JP3892371B2

JP3892371B2 - Fullerene production method

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Publication number: JP3892371B2
Application number: JP2002260731A
Authority: JP
Inventors: 弘明武原; 剛高倉; 峯幸有川
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: JP2003160318A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新しい炭素材料であるフラーレン、中でもＣ₆₀、Ｃ₇₀、Ｃ₇₆、Ｃ₇₈、Ｃ₈₂、Ｃ₈₄の分子構造を有するフラーレンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９９０年に炭素数６０、７０、８４等の閉殻構造型のカーボンクラスター（球状の巨大分子）という新しいタイプの分子状炭素物質が合成され、注目されている。この特殊な分子構造を有するカーボンクラスターはフラーレンとも称され、その分子骨格を構成する炭素数によって、フラーレンＣ₆₀、同Ｃ₇₀、同Ｃ₈₄などと呼ばれている（単に、Ｃ₆₀、Ｃ₇₀ _、Ｃ ₈₄等とも呼ばれる）。
これらフラーレン類（以下、単に「フラーレン」と言う場合がある。）は新しい炭素材料であり、また特殊な分子構造から特異な物性を示すことが期待されるので、その性質及び用途開発についての研究が盛んに進められている。フラーレンは例えば、ダイヤモンドコーティング、電池材料、塗料、断熱材、潤滑材、医薬品、化粧品などの分野への利用が期待されている。具体的には例えば以下に示す（１）〜（４）の分野において革新的な用途開発が急速に展開されつつある。
【０００３】
（１）超硬材料への応用：
フラーレンを前駆体とすることで微細結晶粒子をもつ人工ダイヤモンドの精製が可能なため、付加価値のある耐摩耗材料への利用が期待されている。
（２）医薬品への応用：
Ｃ₆₀誘導体等を用いることで、抗癌剤、エイズ、骨粗鬆症、アルツハイマー治療薬、造影剤、及びステント材料等の用途としての研究が進められている。
（３）超伝導材料への応用：
フラーレン薄膜に金属カリウムをドープすると、１８Ｋという高い転移温度を持つ超伝導材料をつくり出すことができることが発見され、多方面から注目を集めている。
（４）半導体製造への応用：
感光性樹脂（レジスト）にＣ₆₀を混ぜることで、レジスト構造がより一層強化されることを利用し、次世代半導体製造への応用が期待されている。
【０００４】
フラーレンの製造方法としては、（１）グラファイトなど炭素質材料から成る電極を原料とし、この電極間にアーク放電を生じさせることで原料を蒸発させる方法（アーク放電法）、（２）炭素質原料に高電流を流して原料を蒸発させる方法（抵抗加熱法）、（３）高エネルギー密度のパルスレーザー照射によって、炭素質原料を蒸発させる方法（レーザー蒸発法）、及び（４）ベンゼンなどの有機物を不完全燃焼させる方法（燃焼法）などが知られている。
【０００５】
しかし、現状いずれの製造方法でも目的の単一フラーレン、あるいは有益なＣ₆₀〜Ｃ₈₄等のフラーレンだけを製造することはできず、Ｃ₆₀及びＣ₇₀を主とする複数のフラーレンと、その他多数の炭素化合物との混合物（この燃焼生成物は「煤状物質」と呼ばれることがある）を生成してしまう。この煤状物質中におけるフラーレンの含有量は、効率的といわれるアーク放電法でも１０〜３０％程度である為、高純度のフラーレンを得るには、煤状物質からフラーレンを分離する必要がある。
【０００６】
煤状物質からのフラーレンの分離方法としては、例えば溶媒抽出法が知られている。これはフラーレンがベンゼン、トルエン、二硫化炭素等の有機溶媒に溶解するのに対し、その他の煤状物質の多くを占める、いわゆる「煤」である炭素系高分子成分はグラファイトやアモルファスカーボンに似て有機溶媒に溶解しにくい、という性質を利用した方法である。
また煤状物質からフラーレンを分離する別の方法としては、高真空下で煤状物質を加熱し、フラーレンを昇華させる方法（昇華法）が知られている。この昇華法は、たとえば４００℃以上の高温、０．１３３Ｐａ（１０^-3Ｔｏｒｒ）以下の高真空条件を必要とする特殊な分離方法であり、それに比べ溶媒抽出法は操作が容易なため広く用いられている。さらに抽出で得られたフラーレンは、主としてＣ₆₀とＣ₇₀のとを含む溶液であり、この溶液から単一のフラーレンを分離するには、カラムクロマト分離、分別再結晶等の他に、フラーレンを包接化する方法等が適用されている。
【０００７】
その他、煤状物質からのフラーレン分離方法としては、Ｃ₆₀を含有する煤状物質を有機溶媒により抽出して得られた、主としてＣ₆₀を含む溶液を、活性炭と接触処理した後、得られた処理液から、有機溶媒を分離除去することにより、Ｃ₆₀を精製する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
またフラーレンの分離精製装置としては、加熱容器、トラップ、減圧装置を含む、少量・バッチ式の分離精製装置が知られている。具体的には、フラーレンを加熱して昇華させるための加熱容器と、該加熱容器に接続されており、昇華したフラーレンを析出させるためのトラップと、加熱容器及びトラップの内部を減圧吸引するための減圧装置とを少なくとも備え、加熱容器、トラップ、減圧装置がこの順序で配設されているものである（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−８５７１１号公報
【特許文献２】
特開平９−２２７１１１号公報
【特許文献３】
米国特許第５２７３７２９号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこれらの分離精製方法は、いずれもバッチ式であり、少量の煤状物質を対象とした精製技術である。故に、大量の煤状物質を精製対象とする工業的規模でのフラーレン製造には不向きである。
またこの煤状物質には、カーボンブラックに代表される様な、現在、工業的に価値の高い煤である炭素系高分子成分等が大量に含まれている。よって大量の煤状物質から、これら炭素系高分子成分をも有効に利用するためにも、炭素系高分子成分とフラーレンとを出来るだけ効率良く分離できる、フラーレンの製造装置及び製造方法の開発が望まれていた。
【００１０】
またフラーレンの製造方法においても、フラーレンと共に生成する多環状芳香族化合物が問題となっていた。具体的には例えば、制御された温度・圧力条件下でトルエン等の有機物を不完全燃焼させる方法（燃焼法）によってフラーレンを製造する場合、Ｃ₆₀とＣ₇₀を主とする複数のフラーレンを含んだ煤状物質が生成するが、この煤状物質には、１０ｐｐｍ〜５重量％の多環状芳香族化合物が含まれていることが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１１】
この多環状芳香族化合物は、ベンゾピレンに代表される様に、芳香族化合物の中でも組成的に水素原子の割合が少なく、フラーレン類と類似している。従って、フラーレン類に混在している場合にはフラーレンの反応性を阻害したり、フラーレンの固有の性質に影響を与える可能性がある。また一般的にこれら多環状芳香族化合物は毒物であり、安全性の面から、極力低減する必要がある。
【００１２】
しかし、フラーレン類と多環状芳香族化合物の溶媒への溶解度を比較すると、一般的に多環状芳香族化合物の溶解度の方が１０倍以上高い。その為、煤状物質を溶媒で抽出すると、フラーレン類のみを選択的に抽出することは困難で、煤状物質中の多環状芳香族化合物をも、殆ど抽出液へ同時に抽出してしまう。その為、この抽出液からフラーレンを固体として得るべく、例えば抽出液を濃縮・乾燥したり、抽出液を濃縮して析出した固形分を濾別し乾燥して（主としてフラーレンを含む）固体を得たとしても、この固体中には、通常０．０１〜１０％程度の多環状芳香族化合物が含まれてしまうという問題がある。
本発明は前述した様な事情に鑑みてなされたものであり、フラーレンの大量製造の際、生成する大量の煤状物質からフラーレンを効率良く分離回収する製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
一般的に、煤状物質中に大量に存在する炭素系高分子成分は、一度固体になると容易に気体状態へ変化しないのに対し、フラーレンは４００℃以上の温度領域で気体状態へ変化することが知られている。
【００１４】
本発明者らは、フラーレンの昇華温度が４００℃以上という比較的低温であることに着目した。そして特定のフラーレン製造方法、具体的には炭素質原料を用いた燃焼法や熱分解法においては、気流中に浮遊した状態、つまり煤状物質含有気流として煤状物質が得られ、且つこの気流は、通常、有る程度の高温である為にフラーレンは気体状態で存在し、且つ炭素系高分子成分は固体状態にあると考えた。
【００１５】
そして本発明者らが鋭意検討した結果、この様な特定の方法により得られた煤状物質含有気流からは、有機溶媒を用いずとも、フラーレンの製造過程で大量に生ずる、いわゆる煤である炭素系高分子成分を含む煤状物質から、フラーレンを気体状態で分離できることを見出した。
更に発明者らは、この煤状物質に含まれる大変有害な多環状芳香族化合物をも、気体状態で分離可能であることをも見出した。つまり、この多環状芳香族化合物の昇華温度はフラーレンのそれよりも低いので、燃焼法や熱分解法において得られた、フラーレン、多環状芳香族化合物、及び炭素系高分子成分を含む煤状物質含有気流を、まず多環状芳香族化合物が昇華する温度まで加熱して多環状芳香族化合物を気体状態で分離し、ついで更に煤状物質含有気流を加熱すること等で、フラーレンを気体状態で分離出来ることを見出し、本発明を完成させた。
【００１６】
【００１７】
本発明の要旨は、以下の工程（１）及び工程（２）を有するフラーレンの製造方法に存する。
工程（１）：炭化水素原料を不完全燃焼させるか、又は炭化水素原料を熱分解することにより、フラーレン、多環状芳香族化合物フラーレン、多環状芳香族炭化水素、及び炭素系高分子成分を含む煤状物質含有気流を生成させる工程。
工程（２）：工程（１）で得られた、フラーレン、多環状芳香族化合物、及び炭素系高分子成分を含む煤状物質含有気流から、フラーレン及び多環状芳香族化合物、又は多環状芳香族化合物を気体状態で分離する工程。
【００１８】
【発明の実施の形態】
先ず、フラーレンの製造装置について説明する。
【００１９】
図１はフラーレン生成装置において燃焼法を用いた場合の全体概略図である。
このフラーレン製造装置は、フラーレン生成装置１、フラーレンとその他の成分、具体的には多環状芳香族化合物や炭素系高分子成分とを分離する分離装置３を有する。好ましくは更に、フラーレンを析出させる析出装置５、及び減圧装置４を有する。
フラーレンの生成に燃焼法を用いる場合、フラーレン生成装置１は、ヘリウム等の不活性ガスを充満させ、内部の圧力を大気圧に対して減圧条件、好ましくは真空に近い状態とした生成装置１である。該装置の側面に導入管（図示せず）から導入されたベンゼン等のフラーレン原料炭化水素を酸素と共にフラーレン生成装置１内に導入する。またフラーレン生成装置１内には、原料炭化水素を不完全燃焼を起こさせるためのバーナー２を少なくとも備える。このような構造により、連続的に、フラーレンを含む煤状物質を含む気流を製造することが出来る。本発明では、この煤状物質含有気流から、フラーレンを気体状態で分離することで、連続して、且つ大量のフラーレンを製造する事が出来る。
【００２０】
フラーレン生成装置１の内部又は下流には、フラーレンの分離装置３が設置される。またフラーレンの生成、及びフラーレンを気体状態で分離するためには、一般的にフラーレン生成装置１内や、分離装置３内を減圧状態としておくことが好ましいので、フラーレンの生成装置１、分離装置３の内部圧力を減圧するための、減圧装置４を備えることが好ましい。このフラーレンの製造装置では、フラーレンの生成装置からフラーレンを含む煤状物質含有気流が、分離装置３、析出装置５と流れるが、一般的にこの気流の流れは緩やかなので、フラーレンを効率的に得るために、析出装置５に続いて減圧装置４を配設し、気流を効率的に流すことが好ましい。
【００２１】
分離装置３を構成する分離手段としては、従来公知のフィルター作用を有するものを使用できる。通常、フラーレンの生成は高温度条件下で行われるので、そのようなフラーレンの生成装置１の次ぎに設けられる分離装置３に用いるフィルターとしては、耐熱性フィルターを用いる。耐熱フィルターは、４００℃以上の温度で固体として存在する煤成分を捕捉するための目的で設置され、フラーレンは、昇華して気体状態で存在している温度領域に設置することが重要である。この様なフィルターとしては例えば、日本ポール社製焼結金属フィルターや富士フィルター社製焼結金属フィルター等が挙げられる。フィルター目開きの大きさは、フラーレンを生成させる燃焼条件や煤状物質の性状によって適宜選択し決定すればよい。
フラーレンの昇華温度は真空度によっても変化するので、容器内の真空度により、もっとも効率的にフラーレンを通過させることのできる位置に該フィルターを設置することが重要である。
【００２２】
この耐熱フィルターの材質は、３００℃以上の高温に耐えられるものであれば何であってもよく、セラミック、焼結金属等が好適に用いられる。また、このフィルターによって捕集される炭素系高分子成分が、連続的に排出される逆洗装置等の回収手段６を備えることが好ましい。この段階で得られた炭素系高分子成分は、インクや塗料等の着色剤、タイヤ用カーボンブラック、または燃料等として有効に活用できるものである。
フラーレン生成装置１、や分離装置３を構成する素材は、上述の温度、圧力条件に耐えうるものであれば、その材質としては、例えば石英ガラス、ステンレス等の金属類、セラミックス、ガラス等が挙げられる。
【００２３】
また分離装置３における分離方法は、バッチ式、固定床型、流動層型、連続型等、任意のものを使用できる。そして分離装置３においては、フラーレン生成装置１より導入する気流に、不活性ガスを更に添加する場合がある。その際には、分離装置に不活性ガスの流入口及び排出口を設けておき、連続的または間欠的に不活性ガスを流入及び排出させればよい。また分離装置３に流入させる不活性ガスの温度を調整して、分離装置３内の温度を所定の温度に上昇または降下させても良い。
この分離装置３にて、フラーレンと多環状芳香族化合物とを同時に、気体状態で分離しても良いが、この分離装置３の前に、分離装置３と同様な、多環状芳香族化合物を分離するための分離装置を設けても良い。この際、多環状芳香族化合物とフラーレンとは別個に、気体状態で分離可能となる。
【００２４】
分離装置３を通過したフラーレンは、Ｃ₆₀やＣ₇₀、およびこれ以上の分子量を有する高次フラーレンを含む、いわゆる「粗なフラーレン」である。これを更にフラーレン分子量に応じて生成するには、これらの昇華温度の差を利用すればよい。Ｃ₆₀やＣ₇₀などのフラーレンは昇華温度が異なるため、それぞれが気体状態から固体状態となる温度の位置にそれぞれ分離領域（図示せず）を設置することでＣ₆₀とＣ₇₀を分離捕集することが可能である。このような、分子量に応じてフラーレンを分離する分離領域は析出装置５内に設けるのが好ましい。分離領域としては、先述の分離装置３と同様なフィルターや、析出領域５内の温度を段階的に下げ、各フラーレンが析出装置５の内壁面等に順次析出させてもよい。
最終的にはフラーレンの昇華温度以下の温度になる位置にフィルター等を設置することで、フラーレンを捕集することができる。
【００２５】
続いて、本発明のフラーレンの製造方法について述べる。
工程（１）
本発明の工程（１）においては、フラーレンを含む煤状物質含有気流を得る。
この際、フラーレンは原料となる炭化水素（原料炭化水素）を不完全燃焼させる燃焼法、または高熱下に原料炭化水素を分解させる熱分解法によって製造する。
よってフラーレン製造の際には、多環状芳香族化合物や炭素系高分子成分も同時に生ずるので、この煤状物質含有気流は、フラーレン、多環状芳香族化合物、及び炭素系高分子成分を含有する煤状物質を含む気流（煤状物質含有気流）となる。
【００２６】
燃焼法はフラーレンの大量生産に向き、またフラーレン合成域における最高温度が１７００℃程度と他の方法と比べて比較的低温であり、またフラーレンが気相の状態で存在し、フラーレン以外の、特に煤状物質の多くを占める炭素系高分子成分が固体の状態で存在している温度領域が特定しやすく、フラーレンの分離を効率的に行えるので好ましい。
燃焼法によりフラーレンを製造する場合、圧力条件としては大気圧に対して減圧下で行うのが一般的であり、減圧度は適宜選択すればよい。具体的な圧力条件としては１３３０〜１３３００Ｐａ（１０〜１００Ｔｏｒｒ）が好ましく、更には３９９０〜６６５０Ｐａ（３０〜５０Ｔｏｒｒ）が好ましい。
温度条件としては、先述した圧力条件に応じて適宜選択すればよいが、中でも８００〜２５００℃が好ましく、更には１０００〜２０００℃、特に１２００〜１６００℃であることが好ましい。
【００２７】
フラーレンの原料となる炭化水素としては、ベンゼン、トルエン、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６〜２０の芳香族炭化水素が好適に用いられる。また、原料炭化水素としては、これらの芳香族炭化水素に併用してヘキサン、ヘプタン、オクタン等の脂肪族炭化水素を用いても良い。
【００２８】
燃焼法において用いる原料炭化水素は、同時に熱源としても作用する。即ちこの原料炭化水素は酸素と反応して発熱してフラーレンの生成が可能となる温度に上昇させるとともに、原料炭化水素が脱水素されることにより、フラーレン骨格を形成するための炭素ユニットを生成するものと考えられている。炭素ユニットは一定の圧力、温度条件で集合してフラーレン類を形成する。
【００２９】
また燃焼における燃料と空気の割合も適宜選択すればよいが、導入空気量が理論燃焼するために必要な燃料と投入する燃料の比は、通常、常温、常圧での体積比において１：２〜１：４、更には１：２〜１：２．５であることが好ましい。
燃焼法に於いて用いる酸素の使用量としては、原料炭化水素の種類によっても若干異なるが、例えば原料炭化水素としてトルエンを用いた場合には、トルエンに対して０．５〜９倍モルが好ましく、１〜５倍モルが更に好ましい。
燃焼法における反応系には、酸素以外に、フラーレンに対して不活性ガスを存在させていても良い。本発明において不活性ガスとは、フラーレン類と実質的に反応しない気体を意味する。不活性ガスの種類としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素及びこれらの混合物が挙げられる。
【００３０】
燃焼法により得られた煤状物質中には、フラーレン及び多環状芳香族炭化水素が含まれる。これら以外の残部は、通常、グラファイト構造を持つ炭素グラファイト構造を骨格として若干の水素原子を有する、高分子の炭化水素やカーボンブラック等（炭素系高分子成分）である。
工程（１）にて得られる煤状物質には、フラーレン類が５重量％以上含まれていることが好ましく、更には１０％以上、特に１５％以上含まれていることが特に好ましい。
また、本発明により製造されるフラーレン類は、フラーレン構造を有していれば炭素数に制限はないが、通常は炭素数６０〜８４のフラーレンであり、中でもＣ₆₀とＣ₇₀の割合が全フラーレン中において５０％以上であることが好ましく、更には７０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。
【００３１】
工程（１）で得られる煤状物質含有気流は、通常、速度が緩やかで、３００℃以上の温度を有するものである。この気流をそのまま次の工程（２）へ供しても良いし、例えば先述の不活性ガス流を供給して気流速度を上昇させ、工程（２）での効率を高めても良いし、又必要に応じてこの煤状物質含有気流を加熱しても良い。
この際、煤状物質含有気流の温度は、フラーレン及び多環状芳香族化合物、又は多環状芳香族化合物が気体で存在できる温度以上であればよく、具体的には４００℃以上であることが好ましい。また煤状物質含有気流の温度が高すぎるとフラーレン製造装置への負荷が大きく、温度上昇に見合う効果の増加が少なくなるので、２０００℃以下、中でも１５００℃以下であることが好ましい。
尚、本発明に於ける多環状芳香族化合物とは、少なくとも一つ以上の芳香環を有し、２環以上が縮合している芳香族化合物を示す。多環状芳香族化合物の具体例としては、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ペンゾピレン等が挙げられる。
【００３２】
（工程２）
工程（２）では、先述の工程（１）で得られた、フラーレン、多環状芳香族化合物及び炭素系高分子成分を含む煤状物質含有気流から、フラーレン及び多環状芳香族化合物、又は多環状芳香族化合物を気体状態で分離する。
分離の方式としては、以下の（工程２−１）、（工程２−２）が挙げられる。
（工程２−１）
まず、煤状物質含有気流から、気体状態で多環状芳香族化合物を分離する。次にフラーレンと炭素系高分子成分との混合物から、フラーレンを分離する方法。
（工程２−２）
まず気体状態のフラーレンと気体状態の多環状芳香族化合物を、炭素系高分子成分等の煤状物質に含まれる他の物質と分離し、次にフラーレンと多環状芳香族化合物との混合物から、フラーレンを分離する方法。
これらの工程について説明する。
【００３３】
（工程２−１）
この工程では、煤状物質含有気流から、気体状態で多環状芳香族化合物を分離する。この際の分離条件としては、多環状芳香族化合物が気体状態で存在できれば、任意の温度、圧力条件を適宜選択すればよく、経済性を考えて、最適な条件で実施すればよい。
一般的に圧力は１００〜２×１０⁵Ｐａが好ましく、更には１０００〜１．４×１０⁵Ｐａであること好ましい。常圧では装置が簡単になるメリットがあり、減圧下では分離条件温度が低くても多環状芳香族化合物が気体状態で存在するので分離が可能であり、経済的メリットがある。
【００３４】
また分離条件温度は、圧力にもよるが、好ましくは１００℃以上６００以下である。多環状芳香族化合物が気体状態で存在できる温度は、当然、圧力によって変化するので、分離条件温度は適宜選択すればよい。分離条件温度が常圧の場合には、更に２００℃以上６００℃以下が好ましく、特に３００℃以上５５０℃以下が好ましい。温度が低すぎると多環状芳香族炭化水素が固体として析出する場合があり、逆に温度が高すぎるとフラーレンも気体状態となるので多環状芳香族化合物とともに分離されてしまい、フラーレンの回収率が低下する場合がある。
【００３５】
多環状芳香族化合物の分離に際しては、工程（１）で得られた煤状物質含有気流をそのまま用いても良いが、先述のような不活性ガスを、更に添加しても良い。これら不活性ガスとフラーレンとの反応を避けるためには、分離装置内を実質的に不活性ガスにより置換し、不活性ガス流通下で多環状芳香族化合物の分離を行うことが好ましい。中でも分離装置内における気体中の酸素含有量を１０体積％以下とするのが好ましく、更には５体積％以下、特に１体積％とするのが好ましい。酸素含有量が多いとフラーレンの酸化物が生成する場合があり、フラーレンの収率が低下する場合がある。
【００３６】
多環状芳香族化合物の分離の際、不活性ガスの流通量としては、フラーレン及び多環状芳香族炭化水素を含む煤状物質１ｇに対して、工程（１）から持ち込まれる不活性ガス量との合計が、１〜１００００ｍｌ／ｍｉｎであることが好ましく、更には５〜５０００ｍｌ／ｍｉｎであることが好ましい。不活性ガスの流通は連続的であっても間欠的であってもよい。
分離装置で分離された多環状芳香族化合物は、気流に同伴されて、例えば析出装置にて温度が下げられることによって、固体の多環状芳香族化合物として回収すればよい。この析出装置は、分離装置と同一装置内に設けても、また別の装置として設けてもよい。この多環状芳香族化合物の回収は、バッチ式または連続式のいずれでもよい。析出した多環状芳香族化合物の回収は、そのまま固体として、又は溶媒に溶解して回収してもよい。
【００３７】
多環状芳香族化合物の析出、回収の方法は、従来公知の、気体状態物質を固化させて回収する技術を用いればよい。例えば、冷却した回転ドラムに気体状態の多環状芳香族化合物を含有するガスを接触させて多環状芳香族化合物を析出させ、間欠的もしくは連続的にスクレーパーで掻き取り回収する方法が挙げられる。また、回転ドラムをに付着した多環状芳香族炭化水素を有機溶媒により溶解し除去・回収してもよい。
また別の方法としては、気体状態の多環状芳香族化合物を、水又は有機溶媒のスプレーゾーンを通過させるか、又は気体状態の多環状芳香族化合を含むガスを、水又は有機溶媒中へ吹き込むことでガスを冷却し、多環状芳香族化合物を析出（あるいは有機溶媒に溶解させて）回収する方法が挙げられる。この際、水中に多環状芳香族化合物を析出させて回収した際には、さらに有機溶媒で多環状芳香族化合物を抽出すればよい。
【００３８】
工程（２−１）で多環状芳香族化合物を分離した後、フラーレンと炭素系高分子成分の混合物からフラーレンを分離する。
フラーレンと炭素系高分子成分とを分離する方法は特に制限はないが、例えばフラーレンと炭素系高分子成分を含む煤状混合物を抽出溶媒と混合して、フラーレンが溶解した抽出液を得る方法（工程２−１−１）と、参考例として、フラーレン及び炭素系高分子成分を含む煤状混合物を、不活性ガス等の存在下で加熱し、フラーレンを昇華分離する方法（工程２−１−２）が挙げられる。
【００３９】
（工程２−１−１）
フラーレンを溶解した抽出液を得る場合の抽出溶媒としては、好ましくは芳香族炭化水素を含む溶媒が用いられる。
芳香族炭化水素としては、分子内に少なくとも１つのベンゼン核を有する炭化水素化合物であり、具体的にはベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、ｎ−プロピルベンゼン、イソプロピルベンゼン、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン、１，２，３−トリメチルベンゼン、１，２，４−トリメチルベンゼン、１，３，５−トリメチルベンゼン、１，２，３，４−テトラメチルベンゼン、１，２，３，５−テトラメチルベンゼン、ジエチルベンゼン、シメン等のアルキルベンゼン類、１−メチルナフタレン等のアルキルナフタレン類、テトラリン等が挙げられる。
これらの内１，２，３−トリメチルベンゼン、１，２，４−トリメチルベンゼン及びテトラリンが好ましい。
【００４０】
抽出溶媒としては上述した芳香族炭化水素の他に、更に脂肪族炭化水素や塩素化炭化水素等の有機溶媒を、単独又はこれらのうち２種以上を任意の割合で用いてもよい。
脂肪族炭化水素としては、環式、非環式等、任意の脂肪族炭化水素が使用できる。環式脂肪族炭化水素の例としては、単環式、多環式のものが挙げられ、例えば単環式ではシクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタンなどが挙げられる。また単環式脂肪族炭化水素の誘導体であるメチルシクロペンタン、エチルシクロペンタン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、１，２−ジメチルシクロヘキサン、１，３−ジメチルシクロヘキサン、１，４−ジメチルシクロヘキサン、イソプロピルシクロヘキサン、ｎ−プロピルシクロヘキサン、ｔ−ブチルシクロヘキサン、ｎ−ブチルシクロヘキサン、イソブチルシクロヘキサン、１，２，４−トリメチルシクロヘキサン、１，３，５−トリメチルシクロヘキサン等も挙げられる。多環式としては、デカリンなどが挙げられる。
非環式脂肪族炭化水素の例としては、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、ｎ−オクタン、イソオクタン、ｎ−ノナン、ｎ−デカン、ｎ−ドデカン、ｎ−テトラデカンなどが挙げられる。
【００４１】
塩素化炭化水素としては、ジクロロメタン、クロロフォルム、四塩化炭素、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、１，２−ジクロロエタン、１，１，２，２−テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、１−クロロナフタレンなどが挙げられる。
その他、炭素数６以上のケトン、炭素数６以上のエステル類、炭素数６以上のエーテル類、二硫化炭素等を用いても良い。
【００４２】
抽出溶媒におけるフラーレンの溶解度が低すぎるとフラーレンの抽出効率が低下するので、フラーレンの溶解度としてはは５ｇ／リットル以上であることが好ましく、更には１０ｇ／リットル以上、特に１５ｇ／リットル以上であることが好ましい。また、工業的観点から、これらの抽出溶媒の中でも常温液体で沸点が１００〜３００℃、中でも１２０〜２５０℃のものが好適である。
【００４３】
抽出溶媒は、フラーレンを十分に抽出できるだけの量を用いる必要がある。通常、煤状混合物中のフラーレン含有量に対し、５〜４００重量倍量、経済性を考えると、４０〜２００重量倍量程度使用するのが好ましい。抽出は、バッチ式、セミ連続式、連続式、又はそれらの組み合わせ等、形式、装置は特に限定されない。
なお、煤状混合物には通常５〜３０重量％のフラーレンが含まれているが、抽出効率の観点から、フラーレンに対して用いる抽出溶媒の量を上述した範囲とするのが好ましいことから、抽出操作に先立って、煤状物質の一部を分析して、煤状物質中のフラーレン含有量を測定しておくのが好ましい。
【００４４】
抽出装置としては撹拌混合槽が好適に使用できる。抽出の際、容器内の圧力は特に制限はなく、常圧で実施すればよい。抽出時の温度としては通常−１０〜１５０℃であり、好ましくは５〜８０℃であり、更に好ましくは３０〜５０℃である。これら範囲であれば抽出効率向上の面から好ましいが、抽出効率は温度依存性が小さいのでエネルギーコスト的に常温程度で行うのが有利である。
抽出工程においては、更に必要に応じて、抽出液に超音波等を照射しながら抽出を行うと、抽出時間が短くなるので好ましい。
【００４５】
こうして得られた抽出液には、フラーレンが溶解しており、また、多環芳香族化合物は前の工程（工程（２−１））にて既に除去されているので、抽出液から用いた有機溶媒等を留去すること等により、高純度のフラーレンを得ることが出来る。
尚、フラーレンを抽出した後に残ったスラリーには、工業状有用な炭素系高分子成分が含まれている。よってこのスラリーから、未溶解物を濾別し、再利用することが可能である。濾別は、減圧濾過、加圧濾過、重力濾過、フィルター濾過、又はそれらの組み合わせ等、方法、装置は特に限定されないが、中でも加圧濾過が好ましい。
【００４６】
（工程２−１−２）
多環状芳香族化合物が分離された、フラーレンと炭素系高分子成分を含む煤状混合物は、多環状芳香族化合物を気体状態で分離した際の温度よりも、高温条件下に付すことにより、フラーレンを気体状態で煤状混合物から分離できる。一般的に、多環状芳香族化合物を分離した後、フラーレンは固体となっているので、煤状混合物を加熱することでフラーレンを昇華し分離できる。
【００４７】
昇華する際の条件は、常圧もしくは５０００Ｐａ程度の減圧下で実施する。常圧では装置が簡単になるメリットがあり、減圧下ではフラーレンの昇華温度が低くなるメリットがある。経済性を考えて、最適な条件で実施すればよい。窒素又はヘリウム等の不活性ガスを、煤状混合物１ｇに対し、前の工程から持ち込まれる不活性ガス量との合計が１〜１００００ｍｌ／ｍｉｎ程度、好ましくは５〜５０００ｍｌ／ｍｉｎ程度であることが好ましい。不活性ガスの流通は連続的であっても間欠的であってもよい。
【００４８】
置換が十分に実施されないと、フラーレンの酸化物が生成する場合がある。昇華を実施する際の不活性ガスは、予熱しても良いし、予熱しなくても良い。昇華に用いる装置は、バッチ式、固定床型、流動層型、連続型等特に限定はしない。
この工程では、煤状混合物又はこれを含む気流から、気体状態でフラーレンを分離する。この際の分離条件としては、フラーレンが気体状態で存在できれば、任意の温度、圧力条件を適宜選択すればよく、経済性を考えて、最適な条件で実施すればよい。
一般的に圧力は５０００Ｐａ程度の減圧下で行うのが好ましい。常圧では装置が簡単になるメリットがあり、減圧下では分離条件温度が低くてもフラーレンが気体状態で存在するので分離が可能であり、経済的メリットがある。
【００４９】
また分離条件温度は、圧力にもよるが、通常４００℃〜１４００℃、更には６００〜１２００℃、特に８００℃〜１１００℃であることが好ましい。フラーレンが気体状態で存在できる温度は、当然、圧力によって変化するので、分離条件温度は適宜選択すればよい。
温度が低すぎるとフラーレンが充分気体状態とならないので収率が低下する場合があり、逆に温度が高すぎると経済的に不利になるばかりか、僅かな酸素が存在している場合などは、この酸素がフラーレンと反応してしまい、酸化物となってしまい、フラーレンの収率が低下する場合がある。
【００５０】
（工程２−２）
次に、気体状態のフラーレンと、気体状態の多環状芳香族化合物を、炭素系高分子成分等の煤状物質に含まれる他の物質と分離し、次にフラーレンと多環状芳香族化合物との混合物から、フラーレンを分離する方法について説明する。
この工程（２−２）では、工程（１）で得られた、フラーレン、多環状芳香族化合物、及び炭素系高分子成分を含む煤状物質含有気流を、先述の工程（２−１−２）の条件下に付すことで、フラーレンと多環状芳香族化合物とを、この煤状物質含有気流から気体状態で分離することが出来る。この際の分離条件は、先述の工程（２−１−２）と同様である。
この様にして分離された、気体状態の、フラーレンと多環状芳香族化合物は、一般的にこれらを冷却して固体状又は液体状の混合物とする。ついで、例えば以下に示す工程（２−２−１）、工程（２−２−２）及び工程（２−２−３）の様な方法によって、フラーレンと多環状芳香族化合物とを分離すればよい。なお、工程（２−２−１）と工程（２−２−２）工程とは参考例である。
【００５１】
工程（２−２−１）
工程（２−２）を経て、気体状態で得られたフラーレン及び多環状芳香族化合物を、冷却してこれらの固体状又は液体状混合物とし、この混合物を加熱して多環状芳香族化合物を気体状態で分離する工程。
工程（２−２−２）
工程（２−２）を経て気体状態で得られたフラーレン及び多環状芳香族化合物を冷却し、多環状芳香族化合物を気体状態としたまま、フラーレンを固体として分離する工程。
工程（２−２−３）
工程（２−２）を経て、気体状態で得られたフラーレン及び多環状芳香族化合物を、冷却してこれらの固体状又は液体状混合物とし、この混合物から、フラーレンの溶解度が低く、且つ多環状芳香族化合物の溶解度の高い有機溶媒によって多環状芳香族化合物を抽出し、分離する工程。
これら各工程について説明する。
【００５２】
工程（２−２−１）
工程（２−２−１）においては、気体状態で得られたフラーレン及び多環状芳香族化合物（気体）を、冷却してこれらの固体状又は液体状混合物とする。そしてこの混合物を加熱し、フラーレンと多環状芳香族化合物を分離する。
この分離の条件としては、フラーレンと多環状芳香族化合物とを気体状態で分離できれば、任意の温度、圧力をとることができる。例えば先述の工程（２−１）における、煤状物質含有気流から気体状態で多環状芳香族化合物を分離する際と同様の温度、圧力条件下で、フラーレンと多環状芳香族化合物とを気体状態で分離すればよい。この際の温度、圧力条件は、経済性を考えて、最適な条件で実施すればよい。
中でも、先述の工程（２−１）における、煤状物質含有気流から気体状態で多環状芳香族化合物を分離する際と同様の温度、圧力条件における好ましい範囲とすることが、この工程（２−２−１）においても好ましい。
【００５３】
工程（２−２−２）
工程（２−２−２）においては、気体状態で得られたフラーレン及び多環状芳香族化合物（気体）を、多環状芳香族化合物だけが気体状態となるように、つまりフラーレンが固体状又は液体状となり、気体状態の多環状芳香族化合物と分離できる状態にまで冷却し、フラーレンと多環状芳香族化合物とを分離する。
この分離の条件としては、フラーレンが固体状又は液体状となり、且つ多環状芳香族化合物が気体状態で存在できれば、任意の温度、圧力をとることができる。例えば先述の工程（２−１）における、煤状物質含有気流から気体状態で多環状芳香族化合物を分離する際と同様の温度、圧力条件下で、フラーレンを固体状又は液体状として、多環状芳香族化合物を分離すればよい。この際の温度、圧力条件は、経済性を考えて、最適な条件で実施すればよい。
中でも、先述の工程（２−１）における、煤状物質含有気流から気体状態で多環状芳香族化合物を分離する際と同様の温度、圧力条件における好ましい範囲とすることが、この工程（２−２−２）においても好ましい。
【００５４】
工程（２−２−３）
この工程（２−２−３）では、フラーレン及び多環状芳香族化合物を含む固体状又は液体状混合物から、フラーレンの溶解度が低く、且つ多環状芳香族化合物の溶解度の高い有機溶媒を抽出溶媒として用い、多環状芳香族化合物を抽出する工程である。
この抽出溶媒、つまりフラーレン類の溶解度が低い溶媒（以下、貧溶媒と称することがある）の具体例としてはメタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリン等の炭素数１〜４のアルコール類；アセトン、メチルエチルケトン等の炭素数３〜５のケトン類；テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、ジオキサン等の炭素数２〜５のエーテル類；Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド等の炭素数３〜５のアミド類及びこれらを含む混合溶媒が挙げられる。これらの内、アルコール類が好ましく、なかでも炭素数３以下のものが好ましく、特に２−プロパノール（イソプロピルアルコール）が好ましい。
【００５５】
これら貧溶媒のフラーレンＣ₆₀の溶解度としては、１ｇ／リットル以下であることが好ましく、更には１００ｍｇ／リットル以下、特に５０ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。
貧溶媒は直接、先述の固体状又は液体状混合物と接触させても良いが、一般的には、この混合物を一旦、フラーレン及び多環状芳香族化合物の双方が高い溶解性を示す有機溶媒に溶解して溶液とし、これに貧溶媒を添加してフラーレンを析出させる。
【００５６】
この際の貧溶媒の使用量は、この溶液調整に用いた有機溶媒量に対し、０．１〜５０重量倍量、中でも１〜３０重量倍量程度であることが好ましい。貧溶媒の量が少ないと、フラーレンの析出量が少なくなり、回収できるフラーレンが減少する。多すぎると、これらの操作を行う容器容量が大きくなり、経済的にロスが発生する。
貧溶媒を混合する温度としては、通常、−２０〜１５０℃であり、中でも−１０〜１００℃、更には１０〜８０℃、特に３０〜６０℃であることが好ましい。
貧溶媒を混合することにより析出したフラーレンは、濾過等により回収すればよい。
一方、多環状芳香族炭化水素の殆どは析出せずに溶媒中に溶解しているので、フラーレン類を取り除いた後の溶液は、その溶媒を留去すること等により多環状芳香族化合物を固体として回収することが出来る。
【００５７】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を更に具体的に説明するが、本発明の要旨を超えない限り、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５８】
【実施例１】
トルエンを原料として燃焼法により得られた煤状物質３．８ｍｇを、熱重量測定装置（セイコー社製ＴＧ−ＤＴＡ６３００）を用い、乾燥窒素ガス１００ｃｃ／ｍｉｎ中で、室温より２０℃毎分にて１１５０℃まで加熱し、重量の変化を測定した。
得られた結果を図２に示す。
図２において、左縦軸は、重量３．８ｍｇに対する減量率を、右縦軸は原料率の変化率を、横軸は加熱温度を示す。
図２に示した、重量減少を示すグラフ、及び重量変化率を示すグラフから明らかな通り、温度が１００℃以上となると重量が徐々に減少し、４００℃付近から重量減少が加速されていることが判る。そして５００℃以上の高温領域に於いて煤状物質の重量が急激に減少する。これはフラーレンの昇華温度が４００〜８００℃である事を考慮すると、煤状物質中の多量のフラーレンが昇華することで、煤状物質の急激な重量減が生じたことが判る。
【００５９】
更に、四重極形質量分析装置（日本電子製オートマスＡＭ２−１５型）を用い、煤状物質を加熱した際に発生したガス成分の定性分析を以下の条件で行った。
結果を図３に示す。
測定法：ＥＩ法
ファーネス部温度：２９０℃
トランスファーチューブ温度：２８５℃
ＧＣオーブン温度：２８５℃
インターフェース温度：２８５℃
イオン化室温度：２６０℃
フォトマル電圧：４５０Ｖ
イオン化電圧：７０ｅＶ
イオン化電流：３００μＡ
マスレンジ：１０〜４００ａｍｕ
スキャンスピード：１０００ｍｓｅｃ
【００６０】
図３において、縦軸はイオンスペクトルの相対強度を、横軸は加熱温度を示す。図３より、煤状物質を加熱して発生したガス中には、ベンゼン（分子量７８）、トルエン（分子量９２）、キシレン（分子量１０６）等の芳香族化合物や、ナフタレン（分子量１２８）、アントラセン（分子量１７８）等の多環状芳香族化合物の存在を示すピークが、フラーレンの昇華温度より低い温度範囲に於いて確認された。これによって、ベンゼン等の芳香族化合物はもちろん、多環状芳香族化合物も気体状態で分離できることが判る。
以上の実施例により、燃焼法によって得られた、フラーレン、多環状芳香族化合物、及び炭素系高分子成分を含む煤状物質から、フラーレン及び多環状芳香族化合物、又は多環状芳香族化合物を気体状態で分離出来る。よってこのような煤状物質を含有する気流から、フラーレン及び多環状芳香族化合物、又は多環状芳香族化合物を、連続的に、気体状態で分離することが可能であり、そしてこの煤状物質を含む気流から、連続的にフラーレンを分離可能であることが判る。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、フラーレンの製造、フラーレンと他の煤成分の分離を１つの装置内で連続的に行うことができ、且つ大量のフラーレンを連続的に生産することが可能となる。
次世代を担う新材料、新素材として多方面から注目されているフラーレンを工業的規模で製造した場合、同時に大量の生成される煤状物質とフラーレンを効率良く分離、回収することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】フラーレン合成分離装置の一例の全体概略断面図。
【図２】煤状物質を加熱した際の重量減少を示した図。
【図３】煤状物質を加熱した際に発生したガスの定性分析結果を示す図。
【符号の説明】
１：フラーレン生成装置
２：バーナー
３：分離装置
４：減圧装置
５：析出装置
６：回収装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a new carbon material, fullerene, especially C₆₀, C₇₀, C₇₆, C₇₈, C₈₂, C₈₄Of fullerene having the molecular structure ofProduction methodAbout.
[0002]
[Prior art]
In 1990, a new type of molecular carbon material called a closed-shell carbon cluster (spherical macromolecule) having 60, 70, 84 carbon atoms, etc. was synthesized and attracted attention. The carbon cluster having this special molecular structure is also called fullerene, and the fullerene C depends on the number of carbons constituting the molecular skeleton.₆₀, The same C₇₀, The same C₈₄Etc. (simply called C₆₀, C₇₀ _{, C} ₈₄Etc.).
These fullerenes (hereinafter sometimes referred to simply as “fullerenes”) are new carbon materials and are expected to exhibit unique physical properties from their special molecular structure. Is actively promoted. Fullerenes are expected to be used in fields such as diamond coating, battery materials, paints, heat insulating materials, lubricants, pharmaceuticals, and cosmetics. Specifically, for example, innovative application development is rapidly being developed in the following fields (1) to (4).
[0003]
(1) Application to carbide materials:
By using fullerene as a precursor, it is possible to purify artificial diamond having fine crystal particles, so that it is expected to be used as a wear-resistant material with added value.
(2) Application to pharmaceuticals:
C₆₀By using derivatives and the like, research is being conducted for uses such as anticancer agents, AIDS, osteoporosis, Alzheimer's therapeutic agents, contrast agents, and stent materials.
(3) Application to superconducting materials:
It has been discovered that when a fullerene thin film is doped with metallic potassium, a superconducting material having a high transition temperature of 18K can be produced.
(4) Application to semiconductor manufacturing:
C on photosensitive resin (resist)₆₀Utilizing the fact that the resist structure is further strengthened by mixing, is expected to be applied to next-generation semiconductor manufacturing.
[0004]
The production method of fullerene includes (1) a method in which an electrode made of a carbonaceous material such as graphite is used as a raw material, and an arc discharge is generated between the electrodes to evaporate the raw material (arc discharge method), and (2) a carbonaceous raw material. (3) A method of evaporating a carbonaceous material by laser irradiation with a high energy density (laser evaporation method), and (4) An organic substance such as benzene. A method of incomplete combustion (combustion method) is known.
[0005]
However, in any current production method, the target single fullerene or beneficial C₆₀~ C₈₄Cannot produce only fullerene such as C₆₀And C₇₀This produces a mixture of a plurality of fullerenes mainly composed of the above and a large number of other carbon compounds (this combustion product may be referred to as “a soot-like substance”). Since the content of fullerene in the soot-like substance is about 10 to 30% even in the arc discharge method, which is said to be efficient, it is necessary to separate fullerene from the soot-like substance in order to obtain high-purity fullerene.
[0006]
For example, a solvent extraction method is known as a method for separating fullerene from a soot-like substance. This is because fullerene dissolves in organic solvents such as benzene, toluene, carbon disulfide, etc., whereas the so-called “soot” carbon-based polymer component, which accounts for many other soot-like substances, is similar to graphite and amorphous carbon. This method utilizes the property that it is difficult to dissolve in an organic solvent.
As another method for separating fullerene from a soot-like substance, a method (sublimation method) in which the soot-like substance is heated under high vacuum to sublimate fullerene is known. This sublimation method is, for example, a high temperature of 400 ° C. or higher, 0.133 Pa (10^-3Torr) is a special separation method that requires the following high vacuum conditions, and the solvent extraction method is widely used because it is easier to operate. Further, the fullerene obtained by extraction is mainly C.₆₀And C₇₀In order to separate a single fullerene from this solution, in addition to column chromatography separation, fractional recrystallization, and the like, a method of inclusion of fullerene is applied.
[0007]
Other methods for separating fullerenes from soot-like substances include C₆₀Obtained by extracting the cocoon-containing material with an organic solvent, mainly C₆₀After the contact solution is treated with activated carbon, the organic solvent is separated and removed from the obtained treatment liquid, thereby removing C.₆₀There is a method of purifying (see, for example, Patent Document 1).
As a fullerene separation and purification apparatus, a small amount and batch type separation and purification apparatus including a heating vessel, a trap, and a decompression apparatus are known. Specifically, a heating container for heating and sublimating the fullerene, a trap connected to the heating container for depositing the sublimated fullerene, and a vacuum for suctioning the heating container and the inside of the trap. A decompression device is provided at least, and a heating container, a trap, and a decompression device are arranged in this order (for example, refer to Patent Document 2).
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-85711
[Patent Document 2]
JP-A-9-227111
[Patent Document 3]
US Pat. No. 5,273,729
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, these separation and purification methods are all batch-type, and are purification techniques for a small amount of rod-like substances. Therefore, it is not suitable for production of fullerene on an industrial scale where a large amount of soot-like material is to be purified.
In addition, the soot-like substance contains a large amount of carbon-based polymer components that are currently industrially valuable soot, as represented by carbon black. Therefore, in order to effectively use these carbon-based polymer components from a large amount of soot-like substances, development of a fullerene production apparatus and production method that can separate carbon-based polymer components and fullerenes as efficiently as possible It was desired.
[0010]
Also in the fullerene production method, a polycyclic aromatic compound produced together with fullerene has been a problem. Specifically, for example, when fullerene is produced by a method (combustion method) in which organic substances such as toluene are incompletely burned under controlled temperature and pressure conditions,₆₀And C₇₀It is known that 10% to 5% by weight of a polycyclic aromatic compound is contained in this rod-shaped material (for example, for example, (See Patent Document 3).
[0011]
As represented by benzopyrene, this polycyclic aromatic compound is similar to fullerenes with a small proportion of hydrogen atoms in the composition of aromatic compounds. Therefore, when it is mixed in fullerenes, there is a possibility that the reactivity of fullerene may be inhibited or the intrinsic properties of fullerene may be affected. In general, these polycyclic aromatic compounds are toxic substances and need to be reduced as much as possible from the viewpoint of safety.
[0012]
However, comparing the solubility of fullerenes and polycyclic aromatic compounds in a solvent, the solubility of polycyclic aromatic compounds is generally 10 times or more higher. Therefore, when the soot-like substance is extracted with a solvent, it is difficult to selectively extract only fullerenes, and the polycyclic aromatic compound in the soot-like substance is almost simultaneously extracted into the extract. Therefore, in order to obtain fullerene as a solid from this extract, for example, the extract is concentrated and dried, or the solid content precipitated by concentrating the extract is filtered and dried to obtain a solid (mainly containing fullerene). Even so, there is a problem that this solid usually contains about 0.01 to 10% of a polycyclic aromatic compound.
The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and in the case of mass production of fullerene, fullerene is efficiently separated and recovered from a large amount of soot-like material produced.Production methodThe purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Generally, large quantities in rod-like materialsInIt is known that the existing carbon-based polymer component does not easily change to a gas state once it becomes a solid, whereas fullerene changes to a gas state in a temperature range of 400 ° C. or higher.
[0014]
The present inventors paid attention to the fact that the sublimation temperature of fullerene is a relatively low temperature of 400 ° C. or higher. In a specific fullerene production method, specifically, a combustion method or pyrolysis method using a carbonaceous raw material, a soot-like substance is obtained in a state of floating in an air stream, that is, a soot-containing substance-containing air stream. In general, it was considered that fullerenes exist in a gaseous state because of a certain high temperature, and that the carbon-based polymer component is in a solid state.
[0015]
As a result of intensive studies by the present inventors, soot-containing carbon obtained by such a specific method is a so-called soot carbon that is produced in large quantities in the fullerene production process without using an organic solvent. The present inventors have found that fullerene can be separated in a gaseous state from a rod-like substance containing a polymer component.
Furthermore, the inventors have also found that a very harmful polycyclic aromatic compound contained in this rod-like substance can be separated in a gaseous state. That is, since the sublimation temperature of this polycyclic aromatic compound is lower than that of fullerene, a rod-like substance containing fullerene, polycyclic aromatic compound, and carbon-based polymer component obtained by combustion method or thermal decomposition method First, the contained air stream is heated to a temperature at which the polycyclic aromatic compound sublimes to separate the polycyclic aromatic compound in a gaseous state, and then the fullerene is separated in the gaseous state by further heating the gas-containing substance-containing air stream. We found out what we can do and completed the present invention.
[0016]
[0017]
Summary of the present inventionExists in a method for producing fullerene having the following steps (1) and (2).
Step (1): Fullerene, polycyclic aromatic compound fullerene, polycyclic aromatic hydrocarbon, and carbon-based polymer component are contained by incomplete combustion of the hydrocarbon raw material or by pyrolyzing the hydrocarbon raw material A step of generating a gas-containing substance-containing air flow.
Step (2): Fullerene from the gas-containing substance-containing air flow containing the fullerene, polycyclic aromatic compound, and carbon-based polymer component obtained in Step (1)as well asPolycyclic aromatic compoundsOr a polycyclic aromatic compoundSeparating gas in a gaseous state.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, a fullerene production apparatus will be described.
[0019]
Figure 1 shows the case where the combustion method is used in the fullerene generatorofFIG.
thisThe fullerene production apparatus includes a fullerene generator 1 and a separator 3 that separates fullerene and other components, specifically, a polycyclic aromatic compound and a carbon-based polymer component. Preferably, it further includes a precipitation device 5 for precipitating fullerene and a decompression device 4.
When a combustion method is used for fullerene production, the fullerene production device 1 is a production device 1 that is filled with an inert gas such as helium and whose internal pressure is reduced to atmospheric pressure, preferably close to vacuum. is there. Fullerene raw material hydrocarbons such as benzene introduced from an introduction pipe (not shown) on the side of the apparatus are introduced into the fullerene generator 1 together with oxygen. Further, the fullerene generator 1 includes at least a burner 2 for causing incomplete combustion of the raw material hydrocarbon. With such a structure, it is possible to continuously produce an air flow containing a soot-like substance containing fullerene. In the present invention, a fullerene can be produced continuously and in large quantities by separating the fullerene in a gaseous state from the gas-containing substance-containing air stream.
[0020]
A fullerene separator 3 is installed inside or downstream of the fullerene generator 1. In order to produce fullerenes and to separate fullerenes in a gas state, it is generally preferable that the fullerene production apparatus 1 and the separation apparatus 3 are in a reduced pressure state. Therefore, the fullerene production apparatus 1 and the separation apparatus 3 It is preferable to include a pressure reducing device 4 for reducing the internal pressure of the pressure reducing device.thisIn the fullerene production apparatus, the soot-containing substance-containing airflow containing fullerene flows from the fullerene production apparatus to the separation apparatus 3 and the precipitation apparatus 5. In general, since the flow of this airflow is gentle, fullerene is obtained efficiently. In addition, it is preferable to dispose the decompression device 4 subsequent to the precipitation device 5 to efficiently flow the air flow.
[0021]
As the separation means constituting the separation device 3, those having a conventionally known filter action can be used. Usually, since fullerene is generated under high temperature conditions, a separation device provided next to such fullerene generator 1.3A heat resistant filter is used as the filter used in the above. The heat-resistant filter is installed for the purpose of capturing the soot component that exists as a solid at a temperature of 400 ° C. or higher, and it is important that the fullerene is installed in a temperature region where it sublimates and exists in a gaseous state. Examples of such a filter include a sintered metal filter manufactured by Nihon Pall and a sintered metal filter manufactured by Fuji Filter. The size of the filter openings may be appropriately selected and determined according to the combustion conditions for generating fullerenes and the properties of the soot-like substance.
Since the sublimation temperature of fullerene also changes depending on the degree of vacuum, it is important to install the filter at a position where the fullerene can pass through most efficiently depending on the degree of vacuum in the container.
[0022]
Any material can be used for the heat-resistant filter as long as it can withstand a high temperature of 300 ° C. or higher, and ceramic, sintered metal, and the like are preferably used. Moreover, it is preferable to provide the collection | recovery means 6, such as the backwash apparatus from which the carbonaceous polymer component collected by this filter is discharged | emitted continuously. The carbon-based polymer component obtained at this stage can be effectively used as a colorant such as ink or paint, carbon black for tires, or fuel.
The material constituting the fullerene generator 1 and the separation device 3 may be a material such as quartz glass and stainless steel, ceramics, glass, etc., as long as it can withstand the above-described temperature and pressure conditions. It is done.
[0023]
Moreover, the separation method in the separation apparatus 3 can use arbitrary things, such as a batch type, a fixed bed type | mold, a fluidized bed type | mold, and a continuous type. In the separation device 3, an inert gas may be further added to the airflow introduced from the fullerene generator 1. In that case, an inert gas inlet and outlet may be provided in the separation device, and the inert gas may be allowed to flow in and out continuously or intermittently. Further, the temperature of the inert gas flowing into the separation device 3 may be adjusted to increase or decrease the temperature in the separation device 3 to a predetermined temperature.
In this separation device 3, fullerenes and polycyclic aromatic compounds may be separated at the same time in a gaseous state, but before this separation device 3, the same polycyclic aromatic compounds as in the separation device 3 are separated. A separation device may be provided. At this time, the polycyclic aromatic compound and the fullerene can be separated in a gas state separately.
[0024]
The fullerene that has passed through the separator 3 is C₆₀Or C₇₀, And higher order fullerenes having a molecular weight higher than that, so-called “coarse fullerenes”. In order to generate this further according to the fullerene molecular weight, the difference between these sublimation temperatures may be utilized. C₆₀Or C₇₀Since the sublimation temperatures of the fullerenes are different from each other, each separation region (not shown) is installed at a temperature position where the gas transitions from a gas state to a solid state.₆₀And C₇₀Can be separated and collected. Such a separation region for separating fullerene according to the molecular weight is preferably provided in the precipitation apparatus 5. As the separation region, the same filter as the separation device 3 described above, or the temperature in the precipitation region 5 may be lowered stepwise so that each fullerene is sequentially deposited on the inner wall surface of the precipitation device 5 or the like.
The fullerene can be collected by installing a filter or the like at a position where the temperature is finally lower than the sublimation temperature of the fullerene.
[0025]
Next, the method for producing fullerene of the present invention will be described.
Process (1)
In step (1) of the present invention, a soot-like substance-containing air stream containing fullerene is obtained.
In this case, fullerene is produced by a combustion method in which hydrocarbon (raw material hydrocarbon) as a raw material is incompletely burned or a thermal decomposition method in which raw material hydrocarbon is decomposed under high heat.
Therefore, when fullerene is produced, a polycyclic aromatic compound and a carbon-based polymer component are also generated at the same time. Therefore, this soot-containing gas stream contains a fullerene, a polycyclic aromatic compound, and a carbon-based polymer component. It becomes an air flow (steam-like material-containing air flow) containing a particulate material.
[0026]
The combustion method is suitable for mass production of fullerenes, and the maximum temperature in the fullerene synthesis region is about 1700 ° C., which is relatively low compared to other methods. In addition, fullerenes exist in a gas phase, and other than fullerenes, This is preferable because it is easy to specify the temperature region in which the carbon-based polymer component occupying most of the soot-like substance exists in a solid state, and the fullerene can be separated efficiently.
When producing fullerene by a combustion method, the pressure condition is generally performed under reduced pressure with respect to atmospheric pressure, and the degree of reduced pressure may be selected as appropriate. Specific pressure conditions are preferably 1330 to 13300 Pa (10 to 100 Torr), and more preferably 3990 to 6650 Pa (30 to 50 Torr).
The temperature condition may be appropriately selected according to the pressure condition described above, but 800 to 2500 ° C is preferable, more preferably 1000 to 2000 ° C, and particularly preferably 1200 to 1600 ° C.
[0027]
As the hydrocarbon used as the raw material for fullerene, aromatic hydrocarbons having 6 to 20 carbon atoms such as benzene, toluene, xylene, naphthalene, methylnaphthalene, anthracene, and phenanthrene are preferably used. Further, as the raw material hydrocarbon, aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, and octane may be used in combination with these aromatic hydrocarbons.
[0028]
The raw material hydrocarbon used in the combustion method also acts as a heat source at the same time. That is, this raw material hydrocarbon reacts with oxygen and generates heat to raise the temperature at which fullerene can be generated, and the raw material hydrocarbon is dehydrogenated to generate a carbon unit for forming a fullerene skeleton. It is considered a thing. Carbon units aggregate under a certain pressure and temperature condition to form fullerenes.
[0029]
The ratio of fuel to air in the combustion may be selected as appropriate, but the ratio of the fuel required for theoretical combustion of the introduced air and the fuel to be charged is usually 1: 2 in the volume ratio at normal temperature and normal pressure. ˜1: 4, more preferably 1: 2 to 1: 2.5.
The amount of oxygen used in the combustion method varies slightly depending on the type of raw material hydrocarbon. For example, when toluene is used as the raw material hydrocarbon, it is preferably 0.5 to 9 times the mole of toluene. 1 to 5 moles is more preferable.
In the reaction system in the combustion method, in addition to oxygen, an inert gas may be present with respect to fullerene. In the present invention, the inert gas means a gas that does not substantially react with fullerenes. Examples of the inert gas include helium, neon, argon, nitrogen, and mixtures thereof.
[0030]
The soot-like substance obtained by the combustion method contains fullerene and polycyclic aromatic hydrocarbons. The remainder other than these is usually a polymer hydrocarbon, carbon black or the like (carbon polymer component) having a carbon graphite structure having a graphite structure and a few hydrogen atoms as a skeleton.
The soot-like substance obtained in step (1) preferably contains 5% by weight or more of fullerenes, more preferably 10% or more, and particularly preferably 15% or more.
In addition, the fullerenes produced according to the present invention are not limited in the number of carbons as long as they have a fullerene structure, but are usually fullerenes having 60 to 84 carbon atoms.₆₀And C₇₀Is preferably 50% or more in all fullerenes, more preferably 70% or more, and particularly preferably 80% or more.
[0031]
The gas-containing substance-containing airflow obtained in the step (1) usually has a slow speed and a temperature of 300 ° C. or higher. This air flow may be used as it is for the next step (2), or for example, the above-described inert gas flow may be supplied to increase the air flow velocity to increase the efficiency in step (2), or necessary. The soot-containing airflow may be heated according to the above.
At this time, the temperature of the soot-containing airflow isas well asPolycyclic aromatic compoundsOr polycyclic Aromatic compoundsIt is sufficient that the temperature is higher than the temperature at which the gas can exist in a gas, and specifically, it is preferably 400 ° C. or higher. Moreover, since the load to a fullerene manufacturing apparatus will be large and the increase in the effect corresponding to a temperature rise will decrease when the temperature of a soot-like substance containing airflow is too high, it is preferable that it is 2000 degrees C or less, especially 1500 degrees C or less.
In addition, the polycyclic aromatic compound in this invention shows the aromatic compound which has at least 1 or more aromatic rings and 2 or more rings are condensed. Specific examples of the polycyclic aromatic compound include naphthalene, anthracene, phenanthrene, benzopyrene and the like.
[0032]
(Process 2)
In the step (2), the fullerene is obtained from the gas-containing substance-containing air flow containing the fullerene, the polycyclic aromatic compound and the carbon-based polymer component obtained in the step (1).as well asPolycyclic aromatic compoundsOr a polycyclic aromatic compoundAre separated in the gaseous state.
Examples of the separation method include the following (Step 2-1) and (Step 2-2).
(Step 2-1)
First, a polycyclic aromatic compound is separated in a gaseous state from a gas-like substance-containing air stream. Next, a method for separating fullerene from a mixture of fullerene and a carbon-based polymer component.
(Process 2-2)
First, the gas state fullerene and the gas state polycyclic aromatic compound are separated from other substances contained in the rod-shaped substance such as the carbon-based polymer component, and then, from the mixture of the fullerene and the polycyclic aromatic compound, A method of separating fullerenes.
These steps will be described.
[0033]
(Step 2-1)
In this step, the polycyclic aromatic compound is separated in a gaseous state from the gas-like substance-containing air stream. As a separation condition at this time, as long as the polycyclic aromatic compound can exist in a gaseous state, any temperature and pressure conditions may be appropriately selected, and the process may be performed under optimum conditions in consideration of economy.
Generally the pressure is 100-2x10^FivePa is preferable, and more preferably 1000 to 1.4 × 10.^FivePa is preferable. At normal pressure, there is an advantage that the apparatus is simple, and under reduced pressure, the polycyclic aromatic compound exists in a gaseous state even if the separation condition temperature is low, so that separation is possible and there is an economic advantage.
[0034]
Moreover, although it depends on the pressure, the separation condition temperature is preferably 100 ° C. or more and 600 or less. Since the temperature at which the polycyclic aromatic compound can exist in a gaseous state naturally varies depending on the pressure, the separation condition temperature may be appropriately selected. When the separation condition temperature is normal pressure, 200 ° C. or higher and 600 ° C. or lower is more preferable, and 300 ° C. or higher and 550 ° C. or lower is particularly preferable. If the temperature is too low, polycyclic aromatic hydrocarbons may be precipitated as solids. Conversely, if the temperature is too high, fullerenes are also in a gaseous state, so they are separated together with the polycyclic aromatic compounds, resulting in a fullerene recovery rate. May decrease.
[0035]
When separating the polycyclic aromatic compound, the soot-containing substance-containing air flow obtained in the step (1) may be used as it is, but an inert gas as described above may be further added. In order to avoid the reaction between the inert gas and fullerene, it is preferable to substantially replace the inside of the separation apparatus with an inert gas and perform separation of the polycyclic aromatic compound under an inert gas flow. In particular, the oxygen content in the gas in the separation apparatus is preferably 10% by volume or less, more preferably 5% by volume or less, and particularly preferably 1% by volume. When the oxygen content is high, an oxide of fullerene may be generated, and the yield of fullerene may be reduced.
[0036]
Of polycyclic aromatic compoundsWhen separatingAs the circulation amount of the inert gas, the total amount of the inert gas introduced from the step (1) is 1 to 10000 ml / min with respect to 1 g of the soot-like substance containing fullerene and polycyclic aromatic hydrocarbon. It is preferable to be 5 to 5000 ml / min. The flow of the inert gas may be continuous or intermittent.
The polycyclic aromatic compound separated by the separation device may be recovered as a solid polycyclic aromatic compound by being entrained in an air stream and, for example, the temperature is lowered by a precipitation device. This deposition apparatus may be provided in the same apparatus as the separation apparatus or may be provided as a separate apparatus. The polycyclic aromatic compound may be collected either batchwise or continuously. The precipitated polycyclic aromatic compound may be recovered as it is as a solid or dissolved in a solvent.
[0037]
As a method for depositing and collecting the polycyclic aromatic compound, a conventionally known technique for solidifying and collecting the gaseous substance may be used. For example, there is a method in which a gas containing a polycyclic aromatic compound in a gaseous state is brought into contact with a cooled rotating drum to deposit the polycyclic aromatic compound and scraped and collected intermittently or continuously with a scraper. Further, the polycyclic aromatic hydrocarbon adhering to the rotating drum may be removed and recovered by dissolving in an organic solvent.
Alternatively, the gaseous polycyclic aromatic compound is passed through a water or organic solvent spray zone, or a gas containing a gaseous polycyclic aromatic compound is blown into the water or organic solvent. Thus, there is a method in which the gas is cooled and the polycyclic aromatic compound is precipitated (or dissolved in an organic solvent) and recovered. At this time, when the polycyclic aromatic compound is precipitated and recovered in water, the polycyclic aromatic compound may be further extracted with an organic solvent.
[0038]
After separating the polycyclic aromatic compound in the step (2-1), the fullerene is separated from the mixture of fullerene and the carbon-based polymer component.
The method for separating the fullerene and the carbon-based polymer component is not particularly limited. For example, a method of obtaining an extract solution in which fullerene is dissolved by mixing a soot-like mixture containing fullerene and the carbon-based polymer component with an extraction solvent ( Step 2-1-1),As a reference example,A method (step 2-1-2) in which a soot-like mixture containing fullerene and a carbon-based polymer component is heated in the presence of an inert gas or the like to sublimate and separate fullerene.
[0039]
(Step 2-1-1)
As an extraction solvent for obtaining an extract solution in which fullerene is dissolved, a solvent containing an aromatic hydrocarbon is preferably used.
The aromatic hydrocarbon is a hydrocarbon compound having at least one benzene nucleus in the molecule, specifically, benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, n-propylbenzene, isopropylbenzene, n-butylbenzene, sec- Butylbenzene, tert-butylbenzene, 1,2,3-trimethylbenzene, 1,2,4-trimethylbenzene, 1,3,5-trimethylbenzene, 1,2,3,4-tetramethylbenzene, 1,2 Alkylbenzenes such as 1,3,5-tetramethylbenzene, diethylbenzene, and cymene, alkylnaphthalenes such as 1-methylnaphthalene, and tetralin.
Of these, 1,2,3-trimethylbenzene, 1,2,4-trimethylbenzene and tetralin are preferred.
[0040]
As the extraction solvent, in addition to the aromatic hydrocarbons described above, organic solvents such as aliphatic hydrocarbons and chlorinated hydrocarbons may be used alone or in combination of two or more of them in an arbitrary ratio.
As the aliphatic hydrocarbon, any aliphatic hydrocarbon such as cyclic or acyclic can be used. Examples of the cycloaliphatic hydrocarbon include monocyclic and polycyclic hydrocarbons, and examples of the monocyclic include cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane, and cyclooctane. In addition, derivatives of monocyclic aliphatic hydrocarbons such as methylcyclopentane, ethylcyclopentane, methylcyclohexane, ethylcyclohexane, 1,2-dimethylcyclohexane, 1,3-dimethylcyclohexane, 1,4-dimethylcyclohexane, isopropylcyclohexane, Examples also include n-propylcyclohexane, t-butylcyclohexane, n-butylcyclohexane, isobutylcyclohexane, 1,2,4-trimethylcyclohexane, 1,3,5-trimethylcyclohexane and the like. Examples of polycyclic include decalin.
Examples of acyclic aliphatic hydrocarbons include n-pentane, n-hexane, n-heptane, n-octane, isooctane, n-nonane, n-decane, n-dodecane, n-tetradecane and the like.
[0041]
Examples of the chlorinated hydrocarbon include dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, trichloroethylene, tetrachloroethylene, 1,2-dichloroethane, 1,1,2,2-tetrachloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, 1-chloronaphthalene and the like.
In addition, ketones having 6 or more carbon atoms, esters having 6 or more carbon atoms, ethers having 6 or more carbon atoms, carbon disulfide, or the like may be used.
[0042]
If the solubility of fullerene in the extraction solvent is too low, the extraction efficiency of fullerene is lowered. Therefore, the solubility of fullerene is preferably 5 g / liter or more, more preferably 10 g / liter or more, particularly 15 g / liter or more. Is preferred. Also, from an industrial viewpoint, among these extraction solvents, those having a normal temperature liquid and a boiling point of 100 to 300 ° C, particularly 120 to 250 ° C are preferable.
[0043]
As the extraction solvent, it is necessary to use an amount sufficient to sufficiently extract fullerene. In general, it is preferable to use about 40 to 200 times the amount of the fullerene content in the bowl-like mixture, considering the amount of 5 to 400 times the amount and economy. There are no particular limitations on the type and apparatus of extraction, such as batch, semi-continuous, continuous, or combinations thereof.
The soot-like mixture usually contains 5 to 30% by weight of fullerene. From the viewpoint of extraction efficiency, it is preferable that the amount of extraction solvent used for fullerene is within the above-mentioned range. Prior to the operation, it is preferable to analyze a part of the soot-like substance and measure the fullerene content in the soot-like substance.
[0044]
As the extraction device, a stirring and mixing tank can be suitably used. At the time of extraction, the pressure in the container is not particularly limited, and may be carried out at normal pressure. The temperature during extraction is usually −10 to 150 ° C., preferably 5 to 80 ° C., and more preferably 30 to 50 ° C. These ranges are preferable from the viewpoint of improving the extraction efficiency, but the extraction efficiency is less dependent on temperature, so that it is advantageous to perform at about room temperature in terms of energy cost.
In the extraction step, it is preferable to perform extraction while irradiating the extraction liquid with ultrasonic waves or the like as necessary because the extraction time is shortened.
[0045]
In the extract thus obtained, fullerene is dissolved, and the polycyclic aromatic compound has already been removed in the previous step (step (2-1)). A high-purity fullerene can be obtained by distilling off the solvent and the like.
The slurry remaining after the extraction of fullerene contains industrially useful carbon-based polymer components. Therefore, undissolved substances can be filtered off from this slurry and reused. For the filtration, there are no particular limitations on the method and apparatus such as vacuum filtration, pressure filtration, gravity filtration, filter filtration, or combinations thereof, but pressure filtration is particularly preferred.
[0046]
(Step 2-1-2)
A cage-like mixture containing fullerene and a carbon-based polymer component, from which a polycyclic aromatic compound has been separated, is subjected to a higher temperature condition than the temperature at which the polycyclic aromatic compound is separated in a gaseous state. Can be separated from the soot-like mixture in the gaseous state. Generally, after the polycyclic aromatic compound is separated, the fullerene becomes a solid, and thus the fullerene can be sublimated and separated by heating the soot-like mixture.
[0047]
The sublimation is performed under normal pressure or a reduced pressure of about 5000 Pa. At normal pressure, there is a merit that the device is simple, and under reduced pressure, there is a merit that the sublimation temperature of fullerene is lowered. In view of economic efficiency, it may be carried out under optimum conditions. The total amount of the inert gas such as nitrogen or helium with respect to 1 g of the soot-like mixture brought in from the previous step is about 1 to 10,000 ml / min, preferably about 5 to 5000 ml / min. preferable. The flow of the inert gas may be continuous or intermittent.
[0048]
If the substitution is not sufficiently performed, an oxide of fullerene may be formed. The inert gas for performing sublimation may be preheated or may not be preheated. The apparatus used for sublimation is not particularly limited, such as a batch type, a fixed bed type, a fluidized bed type, and a continuous type.
In this step, fullerene is separated in a gaseous state from the soot-like mixture or an air stream containing the mixture. As separation conditions in this case, as long as fullerenes can exist in a gaseous state, arbitrary temperature and pressure conditions may be selected as appropriate, and may be carried out under optimum conditions in consideration of economy.
In general, the pressure is preferably reduced under a reduced pressure of about 5000 Pa. At normal pressure, there is an advantage that the apparatus is simple, and under reduced pressure, even if the separation condition temperature is low, fullerene exists in a gaseous state, so that separation is possible and there is an economic advantage.
[0049]
Moreover, although it depends on the pressure, the separation condition temperature is usually 400 ° C. to 1400 ° C., more preferably 600 to 1200 ° C., and particularly preferably 800 ° C. to 1100 ° C. Since the temperature at which fullerene can exist in a gaseous state naturally changes depending on the pressure, the separation condition temperature may be appropriately selected.
If the temperature is too low, the fullerene may not be in a sufficiently gaseous state, so the yield may decrease. Conversely, if the temperature is too high, not only will it be economically disadvantageous, but if a small amount of oxygen is present, This oxygen may react with fullerene to form an oxide, which may reduce the yield of fullerene.
[0050]
(Process 2-2)
Next, the gas state fullerene and the gas state polycyclic aromatic compound are separated from other substances contained in the rod-shaped substance such as the carbon-based polymer component, and then the fullerene and the polycyclic aromatic compound are separated from each other. A method for separating fullerene from the mixture will be described.
In this step (2-2), the gas-containing substance-containing airflow containing the fullerene, the polycyclic aromatic compound, and the carbon-based polymer component obtained in the step (1) is converted into the step (2-1-2) described above. ), The fullerene and the polycyclic aromatic compound can be separated in a gaseous state from the air flow containing the rod-like substance. The separation conditions at this time are the same as in the above-described step (2-1-2).
The thus-separated fullerene and polycyclic aromatic compound in a gaseous state are generally cooled to form a solid or liquid mixture. Then, for example, by separating the fullerene and the polycyclic aromatic compound by a method such as the following step (2-2-1), step (2-2-2) and step (2-2-3), Good.In addition, a process (2-2-1) and a process (2-2-2) process are reference examples.
[0051]
Step (2-2-1)
Through the step (2-2), the fullerene and polycyclic aromatic compound obtained in the gaseous state are cooled to form a solid or liquid mixture thereof, and the mixture is heated to gasify the polycyclic aromatic compound. Separating in a state.
Step (2-2-2)
A step of cooling the fullerene and the polycyclic aromatic compound obtained in the gaseous state through the step (2-2) and separating the fullerene as a solid while keeping the polycyclic aromatic compound in a gaseous state.
Step (2-2-3)
Through the step (2-2), the fullerene and polycyclic aromatic compound obtained in the gaseous state are cooled to form a solid or liquid mixture thereof. From this mixture, the solubility of fullerene is low and the polycyclic compound is obtained. A step of extracting and separating the polycyclic aromatic compound with an organic solvent having high solubility of the aromatic compound.
Each of these steps will be described.
[0052]
Step (2-2-1)
In step (2-2-1), the fullerene and polycyclic aromatic compound (gas) obtained in the gaseous state are cooled to obtain a solid or liquid mixture thereof. And this mixture is heated and a fullerene and a polycyclic aromatic compound are isolate | separated.
As conditions for this separation, any temperature and pressure can be taken as long as fullerenes and polycyclic aromatic compounds can be separated in a gaseous state. For example, the fullerene and the polycyclic aromatic compound are in a gaseous state under the same temperature and pressure conditions as in the case of separating the polycyclic aromatic compound in a gaseous state from the gas-containing substance-containing air flow in the above-described step (2-1). You can separate them with The temperature and pressure conditions at this time may be performed under optimum conditions in consideration of economy.
Especially, it is set as this process (2-) to set it as the preferable range in the temperature and pressure conditions similar to the time of isolate | separating a polycyclic aromatic compound in a gaseous state from the rod-like substance containing airflow in the above-mentioned process (2-1). Also preferred in 2-1).
[0053]
Step (2-2-2)
In the step (2-2-2), the fullerene and the polycyclic aromatic compound (gas) obtained in the gaseous state are changed so that only the polycyclic aromatic compound is in the gaseous state, that is, the fullerene is solid or liquid. And cooled to a state where it can be separated from the gaseous polycyclic aromatic compound, and the fullerene and the polycyclic aromatic compound are separated.
As conditions for the separation, any temperature and pressure can be taken as long as the fullerene becomes solid or liquid and the polycyclic aromatic compound can exist in a gaseous state. For example, in the above-mentioned step (2-1), the fullerene is converted into a solid or liquid form under the same temperature and pressure conditions as when separating a polycyclic aromatic compound in a gaseous state from a gas-containing substance-containing air stream. What is necessary is just to isolate | separate an aromatic compound. The temperature and pressure conditions at this time may be performed under optimum conditions in consideration of economy.
Especially, it is set as this process (2-) to set it as the preferable range in the temperature and pressure conditions similar to the time of isolate | separating a polycyclic aromatic compound in a gaseous state from the rod-like substance containing airflow in the above-mentioned process (2-1). Also preferred in 2-2).
[0054]
Step (2-2-3)
In this step (2-2-3), an organic solvent having low solubility of fullerene and high solubility of polycyclic aromatic compound is used as an extraction solvent from a solid or liquid mixture containing fullerene and polycyclic aromatic compound. This is a step of extracting a polycyclic aromatic compound.
Specific examples of the extraction solvent, that is, a solvent having low solubility of fullerenes (hereinafter sometimes referred to as a poor solvent) include alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, and glycerin; acetone , Ketones having 3 to 5 carbon atoms such as methyl ethyl ketone; ethers having 2 to 5 carbon atoms such as tetrahydrofuran, diethyl ether and dioxane; amides having 3 to 5 carbon atoms such as N, N-dimethylformamide and the like A mixed solvent is mentioned. Among these, alcohols are preferable, and those having 3 or less carbon atoms are preferable, and 2-propanol (isopropyl alcohol) is particularly preferable.
[0055]
These poor solvent fullerenes C₆₀The solubility is preferably 1 g / liter or less, more preferably 100 mg / liter or less, and particularly preferably 50 mg / liter or less.
The poor solvent may be directly brought into contact with the above-mentioned solid or liquid mixture, but in general, this mixture is once dissolved in an organic solvent in which both fullerene and polycyclic aromatic compound exhibit high solubility. Then, a solution is made, and a poor solvent is added thereto to precipitate fullerene.
[0056]
The amount of the poor solvent used at this time is preferably about 0.1 to 50 times by weight, and more preferably about 1 to 30 times by weight with respect to the amount of the organic solvent used for the preparation of the solution. When the amount of the poor solvent is small, the amount of fullerene deposited decreases and the amount of fullerene that can be recovered decreases. If the amount is too large, the capacity of the container for performing these operations will increase, resulting in an economical loss.
The temperature at which the poor solvent is mixed is usually from -20 to 150 ° C, preferably from -10 to 100 ° C, more preferably from 10 to 80 ° C, particularly preferably from 30 to 60 ° C.
The fullerene precipitated by mixing the poor solvent may be recovered by filtration or the like.
On the other hand, since most of the polycyclic aromatic hydrocarbons are dissolved in the solvent without precipitating, the solution after removing the fullerenes is obtained by solidifying the polycyclic aromatic compound by evaporating the solvent. Can be recovered.
[0057]
【Example】
EXAMPLES The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist of the present invention.
[0058]
[Example 1]
Using a thermogravimetric apparatus (TG-DTA6300 manufactured by Seiko Co., Ltd.), 3.8 mg of a soot-like substance obtained by a combustion method using toluene as a raw material at 20 ° C./minute from room temperature in 100 cc / min of dry nitrogen gas It heated to 1150 degreeC and the change of the weight was measured.
The obtained results are shown in FIG.
In FIG. 2, the left vertical axis represents the weight loss rate with respect to the weight of 3.8 mg, the right vertical axis represents the rate of change of the raw material rate, and the horizontal axis represents the heating temperature.
As is apparent from the graph showing the weight reduction and the graph showing the rate of change in weight shown in FIG. 2, the weight gradually decreases when the temperature reaches 100 ° C. or higher, and the weight reduction is accelerated from around 400 ° C. I understand. Then, the weight of the rod-like substance is drastically reduced in a high temperature region of 500 ° C. or higher. In view of the fact that the sublimation temperature of fullerene is 400 to 800 ° C., it can be understood that a large amount of fullerene in the rod-like substance sublimates, resulting in rapid weight loss of the rod-like material.
[0059]
Furthermore, using a quadrupole mass spectrometer (JEOL Automass AM2-15 type), a qualitative analysis of gas components generated when the rod-shaped substance was heated was performed under the following conditions.
The results are shown in FIG.
Measurement method: EI method
Furnace temperature: 290 ° C
Transfer tube temperature: 285 ° C
GC oven temperature: 285 ° C
Interface temperature: 285 ° C
Ionization chamber temperature: 260 ° C
Photomultiplier voltage: 450V
Ionization voltage: 70 eV
Ionization current: 300 μA
Mass range: 10 to 400 amu
Scanning speed: 1000msec
[0060]
In FIG. 3, the vertical axis represents the relative intensity of the ion spectrum, and the horizontal axis represents the heating temperature. According to FIG. 3, in the gas generated by heating the rod-like substance, aromatic compounds such as benzene (molecular weight 78), toluene (molecular weight 92), xylene (molecular weight 106), naphthalene (molecular weight 128), anthracene ( A peak indicating the presence of a polycyclic aromatic compound having a molecular weight of 178) was confirmed in a temperature range lower than the sublimation temperature of fullerene. Thus, it can be seen that not only aromatic compounds such as benzene but also polycyclic aromatic compounds can be separated in a gaseous state.
From the above examples, the fullerene obtained from the soot-like substance containing the fullerene, the polycyclic aromatic compound, and the carbon-based polymer component obtained by the combustion method is obtained.as well asPolycyclic aromatic compoundsOr a polycyclic aromatic compoundCan be separated in a gaseous state. Therefore, fullerene from the air flow containing such a soot-like substanceas well asPolycyclic aromatic compoundsOr a polycyclic aromatic compoundCan be continuously separated in a gaseous state, and fullerene can be continuously separated from the air stream containing the soot-like substance.
[0061]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, fullerene production, separation of fullerene and other soot components can be performed continuously in one apparatus, and a large amount of fullerene can be continuously produced. .
When fullerene, which is attracting attention as a new material and a new material for the next generation, is manufactured on an industrial scale, a large amount of the soot-like substance and fullerene that are produced simultaneously can be efficiently separated and recovered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic cross-sectional view of an example of a fullerene synthesis / separation apparatus.
FIG. 2 is a diagram showing weight reduction when heating a rod-like substance.
FIG. 3 is a diagram showing a qualitative analysis result of a gas generated when a rod-like substance is heated.
[Explanation of symbols]
1: Fullerene generator
2: Burner
3: Separation device
4: Pressure reducing device
5: Deposition equipment
6: Recovery device

Claims

炭化水素原料を不完全燃焼させるか、又は炭化水素原料を熱分解することにより、フラーレン、多環状芳香族化合物、及び炭素系高分子成分を含む煤状物質含有気流を生成させる工程（１）と、前記工程（１）で得られた、フラーレン、多環状芳香族化合物、及び炭素系高分子成分を含む煤状物質含有気流から、炭素系高分子成分が連続的に排出される逆洗装置を備えた焼結金属フィルターからなる耐熱性フィルターを有する分離装置を用いて、多環状芳香族化合物を気体状態で分離する工程（２）とを有し、
前記工程（２）にて多環状芳香族化合物を分離し得られたフラーレン及び炭素系高分子成分を含む煤状物質から、溶媒によりフラーレンを抽出し分離する工程を有することを特徴とするフラーレンの製造方法。 A step (1) of generating a gas-like substance-containing air stream containing fullerene, a polycyclic aromatic compound, and a carbon-based polymer component by incompletely burning the hydrocarbon raw material or thermally decomposing the hydrocarbon raw material; A backwashing device in which carbon-based polymer components are continuously discharged from a gas-containing substance-containing airflow containing fullerenes, polycyclic aromatic compounds, and carbon-based polymer components obtained in the step (1). And (2) separating the polycyclic aromatic compound in a gaseous state using a separation device having a heat-resistant filter made of a sintered metal filter.
It has a step of extracting and separating fullerene with a solvent from a fullerene obtained by separating a polycyclic aromatic compound in the step (2) and a soot-like substance containing a carbon-based polymer component. Production method.

請求項１記載のフラーレンの製造方法において、前記分離装置で分離しようとする煤状物質含有気流の温度は３００℃以上５５０℃以下であることを特徴とするフラーレンの製造方法。2. The fullerene production method according to claim 1, wherein the temperature of the gas-containing substance-containing air stream to be separated by the separator is 300 ° C. or more and 550 ° C. or less.

炭化水素原料を不完全燃焼させるか、又は炭化水素原料を熱分解することにより、フラーレン、多環状芳香族化合物、及び炭素系高分子成分を含む煤状物質含有気流を生成させる工程（１）と、前記工程（１）で得られた、フラーレン、多環状芳香族化合物、及び炭素系高分子成分を含む煤状物質含有気流から、炭素系高分子成分が連続的に排出される逆洗装置を備えた焼結金属フィルターからなる耐熱性フィルターを有する分離装置を用いて、フラーレン及び多環状芳香族化合物を気体状態で分離する工程（２）とを有し、
前記工程（２）を経て気体状態で得られたフラーレン及び多環状芳香族化合物を、冷却してこれらの固体状又は液体状混合物とし、この混合物から、フラーレンの溶解度が低く、且つ多環状芳香族化合物の溶解度の高い有機溶媒によって多環状芳香族化合物を抽出し分離する工程を有することを特徴とするフラーレンの製造方法。 A step (1) of generating a gas-like substance-containing air stream containing fullerene, a polycyclic aromatic compound, and a carbon-based polymer component by incompletely burning the hydrocarbon raw material or thermally decomposing the hydrocarbon raw material; A backwashing device in which carbon-based polymer components are continuously discharged from a gas-containing substance-containing airflow containing fullerenes, polycyclic aromatic compounds, and carbon-based polymer components obtained in the step (1). And (2) separating the fullerene and the polycyclic aromatic compound in a gaseous state using a separation device having a heat-resistant filter made of a sintered metal filter.
The fullerene and the polycyclic aromatic compound obtained in the gaseous state through the step (2) are cooled to form a solid or liquid mixture thereof. From this mixture, the solubility of fullerene is low and the polycyclic aromatic compound is reduced. A method for producing fullerene, comprising a step of extracting and separating a polycyclic aromatic compound with an organic solvent having high solubility of the compound.

請求項３記載のフラーレンの製造方法において、前記分離装置で分離しようとする煤状物質含有気流の温度は６００℃以上１２００℃以下であることを特徴とするフラーレンの製造方法。4. The fullerene production method according to claim 3, wherein the temperature of the gas-containing substance-containing air stream to be separated by the separation device is 600 ° C. or more and 1200 ° C. or less.