УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВОЙ СМЕСИ

Полезная модель относится к области физической химии и к промышленным технологиям синтеза новых материалов, а именно к производству фуллереносодержащей смеси.
Впервые синтез фуллеренов для технологических целей описан как процесс испарения графитовых электродов в дуге в атмосфере инертного газа (Kraetschmer W., Lamb L.D., Fotiropoulas К., Huffman D. // Nature, 1990, v.347, p.354-358).
Данный способ основан на образовании фуллеренов в дуговом разряде с графитовыми электродами в плазме гелия. Этот способ позволяет производить около 1 г смеси фуллеренов в час при содержании фуллеренов в саже до 15%.
Известна установка (RU 2343111) для производства фуллереносодержащей сажи, включающая горизонтальную, герметичную разрядную камеру с размещенными по оси камеры двумя установленными в охлаждаемых токовводах графитовыми стержневыми электродами. Система улавливания фуллереносодержащей сажи выполнена в виде одного или нескольких циклонов с тангенциальным вводом газа, установленных на входе системы циркуляции инертного газа.
Известно устройство (RU 2320536), в котором синтез фуллереновой смеси происходит в электродуговом плазмотроне в потоке инертного газа (гелия) атмосферного давления. Для получения фуллереновой сажи в плазмотрон введены графитовые электроды, с поверхности которых происходит испарение частиц графита, их последующее разложение на атомы и ионы углерода в потоке плазмы инертного газа.
Известна установка (RU 2266866) для получения фуллереносодержащей сажи, содержащая систему нагревания высокочастотным электромагнитным полем образца графита, монолитного или в виде трубки, выполненную в виде замкнутого объема, соединенные с ней систему подачи инертного газа и систему его отвода, содержащая также сажеулавливатель с системой охлаждения.
Известен способ синтеза фуллереносодержащей сажи пиролизом и сжиганием ароматических углеводородов (RU 2109682), заключающиеся в том, что один или более из произвольно заменяемых ароматических углеводородов подвергают пиролизу в атмосфере инертного газа или в вакууме.
Приведенные аналоги обладают основным недостатком - с их помощью можно получать лишь малые количества фуллеренов, которые могут быть использованы только в экспериментальных целях. Получение фуллеренов в значительных количествах, удовлетворяющих потребности промышленности, указанными способами невозможно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является, выбранная в качестве прототипа, установка для получения фуллеренов в пламени горелки (RU 2316471), включающая горелку для получения углеродных наноматериалов в коптящем пламени, содержащая камеру повышенного давления с отверстием для введения топливного газа и окислительного газа в горелку, систему для улавливания углеродных наноматериалов, получаемых при сгорании углеводородного топлива, состоящего из одного или более полиароматических углеводородов.
Недостатком прототипа является то, что данная установка имеет существенные ограничения по производительности (не более 10-15 г/час), определяемые особенностью горения углеводородов в коптящем пламени, а именно:
- низкая скорость внутримолекулярных преобразований в пламени и небольшое время пребывания молекул в зоне реакции;
+
n
- малая концентрация заряженных частиц в пламени горелки (ионов кластеров углерода С ), участвующих в образовании фуллереновых молекул;
- необратимые потери части углеводородного сырья в результате окисления в пламени горелки.
Предлагаемое техническое решение (полезная модель) представляет собой установку для получения фуллереновой смеси, которая обеспечит более высокую производительность процесса синтеза фуллеренов (до 100 г/час) и снижение количества отходов при производстве фуллереновой смеси (не более 10% от объема выработки фуллеренов).
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для получения фуллереновой смеси за счет сжигания ароматических углеводородов новым, по сравнению с прототипом, является то, что источником фуллеренов является плазма, образованная дуговым плазмотроном при протекании сквозь него смеси ароматических углеводородов.
Использование плазменного способа сжигания ароматических углеводородов, в отличие от прототипа, позволит повысить содержание фуллеренов в фуллереносодержащей саже.
В дальнейшем сущность полезной модели поясняется описанием и чертежом, на котором изображена блок-схема полезной модели, где 1 - система подготовки исходных материалов, 2 - реакторная камера, 3 - накопитель фуллереносодержащей смеси, 4 - система охлаждения, 5 - центрифуга, 6 - система вакуумного выпаривания.
В зоне формирования углеводородной плазмы, создаваемой с помощью дугового плазмотрона, расположенного в реакторной камере 2, происходит образование ионов углеродных кластеров, которые служат основой для конструирования фуллереновых молекул. Источником плазмы является смесь ароматических углеводородов, поступающих в виде потока газа или жидкости в реакторную камеру 2 из системы подготовки исходных материалов 1. Реакторная камера 2 выполнена в виде дугового плазмотрона постоянного тока, продуваемое через трубку плазмотрона углеводородное сырье, проходит сквозь анод-катодный зазор и истекает в виде плазменной струи по направлению к накопителю фуллереносодержащей смеси 3, соединенный с системой охлаждения 4. Образованная фуллереносодержащая смесь собирается и охлаждается в накопителе 3, где происходит основной процесс образования фуллереновых молекул. Для выделения фуллеренов данная смесь растворяется в специальных растворителях и помещается в центрифугу 5, где происходит отделение раствора фуллереновой смеси от нерастворенного осадка. Далее, полученный раствор фуллереновой смеси поступает в систему вакуумного выпаривания 6 для выделения твердой фазы фуллереновой смеси. Нерастворенный осадок из центрифуги 5 возвращается в систему подготовки исходных материалов 1.