一种利用煤或石墨燃烧法大规模生产富勒烯的方法

摘要

本发明提供了一种利用煤或石墨燃烧法大规模生产富勒烯的方法，包括以下步骤：(a)将煤或石墨处理成供燃烧的细粉，均匀可控地注入到燃烧室，燃烧室的温度控制在1700℃－2200℃，同时通入氧气，碳氧摩尔比为0.8－1.2，在燃烧室直接燃烧煤或石墨粉得到含有富勒烯的碳灰；(b)煤或石墨燃烧得到的炭灰中有许多不同组分，没有充分燃烧的较重组分回收再次燃烧利用；含有富勒烯的较轻灰分及燃烧时所产生的气体经过冷却，温度从燃烧室的1700℃－2200℃降低到400℃－500℃；(c)收集降低温度后的含富勒烯炭灰与气体，排出气体，收集含富勒烯的炭灰；(d)含富勒烯的碳灰经分离提纯得到富勒烯产品。本发明工艺路线简单、排污量小、可操作性强、成本低、附加值高，可应用于大规模的工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大规模生产富勒烯的方法，具体来讲，涉及一种利用煤或石墨燃烧法大规模生产富勒烯的方法。

背景技术

富勒烯材料应用范围广，在工业、农业、能源、国防等各方面都有广泛的应用，具有广阔的市场应用前景。据美国市场调查公司2006年10月发布的《全球富勒烯市场调查报告》的统计和预测，富勒烯在近十年将以年增长率70％的速度增长，到2016年全球富勒烯市场将达到47亿美元。富勒烯及其衍生品必将成为现代化工业不可替代的核心基础材料。

目前，富勒烯的产量远远不能满足工业发展的需要，主要原因是现有工艺不易于大批量的工业化操作，例如，电弧放电法的生产效率太低，苯燃烧法的环保性和操控性较差。面对国际上急剧增长的富勒烯市场，研究工业化大批量生产富勒烯的方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺路线简单、排污量小、可操作性强、成本低、附加值高的利用煤或石墨燃烧法大规模生产富勒烯的方法。

本发明提供的一种利用煤或石墨燃烧法大规模生产富勒烯的方法包括以下步骤：

(a)将煤或石墨处理成供燃烧的细粉，均匀可控地注入到燃烧室，燃烧室的温度控制在1700℃-2200℃，同时通入氧气，碳氧摩尔比为0.8-1.2(该碳氧摩尔比是指碳元素和氧元素的摩尔比，下同)，在燃烧室直接燃烧煤或石墨粉得到含有富勒烯的碳灰；

(b)煤或石墨燃烧得到的炭灰中有许多不同组分，没有充分燃烧的较重组分回收再次燃烧利用；含有富勒烯的较轻灰分及燃烧时所产生的气体经过冷却，温度从燃烧室的1700℃-2200℃降低到400℃-500℃；

(c)收集降低温度后的含富勒烯炭灰与气体，排出气体，收集含富勒烯的炭灰；

(d)含富勒烯的碳灰经分离提纯得到富勒烯产品。

较佳地，步骤(a)中，将煤或石墨处理成供燃烧的细粉的方法为先粉碎再脱气，均匀可控地注入到燃烧室是通过螺旋进料器完成的。细粉以150～250目为宜。

步骤(b)中，所述冷却可以通过旋风冷却器完成。

较佳地，步骤(c)的具体操作方法为：降低温度后的含富勒烯炭灰与气体最终被引入到富勒烯收集室，收集室中具有过滤器，气体通过过滤器被抽走，而含富勒烯的粉尘落在过滤器外面，通过惰性气体反吹装置不断将附着在过滤器外面的含富勒烯炭灰震落，收集落下的含富勒烯的炭灰。

较佳地，所述过滤器为多孔陶瓷过滤器，所述惰性气体反吹装置为高压氮气脉冲反吹装置，震落的碳灰被收集室下方的收集罐储存起来，收集罐与收集室之间以球阀相连，能够在不破环整个体系的真空环境条件下进行独立更换。

较佳地，步骤(c)中，分离提纯的操作方法为：含富勒烯的炭灰经甲苯萃取，采用色谱法进行分离提纯即可得到最终的富勒烯产品。

与现有技术比较，本发明具有以下特点：

1.本发明利用资源丰富、价格低廉的煤或石墨为原料制备富勒烯，在很大程度上降低了经济成本，与苯燃烧法相比较更加绿色环保，具有附加值高的特点。

2.本发明在生产过程仅需少量氧气助燃，不需要添加任何催化剂和化学试剂，燃烧后产生的废气经多级处理可完全达到国家排放标准；生产过程仅需循环冷却水(循环反复使用)，不外排。因而具有排污量小、绿色环保生产的优点。

3.本发明在收集罐与收集室之间以球阀相连，可以在不破环真空环境条件下更换，可以实现大规模连续生产的目的。

4.本发明在纯化过程中，采用将含富勒烯的炭灰经甲苯萃取后，再用色谱法进行分离，从而实现批量纯化。

附图说明

图1为本发明一实施例的生产方法所用到的生产设备的结构示意图，其中附图标记的指代如下：1-螺旋进料器，2-氧气供气口，3-助燃气体供气口，4-燃烧室，5-点火装置，6-旋风冷却器，7-过滤器，8-收集罐，9-热交换器。

图2为本发明一实施例生产的碳灰甲苯提取液的高效液相色谱淋洗图。

具体实施方式

以下实施例生产富勒烯的原料采用内蒙古自治区阿左旗古拉本矿区的太西煤，含灰分约8.54％，含硫分约0.3％，含磷分低＜1％，发热量每克约7900大卡。

下面结合图1对本发明的制备方法进行详细说明。该方法的操作步骤如下：

(a)将煤粉碎成200目的细粉，先进行除气处理，然后置入进料斗中。通过螺旋进料器1均匀可控地注入到通过助燃气体供气口3供气并通过点火装置5引燃的燃烧室4，同时通过氧气供气口2通入氧气，细粉在燃烧室燃烧。调整煤与氧气的比例，使其在1∶1碳氧摩尔比下燃烧。一般来说，碳氧摩尔比较低时，煤燃烧充分，所得到的含富勒烯炭灰少，但炭灰里富勒烯含量高；而当碳氧摩尔比较高时，煤不充分燃烧，产生的炭灰多，但炭灰中富勒烯的含量低，所以必须调整合适的碳氧摩尔比，以得到最佳的富勒烯产率。燃烧室设置系列测温点，以监测燃烧的进行。

(b)煤燃烧后，炭灰中有许多不同组分。其中主要包含没有充分燃烧的煤粉，含富勒烯的灰分，以及燃烧时产生的有机气体。在燃烧室下方设置一个接料器，较重的未燃烧煤粉可被直接收集再利用。剩下的含富勒烯的较轻炭灰连同所产生的气体一起进入旋风冷却器6，将其温度从燃烧室的2000℃降低到480℃。

(c)经冷却后的含富勒烯炭灰与有机气体被引入到富勒烯收集室。收集室的主体部分为一个多孔陶瓷过滤器7，有机气体能够通过过滤器7被抽走而含富勒烯的粉尘落在过滤器7外面。过滤器7上面设置一个高压氮气脉冲反吹装置，不断将附着在过滤器外面的含富勒烯炭灰震落，并被位于收集室下方的收集罐8储存起来。收集罐8与收集室之间以球阀相连，可以在不破环体系整体真空环境条件下进行独立更换。

(d)燃烧反应后生成的有机气体在热交换器9中充分冷却，冷凝在下部的罐体中。

(e)从收集罐8中收集到的炭灰用甲苯浸泡，过滤后取甲苯溶液浓缩，用高效液相色谱仪(HPLC)对其进行分离，分离组分追踪曲线如图2所示。从图2中可以看出，煤燃烧法制备富勒烯得到的炭灰中含有大量的C₆₀，C₇₀以及少量的更大空心富勒烯。

根据实际分离后的产品计算，每吨煤可产生30公斤碳灰，每百克碳灰中可得到6克C₆₀(纯度＞98％)，1.5克C₇₀(纯度＞96％)，说明煤燃烧法制备富勒烯完全可以实现低成本、大批量制备富勒烯。