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JP2004099380A - Method for isolating C60 - Google Patents

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JP2004099380A
JP2004099380A JP2002264614A JP2002264614A JP2004099380A JP 2004099380 A JP2004099380 A JP 2004099380A JP 2002264614 A JP2002264614 A JP 2002264614A JP 2002264614 A JP2002264614 A JP 2002264614A JP 2004099380 A JP2004099380 A JP 2004099380A
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JP
Japan
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fullerenes
activated carbon
isolating
carbon
soot
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002264614A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Soichiro Saida
齊田 壮一郎
Tomohiro Kawai
川井 友博
Yasuharu Kikuchi
菊地 康晴
Haruo Asatani
浅谷 治生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Chemical Corp
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Chemical Corp filed Critical Mitsubishi Chemical Corp
Priority to JP2002264614A priority Critical patent/JP2004099380A/en
Publication of JP2004099380A publication Critical patent/JP2004099380A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Treatment Of Liquids With Adsorbents In General (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

【課題】C60を大量に且つ高純度で製造する方法を提供する。
【解決手段】少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物からC60を分離する方法において、直径2nm以下の細孔の積算ポアボリュームが0.3cm/g以上の活性炭を用いることを特徴とするC60の単離方法。
【選択図】  なし
A method for producing C60 in large quantities and with high purity is provided.
A method of separating C60 from a mixture of fullerenes containing at least C60 and C70, wherein activated carbon having an integrated pore volume of pores having a diameter of 2 nm or less of 0.3 cm 3 / g or more is used. Isolation method.
[Selection diagram] None

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類、中でもC60の分子構造を有するフラーレンの単離方法に関する。
【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、フラーレン類とも称され、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、C84等とも呼ばれる)。これらのフラーレン類は、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。フラーレン類は例えば、ダイヤモンドコーティング、電池材料、塗料、断熱材、潤滑材、化粧品などの分野への利用が期待されている。
【0003】
フラーレン類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てこの電極間にアーク放電によって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)、(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。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フラーレン類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」と呼ばれることがある)として生成する。煤中のフラーレン類の含有量は、効率的といわれるアーク放電法でも10〜30%程度で、C70:C60の生成比は約1:10である。したがって、高純度のフラーレンを得るためには煤からまずフラーレン類のみを分離する必要がある。
【0004】
燃焼生成物「煤」からのフラーレン類の分離方法として、(1)フラーレン類はベンゼン、トルエン、二硫化炭素等の有機溶媒に溶解し、その他の不純物成分は溶解しにくいという性質を利用して、このような有機溶媒を用いて煤からフラーレン類を抽出する方法(溶媒抽出法)、(2)高真空下で煤を加熱し、フラーレン類を昇華させる方法(昇華法)が知られている。このうち昇華法は、たとえば400℃以上の高温、圧力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類(主としてC60とC70の混合物)を含む溶液からの単一フラーレンの分離には、カラムクロマト分離、分別再結晶、フラーレンの包接化などの方法が適用されている。
【0005】
燃焼法によりフラーレンを製造する場合、制御された条件下でトルエン等の有機物を不完全燃焼させると、C60とC70を主とする複数のフラーレン類を含んだ煤状物質が生成する(例えば特許文献1参照)。典型的には煤状物質中には、通常10〜30重量%程度のフラーレン類と、10ppm〜5重量%の多環状芳香族炭化水素が含まれている。また、残分はグラファイト構造を持つ炭素及び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(以下、「炭素系高分子成分」と称することがある)である。
【0006】
フラーレン類と多環状芳香族炭化水素の溶媒への溶解度を比較すると、通常10倍以上多環状芳香族炭化水素の溶解度が高い。その為、煤状物質から溶媒で抽出すると、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炭化水素もほとんど抽出液側へ同時に抽出される。その為、抽出後の液を、濃縮・乾燥もしくは、濃縮して析出した固形分を濾別して乾燥して得られた固体中は、通常0.01〜10%程度多環状芳香族炭化水素を含んだフラーレン類を得ることになる。
【0007】
多数の炭化物として、ベンゾピレンに代表される多環状芳香族炭化水素がある。多環状芳香族炭化水素は、構造的に炭化水素の中でも水素原子の割合が少なく、構造的にもフラーレン類と類似しており、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を遮蔽したりする可能性もある。また、安全上からもこれら多環状芳香族炭化水素は極力減少させる必要があると考えられている。
【0008】
更に、フラーレン類は炭素数の異なる数種類の混合物であるが、炭素数によりその性質が異なるため、純度の高い単独の化合物種を提供することが望まれている。しかしながら、従来の製造方法では、大量に純度の高いフラーレン種を製造することは困難であった。また、活性炭を用いてフラーレンを分離する合法も従来より知られているが(例えば特許文献2、3参照)、C60をさらに効率よく単離する方法が、求められていた。
【0009】
【特許文献1】
米国特許第5273729号公報
【特許文献2】
米国特許第5310532号公報
【特許文献3】
米国特許第5662876号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は係る事情に鑑みてなされたもので、フラーレン類及び多環状芳香族炭化水素を含有する煤状物質から高純度かつ大量に効率よくC60を製造できる製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述したような事情に鑑みて鋭意検討した。その結果、特定の活性炭を用いることにより、フラーレン類の混合物から純度の高いC60を効率的に単離できることを見出し本発明に到達した。
【0012】
即ち、本発明の要旨は、少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物からC60を分離する方法において、直径2nm以下の細孔の積算ポアボリュームが0.3cm/g以上の活性炭を用いることを特徴とするC60の単離方法に存する。
【0013】
本発明の別の要旨は、(工程A)フラーレン類、多環状芳香族炭化水素、及び炭素系高分子物質を含有する煤状物質を不活性ガスの下で加熱して多環状芳香族炭化水素を昇華して煤状物質から分離する工程、(工程B)フラーレン類及び炭素系高分子物質を含有する煤状物質と抽出溶媒とを混合してフラーレン類が溶解した抽出液を得る工程、(工程C)前記C60の単離工程、を有するC60の単離方法に存する。
【0014】
また、本発明の別の要旨は、フラーレン類、多環状芳香族炭化水素及び炭素系高分子物質を含有する煤状物質が、炭化水素化合物の燃焼及び/又は熱分解によって得られたものである前記C60の単離方法に存する。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明のC60の単離方法に適用される少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物(以下、単に「フラーレン類の混合物」と称することがある)は、いかなる方法によって得られたものであっても良い。フラーレン類を大量に生産するには、炭化水素原料を不完全燃焼させる燃焼法によるもの、または高熱下に炭化水素原料を分解させる熱分解法によるものが好ましく、なかでも燃焼法が好ましい。
【0016】
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1330 〜13300Pa(10〜100Torr)が好ましく、3990〜6650Pa(30〜50Torr)が更に好ましい。温度条件としては800〜2500℃が好ましく、1000〜2000℃が更に好ましい。
フラーレンの原料としては、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6〜15の芳香族炭化水素が好適に用いられる。また、原料としては、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。
【0017】
燃焼法においては、フラーレンの原料は、同時に熱源としても作用する。即ち、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。
【0018】
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な気体を存在させていても良い。これら不活性気体としては例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、二酸化炭素等が挙げられる。
【0019】
燃焼法により得られた煤状物質中には、フラーレン類及び多環状芳香族炭化水素及びが含まれ、それ以外の残部は通常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の炭素系高分子成分である。
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、10%以上含まれていることが更に好ましく、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好ましくは50%以上であり、更に好ましくは70%以上であり、特に好ましくは80%以上である。
【0020】
本発明のC60の単離方法に適用するために、フラーレン類の混合物を燃焼法または熱分解法によって製造した場合には、燃焼法又は熱分解法により生成する、フラーレン類、多環状芳香族炭化水素及び炭素系高分子成分を含有する煤状物質を、まず不活性ガスの下で加熱して、多環状芳香族炭化水素を昇華して煤状物質から分離する工程(工程A)を実施する。
【0021】
(工程A)
多環状芳香族化合物を昇華する際の条件としては、圧力は100〜2×10Paが好ましく、1000〜1.4×10Paが更に好ましい。常圧では装置が簡単になるメリットがあり、減圧下では多環状芳香族炭化水素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。また温度は、好ましくは100℃以上800℃以下である。昇華温度は圧力によって変化するので適宜選択すればよいが、常圧の場合には、更に200℃以上700℃以下が好ましく、特に300℃以上600℃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の昇華が不十分となり、温度が高すぎるとフラーレン類も昇華し、フラーレン類の回収率が低下する。
【0022】
昇華に用いる装置は、上述の温度/圧力となる昇華条件に耐えうるものであれば、バッチ式、固定床型、流動層型、連続型等特に限定はしない。昇華装置に用いられる材質としては、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。
昇華に際しては、不活性ガスの存在下に行うが、本発明において不活性ガスとは、昇華の温度/圧力条件で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。フラーレン類の反応を避けるためには、昇華に際して昇華装置中を実質的に不活性ガスにより置換し、昇華装置内の気体中の酸素の含有量として10体積%以下とするのが好ましく、5体積%以下とするのが好ましく、1体積%とするのが特に好ましい。酸素の含有量が多い場合には、フラーレン類の酸化物が生成する場合がある。
【0023】
また、多環状芳香族炭化水素の昇華は、不活性ガス流通下に行うのが好ましい。不活性ガスの流通下に行う方法としては、例えば昇華装置に不活性ガスの流入口及び排出口を設けておき、連続的に不活性ガスを流入及び排出させながら、所定の温度に昇温する。不活性ガスは昇華装置に流入させるに際し余熱しておくこともできる。
【0024】
不活性ガスの流通下に昇華を行う場合の不活性ガスの流通量としては、煤状物質1gに対して好ましくは1〜10000ml/minであり、更に好ましくは5〜5000ml/minである。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。
【0025】
昇華装置から昇華した多環状芳香族炭化水素は不活性ガスに同伴され、析出装置にて温度が下げられることによって多環状芳香族炭化水素を析出させることが出来る。析出装置は、昇華装置と同一装置内に設けても分離して設けてもも構わないし、バッチ式、または連続式でも構わない。析出した多環状芳香族炭化水素の回収には、機械的に集めて回収しても、溶媒に溶解して回収しても構わない。多環状芳香族炭化水素を析出して回収した後の不活性ガスは、大気に放出するかリサイクル使用する。操作時間は、温度、圧力、ガス流通量によって異なるが、通常10分〜12時間程度である。
【0026】
(工程B)
次に、多環状芳香族炭化水素が分離されたフラーレン類及び炭素系高分子成分を含有する煤状物質は、抽出溶媒と混合し、フラーレン類を溶解した抽出液を得る工程を実施する。炭素系高分子成分は抽出溶媒には実質的に溶解しない。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。
抽出溶媒として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1,2,4−トリメチルベンゼン及びテトラリンが好ましい。
【0027】
抽出溶媒には、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、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の単環式脂肪族炭化水素、そ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、多環式として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。
【0028】
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、二硫化炭素等が挙げられる。
【0029】
抽出溶媒としてはフラーレンの溶解度が低すぎると、抽出効率が低下するので、フラーレンの溶解度としては好ましくは5g/L以上、更に好ましくは10g/L以上、特に好ましくは15g/L以上である。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。
【0030】
抽出溶媒は、フラーレン類を十分に抽出できるだけの量を用いる必要がある。通常、煤状物質中のフラーレン類の量に対し、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、煤状物質には通常5〜30重量%のフラーレン類が含まれているが、抽出効率の観点から、フラーレン類に対して用いる抽出溶媒の量を上記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。
【0031】
なお、煤状物質には通常5〜30重量%のフラーレン類が含まれているが、抽出効率の観点から、フラーレン類に対して用いる抽出溶媒の量を上記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。
【0032】
(工程C)
こうして得られた抽出液にはC60、C70、及びそれ以上の炭素数を有する高次フラーレンが含まれているので、次に活性炭で処理することにより、フラーレン混合物からC60を単離する。
フラーレン類を活性炭で処理する際には、芳香族炭化水素化合物を含む溶離液が用いることが好ましいが、抽出液の溶媒をそのまま溶離液として用いても良いし、抽出液の一部又は全部を留去し、別の溶離液と置換してもよい。
【0033】
本発明に用いられる活性炭は、直径2nm以下の細孔の積算ポアボリュームが0.3cm/g以上のものである。この活性炭はC60に対するの吸着力が比較的小さく、C70以上の高次フラーレン類に対する吸着力が比較的高いので、C60とC70以上の高次フラーレンを分離する能力に優れ、その結果、純度の高いC60を単離する事が出来る。
直径2nm以下の細孔の積算ポアボリュームが0.3cm/g以下であると、フラーレン類に対する吸着能力が低く、C60とC70以上の高次フラーレンとが分離困難となる。直径20Å以下の細孔の積算ポアボリュームは、好ましくは0.4cm/g以上であり、更に好ましくは0.5cm/g以上である。上限は特に規定されないが、通常10cm/g以下である。
【0034】
また、活性炭の比表面積が1600m/g以上であることが好ましく、2000m/g以上であることが好ましく、2500m以上であることが特に好ましい。比表面積が上記範囲であれば、1回当たりのフラーレン類の処理能力が大きくなる。
更にまた、活性炭は30μm以下の粒径を持つ粒子の割合が40%以下であるものが好ましく、30%以下であるものが好ましく、25%以下であるものが特に好ましい。30μm以下の小粒径の活性炭の割合が上記範囲であれば、フラーレン類の混合物を処理する操作が容易となる。
【0035】
フラーレン類を活性炭で処理する際には、芳香族炭化水素化合物を含む溶離液を用いることが好ましい。芳香族炭化水素化合物としては、工程Bで用いられるものと同様なものが用いられる。大量に効率よくC60を分離するためにはフラーレンの溶解度が高いものを使用して、なるべく濃厚な溶液を処理するのが好ましく、フラーレンの溶解度が5g/L以上、更に好ましくは10g/L以上、特に好ましくは15g/L以上のものを用いるのが良い。中でも1,2,4−トリメチルベンゼン及びテトラリンが好ましい。
【0036】
活性炭で処理する方法としては、具体的には、(a)活性炭にフラーレン類の混合物を吸着させ、これに溶離液を混合した後濾過して溶離液中にC60を溶離させる方法、あるいは、(b)カラムに活性炭を充填材として充填し、これにフラーレン類をカラム上部に載せた後、溶離液を流す等の方法が挙げられる。これらの処理方法は、活性炭の吸着力に応じて適宜選択できる。
【0037】
活性炭処理に付されたフラーレン類は、展開溶媒中にC60の化合物種が優先的に溶解するので、展開溶媒を加熱、減圧等の方法で留去することによって、高純度のC60を単離する事が出来る。C60の純度は通常95%以上であり、好ましくは97%以上であり、更に好ましくは98%以上である。
【0038】
【実施例】
次に、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
燃焼法で製造した煤状物質75gと1,2,4−トリメチルベンゼン(TMB)1500mLを室温で2L三角フラスコで混合し、超音波洗浄機に30分浸した。上記スラリーを、ADVANTEC社製 直径142mm、PTFE製、0.5μmのメンブランフィルターを用い、同社製、加圧濾過装置を用い、窒素にて圧力2kgGで加圧濾過した。その濾液のうち、118gを30gまでBuich社製エバポレーターを用いて、90℃、20Torrで濃縮した。上記液を500ccセパラブルフラスコに入れ、回転翼にて攪拌した。50℃に昇温した後、温度を保ちながらTHF125gをポンプで60分かけて添加した。添加後10分間保持した。溶液はスラリー状態になっていた。このスラリーを、ADVANTEC社製 直径47mm、PTFE製、0.5μmのメンブランフィルターを用い減圧濾過し、濾過終了後、THF50mLをさらに振りかけ洗浄した。濾別した固形分を、減圧乾燥機を用い、100℃、5Torr以下の条件下で乾燥した。こうして得られたフラーレン類は、フラーレン類の純度が91.9重量%であり、多環状芳香族化合物が289重量ppm含まれていた。
なお、フラーレン類の分析は、液体クロマトグラフィーを用い、多環状芳香族炭化水素の分析は、ガスクロマトグラフィーを用いて実施した。
【0039】
(活性炭カラムの作成)
関西熱化学社製粉末状活性炭MAXSORB MSC30(直径20Å以下の細孔の積算ポアボリューム;0.55cm/g、比表面積3,250平方メートル/g;水酸化カリウム賦活)をヤマト科学社製篩いNo.286の上に95.1g量りとり、筒井理化学機械株式会社製篩震とう機VSS―50及び目の開き26マイクロメートルの篩いを使用して、目盛り50の強度で空気中5分間篩ったところ、49.5gが篩い上に残存したので1Lガラス製ビーカーに移し取った。篩いの上に量りとる量を変えながら同様の操作をさらに2回繰り返し、篩い上に残存したMAXSORB MSC30を合計177.6g得た。市販品であるMAXSORB MSC30及び篩いの上に残存したMAXSORB MSC30をそれぞれ0.2g量りとり水に分散させ、株式会社島津製作所製レーザーディフラクションパーティクルアナライザーSALD−2000Jで分析したところ、市販品及び篩い残存物の平均粒径がそれぞれ82μm及び94μmであった。篩い残存物の内、30μm以下の粒径を持つ粒子の割合は13%であった。
【0040】
市販品であるMAXSORB MSC30及び篩いの上に残存したMAXSORB MSC30の比表面積を相対圧0.002〜0.2の範囲でBET多点法により算出したところそれぞれ2994平方メートル毎グラム、2990平方メートル毎グラムであった。細孔容積を相対圧が0.93における窒素の吸着量より算出したところ、市販品は1.60mL毎グラム、篩い残存物は1.59mL毎グラムであった。篩い残存物のうち130gを別の1Lビーカーに移し取り、22℃の水浴中で除熱しながら丸善石油化学株式会社製1,2,4トリメチルベンゼン(別名プソイドクメン)0.6Lを撹拌しながら5分間かけてゆっくりと添加して活性炭スラリーを作成した。
【0041】
SUS304製カラム(カラム内部の内径68mm、高さ100mm)の底部フランジ部に目皿を入れ、目皿の上に直径68mm、孔径0.2ミクロンのPTFE製メンブランフィルターを置き、カラム本体に取り付けてネジで固定した。上部フランジ部を取り外し、上記活性炭スラリー0.049Lをカラム本体の中にそそぎ込み底部抜き出し口から減圧吸引し、スラリー中のトリメチルベンゼンを抜き出しながら活性炭ベッドを作成した。活性炭ベッドの上部が液面より上に出る直前までトリメチルベンゼンを抜き、スラリーを追加する操作を繰り返しながら層高98mmの活性炭ベッドを作成し、目皿とメンブランフィルターを入れた上部フランジを取り付けてネジで固定した。活性炭ベッドの体積は363cmであった。カラムを送液ラインに装着した。
【0042】
(原料液の作成)
上記の燃焼法によって得られたフラーレン(C60;61%、C70;24%、多環状芳香族炭化水素微量含む)を原料タンクに量り入れ、トリメチルベンゼン5Lを投入し、撹拌翼付きスリーワンモーターを取り付けて強度5にて1時間撹拌しよく熔解させ、原料液を得た。トリメチルベンゼン6L原料タンクを送液ラインに装着した。続いてトリメチルベンゼン15Lを溶離液タンクに投入し、送液ラインに装着した。トリメチルベンゼンは残量が減っていくので随時補給した。
【0043】
(原料液の送液)
カラム上部と送液ラインの結合部を一時的に切り離した後にポンプを駆動し、原料液を送液しながら送液ライン中の空気を除去した。ポンプを停止して即座にカラム上部と送液ラインを結合した。
カラム底部の抜き出し口に2Lのポリタンクを設置して流出液を採取出来るようにしてからポンプを駆動し原料液の送液を開始すると抜き出し口から無色透明な液体が流出した。流出速度を毎分0.15Lにしたところ、圧力計の表示は0.2MPaであった。
流出液量が2Lになる毎にフラクションを変えながら5Lの原料液を送液したところ18分後、原料液の送液を開始してから2.7L程流出したところでC60成分の流出が始まり液色が紫色に着色しているのが確認できた。
【0044】
(溶離液の送液)
原料液5Lの送液が終了した時点即ち3番目のフラクションを採取している途中でポンプを停止し、次のフラクション用のポリタンクに取り替えてからバルブを切り替えて溶離液の送液を開始した。ここで原料液5Lは活性炭ベッドの体積VBの13.8倍量であった。この、活性炭ベッドの体積VBに対する原料液及び溶離液の総量V即ちV/VBを流出液量の指標として取り扱う場合がある。
流出液量が2Lになる毎にフラクションを変えながら4番目以降のフラクションを採取し、合計22Lの溶離液を送液し、14番目のフラクションの採取が終了した時点でポンプを停止した
【0045】
(分析及び結果)
各フラクションのLC分析の結果から、含有されているC60酸化物、C60、C70の濃度を計算しクロマトグラムを得た。C70よりも分子量の大きいフラーレン類は流出してこなかった。各成分のクロマトグラムを図2に示した。また、各フラクションに含まれるC60の重量の総和に対する原料溶液5L中に含まれるC60の重量比からC60の回収率を計算したところ85.6%であった。また、各フラクションに含まれるC60酸化物、C70およびその他の成分の各総和を求め、すべてのフラクションを同一にした場合のC60の純度を計算すると97.7%であった。
【0046】
(比較例1)
活性炭に、武田薬品工業株式会社製活性炭特製白鷺(直径20Å以下の細孔の積算ポアボリューム;0.27cm/g、比表面積1,430平方メートル/g;塩化亜鉛賦活、篩い後の30μm以下の粒径を持つ粒子の割合が15%)を用いたこと以外は実施例1と同様の操作で燃焼法により得られたフラーレンの単離精製を試みたところ、原料液の送液を開始してから2.5L程無色透明な液が流出した後に赤茶色の液が流出してきた。この流出液をLC分析したところ、C60とC70が混在していることが確認され、活性炭カラムによる単離は出来なかった。
【0047】
(比較例2)
活性炭に、武田薬品工業株式会社製特製白鷺を篩わず(30μm以下の粒径を持つ粒子の割合が46%)にそのまま使用したこと以外は実施例1と同様の操作で燃焼法により得られたフラーレンの単離精製を試みたところ、原料液の送液を開始後1分後、液の流出はないまま圧力が20気圧以上に達したのでそれ以上継続することが出来なかった。
【0048】
(比較例3)
上述と同様のフラーレン類(C60;61%、C70;24%、多環状芳香族炭化水素微量含む)をナカライテスク株式会社製フラーレン分取専用カラム、コスモシールバッキープレップパックドカラム(内部の内径4.6mm、長さ250mm)を用いて実施例1で用いた原料液18mL及びトリメチルベンゼン80mLを使用してカラム分離を試みたところ、無色透明の液の流出に続き、濃い茶色の液が流出してきた。C60とC70を分離回収することはできなかった。
【0049】
【発明の効果】
本発明により、C60を大量に且つ高純度で製造する方法を提供することが出来る。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for isolating fullerenes, which are new carbon materials, and in particular, fullerenes having a molecular structure of C60.
[0002]
[Prior art]
In 1990, a new type of molecular carbon material called a closed-shell structure-type carbon cluster (spherical macromolecule) having 60, 70, 84 carbon atoms was synthesized and attracted attention. Carbon clusters having this special molecular structure are also called fullerenes, and are called fullerenes C60, C70, C84, etc., depending on the number of carbons constituting the molecular skeleton (simply C60, C70, C84, etc.). Also called.) Since these fullerenes are new carbon materials and are expected to exhibit unique physical properties due to their special molecular structures, studies on their properties and application development are being actively pursued. Fullerenes are expected to be used in fields such as diamond coatings, battery materials, paints, heat insulating materials, lubricants, and cosmetics.
[0003]
The method for producing fullerenes includes (1) a method in which an electrode made of a carbonaceous material such as graphite is used as a raw material and the raw material is evaporated by arc discharge between the electrodes (arc discharge method), and (2) a high current is applied to the carbonaceous raw material. (3) a method of evaporating a carbonaceous material by irradiating a high energy density pulse laser (laser evaporation method), and (4) a method of incompletely burning organic substances such as benzene. (Combustion method) and the like are known. However, at present, it is not possible to produce only the desired single fullerenes or useful C60-C84 fullerenes by any of the production methods, and a mixture of a plurality of fullerenes, mainly C60 and C70, and many other carbon compounds. (This combustion product is sometimes referred to as “soot”). The content of fullerenes in soot is about 10 to 30% even in the arc discharge method which is said to be efficient, and the generation ratio of C70: C60 is about 1:10. Therefore, in order to obtain high-purity fullerene, it is necessary to first separate only fullerenes from soot.
[0004]
As a method of separating fullerenes from combustion products "soot", (1) fullerenes are dissolved in organic solvents such as benzene, toluene and carbon disulfide, and the other impurity components are hardly dissolved. A method of extracting fullerenes from soot using such an organic solvent (solvent extraction method) and a method of sublimating fullerenes by heating the soot under high vacuum (sublimation method) are known. . Of these, the sublimation method is a special separation method that requires high vacuum conditions of, for example, a high temperature of 400 ° C. or more and a pressure of 0.133 Pa (10 −3 Torr) or less. Widely used. Furthermore, for separation of single fullerenes from a solution containing fullerenes (mainly a mixture of C60 and C70) obtained by extraction, methods such as column chromatography separation, fractional recrystallization, and inclusion of fullerenes are applied. .
[0005]
In the case of producing fullerenes by a combustion method, when an organic substance such as toluene is incompletely burned under controlled conditions, a soot-like substance containing a plurality of fullerenes mainly composed of C60 and C70 is generated (for example, Patent Document 1). 1). Typically, soot-like substances usually contain about 10 to 30% by weight of fullerenes and 10 ppm to 5% by weight of polycyclic aromatic hydrocarbons. The residue is a carbon having a graphite structure, a high molecular hydrocarbon having a graphite structure as a skeleton and having a small number of hydrogen atoms, carbon black, or the like (hereinafter, may be referred to as a “carbon-based polymer component”).
[0006]
Comparing the solubility of fullerenes and polycyclic aromatic hydrocarbons in a solvent, the solubility of polycyclic aromatic hydrocarbons is usually at least 10 times higher. Therefore, when a soot-like substance is extracted with a solvent, it is difficult to selectively extract only fullerenes, and polycyclic aromatic hydrocarbons in the soot-like substance are almost simultaneously extracted into the extract. For this reason, the solid obtained by concentrating and drying the extracted liquid, or filtering and drying the solid content precipitated is usually about 0.01 to 10% containing polycyclic aromatic hydrocarbons. You will get fullerenes.
[0007]
As a large number of carbides, there are polycyclic aromatic hydrocarbons represented by benzopyrene. Polycyclic aromatic hydrocarbons have a structurally low proportion of hydrogen atoms among hydrocarbons, and are structurally similar to fullerenes. Therefore, when mixed with fullerenes, the reactivity of fullerenes And may also block the intrinsic properties of fullerenes. It is considered that it is necessary to reduce these polycyclic aromatic hydrocarbons as much as possible from the viewpoint of safety.
[0008]
Further, fullerenes are a mixture of several kinds having different carbon numbers, and since their properties are different depending on the carbon number, it is desired to provide a single kind of compound having high purity. However, it has been difficult to produce high-purity fullerene species in large quantities by the conventional production method. In addition, a method of separating fullerene using activated carbon has been conventionally known (for example, see Patent Literatures 2 and 3), but a method of more efficiently isolating C60 has been demanded.
[0009]
[Patent Document 1]
US Patent No. 5,273,729 [Patent Document 2]
US Patent No. 5,310,532 [Patent Document 3]
U.S. Pat. No. 5,662,876.
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a production method capable of efficiently producing C60 in high purity and in large quantities from a soot-like substance containing fullerenes and polycyclic aromatic hydrocarbons. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies in view of the circumstances described above. As a result, they have found that high-purity C60 can be efficiently isolated from a mixture of fullerenes by using a specific activated carbon, and have reached the present invention.
[0012]
That is, the gist of the present invention is that in a method of separating C60 from a mixture of fullerenes containing at least C60 and C70, an activated carbon having an integrated pore volume of pores having a diameter of 2 nm or less of 0.3 cm 3 / g or more is used. The present invention resides in a method for isolating C60 which is a feature.
[0013]
Another gist of the present invention is that (step A) heating a soot-like substance containing fullerenes, a polycyclic aromatic hydrocarbon, and a carbon-based polymer substance under an inert gas to produce a polycyclic aromatic hydrocarbon (B) a step of mixing a soot-like substance containing fullerenes and a carbon-based polymer substance with an extraction solvent to obtain an extract in which fullerenes are dissolved, Step C) The method for isolating C60, comprising the step of isolating C60.
[0014]
Another aspect of the present invention is that a soot-like substance containing fullerenes, polycyclic aromatic hydrocarbons, and a carbon-based polymer substance is obtained by burning and / or pyrolyzing a hydrocarbon compound. The present invention relates to the method for isolating C60.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The mixture of fullerenes containing at least C60 and C70 applied to the method for isolating C60 of the present invention (hereinafter, may be simply referred to as “mixture of fullerenes”) may be obtained by any method. Is also good. In order to produce fullerenes in large quantities, it is preferable to use a combustion method in which the hydrocarbon raw material is incompletely burned, or a thermal decomposition method in which the hydrocarbon raw material is decomposed under high heat, and the combustion method is particularly preferable.
[0016]
When producing fullerene by a combustion method, the pressure condition is preferably 1330 to 13300 Pa (10 to 100 Torr), and more preferably 3990 to 6650 Pa (30 to 50 Torr). The temperature condition is preferably from 800 to 2500C, more preferably from 1000 to 2000C.
As a raw material of fullerene, an aromatic hydrocarbon having 6 to 15 carbon atoms such as benzene, toluene, xylene, naphthalene, methylnaphthalene, anthracene, and phenanthrene is preferably used. As a raw material, aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, and octane may be used in combination with these aromatic hydrocarbons.
[0017]
In the combustion method, the raw material of fullerene simultaneously acts as a heat source. That is, the raw hydrocarbon reacts with oxygen to generate heat and raises to a temperature at which fullerene can be generated, and the raw hydrocarbon is dehydrogenated to generate carbon units for forming a fullerene skeleton. Is considered one. The carbon units assemble under certain pressure and temperature conditions to form fullerenes.
[0018]
The amount of oxygen used varies slightly depending on the type of the raw material hydrocarbon. For example, when toluene is used as the raw material hydrocarbon, the amount is preferably 0.5 to 9 times, more preferably 1 to 5 times the amount of toluene. Is more preferred.
In addition to oxygen, the reaction system in the combustion method may contain a gas that is inert to fullerene. Examples of these inert gases include helium, neon, argon, nitrogen, carbon dioxide and the like.
[0019]
The soot-like substance obtained by the combustion method contains fullerenes and polycyclic aromatic hydrocarbons, and the rest is a high molecular weight hydrocarbon generally having a carbon graphite structure and some hydrogen atoms. And carbon-based polymer components such as carbon black.
The soot-like substance preferably contains 5% by weight or more of fullerenes, more preferably 10% or more, and particularly preferably 15% or more.
The fullerenes produced by the present invention are not limited in carbon number as long as they have a fullerene structure, but are usually fullerenes having 60 to 84 carbon atoms. It is preferably at least 50%, more preferably at least 70%, particularly preferably at least 80%.
[0020]
When a mixture of fullerenes is produced by a combustion method or a pyrolysis method in order to apply to the method for isolating C60 of the present invention, fullerenes and polycyclic aromatic carbonized products produced by the combustion method or the pyrolysis method. A step (Step A) of first heating a soot-like substance containing hydrogen and a carbon-based polymer component under an inert gas to sublime polycyclic aromatic hydrocarbons and separate the polycyclic aromatic hydrocarbon from the soot-like substance is performed. .
[0021]
(Step A)
The conditions for subliming polycyclic aromatic compound, the pressure is preferably from 100 to 2 × 10 5 Pa, more preferably 1000~1.4 × 10 5 Pa. At normal pressure, there is an advantage that the apparatus is simplified, and under reduced pressure, there is an advantage that the sublimation temperature of the polycyclic aromatic hydrocarbon is reduced. It is sufficient to carry out the process under optimal conditions in consideration of economy. The temperature is preferably 100 ° C. or more and 800 ° C. or less. The sublimation temperature varies depending on the pressure, and may be appropriately selected. In the case of normal pressure, the temperature is preferably 200 to 700 ° C, more preferably 300 to 600 ° C. If the temperature is too low, the sublimation of the polycyclic aromatic hydrocarbon becomes insufficient, and if the temperature is too high, the fullerenes also sublime, and the recovery of fullerenes decreases.
[0022]
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, as long as it can withstand the above-described sublimation conditions at the temperature / pressure. Materials used for the sublimation apparatus include quartz glass, metals such as stainless steel, ceramics, and glass.
The sublimation is performed in the presence of an inert gas. In the present invention, the inert gas means a gas that does not substantially react with fullerenes under the sublimation temperature / pressure conditions. Types of inert gases include helium, neon, argon, nitrogen and mixtures thereof. In order to avoid the reaction of fullerenes, the sublimation apparatus is substantially replaced with an inert gas during sublimation, and the oxygen content in the gas in the sublimation apparatus is preferably 10% by volume or less, preferably 5% by volume. %, Preferably 1% by volume. When the content of oxygen is large, oxides of fullerenes may be generated.
[0023]
Further, the sublimation of the polycyclic aromatic hydrocarbon is preferably performed under a flow of an inert gas. As a method performed under the flow of the inert gas, for example, an inlet and an outlet for the inert gas are provided in the sublimation apparatus, and the temperature is increased to a predetermined temperature while continuously flowing the inert gas. . The inert gas may be preheated when flowing into the sublimation apparatus.
[0024]
The flow rate of the inert gas when sublimating under the flow of the inert gas is preferably 1 to 10000 ml / min, more preferably 5 to 5000 ml / min per 1 g of the soot-like substance. The flow of the inert gas may be continuous or intermittent.
[0025]
The polycyclic aromatic hydrocarbon sublimated from the sublimation device is entrained by the inert gas, and the temperature is reduced by the deposition device, whereby the polycyclic aromatic hydrocarbon can be precipitated. The precipitation apparatus may be provided in the same apparatus as the sublimation apparatus or may be provided separately, and may be a batch type or a continuous type. The recovered polycyclic aromatic hydrocarbon may be collected mechanically or collected, or may be dissolved in a solvent and collected. The inert gas after the polycyclic aromatic hydrocarbon is precipitated and recovered is released to the atmosphere or recycled. The operation time varies depending on the temperature, pressure and gas flow rate, but is usually about 10 minutes to 12 hours.
[0026]
(Step B)
Next, the soot-like substance containing the carbon-based polymer component and the fullerenes from which the polycyclic aromatic hydrocarbons have been separated is mixed with an extraction solvent to obtain an extract in which the fullerenes are dissolved. The carbon-based polymer component does not substantially dissolve in the extraction solvent. As the extraction solvent, a solvent containing an aromatic hydrocarbon is preferably used.
The aromatic hydrocarbon used as the extraction solvent is a hydrocarbon compound having at least one benzene nucleus in the molecule, and 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-tetramethyl Examples thereof include alkylbenzenes such as benzene, 1,2,3,5-tetramethylbenzene, diethylbenzene and cymene; alkylnaphthalenes such as 1-methylnaphthalene; and tetralin. Of these, 1,2,4-trimethylbenzene and tetralin are preferred.
[0027]
As the extraction solvent, in addition to the aromatic hydrocarbon, an organic solvent such as an aliphatic hydrocarbon or a chlorinated hydrocarbon may be used alone, or two or more of them may be used at an arbitrary ratio. As the aliphatic hydrocarbon, any aliphatic hydrocarbon such as cyclic and acyclic can be used. Examples of the cycloaliphatic hydrocarbon include monocyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane and cyclooctane, and derivatives thereof such as methylcyclopentane, ethylcyclopentane, methylcyclohexane, ethylcyclohexane, and the like. , 2-dimethylcyclohexane, 1,3-dimethylcyclohexane, 1,4-dimethylcyclohexane, isopropylcyclohexane, n-propylcyclohexane, t-butylcyclohexane, n-butylcyclohexane, isobutylcyclohexane, 1,2,4-trimethylcyclohexane, Examples include 1,3,5-trimethylcyclohexane, and polycyclic 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.
[0028]
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.
Other examples include ketones having 6 or more carbon atoms, esters having 6 or more carbon atoms, ethers having 6 or more carbon atoms, and carbon disulfide.
[0029]
When the solubility of the fullerene as the extraction solvent is too low, the extraction efficiency is reduced. Therefore, the solubility of the fullerene is preferably 5 g / L or more, more preferably 10 g / L or more, and particularly preferably 15 g / L or more. From the industrial viewpoint, among these extraction solvents, those having a normal temperature liquid and a boiling point of 100 to 300 ° C., particularly preferably 120 to 250 ° C., are preferable.
[0030]
It is necessary to use an extraction solvent in an amount sufficient to extract fullerenes. Usually, the amount of the fullerenes in the soot-like substance is preferably 5 to 400 times by weight, and considering economical efficiency, it is preferable to use about 40 to 200 times by weight. The type and apparatus for the extraction are not particularly limited, such as a batch type, a semi-continuous type, a continuous type, or a combination thereof.
The soot-like substance usually contains 5 to 30% by weight of fullerenes, but from the viewpoint of extraction efficiency, the amount of the extraction solvent used for the fullerenes is preferably in the above range, Prior to the extraction operation, it is preferable to analyze a part of the soot-like substance and measure the fullerene content in the soot-like substance.
[0031]
The soot-like substance usually contains 5 to 30% by weight of fullerenes, but from the viewpoint of extraction efficiency, the amount of the extraction solvent used for the fullerenes is preferably in the above range, Prior to the extraction operation, it is preferable to analyze a part of the soot-like substance and measure the fullerene content in the soot-like substance.
[0032]
(Step C)
Since the extract thus obtained contains C60, C70 and higher fullerenes having a carbon number higher than that, C60 is isolated from the fullerene mixture by treating with activated carbon.
When treating fullerenes with activated carbon, it is preferable to use an eluent containing an aromatic hydrocarbon compound, but the solvent of the extract may be used as it is, or a part or all of the extract may be used. It may be distilled off and replaced with another eluent.
[0033]
The activated carbon used in the present invention has a cumulative pore volume of pores having a diameter of 2 nm or less of 0.3 cm 3 / g or more. This activated carbon has a relatively small adsorptive power for C60 and a relatively high adsorptive power for C70 or higher fullerenes, and thus has an excellent ability to separate C60 and C70 or higher fullerenes. C60 can be isolated.
If the cumulative pore volume of the pores having a diameter of 2 nm or less is 0.3 cm 3 / g or less, the ability to adsorb fullerenes is low, and it becomes difficult to separate C60 and higher fullerenes of C70 or more. The cumulative pore volume of pores having a diameter of 20 ° or less is preferably 0.4 cm 3 / g or more, and more preferably 0.5 cm 3 / g or more. The upper limit is not particularly defined, but is usually 10 cm 3 / g or less.
[0034]
Further, the specific surface area of the activated carbon is preferably 1600 m 2 / g or more, more preferably 2000 m 2 / g or more, and particularly preferably 2500 m 2 or more. When the specific surface area is within the above range, the processing capacity of fullerenes per time is increased.
Furthermore, the activated carbon preferably has a ratio of particles having a particle size of 30 μm or less of 40% or less, more preferably 30% or less, and particularly preferably 25% or less. When the proportion of activated carbon having a small particle size of 30 μm or less is within the above range, the operation of treating a mixture of fullerenes becomes easy.
[0035]
When treating fullerenes with activated carbon, it is preferable to use an eluent containing an aromatic hydrocarbon compound. As the aromatic hydrocarbon compound, those similar to those used in the step B are used. In order to efficiently separate C60 in large quantities, it is preferable to use a solution having a high solubility of fullerene and to treat a solution as concentrated as possible. The solubility of fullerene is preferably 5 g / L or more, more preferably 10 g / L or more. It is particularly preferable to use the one having 15 g / L or more. Among them, 1,2,4-trimethylbenzene and tetralin are preferred.
[0036]
As a method of treating with activated carbon, specifically, (a) a method in which a mixture of fullerenes is adsorbed on activated carbon, an eluent is mixed with the mixture, followed by filtration to elute C60 in the eluate, or ( b) A method in which a column is filled with activated carbon as a filler, fullerenes are placed on the column, and then an eluent is flowed. These treatment methods can be appropriately selected according to the adsorption power of activated carbon.
[0037]
In the fullerenes subjected to the activated carbon treatment, the compound species of C60 is preferentially dissolved in the developing solvent, and thus, high-purity C60 is isolated by distilling the developing solvent by a method such as heating and decompression. Can do things. The purity of C60 is usually 95% or more, preferably 97% or more, and more preferably 98% or more.
[0038]
【Example】
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.
(Example 1)
75 g of a soot-like substance produced by the combustion method and 1500 mL of 1,2,4-trimethylbenzene (TMB) were mixed at room temperature in a 2 L Erlenmeyer flask, and immersed in an ultrasonic cleaner for 30 minutes. The slurry was subjected to pressure filtration with nitrogen at a pressure of 2 kgG using a pressure filtration device manufactured by ADVANTEC, using a membrane filter of diameter 142 mm, made of PTFE, made of PTFE, and 0.5 μm. Of the filtrate, 118 g was concentrated to 90 g at 90 ° C. and 20 Torr using an evaporator manufactured by Buch. The above liquid was put into a 500 cc separable flask, and stirred with a rotary blade. After the temperature was raised to 50 ° C., 125 g of THF was added by a pump over 60 minutes while maintaining the temperature. It was kept for 10 minutes after the addition. The solution was in a slurry state. This slurry was filtered under reduced pressure using a 0.5 μm membrane filter made of PTFE, 47 mm in diameter, manufactured by ADVANTEC, and after the filtration was completed, 50 mL of THF was further sprinkled and washed. The solids separated by filtration were dried using a vacuum dryer at 100 ° C. and 5 Torr or less. The fullerenes thus obtained had a purity of the fullerenes of 91.9% by weight and contained 289 ppm by weight of the polycyclic aromatic compound.
The analysis of fullerenes was performed using liquid chromatography, and the analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons was performed using gas chromatography.
[0039]
(Preparation of activated carbon column)
Powdered activated carbon MAXSORB MSC30 (Kansai Thermochemical Co., Ltd.) (cumulative pore volume of pores having a diameter of 20 mm or less; 0.55 cm 3 / g, specific surface area 3,250 square meters / g; potassium hydroxide activation) is a sieve No. manufactured by Yamato Science Co., Ltd. . 95.1 g was weighed on a 286, and sieved in the air for 5 minutes at the strength of the scale 50 using a sieve shaker VSS-50 manufactured by Tsutsui Chemical Chemical Co., Ltd. and a sieve having an opening of 26 micrometers. , 49.5 g remained on the sieve and were transferred to a 1 L glass beaker. The same operation was further repeated twice while changing the amount weighed on the sieve, to obtain a total of 177.6 g of MAXSORB MSC30 remaining on the sieve. 0.2 g of MAXSORB MSC30, which is a commercial product, and MAXSORB MSC30 remaining on the sieve were each weighed and dispersed in water, and analyzed with a laser diffraction particle analyzer SALD-2000J manufactured by Shimadzu Corporation. The average particle size of the product was 82 μm and 94 μm, respectively. The ratio of particles having a particle size of 30 μm or less in the sieved residue was 13%.
[0040]
When the specific surface area of the commercially available MAXSORB MSC30 and the MAXSORB MSC30 remaining on the sieve were calculated by the BET multipoint method in the range of the relative pressure of 0.002 to 0.2, they were 2994 square meters per gram and 2990 square meters per gram, respectively. there were. When the pore volume was calculated from the amount of nitrogen adsorbed at a relative pressure of 0.93, the commercial product was 1.60 mL / g, and the sieve residue was 1.59 mL / g. 130 g of the sieved residue is transferred to another 1 L beaker, and while removing heat in a water bath at 22 ° C., 0.6 L of 1,2,4 trimethylbenzene (also called pseudocumene) manufactured by Maruzen Petrochemical Co., Ltd. is stirred for 5 minutes. Activated carbon slurry was prepared by adding the mixture slowly and slowly.
[0041]
A perforated plate was placed in the bottom flange of a SUS304 column (inner diameter of the column: 68 mm, height: 100 mm), and a PTFE membrane filter having a diameter of 68 mm and a pore diameter of 0.2 micron was placed on the perforated plate, and attached to the column body. It was fixed with screws. The upper flange portion was removed, 0.049 L of the activated carbon slurry was poured into the column main body, and suction suction was performed under reduced pressure from the bottom outlet, thereby forming an activated carbon bed while extracting trimethylbenzene in the slurry. Extract trimethylbenzene just before the top of the activated carbon bed rises above the liquid level, repeat the operation of adding slurry, create an activated carbon bed with a layer height of 98 mm, attach the perforated plate and the upper flange containing the membrane filter, and screw Fixed with. The volume of the activated carbon bed was 363 cm 3 . The column was attached to the liquid sending line.
[0042]
(Preparation of raw material liquid)
Fullerene (C60; 61%, C70; 24%, containing a trace amount of polycyclic aromatic hydrocarbons) obtained by the above combustion method is weighed into a raw material tank, 5 L of trimethylbenzene is charged, and a three-one motor with a stirring blade is attached. The mixture was stirred at a strength of 5 for 1 hour and thoroughly melted to obtain a raw material liquid. A 6 L trimethylbenzene raw material tank was attached to the liquid sending line. Subsequently, 15 L of trimethylbenzene was charged into the eluent tank and attached to the liquid sending line. Trimethylbenzene was replenished as needed because the remaining amount was decreasing.
[0043]
(Sending of raw material liquid)
After temporarily disconnecting the connection between the upper part of the column and the liquid sending line, the pump was driven to remove the air in the liquid sending line while feeding the raw material liquid. The pump was stopped and the top of the column was immediately connected to the liquid sending line.
A 2 L plastic tank was installed at the outlet at the bottom of the column so that the effluent could be collected. After the pump was driven to start feeding the raw material liquid, a colorless and transparent liquid flowed out from the outlet. When the outflow speed was set to 0.15 L / min, the pressure gauge indicated 0.2 MPa.
When 5 L of the raw material liquid was fed while changing the fraction every time the amount of the effluent became 2 L, 18 minutes later, the feed of the raw material liquid was started, and after flowing out about 2.7 L, the outflow of the C60 component started. It was confirmed that the color was purple.
[0044]
(Sending of eluent)
When the supply of 5 L of the raw material liquid was completed, that is, while the third fraction was being collected, the pump was stopped, the pump was replaced with a plastic tank for the next fraction, and the valve was switched to start the supply of the eluent. Here, 5 L of the raw material liquid was 13.8 times the volume VB of the activated carbon bed. The total amount V of the raw material liquid and the eluent with respect to the volume VB of the activated carbon bed, that is, V / VB, may be treated as an index of the amount of the effluent.
The fourth and subsequent fractions were collected while changing the fraction every time the amount of the effluent reached 2 L, and a total of 22 L of eluent was sent. When the collection of the 14th fraction was completed, the pump was stopped.
(Analysis and results)
From the results of the LC analysis of each fraction, the concentrations of the contained C60 oxide, C60 and C70 were calculated to obtain a chromatogram. Fullerenes having a higher molecular weight than C70 did not flow out. The chromatogram of each component is shown in FIG. The C60 recovery was calculated from the weight ratio of C60 contained in 5 L of the raw material solution to the total weight of C60 contained in each fraction, and was found to be 85.6%. The total sum of the C60 oxide, C70 and other components contained in each fraction was determined, and the purity of C60 when all the fractions were the same was calculated to be 97.7%.
[0046]
(Comparative Example 1)
Activated carbon, Shiratsagi specially made by Takeda Pharmaceutical Co., Ltd. (cumulative pore volume of pores having a diameter of 20 mm or less; 0.27 cm 3 / g, specific surface area 1,430 square meters / g; zinc chloride activated, 30 μm or less after sieving) An attempt was made to isolate and purify fullerene obtained by the combustion method in the same manner as in Example 1 except that the ratio of particles having a particle diameter of 15% was used. , A colorless transparent liquid flowed out, and then a reddish brown liquid flowed out. LC analysis of this effluent confirmed that C60 and C70 were mixed, and isolation with an activated carbon column was not possible.
[0047]
(Comparative Example 2)
The activated carbon was obtained by a combustion method in the same manner as in Example 1, except that a specially made Shirasagi manufactured by Takeda Pharmaceutical Co., Ltd. was used without sieving (46% of particles having a particle size of 30 μm or less). When an attempt was made to isolate and purify the fullerene, the pressure reached 20 atm or more 1 minute after the start of the feed of the raw material liquid, and the flow could not be continued further.
[0048]
(Comparative Example 3)
Fullerenes (C60; 61%, C70; 24%, including a trace amount of polycyclic aromatic hydrocarbons) containing the same fullerenes as described above, a fullerene preparative column manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd., a Cosmoseal bucky prep packed column (4. (6 mm, 250 mm in length), column separation was attempted using 18 mL of the raw material liquid used in Example 1 and 80 mL of trimethylbenzene, and a dark brown liquid flowed out following the outflow of a colorless and transparent liquid. . C60 and C70 could not be separated and recovered.
[0049]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a method for producing C60 in large quantities and with high purity.

Claims (10)

少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物からC60を単離する方法において、直径2nm以下の細孔の積算ポアボリュームが0.3cm/g以上の活性炭を用いることを特徴とするC60の単離方法。A method for isolating C60 from a mixture of fullerenes containing at least C60 and C70, characterized in that activated carbon having an integrated pore volume of pores having a diameter of 2 nm or less of 0.3 cm 3 / g or more is used. Method. フラーレン類の混合物を前記活性炭に吸着させ、芳香族炭化水素化合物を含む溶離液でC60を溶離させることを特徴とする請求項1に記載のC60の単離方法。The method for isolating C60 according to claim 1, wherein a mixture of fullerenes is adsorbed on the activated carbon, and C60 is eluted with an eluent containing an aromatic hydrocarbon compound. 前記活性炭を充填材として用いたカラムを使用し、芳香族炭化水素化合物を含む溶離液を用いることを特徴とする請求項1に記載のC60の単離方法。The C60 isolation method according to claim 1, wherein a column using the activated carbon as a packing material is used, and an eluent containing an aromatic hydrocarbon compound is used. 活性炭の比表面積が1600m/g以上である請求項1乃至3のいずれかに記載のC60の単離方法。C60 Isolation method according to any one of claims 1 to 3 the specific surface area of the activated carbon is 1600 m 2 / g or more. 活性炭が、30μm以下の粒径を持つ粒子の割合が40%以下である請求項1乃至4のいずれかに記載のC60の単離方法。The method for isolating C60 according to any one of claims 1 to 4, wherein the proportion of the activated carbon having a particle size of 30 µm or less is 40% or less. 活性炭が、水酸化カリウムにより賦活処理されたものである請求項1乃至5の何れかに記載のC60の単離方法。The method for isolating C60 according to any one of claims 1 to 5, wherein the activated carbon has been activated with potassium hydroxide. 溶離液が1,2,4−トリメチルベンゼン又はテトラリンを含む請求項2乃至6の何れかに記載のC60の単離方法。The method for isolating C60 according to any one of claims 2 to 6, wherein the eluent contains 1,2,4-trimethylbenzene or tetralin. (工程A)フラーレン類、多環状芳香族炭化水素、及び炭素系高分子物質を含有する煤状物質を不活性ガスの下で加熱して多環状芳香族炭化水素を昇華して煤状物質から分離する工程、(工程B)フラーレン類及び炭素系高分子物質を含有する煤状物質と抽出溶媒とを混合してフラーレン類が溶解した抽出液を得る工程、(工程C)請求項1乃至6のいずれかに記載のC60の単離工程、を有するC60の単離方法。(Step A) A soot-like substance containing fullerenes, polycyclic aromatic hydrocarbons, and a carbon-based polymer substance is heated under an inert gas to sublimate the polycyclic aromatic hydrocarbons from the soot-like substance. A separating step, a step (B), a step of mixing a soot-like substance containing fullerenes and a carbon-based polymer substance and an extraction solvent to obtain an extract in which the fullerenes are dissolved, and a step (C). The method for isolating C60, comprising the step of isolating C60 according to any one of the above. 工程Bにおいて、抽出溶媒が、1,2,4−トリメチルベンゼン又はテトラリンを含む請求項8に記載のC60の単離方法。The method for isolating C60 according to claim 8, wherein in step B, the extraction solvent contains 1,2,4-trimethylbenzene or tetralin. フラーレン類、多環状芳香族炭化水素及び炭素系高分子物質を含有する煤状物質が、炭化水素化合物の燃焼及び/又は熱分解によって得られたものである請求項8又は9に記載のC60の単離方法。The C60 according to claim 8 or 9, wherein the soot-like substance containing fullerenes, polycyclic aromatic hydrocarbons, and a carbon-based polymer substance is obtained by burning and / or pyrolyzing a hydrocarbon compound. Isolation method.
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