Способ получения сажи
Изобретение относится к технологии получения технического углерода в хлорметановом пламени. Сущность изобретения: способ получения сажи включает горение метана с хлором при полярном соотношении метана и хлора в пределах от 4,5 до 1,5 при температурах от 600 до 700°С, подачу реагентов в реактор без предварительного смешения и нагревания, очистку углеродного продукта от хлорпроизводных бензола путем его обработки водородом, азотом или инертными газами в интервале температур от 600 до 1100°С, обработку рафинированного продукта углекислым газом или парами воды при температуре 900°С и выше. Изобретение позволяет увеличить величину удельной поверхности сажи до 1000÷3000 м2/г. Способ прост и экономичен. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области получения углеродных материалов и может быть использовано в аналитической химии для получения сорбентов для концентрирования и анализа токсикантов в объектах окружающей среды, в производстве наполнителей эластомеров, а также в лакокрасочной промышленности для синтеза ингредиентов печатных красок, используемых в принтерах. Возможно применение этого изобретения в медицине для приготовления наноматериалов, используемых для доставки в клетки генетического материала и лекарственных препаратов, а также в гетерогенном катализе для получения нанесенных катализаторов гидрирования сложных органических соединений. Одной из областей использования изобретения может быть утилизация попутного нефтяного газа на нефтяных месторождениях.
Аналогом предлагаемого изобретения является сжигание попутного нефтяного газа в хлоре при температуре выше 1430°С. Изобретение позволяет получать сажи с удельной поверхностью до 250 м2/г [1]. Недостатками являются высокая температура синтеза, необходимость использования для реактора термостойких материалов, а также недостаточно высокая удельная поверхность.
Аналогами предлагаемого изобретения являются способы сжигания метана в окислительной среде с получением сажи [2, 3, 4]. Недостатком этих методов является малая величина удельной поверхности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения сажи путем сжигания метана с хлором, которое осуществляли путем подачи предварительно полученных смесей метана с хлором, имеющих при молярных соотношениях (1:1)÷(1:4.4) температуру горения в пределах от 500 до 1430°С. Процесс проводили в цилиндрической водоохлаждаемой камере. Наибольшая величина удельной поверхности сажи, полученной при температуре 1430°С и молярном соотношении метана и хлора 1:2.1, составляет 233 м2/г.
Задачей изобретения является повышение удельной поверхности дисперсного углерода.
Задача решается тем, что в отличие от известного способа получения сажи сжигание метана и хлора осуществляют при молярном соотношении метана и хлора в пределах от 1.5:1 до 4.5:1. Проведение синтеза при меньших соотношениях приводит к нестабильному горению, а увеличение данного соотношения нецелесообразно, т.к. оно не приводит к росту удельной поверхности. Метан и хлор подают в реактор без предварительного смешивания и нагревания через отдельные трубки. Внутренняя поверхность стенок реактора орошается водой, температура пламени находится в пределах от 600 до 700°С. Для удаления хлорорганических примесей, образующихся в ходе синтеза, продукт рафинируют путем термической обработки водородом, азотом или инертными газами при температурах от 600 до 1000°С с последующей активацией в токе углекислого газа или водяного пара при температуре 900°С и выше.
Существенными признаками способа получения сажи являются:
1. Взаимодействие метана с хлором.
2. Взаимодействие метана с хлором в режиме горения в водоохлаждаемой камере.
3. Взаимодействие метана с хлором с образованием углеродного продукта - сажи.
4. Сжигание метана в хлоре при молярных соотношениях метана и хлора в пределах от 1.5:1 до 4.5:1.
5. Сжигание метана в хлоре при подаче в реактор через отдельные трубы без предварительного смешения в режиме диффузионного пламени.
6. Орошение внутренней поверхности реактора водой.
7. Сжигание метана в хлоре в интервале температур от 600 до 700°С.
8. Очистка углеродного продукта путем обработки водородом, азотом или инертными газами при повышенной температуре.
9. Активация углеродного продукта путем обработки углекислым газом или водяным паром при повышенной температуре.
Признаки 1÷3 являются общими с прототипом, 4÷8 являются отличительными признаками изобретения.
Сущность предлагаемого изобретения
Одним из важнейших параметров саж является величина удельной поверхности. В прототипе [5] и в аналоге [1] приводятся довольно близкие значения удельной поверхности (233 м2/г, 250 м2/г), причем эти значения достигаются только при температурах 1430°С и выше. Для более существенного увеличения величины удельной поверхности по предлагаемому способу синтез дисперсного углерода в хлор-метановом пламени проводят в реакторе, внутренняя поверхность стенок которого орошается водой. Вода способствует быстрой закалке образующихся сажевых частиц, охлаждает стенки реактора и уносит основную массу продукта из реактора, позволяя осуществлять непрерывный синтез. Во время синтеза метан и хлор подают в реактор без предварительного смешения при молярных соотношениях в пределах от 1.5:1 до 4.5:1. Горение происходит при температурах от 600 до 700°С в режиме диффузионного пламени. Продукт, получаемый в таких сравнительно мягких условиях, представляет собой наноразмерные глобулы, заключенные в оболочку из гексахлорбензола с незначительной примесью других хлорпроизводных бензола. Гексахлорбензол в процессе образования сажи внедряется в частицы углерода. Удаление гексахлорбензола при последующей термической обработке водородом, азотом или инертными газами способствует образованию микропор, которые обеспечивают исключительно высокую поверхность получаемого углеродного продукта. Можно провести некоторую аналогию между темплатным синтезом углеродных материалов и предлагаемым синтезом дисперсного углерода в хлор-метановом пламени. В темплатном синтезе углерод обычно синтезируют путем карбонизации в порах микропористых матриц. Удаление темплатов (матриц) обеспечивает высокую удельную поверхность получаемых углеродных материалов [6]. В предлагаемом изобретении роль темплата играет труднолетучий гексахлорбензол, образующийся как побочный продукт при синтезе сажи. Для удаления гексахлорбензола высушенные при температуре 100°С образцы сажи помещали в кварцевый реактор, где проводили газофазную обработку в режиме фильтрации при различных температурах. Величина удельной поверхности определялась методом БЭТ по низкотемпературной адсорбции азота. В примерах, представленных в таблице 1, дана зависимость величины удельной поверхности от условий синтеза и газофазного рафинирования. Время обработки водородом, азотом и инертными газами составляло 2 часа. Было установлено, что дальнейшее увеличение времени газофазной обработки не приводит к увеличению удельной поверхности.
В таблице 2 представлены примеры, иллюстрирующие влияние на величину удельной поверхности окислительной обработки углекислым газом и водяным паром при температуре 900°С. Проведение газофазной обработки при более высоких температурах обеспечивает сокращение времени обработки по сравнению с указанным в таблице 2, существенно не влияя на максимальные величины удельной поверхности, но требует использования жаропрочных материалов и повышает энергозатраты.
Высокое значение удельной поверхности образцов, полученных предлагаемым способом, позволяет считать, что синтезированные углеродные продукты существенно отличаются от существующих высококачественных саж и представляют собой новый углеродный материал, который можно назвать нанодисперсным активным углем.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Пример | Соотношение метан:хлор | Температура сжигания, °С | Удельная поверхность после рафинирования, м2/г | ||||||||
| Азот | Аргон | Водород | |||||||||
| 600°С | 800°С | 1000°C | 600°С | 800°С | 1000°C | 600°С | 800°С | 1000°С | |||
| 1 | 4.5 | 600 | 650 | 780 | 900 | 630 | 820 | 920 | 686 | 850 | 1000 |
| 2 | 4 | 620 | 660 | 770 | 930 | 650 | 830 | 940 | 680 | 860 | 1100 |
| 3 | 3 | 650 | 640 | 760 | 920 | 660 | 840 | 930 | 650 | 870 | 1020 |
| 4 | 1.5 | 700 | 670 | 790 | 940 | 670 | 845 | 920 | 660 | 865 | 980 |
| Таблица 2 | ||||||
| Время обработки, ч | ||||||
| Углекислый газ | Водяной пар | |||||
| 1 | 3 | 4 | 1 | 3 | 4 | |
| Удельная поверхность сажи после активации, м2/г | ||||||
| 1540 | 2450 | 2800 | 2100 | 2600 | 3050 | |
Источники информации
[1]. Патент РФ №2239644, кл. С09С 1/50, 2004.
[2]. А.с. СССР №323420, кл. С09С 1/50, 1969.
[3]. Патент Англии №916785, кл. 90К, 1963.
[4]. Патент РФ №2172731, кл. С07С 011/02, 2001.
[5]. А.с. СССР №1323562, кл. С09С 1/48, 1987 (прототип).
[6]. Красильникова O.K., Гранкина Т.Ю., Вартапетян Р.Ш., Волщук А.М. // Тезисы докладов Х международной конференции «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии». М., 2006. С.91.
1. Способ получения сажи, включающий подачу метана и хлора в реактор и их сжигание, отличающийся тем, что подачу метана и хлора в реактор осуществляют раздельно при их молярном соотношении (1,5-4,5):1 соответственно, сжигание проводят при 600-700°С в диффузионном пламени и полученный продукт подвергают рафинированию путем его обработки водородом, азотом или инертными газами при 600÷700°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после рафинирования сажу дополнительно обрабатывают углекислым газом или водяным паром при температуре не ниже 900°С.
