این اختراع مربوط به زمینه تصفیه جذبی آب های سطحی و زیرزمینی با محتوای بالای تیتانیوم و ترکیبات آن است و می توان از آن برای تصفیه آب برای تولید آب آشامیدنی ایمن برای سلامتی استفاده کرد. روشی برای تصفیه آب‌های سطحی و زیرزمینی از تیتانیوم و ترکیبات آن شامل تماس آب آلوده با جاذب است که در آن از نانولوله‌های کربنی به عنوان جاذب استفاده می‌شود که در حمام اولتراسونیک قرار می‌گیرند و روی نانولوله‌های کربنی عمل می‌کنند و آب در حال تصفیه است. حالت 1-15 دقیقه، با فرکانس اولتراسوند 42 کیلوهرتز و توان 50 وات. نتیجه فنی شامل تصفیه 100٪ آب از تیتانیوم و ترکیبات آن به دلیل ویژگی های جذب بسیار بالای نانولوله های کربنی است. 4 بیمار، 2 میز، 4 سابق.

نقشه های ثبت اختراع RF 2575029

این اختراع مربوط به زمینه تصفیه جذب سطحی و زیرزمینی با محتوای بالای تیتانیوم و ترکیبات آن است و می توان از آن برای تصفیه آب از تیتانیوم و ترکیبات آن برای به دست آوردن آب آشامیدنی ایمن برای سلامتی استفاده کرد.

روش شناخته شده ای برای تصفیه آب از یون های فلزات سنگین وجود دارد که بر اساس آن از یک جاذب طبیعی فعال شده کلسینه شده به عنوان جاذب استفاده می شود که یک سنگ سیلیسی با ترکیب معدنی مخلوط از ذخایر در تاتارستان است که حاوی درصد وزنی است: اپالکریستوبولیت 51-70 زئولیت 9-25، جزء رسی - مونت موریلونیت، هیدرومیکا 7-15، کلسیت 10-25 و غیره. [اختراع RF 2150997، IPC B01G 20/16، B01G 20/26، publ. 2000/06/20]. نقطه ضعف این روش شناخته شده استفاده از اسید هیدروکلریک برای فعال کردن مواد است که به تجهیزات مقاوم در برابر محیط های تهاجمی نیاز دارد. علاوه بر این، این روش از یک سنگ نسبتا کمیاب با ترکیب معدنی پیچیده استفاده می کند و هیچ اطلاعاتی در مورد محتوای تیتانیوم و ترکیبات آن وجود ندارد.

روش شناخته شده ای برای تولید جاذب دانه ای بر پایه شونگیت وجود دارد [Auth.St. شماره 822881 اتحاد جماهیر شوروی، IPC B01G 20/16، publ. 1981/04/23].

عیب این روش استفاده از شونگیت معدنی کمتر رایج است که از قبل با نیترات آمونیوم اصلاح شده است، کلسینه کردن در دماهای بالا که نیاز به تجهیزات مناسب و مصرف انرژی و همچنین پردازش در محیط های تهاجمی دارد. هیچ داده ای در مورد اثربخشی تصفیه آب از تیتانیوم وجود ندارد.

روشی شناخته شده برای بدست آوردن جاذب های آلی معدنی بر پایه آلومینوسیلیکات های طبیعی، یعنی زئولیت، با اصلاح آلومینوسیلیکات پیش گرما شده با پلی ساکاریدها، به ویژه کیتوزان، به عنوان آنالوگ وجود دارد. B01J 20/32, B01J 20/26 , B01J 20/12, publ. 07/10/2002]. این روش به دست آوردن جاذب های مناسب برای خالص سازی موثر محلول های آبی از یون های فلزی و رنگ های آلی با طبیعت های مختلف امکان پذیر می شود.

معایب جاذب های به دست آمده با روش توصیف شده درجه پراکندگی بالای آنها است که اجازه نمی دهد آب توسط جریان از طریق لایه جاذب تصفیه شود (فیلتر به سرعت مسدود می شود) و همچنین امکان شستشوی لایه کیتوزان از جاذب. در طول زمان به دلیل عدم تثبیت بر اساس مواد معدنی و عدم وجود اطلاعات در مورد خالص سازی موثر از ترکیبات فلزات سنگین، مانند تیتانیوم و ترکیبات آن.

روشی برای شفاف سازی و دفع آب صنعتی از ساختارهای فیلتر ایستگاه های تصفیه آب شرح داده شده است [اختراع اختراع RU No. 2372297, IPC C02F 1/5, C02F 103/04, publ. 11/10/2009].

ماهیت اختراع در استفاده از یک منعقد کننده پیچیده است که مخلوطی از محلول های آبی سولفات و اکسی کلرید آلومینیوم در نسبت دوز 2: 1 برای اکسید آلومینیوم است.

این پتنت نمونه هایی از تصفیه آب های زیرزمینی برای تامین آب آشامیدنی را ارائه می دهد.

نقطه ضعف روش توصیف شده راندمان ضعیف تصفیه از ناخالصی ها است؛ 46٪ از رسوب شناور، و بقیه در حالت تعلیق بود.

روش شناخته شده ای برای تصفیه آب با تصفیه در یک خط لوله تامین با یک لخته کننده کاتیونی وجود دارد [اختراع RF شماره 2125540، IPC C02F 1/00، publ. 1999/01/27].

این اختراع مربوط به روش های تصفیه آب از زهکش های سطحی است و می تواند در زمینه تامین آب خانگی و آشامیدنی یا فنی استفاده شود.

ماهیت اختراع: علاوه بر لخته ساز، یک منعقد کننده معدنی با نسبت جرمی به لخته از 40:1 تا 1:1 وارد خط لوله می شود.

این روش افزایش راندمان تجمع مواد معلق را تضمین می کند که باعث می شود کدورت آب ته نشین شده 2-3 برابر کاهش یابد. پس از استفاده از این روش، ته نشینی کامل بیشتر در مخازن ته نشینی ضروری است. بنابراین با توجه به روش توصیف شده، حذف 100 درصد فلزات حاصل نشد، سختی آب از 5.7 میلی گرم در اکیلو در لیتر به 3 میلی گرم در اکیوال در لیتر، کدورت به 0/8 میلی گرم در لیتر کاهش یافت.

نقطه ضعف آنالوگ راندمان ضعیف حذف فلزات و ناخالصی های آلی است؛ هیچ اطلاعاتی در مورد محتوای تیتانیوم وجود ندارد.

راندمان جذب نانولوله‌های کربنی (CNTs) به‌عنوان پایه یک فناوری نوآورانه برای خالص‌سازی مخلوط‌های آب و اتانول توصیف می‌شود [Zaporotskova N.P. و دیگران بولتن VolSU، سری 10، شماره. 5، 2011، 106 ص.].

این کار مطالعات مکانیکی کوانتومی را در مورد فرآیندهای جذب مولکول های الکل سنگین در سطح خارجی نانولوله های کربنی تک جداره انجام داد.

نقطه ضعف فعالیت جذب توصیفی CNT ها این است که فقط محاسبات نظری مکانیک کوانتومی انجام می شود، در حالی که مطالعات تجربی برای الکل ها انجام شد. هیچ نمونه ای برای تمیز کردن فلزات وجود ندارد.

اثر مثبت نانولوله‌های کربنی بر فرآیند خالص‌سازی مخلوط‌های آب و اتانول به اثبات رسیده است.

در حال حاضر، امیدهای ویژه در توسعه بسیاری از زمینه‌های علم و فناوری با نانولوله‌های کربنی نانولوله‌های کربنی مرتبط است [Harris P. Carbon nanotubes and related structures. مواد جدید قرن XXI. - م.: تکنوسفر، 2003. - 336 ص.].

یکی از ویژگی های قابل توجه CNT ها با ویژگی های جذب منحصر به فرد آنها مرتبط است [Eletsky A.V. خواص جذب نانوساختارهای کربنی - پیشرفت در علوم فیزیکی - 2004. -T. 174، شماره 11. - ص 1191-1231].

یک فیلتر مبتنی بر نانولوله های کربنی برای تصفیه مایعات حاوی الکل شرح داده شده است [Polikarpova N.P. و دیگران بولتن VolSU، سری 10، شماره. 6، 2012، 75 ص.]. آزمایش‌هایی بر روی خالص‌سازی مایعات حاوی الکل با استفاده از روش‌های فیلتراسیون و انتقال انجام شد و کسر جرمی نانولوله‌های کربنی تعیین شد که منجر به بهترین نتیجه می‌شود.

مطالعات تجربی انجام شده ثابت کرد که تصفیه مخلوط آب و اتانول با CNT ها به کاهش محتوای روغن های فوزل و سایر مواد کمک می کند. نقطه ضعف این آنالوگ فقدان اطلاعات در مورد تصفیه آب از فلزات است.

این کار جذب / دفع روی (II) را در چرخه های متوالی توسط کربن فعال و CNT ها مورد مطالعه قرار داد. جذب روی (II) توسط کربن فعال به شدت پس از چندین چرخه کاهش یافت که به حذف کم یون های فلزی از سطح داخلی منافذ کربن فعال نسبت داده شد.

ماهیت آبگریز CNT ها باعث برهمکنش ضعیف آنها با مولکول های آب می شود و شرایطی را برای جریان آزاد آن ایجاد می کند.

Noy A.، Park N.G.، Fornasiero F.، Holt J.K.، Grigoropoulos S.P. و Bakajin O. Nanofluidics در نانولوله های کربنی // نانو امروز. 2007، ج. 2، نه 6، صص. 22-29.

ظرفیت جذب نانولوله های کربنی به وجود گروه های عاملی روی سطح جاذب و خواص جاذب بستگی دارد.

به عنوان مثال، وجود گروه های کربوکسیل، لاکتون و فنولیک باعث افزایش ظرفیت جذب برای مواد قطبی می شود.

نانولوله‌های کربنی که هیچ گروه عملکردی روی سطح خود ندارند، با ظرفیت جذب بالا برای آلاینده‌های غیرقطبی مشخص می‌شوند.

یکی از راه‌های ایجاد غشا، رشد نانولوله‌های کربنی روی سطح سیلیکونی با استفاده از بخار حاوی کربن با استفاده از نیکل به عنوان کاتالیزور است.

نانولوله‌های کربنی ساختارهای مولکولی شبیه نی‌های ساخته شده از ورقه‌های کربنی به ضخامت کسری از نانومتر، ضخامت 10 تا 9 متر، اساساً یک لایه اتمی از گرافیت معمولی که در یک لوله نورد شده است - یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد در زمینه فناوری نانو است. CNT ها همچنین می توانند ساختار گسترده ای داشته باشند [وب سایت WCG http://www.worldcommunitygrid.org/].

فناوری غشایی، که به طور گسترده ای برای به دست آوردن آب آشامیدنی برای ساکنان سیاره ما استفاده می شود.

دو عیب قابل توجه وجود دارد - مصرف انرژی و رسوب غشایی که فقط با روش های شیمیایی قابل حذف است.

غشاهای مولد و ضد رسوب را می توان بر اساس نانولوله های کربنی یا گرافن ایجاد کرد [M. ماجومدر و همکاران طبیعت 438، 44 (2005)].

نزدیکترین به اختراع ادعا شده از نظر ماهیت فنی و نتیجه به دست آمده، روشی برای تولید جاذب برای تصفیه آب است [اختراع RF 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, publ. 01.12.2004]. این پتنت به عنوان نمونه اولیه در نظر گرفته شده است. این روش به زمینه تصفیه آب جذبی، به ویژه تولید جاذب ها و روش های تصفیه مربوط می شود و می تواند برای تصفیه آب آشامیدنی یا صنعتی با محتوای بالای یون های فلزات سنگین و مواد آلی قطبی استفاده شود. این روش شامل درمان آلومینوسیلیکات طبیعی با محلول کیتوزان در اسید استیک رقیق در نسبت آلومینوسیلیکات به محلول کیتوزان برابر با 1:1 در pH 8-9 است.

روی میز 1 یک توصیف مقایسه ای از جاذب های به دست آمده با توجه به اختراع را نشان می دهد که به عنوان نمونه اولیه گرفته شده است [اختراع 2277013]. نمونه هایی در مورد جذب در رابطه با رنگ ها و در مورد جذب مس، آهن و سایر یون های فلزی از محلول ها ارائه شده است.

نقطه ضعف نمونه اولیه ظرفیت جذب کم برای فلزات سنگین (SOE) میلی گرم در لیتر برای مس مس +2 (از 3.4 تا 5.85) است؛ هیچ اطلاعاتی در مورد جذب تیتانیوم و ترکیبات آن وجود ندارد. COE، mg/l برای Fe +3 از 3.4 تا 6.9 متغیر است.

هدف از اختراع توسعه روشی برای تصفیه آب های سطحی و زیرزمینی از تیتانیوم و ترکیبات آن با استفاده از نانولوله های کربنی و قرار گرفتن در معرض امواج فراصوت است که باعث تولید آب آشامیدنی با کیفیت بالا و افزایش راندمان تصفیه آب های سطحی و زیرزمینی می شود. ویژگی های جذب بالای CNT ها

مشکل با روش پیشنهادی تصفیه آب های سطحی و زیرزمینی از تیتانیوم و ترکیبات آن با استفاده از CNT ها، با استفاده از امواج فراصوت با توان 50 وات با فرکانس اولتراسوند 42 کیلوهرتز به مدت 1-15 دقیقه حل می شود.

روش به شرح زیر انجام می شود. جاذب یک نانولوله کربنی تک جداره است که توانایی تعامل فعال با اتم های تیتانیوم و کاتیون های آن (Ti, Ti +2, Ti +4) را دارد.

یک گرم CNT با خلوص 98 درصد به 99 گرم آب اضافه می شود تا Ti، Ti +2، Ti +4 حذف شود و سپس کل محتویات در حمام اولتراسونیک UKH-3560 قرار می گیرد و به مدت 1-15 دقیقه در معرض اولتراسوند قرار می گیرد. در توان 50 وات و در فرکانس اولتراسوند 42 کیلوهرتز.

پس از فیلتراسیون، نمونه های آب گرفته شده برای آنالیز مورد بررسی قرار می گیرند. تجزیه و تحلیل انتشار اتمی برای تعیین محتوای تیتانیوم و ترکیبات آن در نمونه های آب قبل از تصفیه CNT ها و پس از تصفیه نمونه های آب با CNT ها در حمام اولتراسونیک استفاده می شود.

روش پیشنهادی برای خالص‌سازی آب‌های سطحی و زیرزمینی از تیتانیوم و ترکیبات آن با استفاده از نانولوله‌های کربنی و امواج فراصوت با مثال‌هایی تأیید می‌شود که در زیر توضیح داده خواهد شد.

اجرای روش مطابق با شرایط مشخص شده، دستیابی به آب کاملاً خالص با محتوای صفر تیتانیوم و ترکیبات آن (Ti, Ti +2, Ti +4) را ممکن می سازد.

نتیجه فنی با این واقعیت حاصل می شود که CNT به عنوان یک مویرگی عمل می کند و اتم های Ti و کاتیون های تیتانیوم Ti +2 و Ti +4 را جذب می کند که ابعاد آنها با قطر داخلی CNT قابل مقایسه است. قطر نانولوله های کربنی از 4.8 Å تا 19.6 Å بسته به شرایط به دست آوردن CNT ها متغیر است.

به طور تجربی ثابت شده است که حفره های CNT ها به طور فعال با عناصر شیمیایی مختلف پر می شوند.

یک ویژگی مهم که CNT ها را از سایر مواد شناخته شده متمایز می کند، وجود یک حفره داخلی در نانولوله است. اتم Ti و کاتیون های آن Ti +2، Ti +4 تحت تأثیر فشار خارجی یا در نتیجه اثر مویرگی به CNT نفوذ می کنند و به دلیل نیروهای جذب در آنجا حفظ می شوند [Dyachkov P.N. نانولوله های کربنی: ساختار، خواص، کاربرد. - م.: بینوم. آزمایشگاه دانش، 1385. - 293 ص.].

این امکان جذب انتخابی توسط نانولوله ها را فراهم می کند. علاوه بر این، سطح بسیار منحنی نانولوله‌های کربنی اجازه می‌دهد تا اتم‌ها و مولکول‌های کاملاً پیچیده روی سطح آن جذب شوند، به ویژه Ti، Ti +2، Ti +4.

علاوه بر این، کارایی نانولوله ها ده ها برابر بیشتر از فعالیت جاذب های گرافیت است که امروزه رایج ترین مواد پاک کننده هستند. CNT ها می توانند ناخالصی ها را هم در سطح بیرونی و هم در سطح داخلی جذب کنند، که امکان جذب انتخابی را فراهم می کند.

بنابراین می توان از CNT ها برای تصفیه نهایی مایعات مختلف از ناخالصی های با غلظت فوق العاده کم استفاده کرد.

نانولوله‌های کربنی دارای سطح ویژه و جذابی از مواد CNT هستند که به مقادیر 600 متر مربع بر گرم یا بیشتر می‌رسد.

چنین سطح ویژه بالا، چندین برابر بیشتر از سطح ویژه بهترین جاذب های مدرن، امکان استفاده از آنها را برای تصفیه آب های سطحی و زیرزمینی از فلزات سنگین، به ویژه Ti، Ti +2، Ti +4 باز می کند. .

سنتز CNT ها با استفاده از تسهیلات سنتز نانولوله کربنی CVDomna، نانومواد کربنی CNT به دست آمد که برای تصفیه آب های سطحی و زیرزمینی از تیتانیوم و ترکیبات آن استفاده شد.

مطالعات تجربی برای تصفیه آب از تیتانیوم و ترکیبات آن انجام شده است.

برای تعیین مقدار بهینه نانولوله های کربنی، لازم است که محتوای تیتانیوم و ترکیبات آن را به مقادیر بسیار کم برسانیم. این غلظت نانولوله‌های کربنی پیدا شد و در آزمایش‌های بعدی از غلظت بهینه 01/0 گرم در هر لیتر آب آنالیز شده استفاده شد.

تجزیه و تحلیل انتشار اتمی وجود Ti اتمی و کاتیون های آن (Ti +2, Ti +4) را در نمونه های آب مورد مطالعه نشان داد که از آن می توان نتیجه گرفت که تیتانیوم و کاتیون های Ti +2, Ti +4 هستند که با نانولوله های کربنی. شعاع اتم تیتانیوم 147 pm است، یعنی. کاتیون‌های تیتانیوم می‌توانند در حفره یک نانولوله کربنی وارد شوند و در داخل (شکل 1) جذب شوند یا در سطح بیرونی آن جذب شوند، همچنین ساختار پل با اتم‌های کربن شش ضلعی‌ها را تشکیل دهند (شکل 2) و ساختارهای مولکولی متصل را تشکیل دهند. .

ورود Ti و کاتیون های آن به حفره CNT با رویکرد گام به گام Ti به نانولوله در امتداد محور طولی اصلی آن و نفوذ اتم های تیتانیوم و کاتیون های آن به داخل حفره نانولوله با جذب بیشتر آنها در داخل امکان پذیر است. سطح CNT نوع دیگری از جذب Ti نیز شناخته شده است که بر اساس آن یک اتم تیتانیوم می تواند پیوندهای پایدار Ti-C را با اتم های کربن در بیرون نانولوله کربنی در دو حالت ساده ایجاد کند، زمانی که Ti در 1/4 و 1/2 کل باشد. شش ضلعی (شکل 3).

یعنی جذب تیتانیوم و کاتیون های آن بر روی سطح نانولوله های کربنی نه تنها یک واقعیت تئوری اثبات شده است، بلکه از نظر تجربی در تحقیقات نیز اثبات شده است.

جاذب اختراعی مجموعه ای از نانولوله های کربنی تک جداره است که توانایی تعامل فعال با تیتانیوم و کاتیون های آن، تشکیل پیوندهای پایدار و امکان جذب اتم های تیتانیوم و ترکیبات آن بر روی سطوح داخلی و خارجی نانولوله های کربنی را دارد. تشکیل ساختارهای پل با دو پیوند Ti-C، اگر Ti +2 یا چهار برای Ti +4 باشد. هنگام تصفیه آب آلوده به تیتانیوم و ترکیبات آن، از CNT ها استفاده می شود؛ تیتانیوم به دلیل نیروهای واندروالس روی سطوح CNT جذب می شود، یعنی تیتانیوم و ترکیبات آن از اتم آزاد و کاتیون های Ti +2 و Ti +4 متصل می شوند. به یک اتصال مولکولی (شکل 4).

امکان اجرای اختراع با مثال های زیر نشان داده شده است.

مثال 1. آب زیرزمینی از چاه 1) با عمق 40 متر برای آزمایش محتوای ترکیب عنصری کیفی و همچنین تجزیه و تحلیل کمی برای محتوای تیتانیوم و ترکیبات آن قبل از تصفیه با CNT ها و پس از جذب CNT و تصفیه اولتراسونیک گرفته شد. . زمان قرار گرفتن در معرض اولتراسوند 15 دقیقه محتوای Ti و ترکیبات آن پس از خالص سازی 0 درصد است (جدول 2).

مثال 2. آب زیرزمینی از چاه 2) با عمق 41 متر، برخلاف چاه 1، این آب در فاصله 200 متری از چاه 1) مخزن برسلاوسکی (ولگوگراد) قرار داشت. زمان قرار گرفتن در معرض اولتراسوند 15 دقیقه محتوای Ti و ترکیبات آن پس از خالص سازی طبق اختراع 0% است (جدول 2).

مثال 3. آب گرفته شده از یک شیر آب (منطقه Sovetsky، ولگوگراد) با استفاده از CNT ها و قرار گرفتن در معرض اولتراسوند به مدت 15 دقیقه، توان 50 وات و فرکانس اولتراسوند عملیاتی 42 کیلوهرتز خالص شد (جدول 2).

مثال 4. همه چیز مانند مثال 1 است، اما زمان قرار گرفتن در معرض اولتراسوند 1 دقیقه است.

مثال 5. آب زیرزمینی از چاه 1) به عمق 40 متر برای تجزیه و تحلیل محتوای تیتانیوم و ترکیبات آن گرفته شد و سپس طبق نمونه اولیه [اختراع RU 2277013] خالص شد.

زمان قرار گرفتن در معرض اولتراسوند 15 دقیقه (آزمایش 1، 2، 3، 5). زمان قرار گرفتن در معرض اولتراسوند 1 دقیقه (آزمایش 4).

از مزایای روش ادعایی مبتنی بر نانولوله های کربنی می توان به میزان بسیار بالای جذب تیتانیوم و ترکیبات آن اشاره کرد. با توجه به نتایج آزمایش، تصفیه 100 درصدی آب های آزمایش از تیتانیوم و ترکیبات آن در شرایط بهینه تضمین می شود.

مطالبه

روشی برای خالص‌سازی آب‌های سطحی و زیرزمینی از تیتانیوم و ترکیبات آن با استفاده از نانولوله‌های کربنی (CNTs) و امواج فراصوت، از جمله تماس آب آلوده با جاذب‌ها برای جذب فلزات سنگین، که مشخصه آن این است که از نانولوله‌های کربنی به عنوان جاذب استفاده می‌شود که در یک جاذب قرار می‌گیرند. حمام اولتراسونیک، CNT های تاثیرگذار و آب تصفیه شده در حالت 1-15 دقیقه، با فرکانس اولتراسوند 42 کیلوهرتز و توان 50 وات.

صاحبان پتنت RU 2430879:

این اختراع مربوط به فناوری نانو است و می تواند به عنوان جزئی از مواد کامپوزیتی استفاده شود. نانولوله‌های کربنی چند جداره‌ای با تجزیه در اثر حرارت هیدروکربن‌ها با استفاده از کاتالیزورهای حاوی Fe، Co، Ni، Mo، Mn و ترکیبات آنها به عنوان اجزای فعال و همچنین Al 2 O 3 , MgO , CaCO 3 به عنوان حامل تولید می‌شوند. نانولوله های به دست آمده با جوشاندن در محلول اسید هیدروکلریک و سپس شستشو با آب تمیز می شوند. پس از عملیات اسیدی، حرارت دادن در جریانی از آرگون با خلوص بالا در کوره ای با گرادیان دما انجام می شود. در منطقه کار کوره دما 2200-2800 درجه سانتیگراد است. در لبه های فر دمای 900-1000 درجه سانتی گراد است. این اختراع به دست آوردن نانولوله های چند جداره با محتوای ناخالصی فلزی کمتر از 1 ppm را امکان پذیر می کند. 3 حقوق f-ly, 9 ill., 3 جدول.

این اختراع مربوط به زمینه تولید نانولوله های کربنی چند جداره با خلوص بالا (MWCNTs) با محتوای ناخالصی فلزی کمتر از 1 ppm است که می تواند به عنوان اجزای مواد کامپوزیتی برای اهداف مختلف استفاده شود.

برای تولید انبوه MWCNT ها، روش هایی بر اساس تجزیه در اثر حرارت هیدروکربن ها یا مونوکسید کربن در حضور کاتالیزورهای فلزی مبتنی بر فلزات زیرگروه آهن استفاده می شود [T.W.Ebbesen // نانولوله های کربنی: آماده سازی و خواص، CRC Press، 1997، ص. 139-161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // سنتز و خصوصیات مواد نانولوله کربنی (بررسی) // مجله دانشگاه فناوری شیمیایی و متالورژی، 2006، شماره 4، v.41، p.377-390 ; J. W. Seo; A. Magrez; م.میلاس; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // نانولوله‌های کربنی با رشد کاتالیستی: از سنتز تا سمیت // مجله فیزیک D (فیزیک کاربردی)، 2007، v.40، n.6]. به همین دلیل، MWCNT های به دست آمده با کمک آنها حاوی ناخالصی های فلزات کاتالیزورهای مورد استفاده هستند. در عین حال، تعدادی از کاربردها، به عنوان مثال، برای ایجاد دستگاه های الکتروشیمیایی و تولید مواد کامپوزیتی برای اهداف مختلف، نیاز به MWCNT های با خلوص بالا دارند که حاوی ناخالصی های فلزی نیستند. MWCNT های با خلوص بالا در درجه اول برای تولید مواد کامپوزیتی در معرض پردازش در دمای بالا ضروری هستند. این به دلیل این واقعیت است که اجزای معدنی می توانند کاتالیزورهایی برای گرافیت سازی محلی باشند و در نتیجه باعث ایجاد نقص های جدید در ساختار کربن شوند [A.S. Fialkov // کربن، ترکیبات بین لایه ای و کامپوزیت های مبتنی بر آن، Aspect Press، مسکو ، 1997، ص 588 -602]. مکانیسم عمل کاتالیزوری ذرات فلز بر اساس برهمکنش اتم های فلز با ماتریس کربن با تشکیل ذرات فلز-کربن با انتشار بعدی سازندهای گرافیت مانند جدید است که می تواند ساختار کامپوزیت را تخریب کند. بنابراین، حتی ناخالصی های کوچک فلزی می تواند منجر به اختلال در همگنی و مورفولوژی مواد کامپوزیت شود.

متداول‌ترین روش‌ها برای خالص‌سازی نانولوله‌های کربنی کاتالیزوری از ناخالصی‌ها بر اساس تیمار آن‌ها با مخلوطی از اسیدها با غلظت‌های مختلف هنگام گرم شدن و همچنین در ترکیب با قرار گرفتن در معرض تشعشعات مایکروویو است. اما عیب اصلی این روش‌ها تخریب دیواره‌های نانولوله‌های کربنی در اثر قرار گرفتن در معرض اسیدهای قوی و همچنین ظاهر شدن تعداد زیادی گروه‌های عاملی نامطلوب اکسیژن بر روی سطح آنها است که کار را دشوار می‌کند. برای انتخاب شرایط برای اسیدپاشی در این مورد، خلوص MWCNT های حاصل 96-98 درصد وزنی است، زیرا ذرات فلزی کاتالیزور در حفره داخلی نانولوله کربنی محصور شده اند و برای معرف ها غیرقابل دسترسی هستند.

افزایش خلوص MWCNT ها را می توان با حرارت دادن آنها در دمای بالاتر از 1500 درجه سانتی گراد و در عین حال حفظ ساختار و مورفولوژی نانولوله های کربنی به دست آورد. این روش‌ها نه تنها اجازه می‌دهند MWCNT‌ها را از ناخالصی‌های فلزی تمیز کنند، بلکه به ترتیب ساختار نانولوله‌های کربنی به دلیل بازپخت عیوب کوچک، افزایش مدول یانگ، کاهش فاصله بین لایه‌های گرافیت و همچنین حذف اکسیژن سطح کمک می‌کنند. که متعاقباً پراکندگی یکنواخت‌تر نانولوله‌های کربنی در زمینه پلیمری را تضمین می‌کند که برای به دست آوردن مواد کامپوزیتی با کیفیت‌تر ضروری است. کلسینه کردن در دمای حدود 3000 درجه سانتیگراد منجر به تشکیل عیوب اضافی در ساختار نانولوله های کربنی و ایجاد عیوب موجود می شود. لازم به ذکر است که خلوص نانولوله های کربنی به دست آمده با استفاده از روش های شرح داده شده بیش از 99.9 درصد نیست.

این اختراع مشکل توسعه روشی برای خالص‌سازی نانولوله‌های کربنی چند جداره‌ای به‌دست‌آمده از تجزیه در اثر حرارت کاتالیستی هیدروکربن‌ها، با حذف تقریباً کامل ناخالصی‌های کاتالیزور (تا 1ppm) و همچنین ناخالصی‌های سایر ترکیباتی که می‌توانند در طی عملیات اسیدی MWCNT‌ها ظاهر شوند را حل می‌کند. ، ضمن حفظ مورفولوژی نانولوله های کربنی.

این مشکل با روشی برای خالص‌سازی نانولوله‌های کربنی چند دیواره به‌دست‌آمده از تجزیه در اثر حرارت هیدروکربن‌ها با استفاده از کاتالیزورهای حاوی Fe, Co, Ni, Mo, Mn و ترکیبات آنها به عنوان اجزای فعال و همچنین Al 2 O 3 , MgO , CaCO 3 به عنوان حامل حل می‌شود. که جوشاندن در محلول اسید کلریدریک با شستشوی بیشتر با آب انجام می شود، پس از عملیات اسیدی، حرارت دادن در جریانی از آرگون با خلوص بالا در کوره ای با گرادیان دما انجام می شود، در منطقه کار دما 2200 است. -2800 درجه سانتیگراد، در لبه های کوره دمای 900-1000 درجه سانتیگراد است که در نتیجه نانولوله های چند جداره با محتوای ناخالصی فلزی کمتر از 1 ppm به دست می آید.

گرمایش در آمپول های ساخته شده از گرافیت با خلوص بالا انجام می شود.

زمان گرم شدن در یک جریان آرگون، به عنوان مثال، 15-60 دقیقه است.

آرگون با خلوص 99.999% استفاده می شود.

تفاوت قابل توجه روش استفاده از یک کوره با گرادیان دما برای تمیز کردن MWCNT ها است که در آن ناخالصی های فلزی در منطقه داغ تبخیر می شوند و تراکم ذرات فلز به شکل گلوله های کوچک در منطقه سرد رخ می دهد. برای انجام انتقال بخارات فلزی، جریانی از آرگون با خلوص بالا (با خلوص 99.999٪) با سرعت جریان گاز حدود 20 لیتر در ساعت استفاده می شود. اجاق گاز مجهز به مهرهای مخصوصی است که از قرار گرفتن در معرض گازهای جوی جلوگیری می کند.

دفع اولیه آب و اکسیژن هوا از سطح MWCNT و آمپول گرافیت که نمونه در کوره گرافیتی قرار می گیرد و همچنین دمیدن آنها با آرگون با خلوص بالا باعث می شود از ضربه بر روی ماده تصفیه شده جلوگیری شود. MWCNT واکنش‌های انتقال گاز شامل هیدروژن و گازهای حاوی اکسیژن، که منجر به توزیع مجدد کربن بین اشکال بسیار پراکنده آن و اشکال گرافیت‌مانند به خوبی متبلور با انرژی سطحی پایین می‌شود (V.L.Kuznetsov، Yu.V.Butenko، V.I.Zaikovskii و A.L. Chuvilin // فرآیندهای توزیع مجدد کربن در نانوکربن ها // Carbon 42 (2004) pp.1057-1061; A.S. Fialkov // فرآیندها و دستگاه هایی برای تولید مواد پودری کربن گرافیت، Aspect Press، مسکو، 2008، صفحات 510-514 ).

نانولوله های کربنی چند جداره کاتالیزوری با استفاده از تجزیه در اثر حرارت هیدروکربن ها با استفاده از کاتالیزورهای حاوی Fe, Co, Ni, Mo و ترکیبات آنها به عنوان اجزای فعال و همچنین Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 به عنوان حامل تولید می شوند (T.W. Ebbesen // نانولوله های کربنی: آماده سازی and properties, CRC Press, 1997, p.139-161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // سنتز و خصوصیات مواد نانولوله کربنی (بررسی) // مجله دانشگاه فناوری شیمیایی و متالورژی، 2006 , شماره 4, v.41, p.377-390؛ J.W.Seo؛ A.Magrez؛ M.Milas؛ K.Lee, V Lukovac, L.Forro // نانولوله های کربنی رشد یافته کاتالیستی: از سنتز تا سمیت / / مجله of Physics D (Applied Physics), 2007, v.40, n.6).

در روش پیشنهادی، برای نشان دادن امکان حذف ناخالصی‌های معمولی‌ترین فلزات، خالص‌سازی دو نوع MWCNT سنتز شده بر روی کاتالیزورهای Fe-Co/Al2O3 و Fe-Co/CaCO3 حاوی Fe و Co انجام می‌شود. نسبت 2:1 یکی از مهم ترین ویژگی های استفاده از این کاتالیزورها عدم وجود سایر فازهای کربنی غیر از MWCNT در نمونه های سنتز شده است. در حضور کاتالیزور Fe-Co/Al 2 O 3، MWCNT هایی با قطر بیرونی متوسط 7-10 نانومتر و در حضور کاتالیزور Fe-Co/CaCO 3، MWCNT هایی با قطر بیرونی متوسط بزرگ به دست می آیند. 22-25 نانومتر

نمونه‌های به‌دست‌آمده با میکروسکوپ الکترونی عبوری، روش فلورسانس طیفی اشعه ایکس بر روی آنالایزر ARL - Advant "x با آند Rh یک لوله اشعه ایکس (دقت اندازه‌گیری 10 ± درصد) بررسی می‌شوند و سطح ویژه نمونه‌ها برابر است. با روش BET اندازه گیری می شود.

با توجه به داده های TEM، نمونه های اولیه از MWCNT های بسیار معیوب تشکیل شده اند (شکل 1، 6). قطعات لوله ها در ناحیه خم ها دارای خطوط صاف و گرد هستند. تعداد زیادی تشکیلات فولرن مانند در سطح لوله ها مشاهده می شود. لایه‌های گرافن مانند نانولوله‌ها با وجود تعداد زیادی نقص (شکستگی، اتصالات Y مانند و غیره) مشخص می‌شوند. در برخی از بخش های لوله ها، اختلاف در تعداد لایه ها در طرف های مختلف MWCNT ها وجود دارد. مورد دوم نشان‌دهنده وجود لایه‌های گرافن گسترده است که عمدتاً در داخل لوله‌ها قرار دارند. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از MWCNTهای گرم شده در جریان آرگون با خلوص بالا در دمای 2200 درجه سانتیگراد - شکل 2، 7. 2600 درجه سانتیگراد - شکل 3، 8; 2800 درجه سانتی گراد - شکل های 4، 5، 9. در نمونه ها پس از تکلیس، MWCNT های صاف تر با عیوب داخلی و نزدیک به سطح کمتر مشاهده می شود. این لوله ها از قطعات مستقیمی در حدود صدها نانومتر با پیچ خوردگی های مشخص تشکیل شده است. با افزایش دمای کلسیناسیون، ابعاد مقاطع مستقیم افزایش می یابد. تعداد لایه‌های گرافن در دیواره‌های لوله‌ها در طرف‌های مختلف یکسان می‌شود که ساختار MWCNT را منظم‌تر می‌کند. سطح داخلی لوله ها نیز دستخوش تغییرات قابل توجهی می شود - ذرات فلزی حذف می شوند، پارتیشن های داخلی مرتب تر می شوند. علاوه بر این، انتهای لوله ها بسته می شود - لایه های گرافنی که لوله ها را تشکیل می دهند بسته می شوند.

کلسینه کردن نمونه ها در دمای 2800 درجه سانتیگراد منجر به تشکیل تعداد کمی از تشکیلات کربنی استوانه ای بزرگ شده، متشکل از لایه های گرافن تعبیه شده در یکدیگر می شود که ممکن است به دلیل افزایش فشار بخار گرافیت با انتقال کربن در فواصل کوتاه همراه باشد. .

بررسی نمونه های MWCNT های اولیه و گرم شده با استفاده از روش فلورسانس اشعه ایکس نشان داد که پس از حرارت دادن نمونه های نانولوله های کربنی چند جداره در دماهای بین 2200-2800 درجه سانتی گراد، میزان ناخالصی ها کاهش می یابد که این موضوع با میکروسکوپ الکترونی عبوری نیز تایید می شود. . حرارت دادن نمونه های MWCNT در دمای 2800 درجه سانتیگراد، حذف تقریباً کامل ناخالصی ها از نمونه ها را تضمین می کند. در این حالت نه تنها ناخالصی های فلزات کاتالیزور حذف می شود، بلکه ناخالصی های سایر عناصری که در مراحل اسیدکاری و شستشو وارد MWCNT ها می شوند نیز حذف می شوند. در نمونه های اولیه نسبت آهن به کبالت تقریباً 2:1 است که با ترکیب اولیه کاتالیزورها مطابقت دارد. محتوای آلومینیوم در لوله‌های اولیه به‌دست‌آمده با استفاده از نمونه‌های کاتالیزور Fe-Co/Al2O3 کم است، که با حذف آن در هنگام تصفیه نانولوله‌ها با اسید هنگام شستشوی کاتالیزور همراه است. نتایج مطالعه محتوای ناخالصی ها با استفاده از روش فلورسانس طیفی اشعه ایکس در جداول 1 و 2 آورده شده است.

اندازه‌گیری سطح ویژه به روش BET نشان داد که با افزایش دما، سطح ویژه نمونه‌های MWCNT با حفظ ساختار و مورفولوژی نانولوله‌های کربنی به‌طور ناچیز تغییر می‌کند. با توجه به داده های TEM، کاهش سطح ویژه می تواند هم با بسته شدن انتهای MWCNT ها و هم با کاهش تعداد عیوب سطح مرتبط باشد. با افزایش دما، می توان بخش کوچکی از سازندهای استوانه ای بزرگ را با تعداد لایه های افزایش یافته و نسبت طول به عرض تقریباً 2-3 تشکیل داد که همچنین به کاهش سطح ویژه کمک می کند. نتایج مطالعه سطح ویژه در جدول 3 آورده شده است.

ماهیت اختراع با مثال های زیر، جداول (جدول 1-3) و تصاویر (شکل های 1-9) نشان داده شده است.

نمونه ای از MWCNTs (10 گرم)، به دست آمده از تجزیه در اثر حرارت اتیلن در حضور کاتالیزور Fe-Co/Al2O3 در یک راکتور کوارتز جریان در دمای 650-750 درجه سانتی گراد، در یک آمپول گرافیت با ارتفاع 200 میلی متر و قطر بیرونی 45 میلی متر و با درب (قطر 10 میلی متر) با سوراخ (قطر 1-2 میلی متر) بسته می شود. آمپول گرافیت در یک آمپول کوارتز قرار می گیرد و هوا با استفاده از یک پمپ خلاء تا فشار حداقل 10-3 Torr به بیرون پمپ می شود و سپس با آرگون با خلوص بالا (99.999٪ خلوص)، ابتدا در دمای اتاق و سپس تصفیه می شود. در دمای 200-230 درجه سانتیگراد برای حذف گروه های سطحی حاوی اکسیژن و آثار آب. نمونه در دمای 2200 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت در جریان آرگون با خلوص بالا (~ 20 لیتر در ساعت) در یک کوره با گرادیان دما گرم می شود، جایی که در منطقه کار دما در 2200 درجه سانتیگراد حفظ می شود. ، و در لبه های کوره دمای 900-1000 درجه سانتیگراد با. اتم های فلزی که از MWCNT ها در حین گرمایش تبخیر می شوند، توسط جریانی از آرگون از قسمت گرم کوره به قسمت سرد خارج می شوند، جایی که فلز به شکل گلوله های کوچک رسوب می کند.

پس از تکلیس، ماده به دست آمده با میکروسکوپ الکترونی عبوری و روش فلورسانس اشعه ایکس بررسی می شود. شکل 1 تصاویر میکروسکوپی الکترونی از MWCNT های اصلی را نشان می دهد و شکل 2 MWCNT هایی را نشان می دهد که در دمای 2200 درجه سانتی گراد گرم شده اند. با استفاده از روش BET، سطح ویژه نمونه های MWCNT قبل و بعد از تکلیس تعیین می شود. داده‌های به‌دست‌آمده نشان‌دهنده کاهش جزئی در سطح ویژه نمونه‌ها پس از تکلیس در مقایسه با سطح ویژه نمونه اصلی MWCNT است.

مشابه مثال 1، مشخص می شود که نمونه ای از MWCNT های اصلی در دمای 2600 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت در جریانی از آرگون با خلوص بالا (~20 لیتر در ساعت) در کوره ای با گرادیان دما گرم می شود. محل کار در دمای 2600 درجه سانتیگراد نگهداری می شود، در دمای لبه های فر 900-1000 درجه سانتیگراد است. تصاویر MWCNT های گرم شده به دست آمده توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری در شکل 3 نشان داده شده است. تصاویر TEM با وضوح بالا انتهای بسته نانولوله ها را نشان می دهند.

مشابه مثال 1، مشخص می شود که نمونه ای از MWCNT های اصلی در دمای 2800 درجه سانتیگراد به مدت 15 دقیقه در جریانی از آرگون با خلوص بالا (~20 لیتر در ساعت) در کوره ای با گرادیان دما گرم می شود. محل کار در دمای 2800 درجه سانتیگراد نگهداری می شود، در دمای لبه های فر 900-1000 درجه سانتیگراد است. تصاویر MWCNT های گرم شده به دست آمده توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری در شکل 4 نشان داده شده است.

کلسینه کردن در دمای 2800 درجه سانتیگراد منجر به تشکیل تعداد کمی از سازندهای استوانه ای بزرگ شده با افزایش تعداد لایه ها و نسبت طول به عرض تقریباً 2-3 می شود. این بزرگ شدن ها در تصاویر TEM قابل مشاهده هستند (شکل 5).

مشابه مثال 1، مشخصه آن این است که MWCNT های اصلی در حضور کاتالیزور Fe-Co/CaCO 3 به دست آمدند. تصاویر MWCNTهای اصلی و MWCNTهای گرم شده در دمای 2200 درجه سانتیگراد که با میکروسکوپ الکترونی عبوری به دست آمده اند، به ترتیب در شکل 6 و 7 نشان داده شده است. تصاویر TEM از MWCNT های اصلی ذرات فلزی را نشان می دهد که در کانال های لوله محصور شده اند (با فلش مشخص شده اند).

مشابه مثال 4، مشخص می شود که نمونه ای از MWCNT اصلی در دمای 2600 درجه سانتیگراد گرم شده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از MWCNT های گرم شده در شکل 8 نشان داده شده است. تصاویر TEM با وضوح بالا انتهای بسته نانولوله ها را نشان می دهند.

مشابه مثال 4، مشخص می شود که نمونه ای از MWCNT اصلی به مدت 15 دقیقه در دمای 2800 درجه سانتیگراد حرارت داده شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از MWCNT های گرم شده در شکل 9 نشان داده شده است. تصاویر تشکیل بخش کوچکی از بزرگ شدن را نشان می دهند.

میز 1
داده های فلورسانس طیفی اشعه ایکس در مورد محتوای ناخالصی ها در MWCNT ها پس از حرارت دادن، به دست آمده با استفاده از کاتالیزور Fe-Co/Al2O3
عنصر
MWCNT های اولیه	MWCNT_2200°C مثال 1	MWCNT_2600°C مثال 2	MWCNT_2800°C مثال 3
Fe	0.136	0.008	رد پا	رد پا
شرکت	0.0627	رد پا	رد پا	رد پا
ال	0.0050	رد پا	رد پا	رد پا
سا	رد پا	0.0028	0.0014	رد پا
نی	0.0004	رد پا	رد پا	رد پا
سی	0.0083	0.0076	رد پا	خیر
Ti	خیر	0.0033	رد پا	رد پا
اس	رد پا	خیر	خیر	خیر
Cl	0.111	خیر	خیر	خیر
Sn	0.001	0.001	رد پا	رد پا
با	خیر	خیر	خیر	خیر
مس	0.001	0.001	رد پا	رد پا
ردیابی - محتوای عنصر زیر 1 ppm

جدول 2
داده های فلورسانس طیفی اشعه ایکس در مورد محتوای ناخالصی ها در MWCNT ها پس از حرارت دادن، به دست آمده با استفاده از کاتالیزور Fe-Co/CaCO 3
عنصر	تخمین میزان ناخالصی، درصد وزنی
MWCNT های اولیه	MWCNT_2200°C مثال 4	MWCNT_2600°C مثال 5	MWCNT_2800°C مثال 6
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
شرکت	0.0936	رد پا	رد پا	رد پا
ال	0.0048	رد پا	رد پا	رد پا
سا	0.0035	0.005	0.0036	رد پا
نی	0.0003	رد پا	رد پا	رد پا
سی	0.0080	0.0169	0.0098	رد پا
Ti	خیر	رد پا	0.0021	0.0005
اس	0.002	خیر	خیر	خیر
Cl	0.078	خیر	خیر	خیر
Sn	0.0005	رد پا	رد پا	رد پا
با	0.008	خیر	خیر	خیر
مس	رد پا	رد پا	رد پا	رد پا

جدول 3
سطح ویژه BET نمونه های اولیه و گرم شده MWCNT
نمونه MWCNT (کاتالیزور)	Ssp.، m 2 / g (±2.5٪)
MWCNT_ref (Fe-Co/Al 2 O 3)	390
MWCNT_2200 (Fe-Co/Al 2 O 3) مثال 1	328
MWCNT_2600 (Fe-Co/Al 2 O 3) مثال 2	302
MWCNT_2800 (Fe-Co/Al 2 O 3) مثال 3	304
MWCNT_ref (Fe-Co/CaCO 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co/CaCO 3) مثال 4	134
MWCNT_2600 (Fe-Co/CaCO 3) مثال5	140
MWCNT_2800 (Fe-Co/CaCO 3) مثال 6	134

شرح تصاویر:

عکس. 1. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از نمونه اولیه MWCNT سنتز شده بر روی کاتالیزور Fe-Co/Al2O3. در سمت چپ یک تصویر TEM با وضوح پایین وجود دارد. در سمت راست، زیر یک تصویر TEM با وضوح بالا است که دیواره های معیوب MWCNT ها را نشان می دهد.

شکل 2. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از یک نمونه MWCNT که در دمای 2200 درجه سانتیگراد گرم شده است، روی یک کاتالیزور Fe-Co/Al2O3 سنتز شده است. در سمت چپ یک تصویر TEM با وضوح پایین وجود دارد. سمت راست، پایین - تصویر TEM با وضوح بالا. ساختار MWCNT کمتر معیوب می شود و انتهای نانولوله ها بسته می شود.

شکل 3. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از نمونه MWCNT گرم شده در دمای 2600 درجه سانتیگراد، سنتز شده بر روی کاتالیزور Fe-Co/Al2O3. در سمت چپ یک تصویر TEM با وضوح پایین وجود دارد. در سمت راست، زیر یک تصویر TEM با وضوح بالا است که انتهای بسته MWCNT ها را نشان می دهد. دیواره های MWCNT صاف تر و کمتر معیوب می شوند.

شکل 4. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از یک نمونه MWCNT که در دمای 2800 درجه سانتیگراد گرم شده است، روی یک کاتالیزور Fe-Co/Al2O3 سنتز شده است. در سمت چپ یک تصویر TEM با وضوح پایین وجود دارد. در سمت راست، زیر یک تصویر TEM با وضوح بالا است که دیوارهای MWCNT کمتر معیوب را نشان می دهد.

شکل 5. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از نمونه MWCNT گرم شده در دمای 2800 درجه سانتیگراد، سنتز شده بر روی کاتالیزور Fe-Co/Al 2 O 3، ظاهر نقص در ساختار MWCNT را نشان می دهد، که سازندهای استوانه ای متشکل از لایه های گرافن تو در تو در داخل هر یک هستند. دیگر، که در سمت راست تصویر TEM با وضوح بالا نشان داده شده است.

شکل 6. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از نمونه اولیه MWCNT سنتز شده بر روی کاتالیزور Fe-Co/CaCO 3. در سمت چپ یک تصویر TEM با وضوح پایین وجود دارد. در سمت راست، زیر یک تصویر TEM با وضوح بالا است که سطح ناهموار MWCNT ها را نشان می دهد. در سمت راست، در بالا، ذرات کاتالیزور محصور شده در داخل کانال های نانولوله کربنی قابل مشاهده هستند (که با فلش مشخص شده اند).

شکل 7. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از یک نمونه MWCNT که در دمای 2200 درجه سانتیگراد گرم شده است، روی کاتالیزور Fe-Co/CaCO 3 سنتز شده است. در سمت چپ یک تصویر TEM با وضوح پایین وجود دارد. در سمت راست، زیر یک تصویر TEM با وضوح بالا است که دیواره های صاف تر MWCNT ها را نشان می دهد.

شکل 8. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از نمونه MWCNT گرم شده در دمای 2600 درجه سانتیگراد، سنتز شده بر روی کاتالیزور Fe-Co/CaCO 3. در سمت چپ یک تصویر TEM با وضوح پایین وجود دارد. پایین سمت راست یک تصویر TEM با وضوح بالا است که انتهای بسته MWCNT ها را نشان می دهد. دیواره های MWCNT صاف تر و کمتر معیوب می شوند.

شکل 9. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از یک نمونه MWCNT که در دمای 2800 درجه سانتیگراد گرم شده است، روی کاتالیزور Fe-Co/CaCO 3 سنتز شده است. در سمت چپ یک تصویر TEM با وضوح پایین وجود دارد. سمت راست، پایین - تصویر TEM با وضوح بالا.

1. روشی برای خالص‌سازی نانولوله‌های کربنی چند جداره به‌دست‌آمده از تجزیه در اثر حرارت هیدروکربن‌ها با استفاده از کاتالیزورهای حاوی Fe, Co, Ni, Mo, Mn و ترکیبات آنها به عنوان اجزای فعال و همچنین Al 2 O 3 , MgO , CaCO 3 به عنوان حامل با جوشاندن. در محلول اسید کلریدریک با شستشوی بیشتر با آب، مشخص می شود که پس از عملیات اسیدی، حرارت دادن در جریانی از آرگون با خلوص بالا در کوره ای با گرادیان دما انجام می شود، جایی که در منطقه کار دما 2200 درجه است. دمای 2800 درجه سانتیگراد، در لبه های کوره دما 900-1000 درجه سانتیگراد است که در نتیجه نانولوله های چند جداره با محتوای ناخالصی فلزی کمتر از 1 ppm ایجاد می شود.

2. روش طبق ادعای 1 که مشخصه آن این است که گرمایش در آمپول های ساخته شده از گرافیت با خلوص بالا انجام می شود.

هیچ یک از روش های متداول برای به دست آوردن CNT ها، جداسازی آنها را به شکل خالص ممکن نمی سازد. ناخالصی های موجود در NT می توانند فولرن ها، کربن آمورف، ذرات گرافیتی و ذرات کاتالیزور باشند.

سه گروه از روش های تصفیه CNT استفاده می شود:

1) مخرب

2) غیر مخرب

3) ترکیب شده است.

مخربروش‌ها از واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کنند که می‌توانند اکسیداتیو یا احیاکننده باشند و بر اساس تفاوت در واکنش‌پذیری اشکال مختلف کربن هستند. برای اکسیداسیون یا از محلول های اکسید کننده یا معرف های گازی و برای احیا از هیدروژن استفاده می شود. این روش‌ها اجازه جداسازی CNT‌های با خلوص بالا را می‌دهند، اما با تلفات لوله همراه هستند.

غیر مخربروش ها شامل استخراج، لخته سازی و رسوب انتخابی، میکروفیلتراسیون جریان متقاطع، کروماتوگرافی حذف اندازه، الکتروفورز و واکنش انتخابی با پلیمرهای آلی است. به عنوان یک قاعده، این روش ها کم بهره وری و بی اثر هستند.

در عین حال، نشان داده شده است که خالص سازی SWCNT های به دست آمده با روش لیزر-حرارتی با فیلتراسیون با فراصوت، به دست آوردن ماده ای با خلوص بیش از 90٪ با بازده 30-70٪ (بسته به خلوص دوده اولیه).

استخراج منحصراً برای حذف فولرن ها استفاده می شود، در مقادیر زیاد آنها با دی سولفید کربن یا سایر حلال های آلی استخراج می شوند.

بخش عمده ای از کاتالیزور و حامل کاتالیزور با شستشو در اسیدهای سولفوریک و نیتریک و همچنین مخلوط آنها حذف می شود. اگر حامل کاتالیزور سیلیکا ژل، کوارتز یا زئولیت باشد، از محلول های اسید هیدروفلوئوریک یا قلیایی استفاده می شود. برای حذف اکسید آلومینیوم از محلول های غلیظ قلیایی استفاده می شود. فلزات کاتالیست مسدود شده در حفره CNT یا احاطه شده توسط یک پوسته گرافیت حذف نمی شوند.

کربن آمورف یا از طریق اکسیداسیون یا احیا حذف می شود. برای احیا از هیدروژن در دمای حداقل 700 درجه سانتیگراد استفاده می شود و برای اکسیداسیون از هوا، اکسیژن، ازن، دی اکسید کربن یا محلول های آبی از عوامل اکسید کننده استفاده می شود. اکسیداسیون در هوا در دمای 450 درجه سانتیگراد شروع می شود. در این حالت، بخشی از CNT (عمدتاً کوچکترین قطر) کاملاً اکسید می شود که به باز شدن لوله های باقیمانده و حذف ذرات کاتالیزور که در طول فرآیند حذف نشده اند کمک می کند. اسید درمانی اولیه دومی با شستشوی ثانویه در اسید حذف می شود. برای به دست آوردن خالص ترین محصول، عملیات تصفیه اسید و گاز را می توان چندین بار به صورت ترکیبی با یکدیگر و با روش های فیزیکی تکرار کرد.

در برخی موارد، تصفیه اسید اولیه در دو مرحله انجام می شود، ابتدا با استفاده از اسید رقیق (برای حذف قسمت عمده کاتالیزور و ساپورت) و سپس اسید غلیظ (برای حذف کربن آمورف و تمیز کردن سطح CNT) با عملیات فیلتراسیون و شستشو میانی. .

از آنجایی که ذرات اکسید فلزی اکسیداسیون نانولوله‌های کربنی را کاتالیز می‌کنند و باعث کاهش بازده محصول خالص‌شده می‌شوند، یک عملیات غیرفعال سازی اضافی با تبدیل آنها به فلوراید با استفاده از SF 6 یا سایر معرف‌ها استفاده می‌شود. در این حالت، بازده CNT های خالص شده افزایش می یابد.

روش‌های متعددی در دانشگاه رایس (ایالات متحده آمریکا) برای خالص‌سازی مواد تولید شده با روش‌های قوس الکتریکی و لیزری-حرارتی ایجاد شده است. روش "قدیمی" شامل عملیات اکسیداسیون با 5 مولار HNO 3 (24 ساعت، 96 درجه سانتیگراد)، خنثی سازی با NaOH، پراکندگی در محلول آبی 1٪ Triton X-100 و فیلتراسیون جریان متقابل بود. معایب آن شامل رسوب همزمان هیدروکسیدهای Ni و Co همراه با نانولوله های کربنی، مشکلات در حذف ذرات گرافیتی و نمک های آلی Na، کف کردن در طول خشک کردن خلاء، راندمان پایین فیلتراسیون، زمان طولانی فرآیند و عملکرد کم لوله های تمیز شده است.

روش "جدید" شامل اکسیداسیون با 5 مولار HNO3 به مدت 6 ساعت، سانتریفیوژ، شستشو و خنثی سازی رسوب با NaOH، اکسیداسیون مجدد HNO3 با سانتریفیوژ و خنثی سازی مکرر، شستشو با متانول، پراکندگی در تولوئن و فیلتراسیون بود. این روش همچنین اجازه دستیابی به خالص سازی کامل را نمی دهد، اگرچه بازده نانولوله های کربنی (50-90٪) نسبت به روش "قدیمی" برتر است.

استفاده از حلال‌های آلی مستقیماً پس از جوشاندن در اسید، حذف 18 تا 20 درصد ناخالصی‌ها را ممکن می‌سازد که نیمی از آن فولرن‌ها و نیمی دیگر هیدروکربن‌های محلول هستند.

SWCNT های به دست آمده به روش قوس (کاتالیزور 5% متشکل از Ni، Co و FeS با نسبت 1:1:1) ابتدا در هوا در دمای 470 درجه سانتیگراد به مدت 50 دقیقه در کوره آزمایشگاهی دوار اکسیده شدند، سپس ناخالصی های فلزی حذف شدند. با شستشوی مکرر با 6 مولار هیدروکلراید باعث تغییر رنگ کامل محلول می شود. عملکرد SWCNTs حاوی کمتر از 1 درصد وزنی باقیمانده غیرفرار 25 تا 30 درصد بود.

فرآیندی برای تمیز کردن SWCNT های قوس ایجاد شده است که شامل، علاوه بر اکسیداسیون در هوا و جوشش در HNO 3، تصفیه با محلول HCl و خنثی سازی، پراکندگی اولتراسونیک در دی متیل فرمامید یا ن- متیل-2- پیرولیدون، به دنبال آن سانتریفیوژ، تبخیر حلال و بازپخت خلاء در دمای 1100 درجه سانتی گراد.

خالص‌سازی SWCNTs و MWCNT‌های پیرولیتیک در دو مرحله توصیف می‌شود: سونیکاسیون طولانی‌مدت (12 ساعت) در دمای 60 درجه سانتی‌گراد در محلول H 2 O 2 برای حذف ناخالصی‌های کربن در مرحله اول و فراصوت به مدت 6 ساعت در HCl برای حذف. نیکل ناخالصی در دوم. پس از هر مرحله، سانتریفیوژ و فیلتراسیون انجام شد.

برای خالص‌سازی SWCNT‌های به‌دست‌آمده با روش HiPco و حاوی حداکثر 30 درصد وزنی آهن، یک روش دو مرحله‌ای نیز شرح داده شده است، از جمله اکسیداسیون در هوا (به ویژه در اجاق مایکروویو) و شستشوی بعدی با HCl غلیظ.

تعداد مراحل حتی بیشتر (پراکندگی در آب داغ در حین فراصوت، برهمکنش با آب برم در دمای 90 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت، اکسیداسیون در هوا در دمای 520 درجه سانتیگراد به مدت 45 دقیقه، تیمار با 5 مولار HCl در دمای اتاق) برای خالص سازی استفاده شد. MWCNT ها که از تجزیه در اثر حرارت محلول فروسن در بنزن و حاوی حداکثر 32 درصد وزنی آهن به دست می آیند. پس از شستشو و خشک کردن در دمای 150 درجه سانتیگراد به مدت 12 ساعت، مقدار آهن به چند درصد کاهش یافت و عملکرد تا 50 درصد رسید.

اکسیداسیون توسط گازها می تواند منجر به ایجاد تخلخل NT و NV شود و جوشاندن طولانی مدت در اسید نیتریک می تواند منجر به تخریب کامل این مواد شود.

با مقدار نسبتاً زیادی سیلیکون (روش لیزری-حرارتی)، محصول اولیه در اسید هیدروفلوئوریک غلیظ حرارت داده می شود، سپس HNO 3 به آن اضافه می شود و به مدت 45 دقیقه دیگر در دمای 35-40 درجه سانتیگراد تحت درمان قرار می گیرد. عملیات شامل استفاده از محیط های بسیار خورنده و انتشار گازهای سمی است.

برای حذف زئولیت مورد استفاده در تولید SWCNT با تجزیه کاتالیزوری بخار اتانول، محصول اکسید شده در هوا با محلول آبی NaOH (6 نیوتن) با فراصوت کوتاه مدت (5 دقیقه) تیمار می شود و بقایای آن جمع آوری می شود. فیلتر با HCl (6 N) شسته می شود.

جداسازی SWCNTها از ناخالصی‌های دیگر اشکال کربن و ذرات فلزی را می‌توان با پراکندگی اولتراسونیک لوله‌ها در محلول پلی‌متیل متاکریلات در تک‌کلروبنزن و به دنبال آن فیلتراسیون انجام داد.

برای خالص سازی SWCNT ها، اغلب توصیه می شود از عملکرد آنها استفاده کنید. به طور خاص، روشی توصیف شده است که شامل سه عملیات متوالی است: عامل دار کردن با استفاده از آزومتین یلید در دی متیل فرمامید (به بخش 4.5 مراجعه کنید)، رسوب آهسته SWCNT های عامل دار شده با افزودن دی اتیل اتر به محلول لوله ها در کلروفرم، حذف گروه های عاملی و بازسازی SWCNT ها. در مرحله اول ذرات فلزی و در مرحله دوم کربن آمورف حذف می شوند. محتوای آهن لوله های HiPco تمیز شده با این روش به 0.4 درصد وزنی کاهش می یابد.

از تعامل با DNA می توان برای جداسازی SWCNT های فلزی از نیمه هادی ها استفاده کرد. آزمایشگاه ها دارای طیف وسیعی از DNA تک رشته ای مختلف هستند که با انتخاب آن ها می توان به پوشش انتخابی و سپس جداسازی مخلوط اولیه به کسری با روش کروماتوگرافی دست یافت.

روش‌های فیزیکی شامل انتقال مخلوط اولیه به محلول آبی با استفاده از درمان طولانی‌مدت اولتراسونیک در حضور سورفکتانت‌ها یا پلیمرهای محلول پوششی، میکروفیلتراسیون، سانتریفیوژ، کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا، کروماتوگرافی نفوذ ژل می‌باشد. پیوند Zwitterion برای بدست آوردن پراکندگی مناسب برای کروماتوگرافی استفاده شد (به بخش 4.5 مراجعه کنید).

انتظار می‌رود که توسعه روش‌های کروماتوگرافی، جداسازی CNT‌ها را نه تنها از نظر طول و قطر، بلکه از طریق کایرالیته، و جدا کردن لوله‌های با ویژگی‌های فلزی از لوله‌هایی با نوع هدایت نیمه‌رسانا، ممکن می‌سازد. برای جداسازی SWCNT ها با خواص الکترونیکی مختلف، رسوب انتخابی لوله های فلزی در محلول اکتادسیلامین در تتراهیدروفوران مورد آزمایش قرار گرفت (آمین به شدت روی لوله های نیمه هادی جذب می شود و آنها را در محلول می گذارد).

نمونه ای از استفاده از روش های غیر مخرب برای خالص سازی و جداسازی CNT ها بر اساس اندازه، روشی است که توسط دانشمندان سوئیس و ایالات متحده توسعه یافته است. ماده اولیه به دست آمده با روش قوس به یک محلول کلوئیدی آبی با استفاده از سدیم دودسیل سولفات (غلظت سورفاکتانت کمی بالاتر از غلظت بحرانی میسل بود) منتقل شد. با افزایش غلظت سورفکتانت، سنگدانه های CNT به دست آمد که با فراصوت شدید از طریق غشاهای مسیر با منافذ 0.4 میکرومتر فیلتر شدند. پس از پراکندگی مجدد در آب، این عملیات چندین بار تکرار شد تا به درجه مطلوبی از خالص سازی CNT ها برسد.

روش الکتروفورز مویرگی کم بازده است، اگرچه نه تنها اجازه می دهد CNT ها را خالص کند، بلکه آنها را بر اساس طول یا قطر جدا می کند. هنگام جداسازی، از پراکندگی های تثبیت شده توسط سورفکتانت ها یا پلیمرهای محلول استفاده می شود. برای خالص سازی و جداسازی نانولوله های کربنی با دی الکتروفورز، به بخش مراجعه کنید. 4.13.

یک روش غیر مخرب برای جداسازی CNT های خالص شده و کوتاه شده به بخش هایی با لوله هایی با اندازه های مختلف در جریان های متقاطع (نامتقارن) مایع ایجاد شده است.

برای بزرگ شدن ذرات فلز کاتالیزور، آنیل در هیدروژن در دمای 1200 درجه سانتیگراد انجام می شود و پس از آن فلزات در اسید حل می شوند. حذف کامل فلزات کاتالیزور و حامل های کاتالیزور، صرف نظر از شکلی که در مخلوط وجود دارد، می تواند با آنیل خلاء در دمای بالا (1500-1800 درجه سانتیگراد) انجام شود. در این حالت فولرن ها نیز حذف می شوند، CNT ها قطرشان افزایش می یابد و کمتر دچار نقص می شوند. برای بازپخت کامل عیوب، دماهای بالاتر از 2500 درجه سانتیگراد مورد نیاز است و از آنیل خلاء در دمای 2000 درجه سانتیگراد برای افزایش مقاومت MWCNT ها در برابر اسیدی استفاده می شود.

برای حذف ناخالصی‌های الیاف کربن تشکیل‌شده در طی پیرولیز هیدروکربن‌ها، انجماد با نیتروژن مایع توصیه می‌شود.

انتخاب یکی از گزینه های تصفیه به ترکیب مخلوط در حال خالص سازی، ساختار و مورفولوژی NT، مقدار ناخالصی ها و الزامات محصول نهایی بستگی دارد. CNT های پیرولیتیک و به ویژه CNF ها حاوی کربن آمورف کمتر یا بدون آن هستند.

هنگام ارزیابی خلوص CNT ها، بزرگترین مشکل تعیین محتوای ناخالصی های کربن آمورف است. طیف سنجی رامان (به فصل 8 مراجعه کنید) فقط یک تصویر کیفی به دست می دهد. یک روش قابل اطمینان تر، اما در عین حال کار فشرده، طیف سنجی در منطقه نزدیک به IR است (Itkis، 2003).

در ایالات متحده آمریکا، استانداردی برای خلوص SWCNT ها ایجاد شده است.

واکنش در اسید سولفوریک حاوی کروم انیدرید. با این حال، حذف اولیه بخش بزرگی از گرانول های نانوالماس ضروری است. منابع 1. Spitsyn B.V., Davidson J.L., Gradoboev M.N., Galushko T.B., Serebryakova N.V., Karpukhina T.A., Kulakova I.I., Melnik N.N. ورود به اصلاح نانوالماس انفجاری // الماس و مواد مرتبط، 2006، جلد. 15، ص. 296-299 2. پت. 5-10695, Japan (A), Chromium plating solution, Tokyo Daiyamondo Kogu Seisakusho K.K., 04/27/1993 3. Dolmatov, V.Yu. الماس های فوق ریز سنتز انفجار به عنوان پایه کلاس جدیدی از پوشش های گالوانیکی کامپوزیت فلز-الماس / V.Yu. Dolmatov, G.K. Burkat // Superhard Materials, 2000, T. 1.- P. 84-94 4. Gregory R. لخته سازی و ته نشینی - اصول اساسی // Spec. Chem., 1991, Vol. 11، شماره 6، ص. 426-430 UDC 661.66 N.Yu. Biryukova1، A.N. Kovalenko1، S.Yu. Tsareva1، L.D. Iskhakova2، E.V. ژاریکوف 1 دانشگاه شیمی-فناوری روسیه به نام. DI. مندلیف، مسکو، روسیه مرکز علمی فیبر نوری RAS، مسکو، روسیه 1 2 خالص سازی نانولوله های کربنی به دست آمده با روش پیرولیز کاتالیزوری بنزن در این کار نتایج مطالعات تجربی خالص سازی و جداسازی فیزیکی نانولوله های چند دیواره و nanotu به دست آمده است. روش های شیمیایی ارائه شده است. کارایی هر مرحله با مطالعه خصوصیات مورفولوژیکی محصولات پیرولیز کنترل شده است. این مقاله نتایج مطالعات تجربی خالص‌سازی و جداسازی نانولوله‌های کربنی چند جداره را با استفاده از روش‌های فیزیکی و شیمیایی ارائه می‌کند. اثربخشی هر مرحله تصفیه با تغییرات در خصوصیات مورفولوژیکی محصولات پیرولیز کنترل شد. روش پیرولیز کاتالیزوری هیدروکربن‌ها یکی از روش‌های امیدوارکننده برای سنتز نانولوله‌های کربنی است. این روش به دست آوردن نانولوله های تک جداره، چند جداره، آرایه های جهت دار از نانوساختارهای کربنی با سازماندهی مناسب پارامترهای سنتز را ممکن می سازد. در عین حال محصول حاصل از تجزیه در اثر حرارت ترکیبات حاوی کربن به همراه نانولوله ها حاوی مقدار قابل توجهی ناخالصی از جمله ذرات کاتالیزور، کربن آمورف، فولرن ها و ... می باشد که برای حذف این ناخالصی ها معمولا از روش های فیزیکی استفاده می شود. سانتریفیوژ، فراصوت، فیلتراسیون) در ترکیب با مواد شیمیایی (اکسیداسیون در گاز یا محیط مایع در دماهای بالا). این کار یک تکنیک ترکیبی برای خالص‌سازی و جداسازی نانولوله‌های چند دیواره از محصولات جانبی را آزمایش کرد و اثربخشی معرف‌های مختلف را تعیین کرد. رسوب اولیه با تجزیه در اثر حرارت کاتالیزوری بنزن با استفاده از پنتاکاربونیل آهن به عنوان پیش کاتالیزور به دست آمد. کانسار با اسیدهای هیدروکلریک، سولفوریک و نیتریک تیمار شد. توده‌های نانولوله‌ها با فراصوت در فرکانس 22 کیلوهرتز شکسته شدند. برای جدا کردن رسوب به کسری، از سانتریفیوژ استفاده شد (3000 دور در دقیقه، زمان پردازش - تا 1 ساعت). علاوه بر اسید، عملیات حرارتی نانولوله ها با استفاده از U S P E X I در شیمی و فناوری شیمیایی نیز مورد استفاده قرار گرفت. جلد بیست و یکم. 2007. شماره 8 (76) 56 هوا. برای دستیابی به بهترین تصفیه، توالی بهینه روش های مختلف ایجاد شد. ویژگی‌های مورفولوژیکی محصولات پیرولیز و درجه خالص‌سازی با میکروسکوپ الکترونی روبشی، طیف‌سنجی رامان و آنالیز فاز اشعه ایکس بررسی شد. UDC 541.1 E.N. گلوبینا، N.F. کیزیم، وی. موسسه Moskalenko Novomoskovsk از دانشگاه شیمی-فناوری روسیه به نام. DI. مندلیف، نووموسکوفسک، روسیه تأثیر نانوساختارها بر ویژگی‌های استخراج در سیستم آب – ErCl3 – D2EHPA – سینتیک هپتان ویژگی جنبشی Er(III) استخراج‌شده محلول D2EHPA در منحنی متمرکز شده، سرعت بالای هپتان آن انباشتگی در لایه‌های سطحی دینامیکی در ابتدای فرآیند، بررسی وضعیت بیرونی بسته به ضخامت لایه‌های سطحی دینامیکی از عنصر نسبت غلظت و حلال) در بخش قابل‌توجهی از نانوساختارها در فرآیند استخراج نشان داده می‌شود. ویژگی‌های جنبشی استخراج اربیوم (III) توسط محلول‌های D2EHPA در هپتان (فلات غلظت روی منحنی‌های جنبشی، سرعت بالای تجمع آن در DMS در ابتدای فرآیند، ماهیت شدید وابستگی ضخامت مشاهده‌شده DMS بر نسبت غلظت عنصر و ماده استخراج کننده) نشان دهنده نقش مهم نانوساختارها در فرآیند استخراج است. مشخص شده است که نانو اشیاء مختلفی می توانند در سیستم های استخراج ظاهر شوند: لایه های جذب، میسل ها، ژل های میسلی، وزیکول ها، ژل های پلیمری، ژل های کریستالی، میکروامولسیون، نانو پراکندگی، امولسیون. به طور خاص، در سیستم La(OH)3-D2EHPA-decane-آب یک ارگانوژل تشکیل می شود که ساختار فضایی آن از ذرات میله ای شکل با قطر ≈0.2 و طول 2-3 میکرومتر ساخته شده است. نمک سدیم D2EHPA در غیاب آب، میسل های استوانه ای معکوس با شعاع 53 نانومتر را تشکیل می دهد. در سطح مقطع میسل سه مولکول NaD2EHP وجود دارد که با گروه های قطبی به سمت مرکز و زنجیره های هیدروکربنی به سمت حلال آلی جهت گیری شده اند. وضعیت چنین شبکه ای به ماهیت عنصر بستگی دارد. در مورد Co(D2EHP)2، ساختارهای ماکرومولکولی با تعداد تجمع بیشتر از 225 تشکیل می شوند. در مورد Ni(D2EHP)2 (احتمالاً Ni(D2EHP)2⋅2H2O)، سنگدانه هایی با عدد تجمعی ≈5.2 ظاهر می شوند. . تحت شرایط خاص، تشکیل ساختارهای مولکولی پلیمری با شعاع هیدرودینامیکی ≈15 نانومتر امکان پذیر است. هنگامی که لانتانیم با محلول‌های D2EHPA استخراج می‌شود، آلکیل فسفات لانتانیم حجیم و از نظر ساختاری سفت و سخت تشکیل می‌شود که باعث کاهش خاصیت ارتجاعی تک‌لایه آلکیل فسفات لانتانیم در فصل مشترک می‌شود. تشکیل نانوساختارها هم بر ویژگی‌های تعادلی سیستم و هم بر سینتیک فرآیند تأثیر می‌گذارد. استخراج عناصر کمیاب خاکی با وقوع فرآیندهای سطحی متعددی مانند ظهور و توسعه همرفت سطحی خود به خودی (SSC)، تشکیل سد سازه‌ای-مکانیکی، پراکندگی فاز و غیره پیچیده است. در نتیجه واکنش شیمیایی بین D2EHPA و عنصر، یک نمک کم محلول تشکیل می‌شود که باعث تشکیل نانوساختارها مطابق با مکانیسم «از کوچک‌تر به بزرگ‌تر» می‌شود. هدف از این کار تعیین تأثیر نانوساختارها بر ویژگی‌های جنبشی استخراج اربیم (III) با محلول‌های D2EHPA در هپتان بود. U S P E X I در شیمی و فناوری شیمیایی. جلد بیست و یکم. 2007. شماره 8 (76) 57

خالص سازی نانولوله های کربنی

سه گروه از روش های تصفیه CNT استفاده می شود:

مخرب،

غیر مخرب،

ترکیب شده.

روش‌های تخریبی از واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کنند که می‌توانند اکسیداتیو یا کاهشی باشند و بر اساس تفاوت در واکنش‌پذیری اشکال مختلف کربن هستند. برای اکسیداسیون، از محلول های اکسید کننده یا معرف های گازی و هیدروژن برای احیا استفاده می شود. این روش‌ها اجازه جداسازی CNT‌های با خلوص بالا را می‌دهند، اما با تلفات لوله همراه هستند.

روش های غیر مخرب شامل استخراج، لخته سازی و رسوب انتخابی، میکروفیلتراسیون جریان متقاطع، کروماتوگرافی حذف اندازه، الکتروفورز و برهمکنش انتخابی با پلیمرهای آلی است. به عنوان یک قاعده، این روش ها کم بهره وری و بی اثر هستند.

خواص نانولوله های کربنی

مکانیکی. همانطور که گفته شد، نانولوله‌ها هم از نظر کشش و هم در خمش، یک ماده بسیار قوی هستند. علاوه بر این، تحت تأثیر تنش‌های مکانیکی بیش از حد بحرانی، نانولوله‌ها شکسته نمی‌شوند، بلکه مرتب می‌شوند. بر اساس خواص استحکام بالای نانولوله ها، می توان ادعا کرد که در حال حاضر بهترین ماده برای کابل آسانسور فضایی هستند. همانطور که نتایج آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های عددی نشان می‌دهد، مدول یانگ یک نانولوله تک جداره به مقادیری از مرتبه 1-5 TPa می‌رسد که مرتبه‌ای بزرگ‌تر از فولاد است. نمودار زیر مقایسه ای بین نانولوله تک جداره و فولاد با مقاومت بالا را نشان می دهد.

1- طبق محاسبات کابل آسانسور فضایی باید تنش مکانیکی 62.5 گیگا پاسکال را تحمل کند.

2 - نمودار کشش (تنش مکانیکی y در مقابل ازدیاد طول نسبی e)

برای نشان دادن تفاوت معنی‌دار بین قوی‌ترین مواد فعلی و نانولوله‌های کربنی، اجازه دهید آزمایش فکری زیر را انجام دهیم. بیایید تصور کنیم که همانطور که قبلاً فرض شد، کابل آسانسور فضایی یک ساختار همگن گوه ای شکل خواهد بود که از قوی ترین مواد موجود امروزی تشکیل شده است، سپس قطر کابل در GEO (مدار زمین ثابت زمین) حدود 2 کیلومتر خواهد بود. در سطح زمین به 1 میلی متر باریک خواهد شد. در این حالت، جرم کل 60 * 1010 تن خواهد بود. اگر از نانولوله های کربنی به عنوان ماده استفاده می شد، قطر کابل GEO 0.26 میلی متر و 0.15 میلی متر در سطح زمین خواهد بود و بنابراین جرم کل 9.2 تن خواهد بود. همانطور که از حقایق بالا مشخص است، نانوالیاف کربن دقیقاً همان ماده ای است که در ساخت یک کابل مورد نیاز است که قطر واقعی آن حدود 0.75 متر خواهد بود تا بتواند در برابر سیستم الکترومغناطیسی مورد استفاده برای حرکت آسانسور فضایی نیز مقاومت کند. کابین

برقی. با توجه به اندازه کوچک نانولوله‌های کربنی، تنها در سال 1996 امکان اندازه‌گیری مستقیم مقاومت الکتریکی آنها با استفاده از روش چهار شاخه وجود داشت.

نوارهای طلایی روی سطح صیقلی اکسید سیلیکون در خلاء اعمال شد. نانولوله هایی به طول 2 تا 3 میکرومتر در شکاف بین آنها رسوب کردند. سپس 4 هادی تنگستن با ضخامت 80 نانومتر بر روی یکی از نانولوله های انتخاب شده برای اندازه گیری اعمال شد. هر یک از هادی های تنگستن با یکی از نوارهای طلا تماس داشت. فاصله بین تماس ها در نانولوله از 0.3 تا 1 میکرومتر متغیر بود. نتایج اندازه‌گیری مستقیم نشان داد که مقاومت نانولوله‌ها می‌تواند در محدوده‌های قابل‌توجهی متفاوت باشد - از 5.1 * 10 -6 تا 0.8 اهم بر سانتی‌متر. حداقل مقاومت یک مرتبه قدر کمتر از گرافیت است. بیشتر نانولوله‌ها دارای رسانایی فلزی هستند و بخش کوچک‌تری خواص نیمه‌رسانا با فاصله‌ای بین 0.1 تا 0.3 eV را نشان می‌دهد.

محققان فرانسوی و روسی (از IPTM RAS، Chernogolovka) ویژگی دیگری مانند ابررسانایی نانولوله‌ها را کشف کردند. آنها ویژگی های ولتاژ جریان یک نانولوله تک جداره با قطر ~1 نانومتر، تعداد زیادی نانولوله تک جداره که در یک بسته نرم افزاری قرار گرفته اند و همچنین نانولوله های چند جداره جداگانه را اندازه گیری کردند. جریان ابررسانا در دمای نزدیک به 4K بین دو کنتاکت فلزی ابررسانا مشاهده شده است. ویژگی های انتقال بار در یک نانولوله به طور قابل توجهی با ویژگی های ذاتی هادی های معمولی و سه بعدی متفاوت است و ظاهراً با ماهیت یک بعدی انتقال توضیح داده می شود.

همچنین، د گیر از دانشگاه لوزان (سوئیس) یک ویژگی جالب کشف کرد: تغییر شدید (حدود دو مرتبه بزرگی) در رسانایی با خمش کوچک 5-10 درجه یک نانولوله تک جداره. این ویژگی می تواند دامنه کاربردهای نانولوله ها را گسترش دهد. از یک طرف، نانولوله تبدیل کننده آماده و بسیار حساس ارتعاشات مکانیکی به سیگنال الکتریکی و برگشتی است (در واقع یک گوشی تلفن چند میکرون طول و حدود یک نانومتر قطر دارد) و از طرف دیگر، این یک سنسور تقریباً آماده با کوچکترین تغییر شکل است. چنین سنسوری می تواند در دستگاه هایی که وضعیت اجزای مکانیکی و قطعاتی را که ایمنی افراد به آنها بستگی دارد، نظارت می کنند، به عنوان مثال، مسافران قطارها و هواپیماها، پرسنل نیروگاه های هسته ای و حرارتی و غیره کاربرد پیدا کند.

مویرگی. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که یک نانولوله باز دارای خواص مویرگی است. برای باز کردن نانولوله، باید قسمت بالایی - درپوش را بردارید. یکی از روش‌های حذف، بازپخت نانولوله‌ها در دمای 850 درجه سانتی‌گراد به مدت چند ساعت در جریان دی‌اکسید کربن است. در نتیجه اکسیداسیون، حدود 10 درصد از تمام نانولوله ها باز می شوند. روش دیگر برای از بین بردن انتهای بسته نانولوله ها، خیساندن آنها در اسید نیتریک غلیظ به مدت 4.5 ساعت در دمای 2400 درجه سانتیگراد است که در نتیجه این عملیات، 80 درصد نانولوله ها باز می شوند.

اولین مطالعات پدیده های مویرگی نشان داد که اگر کشش سطحی آن بیشتر از 200 mN/m نباشد، مایع به کانال نانولوله نفوذ می کند. بنابراین برای وارد کردن هر ماده ای به نانولوله ها از حلال هایی با کشش سطحی کم استفاده می شود. به عنوان مثال، برای وارد کردن نانولوله‌های برخی فلزات به داخل کانال، از اسید نیتریک غلیظ استفاده می‌شود که کشش سطحی آن کم است (43 mN/m). سپس بازپخت در دمای 4000 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت در اتمسفر هیدروژنی انجام می شود که منجر به کاهش فلز می شود. به این ترتیب نانولوله های حاوی نیکل، کبالت و آهن به دست آمد.

در کنار فلزات، نانولوله های کربنی را می توان با مواد گازی مانند هیدروژن مولکولی پر کرد. این توانایی از اهمیت عملی برخوردار است زیرا امکان ذخیره ایمن هیدروژن را باز می کند که می تواند به عنوان سوخت سازگار با محیط زیست در موتورهای احتراق داخلی استفاده شود. دانشمندان همچنین توانستند زنجیره کاملی از فولرن‌ها را با اتم‌های گادولینیوم درون یک نانولوله قرار دهند (شکل 5 را ببینید).

برنج. 5. داخل C60 داخل یک نانولوله تک جداره