ОБРАЗОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПЛАЗМЕННОГО ПИРОЛИЗА ПРОПАН-БУТАНОВОЙ СМЕСИ

FORMATION OF NANOSTRUCTURED CARBON MATERIALS UNDER CONDITIONS OF PLASMA PYROLYSIS OF A PROPANE-BUTANE MIXTURE

Zhanat Myshyrova

Master student, Department of Chemical Physics and Materials Science, Kazakh National University named after Al-Farabi,

Kazakhstan, Almaty

Kuanysh Umbetkaliev

scientific adviser, doctor PhD, Kazakh National University named after Al-Farabi,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Цель. Получение углеродных наноструктурированных материалов в условиях плазменного пиролиза пропан-бутановой смеси с использованием электродугового плазмотрона с медными электродами.

Результат. Исследование образовавшегося углеродного конденсата продемонстрировало наличие одностенных и многостенных углеродных нанотрубок, нанолент и других форм углеродных нанокластеров, с интеркалированными в углеродную матрицу атомами меди.

Вывод. Проведенное исследование с использованием Раман-спектроскопического анализа и электронной микроскопии показало возможность получения УНМ окислительным пиролизом пропан-бутановой смеси, с использованием электродугового плазмотрона с медными электродами.

ABSTRACT

Background. Obtaining carbon nanostructured materials under conditions of plasma pyrolysis of a propane-butane mixture using an electric arc plasmotron with copper electrodes.

Result. The study of the formed carbon condensate demonstrated the presence of single-walled and multi-walled carbon nanotubes, nanoribbons and other forms of carbon nanoclusters with copper atoms intercalated into the carbon matrix.

Conclusion. The study carried out using Raman spectroscopic analysis and electron microscopy showed the possibility of obtaining CNM by oxidative pyrolysis of a propane-butane mixture using an electric arc plasmotron with copper electrodes.

Ключевые слова: углеродные наноматериалы; пиролиз; плазмотрон.

Keywords: carbon nanomaterials; pyrolysis; plasmotron.

Введение

В настоящее время большое распространение получили плазмохимические методы в синтезе углеродных наноматериалов. С позиции перспектив промышленного производства особое место занимает группа процессов синтеза (пиролиз) из углеродсодержащих газов. В отличие от существующих методов синтеза пиролиз имеет ряд преимуществ: относительно низкую энергоемкость процесса; использование дешевого и доступного углеродсодержащего сырья; применение сравнительно "мягких" технологических параметров синтеза; простота конструкций и технологичность изготовления используемой аппаратуры; отсутствие необходимости очистки от примесей [1].

При производстве наноматериалов широко используются два типа плазмотронов: плазмотроны постоянного тока и высокочастотные плазмотроны. Плазмотроны постоянного тока обычно состоят из катода и анодного сопла и могут иметь стержневые или полые электроды.

Электродуговые плазмотроны с медными электродами цилиндрической формы широко распространены в энергетике, металлургии и химической промышленности, благодаря простому исполнению и надежности [2]. Подобные плазмотроны широко используются в технологии факельного сжигания энергетических углей в котлах тепловых электростанций (ТЭС).

Одним из перспективных путей увеличения ресурса работы электродов является использование процесса регенерации материала электрода, т.е. осаждение на активную его поверхность атомов и ионов из приэлектродной плазмы. Для удовлетворения требованиям постоянной регенерации катода, был разработан и испытан воздушный электродуговой плазмотрон, схема конструкции и фотография которого приведены на рис. 1 [3].

Рисунок 1. Схема высокоресурсного электродугового плазмотрона:

1 - медный катод, 2 - катодная графитовая вставка, 3 - катодный соленоид, 4 -поджигающий электрод, 5 - медный анод, 6 - анодная графитовая вставка, 7 – анодный соленоид; G – расход плазмообразующего газа (воздуха), G₁ - 70%, G₂ – 20%, G₃ – 10% от его общего расхода.

В данной работе были изучены полученные на катоде плазмотрона углеродные наноструктурированные материалы в результате пиролиза пропан-бутановой смеси. Также приведены результаты комплексных физико-химических исследований фазового, структурного и элементного состава образующегося углеродного наноматериала (УНМ).

Экспериментальная часть

На рис. 1 показана конструкция электродугового плазмотрона мощностью 30 кВт. Как видно из рисунка, плазмотрон состоит из катодного узла, включающего в себя медную обойму 1, в которую запрессована графитовая вставка 2, и размещен соленоид 3, анодного узла, состоящего из медного водоохлаждаемого электрода сложной геометрии 5, в конусной части которого установлены графитовая вставка 6 и соленоид 7 и поджигающего электрода 4. В плазмотроне предусмотрена система подачи плазмообразующего газа G₁, G₂, G₃.

Необходимая стабилизация разряда на электродах, обеспечивается магнитными катушками вокруг катода и анода, которые включены последовательно с дугой. Пропан-бутановая смесь подается в зону привязки дуги на катоде и аноде через отверстия с тыльной стороны катода и винтовые каналы в его графитовой вставке, с боковой поверхности анода и через радиальные каналы в его графитовой вставке, а также через поры графитовых вставок. Благодаря такой подаче газовой смеси, образующаяся среда в полости катода и на внутренней поверхности анода, состоит в большей степени из углеродосодержащего газа. В результате диссоциации в плазме молекул пропан-бутанаовой смеси, образуются ионы углерода, которые под действием прикатодного падения потенциала оседают на медном водоохлаждаемом катоде, образуя углеродный наноструктурированный конденсат [3].

Результаты и обсуждение

В табл. 1 представлены результаты экспериментальных исследований высокоресурсного плазмотрона. Из таблицы видно, что при мощности плазмотрона в интервале 76 – 132 кВт, расходе пропан-бутана (G_газа) в диапазоне 0.4 – 0.7 л/мин термический КПД плазмотрона (h) достигал 90%. При этом среднемассовая температура варьировалась от 3500 до 5000К.

Таблица 1.

Результаты экспериментов

Физико-химическое исследование углеродного конденсата выявило, что он состоит из следующих компонентов: углерода (96.7-98.5 %); водорода (l.2-2.3 %); меди (0.3-1.0 %). Было выявлено, что углеродный конденсат представляет собой поликристаллический графитоподобный материал, способный проводить электричество (удельное электрическое сопротивление 10^-7 Ом·м).

Полученный конденсат имеет в своем составе до 80 % нанопленок и нанолент, складывающихся из углеродных кластеров различных размеров и плотности (рис. 4, а, б, с). Ширина нанолент варьируется от 40 до 160 нм. На рис. 4 (с) можно заметить включение в наноструктуре, в виде медной наночастицы которая является продуктом эрозии медного катода и по видимому центром роста данной структуры.

(а)                                           (б)                                 (с)

Рисунок 4. Фотографии проб конденсата, полученные с помощью ПЭМ.

Выводы

Проведенное исследование с использованием Раман-спектроскопического анализа и электронной микроскопии показало возможность получения углеродного конденсата, окислительным пиролизом пропан-бутановой смеси, без использования благородных газов (аргона, гелия), состоящего из различных углеродных наноструктуре, в виде нанотрубок, нанопленок, нанолент имеющих включения наночастиц меди в матрице.

В ходе испытаний полученных образцов углеродного конденсата были установлены следующие параметры:

• химический состав (масс. %): С=96.74-98.47; H=2.26-l.24; Cu=l-0.30.
• электрическое сопротивление, (Ом·м): <10^–7.

Также испытания подтвердили увеличение ресурса работы электродов плазмотрона, который превысил 1000 часов. Эксперименты показали, что покрытие из углеродного наноструктурированного материала увеличивает срок службы электродов плазмотрона.

Список литературы:

1. Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. М.: Машиностроение, 2008. – 320 с.
2. Gorokhovski M.A., Jankoski Z., Lockwood F.C., Karpenko E.I., Messerle V.E., Ustimenko A.B. Enhancement of Pulverized Coal Combustion by Plasma Technology // Combustion Science and Technology, 2007, Vol.179, N.10, P.2065–2090.
3. Мессерле В.Е., Устименко А.Б. Образование наноуглеродных материалов в плазмохимических реакторах // Вестник КазНУ им. аль-Фараби. Серия химическая № 3 (63), 2011.– С. 173-178.