Способ получения углеродных нановолокон

Изобретение может быть использовано для производства сорбентов, носителей катализаторов, ферромагнитных чернил, графитовых пигментов для копирования, наполнителей углеродных и полимерных композитов, восстановителей при выплавке сталей и в порошковой металлургии. Газ, образующийся при электрокрекинге жидких углеводородов, содержащий ацетилен и водород, с расходом 1400-1700 час^-1, подвергают термокаталитическому разложению при 250-300°С на катализаторе на основе карбидообразующих металлов VIII группы. Изобретение позволяет повысить производительность процесса, снизить температуру и увеличить скорость образования углерода, повысить выход целевого продукта, 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии производства углеродных нановолокон, которые используются для производства сорбентов и носителей катализаторов, катализаторов, ферромагнитных чернил, графитовых пигментов для копирования. Также они могут применяться как наполнители углеродных и полимерных композитов, восстановитель при выплавке сталей и в порошковой металлургии.

Известен способ получения углеродных нановолокон [Robertson S.D. Carbon formation from pyrolysis over some transition metal surfaces. Nature and properties of the cerbou forwed. 1970, v.3, p.365-374] пропускание метана над массивным катализатором [Fe, Co, Ni] при температуре 650-720°С и атмосферном давлении. Его недостатками являются относительно невысокий общий выход углерода, быстрая дезактивация катализатора, низкая производительность.

Наиболее близким к заявляемому является следующий [заявка Японии 2001048512 А С01В 31/02, С23С 16/26, 16/511, 2001 г.]. Согласно ему процесс проводят при 500-750°С, используя в качестве сырья газовые смеси ацетилена с водородом. Содержание ацетилена в газовой смеси 10-50 об.%.

Недостатком указанного метода являются необходимость приготовления газовой смеси, высокие температуры процесса и не достаточно высокий выход целевого продукта (90-95 мас.%).

Техническим результатом изобретения является повышение производительности процесса (отказ от стадии смешения водорода с ацетиленом, снижение температуры и повышение скорости образования углерода) и повышение выхода целевого продукта.

Данный технический результат достигается тем, что в реактор загружают катализатор на основе карбидообразующих металлов VIII группы, продувают реактор инертным газом и разогревают до 250-300°С. После достижения заданной температуры, в реактор начинают подавать с объемной скоростью 1400-1700 час^-1 газ электрокрекинга. Углеродные нановолокна образуются при термокаталитическом разложении газа электрокрекинга. Газ электрокрекинга образуется при разложении углеводородов в электрических разрядах и имеет состав, об.%: водород - 55-65, ацетилен - 15-30, алканы C₁-C₄ - 3-7, алкены С₂-С₄ - 8-12 [Песин О.Ю. Исследование разложения органических продуктов в расплавленных средах и электрических разрядах и разработка на их основе процессов получения низших олефинов и ацетилена: Дис.... докт. техн. наук. - М.: МИТХТ, 1980. 535 с.]. Для получения газа электрокрекинга можно использовать отходы химических и нефтехимических производств

Примеры, иллюстрирующие изобретение

Пример 1

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе железа, продувают реактор инертным газом, нагревают до 250°С и подают с объемной скоростью 1400 час^-1 газ, образовавшийся при электрокрекинге дизельной фракции нефти состава, об.%: водород - 58, ацетилен - 23, алканы C₁-C₄ - 7, алкены С₂-С₄ - 12.

Скорость образования углерода в этих условия составляет 3.23 мг/мин на 1 г катализатора, при этом доля УНВ в образовавшемся продукте - 99.1 мас.%.

Пример 2

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе никеля, продувают реактор инертным газом, нагревают до 300°С и начинают подавать с объемной скоростью 1700 час^-1 газ, образовавшийся при электрокрекинге отработанных индустриальных минеральных масел состава, об.%: водород - 61, ацетилен - 27, алканы C₁-C₄ - 4, алкены С₂-С₄ - 8.

Скорость образования углерода в этих условия составляет 4.44 мг/мин на 1 г катализатора, а доля УНВ в образовавшемся продукте - 98.5 мас.%.

Пример 3

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе кобальта, продувают реактор инертным газом, нагревают до 300°С и начинают подавать с объемной скоростью 1700 час^-1 газ, образовавшийся при электрокрекинге бензиновой фракции нефти состава, об.%: водород - 55, ацетилен - 29, алканы C₁-C₄ - 4, алкены С₂-С₄ - 12.

Скорость образования углерода в этих условия составляет 4.21 мг/мин на 1 г катализатора, а доля УНВ в образовавшемся продукте - 98.9 мас.%.

Пример 4

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе железа, продувают реактор инертным газом, нагревают до 200°С и подают с объемной скоростью 1400 час^-1 газ, образовавшийся при электрокрекинге дизельной фракции нефти состава, об.%: водород - 59, ацетилен - 24, алканы C₁-C₄ - 6, алкены С₂-С₄ - 11.

Образования углерода не установлено.

Пример 11

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе железа, продувают реактор инертным газом, нагревают до 350°С и подают с объемной скоростью 1400 час^-1 газ по прототипу.

Образования углерода не установлено.

Эксперименты 5-10 выполнены на катализаторе на основе железа. Условия синтеза углеродных нановолокон и выходные показатели процесса представлены в таблице.

Из сопоставительного анализа таблицы видно, что использование газа электрокрекинга жидких углеводородов позволяет в 2-2.5 раза снизить температуру синтеза углеродных нановолокон, в 3-4.5 раза увеличить производительность процесса и в 3.5-5.5 раз снизить выход побочных продуктов. При этом для получения углеродных нановолокон может использоваться газ, образующийся при электрокрекинге отходов химических и нефтехимических производств, что позволяет более рационально использовать ценное органическое сырье и решать экологические проблемы.

Условия синтеза углеродных нановолокон и выходные показатели процесса
Пример, №	Условия синтеза	Скорость образования углерода, мг/мин на 1 г катализатора	Содержание углеродных нановолокон в продукте, %
Используемый газ	Расход газа, час-1	Температура синтеза, °С
1	Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти	1400	250	3.23	99.1
2	Газ электрокрекинга отработанных индустриальных минеральных масел	1700	300	4.44	98.5
3	Газ электрокрекинга бензиновой фракции нефти	1700	300	4.21	98.9
4	Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти	1400	200	Образования углерода не установлено
5	Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти	900	250	2.11	99.2
6	Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти	2000	300	5.06	86.3
7	Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти	1700	350	4.61	90.0
8	Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти, обогащенный водородом	1500	300	0.96	99.7
9	Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти, обогащенный ацетиленом	1600	250	8.11	74.2
10	Газ по прототипу	1600	750	9.52	19.3
11	Газ по прототипу	1400	350	0.98	92.3 д

Способ получения углеродных нановолокон термокаталитическим разложением газа, содержащего ацетилен и водород, на катализаторе на основе карбидообразующих металлов VIII группы, отличающийся тем, что в качестве газа, содержащего ацетилен и водород, используют газ, образующийся при электрокрекинге жидких углеводородов, с расходом 1400-1700 ч^-1, и термокаталитическое разложение проводят при температуре 250-300°С.