Образование углеродного наноматериала при обработке свежевосстановленного железа конвертированным природным газом

Abstract

Рассмотрен механизм процесса образования углеродного материала в области умеренных температур при обработке свежевосстановленного железа продуктами воздушной конверсии природного газа. Показано, что в рассматриваемых условиях размер и форма образующегося углерода зависят от температуры и размеров формирующихся при восстановлении микроскопических зерен железа, являющегося катализатором реакции диспропорционирования монооксида углерода. Сделан вывод, что образование зародышей новой углеродной фазы происходит на границах контакта соседних зерен свежевосстановленного железа с последующим формированием в этих местах кольцеобразной углеродной манжеты. В результате дальнейшей кристаллизации углерода формируются нанотрубки и происходит отрыв частиц железа от его основной массы, то есть имеет место фрагментация вещества катализатора. Согласно результатам лабораторных исследований, оптимальная температура образования углеродных нанотрубок в среде конвертированного газа составляет 600–650 °С. Приведены доказательства гипотезы, что механизм реакции диспропорционирования СО протекает через промежуточную стадию образования оксидов железа.

Розглянуто механізм процесу утворення вуглецевого наноматеріалу в області помірних температур при обробці свіжовідновленого заліза продуктами повітряної конверсії природного газу. Показано, що в розглянутих умовах розмір та форма утвореного вуглецю залежать від температури та розмірів формованих при відновленні мікроскопічних зерен заліза, яке є каталізатором реакції диспропорціювання монооксиду вуглецю. Зроблено висновок, що утворення зародків нової вуглецевої фази відбувається на межах контакту сусідніх зерен свіжовідновленого заліза з наступним формуванням у цих місцях кільцеподібної вуглецевої манжети. Внаслідок подальшої кристалізації вуглецю формуються нанотрубки та відбувається відрив частинок заліза від його основної маси, тобто має місце фрагментація речовини каталізатора. Згідно результатів лабораторних досліджень, оптимальна температура утворення вуглецевих нанотрубок у середовищі конвертованого газу становить 600–650 °С. Наведено докази гіпотези, що механізм реакції диспропорціювання СО відбувається через проміжну стадію утворення оксидів заліза.

The mechanism of process of carbon nanomaterial formation at moderate temperatures while processing of fresh-reduced iron by products of air conversion of natural gas is considered. It is shown that under given conditions the size and the shape of the resulting carbon are depended on the temperature and the size of microscopic iron grains formed during reduction. These iron grains are the catalyzer of the reaction of carbon monoxide disproportionation. It is concluded that the formation of nucleus of the new carbon phase occurs at the contact boundaries of neighboring grains of newly redused iron with the subsequent formation in these places of ring-shaped carbon cuff. Nanotubes are forming as a result of further carbon crystallization and separation of iron particles from the main mass is occurring i.e., there is a fragmentation of the substance of the catalyst. According to the results of laboratory studies the optimum temperature of carbon nanotubes formation in the environment of converted gas is 600–650 °C. The evidence of the hypothesis that the mechanism of the reaction of carbon monoxide disproportionation flows through the intermediate stage of iron oxides formation is given.