WO1994016993A1 - Process and device for producing carbon fullerenes from carbon-containing solid raw materials - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a process for the production of carbon fullerenes by heating and evaporating carbon-containing material under an inert inert gas atmosphere in a reactor which is supplied from outside the reactor and from inadmissible nitrogen, oxygen, hydrogen, water vapor - or other reactive gas components or deposits are exempted and which is heated to the vaporization temperature generated in an electric arc, an inductive high-frequency field or an incident laser beam, and with the formation of carbon clusters and soot and / or carbon vapors containing fullerenes, in particular Buckminster fullerenes, by cooling and condensing carbon of the carbon plasma formed.
- the invention further relates to a device for performing this method.
- Such a method using a pulsed laser for the vaporization of graphite is known from Smalley.
- a cluster beam generator is used, in which a rotating graphite disc is placed, onto which a focused laser beam is guided.
- the carbon vapor that is formed is entrained by a helium stream that passes by and forms a particle beam when expanded into a vacuum.
- the Krätschmer and Huffmann apparatus is suitable for the formation of fullerenes in macroscopic amounts.
- These known methods and apparatuses are expensive overall for the production of carbon Buckminster fullerenes, a high electrical output being required to form the smallest macroscopic amounts of fullerene. Since a high evaporation temperature must be reached, the evaporation process takes place directly in an electric arc by evaporation of the carbon electrodes used themselves. Also in the known methods for generating the evaporation energy of the carbon by focusing a laser beam or by irradiating an inductive high-frequency field, the Carbon is introduced into the reactor in the form of carbon-containing rods and cubes made of graphite and the like.
- Such rod-like and cube-like materials as well as the graphite electrodes to be used for arcing are expensive raw materials due to their production, since these have to be pressed in a special process with the addition of suitable amounts of binders and then tempered.
- the rods, cubes, plates etc. must each be guided under the focal point of the laser radiation, shifted through the inductive high-frequency field or pushed in as electrodes to form an arc. Evaporation of the electrode tips within an arc requires one to maintain the arc Electrode guide with the help of a screw or slide mechanism, which allows a suitable adjustment of the electrode distance.
- the present invention is therefore based on the object of improving a method of the type mentioned at the outset and the devices known thereafter for the production of carbon Buckminsterfullerenes and other fullerenes in such a way that the disadvantages mentioned are largely avoided.
- continuous production of carbon blacks or vapors containing fullerenes in large quantities should be possible with a proportion of Buckminster fullerenes. In terms of process technology, this should be as simple and cheap as possible.
- a double-walled steel tube made of a temperature-resistant material, preferably a VA steel, with various flanges and nozzles required for assembly is used.
- the double-walled reactor is necessary for reasons of cooling.
- the reactor is preferably upright, but can also be installed and operated in the horizontal position or in all other positions with nozzles arranged differently. See Figures 1,2,4,5 and 6.
- a holder In the interior of the reactor, a holder is mounted in the lower area for the purpose of fastening a crucible or casing in which the carbon vaporization takes place.
- the crucible consists of a highly refractory, temperature change-resistant and electrically conductive material, preferably of graphite, and can both with carbon-containing (coal, coking coal, graphite, wood and brown coal coke, waste products from ethylene production, graphitized carbon black, especially those after fullerene extraction etc.) dusts, granules as well as with a mixture thereof, preferably with the same carbon-containing material, which also as a raw material to be continuously supplied and evaporated.
- carbon-containing coal, coking coal, graphite, wood and brown coal coke, waste products from ethylene production, graphitized carbon black, especially those after fullerene extraction etc.
- the crucible is preferably closed at the top like a dome-like dome. There is a sufficiently large hole in the middle of the dome. In the event of an arc, the bore has the task of being able to move both several and only one electrode rod back and forth without contact using a movement mechanism. In the case of laser beams, the unimpeded entry of the beam must be ensured.
- a feed pipe for the raw material supply preferably made of graphite, is installed through the bore. The raw material is supplied from the outside by means of a commercially available loading system from a storage vessel.
- a sight glass is attached to a reactor nozzle.
- an assembly socket which, if the reactor is put into operation, is closed with a blind cover.
- a funnel-shaped sluice for collecting and removing the soot.
- the movement system on which the electrode rods or the one electrode rod are attached is preferably included equipped with a separate cooling system to avoid heat problems in the area of the seal.
- the motion system is installed in an electrically insulated manner in addition to the reactor.
- the movement system is state of the art.
- the crucible can optionally be encased with a coolable device, preferably with a water-cooled stainless steel tubular coil, in order to be able to install a magnetic field system on the outside of the encasement.
- the magnetic field system has the task of additionally preventing the ionized, hot plasma from escaping from the crucible. Furthermore, it is assumed that the magnetic field system has not yet explainable, fullerene-forming properties.
- the principle of the method shown here can be implemented as often as a multiplier within an overall reactor with several crucibles or casings in order to enable corresponding raw material throughputs.
- the evaporation process can be between 50 mbar and several bar overpressure, preferably under normal pressure (1 bar), both on the surface of the carbon-containing crucible filling and deep in the carbon-containing crucible filling by means of laser beams, inductive high-frequency heating or preferably by means of an inert arc Noble gas atmosphere can be carried out.
- the evaporation can take place in an arc (FIG. 1, 2) by immersing the arc in the crucible both on the surface of the dust / granulate and in the dust / granulate or between two electrode rods as follows.
- Figure 1
- a goblet-like depression forms in the area of the arc on the dust / granulate surface, which is permanently supplied with new carbon-containing raw material from dust / granulate through a tube coming from the outside into the crucible.
- the laser beams evaporate the particles present in the crucible on the surface and go deeper and deeper, so that a goblet-like depression is also formed here. It is important in this process with laser technology, among other things, that monolithic solids do not have to be replenished in order to supply raw materials, but only dust / granules.
- inductive high-frequency technology evaporates the particles present in the crucible from the center to the outside.
- the amount missing in the crucible is permanently supplied with new raw material from dust / granulate through a pipe coming from the outside into the crucible. It is important in this process with an inductive high-frequency field that, among other things, it is not monolithic solids which have to be replenished in order to supply raw materials, but only dust / granules.
- the fullerene-forming evaporation is not only much cheaper, but also easier.
- the raw materials are free of adsorbed nitrogen, oxygen, hydrogen and in particular free of water vapor, so as not to prevent or hinder fullerene formation in the reactor space due to the presence of these gases.
- the carbonaceous raw materials from dust or granulate must first be degassed at approximately 2,200 ° C. Oxygen escapes up to approx. 1,700 C, hydrogen up to approx. 2,000 ° C and nitrogen up to approx. 2,150 ° C.
- the interior of the leak-tested reactor is evacuated several times using a vacuum pump and gases, preferably flushed with helium or argon, in order to eliminate unwanted residual gases such as oxygen, water vapor etc.
- an inert gas pressure of preferably 1 bar is set.
- the pressure can also range from a few mbar to several bar.
- the cooling circuits preferably water circuits, are then started.
- the electrodes When using the arc technology, after switching on the current of preferably more than 200 amperes and 20-60 volts, the electrodes are moved in the direction of the electrical opposite pole with the aid of the movement mechanisms in order to ignite the arc. Both AC and DC can be used.
- the arc length can be corrected using the motion echanism.
- the arc is preferably left to stand for a few minutes until, with the formation of a hot, goblet-like depression in the carbon-containing material of the crucible around the electrodes, an arc lengthening occurs automatically.
- the raw material supply of the carbon is started.
- the raw material to be evaporated is replenished from the outside from a storage vessel with a corresponding device and a charging system:
- the introduction of the raw material preferably takes place from above by trickling in or blowing in within the electrode rods, but preferably by means of a separate graphite tube to the side of one electrode rod or the electrode rods through the bore of the dome-like dome of the crucible or the opening of the casing.
- the still cold particles initially land on or in the hot dust / granulate. There they can warm up.
- Pulse-like or permanent shaking of the reactor with a conventional vibration system ensures that raw materials are transported from the edge of the crucible to the evaporation area inside the crucible. During the transport until it is brought into the chalice-like depression, to the actual evaporation area, the raw material is further preheated considerably.
- the now hot raw material thus falls permanently from all sides into the goblet-like depression of the evaporation area which is produced by the heat.
- the external, permanent quantity inflow of the carbon-containing raw material is regulated depending on the outflow quantity of carbon into the evaporation area, which is formed in the form of a hot cup-like depression, by the carbon evaporation.
- the evaporation area in the goblet-like depression must not become too hot, ie it is cooled by the permanent supply with cooler carbonaceous raw materials to be evaporated. In addition, there is also substantial cooling through the evaporation of the carbon.
- the metered, permanent supply of newly evaporated carbons not only supplies the arc, but is kept stable with a constant arc length and a constant electrode spacing, without having to re-insert the electrodes for the purpose of arc control and raw material replenishment.
- the crucible walls including the dome-like dome also have the task of reducing the flying out of hot, non-evaporated particles by bouncing off the walls. The hot, rebounded particles are again available to the evaporation process.
- the interior of the crucible gives the hot, cluster-forming gases the opportunity to stay hot longer or to cool down more slowly before they leave the crucible through the bore.
- cooling in the inert gas atmosphere must continue to take place as slowly as possible. This is made possible by a relatively long ascent path from the blue to black carbon vapors to the reactor cover before the vapors become fullerene. soot on the cooled reactor walls or be sucked off directly.
- the product that is taken out of the lower lock hopper or directly extracted is then sent to a Soxhlet extraction.
- the detached fullerenes are present as a red liquid.
- the fullerene-containing liquid is evaporated to obtain the fullerene crystals.
- the evaporated solvent is also reused as condensate.
- the remaining soot can be used again for evaporation after drying.
- FIGS. 1, 4 and 5 of the drawings are shown in FIGS. 1, 4 and 5 of the drawings and are described in more detail in the process.
- a 600 mm long, double-walled VA steel reactor with an inner diameter of 150 mm was used as the device of the process.
- a water-cooled cover which contained both a water-cooled and movable stick electrode holding system and a raw material feed pipe which is connected to a raw material silo located outside the reactor.
- a free-flowing, grit-like bulk material was used as the raw material, a grain mixture of discharge soot and graphite between 20 mm and 3 mm in diameter.
- the raw material was continuously fed into the crucible of the reactor by vibrations. The vibrations also ensured that raw materials were distributed within the crucible in the direction of the goblet-like evaporation zone.
- a funnel-shaped exit lock was located below the reactor.
- the reactor itself was a graphite crucible, 170 mm high and 110 mm outside diameter.
- the inside height was 130 mm, the inside diameter was 80 mm.
- the crucible was filled to the last 20 mm with the semolina-like bulk material.
- the height from the crucible outlet opening to the reactor cover was 300 mm.
- the reactor including the crucible with raw material was the one electrode.
- the counter electrode consisted of one Graphite rod with a diameter of 15 mm and a length of 350 m.
- the graphite rod was attached to the water-cooled and vertically movable rod electrode holding system.
- the reactor including the raw material silo was pumped empty several times with a vacuum pump to 1 mbar and then refilled with helium gas.
- a cold trap with a carbon filter was installed between the pump and the reactor.
- Helium was used as the inert gas. Pressures between 0.4 and 1 bar, preferably 1 bar, were chosen as the working pressure in the reactor.
- the arc burned a "goblet" below the graphite rod in the granular raw material lying in the crucible.
- the arc was then extended at the same time by pulling out the electrode.
- the raw material supply then started to vibrate at approx. 30-100 grams / hour in the crucible - and there directly into the "chalice".
- a comparator kept the electrical arc conditions, including the quantity of raw materials to be evaporated, constant.
- the resulting smoke must begin bluish within the smoke trail and pass black at the top if you want to get plenty of fullerenes.
- the soot already shows whether more or less fullerenes are present.
- the soot must look pitch black and adhere very loosely to the vessel walls.
- the end products which do not contain fullerene can be returned to the evaporation process as a carbon-containing raw material, which means a high level of raw material utilization.
- the electrode wear is significantly lower if the soot is produced exclusively with the raw material dust / granulate.
- the fullerene-forming evaporation can take place under normal pressure 5 in an inert gas atmosphere.
- a higher gas pressure means the presence of a higher number of noble gas molecules.
- the evaporation process is carried out by means of an electric arc, laser radiation or inductive heating in an inert atmosphere.
- the evaporation process takes place in a semi-open, high converter-like crucible, that is, within a 5 raw-like envelope.
- the carbon-containing raw material from dust or granulate can slowly heat up, i.e. an explosive heating 0 is avoided.
- the envelope 5 of the evaporation region, the crucible, located inside the reactor can additionally be surrounded by a corresponding magnetic field.
- the magnetic field system has the task of preventing the ionized, hot plasma from escaping from the envelope, ie the dwell time in a hot environment can be determined. 0 Furthermore, it is assumed that a magnetic field system has fullerene-forming properties. Drawing description
- Fig. 4 An arrangement with a double-walled reactor according to Fig. 1 and 2, wherein instead of an arc in the crucible, a plasma is generated by a laser.
- FIG. 5 An arrangement according to FIG. 4, wherein instead of a laser an inductive HF system is used, in the coils of which the crucible is arranged on the inside.
- Fig. 6 shows in addition to the arrangement of Fig. 1, 2, 4 or 5, the principle of using a Adapters for extending a reactor
- FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6 A modification of the arrangement according to FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6, wherein a crucible rotating in the sense of a rotary kiln is used, above which a suction device for removing the vaporized carbon is arranged.
- Raw material supply and evaporation system and the upper part of the reactor are otherwise to be designed analogously to FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6.
- Figure 7 further shows a smoke extraction system, i.e. The smoke does not deposit on the reactor walls, but can be suctioned off in the reactor due to the process pressures which are substantially higher here and can be fed immediately to the extraction process.
- Fig. 8 The overall procedural process of fullerene production when using the arrangement according to FIG. 7 with a smoke extraction device additionally arranged to the soot removal lock, the supply of the carbon materials, the removal of the fullerene-containing vapors and carbon blacks and the extraction of the fullerenes according to FIG. 3 as self-contained process sequence takes place.
- Figure 1 shows the reactor (1) and the arc to be ignited there between dust / granules in the crucible (1A) and represents a counter electrode formed from a graphite rod (17).
- the crucible is filled up to level H with a carbon-containing dust / granulate mixture, the graphite rod (17) forming the counter electrode to the crucible (1A), which is not electrically insulated from the reactor housing.
- the arc is located between the end of the rod-shaped counterelectrode (17) and the dust / granulate located in the crucible (1A).
- the arc is permanently filled with new raw material from dust / granulate through an upper tube coming from outside
- (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor lid tank. (18) shows the outlet valve to the lock.
- the accumulated soot containing fullerene and the non-evaporated raw material particles collect here and can be removed via a lock.
- FIG. 2 shows the basic method of arc technology between two electrodes (28, 2B) formed from graphite rods.
- the arc is located between the end of the electrode (28) projecting through an opening in a dome-like dome of the crucible (1A) and the counter electrodes (2B) located in the crucible (1A).
- the arc is permanently supplied by the supply of new raw material from dust / granulate through an upper tube (29) coming from outside into the crucible (1A), the raw material trickling between the opposite ends of these electrodes according to arrow (30).
- the structure of the reactor (1) and the crucible (1A) otherwise corresponds to that of FIG. 1, with no line for a lower raw material supply to the crucible according to line (7A) of FIG. 1.
- a connection to the reservoir of a raw material supply system is provided via the connection (5).
- FIG 2 there are (7,10) nozzles attached to the reactor.
- a sight glass is mounted on the nozzle (7).
- (6,8) are noble gas inlet and outlet openings, whereby a vacuum can also be generated via these.
- (1A) is the crucible standing on the sieve-like support (19).
- the rod-shaped electrode (28) protruding into the crucible (1A), which in turn hangs on the coolable and movable electrode suspension (14) and is fastened in the crucible (1A) and opposite it electrically non-insulated counter electrode (2B).
- (3) shows the coolant tank of the reactor cover, where (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor cover tank (3).
- (15, 16) show the inflow and outflow openings of the coolant for the electrode suspension.
- the reactor is sealed against the movable electrode suspension (14) by a seal, a sliding packing (4).
- (18) shows the outlet valve to the lock.
- the accumulated soot containing fullerene and the non-evaporated raw material particles collect here and can be removed via a lock.
- Figure 3 shows the overall procedural process as a closed process.
- (1) is the double-walled reactor in which the evaporation device with a crucible (1A) shown in FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6 is located. Carbon-containing dusts / granules are evaporated in the crucible (1A) depending on the evaporation process and refilled from the outside in accordance with each consumption quantity, see FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6.
- the resulting product is fed from the reactor (1) to the extraction system (32) via a connecting line (31).
- the extraction process dissolves the fullerenes formed and leads the solution to the stripper (34) via line (33).
- the solution is evaporated there.
- the end products of the stripper (34), the fullerenes, leave the system via the outlet line (35), while the re-liquefied solvent, preferably benzene, is fed again to the extraction system (32) via a connecting line (36).
- the products not dissolved in the extraction process go to the dryer (37) in order to make them available again as raw material for the evaporation process after drying via the line (39) leading to the reactor (1) and the connection (5).
- the solvent which has been taken out in the dryer (37) is likewise returned in the liquefied state to the extraction system (32) via the line (38) returned there for reuse.
- FIG. 4 shows the reactor (1) and crucible (1A) according to FIG. 1, where the method of laser technology using a laser cannon (40), the end of which is located above the dome-like opening of the crucible (1A), is shown.
- the crucible is filled with carbon-containing raw material to a level "h”.
- the energy of the laser beam evaporates dust / granules in the crucible (1A).
- the focal point of the laser cannon (40) is aimed at the carbon-containing raw material lying in the crucible (1A).
- the crucible filling is permanently supplied with new raw material from dust / granulate through the upper tube (2A) coming from outside into the crucible (1A).
- Via connection (5) there is a connection to the storage container of a raw material supply system.
- FIG. 5 shows the reactor (1) and crucible (1A) according to FIG. 4, but now an inductive high-frequency evaporation takes place in the crucible (1A) by means of an inductive high-frequency system (22), which is external to the crucible (1A ) is laid out around.
- the crucible is again filled to a certain level with carbon-containing raw material.
- the crucible filling is permanently supplied with new raw material from dust / granulate through the upper tube (2A) coming into the crucible (1A) from the outside.
- a connection to the reservoir of a raw material supply system is provided via the connection (5).
- FIG. 5 there are (7,10) nozzles attached to the reactor.
- At the Socket (7) is fitted with a sight glass.
- (6,8) are noble gas inlet and outlet openings, whereby a vacuum can also be generated via these.
- (1A) is the crucible standing on a sieve-like support (19).
- the inductive high-frequency system is located around the crucible (1A).
- (3) shows the coolant tank of the reactor cover, where (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor cover tank (3).
- Figure 6 shows the same double-walled reactor (1) and crucible (1A) as Figure 5.
- the principle of the adapter (21) for the extension of the reactor (1) is shown, so that a sufficiently dimensioned path for the carbon-containing vapors and soot can be specified until these are deposited on the reactor cover.
- FIG. 7 shows a modification of the reactor (1) and arrangement of the crucible (1A) according to the previous exemplary embodiments.
- the energy and raw material feeds are carried out analogously to those of FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6.
- the crucible (1A) is rotatably supported relative to the housing of the reactor (1) by means of a crucible holder system (24). During the evaporation of the raw material, it can thus be either standing, that is stationary, or rotating as shown in the drawing in the three evaporation methods described his.
- Fallen soot that has fallen down and raw material particles that have not evaporated collect additionally in the lock (18) and can be removed here.
- FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6. show the inlet and outlet openings of the coolant for the rotatable crucible holder system (24).
- FIG. 8 shows, like FIG. 3, the overall procedural process as a closed process when using the device according to FIG. 7.
- (1) is the double-walled reactor in which the evaporation device with a crucible (1A) shown in FIGS. 1, 2, 4, 5, 6 and 7 is located. Carbon-containing dusts / granules are evaporated in the crucible (1A) depending on the evaporation method and refilled from the outside in accordance with the amount consumed (see FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6). The fullerene-containing components are now discharged at two different points via the suction device (23) and the lock outlet valve (18). Connecting lines (31, 42) to the extraction system (32) are connected to the side and below the reactor.
- the connecting lines (31, 42) open into a common seed connecting line (43), with which the resulting product from the reactor (1) is fed to the extraction system (32) according to FIG. 3.
- the extraction process dissolves the fullerenes formed and leads the solution to the stripper (34) via line (33).
- the solution is evaporated there.
- End products of the stripper (34), the fullerenes leave the system via the outlet line (35), while the liquefied solvent, preferably benzene, is fed again to the extraction system (32) via a connecting line (36).
- the products not dissolved in the extraction process go to the dryer (37) in order to make them available again as raw material for the evaporation process after drying via the line (39) leading to the reactor (1).
- the solvent which has been taken out in the dryer (37) is likewise returned in the liquefied state to the extraction system (32) via the line (38) returned there for reuse.
- FIG. 1 7A raw material feed from below, FIG. 1
- FIG. 16 water inlet of the movable electrode holder 17 graphite electrode (s), FIG. 1
- FIG. 1 Inflow opening for coolant of the rotatable crucible holder system 27 Cup-shaped depression in the carbon-containing raw material of the crucible, FIG. 1
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Abstract
Description
Bezeichnung: Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Name: Process for the production of carbon
Fullerenen aus kohlenstoffhaltigen festen Rohstoffen und Vorrichtung dazu.Fullerenes from carbon-containing solid raw materials and device for this.
Technisches GebietTechnical field
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen durch Erhitzung und Verdampfung von kohlenstoffhaltigem Material unter inerter Edelgas-Atmosphäre in einem Reaktor, welches von außerhalb des Reaktors zugeführt wird und von unzulässigen Stickstoff-, Sauerstoff-, Wasserstoff-, Wasserdampf- oder anderen reaktiven Gaskomponenten oder Anlagerungen befreit ist und welches auf die in einem elektrischen Lichtbogen, einem induktiven Hochfrequenzfeld oder einem auftreffenden Laserstrahl erzeugte Verdampfungstemperatur erhitzt wird, sowie unter Bildung von Kohlenstoff-Cluster und von Fullerene enthaltender Ruße und/oder Kohlenstoffdämpfe, insbesondere von Buckminster-Fullerenen, durch Abkühlung und Kondensation von Kohlenstoff des gebildeten Kohlen¬ stoffplasmas. Die Erfindung betrifft ferner eine Vor¬ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The present invention relates to a process for the production of carbon fullerenes by heating and evaporating carbon-containing material under an inert inert gas atmosphere in a reactor which is supplied from outside the reactor and from inadmissible nitrogen, oxygen, hydrogen, water vapor - or other reactive gas components or deposits are exempted and which is heated to the vaporization temperature generated in an electric arc, an inductive high-frequency field or an incident laser beam, and with the formation of carbon clusters and soot and / or carbon vapors containing fullerenes, in particular Buckminster fullerenes, by cooling and condensing carbon of the carbon plasma formed. The invention further relates to a device for performing this method.
Stand der TechnikState of the art
Ein derartiges Verfahren unter Verwendung eines gepulsten Lasers zur Verdampfung von Graphit ist nach Smalley bekannt. Es wird ein Cluster-Strahl-Generator verwendet, in welchem eine rotierende Graphitscheibe angelegt ist, auf welche von oben ein fokusierter Laserstrahl geführt ist. Der sich bildende Kohlenstoffdampf wird dabei von einem vorübergeleiteten Heliumstrom mitgerissen und bildet bei der Expansion ins Vakuum einen Teilchenstrahl.Such a method using a pulsed laser for the vaporization of graphite is known from Smalley. A cluster beam generator is used, in which a rotating graphite disc is placed, onto which a focused laser beam is guided. The carbon vapor that is formed is entrained by a helium stream that passes by and forms a particle beam when expanded into a vacuum.
Dabei kühlen die Atome ab und kondensieren unter Bildung von Kohlenstoff-Buckmisterfullerenen und anderen Fulleren- Strukturen (Spektrum der Wissenschaft, Dez. 1991, S. 80- 98).The atoms cool down and condense to form carbon Buckmisterfullerenes and other fullerene structures (Spektrum der Wissenschaft, Dec. 1991, pp. 80-98).
Des weiteren ist eine Apparatur nach Krätschmer und Huffmann bekannt, wo sich durch Verdampfen von Graphit im elektrischen Lichtbogen Fullerene in makroskopischen Mengen erzeugen lassen. Als Elektroden dienen dabei Graphitstäbe, welche mit einer Gewindemechanik zur Stab¬ nachführung versehen sind. In der Nähe des Lichtbogens wird dabei der verdampfende Kohlenstoff gehalten, wobei die Atome sich zu Molekülen schließen und Kohlenstoff- Buckminsterfullerene bilden. Im Gegensatz zur Fulleren- bildung unter Verdampfung von Kohlenstoff und an¬ schließender spontaner Kondensation hat man auch versucht, Cluster aus Kohlenstoffatomen rußiger Kohlenwasserstoff- Flammen zu bilden. Dieses Verfahren ist allerdings lediglich zur Bildung von Kohlenstoff-Buckminster- fullerenen als Zufallsprodukt geeignet.Furthermore, an apparatus according to Krätschmer and Huffmann is known, where fullerenes can be produced in macroscopic amounts by evaporating graphite in an electric arc. Graphite rods, which are provided with a thread mechanism for rod tracking, serve as electrodes. The evaporating carbon is held near the arc, with the atoms forming molecules and forming carbon Buckminsterfullerenes. In contrast to fullerene formation under the evaporation of carbon and subsequent spontaneous condensation, attempts have also been made to form clusters of carbon atoms from sooty hydrocarbon To form flames. However, this process is only suitable for the formation of carbon Buckminster fullerenes as a random product.
Dagegen ist die Apparatur nach Krätschmer und Huffmann zur Bildung von Fullerenen in makroskopischen Mengen geeignet. Diese bekannten Verfahren und Apparaturen sind dabei insgesamt zur Herstellung von Kohlenstoff-Buckminster- fullerenen teuer, wobei eine hohe elektrische Leistung zur Bildung kleinster makroskopischer Fullerenmengen benötigt wird. Da eine hohe Verdampfungstemperatur erreicht werden muß, erfolgt der Verdampfungsprozeß direkt in einem elektrischen Lichtbogen durch Verdampfung der verwendeten Kohlenstoffelektroden selbst. Auch bei den bekannten Verfahren zur Erzeugung der Verdampfungsenergie des Kohlenstoffes durch Fokusierung eines Laserstrahles oder ddurch die Einstrahlung eines induktiven Hochfrequenz- Feldes wird dabei der Kohlenstoff jeweils in Form von kohlenstoffhaltigen Stäben und Würfeln aus Graphiten und dgl. in den Reaktor eingebracht.In contrast, the Krätschmer and Huffmann apparatus is suitable for the formation of fullerenes in macroscopic amounts. These known methods and apparatuses are expensive overall for the production of carbon Buckminster fullerenes, a high electrical output being required to form the smallest macroscopic amounts of fullerene. Since a high evaporation temperature must be reached, the evaporation process takes place directly in an electric arc by evaporation of the carbon electrodes used themselves. Also in the known methods for generating the evaporation energy of the carbon by focusing a laser beam or by irradiating an inductive high-frequency field, the Carbon is introduced into the reactor in the form of carbon-containing rods and cubes made of graphite and the like.
Derartige stab- und würfelähnliche Materialien wie auch die für Lichtbögen zu verwendenden Graphitelektroden sind durch ihre Herstellung teure Rohstoffe, da diese in einem speziellen Verfahren unter Beifügung geeigneter Mengen von Bindemitteln gepreßt und anschließend getempert werden müssen. Im Verdampfungsverfahren müssen die Stäbe, Würfel, Platten etc. dabei jeweils unter dem Brennpunkt der Laserstrahlung entlang geführt, durch das induktive Hochfrequenzfeld verschoben oder als Elektroden zur Bildung eines Lichtbogens nachgeschoben werden. Das Abdampfen der Elektodenspitzen innerhalb eines Lichtbogens erfordert zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens eine Elektrodenführung mit Hilfe eines Schraub- oder Ver- schiebemechanismusses, der eine geeignete Nachstellung des Elektrodenabstandes erlaubt.Such rod-like and cube-like materials as well as the graphite electrodes to be used for arcing are expensive raw materials due to their production, since these have to be pressed in a special process with the addition of suitable amounts of binders and then tempered. In the evaporation process, the rods, cubes, plates etc. must each be guided under the focal point of the laser radiation, shifted through the inductive high-frequency field or pushed in as electrodes to form an arc. Evaporation of the electrode tips within an arc requires one to maintain the arc Electrode guide with the help of a screw or slide mechanism, which allows a suitable adjustment of the electrode distance.
Die bisher verwendeten Reaktoren sind insofern im Aufbau und im Unterhalt teuer, da eine kontinuierlicche Kohlen¬ stoff-Verdampfung und Kondensation zur Bildung von Kohlenstoff-Buckminsterfullerenen über einen längeren Zeitraum nur mit einem hohen apparativen Aufwand erfolgen kann. Berücksichtigt man außerdem noch die Notwendigkeit eines Vakuums bzw. niedriger Drücke, kommen weitere Probleme hinzu.The reactors used hitherto are expensive to set up and maintain, since continuous carbon evaporation and condensation for the formation of carbon Buckminsterfullerenes can only be carried out over a longer period of time with a high outlay on equipment. If one also takes into account the need for a vacuum or low pressures, there are further problems.
Aufgabe und LösungTask and solution
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und die danach bekannten Vorrichtungen zur Produktion von Kohlen¬ stoff-Buckminsterfullerenen und anderen Fullerenen derart zu verbessern, daß die genannten Nachteile weitgehend vermieden werden. Es soll dabei insbesondere eine konti¬ nuierliche Produktion von fullerenhaltigen Rußen oder Dämpfen in großen Mengen möglichst mit einem Anteil von Buckminster-Fullerenen möglich sein. Diese soll dabei verfahrenstechnisch möglichst einfach und billig sein.The present invention is therefore based on the object of improving a method of the type mentioned at the outset and the devices known thereafter for the production of carbon Buckminsterfullerenes and other fullerenes in such a way that the disadvantages mentioned are largely avoided. In particular, continuous production of carbon blacks or vapors containing fullerenes in large quantities should be possible with a proportion of Buckminster fullerenes. In terms of process technology, this should be as simple and cheap as possible.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch gelöst. Die vorteilhafte Ausführung des Verfahrens ergibt sich dabei aus den Unteransprüchen. Das Verfahren der eingangs genannten Art ist insofern insbesondere derart weitergebildet, daß unmittelbar im elektrischen Licht¬ bogen, im Brennpunkt eines Laserstrahles oder im induk¬ tiven Hochfrequenzfeld innerhalb eines von außen durch Hereindrücken (Pressen), durch Hereinblasen mit inerten Trägergasen, durch Hereinrieseln oder durch Hereinrütteln mit kohlenstoffhaltigen festen Rohmaterialien in Form von Stäuben, Granulaten, körnige Stoffen oder Gemischen gefüllten Tiegels oder einer diese Rohmaterialien ent¬ haltenden rohrartigen Umhüllung diese durch Vibrationen, Rütteln, Drehen des Tiegels oder der Umhüllung oder durch Hereinblasen von inerten Wirbelgasen in die Tiegelfüllung dem Verdampfungsgebiet zugeführt werden und unter Erhöhung der Verweilzeit und gleichzeitiger Kühlung des Ver¬ dampfungsgebietes verdampfen. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist dabei eine Vorrichtung gemäß Anspruch 37 vorgesehen, welche gemäß den Ansprüchen 39 - 46 ausgebil¬ det ist.This object is achieved by a method according to the main claim. The advantageous embodiment of the method results from the subclaims. The method of the type mentioned at the outset is further developed in such a way that directly in the electric arc, in the focal point of a laser beam or in the inductive high-frequency field within one from the outside Pressing in (by pressing), by blowing in with inert carrier gases, by trickling in or by shaking in with carbon-containing solid raw materials in the form of dusts, granules, granular substances or mixtures of filled crucibles or a tubular casing containing these raw materials by vibrations, shaking, rotating Crucible or the envelope or by blowing inert inert gas into the crucible filling are fed to the evaporation area and evaporate while increasing the residence time and simultaneously cooling the evaporation area. To carry out this method, a device is provided according to claim 37, which is designed according to claims 39-46.
Als Reaktor zum Verdampfen des Kohlenstoffes und zur Kondensation der fullerenhaltigen Dämpfe dient eine aus einem temperaturbeständigen Material, vorzugsweise eine aus VA-Stahl bestehende, doppelwandige Stahlröhre mit verschiedenen für die Montage erforderlichen Flanschen und Stutzen. Die Doppelwandigkeit des Reaktors ist aus Gründen der Kühlmöglichkeit notwendig. Der Reaktor wird vorzugs¬ weise senkrecht stehend, kann aber auch in der Waage¬ rechten oder in allen anderen Stellungen mit anders angeordneten Stutzen montiert und betrieben werden. Vgl. Figur 1,2,4,5 und 6.As a reactor for evaporating the carbon and for condensing the vapors containing fullerene, a double-walled steel tube made of a temperature-resistant material, preferably a VA steel, with various flanges and nozzles required for assembly is used. The double-walled reactor is necessary for reasons of cooling. The reactor is preferably upright, but can also be installed and operated in the horizontal position or in all other positions with nozzles arranged differently. See Figures 1,2,4,5 and 6.
Im Innern des Reaktors wird im unteren Bereich eine Halterung zwecks Befestigungsmöglichkeit eines Tiegels oder Umhüllung, in welchem die Kohlenstoffverdampfung stattfindet, montiert. Der Tiegel besteht aus einem hochfeuerfesten, temperaturwechselbeständigen und elek¬ trisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Graphit, und kann sowohl mit kohlenstoffhaltigen (Kohle, Kokskohle, Graphit, Holz- und Braunkohlenkoks, Abfallprodukten aus der Äthylenherstellung, graphitiertem Ruß, insbesondere solchen nach der Fullerenextraktion etc.) Stäuben, Granulaten als auch mit einem Gemisch daraus, vorzugsweise mit dem gleichen kohlenstoffhaltigen Material, welches auch als Rohstoff permanent zugeführt und verdampft werden soll, gefüllt werden.In the interior of the reactor, a holder is mounted in the lower area for the purpose of fastening a crucible or casing in which the carbon vaporization takes place. The crucible consists of a highly refractory, temperature change-resistant and electrically conductive material, preferably of graphite, and can both with carbon-containing (coal, coking coal, graphite, wood and brown coal coke, waste products from ethylene production, graphitized carbon black, especially those after fullerene extraction etc.) dusts, granules as well as with a mixture thereof, preferably with the same carbon-containing material, which also as a raw material to be continuously supplied and evaporated.
Der Tiegel wird vorzugsweise nach oben wie eine domartige Kuppel geschlossen. In der Mitte der Kuppel befindet sich eine ausreichend große Bohrung. Die Bohrung hat im Falle des Lichtbogens die Aufgabe, sowohl mehrere als auch nur einen Elektrodenstab mit Hilfe eines Bewegungsmechanis- musses berührungsfrei hin- und herbewegen zu können. Im Falle von Laserstrahlen ist der ungehinderte Strahlen¬ eintritt zu gewährleisten. Zusätzlich wird durch die Bohrung ein Beschickungsrohr für die Rohstoffzufuhr, vorzugsweise aus Graphit installiert. Die Rohstoffzufuhr erfolgt von außen durch ein handelsübliches Beschickungs¬ system aus einem Vorratsgefäß.The crucible is preferably closed at the top like a dome-like dome. There is a sufficiently large hole in the middle of the dome. In the event of an arc, the bore has the task of being able to move both several and only one electrode rod back and forth without contact using a movement mechanism. In the case of laser beams, the unimpeded entry of the beam must be ensured. In addition, a feed pipe for the raw material supply, preferably made of graphite, is installed through the bore. The raw material is supplied from the outside by means of a commercially available loading system from a storage vessel.
Im Bereich der Oberkante, dem Bereich der Austrittsöffnung des Tiegels, wird ein Schauglas an einen Reaktorstutzen befestigt. In gleicher Höhe befindet sich auf der anderen, gegenüberliegenden Seite ein Montagestutzen, der, falls der Reaktor in Betrieb geht, mit einem Blinddeckel verschlossen wird. Im unteren Bereich des Reaktors befindet sich eine trichterförmig auslaufende Schleuse zum Sammeln und Herausholen des Rußes.In the area of the upper edge, the area of the outlet opening of the crucible, a sight glass is attached to a reactor nozzle. At the same height, on the other, opposite side, there is an assembly socket which, if the reactor is put into operation, is closed with a blind cover. In the lower area of the reactor there is a funnel-shaped sluice for collecting and removing the soot.
Das Bewegungssystem, auf dem die Elektrodenstäbe oder der eine Elektrodenstab befestigt sind, wird vorzugsweise mit einem separaten Kühlsystem ausgestattet, um im Bereich der Abdichtung keine Hitzeprobleme zu erhalten. Das Bewegungssystem wird zusätzlich zum Reaktor elektrisch isoliert installiert. Das Bewegungssystem ist Stand der Technik.The movement system on which the electrode rods or the one electrode rod are attached is preferably included equipped with a separate cooling system to avoid heat problems in the area of the seal. The motion system is installed in an electrically insulated manner in addition to the reactor. The movement system is state of the art.
Wahlweise kann der Tiegel mit einer kühlbaren Vorrichtung, vorzugsweise mit einer wassergekühlten VA-Stahlrohr¬ schlange umhüllt werden, um an der Außenseite der Um- hüllung ein Magnetfeldsystem installieren zu können. Das Magnetfeldsystem hat die Aufgabe, das ionisierte, heiße Plasma am Austritt aus dem Tiegel zusätzlich zu behindern. Weiterhin wird vermutet, daß das Magnetfeld-System noch nicht erklärbare, fullerenbildende Eigenschaften hat.The crucible can optionally be encased with a coolable device, preferably with a water-cooled stainless steel tubular coil, in order to be able to install a magnetic field system on the outside of the encasement. The magnetic field system has the task of additionally preventing the ionized, hot plasma from escaping from the crucible. Furthermore, it is assumed that the magnetic field system has not yet explainable, fullerene-forming properties.
Das hier dargestellte Verfahrensprinzip kann beliebig oft als Multiplikator innerhalb eines Gesamtreaktors mit mehreren Tiegeln oder Umhüllungen realisiert werden, um entsprechende Rohstoffdurchsätze zu ermöglichen.The principle of the method shown here can be implemented as often as a multiplier within an overall reactor with several crucibles or casings in order to enable corresponding raw material throughputs.
Der Verdampfungsprozeß kann zwischen 50 mbar und mehreren bar Überdruck, vorzugsweise unter Normaldruck (1 bar), sowohl an der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Tiegel¬ füllung als auch tief in der kohlenstoffhaltigen Tiegel- füllung mittels Laserstrahlen, induktiver Hochfrequenzer¬ hitzung oder vorzugsweise mittels Lichtbogen in inerter Edelgasatmosphäre durchgeführt werden.The evaporation process can be between 50 mbar and several bar overpressure, preferably under normal pressure (1 bar), both on the surface of the carbon-containing crucible filling and deep in the carbon-containing crucible filling by means of laser beams, inductive high-frequency heating or preferably by means of an inert arc Noble gas atmosphere can be carried out.
Die Verdampfung kann dabei in einem Lichtbogen (Figur 1,2) erfolgen, indem der Lichtbogen im Tiegel sowohl auf der Oberfläche des Staub/Granulates als auch im Staub/Granulat eingetaucht oder zwischen zwei Elektrodenstäben wie folgt erzeugt wird. Mit einem stabförmigen, oberen elektrischen Pol aus einer Elektrode oder mehreren Elektroden, vorzugsweise aus einem Graphitstab, - und mit einem unteren elek¬ trischen Gegenpol aus dem aufgenommenen staub- und granulatartigen, kohlenstoffhaltigen Rohstoff im Tiegel oder vgl. Figur 1.The evaporation can take place in an arc (FIG. 1, 2) by immersing the arc in the crucible both on the surface of the dust / granulate and in the dust / granulate or between two electrode rods as follows. With a rod-shaped, upper electrical pole from an electrode or a plurality of electrodes, preferably from a graphite rod, and with a lower electrical counter pole from the dust and granule-like, carbon-containing raw material received in the crucible or cf. Figure 1
Wesentlich bei diesem Verfahren mit nur einem Elek¬ trodenstab als elektrischen Gegenpol ist u.a.,What is important in this method with only one electrode rod as the electrical counter pole is, inter alia,
*daß nicht Elektrodenstäbe zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern die Staub/Granu¬ latzufuhr den Lichtbogen zwischen der Stabelektrode und der Oberfläche aus Staub/Granulat aufrecht erhält, wobei vorzugsweise* that electrode rods do not have to be pushed in for the supply of raw materials, but the dust / granulate supply maintains the arc between the stick electrode and the surface of dust / granulate, preferably
*die nicht fullerenhaltigen Endprodukte nach der Extraktion und Trocknungsaufbereitung dem Ver¬ dampfungsprozeß erneut als kohlenstoffhaltiger Rohstoff zugeführt werden, um eine hohe Rohstoffaus- beute zu erreichen.* The end products which do not contain fullerene, after extraction and preparation for drying, are returned to the evaporation process as a carbon-containing raw material in order to achieve a high raw material yield.
b) Mit einem stabförmigen elektrischen Pol aus einer Elektrode oder mehreren Elektroden, vorzugsweise aus einem Graphitstab,- und mit dem elektrischen Gegenpol aus ebenfalls einer oder mehreren stabförmigen Elektroden, vorzugsweise aus einem Graphitstab-. In diesem Fall wird der kohlenstoffhaltige Rohstoff zwischen die Elektroden in den Lichtbogen hineinbe¬ fördert, vorzugsweise mit einem Edelgas hineinge- blasen, vgl. Figur 2.b) With a rod-shaped electrical pole from an electrode or a plurality of electrodes, preferably from a graphite rod, and with the electrical opposite pole from one or more rod-shaped electrodes, preferably from a graphite rod. In this case, the carbon-containing raw material is conveyed into the arc between the electrodes, preferably blown in with an inert gas, cf. Figure 2.
Wesentlich bei diesem Verfahren mit zwei stabförmigen Elektroden als elektrische Gegenpole ist u.a., «'daß nicht Elektrodenstäbe zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern die Staub/- Granulatzufuhr den Lichtbogen zwischen der Stabelek¬ trode und der Oberfläche aus Staub/Granulat aufrecht erhält und vorzugsweiseIt is essential in this method with two rod-shaped electrodes as electrical counterpoles that "'That electrode rods do not have to be pushed in for the supply of raw materials, but rather the dust / granulate supply maintains the arc between the rod electrode and the surface made of dust / granulate and preferably
*die nicht fullerenhaltigen Endprodukte nach der Extraktion und Trocknungsaufbereitung dem Ver¬ dampfungsprozeß erneut als kohlenstoffhaltiger Rohstoff zugeführt werden, um eine hohe Rohstoffaus¬ beute zu erreichen.* The end products which do not contain fullerene are re-fed to the evaporation process as a carbon-containing raw material after the extraction and drying preparation in order to achieve a high raw material yield.
c) wobei in a) und b) Gleichstrom (das zu verdampfende Material erhält den Pluspol) oder Wechselstrom verwendet werden kann.c) where in a) and b) direct current (the material to be evaporated receives the positive pole) or alternating current can be used.
Im Tiegel bildet sich an der Staub/Granulat-Oberfläche eine kelchartige Vertiefung im Bereich des Lichtbogens, die permanent mit neuem kohlenstoffhaltigen Rohstoff aus Staub/Granulat durch ein von außen kommendes Rohr in den Tiegel versorgt wird. Ähnliches passiert, wenn eine Verdampfung mittels Lasertechnik (Figur 4) durchgeführt wird. Die Laserstrahlen verdampfen die im Tiegel vor- handenen Teilchen an der Oberfläche und gehen immer weiter in die Tiefe hinein, so daß sich auch hier eine kelch¬ artige Vertiefung bildet. Wesentlich bei diesem Verfahren mit Lasertechnik ist u.a., daß nicht monolithe Festkörper zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern lediglich Staub/Granulat.In the crucible, a goblet-like depression forms in the area of the arc on the dust / granulate surface, which is permanently supplied with new carbon-containing raw material from dust / granulate through a tube coming from the outside into the crucible. The same thing happens when evaporation is carried out using laser technology (FIG. 4). The laser beams evaporate the particles present in the crucible on the surface and go deeper and deeper, so that a goblet-like depression is also formed here. It is important in this process with laser technology, among other things, that monolithic solids do not have to be replenished in order to supply raw materials, but only dust / granules.
Schließlich ist auch eine Verdampfung in einem induktiven Hochfrequenzfeld möglich. Die induktive Hochfrequenz- technik verdampft die im Tiegel vorhandenen Teilchen von der Mitte nach außen. Die im Tiegel fehlende Menge wird permanent mit neuem Rohstoff aus Staub/Granulat durch ein von außen kommendes Rohr in den Tiegel versorgt. Wesent- lieh bei diesem Verfahren mit einem induktiven Hoch¬ frequenzfeld ist u.a., daß nicht monolithe Festkörper zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern lediglich Staub/Granulat.Finally, evaporation in an inductive high-frequency field is also possible. The inductive high frequency technology evaporates the particles present in the crucible from the center to the outside. The amount missing in the crucible is permanently supplied with new raw material from dust / granulate through a pipe coming from the outside into the crucible. It is important in this process with an inductive high-frequency field that, among other things, it is not monolithic solids which have to be replenished in order to supply raw materials, but only dust / granules.
Bei den oben genannten Verfahren erfolgt erstmals die Verwendung einer anderen Rohstoff-Struktur. Statt kohlen¬ stoffhaltige STÄBE, WÜRFEL o.a. werden jetzt die eigent¬ lichen Rohstoffe, nämlich kohlenstoffhaltige Stäube oder Granulate aus Graphit, Kohle etc. verwendet. Die Korn- Struktur kann fein- bis grobkörnig sein.In the above-mentioned processes, a different raw material structure is used for the first time. Instead of carbon-containing rods, cubes or similar the actual raw materials, namely carbon-containing dusts or granules of graphite, coal, etc. are now used. The grain structure can be fine to coarse.
Die fullerenbildende Verdampfung wird dadurch nicht nur wesentlich preiswerter, sondern auch einfacher.The fullerene-forming evaporation is not only much cheaper, but also easier.
Eine wesentliche Voraussetzung ist, daß die Rohstoffe frei von adsorbiertem Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und insbesondere frei von Wasserdampf sind, um im Reaktorraum die Fullerenbildung durch die Anwesenheit dieser Gase nicht zu verhindern bzw. zu behindern. Dazu müssen die kohlenstoffhaltigen Rohstoffe aus Staub oder Granulat zuvor bei vorzugsweise ca. 2.200 °C entgast werden. Sauerstoff entweicht bis ca. 1.700 C, Wasserstoff bis ca. 2.000 °C und Stickstoff bis ca. 2.150 °C.An essential prerequisite is that the raw materials are free of adsorbed nitrogen, oxygen, hydrogen and in particular free of water vapor, so as not to prevent or hinder fullerene formation in the reactor space due to the presence of these gases. For this purpose, the carbonaceous raw materials from dust or granulate must first be degassed at approximately 2,200 ° C. Oxygen escapes up to approx. 1,700 C, hydrogen up to approx. 2,000 ° C and nitrogen up to approx. 2,150 ° C.
Zum Verfahren, der prinzipiellen Vorgehensweise und der bevorzugten Ausführungsform des VerfahrensAbout the process, the basic procedure and the preferred embodiment of the process
Der Innenraum des auf Dichtigkeit geprüften Reaktors wird über eine Vacuumpumpe mehrmals evakuiert und mit Edel- gasen, vorzugsweise mit Helium oder Argon gespült, um unerwünschte Restgase wie Sauerstoff, Wasserdampf etc. zu eliminieren.The interior of the leak-tested reactor is evacuated several times using a vacuum pump and gases, preferably flushed with helium or argon, in order to eliminate unwanted residual gases such as oxygen, water vapor etc.
Danach wird ein Edelgasdruck von vorzugsweise 1 bar eingestellt. Der Druck kann aber auch im Bereich von wenigen mbar bis zu mehreren bar liegen.Then an inert gas pressure of preferably 1 bar is set. However, the pressure can also range from a few mbar to several bar.
Anschließend werden die Kühlkreisläufe, vorzugsweise Wasserkreisläufe gestartet.The cooling circuits, preferably water circuits, are then started.
Bei Verwendung der Lichtbogentechnik fährt man nach Zuschaltung des Stromes von vorzugsweise mehr als 200 Ampere und 20 - 60 Volt mit Hilfe der Bewegungsmechanismen die Elektroden in Richtung elektrischen Gegenpol, um den Lichtbogen zu zünden. Es kann sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom verwendet werden.When using the arc technology, after switching on the current of preferably more than 200 amperes and 20-60 volts, the electrodes are moved in the direction of the electrical opposite pole with the aid of the movement mechanisms in order to ignite the arc. Both AC and DC can be used.
Nach Zündung des Lichtbogens kann mit Hilfe des Bewegungs- echanismusses die Lichtbogenlänge korrigiert werden. Vorzugsweise läßt man den Lichtbogen für wenige Minuten solange stehen, bis sich mit Bildung einer heißen, kelchartigen Vertiefung im kohlenstoffhaltigen Materials des Tiegels um die Elektroden von selbst eine Lichtbogen¬ verlängerung ergibt.After the arc has been ignited, the arc length can be corrected using the motion echanism. The arc is preferably left to stand for a few minutes until, with the formation of a hot, goblet-like depression in the carbon-containing material of the crucible around the electrodes, an arc lengthening occurs automatically.
Anschließend wird die Rohstoffzufuhr des Kohlenstoffes in Gang gesetzt. Der Nachschub von zu verdampfenden Roh¬ material erfolgt von außen aus einem Vorratsgefäß mit einer entsprechenden Vorrichtung und einem Beschickungs- system:Then the raw material supply of the carbon is started. The raw material to be evaporated is replenished from the outside from a storage vessel with a corresponding device and a charging system:
1. Von außen unten oder von der Seite (durch Hereindrücken) . 2. Von der Seite (durch Hereindrücken oder Hereinblasen).1. From the bottom outside or from the side (by pushing in). 2. From the side (by pushing in or blowing in).
3. Vorzugsweise findet das Hereinbringen des Rohstoffes von oben durch ein Hereinrieseln oder ein Hereinblasen innerhalb der Elektrodenstäbe, vorzugsweise aber durch ein separates Graphitrohr seitlich des einen Elek¬ trodenstabes oder der Elektrodenstäbe durch die Bohrung der domartigen Kuppel des Tiegels oder der Öffnung der Umhüllung statt.3. The introduction of the raw material preferably takes place from above by trickling in or blowing in within the electrode rods, but preferably by means of a separate graphite tube to the side of one electrode rod or the electrode rods through the bore of the dome-like dome of the crucible or the opening of the casing.
Die noch kalten Partikel landen zunächst auf oder im heißen Staub/Granulat. Dort können sie sich erwärmen. Ein impulsartiges oder permantes Rütteln des Reaktors mit einem üblichen Vibrationssystem gewährleistet innerhalb des Tiegels den Rohstofftransport vom Tiegelrand zum Verdampfungsgebiet. Während des Transportes bis zum Hereinbringen in die kelchartige Vertiefung, zum eigent¬ lichen Verdampfungsgebiet, findet eine weitere erhebliche Vorerwärmung des Rohstoffes statt.The still cold particles initially land on or in the hot dust / granulate. There they can warm up. Pulse-like or permanent shaking of the reactor with a conventional vibration system ensures that raw materials are transported from the edge of the crucible to the evaporation area inside the crucible. During the transport until it is brought into the chalice-like depression, to the actual evaporation area, the raw material is further preheated considerably.
Der jetzt heiße Rohstoff fällt somit permanent von allen Seiten in die von der Hitze erzeugte kelchartige Ver¬ tiefung des Verdampfungsgebietes hinein.The now hot raw material thus falls permanently from all sides into the goblet-like depression of the evaporation area which is produced by the heat.
Es zeigt sich, daß drei Gleichgewichte für eine konti¬ nuierliche, fullerenhaltige Rußproduktion zu beachten sind:It turns out that three equilibria have to be considered for a continuous, fullerene-containing soot production:
1. Der äußere, permanente Mengenzufluß des kohlenstoff¬ haltigen Rohstoffes wird in Abhängigkeit der Abfluß- menge von Kohlenstoff in das - in Form einer heißen kelchartigen Vertiefung ausgebildete - Verdampfungs¬ gebiet durch die Kohlenstoffverdampfung geregelt. Das Verdampfungsgebiet in der kelchartigen Vertiefung darf nicht zu heiß werden, d.h. es wird durch die permanente Zufuhr mit kühleren, zu verdampfenden kohlenstoffhaltigen Rohstoffen gekühlt. Zusätzlich erfolgt auch eine wesentliche Kühlung durch die Verdampfung des Kohlenstoffes.1. The external, permanent quantity inflow of the carbon-containing raw material is regulated depending on the outflow quantity of carbon into the evaporation area, which is formed in the form of a hot cup-like depression, by the carbon evaporation. The evaporation area in the goblet-like depression must not become too hot, ie it is cooled by the permanent supply with cooler carbonaceous raw materials to be evaporated. In addition, there is also substantial cooling through the evaporation of the carbon.
3. Bei Verwendung der Lichtbogentechnik wird durch die dosierte, permanente Zufuhr neu zu verdampfender Kohlenstoffe nicht nur der Lichtbogen versorgt, sondern wird mit einer konstanten Lichtbogenlänge und einem konstanten Elektrodenabstand stabil gehalten, ohne die Elektroden zwecks Lichtbogenregelung und Rohstoffnach- schub nachschieben zu müssen.3. When using the arc technology, the metered, permanent supply of newly evaporated carbons not only supplies the arc, but is kept stable with a constant arc length and a constant electrode spacing, without having to re-insert the electrodes for the purpose of arc control and raw material replenishment.
Die Tiegelwände einschließlich der domartigen Kuppel haben weiterhin die Aufgabe, das Herausfliegen von heißen, nicht verdampften Partikeln durch ein Abprallen an den Wänden zu reduzieren. Die heißen, zurückgeprallten Partikel stehen dem Verdampfungsprozeß somit erneut zur Verfügung.The crucible walls including the dome-like dome also have the task of reducing the flying out of hot, non-evaporated particles by bouncing off the walls. The hot, rebounded particles are again available to the evaporation process.
Gleichzeitig gibt der Innenraum des Tiegels den heißen, clusterbildenden Gasen die Möglichkeit, länger heiß zu bleiben bzw. sich langsamer abkühlen zu können, bevor sie den Tiegel durch die Bohrung verlassen. Beim Aufstieg der heißen Gase in Richtung Reaktordeckel muß die Abkühlung in Edelgasatmosphäre weiterhin möglichst langsam stattfinden. Dies wird durch einen relativ langen Aufstiegsweg der blauen bis schwarzen Kohlenstoffdämpfe bis zum Reaktor¬ deckel ermöglicht, bevor sich die Dämpfe als fulleren- haltigen Ruß an den gekühlten Reaktorwänden niederschlagen oder direkt abgesaugt werden.At the same time, the interior of the crucible gives the hot, cluster-forming gases the opportunity to stay hot longer or to cool down more slowly before they leave the crucible through the bore. When the hot gases rise towards the reactor cover, cooling in the inert gas atmosphere must continue to take place as slowly as possible. This is made possible by a relatively long ascent path from the blue to black carbon vapors to the reactor cover before the vapors become fullerene. soot on the cooled reactor walls or be sucked off directly.
Die sich dort bildenden fullerenhaltigen und lockeren Ruße fallen nach Ereichung einer dickeren Schicht gemeinsam mit den aus dem Verdampfungsraum herausfliegenden, nicht verdampften Rohstoffpartikeln in den unteren Schleusen¬ trichter.The fullerene-containing and loose carbon blacks that form there fall after reaching a thicker layer together with the non-evaporated raw material particles flying out of the evaporation space into the lower lock hopper.
Das aus dem unteren Schleusentrichter herausgeholte oder direkt abgesaugte Produkt wird anschließend einer Soxhlet- extraktion zugeführt.The product that is taken out of the lower lock hopper or directly extracted is then sent to a Soxhlet extraction.
Die herausgelösten Fullerene liegen als rote Flüssigkeit vor. Die fullerenhaltige Flüssigkeit wird wie bereits bekannt zwecks Erhalt der Fullerenkristalle verdampft. Das verdampfte Lösungsmittel wird als Kondensat ebenfalls wiederverwendet.The detached fullerenes are present as a red liquid. As already known, the fullerene-containing liquid is evaporated to obtain the fullerene crystals. The evaporated solvent is also reused as condensate.
Der zurückgebliebene Ruß kann nach Trocknung erneut zum Verdampfen verwendet werden.The remaining soot can be used again for evaporation after drying.
Gleiches gilt auch für die Techniken Laserstrahlen und induktiver Hochfrequenzschleifen. Die bei diesen beiden Verfahren sowie der Lichtbogentechnik zu verwendenden Vor¬ richtungen sind dabei in Fig. 1, 4 und 5 der Zeichnungen dargestellt und dabei näher beschrieben.The same applies to the techniques of laser beams and inductive high-frequency loops. The devices to be used in these two methods and in arc technology are shown in FIGS. 1, 4 and 5 of the drawings and are described in more detail in the process.
Beschreibung der bevorzugten Vorrichtung zur Ausführung des obigen bevorzugten, ein durch Lichtbogen erzeugtes Plasma verwendenden Verfahrens und eines speziellen Ausführungsbeispieles davonDescription of the preferred apparatus for carrying out the above preferred, arc-generated Process using plasma and a specific embodiment thereof
Als Vorrichtung des Verfahrens wurd eine 600 mm langer, doppelwandiger VA-Stahlreaktor mit einem Innendurchmesser von 150 mm verwendet. Oberhalb des Reaktors befand sich ein wassergekühlter Deckel, der sowohl ein wassergekühltes und bewegbares Stabelektrodenhaltesystem als auch ein Rohstoffzufuhrrohr enthielt, welches mit einem außerhalb des Reaktors befindlichen Rohstoffsilo verbunden ist. Als Rohstoff wurde ein rieselfähiges, griesartiges Schüttgut verwendet, ein Körnungsgemisch aus Entladungsruß und Graphit zwischen 20 M m und 3 mm Durchmesser. Die per- manente Rohstoffzufuhr in den Tiegel des Reaktors erfolgte durch Vibrationen. Die Vibrationenen sorgten gleichzeitig auch für eine Rohstoffverteilung innerhalb des Tiegels in Richtung kelchartiger Verdampfungszone.A 600 mm long, double-walled VA steel reactor with an inner diameter of 150 mm was used as the device of the process. Above the reactor was a water-cooled cover, which contained both a water-cooled and movable stick electrode holding system and a raw material feed pipe which is connected to a raw material silo located outside the reactor. A free-flowing, grit-like bulk material was used as the raw material, a grain mixture of discharge soot and graphite between 20 mm and 3 mm in diameter. The raw material was continuously fed into the crucible of the reactor by vibrations. The vibrations also ensured that raw materials were distributed within the crucible in the direction of the goblet-like evaporation zone.
Unterhalb des Reaktors befand sich eine trichterförmige Ausgangsschleuse.A funnel-shaped exit lock was located below the reactor.
Im Reaktor selbst befand sich ein Graphit-Tiegel, 170 mm hoch und 110 mm Außendurchmesser. Die Innenhöhe war 130 mm, der Innendurchmesser 80 mm. Der Tiegel wurde bis auf die letzten 20 mm mit dem grießartigen Schüttgut gefüllt. In Höhe der Austrittsöffnung des Tiegels befand sich am Reaktor ein Stutzen mit Schauglas. Die Höhe ab Tiegelaus- trittöffnung bis zum Reaktordeckel betrug 300 mm.In the reactor itself was a graphite crucible, 170 mm high and 110 mm outside diameter. The inside height was 130 mm, the inside diameter was 80 mm. The crucible was filled to the last 20 mm with the semolina-like bulk material. At the level of the crucible's outlet opening there was a nozzle with a sight glass on the reactor. The height from the crucible outlet opening to the reactor cover was 300 mm.
Der Reaktor incl. dem Tiegel mit Rohstoffmaterial war die eine Elektrode. Die Gegenelektrode bestand aus einem Graphitstab mit einem Durchmesser von 15 mm und 350 m Länge. Der Graphitstab war an dem wassergekühlten und vertikal bewegbaren Stabelektrodenhaltesystem befestigt.The reactor including the crucible with raw material was the one electrode. The counter electrode consisted of one Graphite rod with a diameter of 15 mm and a length of 350 m. The graphite rod was attached to the water-cooled and vertically movable rod electrode holding system.
Zunächst wurde der Reaktor incl. dem Rohstoffsilo mehrmals mit einer Vacuumpumpe bis auf 1 mbar leergepumt und anschließend mit Heliumgas wieder gefüllt. Um partielle Gegengasdrücke in Richtung Reaktor auszuschließen, wurde eine Kühlfalle mit Kohlefilter zwischen Pumpe und Reaktor installiert.First the reactor including the raw material silo was pumped empty several times with a vacuum pump to 1 mbar and then refilled with helium gas. In order to exclude partial counter gas pressures towards the reactor, a cold trap with a carbon filter was installed between the pump and the reactor.
Als Edelgas wurde Helium verwendet. Als Arbeitsdruck im Reaktor wurden Drücke zwischen 0,4 bis 1 bar, vorzugsweise 1 bar gewählt.Helium was used as the inert gas. Pressures between 0.4 and 1 bar, preferably 1 bar, were chosen as the working pressure in the reactor.
Als Strom wurde Wechselstrom mit 360 Ampere und 40 V gewählt. Nach ca. 5 Minuten brannte sich der Lichtbogen unterhalb des Graphitstabes einen "Kelch" in den im Tiegel liegenden granulatartigen Rohstoff. Anschließend wurde gleichzeitig durch ein Herausziehen der Elektrode der Lichtbogen verlängert. Danach begann die Rohstoffzufuhr durch Vibrationen mit ca. 30-100 Gramm/Stunde in den Tiegel - und dort direkt in den "Kelch". Ein Comparator hielt die stromtechnischen Lichtbogenbedingungen incl. der Zufuhrmenge von zu verdampfenden Rohstoffen constant.Alternating current with 360 amps and 40 V was selected as the current. After about 5 minutes, the arc burned a "goblet" below the graphite rod in the granular raw material lying in the crucible. The arc was then extended at the same time by pulling out the electrode. The raw material supply then started to vibrate at approx. 30-100 grams / hour in the crucible - and there directly into the "chalice". A comparator kept the electrical arc conditions, including the quantity of raw materials to be evaporated, constant.
Der entstehende Qualm muß innerhalb der Rauchfahne bläulich beginnen und in der Spitze schwarz übergeben, wenn man reichlich Fullerene erhalten will.The resulting smoke must begin bluish within the smoke trail and pass black at the top if you want to get plenty of fullerenes.
Bereits am Ruß läßt sich erkennen, ob mehr oder weniger Fullerene enthalten sind. Der Ruß muß pechschwarz aussehen und sehr locker an den Gefäßwänden haften.The soot already shows whether more or less fullerenes are present. The soot must look pitch black and adhere very loosely to the vessel walls.
Nach der Extraktion mit Benzol betrug der Anteil der Fullerene im Ruß bis zu 10 Gewichtsprozent.After extraction with benzene, the proportion of fullerenes in the carbon black was up to 10 percent by weight.
Wesentliche Merkmale und Ziele des Verfahrens sind somit zusammenfassend:The main features and objectives of the process are therefore summarized:
- Neuartige bei diesem Verfahren ist die Verwendung einer anderen Rohstoff-Struktur. Statt kohlenstoffhaltige STÄBE, WÜRFEL o.a. werden jetzt die eigentlichen Rohstoffe, nämlich kohlenstoffhaltige Stäube oder Granulate aus Graphit, Kohle, aromatische Verbindungen etc. verwendet. Die Kornstruktur kann fein- bis grob¬ körnig sein.- Novel in this process is the use of a different raw material structure. Instead of carbon-containing rods, cubes, etc. the actual raw materials, namely carbon-containing dusts or granules made of graphite, coal, aromatic compounds, etc. are now used. The grain structure can be fine to coarse.
- Die nicht fullerenhaltigen Endprodukte können nach der Extraktion und Trocknungsaufbereitung dem Verdampfungs¬ prozeß erneut als kohlensoffhaltiger Rohstoff zugeführt werden, welches eine hohe RohstoffVerwertung bedeutet.- After the extraction and drying preparation, the end products which do not contain fullerene can be returned to the evaporation process as a carbon-containing raw material, which means a high level of raw material utilization.
- Die fullerenbildende Verdampfung wird nicht nur durch die Verwendung kohlenstoffhaltiger Stäube oder Granulate wesentlich preiswerter, sondern auch einfacher.- The fullerene-forming evaporation is not only much cheaper due to the use of carbon-containing dusts or granules, but also easier.
- Der Elektrodenverschleiß ist wesentlich geringer, wenn die Rußproduktion ausschließlich mit dem Rohstoff Staub/Granulat erfolgt.- The electrode wear is significantly lower if the soot is produced exclusively with the raw material dust / granulate.
- Kompakte, kohlenstoffhaltige Stäube oder Granulate haben als Rohstoff den entscheidenden Vorteil, dem direkten Verdampfungsprozeß eine Vielzahl von kleinsten Partikeln zu bieten, die nicht zuvor auf Kosten der Verdampfungs¬ energie erst zerkleinert werden müssen. Dadurch ent¬ weicht im eigentlichen Verdampfungsraum weniger nicht verdampfter Rohstoff, da eine explosionsartige Ver¬ flüchtigung von zuvor herausgesprengten festen Partikeln reduziert wird.- Compact, carbon-containing dusts or granules have the decisive advantage as a raw material, the direct one Evaporation process to offer a variety of smallest particles that do not have to be first crushed at the expense of evaporation energy. As a result, less non-evaporated raw material escapes in the actual evaporation space, since explosive volatilization of solid particles which have previously blown out is reduced.
- Die der Verdampfung angebotene Oberfläche auf kleinstem Raum ist durch die Vielzahl kleinster Partikel sehr hoch. Die spezifische Energieausnutzung ist für den Verdampfungsprozeß partiell höher.- The surface offered for evaporation in the smallest space is very high due to the large number of tiny particles. The specific energy utilization is partially higher for the evaporation process.
- Die fullerenbildende Verdampfung kann unter Normaldruck 5 in Edelgasatmosphäre stattfinden. Ein höherer Gasdruck bedeutet die Anwesenheit einer höheren Anzahl von Edelgasmolekülen.- The fullerene-forming evaporation can take place under normal pressure 5 in an inert gas atmosphere. A higher gas pressure means the presence of a higher number of noble gas molecules.
- Der Verdampfungsprozeß wird mittels Lichtbogen, Laser- 0 strahlen oder induktiver Erhitzung in inerter Atmosphäre durchgeführt.- The evaporation process is carried out by means of an electric arc, laser radiation or inductive heating in an inert atmosphere.
Der Verdampfungsprozeß findet in einem halboffenen, hohen konverterartigen Tiegel, also innerhalb einer 5 rohartigen Umhüllung statt.The evaporation process takes place in a semi-open, high converter-like crucible, that is, within a 5 raw-like envelope.
- Vor dem eigentlichen Verdampfungsprozeß kann sich der kohlenstoffhaltige Rohstoff aus Staub oder Granulat langsam erhitzen, d.h., ein explosionsartiges Erhitzen 0 wird vermieden.- Before the actual evaporation process, the carbon-containing raw material from dust or granulate can slowly heat up, i.e. an explosive heating 0 is avoided.
- Mit der Verwendung eines konverterartigen Tiegels wird zusätzlich das Herausfliegen von nicht verdampften 1 Teilchen reduziert. Sie werden dem Prozeß im heißen Zustand erneut zugeführt.- With the use of a converter-like crucible, non-evaporated flies out 1 particle reduced. They are fed back into the process when hot.
- Beim Aufstieg der heißen Gase in Richtung Ausgang muß 5 bei Abkühlung die Sublimation in Edelgasatmospähre mög¬ lichst schnell stattfinden.When the hot gases rise towards the exit, the sublimation in noble gas atmosphere must take place as quickly as possible.
a) Die schnelle Verflüchtigung der heißen Gase in kälte- 0 re Zonen wird durch den umgebenden Kohlenstoff in¬ nerhalb des Tiegels reduziert.Den in den Dämpfen enthaltenen Atomen und Molekülen wird in möglichst heißer Umgebung Zeit gegeben, sich noch kugelartig umzulagern. 5 b) Beim Aufstieg der heißen Gase in Richtung Reaktor¬ deckel muß die Abkühlung in Edelgasatmosphäre weiterhin möglichst langsam stattfinden. Dies wird durch einen relativ langen Aufstiegsweg der blauen 0 bis schwarzen Kohlenstoffdämpfe bis zum Reaktordeckel ermöglicht, bevor sie sich als Ruß an den gekühlten Reaktorwänden niederschlagen.a) The rapid volatilization of the hot gases in cold zones is reduced by the surrounding carbon inside the crucible. The atoms and molecules contained in the vapors are given time in a hot environment to rearrange themselves in a spherical manner. 5 b) When the hot gases rise in the direction of the reactor cover, the cooling in an inert gas atmosphere must continue to take place as slowly as possible. This is made possible by a relatively long ascent path from the blue 0 to black carbon vapors to the reactor cover before they deposit as soot on the cooled reactor walls.
- Die sich innerhalb des Reaktors befindende Umhüllung 5 des Verdampfungsgebietes, des Tiegels, kann zusätzlich von einem entsprechendem Magnetfeld umgeben werden. Das Magnetfeldsystem hat die Aufgabe, das ionisierte, heiße Plasma am Austritt aus der Umhüllung zu behindern, d.h. die Verweilzeit in heißer Umgebung wird bestimmbar. 0 Weiterhin wird vermutete, daß ein Magnetfeldsystem fullerenbildende Eigenschaften hat. Zeichnungsbeschreibung- The envelope 5 of the evaporation region, the crucible, located inside the reactor can additionally be surrounded by a corresponding magnetic field. The magnetic field system has the task of preventing the ionized, hot plasma from escaping from the envelope, ie the dwell time in a hot environment can be determined. 0 Furthermore, it is assumed that a magnetic field system has fullerene-forming properties. Drawing description
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Reaktoren zur Kohlenstoffver- dampfung zwecks Produktion fullerenhaltigem Ruß näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the reactors for carbon vaporization shown in the drawings for the purpose of producing fullerene-containing soot.
In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Fig. 1 und 2: Einen doppelwandigen Reaktor incl. dem1 and 2: A double-walled reactor incl
Innenleben, wobei ein elektrischer Licht¬ bogen in einem Tiegel erzeugt wird.Inner life, an electric arc being generated in a crucible.
Fig. 3: Den verfahrenstechnischen Gesamtablauf derFig. 3: The overall procedural process of
Fullerenherstellung und Extraktion mit einer Rußentnahmeschleuse.Fullerene production and extraction with a soot extraction lock.
Fig. 4: Eine Anordnung mit einem doppelwandigen Reaktor gemäß Fig. 1 und 2, wobei statt eines Lichtbogens im Tiegel ein Plasma durch einen Laser erzeugt wird.Fig. 4: An arrangement with a double-walled reactor according to Fig. 1 and 2, wherein instead of an arc in the crucible, a plasma is generated by a laser.
Fig. 5: Eine Anordnung gemäß Fig. 4, wobei statt eines Lasers ein induktives HF-System verwendet wird, in dessen Spulen der Tiegel innen angeordnet ist.5: An arrangement according to FIG. 4, wherein instead of a laser an inductive HF system is used, in the coils of which the crucible is arranged on the inside.
Fig. 6: Zeigt neben der Anordnung der Fig. 1,2,4 oder 5 zusätzlich das Prinzip der Verwendung eines Adapters zwecks Verlängerung eines ReaktorsFig. 6: shows in addition to the arrangement of Fig. 1, 2, 4 or 5, the principle of using a Adapters for extending a reactor
Fig. 7: Eine Abänderung des Anordnung gemäß den Figuren 1, 2, 4, 5 und 6, wobei ein im Sinne eines Drehrohr¬ ofens drehender Tiegel verwendet wird, oberhalb dem eine Absaugvorrichtung zur Entnahme der verdampften Kohlenstoffe angeordnet ist. Rohstoff- Zuführung und Verdampfungssystem und der obere Teil des Reaktors sind ansonsten analog zu Fig. 1, 2, 4, 5 und 6 auszubilden. Weiterhin zeigt Figur 7 ein Rauchentnahmesystem, d.h. , der Rauch schlägt sich nicht an den Reaktor¬ wänden nieder, sondern kann aufgrund der hier wesentlich höheren Verfahrendrücke im Reaktor abgesaugt und sofort dem Extraktionsprozeß zugeführt werden.7: A modification of the arrangement according to FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6, wherein a crucible rotating in the sense of a rotary kiln is used, above which a suction device for removing the vaporized carbon is arranged. Raw material supply and evaporation system and the upper part of the reactor are otherwise to be designed analogously to FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6. Figure 7 further shows a smoke extraction system, i.e. The smoke does not deposit on the reactor walls, but can be suctioned off in the reactor due to the process pressures which are substantially higher here and can be fed immediately to the extraction process.
Fig. 8: Den verfahrenstechnischen Gesamtablauf der Fullerenherstellung bei Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 7 mit einer zur Rußentnahmeschleuse zusätzlich angeordneten Rauch-Absaugvorrichtung, wobei die Zuführung der Kohlenstoffmaterialien, die Abführung der fullerenhaltigen Dämpfe und Ruße sowie die Extraktion der Fullerene gemäß Fig. 3 als in sich geschlossener Verfahrensablauf erfolgt.Fig. 8: The overall procedural process of fullerene production when using the arrangement according to FIG. 7 with a smoke extraction device additionally arranged to the soot removal lock, the supply of the carbon materials, the removal of the fullerene-containing vapors and carbon blacks and the extraction of the fullerenes according to FIG. 3 as self-contained process sequence takes place.
Figur 1 stellt den Reaktor (1) und den dort zu zündenden Lichtbogen zwischen Staub/Granulat im Tiegel (1A) und einer aus einem Graphitstab (17) gebildeten Gegenelektrode dar. Der Tiegel ist dabei bis auf das Niveau H mit einem kohlenstoffhaltigen Staub/Granulat-Gemisch angefüllt, wobei der die Gegenelektrode zum elektrisch gegenüber dem Reaktorgehäuse nicht isolierten Tiegel (1A) bildende Graphitstab (17) in der Betriebsstellung gezeigt ist, in welcher er etwas unter das Niveau H geführt ist und als Verdampfungsgebiet eine kelchartige Vertiefung (27) in das kohlenstoffhaltige Rohstoffmaterial erzeugt hat, welche sein Ende seitlich umgibt.Figure 1 shows the reactor (1) and the arc to be ignited there between dust / granules in the crucible (1A) and represents a counter electrode formed from a graphite rod (17). The crucible is filled up to level H with a carbon-containing dust / granulate mixture, the graphite rod (17) forming the counter electrode to the crucible (1A), which is not electrically insulated from the reactor housing. is shown in the operating position, in which it is guided somewhat below the level H and as a vaporization area has produced a goblet-like depression (27) in the carbon-containing raw material, which surrounds its end on the side.
Der Lichtbogen befindet sich zwischen dem Ende der stabförmigen Gegenelektrode (17) und dem im Tiegel (1A) befindlichen Staub/Granulat.The arc is located between the end of the rod-shaped counterelectrode (17) and the dust / granulate located in the crucible (1A).
Der Lichtbogen wird permanent mit neuem Rohstoff aus Staub/Granulat durch ein von außen kommendes oberes RohrThe arc is permanently filled with new raw material from dust / granulate through an upper tube coming from outside
(2A) - oder durch das seitliche, untere Rohr (7A) in den Tiegel (1A) versorgt. Über einen Anschluß (5) oder durch das Rohr (2) ist dabei eine Verbindung zum Voratsbehälter eines Rohstoffzuführungssyste es gegeben.(2A) - or through the side, lower tube (7A) into the crucible (1A). Via a connection (5) or through the pipe (2) there is a connection to the supply container of a raw material supply system.
Wesentlich bei diesem Verfahren mit einer Elektrode ist, daß nicht Elektrodenstäbe zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern die Staub/Granulat¬ zufuhr den Lichtbogen zwischen der Stabelektrode und der Oberfläche aus Staub/Granulat zur Kohlenstoffverdampfung aufrecht erhält. In Figur 1 sind (1, 7, 10) am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. -austrittsöffnunge , wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. (1A) ist ein Tiegel, der auf einer siebartigen Auflage (19) steht. In den Tiegel (1A) hinein ragt die stabförmige Gegenelektrode (17), die wiederum an einer kühlbaren und beweglichen Elektrodenauf¬ hängung (14) hängt. (15,16) zeigen die Zu- und Abflußöff¬ nungen des Kühlmittels für die Elektrodenaufhängung. (3) zeigt den Kühlmitteltank des Reaktordeckels, wobei eine Abdichtung, eine Gleitpackung (4), den Reaktor mit der beweglichen Elektrodenaufhängung (14) abdichtet.It is important in this method with an electrode that electrode rods do not have to be pushed in for the supply of raw materials, but the dust / granulate feed maintains the arc between the rod electrode and the surface of dust / granulate for carbon vaporization. In Figure 1 are (1, 7, 10) attached to the reactor nozzle. A sight glass is mounted on the nozzle (7). (6,8) are noble gas inlet and outlet openings, whereby a vacuum can also be generated via these. (1A) is a crucible standing on a sieve-like support (19). The rod-shaped counter electrode (17) protrudes into the crucible (1A), which in turn hangs on a coolable and movable electrode suspension (14). (15, 16) show the inlet and outlet openings of the coolant for the electrode suspension. (3) shows the coolant tank of the reactor cover, wherein a seal, a sliding packing (4), seals the reactor with the movable electrode suspension (14).
(12,13) sind die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für den Reaktordeckeltank. (18) zeigt das Ausgangsventil zur Schleuse. Die angesammelten fullerenhaltigen Ruße und die nicht verdampften Rohstoffpartikel sammeln sich hier und können per Schleuse entnommen werden. (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor lid tank. (18) shows the outlet valve to the lock. The accumulated soot containing fullerene and the non-evaporated raw material particles collect here and can be removed via a lock.
Figur 2 stellt das prinzipielle Verfahren der Lichtbogen¬ technik zwischen zwei aus Graphitstäben gebildeten Elektroden (28, 2B) dar.FIG. 2 shows the basic method of arc technology between two electrodes (28, 2B) formed from graphite rods.
Der Lichtbogen befindet sich zwischen dem Ende der durch eine Öffnung in eine domartige Kuppel des Tiegels (1A) ragenden Elektrode (28) und der im Tiegel (1A) befind¬ lichen Gegenelektroden (2B). Der Lichtbogen wird permanent durch die Zuführung neuen Rohstoffes aus Staub/Granulat durch ein von außen kommendes oberes Rohr (29) in den Tiegel (1A) versorgt, wobei der Rohstoff zwischen den sich gegenüberstehenden Enden dieser Elektroden gemäß Pfeil (30) einrieselt. Der Aufbau des Reaktors (1) und des Tiegels (1A) entspricht ansonsten dem der Figur 1, wobei keine Leitung für eine untere Rohstoff- zufuhr zum Tiegel gemäß Leitung (7A) der Figur 1 vorhanden ist. Über den Anschluß (5) ist eine Verbindung zum Vorratsbehälter eines Rohstoffzuführungssystemes gegeben.The arc is located between the end of the electrode (28) projecting through an opening in a dome-like dome of the crucible (1A) and the counter electrodes (2B) located in the crucible (1A). The arc is permanently supplied by the supply of new raw material from dust / granulate through an upper tube (29) coming from outside into the crucible (1A), the raw material trickling between the opposite ends of these electrodes according to arrow (30). The structure of the reactor (1) and the crucible (1A) otherwise corresponds to that of FIG. 1, with no line for a lower raw material supply to the crucible according to line (7A) of FIG. 1. A connection to the reservoir of a raw material supply system is provided via the connection (5).
Wesentlich bei diesem Verfahren mit zwei Elektroden ist, daß nicht Elektrodenstäbe zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern die Staub/Granulat¬ zufuhr den Lichtbogen zwischen den Stabelektroden zur KohlenstoffVerdampfung aufrecht erhält.It is essential in this method with two electrodes that electrode rods do not have to be pushed in for the supply of raw materials, but the dust / granulate feed maintains the arc between the rod electrodes for carbon vaporization.
In Figur 2 sind (7,10) am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. austrittsöffnungen, wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. (1A) ist der Tiegel, der auf der siebartigen Auflage (19) steht. In den Tiegel (1A) hinein ragen die stabförmige Elektrode (28), die wiederum an der kühlbaren und beweglichen Elektrodenaufhängung (14) hängt und die im Tiegel (1A) befestigte und gegenüber diesen elektrisch nicht isolierte Gegenelektrode (2B).In Figure 2 there are (7,10) nozzles attached to the reactor. A sight glass is mounted on the nozzle (7). (6,8) are noble gas inlet and outlet openings, whereby a vacuum can also be generated via these. (1A) is the crucible standing on the sieve-like support (19). The rod-shaped electrode (28) protruding into the crucible (1A), which in turn hangs on the coolable and movable electrode suspension (14) and is fastened in the crucible (1A) and opposite it electrically non-insulated counter electrode (2B).
(3) zeigt den Kühlmitteltank des Reaktordeckels, wobei (12,13) die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für den Reaktordeckeltank (3) sind. (15,16) zeigen die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für die Elektrodenauf¬ hängung. Durch eine Abdichtung, eine Gleitpackung (4), wird dabei der Reaktor gegen die bewegliche Elektrodenauf¬ hängung (14) abgedichtet. (18) zeigt das Ausgangsventil zur Schleuse. Die angesammelten fullerenhaltigen Ruße und die nicht verdampften Rohstoffpartikel sammeln sich hier und können per Schleuse entnommen werden.(3) shows the coolant tank of the reactor cover, where (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor cover tank (3). (15, 16) show the inflow and outflow openings of the coolant for the electrode suspension. The reactor is sealed against the movable electrode suspension (14) by a seal, a sliding packing (4). (18) shows the outlet valve to the lock. The accumulated soot containing fullerene and the non-evaporated raw material particles collect here and can be removed via a lock.
Figur 3 zeigt den verfahrenstechnischen Gesamtablauf als geschlossenes Verfahren.Figure 3 shows the overall procedural process as a closed process.
(1) ist der doppelwandige Reaktor, in dem sich die Verdampfungsvorrichtung mit einem gemäß Figur 1,2,4,5 und 6 dargestellten Tiegel (1A) befindet. Im Tiegel (1A) werden kohlenstoffhaltige Stäube/Granulate je nach Verdampfungsverfahren verdampft und entsprechend jeder Verbrauchsmenge von außen nachgefüllt, siehe Figur 1,2,4,5 und 6.(1) is the double-walled reactor in which the evaporation device with a crucible (1A) shown in FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6 is located. Carbon-containing dusts / granules are evaporated in the crucible (1A) depending on the evaporation process and refilled from the outside in accordance with each consumption quantity, see FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6.
Über eine Verbindungsleitung (31) wird das entstandene Produkt aus dem Reaktor (1) der Extraktionsanlage (32) zugeführt. Das Extraktionsverfahren löst die entstandenen Fullerene heraus und führt die Lösung über die Leitung (33) dem Stripper (34) zu. Dort wird die Lösung verdampft. Die Endprodukte des Strippers (34), die Fullerene, verlassen das System über die Ausgangsleitung (35), während das wieder verflüssigte Lösungsmittel, vorzugs¬ weise Benzol, über eine Verbindungsleitung (36) der Extraktionsanlage (32) erneut zugeführt wird. Die im Extraktionsverfahren nicht gelösten Produkte gehen zum Trockner (37), um sie nach dem Trocknen über die zum Reaktor (1) führende Leitung (39) und den Anschluß (5) erneut als Rohstoff dem Verdampfungsprozeß zur Verfügung zu stellen. Das im Trockner (37) herausgeholte Lösungs¬ mittel wird im verflüssigten Zustand ebenfalls wieder der Extraktionsanlage (32) über die dort rückgeführte Leitung (38) zur erneuten Verwendung zugeführt.The resulting product is fed from the reactor (1) to the extraction system (32) via a connecting line (31). The extraction process dissolves the fullerenes formed and leads the solution to the stripper (34) via line (33). The solution is evaporated there. The end products of the stripper (34), the fullerenes, leave the system via the outlet line (35), while the re-liquefied solvent, preferably benzene, is fed again to the extraction system (32) via a connecting line (36). The products not dissolved in the extraction process go to the dryer (37) in order to make them available again as raw material for the evaporation process after drying via the line (39) leading to the reactor (1) and the connection (5). The solvent which has been taken out in the dryer (37) is likewise returned in the liquefied state to the extraction system (32) via the line (38) returned there for reuse.
Figur 4 stellt den Reaktor (1) und Tiegel (1A) gemäß Figur 1 dar, wo nun das Verfahren der Lasertechnik mittels einer Laserkanone (40), dessen Ende sich oberhalb der domartigen Öffnung des Tiegels (1A) befindet, dargestellt ist. Der Tiegel ist dabei wie in Figur 1 mit kohlenstoffhaltigem Rohstoff bis auf ein Niveau "h " gefüllt. Der dort auftreffende Laserstrahl ( 20) erzeugt dabei wieder ein Verdampfungsgebiet im Form einer kelchartigen Vertiefung (41).FIG. 4 shows the reactor (1) and crucible (1A) according to FIG. 1, where the method of laser technology using a laser cannon (40), the end of which is located above the dome-like opening of the crucible (1A), is shown. As in FIG. 1, the crucible is filled with carbon-containing raw material to a level "h". The laser beam (20) incident there again creates an evaporation area in the form of a goblet-like depression (41).
Die Energie des Laserstrahles verdampft Staub/Granulat im Tiegel (1A). Der Brennpunkt der Laserkanone (40) ist dabei auf den im Tiegel (1A) liegenden kohlenstoffhaltigen Rohstoff ausgerichtet. Die Tiegelfüllung wird permanent mit neuem Rohstoff aus Staub/Granulat durch das von außen kommende, obere Rohr (2A) in den Tiegel (1A) versorgt. Über,den Anschluß (5) ist eine Verbindung zum Vorratsbe¬ hälter eines Rohstoffzuführungssystemes gegeben.The energy of the laser beam evaporates dust / granules in the crucible (1A). The focal point of the laser cannon (40) is aimed at the carbon-containing raw material lying in the crucible (1A). The crucible filling is permanently supplied with new raw material from dust / granulate through the upper tube (2A) coming from outside into the crucible (1A). Via connection (5) there is a connection to the storage container of a raw material supply system.
Wesentlich an diesem Verfahren mit Lasertechnik ist, daß nicht monolithe Festkörper zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern lediglich Staub/- Granulat als zu verdampfender Kohlenstoff. In Figur 4 sind (7,10) am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. -austrittsöffnungen, wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. (1A) ist der Tiegel, der auf einer siebartigen Auflage (19) steht. Zum Tiegel (1A) ragt die Laserkanone (40). (3) zeigt den Kühlmitteltank des Reaktordeckels, wobei (12,13) die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für den Reaktordeckeltank (3) sind. (18) zeigt das Ausgangsventil zur Schleuse. Die angesammelten fullerenhaltigen Ruße und die nicht verdampften Rohstoff¬ partikel sammeln sich hier und können per Schleuse entnommen werden.It is essential in this process with laser technology that monolithic solids do not have to be replenished in order to supply raw materials, but only dust / granules as carbon to be evaporated. In Figure 4 there are (7,10) nozzles attached to the reactor. A sight glass is mounted on the nozzle (7). (6,8) are noble gas inlet or outlet openings, whereby a vacuum can also be generated via these. (1A) is the crucible standing on a sieve-like support (19). The laser cannon (40) projects to the crucible (1A). (3) shows the coolant tank of the reactor cover, where (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor cover tank (3). (18) shows the outlet valve to the lock. The accumulated carbon blacks containing fullerene and the non-evaporated raw material particles collect here and can be removed via a lock.
Figur 5 stellt den Reaktor (1) und Tiegel (1A) gemäß Figur 4 dar, wobei nun aber eine induktive Hochfrequenzver¬ dampfung im Tiegel (1A) mittels eines induktiven Hoch¬ frequenzsystems (22) stattfindet, welches außen, um den Tiegel (1A) herum angelegt ist. Der Tiegel ist dabei wieder bis auf ein bestimmtes Niveau mit kohlenstoff- haltigem Rohstoff gefüllt.FIG. 5 shows the reactor (1) and crucible (1A) according to FIG. 4, but now an inductive high-frequency evaporation takes place in the crucible (1A) by means of an inductive high-frequency system (22), which is external to the crucible (1A ) is laid out around. The crucible is again filled to a certain level with carbon-containing raw material.
Die Tiegelfüllung wird permanent mit neuem Rohstoff aus Staub/Granulat durch das von außen in den Tiegel (1A) kommende obere Rohr (2A) versorgt. Über den Anschluß (5) ist eine Verbindung zum Vorratsbehälter eines Rohstoffzu- führungssystemes gegeben.The crucible filling is permanently supplied with new raw material from dust / granulate through the upper tube (2A) coming into the crucible (1A) from the outside. A connection to the reservoir of a raw material supply system is provided via the connection (5).
Wesentlich bei diesem Verfahren mit induktiver Hoch¬ frequenz ist, daß nicht monolithe Festkörper zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern lediglich Staub/Granulat als zu verdampfender Kohlenstoff.It is essential in this process with inductive high frequency that it is not necessary to add monolithic solids for the purpose of raw material supply, but only dust / granules as carbon to be evaporated.
In Figur 5 sind (7,10) am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. austrittsöffnungen, wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. (1A) ist der Tiegel, der auf einer siebartigen Auflage (19) steht. Um den Tiegel (1A) herum befindet sich das induktive Hochfrequenzsystem. (3) zeigt den Kühlmitteltank des Reaktordeckels, wobei (12,13) die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für den Reaktordeckeltank (3) sind.In Figure 5 there are (7,10) nozzles attached to the reactor. At the Socket (7) is fitted with a sight glass. (6,8) are noble gas inlet and outlet openings, whereby a vacuum can also be generated via these. (1A) is the crucible standing on a sieve-like support (19). The inductive high-frequency system is located around the crucible (1A). (3) shows the coolant tank of the reactor cover, where (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor cover tank (3).
(18) zeigt das Ausgangsventil zur Schleuse. Die ange- sammelten fullerenhaltigen Ruße und die nicht verdampften Rohstoffpartikel sammeln sich hier und können per Schleuse entnommen werden.(18) shows the outlet valve to the lock. The accumulated soot containing fullerene and the non-evaporated raw material particles collect here and can be removed via a lock.
Figur 6 zeigt den gleichen doppelwandigen Reaktor (1) und Tiegel (1A) wie Figur 5. Zusätzlich ist noch das Prinzip des Adapters (21) zwecks Verlängerung des Reaktors (1) dargestellt, so daß ein ausreichend bemessener Weg für die kohlenstoffhaltigen Dämpfe und Ruße vorgebbar ist, bis diese sich am Reaktordeckel niederschlagen.Figure 6 shows the same double-walled reactor (1) and crucible (1A) as Figure 5. In addition, the principle of the adapter (21) for the extension of the reactor (1) is shown, so that a sufficiently dimensioned path for the carbon-containing vapors and soot can be specified until these are deposited on the reactor cover.
Figur 7 stellt eine Abänderung des Reaktor (1) und Anordnung des Tiegels (1A) gemäß den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dar. Die Energie- und RohstoffZu¬ führungen erfolgen analog denen von Figur 1,2,4,5 und 6.FIG. 7 shows a modification of the reactor (1) and arrangement of the crucible (1A) according to the previous exemplary embodiments. The energy and raw material feeds are carried out analogously to those of FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6.
Wesentlich bei diesem Verfahren ist, daß über dem Tiegel das Verdampfungsprodukt sofort mit einer Absaugvorrichtung (23) oberhalb des Tiegels (1A) entnommen wird. Der Tiegel (1A) ist dabei gegenüber dem Gehäuse des Reaktors (1) über ein Tiegelhalterungssystem (24) drehbar gelagert. Während der Verdampfung des Rohstoffes kann er somit bei den drei beschriebenen Verdampfungsverfahren sowohl stehend , also stationär, oder wie in der Zeichnung dargestellt drehend sein.It is essential in this process that the evaporation product above the crucible is immediately removed with a suction device (23) above the crucible (1A). The crucible (1A) is rotatably supported relative to the housing of the reactor (1) by means of a crucible holder system (24). During the evaporation of the raw material, it can thus be either standing, that is stationary, or rotating as shown in the drawing in the three evaporation methods described his.
Heruntergefallene fullerenhaltige Ruße und nicht ver¬ dampfte Rohstoffpartikel sammeln sich zusätzlich in der Schleuse (18) und können hier entnommen werden.Fallen soot that has fallen down and raw material particles that have not evaporated collect additionally in the lock (18) and can be removed here.
In Figur 7 sind (2,7,10) wiederum am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. -austrittsöffnungen, wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. Am Stutzen (10) ist die Absaugvorrichtung (23) montiert. (1A) ist der Tiegel, der in der drehbaren Halterung (24) steht. In den Tiegel (1A) hinein ragen wie in Figur 1,2,4,5 und 6 dargestellt die Energie- und Rohstoffzufuhrsysteme. (25,26) zeigen die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für das drehbare Tiegelhalterungssystem (24).In Figure 7 (2,7,10) are in turn attached to the reactor. A sight glass is mounted on the nozzle (7). (6,8) are noble gas inlet or outlet openings, whereby a vacuum can also be generated via these. The suction device (23) is mounted on the nozzle (10). (1A) is the crucible standing in the rotatable holder (24). The energy and raw material supply systems protrude into the crucible (1A) as shown in FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6. (25, 26) show the inlet and outlet openings of the coolant for the rotatable crucible holder system (24).
Figur 8 zeigt wie Figur 3 den verfahrenstechnischen Gesamtablauf als geschlossenes Verfahren bei Verwendung der Vorrichtung gemäß Figur 7.FIG. 8 shows, like FIG. 3, the overall procedural process as a closed process when using the device according to FIG. 7.
(1) ist der doppelwandige Reaktor, in dem sich die Ver¬ dampfungsvorrichtung mit einem gemäß Figur 1,2,4,5,6 und 7 dargestellten Tiegel (1A) befindet. Im Tiegel (1A) werden kohlenstoffhaltige Stäube/Granulate je nach Verdampfungs- verfahren verdampft und entsprechend der Verbrauchsmenge von außen nachgefüllt (siehe Figur 1,2,4,5 und 6). Über die Absaugvorrichtung (23) und das Schleusenausgangsventil (18) werden die fullerenhaltigen Bestandteile nunmehr an zwei verschiedenen Stellen ausgetragen. Seitlich und unterhalb des Reaktors sind dabei Verbindungsleitungen (31,42) zur Extraktionsanlage (32) angeschlossen.(1) is the double-walled reactor in which the evaporation device with a crucible (1A) shown in FIGS. 1, 2, 4, 5, 6 and 7 is located. Carbon-containing dusts / granules are evaporated in the crucible (1A) depending on the evaporation method and refilled from the outside in accordance with the amount consumed (see FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6). The fullerene-containing components are now discharged at two different points via the suction device (23) and the lock outlet valve (18). Connecting lines (31, 42) to the extraction system (32) are connected to the side and below the reactor.
Die Verbindungsleitungen (31,42) münden in einer gemein- samen Verbindungsleitung (43), mit der das entstandene Produkt aus dem Reaktor (1) der Extraktionsanlage (32) gemäß Figur 3 zugeführt wird. Das Extraktionsverfahren löst die entstandenen Fullerene heraus und führt die Lösung über die Leitung ( 33 ) dem Stripper (34) zu. Dort wird die Lösung verdampft. Die. Endprodukte des Strippers (34), die Fullerene, verlassen das System über die Ausgangsleitung (35), während das wieder verflüssigte Lösungsmittel, vorzugsweise Benzol, über eine Verbindungs- leitung (36) der Extraktionsanlage (32) erneut zugeführt wird.The connecting lines (31, 42) open into a common seed connecting line (43), with which the resulting product from the reactor (1) is fed to the extraction system (32) according to FIG. 3. The extraction process dissolves the fullerenes formed and leads the solution to the stripper (34) via line (33). The solution is evaporated there. The. End products of the stripper (34), the fullerenes, leave the system via the outlet line (35), while the liquefied solvent, preferably benzene, is fed again to the extraction system (32) via a connecting line (36).
Die im Extraktionsverfahren nicht gelösten Produkte gehen zum Trockner (37), um sie nach dem Trocknen über die zum Reaktor (1) führende Leitung (39) erneut als Rohstoff dem Verdampfungsprozeß zur Verfügung zu stellen. Das im Trockner (37) herausgeholte Lösungsmittel wird im ver¬ flüssigten Zustand ebenfalls wieder der Extraktionsanlage (32) über die dort rückgeführte Leitung (38) zur erneuten Verwendung zugeführt. The products not dissolved in the extraction process go to the dryer (37) in order to make them available again as raw material for the evaporation process after drying via the line (39) leading to the reactor (1). The solvent which has been taken out in the dryer (37) is likewise returned in the liquefied state to the extraction system (32) via the line (38) returned there for reuse.
B e z u g s z i f f e r n l i s t eB e z u g s z i f f e r n l i s t e
1 Reaktor1 reactor
1A Rohrartige Umhüllung in Form eines konverterartigen Tiegels1A tubular casing in the form of a converter-like crucible
H , h Füllstand des TiegelsH, h level of the crucible
2 Stutzen2 sockets
2A Rohstoffzufuhr von oben, Fig. 1,4,5,62A raw material feed from above, Fig. 1,4,5,6
3 Reaktordeckel mit Wassertank3 reactor covers with water tank
4 Abdichtung (Gleitpackung)4 sealing (sliding packing)
5 Anschluß an Rohstoffzufuhrsystem aus Vorratsbehälter5 Connection to raw material supply system from storage container
6 Vacuumanschluß6 vacuum connection
7 Stutzen mit Schauglas7 sockets with sight glass
7A Rohstoffzufuhr von unten, Fig. 17A raw material feed from below, FIG. 1
8 EdelgasZuleitung8 noble gas supply
9 Wassereingang zum doppelwandigen Reaktor (für Kühl¬ mittel)9 water inlet to the double-walled reactor (for coolant)
10 Montagestutzen mit Blinddeckel10 assembly sockets with blind covers
11 'Wasserausgang aus doppelwandigen Reaktor (für Kühl¬ mittel) 12 Wassereingang des wassergekühlten Deckels (für Kühl¬ mittel) 13 Wasserausgang des wassergekühlten Deckels (für Kühl¬ mittel)11 ' Water outlet from double-walled reactor (for coolant) 12 Water inlet of the water-cooled cover (for coolant) 13 Water outlet of the water-cooled cover (for coolant)
14 Beweglicher Elektrodenhalter14 Movable electrode holder
15 Wasserausgang des beweglichen Elektrodenhalters15 Water outlet of the movable electrode holder
16 Wassereingang des beweglichen Elektrodenhalters 17 Graphitelektrode(n) , Fig. 116 water inlet of the movable electrode holder 17 graphite electrode (s), FIG. 1
18 Ausgangsventil zur Schleuse18 Outlet valve to the lock
19 Siebartige Auflage für den konverterartigen Tiegel oder alternativ für die nicht dargestellte rohrarti¬ ge Umhüllung 20 - Laserstrahl19 Sieve-like support for the converter-like crucible or alternatively for the tubular casing, not shown 20 - laser beam
21 Adapter für Reaktorverlängerung21 adapter for reactor extension
22 Induktives Hochfrequenzsystem um den Tiegel, Fig. 5,622 Inductive high-frequency system around the crucible, Fig. 5,6
23 Absaugvorrichtung des Rauchentnahmesystems 24 Drehbares Tiegelhalterungssystem, Fig. 723 Suction device of the smoke extraction system 24 Rotatable crucible holder system, Fig. 7
25 Abflußöffnung für Kühlmittel des drehbaren Tiegel¬ halterungsSystems25 drain opening for coolant of the rotatable crucible holder system
26 Zuflußöffnung für Kühlmittel des drehbaren Tiegel¬ halterungsSystems 27 Kelchförmige Vertiefung im kohlenstoffhaltigen Roh¬ material des Tiegels, Fig. 126 Inflow opening for coolant of the rotatable crucible holder system 27 Cup-shaped depression in the carbon-containing raw material of the crucible, FIG. 1
28 Graphitelektrode(n), Fig. 228 graphite electrode (s), Fig. 2
29 Rohrzufuhr von oben, Fig. 229 Pipe feed from above, Fig. 2
30 Pfeil, Zuführungseinrichtung des Rohstoffes in Fig. 230 arrow, feed device of the raw material in FIG. 2
31 Verbindungsleitung zwischen Reaktor und Extraktions¬ anlage von der Ausgangsschleuse31 connecting line between the reactor and extraction system from the exit lock
32 Extraktionsanlage; Fullerene gehen in Lösung32 extraction system; Fullerenes go into solution
33 Verbindungsleitung zwischen Extraktionsanlage und Stripper33 Connection line between extraction system and stripper
34 Stripper; Fullerene werden vom Lösungsmittel ge¬ trennt34 strippers; Fullerenes are separated from the solvent
35 Ausgangsleitung des Strippers35 Stripper output line
36 Verbindungsleitung zwischen Stripper und Extrak- tionsanlage36 Connection line between stripper and extraction system
37 Trockner; nicht gelöster Kohlenstoff aus der Extrak¬ tionsanlage wird getrocknet und für die Verdampfung im Reaktor aufbereitet37 dryer; Undissolved carbon from the extraction plant is dried and processed for evaporation in the reactor
38 Verbindungsleitung zwischen Extraktionsanlage und Trockner38 Connection line between extraction system and dryer
39 Verbindungsleitung zwischen Stripper und Reaktor39 Connection line between stripper and reactor
40 Laserkanone40 laser cannon
41 Kelchförmiges Verdampfungsgebiet, Fig. 4 Verbindungsleitung, Fig. 8 Gemeinsame Verbindungsleitung der Verbindungslei¬ tungen von der Ausgangsschleuse und von der Absaug¬ vorrichtung 41 Chalice-shaped evaporation area, Fig. 4 Connection line, FIG. 8 Common connection line of the connection lines from the exit lock and from the suction device
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Also Published As
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