ナノカーボン材料製造装置及び方法
【課題】純度が高いナノカーボン材料を効率よく製造することができるナノカーボン材料製造装置及び方法を提供する。
【解決手段】流動触媒１１を充填した流動層反応部１２ａと、炭素源である炭素原料（ＣＨ4）１３を前記流動層反応部１２ａ内に供給する原料供給装置１４と、流動触媒１１を前記流動層反応部１２ａ内に供給する流動触媒供給装置１５と、前記流動層反応部１２ａ内の流動材である流動触媒１１が飛散及び流下する空間を有するフリーボード部１２ｂと、前記流動層反応部１２ａに導入し、内部の流動触媒１１を流動させる流動ガス１６を供給する流動ガス供給装置１７と、流動層反応部１２ａを加熱する加熱部１２ｃと、該フリーボード部１２ｂから排出される排ガス１８ａを処理する排ガス処理装置１８と、前記流動層反応部１２ａから触媒付ナノカーボン材料１９Ａを回収ライン２０により抜出して回収する回収装置２１とを具備する。
【解決手段】流動触媒１１を充填した流動層反応部１２ａと、炭素源である炭素原料（ＣＨ4）１３を前記流動層反応部１２ａ内に供給する原料供給装置１４と、流動触媒１１を前記流動層反応部１２ａ内に供給する流動触媒供給装置１５と、前記流動層反応部１２ａ内の流動材である流動触媒１１が飛散及び流下する空間を有するフリーボード部１２ｂと、前記流動層反応部１２ａに導入し、内部の流動触媒１１を流動させる流動ガス１６を供給する流動ガス供給装置１７と、流動層反応部１２ａを加熱する加熱部１２ｃと、該フリーボード部１２ｂから排出される排ガス１８ａを処理する排ガス処理装置１８と、前記流動層反応部１２ａから触媒付ナノカーボン材料１９Ａを回収ライン２０により抜出して回収する回収装置２１とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、純度の高いナノカーボン材料を製造することができるナノカーボン材料製造装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カーボンナノチューブや、カーボンナノファイバ等のナノカーボン材料は、アーク法の他、気相熱分解法、レーザー昇華法、凝縮相の電解法などの製造方法が種々提案されている（特許文献１乃至３）。
【０００３】
これに対し、本出願人は、大量にナノカーボン材料を製造する方法として、流動層反応方法によるナノ単位のカーボン材料の製造を先に提案した（特許文献４）。
【０００４】
この流動層反応方法によるナノカーボン材料の製造においては、流動材と触媒とを兼用してなる流動触媒は一次粒子を造粒して粗粒化した二次粒子を用いることで、気泡上昇型の流動層反応機を形成し、触媒粒子の反応時間を十分に取るようにしている。そして、流動層反応装置で得られた触媒付ナノカーボン材料は、その製造の際に使用した触媒を分離除去するために、酸により洗浄除去するようにしている。
この触媒付ナノカーボン材料の洗浄過程の一例を図５に示す。
【０００５】
図８に示すように、流動触媒からナノカーボン材料が成長した触媒付ナノカーボン材料１０６は、例えば塩酸等の酸１１０を用いた酸処理によって、触媒を溶解し、濾過処理をした後、精製ナノカーボン材料１１１を得ている。
【０００６】
図９は、流動触媒に成長したナノカーボン材料の模式図である。図６に示すように、流動触媒１０３は、担体（例えばＭｇＯ）１０１に担持された活性成分（Ｆｅ）１０２から構成されており、流動層反応装置においては、ナノカーボン材料の成長の触媒機能として作用すると共に、流動材としての機能を発揮している。
【０００７】
図１０及び図１１は、流動触媒の活性成分からナノカーボン材料が成長する様子を示す模式図である。
図１０に示すように、流動層反応器内では流動触媒１０３は例えばメタン等の炭素原料の供給により、担体１０１に担持された活性成分１０２からナノカーボン材料１０５が成長することとなる。
その後、流動層反応器から分離されたナノカーボン材料は、酸処理工程において、担体と活性成分とが溶解され、消失させて、精製ナノカーボン材料としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３１００９６２号公報
【特許文献２】特公表２００１−５２０６１５号公報
【特許文献３】特開２００１−１３９３１７号公報
【特許文献４】特開２００４−７６１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、図１１に示すように、酸処理工程の際において、活性金属１０２がナノカーボン材料の末端に残存すると、精製物野中にその活性金属１０２が不純物として残存することとなり、ナノカーボン材料の純度が低下する、という問題がある。
【００１０】
図１２は、活性成分の周囲にアモルファスカーボンが成長している様子を示す模式図である。図１２に示すように、炭素減少（メタン：ＣＨ4）は、活性金属１０２の触媒作用により、ナノカーボン材料１０５を成長させているが、その成長の際に、ナノカーボン材料の末端部分の活性金属１０２の周囲をアモルファスカーボン１０７が発生し、活性金属１０２の全体を被覆する場合がある。
【００１１】
このようなアモルファスカーボン１０７が存在すると、酸処理工程において、アモルファスカーボンを十分溶解させることができずに、ナノカーボン材料の末端にアモルファスカーボンに被覆された活性金属が残留し、純度の低下を招くこととなる。
【００１２】
また、近年炭素材料の種々の用途が拡大しているので、純度の高いナノカーボン材料はその適用の幅が広がるので、大量にしかも純度が高いナノカーボン材料を効率よく製造することができる製造方法及び装置の出現が望まれている。
【００１３】
本発明は、上記問題に鑑み、純度が高いナノカーボン材料を効率よく製造することができるナノカーボン材料製造装置及び方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、触媒とナノカーボン材料製造用原料とを供給して、ナノカーボン材料を製造するナノカーボン材料製造部と、該ナノカーボン材料製造装置で製造された触媒付ナノカーボン材料を回収する回収部と、を具備してなり、該回収部に酸素を導入し、触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させることを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、前記酸素の供給を回収装置内の温度が２００〜５００℃となってから導入することを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。
【００１６】
第３の発明は、触媒とナノカーボン材料製造用原料とからナノカーボン材料を製造し、得られた触媒付ナノカーボン材料を不活性雰囲気で回収し、その後酸素を導入し、触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させることを特徴とするナノカーボン材料製造方法にある。
【００１７】
第４の発明は、第３の発明において、前記部分燃焼する際、温度が２００〜５００℃となってから酸素を導入することを特徴とするナノカーボン材料製造方法にある。
【００１８】
第５の発明は、流動層反応器を用いてナノカーボン材料を製造する方法であって、前記流動層反応器に流動触媒を供給する工程と、前記流動触媒を加熱する工程と、前記流動層反応器に炭素原料を供給することで流動触媒を流動させながら触媒上にナノカーボン材料を成長させる工程と、前記流動触媒を所定の温度まで徐冷させる工程において、徐冷された前記流動触媒に空気または酸素を供給することで触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させながら流動させることを特徴とするナノカーボン材料製造方法にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、排出された触媒付ナノカーボン材料が製造温度から所定温度以下に冷却されたことを確認した後、空気を供給し、末端部分を部分燃焼させ、担体に担持された活性金属から成長されているナノカーボン材料が成長した活性金属との接触端部を、部分燃焼させ、触媒とナノカーボン材料とを切り離す。これにより精製ナノカーボン材料の純度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施例１に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例２に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。
【図３】図３は、ナノカーボン材料の燃料温度（低温）と燃焼割合との関係図を示す。
【図４】図４は、ナノカーボン材料の燃料温度（高温）と燃焼割合との関係図を示す。
【図５】図５は、実施例３に係るナノカーボン材料製造システムの概略図である。
【図６】図６は、実施例３に係る活性成分の周辺に形成されるアモルファスカーボンの様子を示す模式図である。
【図７】図７は、実施例４に係るナノカーボン材料製造システムの概略図である。
【図８】図８は、触媒付ナノカーボン材料の洗浄過程の一例を示す図である。
【図９】図９は、流動触媒に成長したナノカーボン材料の模式図である。
【図１０】図１０は、流動触媒の活性成分からナノカーボン材料が成長する様子を示す模式図である。
【図１１】図１１は、流動触媒の活性成分からナノカーボン材料が成長する様子を示す模式図である。
【図１２】図１２は、従来技術に係る活性成分の周辺に形成されるアモルファスカーボンの様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２２】
本発明による実施例に係るナノカーボン材料製造装置について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。
ここで、本実施例では、活性成分（鉄：Ｆｅ）を担持した担体（酸化マグネシウム：ＭｇＯ）からなる一次粒子を圧密した所定粒径の二次粒子のナノカーボン材料製造用触媒を、触媒作用と流動作用とを兼用とする流動触媒として用いている。
図１に示すように、本実施例にかかるナノカーボン材料製造装置１０は、内部に触媒と流動材とを兼用した流動触媒１１を充填した流動層反応部１２ａと、炭素源である炭素原料（ＣＨ4）１３を前記流動層反応部１２ａ内に供給する原料供給装置１４と、流動触媒１１を前記流動層反応部１２ａ内に供給する流動触媒供給装置１５と、前記流動層反応部１２ａ内の流動材である流動触媒１１が飛散及び流下する空間を有するフリーボード部１２ｂと、前記流動層反応部１２ａに導入し、内部の流動触媒１１を流動させる流動ガス１６を供給する流動ガス供給装置１７と、流動層反応部１２ａを加熱する加熱部１２ｃと、該フリーボード部１２ｂから排出される排ガス１８ａを処理する排ガス処理装置１８と、前記流動層反応部１２ａから触媒付ナノカーボン材料１９Ａを回収ライン２０により抜出して回収する回収装置２１とを具備するものである。
【００２３】
本実施例では、ナノカーボン材料の回収装置２１は、図示しない真空ポンプと空気導入手段とを備えている。
そして、ナノカーボン材料製造装置１０でナノカーボン材料を製造した後、回収ライン２０を介して、触媒付ナノカーボン材料１９Ａを回収装置２１で回収後、２００〜５００℃になったことを確認したら、空気導入手段により空気（酸素）を導入し、ナノカーボン材料を部分燃焼させている。
【００２４】
この部分燃焼は、短時間で行い、ナノカーボン材料が成長した接触端部を部分燃焼させて、ナノカーボン材料と活性金属とを切り離すこととしている。
この結果、アモルファスカーボンにより被覆されている活性金属とナノカーボン材料とが分離されることとなる。
【００２５】
図３及び図４にナノカーボン材料の燃料温度と燃焼割合との関係図を示す。
図３の場合には、低温（２００℃）で燃焼が開始するナノカーボン材料である。
図４の場合には、高温（４００℃）で燃焼が開始するナノカーボン材料である。
よって、ナノカーボン材料の製造条件により、燃焼性の異なるナノカーボン材料が得られるので、その燃焼性に適した温度条件に設定するのが好ましい。
【００２６】
なお、燃焼温度が５００℃を超えると、図４に示すように、ナノカーボン材料自身の燃焼が促進されて、燃焼割合が増加するので、５００℃未満で燃焼するのが好ましい。
【００２７】
なお、この部分燃焼の際に、成長したナノカーボン材料の一部も燃焼することとなるので、燃焼時間は極めて未時間時間となる。
その後、回収装置２１から部分燃焼された触媒付ナノカーボン材料１９Ｂを排出する。また、回収装置２１は、その後図示しない真空装置により真空引きを行い、次の回収に備える。
【００２８】
ここで、前記流動層反応部１２ａの流動層反応形式には気泡型流動層型と噴流型流動層型とがあるが、本発明ではいずれのものを用いてもよい。
【００２９】
本実施形態では、流動層反応部１２ａとフリーボード部１２ｂと加熱部１２ｃとから流動層反応器１２を構成している。また、フリーボード部１２ｂは、流動層反応部１２ａよりもその流路断面積の大きいものが好ましい。
【００３０】
前記原料供給装置１４より供給される原料ガスである炭素原料１３は、炭素を含有する化合物であれば、いずれのものでもよく、例えばＣＯ、ＣＯ2の他、メタン、エタン、プロパン及びヘキサン等のアルカン類、エチレン、プロピレン及びアセチレン等の不飽和有機化合物、ベンゼン、トルエン等の芳香族化合物、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等の含酸素官能基を有する有機化合物、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子材料、又は石油や石炭（石炭転換ガスを含む）等を挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素濃度制御のため、含酸素炭素源ＣＯ、ＣＯ2、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等と、酸素を含まない炭素源とを２つ以上組合わせて供給することもできる。
【００３１】
この炭素原料１３は、流動層反応部１２ａ内にガス状態で供給し、流動材である流動触媒１１による攪拌により均一な反応が行われ、ナノカーボン材料を成長させている。この際、所定の流動条件となるように、別途流動ガス１６として流動ガス供給装置１７により不活性ガスを流動層反応部１２ａ内に導入している。
【００３２】
そして、流動層反応器１２の加熱部１２ｃにより流動層反応部１２ａ内を３００℃〜１３００℃の温度範囲、より好ましくは４００℃〜１２００℃の温度範囲とし、メタン等の炭素原料１１を不純物炭素分解物の共存環境下で一定時間触媒に接触することによってナノカーボン材料を合成している。
【００３３】
なお、流動層反応部１２ａから排出された排ガス１８ａは排ガス処理装置１８で排ガス処理がなされる。その際、サイクロン等の気固分離装置を用いて、微粒子を分離し、回収装置２１へ導入するようにしてもよい。なお、サイクロン以外としては、例えばバグフィルタ、セラミックフィルタ、篩等の公知の分離手段を用いることができる。
【００３４】
このように、回収装置２１で回収された後、所定温度範囲内で部分燃焼させることにより、触媒付ナノカーボン材料の末端の活性金属を覆うアモルファスカーボンを燃焼するようにしているので、活性金属が剥き出し状態となり、次工程である酸処理装置３２における酸洗浄が確実になされ、精製されたナノ単位の精製ナノカーボン材料（例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ等）１９Ｃを得ることができる。
【実施例２】
【００３５】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
図２は、実施例２に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。
本実施例では、連続して回収することができる装置である。
図２に示すように、本実施例では、第１の回収措置２１Ａと第２の回収装置２１Ｂとを備えている。
流動層反応器１２をから排出される触媒付ナノカーボン材料１９Ａは、回収ライン２０から分岐された第１の回収ライン２０ａに介装された第１の回収措置２１Ａと、第２の回収ライン２０ｂに介装された第２の回収装置２１Ｂとのいずれかに導入される。なお、Ｖ1〜Ｖ8は第１乃至第８のバルブである。
【００３６】
このような装置を用いて、部分燃焼させる工程について説明する。
１）先ず第１及びバルブＶ1及びＶ2を開放し、触媒付ナノカーボン材料１９Ａを第１の回収装置２１Ａ内に導入し、第１及び第２のバルブＶ1及びＶ2を閉じる。
２）次いで、温度計測装置Ｔ1により内部温度が所定の温度（例えば２００℃）まで低下したことを確認したら、第８のバルブＶ8を開き、空気導入手段３３により所定量の空気３４を導入し、第１の回収装置２１Ａ内でナノカーボン材料を部分燃焼させる。
３）部分燃焼が終了した後、第４のバルブＶ4を開き、酸処理装置３２へ部分燃焼した後の触媒付ナノカーボン材料１９Ｂを供給し、ここで酸洗浄により触媒部分の担体及び活性金属を溶解させて精製ナノカーボン材料１９Ｃを得る。
４）その後、第７のバルブＶ7を開き、真空ポンプ３０を作動させることにより、第１の回収装置２１Ａ内を真空にして、次の部分燃焼に備える。
【００３７】
この真空作業の際には、別に準備していた第２の回収装置２１Ｂを用いて、部分燃焼し、交互で処理することで連続しての作業を行うことができる。
【実施例３】
【００３８】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
図５は、実施例３に係るナノカーボン材料製造システムの概略図である。本実施例では、触媒付ナノカーボン材料の部分燃焼中に触媒付ナノカーボン材料を流動させることで、ナノカーボン材料を担体から分離するプロセスを示す。
【００３９】
図５は、実施例１と同様にナノカーボン材料製造装置１０にてナノカーボン材料を製造した後に、徐冷される前の加熱された状態の触媒付ナノカーボン材料１９Ａを大気開放しないでナノカーボン材料分離装置４０に供給し、触媒付ナノカーボン材料１９Ａが５００℃以下の温度領域まで徐冷されたら、部分燃焼用流動ガス供給装置４２により部分燃焼用ガス（例えば空気）４１をナノカーボン材料分離装置４０に供給し、触媒付ナノカーボン材料を流動させることで、触媒付ナノカーボン材料を部分燃焼させながら担体から分離するようにしている。
ナノカーボン材料分離装置４０に供給された触媒付ナノカーボン材料は、不活性ガス４３により流動させることで徐冷する。この不活性ガスによる流動させながら徐冷は、複数の触媒付ナノカーボン材料間の温度ムラを抑制する。
ナノカーボン材料分離装置４０には、内部に部分燃焼用流動ガス４１を供給する部分燃焼用流動ガス供給装置と、不活性ガス４３を供給する不活性ガス供給装置と、ナノカーボン材料分離装置４０から導出された不純物を含むナノカーボン材料５１と不純物とを分離するナノカーボン材料回収装置５０が設けられている。
【００４０】
図５において、ナノカーボン材料分離装置４０で触媒付ナノカーボン材料を部分燃焼用流動ガス４１により部分燃焼させて、ナノカーボン材料が成長する起点となっている活性金属とナノカーボン材料の接触端部を覆うアモルファスカーボンを燃焼し、活性金属を剥き出しにしている。これにより、触媒付ナノカーボン材料は、ナノカーボン材料と担体との接触端部が露出され、アモルファスカーボンに覆われている状態よりも脆弱化されている。そして、触媒付ナノカーボン材料を流動させることで、触媒付ナノカーボン材料同士を衝突させて、脆弱化している接触端部に衝撃を加え、担体とナノカーボン材料を分離している。複数の触媒付ナノカーボン材料は別途導入される窒素等の不活性ガス４３により流動させることで温度ムラを抑制させながら徐冷しているので、部分燃焼が均一に起こり、触媒付ナノカーボン材料間の温度ムラよるナノカーボン材料の過剰な燃焼を抑制する。この過剰な燃焼は不純物であるアモルファスカーボンの燃焼以外にナノカーボン材料も燃焼する現象であり、触媒付ナノカーボン材料の温度ムラがあり、一部に高温部分があると発生する。なお、不活性ガスは不活性ガス供給装置４４によりナノカーボン材料分離装置４０に供給される。
【００４１】
図６では、触媒付ナノカーボン材料の成長起点である活性金属１０２を覆うアモルファスカーボンが燃焼されていく様子を示した概念図である。加熱された状態の触媒付ナノカーボン材料に空気を導入することで、ナノカーボン材料１０５と活性金属１０２との接触端部に存在するアモルファスカーボン１０７を部分燃焼させている。これにより、触媒付ナノカーボン材料においてナノカーボン材料１０５と活性金属１０２が剥き出しとなり、接触端部を脆弱化している。ここで、接触端部とはナノカーボン材料１０５の成長起点である活性金属１０２を含むナノカーボン材料端部のことである。
【００４２】
図５に示したナノカーボン材料分離装置４０において、流動ガス４１として空気を導入することが好ましい。流動ガス供給装置４２から供給される流動ガス４１として空気を利用することで、触媒付ナノカーボン材料を部分燃焼させながら、担体からナノカーボン材料を分離することができる。ナノカーボン材料分離装置４０における流動ガス４１の導入方法は、気泡型流動層型と噴流型流動層型とがあるが、本発明ではいずれのものを用いてもよい。
【００４３】
本実施例において、ナノカーボン材料分離装置４０に導入される部分燃焼用流動ガス４１の一例として、空気を用いて説明したが、本実施例において部分燃焼用流動ガス４１としては酸素を含むガスであればいずれでも良く、水蒸気や酸素のみを流動ガスとして供給することも可能である。ナノカーボン材料分離装置４０に供給される流動ガス４１の流速は、触媒付ナノカーボン材料の重量や温度によって適宜調整されるものである。
【００４４】
本実施例において、不活性ガスによる流動させながらの徐冷と空気による部分燃焼のための流動を連続的に行うことも可能である。この場合、不活性ガス４３によって、触媒付ナノカーボン材料の温度が５００℃以下になった時点で、流動ガス種を空気に変更して不純物の燃焼を行う。これによりナノカーボン材料の部分的な過剰燃焼が抑制される。これにより、部分燃焼プロセスによる過剰燃焼を抑制すると共に、再加熱によるプロセスの追加がないので、収率が向上し、コストが低減される。
【００４５】
また、流動ガス４１の流速を切り替えることでナノカーボン材料の分離のために必要な時間を短縮することもできる。流動ガスの導入初期段階では、流速を遅くすることで触媒付ナノカーボン材料の部分燃焼用空気を流動層内に拡散させ、流動層内に燃焼用の空気が拡散されたら、流速を早くして触媒付ナノカーボン材料を激しく流動させる。これにより、触媒付ナノカーボン材料同士の物理的な衝突を起こし、ナノカーボン材料を担体から分離しても良い。
【００４６】
担体から分離されたナノカーボン材料５１と流動により発生する不純物を含む分離物５２は、ナノカーボン材料分離装置４０の上部から導出され、ナノカーボン材料回収装置５０によりナノカーボン材料５１と不純物を含む分離物５２とに分離され、ナノカーボン材料５１は回収される。ナノカーボン材料回収装置５０としては、ナノカーボン材料と不純物とを分離する装置を適用することが好ましく、サイクロン装置が好適に利用される。
【００４７】
本実施例において、ナノカーボン材料分離装置４０として、触媒付ナノカーボン材料に加える衝撃の回数を多くすることを目的として、流動層内に障害物を配置することも可能である。流動層内に配置される障害物としては、ナノカーボン材料分離装置４０の内壁からナノカーボン材料分離装置４０の内部に伸びる障害物等やナノカーボン材料分離装置４０のフリーボード部に設けられた天板等であっても良い。
【実施例４】
【００４８】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
図７は、実施例４に係るナノカーボン材料製造システムの概略図である。本実施例では、実施例３において、さらに触媒付ナノカーボン材料１９Ａを一時的に貯留容器６０に貯留して、貯留容器６０で部分燃焼させ、徐冷した後に、ナノカーボン材料分離装置４０で触媒付燃焼ナノカーボン材料を流動させることで、ナノカーボン材料を担体から分離するプロセスを示している。
【００４９】
図７は、本実施例におけるナノカーボン材料製造装置１０とその後段に設置されているナノカーボン材料分離装置４０との間に貯留容器６０を設けた態様を開示している。この貯留容器６０は流動層反応器とナノカーボン材料分離装置４０における処理量を調整するために一次的に貯留するために用いられるものであって、ナノカーボン材料分離装置４０の処理状況に応じて、貯留容器６０で触媒付ナノカーボン材料をナノカーボン材料分離装置４０に供給できるまで一時的に貯留している。
【００５０】
ナノカーボン材料製造装置４０により製造された触媒付ナノカーボン材料は、大気開放されることなく、加熱された状態で貯留容器６０に供給される。そして、触媒付ナノカーボン材料は、貯留容器６０において所定温度範囲内で部分燃焼させる。この部分燃焼は実施例１と同様の方法にて実施されている。貯留容器６０には空気導入手段６１により燃焼用の空気６２が供給されている。
【００５１】
部分燃焼された触媒付ナノカーボン材料は、貯留容器６０で徐冷しても良い。しかし、部分燃焼により触媒金属が剥き出しとなっていることから、触媒金属の再酸化を防止するために、燃焼終了後は不活性ガスでパージしている。その後、触媒付燃焼ナノカーボン材料を不活性ガス雰囲気で徐冷されることが好ましい。
【００５２】
ナノカーボン材料分離装置４０から担体が排出され、新たに触媒付ナノカーボン材料が供給できる状況となったら、貯留容器６０に貯留していた触媒付燃焼ナノカーボン材料をナノカーボン材料分離装置４０に供給する。触媒付燃焼ナノカーボン材料は、ナノカーボン材料分離装置４０において、不活性ガスを導入し流動させることで担体から分離させる。
【００５３】
貯蔵容器６０における触媒付ナノカーボン材料の部分燃焼によりナノカーボン材料と担体の接触端部が脆弱化された触媒付燃焼ナノカーボン材料をナノカーボン材料分離装置４０に投入し、触媒付燃焼ナノカーボン材料を激しく流動させることで物理的な衝突を起こし、ナノカーボン材料を担体から分離する。
【００５４】
実施例３と同様に、担体から分離されたナノカーボン材料５１および不純物を含む分離物は、ナノカーボン材料分離装置４０の上部から導出され、ナノカーボン材料回収装置５０によりナノカーボン材料５１と不純物を含む分離物５２とに分離され、ナノカーボン材料５１は回収される。ナノカーボン材料回収装置５０としては、ナノカーボン材料と不純物とを分離する装置を適用することが好ましく、サイクロン装置が好適に利用される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明に係るナノカーボン材料製造装置によれば、製造後のナノカーボン材料を部分燃焼させることで、触媒とナノカーボン材料とを切り離し、精製ナノカーボン材料の純度を向上することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ナノカーボン材料製造装置
１１ 流動触媒
１２ 流動層反応器
１３ 炭素原料
１４ 原料供給装置
１５ 流動触媒供給装置
１６ 流動ガス
１７ 流動ガス供給装置
１８ 排ガス処理装置
１９Ａ 触媒付ナノカーボン材料
１９Ｂ 部分燃焼された触媒付ナノカーボン材料
１９Ｃ 精製ナノカーボン材料
２０ 回収ライン
２１、２１Ａ、２１Ｂ 回収装置
４０ ナノカーボン材料分離装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、純度の高いナノカーボン材料を製造することができるナノカーボン材料製造装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カーボンナノチューブや、カーボンナノファイバ等のナノカーボン材料は、アーク法の他、気相熱分解法、レーザー昇華法、凝縮相の電解法などの製造方法が種々提案されている（特許文献１乃至３）。
【０００３】
これに対し、本出願人は、大量にナノカーボン材料を製造する方法として、流動層反応方法によるナノ単位のカーボン材料の製造を先に提案した（特許文献４）。
【０００４】
この流動層反応方法によるナノカーボン材料の製造においては、流動材と触媒とを兼用してなる流動触媒は一次粒子を造粒して粗粒化した二次粒子を用いることで、気泡上昇型の流動層反応機を形成し、触媒粒子の反応時間を十分に取るようにしている。そして、流動層反応装置で得られた触媒付ナノカーボン材料は、その製造の際に使用した触媒を分離除去するために、酸により洗浄除去するようにしている。
この触媒付ナノカーボン材料の洗浄過程の一例を図５に示す。
【０００５】
図８に示すように、流動触媒からナノカーボン材料が成長した触媒付ナノカーボン材料１０６は、例えば塩酸等の酸１１０を用いた酸処理によって、触媒を溶解し、濾過処理をした後、精製ナノカーボン材料１１１を得ている。
【０００６】
図９は、流動触媒に成長したナノカーボン材料の模式図である。図６に示すように、流動触媒１０３は、担体（例えばＭｇＯ）１０１に担持された活性成分（Ｆｅ）１０２から構成されており、流動層反応装置においては、ナノカーボン材料の成長の触媒機能として作用すると共に、流動材としての機能を発揮している。
【０００７】
図１０及び図１１は、流動触媒の活性成分からナノカーボン材料が成長する様子を示す模式図である。
図１０に示すように、流動層反応器内では流動触媒１０３は例えばメタン等の炭素原料の供給により、担体１０１に担持された活性成分１０２からナノカーボン材料１０５が成長することとなる。
その後、流動層反応器から分離されたナノカーボン材料は、酸処理工程において、担体と活性成分とが溶解され、消失させて、精製ナノカーボン材料としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３１００９６２号公報
【特許文献２】特公表２００１−５２０６１５号公報
【特許文献３】特開２００１−１３９３１７号公報
【特許文献４】特開２００４−７６１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、図１１に示すように、酸処理工程の際において、活性金属１０２がナノカーボン材料の末端に残存すると、精製物野中にその活性金属１０２が不純物として残存することとなり、ナノカーボン材料の純度が低下する、という問題がある。
【００１０】
図１２は、活性成分の周囲にアモルファスカーボンが成長している様子を示す模式図である。図１２に示すように、炭素減少（メタン：ＣＨ4）は、活性金属１０２の触媒作用により、ナノカーボン材料１０５を成長させているが、その成長の際に、ナノカーボン材料の末端部分の活性金属１０２の周囲をアモルファスカーボン１０７が発生し、活性金属１０２の全体を被覆する場合がある。
【００１１】
このようなアモルファスカーボン１０７が存在すると、酸処理工程において、アモルファスカーボンを十分溶解させることができずに、ナノカーボン材料の末端にアモルファスカーボンに被覆された活性金属が残留し、純度の低下を招くこととなる。
【００１２】
また、近年炭素材料の種々の用途が拡大しているので、純度の高いナノカーボン材料はその適用の幅が広がるので、大量にしかも純度が高いナノカーボン材料を効率よく製造することができる製造方法及び装置の出現が望まれている。
【００１３】
本発明は、上記問題に鑑み、純度が高いナノカーボン材料を効率よく製造することができるナノカーボン材料製造装置及び方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、触媒とナノカーボン材料製造用原料とを供給して、ナノカーボン材料を製造するナノカーボン材料製造部と、該ナノカーボン材料製造装置で製造された触媒付ナノカーボン材料を回収する回収部と、を具備してなり、該回収部に酸素を導入し、触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させることを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、前記酸素の供給を回収装置内の温度が２００〜５００℃となってから導入することを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。
【００１６】
第３の発明は、触媒とナノカーボン材料製造用原料とからナノカーボン材料を製造し、得られた触媒付ナノカーボン材料を不活性雰囲気で回収し、その後酸素を導入し、触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させることを特徴とするナノカーボン材料製造方法にある。
【００１７】
第４の発明は、第３の発明において、前記部分燃焼する際、温度が２００〜５００℃となってから酸素を導入することを特徴とするナノカーボン材料製造方法にある。
【００１８】
第５の発明は、流動層反応器を用いてナノカーボン材料を製造する方法であって、前記流動層反応器に流動触媒を供給する工程と、前記流動触媒を加熱する工程と、前記流動層反応器に炭素原料を供給することで流動触媒を流動させながら触媒上にナノカーボン材料を成長させる工程と、前記流動触媒を所定の温度まで徐冷させる工程において、徐冷された前記流動触媒に空気または酸素を供給することで触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させながら流動させることを特徴とするナノカーボン材料製造方法にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、排出された触媒付ナノカーボン材料が製造温度から所定温度以下に冷却されたことを確認した後、空気を供給し、末端部分を部分燃焼させ、担体に担持された活性金属から成長されているナノカーボン材料が成長した活性金属との接触端部を、部分燃焼させ、触媒とナノカーボン材料とを切り離す。これにより精製ナノカーボン材料の純度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施例１に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例２に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。
【図３】図３は、ナノカーボン材料の燃料温度（低温）と燃焼割合との関係図を示す。
【図４】図４は、ナノカーボン材料の燃料温度（高温）と燃焼割合との関係図を示す。
【図５】図５は、実施例３に係るナノカーボン材料製造システムの概略図である。
【図６】図６は、実施例３に係る活性成分の周辺に形成されるアモルファスカーボンの様子を示す模式図である。
【図７】図７は、実施例４に係るナノカーボン材料製造システムの概略図である。
【図８】図８は、触媒付ナノカーボン材料の洗浄過程の一例を示す図である。
【図９】図９は、流動触媒に成長したナノカーボン材料の模式図である。
【図１０】図１０は、流動触媒の活性成分からナノカーボン材料が成長する様子を示す模式図である。
【図１１】図１１は、流動触媒の活性成分からナノカーボン材料が成長する様子を示す模式図である。
【図１２】図１２は、従来技術に係る活性成分の周辺に形成されるアモルファスカーボンの様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２２】
本発明による実施例に係るナノカーボン材料製造装置について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。
ここで、本実施例では、活性成分（鉄：Ｆｅ）を担持した担体（酸化マグネシウム：ＭｇＯ）からなる一次粒子を圧密した所定粒径の二次粒子のナノカーボン材料製造用触媒を、触媒作用と流動作用とを兼用とする流動触媒として用いている。
図１に示すように、本実施例にかかるナノカーボン材料製造装置１０は、内部に触媒と流動材とを兼用した流動触媒１１を充填した流動層反応部１２ａと、炭素源である炭素原料（ＣＨ4）１３を前記流動層反応部１２ａ内に供給する原料供給装置１４と、流動触媒１１を前記流動層反応部１２ａ内に供給する流動触媒供給装置１５と、前記流動層反応部１２ａ内の流動材である流動触媒１１が飛散及び流下する空間を有するフリーボード部１２ｂと、前記流動層反応部１２ａに導入し、内部の流動触媒１１を流動させる流動ガス１６を供給する流動ガス供給装置１７と、流動層反応部１２ａを加熱する加熱部１２ｃと、該フリーボード部１２ｂから排出される排ガス１８ａを処理する排ガス処理装置１８と、前記流動層反応部１２ａから触媒付ナノカーボン材料１９Ａを回収ライン２０により抜出して回収する回収装置２１とを具備するものである。
【００２３】
本実施例では、ナノカーボン材料の回収装置２１は、図示しない真空ポンプと空気導入手段とを備えている。
そして、ナノカーボン材料製造装置１０でナノカーボン材料を製造した後、回収ライン２０を介して、触媒付ナノカーボン材料１９Ａを回収装置２１で回収後、２００〜５００℃になったことを確認したら、空気導入手段により空気（酸素）を導入し、ナノカーボン材料を部分燃焼させている。
【００２４】
この部分燃焼は、短時間で行い、ナノカーボン材料が成長した接触端部を部分燃焼させて、ナノカーボン材料と活性金属とを切り離すこととしている。
この結果、アモルファスカーボンにより被覆されている活性金属とナノカーボン材料とが分離されることとなる。
【００２５】
図３及び図４にナノカーボン材料の燃料温度と燃焼割合との関係図を示す。
図３の場合には、低温（２００℃）で燃焼が開始するナノカーボン材料である。
図４の場合には、高温（４００℃）で燃焼が開始するナノカーボン材料である。
よって、ナノカーボン材料の製造条件により、燃焼性の異なるナノカーボン材料が得られるので、その燃焼性に適した温度条件に設定するのが好ましい。
【００２６】
なお、燃焼温度が５００℃を超えると、図４に示すように、ナノカーボン材料自身の燃焼が促進されて、燃焼割合が増加するので、５００℃未満で燃焼するのが好ましい。
【００２７】
なお、この部分燃焼の際に、成長したナノカーボン材料の一部も燃焼することとなるので、燃焼時間は極めて未時間時間となる。
その後、回収装置２１から部分燃焼された触媒付ナノカーボン材料１９Ｂを排出する。また、回収装置２１は、その後図示しない真空装置により真空引きを行い、次の回収に備える。
【００２８】
ここで、前記流動層反応部１２ａの流動層反応形式には気泡型流動層型と噴流型流動層型とがあるが、本発明ではいずれのものを用いてもよい。
【００２９】
本実施形態では、流動層反応部１２ａとフリーボード部１２ｂと加熱部１２ｃとから流動層反応器１２を構成している。また、フリーボード部１２ｂは、流動層反応部１２ａよりもその流路断面積の大きいものが好ましい。
【００３０】
前記原料供給装置１４より供給される原料ガスである炭素原料１３は、炭素を含有する化合物であれば、いずれのものでもよく、例えばＣＯ、ＣＯ2の他、メタン、エタン、プロパン及びヘキサン等のアルカン類、エチレン、プロピレン及びアセチレン等の不飽和有機化合物、ベンゼン、トルエン等の芳香族化合物、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等の含酸素官能基を有する有機化合物、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子材料、又は石油や石炭（石炭転換ガスを含む）等を挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素濃度制御のため、含酸素炭素源ＣＯ、ＣＯ2、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等と、酸素を含まない炭素源とを２つ以上組合わせて供給することもできる。
【００３１】
この炭素原料１３は、流動層反応部１２ａ内にガス状態で供給し、流動材である流動触媒１１による攪拌により均一な反応が行われ、ナノカーボン材料を成長させている。この際、所定の流動条件となるように、別途流動ガス１６として流動ガス供給装置１７により不活性ガスを流動層反応部１２ａ内に導入している。
【００３２】
そして、流動層反応器１２の加熱部１２ｃにより流動層反応部１２ａ内を３００℃〜１３００℃の温度範囲、より好ましくは４００℃〜１２００℃の温度範囲とし、メタン等の炭素原料１１を不純物炭素分解物の共存環境下で一定時間触媒に接触することによってナノカーボン材料を合成している。
【００３３】
なお、流動層反応部１２ａから排出された排ガス１８ａは排ガス処理装置１８で排ガス処理がなされる。その際、サイクロン等の気固分離装置を用いて、微粒子を分離し、回収装置２１へ導入するようにしてもよい。なお、サイクロン以外としては、例えばバグフィルタ、セラミックフィルタ、篩等の公知の分離手段を用いることができる。
【００３４】
このように、回収装置２１で回収された後、所定温度範囲内で部分燃焼させることにより、触媒付ナノカーボン材料の末端の活性金属を覆うアモルファスカーボンを燃焼するようにしているので、活性金属が剥き出し状態となり、次工程である酸処理装置３２における酸洗浄が確実になされ、精製されたナノ単位の精製ナノカーボン材料（例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ等）１９Ｃを得ることができる。
【実施例２】
【００３５】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
図２は、実施例２に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。
本実施例では、連続して回収することができる装置である。
図２に示すように、本実施例では、第１の回収措置２１Ａと第２の回収装置２１Ｂとを備えている。
流動層反応器１２をから排出される触媒付ナノカーボン材料１９Ａは、回収ライン２０から分岐された第１の回収ライン２０ａに介装された第１の回収措置２１Ａと、第２の回収ライン２０ｂに介装された第２の回収装置２１Ｂとのいずれかに導入される。なお、Ｖ1〜Ｖ8は第１乃至第８のバルブである。
【００３６】
このような装置を用いて、部分燃焼させる工程について説明する。
１）先ず第１及びバルブＶ1及びＶ2を開放し、触媒付ナノカーボン材料１９Ａを第１の回収装置２１Ａ内に導入し、第１及び第２のバルブＶ1及びＶ2を閉じる。
２）次いで、温度計測装置Ｔ1により内部温度が所定の温度（例えば２００℃）まで低下したことを確認したら、第８のバルブＶ8を開き、空気導入手段３３により所定量の空気３４を導入し、第１の回収装置２１Ａ内でナノカーボン材料を部分燃焼させる。
３）部分燃焼が終了した後、第４のバルブＶ4を開き、酸処理装置３２へ部分燃焼した後の触媒付ナノカーボン材料１９Ｂを供給し、ここで酸洗浄により触媒部分の担体及び活性金属を溶解させて精製ナノカーボン材料１９Ｃを得る。
４）その後、第７のバルブＶ7を開き、真空ポンプ３０を作動させることにより、第１の回収装置２１Ａ内を真空にして、次の部分燃焼に備える。
【００３７】
この真空作業の際には、別に準備していた第２の回収装置２１Ｂを用いて、部分燃焼し、交互で処理することで連続しての作業を行うことができる。
【実施例３】
【００３８】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
図５は、実施例３に係るナノカーボン材料製造システムの概略図である。本実施例では、触媒付ナノカーボン材料の部分燃焼中に触媒付ナノカーボン材料を流動させることで、ナノカーボン材料を担体から分離するプロセスを示す。
【００３９】
図５は、実施例１と同様にナノカーボン材料製造装置１０にてナノカーボン材料を製造した後に、徐冷される前の加熱された状態の触媒付ナノカーボン材料１９Ａを大気開放しないでナノカーボン材料分離装置４０に供給し、触媒付ナノカーボン材料１９Ａが５００℃以下の温度領域まで徐冷されたら、部分燃焼用流動ガス供給装置４２により部分燃焼用ガス（例えば空気）４１をナノカーボン材料分離装置４０に供給し、触媒付ナノカーボン材料を流動させることで、触媒付ナノカーボン材料を部分燃焼させながら担体から分離するようにしている。
ナノカーボン材料分離装置４０に供給された触媒付ナノカーボン材料は、不活性ガス４３により流動させることで徐冷する。この不活性ガスによる流動させながら徐冷は、複数の触媒付ナノカーボン材料間の温度ムラを抑制する。
ナノカーボン材料分離装置４０には、内部に部分燃焼用流動ガス４１を供給する部分燃焼用流動ガス供給装置と、不活性ガス４３を供給する不活性ガス供給装置と、ナノカーボン材料分離装置４０から導出された不純物を含むナノカーボン材料５１と不純物とを分離するナノカーボン材料回収装置５０が設けられている。
【００４０】
図５において、ナノカーボン材料分離装置４０で触媒付ナノカーボン材料を部分燃焼用流動ガス４１により部分燃焼させて、ナノカーボン材料が成長する起点となっている活性金属とナノカーボン材料の接触端部を覆うアモルファスカーボンを燃焼し、活性金属を剥き出しにしている。これにより、触媒付ナノカーボン材料は、ナノカーボン材料と担体との接触端部が露出され、アモルファスカーボンに覆われている状態よりも脆弱化されている。そして、触媒付ナノカーボン材料を流動させることで、触媒付ナノカーボン材料同士を衝突させて、脆弱化している接触端部に衝撃を加え、担体とナノカーボン材料を分離している。複数の触媒付ナノカーボン材料は別途導入される窒素等の不活性ガス４３により流動させることで温度ムラを抑制させながら徐冷しているので、部分燃焼が均一に起こり、触媒付ナノカーボン材料間の温度ムラよるナノカーボン材料の過剰な燃焼を抑制する。この過剰な燃焼は不純物であるアモルファスカーボンの燃焼以外にナノカーボン材料も燃焼する現象であり、触媒付ナノカーボン材料の温度ムラがあり、一部に高温部分があると発生する。なお、不活性ガスは不活性ガス供給装置４４によりナノカーボン材料分離装置４０に供給される。
【００４１】
図６では、触媒付ナノカーボン材料の成長起点である活性金属１０２を覆うアモルファスカーボンが燃焼されていく様子を示した概念図である。加熱された状態の触媒付ナノカーボン材料に空気を導入することで、ナノカーボン材料１０５と活性金属１０２との接触端部に存在するアモルファスカーボン１０７を部分燃焼させている。これにより、触媒付ナノカーボン材料においてナノカーボン材料１０５と活性金属１０２が剥き出しとなり、接触端部を脆弱化している。ここで、接触端部とはナノカーボン材料１０５の成長起点である活性金属１０２を含むナノカーボン材料端部のことである。
【００４２】
図５に示したナノカーボン材料分離装置４０において、流動ガス４１として空気を導入することが好ましい。流動ガス供給装置４２から供給される流動ガス４１として空気を利用することで、触媒付ナノカーボン材料を部分燃焼させながら、担体からナノカーボン材料を分離することができる。ナノカーボン材料分離装置４０における流動ガス４１の導入方法は、気泡型流動層型と噴流型流動層型とがあるが、本発明ではいずれのものを用いてもよい。
【００４３】
本実施例において、ナノカーボン材料分離装置４０に導入される部分燃焼用流動ガス４１の一例として、空気を用いて説明したが、本実施例において部分燃焼用流動ガス４１としては酸素を含むガスであればいずれでも良く、水蒸気や酸素のみを流動ガスとして供給することも可能である。ナノカーボン材料分離装置４０に供給される流動ガス４１の流速は、触媒付ナノカーボン材料の重量や温度によって適宜調整されるものである。
【００４４】
本実施例において、不活性ガスによる流動させながらの徐冷と空気による部分燃焼のための流動を連続的に行うことも可能である。この場合、不活性ガス４３によって、触媒付ナノカーボン材料の温度が５００℃以下になった時点で、流動ガス種を空気に変更して不純物の燃焼を行う。これによりナノカーボン材料の部分的な過剰燃焼が抑制される。これにより、部分燃焼プロセスによる過剰燃焼を抑制すると共に、再加熱によるプロセスの追加がないので、収率が向上し、コストが低減される。
【００４５】
また、流動ガス４１の流速を切り替えることでナノカーボン材料の分離のために必要な時間を短縮することもできる。流動ガスの導入初期段階では、流速を遅くすることで触媒付ナノカーボン材料の部分燃焼用空気を流動層内に拡散させ、流動層内に燃焼用の空気が拡散されたら、流速を早くして触媒付ナノカーボン材料を激しく流動させる。これにより、触媒付ナノカーボン材料同士の物理的な衝突を起こし、ナノカーボン材料を担体から分離しても良い。
【００４６】
担体から分離されたナノカーボン材料５１と流動により発生する不純物を含む分離物５２は、ナノカーボン材料分離装置４０の上部から導出され、ナノカーボン材料回収装置５０によりナノカーボン材料５１と不純物を含む分離物５２とに分離され、ナノカーボン材料５１は回収される。ナノカーボン材料回収装置５０としては、ナノカーボン材料と不純物とを分離する装置を適用することが好ましく、サイクロン装置が好適に利用される。
【００４７】
本実施例において、ナノカーボン材料分離装置４０として、触媒付ナノカーボン材料に加える衝撃の回数を多くすることを目的として、流動層内に障害物を配置することも可能である。流動層内に配置される障害物としては、ナノカーボン材料分離装置４０の内壁からナノカーボン材料分離装置４０の内部に伸びる障害物等やナノカーボン材料分離装置４０のフリーボード部に設けられた天板等であっても良い。
【実施例４】
【００４８】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
図７は、実施例４に係るナノカーボン材料製造システムの概略図である。本実施例では、実施例３において、さらに触媒付ナノカーボン材料１９Ａを一時的に貯留容器６０に貯留して、貯留容器６０で部分燃焼させ、徐冷した後に、ナノカーボン材料分離装置４０で触媒付燃焼ナノカーボン材料を流動させることで、ナノカーボン材料を担体から分離するプロセスを示している。
【００４９】
図７は、本実施例におけるナノカーボン材料製造装置１０とその後段に設置されているナノカーボン材料分離装置４０との間に貯留容器６０を設けた態様を開示している。この貯留容器６０は流動層反応器とナノカーボン材料分離装置４０における処理量を調整するために一次的に貯留するために用いられるものであって、ナノカーボン材料分離装置４０の処理状況に応じて、貯留容器６０で触媒付ナノカーボン材料をナノカーボン材料分離装置４０に供給できるまで一時的に貯留している。
【００５０】
ナノカーボン材料製造装置４０により製造された触媒付ナノカーボン材料は、大気開放されることなく、加熱された状態で貯留容器６０に供給される。そして、触媒付ナノカーボン材料は、貯留容器６０において所定温度範囲内で部分燃焼させる。この部分燃焼は実施例１と同様の方法にて実施されている。貯留容器６０には空気導入手段６１により燃焼用の空気６２が供給されている。
【００５１】
部分燃焼された触媒付ナノカーボン材料は、貯留容器６０で徐冷しても良い。しかし、部分燃焼により触媒金属が剥き出しとなっていることから、触媒金属の再酸化を防止するために、燃焼終了後は不活性ガスでパージしている。その後、触媒付燃焼ナノカーボン材料を不活性ガス雰囲気で徐冷されることが好ましい。
【００５２】
ナノカーボン材料分離装置４０から担体が排出され、新たに触媒付ナノカーボン材料が供給できる状況となったら、貯留容器６０に貯留していた触媒付燃焼ナノカーボン材料をナノカーボン材料分離装置４０に供給する。触媒付燃焼ナノカーボン材料は、ナノカーボン材料分離装置４０において、不活性ガスを導入し流動させることで担体から分離させる。
【００５３】
貯蔵容器６０における触媒付ナノカーボン材料の部分燃焼によりナノカーボン材料と担体の接触端部が脆弱化された触媒付燃焼ナノカーボン材料をナノカーボン材料分離装置４０に投入し、触媒付燃焼ナノカーボン材料を激しく流動させることで物理的な衝突を起こし、ナノカーボン材料を担体から分離する。
【００５４】
実施例３と同様に、担体から分離されたナノカーボン材料５１および不純物を含む分離物は、ナノカーボン材料分離装置４０の上部から導出され、ナノカーボン材料回収装置５０によりナノカーボン材料５１と不純物を含む分離物５２とに分離され、ナノカーボン材料５１は回収される。ナノカーボン材料回収装置５０としては、ナノカーボン材料と不純物とを分離する装置を適用することが好ましく、サイクロン装置が好適に利用される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明に係るナノカーボン材料製造装置によれば、製造後のナノカーボン材料を部分燃焼させることで、触媒とナノカーボン材料とを切り離し、精製ナノカーボン材料の純度を向上することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ナノカーボン材料製造装置
１１ 流動触媒
１２ 流動層反応器
１３ 炭素原料
１４ 原料供給装置
１５ 流動触媒供給装置
１６ 流動ガス
１７ 流動ガス供給装置
１８ 排ガス処理装置
１９Ａ 触媒付ナノカーボン材料
１９Ｂ 部分燃焼された触媒付ナノカーボン材料
１９Ｃ 精製ナノカーボン材料
２０ 回収ライン
２１、２１Ａ、２１Ｂ 回収装置
４０ ナノカーボン材料分離装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒とナノカーボン材料製造用原料とを供給して、ナノカーボン材料を製造するナノカーボン材料製造部と、
該ナノカーボン材料製造装置で製造された触媒付ナノカーボン材料を回収する回収部と、を具備してなり、
該回収部に酸素を導入し、触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させることを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸素の供給を回収装置内の温度が２００〜５００℃以下となってから導入することを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
【請求項３】
触媒とナノカーボン材料製造用原料とからナノカーボン材料を製造し、得られた触媒付ナノカーボン材料を回収し、その後酸素を導入し、触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させることを特徴とするナノカーボン材料製造方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記部分燃焼する際、温度が２００〜５００℃以下となってから酸素を導入することを特徴とするナノカーボン材料製造方法。
【請求項５】
流動層反応器を用いてナノカーボン材料を製造する方法であって、
前記流動層反応器に流動触媒を供給する工程と、
前記流動触媒を加熱する工程と、
前記流動層反応器に炭素原料を供給することで流動触媒を流動させながら触媒上にナノカーボン材料を成長させる工程と、
前記流動触媒を所定の温度まで徐冷させる工程において、
徐冷された前記流動触媒に空気または酸素を供給することで触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させながら流動させることを特徴とするナノカーボン材料製造方法。
【請求項１】
触媒とナノカーボン材料製造用原料とを供給して、ナノカーボン材料を製造するナノカーボン材料製造部と、
該ナノカーボン材料製造装置で製造された触媒付ナノカーボン材料を回収する回収部と、を具備してなり、
該回収部に酸素を導入し、触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させることを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸素の供給を回収装置内の温度が２００〜５００℃以下となってから導入することを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
【請求項３】
触媒とナノカーボン材料製造用原料とからナノカーボン材料を製造し、得られた触媒付ナノカーボン材料を回収し、その後酸素を導入し、触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させることを特徴とするナノカーボン材料製造方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記部分燃焼する際、温度が２００〜５００℃以下となってから酸素を導入することを特徴とするナノカーボン材料製造方法。
【請求項５】
流動層反応器を用いてナノカーボン材料を製造する方法であって、
前記流動層反応器に流動触媒を供給する工程と、
前記流動触媒を加熱する工程と、
前記流動層反応器に炭素原料を供給することで流動触媒を流動させながら触媒上にナノカーボン材料を成長させる工程と、
前記流動触媒を所定の温度まで徐冷させる工程において、
徐冷された前記流動触媒に空気または酸素を供給することで触媒付ナノカーボン材料の接触端部を部分燃焼させながら流動させることを特徴とするナノカーボン材料製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−５６７７５（Ｐ２０１２−５６７７５Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９８２４７（Ｐ２０１０−１９８２４７）
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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