RU2128624C1 - Method of producing high reactivity carbon mixture and device for its embodiment - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical technology; may be used in cleaning of water surfaces from any molecules containing carbon. SUBSTANCE: loaded into ceramic cylindrical reactor is mixture of graphite powder and acid (with weight ratio from 1:0.2 to 1:0.5). reactor body accommodates graphite ring and ring of refractory material located coaxially and tightly to body and to each other. Graphite rod is located inside body along its axis. Applied to graphite ring and rod is positive potential from a DC source, and negative potential is applied to refractory ring. Starting current is 90 A and working current is 25-35 A. Expansion ratio of finished product is in excess of 1000. Mixture possesses multipurpose effect, instantaneously adds any molecules containing carbon. The device is compact, simple in handling and may be installed directly in place of use of mixture. EFFECT: higher efficiency. 11 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к химической технологии получения легких материалов высокой реакционной способности, а именно к технологии получения углеродной смеси, обладающей высокой реакционной способностью - реакционной углеродной смеси. The invention relates to a chemical technology for producing light materials of high reactivity, and in particular to a technology for producing a carbon mixture having high reactivity - a reactive carbon mixture.

Известно, что атомы углерода в графите располагаются по вершинам шестиугольника в сетках гексагональной или ромбоэдрической решеток. Здесь атомы связаны прочной ковалентной связью. Гексагональные сетки смещены относительно друг друга и удерживаются малопрочными ван-дер-ваальсовскими силами. Набор углеродных сеток представляют собой кристаллиты. Относительно малая величина энергии связи между сетками и дефекты в их упаковках делает кристаллиты уязвимыми в отношении внедрения различных веществ с образованием слоистых соединений графита (Новиков Ю.Н., Вольпин М.Е. "Слоистые соединения графита со щелочными металлами", "Успехи химии", 1971, 40, N 9, с. 1568-1592). It is known that carbon atoms in graphite are located at the vertices of the hexagon in the networks of hexagonal or rhombohedral lattices. Here the atoms are bonded by a strong covalent bond. Hexagonal grids are offset from each other and held by low-strength Van der Waals forces. A set of carbon nets are crystallites. The relatively low value of the binding energy between the networks and the defects in their packaging makes crystallites vulnerable to the introduction of various substances with the formation of layered graphite compounds (Novikov Yu.N., Volpin ME, “Layered compounds of graphite with alkali metals”, “Advances in Chemistry” , 1971, 40, N 9, pp. 1568-1592).

Известны способы получения соединения внедрения серной кислоты с углеродом типа C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{n}}$ •H₂SO $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-}}{\text{4}}$ •mH₂SO₄ (Есин О.А., Гельд П.В. "Физическая химия пирометаллургических процессов", Москва, Металлургиздат, 1950, 250 с). Однако даже концентрированная серная кислота не способна самостоятельно внедряться в межобъемное пространство кристаллитов. Для инициирования этой реакции требуются сильные окислители. Ими могут быть HNO₃, K₂Cr₂O₇, K₂MnO₄, (NH₄)₂S₂O₈ и др.Known methods for producing compounds introducing sulfuric acid with carbon type C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{n}}$ • H ₂ SO $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-}}{\text{4}}$ • mH ₂ SO ₄ (Esin OA, Geld PV "Physical chemistry of pyrometallurgical processes", Moscow, Metallurgizdat, 1950, 250 s). However, even concentrated sulfuric acid is not able to independently penetrate into the intervolume space of crystallites. Strong oxidizing agents are required to initiate this reaction. They can be HNO ₃ , K ₂ Cr ₂ O ₇ , K ₂ MnO ₄ , (NH ₄ ) ₂ S ₂ O ₈ , etc.

Наиболее близким к предложенному способу получения углеродной смеси является способ, согласно которому смесь графитового порошка и кислоты обрабатывают путем пропускания через нее постоянного электрического тока (заявка WO N 96/33949, кл. C 01 B 31/04, 1996). Недостатком известного способа является необходимость дополнительных операций термообработки, отмывки продукта, невозможность его универсального использования. Closest to the proposed method for producing a carbon mixture is a method according to which a mixture of graphite powder and acid is treated by passing a constant electric current through it (application WO N 96/33949, class C 01 B 31/04, 1996). The disadvantage of this method is the need for additional operations of heat treatment, washing the product, the impossibility of its universal use.

Полученный известными способами расширенный графит обладает способностью загущения нефтяных масел (см. авторское свидетельство СССР N 896060, кл. C 10 M 5/02, 1982 г. ), обусловленной его особой структурой. Однако такой графит имеет невысокую реакционную способность, связанную с тем, что во вспученном графите, полученном известными способами, происходит расслаивание кристаллитов исходного графита на отдельные пакеты базисных плоскостей без разрушения гексагоналов, т. е. без разрыва связей, что является пределом расширения графита, т.к. процесс происходит в сильно анизотропных слоистых структурах, где межгексагональные связи значительно превышают межплоскостные. Такое расслаивание в известных способах является пределом расширения графита. Поэтому загущающие свойства такого графита невелики, что сужает область его применения: например, недостаточно эффективно применение такого графита для сбора нефти с поверхности водоема. The expanded graphite obtained by known methods has the ability to thicken petroleum oils (see USSR author's certificate N 896060, class C 10 M 5/02, 1982), due to its special structure. However, such graphite has a low reactivity due to the fact that in the expanded graphite obtained by known methods, the crystallites of the initial graphite are stratified into separate packages of basal planes without breaking the hexagons, i.e., without breaking bonds, which is the limit of graphite expansion, t .to. the process takes place in strongly anisotropic layered structures, where interhexagonal bonds significantly exceed interplanar ones. Such delamination in known methods is the limit of graphite expansion. Therefore, the thickening properties of such graphite are small, which narrows the scope of its application: for example, the use of such graphite for collecting oil from the surface of a reservoir is not effective enough.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для получения углеродной смеси, включающее реактор в виде электрически изолирующего цилиндрического корпуса с соосно расположенными в нем стержнем и прилегающим к корпусу кольцом, причем реактор снабжен источником постоянного тока и средствами для загрузки и выгрузки, описанными в патенте США N 4350576 (кл. C 25 B 1/00, 1/22, 1982). Closest to the claimed device is a device for producing a carbon mixture, comprising a reactor in the form of an electrically insulating cylindrical body with a coaxially arranged rod and an adjacent ring to the body, the reactor being provided with a direct current source and means for loading and unloading described in US Pat. 4350576 (class C 25 B 1/00, 1/22, 1982).

Недостатками известного устройства, наряду с вышеуказанными, является недостаточно высокая степень расширения графита, а следовательно, и недостаточная реакционная способность, а также периодичность его действия, снижающая производительность. The disadvantages of the known device, along with the above, is not a sufficiently high degree of expansion of graphite, and therefore, insufficient reactivity, as well as the frequency of its action, which reduces productivity.

Технической задачей изобретения является обеспечение возможности получения углеродной смеси с повышенной реакционной способностью (реакционной углеродной смеси), увеличение степени расширения графита, получение продукта, обладающего универсальным действием. An object of the invention is to provide the possibility of obtaining a carbon mixture with high reactivity (reactive carbon mixture), increasing the degree of expansion of graphite, obtaining a product with universal effect.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения углеродной смеси, включающем обработку смеси графитового порошка и кислоты путем пропускания через нее постоянного электрического тока, согласно изобретению, отношение массы графитового порошка к массе кислоты выбирают от 1:0,2 до 1: 0,5. Оптимальный режим обеспечивается при соотношении 1:0,3, пропускании пускового тока 90 А и рабочего тока 25-35 А. В качестве графитового порошка используют, как правило, природный чешуйчатый графит. The problem is achieved in that in a method for producing a carbon mixture comprising processing a mixture of graphite powder and acid by passing a direct electric current through it, according to the invention, the ratio of the mass of graphite powder to the mass of acid is selected from 1: 0.2 to 1: 0.5 . The optimum mode is ensured with a ratio of 1: 0.3, a starting current of 90 A and a working current of 25-35 A. The natural flake graphite is usually used as a graphite powder.

Поставленная задача достигается также устройством для получения углеродной смеси, включающим реактор в виде электрически изолирующего цилиндрического корпуса с соосно расположенными в нем стержнем и прилегающим к корпусу кольцом, причем реактор дополнительно снабжен источником постоянного тока и средствами для загрузки и выгрузки, в котором, согласно изобретению, реактор выполнен термостойким, кольцо и стержень - графитовыми, при этом реактор дополнительно снабжен кольцом из тугоплавкого материала, прилегающим к графитовому кольцу, положительный вывод источника тока электрически соединен с графитовым кольцом и стержнем, а отрицательный - с кольцом из тугоплавкого материала. The task is also achieved by a device for producing a carbon mixture, comprising a reactor in the form of an electrically insulating cylindrical body with a rod coaxially located in it and a ring adjacent to the body, the reactor being further provided with a direct current source and means for loading and unloading, in which, according to the invention, the reactor is heat-resistant, the ring and the rod are graphite, while the reactor is additionally equipped with a ring of refractory material adjacent to the graphite ring, the positive terminal of the current source is electrically connected to the graphite ring and the rod, and the negative is connected to the ring of refractory material.

В частном случае корпус выполнен керамическим. In the particular case, the body is made of ceramic.

В частном случае кольцо из тугоплавкого материала выполнено из молибдена, или вольфрама, или циркония. In a particular case, the ring of refractory material is made of molybdenum, or tungsten, or zirconium.

Для обеспечения непрерывной подачи исходных компонентов смеси в реактор устройство для получения углеродной смеси дополнительно содержит загрузочный бункер и механизм подачи смеси графитового порошка и кислоты из загрузочного бункера в реактор. To ensure a continuous supply of the initial components of the mixture to the reactor, the device for producing a carbon mixture further comprises a loading hopper and a mechanism for supplying a mixture of graphite powder and acid from the loading hopper to the reactor.

В частном случае механизм подачи смеси графитового порошка и кислоты из загрузочного бункера в реактор выполнен шнековым. In the particular case, the feed mechanism of the mixture of graphite powder and acid from the feed hopper into the reactor is made screw.

Для обеспечения удобства сбора готового продукта устройство для получения углеродной смеси дополнительно содержит сборник реакционной углеродной смеси, соединенной с полостью реактора. To ensure the convenience of collecting the finished product, the device for producing a carbon mixture further comprises a collection of the reaction carbon mixture connected to the reactor cavity.

Для обеспечения оптимального режима получения реакционной углеродной смеси источник тока выполнен в обеспечением пускового электрического тока, проходящего через смесь, загруженную в реактор, 90 А и рабочего тока 25-35 А. To ensure the optimal mode of obtaining the reaction carbon mixture, the current source is designed to provide starting electric current passing through the mixture loaded into the reactor, 90 A and operating current 25-35 A.

На чертеже изображено устройство для реализации способа получения углеродной смеси высокой реакционной способности. The drawing shows a device for implementing a method of producing a carbon mixture of high reactivity.

Способ осуществляется посредством предварительной обработки графитового порошка кислотой и последующего резистивного нагрева. В результате резистивного нагрева, осуществляемого в специальном реакторе, изображенном на чертеже, возникает множество электрических дуг между чешуйками графита и происходит мгновенный (в течение не более 0,05 с) разрыв ван-дер-ваальсовских и ковалентных связей и графит, имеющий двухмерную слоистую структуру, преобразуется в смесь гексагоналов и углеродных соединений типа C₃, C₄ и т.д. Реакционная способность такой смеси очень велика благодаря реакционной способности энергетически напряженных атомарных соединений углерода. При этом достигается более чем 1000-кратное расширение графита.The method is carried out by pre-processing graphite powder with acid and subsequent resistive heating. As a result of resistive heating, carried out in a special reactor, shown in the drawing, there are many electric arcs between the graphite flakes and there is an instant (within no more than 0.05 s) rupture of the van der Waals and covalent bonds and graphite having a two-dimensional layered structure is converted to a mixture of hexagons and carbon compounds such as C ₃ , C ₄ , etc. The reactivity of such a mixture is very high due to the reactivity of energetically stressed atomic carbon compounds. In this case, more than 1000-fold expansion of graphite is achieved.

Основной частью устройства для осуществления изложенного выше способа является реактор, в котором происходит резистивный нагрев смеси. The main part of the device for implementing the above method is a reactor in which the mixture is resistively heated.

Реактор состоит из корпуса 1, как правило, выполненного керамическим, предпочтительно цилиндрической формы. Внутри корпуса коаксиально расположены вплотную к нему и друг к другу графитовое кольцо 2 и кольцо 3 из тугоплавкого материала (например, молибдена, вольфрама, циркония). По оси корпуса и в его полости 4 установлен графитовый стержень 5 (также имеющий, как правило, цилиндрическую форму). The reactor consists of a housing 1, usually made of ceramic, preferably a cylindrical shape. A graphite ring 2 and a ring 3 of refractory material (for example, molybdenum, tungsten, zirconium) are coaxially located close to it and to each other inside the case. A graphite rod 5 (also usually having a cylindrical shape) is installed along the axis of the housing and in its cavity 4.

На графитовое кольцо 2 и графитовый стержень 5 подается положительный потенциал от источника постоянного тока, на тугоплавкое кольцо 3 - отрицательный. A positive potential is supplied from a graphite ring 2 and a graphite rod 5 from a direct current source, and a negative potential from a refractory ring 3.

На торцах корпуса реактора выполнены средства для загрузки исходной смеси и выгрузки готового продукта. Загрузка смеси графитового порошка и кислоты производится через бункер 6 и механизм подачи, выполненный, например, в виде шнека 7. Механизм подачи обеспечивает беспрерывную подачу смеси в реактор. Выгрузка реакционной углеродной смеси может производиться в сборник 8, в который продукт попадает благодаря 1000-кратному расширению. At the ends of the reactor vessel, means were made for loading the initial mixture and unloading the finished product. The mixture of graphite powder and acid is loaded through the hopper 6 and the feed mechanism, made, for example, in the form of a screw 7. The feed mechanism provides a continuous supply of the mixture to the reactor. The reaction carbon mixture may be discharged into a collection vessel 8 into which the product enters due to a 1000-fold expansion.

Полученная реакционная углеродная смесь может найти широкое применение благодаря своей универсальности. В частности, она может эффективно использоваться для сбора с водных поверхностей любых углеводородных соединений (нефти и нефтепродуктов, цикличных и ароматических углеводородов - толуола, бензола и т. п., а также любых молекул, содержащих углерод). Благодаря реакционной способности смеси помимо сорбции, свойственной расширенному графиту, происходит мгновенное присоединение молекул, обрабатываемых углеводородных соединение к реакционной углеродной смеси. При этом ее 1 г присоединяет к себе не менее 50 г углеводородных соединений. Собранная нефть остается пригодной для дальнейшего ее прямого использования, а реакционная углеродная смесь - для повторного использования с достаточной эффективностью. The resulting reaction carbon mixture can be widely used due to its versatility. In particular, it can be effectively used to collect any hydrocarbon compounds (oil and oil products, cyclic and aromatic hydrocarbons - toluene, benzene, etc., as well as any molecules containing carbon) from water surfaces. Due to the reactivity of the mixture, in addition to the sorption inherent in expanded graphite, there is an instant attachment of molecules processed by the hydrocarbon compound to the reaction carbon mixture. At the same time, at least 50 g of hydrocarbon compounds attaches to it. The collected oil remains suitable for further direct use, and the reaction carbon mixture for reuse with sufficient efficiency.

Устройство компактно, просто в использовании и позволяет получать смесь непрерывно непосредственно на месте ее использования. The device is compact, easy to use and allows you to get the mixture continuously directly at the place of its use.

Claims (11)

1. Способ получения углеродной смеси, включающий обработку смеси графитового порошка и кислоты путем пропускания через нее постоянного электрического тока, отличающийся тем, что отношение массы графитового порошка к массе кислоты выбирают 1 : 0,2 - 1 : 0,5. 1. A method of producing a carbon mixture, comprising treating a mixture of graphite powder and acid by passing a constant electric current through it, characterized in that the ratio of the mass of graphite powder to the mass of acid is 1: 0.2 - 1: 0.5. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отношение массы графитового порошка к массе кислоты 1 : 0,3. 2. The method according to p. 1, characterized in that the ratio of the mass of graphite powder to the mass of acid 1: 0.3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пропускают пусковой ток 90 А и рабочий ток 25 - 35 А. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that they pass a starting current of 90 A and an operating current of 25 - 35 A. 4. Способ получения углеродной смеси по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве графитового порошка, используют природный чешуйчатый графит. 4. A method of producing a carbon mixture according to any one of claims 1 to 3, characterized in that natural flake graphite is used as graphite powder. 5. Устройство для получения углеродной смеси, включающее реактор в виде электрически изолирующего цилиндрического корпуса с соосно расположенным в нем стрежнем и прилегающим к корпусу кольцом, причем реактор снабжен источником постоянного тока и средствами для загрузки и выгрузки, отличающееся тем, что реактор выполнен термостойким, кольцо и стержень - графитовыми, дополнительно снабжен соосным кольцом из тугоплавкого материала, прилегающим к графитовому кольцу, положительный вывод источника тока электрически соединен с графитовым кольцом и стрежнем, а отрицательный - с кольцом из тугоплавкого материала. 5. A device for producing a carbon mixture, comprising a reactor in the form of an electrically insulating cylindrical body with a rod coaxially disposed in it and a ring adjacent to the body, the reactor being provided with a direct current source and means for loading and unloading, characterized in that the reactor is heat-resistant, a ring and the rod is graphite, is additionally equipped with a coaxial ring of refractory material adjacent to the graphite ring, the positive terminal of the current source is electrically connected to the graphite with loaf and rod, and negative with a ring of refractory material. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что корпус выполнен керамическим. 6. The device according to claim 5, characterized in that the housing is made of ceramic. 7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что кольцо из тугоплавкого материала выполнено из молибдена, или вольфрама, или циркония. 7. The device according to claim 5 or 6, characterized in that the ring of refractory material is made of molybdenum, or tungsten, or zirconium. 8. Устройство по пп.5 - 7, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено механизмом подачи смеси графитового порошка и кислоты из средства для загрузки в реактор, причем средство для загрузки выполнено в виде загрузочного бункера. 8. The device according to PP.5 to 7, characterized in that it is additionally equipped with a mechanism for supplying a mixture of graphite powder and acid from the means for loading into the reactor, the means for loading being made in the form of a loading hopper. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что механизм подачи смеси графитового порошка и кислоты из загрузочного бункера в реактор выполнен шнековым. 9. The device according to claim 8, characterized in that the feeding mechanism of the mixture of graphite powder and acid from the feed hopper into the reactor is made screw. 10. Устройство по пп.5 - 9, отличающееся тем, что средство для выгрузки дополнительно снабжено сборником реакционной углеродной смеси, соединенным с полостью реактора. 10. The device according to PP.5 to 9, characterized in that the means for unloading is additionally equipped with a collection of the reaction carbon mixture connected to the cavity of the reactor. 11. Устройство по любому из пп.5 - 10, отличающееся тем, что источник тока выполнен с обеспечением электрического пускового тока, проходящего через смесь, загруженную в реактор, 90 А и рабочего тока 25 - 35 А. 11. The device according to any one of paragraphs.5 to 10, characterized in that the current source is configured to provide an electric starting current passing through the mixture loaded into the reactor, 90 A and an operating current of 25 - 35 A.