JP2006232595A - Apparatus for and system of producing nanocarbon material - Google Patents

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JP2006232595A JP2005047842A JP2005047842A JP2006232595A JP 2006232595 A JP2006232595 A JP 2006232595A JP 2005047842 A JP2005047842 A JP 2005047842A JP 2005047842 A JP2005047842 A JP 2005047842A JP 2006232595 A JP2006232595 A JP 2006232595A
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田中　　敦
Toshihiko Setoguchi
稔彦 瀬戸口
Kazuya Suenaga
和也 末永
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus and a system capable of continuously mass-producing a high-purity single-layer carbon material. <P>SOLUTION: This apparatus is provided with: a fluidized bed reaction part 23-1 in which a fluid catalyst 21 being a fluidized material is filled; a raw material feeder 41 for feeding a carbon source 14 into the fluidized bed reaction part 23-1; a fluid catalyst feeder 43 for feeding the fluid catalyst 21 into the reaction part 23-1; a free-boarded part 23-2 having a space allowing the fluid catalyst 21 in the reaction part 23-1 to be scattered and to flow down; a fluidizing gas feeder 42 for feeding a fluidizing gas 22 to fluidize the fluid catalyst 21; a heating part 23-3 for heating the reaction part 23-1; and a preheating part 70 for preheating the carbon source 14. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ナノカーボン材料を効率的にしかも純度良く製造することができるナノカーボン材料の製造装置及びナノカーボン材料の製造システムに関する。   The present invention relates to a nanocarbon material production apparatus and a nanocarbon material production system capable of producing a nanocarbon material efficiently and with high purity.

カーボンナノチューブは、黒鉛（グラファイト）シートが円筒状に閉じた構造を有するチューブ状の炭素多面体である。このカーボンナノチューブには、黒鉛シートが円筒状に閉じた多層構造を有する多層ナノチューブと、黒鉛シートが円筒状に閉じた単層構造を有する単層ナノチューブとがある。   The carbon nanotube is a tubular carbon polyhedron having a structure in which a graphite (graphite) sheet is closed in a cylindrical shape. The carbon nanotube includes a multi-layer nanotube having a multilayer structure in which a graphite sheet is closed in a cylindrical shape, and a single-wall nanotube having a single-layer structure in which a graphite sheet is closed in a cylindrical shape.

一方の多層ナノチューブは、１９９１年に飯島により発見された。すなわち、アーク放電法の陰極に堆積した炭素の塊の中に、多層ナノチューブが存在することが発見された（非特許文献１）。その後、多層ナノチューブの研究が積極的になされ、近年は多層ナノチューブを多量に合成できるまでにもなった。   One multi-walled nanotube was discovered by Iijima in 1991. That is, it was discovered that multi-walled nanotubes exist in the carbon mass deposited on the cathode of the arc discharge method (Non-Patent Document 1). Since then, research on multi-walled nanotubes has been actively conducted, and in recent years, it has become possible to synthesize a large number of multi-walled nanotubes.

これに対して、単層ナノチューブは概ね０．４〜１０ナノメータ（ｎｍ）程度の内径を有しており、その合成は、１９９３年に飯島とＩＢＭのグループにより同時に報告された。単層ナノチューブの電子状態は理論的に予測されており、ラセンの巻き方により電子物性が金属的性質から半導体的性質まで変化すると考えられている。従って、このような単層ナノチューブは、未来の電子材料として有望視されている。   In contrast, single-walled nanotubes have an inner diameter of approximately 0.4 to 10 nanometers (nm), and their synthesis was simultaneously reported in 1993 by a group of Iijima and IBM. The electronic state of single-walled nanotubes has been predicted theoretically, and it is thought that the electronic properties change from metallic properties to semiconducting properties depending on how the spiral is wound. Therefore, such single-walled nanotubes are considered promising as future electronic materials.

単層ナノチューブのその他の用途としては、ナノエレクトロニクス材料、電界電子放出エミッタ、高指向性放射源、軟Ｘ線源、一次元伝導材、高熱伝導材、水素貯蔵材等が考えられている。また、表面の官能基化、金属被覆、異物質内包により、単層ナノチューブの用途はさらに広がると考えられている。   Other applications of single-walled nanotubes include nanoelectronic materials, field electron emitters, highly directional radiation sources, soft X-ray sources, one-dimensional conducting materials, high thermal conducting materials, hydrogen storage materials, and the like. Further, it is considered that the use of single-walled nanotubes is further expanded by functionalization of the surface, metal coating, and inclusion of foreign substances.

従来、上述した単層ナノチューブは、鉄、コバルト、ニッケル、ランタン等の金属を陽極の炭素棒に混入し、アーク放電を行うことにより製造されている（特許文献１）。
しかし、この製造方法では、生成物中に、単層ナノチューブの他、多層ナノチューブ、黒鉛、アモルファスカーボンが混在し、収率が低いだけでなく、単層ナノチューブの糸径・糸長にもばらつきがあり、糸径・糸長の比較的揃った単層ナノチューブを高収率で製造することは困難であった。 Conventionally, the single-walled nanotubes described above are manufactured by mixing a metal such as iron, cobalt, nickel, or lanthanum into a carbon rod of an anode and performing arc discharge (Patent Document 1).
However, in this production method, in addition to single-walled nanotubes, multi-walled nanotubes, graphite, and amorphous carbon are mixed in the product, and not only the yield is low, but also the diameter and length of single-walled nanotubes vary. In addition, it was difficult to produce single-walled nanotubes with relatively uniform yarn diameter and yarn length in high yield.

なお、カーボンナノチューブの製造方法としては、上述したアーク法の他、気相熱分解法、レーザー昇華法、凝縮相の電解法などが提案されている（特許文献２乃至４）。   In addition to the arc method described above, a vapor phase pyrolysis method, a laser sublimation method, a condensed phase electrolysis method, and the like have been proposed as methods for producing carbon nanotubes (Patent Documents 2 to 4).

しかしながら、これらの文献等に開示する製造方法はいずれも実験室又は小規模レベルの製造方法であり、特に炭素材料の収率が低く、しかも純度が低い、という問題がある。
近年炭素材料の用途が拡大しており、このため、大量に効率良く製造することができると共に、純度が良好なカーボン材料を製造する装置の出現が望まれている。 However, any of the production methods disclosed in these documents is a laboratory or small-scale production method, and there is a problem that the yield of the carbon material is low and the purity is particularly low.
In recent years, the use of carbon materials has expanded, and for this reason, the advent of an apparatus that can produce carbon materials with good purity while being able to be produced efficiently in large quantities is desired.

そこで、本発明者等は、カーボンナノファイバの製造を流動層で行うことを先に提案した（特許文献５）。   Therefore, the present inventors have previously proposed that carbon nanofibers are manufactured in a fluidized bed (Patent Document 5).

Ｓ，Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ，３５４，５６（１９９１）S, Iijima, Nature, 354, 56 (1991) 特開平０６−２８０１１６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-280116 特許第３１００９６２号公報Japanese Patent No. 3100962 特表２００１−５２０６１５号公報JP-T-2001-520615 特開２００１−１３９３１７号公報JP 2001-139317 A 特開２００４−７６１９７号公報JP 2004-76197 A

しかしながら、特許文献５の流動層方式で流動材に活性金属を担持した担体を用いて単層のカーボン材料を製造するに際し、流動層反応器において温度制御しているが、触媒と原料である炭素源との反応が良好に進行せずに、ナノカーボン材料の純度が低減するという問題がある。
よって、高純度の単層のカーボン材料を例えば流動層方式等により工業的に製造することが望まれている。 However, when a single-layer carbon material is produced using a support in which an active metal is supported on a fluidized material by the fluidized bed method of Patent Document 5, the temperature is controlled in a fluidized bed reactor. There is a problem that the reaction with the source does not proceed well and the purity of the nanocarbon material is reduced.
Therefore, it is desired to industrially manufacture a high-purity single-layer carbon material by, for example, a fluidized bed method.

本発明は、上記の事情に鑑み、連続的に大量生産することができ且つ純度の高い単層のカーボン材料を製造することができるナノカーボン材料の製造装置及びカーボン材料の製造システムを提供することを課題とする。   In view of the above circumstances, the present invention provides a nanocarbon material manufacturing apparatus and a carbon material manufacturing system that can be continuously mass-produced and can manufacture a single-layer carbon material with high purity. Is an issue.

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、ナノカーボン材料製造用触媒微粒子を供給する触媒微粒子供給装置と、ナノカーボン原料を供給するカーボン原料供給装置と、供給されたナノカーボン原料からナノカーボン材料を製造する製造装置とを具備するナノカーボン材料の製造装置であって、前記ナノカーボン材料を予熱する予熱部を有することを特徴とするナノカーボン材料の製造装置にある。   The first invention of the present invention for solving the above-described problems includes a catalyst fine particle supply device that supplies catalyst fine particles for producing nanocarbon material, a carbon raw material supply device that supplies nanocarbon raw material, and the supplied nanocarbon A nanocarbon material production apparatus comprising a production apparatus for producing a nanocarbon material from a raw material, wherein the nanocarbon material production apparatus includes a preheating unit for preheating the nanocarbon material.

第２の発明は、第１の発明において、ナノカーボン材料製造用触媒微粒子を予熱する予熱部を有することを特徴とするナノカーボン材料の製造装置にある。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, there is provided a nanocarbon material manufacturing apparatus including a preheating unit that preheats the catalyst fine particles for manufacturing the nanocarbon material.

第３の発明は、第２の発明において、ナノカーボン材料製造用触媒微粒子をナノカーボン原料で搬送することを特徴とするナノカーボン材料の製造装置にある。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the nanocarbon material production apparatus according to the second aspect, wherein the nanocarbon material production catalyst fine particles are conveyed by a nanocarbon raw material.

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、ナノカーボン材料、ナノカーボン材料製造用触媒微粒子が、その貯留部又は搬送部において接触する部分が被覆材で被覆されていることを特徴とするナノカーボン材料の製造装置にある。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the nanocarbon material and the catalyst fine particles for producing the nanocarbon material are coated with a coating material at a portion where the storage portion or the conveyance portion contacts. It is in the manufacturing apparatus of the nanocarbon material characterized by this.

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つのナノカーボン材料の製造装置と、前記ナノカーボン材料を製造する製造装置が流動層反応装置であることを特徴とするナノカーボン材料の製造装置にある。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the nanocarbon material manufacturing apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the nanocarbon material manufacturing apparatus is a fluidized bed reaction apparatus. It is in.

第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つのナノカーボン材料の製造装置と、生成されたナノカーボン材料をナノカーボン材料製造装置から回収する回収装置と、該回収されたナノカーボン材料から担体を分離するナノカーボン材料精製装置とを具備することを特徴とするナノカーボン材料の製造システムにある。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a nanocarbon material manufacturing apparatus according to any one of the first to fifth aspects, a recovery apparatus that recovers the generated nanocarbon material from the nanocarbon material manufacturing apparatus, and the recovered nanocarbon material. A nanocarbon material production system comprising a nanocarbon material purification device for separating a carrier.

本発明によれば、純度が高い単層のカーボン材料を量産することができる。   According to the present invention, a single-layer carbon material with high purity can be mass-produced.

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.

［第１実施形態］
図１は本発明の実施形態にかかるナノカーボン材料の製造装置を有するナノカーボン材料製造システムの概略図である。
本実施形態では、反応器として流動層反応器を用いた場合の一例について説明する。
本実施形態のナノカーボン材料の製造装置５０は、内部に流動材である流動触媒２１を充填した流動層反応部２３−１と、炭素源１４を前記流動層反応部２３−１内に供給する原料供給装置４１と、流動触媒２１を前記流動層反応部２３−１内に供給する流動触媒供給装置４３と、前記流動層反応部２３−１内の流動材である流動触媒２１が飛散及び流下する空間を有するフリーボード部２３−２と、前記流動層反応部２３−１に導入し、内部の流動触媒２１を流動させる流動ガス２２を供給する流動ガス供給装置４３と、流動層反応部２３−１を加熱する加熱部２３−３とを具備するものであり、炭素源１４を予熱する予熱部７０を有するものである。 [First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram of a nanocarbon material production system having a nanocarbon material production apparatus according to an embodiment of the present invention.
This embodiment demonstrates an example at the time of using a fluidized bed reactor as a reactor.
The nanocarbon material manufacturing apparatus 50 according to the present embodiment supplies a fluidized bed reaction unit 23-1 filled with a fluidized catalyst 21 that is a fluidized material and a carbon source 14 into the fluidized bed reaction unit 23-1. The raw material supply device 41, the fluidized catalyst supply device 43 that supplies the fluidized catalyst 21 into the fluidized bed reaction unit 23-1, and the fluidized catalyst 21 that is the fluidized material in the fluidized bed reaction unit 23-1 scatter and flow down. A free board section 23-2 having a space for flowing, a fluidized gas supply device 43 for supplying a fluidized gas 22 introduced into the fluidized bed reaction section 23-1 and flowing the fluidized catalyst 21 inside, and a fluidized bed reaction section 23. And a preheating unit 70 for preheating the carbon source 14.

前記流動層反応部２３−１の流動層反応形式には気泡型流動層型と噴流型流動層型とがあるが、本発明ではいずれのものを用いてもよい。   The fluidized bed reaction mode of the fluidized bed reaction section 23-1 includes a bubble fluidized bed type and a jet fluidized bed type, and any of them may be used in the present invention.

本実施形態では、流動層反応部２３−１とフリーボード部２３−２と加熱部２３−３とから流動層反応器２３を構成している。また、フリーボード部２３−２は、流動層反応部２３−１よりもその流路断面積の大きいものが好ましい。   In this embodiment, the fluidized bed reactor 23 is comprised from the fluidized bed reaction part 23-1, the free board part 23-2, and the heating part 23-3. The free board portion 23-2 preferably has a larger channel cross-sectional area than the fluidized bed reaction portion 23-1.

また、炭素源１４及び流動触媒２１を供給する原料供給装置４１及び流動触媒供給装置４３若しくは流動層反応器２３は、材料に対して不活性な材料からなることが好ましく、例えば石英、シリカ、アルミナ、シリカ・アルミナ、マグネシア等の耐火断熱材から構成されていることが好ましい。なお、供給装置はこれらを貯蔵する例えばホッパ等も含まれる。   Further, the raw material supply device 41 and the fluid catalyst supply device 43 or the fluidized bed reactor 23 for supplying the carbon source 14 and the fluid catalyst 21 are preferably made of a material that is inactive with respect to the material, for example, quartz, silica, alumina It is preferably composed of a refractory heat insulating material such as silica / alumina or magnesia. The supply device also includes, for example, a hopper for storing these.

また、前記シリカ、アルミナ系においては、これらが有する酸点の影響を防止するために、この耐火断熱材の表面にナトリウム、カルシウム等の塩基性耐火物を被覆するようにしてあるのが好ましい。これにより原料ガスの劣化を抑制し、炭素の析出物の発生が防止することができる。   In the silica and alumina systems, it is preferable that the surface of the refractory heat insulating material is covered with a basic refractory such as sodium or calcium in order to prevent the influence of acid points. Thereby, deterioration of source gas can be suppressed and generation | occurrence | production of the deposit of carbon can be prevented.

前記原料供給装置４１より供給される原料ガスである炭素源１４は、炭素を含有する化合物であれば、いずれのものでもよく、例えばＣＯ、ＣＯ2の他、メタン，エタン，プロパン及びヘキサン等のアルカン類、エチレン，プロピレン及びアセチレン等の不飽和有機化合物、ベンゼン、トルエン等の芳香族化合物、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等の含酸素官能基を有する有機化合物、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子材料、又は石油や石炭（石炭転換ガスを含む）等を挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素濃度制御のため、含酸素炭素源ＣＯ、ＣＯ2、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等と、酸素を含まない炭素源とを２つ以上組合わせて供給することもできる。 The carbon source 14 which is a raw material gas supplied from the raw material supply device 41 may be any compound as long as it is a compound containing carbon. For example, in addition to CO, CO 2 , methane, ethane, propane, hexane, etc. Alkanes, unsaturated organic compounds such as ethylene, propylene and acetylene, aromatic compounds such as benzene and toluene, organic compounds having oxygen-containing functional groups such as alcohols, ethers and carboxylic acids, polymers such as polyethylene and polypropylene Examples of the material include petroleum, coal (including coal conversion gas), and the like, but the present invention is not limited thereto. Further, in order to control the oxygen concentration, two or more oxygen-containing carbon sources CO, CO 2 , alcohols, ethers, carboxylic acids and the like and a carbon source not containing oxygen can be supplied in combination.

前記流動触媒２１は、活性金属を担持した担体を所定粒径に造粒したものを一例として用いている。ここで、前記活性金属としては、Ｖ,Ｃｒ,Ｍｎ,Ｆｅ,Ｃｏ,Ｎｉ,Ｃｕ,Ｚｎのいずれか一種又はこれらの組合せである。
また、前記担体としては,例えばアルミナ、アルミン酸ナトリウム、ミョウバン、リン酸アルミニウム等のアルミニウム化合物、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム等のカルシウム化合物、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム等のマグネシウム化合物、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム等のアパタイト系とするのが好ましい。
ここで、アパタイトとは、Ｍ10 2+（Ｚ5-Ｏ4)6Ｘ2 -の組成をもつ鉱物でＭ、ＺＯ4、Ｘに対して次のような各元素が単独あるいは２種類以上の固溶状態で入るものをいう。
Ｍ：Ｃａ,Ｐｂ,Ｂａ,Ｓｒ,Ｃｄ,Ｚｎ,Ｎｉ,Ｍｇ,Ｎａ,Ｋ,Ｆｅ,Ａｌその他、
ＺＯ4：ＰＯ4、ＡｓＯ4,ＶＯ4,ＳＯ4,ＳｉＯ4,ＣＯ3
Ｘ:Ｆ,ＯＨ,Ｃｌ,Ｂｒ,Ｏ,Ｉ
また、前記活性金属にＭｏ又はＷのいずれか一種又は両方の助触媒を含むようにしてもよい。これは、前記ＭＯ等の助触媒を少量添加することにより、炭素原料の分解を促進させると共に、炭素の鉄等の活性金属への取込みを促進し、カーボン材料の生成を促進させるからである。 As the fluidized catalyst 21, a carrier obtained by granulating a carrier carrying an active metal to a predetermined particle diameter is used as an example. Here, the active metal is any one of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn, or a combination thereof.
Examples of the carrier include aluminum compounds such as alumina, sodium aluminate, alum, and aluminum phosphate; calcium compounds such as calcium oxide, calcium carbonate, and calcium sulfate; and magnesium compounds such as magnesium oxide, magnesium hydroxide, and magnesium sulfate. It is preferable to use apatite type such as calcium phosphate and magnesium phosphate.
Here, the apatite, M 10 2+ (Z 5- O 4) 6 X 2 - composition mineral with M, ZO 4, each element as follows with respect to X, alone or in two or more The one that enters in solid solution.
M: Ca, Pb, Ba, Sr, Cd, Zn, Ni, Mg, Na, K, Fe, Al and others
ZO 4 : PO 4 , AsO 4 , VO 4 , SO 4 , SiO 4 , CO 3
X: F, OH, Cl, Br, O, I
Moreover, you may make it contain the promoter of either one or both of Mo or W in the said active metal. This is because the addition of a small amount of a promoter such as MO promotes the decomposition of the carbon raw material, promotes the incorporation of carbon into an active metal such as iron, and promotes the production of the carbon material.

ここで、流動層方式に用いる場合の流動触媒２１の粒径としては、０．１〜１０ｍｍの範囲、好適には、０．２〜０．７ｍｍであることが好ましい。よって、微粒の場合には、造粒により所定径となるように調整している。   Here, the particle size of the fluidized catalyst 21 when used in the fluidized bed system is preferably in the range of 0.1 to 10 mm, and preferably 0.2 to 0.7 mm. Therefore, in the case of fine particles, it is adjusted to have a predetermined diameter by granulation.

ここで、本発明でナノカーボン材料とは、ナノ単位ミクロ単位のナノカーボン材料であり、供給された炭素源が触媒に作用し、再析出されて出現される例えばファイバ状、チューブ状、カップ状等の種々の形状を有するカーボンをいう。なお、ナノ単位のナノカーボン材料を単にナノカーボンともいう。   Here, the nanocarbon material in the present invention is a nanocarbon material of a nano unit and a micro unit, and the supplied carbon source acts on the catalyst, and is reprecipitated, for example, a fiber shape, a tube shape, a cup shape. This refers to carbon having various shapes such as. A nano-unit nanocarbon material is also simply referred to as nanocarbon.

前記ナノカーボンの一例としては、例えば単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）に、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴｓ）のような他のナノチューブ、フィッシュボーンタイプ又はプレートレットタイプのカーボンファイバ等を挙げることができ、これらの製造において、不純物炭素分解物を適用することで、ナノカーボン材料の飛躍的な成長を図ることができる。   Examples of the nanocarbon include, for example, single-walled carbon nanotubes (SWNTs), other nanotubes such as multi-walled carbon nanotubes (MWNTs), fishbone-type or platelet-type carbon fibers, and the like. By applying impurity carbon decomposition products in manufacturing, it is possible to achieve dramatic growth of nanocarbon materials.

この炭素源１４は、流動層反応部２３−１内にガス状態で供給し、流動材である流動触媒２１による攪拌により均一な反応が行われ、ナノカーボン材料を成長させている。この際、所定の流動条件となるように、別途流動ガス２２として流動ガス供給装置４２により不活性ガスを流動層反応部２３−１内に導入している。   The carbon source 14 is supplied in a gas state into the fluidized bed reaction unit 23-1, and a uniform reaction is performed by stirring with the fluidized catalyst 21 that is a fluidized material, thereby growing the nanocarbon material. At this time, an inert gas is separately introduced into the fluidized bed reaction section 23-1 as the fluidized gas 22 by the fluidized gas supply device 42 so as to satisfy the predetermined fluidization conditions.

そして、３００℃〜１３００℃の温度範囲、より好ましくは４００℃〜１２００℃の温度範囲とし、メタン等の炭素原料を不純物炭素分解物の共存環境下で一定時間触媒に接触することによってナノカーボン材料を合成している。   Then, the nanocarbon material is obtained by bringing the carbon raw material such as methane into contact with the catalyst for a certain period of time in the coexistence environment of the impurity carbon decomposition product in the temperature range of 300 ° C to 1300 ° C, more preferably in the temperature range of 400 ° C to 1200 ° C Is synthesized.

本実施形態では、予熱部としては、電気炉を例示しているが本発明はこれに限定されるものではない。
この予熱部７０での炭素源１４の予熱の条件は、当該炭素源であるナノカーボン原料が分解しない温度、例えば８００℃以下とするのがよい。これにより、従来のように、直接室温状態で炭素源を供給する場合に較べて、流動層反応部２３−１内での温度勾配がなくなり、流動層反応部２３−１内において流動触媒２１と接触した際に、効率良く反応が進行し、純度の高いナノカーボン材料を生成することができる。 In the present embodiment, an electric furnace is illustrated as the preheating part, but the present invention is not limited to this.
The preheating condition of the carbon source 14 in the preheating unit 70 is preferably set to a temperature at which the nanocarbon raw material that is the carbon source does not decompose, for example, 800 ° C. or less. This eliminates the temperature gradient in the fluidized bed reaction section 23-1 as compared with the conventional case where the carbon source is directly supplied at room temperature, and the fluidized catalyst 21 in the fluidized bed reaction section 23-1. When contacted, the reaction proceeds efficiently and a nanocarbon material with high purity can be produced.

図１を参照してシステム構成について説明する。本発明にかかるナノカーボン材料の製造システムは、前述した予熱部７０を有するナノカーボン材料の製造装置５０と、前記流動層反応器２３のフリーボード部２３−２から飛散されたナノカーボン材料生成物（微粒）２４−１を回収する第１回収ライン５１−１と、第１回収ライン５１−１で回収された流動触媒２１及びナノカーボン材料生成物（微粒）２４−１から排ガス５７を分離・回収する分離・回収装置５２と、流動層反応部２３−１から流動触媒２１及びナノカーボン材料生成物（粗粒）２４−２を抜き出す第２回収ライン５１−２と、抜き出された流動触媒２１及びナノカーボン材料生成物（粗粒）２４−２と、分離・回収装置５２からのナノカーボン材料生成物（微粒）２４−１とを回収する回収装置５３と、回収装置５３で回収されたナノカーボン材料生成物（微粒）２４−１及びナノカーボン材料生成物（粗粒）２４−２に付着している触媒を除去し、ナノカーボン材料純品５６とする精製装置５５と、前記分離・回収装置５２で分離された排ガス５７を処理する排ガス処理装置５８とを具備するものである。   The system configuration will be described with reference to FIG. The nanocarbon material manufacturing system according to the present invention includes a nanocarbon material manufacturing apparatus 50 having the preheating unit 70 and a nanocarbon material product scattered from the free board unit 23-2 of the fluidized bed reactor 23. The exhaust gas 57 is separated from the first recovery line 51-1 for recovering (fine particles) 24-1 and the fluid catalyst 21 and the nanocarbon material product (fine particles) 24-1 recovered in the first recovery line 51-1. Separation / recovery device 52 for recovery, second recovery line 51-2 for extracting fluid catalyst 21 and nanocarbon material product (coarse particles) 24-2 from fluidized bed reaction section 23-1, and fluid catalyst extracted 21 and the nanocarbon material product (coarse particles) 24-2, and the recovery device 53 that recovers the nanocarbon material product (fine particles) 24-1 from the separation / recovery device 52, and the recovery device 53 A purification device 55 that removes the catalyst attached to the recovered nanocarbon material product (fine particles) 24-1 and the nanocarbon material product (coarse particles) 24-2, and makes the nanocarbon material pure product 56; An exhaust gas treatment device 58 for treating the exhaust gas 57 separated by the separation / recovery device 52 is provided.

前記分離・回収装置５２としてサイクロン以外には、例えばバグフィルタ、セラミックフィルタ、篩等の公知の分離手段を用いることができる。   In addition to the cyclone, the separation / recovery device 52 may be a known separation means such as a bag filter, a ceramic filter, or a sieve.

また、分離・回収装置５２で分離されたナノカーボン材料生成物（微粒）２４−１は、付着した触媒を分離する精製装置５５により、ナノ単位のナノカーボン材料（例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ等）純品５６として回収するようにしている。   Further, the nanocarbon material product (fine particles) 24-1 separated by the separation / recovery device 52 is converted into nano-unit nanocarbon materials (for example, carbon nanotubes, carbon nanofibers, etc.) by the purification device 55 that separates the attached catalyst. ) The product is collected as a pure product 56.

［第２実施形態］
図２は本発明の実施形態にかかるナノカーボン材料の製造装置を有するナノカーボン材料製造システムの概略図である。
本実施形態では、図１の第１実施形態にかかるシステムにおいて、流動触媒供給装置４３からの流動触媒２１を予熱する予熱部７０を有するようにしている。
流動触媒２１を予熱することで、流動層反応部２３−１内における温度勾配を抑制することができ、純度の高いナノカーボン材料を製造することができる。 [Second Embodiment]
FIG. 2 is a schematic diagram of a nanocarbon material production system having a nanocarbon material production apparatus according to an embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the system according to the first embodiment of FIG. 1 includes a preheating unit 70 that preheats the fluid catalyst 21 from the fluid catalyst supply device 43.
By preheating the fluidized catalyst 21, the temperature gradient in the fluidized bed reaction part 23-1 can be suppressed, and a nanocarbon material with high purity can be produced.

［第３実施形態］
図３は本発明の実施形態にかかるナノカーボン材料の製造装置を有するナノカーボン材料製造システムの概略図である。
本実施形態では、図２の第２実施形態にかかるシステムにおいて、流動触媒供給装置４３からの流動触媒２１を炭素源１４によって搬送する場合に、流動触媒貯留部４４から搬送ガスである炭素源１４に同伴された流動触媒２１を、予熱部７０にて予熱するようにしている。
なお、本実施形態では、流動触媒２１と炭素源１４とが接触することになるので、予熱温度は炭素源１４の分解温度よりもさらに低い温度（例えば５００℃以下）となるようにすることが望ましい。
この結果、炭素源１４によって同伴された流動触媒２１を予め予熱することで、流動層反応部２３−１内における温度勾配を抑制することができ、純度の高いナノカーボン材料を製造することができる。 [Third Embodiment]
FIG. 3 is a schematic diagram of a nanocarbon material production system having a nanocarbon material production apparatus according to an embodiment of the present invention.
In the present embodiment, in the system according to the second embodiment of FIG. 2, when the fluid catalyst 21 from the fluid catalyst supply device 43 is transported by the carbon source 14, the carbon source 14 that is the transport gas from the fluid catalyst reservoir 44. The fluidized catalyst 21 entrained in is preheated by the preheating unit 70.
In the present embodiment, since the fluid catalyst 21 and the carbon source 14 are in contact with each other, the preheating temperature is set to be lower than the decomposition temperature of the carbon source 14 (for example, 500 ° C. or less). desirable.
As a result, by preheating the fluid catalyst 21 entrained by the carbon source 14, the temperature gradient in the fluidized bed reaction section 23-1 can be suppressed, and a nanocarbon material with high purity can be produced. .

［第４実施形態］
図４は本発明の実施形態にかかるナノカーボン材料の製造装置を有するナノカーボン材料製造システムの概略図である。
前述した図１の第１実施形態の予熱部は加熱炉を用いていたが、本実施形態では、流動層反応器２３から排出される排ガス５７を予熱部の熱源とする場合である。
図４に示すように、本実施形態では熱源として流動層反応器２３からの排ガス５７の排熱を熱回収する熱回収装置７１を用いている。この熱回収装置７１では熱媒体７２により熱回収し、この熱回収された熱媒体７２を予熱部７３で予熱の所定温度まで炭素源１４を加熱するようにしている。 [Fourth Embodiment]
FIG. 4 is a schematic diagram of a nanocarbon material production system having a nanocarbon material production apparatus according to an embodiment of the present invention.
Although the preheating part of 1st Embodiment of FIG. 1 mentioned above used the heating furnace, in this embodiment, it is a case where the waste gas 57 discharged | emitted from the fluidized bed reactor 23 is used as the heat source of a preheating part.
As shown in FIG. 4, in this embodiment, a heat recovery device 71 that recovers the exhaust heat of the exhaust gas 57 from the fluidized bed reactor 23 is used as a heat source. In the heat recovery device 71, heat is recovered by the heat medium 72, and the heat-recovered heat medium 72 is heated by the preheating unit 73 to a predetermined temperature for preheating.

［第５実施形態］
図５は本発明の実施形態にかかるナノカーボン材料の製造装置を有するナノカーボン材料製造システムの概略図である。
図５は他の本実施形態にかかるナノカーボン材料の製造システムであり、第４の実施形態のシステムと同一の部材については、同一の符号を付してその説明は省略する。図５のシステムにおいては、熱媒体７２の熱回収に、排ガス中の未反応の炭素分を燃焼させるための酸化性ガス７４を用いており、この酸化性ガスの燃焼排ガスを予熱部７３で熱媒体７２に熱交換させるようにしている。これにより、第４の実施形態よりも更にシステムの廃熱及び排出物の有効利用を図りつつ純度の高いナノカーボン材料を製造することができる。 [Fifth Embodiment]
FIG. 5 is a schematic view of a nanocarbon material production system having a nanocarbon material production apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows another nanocarbon material manufacturing system according to this embodiment. The same members as those in the system of the fourth embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the system of FIG. 5, an oxidizing gas 74 for burning unreacted carbon in the exhaust gas is used for heat recovery of the heat medium 72, and this oxidizing gas combustion exhaust gas is heated by the preheating unit 73. The medium 72 is allowed to exchange heat. As a result, it is possible to manufacture a nanocarbon material with a high purity while further utilizing the waste heat and exhausted matter of the system more effectively than in the fourth embodiment.

以上のように、本発明にかかるカーボン材料の製造装置は、純度の高いナノカーボン材料を製造することができ、大規模なカーボン材料の大量生産化を実現することができる。   As described above, the carbon material manufacturing apparatus according to the present invention can manufacture a nanocarbon material with high purity, and can realize mass production of a large-scale carbon material.

第１実施形態にかかるカーボン材料の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of the carbon material concerning 1st Embodiment. 第２実施形態にかかるカーボン材料の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of the carbon material concerning 2nd Embodiment. 第３実施形態にかかるカーボン材料の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of the carbon material concerning 3rd Embodiment. 第４実施形態にかかるカーボン材料の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of the carbon material concerning 4th Embodiment. 第５実施形態にかかるカーボン材料の製造装置の概略図である。It is the schematic of the manufacturing apparatus of the carbon material concerning 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１４ 炭素源（Ｃ源）
２１ 流動触媒
２３ 流動層反応器
７０、７３ 予熱部 14 Carbon source (C source)
21 Fluidized catalyst 23 Fluidized bed reactor 70, 73 Preheating section

Claims (6)

ナノカーボン材料製造用触媒微粒子を供給する触媒微粒子供給装置と、
ナノカーボン原料を供給するカーボン原料供給装置と、
供給されたナノカーボン原料からナノカーボン材料を製造する製造装置とを具備するナノカーボン材料の製造装置であって、
前記ナノカーボン材料を予熱する予熱部を有することを特徴とするナノカーボン材料の製造装置。 A catalyst fine particle supply device for supplying catalyst fine particles for producing nanocarbon materials;
A carbon material supply device for supplying nanocarbon materials;
A nanocarbon material production apparatus comprising a production apparatus for producing a nanocarbon material from a supplied nanocarbon raw material,
An apparatus for producing a nanocarbon material, comprising a preheating unit for preheating the nanocarbon material. 請求項１において、
ナノカーボン材料製造用触媒微粒子を予熱する予熱部を有することを特徴とするナノカーボン材料の製造装置。 In claim 1,
An apparatus for producing a nanocarbon material, comprising a preheating unit for preheating the catalyst fine particles for producing the nanocarbon material. 請求項２において、
ナノカーボン材料製造用触媒微粒子をナノカーボン原料で搬送することを特徴とするナノカーボン材料の製造装置。 In claim 2,
An apparatus for producing a nanocarbon material, characterized in that catalyst fine particles for producing the nanocarbon material are conveyed by a nanocarbon raw material. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
ナノカーボン材料、ナノカーボン材料製造用触媒微粒子が、その貯留部又は搬送部において接触する部分が被覆材で被覆されていることを特徴とするナノカーボン材料の製造装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
An apparatus for producing a nanocarbon material, wherein the nanocarbon material and the catalyst fine particles for producing the nanocarbon material are covered with a coating material at a portion that contacts the storage part or the transport part. 請求項１乃至４のいずれか一つのナノカーボン材料の製造装置と、
前記ナノカーボン材料を製造する製造装置が流動層反応装置であることを特徴とするナノカーボン材料の製造装置。 An apparatus for producing a nanocarbon material according to any one of claims 1 to 4,
An apparatus for producing a nanocarbon material, wherein the production apparatus for producing the nanocarbon material is a fluidized bed reaction apparatus. 請求項１乃至５のいずれか一つのナノカーボン材料の製造装置と、
生成されたナノカーボン材料をナノカーボン材料製造装置から回収する回収装置と、
該回収されたナノカーボン材料から担体を分離するナノカーボン材料精製装置とを具備することを特徴とするナノカーボン材料の製造システム。 An apparatus for producing a nanocarbon material according to any one of claims 1 to 5,
A recovery device for recovering the generated nanocarbon material from the nanocarbon material manufacturing device;
A nanocarbon material production system comprising: a nanocarbon material purification apparatus that separates a carrier from the collected nanocarbon material.
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