Библиографическое описание:

Польшиков В. Ю., Баранов А. А. Проблемы и перспективы синтеза углеродных нанотрубок при сжигании углеводородов // Молодой ученый. — 2011. — №5. Т.1. — С. 31-32.

Образование конденсированных продуктов при горении газофазных смесей является одной из важных проблем науки о горении, как с научной, так и с прикладной стороны. Известно образование конденсированных продуктов при газофазном горении таких горючих веществ, как углеводороды, кремнийорганические соединения, фторорганические соединения. Механизм образования конденсированной фазы в газофазных продуктах сгорания чрезвычайно сложен и мало изучен. Несмотря на огромное количество научных исследований, посвященных образованию сажи при горении углеводородов, до сих пор не существует единой точки зрения на механизм сажеобразования и тем более на образование структурного углерода в виде нанотрубок при наличии катализаторных прекурсоров в обогащенной топливной смеси или на подложке-саженакопителе [1].

Известно, что образование углеродных нанотрубок при реализации дугового синтеза, при лазерном испарении графита и газофазном химическом осаждении происходит на катализаторах, содержащих переходные металлы или их соединения. Синтез в пламени не исключение. При этом производство углеродных нанотрубок сжиганием углеводородного сырья в различных горелочных устройствах является более технологичным и легкоуправляемым процессом. Синтез в пламени привлекателен вследствие непосредственного наличия источника тепла, потенциальной возможности масштабирования, легкости регулирования и контроля, простоты аппаратурного оформления, безопасности технологического процесса.

Формирование углеродных нанотрубок требует, как было отмечено, выполнения трех основных условий: источник углерода, источник тепла, присутствие катализаторных металлов. Все эти условия легко реализовать при сжигании углеводородов с недостатком окислителя. Однако при горении возможно протекание множества конкурирующих процессов, например, образование монооксида углерода и окисных форм металлов с малой каталитической активностью.

Важной задачей для направленного синтеза нанотрубок является выделение основных реакций, обеспечивающих накопление конденсированного углерода (Ck) в системе, среди реакций крекинга углеводородов (1), гидрогенизации (2) и диспропорционирования (3):

; (1)

; (2)

. (3)

Предварительно можно заключить, что первая реакция в условиях сжигания даже при недостатке окислителя не дает значительного вклада в образование конденсированного углерода, так как более вероятны конкурирующие реакции горения с образованием углекислого газа, паров воды и парциального окисления углеводорода кислородом с выделением монооксида углерода. Также в системе с малым содержанием водорода вклад реакции (2) будет не существенным. Поэтому главную роль в осаждении углерода на катализаторных частицах и управлении ростом углеродных нанотрубок следует отдать реакции диспропорционирования CO.

Таким образом, наиболее вероятным способом управления процессом синтеза углеродных нанотрубок является создание условий для образования монооксида углерода в реакции горения за счет варьирования коэффициента избытка топлива и контроля парциальных давлений CO и CO2, например, вводом инертного газа.

Идентификация ключевых явлений происходящих при синтезе углеродных нанотрубок в пламени требует проведения комплексных исследований, включающих:

- подбор горючего и окислителя;

- выбор катализаторных систем (порошкообразные компоненты, жидкие прекурсоры, коллоидные растворы, летучие металлорганические соединения);

- разработку способов ввода катализатора в реакционную зону (нанесение на подложку-саженакопитель, распыление, испарение и смешение с компонентами топлива, барботаж, возгонка);

- поиск рационального соотношения горючее/окислитель, обеспечивающего достаточный выход конденсированного углерода в наностуктурной форме без зауглероживания и дезактивации катализатора;

- исследование влияния давления в системе на селективное образование нанотрубок (аналогия с газофазным разложением CO в присутствии Fe(CO)5 при высоком давлении – метод HiPCO);

- изучение влияния ввода инертного газа, обеспечивающего возможность варьирования парциальных давлений газовых компонент и температуры пламени;

- исследование влияния формы пламени на процесс синтеза за счет установки различных насадок в линиях подвода горючего и окислителя;

- поиск рационального положения подложки-саженакопителя по высоте пламени в горелочном устройстве;

- установление необходимости охлаждения подложки-саженакопителя;

- изучение возможности сухого и мокрого фильтрования отходящих продуктов сгорания для более полного извлечения наноструктурных материалов.

Рис. 1. Схема диффузионной горелки для синтеза углеродных нанотрубок


Для решения поставленных задач на кафедре «Техника и технологии производства нанопродуктов» ГОУ ВПО ТГТУ совместно с ООО «Нанотехцентр» (г. Тамбов) спроектирована и изготовлена диффузионная горелка (рис. 1). Горелка включает цилиндрический корпус 1 с днищем 2, в котором закреплены патрубок для подвода углеводорода 3 и окислителя 4. На днище 2 размещена газораспределительная зернистая насадка закрытая кольцом 6. Телескопически с корпусом 2 соединен стеклянный кожух 7. На верхний торец кожуха 7 установлена съемная подложка-саженакопитель 8 с прорезями на периферии для отвода газообразных продуктов сгорания. Положение кожуха 7 и подложки 8 по высоте горелки и пламени регулируется перемещением позиционного кольца 5 с фиксацией болтами 9.

Предложенная конструкция диффузионной горелки совместно с технологической схемой синтеза углеродных нанотрубок в диффузионном пламени [2], позволяет провести весь комплекс запланированных исследований и определить перспективы метода синтеза наноструктурного углерода в процессе горения топливных смесей с недостатком окислителя.

В дальнейшем горелка может быть легко модернизирована для изучения процессов образования наноструктурного углерода с использованием предварительно подготовленных топливных смесей в камере, образованной корпусом 1, днищем 2 и кольцом 6.


Литература:

1. Борунова, А.Б. Получение углеродных наночастиц при горении метана / А.Б. Борунова, Ю.В. Григорьев, К.Я. Трошин // Горение и взрыв. – М.: ТОРУС ПРЕСС, 2008. – С. 10-13.

2. Польшиков, В.Ю. Синтез наноструктурного углерода в диффузионном пламени / В.Ю. Польшиков, А.А. Баранов, А.А. Пасько // «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент»: материалы II Всероссийской научно-инновационной молодежной конференции (с международным участием): 27-29 октября 2010. – Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2010. – С. 181-183.

Основные термины (генерируются автоматически): углеродных нанотрубок, синтеза углеродных нанотрубок, конденсированного углерода, монооксида углерода, наноструктурного углерода, образование углеродных нанотрубок, углеродных нанотрубок сжиганием, Формирование углеродных нанотрубок, ростом углеродных нанотрубок, синтезе углеродных нанотрубок, перспективы синтеза углеродных, сжигании углеводородов, направленного синтеза нанотрубок, недостатком окислителя, процессом синтеза углеродных, Перспективы синтеза углеродных, схемой синтеза углеродных, синтеза наноструктурного углерода, селективное образование нанотрубок, образование монооксида углерода.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос