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JP2021104918A - Reaction furnace and device for producing fullerene - Google Patents

Reaction furnace and device for producing fullerene Download PDF

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JP2021104918A
JP2021104918A JP2019237632A JP2019237632A JP2021104918A JP 2021104918 A JP2021104918 A JP 2021104918A JP 2019237632 A JP2019237632 A JP 2019237632A JP 2019237632 A JP2019237632 A JP 2019237632A JP 2021104918 A JP2021104918 A JP 2021104918A
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Japan
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fullerene
coating layer
gas
reactor
inner peripheral
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JP2019237632A
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Japanese (ja)
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近藤 邦夫
Kunio Kondo
邦夫 近藤
匡 飯野
Tadashi Iino
匡 飯野
神原 英二
Eiji Kambara
英二 神原
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Showa Denko KK
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Abstract

To provide a reaction furnace that can improve the yield of fullerene.SOLUTION: A reaction furnace is used for production of fullerene by a combustion method, the reaction furnace having, on its inner peripheral surface, a coating layer containing at least one selected from carbon material, silicon carbide and vanadium dioxide.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃焼法によるフラーレンの生成に用いられる反応炉およびフラーレンの製造装置に関する。 The present invention relates to a reactor and an apparatus for producing fullerenes used for producing fullerenes by a combustion method.

フラーレンを安価に効率よく大量に製造する方法として、炭素化合物を反応炉内で不完全燃焼させてフラーレンを製造する燃焼法が知られている(例えば、特許文献1照)。 As a method for producing fullerenes inexpensively and efficiently in large quantities, a combustion method for producing fullerenes by incompletely burning a carbon compound in a reaction furnace is known (for example, refer to Patent Document 1).

特開2005−8456号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-8456

しかしながら、フラーレンを大量に製造できる燃焼法であっても、フラーレンの収率が低いため、更にコストを低減することは難しい。フラーレンの収率を向上させ、フラーレンの製造コストを低減することが望まれている。 However, even with a combustion method capable of producing a large amount of fullerene, it is difficult to further reduce the cost because the yield of fullerene is low. It is desired to improve the yield of fullerenes and reduce the production cost of fullerenes.

本発明は、フラーレンの収率を向上させることが可能な反応炉を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a reactor capable of improving the yield of fullerene.

(1) 燃焼法によるフラーレンの生成に用いられる反応炉であって、前記反応炉の内周面に、炭素材料、炭化ケイ素及び二酸化バナジウムから選ばれる少なくとも一種を含む被覆層を有する反応炉。
(2) 前記被覆層を有する前記内周面の面積は、前記内周面の全面積の50%以上である、(1)に記載の反応炉。
(3) 前記被覆層は、前記炭素材料を含む層と、前記炭素材料を含む層を被覆する前記炭化ケイ素、前記二酸化バナジウムの少なくとも一種を含む層とを、前記内周面側から順に有する、(1)または(2)に記載の反応炉。
(4) (1)〜(3)のいずれか一項に記載の反応炉を有する、フラーレンの製造装置。
(1) A reactor used for producing fullerenes by a combustion method, the reactor having a coating layer containing at least one selected from a carbon material, silicon carbide and vanadium dioxide on the inner peripheral surface of the reactor.
(2) The reactor according to (1), wherein the area of the inner peripheral surface having the coating layer is 50% or more of the total area of the inner peripheral surface.
(3) The coating layer has a layer containing the carbon material and a layer containing at least one of the silicon carbide and vanadium dioxide covering the layer containing the carbon material in this order from the inner peripheral surface side. The reactor according to (1) or (2).
(4) A fullerene production apparatus having the reactor according to any one of (1) to (3).

本発明によれば、フラーレンの収率を向上させることが可能な反応炉を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a reactor capable of improving the yield of fullerene.

本実施形態のフラーレンの製造装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the fullerene manufacturing apparatus of this embodiment. 図1のフラーレンの製造装置の反応炉部分の拡大図である。It is an enlarged view of the reactor part of the fullerene manufacturing apparatus of FIG.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が同一であるとは限らない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, the featured parts may be enlarged and shown, and the dimensional ratios of the respective components may not be the same. ..

本実施形態に関するフラーレンの製造装置10は、図1に示すように、燃焼法によるフラーレンの生成に用いられる反応炉11と、フラーレン反応炉11の下部に接続されてフラーレン反応炉11内からフラーレンを含む煤状物を有する高温の排ガスを通過させる配管19と、配管19を通過した排ガスからフラーレンを含有する煤状物を捕集するフラーレン回収装置16と、フラーレン回収装置16から流出する煤状物が取り除かれたガスを冷却するガス冷却器17と、ガス冷却器17によって降温されたガスを吸引する真空ポンプからなる減圧装置18と、を備える。本発明では、一例として図1、図2に沿って説明するが、これに限定されない。図1では、反応炉11は鉛直方向に配置され、上方から原料ガスが流入するが、水平方向でも斜め方向でも構わない。反応炉11は、反応炉11内で生成した煤状物の滞留の影響が少ない鉛直方向が好ましく、燃料ガスは上方から流入させるのが好ましい。 As shown in FIG. 1, the fullerene manufacturing apparatus 10 according to the present embodiment is connected to the reaction furnace 11 used for producing fullerene by the combustion method and the lower part of the fullerene reaction furnace 11 to generate the fullerene from the inside of the fullerene reaction furnace 11. A pipe 19 for passing a high-temperature exhaust gas having a soot-like substance containing the fullerene, a fullerene recovery device 16 for collecting the soot-like substance containing fullerene from the exhaust gas passing through the pipe 19, and a soot-like substance flowing out from the fullerene recovery device 16. A gas cooler 17 for cooling the gas from which the soot has been removed, and a decompression device 18 including a vacuum pump for sucking the gas cooled by the gas cooler 17 are provided. In the present invention, the description will be made with reference to FIGS. 1 and 2 as an example, but the present invention is not limited thereto. In FIG. 1, the reactor 11 is arranged in the vertical direction, and the raw material gas flows in from above, but it may be in the horizontal direction or the oblique direction. The reaction furnace 11 is preferably in the vertical direction, which is less affected by the retention of soot-like substances generated in the reaction furnace 11, and the fuel gas is preferably flowed in from above.

本実施形態においては、反応炉11の内径が10cm、長さが200cmのものを使用したが、本発明はこの寸法に限定されるものではなく、フラーレンの大量生産のため、より大径の反応炉や、長い反応炉を使用することも可能である。反応炉11の上流側に、供給された燃料ガスを酸素含有ガス下で燃焼させるバーナー13が設けられている。さらに、反応炉11の外側の一部又は全部には、例えばアルミナ質の耐火煉瓦やアルミナ質の不定形耐火材等の断熱材14がライニングされている。 In the present embodiment, the reaction furnace 11 having an inner diameter of 10 cm and a length of 200 cm is used, but the present invention is not limited to this dimension, and a larger diameter reaction is used for mass production of fullerenes. It is also possible to use a furnace or a long reactor. A burner 13 for burning the supplied fuel gas under oxygen-containing gas is provided on the upstream side of the reaction furnace 11. Further, a heat insulating material 14 such as an alumina refractory brick or an alumina amorphous refractory material is lined on a part or all of the outside of the reactor 11.

バーナー13は、燃料ガスを導入する燃料ガス配管20及び酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス配管21と接続し、燃料ガスと酸素含有ガスを所定の混合比で混合して混合ガスを作製する混合室13aと、混合ガスを所定の圧力で保持する蓄圧室13bと、多数の噴出口が平面上に形成されており、混合ガスを鉛直下向きに噴出させる混合ガス噴出部13cを有する。混合ガス噴出部13cは、多孔質のセラミック焼結体、粉末金属の焼結体で構成されていてもよい。熱交換器等を用いて、バーナー13に供給される、燃料ガスおよび酸素含有ガスを、予熱することが好ましい。また、バーナー13は混合室を設けず、燃料ガスと酸素含有ガスをそれぞれ独立に反応炉11内に導入してもよい。 The burner 13 is connected to the fuel gas pipe 20 for introducing the fuel gas and the oxygen-containing gas pipe 21 for introducing the oxygen-containing gas, and the fuel gas and the oxygen-containing gas are mixed at a predetermined mixing ratio to prepare a mixed gas. It has a chamber 13a, a pressure accumulator chamber 13b for holding the mixed gas at a predetermined pressure, and a mixed gas ejection portion 13c in which a large number of ejection ports are formed on a flat surface and the mixed gas is ejected vertically downward. The mixed gas ejection portion 13c may be composed of a porous ceramic sintered body or a powdered metal sintered body. It is preferable to preheat the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the burner 13 by using a heat exchanger or the like. Further, the burner 13 may not be provided with a mixing chamber, and the fuel gas and the oxygen-containing gas may be independently introduced into the reaction furnace 11.

反応炉11で、燃料ガスを不完全燃焼させることにより、フラーレンが生成する。燃料ガスとしては、例えば、ガス状又はガス化させたトルエン、ベンゼン、キシレン、ナフタレン、メチルナフタレン、アントラセン、フェナントレン等の炭素数6〜15の芳香族炭化水素、クレオソート油、カルボン酸油等の石炭系炭化水素、アセチレン系不飽和炭化水素、エチレン系炭化水素、ペンタン、ヘキサン等の脂肪族飽和炭化水素等が挙げられ、二種以上を併用してもよい。これらの中でも、芳香族炭化水素が好ましい。また、燃料ガスは、必要に応じて、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスで希釈されていてもよい。酸素含有ガスとしては、例えば、酸素ガス、空気等が挙げられる。また、酸素ガスは、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスで希釈されていてもよい。 Fullerenes are produced by incomplete combustion of the fuel gas in the reactor 11. Examples of the fuel gas include gaseous or gasified aromatic hydrocarbons having 6 to 15 carbon atoms such as toluene, benzene, xylene, naphthalene, methylnaphthalene, anthracene, and phenanthrene, cleosorted oils, and carboxylic acid oils. Examples thereof include coal-based hydrocarbons, acetylene-based unsaturated hydrocarbons, ethylene-based hydrocarbons, and aliphatic saturated hydrocarbons such as pentane and hexane, and two or more of them may be used in combination. Among these, aromatic hydrocarbons are preferable. Further, the fuel gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen gas or argon gas, if necessary. Examples of the oxygen-containing gas include oxygen gas and air. Further, the oxygen gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen gas or argon gas.

反応炉11はジルコニア、モリブデン、タンタル、白金、チタン、窒化チタン、アルミナ等の耐熱材料で構成されており、内周面の全面あるいは一部に炭素材料、炭化ケイ素及び二酸化バナジウムから選ばれる少なくとも一種の材料を含む被覆層12を有する。炭素材料としては、黒鉛、煤、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンナノホーン、炭素繊維等が挙げられる。炭化ケイ素として、黒色の炭化ケイ素粉末、炭化ケイ素繊維が挙げられる。二酸化バナジウムとして、黒色の二酸化バナジウム粉末が挙げられる。耐熱性という点で、被覆層12は黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、及び炭化ケイ素から選ばれる少なくとも一種により構成されることが好ましい。被覆層12は、上記材料の総含有率が50質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。 The reaction furnace 11 is made of a heat-resistant material such as zirconia, molybdenum, tantalum, platinum, titanium, titanium nitride, and alumina, and at least one selected from carbon materials, silicon carbide, and vanadium dioxide on the entire or part of the inner peripheral surface. It has a coating layer 12 containing the material of. Examples of the carbon material include graphite, soot, carbon black, carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanohorns, carbon fibers and the like. Examples of silicon carbide include black silicon carbide powder and silicon carbide fiber. Examples of vanadium dioxide include black vanadium dioxide powder. From the viewpoint of heat resistance, the coating layer 12 is preferably composed of at least one selected from graphite, carbon black, carbon fibers, and silicon carbide. The total content of the material in the coating layer 12 is preferably 50% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more.

フラーレンを生成する際、反応炉11内の温度は、通常、1000℃以上であると推測される。通常、反応炉11を構成する耐熱材料の放射率は、0.40未満である。被覆層12に用いる上記材料の放射率はそれぞれ0.70を超えるため、被覆層12により、反応炉の保温効果が高くなり、反応炉11内を高温に維持することができる。反応炉内を高温に維持することはフラーレンの収率を向上させる効果がある。ここで、放射率とは、放射体(上記材料)の放射強度とその放射体と同温度の黒体の放射強度との比である。本発明において、放射率は、1000℃で0.5μm〜10.0μmの波長範囲内の放射率の平均値である。炭素材料の放射率は0.80〜0.92、炭化ケイ素の放射率は0.80〜0.83、二酸化バナジウムの放射率は、0.70〜0.82である。 When producing fullerenes, the temperature inside the reactor 11 is usually estimated to be 1000 ° C. or higher. Normally, the emissivity of the refractory material constituting the reactor 11 is less than 0.40. Since the emissivity of each of the above materials used for the coating layer 12 exceeds 0.70, the coating layer 12 enhances the heat retaining effect of the reactor and can maintain the inside of the reactor 11 at a high temperature. Maintaining the inside of the reactor at a high temperature has the effect of improving the yield of fullerenes. Here, the emissivity is the ratio of the radiation intensity of the radiator (the above material) to the radiation intensity of the blackbody at the same temperature as the radiator. In the present invention, the emissivity is the average value of the emissivity in the wavelength range of 0.5 μm to 10.0 μm at 1000 ° C. The emissivity of the carbon material is 0.80 to 0.92, the emissivity of silicon carbide is 0.80 to 0.83, and the emissivity of vanadium dioxide is 0.70 to 0.82.

被覆層12は、反応炉11の内周面の全面に形成されていてもよく、内周面の一部に形成されていてもよい。すなわち、内周面に、被覆層12で覆われていない部分があっても良く、内周面が露出している部分があっても良い。被覆層12が内周面の一部に形成されている場合は、被覆層12により内周面の全面積の50%以上が被覆されていることが好ましく、70%以上が被覆されていることがより好ましい。また、被覆層12は、反応炉11の上方の内周面、特にバーナー13近傍の内周面に形成されることが好ましい。なお、被覆層12は反応炉11の内周面一部に形成されている場合、被覆層12は、連続的に形成されていてもよく、断続的形成されていてもよく、点在して形成されていてもよい。 The coating layer 12 may be formed on the entire inner peripheral surface of the reactor 11, or may be formed on a part of the inner peripheral surface. That is, there may be a portion of the inner peripheral surface that is not covered with the covering layer 12, and there may be a portion where the inner peripheral surface is exposed. When the covering layer 12 is formed on a part of the inner peripheral surface, it is preferable that 50% or more of the total area of the inner peripheral surface is covered with the covering layer 12, and 70% or more is covered. Is more preferable. Further, the coating layer 12 is preferably formed on the inner peripheral surface above the reaction furnace 11, particularly on the inner peripheral surface near the burner 13. When the coating layer 12 is formed on a part of the inner peripheral surface of the reaction furnace 11, the coating layer 12 may be formed continuously or intermittently, and may be scattered. It may be formed.

被覆層12は、単層構造でもよいし、積層構造でもよい。また、被覆層12の厚みは均一であってもよく、不均一であってもよい。被覆層12の厚みが均一である場合、厚みは0.5mm以上であることが好ましく、1.0mm以上であることがより好ましい。被覆層12の厚みが不均一である場合、被覆層12の全面積の半分以上の厚みが0.5mm以上であることが好ましく、1.0mm以上であることがより好ましい。 The coating layer 12 may have a single-layer structure or a laminated structure. Further, the thickness of the coating layer 12 may be uniform or non-uniform. When the thickness of the coating layer 12 is uniform, the thickness is preferably 0.5 mm or more, and more preferably 1.0 mm or more. When the thickness of the coating layer 12 is non-uniform, the thickness of half or more of the total area of the coating layer 12 is preferably 0.5 mm or more, and more preferably 1.0 mm or more.

被覆層12が炭素材料を含む層を有している場合、炭素材料を含む層の上に、炭化ケイ素、二酸化バナジウムの少なくとも一種を含む層を有することが好ましい。この場合、被覆層12は、炭素材料を含む層と、炭素材料を含む層を被覆する炭化ケイ素、二酸化バナジウムの少なくとも一種を含む層とを、内周面側から順に積層される。通常、フラーレンは、燃料ガスの不完全燃焼により生成されるため、燃料ガスに対して、酸素含有ガス中の酸素が不足している。従って、酸素はバーナー13で燃料ガスと反応して消費されてしまうため、被覆層の炭素材料と酸素が反応する可能性は極めて低いと考えられる。しかし異常反応等の非常時に備えて、上記のように炭素材料を含む層が、高温で酸素と反応しにくい炭化ケイ素、二酸化バナジウムの少なくとも一種を含む層で被覆されることが好ましい。炭化ケイ素、二酸化バナジウムの少なくとも一種を含む層の厚みは0.05μm〜0.1mmであることが好ましい。 When the coating layer 12 has a layer containing a carbon material, it is preferable to have a layer containing at least one of silicon carbide and vanadium dioxide on the layer containing the carbon material. In this case, in the coating layer 12, a layer containing a carbon material and a layer containing at least one of silicon carbide and vanadium dioxide that coat the layer containing the carbon material are laminated in order from the inner peripheral surface side. Since fullerenes are usually produced by incomplete combustion of fuel gas, oxygen in the oxygen-containing gas is deficient with respect to the fuel gas. Therefore, since oxygen is consumed by reacting with the fuel gas in the burner 13, it is considered that the possibility that oxygen reacts with the carbon material of the coating layer is extremely low. However, in preparation for an emergency such as an abnormal reaction, it is preferable that the layer containing the carbon material is coated with a layer containing at least one of silicon carbide and vanadium dioxide which are difficult to react with oxygen at high temperatures as described above. The thickness of the layer containing at least one of silicon carbide and vanadium dioxide is preferably 0.05 μm to 0.1 mm.

図1に示すように、反応炉11の下部が配管19と接続する。反応炉11で生成したフラーレンを含む煤状物、一酸化炭素ガス、水蒸気等を含む排ガスが配管19を通過して、フラーレン回収装置16に到達する。 As shown in FIG. 1, the lower part of the reactor 11 is connected to the pipe 19. Exhaust gas containing fullerene-containing soot-like substance, carbon monoxide gas, water vapor, etc. generated in the reaction furnace 11 passes through the pipe 19 and reaches the fullerene recovery device 16.

フラーレン回収装置16は、排ガス中のフラーレンを含む煤状物とガスを分離するフィルター22を備える。フィルター22は、排ガス中の未反応の燃料ガス、一酸化炭素、水蒸気等のガスを通過させて、フラーレンを含む煤状物を回収する。フィルター22は、通常の集塵機等に使用されるバッグフィルター構造となっている。フィルター22の市販品としては、例えば、焼結金属フィルター(日本ポール製)、焼結金属フィルター(富士フィルター製)等が挙げられる。 The fullerene recovery device 16 includes a filter 22 that separates the gas from the soot-like substance containing the fullerene in the exhaust gas. The filter 22 passes unreacted fuel gas, carbon monoxide, water vapor, and other gases in the exhaust gas to recover soot-like substances containing fullerenes. The filter 22 has a bag filter structure used in a normal dust collector or the like. Examples of commercially available filters 22 include sintered metal filters (manufactured by Nippon Pole) and sintered metal filters (manufactured by Fuji Filter).

フラーレン回収装置16は、配管27を介して、ガス冷却器17と接続されている。ガス冷却器17は、通常の熱交換器と同一又は類似した構造であり、ガスの温度を低下させて真空ポンプ18に流入させることにより、ガスを減容すると共に、真空ポンプ18の負荷を低減させる。また、ガス冷却器17は、ガス中の未反応の燃料ガス、水蒸気を液化させ、ガス冷却器17の下部のドレーン28から排出させる。 The fullerene recovery device 16 is connected to the gas cooler 17 via a pipe 27. The gas cooler 17 has the same or similar structure as a normal heat exchanger, and by lowering the temperature of the gas and flowing it into the vacuum pump 18, the volume of the gas is reduced and the load of the vacuum pump 18 is reduced. Let me. Further, the gas cooler 17 liquefies the unreacted fuel gas and water vapor in the gas and discharges them from the drain 28 below the gas cooler 17.

実施例および比較例により、本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。 The effects of the present invention will be made clearer by the examples and comparative examples. The present invention is not limited to the examples, and can be appropriately modified and implemented without changing the gist thereof.

(フラーレン収率の算出)
フラーレン回収装置16で回収した煤状物に含まれるフラーレン(FLN)の含有率の測定は、JIS Z 8981に準拠して、以下のように行った。それぞれの実施例及び比較例において、回収した煤状物0.05gに対して、15gの1,2,3,5-テトラメチルベンゼン(TMB)を添加し、15分間超音波処理をした。得られた懸濁液を孔径0.5μmメンブランフイルターで濾過した。得られた抽出液を高速液体クロマトグラフ(HPLC)で分析して煤状物に含まれるフラーレン(C60、C70)を定量し、フラーレン含有率(得られた煤状物に対するフラーレン量(質量%))を算出した。フラーレンの定量は、あらかじめ既知のフラーレン濃度の溶液を用いて検量線を作成しておいた。
HPLCの測定条件は以下のとおりである。
装置:Infinity1260(Agilent製)
試料液の注入量: 5μL
溶離液の流量: 47体積比(vol%)トルエン/メタノール 1ml/分
カラム:YMC−Pack ODS−AM 100*4.6mmID S−3μm,12nm
測定温度: 40℃
ディテクタ:UV 325nm(JIS)
得られたFLN含有率からフラーレン(FLN)収率を以下の式を用いて算出した。
FLN収率(%)=(煤状物回収量(g)/燃料消費量(g))×FLN含有率(%)
(Calculation of fullerene yield)
The content of fullerene (FLN) contained in the soot-like material recovered by the fullerene recovery device 16 was measured as follows in accordance with JIS Z 8981. In each of the Examples and Comparative Examples, 15 g of 1,2,3,5-tetramethylbenzene (TMB) was added to 0.05 g of the recovered soot-like substance, and the mixture was sonicated for 15 minutes. The obtained suspension was filtered through a membrane filter having a pore size of 0.5 μm. The obtained extract is analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC) to quantify the fullerenes (C60, C70) contained in the soot-like substance, and the fullerene content (the amount of fullerene (mass%) with respect to the obtained soot-like substance). ) Was calculated. For the quantification of fullerenes, a calibration curve was prepared in advance using a solution having a known fullerene concentration.
The measurement conditions for HPLC are as follows.
Equipment: Infinity 1260 (manufactured by Agilent)
Sample solution injection volume: 5 μL
Eluent flow rate: 47 volume ratio (vol%) Toluene / methanol 1 ml / min Column: YMC-Pack ODS-AM 100 * 4.6 mm ID S-3 μm, 12 nm
Measurement temperature: 40 ° C
Detector: UV 325nm (JIS)
The fullerene (FLN) yield was calculated from the obtained FLN content using the following formula.
FLN yield (%) = (recovery of soot (g) / fuel consumption (g)) x FLN content (%)

(実施例1)
(被覆層の作製)
炭素繊維(平均繊維径13μm、平均繊維長0.11mm)をエタノール溶剤に分散させ、塗布に好適な流動性が得られるように分散液を調製した。内径10cm、長さ200cmのジルコニア製の反応炉11を回転させて、反応炉11の中に内面塗布用ロングノズルを挿入して、スプレー法で反応炉11の内周面全面に前記分散液を塗布した。後述する焼成工程で得た被覆層12の厚みが3.0mmになるように、塗布する分散液の量を調整した。大気中で前記エタノール溶剤を揮発させて、前記反応炉11を窒素ガス雰囲気中に、10℃/minの速度で1500℃まで昇温後、1500℃で2時間焼成し、その後室温まで自然冷却させた。これにより、反応炉11の内周面全面に炭素繊維を含む被覆層12が形成された。
(Example 1)
(Preparation of coating layer)
Carbon fibers (average fiber diameter 13 μm, average fiber length 0.11 mm) were dispersed in an ethanol solvent, and a dispersion was prepared so as to obtain fluidity suitable for coating. A zirconia-made reactor 11 having an inner diameter of 10 cm and a length of 200 cm is rotated, a long nozzle for coating the inner surface is inserted into the reactor 11, and the dispersion liquid is applied to the entire inner peripheral surface of the reactor 11 by a spray method. It was applied. The amount of the dispersion liquid to be applied was adjusted so that the thickness of the coating layer 12 obtained in the firing step described later was 3.0 mm. The ethanol solvent is volatilized in the air, the reaction furnace 11 is heated to 1500 ° C. at a rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere, fired at 1500 ° C. for 2 hours, and then naturally cooled to room temperature. rice field. As a result, a coating layer 12 containing carbon fibers was formed on the entire inner peripheral surface of the reactor 11.

(フラーレンの生成)
上記で得られた被覆層12を有する反応炉11を使用し、図1のフラーレンの製造装置10によってフラーレンを生成した。生成した煤状物中のフラーレンの含有率を測定して、フラーレンの収率を算出した。
このとき燃料ガスとしてガス化させたトルエンを使用し、酸素含有ガスには純酸素を使用した。トルエンは一旦気化装置で加熱してガス状とした後に、熱交換器で200℃に加熱した。酸素ガスは酸素タンクから熱交換器に供給して200℃に加熱した。そして、トルエンガスの流量を228.3グラム/分、酸素ガスの流量を175.7Nリットル/分にしてバーナー13に供給し、混合室で予混合して混合ガスとし、反応炉11内に吐出させて着火させた。前記のフラーレン収率の算出方法でフラーレン収率を算出した。フラーレンの収率は、1.40%であった。
(Generation of fullerenes)
A fullerene was produced by the fullerene production apparatus 10 of FIG. 1 using the reactor 11 having the coating layer 12 obtained above. The yield of fullerene was calculated by measuring the content of fullerene in the produced soot-like substance.
At this time, gasified toluene was used as the fuel gas, and pure oxygen was used as the oxygen-containing gas. Toluene was once heated in a vaporizer to make it gaseous, and then heated to 200 ° C. in a heat exchanger. Oxygen gas was supplied from the oxygen tank to the heat exchanger and heated to 200 ° C. Then, the flow rate of toluene gas is set to 228.3 g / min and the flow rate of oxygen gas is set to 175.7 N liter / min to supply the burner 13, and the mixture is premixed in the mixing chamber to obtain a mixed gas and discharged into the reaction furnace 11. I let it ignite. The fullerene yield was calculated by the above-mentioned method for calculating the fullerene yield. The yield of fullerene was 1.40%.

(実施例2)
反応炉11の内周面でバーナー13の表面部(先端部)の位置に相当する位置から、下流側(配管19に向かう方向)に向かって100cmの範囲に、被覆層を形成した以外は、実施例1と同様にしてフラーレンを生成した。すなわち、内周面の全面積の50%が被覆層12により被覆された。フラーレンの収率は1.35%であった。
(実施例3)
炭素繊維の代わりに、質量比率が40:60の炭素繊維と黒色炭化ケイ素粉末(粒径範囲0.1μm〜100μm)を用いて、被覆層12を形成させた以外は実施例1と同様にしてフラーレンを生成した。フラーレンの収率は1.75%であった。
(実施例4)
実施例1の炭素繊維の代わりに粒径範囲が0.1μm〜100μmの黒鉛微粉を用いて被覆層12を形成させた。それ以外は実施例1と同様にしてフラーレンを生成した。フラーレンの収率は2.10%であった。
(実施例5)
炭素繊維の代わりに黒色炭化ケイ素粉末(粒径範囲0.1μm〜100μm)を用いて、被覆層12を形成させた以外は実施例1と同様にしてフラーレンを生成した。フラーレンの収率は2.00%であった。
(実施例6)
炭素繊維の代わりに黒色二酸化バナジウム粉末(粒径範囲0.5μm〜100μm)を用いて、被覆層12を形成させた以外は実施例1と同様にしてフラーレンを生成した。フラーレンの収率は1.50%であった。
(実施例7)
実施例1の炭素繊維の代わりにカーボンブラック(三菱ケミカル製、MCF#900)を用いて被覆層12を形成させた。それ以外は実施例1と同様にしてフラーレンを生成した。フラーレンの収率は2.10%であった。
(実施例8)
反応炉11の内周面でバーナー13の表面部(先端部)の位置に相当する位置から、下流側に向かって120cmの範囲に被覆層12を形成したこと以外は実施例7と同様にしてフラーレンを生成した。すなわち、内周面の全面積の60%が被覆層12により被覆された。フラーレンの収率は1.60%であった。
(実施例9)
反応炉11の内周面でバーナーの表面部(先端部)の位置に相当する部位から下流側に向かって,150cmの範囲には、被覆層を形成させた以外は実施例7と同様にしてフラーレンを生成した。すなわち、内周面の全面積の75%が被覆層12により被覆された。フラーレンの収率は1.90%であった。
(実施例10)
実施例7のカーボンブラックの被覆層12を形成させた後に、反応炉11内にシランガスを毎分100mLの速度で流通させながら1000℃に加熱し、30分間維持した。これにより、カーボンブラックの被覆層12の表面に炭化ケイ素層が形成された。炭化ケイ素層の厚みは0.05μmであった。それ以外は実施例7と同様にしてフラーレンを生成した。フラーレンの収率は2.05%であった。
(比較例1)
被覆層12を形成していない反応炉11を用いたこと以外は実施例1と同様にして、フラーレンを生成した。フラーレンの収率は0.70%であった。
(Example 2)
A coating layer was formed in a range of 100 cm from the position corresponding to the position of the surface portion (tip portion) of the burner 13 on the inner peripheral surface of the reactor 11 toward the downstream side (direction toward the pipe 19). Fullerenes were produced in the same manner as in Example 1. That is, 50% of the total area of the inner peripheral surface was covered with the coating layer 12. The yield of fullerene was 1.35%.
(Example 3)
In the same manner as in Example 1 except that the coating layer 12 was formed by using carbon fibers having a mass ratio of 40:60 and black silicon carbide powder (particle size range 0.1 μm to 100 μm) instead of the carbon fibers. Fullerene was produced. The yield of fullerene was 1.75%.
(Example 4)
The coating layer 12 was formed by using graphite fine powder having a particle size range of 0.1 μm to 100 μm instead of the carbon fibers of Example 1. Other than that, fullerenes were produced in the same manner as in Example 1. The yield of fullerene was 2.10%.
(Example 5)
Fullerenes were produced in the same manner as in Example 1 except that the coating layer 12 was formed by using black silicon carbide powder (particle size range 0.1 μm to 100 μm) instead of carbon fibers. The yield of fullerene was 2.00%.
(Example 6)
Fullerenes were produced in the same manner as in Example 1 except that the coating layer 12 was formed by using black vanadium dioxide powder (particle size range 0.5 μm to 100 μm) instead of carbon fibers. The yield of fullerene was 1.50%.
(Example 7)
The coating layer 12 was formed by using carbon black (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, MCF # 900) instead of the carbon fibers of Example 1. Other than that, fullerenes were produced in the same manner as in Example 1. The yield of fullerene was 2.10%.
(Example 8)
The same as in Example 7 except that the coating layer 12 was formed in a range of 120 cm from the position corresponding to the position of the surface portion (tip portion) of the burner 13 on the inner peripheral surface of the reaction furnace 11 toward the downstream side. Generated fullerenes. That is, 60% of the total area of the inner peripheral surface was covered with the coating layer 12. The yield of fullerene was 1.60%.
(Example 9)
In the same manner as in Example 7 except that a coating layer was formed in a range of 150 cm from the portion corresponding to the position of the surface portion (tip portion) of the burner on the inner peripheral surface of the reaction furnace 11 toward the downstream side. Generated fullerenes. That is, 75% of the total area of the inner peripheral surface was covered with the coating layer 12. The yield of fullerene was 1.90%.
(Example 10)
After forming the carbon black coating layer 12 of Example 7, the silane gas was heated to 1000 ° C. in the reaction furnace 11 at a rate of 100 mL / min and maintained for 30 minutes. As a result, a silicon carbide layer was formed on the surface of the carbon black coating layer 12. The thickness of the silicon carbide layer was 0.05 μm. Other than that, fullerenes were produced in the same manner as in Example 7. The yield of fullerene was 2.05%.
(Comparative Example 1)
Fullerenes were produced in the same manner as in Example 1 except that the reactor 11 in which the coating layer 12 was not formed was used. The yield of fullerene was 0.70%.

比較例1と比べて、実施例1〜10のフラーレンの収率が向上したことが確認された。被覆層12を有する反応炉11を用いることにより、フラーレン収率の向上ができることが分かった。 It was confirmed that the yields of fullerenes of Examples 1 to 10 were improved as compared with Comparative Example 1. It was found that the fullerene yield can be improved by using the reaction furnace 11 having the coating layer 12.

10 フラーレンの製造装置
11 反応炉
12 被覆層
13 バーナー
14 断熱材
16 フラーレン回収装置
17 ガス冷却器
18 減圧装置
19 配管
22 フィルター
27 配管
28 ドレーン

10 Fullerene production equipment 11 Reaction furnace 12 Coating layer 13 Burner 14 Insulation 16 Fullerene recovery equipment 17 Gas cooler 18 Decompression equipment 19 Piping 22 Filter 27 Piping 28 Drain

Claims (4)

燃焼法によるフラーレンの生成に用いられる反応炉であって、
前記反応炉の内周面に、炭素材料、炭化ケイ素及び二酸化バナジウムから選ばれる少なくとも一種を含む被覆層を有する反応炉。
A reactor used to produce fullerenes by the combustion method.
A reactor having a coating layer containing at least one selected from a carbon material, silicon carbide and vanadium dioxide on the inner peripheral surface of the reactor.
前記被覆層を有する前記内周面の面積は、前記内周面の全面積の50%以上である、請求項1に記載の反応炉。 The reactor according to claim 1, wherein the area of the inner peripheral surface having the coating layer is 50% or more of the total area of the inner peripheral surface. 前記被覆層は、前記炭素材料を含む層と、前記炭素材料を含む層を被覆する前記炭化ケイ素、前記二酸化バナジウムの少なくとも一種を含む層とを、前記内周面側から順に有する、請求項1または2に記載の反応炉。 The coating layer has a layer containing the carbon material, a layer containing at least one of the silicon carbide and vanadium dioxide for coating the layer containing the carbon material, in order from the inner peripheral surface side, claim 1. Or the reactor according to 2. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の反応炉を有する、フラーレンの製造装置。


A fullerene production apparatus having the reactor according to any one of claims 1 to 3.


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