Способ получения фуллеренов и установка для его осуществления

(51) 01 31/02 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ углеродсодержащего материала в условиях высокой напряженности электрического поля, согласно изобретению, в качестве углеродсодержащего материала используют углеродсодержащий газ,который пропускают между жидкостным осадительным заземленным электродом,образованным потоком воды, и электродом,состоящим, по меньшей мере, из одной иглы и подключенным к источнику тока напряжением 10 3000 кВ для создания униполярной ионизации и генерирования атомарного водорода, которым восстанавливают углерод и собирают его на жидкостном осадительном электроде в виде фуллеренов. В установке для получения фуллеренов,содержащей реакционную камеру с электродами,один из которых подключен к высоковольтному источнику тока, согласно изобретению, электрод,подключенный к источнику тока, состоит, по меньшей мере, из одной иглы, а другой электрод образован потоком воды, который заземлен и служит жидкостным осадительным электродом для осаждения фуллеренов.(56) Патент РФ 2186022, кл. С 01 В 31/02, 2002 заявка на изобретение РФ 2001115747, кл. С 01 В 31/02, 2003(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к физико-химическим процессам получения фуллеренов путем переработки газообразного углеродсодержащего материала. Технический результат - снижение энергозатрат за счет исключения использования расходуемых графитовых электродов и применения в качестве исходного материала отходов производства,упрощение способа и конструкции установки для получения фуллерена, очистка дымовых газов от вредных примесей и исключение загрязнения окружающей среды - достигается тем, что в способе получения фуллеренов, включающем обработку 16287 Изобретение относится к физико-химическим процессам получения фуллеренов путем переработки газообразного углеродсодержащего материала. Известно устройство для получения сажи,содержащей смесь фуллеренов, электродуговым методом, включающее герметичный корпус с окном для визуального наблюдения дугового разряда и размещенные в корпусе подвижный и неподвижный электроды, которые расположены параллельно по отношению друг к другу, подвижный электрод снабжен сильфонной развязкой и установлен с возможностью наклона относительно неподвижного электрода, а окно для визуального наблюдения расположено в торцевой части корпуса перпендикулярно осям электродов. После сжигания электрода корпус заполняется воздухом и вынимается токоввод для замены подвижного электрода. Токоввод с новым электродом устанавливается на место, корпус вакуумируется и заполняется гелием, после чего производится сжигание нового электрода (патент РФ 2121965,кл. С 01 В 3/02, 1998). Указанное устройство не обеспечивает его непрерывную работу, так как необходимо периодически останавливать его для замены электрода. При этом требуются высокие энергозатраты на изготовление подвижного электрода, вакуумирование корпуса и заполнение его гелием. Известна установка для получения фуллеренов,содержащая корпус с реакционной камерой, в реакционной зоне которой эксцентрично размещены механические захваты с закрепленными в них углеродсодержащими электродами, соединенными с энергоподводами, один из которых выполнен в виде диска с возможностью вращения на валу. Реакционная камера выполнена в виде двух совмещенных большими основаниями усеченных конусов, в средней части между которыми размещена реакционная зона, при этом второй углеродсодержащий электрод также выполнен в виде диска на валу, по крайней мере один из электродов выполнен с возможностью вращения, в реакционную камеру по касательной врезаны патрубки в средней и периферийной частях,соединенные с узлом подачи сжатого инертного газа, а стенки камеры выполнены с внутренней облицовкой из упругоподатливого материала с рифленой поверхностью,полость между облицовкой и стенкой камеры соединена с источником сжатой среды,причем вдоль внутренних стенок камеры закреплена по винтовой спирали полоса со сквозными фасонными отверстиями,соединенная с источником электрической энергии (патент РФ 2184701,кл. С 01 В 31/02, 2002). Данное устройство характеризуется высокими энергозатратами и не обеспечивает получение фуллеренов из отходов производства, в частности,углеродсодержащих отходящих газов. Известен способ получения фуллеренов,включающий возгонку углеродсодержащего 2 материала за счет воздействия на него высокотемпературного поля, отвод продуктов возгонки из зоны реакции и их разделение осаждением и аккумулированием частиц фуллеренов. Отвод продуктов возгонки ведут в процессе фазового перехода обрабатываемого углеродсодержащего материала последовательно сквозь перфорации, образованные в сферических стенках нескольких обойм, выполненных вокруг зоны реакции, а разделение ведут за счет наложения на материал обойм электрического потенциала со знаком заряда, противоположным знаку заряда частиц фуллеренов, причем величину потенциала повышают последовательно от обоймы к обойме пропорционально увеличению масс частиц фуллеренов. Суммарный выход фуллеренов при этом составляет 18-23 от массы исходного углеродсодержащего материала (патент РФ 2178766, кл. С 01 В 31/02, 2002). Указанный способ характеризуется сложностью осуществления и требует значительных энергозатрат на изготовление углеродсодержащего материала, большая часть которого (77-82) расходуется неэффективно. Известен способ получения фуллеренов,включающий обработку углеродсодержащего материала в реакционном объеме рабочей камеры за счет воздействия на этот материал рабочей высокотемпературной энергией разряда электрического тока, отвод фуллерен содержащей массы и выделение из нее фуллеренов. На обрабатываемый углеродсодержащий материал воздействуют энергетическими нагрузками, где,наряду с воздействием высокотемпературной энергией разряда электрического тока,одновременно ведут воздействие энергией электрического поля и энергией электромагнитного поля, а на отходящий из реакционной зоны поток фуллерен содержащей массы воздействуют энергией акустического поля, которое ведут одновременно по трем взаимно перпендикулярным направлениям этого отходящего из реакционной зоны объема фуллеренсодержащей массы. Выход фуллеренов составляет 15-22. Установка для получения фуллеренов содержит реакционную камеру с электродами, подключенными к источнику тока. Напряженность электрического тока выбирают напряженность в пределах 10-25 А/м 2,электромагнитного поля выбирают в пределах 0,10,5 А/м 2 с величиной индукции в пределах 0,1-1,0 Тл. Воздействие акустическим полем по каждому из трех взаимно перпендикулярных направлений ведут с частотой 25-35 кГц при интенсивности 0,5-5,0 дБ(патент РФ 2186022, кл. С 01 В 31/02, 2002). Данный способ характеризуется сложностью осуществления, а установка для его реализации имеет сложную конструкцию,так как предусматривает наличие акустического генератора и источника электромагнитного поля. Выход фуллеренов, равный 15-22, является низким. При этом для получения фуллеренов необходимо предварительно изготовить графитовые электроды. 16287 Все известные решения предусматривают получение фуллеренов только из специально приготовленных графитовых электродов, большая часть массы которых расходуется неэффективно. При этом ни одно из технических решений не обеспечивает получение фуллеренов из отходов производства - углеродсодержащих газов с обеспечением их одновременной очистки. Задачей изобретения является разработка способа получения фуллеренов путем переработки газов, содержащих углерод, а именно дымовых газов котельных установок, ТЭЦ, установок для сжигания мусора, нефтехимических предприятий или газов,полученных при сжигании углеводородов. Технический результат - снижение энергозатрат за счет исключения использования расходуемых графитовых электродов и применения в качестве исходного материала отходов производства,упрощение способа и конструкции установки для получения фуллерена, очистка дымовых газов от вредных примесей и исключение загрязнения окружающей среды - достигается тем, что в способе получения фуллеренов, включающем обработку углеродсодержащего материала в условиях высокой напряженности электрического поля, согласно изобретению, в качестве углеродсодержащего материала используют углеродсодержащий газ,который пропускают между жидкостным осадительным заземленным электродом,образованным потоком воды, и электродом,состоящим, по меньшей мере, из одной иглы и подключенным к источнику тока напряжением 103000 кВ для создания униполярной ионизации и генерирования атомарного водорода, которым восстанавливают углерод и собирают его на жидкостном осадительном электроде в виде фуллеренов. В установке для получения фуллеренов,содержащей реакционную камеру с электродами,один из которых подключен к высоковольтному источнику тока, согласно изобретению, электрод,подключенный к высоковольтному источнику тока,состоит, по меньшей мере, из одной иглы, а другой электрод образован потоком воды, который заземлен и служит жидкостным осадительным электродом для осаждения фуллеренов. Изобретение поясняется чертежами, где представлен продольный разрез установки получения фуллеренов. Установка для получения фуллеренов содержит реакционную камеру с электродами. Реакционная камера образована электродом 3 и емкостью 1 с водой, установленной с возможностью образования потока воды, которая служит вторым электродом. Электрод 3 подключен к высоковольтному источнику тока 4 и состоит, по меньшей мере, из одной иглы 7, а другой электрод, образованный потоком воды, стекающей по конической стенке корпуса 5, заземлен и служит жидкостным осадительным электродом для осаждения фуллеренов. Углеродсодержащий газ подводится в реакционную камеру через подводящий трубопровод 2 и/или через трубопровод 11 и кольцевой газоход 10 с помощью газового насоса 12. Трубопровод 2 может быть соединен с атмосферой, или с источником какого-либо газа,который добавляют к подвергаемому переработке газу, или с входом газового насоса 12, подающего углеродсодержащий газ в установку. Установка снабжена фильтром 6. В верхней части установки образован кольцевой канал 8 для отвода переработанного газа. Кольцевой канал может также служить для доступа в реакционную зону атмосферного воздуха, либо газа, дополнительно засасываемого из верхней части установки. Для перекачивания воды с целью ее повторного использования и циркуляции в замкнутом цикле служит насос 9. Получение фуллерена осуществляют следующим образом. Пример 1. Углеродсодержащий газ подают по трубопроводу 11 через кольцевой газоход 10 и пропускают его между электродом 3,подключенным к отрицательному полюсу источника тока 4 и жидкостным осадительным электродом, который образован потоком воды,стекающей по конической поверхности стенки 5. На электрод 3 подают напряжение 3000 кВ, емкость 1 с водой заземляют. Вода, образующая жидкостной осадительный электрод, служит акцептором извлекаемого из газа углерода. При подаче напряжения на электрод 3 частицы углерода заряжаются от электрода 3 и оседают на поверхности воды, стекающей по конической стенке корпуса 5. Воду с осажденным в ней углеродом в виде фуллеренов собирают в нижней части корпуса и подают в фильтр 6, где извлекают фуллерены в виде порошка, а очищенные газы отводят через кольцевой канал 8, образованный конической поверхностью корпуса 5 и электродом 3. Воду из фильтра 6 повторно используют для образования жидкостного осадительного электрода,перекачивая ее насосом 9 в емкость 1. Восстановление углерода производится атомарным водородом,выделяющимся в специфических условиях, создаваемых в установке в области высокой напряженности электрического поля и высокой униполярной ионизации при пропускании газов в смеси с воздухом между электродом 3 с иглами 7 и жидкостным электродом. Пример 2. Для получения фуллеренов путем восстановления углерода из дымового газа его пропускают между электродом 3, состоящим, по меньшей мере, из одной иглы и подключенным к отрицательному полюсу источника тока и электродом, который образован потоком воды. На электрод 3 подают напряжение 10 кВ, емкость с водой заземляют. При подаче напряжения на электрод 3 происходит выделение атомарного водорода, который восстанавливает углерод из его оксида. Вода,образующая жидкостной осадительный электрод, служит акцептором восстанавливаемого углерода, который образует фуллерены. 3 16287 Процесс восстановления углерода может происходить по следующим схемам 1. 4 НСО 2 С 2 Н 2 О. 2. СО 28 НС 42 Н 2 О СН 4 СО 22 С 2 Н 2. В качестве подвергаемого переработке газа для получения фуллеренов могут применяться продукты сгорания углеводородов, продукты сжигания мусора, дымовые газы ТЭЦ и котельных установок. Выход фуллеренов может достигать 100 по отношению к содержащемуся в исходном газе углероду. При диаметре кромки перелива емкости 1,равной 2000 мм, производительность установки составляет 1 м 3/сек газа. В зависимости от характера исходного газа и режима работы установки углерод получается в виде чистого фуллерена, смеси фуллеренов с элементарным углеродом в виде сажи или в смеси с продуктами, содержащимися в подвергаемых переработке газах. При этом улучшается экология и снижаются энергозатраты, так как фуллерены производятся не из дорогостоящего сырья, а из отходов производства. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения фуллеренов, включающий обработку углеродсодержащего материала в условиях высокой напряженности электрического поля, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют углеродсодержащий газ, который пропускают между жидкостным осадительным заземленным электродом, образованным потоком воды, и электродом, состоящим, по меньшей мере из одной иглы и подключенным к источнику тока напряжением 10-3000 кВ для создания униполярной ионизации и генерирования атомарного водорода,которым восстанавливают углерод и собирают его на жидкостном осадительном электроде в виде фуллеренов. 2. Установка для получения фуллеренов,содержащая реакционную камеру с электродами,один их которых подключен к высоковольтному источнику тока, отличающаяся тем, что электрод,подключенный к источнику тока, состоит, по меньшей мере, из одной иглы, а другой электрод образован потоком воды, который заземлен и служит жидкостным осадительным электродом для осаждения фуллеренов.