[发明专利]一种富勒烯燃烧合成装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种富勒烯燃烧合成装置，尤其是涉及一种采用乙炔和苯蒸气共同与氧燃烧的方法制备C₆₀、C₇₀以及富勒烯衍生物和其它碳簇的装置。

背景技术

自富勒烯于1985年被发现以来，富勒烯便引起了科学界的广泛关注。富勒烯的合成方法和潜在的应用价值等方面被广泛地研究，同时理论研究亦越来越深入，为实验研究提供了必要的理论指导，使它迅速成为化学研究中的一个热门领域。自从C60被发现以来，人们对于富勒烯合成方法的探索从来没有停止过。富勒烯的合成方法主要包括激光蒸发石墨法、高频电阻炉加热蒸发石墨法、石墨电弧放电法、太阳能加热石墨法、萘热解法、微波合成法、辉光放电法和火焰燃烧法等，这些方法为富勒烯的合成提供了诸多选择，也为研究富勒烯的形成机理开辟了道路。

在1985～1989年，Homann等人建立了一系列碳氢化合物火焰法的实验，对燃烧火焰不同高度的气体进行采样分析，检测到与电弧法得到的富勒烯具有相同的分子量的离子。1991年，MIT的Howard研究小组在低压下的苯/氧火焰中发现并鉴定了C₆₀和C₇₀的存在，并进行了系统的研究，他们的研究明确了体系的压力、C/O原子比值、温度及稀释气体的种类、气体流出速度和浓度等因素对预混的苯/氧层流火焰中C₆₀和C₇₀产率有重要影响。后来的研究表明，乙炔、丁二烯、甲苯和萘等作原料也能够得到富勒烯，只是与苯氧相比产率较低。

火焰法中的燃烧方式主要有两种，即预混燃烧和扩散燃烧。预混燃烧是燃料气体与氧气在进入燃烧设备之前就已经均匀混合成为可燃混合气的燃烧方式，这是最基本的燃烧方式。扩散燃烧是燃料气体与氧从各自的释放源通过扩散达到相互接触，在点火源所提供的能量激发下发生燃烧，可燃气与氧气的混合是在燃烧过程中进行的，即边混合边燃烧。

与石墨电弧法合成富勒烯相比，碳氢燃料通过火焰燃烧法制备富勒烯具有以下优势：火焰法生成的C₇₀/C₆₀比率范围达到0.26～5.7，而石墨蒸发方法可变范围只有0.02～0.18，通过调整火焰条件可以显著提高某些特定产物，特别是价格更为昂贵的大富勒烯的产量；制备成本更低。火焰法所需原料为苯、乙炔等有机燃料，较之石墨电弧法中使用的高纯石墨棒成本显著降低；火焰法中富勒烯生成所需的能量都是由燃烧自身放出的热量提供，而石墨电弧法则需要高密度的能量输入，所以运行成本也更为低廉；与之前的电弧方法相比，燃烧法中燃料气体和氧气能够得到连续的供应，燃烧合成法使得反应进料过程可以持续进行，不仅提供了一条新的大量制备富勒烯的方法，而且能够在很大范围内控制产物的分布。

目前国外已经初具规模化的火焰合成装置无一例外均采用预混燃烧的方式组织气体进行燃烧合成(1、J.B.Howard，J.T.Mckinnon，Y.Makarovsky，A.L.Lafleur，M.E.Johnson.Fullerenes C₆₀ and C₇₀ in flames.[J]，Nature 1991，352，139-141；2、Alford et al.，U.S.Pat.No.7,279,137，B2)。预混燃烧可达到较高的燃烧效率，火焰比较短，燃烧所需氧气的过量系数较少。但这样的燃烧方式在混合气体流速较大时会发生脱火而熄灭或者很难点燃，反之会发生回火，在火焰引燃和火焰控制方面有着苛刻精准的要求，抗体系波动能力差，这就连Howard本人(Howard et al.，U.S.Pat.No.5,273,729)也不得不承认火焰的引燃和控制是一项“艺术”。而与之相对，扩散燃烧则安全平稳，且在易控性、操作弹性和抗体系波动性方面有着预混燃烧难以匹敌的优势。扩散燃烧也是最近几年报导较多的一种燃烧方式，被认为是比较有前途的燃烧方式。已经报道(S.M.Lee，S.S.Yoon，and S.H.Chung，Synergistic effect on soot formationin counterflow diffusion flames of ethylene/propane mixtures with benzene addition.[J]Combustionand Flame 2004，136，493-500)的专门用于富勒烯合成的扩散装置或过于复杂，或体系主要采用是玻璃材质(见本申请人的中国发明专利，公告号为CN101012056A)，存在着安全上的隐患和合成能力上的缺陷。