Способ получения углеродной смеси высокой реакционной способности и устройство для его осуществления

 

Изобретние предназначено для химической технологии и может быть использовано для очистки водных поверхностей от любых молекул, содержащих углерод. В керамический цилиндрический реактор загружают смесь графитового порошка и кислоты (массовое отношение от 1:0,2 до 1:0,5). Внутри корпуса реактора коаксиально вплотную к нему и друг к другу расположены графитовое кольцо и кольцо из тугоплавкого материала. По оси корпуса в его полости расположен графитовый стержень. На графитовые кольцо и стержень подают положительный потенциал от источника постоянного тока, на тугоплавкое кольцо - отрицательный. Пусковой ток 90 А, рабочий 25-35 А, степень расширения готового продукта - более 1000. Смесь обладает универсальным действием, мгновенно присоединяет любые молекулы, содержащие углерод. Устройство компактно, просто в обращении, может быть установлено непосредственно в месте использования смеси. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 1 ил. \

Изобретение относится к химической технологии получения легких материалов высокой реакционной способности, а именно к технологии получения углеродной смеси, обладающей высокой реакционной способностью - реакционной углеродной смеси.

Известно, что атомы углерода в графите располагаются по вершинам шестиугольника в сетках гексагональной или ромбоэдрической решеток. Здесь атомы связаны прочной ковалентной связью. Гексагональные сетки смещены относительно друг друга и удерживаются малопрочными ван-дер-ваальсовскими силами. Набор углеродных сеток представляют собой кристаллиты. Относительно малая величина энергии связи между сетками и дефекты в их упаковках делает кристаллиты уязвимыми в отношении внедрения различных веществ с образованием слоистых соединений графита (Новиков Ю.Н., Вольпин М.Е. "Слоистые соединения графита со щелочными металлами", "Успехи химии", 1971, 40, N 9, с. 1568-1592).

Известны способы получения соединения внедрения серной кислоты с углеродом типа C⁺_n·H₂SO^-₄·mH₂SO₄ (Есин О.А., Гельд П.В. "Физическая химия пирометаллургических процессов", Москва, Металлургиздат, 1950, 250 с). Однако даже концентрированная серная кислота не способна самостоятельно внедряться в межобъемное пространство кристаллитов. Для инициирования этой реакции требуются сильные окислители. Ими могут быть HNO₃, K₂Cr₂O₇, K₂MnO₄, (NH₄)₂S₂O₈ и др.

Наиболее близким к предложенному способу получения углеродной смеси является способ, согласно которому смесь графитового порошка и кислоты обрабатывают путем пропускания через нее постоянного электрического тока (заявка WO N 96/33949, кл. C 01 B 31/04, 1996). Недостатком известного способа является необходимость дополнительных операций термообработки, отмывки продукта, невозможность его универсального использования.

Полученный известными способами расширенный графит обладает способностью загущения нефтяных масел (см. авторское свидетельство СССР N 896060, кл. C 10 M 5/02, 1982 г. ), обусловленной его особой структурой. Однако такой графит имеет невысокую реакционную способность, связанную с тем, что во вспученном графите, полученном известными способами, происходит расслаивание кристаллитов исходного графита на отдельные пакеты базисных плоскостей без разрушения гексагоналов, т. е. без разрыва связей, что является пределом расширения графита, т.к. процесс происходит в сильно анизотропных слоистых структурах, где межгексагональные связи значительно превышают межплоскостные. Такое расслаивание в известных способах является пределом расширения графита. Поэтому загущающие свойства такого графита невелики, что сужает область его применения: например, недостаточно эффективно применение такого графита для сбора нефти с поверхности водоема.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для получения углеродной смеси, включающее реактор в виде электрически изолирующего цилиндрического корпуса с соосно расположенными в нем стержнем и прилегающим к корпусу кольцом, причем реактор снабжен источником постоянного тока и средствами для загрузки и выгрузки, описанными в патенте США N 4350576 (кл. C 25 B 1/00, 1/22, 1982).

Недостатками известного устройства, наряду с вышеуказанными, является недостаточно высокая степень расширения графита, а следовательно, и недостаточная реакционная способность, а также периодичность его действия, снижающая производительность.

Технической задачей изобретения является обеспечение возможности получения углеродной смеси с повышенной реакционной способностью (реакционной углеродной смеси), увеличение степени расширения графита, получение продукта, обладающего универсальным действием.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения углеродной смеси, включающем обработку смеси графитового порошка и кислоты путем пропускания через нее постоянного электрического тока, согласно изобретению, отношение массы графитового порошка к массе кислоты выбирают от 1:0,2 до 1: 0,5. Оптимальный режим обеспечивается при соотношении 1:0,3, пропускании пускового тока 90 А и рабочего тока 25-35 А. В качестве графитового порошка используют, как правило, природный чешуйчатый графит.

Поставленная задача достигается также устройством для получения углеродной смеси, включающим реактор в виде электрически изолирующего цилиндрического корпуса с соосно расположенными в нем стержнем и прилегающим к корпусу кольцом, причем реактор дополнительно снабжен источником постоянного тока и средствами для загрузки и выгрузки, в котором, согласно изобретению, реактор выполнен термостойким, кольцо и стержень - графитовыми, при этом реактор дополнительно снабжен кольцом из тугоплавкого материала, прилегающим к графитовому кольцу, положительный вывод источника тока электрически соединен с графитовым кольцом и стержнем, а отрицательный - с кольцом из тугоплавкого материала.

В частном случае корпус выполнен керамическим.

В частном случае кольцо из тугоплавкого материала выполнено из молибдена, или вольфрама, или циркония.

Для обеспечения непрерывной подачи исходных компонентов смеси в реактор устройство для получения углеродной смеси дополнительно содержит загрузочный бункер и механизм подачи смеси графитового порошка и кислоты из загрузочного бункера в реактор.

В частном случае механизм подачи смеси графитового порошка и кислоты из загрузочного бункера в реактор выполнен шнековым.

Для обеспечения удобства сбора готового продукта устройство для получения углеродной смеси дополнительно содержит сборник реакционной углеродной смеси, соединенной с полостью реактора.

Для обеспечения оптимального режима получения реакционной углеродной смеси источник тока выполнен в обеспечением пускового электрического тока, проходящего через смесь, загруженную в реактор, 90 А и рабочего тока 25-35 А.

На чертеже изображено устройство для реализации способа получения углеродной смеси высокой реакционной способности.

Способ осуществляется посредством предварительной обработки графитового порошка кислотой и последующего резистивного нагрева. В результате резистивного нагрева, осуществляемого в специальном реакторе, изображенном на чертеже, возникает множество электрических дуг между чешуйками графита и происходит мгновенный (в течение не более 0,05 с) разрыв ван-дер-ваальсовских и ковалентных связей и графит, имеющий двухмерную слоистую структуру, преобразуется в смесь гексагоналов и углеродных соединений типа C₃, C₄ и т.д. Реакционная способность такой смеси очень велика благодаря реакционной способности энергетически напряженных атомарных соединений углерода. При этом достигается более чем 1000-кратное расширение графита.

Основной частью устройства для осуществления изложенного выше способа является реактор, в котором происходит резистивный нагрев смеси.

Реактор состоит из корпуса 1, как правило, выполненного керамическим, предпочтительно цилиндрической формы. Внутри корпуса коаксиально расположены вплотную к нему и друг к другу графитовое кольцо 2 и кольцо 3 из тугоплавкого материала (например, молибдена, вольфрама, циркония). По оси корпуса и в его полости 4 установлен графитовый стержень 5 (также имеющий, как правило, цилиндрическую форму).

На графитовое кольцо 2 и графитовый стержень 5 подается положительный потенциал от источника постоянного тока, на тугоплавкое кольцо 3 - отрицательный.

На торцах корпуса реактора выполнены средства для загрузки исходной смеси и выгрузки готового продукта. Загрузка смеси графитового порошка и кислоты производится через бункер 6 и механизм подачи, выполненный, например, в виде шнека 7. Механизм подачи обеспечивает беспрерывную подачу смеси в реактор. Выгрузка реакционной углеродной смеси может производиться в сборник 8, в который продукт попадает благодаря 1000-кратному расширению.

Полученная реакционная углеродная смесь может найти широкое применение благодаря своей универсальности. В частности, она может эффективно использоваться для сбора с водных поверхностей любых углеводородных соединений (нефти и нефтепродуктов, цикличных и ароматических углеводородов - толуола, бензола и т. п., а также любых молекул, содержащих углерод). Благодаря реакционной способности смеси помимо сорбции, свойственной расширенному графиту, происходит мгновенное присоединение молекул, обрабатываемых углеводородных соединение к реакционной углеродной смеси. При этом ее 1 г присоединяет к себе не менее 50 г углеводородных соединений. Собранная нефть остается пригодной для дальнейшего ее прямого использования, а реакционная углеродная смесь - для повторного использования с достаточной эффективностью.

Устройство компактно, просто в использовании и позволяет получать смесь непрерывно непосредственно на месте ее использования.

Формула изобретения

1. Способ получения углеродной смеси, включающий обработку смеси графитового порошка и кислоты путем пропускания через нее постоянного электрического тока, отличающийся тем, что отношение массы графитового порошка к массе кислоты выбирают 1 : 0,2 - 1 : 0,5.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отношение массы графитового порошка к массе кислоты 1 : 0,3.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пропускают пусковой ток 90 А и рабочий ток 25 - 35 А.

4. Способ получения углеродной смеси по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве графитового порошка, используют природный чешуйчатый графит.

5. Устройство для получения углеродной смеси, включающее реактор в виде электрически изолирующего цилиндрического корпуса с соосно расположенным в нем стрежнем и прилегающим к корпусу кольцом, причем реактор снабжен источником постоянного тока и средствами для загрузки и выгрузки, отличающееся тем, что реактор выполнен термостойким, кольцо и стержень - графитовыми, дополнительно снабжен соосным кольцом из тугоплавкого материала, прилегающим к графитовому кольцу, положительный вывод источника тока электрически соединен с графитовым кольцом и стрежнем, а отрицательный - с кольцом из тугоплавкого материала.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что корпус выполнен керамическим.

7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что кольцо из тугоплавкого материала выполнено из молибдена, или вольфрама, или циркония.

8. Устройство по пп.5 - 7, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено механизмом подачи смеси графитового порошка и кислоты из средства для загрузки в реактор, причем средство для загрузки выполнено в виде загрузочного бункера.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что механизм подачи смеси графитового порошка и кислоты из загрузочного бункера в реактор выполнен шнековым.

10. Устройство по пп.5 - 9, отличающееся тем, что средство для выгрузки дополнительно снабжено сборником реакционной углеродной смеси, соединенным с полостью реактора.

11. Устройство по любому из пп.5 - 10, отличающееся тем, что источник тока выполнен с обеспечением электрического пускового тока, проходящего через смесь, загруженную в реактор, 90 А и рабочего тока 25 - 35 А.

РИСУНКИ

Рисунок 1