Образование конденсированных продуктов при горении газофазных смесей является одной из важных проблем науки о горении, как с научной, так и с прикладной стороны. Известно образование конденсированных продуктов при газофазном горении таких горючих веществ, как углеводороды, кремнийорганические соединения, фторорганические соединения. Механизм образования конденсированной фазы в газофазных продуктах сгорания чрезвычайно сложен и мало изучен. Несмотря на огромное количество научных исследований, посвященных образованию сажи при горении углеводородов, до сих пор не существует единой точки зрения на механизм сажеобразования и тем более на образование структурного углерода в виде нанотрубок при наличии катализаторных прекурсоров в обогащенной топливной смеси или на подложке-саженакопителе [1].
Известно, что образование углеродных нанотрубок при реализации дугового синтеза, при лазерном испарении графита и газофазном химическом осаждении происходит на катализаторах, содержащих переходные металлы или их соединения. Синтез в пламени не исключение. При этом производство углеродных нанотрубок сжиганием углеводородного сырья в различных горелочных устройствах является более технологичным и легкоуправляемым процессом. Синтез в пламени привлекателен вследствие непосредственного наличия источника тепла, потенциальной возможности масштабирования, легкости регулирования и контроля, простоты аппаратурного оформления, безопасности технологического процесса.
Формирование углеродных нанотрубок требует, как было отмечено, выполнения трех основных условий: источник углерода, источник тепла, присутствие катализаторных металлов. Все эти условия легко реализовать при сжигании углеводородов с недостатком окислителя. Однако при горении возможно протекание множества конкурирующих процессов, например, образование монооксида углерода и окисных форм металлов с малой каталитической активностью.
Важной задачей для направленного синтеза нанотрубок является выделение основных реакций, обеспечивающих накопление конденсированного углерода (Ck) в системе, среди реакций крекинга углеводородов (1), гидрогенизации (2) и диспропорционирования (3):
;
(1)
;
(2)
.
(3)
Предварительно можно заключить, что первая реакция в условиях сжигания даже при недостатке окислителя не дает значительного вклада в образование конденсированного углерода, так как более вероятны конкурирующие реакции горения с образованием углекислого газа, паров воды и парциального окисления углеводорода кислородом с выделением монооксида углерода. Также в системе с малым содержанием водорода вклад реакции (2) будет не существенным. Поэтому главную роль в осаждении углерода на катализаторных частицах и управлении ростом углеродных нанотрубок следует отдать реакции диспропорционирования CO.
Таким образом, наиболее вероятным способом управления процессом синтеза углеродных нанотрубок является создание условий для образования монооксида углерода в реакции горения за счет варьирования коэффициента избытка топлива и контроля парциальных давлений CO и CO2, например, вводом инертного газа.
Идентификация ключевых явлений происходящих при синтезе углеродных нанотрубок в пламени требует проведения комплексных исследований, включающих:
- подбор горючего и окислителя;
- выбор катализаторных систем (порошкообразные компоненты, жидкие прекурсоры, коллоидные растворы, летучие металлорганические соединения);
- разработку способов ввода катализатора в реакционную зону (нанесение на подложку-саженакопитель, распыление, испарение и смешение с компонентами топлива, барботаж, возгонка);
- поиск рационального соотношения горючее/окислитель, обеспечивающего достаточный выход конденсированного углерода в наностуктурной форме без зауглероживания и дезактивации катализатора;
- исследование влияния давления в системе на селективное образование нанотрубок (аналогия с газофазным разложением CO в присутствии Fe(CO)5 при высоком давлении – метод HiPCO);
- изучение влияния ввода инертного газа, обеспечивающего возможность варьирования парциальных давлений газовых компонент и температуры пламени;
- исследование влияния формы пламени на процесс синтеза за счет установки различных насадок в линиях подвода горючего и окислителя;
- поиск рационального положения подложки-саженакопителя по высоте пламени в горелочном устройстве;
- установление необходимости охлаждения подложки-саженакопителя;
- изучение возможности сухого и мокрого фильтрования отходящих продуктов сгорания для более полного извлечения наноструктурных материалов.
Рис. 1. Схема диффузионной горелки для синтеза углеродных нанотрубок
Для решения поставленных задач на кафедре «Техника и технологии производства нанопродуктов» ГОУ ВПО ТГТУ совместно с ООО «Нанотехцентр» (г. Тамбов) спроектирована и изготовлена диффузионная горелка (рис. 1). Горелка включает цилиндрический корпус 1 с днищем 2, в котором закреплены патрубок для подвода углеводорода 3 и окислителя 4. На днище 2 размещена газораспределительная зернистая насадка закрытая кольцом 6. Телескопически с корпусом 2 соединен стеклянный кожух 7. На верхний торец кожуха 7 установлена съемная подложка-саженакопитель 8 с прорезями на периферии для отвода газообразных продуктов сгорания. Положение кожуха 7 и подложки 8 по высоте горелки и пламени регулируется перемещением позиционного кольца 5 с фиксацией болтами 9.
Предложенная конструкция диффузионной горелки совместно с технологической схемой синтеза углеродных нанотрубок в диффузионном пламени [2], позволяет провести весь комплекс запланированных исследований и определить перспективы метода синтеза наноструктурного углерода в процессе горения топливных смесей с недостатком окислителя.
В дальнейшем горелка может быть легко модернизирована для изучения процессов образования наноструктурного углерода с использованием предварительно подготовленных топливных смесей в камере, образованной корпусом 1, днищем 2 и кольцом 6.
Литература:
1. Борунова, А.Б. Получение углеродных наночастиц при горении метана / А.Б. Борунова, Ю.В. Григорьев, К.Я. Трошин // Горение и взрыв. – М.: ТОРУС ПРЕСС, 2008. – С. 10-13.
2. Польшиков, В.Ю. Синтез наноструктурного углерода в диффузионном пламени / В.Ю. Польшиков, А.А. Баранов, А.А. Пасько // «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент»: материалы II Всероссийской научно-инновационной молодежной конференции (с международным участием): 27-29 октября 2010. – Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2010. – С. 181-183.
