(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空ポンプが取り付けられた減圧槽からなり、該減圧槽内へ原料ガスを導入するための原料ガス導入ラインと、該減圧槽内に設置された複数の鉄系金属プレートとを有する装置を用い、該減圧槽内を真空引きした後、該原料ガスとして、製鉄所やゴミ焼却所において排出される少なくとも一酸化炭素を含んでいる高温排出ガスを、該原料ガス導入ラインを経て該減圧槽内へ導入し、熱ＣＶＤ法により該金属プレート表面上にグラファイトナノファイバを生成することを特徴とするグラファイトナノファイバ粉体生成方法。
【請求項２】
真空ポンプが取り付けられた減圧槽からなり、該減圧槽内へ原料ガスを導入するための原料ガス導入ラインと、該原料ガスを槽内へ導入する際にガス中の不純物を除去するためのフィルターと、該減圧槽内に設置される複数の鉄系金属プレートと、該減圧槽の外壁に設けられた水冷用パイプと、該減圧槽の内壁近傍に配置されたリフレクターと、該減圧槽内へ水素ガスを導入するための水素ガス導入ラインとを有する装置を用い、該減圧槽内を真空引きした後、原料ガスとして、製鉄所やゴミ焼却所において排出される少なくとも一酸化炭素を含んでいる高温排出ガスを、該フィルターを通して該減圧槽内へ導入し、熱ＣＶＤ法により該高温排出ガスで暖められた金属プレート表面上に吸着された一酸化炭素の熱分解により該プレート上にグラファイトナノファイバを生成せしめ、また、該減圧槽内へ導入される水素ガスと、該熱分解反応によりカーボンを固定してＨ2Ｏを生成せしめ、生成したＨ2Ｏをトラップして除去することを特徴とするグラファイトナノファイバ粉体生成方法。
【請求項３】
真空ポンプが取り付けられた減圧槽からなり、該減圧槽には、製鉄所やゴミ焼却所において排出される少なくとも一酸化炭素を含んでいる高温排出ガスを該減圧槽内へ導入するための導入ラインと、該導入ラインに設けられた該ガス中の不純物を除去するためのフィルターと、該減圧槽内へ水素ガスを導入するための水素ガス導入ラインとが設けられ、該減圧槽の外壁には水冷用パイプが設けられ、該減圧槽の内壁近傍にはリフレクターが設置され、また、該減圧槽内には稼働中にグラファイトナノファイバをその上に生成するための鉄系金属プレートが複数枚設置されることを特徴とする、熱ＣＶＤ法により該金属プレート表面上にグラファイトナノファイバを生成するためのグラファイトナノファイバ粉体生成装置。
【請求項４】
前記減圧槽内には、前記リフレクターの内側にさらに加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項３記載のグラファイトナノファイバ粉体生成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グラファイトナノファイバ粉体生成方法及び装置に関する。本発明は、平面ディスプレー（電界放出型ディスプレー）やＣＲＴの電子管球の代用として電子発光素子を必要とする部品の分野で利用されると共に、２次電池（例えば、Ｎｉ電池）の充填材や水素吸蔵の充填材等の分野においても利用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、グラファイトナノファイバ粉体は、例えば、図１に示す生成装置を用いて生成されていた。この生成装置は、真空環境を形成しうる構造を有する減圧槽１からなる。この減圧槽１の内壁にはヒータ２が固設され、減圧槽１内には鉄を含む材料から作製された金属プレート３が設置されている。減圧槽１には、仕切バルブ４を介して真空ポンプ５が、また、原料ガスを導入するための導入ラインが設けられている。この導入ラインは、一酸化炭素ガス導入ラインと水素ガス導入ラインとの二つのラインからなり、これらのラインは、二つのガスが減圧槽１内へ導入される前に合流して、その混合ガスが減圧槽１内に導入されるように構成される。一酸化炭素ガス導入ライン及び水素ガス導入ラインは、それぞれ、減圧槽１側から、仕切バルブ６ａ及び６ｂ、ガス流量調整器７ａ及び７ｂ、仕切バルブ８ａ及び８ｂ、レギュレータ９ａ及び９ｂを経て、一酸化炭素ガスボンベ１０ａ及び水素ガスボンベ１０ｂへとガス配管により連結されたガス供給系である。また、減圧槽１には減圧槽内を大気圧に戻すためのベントバルブ１１が取り付けられている。
【０００３】
従来のグラファイトナノファイバ粉体の生成方法は、上記装置を用いて次の通りに行われる。まず、仕切バルブ４を開状態にし、真空ポンプ５を作動させて、０．１Ｔｏｒｒ程度に真空引きを行った後に、ヒータ２に電力を通し、減圧槽１内を加熱する。この状態で一酸化炭素ガスボンベ１０ａ及び水素ガスボンベ１０ｂの元栓を開放し、さらにレギュレータ９ａ及び９ｂを１気圧より少し高めに設定して、仕切弁６ａ、６ｂ、８ａ、及び８ｂを開放する。次に、ガス流量調整器７ａ及び７ｂをそれぞれ２００リットル／分及び１０００リットル／分に調整し、減圧槽１内に一酸化炭素ガス及び水素ガスの混合ガスを導入する。この時に、仕切弁４を閉じて、真空ポンプ５を停止させる。減圧槽１内の一酸化炭素ガス及び水素ガスが金属プレート３上に付着するとグラファイトナノファイバが生成し始め、約１時間で２〜３ｃｍに成長する。１時間程度成長させた後、仕切弁６ａ及び６ｂを閉じて混合ガスの導入を止める。次に、仕切弁４を開放し、真空ポンプ５を作動させて減圧槽１内に残留している一酸化炭素ガス及び水素ガスを引ききる。その後、ベントバルブ１１より大気を導入して減圧槽１内を大気圧に戻し、減圧槽１の扉を開けて金属プレート３を取り出す。取り出された金属プレート３上にはグラファイトナノファイバが生成しており、これをへら等でこそげ落としてグラファイトナノファイバ粉体を採取する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のグラファイトナノファイバ粉体生成方法では、金属プレートを加熱するために多大な電力を必要とする。このように、多大なエネルギーを消費する方法はエネルギー活用の面から効率的なものとは言えない。また、原料ガスとして一酸化炭素ガスを用いてグラファイトナノファイバを生成する分解反応は、カーボンを固定化する反応であるが、その反応のために、わざわざ別の系、例えば化学反応で一酸化炭素を生成し、それを用いることは、原料効率の点からも、また、環境に対しても望ましいことではない。
【０００５】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解消することにあり、低エネルギーでかつ環境にやさしい手法でグラファイトナノファイバ粉体を生成する方法及び装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、グラファイトナノファイバ粉体生成用原料ガスとして、各種ガスについて検討した結果、製鉄所やゴミ焼却所等において排出される高温排出ガスを利用することにより、所期の目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明のグラファイトナノファイバ粉体生成方法は、真空ポンプが取り付けられた減圧槽からなり、該減圧槽内へ原料ガスを導入するための原料ガス導入ラインと、該減圧槽内に設置された複数の鉄系金属プレートとを有する装置を用い、該減圧槽内を真空引きした後、該原料ガスとして、製鉄所やゴミ焼却所において排出される少なくとも一酸化炭素を含んでいる高温排出ガスを、該原料ガス導入ラインを経て該減圧槽内へ導入し、熱ＣＶＤ法により該金属プレート表面上にグラファイトナノファイバを生成することからなる。該高温排出ガスを、該ガス中の不純物を除去するためのフィルターを通して該減圧槽中へ導入すること、また、該減圧槽内へ水素ガスを導入することが望ましい。該高温排出ガスの導入は、この排出ガスの排出口と該減圧槽の導入口とを連結し、直接減圧槽内へ導入することにより行われる。製鉄所等において排出されるガスの温度は、通常、５５０℃〜６５０℃程度であるので、一酸化炭素ガスの分解反応が充分に起こり得る範囲内である。また、この高温排出ガス中にはグラファイトナノファイバを生成するための一酸化炭素ガスが通常７０容量％程度含有されている。このような高温排出ガスを利用することにより、低エネルギーでかつ環境にやさしい手法でグラファイトナノファイバ粉体を生成することができる。
【０００８】
また、本発明のグラファイトナノファイバ粉体生成方法は、真空ポンプが取り付けられた減圧槽からなり、該減圧槽内へ原料ガスを導入するための原料ガス導入ラインと、該原料ガスを槽内へ導入する際にガス中の不純物を除去するためのフィルターと、該減圧槽内に設置される複数の鉄系金属プレートと、該減圧槽の外壁に設けられた水冷用パイプと、該減圧槽の内壁近傍に配置されたリフレクターと、該減圧槽内へ水素ガスを導入するための水素ガス導入ラインとを有する装置を用い、該減圧槽内を真空引きした後、原料ガスとして、製鉄所やゴミ焼却所において排出される少なくとも一酸化炭素を含んでいる高温排出ガスを、該フィルターを通してイオウやスラグなどを取り除いて該減圧槽内へ導入し、熱ＣＶＤ法により該高温排出ガスで暖められた金属プレート表面上に吸着された一酸化炭素の熱分解により該プレート上にグラファイトナノファイバを生成せしめ、また、該減圧槽内へ導入される水素ガスと、該熱分解反応によりカーボンを固定化し、Ｈ2Ｏを生成せしめ、生成したＨ2Ｏをトラップして除去することからなる。
【０００９】
本発明の熱ＣＶＤ法によるグラファイトナノファイバ粉体生成装置は、真空ポンプが取り付けられた減圧槽からなり、該減圧槽には、製鉄所やゴミ焼却所において排出される少なくとも一酸化炭素を含んでいる高温排出ガスを該減圧槽内へ導入するための導入ラインと、該導入ラインに設けられた該ガス中の不純物を除去するためのフィルターと、該減圧槽内へ水素ガスを導入するための水素ガス導入ラインとが設けられ、該減圧槽の外壁には水冷用パイプが設けられ、該減圧槽の内壁近傍にはリフレクターが設置され、また、該減圧槽内には稼働中にグラファイトナノファイバをその上に生成するための鉄系金属プレートが複数枚設置されることからなる。該減圧槽内には、該リフレクターの内側にさらに加熱手段が設けられていることが望ましい。
【００１０】
【実施例】
以下に、図２に示す本発明の生成装置の一例に基づいて行う本発明の実施例について説明する。図２の装置において、図１の装置と同じ構成要素については、同じ符号を付け、詳細な説明は省略する。
（実施例１）
本実施例で用いる生成装置は、図１の従来の生成装置と一部異なり、図２に示すように、減圧槽１の外壁に、減圧槽内の温度を反応温度（６００℃）以下に保つための水冷用パイプ１ａが設けられ、また、減圧槽１内には減圧槽の内壁近傍にリフレクター２ａが設けられると共に、さらに所望によりリフレクター２ａの内側にヒータ等の加熱手段２が固設されて、減圧槽１内の熱効率を向上するように構成されている。また、減圧槽１には、製鉄所等において放出される高温排出ガスを槽内へ直接導入するための導入ラインが設けられ、そのラインにはガス中の不純物を除去するためのフィルター１２が取り付けられている。
【００１１】
本実施例では、上記装置を用いてグラファイトナノファイバ粉体を生成した。従来のグラファイトナノファイバ粉体生成の場合と同様に、原料ガスを高温に保ち、その状態のガスを鉄系金属プレートと接触させて反応を行わせるが、その際に用いる原料ガスとして、製鉄所やゴミ焼却所において排出される高温排出ガスを利用した。
【００１２】
まず、仕切バルブ４を開状態にし、真空ポンプ５を作動させて、減圧槽１内を０．１Ｔｏｒｒ程度に真空引きした後に、図２におけるＡ部から、フィルター１２を通して上記高温排出ガス（７００℃；一酸化炭素ガス含有量：７０容量％）７００リットル／分を減圧槽１内に導入した。このフィルター１２により、排出ガス中の一酸化炭素（又は、二酸化炭素）等以外の煤やスラグ、埃等を除去した。減圧槽１内に導入された一酸化炭素含有高温排出ガスにより金属プレート３を暖めて、金属プレートを所定の温度（６００℃）まで上昇させ、水素ガス導入系（仕切弁６ｂ、ガス流量調整器７ｂ、仕切弁８ｂ、レギュレータ９ｂ、及び水素ガスボンベ１０ｂからなる）から水素ガス３００リットル／分を一酸化炭素含有高温排出ガスと同時に導入し、金属プレート上でその表面に吸着された一酸化炭素を分解し、該プレート上にグラファイトナノファイバを生成させた。上記したように、カーボンが固定化される一方で、水素の還元反応によりＨ2Ｏが生成するので、このＨ2Ｏはトラップして、処理した。
【００１３】
所定の時間グラファイトナノファイバを生成せしめた後、高温排出ガス及び水素ガスの導入を止め、仕切弁４を開放し、真空ポンプ５を作動させて減圧槽１内に残留しているガスを引ききった。その後、ベントバルブ１１より大気を導入して減圧槽１内を大気圧に戻し、減圧槽１の扉を開けて金属プレート３を取り出した。取り出された各金属プレート３の表面上にはグラファイトナノファイバが生成しており、これをへら等でこそげ落としてグラファイトナノファイバ粉体を採取した。上記のようにして得られたグラファイトナノファイバ粉体は、ＳＥＭ観察によれば、カールを巻いていることが分かった。
【００１４】
また、高温排出ガスにより加熱された減圧槽１内は、その熱と冷却チューブ１ａ内の水との熱交換により絶えず反応温度（２００℃）以下に保たれるので、減圧槽内壁等にグラファイトナノファイバ等のカーボンが付着することはなく、減圧槽内が汚れることはない。さらに、熱交換が行われた水は、温水となるため、これを風呂や養殖等の用水として有効に利用できる。
【００１５】
なお、減圧槽１内の温度が反応温度以下になった場合は、ヒータ等の加熱手段２により加熱することができる。
（実施例２）
実施例１で用いた製鉄所やゴミ焼却所からの排出ガスの温度が、脱硫等の処理により、３００℃程度に下がったものを用いなければならない場合は、以下のような方法で行うことができる。
【００１６】
金属プレート３として鉄基板を用い、この鉄基板を加熱手段２を備えた減圧槽１内に設置し、減圧槽内を１Ｐａの真空にした。その後、水素ガスと脱硫処理済みの排出ガス（約３００℃）とを減圧槽内へ導入し、１気圧でガスフローし、ヒータ等の加熱手段２により６５０℃に加熱し、３０分間反応させた。水素ガスの排出ガスに対する導入割合は、５０容量％以上であり、排出ガス中に含まれる一酸化炭素の含有量は７０容量％であった。上記反応終了後に取り出した基板の表面上にはグラファイトナノファイバが生成しており、へら等でこそげ落として粉体を採取した。得られたグラファイトナノファイバ粉体は、ＳＥＭ観察によれば、カールを巻いており、実施例１で作製したグラファイトナノファイバ粉体と同じものができていることが確認された。
【００１７】
上記実施例で用いた装置が通常の熱ＣＶＤ装置と異なる点は、原料ガスとする排出ガスが高温であるため、加熱を全然行わないか、又は、加熱を行ったとしても非常に少ないエネルギーで済むこと、また、排出ガスを使っているため、炭素供給ガスをわざわざ生成する手間を省くことができることである。
【００１８】
【発明の効果】
本発明のグラファイトナノファイバ粉体生成方法によれば、製鉄所又はゴミ焼却所等から排出される有害な高温排出ガス（但し、ガス中に一酸化炭素が含まれていることが必要）を利用するので、グラファイトナノファイバを生成するのに必要な温度まで加熱し、その温度を保持する必要がないため、使用電力を大幅に低減することができる。また、一酸化炭素ガス等の原料ガスをわざわざ生成する必要もない。製鉄所又はゴミ焼却炉等からの排出ガス自体を有効利用することができるため、本発明のグラファイトナノファイバ粉体生成装置自体が排ガス処理設備の意味合いすら持っており、自然環境を保全するためにも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来方法を実施するためのグラファイトナノファイバ粉体生成装置の一例を示す概略構成図。
【図２】  本発明の方法を実施するためのグラファイトナノファイバ粉体生成装置の一例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１  減圧槽                          １ａ  水冷用パイプ
２  ヒータ                          ２ａ  リフレクター
３  金属プレート                    ４  仕切バルブ
５  真空ポンプ                      ６ａ、６ｂ  仕切バルブ
７ａ、７ｂ  ガス流量調整器          ８ａ、８ｂ  仕切バルブ
９ａ、９ｂ  レギュレータ          １０ａ  一酸化炭素ガスボンベ
１０ｂ  水素ガスボンベ              １１  ベントバルブ
【図１】
0004610103.tif 000002
【図２】
0004610103.tif 000003