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JP3974049B2 - Method for isolating C70 - Google Patents
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JP3974049B2 - Method for isolating C70 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は新しい炭素材料であるフラーレン類、中でもC70の分子構造を有するフラーレンの単離方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
1990年に炭素数60、70、84等の閉殻構造型のカーボンクラスター(球状の巨大分子)という新しいタイプの分子状炭素物質が合成され、注目されている。この特殊な分子構造を有するカーボンクラスターは、フラーレン類とも称され、その分子骨格を構成する炭素数によって、フラーレンC60、同C70、同C84などと呼ばれている(単に、C60、C70、C84等とも呼ばれる)。これらのフラーレン類は、新しい炭素材料であり、また特殊な分子構造から特異な物性を示すことが期待されるので、その性質及び用途開発についての研究が盛んに進められている。フラーレン類は例えば、ダイヤモンドコーティング、電池材料、塗料、断熱材、潤滑材、化粧品などの分野への利用が期待されている。
【0003】
フラーレン類の製造方法としては、(1)グラファイトなど炭素質材料から成る電極を原料としてこの電極間にアーク放電によって原料を蒸発させる方法(アーク放電法)、(2)炭素質原料に高電流を流して原料を蒸発させる方法(抵抗加熱法)、(3)高エネルギー密度のパルスレーザー照射によって炭素質原料を蒸発させる方法(レーザー蒸発法)、(4)ベンゼンなどの有機物を不完全燃焼させる方法(燃焼法)などが知られている。しかし、現状いずれの製造方法でも目的の単一フラーレン、あるいは有益なC60〜C84フラーレン類だけを製造することはできず、C60及びC70を主とする複数のフラーレンとその他多数の炭素化合物との混合物(この燃焼生成物は「煤」と呼ばれることがある)として生成する。煤中のフラーレン類の含有量は、効率的といわれるアーク放電法でも10〜30%程度で、C70:C60の生成比は約1:10である。したがって、高純度のフラーレンを得るためには煤からまずフラーレン類のみを分離する必要がある。
【0004】
燃焼生成物「煤」からのフラーレン類の分離方法として、(1)フラーレン類はベンゼン、トルエン、二硫化炭素等の有機溶媒に溶解し、その他の不純物成分は溶解しにくいという性質を利用して、このような有機溶媒を用いて煤からフラーレン類を抽出する方法(溶媒抽出法)、(2)高真空下で煤を加熱し、フラーレン類を昇華させる方法(昇華法)が知られている。このうち昇華法は、たとえば400℃以上の高温、圧力0.133Pa(10-3Torr)以下の高真空条件を必要とする特殊な分離方法であり、それに比べ溶媒抽出法は操作が容易なため広く用いられている。さらに抽出で得られたフラーレン類(主としてC60とC70の混合物)を含む溶液からの単一フラーレンの分離には、カラムクロマト分離、分別再結晶、フラーレンの包接化などの方法が適用されている。
【0005】
燃焼法によりフラーレンを製造する場合、制御された条件下でトルエン等の有機物を不完全燃焼させると、C60とC70を主とする複数のフラーレン類を含んだ煤状物質が生成する(例えば特許文献1参照)。典型的には煤状物質中には、通常10〜30重量%程度のフラーレン類と、10ppm〜5重量%の多環式芳香族炭化水素が含まれている。また、残分はグラファイト構造を持つ炭素及びグラファイト構造を骨格として若干の水素原子を有する高分子の炭化水素やカーボンブラック等(以下、「炭素系高分子成分」と称することがある)である。
【0006】
フラーレン類と多環式芳香族炭化水素の溶媒への溶解度を比較すると、通常10倍以上多環式芳香族炭化水素の溶解度が高い。その為、煤状物質から溶媒で抽出すると、フラーレン類のみを選択的に抽出することは困難で、煤状物質中の多環式芳香族炭化水素もほとんど抽出液側へ同時に抽出される。その為、抽出後の液を、濃縮・乾燥もしくは、濃縮して析出した固形分を濾別して乾燥して得られた固体中は、通常0.01〜10%程度多環式芳香族炭化水素を含んだフラーレン類を得ることになる。
【0007】
多数の炭化物として、ベンゾピレンに代表される多環式芳香族炭化水素がある。多環式芳香族炭化水素は、構造的に炭化水素の中でも水素原子の割合が少なく、構造的にもフラーレン類と類似しており、従って、フラーレン類に混在している場合にはフラーレンの反応性を阻害したり、フラーレンの固有の性質を遮蔽したりする可能性もある。また、安全上からもこれら多環式芳香族炭化水素は極力減少させる必要があると考えられている。
【0008】
更に、フラーレン類は炭素数の異なる数種類の混合物であるが、炭素数によりその性質が異なるため、純度の高い単独の化合物種を提供することが望まれている。しかしながら、従来の製造方法では、大量に純度の高いフラーレン種を製造することは困難であった。また、活性炭を用いてフラーレンを分離する方法も従来より知られているが(例えば特許文献2、3参照)、C70及びそれ以上の炭素数を有するフラーレン類は活性炭への吸着力が強く、従来の条件ではこれを溶離し回収することは困難であった。
【0009】
【特許文献1】
米国特許第5273729号公報
【特許文献2】
米国特許第5310532号公報
【特許文献3】
米国特許第5662876号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は係る事情に鑑みてなされたもので、フラーレン類の混合物から高純度かつ大量に効率よくC70を単離することができる単離方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述したような事情に鑑みて鋭意検討した。その結果、特定の溶離液を用いることにより、フラーレン類の混合物から純度の高いC70を効率的に単離できることを見出し本発明に到達した。
【0012】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物を活性炭に吸着させ、炭素数10以下の芳香族炭化水素化合物を含む溶離液を用いて、C 60 の少なくとも一部を活性炭から溶離し、次いでナフタレン骨格又はナフタレン骨格を形成する炭素の1又は2が窒素に代替された骨格を有する芳香族化合物を含む溶離液を用いてC 70 を溶離させることを特徴とするC70の単離方法に存する。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明のC70の単離方法に適用される少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物(以下、単に「フラーレン類の混合物」と称することがある)は、いかなる方法によって得られたものであっても良い。フラーレン類を大量に生産するには、炭化水素原料を不完全燃焼させる燃焼法によるもの、または高熱下に炭化水素原料を分解させる熱分解法によるものが好ましく、なかでも燃焼法が好ましい。
【0014】
燃焼法によりフラーレンを製造する場合、圧力条件として1330〜13300Pa(10〜100Torr)が好ましく、3990〜6650Pa(30〜50Torr)が更に好ましい。温度条件としては800〜2500℃が好ましく、1000〜2000℃が更に好ましい。
フラーレンの原料としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、メチルナフタレン、アントラセン、フェナントレン等の炭素数6〜15の芳香族炭化水素が好適に用いられる。また、原料としては、これらの芳香族炭化水素に併用してヘキサン、ヘプタン、オクタン等の脂肪族炭化水素を用いても良い。
【0015】
燃焼法においては、フラーレンの原料は、同時に熱源としても作用する。即ち、原料炭化水素は酸素と反応して発熱してフラーレンの生成が可能となる温度に上昇させるとともに、原料炭化水素が脱水素されることにより、フラーレン骨格を形成するための炭素ユニットを生成するものと考えられている。炭素ユニットは一定の圧力、温度条件で集合してフラーレン類を形成する。
【0016】
酸素の使用量としては、原料炭化水素の種類によっても若干異なるが、例えば原料炭化水素としてトルエンを用いた場合には、トルエンに対して0.5〜9倍モルが好ましく、1〜5倍モルが更に好ましい。
燃焼法における反応系には、酸素以外に、フラーレンに対して不活性な気体を存在させていても良い。これら不活性気体としては例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、二酸化炭素等が挙げられる。
【0017】
燃焼法により得られた煤状物質中には、フラーレン類及び多環式芳香族炭化水素及びが含まれ、それ以外の残部は通常炭素グラファイト構造を骨格として若干の水素原子を有する高分子の炭化水素やカーボンブラック等の炭素系高分子成分である。
煤状物質には、フラーレン類が5重量%以上含まれていることが好ましく、10%以上含まれていることが更に好ましく、15%以上含まれていることが特に好ましい。
【0018】
また、本発明により製造されるフラーレン類は、フラーレン構造を有していれば炭素数に制限はないが、通常は炭素数60〜84のフラーレンであり、中でもC60とC70を合計した割合は全フラーレン中好ましくは50%以上であり、更に好ましくは70%以上であり、特に好ましくは80%以上である。
また、C70をより多く単離するにはフラーレン類の混合物中のC70の割合がなるべく多い方が好ましいが、フラーレン類を製造する際にC70の生成比をあまり多くしようとするとフラーレン類全体としての収率が低くなる傾向にあるので、C70の割合は10%以上50%以下が好ましく、15%以上40%以下がさらに好ましい。
【0019】
本発明の単離方法に適用されるフラーレン類の混合物は、例えば、上述の燃焼法によって製造したフラーレン類、多環式芳香族炭化水素及び炭素系高分子成分を含む混合物(煤状物質)から予め多環式芳香族炭化水素と炭素系高分子成分を除去したものを用いることができる。
煤状物質から多環式芳香族炭化水素を除去する方法としては、例えば、フラーレン類の溶解度の低い溶剤を用いて多環式芳香族炭化水素を抽出除去する方法や、不活性ガスの下で煤状物質を加熱し多環式芳香族炭化水素を昇華させて除去する方法が挙げられる。
【0020】
また、煤状物質から炭素系高分子成分を除去する方法としては、フラーレン類の溶解度の高い溶剤を用いてフラーレン類を抽出し、必要に応じ、不溶の炭素系高分子成分を濾別する方法が挙げられる。
以下に、C60とC70を含むフラーレン類の混合物を得る方法の一例として、煤状物質から、昇華によって多環式芳香族炭化水素を除去し(工程A)、次いでフラーレンを溶剤抽出して炭素系高分子成分から分離する(工程B)方法を説明する。
【0021】
(工程A:昇華工程)
多環式芳香族化合物を昇華する際の条件としては、圧力は100〜2×105Paが好ましく、1000〜1.4×105Paが更に好ましい。常圧では装置が簡単になるメリットがあり、減圧下では多環式芳香族炭化水素の昇華温度が低くなるメリットがある。経済性を考えて、最適な条件で実施すればよい。また温度は、好ましくは100℃以上800℃以下である。昇華温度は圧力によって変化するので適宜選択すればよいが、常圧の場合には、更に200℃以上700℃以下が好ましく、特に300℃以上600℃以下が好ましい。温度が低すぎると多環式芳香族炭化水素の昇華が不十分となり、温度が高すぎるとフラーレン類も昇華し、フラーレン類の回収率が低下する。
【0022】
昇華に用いる装置は、上述の温度/圧力となる昇華条件に耐えうるものであれば、バッチ式、固定床型、流動層型、連続型等特に限定はしない。昇華装置に用いられる材質としては、石英ガラス、ステンレス等の金属類、セラミックス、ガラス等が挙げられる。
昇華に際しては、不活性ガスの存在下に行うが、本発明において不活性ガスとは、昇華の温度/圧力条件でフラーレン類と実質的に反応しない気体を意味する。不活性ガスの種類としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素及びこれらの混合物が挙げられる。フラーレン類の反応を避けるためには、昇華に際して昇華装置中を実質的に不活性ガスにより置換し、昇華装置内の気体中の酸素の含有量として10体積%以下とするのが好ましく、5体積%以下とするのが好ましく、1体積%とするのが特に好ましい。酸素の含有量が多い場合には、フラーレン類の酸化物が生成する場合がある。
【0023】
また、多環式芳香族炭化水素の昇華は、不活性ガス流通下に行うのが好ましい。不活性ガスの流通下に行う方法としては、例えば昇華装置に不活性ガスの流入口及び排出口を設けておき、連続的に不活性ガスを流入及び排出させながら、所定の温度に昇温する。不活性ガスは昇華装置に流入させるに際し余熱しておくこともできる。
【0024】
不活性ガスの流通下に昇華を行う場合の不活性ガスの流通量としては、煤状物質1gに対して好ましくは1〜10000ml/minであり、更に好ましくは5〜5000ml/minである。不活性ガスの流通は連続的であっても間欠的であってもよい。
【0025】
昇華装置から昇華した多環式芳香族炭化水素は不活性ガスに同伴され、析出装置にて温度が下げられることによって多環式芳香族炭化水素を析出させることが出来る。析出装置は、昇華装置と同一装置内に設けても分離して設けても構わないし、バッチ式、または連続式でも構わない。析出した多環式芳香族炭化水素の回収には、機械的に集めて回収しても、溶媒に溶解して回収しても構わない。多環式芳香族炭化水素を析出して回収した後の不活性ガスは、大気に放出するかリサイクル使用する。操作時間は、温度、圧力、ガス流通量によって異なるが、通常10分〜12時間程度である。
【0026】
(工程B:抽出工程)
次に、多環式芳香族炭化水素が分離されたフラーレン類及び炭素系高分子成分を含有する煤状物質は、抽出溶媒と混合し、フラーレン類を溶解した抽出液を得る工程を実施する。炭素系高分子成分は抽出溶媒には実質的に溶解しない。抽出溶媒としては、好ましくは芳香族炭化水素を含む溶媒が用いられる。
抽出溶媒として用いられる芳香族炭化水素としては、分子内に少なくとも1つのベンゼン核を有する炭化水素化合物であり、具体的にはベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、n−プロピルベンゼン、イソプロピルベンゼン、n−ブチルベンゼン、sec−ブチルベンゼン、tert−ブチルベンゼン、1,2,3−トリメチルベンゼン、1,2,4−トリメチルベンゼン、1,3,5−トリメチルベンゼン、1,2,3,4−テトラメチルベンゼン、1,2,3,5−テトラメチルベンゼン、ジエチルベンゼン、シメン等のアルキルベンゼン類、1−メチルナフタレン等のアルキルナフタレン類、テトラリン等が挙げられる。これらの内1,2,4−トリメチルベンゼン及びテトラリンが好ましい。
【0027】
抽出溶媒には、芳香族炭化水素の他に、更に脂肪族炭化水素や塩素化炭化水素等の有機溶媒を、単独又はこれらのうち2種以上を任意の割合で用いてもよい。脂肪族炭化水素としては、環式、非環式等、任意の脂肪族炭化水素が使用できる。環式脂肪族炭化水素の例としては、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタンなどの単環式脂肪族炭化水素、その誘導体であるメチルシクロペンタン、エチルシクロペンタン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、1,2−ジメチルシクロヘキサン、1,3−ジメチルシクロヘキサン、1,4−ジメチルシクロヘキサン、イソプロピルシクロヘキサン、n−プロピルシクロヘキサン、t−ブチルシクロヘキサン、n−ブチルシクロヘキサン、イソブチルシクロヘキサン、1,2,4−トリメチルシクロヘキサン,1,3,5−トリメチルシクロヘキサン、多環式としてデカリンなどが挙げられる。非環式脂肪族炭化水素の例としては、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、イソオクタン、n−ノナン、n−デカン、n−ドデカン、n−テトラデカンなどが挙げられる。
【0028】
塩素化炭化水素としては、ジクロロメタン、クロロフォルム、四塩化炭素、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、1,2−ジクロロエタン、1,1,2,2−テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、1−クロロナフタレンなどが挙げられる。
その他、炭素数6以上のケトン、炭素数6以上のエステル類、炭素数6以上のエーテル類、二硫化炭素等が挙げられる。
【0029】
抽出溶媒としてはフラーレンの溶解度が低すぎると、抽出効率が低下するので、フラーレンの溶解度としては好ましくは5g/L以上、更に好ましくは10g/L以上、特に好ましくは15g/L以上である。また、工業的観点から、これらの抽出溶媒の中でも常温液体で沸点が100〜300℃、中でも120〜250℃のものが好適である。
【0030】
抽出溶媒は、フラーレン類を十分に抽出できるだけの量を用いる必要がある。通常、煤状物質中のフラーレン類の量に対し、5〜400重量倍量、経済性を考えると、40〜200重量倍量程度使用するのが好ましい。抽出は、バッチ式、セミ連続式、連続式、又はそれらの組み合わせ等、形式、装置は特に限定されない。
なお、煤状物質には通常5〜30重量%のフラーレン類が含まれているが、抽出効率の観点から、フラーレン類に対して用いる抽出溶媒の量を上記範囲とするのが好ましいことから、抽出操作に先立って、煤状物質の一部を分析して、煤状物質中のフラーレン含有量を測定しておくのが好ましい。
【0032】
(C70を単離する工程)
こうして得られた抽出液にはC60、C70、及びそれ以上の炭素数を有する高次フラーレンが含まれているので、次にナフタレン骨格又はナフタレン骨格を形成する炭素の1又は2が窒素に代替された骨格を有する芳香族化合物を含む溶離液を用いたカラムクロマトグラフィーにより、フラーレン混合物からC70を単離する。
単離操作は典型的には、まず、充填剤にフラーレン類を吸着させ、次にフラーレン類を溶離する。
【0033】
少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物をカラム充填材に吸着させるには、通常フラーレン類の混合物の溶液と、カラム充填材を接触させることによって行うが、フラーレン類の混合物の溶液における溶媒としては炭素数7〜15の芳香族炭化水素が好ましく、中でも炭素数9又は炭素数10の芳香族炭化水素が更に好ましく、トリメチルベンゼン又はテトラリンが特に好ましい。また、煤状物質中からフラーレンを抽出する際の抽出液の溶媒をそのまま溶離液として用いても良いし、抽出液の一部又は全部を留去し、別の溶離液と置換してもよい。
【0034】
カラム充填材として活性炭を用いた場合には、活性炭に吸着したフラーレン類のうち、C60の化合物種が最も早く溶出するので、通常はC70の溶離に先だって、C60を溶離する。
60を溶離する場合に用いる溶離剤としては、フラーレンの溶解度が高いものを使用して、なるべく濃厚な溶液を処理するのが好ましく、フラーレンの溶解度が5g/L以上、更に好ましくは10g/L以上、特に好ましくは15g/L以上のものを用いるのが良い。具体的には、上述の工程Bで用いられる抽出溶媒が用いられ、なかでもトリメチルベンゼンまたはテトラリンが好ましく用いられる。
【0035】
60とC70とを大量に効率よく分離するためには、まず、炭素数10以下の芳香族化合物を含む溶離剤を用いてC60の少なくとも一部を溶離し、次いでナフタレン骨格又はナフタレン骨格を形成する炭素の1又は2が窒素に代替された骨格を有する芳香族化合物を含む溶離液を用いてC70を溶離する。
【0036】
次に、C70の溶離液として用いられるナフタレン骨格又はナフタレン骨格を形成する炭素の1又は2が窒素に代替された骨格を有する芳香族化合物は置換基を有していてもよく、置換基としては、メチル基、エチル基等のアルキル基、フッ素、塩素等のハロゲン原子、トリフルオロメチル基、クロロメチル基等のハロゲン化アルキル基等が挙げられる。但し、環境負荷の低減と、取り扱いの利便性を考慮すると、ハロゲン原子を有しないものが好ましい。
ナフタレン骨格を有する芳香族炭化水素化物としては具体的には例えば、1−メチルナフタレン、2−メチルナフタレン、1,2−ジメチルナフタレン、1,4−ジメチルナフタレン、1,5−ジメチルナフタレン等を挙げることができる。また、ナフタレン骨格を形成する炭素の1又は2が窒素に代替された骨格を有する芳香族化合物としてはキノリンが挙げられる。
【0037】
C70の溶離液は、上述のナフタレン骨格を有する芳香族化合物以外の溶剤との併用でもよく、例えば、メチルナフタレンとトリメチルベンゼンの混合溶剤や、メチルナフタレンとテトラリンとの混合溶剤、キノリンとトリメチルベンゼンとの混合溶剤が挙げられる。
溶離剤は、溶離する際の温度、圧力条件下で液体であることが必要であるので、ナフタレン骨格又はナフタレン骨格を形成する炭素の1又は2が窒素に代替された骨格を有する芳香族化合物の内、常温で固体の化合物を用いる場合には、溶離する際の温度を、溶離剤が液体となる温度以上に加温する。
【0038】
溶離する際の温度は、通常0〜200℃であり、20〜200℃が好ましく、50〜150℃が更に好ましい。温度が著しく低いと溶離効率が悪くなり、温度が著しく高いとフラーレン類が分解する可能性がある。
【0039】
本発明では充填剤として活性炭を用いる。なかでも直径2nm以下の細孔の積算ポアボリュームが0.3cm3/g以上である活性炭が好ましい。この活性炭はフラーレン類の中ではC60に対する吸着力が最も小さく、次いでC70に対する吸着力が小さく、C70を越える高次フラーレン類に対する吸着力はC60、C70に比べて高いので、C60、C70とC70を越える高次フラーレンを分離する能力に優れ、その結果、純度の高いC70を単離する事が出来る。
【0040】
直径2nm以下の細孔の積算ポアボリュームが0.3cm3/g以下であると、フラーレン類に対する吸着能力が低く、C60、C70とC70を越える高次フラーレンを分離することが困難となる。直径2nm以下の細孔の積算ポアボリュームは、好ましくは0.4cm3/g以上であり、更に好ましくは0.5cm3/g以上である。上限は特に規定されないが、通常10cm3/g以下である。
【0041】
また、活性炭の比表面積が1600m2/g以上であることが好ましく、2000m2/g以上であることが好ましく、2500m2以上であることが特に好ましい。比表面積が上記範囲であれば、1回当たりのフラーレン類の処理能力が大きくなる。
更にまた、活性炭は30μm以下の粒径を持つ粒子の割合が40%以下であるものが好ましく、30%以下であるものが好ましく、25%以下であるものが特に好ましい。30μm以下の小粒径の活性炭の割合が上記範囲であれば、フラーレン類の混合物を処理する操作が容易となる。
【0042】
【実施例】
次に、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
燃焼法で製造した煤状物質75gと1,2,4−トリメチルベンゼン(TMB)1500mLを室温で2L三角フラスコで混合し、超音波洗浄機に30分浸した。上記スラリーを、ADVANTEC社製 直径142mm、PTFE製、0.5μmのメンブランフィルターを用い、同社製、加圧濾過装置を用い、窒素にて圧力2kgGで加圧濾過した。その濾液のうち、118gを30gまでBuich社製エバポレーターを用いて、90℃、20Torrで濃縮した。上記液を500ccセパラブルフラスコに入れ、回転翼にて攪拌した。50℃に昇温した後、温度を保ちながらTHF125gをポンプで60分かけて添加した。添加後10分間保持した。溶液はスラリー状態になっていた。このスラリーを、ADVANTEC社製 直径47mm、PTFE製、0.5μmのメンブランフィルターを用い減圧濾過し、濾過終了後、THF50mLをさらに振りかけ洗浄した。濾別した固形分を、減圧乾燥機を用い、100℃、5Torr以下の条件下で乾燥した。こうして得られたフラーレン類は、フラーレン類の純度が91.9重量%であり、多環状芳香族化合物が289重量ppm含まれていた。
なお、フラーレン類の分析は、液体クロマトグラフィーを用い、多環状芳香族炭化水素の分析は、ガスクロマトグラフィーを用いて実施した。
【0043】
(活性炭カラムの作成)
関西熱化学社製粉末状活性炭MAXSORB MSC30(直径20Å以下の細孔の積算ポアボリューム;0.55cm3/g、比表面積3,250平方メートル/g;水酸化カリウム賦活)をヤマト科学社製篩いNo.286の上に95.1g量りとり、筒井理化学機械株式会社製篩震とう機VSS―50及び目の開き26マイクロメートルの篩いを使用して、目盛り50の強度で空気中5分間篩ったところ、49.5gが篩い上に残存したので1Lガラス製ビーカーに移し取った。篩いの上に量りとる量を変えながら同様の操作をさらに2回繰り返し、篩い上に残存したMAXSORB MSC30を合計177.6g得た。市販品であるMAXSORB MSC30及び篩いの上に残存したMAXSORB MSC30をそれぞれ0.2g量りとり水に分散させ、株式会社島津製作所製レーザーディフラクションパーティクルアナライザーSALD−2000Jで分析したところ、市販品及び篩い残存物の平均粒径がそれぞれ82μm及び94μmであった。篩い残存物の内、30μm以下の粒径を持つ粒子の割合は13%であった。
【0044】
市販品であるMAXSORB MSC30及び篩いの上に残存したMAXSORB MSC30の比表面積を相対圧0.002〜0.2の範囲でBET多点法により算出したところそれぞれ2994m2/g、2990m2/gであった。細孔容積を相対圧が0.93における窒素の吸着量より算出したところ、市販品は1.60cm3/g、篩い残存物は1.59cm3/gであった。篩い残存物のうち130gを別の1Lビーカーに移し取り、22℃の水浴中で除熱しながら丸善石油化学株式会社製1,2,4トリメチルベンゼン(別名プソイドクメン)0.6Lを撹拌しながら5分間かけてゆっくりと添加して活性炭スラリーを作成した。
【0045】
SUS304製カラム(カラム内部の内径8mm、高さ100mm)の底部に目皿を入れ、目皿の上に直径8mmに切り抜いたアドバンテック製ろ紙5Cを置き、カラム本体に取り付けて固定した。カラムの上部を取り外し、上記活性炭スラリー4mLをカラム本体の中にそそぎ込み底部抜き出し口から減圧吸引し、スラリー中のトリメチルベンゼンを抜き出しながら活性炭ベッドを作成した。活性炭ベッドの上部が液面より上に出る直前までトリgメチルベンゼンを抜き、スラリーを追加する操作を繰り返しながら層高98mmの活性炭ベッドを作成し、目皿とろ紙を入れた上部フランジを取り付けてネジで固定した。活性炭ベッドの体積は5cm3であった。カラムを送液ラインに装着した。
【0046】
(原料液の作成)
上記の燃焼法によって得られたフラーレン(C60;61%、C70;24%、多環状芳香族炭化水素微量含む;35.02g)を容積6LのSUS製原料タンクに量り入れ、トリメチルベンゼン6Lを投入し、撹拌翼付きスリーワンモーターを取り付けて強度5にて1時間撹拌しよく溶解させ、原料液を得た。トリメチルベンゼン6L原料タンクを送液ラインに装着した。続いてトリメチルベンゼン5Lを溶離液タンクに投入し、送液ラインに装着した。
【0047】
(原料液の送液)
カラム上部と送液ラインの結合部を一時的に切り離した後にポンプを駆動し、原料液を送液しながら送液ライン中の空気を除去した。ポンプを停止して即座にカラム上部と送液ラインを結合した。
カラム底部の抜き出し口に容積110mLのネジ口ビンを設置して流出液を採取出来るようにしてからポンプを駆動し原料液の送液を開始すると抜き出し口から無色透明な液体が流出した。流出速度を3mL/分にしたところ、圧力計の表示は0.2MPaであった。そのまま77mLの原料液を流したところで次のネジ口ビンに切り換えた。
【0048】
(C60溶離液の送液)
原料液77mLの送液が終了した時点でポンプを停止し、バルブを切り替えて溶離液であるトリメチルベンゼンの送液を開始した。原料液送液開始から33分後、合計100mL程流出したところでC60成分の流出が始まり液色が紫色に着色しているのが確認できた。
ここで原料液77mLは活性炭ベッドの体積VBの15.4倍量であった。この、活性炭ベッドの体積VBに対する原料液及び溶離液の総量Vの比、即ちV/VBを流出液量の指標として取り扱う場合がある。
流出液量が100mLになる毎にフラクションを変えながら2番目以降のフラクションを採取し、合計396mLのトリメチルベンゼンを送液し、5番目のフラクションの採取が終了した時点でポンプを停止した。
【0049】
(C70溶離液の送液)
1000mLガラス製ビーカーに東京化成製1−メチルナフタレンを600mL投入し、ポンプの送液ラインに装着した。ポンプの送液ラインは外径3mm、内径1mm、長さ1mのものであり、カラムが装着される近傍で折り曲げられてラインの大部分がカラム近傍にあるようにした。カラム上部と送液ラインの結合部を一時的に切り離した後にポンプを駆動し、1−メチルナフタレンを送液しながら送液ライン中の置換をすると共に配管内の残存空気を除去した。ポンプを停止して即座にカラム上部と送液ラインを結合した。カラム全体と送液ラインの大部分を循環式オイルバスにつけ、オイルバスの温度を120℃に設定した。1時間後、オイルバスの温度が120℃に達してから1−メチルナフタレンの送液を開始した。6から9のフラクションとして25mLずつ分取し、その後10から14のフラクションとして100mLずつ分取し、合計594mLの1−メチルナフタレンを送液した時点でポンプを停止した。
【0050】
(分析及び結果)
各フラクションのLC分析の結果から、含有されているC60酸化物、C60、C70、更に分子量の大きいフラーレンの濃度を計算しクロマトグラムを得た。C70よりも分子量の大きいフラーレン類は流出してこなかった。各成分のクロマトグラムを図2に示した。また、フラクション1から5までに含まれるC60の重量の総和に対する原料溶液77mL中に含まれるC60の重量比からC60の回収率を計算したところ70.0%であった。また、フラクション1から5に含まれるC60、C70およびその他の成分の総和を求め、フラクション1から5を同一にした場合のC60の純度を計算すると99.2%であった。フラクション10から14に含まれるC70の重量の総和に対する原料溶液77mL中に含まれるC70の重量比からC70の回収率を計算したところ、54.3%であった。また、フラクション10から14に含まれるC60、C70およびその他の成分の総和を求め、フラクション10から14を同一にした場合のC70の純度を計算すると97.3%であった。
【0051】
(実施例2)
実施例1で使用した1,2,4トリメチルベンゼン及び1−メチルナフタレンをそれぞれ多段蒸留操作により精製したものを用いること以外は実施例1と同様の操作で燃焼法により得られたフラーレンの単離精製を試みたところ、実施例1とほぼ同様な結果が得られた。溶媒のリサイクル使用が可能であることが確認された。
【0052】
(比較例1)
70用溶離液にo−ジクロロベンゼンを用いたこと、その際の温度を20℃で行ったこと以外は実施例1と同様の操作で燃焼法により得られたフラーレンの単離精製を試みたところ、C70の溶出はほとんど無く、C70の回収率は10%未満であった。
(比較例2)
70用溶離液にトルエンを用いたこと、その際の温度を20℃で行ったこと以外は実施例1と同様の操作で燃焼法により得られたフラーレンの単離精製を試みたところ、C70の溶出はほとんど無く、C70の回収率は5%未満であった。
【0053】
【発明の効果】
本発明により、C70を大量に且つ高純度で単離する方法を提供することが出来る。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a new carbon material, fullerenes, especially C70The present invention relates to a method for isolating fullerene having a molecular structure of
[0002]
[Prior art]
In 1990, a new type of molecular carbon material called a closed-shell carbon cluster (spherical macromolecule) having 60, 70, 84 carbon atoms, etc. was synthesized and attracted attention. Carbon clusters having this special molecular structure are also called fullerenes, and depending on the number of carbons constituting the molecular skeleton, fullerene C60, The same C70, The same C84Etc. (simply called C60, C70, C84Etc.). Since these fullerenes are new carbon materials and are expected to exhibit unique physical properties due to their special molecular structure, research on their properties and application development has been actively promoted. Fullerenes are expected to be used in fields such as diamond coating, battery materials, paints, heat insulating materials, lubricants, and cosmetics.
[0003]
The production methods of fullerenes include (1) a method in which an electrode made of a carbonaceous material such as graphite is used as a raw material and the raw material is evaporated by arc discharge between the electrodes (arc discharge method), and (2) a high current is applied to the carbonaceous raw material. (3) Method of evaporating carbonaceous material by laser irradiation with high energy density (laser evaporation method), (4) Method of incomplete combustion of organic substances such as benzene (Combustion method) is known. However, in any current production method, the target single fullerene or beneficial C60~ C84It is not possible to produce fullerenes alone.60And C70It is produced as a mixture of a plurality of fullerenes mainly composed of carbon and many other carbon compounds (this combustion product is sometimes called “soot”). The content of fullerenes in the soot is about 10 to 30% even in the arc discharge method, which is said to be efficient.70: C60The production ratio of is about 1:10. Therefore, in order to obtain high-purity fullerene, it is necessary to first separate only fullerenes from the soot.
[0004]
As a method of separating fullerenes from the combustion product “煤”, (1) Fullerenes are dissolved in organic solvents such as benzene, toluene, carbon disulfide and other impurities are not easily dissolved. , A method of extracting fullerenes from soot using such an organic solvent (solvent extraction method), and (2) a method of sublimating fullerenes by heating the soot under high vacuum (sublimation method) is known. . Among these, the sublimation method is, for example, a high temperature of 400 ° C. or higher and a pressure of 0.133 Pa (10-3Torr) is a special separation method that requires the following high vacuum conditions, and the solvent extraction method is widely used because it is easier to operate. Furthermore, fullerenes obtained by extraction (mainly C60And C70For the separation of a single fullerene from a solution containing a mixture of the above, a method such as column chromatography separation, fractional recrystallization, inclusion of fullerene, or the like is applied.
[0005]
When producing fullerene by a combustion method, if organic matter such as toluene is incompletely burned under controlled conditions, C60And C70A soot-like substance containing a plurality of fullerenes mainly composed of the above is produced (see, for example, Patent Document 1). Typically, the soot-like substance usually contains about 10 to 30% by weight of fullerenes and 10 ppm to 5% by weight of polycyclic aromatic hydrocarbons. The remainder is carbon having a graphite structure and polymer hydrocarbon, carbon black or the like having a few hydrogen atoms with the graphite structure as a skeleton (hereinafter sometimes referred to as “carbon-based polymer component”).
[0006]
When the solubility of fullerenes and polycyclic aromatic hydrocarbons in a solvent is compared, the solubility of polycyclic aromatic hydrocarbons is usually 10 times or higher. Therefore, when extracting from a soot-like substance with a solvent, it is difficult to selectively extract only fullerenes, and polycyclic aromatic hydrocarbons in the soot-like substance are almost simultaneously extracted to the extract side. For this reason, the extracted liquid is concentrated and dried, or the solid content obtained by concentrating and separating the solid is filtered and dried. Usually, about 0.01 to 10% of polycyclic aromatic hydrocarbons are contained in the solid. You will get fullerenes.
[0007]
As many carbides, there are polycyclic aromatic hydrocarbons represented by benzopyrene. Polycyclic aromatic hydrocarbons are structurally similar to fullerenes in that they have a low proportion of hydrogen atoms among the hydrocarbons. Therefore, when they are mixed in fullerenes, the reaction of fullerenes There is also the possibility of inhibiting the sex and shielding the inherent properties of fullerene. Further, it is considered that these polycyclic aromatic hydrocarbons need to be reduced as much as possible from the viewpoint of safety.
[0008]
Further, although fullerenes are a mixture of several kinds having different carbon numbers, since their properties differ depending on the number of carbons, it is desired to provide a single compound species with high purity. However, it has been difficult to produce high-purity fullerene species in large quantities by conventional production methods. Moreover, although the method of isolate | separating fullerene using activated carbon is also known conventionally (for example, refer patent document 2, 3), C70In addition, fullerenes having more and more carbon atoms have strong adsorptive power to activated carbon, and it has been difficult to elute and recover them under conventional conditions.
[0009]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 5,273,729
[Patent Document 2]
US Pat. No. 5,310,532
[Patent Document 3]
US Pat. No. 5,662,876
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and it has been found that a mixture of fullerenes is efficiently purified in a high purity and in a large amount.70It is an object of the present invention to provide an isolation method capable of isolating.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have intensively studied in view of the circumstances as described above. As a result, by using a specific eluent, high purity C can be obtained from a mixture of fullerenes.70And the present invention has been reached.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  In other words, this departureTomorrow, At least C60And C70A mixture of fullerenes containingActivated carbonAdsorb toIncludes aromatic hydrocarbon compounds with 10 or less carbon atomsWith eluent, C 60 Is eluted from the activated carbon, and then an eluent containing an aromatic compound having a naphthalene skeleton or a skeleton in which 1 or 2 of carbon forming the naphthalene skeleton is replaced with nitrogen is used. 70 EluteC characterized by70In the isolation method.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
C of the present invention70Applied to the isolation method of at least C60And C70The mixture of fullerenes containing (hereinafter sometimes simply referred to as “mixture of fullerenes”) may be obtained by any method. In order to produce fullerenes in large quantities, a combustion method in which the hydrocarbon raw material is incompletely burned or a thermal decomposition method in which the hydrocarbon raw material is decomposed under high heat is preferable, and the combustion method is particularly preferable.
[0014]
When producing fullerenes by the combustion method, the pressure condition is preferably 1330 to 13300 Pa (10 to 100 Torr), more preferably 3990 to 6650 Pa (30 to 50 Torr). As temperature conditions, 800-2500 degreeC is preferable and 1000-2000 degreeC is still more preferable.
As raw materials for fullerenes, aromatic hydrocarbons having 6 to 15 carbon atoms such as benzene, toluene, xylene, naphthalene, methylnaphthalene, anthracene and phenanthrene are preferably used. As a raw material, aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, and octane may be used in combination with these aromatic hydrocarbons.
[0015]
In the combustion method, the fullerene raw material simultaneously acts as a heat source. That is, the raw material hydrocarbon reacts with oxygen and generates heat to raise the temperature at which fullerene can be generated, and the raw material hydrocarbon is dehydrogenated to generate a carbon unit for forming a fullerene skeleton. It is considered a thing. Carbon units aggregate under a certain pressure and temperature condition to form fullerenes.
[0016]
The amount of oxygen used is slightly different depending on the type of raw material hydrocarbon. For example, when toluene is used as the raw material hydrocarbon, it is preferably 0.5 to 9 times mol and 1 to 5 times mol with respect to toluene. Is more preferable.
In the reaction system in the combustion method, a gas inert to fullerene may be present in addition to oxygen. Examples of these inert gases include helium, neon, argon, nitrogen, carbon dioxide and the like.
[0017]
The soot-like substance obtained by the combustion method contains fullerenes and polycyclic aromatic hydrocarbons, and the remainder other than that is usually carbonized in a polymer having a carbon graphite structure and some hydrogen atoms. Carbon-based polymer components such as hydrogen and carbon black.
The soot-like substance preferably contains 5% by weight or more of fullerenes, more preferably 10% or more, and particularly preferably 15% or more.
[0018]
In addition, the fullerenes produced according to the present invention are not limited in the number of carbons as long as they have a fullerene structure, but are usually fullerenes having 60 to 84 carbon atoms.60And C70The total proportion of all the fullerenes is preferably 50% or more, more preferably 70% or more, and particularly preferably 80% or more.
C70In the mixture of fullerenes70It is preferable that the ratio of C is as large as possible, but when producing fullerenes, C70If the production ratio is too large, the overall yield of fullerenes tends to be low.70Is preferably 10% to 50%, more preferably 15% to 40%.
[0019]
The mixture of fullerenes to be applied to the isolation method of the present invention is, for example, from a mixture containing a fullerene produced by the combustion method described above, a polycyclic aromatic hydrocarbon, and a carbon-based polymer component (saddle-like substance). A product obtained by removing the polycyclic aromatic hydrocarbon and the carbon-based polymer component in advance can be used.
Examples of the method for removing polycyclic aromatic hydrocarbons from the soot-like substance include, for example, a method for extracting and removing polycyclic aromatic hydrocarbons using a solvent having low solubility of fullerenes, and under an inert gas. There is a method of heating the soot-like substance and sublimating and removing the polycyclic aromatic hydrocarbon.
[0020]
In addition, as a method of removing the carbon-based polymer component from the soot-like substance, a method of extracting fullerenes using a solvent having a high solubility of fullerenes and, if necessary, separating insoluble carbon-based polymer components by filtration. Is mentioned.
Below, C60And C70As an example of a method for obtaining a mixture of fullerenes containing bismuth, polycyclic aromatic hydrocarbons are removed from submerged substances by sublimation (step A), and then fullerenes are separated from carbon-based polymer components by solvent extraction. (Step B) The method will be described.
[0021]
(Process A: Sublimation process)
As a condition for sublimating the polycyclic aromatic compound, the pressure is 100 to 2 × 10.FivePa is preferred, 1000 to 1.4 × 10FivePa is more preferable. At normal pressure, there is a merit that the device is simple, and under reduced pressure, there is a merit that the sublimation temperature of the polycyclic aromatic hydrocarbon is lowered. In view of economic efficiency, it may be carried out under optimum conditions. The temperature is preferably 100 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. Since the sublimation temperature varies depending on the pressure, it may be appropriately selected. However, in the case of normal pressure, 200 ° C. or higher and 700 ° C. or lower is more preferable, and 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower is particularly preferable. When the temperature is too low, the sublimation of the polycyclic aromatic hydrocarbon is insufficient, and when the temperature is too high, the fullerenes are also sublimated, and the recovery rate of the fullerenes is lowered.
[0022]
The apparatus used for sublimation is not particularly limited as long as it can withstand the sublimation conditions at the temperature / pressure described above, such as a batch type, a fixed bed type, a fluidized bed type, and a continuous type. Examples of the material used for the sublimation apparatus include metals such as quartz glass and stainless steel, ceramics, and glass.
Sublimation is performed in the presence of an inert gas. In the present invention, the inert gas means a gas that does not substantially react with fullerenes under the temperature / pressure conditions of sublimation. Examples of the inert gas include helium, neon, argon, nitrogen, and mixtures thereof. In order to avoid the reaction of fullerenes, the sublimation apparatus is substantially replaced with an inert gas during sublimation, and the oxygen content in the gas in the sublimation apparatus is preferably 10% by volume or less, preferably 5 volumes. % Or less, preferably 1% by volume. When the oxygen content is high, oxides of fullerenes may be generated.
[0023]
The sublimation of the polycyclic aromatic hydrocarbon is preferably performed under an inert gas flow. As a method performed under the flow of inert gas, for example, an inert gas inlet and outlet are provided in a sublimation apparatus, and the temperature is raised to a predetermined temperature while continuously flowing in and out of the inert gas. . The inert gas can be preheated when flowing into the sublimation apparatus.
[0024]
The flow rate of the inert gas when sublimation is performed under the flow of the inert gas is preferably 1 to 10,000 ml / min, and more preferably 5 to 5000 ml / min, with respect to 1 g of the soot-like substance. The flow of the inert gas may be continuous or intermittent.
[0025]
The polycyclic aromatic hydrocarbons sublimated from the sublimation apparatus are entrained in the inert gas, and the polycyclic aromatic hydrocarbons can be precipitated by lowering the temperature in the precipitation apparatus. The deposition apparatus may be provided in the same apparatus as the sublimation apparatus or may be provided separately, or may be a batch type or a continuous type. The recovered polycyclic aromatic hydrocarbons may be collected by mechanical collection or dissolved in a solvent and recovered. The inert gas after depositing and collecting the polycyclic aromatic hydrocarbons is released into the atmosphere or recycled. The operation time varies depending on the temperature, pressure, and gas flow rate, but is usually about 10 minutes to 12 hours.
[0026]
(Process B: Extraction process)
Next, the fullerenes from which the polycyclic aromatic hydrocarbons have been separated and the soot-like substance containing the carbon-based polymer component are mixed with an extraction solvent, and a step of obtaining an extract in which fullerenes are dissolved is performed. The carbon-based polymer component is not substantially dissolved in the extraction solvent. As the extraction solvent, a solvent containing an aromatic hydrocarbon is preferably used.
The aromatic hydrocarbon used as the extraction solvent is a hydrocarbon compound having at least one benzene nucleus in the molecule. Specifically, benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, n-propylbenzene, isopropylbenzene, n- Butylbenzene, sec-butylbenzene, tert-butylbenzene, 1,2,3-trimethylbenzene, 1,2,4-trimethylbenzene, 1,3,5-trimethylbenzene, 1,2,3,4-tetramethyl Examples thereof include alkylbenzenes such as benzene, 1,2,3,5-tetramethylbenzene, diethylbenzene, and cymene, alkylnaphthalenes such as 1-methylnaphthalene, and tetralin. Of these, 1,2,4-trimethylbenzene and tetralin are preferred.
[0027]
As the extraction solvent, in addition to aromatic hydrocarbons, organic solvents such as aliphatic hydrocarbons and chlorinated hydrocarbons may be used alone, or two or more of them may be used in an arbitrary ratio. As the aliphatic hydrocarbon, any aliphatic hydrocarbon such as cyclic or acyclic can be used. Examples of cycloaliphatic hydrocarbons include monocyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, and derivatives thereof such as methylcyclopentane, ethylcyclopentane, methylcyclohexane, ethylcyclohexane, 1 , 2-dimethylcyclohexane, 1,3-dimethylcyclohexane, 1,4-dimethylcyclohexane, isopropylcyclohexane, n-propylcyclohexane, t-butylcyclohexane, n-butylcyclohexane, isobutylcyclohexane, 1,2,4-trimethylcyclohexane, Examples include 1,3,5-trimethylcyclohexane and polycyclic decalin. Examples of acyclic aliphatic hydrocarbons include n-pentane, n-hexane, n-heptane, n-octane, isooctane, n-nonane, n-decane, n-dodecane, n-tetradecane and the like.
[0028]
Examples of the chlorinated hydrocarbon include dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, trichloroethylene, tetrachloroethylene, 1,2-dichloroethane, 1,1,2,2-tetrachloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, 1-chloronaphthalene and the like.
Other examples include ketones having 6 or more carbon atoms, esters having 6 or more carbon atoms, ethers having 6 or more carbon atoms, and carbon disulfide.
[0029]
When the solubility of fullerene is too low as the extraction solvent, the extraction efficiency is lowered. Therefore, the solubility of fullerene is preferably 5 g / L or more, more preferably 10 g / L or more, and particularly preferably 15 g / L or more. Also, from an industrial viewpoint, among these extraction solvents, those having a normal temperature liquid and a boiling point of 100 to 300 ° C, particularly 120 to 250 ° C are preferable.
[0030]
As the extraction solvent, it is necessary to use an amount sufficient to sufficiently extract fullerenes. In general, it is preferable to use about 40 to 200 times the amount of the fullerenes in the rod-like substance, considering the amount of 5 to 400 times the amount and economy. There are no particular limitations on the type and apparatus of extraction, such as batch, semi-continuous, continuous, or combinations thereof.
In addition, although 5 to 30% by weight of fullerenes are usually contained in the rod-like substance, from the viewpoint of extraction efficiency, it is preferable to set the amount of the extraction solvent used for the fullerenes within the above range. Prior to the extraction operation, it is preferable to analyze a part of the soot-like substance and measure the fullerene content in the soot-like substance.
[0032]
(C70Step of isolating
The extract thus obtained contains C60, C70, And higher order fullerene having a carbon number of at least that, an eluent containing an aromatic compound having a naphthalene skeleton or a skeleton in which one or two of the carbons forming the naphthalene skeleton are replaced by nitrogen From the fullerene mixture by column chromatography using70Is isolated.
The isolation operation typically involves first adsorbing fullerenes to the filler and then eluting the fullerenes.
[0033]
At least C60And C70In order to adsorb a mixture of fullerenes containing a column filler, it is usually carried out by bringing the fullerene mixture solution into contact with the column filler, but the solvent in the fullerene mixture solution has 7 to 7 carbon atoms. 15 aromatic hydrocarbons are preferable, among which aromatic hydrocarbons having 9 or 10 carbon atoms are more preferable, and trimethylbenzene or tetralin is particularly preferable. Further, the solvent of the extract used for extracting fullerene from the soot-like substance may be used as an eluent as it is, or a part or all of the extract may be distilled off and replaced with another eluent. .
[0034]
When activated carbon is used as the column filler, among the fullerenes adsorbed on the activated carbon, C60Usually, the compound species of70Prior to elution of C60Elute.
C60As an eluent used in the case of elution, it is preferable to use a solution having a high fullerene solubility and to treat a concentrated solution as much as possible. The solubility of fullerene is 5 g / L or more, more preferably 10 g / L or more. It is particularly preferable to use a material of 15 g / L or more. Specifically, the extraction solvent used in the above-mentioned step B is used, and among them, trimethylbenzene or tetralin is preferably used.
[0035]
  C60And C70And a lot of efficiencyDivisionIn order to release, first, an eluent containing an aromatic compound having 10 or less carbon atoms is used.60C. using an eluent containing an aromatic compound having a skeleton in which at least a part of the naphthylene skeleton or a carbon in which one or two carbons forming the naphthalene skeleton are replaced with nitrogen is eluted70EluteThe
[0036]
Next, C70The aromatic compound having a skeleton in which 1 or 2 of carbon forming the naphthalene skeleton or the naphthalene skeleton used as an eluent is substituted with nitrogen may have a substituent, and as the substituent, a methyl group, Examples thereof include alkyl groups such as an ethyl group, halogen atoms such as fluorine and chlorine, and halogenated alkyl groups such as a trifluoromethyl group and a chloromethyl group. However, considering the reduction of environmental burden and the convenience of handling, those having no halogen atom are preferable.
Specific examples of the aromatic hydrocarbon having a naphthalene skeleton include 1-methylnaphthalene, 2-methylnaphthalene, 1,2-dimethylnaphthalene, 1,4-dimethylnaphthalene, 1,5-dimethylnaphthalene and the like. be able to. Moreover, quinoline is mentioned as an aromatic compound which has the skeleton by which 1 or 2 of carbon which forms a naphthalene skeleton was substituted by nitrogen.
[0037]
C70The eluent may be used in combination with a solvent other than the above-mentioned aromatic compound having a naphthalene skeleton, such as a mixed solvent of methylnaphthalene and trimethylbenzene, a mixed solvent of methylnaphthalene and tetralin, A mixed solvent is mentioned.
Since the eluent needs to be a liquid under the temperature and pressure conditions at the time of elution, an aromatic compound having a skeleton in which 1 or 2 of carbon forming the naphthalene skeleton or the naphthalene skeleton is replaced with nitrogen is used. Among them, when using a compound that is solid at room temperature, the temperature at the time of elution is heated to a temperature higher than the temperature at which the eluent becomes liquid.
[0038]
The temperature at the time of elution is usually 0 to 200 ° C, preferably 20 to 200 ° C, and more preferably 50 to 150 ° C. When the temperature is extremely low, elution efficiency is deteriorated, and when the temperature is extremely high, fullerenes may be decomposed.
[0039]
  The present inventionThenAs a fillerLiveCharcoalIs used.Above all, the cumulative pore volume of pores with a diameter of 2 nm or less is 0.3 cm.Three/ G or more activated carbonPreferGood. This activated carbon is C among fullerenes.60Has the smallest adsorption power to C, then C70Adsorption power against C is small, C70Adsorption power for higher fullerenes exceeding C is C60, C70Is higher than60, C70And C70Excellent ability to separate higher-order fullerenes, resulting in high purity C70Can be isolated.
[0040]
The cumulative pore volume of pores with a diameter of 2 nm or less is 0.3 cmThree/ G or less, the adsorption capacity for fullerenes is low, and C60, C70And C70It is difficult to separate higher-order fullerenes exceeding 1. The integrated pore volume of pores with a diameter of 2 nm or less is preferably 0.4 cm.Three/ G or more, more preferably 0.5 cmThree/ G or more. The upper limit is not specified, but is usually 10cmThree/ G or less.
[0041]
The specific surface area of the activated carbon is 1600m2/ G or more, preferably 2000 m 2 / g or more, preferably 2500 m2The above is particularly preferable. When the specific surface area is in the above range, the treatment capacity of fullerenes per one time is increased.
Further, the activated carbon preferably has a ratio of particles having a particle diameter of 30 μm or less of 40% or less, preferably 30% or less, particularly preferably 25% or less. If the ratio of the activated carbon having a small particle size of 30 μm or less is within the above range, the operation of treating the mixture of fullerenes becomes easy.
[0042]
【Example】
EXAMPLES Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.
75 g of the soot-like material produced by the combustion method and 1500 mL of 1,2,4-trimethylbenzene (TMB) were mixed in a 2 L Erlenmeyer flask at room temperature and immersed in an ultrasonic cleaner for 30 minutes. The slurry was subjected to pressure filtration with nitrogen at a pressure of 2 kgG using a pressure filter device manufactured by ADVANTEC with a diameter filter of 142 mm, PTFE, and 0.5 μm membrane filter. Of the filtrate, 118 g was concentrated up to 30 g using a Buich evaporator at 90 ° C. and 20 Torr. The liquid was put into a 500 cc separable flask and stirred with a rotary blade. After raising the temperature to 50 ° C., 125 g of THF was added with a pump over 60 minutes while maintaining the temperature. Hold for 10 minutes after addition. The solution was in a slurry state. This slurry was filtered under reduced pressure using a membrane filter having a diameter of 47 mm, PTFE, and 0.5 μm manufactured by ADVANTEC, and after completion of filtration, 50 mL of THF was further sprinkled and washed. The solid content separated by filtration was dried under conditions of 100 ° C. and 5 Torr or less using a vacuum dryer. The fullerenes thus obtained had a fullerene purity of 91.9% by weight and contained 289 ppm by weight of a polycyclic aromatic compound.
The fullerenes were analyzed using liquid chromatography, and the polycyclic aromatic hydrocarbons were analyzed using gas chromatography.
[0043]
(Creation of activated carbon column)
Powdered activated carbon MAXSORB MSC30 manufactured by Kansai Thermochemical Co., Ltd. (integrated pore volume of pores having a diameter of 20 mm or less; 0.55 cmThree/ G, specific surface area 3,250 square meters / g; potassium hydroxide activated). 95.1g is weighed on top of 286, and sieved in the air at a strength of scale 50 for 5 minutes using a sieve shaker VSS-50 manufactured by Tsutsui Rika Kikai Co., Ltd. and a sieve with an opening of 26 micrometers. , 49.5 g remained on the sieve and was transferred to a 1 L glass beaker. While changing the amount weighed on the sieve, the same operation was further repeated twice to obtain a total of 177.6 g of MAXSORB MSC30 remaining on the sieve. 0.2 mg of MAXSORB MSC30, which is a commercial product, and MAXSORB MSC30 remaining on the sieve were weighed and dispersed in water, and analyzed with a laser diffraction particle analyzer SALD-2000J manufactured by Shimadzu Corporation. The average particle size of the product was 82 μm and 94 μm, respectively. Of the sieve residue, the ratio of particles having a particle size of 30 μm or less was 13%.
[0044]
  When the specific surface area of MAXSORB MSC30 which is a commercial product and MAXSORB MSC30 remaining on the sieve was calculated by the BET multipoint method in the range of relative pressure of 0.002 to 0.2, each was 2994 m.2/ G, 2990m2/ G. When the pore volume was calculated from the amount of nitrogen adsorbed at a relative pressure of 0.93, the commercially available product was 1.60 cm.Three/ G, sieve residue is 1.59 cmThree/ G. 130 g of the sieve residue is transferred to another 1 L beaker, and heat is removed in a 22 ° C. water bath while being manufactured by Maruzen Petrochemical Co., Ltd. 1, 2, 4An activated carbon slurry was prepared by slowly adding 0.6 L of trimethylbenzene (also known as pseudocumene) over 5 minutes while stirring.
[0045]
An eye plate was placed at the bottom of a column made of SUS304 (column inner diameter 8 mm, height 100 mm), and Advantech filter paper 5C cut out to a diameter of 8 mm was placed on the plate, and attached to the column body and fixed. The upper part of the column was removed, and 4 mL of the activated carbon slurry was poured into the column body and sucked under reduced pressure from the bottom outlet, and an activated carbon bed was created while extracting trimethylbenzene from the slurry. Trig methylbenzene is extracted until just before the upper part of the activated carbon bed is above the liquid level, and an activated carbon bed with a layer height of 98 mm is created while repeating the operation of adding slurry, and the upper flange with the eye plate and filter paper is attached. Fixed with screws. The volume of the activated carbon bed is 5cmThreeMet. The column was attached to the liquid feeding line.
[0046]
(Creation of raw material liquid)
Fullerene (C60; 61%, C70; 24%, including a small amount of polycyclic aromatic hydrocarbons; 35.02 g) obtained by the above combustion method is weighed into a 6 L SUS raw material tank, and 6 L of trimethylbenzene is charged. Then, a three-one motor with a stirring blade was attached and stirred well for 1 hour at a strength of 5 to obtain a raw material solution. A trimethylbenzene 6L raw material tank was attached to the liquid feed line. Subsequently, 5 L of trimethylbenzene was charged into the eluent tank and attached to the liquid feed line.
[0047]
(Liquid feed)
After the upper part of the column and the liquid feed line were temporarily separated, the pump was driven to remove the air in the liquid feed line while feeding the raw material liquid. Immediately after the pump was stopped, the upper part of the column was connected to the liquid feed line.
A screw bottle with a capacity of 110 mL was installed at the outlet at the bottom of the column so that the effluent could be collected, and when the pump was driven to start feeding the raw material liquid, a colorless and transparent liquid flowed out of the outlet. When the outflow rate was 3 mL / min, the pressure gauge display was 0.2 MPa. When 77 mL of the raw material liquid was poured as it was, it was switched to the next screw bottle.
[0048]
(C60Eluent delivery)
When the feeding of 77 mL of the raw material liquid was completed, the pump was stopped, the valve was switched, and the feeding of trimethylbenzene as the eluent was started. 33 minutes after starting the feed of the raw material liquid, it was confirmed that the C60 component started to flow out and the liquid color was purple when about 100 mL flowed out.
Here, 77 mL of the raw material liquid was 15.4 times the volume VB of the activated carbon bed. The ratio of the total amount V of the raw material liquid and the eluent to the volume VB of the activated carbon bed, that is, V / VB may be handled as an index of the effluent amount.
The second and subsequent fractions were collected while changing the fraction every time the effluent amount reached 100 mL, a total of 396 mL of trimethylbenzene was fed, and the pump was stopped when the collection of the fifth fraction was completed.
[0049]
(C70Eluent delivery)
600 mL of 1-methylnaphthalene manufactured by Tokyo Chemical Industry was put into a 1000 mL glass beaker and attached to the liquid feeding line of the pump. The pump liquid feed line had an outer diameter of 3 mm, an inner diameter of 1 mm, and a length of 1 m, and was bent in the vicinity of where the column was mounted so that most of the line was in the vicinity of the column. The pump was driven after temporarily detaching the connection between the column upper part and the liquid feeding line, and while replacing 1-methylnaphthalene, the liquid feeding line was replaced and the remaining air in the piping was removed. Immediately after the pump was stopped, the upper part of the column was connected to the liquid feed line. The entire column and most of the liquid feed line were attached to a circulating oil bath, and the temperature of the oil bath was set to 120 ° C. One hour later, when the temperature of the oil bath reached 120 ° C., the feeding of 1-methylnaphthalene was started. 25 mL was fractionated as 6 to 9 fractions, and then 100 mL was fractionated as 10 to 14 fractions, and the pump was stopped when a total of 594 mL of 1-methylnaphthalene was fed.
[0050]
(Analysis and results)
From the results of LC analysis of each fraction, the concentrations of C60 oxide, C60, C70 and further fullerene having a higher molecular weight were calculated to obtain a chromatogram. Fullerenes having a molecular weight higher than that of C70 did not flow out. The chromatogram of each component is shown in FIG. Further, the C60 recovery rate calculated from the weight ratio of C60 contained in 77 mL of the raw material solution to the total weight of C60 contained in fractions 1 to 5 was 70.0%. Further, the sum of C60, C70 and other components contained in fractions 1 to 5 was obtained, and the purity of C60 when fractions 1 to 5 were the same was calculated to be 99.2%. The recovery rate of C70 was calculated from the weight ratio of C70 contained in 77 mL of the raw material solution to the total weight of C70 contained in fractions 10 to 14, and found to be 54.3%. Further, the sum of C60, C70 and other components contained in fractions 10 to 14 was obtained, and the purity of C70 when fractions 10 to 14 were the same was calculated to be 97.3%.
[0051]
(Example 2)
Isolation of fullerene obtained by the combustion method in the same manner as in Example 1 except that 1,2,4 trimethylbenzene and 1-methylnaphthalene used in Example 1 were purified by multistage distillation. When purification was attempted, almost the same result as in Example 1 was obtained. It was confirmed that the solvent can be recycled.
[0052]
(Comparative Example 1)
C70Attempts were made to isolate and purify fullerene obtained by the combustion method in the same manner as in Example 1 except that o-dichlorobenzene was used as the eluent for use and the temperature at that time was 20 ° C. C70There is almost no elution of C70The recovery rate was less than 10%.
(Comparative Example 2)
C70Attempts were made to isolate and purify fullerene obtained by the combustion method in the same manner as in Example 1 except that toluene was used as the eluent for use and the temperature at that time was 20 ° C.70There is almost no elution of C70The recovery rate was less than 5%.
[0053]
【The invention's effect】
According to the present invention, C70Can be provided in a large amount and with high purity.

Claims (5)

少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物を活性炭に吸着させ、炭素数10以下の芳香族炭化水素化合物を含む溶離液を用いて、C60の少なくとも一部を活性炭から溶離し、次いでナフタレン骨格又はナフタレン骨格を形成する炭素の1又は2が窒素に代替された骨格を有する芳香族化合物を含む溶離液を用いてC70を溶離させることを特徴とするC70の単離方法。A mixture of fullerenes containing at least C 60 and C 70 is adsorbed on activated carbon, and at least a part of C 60 is eluted from the activated carbon using an eluent containing an aromatic hydrocarbon compound having 10 or less carbon atoms, and then naphthalene. methods of isolating C 70, characterized in that eluting of C 70 with an eluent containing an aromatic compound having a skeleton 1 or 2 is replaced by nitrogen atoms which form the skeleton or naphthalene skeleton. ナフタレン骨格又はナフタレン骨格を形成する炭素の1又は2が窒素に代替された骨格を有する芳香族化合物が、1−メチルナフタレン、2−メチルナフタレン、1,2−ジメチルナフタレン、1,4−ジメチルナフタレン、1,5−ジメチルナフタレンまたはキノリンであることを特徴とする請求項1に記載のC70の単離方法。 Aromatic compounds having a naphthalene skeleton or a skeleton in which one or two carbon atoms forming the naphthalene skeleton are replaced by nitrogen are 1-methylnaphthalene, 2-methylnaphthalene, 1,2-dimethylnaphthalene, 1,4-dimethylnaphthalene method for isolating C 70 according to claim 1, wherein the 1,5-dimethylnaphthalene or quinoline. ナフタレン骨格又はナフタレン骨格を形成する炭素の1又は2が窒素に代替された骨格を有する芳香族化合物を含む溶離液の温度が20〜200℃であることを特徴とする請求項1または2に記載のC70の単離方法。Claim 1 or 2 1 or 2 carbon that forms a naphthalene skeleton or a naphthalene skeleton temperature of the eluting solution containing the aromatic compound having an alternative backbone nitrogen is characterized in that it is a 20 to 200 ° C. isolation method of C 70. 少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物の芳香族炭化水素溶液と活性炭とを接触させて、少なくともC60及びC70を含むフラーレン類の混合物を活性炭に吸着させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のC70の単離方法。An aromatic hydrocarbon solution of a mixture of fullerenes containing at least C 60 and C 70 and activated carbon are brought into contact with each other to adsorb the mixture of fullerenes containing at least C 60 and C 70 on the activated carbon. methods of isolating C 70 according to any one of 1 to 3. 少なくともC 60 及びC 70 を含むフラーレン類の混合物を活性炭に吸着させる際に、該混合物を炭素数7〜15の芳香族炭化水素溶液として活性炭に接触させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のC70の単離方法。 When adsorbing a mixture of fullerenes to the activated carbon comprising at least C 60 and C 70, as claimed in claim 1, wherein contacting the activated carbon and the mixture as an aromatic hydrocarbon solution of 7 to 15 carbon atoms methods of isolating C 70 of any one.
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