используют гелий. В качестве углеводородного газа используют метан, попутный нефтяной газ, ацетилен, пропан, бутан, природный газ. В качестве катализатора используют палладий, железо, никель, кобальт.A known method of producing carbon nanotubes (patent RU 2414418 "Method for producing hydrogen and carbon nanotubes from hydrocarbon gas", IPC C01B 3/26, C01B 31/02, B82B 3/00, publ. 03/20/2011), in which previously in an inert medium gas, the catalyst is sprayed to nanosized particles by evaporation of the anode graphite electrode, inside which a metal wire is installed, which is used as a catalyst, with a diameter of 0.5 mm or less. Then, the inert gas is pumped out, the AC electric arc is ignited by the method of touching the electrodes, followed by increasing the interelectrode distance to 0.3–0.5 mm, and high-temperature pyrolysis of the hydrocarbon gas is carried out in the plasma of the electric discharge at a pressure in the reactor of 0.5–2 atm to produce hydrogen and carbon nanostructures. The growth of carbon nanostructures, which are predominantly single and multilayer nanotubes without impurities of other carbon structures of carbon, occurs on synthesized catalyst particles. Helium is used as an inert gas. Methane, associated petroleum gas, acetylene, propane, butane, and natural gas are used as hydrocarbon gas. As a catalyst, palladium, iron, nickel, cobalt are used.
Недостатком такого способа является высокая энергоемкость, связанная с использованием электрической дуги.The disadvantage of this method is the high energy intensity associated with the use of an electric arc.
Наиболее близким к заявляемому является способ представленный в патенте RU 2419585 «Способ и реактор для производства углеродных нанотрубок», МПК C01B 31/02, B82B 3/00, H05H 1/50, опубл. 27.05.2011. По данному способу, проводят испарение/разложение углеродсодержащего материала в объемной термической плазме, генерированной за счет вращения электрической дуги при использовании приложенного снаружи магнитного поля, и конденсирование упомянутого испаренного/разложенного углеродсодержащего материала на поверхностях или на частицах в газовом потоке. Является предпочтительным, чтобы упомянутый углеродсодержащий материал можно было рециркулировать через объемную плазму. Поверхности могут представлять собой, например, электрод или подложку. В дополнительном варианте воплощения размещение и вращение дуги достигается путем регулировки распределения, направления и напряженности приложенного магнитного поля. Этот вариант воплощения избегает решения, при котором магниты установлены внутри горячего реактора, что требует охлаждения магнитов из-за высокой температуры в реакторе и, особенно, в поле плазмы. Магниты, расположенные снаружи, защищены от тепла плазмы. Также, механическое вращение одного или обоих электродов, как описано в вышеупомянутых публикациях по дуговому способу, не обеспечивает вращения электрической дуги. Углеродсодержащий материал может представлять собой газ, жидкость или твердое тело и может быть выбран из группы, состоящей из углеродной сажи, графитового порошка, каменного угля, природного газа, углеводородов и нефтепродуктов. Наличие углеродсодержащего материала можно, в качестве альтернативы, обеспечивать путем добавления или испарения углеродсодержащих электродов. Наряду с упомянутым углеродсодержащим материалом можно добавлять катализатор либо с вводимым плазменным газом, либо путем нанесения на упомянутые поверхности. Катализатор можно выбрать из группы, состоящей из Ni, Co, Fe, Y, солей и органометаллических соединений Ni, Co, Fe, Y, суспензий Ni, Со, Fe, Y и упомянутых солей, упомянутых соединений и их комбинаций. В качестве плазменного газа можно использовать водород, гелий, азот, аргон, монооксид углерода или их смеси, или химическое вещество (предпочтительно, газ), с помощью которых можно получить один или несколько из этих газов путем нагрева.Closest to the claimed is the method presented in patent RU 2419585 "Method and reactor for the production of carbon nanotubes", IPC C01B 31/02, B82B 3/00, H05H 1/50, publ. 05/27/2011. In this method, the carbon-containing material is vaporized / decomposed in a bulk thermal plasma generated by rotating an electric arc using an external magnetic field, and said vaporized / decomposed carbon-containing material is condensed on surfaces or on particles in a gas stream. It is preferred that said carbonaceous material can be recycled through volumetric plasma. Surfaces can be, for example, an electrode or substrate. In a further embodiment, the placement and rotation of the arc is achieved by adjusting the distribution, direction and intensity of the applied magnetic field. This embodiment avoids the solution in which the magnets are installed inside the hot reactor, which requires cooling of the magnets due to the high temperature in the reactor and, especially, in the plasma field. Magnets located outside are protected from plasma heat. Also, the mechanical rotation of one or both electrodes, as described in the aforementioned publications on the arc method, does not provide rotation of the electric arc. The carbonaceous material may be a gas, liquid, or solid, and may be selected from the group consisting of carbon black, graphite powder, coal, natural gas, hydrocarbons, and petroleum products. The presence of carbonaceous material can, alternatively, be achieved by adding or vaporizing carbonaceous electrodes. Along with the aforementioned carbon-containing material, a catalyst can be added either with the introduced plasma gas, or by application to the said surfaces. The catalyst can be selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Y, salts and organometallic compounds of Ni, Co, Fe, Y, suspensions of Ni, Co, Fe, Y and said salts, said compounds and their combinations. As the plasma gas, hydrogen, helium, nitrogen, argon, carbon monoxide or mixtures thereof, or a chemical substance (preferably gas) can be used with which one or more of these gases can be obtained by heating.
Известный способ обладает следующими недостатками:The known method has the following disadvantages:
- высокая энергоемкость процесса, связанная с необходимостью применения электрической дуги;- high energy intensity of the process associated with the need to use an electric arc;
- сложность процесса, обусловленная применением вращающейся электрической дуги;- the complexity of the process due to the use of a rotating electric arc;
- высокие затраты на поведение способа, обусловленные необходимостью использования дорогостоящих катализаторов (кобальт, никель и т.д.);- high costs for the behavior of the method, due to the need to use expensive catalysts (cobalt, nickel, etc.);
- ограничение в сырье, преимущественное использование газа в качестве углеводорода.- restriction in raw materials, the predominant use of gas as a hydrocarbon.
Известно устройство (заявка на изобретение RU №97115694 «Способ и устройство для получения фуллеренов», МПК C01B 31/02, опубл. 10.07.1999), содержащее корпус, в котором размещены разнополярные графитовые электроды, разделенные изоляцией, при этом изоляционный элемент выполнен в виде горизонтально расположенной пластины со сквозными отверстиями, в каждом из которых свободно размещен подвижный электрод, а разнополярные графитовые электроды укреплены с нижней стороны изоляционной пластины, перекрывая часть каждого отверстия и препятствуя выпаданию подвижных электродов, причем корпус заполнен жидким углеводородом выше уровня электродов.A device is known (patent application RU No. 97115694 "Method and device for producing fullerenes", IPC C01B 31/02, publ. 07/10/1999), comprising a housing in which are placed bipolar graphite electrodes separated by insulation, while the insulating element is made in in the form of a horizontally located plate with through holes, in each of which a movable electrode is freely placed, and bipolar graphite electrodes are strengthened on the bottom side of the insulating plate, blocking part of each hole and preventing falling out movable electrodes, the housing being filled with liquid hydrocarbon above the level of the electrodes.
Недостатком такого устройства является то, что его конструкция затрудняет сбор фуллереновой сажи, что вызвано тем, что электроды покрыты жидким углеводородным сырьем.The disadvantage of this device is that its design makes it difficult to collect fullerene soot, which is caused by the fact that the electrodes are coated with liquid hydrocarbon feed.
Известно устройство (патент RU №2425795 «Установка для получения водорода и углеродных наноматериалов и структур из углеводородного газа, включая попутный нефтяной газ», МПК C01B 3/26, C01B 31/00, B82B 3/00, опубл. 10.08.2011), в котором установка для получения углеродного материала и водорода, состоит из плазмодугового реактора, включающего вакуумную камеру с соосно расположенными графитовыми электродами, один из которых выполнен подвижным, систему вакуумной откачки, систему электропитания с источником переменного тока, систему водяного охлаждения, систему подачи и сброса газа, измерительные системы для контроля давления и электрических параметров разряда, при этом установка дополнительно содержит палладиевый фильтр, насос-компрессор и резервуар для сбора водорода, вакуумная камера плазмодугового реактора дополнительно содержит кремниевую пластину в форме кольцевой шайбы, на которую нанесены частицы катализатора, причем пластина установлена на слаборасходуемом электроде, имеющем форму таблетки, диаметр которой больше диаметра другого электрода.A device is known (patent RU No. 2425795 "Installation for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures from hydrocarbon gas, including associated petroleum gas", IPC C01B 3/26, C01B 31/00, B82B 3/00, publ. 08/10/2011), in which the installation for producing carbon material and hydrogen consists of a plasma-arc reactor, including a vacuum chamber with coaxially arranged graphite electrodes, one of which is movable, a vacuum pumping system, an electrical power system with an alternating current source, a water cooling system, a system gas supply and discharge, measuring systems for monitoring pressure and electrical discharge parameters, the installation further comprises a palladium filter, a compressor pump and a reservoir for collecting hydrogen, the vacuum chamber of the plasma-arc reactor further comprises a silicon plate in the form of an annular washer on which catalyst particles are deposited moreover, the plate is mounted on a low-consuming electrode, in the form of a tablet, the diameter of which is larger than the diameter of the other electrode.
Для получения водорода и углеродных нанотрубок на этой установке вакуумную камеру реактора заполняют углеводородным газом, выбираемым из ряда: метан, попутный нефтяной газ, ацетилен, пропан, бутан, природный газ, зажигают электрическую дугу переменного тока методом касания электродов и при давлении 0,5-2 атм осуществляют высокотемпературный пиролиз. Углеводородный газ в камеру реактора подают непрерывно. Рост углеродных наноструктур, представляющих преимущественно одно- и многослойные нанотрубки, без образования других углеродных структур, происходит непосредственно на пластине на каталитических частицах металла. Образующийся водород выводят через палладиевый фильтр и с помощью насоса-компрессора закачивают в резервуар.To produce hydrogen and carbon nanotubes in this installation, the reactor vacuum chamber is filled with hydrocarbon gas selected from the series: methane, associated petroleum gas, acetylene, propane, butane, natural gas, and an alternating current electric arc is ignited by touching electrodes and at a pressure of 0.5- 2 atm carry out high-temperature pyrolysis. Hydrocarbon gas is continuously supplied to the reactor chamber. The growth of carbon nanostructures, which are predominantly single and multilayer nanotubes, without the formation of other carbon structures, occurs directly on the plate on catalytic metal particles. The resulting hydrogen is removed through a palladium filter and pumped into the tank using a compressor pump.
Недостатком такого устройства является его конструктивная сложность, обусловленная необходимостью охлаждения электродов.The disadvantage of this device is its structural complexity, due to the need to cool the electrodes.
Известно также устройство, наиболее близкое к предлагаемому (патент RU №2419585 «Способ и реактор для производства углеродных нанотрубок», МПК C01B 31/02, B82B 3/00, H05H 1/50, опубл. 27.05.2011), в котором реактор для производства углеродных нанотрубок или других углеродных наноструктур, например, конусов, включает в себя электрод и полый противоэлектрод, причем электроды установлены аксиально напротив друг друга, и, по меньшей мере, один магнит. Противоэлектрод может представлять собой трубу или трубу, часть которой имеет коническую форму. Противоэлектрод снабжен отверстиями, обеспечивающими прохождение и рециркуляцию газов и частиц.It is also known the device closest to the proposed (patent RU No. 2419585 "Method and reactor for the production of carbon nanotubes", IPC C01B 31/02, B82B 3/00, H05H 1/50, publ. 05.27.2011), in which the reactor for the production of carbon nanotubes or other carbon nanostructures, for example, cones, includes an electrode and a hollow counter electrode, the electrodes being mounted axially opposite each other, and at least one magnet. The counter electrode may be a pipe or a pipe, part of which has a conical shape. The counter electrode is provided with openings for the passage and recirculation of gases and particles.
Испарительную камеру и подложку для выращивания с регулируемым охлаждением и изменяемым расстоянием до зоны дуги устанавливают в центральной части реактора. Также устанавливают несколько вспомогательных впускных отверстий для введения различных компонентов реакции. Реактору приданы такие размеры, которые допускают его эксплуатацию при пониженных давлениях, вплоть до 0,1 бар, но он также может функционировать при повышенных давлениях вплоть до 3 бар. Для регулирования вращательного движения дуги, а также местоположения дуги по вертикали в реакторе, применяются магнитные катушки. В одном из вариантов воплощения, существуют четыре независимых магнитных катушки, работающих на постоянном токе, расположенных вокруг реактора на различных уровнях сверху донизу, что придает гибкость контролю дуги с точки зрения вращения дуги и ее вертикального расположения относительно электродов. Ток дуги в данном варианте воплощения подают посредством источника питания постоянного тока, подключенного между двумя электродами, и дуга, горящая между этими электродами, вращается за счет приложенного снаружи магнитного поля, регулируемого магнитными катушками.An evaporation chamber and a growth substrate with controlled cooling and a variable distance to the arc zone are installed in the central part of the reactor. Several auxiliary inlets are also installed for introducing various reaction components. The reactor is sized so that it can be operated at reduced pressures up to 0.1 bar, but it can also function at elevated pressures up to 3 bar. To control the rotational movement of the arc, as well as the vertical position of the arc in the reactor, magnetic coils are used. In one embodiment, there are four independent direct current magnetic coils located around the reactor at various levels from top to bottom, which gives flexibility to control the arc in terms of arc rotation and its vertical position relative to the electrodes. The arc current in this embodiment is supplied by means of a DC power source connected between the two electrodes, and the arc burning between these electrodes is rotated by an external magnetic field controlled by magnetic coils.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- сложность конструкции, связанная с необходимостью использования системы водяного охлаждения электродных элементов и применением магнитных катушек;- design complexity associated with the need to use a water cooling system of electrode elements and the use of magnetic coils;
- трудность применения жидких углеводородов в качестве сырья, так как впускные отверстия находятся в верхней части реактора, над электродами.- the difficulty of using liquid hydrocarbons as raw materials, since the inlets are in the upper part of the reactor, above the electrodes.
Задачей заявляемых изобретений является создание способа и устройства для его реализации, позволяющих достигать технические результаты, заключающиеся в снижении энергоемкости процесса, расширении видов используемого сырья и упрощении конструкции.The objective of the claimed invention is to create a method and device for its implementation, which allows to achieve technical results, which include reducing the energy intensity of the process, expanding the types of raw materials used and simplifying the design.
Сущность изобретений заключается в следующем. The invention consists in the following.
В способе получения углеродных наноматериалов, включающем в себя испарение/разложение/диссоциацию в объемной термической плазме углеродсодержащего материала и конденсацию на поверхности анода и катода углеродных наноматериалов, в качестве объемной термической плазмы используют плазму тлеющего разряда. При этом тлеющий разряд устанавливают подачей электрического напряжения, достаточного для пробоя межэлектродного промежутка в области, образованной анодом, расположенным в полости полого катода соосно с ним, и стенками полого катода. Анод расположен в полости полого катода с возможностью перемещения по оси в целях установления расстояния, необходимого для возникновения пробоя, а также для установления требуемого распределения электрического потенциала, поля, плотности тока и зарядов в разрядного промежутке, а полый катод имеет форму стакана с проницаемым дном, обеспечивающим возможность подачи через него углеродосодержащего сырья. Используемое углеродосодержащее сырье может находиться в газообразном или жидком состоянии, в качестве углеводородного сырья могут служить газообразные (метан, пропан, бутан и т.д.) и жидкие (нефть, мазут, газойль и т.д.) углеводороды. Поверхность, на которой накапливается получаемый углеродный наноматериал, представляет собой внешнюю поверхность анода и внутреннюю поверхность полости катода.In a method for producing carbon nanomaterials, including vaporization / decomposition / dissociation in a bulk thermal plasma of carbon-containing material and condensation on the surface of the anode and cathode of carbon nanomaterials, a glow discharge plasma is used as the bulk thermal plasma. In this case, a glow discharge is set by applying an electric voltage sufficient to break the interelectrode gap in the region formed by the anode located in the cavity of the hollow cathode coaxially with it and the walls of the hollow cathode. The anode is located in the cavity of the hollow cathode with the possibility of moving along the axis in order to establish the distance necessary for breakdown to occur, as well as to establish the required distribution of electric potential, field, current density and charges in the discharge gap, and the hollow cathode has the shape of a glass with a permeable bottom, providing the ability to feed through it carbon-containing raw materials. The carbon-containing raw materials used can be in a gaseous or liquid state, gaseous (methane, propane, butane, etc.) and liquid (oil, fuel oil, gas oil, etc.) hydrocarbons can serve as hydrocarbon raw materials. The surface on which the resulting carbon nanomaterial accumulates is the outer surface of the anode and the inner surface of the cathode cavity.
В устройстве для получения углеродных наноматериалов, включающем в себя разрядную камеру, в которой размещены электрод и полый противоэлектрод, электроды расположены соосно, при этом полый противоэлектрод является катодом, имеющим форму стакана с проницаемым дном, а анод расположен внутри полости катода с возможностью перемещения вдоль их оси. При этом проницаемое дно катода выполнено либо в виде решетки при использовании жидкого углеводородного сырья, либо в виде мембраны при использовании газообразного углеводородного сырья. А материал анода выполняют, например из меди или графита.In a device for producing carbon nanomaterials, which includes a discharge chamber in which an electrode and a hollow counter electrode are placed, the electrodes are aligned, the hollow counter electrode is a cathode having the form of a glass with a permeable bottom, and the anode is located inside the cathode cavity with the possibility of moving along them axis. In this case, the permeable bottom of the cathode is made either in the form of a lattice when using liquid hydrocarbon feedstocks, or in the form of a membrane when using gaseous hydrocarbon feeds. And the anode material is made, for example, of copper or graphite.
Заявляемые изобретения характеризуются следующими особенностями. В заявляемом способе в качестве плазменного источника применяется тлеющий разряд, который относится к разрядам с холодным катодом, то есть процессы термоэлектронной эмиссии не играют значительной роли для поддержания разряда, в отличие от способа, реализуемого в прототипе. В способе по прототипу в качестве плазменного источника применен дуговой разряд, в котором одним из основных механизмов эмиссии электронов, обеспечивающего поддержание самостоятельного разряда, играет термоэлектронная эмиссия, то есть отрыв электронов с катода, разогретого до высокой температуры. Также одной из особенностей электрической дуги является высокие значения силы тока, что требует применения мощных источников питания. Все эти факторы приводят к большим затратам энергии, значительная часть которой затрачивается не на целевое разложение молекул углеводорода. Кроме того, при дуговом разряде происходит разогрев катода, который требует мероприятий по его охлаждению, что также приводит к дополнительным затратам энергии на прокачку охлаждающей жидкости и усложнению конструкции устройства.The claimed invention is characterized by the following features. In the inventive method, a glow source is used as a plasma source, which relates to discharges with a cold cathode, that is, thermionic emission processes do not play a significant role in maintaining the discharge, in contrast to the method implemented in the prototype. In the method of the prototype, an arc discharge is used as a plasma source, in which thermionic emission, that is, the separation of electrons from a cathode heated to a high temperature, plays one of the main mechanisms of electron emission, which ensures the maintenance of an independent discharge. Also one of the features of the electric arc is the high current strength, which requires the use of powerful power sources. All these factors lead to high energy costs, a significant part of which is not spent on the target decomposition of hydrocarbon molecules. In addition, during an arc discharge, the cathode is heated, which requires measures for its cooling, which also leads to additional energy costs for pumping coolant and complicating the design of the device.
Тлеющий разряд имеет существенную термическую неравновесность: высокая электронная температура (порядка десятков тысяч кельвин) сочетается с низкой температурой ионного и нейтрального газа (400-800 К). В условиях тлеющего разряда энергия электрического поля от источника передается свободным электронам, а затем, в столкновениях с молекулами углеводородного сырья, эта энергия расходуется на ионизацию, диссоциацию и возбуждение. В этом заключается принципиальное отличие применение тлеющего разряда для разложения углеводородного сырья и последующего синтеза наноуглеродного материала от дугового разряда. Разрыв связей длинных углеводородных молекул и появление атомарного углерода и водорода происходит за счет «бомбардировки» электронами, а не за счет испарения/разложения в термической плазме, что существенно снижает энергоемкость процесса.A glow discharge has a significant thermal disequilibrium: a high electron temperature (of the order of tens of thousands of kelvin) is combined with a low temperature of ionic and neutral gas (400-800 K). Under the conditions of a glow discharge, the energy of the electric field from the source is transferred to free electrons, and then, in collisions with hydrocarbon molecules, this energy is spent on ionization, dissociation and excitation. This is the fundamental difference between the use of a glow discharge for the decomposition of hydrocarbons and the subsequent synthesis of nanocarbon material from an arc discharge. The breaking of bonds of long hydrocarbon molecules and the appearance of atomic carbon and hydrogen occurs due to the "bombardment" of electrons, and not due to evaporation / decomposition in thermal plasma, which significantly reduces the energy intensity of the process.
В прототипе указывается, что применяется термическая плазма, которую в первую очередь используют в качестве источника тепла для испарения твердого углерода или диссоциации газообразных соединений углерода. Там же отмечается, что в термических плазмах электроны и ионы обладают одинаковой температурой - обычно 5000-50000 К.The prototype indicates that thermal plasma is used, which is primarily used as a heat source for the evaporation of solid carbon or the dissociation of gaseous carbon compounds. It is also noted there that in thermal plasmas, electrons and ions have the same temperature - usually 5000-50000 K.
Термическая неравновесность также влияет на повышение процентного содержания наноуглеродного материала, в первую очередь фуллеренов. Термодинамика синтеза молекулы фуллерена такова, что атомы углерода, полученные в ходе разложения углеводородов, требуют быстрого охлаждения. Для этой цели часто применяют буферный газ и специальные охлаждаемые поверхности. В случае тлеющего разряда сама плазменная область - «холодная».Thermal nonequilibrium also affects the increase in the percentage of nanocarbon material, primarily fullerenes. The thermodynamics of the synthesis of fullerene molecules are such that the carbon atoms obtained during the decomposition of hydrocarbons require rapid cooling. For this purpose, buffer gas and special cooled surfaces are often used. In the case of a glow discharge, the plasma region itself is “cold”.
Применение в заявляемом устройстве полого катода для создания по способу плазмы тлеющего разряда увеличивает концентрацию и среднюю энергию электронов за счет того, что электроны осциллируют в полости полого катода, многократно отражаясь от прикатодного барьера. За счет этого время жизни их внутри полости полого катода возрастает, что приводит к более эффективной ионизации и возбуждению молекул углеводородного газа. При увеличении энергии электронов сечение возбуждения энергетических уровней молекул углеводородов быстро растет, что значительно увеличивает вероятность распада молекул, в том числе, на атомы углерода и водорода, что приводит к повышению эффективности плазмохимических процессов.The use of a hollow cathode in the inventive device for creating a glow discharge by a plasma method increases the concentration and average energy of electrons due to the fact that the electrons oscillate in the cavity of the hollow cathode, repeatedly reflecting from the cathode barrier. Due to this, their lifetime inside the cavity of the hollow cathode increases, which leads to more efficient ionization and excitation of hydrocarbon gas molecules. With increasing electron energy, the excitation cross section for the energy levels of hydrocarbon molecules grows rapidly, which significantly increases the probability of decay of molecules, including into carbon and hydrogen atoms, which leads to an increase in the efficiency of plasma-chemical processes.
В заявляемом изобретении подача углеводородного сырья производится через проницаемую нижнюю стенку полого катода, что позволяет решить целый комплекс проблем.In the claimed invention, the supply of hydrocarbon materials is carried out through the permeable lower wall of the hollow cathode, which allows to solve a whole range of problems.
При прохождении через стенку катода происходит предварительный разогрев углеводородного сырья, что увеличивает эффективность плазмохимических процессов. Также подача углеводородного сырья через проницаемую нижнюю стенку полого катода позволяет решить проблему охлаждения материала катода, который в промышленных установках не так значительно, как в электродуговых процессах, но все же может разогреваться. Одно из главных преимуществ применения проницаемой стенки полого катода - это возможность применения не только газообразного, но и жидкого углеводорода, в зависимости от проницаемости стенки катода. При этом появляется новый механизм плазмохимических процессов в реакторе: разложение углеводородного сырья и синтез наноуглеродных материалов происходит не только в объеме плазмы, но и на поверхности катода. Поверхность катода при использовании жидкого углеводородного сырья покрыта тонким слоем жидкости, в котором под воздействием электрического разряда происходят процессы испарения, разложения, диссоциации молекул. При этом часть молекул разлагается до атомарного водорода и углерода непосредственно в прикатодной области, а часть испаренного материала диссоциирует объеме плазмы.When passing through the cathode wall, the hydrocarbons are preheated, which increases the efficiency of plasma-chemical processes. Also, the supply of hydrocarbon feedstock through the permeable lower wall of the hollow cathode allows solving the problem of cooling the cathode material, which in industrial plants is not as significant as in electric arc processes, but can still be heated. One of the main advantages of using a permeable wall of a hollow cathode is the possibility of using not only gaseous, but also liquid hydrocarbon, depending on the permeability of the cathode wall. In this case, a new mechanism of plasma-chemical processes in the reactor appears: the decomposition of hydrocarbon materials and the synthesis of nanocarbon materials occurs not only in the plasma volume, but also on the cathode surface. When using liquid hydrocarbon feed, the cathode surface is covered with a thin layer of liquid in which, under the influence of an electric discharge, the processes of evaporation, decomposition, and dissociation of molecules occur. In this case, part of the molecules decomposes to atomic hydrogen and carbon directly in the cathode region, and part of the vaporized material dissociates the volume of the plasma.
Кроме того, что в процессе реализации способа происходит получение фуллеренов и нанотрубок, также в реакторе образуется дополнительный ценный продукт - водород.In addition to the fact that during the implementation of the method, fullerenes and nanotubes are produced, an additional valuable product is formed in the reactor - hydrogen.
На фиг.1 представлено устройство для получения углеродных наноматериалов. Устройство содержит реактор 1, соосно расположенные анод 2 и катод 3. Катод 3 имеет форму стакана с проницаемым дном 4. Проницаемость обеспечивается размещением в дне 4 полого катода 3 либо решетки при применении жидкого углеводородного сырья, либо пористой мембраны для газообразного сырья. Анод 2 расположен внутри полости катода. Катод 3 закреплен неподвижно, анод 2 имеет возможность перемещения вдоль оси в целях установления расстояния, необходимого для возникновения пробоя, а также для установления требуемого распределения электрического потенциала, поля, плотности тока и зарядов в разрядного промежутке. Материалом анода 2 может быть медь или графит. Катод 3 выполнен из металла, например меди, решетка, размещаемая в дне 4 также из меди (для жидкого углеводородного сырья), а мембрана выполнена из меди, изготовленной методом порошковой металлургии (для газообразного сырья). Система подачи 5 углеводородного сырья расположена под катодом 3 и имеет контакт с нижней стенкой 5 катода 3. Система подачи 5 включает в себя насос 6 (газовый - для подачи газообразного, жидкостный - для подачи жидкого углеводородного сырья). Источник питания постоянного тока 6 соединен своим положительным полюсом с анодом 2, а отрицательным с катодом 3. Подвод буферного газа (аргон или гелий) производится через трубопровод 7. Роль буферного газа заключается, в охлаждении фрагментов графита, а также в отводе энергии, которая выделяется при соединении фрагментов в фуллерены и нанотрубки. Газообразные продукты реакции отводятся через трубопровод 8.Figure 1 shows a device for producing carbon nanomaterials. The device comprises a reactor 1, coaxially located anode 2 and cathode 3. The cathode 3 has the shape of a cup with a permeable bottom 4. Permeability is ensured by placing a hollow cathode 3 in the bottom 4 using either a liquid hydrocarbon feedstock or a porous membrane for gaseous feedstock. Anode 2 is located inside the cavity of the cathode. The cathode 3 is fixed, the anode 2 has the ability to move along the axis in order to establish the distance necessary for the breakdown to occur, as well as to establish the required distribution of electric potential, field, current density and charges in the discharge gap. The material of the anode 2 may be copper or graphite. The cathode 3 is made of metal, for example copper, the lattice placed in the bottom 4 is also made of copper (for liquid hydrocarbon raw materials), and the membrane is made of copper made by powder metallurgy (for gaseous raw materials). The hydrocarbon feed system 5 is located under the cathode 3 and is in contact with the bottom wall 5 of the cathode 3. The feed system 5 includes a pump 6 (gas for supplying gaseous, liquid for supplying liquid hydrocarbon feed). The DC power supply 6 is connected by its positive pole to the anode 2, and the negative to the cathode 3. The supply of buffer gas (argon or helium) is carried out through pipeline 7. The role of the buffer gas is to cool the fragments of graphite, as well as in the removal of energy that is released when connecting fragments into fullerenes and nanotubes. Gaseous reaction products are discharged through line 8.
Для осуществления способа получения углеродных наноматериалов из углеводородного сырья в реакторе 1 создают вакуум, затем подают буферный газ через трубопровод 7. Далее подают углеводородное сырье через проницаемую стенку 4 при помощи насоса 6 системы подачи газа 5. Подают электрическое напряжение от источника питания 6 на анод 2 и катод 3, достаточное для пробоя межэлектродного промежутка и установления тлеющего разряда. При взаимодействии плазмы тлеющего разряда с углеводородным сырьем происходит разрыв связей длинных углеводородных молекул и появляется атомарный углерод и водород. В электрическом разряде атомы углерода присоединяют электроны и как отрицательно заряженные частицы движутся к аноду 2 и накапливаются на нем в виде наноуглеродного материала, содержащего фуллереновые соединения и нанотрубки. В тлеющем разряде, созданным в промежутке между анодом 2, расположенным в полости полого катода 3 средняя энергия и концентрация электронов растет, что приводит к более эффективной ионизации и возбуждению молекул углеводородного сырья, а соответственно к более эффективному синтезу из него фуллеренов и нанотрубок.To implement the method of producing carbon nanomaterials from hydrocarbon feedstocks, a vacuum is created in the reactor 1, then buffer gas is supplied through the pipeline 7. Next, the hydrocarbon feedstock is supplied through the permeable wall 4 using the pump 6 of the gas supply system 5. An electric voltage is supplied from the power supply 6 to the anode 2 and cathode 3, sufficient for the breakdown of the interelectrode gap and the establishment of a glow discharge. When a glow discharge plasma interacts with a hydrocarbon feed, bonds between long hydrocarbon molecules break and atomic carbon and hydrogen appear. In an electric discharge, carbon atoms attach electrons and, as negatively charged particles, move to anode 2 and accumulate on it in the form of nanocarbon material containing fullerene compounds and nanotubes. In a glow discharge created in the gap between the anode 2, located in the cavity of the hollow cathode 3, the average energy and electron concentration increase, which leads to more efficient ionization and excitation of hydrocarbon molecules, and, accordingly, to a more efficient synthesis of fullerenes and nanotubes from it.
При использовании жидкого углеводородного сырья появляется новый механизм плазмохимических процессов в реакторе: разложение углеводородного сырья и синтез наноуглеродных материалов происходит не только в объеме плазмы, но и на поверхности катода. Поверхность катода при использовании жидкого углеводородного сырья покрыта тонким слоем жидкости, в котором под воздействием электрического разряда происходят процессы испарения, разложения, диссоциации молекул. При этом часть молекул разлагается до атомарного водорода и углерода непосредственно в прикатодной области, а часть испаренного материала диссоциирует объеме плазмы.When using liquid hydrocarbon raw materials, a new mechanism of plasma-chemical processes in the reactor appears: the decomposition of hydrocarbon raw materials and the synthesis of nanocarbon materials occurs not only in the plasma volume, but also on the cathode surface. When using liquid hydrocarbon feed, the cathode surface is covered with a thin layer of liquid in which, under the influence of an electric discharge, the processes of evaporation, decomposition, and dissociation of molecules occur. In this case, part of the molecules decomposes to atomic hydrogen and carbon directly in the cathode region, and part of the vaporized material dissociates the volume of the plasma.
В качестве углеводородного сырья могут служить газообразные (метан, пропан, бутан и т.д.) и жидкие (нефть, мазут, бензол, газойль и т.д.) углеводороды.Gaseous (methane, propane, butane, etc.) and liquid (oil, fuel oil, benzene, gas oil, etc.) hydrocarbons can serve as hydrocarbon feedstocks.
Образующийся в процессе водород и другие газообразные продукты реакции отводятся через трубопровод 8.Hydrogen and other gaseous reaction products formed during the process are discharged through line 8.
Пример 1.Example 1
Реализовано устройство для получения водорода и углеродного наноматериала, в котором происходило плазмохимическое разложение пропан-бутановой смеси в условиях тлеющего разряда с полым катодом. Анод - графитовый, диаметром 5 мм. Размеры катода из меди составляли - диаметр 60 мм, высота 100 мм, пористость проницаемой стенки катода, выполненного из меди и изготовленного методом порошковой металлургии, 0,25. Расстояние между анодом и катодом по оси - 10 мм. Давление в камере составляло 30 торр, напряжение - 4 кВ, сила тока - 150 мА. Производительность углеродного наноматериала, фуллеренов широкого спектра (С60, С70, С84, С96 и т.д.) и многослойных нанотрубок составило 100 грамм в час.A device was developed for producing hydrogen and carbon nanomaterial, in which the plasma-chemical decomposition of the propane-butane mixture occurred under conditions of a glow discharge with a hollow cathode. The anode is graphite, with a diameter of 5 mm. The dimensions of the cathode made of copper were - diameter 60 mm, height 100 mm, the porosity of the permeable wall of the cathode made of copper and made by powder metallurgy, 0.25. The distance between the anode and cathode along the axis is 10 mm. The pressure in the chamber was 30 torr, the voltage was 4 kV, and the current was 150 mA. The productivity of carbon nanomaterial, broad-spectrum fullerenes (C60, C70, C84, C96, etc.) and multilayer nanotubes amounted to 100 grams per hour.
Пример 2.Example 2
Реализовано устройство для получения водорода и углеродного наноматериала, в котором происходило разложение мазута. Размеры катода из меди составляли - диаметр 60 мм, высота 100 мм, проницаемая стенка выполнена в виде Решетки из меди с диаметром отверстий 0,3 мм. Анод - графитовый, диаметром 5 мм. Расстояние между анодом и катодом по оси - 6 мм. Давление в камере составляло 40 торр, напряжение - 5 кВ, сила тока - 150 мА. Производительность углеродного наноматериала, фуллеренов широкого спектра (С60, С70, С84, С96 и т.д.) и многослойных нанотрубок составило 100 грамм в час.A device for producing hydrogen and carbon nanomaterial, in which the decomposition of fuel oil, was implemented. The dimensions of the copper cathode were - diameter 60 mm, height 100 mm, the permeable wall is made in the form of a lattice of copper with a hole diameter of 0.3 mm. The anode is graphite, with a diameter of 5 mm. The distance between the anode and cathode along the axis is 6 mm. The pressure in the chamber was 40 torr, the voltage was 5 kV, and the current strength was 150 mA. The productivity of carbon nanomaterial, broad-spectrum fullerenes (C60, C70, C84, C96, etc.) and multilayer nanotubes amounted to 100 grams per hour.
Заявляемые способ и устройство позволяют снизить энергоемкость процесса, расширить виды используемого углеводородного сырья и упростить конструкцию устройства, а также обеспечивают экологичность процесса с использованием недорогого углеводородного сырья, его высокую производительность (высокий выход конечного углеродного наноматериала к исходному сырью).The inventive method and device can reduce the energy intensity of the process, expand the types of hydrocarbons used and simplify the design of the device, as well as ensure the environmental friendliness of the process using inexpensive hydrocarbons, its high productivity (high yield of the final carbon nanomaterial to the feedstock).
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011148073/05A RU2489350C2 (en) | 2011-11-16 | 2011-11-16 | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011148073/05A RU2489350C2 (en) | 2011-11-16 | 2011-11-16 | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011148073A RU2011148073A (en) | 2013-05-27 |
RU2489350C2 true RU2489350C2 (en) | 2013-08-10 |
Family
ID=48789219
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011148073/05A RU2489350C2 (en) | 2011-11-16 | 2011-11-16 | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2489350C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2556926C1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук | Method of continuous production of graphenes |
RU2572245C1 (en) * | 2014-10-22 | 2016-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Cold cathode |
RU2770303C1 (en) * | 2021-04-20 | 2022-04-15 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU97115694A (en) * | 1997-09-09 | 1999-07-10 | А.П. Ильин | METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING FULLERENES |
RU2005141129A (en) * | 2003-06-10 | 2006-06-10 | Франтиер Карбон Корпорейшн (Jp) | METHOD FOR PRODUCING FULLERENES |
RU2382119C1 (en) * | 2008-10-31 | 2010-02-20 | Константин Викторович Вавилин | Method for plasma deposition of polymer coats and installation for its realisation |
RU2393988C1 (en) * | 2009-04-06 | 2010-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Device for plasma-chemical conversion of hydrocarbon gas |
RU2396369C2 (en) * | 2007-10-26 | 2010-08-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (ФГУП "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") | Procedure for processing thermally unstable material with cold plasma jet |
RU2414418C2 (en) * | 2008-07-14 | 2011-03-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации | Method of producing hydrogen and carbon nanofibres from hydrocarbon gas |
RU2419585C2 (en) * | 2005-06-16 | 2011-05-27 | Синвент Ас | Method and reactor for production of carbon nanotubes |
RU2425795C2 (en) * | 2009-08-31 | 2011-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Наноматериалы" | Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas |
-
2011
- 2011-11-16 RU RU2011148073/05A patent/RU2489350C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU97115694A (en) * | 1997-09-09 | 1999-07-10 | А.П. Ильин | METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING FULLERENES |
RU2005141129A (en) * | 2003-06-10 | 2006-06-10 | Франтиер Карбон Корпорейшн (Jp) | METHOD FOR PRODUCING FULLERENES |
RU2419585C2 (en) * | 2005-06-16 | 2011-05-27 | Синвент Ас | Method and reactor for production of carbon nanotubes |
RU2396369C2 (en) * | 2007-10-26 | 2010-08-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (ФГУП "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") | Procedure for processing thermally unstable material with cold plasma jet |
RU2414418C2 (en) * | 2008-07-14 | 2011-03-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации | Method of producing hydrogen and carbon nanofibres from hydrocarbon gas |
RU2382119C1 (en) * | 2008-10-31 | 2010-02-20 | Константин Викторович Вавилин | Method for plasma deposition of polymer coats and installation for its realisation |
RU2393988C1 (en) * | 2009-04-06 | 2010-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Device for plasma-chemical conversion of hydrocarbon gas |
RU2425795C2 (en) * | 2009-08-31 | 2011-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Наноматериалы" | Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2556926C1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук | Method of continuous production of graphenes |
RU2572245C1 (en) * | 2014-10-22 | 2016-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Cold cathode |
RU2770303C1 (en) * | 2021-04-20 | 2022-04-15 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011148073A (en) | 2013-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2425795C2 (en) | Apparatus for producing hydrogen and carbon nanomaterials and structures produced from hydrocarbon gas, including associated pertroleum gas | |
KR20210016610A (en) | Apparatus and method for manufacturing carbon nanotubes | |
JP7156648B2 (en) | Carbon nanostructured material and method of forming carbon nanostructured material | |
RU2008101656A (en) | METHOD AND REACTOR FOR THE PRODUCTION OF CARBON NANOTUBES | |
JP2001348215A (en) | Manufacturing method of carbon nanotube and/or fullerene and manufacturing device therefor | |
JPH09188509A (en) | Production of monolayer carbon manotube | |
CN102616780A (en) | Method for preparing titanium carbide nanometer particles and composite materials thereof by direct current arc method | |
Kreuznacht et al. | Comparison of the performance of a microwave plasma torch and a gliding arc plasma for hydrogen production via methane pyrolysis | |
US20100072054A1 (en) | Carbon nanotube manufacturing apparatus, carbon nanotube manufacturing method, and radical producing apparatus | |
RU2489350C2 (en) | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation | |
Liu et al. | Synthesis of structure controlled carbon nanomaterials by AC arc plasma process | |
US11932541B2 (en) | Process and apparatus for synthesizing multiwall carbon nanotubes from high molecular polymeric wastes | |
KR100468845B1 (en) | Method of fabricating carbon nano tube | |
Harbec et al. | Carbon nanotubes from the dissociation of C2Cl4 using a dc thermal plasma torch | |
CN114604859B (en) | Method and device for continuously preparing graphene by one-stage pyrolysis of coal tar | |
Cao et al. | Research progress on graphene production by methane cracking: approach and growth mechanism | |
RU2414418C2 (en) | Method of producing hydrogen and carbon nanofibres from hydrocarbon gas | |
CN114679832B (en) | Sliding arc discharge plasma device and nano powder preparation method | |
Amirov et al. | Thermal plasma torch for synthesis of carbon nanotubes | |
RU2556926C1 (en) | Method of continuous production of graphenes | |
KR20050108699A (en) | Apparatus and method for carbon nanotubes production using a thermal plasma torch | |
CN110451481B (en) | Method for preparing nano carbon powder by using plasma | |
JP3383685B2 (en) | Method for producing ultrafine carbon tube and ultrafine carbon particles | |
RU2571150C2 (en) | Method of production of carbon nanotubes | |
JP2005060116A (en) | Method for manufacturing fine particle and manufacturing apparatus for fine particle |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161117 |