Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Разработка технологии получения углеродных нанотрубок с применением рудного катализатора.
НТТМ-2017-0716 | Категория II

Автор:

Попова Куннэй Семеновна

Петрова Роза Андреевна

Власова Любовь Владимировна

Научный руководитель:
Юшина Татьяна Ивановна
Организация:
НИТУ «МИСиС»,
Москва
Цель работы
Целью проекта является разработка флотационного способа извлечения углеродных нанотрубок, синтезированных на природном железомарганцевом катализаторе для крупнотоннажного производства углеродных наноструктур.
Проект дает толчок для производства крупнотоннажного производства углеродных нанотрубок. В связи с возрастающей актуальностью производства наноматериалов для целевого использования в электротехнике, строительстве была разработана энергосберегающая технология получения углеродных нанотрубок на базе природного рудного катализатора и ее качественного отделения от углерод-катализаторного композита методом флотационного обогащения с применением ацетиленсодержащих спиртов.
Обзор предметной области
В настоящее время проблемой синтеза углеродных наноструктур и получения композиционных материалов, армированных углеродными нанотрубками, занимается большое количество отечественных и зарубежных исследователей. Существуют несколько технологий получения углеродных нанотрубок. Основная технология, используемая в промышленности, это дуговой метод, основанный на получении углеродных нанотрубок в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия, на технологических установках. Также углеродные нанотрубки могут быть получены методом лазерной абляции, который основан на испарении графитовой мишени в высокотемпературном реакторе. Рассмотренные методы получения углеродных нанотрубок имеют существенные недостатки: практически все методы экологически не безопасны и дорогостоящие. Кроме того, отмечается, что в результате реализации метода химического осаждения из газовой фазы на катализаторе образуется достаточно большое количество побочных продуктов, которые требуют сложной и затратной технологии очистки. В качестве катализаторов используют наноразмерные металлические катализаторы такие как никель, кобальт, иттрий и другие, которые, благодаря закапсулированию графитизированными слоями углерода, могут в качестве примесей углеродных нанотрубок ухудшать качество конечного продукта.
Если проводить сравнение с аналогами, следует заметить, что разделение углеродных нанотрубок проводится с использованием измельчения, окисления при высокой температуре, вследствие различия окисляемости аллотропных форм углерода, и химическим растворением катализатора кислотами. Недостатками перечисленных методов является безвозвратная потеря катализатора и ухудшение свойств углеродных нанотрубок.
Таким образом, существует ряд проблем, препятствующих широкому внедрению углеродных наноструктур в промышленную широкомасштабную практику. Одним из важных сдерживающих факторов является отсутствие гарантированного поставщика и крупнотоннажного производства углеродных наноструктур с различающимися характеристиками.
В рамках данного проекта разработана технология получения углеродных многослойных и однослойных нанотрубок с использованием железомарганцевой руды и природного газа и последующим отделением их от углерод-катализаторного композита методом флотации. Этим способом возможно и целесообразно создание крупнотоннажного производства. Углерод-катализаторный композит, в данном случае, представляет собой природную железомарганцевую руду, на поверхности которого образовались углеродные наноструктуры в виде нанотрубок. Описанный композит получен при пиролизе углеродсодержащих газов на марганцевой руде Порожинского месторождения при температуре 850 оС.
По сравнению с аналогами, требующих специальной техники и технологических решений, представленная в проекте технология будет дешевле, так как для реализации проекта требуются дешёвые компоненты - марганцевая руда и природный газ. Возможно повторное использование камерного продукта флотации для синтеза нанотрубок и в металлургии. Способ предполагает получение в пенном продукте концентрата углеродных нанотрубок.
Использование природного железомарганцевого катализатора для производства и последующее его использование позволит повысить рентабельность и экологичность конечной продукции. Поиск новых способов получения углеродных нанотрубок низкой себестоимости представляет большой интерес с прикладной и фундаментальной точки зрения.
Описание результатов проекта
В проекте предложена технологическая схема обогащения углеродных нанотрубок из дисперсного углерод-катализаторного композита.
Материал, измельченный до флотационной крупности 100 % класса минус 44 мкм на истирателе, подвергается ультразвуковой обработке в жидкой среде при частоте 18,5 КГц в течение 8 – 10 мин для эффективной дезинтеграции углеродных нанотрубок от железомарганцевого катализатора. Извлечение углеродных нанотрубок достигается репульпированием композита в дистиллированной воде при соотношении Т:Ж = 1:3 –1:5 с интенсивным перемешиванием пульпы при скорости вращения мешалки 200 - 1000 об/мин., кондиционированием пульпы с добавлением реагентов на основе ацетиленовых спиртов, флотационным разделением в аппарате беспенной флотации трубке Халлимонда и последующей перечистной операцией селективной флокуляции углеродных нанотрубок, их промывкой водой с последующими декантацией и сушкой при температуре 90 – 150 ℃. Вследствие весьма высокой степени гидрофобности поверхности УНТ их флотацию целесообразно проводить в 1 стадию.
В результате работы установлены технологические параметры и оптимальные режимы селективного отделения углеродных нанотрубок из углерод-катализаторного композита. Выявлено, что наиболее эффективным собирателем-пенообразователем при флотации углеродных нанотрубок является реагент на основе ацетиленовых спиртов ДК-80, позволяющий извлечь до 85 – 92 % углеродных нанотрубок в пенный продукт. Использование флокулянта Magnafloc 10 производства компании BASF (Германия) позволяет взвешенным частицам углеродных нанотрубок закрепляться на поверхности, образуя тем самым своеобразные мостики, что способствует слипанию взвешенных частиц коллоидного раствора с образованием крупных трехмерных пространственных структур - флокул, которые уже значительно проще и быстрее можно отделить от воды. Методом оптической микроскопии с цифровой обработкой изображения установлено наличие в осадке флокул, похожих на микроволокна, образованные углеродными нанотрубками.
Научная новизна проекта заключается в разработке флотационного способа отделения углеродных нанотрубок, синтезированных на железомарганцевом катализаторе, с использованием флотореагента двойного действия ДК-80 на основе ацетиленовых спиртов. При этом достигается экологичность, экономичность и производительность извлечения углеродных нанотрубок от композита и сохранение их свойств.
Описание применимости
Процесс получения наноуглеродных структур из газов, содержащих СО и СН4, с применением в качестве дешевого природного катализатора природных железомарганцевых руд может являться целевым процессом, а может быть встроен в различные химические производства, такие как получение жидких моторных топлив или утилизация отходящих газов металлургических предприятий. Подобная организация процессов позволит не только получать ценный наноуглерод, но и повысить энергоэффективность и экологичность производства. Способ характеризуется простотой реализации.
Разработанная технология позволяет выделить концентрат из углеродных нанотрубок в виде порошка, который будет применяться для модифицирования композиционных материалов с целью улучшения потребительских характеристик и увеличения ресурса работы на предприятиях, осуществляющих модернизацию своего производства. Кроме того, отработанный катализатор может применяться в процессе агломерации и шихтовки дроблёной марганцевой руды для получения ферромарганца, что в свою очередь снизит его себестоимость.
Дальнейшее развитие проекта
Дальнейшее развитие проекта предполагает исследование возможности применения отработанного катализатора для производства ферромарганца и оптимизация параметров разделения углеродных нанотрубок от углерод-катализаторного композита.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ