[發(fā)明專利]一種等離子體技術(shù)制備導(dǎo)電炭黑和氫氣的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010570793.2
• 申請日: 2010-12-03
• 公開（公告）號: CN102108216A
• 公開（公告）日: 2011-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 洪若瑜;王月英;朱青;翁金鳳;王若渟
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州納康納米材料有限公司
• 主分類號: C09C1/50
• 分類號: C09C1/50;C01B3/30;B01J19/08
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低成本、高分散性和高導(dǎo)電性能的導(dǎo)電炭黑和純凈氫氣的制備方法，具體涉及一種采用低溫等離子體技術(shù)和流化床反應(yīng)器制備導(dǎo)電炭黑和純凈氫氣的方法。導(dǎo)電炭黑在制備橡塑制品、涂料、油墨、電池、電子器件、等方面均有應(yīng)用，而氫氣是一種新型的清潔能源。?

背景技術(shù)

納米是一米的十億分之一，當(dāng)材料的尺度進(jìn)入納米級時(shí)，就具有許多特殊的性能，如表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子效應(yīng)等。炭黑是少數(shù)幾種很早就實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的納米材料，具有價(jià)格低、色度高、無毒性和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。全球80％的炭黑消耗在汽車工業(yè)上，時(shí)至今日，我國汽車市場還處在銷量上揚(yáng)階段，市場尚未飽和。而汽車橡塑制品對炭黑的需求勢必持續(xù)增長。根據(jù)目前中國汽車市場的增長趨勢來看，2008年中國汽車銷售938萬輛，2009年至少增長了15％。根據(jù)最新研究報(bào)告顯示，未來幾年全球炭黑市場需求至少以年均5％的速度快速增長。?

高度石墨化、高分散、特別是呈納米管等形式存在的納米碳具有良好的導(dǎo)電性能，塑料、橡膠和涂料等填充導(dǎo)電炭黑后，抗靜電或?qū)щ娦阅苡泻艽筇嵘瑫r(shí)價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，因而用于橡塑制品的抗靜電、電子器械包裝材料的抗靜電、抗靜電涂料與油墨、工程塑料抗靜電、干電池、電纜屏蔽層等領(lǐng)域，用量一直在穩(wěn)定上升。?

制備炭黑的方法很多，傳統(tǒng)的方法可以分為槽法和爐法炭黑。雖然這些傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法均能大批量、低成本制備出的炭黑，用于橡膠補(bǔ)強(qiáng)、塑料抗老化、輪胎抗磨等領(lǐng)域，但也存在著一些弱點(diǎn)：不僅能耗大，而且污染大，炭黑的單耗高、二氧化碳的排放量大、污染大、炭黑的導(dǎo)電性能低，等，與當(dāng)今世界的低碳經(jīng)濟(jì)背道而馳。當(dāng)然，使用乙炔作為原料，使用爐法炭黑技術(shù)也可以生產(chǎn)出高導(dǎo)電的炭黑，但是生產(chǎn)電石、然后生產(chǎn)乙炔本身就是一個(gè)高污染、高能耗的過程。因此，多年來科研人員一直在尋找一種更有效和更經(jīng)濟(jì)的制備方法。?

目前利用熱等離子體技術(shù)制備導(dǎo)電炭黑的研究工作主要為美國、俄羅斯、?法國和挪威的幾家公司。挪威的CB&H工藝是用熱等離子法制備導(dǎo)電炭黑，曾有報(bào)道年產(chǎn)量達(dá)2000噸，但是該項(xiàng)目最終沒有成功。多年來法國的Ecole?desMines?de?Paris和法國國家科學(xué)研究中心的IMP實(shí)驗(yàn)室以及瑞士的Timcal公司大力發(fā)展的熱等離子體技術(shù)，但是也沒有成功。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種易于實(shí)現(xiàn)的、低成本、高分散性和高導(dǎo)電性能的導(dǎo)電炭黑和純凈氫氣的制備方法，可以制備不同形貌的納米炭黑，如球形、棒狀和管狀，所得到的納米粉體分散性好。?

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：選擇以氣態(tài)(如天然氣、煉廠氣、煤層氣、焦?fàn)t煤氣、石油液化氣，等)或可氣化的含碳原料(如煤焦油、乙烯焦油、重油、生物質(zhì)、生活生產(chǎn)廢油，等)為碳源，在低溫等離子體中的強(qiáng)電場和溫度場中，使用經(jīng)過尾氣預(yù)熱的氫氣為載氣，載氣中加入氣態(tài)碳?xì)浠衔?、等離子體尾焰中加入二次的碳?xì)浠衔?，進(jìn)行裂解反應(yīng)，采用高電壓、低電流和大間隙放電的模式，電壓在360～20kV，電流在0.1～200A，低溫等離子體的溫度在1000～2600℃之間，放電間隙為數(shù)毫米到數(shù)十厘米，使用針尖放電、針板放電、針環(huán)放電、平板放電或滑動電弧放電的一種或其組合；碳源與氫氣的摩爾比在1∶0.5～1∶5之間，等離子體發(fā)生器中氣體采用高空速、反應(yīng)停留時(shí)間在0.01～0.3秒間；反應(yīng)物進(jìn)入一個(gè)保溫的流化床反應(yīng)器，炭黑在其中的停留時(shí)間在幾秒到幾分鐘間；炭黑與氣體分離后，部分氣體循環(huán)進(jìn)入第一等離子體發(fā)生器和第一流化床反應(yīng)器，其余氣體進(jìn)入第二等離子體發(fā)生器和第二流化床反應(yīng)器；如需得到更純凈的氫氣，可以使用第三等離子體發(fā)生器和流化床反應(yīng)器。得到低成本、高分散性、高度石墨化和高導(dǎo)電性能的導(dǎo)電炭黑，以及純凈的氫氣。?

在上述技術(shù)方案中，利用“低溫等離子體”作為加熱方式，與常規(guī)加熱相比，該技術(shù)有其特殊的優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)爐法炭黑技術(shù)是靠熱裂解方式完成的，是通過反應(yīng)物的部分燃燒加熱；而等離子體技術(shù)中沒有燃燒過程，沒有二氧化碳的排放，特別是使用“低溫等離子體技術(shù)”后，反應(yīng)溫度大大低于熱等離子體，非常節(jié)能，克服了熱等離子體技術(shù)中電極和耐火材料經(jīng)常損壞的缺點(diǎn)，因此可以連續(xù)工作；還克服了熱等離子體技術(shù)中很難使用氫氣作為載氣的缺點(diǎn)，可以生產(chǎn)純凈的清潔能源----氫氣。?

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：?

低溫等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的適合溫度場和強(qiáng)電場，取代爐法炭黑以燃料油(或燃料氣)和空氣混合燃燒產(chǎn)生的高溫、裂解原料油(或天然氣、乙炔氣，等)生產(chǎn)炭黑，工藝過程具有如下優(yōu)點(diǎn)：?