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WO1994016993A1 - Verfharen zur erzeugung von kohlenstoff-fullerenen aus kohlenstoffhaltigen festen rohstoffen und vorrichtung dazu - Google Patents

Verfharen zur erzeugung von kohlenstoff-fullerenen aus kohlenstoffhaltigen festen rohstoffen und vorrichtung dazu Download PDF

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WO1994016993A1
WO1994016993A1 PCT/DE1994/000084 DE9400084W WO9416993A1 WO 1994016993 A1 WO1994016993 A1 WO 1994016993A1 DE 9400084 W DE9400084 W DE 9400084W WO 9416993 A1 WO9416993 A1 WO 9416993A1
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WO
WIPO (PCT)
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carbon
crucible
reactor
raw material
evaporation
Prior art date
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PCT/DE1994/000084
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Becke
Karl-Heinz Roggenkamp
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/02—Apparatus characterised by being constructed of material selected for its chemically-resistant properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • H05B6/108—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor for heating a fluid
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/18—Heating by arc discharge

Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of carbon fullerenes by heating and evaporating carbon-containing material under an inert inert gas atmosphere in a reactor which is supplied from outside the reactor and from inadmissible nitrogen, oxygen, hydrogen, water vapor - or other reactive gas components or deposits are exempted and which is heated to the vaporization temperature generated in an electric arc, an inductive high-frequency field or an incident laser beam, and with the formation of carbon clusters and soot and / or carbon vapors containing fullerenes, in particular Buckminster fullerenes, by cooling and condensing carbon of the carbon plasma formed.
  • the invention further relates to a device for performing this method.
  • Such a method using a pulsed laser for the vaporization of graphite is known from Smalley.
  • a cluster beam generator is used, in which a rotating graphite disc is placed, onto which a focused laser beam is guided.
  • the carbon vapor that is formed is entrained by a helium stream that passes by and forms a particle beam when expanded into a vacuum.
  • the Krätschmer and Huffmann apparatus is suitable for the formation of fullerenes in macroscopic amounts.
  • These known methods and apparatuses are expensive overall for the production of carbon Buckminster fullerenes, a high electrical output being required to form the smallest macroscopic amounts of fullerene. Since a high evaporation temperature must be reached, the evaporation process takes place directly in an electric arc by evaporation of the carbon electrodes used themselves. Also in the known methods for generating the evaporation energy of the carbon by focusing a laser beam or by irradiating an inductive high-frequency field, the Carbon is introduced into the reactor in the form of carbon-containing rods and cubes made of graphite and the like.
  • Such rod-like and cube-like materials as well as the graphite electrodes to be used for arcing are expensive raw materials due to their production, since these have to be pressed in a special process with the addition of suitable amounts of binders and then tempered.
  • the rods, cubes, plates etc. must each be guided under the focal point of the laser radiation, shifted through the inductive high-frequency field or pushed in as electrodes to form an arc. Evaporation of the electrode tips within an arc requires one to maintain the arc Electrode guide with the help of a screw or slide mechanism, which allows a suitable adjustment of the electrode distance.
  • the present invention is therefore based on the object of improving a method of the type mentioned at the outset and the devices known thereafter for the production of carbon Buckminsterfullerenes and other fullerenes in such a way that the disadvantages mentioned are largely avoided.
  • continuous production of carbon blacks or vapors containing fullerenes in large quantities should be possible with a proportion of Buckminster fullerenes. In terms of process technology, this should be as simple and cheap as possible.
  • a double-walled steel tube made of a temperature-resistant material, preferably a VA steel, with various flanges and nozzles required for assembly is used.
  • the double-walled reactor is necessary for reasons of cooling.
  • the reactor is preferably upright, but can also be installed and operated in the horizontal position or in all other positions with nozzles arranged differently. See Figures 1,2,4,5 and 6.
  • a holder In the interior of the reactor, a holder is mounted in the lower area for the purpose of fastening a crucible or casing in which the carbon vaporization takes place.
  • the crucible consists of a highly refractory, temperature change-resistant and electrically conductive material, preferably of graphite, and can both with carbon-containing (coal, coking coal, graphite, wood and brown coal coke, waste products from ethylene production, graphitized carbon black, especially those after fullerene extraction etc.) dusts, granules as well as with a mixture thereof, preferably with the same carbon-containing material, which also as a raw material to be continuously supplied and evaporated.
  • carbon-containing coal, coking coal, graphite, wood and brown coal coke, waste products from ethylene production, graphitized carbon black, especially those after fullerene extraction etc.
  • the crucible is preferably closed at the top like a dome-like dome. There is a sufficiently large hole in the middle of the dome. In the event of an arc, the bore has the task of being able to move both several and only one electrode rod back and forth without contact using a movement mechanism. In the case of laser beams, the unimpeded entry of the beam must be ensured.
  • a feed pipe for the raw material supply preferably made of graphite, is installed through the bore. The raw material is supplied from the outside by means of a commercially available loading system from a storage vessel.
  • a sight glass is attached to a reactor nozzle.
  • an assembly socket which, if the reactor is put into operation, is closed with a blind cover.
  • a funnel-shaped sluice for collecting and removing the soot.
  • the movement system on which the electrode rods or the one electrode rod are attached is preferably included equipped with a separate cooling system to avoid heat problems in the area of the seal.
  • the motion system is installed in an electrically insulated manner in addition to the reactor.
  • the movement system is state of the art.
  • the crucible can optionally be encased with a coolable device, preferably with a water-cooled stainless steel tubular coil, in order to be able to install a magnetic field system on the outside of the encasement.
  • the magnetic field system has the task of additionally preventing the ionized, hot plasma from escaping from the crucible. Furthermore, it is assumed that the magnetic field system has not yet explainable, fullerene-forming properties.
  • the principle of the method shown here can be implemented as often as a multiplier within an overall reactor with several crucibles or casings in order to enable corresponding raw material throughputs.
  • the evaporation process can be between 50 mbar and several bar overpressure, preferably under normal pressure (1 bar), both on the surface of the carbon-containing crucible filling and deep in the carbon-containing crucible filling by means of laser beams, inductive high-frequency heating or preferably by means of an inert arc Noble gas atmosphere can be carried out.
  • the evaporation can take place in an arc (FIG. 1, 2) by immersing the arc in the crucible both on the surface of the dust / granulate and in the dust / granulate or between two electrode rods as follows.
  • Figure 1
  • a goblet-like depression forms in the area of the arc on the dust / granulate surface, which is permanently supplied with new carbon-containing raw material from dust / granulate through a tube coming from the outside into the crucible.
  • the laser beams evaporate the particles present in the crucible on the surface and go deeper and deeper, so that a goblet-like depression is also formed here. It is important in this process with laser technology, among other things, that monolithic solids do not have to be replenished in order to supply raw materials, but only dust / granules.
  • inductive high-frequency technology evaporates the particles present in the crucible from the center to the outside.
  • the amount missing in the crucible is permanently supplied with new raw material from dust / granulate through a pipe coming from the outside into the crucible. It is important in this process with an inductive high-frequency field that, among other things, it is not monolithic solids which have to be replenished in order to supply raw materials, but only dust / granules.
  • the fullerene-forming evaporation is not only much cheaper, but also easier.
  • the raw materials are free of adsorbed nitrogen, oxygen, hydrogen and in particular free of water vapor, so as not to prevent or hinder fullerene formation in the reactor space due to the presence of these gases.
  • the carbonaceous raw materials from dust or granulate must first be degassed at approximately 2,200 ° C. Oxygen escapes up to approx. 1,700 C, hydrogen up to approx. 2,000 ° C and nitrogen up to approx. 2,150 ° C.
  • the interior of the leak-tested reactor is evacuated several times using a vacuum pump and gases, preferably flushed with helium or argon, in order to eliminate unwanted residual gases such as oxygen, water vapor etc.
  • an inert gas pressure of preferably 1 bar is set.
  • the pressure can also range from a few mbar to several bar.
  • the cooling circuits preferably water circuits, are then started.
  • the electrodes When using the arc technology, after switching on the current of preferably more than 200 amperes and 20-60 volts, the electrodes are moved in the direction of the electrical opposite pole with the aid of the movement mechanisms in order to ignite the arc. Both AC and DC can be used.
  • the arc length can be corrected using the motion echanism.
  • the arc is preferably left to stand for a few minutes until, with the formation of a hot, goblet-like depression in the carbon-containing material of the crucible around the electrodes, an arc lengthening occurs automatically.
  • the raw material supply of the carbon is started.
  • the raw material to be evaporated is replenished from the outside from a storage vessel with a corresponding device and a charging system:
  • the introduction of the raw material preferably takes place from above by trickling in or blowing in within the electrode rods, but preferably by means of a separate graphite tube to the side of one electrode rod or the electrode rods through the bore of the dome-like dome of the crucible or the opening of the casing.
  • the still cold particles initially land on or in the hot dust / granulate. There they can warm up.
  • Pulse-like or permanent shaking of the reactor with a conventional vibration system ensures that raw materials are transported from the edge of the crucible to the evaporation area inside the crucible. During the transport until it is brought into the chalice-like depression, to the actual evaporation area, the raw material is further preheated considerably.
  • the now hot raw material thus falls permanently from all sides into the goblet-like depression of the evaporation area which is produced by the heat.
  • the external, permanent quantity inflow of the carbon-containing raw material is regulated depending on the outflow quantity of carbon into the evaporation area, which is formed in the form of a hot cup-like depression, by the carbon evaporation.
  • the evaporation area in the goblet-like depression must not become too hot, ie it is cooled by the permanent supply with cooler carbonaceous raw materials to be evaporated. In addition, there is also substantial cooling through the evaporation of the carbon.
  • the metered, permanent supply of newly evaporated carbons not only supplies the arc, but is kept stable with a constant arc length and a constant electrode spacing, without having to re-insert the electrodes for the purpose of arc control and raw material replenishment.
  • the crucible walls including the dome-like dome also have the task of reducing the flying out of hot, non-evaporated particles by bouncing off the walls. The hot, rebounded particles are again available to the evaporation process.
  • the interior of the crucible gives the hot, cluster-forming gases the opportunity to stay hot longer or to cool down more slowly before they leave the crucible through the bore.
  • cooling in the inert gas atmosphere must continue to take place as slowly as possible. This is made possible by a relatively long ascent path from the blue to black carbon vapors to the reactor cover before the vapors become fullerene. soot on the cooled reactor walls or be sucked off directly.
  • the product that is taken out of the lower lock hopper or directly extracted is then sent to a Soxhlet extraction.
  • the detached fullerenes are present as a red liquid.
  • the fullerene-containing liquid is evaporated to obtain the fullerene crystals.
  • the evaporated solvent is also reused as condensate.
  • the remaining soot can be used again for evaporation after drying.
  • FIGS. 1, 4 and 5 of the drawings are shown in FIGS. 1, 4 and 5 of the drawings and are described in more detail in the process.
  • a 600 mm long, double-walled VA steel reactor with an inner diameter of 150 mm was used as the device of the process.
  • a water-cooled cover which contained both a water-cooled and movable stick electrode holding system and a raw material feed pipe which is connected to a raw material silo located outside the reactor.
  • a free-flowing, grit-like bulk material was used as the raw material, a grain mixture of discharge soot and graphite between 20 mm and 3 mm in diameter.
  • the raw material was continuously fed into the crucible of the reactor by vibrations. The vibrations also ensured that raw materials were distributed within the crucible in the direction of the goblet-like evaporation zone.
  • a funnel-shaped exit lock was located below the reactor.
  • the reactor itself was a graphite crucible, 170 mm high and 110 mm outside diameter.
  • the inside height was 130 mm, the inside diameter was 80 mm.
  • the crucible was filled to the last 20 mm with the semolina-like bulk material.
  • the height from the crucible outlet opening to the reactor cover was 300 mm.
  • the reactor including the crucible with raw material was the one electrode.
  • the counter electrode consisted of one Graphite rod with a diameter of 15 mm and a length of 350 m.
  • the graphite rod was attached to the water-cooled and vertically movable rod electrode holding system.
  • the reactor including the raw material silo was pumped empty several times with a vacuum pump to 1 mbar and then refilled with helium gas.
  • a cold trap with a carbon filter was installed between the pump and the reactor.
  • Helium was used as the inert gas. Pressures between 0.4 and 1 bar, preferably 1 bar, were chosen as the working pressure in the reactor.
  • the arc burned a "goblet" below the graphite rod in the granular raw material lying in the crucible.
  • the arc was then extended at the same time by pulling out the electrode.
  • the raw material supply then started to vibrate at approx. 30-100 grams / hour in the crucible - and there directly into the "chalice".
  • a comparator kept the electrical arc conditions, including the quantity of raw materials to be evaporated, constant.
  • the resulting smoke must begin bluish within the smoke trail and pass black at the top if you want to get plenty of fullerenes.
  • the soot already shows whether more or less fullerenes are present.
  • the soot must look pitch black and adhere very loosely to the vessel walls.
  • the end products which do not contain fullerene can be returned to the evaporation process as a carbon-containing raw material, which means a high level of raw material utilization.
  • the electrode wear is significantly lower if the soot is produced exclusively with the raw material dust / granulate.
  • the fullerene-forming evaporation can take place under normal pressure 5 in an inert gas atmosphere.
  • a higher gas pressure means the presence of a higher number of noble gas molecules.
  • the evaporation process is carried out by means of an electric arc, laser radiation or inductive heating in an inert atmosphere.
  • the evaporation process takes place in a semi-open, high converter-like crucible, that is, within a 5 raw-like envelope.
  • the carbon-containing raw material from dust or granulate can slowly heat up, i.e. an explosive heating 0 is avoided.
  • the envelope 5 of the evaporation region, the crucible, located inside the reactor can additionally be surrounded by a corresponding magnetic field.
  • the magnetic field system has the task of preventing the ionized, hot plasma from escaping from the envelope, ie the dwell time in a hot environment can be determined. 0 Furthermore, it is assumed that a magnetic field system has fullerene-forming properties. Drawing description
  • Fig. 4 An arrangement with a double-walled reactor according to Fig. 1 and 2, wherein instead of an arc in the crucible, a plasma is generated by a laser.
  • FIG. 5 An arrangement according to FIG. 4, wherein instead of a laser an inductive HF system is used, in the coils of which the crucible is arranged on the inside.
  • Fig. 6 shows in addition to the arrangement of Fig. 1, 2, 4 or 5, the principle of using a Adapters for extending a reactor
  • FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6 A modification of the arrangement according to FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6, wherein a crucible rotating in the sense of a rotary kiln is used, above which a suction device for removing the vaporized carbon is arranged.
  • Raw material supply and evaporation system and the upper part of the reactor are otherwise to be designed analogously to FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6.
  • Figure 7 further shows a smoke extraction system, i.e. The smoke does not deposit on the reactor walls, but can be suctioned off in the reactor due to the process pressures which are substantially higher here and can be fed immediately to the extraction process.
  • Fig. 8 The overall procedural process of fullerene production when using the arrangement according to FIG. 7 with a smoke extraction device additionally arranged to the soot removal lock, the supply of the carbon materials, the removal of the fullerene-containing vapors and carbon blacks and the extraction of the fullerenes according to FIG. 3 as self-contained process sequence takes place.
  • Figure 1 shows the reactor (1) and the arc to be ignited there between dust / granules in the crucible (1A) and represents a counter electrode formed from a graphite rod (17).
  • the crucible is filled up to level H with a carbon-containing dust / granulate mixture, the graphite rod (17) forming the counter electrode to the crucible (1A), which is not electrically insulated from the reactor housing.
  • the arc is located between the end of the rod-shaped counterelectrode (17) and the dust / granulate located in the crucible (1A).
  • the arc is permanently filled with new raw material from dust / granulate through an upper tube coming from outside
  • (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor lid tank. (18) shows the outlet valve to the lock.
  • the accumulated soot containing fullerene and the non-evaporated raw material particles collect here and can be removed via a lock.
  • FIG. 2 shows the basic method of arc technology between two electrodes (28, 2B) formed from graphite rods.
  • the arc is located between the end of the electrode (28) projecting through an opening in a dome-like dome of the crucible (1A) and the counter electrodes (2B) located in the crucible (1A).
  • the arc is permanently supplied by the supply of new raw material from dust / granulate through an upper tube (29) coming from outside into the crucible (1A), the raw material trickling between the opposite ends of these electrodes according to arrow (30).
  • the structure of the reactor (1) and the crucible (1A) otherwise corresponds to that of FIG. 1, with no line for a lower raw material supply to the crucible according to line (7A) of FIG. 1.
  • a connection to the reservoir of a raw material supply system is provided via the connection (5).
  • FIG 2 there are (7,10) nozzles attached to the reactor.
  • a sight glass is mounted on the nozzle (7).
  • (6,8) are noble gas inlet and outlet openings, whereby a vacuum can also be generated via these.
  • (1A) is the crucible standing on the sieve-like support (19).
  • the rod-shaped electrode (28) protruding into the crucible (1A), which in turn hangs on the coolable and movable electrode suspension (14) and is fastened in the crucible (1A) and opposite it electrically non-insulated counter electrode (2B).
  • (3) shows the coolant tank of the reactor cover, where (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor cover tank (3).
  • (15, 16) show the inflow and outflow openings of the coolant for the electrode suspension.
  • the reactor is sealed against the movable electrode suspension (14) by a seal, a sliding packing (4).
  • (18) shows the outlet valve to the lock.
  • the accumulated soot containing fullerene and the non-evaporated raw material particles collect here and can be removed via a lock.
  • Figure 3 shows the overall procedural process as a closed process.
  • (1) is the double-walled reactor in which the evaporation device with a crucible (1A) shown in FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6 is located. Carbon-containing dusts / granules are evaporated in the crucible (1A) depending on the evaporation process and refilled from the outside in accordance with each consumption quantity, see FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6.
  • the resulting product is fed from the reactor (1) to the extraction system (32) via a connecting line (31).
  • the extraction process dissolves the fullerenes formed and leads the solution to the stripper (34) via line (33).
  • the solution is evaporated there.
  • the end products of the stripper (34), the fullerenes, leave the system via the outlet line (35), while the re-liquefied solvent, preferably benzene, is fed again to the extraction system (32) via a connecting line (36).
  • the products not dissolved in the extraction process go to the dryer (37) in order to make them available again as raw material for the evaporation process after drying via the line (39) leading to the reactor (1) and the connection (5).
  • the solvent which has been taken out in the dryer (37) is likewise returned in the liquefied state to the extraction system (32) via the line (38) returned there for reuse.
  • FIG. 4 shows the reactor (1) and crucible (1A) according to FIG. 1, where the method of laser technology using a laser cannon (40), the end of which is located above the dome-like opening of the crucible (1A), is shown.
  • the crucible is filled with carbon-containing raw material to a level "h”.
  • the energy of the laser beam evaporates dust / granules in the crucible (1A).
  • the focal point of the laser cannon (40) is aimed at the carbon-containing raw material lying in the crucible (1A).
  • the crucible filling is permanently supplied with new raw material from dust / granulate through the upper tube (2A) coming from outside into the crucible (1A).
  • Via connection (5) there is a connection to the storage container of a raw material supply system.
  • FIG. 5 shows the reactor (1) and crucible (1A) according to FIG. 4, but now an inductive high-frequency evaporation takes place in the crucible (1A) by means of an inductive high-frequency system (22), which is external to the crucible (1A ) is laid out around.
  • the crucible is again filled to a certain level with carbon-containing raw material.
  • the crucible filling is permanently supplied with new raw material from dust / granulate through the upper tube (2A) coming into the crucible (1A) from the outside.
  • a connection to the reservoir of a raw material supply system is provided via the connection (5).
  • FIG. 5 there are (7,10) nozzles attached to the reactor.
  • At the Socket (7) is fitted with a sight glass.
  • (6,8) are noble gas inlet and outlet openings, whereby a vacuum can also be generated via these.
  • (1A) is the crucible standing on a sieve-like support (19).
  • the inductive high-frequency system is located around the crucible (1A).
  • (3) shows the coolant tank of the reactor cover, where (12,13) are the inlet and outlet openings of the coolant for the reactor cover tank (3).
  • Figure 6 shows the same double-walled reactor (1) and crucible (1A) as Figure 5.
  • the principle of the adapter (21) for the extension of the reactor (1) is shown, so that a sufficiently dimensioned path for the carbon-containing vapors and soot can be specified until these are deposited on the reactor cover.
  • FIG. 7 shows a modification of the reactor (1) and arrangement of the crucible (1A) according to the previous exemplary embodiments.
  • the energy and raw material feeds are carried out analogously to those of FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6.
  • the crucible (1A) is rotatably supported relative to the housing of the reactor (1) by means of a crucible holder system (24). During the evaporation of the raw material, it can thus be either standing, that is stationary, or rotating as shown in the drawing in the three evaporation methods described his.
  • Fallen soot that has fallen down and raw material particles that have not evaporated collect additionally in the lock (18) and can be removed here.
  • FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6. show the inlet and outlet openings of the coolant for the rotatable crucible holder system (24).
  • FIG. 8 shows, like FIG. 3, the overall procedural process as a closed process when using the device according to FIG. 7.
  • (1) is the double-walled reactor in which the evaporation device with a crucible (1A) shown in FIGS. 1, 2, 4, 5, 6 and 7 is located. Carbon-containing dusts / granules are evaporated in the crucible (1A) depending on the evaporation method and refilled from the outside in accordance with the amount consumed (see FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6). The fullerene-containing components are now discharged at two different points via the suction device (23) and the lock outlet valve (18). Connecting lines (31, 42) to the extraction system (32) are connected to the side and below the reactor.
  • the connecting lines (31, 42) open into a common seed connecting line (43), with which the resulting product from the reactor (1) is fed to the extraction system (32) according to FIG. 3.
  • the extraction process dissolves the fullerenes formed and leads the solution to the stripper (34) via line (33).
  • the solution is evaporated there.
  • End products of the stripper (34), the fullerenes leave the system via the outlet line (35), while the liquefied solvent, preferably benzene, is fed again to the extraction system (32) via a connecting line (36).
  • the products not dissolved in the extraction process go to the dryer (37) in order to make them available again as raw material for the evaporation process after drying via the line (39) leading to the reactor (1).
  • the solvent which has been taken out in the dryer (37) is likewise returned in the liquefied state to the extraction system (32) via the line (38) returned there for reuse.
  • FIG. 1 7A raw material feed from below, FIG. 1
  • FIG. 16 water inlet of the movable electrode holder 17 graphite electrode (s), FIG. 1
  • FIG. 1 Inflow opening for coolant of the rotatable crucible holder system 27 Cup-shaped depression in the carbon-containing raw material of the crucible, FIG. 1

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Abstract

Gemäss dem Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Buckminster-Fullerenen aus kohlenstoffhaltigen festen Rohstoffen und der erfindungsgemässen Vorrichtung dazu wird eine Fullerengewinnung unter Verdampfung kohlenstoffhaltiger Schüttgutmaterialien in Form fester Rohstoffe aus Stäuben, Granulaten, körnigen Stoffen oder Gemische davon ermöglicht, welche keine grosse stab- und würfelähnliche Form aufweisen. Zur Verdampfung müssen somit nicht mehr teure grössere Stäbe oder Blöcke durch den Brennpunkt von Laserstrahlung, durch das System eines induktiven hochfrequenzfeldes oder als Lichtbogenelektroden (17) nachgeschoben werden. Es ist eine kontinuierlich kostengünstige Erzeugung der Fullerene über einen längeren Zeitraum mit einem relativ geringen apparativen Aufwand in einem grosstechnischen Massstab bei Normaldruck möglich. Zur Verdampfung des Kohlenstoffs unter inerter Edelgas-Atmosphäre werden unmittelbar in einem elektrischen Lichtbogen, einem induktiven Hochfrequenzfeld oder einem auftreffenden Laserstrahl innerhalb eines von aussen gefüllten und mit den kohlenstoffhaltigen Rohstoffen nachzufüllenden Tiegels (1A) oder einer rohrartigen Umhüllung die festen kohlenstoffhaltigen Rohstoffe oder Kohlenstoffverbindungen zur Verdampfung geführt, wobei diese frei von reaktiven Gaskomponenten oder Anlagerungen wie Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Wasserdampf sind. Der Verdampfungsprozess und die Zuführung der kohlenstoffhaltigen Rohstoffe erfolgt dabei im Reaktor (1) in einem halboffenen, hohen konverterartigen Tiegel (1A) oder einer rohrartigen Umhüllung der verdampfenden Kohlenstoffe, so dass die Abkühlung der Kohlenstoffdämpfe langsam erfolgt und diese sich unter Aufstieg an dem gekühlten Reaktordeckel (3) als Russ niederschlagen.

Description

Bezeichnung: Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-
Fullerenen aus kohlenstoffhaltigen festen Rohstoffen und Vorrichtung dazu.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen durch Erhitzung und Verdampfung von kohlenstoffhaltigem Material unter inerter Edelgas-Atmosphäre in einem Reaktor, welches von außerhalb des Reaktors zugeführt wird und von unzulässigen Stickstoff-, Sauerstoff-, Wasserstoff-, Wasserdampf- oder anderen reaktiven Gaskomponenten oder Anlagerungen befreit ist und welches auf die in einem elektrischen Lichtbogen, einem induktiven Hochfrequenzfeld oder einem auftreffenden Laserstrahl erzeugte Verdampfungstemperatur erhitzt wird, sowie unter Bildung von Kohlenstoff-Cluster und von Fullerene enthaltender Ruße und/oder Kohlenstoffdämpfe, insbesondere von Buckminster-Fullerenen, durch Abkühlung und Kondensation von Kohlenstoff des gebildeten Kohlen¬ stoffplasmas. Die Erfindung betrifft ferner eine Vor¬ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren unter Verwendung eines gepulsten Lasers zur Verdampfung von Graphit ist nach Smalley bekannt. Es wird ein Cluster-Strahl-Generator verwendet, in welchem eine rotierende Graphitscheibe angelegt ist, auf welche von oben ein fokusierter Laserstrahl geführt ist. Der sich bildende Kohlenstoffdampf wird dabei von einem vorübergeleiteten Heliumstrom mitgerissen und bildet bei der Expansion ins Vakuum einen Teilchenstrahl.
Dabei kühlen die Atome ab und kondensieren unter Bildung von Kohlenstoff-Buckmisterfullerenen und anderen Fulleren- Strukturen (Spektrum der Wissenschaft, Dez. 1991, S. 80- 98).
Des weiteren ist eine Apparatur nach Krätschmer und Huffmann bekannt, wo sich durch Verdampfen von Graphit im elektrischen Lichtbogen Fullerene in makroskopischen Mengen erzeugen lassen. Als Elektroden dienen dabei Graphitstäbe, welche mit einer Gewindemechanik zur Stab¬ nachführung versehen sind. In der Nähe des Lichtbogens wird dabei der verdampfende Kohlenstoff gehalten, wobei die Atome sich zu Molekülen schließen und Kohlenstoff- Buckminsterfullerene bilden. Im Gegensatz zur Fulleren- bildung unter Verdampfung von Kohlenstoff und an¬ schließender spontaner Kondensation hat man auch versucht, Cluster aus Kohlenstoffatomen rußiger Kohlenwasserstoff- Flammen zu bilden. Dieses Verfahren ist allerdings lediglich zur Bildung von Kohlenstoff-Buckminster- fullerenen als Zufallsprodukt geeignet.
Dagegen ist die Apparatur nach Krätschmer und Huffmann zur Bildung von Fullerenen in makroskopischen Mengen geeignet. Diese bekannten Verfahren und Apparaturen sind dabei insgesamt zur Herstellung von Kohlenstoff-Buckminster- fullerenen teuer, wobei eine hohe elektrische Leistung zur Bildung kleinster makroskopischer Fullerenmengen benötigt wird. Da eine hohe Verdampfungstemperatur erreicht werden muß, erfolgt der Verdampfungsprozeß direkt in einem elektrischen Lichtbogen durch Verdampfung der verwendeten Kohlenstoffelektroden selbst. Auch bei den bekannten Verfahren zur Erzeugung der Verdampfungsenergie des Kohlenstoffes durch Fokusierung eines Laserstrahles oder ddurch die Einstrahlung eines induktiven Hochfrequenz- Feldes wird dabei der Kohlenstoff jeweils in Form von kohlenstoffhaltigen Stäben und Würfeln aus Graphiten und dgl. in den Reaktor eingebracht.
Derartige stab- und würfelähnliche Materialien wie auch die für Lichtbögen zu verwendenden Graphitelektroden sind durch ihre Herstellung teure Rohstoffe, da diese in einem speziellen Verfahren unter Beifügung geeigneter Mengen von Bindemitteln gepreßt und anschließend getempert werden müssen. Im Verdampfungsverfahren müssen die Stäbe, Würfel, Platten etc. dabei jeweils unter dem Brennpunkt der Laserstrahlung entlang geführt, durch das induktive Hochfrequenzfeld verschoben oder als Elektroden zur Bildung eines Lichtbogens nachgeschoben werden. Das Abdampfen der Elektodenspitzen innerhalb eines Lichtbogens erfordert zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens eine Elektrodenführung mit Hilfe eines Schraub- oder Ver- schiebemechanismusses, der eine geeignete Nachstellung des Elektrodenabstandes erlaubt.
Die bisher verwendeten Reaktoren sind insofern im Aufbau und im Unterhalt teuer, da eine kontinuierlicche Kohlen¬ stoff-Verdampfung und Kondensation zur Bildung von Kohlenstoff-Buckminsterfullerenen über einen längeren Zeitraum nur mit einem hohen apparativen Aufwand erfolgen kann. Berücksichtigt man außerdem noch die Notwendigkeit eines Vakuums bzw. niedriger Drücke, kommen weitere Probleme hinzu.
Aufgabe und Lösung
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und die danach bekannten Vorrichtungen zur Produktion von Kohlen¬ stoff-Buckminsterfullerenen und anderen Fullerenen derart zu verbessern, daß die genannten Nachteile weitgehend vermieden werden. Es soll dabei insbesondere eine konti¬ nuierliche Produktion von fullerenhaltigen Rußen oder Dämpfen in großen Mengen möglichst mit einem Anteil von Buckminster-Fullerenen möglich sein. Diese soll dabei verfahrenstechnisch möglichst einfach und billig sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch gelöst. Die vorteilhafte Ausführung des Verfahrens ergibt sich dabei aus den Unteransprüchen. Das Verfahren der eingangs genannten Art ist insofern insbesondere derart weitergebildet, daß unmittelbar im elektrischen Licht¬ bogen, im Brennpunkt eines Laserstrahles oder im induk¬ tiven Hochfrequenzfeld innerhalb eines von außen durch Hereindrücken (Pressen), durch Hereinblasen mit inerten Trägergasen, durch Hereinrieseln oder durch Hereinrütteln mit kohlenstoffhaltigen festen Rohmaterialien in Form von Stäuben, Granulaten, körnige Stoffen oder Gemischen gefüllten Tiegels oder einer diese Rohmaterialien ent¬ haltenden rohrartigen Umhüllung diese durch Vibrationen, Rütteln, Drehen des Tiegels oder der Umhüllung oder durch Hereinblasen von inerten Wirbelgasen in die Tiegelfüllung dem Verdampfungsgebiet zugeführt werden und unter Erhöhung der Verweilzeit und gleichzeitiger Kühlung des Ver¬ dampfungsgebietes verdampfen. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist dabei eine Vorrichtung gemäß Anspruch 37 vorgesehen, welche gemäß den Ansprüchen 39 - 46 ausgebil¬ det ist.
Als Reaktor zum Verdampfen des Kohlenstoffes und zur Kondensation der fullerenhaltigen Dämpfe dient eine aus einem temperaturbeständigen Material, vorzugsweise eine aus VA-Stahl bestehende, doppelwandige Stahlröhre mit verschiedenen für die Montage erforderlichen Flanschen und Stutzen. Die Doppelwandigkeit des Reaktors ist aus Gründen der Kühlmöglichkeit notwendig. Der Reaktor wird vorzugs¬ weise senkrecht stehend, kann aber auch in der Waage¬ rechten oder in allen anderen Stellungen mit anders angeordneten Stutzen montiert und betrieben werden. Vgl. Figur 1,2,4,5 und 6.
Im Innern des Reaktors wird im unteren Bereich eine Halterung zwecks Befestigungsmöglichkeit eines Tiegels oder Umhüllung, in welchem die Kohlenstoffverdampfung stattfindet, montiert. Der Tiegel besteht aus einem hochfeuerfesten, temperaturwechselbeständigen und elek¬ trisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Graphit, und kann sowohl mit kohlenstoffhaltigen (Kohle, Kokskohle, Graphit, Holz- und Braunkohlenkoks, Abfallprodukten aus der Äthylenherstellung, graphitiertem Ruß, insbesondere solchen nach der Fullerenextraktion etc.) Stäuben, Granulaten als auch mit einem Gemisch daraus, vorzugsweise mit dem gleichen kohlenstoffhaltigen Material, welches auch als Rohstoff permanent zugeführt und verdampft werden soll, gefüllt werden.
Der Tiegel wird vorzugsweise nach oben wie eine domartige Kuppel geschlossen. In der Mitte der Kuppel befindet sich eine ausreichend große Bohrung. Die Bohrung hat im Falle des Lichtbogens die Aufgabe, sowohl mehrere als auch nur einen Elektrodenstab mit Hilfe eines Bewegungsmechanis- musses berührungsfrei hin- und herbewegen zu können. Im Falle von Laserstrahlen ist der ungehinderte Strahlen¬ eintritt zu gewährleisten. Zusätzlich wird durch die Bohrung ein Beschickungsrohr für die Rohstoffzufuhr, vorzugsweise aus Graphit installiert. Die Rohstoffzufuhr erfolgt von außen durch ein handelsübliches Beschickungs¬ system aus einem Vorratsgefäß.
Im Bereich der Oberkante, dem Bereich der Austrittsöffnung des Tiegels, wird ein Schauglas an einen Reaktorstutzen befestigt. In gleicher Höhe befindet sich auf der anderen, gegenüberliegenden Seite ein Montagestutzen, der, falls der Reaktor in Betrieb geht, mit einem Blinddeckel verschlossen wird. Im unteren Bereich des Reaktors befindet sich eine trichterförmig auslaufende Schleuse zum Sammeln und Herausholen des Rußes.
Das Bewegungssystem, auf dem die Elektrodenstäbe oder der eine Elektrodenstab befestigt sind, wird vorzugsweise mit einem separaten Kühlsystem ausgestattet, um im Bereich der Abdichtung keine Hitzeprobleme zu erhalten. Das Bewegungssystem wird zusätzlich zum Reaktor elektrisch isoliert installiert. Das Bewegungssystem ist Stand der Technik.
Wahlweise kann der Tiegel mit einer kühlbaren Vorrichtung, vorzugsweise mit einer wassergekühlten VA-Stahlrohr¬ schlange umhüllt werden, um an der Außenseite der Um- hüllung ein Magnetfeldsystem installieren zu können. Das Magnetfeldsystem hat die Aufgabe, das ionisierte, heiße Plasma am Austritt aus dem Tiegel zusätzlich zu behindern. Weiterhin wird vermutet, daß das Magnetfeld-System noch nicht erklärbare, fullerenbildende Eigenschaften hat.
Das hier dargestellte Verfahrensprinzip kann beliebig oft als Multiplikator innerhalb eines Gesamtreaktors mit mehreren Tiegeln oder Umhüllungen realisiert werden, um entsprechende Rohstoffdurchsätze zu ermöglichen.
Der Verdampfungsprozeß kann zwischen 50 mbar und mehreren bar Überdruck, vorzugsweise unter Normaldruck (1 bar), sowohl an der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Tiegel¬ füllung als auch tief in der kohlenstoffhaltigen Tiegel- füllung mittels Laserstrahlen, induktiver Hochfrequenzer¬ hitzung oder vorzugsweise mittels Lichtbogen in inerter Edelgasatmosphäre durchgeführt werden.
Die Verdampfung kann dabei in einem Lichtbogen (Figur 1,2) erfolgen, indem der Lichtbogen im Tiegel sowohl auf der Oberfläche des Staub/Granulates als auch im Staub/Granulat eingetaucht oder zwischen zwei Elektrodenstäben wie folgt erzeugt wird. Mit einem stabförmigen, oberen elektrischen Pol aus einer Elektrode oder mehreren Elektroden, vorzugsweise aus einem Graphitstab, - und mit einem unteren elek¬ trischen Gegenpol aus dem aufgenommenen staub- und granulatartigen, kohlenstoffhaltigen Rohstoff im Tiegel oder vgl. Figur 1.
Wesentlich bei diesem Verfahren mit nur einem Elek¬ trodenstab als elektrischen Gegenpol ist u.a.,
*daß nicht Elektrodenstäbe zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern die Staub/Granu¬ latzufuhr den Lichtbogen zwischen der Stabelektrode und der Oberfläche aus Staub/Granulat aufrecht erhält, wobei vorzugsweise
*die nicht fullerenhaltigen Endprodukte nach der Extraktion und Trocknungsaufbereitung dem Ver¬ dampfungsprozeß erneut als kohlenstoffhaltiger Rohstoff zugeführt werden, um eine hohe Rohstoffaus- beute zu erreichen.
b) Mit einem stabförmigen elektrischen Pol aus einer Elektrode oder mehreren Elektroden, vorzugsweise aus einem Graphitstab,- und mit dem elektrischen Gegenpol aus ebenfalls einer oder mehreren stabförmigen Elektroden, vorzugsweise aus einem Graphitstab-. In diesem Fall wird der kohlenstoffhaltige Rohstoff zwischen die Elektroden in den Lichtbogen hineinbe¬ fördert, vorzugsweise mit einem Edelgas hineinge- blasen, vgl. Figur 2.
Wesentlich bei diesem Verfahren mit zwei stabförmigen Elektroden als elektrische Gegenpole ist u.a., «'daß nicht Elektrodenstäbe zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern die Staub/- Granulatzufuhr den Lichtbogen zwischen der Stabelek¬ trode und der Oberfläche aus Staub/Granulat aufrecht erhält und vorzugsweise
*die nicht fullerenhaltigen Endprodukte nach der Extraktion und Trocknungsaufbereitung dem Ver¬ dampfungsprozeß erneut als kohlenstoffhaltiger Rohstoff zugeführt werden, um eine hohe Rohstoffaus¬ beute zu erreichen.
c) wobei in a) und b) Gleichstrom (das zu verdampfende Material erhält den Pluspol) oder Wechselstrom verwendet werden kann.
Im Tiegel bildet sich an der Staub/Granulat-Oberfläche eine kelchartige Vertiefung im Bereich des Lichtbogens, die permanent mit neuem kohlenstoffhaltigen Rohstoff aus Staub/Granulat durch ein von außen kommendes Rohr in den Tiegel versorgt wird. Ähnliches passiert, wenn eine Verdampfung mittels Lasertechnik (Figur 4) durchgeführt wird. Die Laserstrahlen verdampfen die im Tiegel vor- handenen Teilchen an der Oberfläche und gehen immer weiter in die Tiefe hinein, so daß sich auch hier eine kelch¬ artige Vertiefung bildet. Wesentlich bei diesem Verfahren mit Lasertechnik ist u.a., daß nicht monolithe Festkörper zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern lediglich Staub/Granulat.
Schließlich ist auch eine Verdampfung in einem induktiven Hochfrequenzfeld möglich. Die induktive Hochfrequenz- technik verdampft die im Tiegel vorhandenen Teilchen von der Mitte nach außen. Die im Tiegel fehlende Menge wird permanent mit neuem Rohstoff aus Staub/Granulat durch ein von außen kommendes Rohr in den Tiegel versorgt. Wesent- lieh bei diesem Verfahren mit einem induktiven Hoch¬ frequenzfeld ist u.a., daß nicht monolithe Festkörper zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern lediglich Staub/Granulat.
Bei den oben genannten Verfahren erfolgt erstmals die Verwendung einer anderen Rohstoff-Struktur. Statt kohlen¬ stoffhaltige STÄBE, WÜRFEL o.a. werden jetzt die eigent¬ lichen Rohstoffe, nämlich kohlenstoffhaltige Stäube oder Granulate aus Graphit, Kohle etc. verwendet. Die Korn- Struktur kann fein- bis grobkörnig sein.
Die fullerenbildende Verdampfung wird dadurch nicht nur wesentlich preiswerter, sondern auch einfacher.
Eine wesentliche Voraussetzung ist, daß die Rohstoffe frei von adsorbiertem Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und insbesondere frei von Wasserdampf sind, um im Reaktorraum die Fullerenbildung durch die Anwesenheit dieser Gase nicht zu verhindern bzw. zu behindern. Dazu müssen die kohlenstoffhaltigen Rohstoffe aus Staub oder Granulat zuvor bei vorzugsweise ca. 2.200 °C entgast werden. Sauerstoff entweicht bis ca. 1.700 C, Wasserstoff bis ca. 2.000 °C und Stickstoff bis ca. 2.150 °C.
Zum Verfahren, der prinzipiellen Vorgehensweise und der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
Der Innenraum des auf Dichtigkeit geprüften Reaktors wird über eine Vacuumpumpe mehrmals evakuiert und mit Edel- gasen, vorzugsweise mit Helium oder Argon gespült, um unerwünschte Restgase wie Sauerstoff, Wasserdampf etc. zu eliminieren.
Danach wird ein Edelgasdruck von vorzugsweise 1 bar eingestellt. Der Druck kann aber auch im Bereich von wenigen mbar bis zu mehreren bar liegen.
Anschließend werden die Kühlkreisläufe, vorzugsweise Wasserkreisläufe gestartet.
Bei Verwendung der Lichtbogentechnik fährt man nach Zuschaltung des Stromes von vorzugsweise mehr als 200 Ampere und 20 - 60 Volt mit Hilfe der Bewegungsmechanismen die Elektroden in Richtung elektrischen Gegenpol, um den Lichtbogen zu zünden. Es kann sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom verwendet werden.
Nach Zündung des Lichtbogens kann mit Hilfe des Bewegungs- echanismusses die Lichtbogenlänge korrigiert werden. Vorzugsweise läßt man den Lichtbogen für wenige Minuten solange stehen, bis sich mit Bildung einer heißen, kelchartigen Vertiefung im kohlenstoffhaltigen Materials des Tiegels um die Elektroden von selbst eine Lichtbogen¬ verlängerung ergibt.
Anschließend wird die Rohstoffzufuhr des Kohlenstoffes in Gang gesetzt. Der Nachschub von zu verdampfenden Roh¬ material erfolgt von außen aus einem Vorratsgefäß mit einer entsprechenden Vorrichtung und einem Beschickungs- system:
1. Von außen unten oder von der Seite (durch Hereindrücken) . 2. Von der Seite (durch Hereindrücken oder Hereinblasen).
3. Vorzugsweise findet das Hereinbringen des Rohstoffes von oben durch ein Hereinrieseln oder ein Hereinblasen innerhalb der Elektrodenstäbe, vorzugsweise aber durch ein separates Graphitrohr seitlich des einen Elek¬ trodenstabes oder der Elektrodenstäbe durch die Bohrung der domartigen Kuppel des Tiegels oder der Öffnung der Umhüllung statt.
Die noch kalten Partikel landen zunächst auf oder im heißen Staub/Granulat. Dort können sie sich erwärmen. Ein impulsartiges oder permantes Rütteln des Reaktors mit einem üblichen Vibrationssystem gewährleistet innerhalb des Tiegels den Rohstofftransport vom Tiegelrand zum Verdampfungsgebiet. Während des Transportes bis zum Hereinbringen in die kelchartige Vertiefung, zum eigent¬ lichen Verdampfungsgebiet, findet eine weitere erhebliche Vorerwärmung des Rohstoffes statt.
Der jetzt heiße Rohstoff fällt somit permanent von allen Seiten in die von der Hitze erzeugte kelchartige Ver¬ tiefung des Verdampfungsgebietes hinein.
Es zeigt sich, daß drei Gleichgewichte für eine konti¬ nuierliche, fullerenhaltige Rußproduktion zu beachten sind:
1. Der äußere, permanente Mengenzufluß des kohlenstoff¬ haltigen Rohstoffes wird in Abhängigkeit der Abfluß- menge von Kohlenstoff in das - in Form einer heißen kelchartigen Vertiefung ausgebildete - Verdampfungs¬ gebiet durch die Kohlenstoffverdampfung geregelt. Das Verdampfungsgebiet in der kelchartigen Vertiefung darf nicht zu heiß werden, d.h. es wird durch die permanente Zufuhr mit kühleren, zu verdampfenden kohlenstoffhaltigen Rohstoffen gekühlt. Zusätzlich erfolgt auch eine wesentliche Kühlung durch die Verdampfung des Kohlenstoffes.
3. Bei Verwendung der Lichtbogentechnik wird durch die dosierte, permanente Zufuhr neu zu verdampfender Kohlenstoffe nicht nur der Lichtbogen versorgt, sondern wird mit einer konstanten Lichtbogenlänge und einem konstanten Elektrodenabstand stabil gehalten, ohne die Elektroden zwecks Lichtbogenregelung und Rohstoffnach- schub nachschieben zu müssen.
Die Tiegelwände einschließlich der domartigen Kuppel haben weiterhin die Aufgabe, das Herausfliegen von heißen, nicht verdampften Partikeln durch ein Abprallen an den Wänden zu reduzieren. Die heißen, zurückgeprallten Partikel stehen dem Verdampfungsprozeß somit erneut zur Verfügung.
Gleichzeitig gibt der Innenraum des Tiegels den heißen, clusterbildenden Gasen die Möglichkeit, länger heiß zu bleiben bzw. sich langsamer abkühlen zu können, bevor sie den Tiegel durch die Bohrung verlassen. Beim Aufstieg der heißen Gase in Richtung Reaktordeckel muß die Abkühlung in Edelgasatmosphäre weiterhin möglichst langsam stattfinden. Dies wird durch einen relativ langen Aufstiegsweg der blauen bis schwarzen Kohlenstoffdämpfe bis zum Reaktor¬ deckel ermöglicht, bevor sich die Dämpfe als fulleren- haltigen Ruß an den gekühlten Reaktorwänden niederschlagen oder direkt abgesaugt werden.
Die sich dort bildenden fullerenhaltigen und lockeren Ruße fallen nach Ereichung einer dickeren Schicht gemeinsam mit den aus dem Verdampfungsraum herausfliegenden, nicht verdampften Rohstoffpartikeln in den unteren Schleusen¬ trichter.
Das aus dem unteren Schleusentrichter herausgeholte oder direkt abgesaugte Produkt wird anschließend einer Soxhlet- extraktion zugeführt.
Die herausgelösten Fullerene liegen als rote Flüssigkeit vor. Die fullerenhaltige Flüssigkeit wird wie bereits bekannt zwecks Erhalt der Fullerenkristalle verdampft. Das verdampfte Lösungsmittel wird als Kondensat ebenfalls wiederverwendet.
Der zurückgebliebene Ruß kann nach Trocknung erneut zum Verdampfen verwendet werden.
Gleiches gilt auch für die Techniken Laserstrahlen und induktiver Hochfrequenzschleifen. Die bei diesen beiden Verfahren sowie der Lichtbogentechnik zu verwendenden Vor¬ richtungen sind dabei in Fig. 1, 4 und 5 der Zeichnungen dargestellt und dabei näher beschrieben.
Beschreibung der bevorzugten Vorrichtung zur Ausführung des obigen bevorzugten, ein durch Lichtbogen erzeugtes Plasma verwendenden Verfahrens und eines speziellen Ausführungsbeispieles davon
Als Vorrichtung des Verfahrens wurd eine 600 mm langer, doppelwandiger VA-Stahlreaktor mit einem Innendurchmesser von 150 mm verwendet. Oberhalb des Reaktors befand sich ein wassergekühlter Deckel, der sowohl ein wassergekühltes und bewegbares Stabelektrodenhaltesystem als auch ein Rohstoffzufuhrrohr enthielt, welches mit einem außerhalb des Reaktors befindlichen Rohstoffsilo verbunden ist. Als Rohstoff wurde ein rieselfähiges, griesartiges Schüttgut verwendet, ein Körnungsgemisch aus Entladungsruß und Graphit zwischen 20 M m und 3 mm Durchmesser. Die per- manente Rohstoffzufuhr in den Tiegel des Reaktors erfolgte durch Vibrationen. Die Vibrationenen sorgten gleichzeitig auch für eine Rohstoffverteilung innerhalb des Tiegels in Richtung kelchartiger Verdampfungszone.
Unterhalb des Reaktors befand sich eine trichterförmige Ausgangsschleuse.
Im Reaktor selbst befand sich ein Graphit-Tiegel, 170 mm hoch und 110 mm Außendurchmesser. Die Innenhöhe war 130 mm, der Innendurchmesser 80 mm. Der Tiegel wurde bis auf die letzten 20 mm mit dem grießartigen Schüttgut gefüllt. In Höhe der Austrittsöffnung des Tiegels befand sich am Reaktor ein Stutzen mit Schauglas. Die Höhe ab Tiegelaus- trittöffnung bis zum Reaktordeckel betrug 300 mm.
Der Reaktor incl. dem Tiegel mit Rohstoffmaterial war die eine Elektrode. Die Gegenelektrode bestand aus einem Graphitstab mit einem Durchmesser von 15 mm und 350 m Länge. Der Graphitstab war an dem wassergekühlten und vertikal bewegbaren Stabelektrodenhaltesystem befestigt.
Zunächst wurde der Reaktor incl. dem Rohstoffsilo mehrmals mit einer Vacuumpumpe bis auf 1 mbar leergepumt und anschließend mit Heliumgas wieder gefüllt. Um partielle Gegengasdrücke in Richtung Reaktor auszuschließen, wurde eine Kühlfalle mit Kohlefilter zwischen Pumpe und Reaktor installiert.
Als Edelgas wurde Helium verwendet. Als Arbeitsdruck im Reaktor wurden Drücke zwischen 0,4 bis 1 bar, vorzugsweise 1 bar gewählt.
Als Strom wurde Wechselstrom mit 360 Ampere und 40 V gewählt. Nach ca. 5 Minuten brannte sich der Lichtbogen unterhalb des Graphitstabes einen "Kelch" in den im Tiegel liegenden granulatartigen Rohstoff. Anschließend wurde gleichzeitig durch ein Herausziehen der Elektrode der Lichtbogen verlängert. Danach begann die Rohstoffzufuhr durch Vibrationen mit ca. 30-100 Gramm/Stunde in den Tiegel - und dort direkt in den "Kelch". Ein Comparator hielt die stromtechnischen Lichtbogenbedingungen incl. der Zufuhrmenge von zu verdampfenden Rohstoffen constant.
Der entstehende Qualm muß innerhalb der Rauchfahne bläulich beginnen und in der Spitze schwarz übergeben, wenn man reichlich Fullerene erhalten will.
Bereits am Ruß läßt sich erkennen, ob mehr oder weniger Fullerene enthalten sind. Der Ruß muß pechschwarz aussehen und sehr locker an den Gefäßwänden haften.
Nach der Extraktion mit Benzol betrug der Anteil der Fullerene im Ruß bis zu 10 Gewichtsprozent.
Wesentliche Merkmale und Ziele des Verfahrens sind somit zusammenfassend:
- Neuartige bei diesem Verfahren ist die Verwendung einer anderen Rohstoff-Struktur. Statt kohlenstoffhaltige STÄBE, WÜRFEL o.a. werden jetzt die eigentlichen Rohstoffe, nämlich kohlenstoffhaltige Stäube oder Granulate aus Graphit, Kohle, aromatische Verbindungen etc. verwendet. Die Kornstruktur kann fein- bis grob¬ körnig sein.
- Die nicht fullerenhaltigen Endprodukte können nach der Extraktion und Trocknungsaufbereitung dem Verdampfungs¬ prozeß erneut als kohlensoffhaltiger Rohstoff zugeführt werden, welches eine hohe RohstoffVerwertung bedeutet.
- Die fullerenbildende Verdampfung wird nicht nur durch die Verwendung kohlenstoffhaltiger Stäube oder Granulate wesentlich preiswerter, sondern auch einfacher.
- Der Elektrodenverschleiß ist wesentlich geringer, wenn die Rußproduktion ausschließlich mit dem Rohstoff Staub/Granulat erfolgt.
- Kompakte, kohlenstoffhaltige Stäube oder Granulate haben als Rohstoff den entscheidenden Vorteil, dem direkten Verdampfungsprozeß eine Vielzahl von kleinsten Partikeln zu bieten, die nicht zuvor auf Kosten der Verdampfungs¬ energie erst zerkleinert werden müssen. Dadurch ent¬ weicht im eigentlichen Verdampfungsraum weniger nicht verdampfter Rohstoff, da eine explosionsartige Ver¬ flüchtigung von zuvor herausgesprengten festen Partikeln reduziert wird.
- Die der Verdampfung angebotene Oberfläche auf kleinstem Raum ist durch die Vielzahl kleinster Partikel sehr hoch. Die spezifische Energieausnutzung ist für den Verdampfungsprozeß partiell höher.
- Die fullerenbildende Verdampfung kann unter Normaldruck 5 in Edelgasatmosphäre stattfinden. Ein höherer Gasdruck bedeutet die Anwesenheit einer höheren Anzahl von Edelgasmolekülen.
- Der Verdampfungsprozeß wird mittels Lichtbogen, Laser- 0 strahlen oder induktiver Erhitzung in inerter Atmosphäre durchgeführt.
Der Verdampfungsprozeß findet in einem halboffenen, hohen konverterartigen Tiegel, also innerhalb einer 5 rohartigen Umhüllung statt.
- Vor dem eigentlichen Verdampfungsprozeß kann sich der kohlenstoffhaltige Rohstoff aus Staub oder Granulat langsam erhitzen, d.h., ein explosionsartiges Erhitzen 0 wird vermieden.
- Mit der Verwendung eines konverterartigen Tiegels wird zusätzlich das Herausfliegen von nicht verdampften 1 Teilchen reduziert. Sie werden dem Prozeß im heißen Zustand erneut zugeführt.
- Beim Aufstieg der heißen Gase in Richtung Ausgang muß 5 bei Abkühlung die Sublimation in Edelgasatmospähre mög¬ lichst schnell stattfinden.
a) Die schnelle Verflüchtigung der heißen Gase in kälte- 0 re Zonen wird durch den umgebenden Kohlenstoff in¬ nerhalb des Tiegels reduziert.Den in den Dämpfen enthaltenen Atomen und Molekülen wird in möglichst heißer Umgebung Zeit gegeben, sich noch kugelartig umzulagern. 5 b) Beim Aufstieg der heißen Gase in Richtung Reaktor¬ deckel muß die Abkühlung in Edelgasatmosphäre weiterhin möglichst langsam stattfinden. Dies wird durch einen relativ langen Aufstiegsweg der blauen 0 bis schwarzen Kohlenstoffdämpfe bis zum Reaktordeckel ermöglicht, bevor sie sich als Ruß an den gekühlten Reaktorwänden niederschlagen.
- Die sich innerhalb des Reaktors befindende Umhüllung 5 des Verdampfungsgebietes, des Tiegels, kann zusätzlich von einem entsprechendem Magnetfeld umgeben werden. Das Magnetfeldsystem hat die Aufgabe, das ionisierte, heiße Plasma am Austritt aus der Umhüllung zu behindern, d.h. die Verweilzeit in heißer Umgebung wird bestimmbar. 0 Weiterhin wird vermutete, daß ein Magnetfeldsystem fullerenbildende Eigenschaften hat. Zeichnungsbeschreibung
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Reaktoren zur Kohlenstoffver- dampfung zwecks Produktion fullerenhaltigem Ruß näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 und 2: Einen doppelwandigen Reaktor incl. dem
Innenleben, wobei ein elektrischer Licht¬ bogen in einem Tiegel erzeugt wird.
Fig. 3: Den verfahrenstechnischen Gesamtablauf der
Fullerenherstellung und Extraktion mit einer Rußentnahmeschleuse.
Fig. 4: Eine Anordnung mit einem doppelwandigen Reaktor gemäß Fig. 1 und 2, wobei statt eines Lichtbogens im Tiegel ein Plasma durch einen Laser erzeugt wird.
Fig. 5: Eine Anordnung gemäß Fig. 4, wobei statt eines Lasers ein induktives HF-System verwendet wird, in dessen Spulen der Tiegel innen angeordnet ist.
Fig. 6: Zeigt neben der Anordnung der Fig. 1,2,4 oder 5 zusätzlich das Prinzip der Verwendung eines Adapters zwecks Verlängerung eines Reaktors
Fig. 7: Eine Abänderung des Anordnung gemäß den Figuren 1, 2, 4, 5 und 6, wobei ein im Sinne eines Drehrohr¬ ofens drehender Tiegel verwendet wird, oberhalb dem eine Absaugvorrichtung zur Entnahme der verdampften Kohlenstoffe angeordnet ist. Rohstoff- Zuführung und Verdampfungssystem und der obere Teil des Reaktors sind ansonsten analog zu Fig. 1, 2, 4, 5 und 6 auszubilden. Weiterhin zeigt Figur 7 ein Rauchentnahmesystem, d.h. , der Rauch schlägt sich nicht an den Reaktor¬ wänden nieder, sondern kann aufgrund der hier wesentlich höheren Verfahrendrücke im Reaktor abgesaugt und sofort dem Extraktionsprozeß zugeführt werden.
Fig. 8: Den verfahrenstechnischen Gesamtablauf der Fullerenherstellung bei Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 7 mit einer zur Rußentnahmeschleuse zusätzlich angeordneten Rauch-Absaugvorrichtung, wobei die Zuführung der Kohlenstoffmaterialien, die Abführung der fullerenhaltigen Dämpfe und Ruße sowie die Extraktion der Fullerene gemäß Fig. 3 als in sich geschlossener Verfahrensablauf erfolgt.
Figur 1 stellt den Reaktor (1) und den dort zu zündenden Lichtbogen zwischen Staub/Granulat im Tiegel (1A) und einer aus einem Graphitstab (17) gebildeten Gegenelektrode dar. Der Tiegel ist dabei bis auf das Niveau H mit einem kohlenstoffhaltigen Staub/Granulat-Gemisch angefüllt, wobei der die Gegenelektrode zum elektrisch gegenüber dem Reaktorgehäuse nicht isolierten Tiegel (1A) bildende Graphitstab (17) in der Betriebsstellung gezeigt ist, in welcher er etwas unter das Niveau H geführt ist und als Verdampfungsgebiet eine kelchartige Vertiefung (27) in das kohlenstoffhaltige Rohstoffmaterial erzeugt hat, welche sein Ende seitlich umgibt.
Der Lichtbogen befindet sich zwischen dem Ende der stabförmigen Gegenelektrode (17) und dem im Tiegel (1A) befindlichen Staub/Granulat.
Der Lichtbogen wird permanent mit neuem Rohstoff aus Staub/Granulat durch ein von außen kommendes oberes Rohr
(2A) - oder durch das seitliche, untere Rohr (7A) in den Tiegel (1A) versorgt. Über einen Anschluß (5) oder durch das Rohr (2) ist dabei eine Verbindung zum Voratsbehälter eines Rohstoffzuführungssyste es gegeben.
Wesentlich bei diesem Verfahren mit einer Elektrode ist, daß nicht Elektrodenstäbe zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern die Staub/Granulat¬ zufuhr den Lichtbogen zwischen der Stabelektrode und der Oberfläche aus Staub/Granulat zur Kohlenstoffverdampfung aufrecht erhält. In Figur 1 sind (1, 7, 10) am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. -austrittsöffnunge , wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. (1A) ist ein Tiegel, der auf einer siebartigen Auflage (19) steht. In den Tiegel (1A) hinein ragt die stabförmige Gegenelektrode (17), die wiederum an einer kühlbaren und beweglichen Elektrodenauf¬ hängung (14) hängt. (15,16) zeigen die Zu- und Abflußöff¬ nungen des Kühlmittels für die Elektrodenaufhängung. (3) zeigt den Kühlmitteltank des Reaktordeckels, wobei eine Abdichtung, eine Gleitpackung (4), den Reaktor mit der beweglichen Elektrodenaufhängung (14) abdichtet.
(12,13) sind die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für den Reaktordeckeltank. (18) zeigt das Ausgangsventil zur Schleuse. Die angesammelten fullerenhaltigen Ruße und die nicht verdampften Rohstoffpartikel sammeln sich hier und können per Schleuse entnommen werden.
Figur 2 stellt das prinzipielle Verfahren der Lichtbogen¬ technik zwischen zwei aus Graphitstäben gebildeten Elektroden (28, 2B) dar.
Der Lichtbogen befindet sich zwischen dem Ende der durch eine Öffnung in eine domartige Kuppel des Tiegels (1A) ragenden Elektrode (28) und der im Tiegel (1A) befind¬ lichen Gegenelektroden (2B). Der Lichtbogen wird permanent durch die Zuführung neuen Rohstoffes aus Staub/Granulat durch ein von außen kommendes oberes Rohr (29) in den Tiegel (1A) versorgt, wobei der Rohstoff zwischen den sich gegenüberstehenden Enden dieser Elektroden gemäß Pfeil (30) einrieselt. Der Aufbau des Reaktors (1) und des Tiegels (1A) entspricht ansonsten dem der Figur 1, wobei keine Leitung für eine untere Rohstoff- zufuhr zum Tiegel gemäß Leitung (7A) der Figur 1 vorhanden ist. Über den Anschluß (5) ist eine Verbindung zum Vorratsbehälter eines Rohstoffzuführungssystemes gegeben.
Wesentlich bei diesem Verfahren mit zwei Elektroden ist, daß nicht Elektrodenstäbe zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern die Staub/Granulat¬ zufuhr den Lichtbogen zwischen den Stabelektroden zur KohlenstoffVerdampfung aufrecht erhält.
In Figur 2 sind (7,10) am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. austrittsöffnungen, wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. (1A) ist der Tiegel, der auf der siebartigen Auflage (19) steht. In den Tiegel (1A) hinein ragen die stabförmige Elektrode (28), die wiederum an der kühlbaren und beweglichen Elektrodenaufhängung (14) hängt und die im Tiegel (1A) befestigte und gegenüber diesen elektrisch nicht isolierte Gegenelektrode (2B).
(3) zeigt den Kühlmitteltank des Reaktordeckels, wobei (12,13) die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für den Reaktordeckeltank (3) sind. (15,16) zeigen die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für die Elektrodenauf¬ hängung. Durch eine Abdichtung, eine Gleitpackung (4), wird dabei der Reaktor gegen die bewegliche Elektrodenauf¬ hängung (14) abgedichtet. (18) zeigt das Ausgangsventil zur Schleuse. Die angesammelten fullerenhaltigen Ruße und die nicht verdampften Rohstoffpartikel sammeln sich hier und können per Schleuse entnommen werden.
Figur 3 zeigt den verfahrenstechnischen Gesamtablauf als geschlossenes Verfahren.
(1) ist der doppelwandige Reaktor, in dem sich die Verdampfungsvorrichtung mit einem gemäß Figur 1,2,4,5 und 6 dargestellten Tiegel (1A) befindet. Im Tiegel (1A) werden kohlenstoffhaltige Stäube/Granulate je nach Verdampfungsverfahren verdampft und entsprechend jeder Verbrauchsmenge von außen nachgefüllt, siehe Figur 1,2,4,5 und 6.
Über eine Verbindungsleitung (31) wird das entstandene Produkt aus dem Reaktor (1) der Extraktionsanlage (32) zugeführt. Das Extraktionsverfahren löst die entstandenen Fullerene heraus und führt die Lösung über die Leitung (33) dem Stripper (34) zu. Dort wird die Lösung verdampft. Die Endprodukte des Strippers (34), die Fullerene, verlassen das System über die Ausgangsleitung (35), während das wieder verflüssigte Lösungsmittel, vorzugs¬ weise Benzol, über eine Verbindungsleitung (36) der Extraktionsanlage (32) erneut zugeführt wird. Die im Extraktionsverfahren nicht gelösten Produkte gehen zum Trockner (37), um sie nach dem Trocknen über die zum Reaktor (1) führende Leitung (39) und den Anschluß (5) erneut als Rohstoff dem Verdampfungsprozeß zur Verfügung zu stellen. Das im Trockner (37) herausgeholte Lösungs¬ mittel wird im verflüssigten Zustand ebenfalls wieder der Extraktionsanlage (32) über die dort rückgeführte Leitung (38) zur erneuten Verwendung zugeführt.
Figur 4 stellt den Reaktor (1) und Tiegel (1A) gemäß Figur 1 dar, wo nun das Verfahren der Lasertechnik mittels einer Laserkanone (40), dessen Ende sich oberhalb der domartigen Öffnung des Tiegels (1A) befindet, dargestellt ist. Der Tiegel ist dabei wie in Figur 1 mit kohlenstoffhaltigem Rohstoff bis auf ein Niveau "h " gefüllt. Der dort auftreffende Laserstrahl ( 20) erzeugt dabei wieder ein Verdampfungsgebiet im Form einer kelchartigen Vertiefung (41).
Die Energie des Laserstrahles verdampft Staub/Granulat im Tiegel (1A). Der Brennpunkt der Laserkanone (40) ist dabei auf den im Tiegel (1A) liegenden kohlenstoffhaltigen Rohstoff ausgerichtet. Die Tiegelfüllung wird permanent mit neuem Rohstoff aus Staub/Granulat durch das von außen kommende, obere Rohr (2A) in den Tiegel (1A) versorgt. Über,den Anschluß (5) ist eine Verbindung zum Vorratsbe¬ hälter eines Rohstoffzuführungssystemes gegeben.
Wesentlich an diesem Verfahren mit Lasertechnik ist, daß nicht monolithe Festkörper zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern lediglich Staub/- Granulat als zu verdampfender Kohlenstoff. In Figur 4 sind (7,10) am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. -austrittsöffnungen, wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. (1A) ist der Tiegel, der auf einer siebartigen Auflage (19) steht. Zum Tiegel (1A) ragt die Laserkanone (40). (3) zeigt den Kühlmitteltank des Reaktordeckels, wobei (12,13) die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für den Reaktordeckeltank (3) sind. (18) zeigt das Ausgangsventil zur Schleuse. Die angesammelten fullerenhaltigen Ruße und die nicht verdampften Rohstoff¬ partikel sammeln sich hier und können per Schleuse entnommen werden.
Figur 5 stellt den Reaktor (1) und Tiegel (1A) gemäß Figur 4 dar, wobei nun aber eine induktive Hochfrequenzver¬ dampfung im Tiegel (1A) mittels eines induktiven Hoch¬ frequenzsystems (22) stattfindet, welches außen, um den Tiegel (1A) herum angelegt ist. Der Tiegel ist dabei wieder bis auf ein bestimmtes Niveau mit kohlenstoff- haltigem Rohstoff gefüllt.
Die Tiegelfüllung wird permanent mit neuem Rohstoff aus Staub/Granulat durch das von außen in den Tiegel (1A) kommende obere Rohr (2A) versorgt. Über den Anschluß (5) ist eine Verbindung zum Vorratsbehälter eines Rohstoffzu- führungssystemes gegeben.
Wesentlich bei diesem Verfahren mit induktiver Hoch¬ frequenz ist, daß nicht monolithe Festkörper zwecks Rohstoffversorgung nachgeschoben werden müssen, sondern lediglich Staub/Granulat als zu verdampfender Kohlenstoff.
In Figur 5 sind (7,10) am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. austrittsöffnungen, wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. (1A) ist der Tiegel, der auf einer siebartigen Auflage (19) steht. Um den Tiegel (1A) herum befindet sich das induktive Hochfrequenzsystem. (3) zeigt den Kühlmitteltank des Reaktordeckels, wobei (12,13) die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für den Reaktordeckeltank (3) sind.
(18) zeigt das Ausgangsventil zur Schleuse. Die ange- sammelten fullerenhaltigen Ruße und die nicht verdampften Rohstoffpartikel sammeln sich hier und können per Schleuse entnommen werden.
Figur 6 zeigt den gleichen doppelwandigen Reaktor (1) und Tiegel (1A) wie Figur 5. Zusätzlich ist noch das Prinzip des Adapters (21) zwecks Verlängerung des Reaktors (1) dargestellt, so daß ein ausreichend bemessener Weg für die kohlenstoffhaltigen Dämpfe und Ruße vorgebbar ist, bis diese sich am Reaktordeckel niederschlagen.
Figur 7 stellt eine Abänderung des Reaktor (1) und Anordnung des Tiegels (1A) gemäß den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dar. Die Energie- und RohstoffZu¬ führungen erfolgen analog denen von Figur 1,2,4,5 und 6.
Wesentlich bei diesem Verfahren ist, daß über dem Tiegel das Verdampfungsprodukt sofort mit einer Absaugvorrichtung (23) oberhalb des Tiegels (1A) entnommen wird. Der Tiegel (1A) ist dabei gegenüber dem Gehäuse des Reaktors (1) über ein Tiegelhalterungssystem (24) drehbar gelagert. Während der Verdampfung des Rohstoffes kann er somit bei den drei beschriebenen Verdampfungsverfahren sowohl stehend , also stationär, oder wie in der Zeichnung dargestellt drehend sein.
Heruntergefallene fullerenhaltige Ruße und nicht ver¬ dampfte Rohstoffpartikel sammeln sich zusätzlich in der Schleuse (18) und können hier entnommen werden.
In Figur 7 sind (2,7,10) wiederum am Reaktor angebrachte Stutzen. Am Stutzen (7) ist ein Schauglas montiert. (6,8) sind Edelgaszu- bzw. -austrittsöffnungen, wobei über diese auch ein Vacuum erzeugbar ist. Am Stutzen (10) ist die Absaugvorrichtung (23) montiert. (1A) ist der Tiegel, der in der drehbaren Halterung (24) steht. In den Tiegel (1A) hinein ragen wie in Figur 1,2,4,5 und 6 dargestellt die Energie- und Rohstoffzufuhrsysteme. (25,26) zeigen die Zu- und Abflußöffnungen des Kühlmittels für das drehbare Tiegelhalterungssystem (24).
Figur 8 zeigt wie Figur 3 den verfahrenstechnischen Gesamtablauf als geschlossenes Verfahren bei Verwendung der Vorrichtung gemäß Figur 7.
(1) ist der doppelwandige Reaktor, in dem sich die Ver¬ dampfungsvorrichtung mit einem gemäß Figur 1,2,4,5,6 und 7 dargestellten Tiegel (1A) befindet. Im Tiegel (1A) werden kohlenstoffhaltige Stäube/Granulate je nach Verdampfungs- verfahren verdampft und entsprechend der Verbrauchsmenge von außen nachgefüllt (siehe Figur 1,2,4,5 und 6). Über die Absaugvorrichtung (23) und das Schleusenausgangsventil (18) werden die fullerenhaltigen Bestandteile nunmehr an zwei verschiedenen Stellen ausgetragen. Seitlich und unterhalb des Reaktors sind dabei Verbindungsleitungen (31,42) zur Extraktionsanlage (32) angeschlossen.
Die Verbindungsleitungen (31,42) münden in einer gemein- samen Verbindungsleitung (43), mit der das entstandene Produkt aus dem Reaktor (1) der Extraktionsanlage (32) gemäß Figur 3 zugeführt wird. Das Extraktionsverfahren löst die entstandenen Fullerene heraus und führt die Lösung über die Leitung ( 33 ) dem Stripper (34) zu. Dort wird die Lösung verdampft. Die. Endprodukte des Strippers (34), die Fullerene, verlassen das System über die Ausgangsleitung (35), während das wieder verflüssigte Lösungsmittel, vorzugsweise Benzol, über eine Verbindungs- leitung (36) der Extraktionsanlage (32) erneut zugeführt wird.
Die im Extraktionsverfahren nicht gelösten Produkte gehen zum Trockner (37), um sie nach dem Trocknen über die zum Reaktor (1) führende Leitung (39) erneut als Rohstoff dem Verdampfungsprozeß zur Verfügung zu stellen. Das im Trockner (37) herausgeholte Lösungsmittel wird im ver¬ flüssigten Zustand ebenfalls wieder der Extraktionsanlage (32) über die dort rückgeführte Leitung (38) zur erneuten Verwendung zugeführt.
B e z u g s z i f f e r n l i s t e
1 Reaktor
1A Rohrartige Umhüllung in Form eines konverterartigen Tiegels
H , h Füllstand des Tiegels
2 Stutzen
2A Rohstoffzufuhr von oben, Fig. 1,4,5,6
3 Reaktordeckel mit Wassertank
4 Abdichtung (Gleitpackung)
5 Anschluß an Rohstoffzufuhrsystem aus Vorratsbehälter
6 Vacuumanschluß
7 Stutzen mit Schauglas
7A Rohstoffzufuhr von unten, Fig. 1
8 EdelgasZuleitung
9 Wassereingang zum doppelwandigen Reaktor (für Kühl¬ mittel)
10 Montagestutzen mit Blinddeckel
11 'Wasserausgang aus doppelwandigen Reaktor (für Kühl¬ mittel) 12 Wassereingang des wassergekühlten Deckels (für Kühl¬ mittel) 13 Wasserausgang des wassergekühlten Deckels (für Kühl¬ mittel)
14 Beweglicher Elektrodenhalter
15 Wasserausgang des beweglichen Elektrodenhalters
16 Wassereingang des beweglichen Elektrodenhalters 17 Graphitelektrode(n) , Fig. 1
18 Ausgangsventil zur Schleuse
19 Siebartige Auflage für den konverterartigen Tiegel oder alternativ für die nicht dargestellte rohrarti¬ ge Umhüllung 20 - Laserstrahl
21 Adapter für Reaktorverlängerung
22 Induktives Hochfrequenzsystem um den Tiegel, Fig. 5,6
23 Absaugvorrichtung des Rauchentnahmesystems 24 Drehbares Tiegelhalterungssystem, Fig. 7
25 Abflußöffnung für Kühlmittel des drehbaren Tiegel¬ halterungsSystems
26 Zuflußöffnung für Kühlmittel des drehbaren Tiegel¬ halterungsSystems 27 Kelchförmige Vertiefung im kohlenstoffhaltigen Roh¬ material des Tiegels, Fig. 1
28 Graphitelektrode(n), Fig. 2
29 Rohrzufuhr von oben, Fig. 2
30 Pfeil, Zuführungseinrichtung des Rohstoffes in Fig. 2
31 Verbindungsleitung zwischen Reaktor und Extraktions¬ anlage von der Ausgangsschleuse
32 Extraktionsanlage; Fullerene gehen in Lösung
33 Verbindungsleitung zwischen Extraktionsanlage und Stripper
34 Stripper; Fullerene werden vom Lösungsmittel ge¬ trennt
35 Ausgangsleitung des Strippers
36 Verbindungsleitung zwischen Stripper und Extrak- tionsanlage
37 Trockner; nicht gelöster Kohlenstoff aus der Extrak¬ tionsanlage wird getrocknet und für die Verdampfung im Reaktor aufbereitet
38 Verbindungsleitung zwischen Extraktionsanlage und Trockner
39 Verbindungsleitung zwischen Stripper und Reaktor
40 Laserkanone
41 Kelchförmiges Verdampfungsgebiet, Fig. 4 Verbindungsleitung, Fig. 8 Gemeinsame Verbindungsleitung der Verbindungslei¬ tungen von der Ausgangsschleuse und von der Absaug¬ vorrichtung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen durch Erhitzung und Verdampfung von kohlenstoff¬ haltigem Material unter inerter Edelgas-Atmosphäre in einem Reaktor, welches von außerhalb des Reaktors zugeführt wird und von unzulässigen Stickstoff-, Sauerstoff-, Wasserstoff-, Wasserdampf- oder anderen reaktiven Gaskomponenten oder Anlagerungen befreit ist und welches auf die in einem elektrischen Lichtbogen, einem induktiven Hochfrequenzfeld oder einem auftreffenden Laserstrahl erzeugte Verdampfungs¬ temperatur erhitzt wird, sowie unter Bildung von Kohlenstoff-Cluster und von fullerenhaltigen. Ruß und/oder Kohlenstoff¬ dämpfe, insbesondere von Buckminster-Fullerenen, durch Abkühlung und Kondensation von Kohlenstoff des gebildeten Kohlenstoffplasmas, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß unmittelbar im elektrischen Lichtbogen, im Brennpunkt eines Laserstrahls oder im Hoch¬ frequenzfeld der von außen zuzuführende Kohlenstoff als fester Rohstoff in Form von Stäuben, Granulaten, körnigen Stoffen und als Gemisch innerhalb eines von außen mit diesen kohlenstoffhaltigen festen Roh¬ materialien gefüllten Tiegels oder innerhalb einer rohrartigen Umhüllung dieser Rohmaterialien zur Ver¬ dampfung geführt und in dieses Verdampfungsgebiet nachgebracht wird, daß vor der Kondensation des verdampften Kohlen¬ stoffes dieser unter Abkühlung und Erhöhung der Verweilzeit zur Zusammenlagerung von Cluster in der Nähe seines Verdampfungsgebietes in der Umhüllung oder dem konverterartigen Tiegel in Edelgas- Atmosphäre gehalten wird und daß außerhalb dieses Verdampfungsgebietes die Kondensation des Kohlen- Stoffs und der Kohlenstoff-Cluster unter Bildung der Kohlenstoff-Fullerene erfolgt.
2. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ganz oder teilweise die Füllung des Tiegels oder der Umhüllung durch Hereindrücken (Pressen), durch Hereinblasen mit inerten Trägergasen, durch Herein¬ rieseln oder durch Hereinrütteln der kohlenstoffhal- tigen festen Rohmaterialien von außen erfolgt.
3. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Nachbringung der kohlenstoffhaltigen festen Roh¬ materialien in das Verdampfungsgebiet durch Vibra¬ tionen, Rütteln, Drehen des Tiegels oder der Um¬ hüllung oder durch Hereinblasen von inerten Wirbel¬ gasen in die Tiegelfüllung erfolgt.
4. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der verdampfte Kohlenstoff in der Umhüllung oder dem konverterartigen Tiegel zusätzlich durch ein Magnet¬ feld gehalten wird.
5. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der von außen zuzuführende staubförmige, fein- bis grobkörnige oder granulatartige, kohlenstoffhaltige Rohstoff in den elektrischen Lichtbogen zwischen den elektrischen Gegenpolen derart dosiert kontinuierlich zugeführt wird, daß ein mit einer oder mehreren Kohlenstoffelektroden erzeugter Lichtbogen ohne Abbrand der Kohlenstoffelektrode(n) aufrecht erhalten bleibt, wobei insofern der oder die Elektrodenstäbe zwecks Stromversorgung zur Erzeugung der Verdampfungs¬ hitze nicht nachgeschoben werden müssen.
6. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der kohlenstoffhaltige Rohstoff in den Verdampfungs¬ prozeß kontinuierlich eingeschleust wird.
7. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der von außen zuzuführende kohlenstoffhaltige Rohstoff vor der Zuführung in den Reaktor entsprechend den Verdampfungstemperaturen der unerwünscht enthaltenen Sauerstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff-, Wasserdampf¬ oder anderen reaktiven Gaskomponenten von diesen bei bis zu 2.200 C in Edelgasatmosphäre oder Vacuum entgast wird.
Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstof f-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nach Zündung des Lichtbogens der Abstand zwischen den elektrischen Gegenpolen derart eingestellt wird, daß mit Bildung einer heißen, kelchartigen Ver¬ tiefung unterhalb der Stabelektrode(n) im fein- bis grobkörnigen oder granulatartigen, kohlenstoffhaltigen Rohstoff innerhalb des Tiegels oder Umhüllung durch die Verdampfung des Kohlenstoffes das Verdampfungs¬ gebiet für den von außen zuzuführenden kohlenstoff¬ haltigen Rohstoff erzeugt wird.
9. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verdampfung innerhalb einer rohrartigen Umhüllung oder eines konverterartigen Tiegels erzeugt wird.
10. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verdampfungsenergie des Lichtbogens innerhalb einer Umhüllung oder eines Tiegels erzeugt und die Ausbildung des Lichtbogens darin auf der Oberfläche des Staub/Granulates, im Staub/Granulat eingetaucht oder zwischen zwei Elektroden geregelt wird und zwar
a) mit einem stabförmigen, oberen elektrischen Pol aus einer oder mehreren Elektroden und mit einem unteren elektrischen Gegenpol aus dem aufgenommenen staub- und granulatartigen, kohlenstoffhaltigen Rohstoff im Tiegel oder Umhüllung des Reaktors
b) mit einem stabförmigen, elektrischen Pol aus einer oder mehreren Elektroden und mit einem elektrischen Gegenpol aus ebenfalls einer oder mehreren stab¬ förmigen Elektroden, wobei in diesem Fall der kohlenstoffhaltige Rohstoff zwischen die Elektroden in den Lichtbogen hinein befördert oder mit Edelgas hineingeblasen wird und
c) entweder Gleichstrom (das zu verdampfende Material erhält den Pluspol) oder Wechselstrom verwendet wird.
11. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die stabförmigen Elektroden und die Rohstoffe aus kohlenstoffhaltigem Material bestehen.
12. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verdampfungsenergie durch Laserstrahlen innerhalb eines Tiegels oder Umhüllung erzeugt und derart geregelt wird, daß die Laserstrahlen darin sowohl auf der Oberfläche des Staub/Granulates als auch im Staub/Granulat eingetaucht zur Wirkung kommen.
13. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verdampfungsenergie durch induktive Hochfrequenz- technik innerhalb eines Tiegels oder Umhüllung erzeugt und geregelt wird, wobei die Anordnung der Spulen¬ systeme an einer gekühlten Wand um den Tiegel herum erfolgt. 1 14. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch die Verdampfung des Kohlenstoffes mittels
5 Lichtbogen, Laserstrahlen oder induktiven Hoch¬ frequenzfeldern eine kelchartige Vertiefung im fein- bis grobkörnigen oder granulatartigen, kohlenstoff¬ haltigen Rohstoff innerhalb des Tiegels oder Umhüllung erzeugt wird, welche als Verdampfungsgebiet für den 0 kontinuierlich von außen zuzuführenden kohlenstoff¬ haltigen Rohstoff dient.
15. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 14, 5 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der kohlenstoffhaltige Rohstoff dem Tiegel oder Umhüllung von außen permanent zugeführt wird, wobei die Zu¬ führung im Reaktor sowohl vom Boden, von der Seite als auch von oben erfolgt. 0
16. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die permanente Zuführung des kohlenstoffhaltigen
25 Rohstoffes durch ein Hereindrücken (Pressen), Herein¬ blasen mit inerten Edelgasen, Rütteln oder durch ein Hereinrieseln von oberhalb des Verdampfungsgebietes durchgeführt wird.
30 17. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1- 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Tiegel oder Umhüllung aus einem hochtemperatur- festen, temperaturwechselbeständigen und elektrisch leitfähigen Feuerfestmaterial besteht.
18. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 8 - 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Tiegel oder eine Umhüllung aus Graphit verwendet wird.
19. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 8 - 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der im und insbesondere an den Rändern des Tiegels oder in der Umhüllung liegende, von außen dem Reaktor zugeführte kohlenstoffhaltige Rohstoff auf dem oder im Staub/Granulat auf dem Weg vom Rand des Tiegels zum Verdampfungsgebiet in Form einer kelchartigen Vertiefung systembedingt vorgewärmt wird, wobei gleichzeitig eine Überhitzung des Verdampfungsgebietes durch permanente Kühlung mit neuem Rohstoff vermieden wird.
20. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff- Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß unter Einstellung folgender drei Gleichgewichte eine kontinuierliche, fullerenhaltige Rußproduktion erfolgt:
1. Der äußere, permanente Mengenzufluß des kohlenstoff¬ haltigen Rohstoffes wird in Abhängigkeit der Abflußmenge von Kohlenstoff in das - in Form einer heißen kelchartigen Vertiefung ausgebildete Verdampfungsgebiet durch die Kohlenstoffverdampfung geregelt.
Das Verdampfungsgebiet in der kelchartigen Ver¬ tiefung darf nicht zu heiß werden, d.h. es wird durch die permanente Zufuhr mit kühleren, zu verdampfenden kohlenstoffhaltigen Rohstoffen gekühlt. Zusätzlich erfolgt auch eine wesentliche Kühlung durch die Verdampfung des Kohlenstoffes.
3. Bei Verwendung der Lichtbogentechnik wird durch die dosierte, permanente Zufuhr neu zu verdampfender Kohlenstoffe nicht nur der Lichtbogen versorgt, sondern wird mit einer konstanten Lichtbogenlänge und einem konstanten Elektrodenabstand stabil gehalten, ohne die Elektroden zwecks Lichtbogen¬ regelung und Rohstoffnachschub zu schieben.
21. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der im konverterartigen Tiegel vorhandene kohlenstoff¬ haltige Rohstoff durch ein impulsartiges oder per¬ manentes Vibrieren in das Verdampfungsgebiet in Form einer kelchartigen Vertiefung rüttelartig befördert wird.
22. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1-21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der im konverterartigen Tiegel vorhandene kohlenstoff¬ haltige Rohstoff durch ein impulsartiges bzw. per¬ manentes Vibrieren und/oder Drehen des Tiegels im Sinne eines Drehrohrofens in und um das Verdampfungs¬ gebiet befördert wird.
23. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der dem Tiegel zugeführte kohlenstoffhaltige Rohstoff vor der Verdampfung mit vorgewärmten Edelgas (Helium, Argon oder andere) auf dem Weg zum eigentlichen Verdampfungsgebiet leicht verwirbelt wird, um jedem einzelnen Staubkorn oder Granulatkorn die Möglichkeit zu geben, mit Edelgas umgeben in den Verdampfungs¬ prozeß zu gelangen, wobei die Verwirbelung durch ein impulsartiges Hereinblasen von Edelgasen, vorzugsweise von unten mit Helium, erreicht wird.
24. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine erhöhte Verweilzeit des Plasmas aus Kohlenstoff in extrem heißen Bereichen des Verdampfungsgebietes durch umgebende Wände der rohrartigen Umhüllung oder des konvert.erartigen Tiegels innerhalb des Reaktors erreicht wird.
25. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Tiegel so konstruiert ist, daß die heißen auf- steigenden Dämpfe während des Aufstieges möglichst gut abkühlen können und der im Gegenstrom hereinkomm¬ ende Rohstoff vorgewärmt wird, wobei dies mit zwei Merkmalen ermöglicht wird: a) Der Tiegel wird zusätzlich durch eine vorzugsweise aus Graphit bestehende, nach oben verengende, domartige Kuppel abgeschlossen, in deren Mitte sich eine ausreichend große Öffnung befindet, um im Falle des Lichtbogens sowohl die oder den Elek¬ trodenstab als auch den durchborten Stab für die Zufuhr des kohlenstoffhaltigen Rohstoffes mit Hilfe eines Bewegungsmechanismusses berührungsfrei hin- und herbewegen zu können und im Falle von Laser- strahlen einen ungehinderten Strahleneintritt zu gewährleisten;
b) die Aufstiegsphase der heißen, blaue bis schwarze Farbe annehmenden Fullerene enthaltenden Kohlen- stoff-Dämpfe und Gase aus der domartigen Kuppel des Tiegels oder der Umhüllung in Richtung Öffnung wird durch einen relativ langen Aufstiegs¬ weg zeitlich verlängert, damit sich entweder mit Hilfe einer Absaugvorrichtung die gekühlten Dämpfe entnehmen lassen oder an den gekühlten Wänden des Reaktors, insbesondere am Reaktordeckel, sich die fullerenhaltigen, lockeren Ruße niederschlagen.
26. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine direkte Umhüllung des Verdampfungsraumes aus vorgewärmtem, kohlenstoffhaltigem Rohstoff vorhanden ist, so daß sich folgenden fullerenbildenden Vorteile ergeben:
a) Das Entweichen von heißen Plasmagasen wird unter¬ halb und seitlich der Elektroden, der Laserstrahlen bzw. im Innern bei Hochfrequenzfeldern durch umgebende Staub- oder Granulatgemische mechanisch - durch eine Art Umhüllung des gleichen Kohlenstoffes - behindert.
b) Die von außen zugeführten kohlenstoffhaltigen Rohstoffe werden incl. den Edelgasen auf dem Weg zum Verdampfungsgebiet in Form einer kelchartigen Vertiefung vorgewärmt und durch ein Rüttel-, Dreh- oder anderes Bewegungssystem in einem äußerst heißen Zustand dem Verdampfungsgebiet zugeführt.
27. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die herumfliegenden, nicht verdampften kohlenstoff¬ haltigen Stäube/Granulate dem Verdampfungsprozeß in einem heißem Zustand durch ein Abprallen an den Wänden der Umhüllung oder des Tiegels und dessen domartiger Kuppel erneut zur Verfügung gestellt werden.
128. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach nach einem der Ansprüche 1 - 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß vorzugsweise Edelgasabdrücke zwischen 20 mbar und
5 mehreren bar Überdruck angewandt werden.
29. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach Anspruch 28, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß 0 der Edelgasabdruck im Reaktor ca. 1 bar beträgt.
30. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 29, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß 5 permanent die erzeugten fullerenhaltigen Ruße über eine Schleusenkammer entnommen und anschließend einem Fulleren-Extraktionsverfahren zugeführt werden.
31. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen 0 nach einem der Ansprüche 1 - 30, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die aufsteigenden Verdampfungsgase aus dem Tiegel sofort über eine Absaugvorrichtung dem Reaktorraum entnommen, anschließend einem Fulleren-Extraktions- 5 verfahren zugeführt werden und das Edelgas zum Reaktor zurückgeführt wird.
32. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach Anspruch 31, 0 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Absaugvorrichtung und das Tiegeldreh- und -be- festigungssystem durch ein Kühlmittelkreislauf gekühlt werden. 133. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 32, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektrodenhalter (Bewegungssystem) durch einen
5 separaten Kühlmittelkreislauf gekühlt werden.
34. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach Anspruch 33, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß 10 die Elektrodenhalter (Bewegungssystem) zusätzlich zum Reaktor elektrisch isoliert werden.
35. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 34,
15 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Lichtbogen mit einem elektrischen Strom zwischen
10 und mehr als 300 Ampere bei ca. 20 - 60 Volt erzeugt wird.
2036. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 35, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Verdampfungsräume als Multiplikator innerhalb eines Gesamtreaktors installiert werden, um höhere
25 Rohstoffdurchsätze zu ermöglichen.
37. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 36, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß 30 die nicht fullerenhaltigen Endprodukte nach der Extraktion und Trocknungsaufbereitung dem Ver¬ dampfungsprozeß erneut als kohlenstoffhaltiger Rohstoff zugeführt werden, um eine hohe Rohstoffaus- beute zu erreichen.
38. Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoff-Fullerenen nach einem der Ansprüche 1 - 37, zur großtechnischen, kontinuierlichen Gewinnung von Kohlenstoff-Buckminsterfullerenen (C^ ) .
39. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 38, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Reaktor (1) eine aus einem chemisch- und tempera¬ turbeständigen, elektrisch leitfähigen Material bestehende, doppelwandige Röhre mit verschiedenen für die Montage und Betrieb erforderlichen Flanschen und Stutzen (2,7,10) wie auch mit Edelgas- (6,8) und Kühlmittelzu- und Abflußleitungen (9,11,12,13) ist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Material des Reaktors elektrisch leitfähig ist, wobei dieses mit einer der Elektroden des Lichtbogens zur Erzeugung des Plasmas und/oder dem Tiegel (1A) in elektrischer Verbindung steht.
41. Vorrichtung nach Anspruch 39 oder 40 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Reaktor (1) senkrecht oder auch in der Waage¬ rechten oder in anderen Stellungen stehend mit einem Schleusentrichter zum Sammeln der fullerenhaltig gebildeten Ruße und den aus dem Tiegel oder Umhüllung herausgeflogenen, nicht verdampften, kohlenstoff¬ haltigen Rohstoffenpartikeln angeordnet ist. 42. Vorrichtung nach Anspruch 39, 40 oder 41, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Reaktor (l) mit einer Absaugvorrichtung (23) zur permanenten Entnahme fullerenhaltiger Verdampfungs- gase und/oder fullerenhaltiger Ruße ausgestattet ist.
43. Vorrichtung nach Anspruch 39, 40, 41 oder 42, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich im Reaktor (1) eine oder mehrere rohrartige Umhüllungen und oder konverterartige Tiegel (1A) mit entsprechenden Bewegungs-, Beschickungs- und Energie¬ zufuhrsystemen (7 ,,2A,5,7A,17,20,22,28) befinden.
44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 39 - 43, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Tiegel oder Umhüllung (1A) zusätzlich mit einer Metallschlange für Kühlmittel umgeben ist.
45. Vorrichtung nach Anspruch 44, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an dem kühlbaren Tiegel oder Umhüllung (1A) Befesti¬ gungen von induktiven Hochfrequenzschleifen (22) oder von Spulen zwecks Erzeugung eines Magnetfeldsystemes innerhalb des Reaktors (1) angelegt sind.
46. Vorrichtung nach Anspruch 39 - 45, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich im Reaktor (1) eine oder mehrere Rauch- und/oder Rußentnahmesysteme mit Schleusenausgangsventil bzw. mit einer Absaugvorrichtung (23, 18) und mit ent¬ sprechenden Kühlungssystemen befinden-
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