CN110072607A - 具有气固分离的微波反应器系统 - Google Patents

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Abstract

公开了具有微波等离子体反应器和多阶段气固分离系统的微波化学处理系统。微波能量源具有波导、反应区和被配置成能够接收输入材料的入口，并且输入材料被转化成分离的组分。分离的组分包含氢气和碳颗粒。多阶段气固分离系统具有用于从分离的组分中过滤碳颗粒的第一旋风分离器，以及反脉冲过滤系统，所述反脉冲过滤系统被耦合到第一旋风分离器的输出以从第一旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。

Description

具有气固分离的微波反应器系统
相关申请
本申请要求以下优先权：1)2016年10月6日提交的题为“Microwave ReactorSystem”的美国临时专利申请号62/404,851；和2)2016年10月11日提交的题为“Bio-GasSystem”的美国临时专利申请号62/406,745；所述专利全部通过引用并入本文。
背景技术
微波等离子体用于气体的工业化学处理。这通常通过使待反应的气体流过细长容器，同时将微波能量耦合到容器中以产生等离子体来完成。等离子体将气体分子裂化成组分物质。微波化学处理系统是有效的，因为微波等离子体在低离子能量下以相对高的功率耦合效率工作，并且能够支持各种气体反应(诸如甲烷转化为氢气和碳颗粒、二氧化碳转化为氧气和碳)以及将颗粒和其他种子材料与其他层一起涂覆用于功能化以及复杂的层状材料和聚集体处理。
用于化学气体处理的典型系统包括处理材料流过的石英反应室，以及通过波导耦合到反应室的微波磁控管源。输入的微波能量可以是连续波或脉冲。系统被设计成能够控制微波能量有效耦合到反应室中，以及反应室内的气体流动以改善流动气体的能量吸收。通常，系统包括位于微波波导与石英反应室相交的位置的楔形物，以将电场集中在小区域内，并且波导导电壁不暴露于待处理的气体。
在产生气体和微粒的微波化学处理系统中，使用气固分离系统完成微粒过滤。气固分离系统可包含旋风过滤器、反脉冲过滤器或其他过滤器。例如，从微波化学处理系统中产生的氢气中过滤含碳颗粒是具有挑战性的。在一些情况下，产生的含碳颗粒非常小(例如，中值粒径小于100nm)，这使颗粒过滤更有挑战性。用于从气流中分离含碳颗粒的一些气固分离系统使用反脉冲过滤器。在一些情况下，反脉冲过滤器采用加热的过滤器(例如，加热的滤棒)。在这些系统中的一些中，通过将气体吹过滤棒以逐出含碳颗粒来定期地清洁反脉冲过滤器(即，使用使气体沿与过滤方向相反的方向流动的反脉冲)。用于从氢气中分离含碳颗粒的其他气固分离系统使用旋风分离器。在一些情况下，旋风分离器也是加热的。
发明内容
在一些实施方案中，材料处理系统包括含有烃类气体的输入材料；微波等离子体反应器；和耦合到微波等离子体反应器的多阶段气固分离系统。在一些实施方案中，微波等离子体反应器包括微波能量源；波导；反应区，其中微波能量源通过波导耦合到反应区，并且微波能量在反应区中产生等离子体；和入口，其被配置成能够接收输入材料，其中输入材料通过入口流入反应区。等离子体将输入材料分离成分离的组分，分离的组分包括氢气和碳颗粒。在一些实施方案中，多阶段气固分离系统包括具有输出的第一旋风分离器，其中第一旋风分离器从分离的组分中过滤碳颗粒；和耦合到第一旋风分离器的输出的反脉冲过滤系统，其中反脉冲过滤系统从第一旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。
在一些实施方案中，用于产生碳颗粒的过程包括提供包含烃类气体的输入材料；使用微波等离子体反应器将输入材料处理成分离的组分，其中分离的组分含有氢气和碳颗粒；以及使用多阶段气固分离系统从氢气中过滤碳颗粒。
在一些实施方案中，多阶段气固分离系统包括具有输出的第一旋风分离器；和反脉冲过滤系统，其中第一旋风分离器从分离的组分中过滤碳颗粒；并且反脉冲过滤系统从第一旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。
附图说明
图1A-1D是本领域已知的碳同素异形体的示意图。
图1E是根据一些实施方案的理想化连接的多壁球形富勒烯的示意图。
图2A是根据一些实施方案的微波化学处理系统的示意图。
图2B是根据一些实施方案的集成到台架中的微波化学处理系统的示意图。
图3A是根据一些实施方案的微波等离子体反应器的简化垂直截面。
图3B是根据一些实施方案的具有长丝的微波等离子体反应器的简化垂直截面。
图3C-3F是根据一些实施方案的具有多个场增强波导和多个微波能量源的微波化学处理系统的框图。
图3G-3H是根据一些实施方案的微波化学处理系统的简化图，其中多个场增强波导耦合到一个微波能量发生器。
图4A是根据本公开的实施方案的用于气体微波处理的方法的示例流程图。
图4B是根据本公开的实施方案的用于气体微波处理的方法的示例流程图。
图5A和5B示出了根据一些实施方案的在第一实施例中含有石墨和石墨烯的原样合成的碳聚集体的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图5C和5D示出了根据一些实施方案的在第一实施例中收集的碳颗粒的粒径分布。
图6A-6C示出了根据一些实施方案的在第二实施例中含有石墨、石墨烯和无定形碳的原样合成的碳聚集体的TEM图像。
图6D示出了根据一些实施方案的在第二实施例中收集的碳颗粒的粒径分布。
具体实施方式
微波等离子体化学处理系统使用微波能量来产生等离子体，并且等离子体用于将输入材料转换成分离的组分。在一些情况下，分离的组分包括固体颗粒和气态产物的混合物。在此类系统中，微波等离子体化学反应器可以被设计成能够由特定的输入材料产生具有所需性质的气体和颗粒(例如，产物气体种类、产物气体纯度、颗粒组成和晶体结构、粒径、表面积、质量密度、电导率等)。输入材料性质(例如，输入材料种类、输入材料纯度等)也可以影响分离的组分的性质(例如，产物气体种类、产物气体纯度、颗粒组成和晶体结构、粒径、表面积、质量密度、电导率等)。另外，在产生固体颗粒和气态产物的混合物的微波等离子体化学处理系统中，气固分离系统是至关重要的。有效过滤大部分生产的颗粒并且具有成本效益的气固分离系统可能难以生产。
在整个本公开中，术语“处理材料”、“输入材料”和“前体材料”都是指在微波等离子体化学处理系统中被转化成分离的组分的材料。在一些实施方案中，输入材料是“处理气体”。
本公开中描述的微波等离子体化学处理系统和方法能够从各种输入材料经济地产生固体颗粒和气态产物。本文所述的微波等离子体化学反应器和微波等离子体材料处理方法能够实现具有所需性质的固体颗粒和气态产物的高生产率。本文所述的气固分离系统和方法能够从气态产物经济地过滤固体颗粒。本文所述的气固分离系统还可以影响所产生的固体颗粒和气态产物的性质。
在一些实施方案中，材料处理系统包括：输入材料，其包括烃类气体，微波等离子体反应器，以及耦合到微波等离子体反应器的多阶段气固分离系统。在一些实施方案中，微波等离子体反应器包括：微波能量源，具有反应区的波导，其中微波能量源通过波导耦合到反应区，并且微波能量在反应区中产生等离子体。在一些实施方案中，微波等离子体反应器还包括配置成能够接收输入材料的入口，其中输入材料流过入口进入反应区，并且等离子体将输入材料分离成分离的组分(例如，氢气和碳颗粒)。
在一些实施方案中，输入材料可以是气体、液体或胶体分散体。在各种实施方案的微波等离子体化学处理反应器中，将输入材料处理成分离的组分发生在波导的反应区中。在本公开中，可以使用一种类型的输入材料(例如气体)作为示例材料来描述实施方案，但是实施方案可以同样适用于其他类型的材料，诸如液体和/或胶体分散体。
在一些实施方案中，输入材料(例如，处理材料)是气体。在一些实施方案中，输入材料是烃类气体，例如C2H2、C2H4、C2H6。在一些实施方案中，输入材料是工业气体，诸如天然气或生物气。在一些实施方案中，输入材料是天然气和氢气的混合物，或生物气和氢气的混合物。在一些实施方案中，处理材料是甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯或丁二烯，并且分离的组分是氢气和纳米颗粒碳。在一些实施方案中，处理材料是含水的二氧化碳，分离的组分是氧气、碳和水。在一些实施方案中，处理材料是H2S，并且分离的组分是氢气和硫。在一些实施方案中，输入材料不含二氧化碳，或具有小于1％的二氧化碳、或小于0.1％的二氧化碳、或小于0.01％的二氧化碳。在一些实施方案中，输入材料不含氧气，或具有小于1％的氧气、或小于0.1％的氧气、或小于0.01％的氧气。在一些实施方案中，处理材料不含水，或具有小于1％的水、或小于0.1％的水、或小于0.01％的水。在一些实施方案中，处理材料是基于复合气体的材料，例如SiH4、三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、SF6以及半导体工业中使用的用于沉积和蚀刻金属和电介质的其他材料。
在一些实施方案中，分离的产物包括氢气，并且氢气用于诸如精炼厂、氨合成、甲醇合成、冶金还原过程或脂肪酸氢化的应用中。
在一些实施方案中，输入材料是在工业过程中产生的气体，诸如天然气或生物气。在一些情况下，输入材料可以是工业过程的副产物。
天然气(NG)输入材料通常含有甲烷和乙烷。NG还可以含有其他烃类，诸如丙烷、丁烷和戊烷。NG还可以含有较低浓度的其他物质，诸如氮气和二氧化碳。一般来讲，天然气中的物质组成因来源而异。在一些实施方案中，NG含有甲烷、至多10mol％的乙烷、至多5mol％的丙烷、至多2mol％的丁烷、至多4mol％的氮气和至多4mol％的二氧化碳。作为一个特定区域的实例，北加利福尼亚NG含有86.6重量％的甲烷、5.86重量％的乙烷、3.5重量％的丙烷、1.51重量％的丁烷、2.5重量％的二氧化碳和浓度低于实验检测极限的氮气。
生物气输入材料通常包含甲烷、二氧化碳、氮气、水和其他物质。一般来讲，生物气中的物质组成因来源而异。例如，生物气可含有约65％至70％的甲烷、25％至30％的二氧化碳、0％至5％的氮气、0％至5％的水、0％至5％的硫化氢以及小于1％的氧气。在其他实施方案中，生物气的组成可以在这些范围之外，并且可以包括其他物质。在一些实施方案中，生物气输入材料在转化前在微波等离子体反应器中预处理，以去除一种或多种成分物质，诸如二氧化碳、硫化氢、水和/或氧气。
在一些实施方案中，进入反应器的输入材料的流动速率为1slm(标准升/分钟)至1000slm、或2slm至1000slm、或5slm至1000slm、或大于1slm、或大于2slm、或大于5slm。
在一些实施方案中，分离的组分含有氢气和碳颗粒，并且以每单位体积气体的固体质量表示的固体负荷为大于0.001g/L、或大于0.01g/L，或大于0.05g/L、或大于0.1g/L、或大于0.15g/L、或大于0.2g/L、或大于0.25g/L、或大于1g/L、或大于2g/L、或大于5g/L、或0.001g/L至5g/L、或0.001g/L至2.5g/L、或0.001g/L至1g/L、或0.001g/L至0.5g/L、或0.001g/L至0.1g/L、或0.01g/L至5g/L、或0.01g/L至2.5g/L、或0.01g/L至1g/L、或0.01g/L至0.5g/L、或0.01g/L至0.4g/L、或0.01g/L至0.3g/L、或0.01g/L至0.2g/L、或0.01g/L至0.1g/L、或0.1g/L至5g/L、或0.1g/L至2.5g/L、或0.1g/L至1g/L、或0.1g/L至0.5g/L、或0.1g/L至0.4g/L、或0.1g/L至0.3g/L、或0.1g/L至0.2g/L。
在一些实施方案中，当分离的组分包括固体颗粒和气态产物时，多阶段气固分离系统包括一个或多个旋风分离器和细粒过滤系统。在一些情况下，一个或多个旋风分离器从分离的组分中过滤碳颗粒，并且细粒过滤系统被耦合到第一旋风分离器的输出，使得细粒过滤系统从旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。细粒过滤器的一些实例是利用多孔介质以捕获颗粒的过滤器(例如，压力过滤器、真空过滤器、反脉冲过滤器等)、利用液体以捕获颗粒的过滤器(例如，蒸馏塔、液体涡流过滤器等)和利用静电力以捕获颗粒的过滤器(例如，静电沉淀过滤器)。
在一些实施方案中，其中分离的组分包括固体颗粒和气态产物，多阶段气固分离系统包括一个或多个旋风分离器和反脉冲过滤系统。在一些情况下，一个或多个旋风分离器从分离的组分中过滤碳颗粒，并且反脉冲过滤系统被耦合到第一旋风分离器的输出，使得反脉冲过滤系统从旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。在一些实施方案中，气固分离系统(例如旋风分离器和反脉冲过滤系统)的温度也可升高，以防止气态物质在过滤器和产生的颗粒上冷凝。在一些实施方案中，气态产物在气固分离系统之后和储存之前被纯化。虽然本实施方案将被描述为使用反脉冲过滤器，但是其他类型的细粒过滤器可以应用于实施方案。
使用微波化学处理系统产生的碳同素异形体
在一些实施方案中，微波化学处理系统产生碳纳米颗粒和聚集体，诸如题为“Carbon Allotropes”的美国专利申请号15/594,032和题为“Seedless Particles WithCarbon Allotropes”的美国专利申请号15/711,620”中描述的材料，这些申请被转让给与本申请相同的受让人，并且通过引用并入本文，如同在本文中出于所有目的完全阐述一样。用于生产本文所述的碳纳米颗粒和聚集体的微波等离子体气体处理系统方法和装置的附加信息和实施方案也描述于前述美国专利申请中。
一般而言，微波等离子体反应器和气固分离系统内的输入材料和处理条件将影响所产生的碳颗粒和聚集体的性质。在一些实施方案中，颗粒和聚集体包括不同的碳同素异形体(即各种形式)，其包括石墨、石墨烯、富勒烯、无定形碳及其组合，如下所述。在一些实施方案中，与用常规系统和方法可实现的不大有序和较低纯度的颗粒相比，碳纳米颗粒和聚集体的特征在于高度有序(即，低浓度的缺陷)和/或高纯度(即，低浓度的元素杂质)。
本文描述的材料的形状因子是颗粒(例如，纳米颗粒或聚集体)。形状因子不是布置在物体或基板上的膜。在一些实施方案中，本文所述的碳颗粒是无核或无籽的(即，不含除碳外的材料的核或籽)。在一些实施方案中，本文所述的碳聚集体的特征在于显著大于可比较的现有技术颗粒的尺寸。
与通过常规系统和方法产生的颗粒相比，本文所述的无籽碳纳米颗粒和聚集体具有低浓度的元素杂质，并且具有原样合成的大颗粒尺寸、高表面积和高电导率。在一些实施方案中，如本文所述，使用相对高速、低成本、改进的微波化学处理系统和方法生产和过滤本文所述的碳纳米颗粒和聚集体。
在本公开中，术语“石墨烯”是指二维原子级六方晶格形式的碳的同素异形体，其中一个原子形成每个顶点。石墨烯中的碳原子是sp2键合的。另外，石墨烯的拉曼光谱具有三个主峰：约1580cm-1处的G模式，约1350cm-1处的D模式和约2690cm-1处的2D模式峰(当使用532nm激发激光时)。在本公开中，单层石墨烯是单片六方布置的(即sp2键合的)碳原子。已知2D模式峰的强度与G模式峰的比率(即，2D/G强度比率)与石墨烯中的层数相关。较高的2D/G强度比率对应于多层石墨烯材料中较少的层。在本公开的不同实施方案中，石墨烯含有少于15层碳原子、或少于10层碳原子、或少于7层碳原子、或少于5层碳原子、或少于3层碳原子，或含有单层碳原子，或含有1至10层碳原子，或含有1至7层碳原子，或含有1至5层碳原子。在一些实施方案中，少层石墨烯(FLG)含有2至7层碳原子。在一些实施方案中，多层石墨烯(MLG)含有7至15层碳原子。
在本公开中，术语“石墨”是指二维原子级六方晶格形式的碳的同素异形体，其中一个原子形成每个顶点。石墨中的碳原子是sp2键合的。另外，石墨的拉曼光谱具有两个主峰：约1580cm-1处的G模式和约1350cm-1处的D模式(当使用532nm激发激光时)。与石墨烯类似，石墨含有六方布置的(即sp2键合的)碳原子层。在本公开的不同实施方案中，石墨可包含多于15层碳原子、或多于10层碳原子、或多于7层碳原子、或多于5层碳原子、或多于3层碳原子。
在本公开中，术语“富勒烯”是指空心球、椭圆、管或其他形状的碳分子。球形富勒烯也可称为巴克明斯特富勒烯(Buckminsterfullerene)或巴克球(buckyball)。圆柱形富勒烯也可称为碳纳米管。富勒烯在结构上类似于石墨，其由连接的六方环的堆叠石墨烯片组成。富勒烯也可含有五角形(或有时是七角形)环。
在本公开中，术语“多壁富勒烯”是指具有多个同心层的富勒烯。例如，多壁纳米管(MWNT)包含石墨烯的多个轧制层(同心管)。多壁球形富勒烯(MWSF)包含富勒烯的多个同心球。
在本公开中，术语“无定形碳”是指具有最小结晶结构或没有结晶结构的碳同素异形体。一种用于表征无定形碳的方法是通过材料中存在的sp2与sp3杂化键的比率。sp2与sp3的比率可以通过比较各种光谱峰(包括EELS、XPS和拉曼光谱)的相对强度与具有sp2或sp3杂化的碳同素异形体预期的相对强度来确定。
在本公开中，术语“纳米颗粒”是指尺寸为1nm至900nm的颗粒。纳米颗粒可包括一种或多种类型的结构(例如，晶体结构、缺陷浓度等)和一种或多种类型的原子。纳米颗粒可以是任何形状，其包括但不限于球形、椭球形、哑铃形、圆柱形、细长圆柱形、矩形棱柱形、圆盘形、线形、不规则形状、致密形状(即，具有很少的空隙)、多孔形状(即，具有许多空隙)等。在本公开中，术语“颗粒”是指具有任何尺寸的颗粒，包括纳米颗粒。
在本公开中，术语“聚集体”是指通过范德华力、通过共价键、通过离子键、通过金属键或者通过其他物理或化学相互作用连接在一起的多个颗粒或纳米颗粒。聚集体尺寸变化可以相当大，但一般大于约500nm。
在整个本申请中，术语“颗粒”是通用术语，其可包括任何尺寸的颗粒，包括纳米颗粒和聚集体。
本文所述的碳颗粒和纳米颗粒含有石墨和石墨烯，没有种子颗粒。在一些实施方案中，本文所述的颗粒和纳米颗粒包含含有大于15层碳原子、或大于10层碳原子、或大于7层碳原子、或大于5层碳原子、或大于3层碳原子的石墨，和含有少于15层碳原子、或少于10层碳原子、或少于7层碳原子、或少于5层碳原子、或少于3层碳原子、或包含单层碳原子、或包含1至10层碳原子、或包含1至7层碳原子、或包含1至5层碳原子的石墨烯，没有种子颗粒。在一些实施方案中，多个碳颗粒或纳米颗粒包含在碳聚集体内。在一些实施方案中，碳材料含有多个碳聚集体。
在一些实施方案中，碳颗粒或纳米颗粒还包含多壁球形富勒烯(MWSF)。在一些实施方案中，碳颗粒或纳米颗粒还包含连接的MWSF，其中石墨烯层涂覆连接的MWSF。在一些实施方案中，碳颗粒或纳米颗粒还包括无定形碳。
在一些实施方案中，本文所述的颗粒和聚集体含有石墨烯和第二碳同素异形体的混合物，并且不含种子颗粒。在一些实施方案中，第二碳同素异形体是石墨、MWSF、连接的MWSF或无定形碳。在一些实施方案中，颗粒和聚集体含有石墨烯、第二碳同素异形体和第三碳同素异形体的混合物，并且不含种子颗粒。在一些实施方案中，第二同素异形体是石墨，并且第三同素异形体是MWSF、连接的MWSF或无定形碳。
在一些实施方案中，本文所述的颗粒和聚集体含有更高阶的碳同素异形体。常规理想化的更高阶的碳同素异形体的一些实例在图1A-1D中示出。图1A示出石墨的示意图，其中碳形成二维原子级六方晶格的多个层，其中一个原子形成每个顶点。石墨由单层石墨烯制成。图1B示出碳纳米管的示意图，其中碳原子形成弯曲成圆柱体的六方晶格。碳纳米管也可称为圆柱形富勒烯。图1C示出C60巴克明斯特富勒烯的示意图，其中单层六方晶格碳原子形成球形。存在其他球形富勒烯，其包含单层六方晶格碳原子，并且可含有60个原子、70个原子或多于70个原子。图1D示出来自美国专利号6,599,492的碳纳米洋葱的示意图，其含有多个球形富勒烯的同心层。
在一些实施方案中，本文所述的碳纳米颗粒和聚集体的特征在于具有高纯度的良好有序结构，如图1E中示出的理想化碳纳米颗粒100所示。图1E中的碳同素异形体含有两个连接的多壁球形富勒烯(MWSF)101和102，其中石墨烯层103涂覆连接的MWSF 101和102。图1E中示出的同素异形体也是无核的(即，在球形富勒烯的中心不含除碳以外的材料的核心)。相比于与其他碳同素异形体混合的MWSF的低均匀性混合物、具有许多点缺陷和扭曲晶格的低度有序的MWSF以及低纯度MWSF(例如，在核处具有种子颗粒)，图1E中示出的理想化纳米颗粒由于MWSF与石墨烯的比率高而具有高均匀性，由于没有点缺陷(例如，缺少碳原子)并且没有扭曲的碳晶格而具有良好的有序性，并且由于没有除碳以外的元素(例如，杂质的核心)而具有高纯度。在其他实施方案中，连接的MWSF确实含有核。在一些实施方案中，核是空隙，或不是MWSF的碳基材料(例如，无定形碳)，或非碳基的种子。
在一些实施方案中，本文所述的聚集体含有石墨烯(例如，含有多达15层)和除石墨烯外的一种或多种其他碳同素异形体，并且具有20％至80％的石墨烯与其他碳同素异形体的比率、高有序度(例如，2D模式峰与G模式峰的强度比率大于0.5的拉曼特征)以及高纯度(例如，碳与除H外的其他元素的比率大于99.9％)。在一些实施方案中，石墨烯与其他碳同素异形体的比率为5％至95％、或10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至40％、或10％至20％、或20％至40％、或20％至90％、或40％至90％、或60％至90％、或80％至90％、或大于5％、或大于10％、或大于20％、或大于30％、或大于40％、或大于50％、或大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于90％。在一些实施方案中，使用本文所述方法生产的颗粒含有石墨和其他碳同素异形体，并且不含有由除碳外的杂质元素组成的核。在一些情况下，颗粒的聚集体具有大直径(例如，大于10微米跨度)。
在一些实施方案中，本文所述的聚集体包含石墨烯(例如，含有多达15层)和石墨(例如，含有多于15层)并且具有20％至80％的石墨烯与石墨的比、高有序度(例如，2D模式峰与G模式峰的强度比率大于0.5的拉曼特征)以及高纯度(例如，碳与除H外的其他元素的比率大于99.9％)。在一些实施方案中，石墨烯与石墨的比率为5％至95％、或10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至40％、或10％至20％、或20％至40％、或20％至90％、或40％至90％、或60％至90％、或80％至90％、或大于5％、或大于10％、或大于20％、或大于30％、或大于40％、或大于50％、或大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于90％。在一些实施方案中，使用本文所述方法生产的颗粒含有石墨和石墨烯，并且不含有由除碳外的杂质元素组成的核。在一些情况下，颗粒的聚集体具有大直径(例如，大于10微米跨度)。
在一些实施方案中，本文所述的聚集体含有石墨烯、MWSF或连接的MWSF以及任选的石墨，并且具有20％至80％的石墨烯与MWSF的比率、高有序度(例如，D模式峰与G模式峰的强度比率为0.95至1.05的拉曼特征)以及高纯度(例如，碳与除H外的其他元素的比率大于99.9％)。在一些实施方案中，石墨烯与MWSF或连接的MWSF的比率为5％至95％、或10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至40％、或10％至20％、或20％至40％、或20％至90％、或40％至90％、或60％至90％、或80％至90％、或大于5％、或大于10％、或大于20％、或大于30％、或大于40％、或大于50％、或大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于90％。在一些实施方案中，使用本文所述的方法生产的颗粒含有MWSF或连接的MWSF，并且MWSF不含有由除碳外的杂质元素组成的核。在一些情况下，颗粒的聚集体具有大直径(例如，大于10微米跨度)。
在一些实施方案中，本文所述的聚集体包含石墨烯、无定形碳和任选的石墨，并且具有1％至10％的石墨烯与无定形碳的比率，并且具有高纯度(例如，碳与除H外的其他元素的比率大于99.9％)。在一些实施方案中，石墨烯与无定形碳的比率为5％至95％、或1％至90％、或1％至80％、或1％至60％、或1％至40％、或1％至20％、10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至40％、或10％至20％、或20％至40％、或20％至90％、或40％至90％、或60％至90％、或80％至90％、或大于5％、或大于10％、或大于20％、或大于30％、或大于40％、或大于50％、或大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于90％。在一些实施方案中，使用本文所述方法生产的颗粒含有无定形碳，并且不含有由除碳外的杂质元素组成的核。在一些情况下，颗粒的聚集体具有大直径(例如，大于10微米跨度)。
在一些实施方案中，碳材料中碳与除氢外的其他元素的比率大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于90％、或大于99％、或大于99.5％、或大于99.7％、或大于99.9％、或大于99.95％。
在一些实施方案中，碳聚集体的中值尺寸为1微米至50微米、或2微米至20微米、或5微米至40微米、或5微米至30微米、或10微米至30微米、或10微米至25微米、或10微米至20微米。在一些实施方案中，碳聚集体的尺寸分布具有1微米至10微米、或1微米至5微米、或2微米至6微米、或2微米至5微米的第10百分位数。构成聚集体的颗粒的尺寸可以在尺寸上变化，并且尺寸上可以小于10nm或高达数百纳米。在一些实施方案中，构成聚集体的纳米颗粒的平均直径为5至500nm、或5至250nm、或5至100nm、或5至50nm、或10至500nm、或10至250nm、或10至100nm、或10至50nm、或40至500nm、或40至250nm、或40至100nm、或50至500nm、或50至250nm、或50至100nm。在一些实施方案中，使用TEM图像测量聚集体的尺寸。在一些实施方案中，使用激光粒径分析仪(例如，Fritsch Analysette 22MicroTec plus)测量聚集体的尺寸。
在一些实施方案中，当使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法以氮气作为吸附物(即，“使用氮气的BET法”或“氮气BET法”)或密度泛函理论(DFT)方法测量时，碳聚集体的表面积为50至300m2/g、或100至300m2/g、或50至200m2/g、或50至150m2/g、或60至110m2/g、或50至100m2/g、或70至100m2/g。在一些实施方案中，如上定义的含有MWSF或连接的MWSF的碳聚集体具有高比表面积。在一些实施方案中，碳聚集体的BET比表面积为10至300m2/g、或10至200m2/g、或10至100m2/g、或10至50m2/g、或50至500m2/g、或100至200m2/g、或100至300m2/g、或100至1000m2/g。
在一些实施方案中，原样合成的(即，在离开微波等离子体反应器时)碳聚集体的密度小于0.1g/cm3、或小于0.5g/cm3、或小于0.25g/cm3、或小于0.2g/cm3、或小于0.1g/cm3、或小于0.05g/cm3、或0.01g/cm3至1g/cm3、或0.01g/cm3至0.5g/cm3、或0.01g/cm3至0.25g/cm3、或0.01g/cm3至0.2g/cm3、或0.01g/cm3至0.1g/cm3、或0.01g/cm3至0.075g/cm3、或0.01g/cm3至0.05g/cm3。
在一些实施方案中，在被压缩(例如，压缩成圆盘、丸粒等)并且任选地退火时，碳聚集体的电导率为大于500S/m、或大于1000S/m、或大于2000S/m、或500S/m至20,000S/m、或500S/m至10,000S/m、或500S/m至5000S/m、或500S/m至4000S/m、或500S/m至3000S/m、或2000S/m至5000S/m、或2000S/m至4000S/m、或1000S/m至5000S/m、或1000S/m至3000S/m。在一些情况下，压缩后的密度为约1g/cm3、或约1.2g/cm3、或约1.5g/cm3、或约2g/cm3、或约2.2g/cm3、或约2.5g/cm3、或约3g/cm3。在一些情况下，使用2000psi至12000psi的压缩压力，并且压缩材料可以在500℃至1500℃、或800℃至1000℃的温度下退火。
在一些实施方案中，如上定义，含有MWSF或连接的MWSF的碳聚集体具有高电导率。在一些实施方案中，将如上定义的含有MWSF或连接的MWSF的碳聚集体压缩成丸粒，并且丸粒的电导率为大于500S/m、或大于1000S/m、或大于2000S/m、或大于3000S/m、或大于4000S/m、或大于5000S/m、或大于10000S/m、或大于20000S/m、或大于30000S/m、或大于40000S/m、或大于50000S/m、或大于60000S/m、或大于70000S/m、或500S/m至100000S/m、或500S/m至1000S/m、或500S/m至10000S/m、或500S/m至20000S/m、或500S/m至100000S/m、或1000S/m至10000S/m、或1000S/m至20000S/m、或10000至100000S/m、或10000S/m至80000S/m、或500S/m至10000S/m。在一些情况下，丸粒的密度为约1g/cm3、或约1.2g/cm3、或约1.5g/cm3、或约2g/cm3、或约2.2g/cm3、或约2.5g/cm3、或约3g/cm3。另外，已经进行了测试，其中碳聚集体材料的压缩丸粒利用2000psi和12000psi的压缩以及800℃和1000℃的退火温度形成。较高的压缩和/或较高的退火温度一般得到具有较高电导率的丸粒，所述电导率包括在10000S/m至15000S/m的范围内。
本文所述的碳纳米颗粒和聚集体通过确定所存在的碳同素异形体的种类的拉曼光谱以及所述碳纳米颗粒和聚集体的有序度来表征以。石墨和石墨烯的拉曼光谱中的主峰是G模式、D模式和2D模式。G模式峰具有约1580cm-1的波数，并且归因于sp2杂化碳网络中的碳原子的振动。D模式峰具有约1350cm-1的波数，并且可以与具有缺陷的六方碳环的规律性变动相关。2D模式峰是D模式的二次谐波，并且具有约2690cm-1的波数。
在一些实施方案中，含有石墨和石墨烯的碳材料的拉曼光谱(使用532nm入射光)具有2D模式峰和G模式峰，并且2D/G强度比率大于0.2、或大于0.5、或大于1。
拉曼光谱也可用于表征MWSF的结构。当使用532nm入射光时，对于平面石墨，拉曼G模式通常在1582cm-1处，但对于MWSF而言可下移(例如，至1565-1580cm-1处)。在MWSF的拉曼光谱中在约1350cm-1处观察到D模式。D模式峰与G模式峰的强度比率(即D/G强度比率)与MWSF的有序度有关，其中较低的D/G强度比表示较高的有序度。接近或低于1的D/G强度比率表示相对高的有序度，并且大于或等于1.2的D/G强度比率表示较低的有序度。
在一些实施方案中，当使用532nm入射光时，如本文所述，含有MWSF或连接的MWSF的碳纳米颗粒或碳聚集体的拉曼光谱的第一拉曼峰在约1350cm-1处，并且第二拉曼峰在约1580cm-1处。在一些实施方案中，本文所述的纳米颗粒或聚集体的第一拉曼峰的强度与第二拉曼峰的强度的比率(即，ID/IG或D/G强度比率)为0.95至1.05、或0.9至1.1、或0.8至1.2、或0.9至1.2、或0.8至1.1、或0.5至1.5、或小于1.5、或小于1.2、或小于1.1、或小于1、或小于0.95、或小于0.9、或小于0.8。在一些实施方案中，含有MWSF的碳材料的拉曼光谱(使用532nm入射光)具有D模式峰和G模式峰，并且D/G强度比率为0.9至1.1、或小于约1.2。
在一些实施方案中，含有无定形碳的碳材料的拉曼光谱(使用532nm入射光)具有2D模式峰、D模式峰和G模式峰，并且D/G强度比率大于0.5。在一些实施方案中，拉曼光谱还具有低强度2D模式峰。在一些实施方案中，2D模式峰的强度小于G模式峰强度的约30％、或小于G模式峰强度的20％、或小于G模式峰强度的10％。在一些实施方案中，拉曼光谱具有D模式峰和G模式峰，在它们之间具有浅谷。在一些实施方案中，D模式峰与G模式峰之间的浅谷的最小强度大于G模式峰强度的约40％、或大于G模式峰强度的约50％、或大于G模式峰强度的约60％。
产生碳纳米颗粒(特别是具有在上述范围内的直径的纳米颗粒)的聚集体的一个益处是大于10微米的颗粒聚集体比小于500nm的颗粒或颗粒聚集体更容易收集。收集的容易性降低了制造用于生产碳纳米颗粒的设备的成本并且提高了碳纳米颗粒的产量。另外，与处理较小纳米颗粒的风险相比，例如由于吸入较小的纳米颗粒而导致的潜在健康和安全风险，尺寸大于10微米的颗粒造成较少的安全性问题。因此，较低的健康和安全风险进一步降低了制造成本。
微波化学处理系统
图2A示出了根据一些实施方案的微波化学处理系统200的示意图。图2A中所示的非限制性示例系统被设计成能够将天然气转化为氢气和碳颗粒分离的产物。首先使用天然气压缩机104压缩进入的天然气(NG)。接下来，使用一个或多个NG干燥器106从压缩的NG中去除水。接下来，将干燥的NG储存在NG接收器108中以适应在进入微波化学处理系统200的NG流量和提供给微波等离子体反应器110的流量之间的任何流量差异。在NG被压缩机104、干燥器106和接收器108预处理之后，NG在一个或多个微波等离子体反应器110中被转化成氢气和碳颗粒。接下来，使用流出物冷却器(热交换器)120冷却氢气和碳颗粒，以准备气固分离。冷却的氢气和碳颗粒进入第一旋风分离器121A，然后进入第二旋风分离器121B。在通过旋风分离器进行气固分离之后，未被旋风分离器过滤掉的氢气和碳颗粒通过反脉冲过滤系统123进一步过滤。反脉冲过滤系统123也通过反脉冲气体管线160馈送以能够清洁反脉冲过滤系统123内的过滤器元件。由旋风分离器121A和121B以及过滤系统123过滤的碳颗粒被输送到超大容器以便在箭头127处储存。然后将氢气以及滤出的碳颗粒在干燥冷却器125中进一步冷却。氢气被储存在H2贮存器126中，以适应离开干燥冷却器125的氢气流量和进入后续系统部件的氢气流量之间的任何流量差异，然后在H2压缩机128中压缩，然后在变压吸收器(PSA)130中纯化。纯化的氢气被送到H2储存系统131，并且被PSA 130排出的未纯化的氢气被送到火炬140烧掉。
图2A中所示的示例系统还包括氢气循环管线150。在本实例中，来自PSA 130的氢气流被送回到压缩机104的输入。另外，在本示例系统中，供应用于清洁反脉冲过滤系统123中的过滤器元件的反脉冲气体的气体管线160也由来自PSA 130的氢气流提供。
在其他实施方案中，在微波化学处理系统中作为分离的组分产生的气体可以进行循环。例如，纯化和/或未纯化的氢气可以从微波化学处理系统中的一个位置循环到系统中的另一个位置。在一些情况下，来自PSA的纯化氢气和/或PSA排出的未纯化氢气可以被送回微波等离子体反应器。纯化和/或未纯化的氢气可以直接提供给微波等离子体反应器，或者可以在提供给微波等离子体反应器之前对纯化和/或未纯化的氢气进行预处理(例如，通过压缩机、干燥器或纯化系统)。在其他情况下，来自PSA的纯化氢气和/或PSA排出的未纯化氢气可以返回反脉冲过滤器以用作反脉冲气体。
图2A中所示的示例系统200具有选择的特定部件，以便于将压缩的NG转化成氢气和碳颗粒。在一些实施方案中，用于将烃类(例如，NG)转化成氢气和碳颗粒的系统可以具有另外的部件，或者可以省略图2A中的系统中所示的一个或多个部件。在其他实施方案中，其中存在不同的输入材料和/或分离的组分，系统可具有不同的部件。例如，在用于将生物气转化成氢气和碳颗粒的微波化学处理系统中，可以在生物气在微波等离子体反应器中被转化为氢气和碳颗粒之前，对生物气进行预处理。存在生物气的不同组成和纯度，并且在一些情况下，可以在微波等离子体反应器中进行转化之前去除水、二氧化碳、硫化氢和/或生物气的其他组分。
下面更详细地描述微波化学处理系统中的几个元件(类似于图2A中所示的示例系统)。
微波化学处理系统：气固分离系统
在一些实施方案中，多阶段气固分离系统包括第一旋风分离器和反脉冲过滤系统。在一些情况下，第一旋风分离器从分离的组分中过滤碳颗粒，并且反脉冲过滤系统被耦合到第一旋风分离器的输出，使得反脉冲过滤系统从第一旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。
在一些实施方案中，第一旋风分离器被设计成能够过滤掉最大的颗粒，并且反脉冲过滤系统被设计成能够过滤掉较小的颗粒。例如，通过第一旋风分离器过滤的大部分碳颗粒的尺寸可以为大于1微米、或大于2微米、或大于5微米、或大于10微米、或大于20微米、或500nm至50微米、或1至30微米、或1至20微米、或1至10微米；并且通过反脉冲过滤系统过滤的大部分碳颗粒的尺寸为大于100nm、或大于200nm、或大于500nm、或大于1微米、或50nm至2微米、或100nm至1微米、或100nm至500nm。
在一些实施方案中，第一旋风分离器被设计成能够过滤掉在微波等离子体反应器中产生的第一部分颗粒，并且反脉冲过滤系统被设计成能够过滤掉第二部分颗粒。例如，大于30％、或大于40％、或大于50％、或大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于90％、或大于95％、或大于99％的碳颗粒在分离的组分通过第一旋风分离器过滤之后进行过滤，并且大于80％、或大于90％、或大于95％、或大于99％、或大于99.5％或大于99.9％的碳颗粒在分离的组分通过第一旋风分离器和反脉冲过滤系统过滤之后进行过滤。
在一些情况下，在反脉冲过滤系统的上游存在多于一个的旋风分离器。例如，多阶段气固分离系统可在第一旋风分离器和反脉冲过滤系统之间包含第二旋风分离器，其中第一旋风分离器过滤掉分离的组分中的第一部分碳颗粒，第二旋风分离器过滤掉分离的组分中的第二部分碳颗粒，并且反脉冲过滤系统过滤掉分离的组分中的第三部分碳颗粒。
在一些实施方案中，多阶段气固分离系统含有多个阶段，其中第一阶段被设计成过滤掉最大颗粒，并且每个后续阶段被设计成过滤掉比前一阶段更小的颗粒，使得最后一个阶段被设计成过滤掉最小的颗粒。例如，在气固分离系统含有第一旋风分离器、第二旋风分离器和反脉冲过滤系统的情况下，在各个实施方案中，每个阶段过滤的颗粒尺寸可具有各种尺寸范围。例如，在各种实施方案中，通过第一旋风分离器过滤的大部分碳颗粒的尺寸可以为大于1微米、或大于2微米、或大于5微米、或大于10微米、或大于20微米、或500nm至50微米、或1至30微米、或1至20微米、或1至10微米。此外，通过第二旋风分离器过滤的大部分碳颗粒的尺寸可以为大于1微米、或大于2微米、或大于5微米、或大于10微米、或大于20微米、或500nm至50微米、或1至30微米、或1至20微米、或1至10微米。并且，通过反脉冲过滤系统过滤的大多数碳颗粒的尺寸为大于100nm、或大于200nm、或大于500nm、或大于1微米、或50nm至2微米、或100nm至1微米、或100nm至500nm。
在一些实施方案中，多阶段气固分离系统包含多个阶段，其中第一阶段被设计成过滤掉在微波等离子体反应器中产生的第一部分颗粒，并且每个后续阶段被设计成过滤掉后续部分的颗粒。例如，在气固分离系统含有第一旋风分离器、第二旋风分离器和反脉冲过滤系统的情况下，在各种实施方案中，由每个阶段过滤的颗粒部分可具有各种尺寸范围。例如，在各种实施方案中，大于30％、或大于40％、或大于50％、或大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于90％、或大于95％、或大于99％的碳颗粒在分离的组分通过第一旋风分离器过滤之后进行过滤。并且，大于30％、或大于40％、或大于50％、或大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于90％、或大于95％、或大于99％的碳颗粒在分离的组分通过第一旋风分离器和第二旋风分离器过滤之后进行过滤。并且，大于80％、或大于90％、或大于95％、或大于99％、或大于99.5％、或大于99.9％的碳颗粒在分离的组分通过第一旋风分离器、第二旋风分离器和反脉冲过滤系统过滤之后进行过滤。
在一些实施方案中，微波化学处理系统含有多个微波等离子体反应器和/或多个气固分离系统。在此类情况下，每个微波等离子体反应器可以被耦合到单独的气固分离系统，或者单个微波等离子体反应器可以被耦合到多个气固分离系统，或者多个微波等离子体反应器可以被耦合到单个气固分离系统。在不同实施方案中，不同配置可能是有利的。例如，在来自每个微波等离子体反应器的分离的组分的生产率很高的情况下，在单独的气固分离系统中从每个反应器中过滤分离的产物可能是经济的。另一方面，在来自每个微波等离子体反应器的分离的组分的生产率很低的情况下，将来自多个微波等离子体反应器的流动合并到单独的气固分离系统可能是经济的。
通常，微波化学处理系统中的温度是很高的(例如，大于500℃)，因此，当离开反应器时，倾向于产生热的产物。在产生热固体颗粒和热气体的微波化学处理系统中，气固分离系统(例如过滤器)的温度也可升高，以防止气态物质在过滤器和产生的颗粒上冷凝。例如，由烃输入材料产生含碳颗粒和氢气的微波化学处理系统通常也产生各种反应副产物，包括烃类。在一些实施方案中，烃副产物沸点为约80℃至约400℃、或大于80℃、或大于300℃。在一些实施方案中，可以调节气固分离系统的温度以产生捕获的颗粒，其中所需浓度的烃类吸附在捕获的颗粒上。例如，吸附的烃类的质量浓度可以为1％至20％、或1％至10％、或1％至5％、或0.1％至20％、或0.1％至10％、或0.1％至5％、或0.1％至1％、或0.01％至20％、或0.01％至10％、或0.01％至5％、或0.01％至1％、或0.01％至0.1％。
在一些实施方案中，加热气固分离系统。在一些情况下，气固分离系统中含有的一个或多个旋风分离器和反脉冲过滤系统被加热到100℃至600℃、或200℃至500℃、或300℃至500℃、或大于300℃、或大于400℃、或大于500℃的温度。
在一些实施方案中，气固分离系统另外含有一个或多个热交换器。在一些实施方案中，第一热交换器位于微波反应器输出的输出与第一旋风分离器输入之间(例如，在图2A的反应器110和旋风分离器121A之间)。所述第一热交换器可用于将来自微波等离子体反应器的产物冷却至适于在旋风分离器中过滤的温度。例如，微波等离子体反应器的输出产物可以具有500℃至1500℃的温度，并且气固分离系统中的旋风分离器和反脉冲过滤系统可以在200℃至400℃的温度下操作。在这种实例中，第一热交换器可用于将输出产物在进入气固分离系统中的第一旋风分离器之前进行冷却。
在一些实施方案中，第二热交换器可用于冷却离开气固分离系统中的最后一个颗粒过滤阶段的气体(例如，在图2A的反脉冲过滤器123之后)。在一些情况下，气体将通过此第二热交换器冷却以进行累积、压缩、进一步纯化和/或储存。
本文所述的气固分离系统克服了常规系统的缺点。本文所述的气固分离系统能够收集绝大部分微波等离子体产生的颗粒(例如，分离的组分中大约99％的颗粒被气固分离系统捕获)，即使颗粒很小(例如，中值尺寸小于10微米)并且具有低密度(例如，小于0.2g/cm3)。此外，气固分离系统可以在高气体流量(例如，大于5slm)下操作，并保持高收集效率(例如，大于99％)。气固分离系统也可以与微波等离子体反应器在线集成，而不会干扰反应器内的环境(例如，气体流量和氧气水平)。例如，本文所述的气固分离系统可以实现在气固分离系统上的低压降(例如，在气固分离系统上的小于0.5psig、或0.5至10psig的压降)。在一些实施方案中，这些低压降可以在高流动速率(例如，大于5slm)以及高收集效率(例如，分离的组分中大于99％的颗粒被气固分离系统捕获)下实现。另外，气固分离系统的组分与来自反应器的热分离组分输出相容。包括旋风分离器和接着的反脉冲过滤系统的气固分离系统是特别有利的，因为这种系统能够捕获大部分颗粒(例如，大于99％)，而不会在气固分离系统上产生大的压降。这与使用单个反脉冲过滤器的常规系统形成对比，常规系统在过滤器元件中捕获大量颗粒时会经历很大的压降。下文更详细地描述了本文所述的气固分离系统内的旋风分离器和反脉冲过滤系统。
气固分离系统中的旋风分离器
在一些实施方案中，旋风分离器具有圆柱形和/或圆锥形内部、输入和输出。旋风分离器的输入可以被配置成能够接收含有第一颗粒浓度的气体。圆柱形和/或圆锥形内部包含旋转的气体和颗粒流动(即涡旋)，并使用旋转效应(即涡旋分离)将颗粒与气体分离。旋风分离器的输出可以被配置成能够驱逐含有第二颗粒浓度的气体。由于通过旋风分离器过滤一部分颗粒，因此第二颗粒浓度小于第一颗粒浓度。在一些实施方案中，旋风分离器另外含有固体收集端口，可以通过所述固体收集端口去除通过旋风分离器过滤的颗粒。在一些实施方案中，固体收集端口被连接到负载锁定系统，使得可以去除通过旋风分离器过滤的颗粒，而不将旋风分离器的内部暴露于空气。在一些实施方案中，旋风分离器的固体收集端口被连接到带夹套的(即，冷却的或加热的)料斗以储存收集的颗粒。在一些实施方案中，旋风分离器的固体收集端口被连接到带夹套的料斗，所述带夹套的料斗继而连接到另外的颗粒储存单元(例如，容器、包、袋或超大容器)，所述另外的颗粒储存单元用于储存收集的颗粒和/或准备运输。在一些实施方案中，旋风分离器中包括机械系统(例如，输送机、带、螺旋钻、螺旋类型系统或活塞推杆)以将过滤的颗粒从内部环境输送到输出，以帮助颗粒收集。
在一些实施方案中，气固分离系统中的旋风分离器以以下流动速率操作：0.1ACFM(实际立方英尺/分钟)至100ACFM、或0.1ACFM至50ACFM、或0.1ACFM至10ACFM、或1ACFM至100ACFM、或1ACFM至50ACFM、或10ACFM至100ACFM、或10ACFM至50ACFM、或大于1ACFM、或大于10ACFM、或大于20ACFM。在一些实施方案中，气固分离系统中的旋风分离器在以下温度下操作：80℃至550℃、或80℃至500℃、或80℃至450℃、或80℃至400℃、或80℃至350℃、或80℃至300℃、或80℃至250℃、或80℃至200℃、或100℃至550℃、或100℃至500℃、或100℃至450℃、或100℃至400℃、或100℃至350℃、或100℃至300℃、或100℃至250℃、或100℃至200℃、或大于80℃、或大于100℃、或大于200℃、或大于300℃或大于400℃。在一些实施方案中，气固分离系统中的旋风分离器在以下压力下操作：0.1psig(磅/平方英寸计)至300psig、或0.1psig至200psig、或0.1psig至100psig、或0.1psig至10psig、或1psig至300psig、或1psig至200psig、或1psig至100psig、或1psig至10psig、或10psig至200psig、或10psig至100psig、或大于0.1psig、或大于1psig、或大于10psig、或大于100psig。在一些实施方案中，气固分离系统中的旋风分离器在以下压降(即，输入和输出之间的压力差)下操作：0.1psig至10psig、或0.1psig至5psig、或1psig至10psig、或1psig至5psig、或大于0.1psig、或大于1psig、或大于3psig、或大于5psig。在一些实施方案中，旋风分离器的内部的长度(即，与涡旋轴线大致对齐的尺寸)为0.1m至10m、或0.1m至5m、或0.1m至2m、或0.1m至1m、或0.1m至0.5m、或0.5m至10m、或0.5m至5m、或0.5m至2m、或0.5m至1.5m、或大于0.1m、或大于0.2m、或大于0.5m、或大于1m、或大于1.5m、或大于2m、或大于5m。
在一些实施方案中，旋风分离器的圆柱形和/或圆锥形内部的直径为1cm至50cm、或1cm至20cm、或1cm至10cm、或5cm至50cm、或5cm至30cm、或5cm至20cm、或5cm至10cm、或大于1cm、或大于5cm、或大于10cm、或大于20cm。
本文所述的旋风分离器能够收集绝大部分微波等离子体产生的颗粒(例如，大于90％)，即使颗粒很小(例如，中值尺寸小于10微米)并且具有低密度(例如，小于0.2g/cm3)。此外，旋风分离器可以在高气体流量(例如，大于5slm)下操作，并保持高收集效率(例如，大于90％)。旋风分离器也可以与微波等离子体反应器在线集成，而不会干扰反应器内的环境(例如，气体流量和氧气水平)。另外，旋风分离器与来自反应器的热分离组分输出相容。
气固分离系统中的反脉冲过滤系统
在一些实施方案中，反脉冲过滤系统包含反脉冲过滤器，每个反脉冲过滤器具有含有一个或多个过滤器元件的内部、过滤输入和过滤输出。反脉冲过滤器的过滤输入可以被配置成能够在过滤器元件的上游方向上接收含有第一颗粒浓度的气体。过滤器元件含有孔以将颗粒与气体分离。反脉冲过滤器的过滤输出可以被配置成能够从过滤器元件的下游侧驱逐含有第二颗粒浓度的气体。由于一部分颗粒被反脉冲过滤器过滤，因此第二颗粒浓度小于第一颗粒浓度。在一些实施方案中，反脉冲过滤器另外含有固体收集端口，可以通过所述固体收集端口去除通过反脉冲过滤器过滤的颗粒。在一些实施方案中，固体收集端口被连接到负载锁定系统，使得可以去除通过反脉冲过滤器过滤的颗粒而不将反脉冲过滤器的内部暴露于空气。在一些实施方案中，反脉冲过滤器的固体收集端口被连接到带夹套的(即，冷却的或加热的)料斗以储存收集的颗粒。在一些实施方案中，反脉冲过滤器的固体收集端口被连接到带夹套的料斗，所述带夹套的料斗继而连接到另外的颗粒储存单元(例如，容器、包、袋或超大容器)，所述另外的颗粒储存单元用于储存收集的颗粒和/或准备运输。在一些实施方案中，反脉冲过滤器中包括机械系统(例如，输送机、带、螺旋钻、螺旋类型系统或活塞推杆)以将过滤颗粒从内部环境输送到输出，以帮助颗粒收集。
反脉冲过滤系统可以含有一个或多个反脉冲过滤器，以及用于在正向方向或反向方向上引导流动通过一个或多个反脉冲过滤器的阀门系统。系统中的每个反脉冲过滤器可以处于过滤状态或清洁状态。在过滤状态期间，气体和颗粒混合物在正向方向上(即，从过滤器元件的上游侧到下游侧)流动通过反脉冲过滤器内部的过滤器元件。过滤器元件可以是多孔的，诸如烧结颗粒、筛网或网，并且颗粒可以从混合物中过滤出并被捕获在过滤器元件的孔中。通过引导气体在反向方向上(即，从过滤器元件的下游侧到上游侧)流动通过过滤器元件，可以逐出在反脉冲过滤器内部的过滤器元件的孔中捕获的颗粒。
在一些实施方案中，反脉冲过滤器可以含有一个或多个附加端口，所述端口被配置成能够有助于清洁过程。例如，一个或多个反脉冲输入可以被配置成能够接收进入反脉冲过滤器内部的反脉冲气体脉冲，其用于逐出在过滤器元件中捕获的颗粒。由于反脉冲脉冲用于逐出过滤器中的颗粒，因此反脉冲输入位于过滤器元件的下游侧，并且引导反脉冲气体从下游到上游侧通过过滤器元件。在一些实施方案中，在反脉冲气体脉冲已经逐出过滤器元件中捕获的颗粒之后，一个或多个反脉冲输出可以被配置成能够从过滤器元件的上游侧发射所述反脉冲气体脉冲。在一些实施方案中，当反脉冲过滤器处于清洁状态时，将过滤输入和过滤输出关闭(例如，使用阀门)，并且将反脉冲输入和输出打开。相反，在一些实施方案中，当反脉冲过滤器处于过滤状态时，将过滤输入和过滤输出打开(例如，使用阀门)，并且将反脉冲输入和输出关闭。
在一些实施方案中，多个反脉冲过滤器并联布置，使得多个反脉冲过滤器中的第一反脉冲过滤器可以处于清洁状态，而多个反脉冲过滤器中的其他反脉冲过滤器可以处于过滤状态。这使得整个反脉冲过滤系统能够连续过滤来自微波等离子体反应器的颗粒，而不必停止颗粒生产来清洁过滤器。并联布置的反脉冲过滤器的数量可以是例如2至10，并且在整个处理运行中，过滤状态和清洁状态中的反脉冲过滤器的数量可以改变。在一些实施方案中，用于驱逐在过滤器元件中捕获的颗粒的反脉冲气体脉冲进入反脉冲过滤器内部的持续时间为约1秒、或2秒、或5秒、或10秒、或者大于1秒、或大于2秒、或大于10秒。在一些实施方案中，在不使用阀门系统的情况下清洁反脉冲过滤器以将反脉冲过滤器与反应器分开。在其他实施方案中，通过在清洁期间隔离反脉冲过滤器(例如，使用阀门系统和其他并联的反脉冲过滤器)来防止反脉冲气体脉冲与系统的其余部分(例如，反应器和气固分离系统的其他部件)相互作用。
在一些实施方案中，反脉冲过滤器可以与气固分离系统的其余部分分开(例如，使用阀门系统)，以允许收集的碳颗粒在移动到系统后续部件(例如，用于储存)之前进行冷却。
另外，在一些实施方案中，使用具有并联布置的多个反脉冲过滤器的系统来管理反脉冲过滤系统上的总压降。例如，阀门系统可用于选择一个或多个反脉冲过滤器来操作，而一个或多个其他反脉冲过滤器被隔离。在一些实施方案中，可以选择过滤状态和清洁状态中的过滤器的数量以在反脉冲过滤系统内产生一定的压降。
在一些实施方案中，反脉冲过滤器中的过滤器元件含有多孔金属材料(例如，多孔不锈钢、烧结不锈钢等)、或多孔陶瓷材料、或聚合物(例如，聚酰亚胺)。在一些实施方案中，反脉冲过滤器中过滤器元件的孔径为大于1微米、或大于2微米、或大于5微米、或大于10微米、或大于20微米、或500nm至50微米、或1至30微米、或1至20微米、或1至10微米。
在一些实施方案中，气固分离系统中的反脉冲过滤器(在反脉冲过滤系统中)在以下流速下操作：0.1ACFM(实际立方英尺/分钟)至100ACFM、或0.1ACFM至50ACFM、或0.1ACFM至10ACFM、或1ACFM至100ACFM、或1ACFM至50ACFM、或10ACFM至100ACFM、或10ACFM至50ACFM、或大于1ACFM、或大于10ACFM、或大于20ACFM。在一些实施方案中，气固分离系统中的反脉冲过滤器在以下温度下操作：80℃至550℃、或80℃至500℃、或80℃至450℃、或80℃至400℃、或80℃至350℃、或80℃至300℃、或80℃至250℃、或80℃至200℃、或100℃至550℃、或100℃至500℃、或100℃至450℃、或100℃至400℃、或100℃至350℃、或100℃至300℃、或100℃至250℃、或100℃至200℃、或大于80℃、或大于100℃、或大于200℃、或大于300℃、或大于400℃。在一些实施方案中，气固分离系统中的反脉冲过滤器在以下压力下操作：0.1psig(磅/平方英寸计)至300psig、或0.1psig至200psig、或0.1psig至100psig、或0.1psig至10psig、或1psig至300psig、或1psig至200psig、或1psig至100psig、或1psig至10psig、或10psig至200psig、或10psig至100psig、或大于0.1psig、或大于1psig、或大于10psig、或大于100psig。在一些实施方案中，气固体分离系统中的反脉冲过滤器在以下压降(即，输入和输出之间的压力差)下操作：0.1psig至10psig、或0.1psig至5psig、或1psig至10psig、或1psig至5psig、或大于0.1psig、或大于1psig、或大于3psig、或大于5psig。
本文所述的反脉冲过滤系统能够收集绝大部分微波等离子体产生的颗粒(例如，大于99％)，即使颗粒很小(例如，中值尺寸小于1微米)并且具有低密度(例如，小于0.2g/cm3)。此外，反脉冲过滤系统可以在高气体流量(例如，大于5slm)下操作，并保持高收集效率(例如，大于90％)。反脉冲过滤系统也可以与微波等离子体反应器在线集成，而不会干扰反应器内的环境(例如，气体流量和氧气水平)。另外，反脉冲过滤系统与来自反应器的热分离组分输出相容。本文所述的反脉冲过滤系统还通过组合具有阀门系统的多于一个并联配置的反脉冲过滤器实现真正无中断的连续操作，所述阀门系统允许一些过滤器进行过滤而其他过滤器被反脉冲清洁。
微波化学处理系统：气体产生
在一些实施方案中，微波化学处理系统产生气体，并且气态产物在储存之前进行冷却、压缩和/或纯化。在一些实施方案中，产生的气态产物是氢气，其纯度大于90％、或大于95％、或大于99％、或大于99.5％、或大于99.9％、或大于99.95％、或大于99.99％、或大于99.999％。在一些情况下，氢气在离开微波等离子体反应器时或在离开气固分离系统(如果存在)时的纯度水平可能需要另外的纯化以满足所需的氢气最终产物规格。
在一些实施方案中，产生氢气，并且在离开微波等离子体反应器之后，或在离开气固分离系统(如果存在)之后，氢气被冷却(例如，使用干燥冷却器)、累积(例如，在氢气累积器中)、压缩(例如，在氢气压缩机中)和纯化(例如，在变压吸收器、致密聚合物膜纯化器、微孔陶瓷纯化器、致密金属纯化器、多孔碳纯化器、致密陶瓷纯化器、或低温纯化器中)，然后储存(例如，在氢气储存系统中)。
台架集成
在一些实施方案中，本文所述的微波化学处理系统可以集成到台架(或模块化处理台架)中。模块化处理台架可以是包含的处理系统，其允许系统容易地输送。台架可以含有完整的处理系统，并且多个处理台架可以组合以创建更大的处理系统或整个便携式设备。与传统构造相比，处理台架具有一些优点，在传统构造中，处理系统部件单独运输并在制造现场逐步安装。处理台架还可以提供平行的构造优势，因为处理系统在加工设施外建造，而其他升级在工厂现场同时完成。
图2B示出了集成到台架中的微波化学处理系统的实例。图2B中所示的元件对应于图2A中的系统图中的相同元件。天然气(NG)压缩机104、NG累积器108、微波等离子体反应器110、流出物冷却器(热交换器)120、旋风分离器121、反脉冲过滤系统123、H2累积器126、H2压缩机128和变压吸收器(PSA)130都在图中示出，大致按比例以及台架集成所需的位置。旋风分离器121和反脉冲过滤系统123在图2B中配置有料斗，用于储存通过旋风分离器和反脉冲过滤系统过滤的碳颗粒。为简单起见，未示出集成到台架中的微波化学处理系统的其他部件。
在一些实施方案中，本文所述的微波化学处理系统的一些部件需要远离台架定位，例如定位在外部垫上。此类部件的一个实例是微波发生器电源，在某些应用中可能要求它们与台架相距一定距离(例如，大于15英尺)。
在一些实施方案中，微波化学处理系统被集成到台架中，并且台架用于局部(即，使用点)应用，诸如其中输入材料在与台架相同的位置生产的应用，和/或其中分离的组分在与台架相同的位置使用的应用。例如，集成到台架中的微波化学处理系统可以位于垃圾填埋场，并且台架可以将局部产生的甲烷(或生物气)转化成更高价值的产物(即，氢气和碳颗粒)。作为另一个实例，集成到台架中的微波化学处理系统可以位于炼油厂，并且台架可以由烃类产生氢气，并且氢气可以用于炼油。在其他实施方案中，微波化学处理系统被集成到台架中，并且台架用于区域应用或远程应用中，诸如其中输入材料在与台架不同的位置产生的应用，和/或其中分离的组分在与台架不同的位置使用的应用。例如，集成到台架中的许多微波化学处理系统可以共同定位在区域点，其中输入材料(例如，烃类)被递送到区域点并且分离的组分(例如，氢气和碳颗粒)被运输到其他位置以供使用(例如，压缩氢气为氢燃料电池供电，或微粒碳作为轮胎添加剂)。
微波反应器
在一些实施方案中，本文所述的碳颗粒、纳米颗粒、聚集体和材料使用微波等离子体反应器和方法产生，诸如题为“Microwave Chemical Processing”的美国专利申请号15/351,858，或题为“Microwave Chemical Processing Reactor”的现在作为美国专利号9,767,992发布的美国专利申请号15/428,474中描述的任何适当的微波反应器和/或方法，这些申请被转让给与本申请相同的受让人，并且通过引用并入本文，如同在本文中出于所有目的的完全阐述一样。用于生产本文所述的碳纳米颗粒和聚集体的微波等离子体气体处理系统方法和装置的附加信息和实施方案也描述于前述美国专利申请和美国专利中，并且将在下文参照图3A-3H进行描述。
在一些实施方案中，使用处理材料(例如，烃类气体或液体混合物)的微波等离子体化学处理来生产固体颗粒和气态产物(例如，本文所述的碳颗粒、纳米颗粒和聚集体，以及氢气)。更具体地，使用各种技术对前体材料的微波等离子体化学处理(包括控制等离子体的能量的微波辐射脉冲)可用于生产固体颗粒和气态产物(例如，本文所述的碳颗粒、纳米颗粒和聚集体，以及氢气)。控制等离子体能量的能力使得能够在将前体材料转化成特定的分离的组分时选择一种或多种反应途径。脉冲微波辐射可以用于控制等离子体的能量，因为等离子体点燃时产生的短寿命高能量物质可以在每个新脉冲开始时重新产生。控制等离子体能量以具有比常规技术更低但是水平足够高以能够在高前体材料流动和高压下发生目标化学反应的平均离子能量。
使用脉冲微波辐射来控制等离子体能量的常规微波等离子体化学处理系统具有非常高的裂化效率，超过90％。然而，这些常规系统在等离子体内使用低于1标准升/分钟(slm)的低气体流速和小气体体积，结果是生产率低并且生产成本高。这些常规系统在使用高频微波脉冲(例如，高于约100Hz)时不能增加等离子体内的气体流速和气体体积，因为当使用大体积和高流量气体时等离子体不能足够快地点燃以跟上脉冲。
与先前开发的系统相比，在一些实施方案中，可以在供应气体和/或前体材料中产生微波等离子体，并且等离子体中的能量足以由前体材料分子形成分离的组分，其包括文中所述的碳纳米颗粒和聚集体。在一些实施方案中，微波辐射源被耦合到反应室，沿着反应室长度的第一部分产生等离子体，并且前体材料沿着反应室长度的第二部分被分离成组分，其包括本文所述的碳纳米颗粒和聚集体。在一些实施方案中，微波辐射被直接耦合到等离子体中，而不是如常规方法中那样通过电介质壁耦合。
在关于前体材料产生固体颗粒和气态产物(例如，本文所述的碳颗粒、纳米颗粒和聚集体，以及氢气的微波等离子体化学处理)的本发明实施方案的方法中，脉冲微波辐射通过具有一定长度的波导提供，其中微波辐射沿波导方向传播。波导内的压力为至少0.1大气压。在沿波导长度的第一位置处将供应气体提供到波导中，其中大部分供应气体沿微波辐射传播的方向流动。在波导长度的至少一部分中在供应气体中产生等离子体，并且在第一位置下游的第二位置处将前体材料(例如，处理气体或液体前体)加入到波导中。对于液体混合物，大部分前体材料以大于5slm或大于5L/min的速率沿微波传播方向流动。通过控制以下中的至少一种：i)脉冲微波辐射的脉冲频率，其中脉冲频率大于500Hz；和ii)脉冲微波辐射的占空比，其中占空比小于90％，来控制等离子体的平均能量以将前体材料转化为分离的组分，其包括本文所述的碳纳米颗粒和聚集体。
在一些实施方案中，微波等离子体化学处理系统包括波导，所述波导具有第一气体入口、第一气体入口下游的第二气体入口和一定长度。第一入口被配置成能够接收供应气体，并且第二入口被配置成能够接收前体材料(例如，处理气体或液体混合物)。脉冲微波辐射源被耦合到波导以在供应气体中产生等离子体，其中微波辐射沿着波导的长度方向传播以与前体材料反应。微波辐射源被配置成能够以500Hz至1000kHz的频率以及小于90％占空比来脉冲微波辐射打开和关闭。供应气体的大部分流动和前体材料的大部分流动平行于微波传播的方向。处理气体的流动大于5slm，并且波导被配置成能够适应至少0.1大气压的压力。
在一些实施方案中，本公开的微波化学处理反应器的波导是场增强波导，其能够处理高通量的输入材料，其中波导本身用作反应室，而不是与常规系统中一样在与微波能量波导分开的石英室中放置处理材料。反应器系统的设计为化学反应的发生提供了大的体积，并减少了在反应室壁上的颗粒积聚和微粒量的影响。常规系统中石英壁上的颗粒积聚降低化学处理的效率，因为微波能量必须穿透其中含有处理气体的石英壁。在本系统中，微波能量在用作处理材料的反应室的波导中传播，因此微波能量不会受到可能沉积在室壁(即波导)上的颗粒的阻碍。
如本文所用，术语“场增强波导”(FEWG)是指具有第一横截面和第二横截面的波导，其中第二横截面小于第一横截面，并且比第一横截面更远离微波能量源。横截面的减小通过集中微波能量增强了场，其中波导的尺寸被设定成能够保持所使用的特定微波频率的传播。FEWG的第二横截面沿着形成FEWG的反应区的反应长度延伸。在FEWG的第一横截面和第二横截面之间存在场增强区。在一些实施方案中，场增强区可以以连续方式(例如，线性或非线性)或突然方式(例如，通过一个或多个离散步骤)改变横截面。在一些实施方案中，FEWG内和/或反应器的反应区中的压力为0.1atm至10atm、或0.5atm至10atm、或0.9atm至10atm、或大于0.1atm、或大于0.5atm、或大于0.9atm。
图3A示出了本公开的微波化学处理系统的实施方案，其中“场增强波导”(FEWG)被耦合到微波能量发生器(即，微波能量源)，等离子体由供应气体在FEWG的等离子体区域中产生，并且FEWG的反应长度用作反应区域以将处理材料分离成分离的组分。如图3A所示的本发明反应器在场增强波导的场增强区和反应区之间不存在介电屏障。相反，常规系统的反应区封闭在诸如石英室的介电屏障内，如前所述。微波能量的传播方向平行于供应气体和/或处理材料(即前体材料)的大部分流动，并且微波能量在产生分离的组分的FEWG部分的上游进入波导。
如图3A所示，根据一些实施方案，微波化学处理反应器300一般包括FEWG 305；一个或多个入口302，其被配置成能够接收流入FEWG 305的供应气体和/或处理材料308a；以及耦合到FEWG 305的微波能量源304；以及为简单起见未示出的其他元件。“处理材料”也可以称为“输入材料”、“前体材料”，或者在一些实施方案中，称为“处理气体”。入口302可被设计成能够适应气态或液体混合物前体材料。在液体前体的情况下，在一些实施方案中，入口302可包括雾化器(或其他组件)以有效地将液体前体分散在反应器中。在一些实施方案中，可使用起泡器以蒸发液体，并且蒸汽可提供到入口302。
在一些实施方案中，微波电路307控制脉冲频率，在所述脉冲频率下来自微波能量源304的微波能量309被脉冲。在一些实施方案中，来自微波能量源304的微波能量309是连续波。
FEWG 305具有长度L。FEWG 305的具有长度LA的部分(如图3A所示)比FEWG的具有长度LB的部分(如图3A所示)更靠近微波能量发生器。在整个本公开中，FEWG的不同部分将由大写L描述，其中下标表示FEWG的某一部分(例如，LA、L0、LB、L1、L2)，并且同义地，FEWG的不同部分的长度也将由大写L描述，其下标表示FEWG的某一部分的长度(例如，LA、L0、LB、L1、L2)。
长度LB的FEWG的横截面小于长度LA的FEWG的横截面。FEWG的长度L0位于FEWG的长度LA和LB之间，并且沿微波能量传播路径具有减小的横截面。与常规系统相比，横截面的减小用于集中电场，从而增加微波能量密度，同时还提供可形成等离子体的大量区域。当使用2.45GHz的微波能量频率时，FEWG的具有长度LB的部分(如图3A所示)可具有0.75英寸×3.4英寸的矩形横截面。此横截面远大于传统系统，所述常规系统中等离子体产生区域一般小于一平方英寸。FEWG 305的不同部分的尺寸根据微波频率设定，以便适当地用作波导。例如，对于椭圆形波导，对于2.1-2.7GHz，横截面尺寸可以是5.02英寸×2.83英寸。
在常规的微波等离子体材料处理系统中，等离子体可以形成的有限区域，诸如如上所述的小于一平方英寸的区域，限制了可以发生气体反应的体积。而且，在常规系统中，微波能量通过窗口(通常为石英)进入反应室。在这些系统中，介电材料(例如，微粒碳)在处理期间涂覆在窗口上，导致功率递送随时间推移减少。如果这些分离的组分吸收微波能量，则这可能是非常有问题的，因为它们可以防止微波能量耦合到反应室中以产生等离子体。因此，副产物的快速积聚，诸如由气体反应产生的碳颗粒的快速积聚，发生并限制处理设备的运行时间。在本发明实施方案中，系统300和下文所述的其他实施方案被设计成在反应区中不使用窗口；也就是说，使用平行传播/气体流动系统，其中能量从反应上游进入。结果，更多的能量和功率可以从微波能量源被耦合到等离子体中。与常规系统中有限的反应室体积相比，窗口的缺少和波导305内的更大体积大大减少了颗粒积聚导致的有限运行时间的问题，从而提高了微波处理系统的生产效率。
图3A中的微波能量309在具有长度L1的FEWG 305(图3A中所示)的等离子体区域内的供应气体和/或处理材料中产生微波等离子体306。具有长度L1的等离子体区域位于FEWGLB部分内，其中横截面较小并且微波能量密度高于长度LA。在一些实施方案中，使用不同于处理材料的供应气体来产生微波等离子体306。供应气体可以是例如氢气、氦气、氮气、诸如氩气的惰性气体、或多于一种类型的气体的混合物。在其他实施方案中，供应气体与处理材料相同，其中处理材料是产生分离组分的材料。
在一些实施方案中，供应气体和/或处理材料入口302位于FEWG LB部分的上游，或者位于FEWG L0部分内，或者位于FEWG LA部分内，或者位于FEWG LA部分上游。在一些实施方案中，FEWG L1部分从供应气体和/或处理材料308a进入FEWG的位置的下游沿FEWG的位置延伸到FEWG的端部或延伸到供应气体和/或处理材料的入口与FEWG 305的端部之间的位置。在一些实施方案中，FEWG L1部分从供应气体和/或处理材料308a进入FEWG的位置延伸到FEWG的端部或延伸到供应气体和/或处理材料的入口与FEWG的端部之间的位置。
产生的等离子体306为在具有反应长度L2的FEWG 305的反应区301内的处理材料308b中发生的反应提供能量。在一些实施方案中，反应区L2从处理材料308a进入FEWG 305的位置延伸到FEWG 305的端部或延伸到处理材料的入口与FEWG 305的端部之间的位置。在适当的条件下，等离子体306中的能量足以由处理材料分子形成分离的组分。一个或多个出口303被配置成能够收集从FEWG的反应区部分301下游的FEWG 305离开的分离的产物，其中反应发生在处理材料308b中。在图3A所示的实例中，微波能量309的传播方向与大部分供应气体和/或处理材料流动308b平行，并且微波能量309在生成分离的组分的FEWG的反应区301的上游进入FEWG305。
在一些实施方案中，对微波能量通透的压力屏障310可位于微波能量源304内、微波能量源的出口附近、或微波能量源304与FEWG中产生的等离子体306之间的其他位置。此压力屏障310可以用作安全措施以防止等离子体潜在地回流到微波能量源304中。等离子体不在压力屏障本身处形成；相反，压力屏障只是机械屏障。可以制造压力屏障的材料的一些实例是石英、乙烯四氟乙烯(ETFE)、其他塑料或陶瓷。在一些实施方案中，可以存在两个压力屏障310和311，其中一个或两个压力屏障310和311在微波能量源304内、微波能量源的出口附近、或微波能量源304与FEWG中产生的等离子体306之间的其他位置。在一些实施方案中，压力屏障311比压力屏障310更靠近FEWG中的等离子体306，并且在压力屏障311失效的情况下，在压力屏障310和311之间存在压力吹出端口312。
在一些实施方案中，FEWG内的局部阻抗使用细丝、点源、电极和/或磁体来定制。在一些实施方案中，细丝、点源、电极和/或磁体用于增加FEWG的反应区内的密度等离子体。
图3B示出了具有FEWG和细丝的微波处理系统。在图3B的实施方案中，微波处理系统350包括微波能量发生器(即，微波能量源)354、FEWG 355和微波发射器电路357，类似于先前的实施方案。微波能量359由微波能量源354提供，以沿着FEWG 355的长度L向下传播。在本实施方案中，供应气体入口352放置在部分L0的入口附近，而不是在部分L1的入口处(即，等离子体区域)，如先前实施方案中所示。一个或多个金属细丝370被放置在FEWG 355内，以帮助等离子体点燃和/或激发等离子体内的较高能量物质。在本实施方案中，金属细丝370位于第一气体入口352的下游，FEWG L1的等离子体区域部分的入口附近(具有比靠近微波能量发生器的FEWG更小的横截面)。在其他实施方案中，细丝370可以定位于FEWG 355的总长度L的部分L1内的其他位置，其中L1是波导中形成等离子体的区域，如先前实施方案所述。在一些实施方案中，细丝370位于FEWG的部分L1内和处理材料入口360的上游，使得其将定位于部分L2的外部(即，图3A中所示的长度L2)，其中反应正在进行并可以用反应物质涂覆细丝。细丝370的存在可以通过集中微波能量359的电场来提供点火位置来降低等离子体点火电压。另外，细丝370可以通过热电发射而被加热并发射电子，这进一步有助于减少等离子点火电压。尽管在本实施方案中细丝370被示为单线，但细丝370可采用其他配置，诸如线圈或多个细丝。在一些实施方案中，细丝370是钨。在一些实施方案中，细丝可以主动通电(供电)或可以是无源的。在一些实施方案中，细丝370是与加热器线圈相邻的锇丝(例如，配置为板、或线圈、或其他形状)。在一些实施方案中，细丝370是感应线圈的场中的含铁材料。在一些实施方案中，细丝370被主动加热，其中有源部件(例如，加热源部件)位于波导355的外部，并且被加热的细丝材料在波导355的内部。
FEWG内的细丝370可以帮助等离子体点火。在一些实施方案中，在FEWG内使用细丝370的优点在于其使得等离子体能够足够快地形成以跟上快速微波脉冲频率(例如，大于500Hz的频率，或大于1kHz)，甚至是高气体流量(例如，大于5slm)和大气体体积(例如，高达1000L)。这在高压(例如，大于0.9atm、或大于1atm、或大于2atm)下尤其重要，因为高能量物质将在高压气氛中快速熄灭，并且如果等离子体不能足够快地点火，则在高压下脉冲等离子体中将存在低比例的高能物质(即，随着时间积分)。
在一些实施方案中，使用气体流量(即，供应气体流量、处理气体流量或输入材料气体流量)为1slm(标准升/分钟)至1000slm、或2slm至1000slm、或5slm至1000slm、或大于1slm、或大于2slm、或大于5slm、或大于10slm、或大于100slm的微波等离子体反应器，来生产本文所述的碳纳米颗粒和聚集体(包括不同的碳同素异形体)。在一些实施方案中，使用气体停留时间为0.001秒至100秒、或0.01秒至100秒、或0.1秒至100秒、或0.001秒至10秒、或0.01秒至10秒、或0.1秒至10秒的微波等离子体反应器，来生产本文所述的碳纳米颗粒和聚集体。
在一些实施方案中，使用液体前体流量为0.1L/min至1000L/min、或2L/min至1000L/min、或5L/min至1000L/min、或大于1L/min、或大于2L/min、或大于5L/min、或大于10L/min、或大于100L/min的微波等离子体反应器，来生产本文所述的碳纳米颗粒和聚集体(包括不同的碳同素异形体)。在一些实施方案中，使用液体前体停留时间为0.001秒至100秒、或0.01秒至100秒、或0.1秒至100秒、或0.001秒至10秒、或0.01秒至10秒、或0.1秒至10秒的微波等离子体反应器，来生产本文所述的碳纳米颗粒和聚集体。
在一些实施方案中，前体材料流动速率(即，气体或液体流动速率)用于定制反应器内产生的同素异形体的混合物。在较高的流动速率下，停留时间较短，而在较低的流动速率下，停留时间较长。在一些实施方案中，存在最初形成的一种或多种碳同素异形体，以及随后形成的和/或在最初形成的碳同素异形体的表面上生长其他碳同素异形体。在较高的流动速率(即较短的停留时间)下，最初形成的同素异形体与随后形成的同素异形体的比率将高于在较低流动速率下的比率。
一个实例是石墨烯、石墨和MWSF的混合物的产生。在一些实施方案中，首先形成MWSF，并且石墨烯和/或石墨材料在最初形成的MWSF的表面上形成。在以较高流动速率产生混合物的实施方案中，石墨烯和石墨与MWSF的比率较低(例如，低至10％或20％)。另一方面，在以较低流动速率产生混合物的实施方案中，石墨烯和石墨与MWSF的比率较高(例如，高达80％或90％)，因为有更多时间用于在MWSF表面上生长另外的石墨烯和石墨层。
另一个实例是石墨烯、石墨和无定形碳的混合物的产生。在一些实施方案中，首先形成无定形碳，并且石墨烯和/或石墨材料在最初形成的无定形碳的表面上形成。在以较高流动速率产生混合物的实施方案中，石墨烯和石墨与无定形碳的比率较低(例如，低至10％或20％)。另一方面，在以较流动速率产生混合物的实施方案中，石墨烯和石墨与无定形碳的比率较高(例如，高达80％或90％)，因为有更多时间用于在无定形碳表面上生长另外的石墨烯和石墨层。
重要的是要注意，除前体材料流动速率之外的其他参数也会影响形成的碳同素异形体的种类以及每种的生长速率，所述参数包括例如微波参数(例如，能量、功率、脉冲率)、室几何形状、反应温度、细丝的存在以及所用的前体和供应气体物质。例如，当产生石墨烯或石墨烯和石墨的混合物时，微波能量和功率以及前体和供应气体流动速率可影响石墨烯中的层数和/或产生的石墨烯与石墨的比率。在更高的功率下，碳层的生长速率增加，并且在更长的停留时间下，能够生长的层数增加。
在一些实施方案中，本文所述的碳纳米颗粒和聚集体使用具有100cm3至100,000cm3、或1000cm3至100,000cm3、或100cm3至10,000cm3、或1000cm3至10,000cm3、或1000cm3至5,000cm3的室体积的微波等离子体反应器产生。多个室也可以在单个反应器中并联使用，并且多个反应器可以在同一反应器系统中并联使用。
在一些实施方案中，本文所述的碳纳米颗粒和聚集体使用微波等离子体反应器以大于10kg/小时、或大于1kg/小时、或0.1至100kg/小时、或1至100kg/小时、或10至100kg/小时、或0.1至10kg/小时、或0.1至1kg/小时、或1至10kg/小时的生产速率产生。
多个反应器配置
在一些实施方案中，微波等离子体化学处理反应器以不同的配置布置在本公开的微波化学处理系统中，如前述题为“Microwave Chemical Processing Reactor”的美国专利号9,767,992中所述。
在一些实施方案中，本公开的微波等离子体化学处理反应器具有单个微波能量发生器，其是耦合到一个或多于一个FEWG的微波能量源。在一些实施方案中，本公开的微波等离子体化学处理反应器具有多于一个微波能量发生器，其被耦合到多于一个FEWG。在一些实施方案中，微波能量是连续的波或脉冲的。在一些实施方案中，微波能量发生器功率为1至100kW。
在一些实施方案中，本公开的微波等离子体化学处理反应器具有多于一个反应区，所述反应区连接在一起并具有一个或多于一个出口，从所述出口收集分离的组分。
在一些实施方案中，本公开的微波等离子体化学处理反应器包含具有不同几何形状的多个FEWG，所述几何形状包括歧管布置和网络布置。
在一些实施方案中，本公开的微波等离子体化学处理反应器具有带壁的反应区，并且供应气体和处理入口通过壁向反应区提供供应气体(用于产生微波等离子体)和输入材料。在一些实施方案中，存在多个供应气体和处理入口，其以受控的质量分数通过壁向反应区提供供应气体和输入材料。以受控的质量分数通过壁向反应区提供供应气体和输入材料可以减少分离的组分在反应区壁上的沉积。
在一些实施方案中，处理材料是气体。上文描述了处理材料(即输入材料)气体的实例。
在一些实施方案中，处理材料是通过处理材料入口提供到FEWG中的液体。可用作处理材料的液体的一些实例是水、烷烃、烯烃、炔烃、芳烃、饱和烃类和不饱和烃类(例如，烷烃、烯烃、炔烃或芳烃)、乙醇、甲醇、异丙基醇(即异丙醇)或其混合物(例如，乙醇/甲醇的50/50混合物)。在一些实施方案中，上文列出的液体处理材料将产生碳和氢气分离的组分。在一些实施方案中，液体的流动速率可以是进入反应器的供应气体流量的百分比，诸如0.001％至1000％、或0.001％至100％、或0.001％至10％、或0.001％至1％、或0.001％至0.1％、或0.01％至1000％、或0.01％至100％、或0.01％至10％、或0.01％至1％、或0.01％到0.1％。
在一些实施方案中，处理材料是胶体分散体(即悬浮在液体或气体中的固体颗粒的混合物)，其通过处理材料入口提供到FEWG中。例如，胶体分散体可包括碳质颗粒。可用作处理材料的胶体分散体的一些实例是与液体或气体混合的来自第16族、第14族、第10族、第9族、第5族、第2族、第1族、其合金及其混合物的固体颗粒。在一些实施方案中，上文列出的固体颗粒可以与液体混合，所述液体诸如水、烷烃、烯烃、炔烃、芳烃、饱和烃类和不饱和烃类(例如烷烃、烯烃、炔烃或芳烃)、乙醇、甲醇、异丙基醇或其混合物(例如，乙醇/甲醇的50/50混合物)。气体的实例是第1族和第15-18族，以及无机化合物(例如，第14族氢化物)。可以由上文列出的胶体分散处理材料产生的分离的组分的一些实例是涂覆有有机材料的固体无机材料(例如，涂覆有石墨烯的硅)，以及具有有机/无机材料的中间层的复合材料(例如，具有封装硅的碳层、涂覆有附加的无机层的硅核)。在一些实施方案中，胶体分散体的流动速率可以是进入反应器的供应气体流量的百分比，诸如0.001％至1000％、或0.001％至100％、或0.001％至10％、或0.001％至1％、或0.001％至0.1％、或0.01％至1000％、或0.01％至100％、或0.01％至10％、或0.01％至1％、或0.01％至0.1％。
图3C-3F示出了表示本公开的微波化学处理系统的实施方案的框图，其中多个FEWG被耦合到一个或多个微波能量发生器(即，微波能量源)。这些实施方案中的FEWG可以共享上述系统的一些或全部特征。在这些实施方案中的供应气体和处理材料输入也可以共享上述一些或全部特征。在一些实施方案中，每个FEWG具有反应区。在一些实施方案中，由每个FEWG中的等离子体区中的供应气体产生等离子体，并且每个FEWG的反应长度用作反应区以将处理材料分离成分离的组分。在一些实施方案中，反应区连接在一起，并且微波化学处理系统具有用于分离的组分的一个出口。在一些实施方案中，反应区连接在一起，并且微波化学处理系统具有多于一个用于分离的组分的出口。在一些实施方案中，每个反应区具有其自己的用于分离的组分的出口。
图3C示出了一个实施方案，其中存在耦合到多个FEWG 382的一个微波能量发生器381，并且FEWG的反应区全部连接在一起，使得存在单个用于收集分离的组分的出口383。
图3D示出了一个实施方案，其中存在耦合到多个FEWG 382的一个微波能量发生器381，并且一些FEWG的反应区连接在一起，使得存在多于一个用于收集分离的组分的出口383。
图3E示出了一个实施方案，其中存在耦合到多个FEWG 382的多于一个微波能量发生器381，并且FEWG的反应区全部连接在一起，使得存在单个用于收集分离的组分的出口383。
图3F示出了一个实施方案，其中存在耦合到多个FEWG 382的多于一个微波能量发生器381，并且一些FEWG的反应区连接在一起，使得存在多于一个用于收集分离的组分的出口383。
出于说明的目的，图3C-3F描绘了6个FEWG，但是在一些实施方案中，存在少于或多于6个FEWG。例如，在一些实施方案中，存在耦合到每个微波能量发生器的1至10个FEWG。在一些实施方案中，来自多于一个微波发生器的微波能量可以使用功率组合器组合，然后组合的微波能量可以被耦合到多于一个FEWG中。从这种功率组合器发射的微波能量可以非常大，并且可以被耦合到许多个FEWG(例如，大于10个)中。在一些实施方案中，多路复用用于将来自单个微波能量源的微波能量耦合到多个FEWG中。在一个实例中，多路复用是时分多路复用，其意指来自微波能量源的能量在一个时刻适时地耦合到一组FEWG中，并且使用开关在稍后的时刻适时地将能量引导到一组不同的FEWG中。开关可用于在一段时间内将来自单个微波能量源的能量在多组FEWG(例如，大于2组、或大于5组、或大于10组)之间循环，其中每组FEWG可含有多个FEWG(例如，大于2个、或大于5个、或1至10个)。图3D描绘了两个出口，但是可以存在多于两个出口，诸如图3F中，并且每个FEWG可以具有其自己的用于收集分离的组分的出口。在一些实施方案中，存在1至10个用于收集分离打的组分的出口。图3D描绘了3个连接到每个出口中的FEWG，但是可以存在少于或多于3个连接到每个出口中的FEWG，并且每个FEWG可以具有其自己的用于收集分离的组分的出口。图3E和3F描绘了两个微波能量发生器，但是在一些实施方案中，存在多于2个微波能量发生器。在一些实施方案中，存在1至10个一起连接到每个出口来收集分离的组分的FEWG。
图3G和3H示出了本公开的微波化学处理系统的实施方案，其中多个FEWG使用不同的几何形状被耦合到一个微波能量发生器(即，微波能量源)。这些实施方案中的FEWG可以共享上述系统的一些或全部特征。在这些实施方案中的供应气体和处理材料输入也可以共享上述一些或全部特征。在一些实施方案中，每个FEWG具有反应区。在一些实施方案中，由每个FEWG中的等离子体区中的供应气体产生等离子体，并且每个FEWG的反应长度用作反应区以将处理材料分离成分离的组分。在一些实施方案中，反应区连接在一起，并且微波化学处理系统具有一个用于分离的组分的出口。在一些实施方案中，反应区连接在一起，并且微波化学处理系统具有多于一个用于分离的组分的出口。在一些实施方案中，每个反应区具有其自己的用于分离的组分的出口。
图3G示出了具有歧管几何形状的实施方案，其中存在耦合到多个FEWG的一个微波能量发生器。微波能量391被耦合到歧管波导392，然后耦合到多个FEWG中。微波能量进入每个FEWG的大横截面部分，然后进入FEWG 393的场增强区，然后耦合到FEWG 394的较小横截面反应区。在图3G中所示实施方案中，所有FEWG都连接在一起，使得存在单个用于收集分离的组分的出口395。
图3H示出了具有网络几何形状的实施方案，其中存在耦合到多个FEWG的一个微波能量发生器。微波能量391被耦合到网络波导392，然后耦合到多个FEWG中。具体的网络波导尺寸取决于所使用的微波频率。微波能量进入每个FEWG的大横截面部分，然后进入FEWG393的场增强区，然后耦合到FEWG 394的较小横截面反应区。在图3H所描绘的实施方案中，所有FEWG都连接在一起，使得存在单个用于收集分离的组分的出口395。
图3G和3H描绘了在歧管或网络几何形状中耦合到5个FEWG的一个微波能量发生器，但是在一些实施方案中，存在在歧管或网络几何形状中耦合到少于或多于5个FEWG的一个微波能量发生器。在一些实施方案中，可以使用功率组合器将来自多于一个微波发生器的微波能量组合，然后可以将组合的微波能量耦合到歧管或网络几何形状中的多于一个FEWG中。从这种功率组合器发射的微波能量可以非常大，并且可以耦合到歧管或网络几何形状中的许多个FEWG(例如，多于10个)中。在一些实施方案中，存在耦合到歧管或网络几何形状中的每个微波能量发生器的1至10个FEWG。图3G和3H描绘了一个出口，但是可以存在多于一个耦合到歧管或网络几何形状中的微波能量发生器的FEWG的出口。在一些实施方案中，存在1至10个出口，其用于从耦合到歧管或网络几何形状中的微波能量发生器的FEWG收集分离的组分。图3G和3H描绘了耦合到多个FEWG的一个微波能量发生器，但是在一些实施方案中，存在耦合到歧管或网络几何形状中的1至10个FEWG的1至10个微波能量发生器。在一些实施方案中，存在一起连接到每个出口的1至10个FEWG，所述出口用于从耦合到歧管或网络几何形状中的微波能量发生器的FEWG收集分离的组分。
在一些实施方案中，在歧管或网络几何形状波导392与FEWG 393的场增强区之间存在孔。这些孔的尺寸被定制成能够有效地将来自歧管或网络几何波导392的微波能量耦合到FEWG 393的场增强区。在一些实施方案中，这些孔的尺寸是不同的尺寸，以平衡来自歧管或网络几何波导392在FEWG393的所有耦合场增强区之间的微波能量传输。
在一些实施方案中，歧管或网络几何形状波导392的尺寸被定制成使得它们形成谐振腔并且在歧管或网络几何形状波导392内存在微波能量的驻波。在一些实施方案中，微波能量的驻波被调谐以有效地将微波能量耦合到FEWG 393的每个耦合的场增强区中。
在一些实施方案中，存在从歧管或网络几何形状波导392到FEWG 393的场增强区的受控泄漏，以有效地分布耦合到FEWG 394的每个反应区中的微波能量的量。控制从歧管或网络几何形状波导392到FEWG 393的场增强区的泄漏并且有效地分布耦合到FEWG 394的每个反应区中的微波能量的量的设计的一些实例是：改变波导的横截面和/或长度；在歧管或网络几何形状波导392与FEWG 393的场增强区之间使用孔；改变歧管或网络几何形状波导392与FEWG 393的场增强区之间的取向角；在歧管或网络几何形状波导内或在FEWG内使用细丝、点源、电极和/或磁体(如将在下文进一步详细讨论的)；以及这些设计特征中的两个或更多个的组合。
微波化学处理方法
用于产生使用微波等离子体反应器产生的本文所述的碳颗粒、纳米颗粒、聚集体和材料的方法示于图4A中。在一些实施方案中，方法400包括使处理气体流入反应区的步骤402，使用微波等离子体裂化反应区中的处理气体的分子的步骤404，使裂化的分子反应形成碳聚集体的步骤406，以及收集碳聚集体的步骤408。在一些实施方案中，碳聚集体包含石墨烯。在一些实施方案中，碳聚集体包含石墨烯、石墨、MWSF、连接的MWSF、无定形碳、其他碳同素异形体或其组合。在一些实施方案中，碳聚集体含有大于99％的碳与除氢外的其他元素的比率，碳聚集体的中值粒径为1至50微米，当使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法以氮气作为吸附物测量时，碳聚集体的表面积为50至200m2/g，并且碳聚集体在压缩时具有大于500S/m的电导率。
用于生产本文所述的碳颗粒的方法示于图4B中。方法410包括提供包含烃类气体的输入材料的步骤412；使用微波等离子体反应器将输入材料处理成分离的组分的步骤414，其中分离的组分含有氢气和碳颗粒；以及使用多阶段气固分离系统从氢气中过滤碳颗粒的步骤416。在方法410的一些实施方案中，多阶段气固分器系统包括：具有输出的第一旋风分离器；和反脉冲过滤系统。第一旋风分离器从分离的组分中过滤碳颗粒；并且反脉冲过滤系统从第一旋风分离器的输出中过滤碳颗粒。
在所述方法的一些实施方案中，多阶段气固分离系统中的温度是可调节的，并且调节温度以改变收集的碳颗粒中吸附的烃类的浓度。
在所述方法的一些实施方案中，多阶段气固分离系统中的温度大于300℃，并且所收集的碳颗粒的烃类浓度为1％至5％。
在所述方法的一些实施方案中，输入材料包含天然气，并且输入材料进入反应器的流动速率大于5slm。在所述方法的一些实施方案中，输入材料包含生物气，并且输入材料进入反应器的流动速率大于5slm。
在所述方法的一些实施方案中，通过旋风分离器过滤的大部分碳颗粒的尺寸大于1微米。在所述方法的一些实施方案中，通过反脉冲过滤系统过滤的大部分碳颗粒的尺寸大于100nm。在所述方法的一些实施方案中，在通过第一旋风分离器过滤分离的组分之后，过滤大于80％的碳颗粒。在所述方法的一些实施方案中，在通过第一旋风分离器和反脉冲过滤系统过滤分离的组分之后，过滤大于99％的碳颗粒。
在所述方法的一些实施方案中，碳颗粒的密度小于0.2g/cm3。在所述方法的一些实施方案中，当通过Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法以氮气作为吸附物测量时，碳颗粒的表面积为50至300m2/g。
在所述方法的一些实施方案中，碳颗粒包含石墨烯和除石墨烯外的一种或多种其他碳同素异形体。在所述方法的一些实施方案中，石墨烯包含多达15层；碳颗粒中碳与除氢外的其他元素的比率大于99％；并且石墨烯与其他碳同素异形体的比率为5％至95％。在所述方法的一些实施方案中，碳颗粒包含无定形碳，并且其中石墨烯与无定形碳的比率为1％至10％。
在所述方法的一些实施方案中，所述反脉冲过滤系统包括：多个反脉冲过滤器，每个反脉冲过滤器具有i)过滤状态，其中反脉冲过滤器过滤分离的组分，ii)清洁状态，其中使用与分离的组分流过反脉冲过滤器相反的方向上的气体流动清洁反脉冲过滤器；以及位于多个反脉冲过滤器的上游用于在过滤状态和清洁状态之间切换每个反脉冲过滤器的阀门；其中多个反脉冲过滤器并联布置；并且所述过程还包括操作在清洁状态下的多个反脉冲过滤器的第一反脉冲过滤器，同时多个反脉冲过滤器的其他反脉冲过滤器处于过滤状态。
在所述方法的一些实施方案中，多阶段气固分离系统还在第一旋风分离器和反脉冲过滤系统之间包括第二旋风分离器，其中：第一旋风分离器过滤掉分离的组分中的第一部分碳颗粒，第二旋风分离器过滤掉分离的组分中的第二部分碳颗粒，并且反脉冲过滤系统过滤掉分离的组分中的第三部分碳颗粒。在所述方法的一些实施方案中，第一部分中的颗粒的中值粒径大于第二部分中的颗粒的中值粒径，并且第二部分中的颗粒的中值粒径大于第三部分中的颗粒的中值粒径。
在所述方法的一些实施方案中，微波等离子体反应器包括：0.1atm至10atm的压力；以及频率为915MHz至5.8GHz的微波能量等离子体源。
实施例
实施例1：微波化学处理系统气固分离系统
在本第一实施例中，使用上述实施方案中所述的微波等离子体反应器系统产生含有石墨和石墨烯的碳颗粒和聚集体。本实施例中的微波等离子体反应器具有由不锈钢制成的主体和石英内壁材料。然而，石英内壁材料不是在所有情况下都需要，并且可以在反应区中或邻近反应区的不含石英的反应器中生产类似的碳材料。反应区体积为约45cm3。前体材料是甲烷，并且任选地与供应气体(例如氩气)混合。甲烷的流动速率为1至100L/min，并且供应气体的流动速率为0至100L/min。利用这些流动速率和工具几何形状，气体在反应室中的停留时间为约0.001秒至约2.0秒，并且碳颗粒生产速率为约0.1g/小时至约15g/小时。
在本实施例中，烃类是微波等离子体反应器的输入材料，并且分离的组分是氢气和含有石墨和石墨烯的碳颗粒。在多阶段气固分离系统中将碳颗粒与氢气分离。在离开微波等离子体反应器之后，通过旋风分离器第一阶段处理氢气和碳颗粒，然后通过反脉冲过滤器第二阶段处理旋风分离器的输出。
在本实施例中用于气固分离系统的旋风分离器由不锈钢构成，在入口和出口处具有1”OD管，并且具有约13.25”的长度，并且直径为约2.5”。分离试验期间旋风分离器的温度大于225℃并且压力为0至100psig。
在本实施例中用于气固分离系统的反脉冲过滤器包括多孔不锈钢过滤器元件，其中值尺寸为0.5μm至25μm。过滤试验期间反脉冲过滤器的温度大于250℃。在过滤器上的最小压降大于0.5psig，并且最大压降为约15psig。过滤器的反应器侧(即过滤期间的上游侧)的压力大于1psig，并且出口侧(即过滤期间的下游侧)的压力比微波等离子体反应器内部压力小约0.5psig。
在本实施例中产生的颗粒含有石墨和石墨烯，并且没有种子颗粒。本实施例中的颗粒具有约99.5％或更大的碳与其他元素(除氢外)的比率。来自反应器的分离的组分的固体负荷为0.001g/L至2.5g/L。
本实施例中的气固分离系统，包括旋风分离器第一阶段，接着是反脉冲过滤器第二阶段，所述气固分离系统从分离的组分中的氢气中去除99％以上的碳颗粒。
图5A示出通过旋风分离器捕获的本实施例的碳聚集体的SEM图像，其示出了石墨和石墨烯同素异形体。图5B示出通过反脉冲过滤器捕获的本实施例的碳聚集体的SEM图像，其示出了石墨和石墨烯同素异形体。层状石墨烯在碳的变形(褶皱)内清晰地示出。碳同素异形体的3D结构也是可见的。
在本实施例中在旋风分离器第一阶段中捕获的碳颗粒的粒径分布示于图5C中。质量基础累积粒径分布510对应于图中的左侧y轴(Q3(x)[％])。质量粒径分布520的直方图对应于图中的右侧轴(dQ3(x)[％])。在本实施例中在旋风分离器中捕获的中值粒径为约33μm，第10百分位粒径为约9μm，并且第90百分位粒径为约103μm。在旋风分离器中收集的颗粒的质量密度为约10g/L。
在本实施例中在反脉冲过滤器第二阶段中捕获的碳颗粒的粒径分布示于图5D中。质量基础累积粒径分布550对应于图中的左侧y轴(Q3(x)[％])。质量粒径分布560的直方图对应于图中的右侧轴(dQ3(x)[％])。在本实施例中在旋风分离器中捕获的中值粒径为约11μm，第10百分位粒径为约3.5μm，并且第90百分位粒径为约21μm。图5D中的曲线图还示出了对应于图中左侧y轴的数量基础累积粒径分布570(Q0(x)[％])。在本实施例中，数量基础的中值粒径为约0.1μm至约0.2μm。在反脉冲过滤器中收集的颗粒的质量密度为约22g/L。
图5C还示出了本第一实施例的第二试验的结果。通过机械研磨使在本实施例的微波等离子体反应器中产生的颗粒尺寸减小，然后使用本实施例的旋风分离器处理尺寸减小的颗粒。在本实施例中在旋风分离器中捕获的尺寸减小的碳颗粒的质量基础累积粒径分布530对应于图中的左侧y轴(Q3(x)[％])。质量基础粒径分布540的直方图对应于图中的右侧轴(dQ3(x)[％])。在本实施例中在旋风分离器中捕获的尺寸减小的碳颗粒的中值粒径为约6μm，第10百分位粒径为1μm至2μm，并且第90百分位粒径为10μm至20μm。
实施例2：微波化学处理系统气固分离系统
在本第二实施例中，使用如实施例1中所述的微波等离子体反应器系统产生含有石墨、石墨烯和无定形碳的碳颗粒和聚集体。前体材料含有甲烷、或异丙醇(IPA)、或乙醇、或缩合的烃类(例如己烷)。任选地将含碳前体与供应气体(例如氩气)混合。当使用气态甲烷时，甲烷的流动速率为1至100L/分钟，并且供应气体的流动速率为0至100L/分钟。当前体材料是IPA和乙醇的液体混合物时，液体混合物的流动速率为0.1至100mL/分钟。在一些其他情况下，使用冷凝烃类并且烃类的流动速率为约3L/分钟。利用这些流速和工具几何形状，气体在反应室中的停留时间为约0.001秒至约2.0秒，并且碳颗粒生产速率为约0.1g/小时至约15g/小时。在合成和收集聚集体之后，通过在惰性气氛中在1000℃至2200℃的温度下退火约60至约600分钟来对所述聚集体进行后处理。
在本实施例中产生的颗粒含有石墨、石墨烯、无定形碳，并且没有种子颗粒。本实施例中的颗粒具有约99.5％或更大的碳与其他元素(除氢外)的比率。
在本实施例中，烃类是微波等离子体反应器的输入材料，并且分离的组分是氢气和含有石墨、石墨烯和无定形碳的碳颗粒。在如实施例1所述的多阶段气固分离系统中将碳颗粒与氢气分离。来自反应器的分离的组分的固体负荷为0.001g/L至2.5g/L。
图6A-6C示出本实施例的原样合成的碳纳米颗粒的TEM图像，其示出了石墨、石墨烯和无定形碳同素异形体。在图像中可以清晰地看到石墨烯和其他碳材料的层。
在本年实施例中在旋风分离器第一阶段中捕获的碳颗粒的粒径分布示于图6D中。质量基础累积粒径分布610对应于图中的左侧y轴(Q3(x)[％])。质量粒径分布620的直方图对应于图中的右侧轴(dQ3(x)[％])。在本实施例中在旋风分离器中捕获的中值粒径为约14μm，第10百分位粒径为约5μm，并且第90百分位粒径为约28μm。图6D中的图还示出了对应于图中左侧y轴的数量基础累积粒径分布630(Q0(x)[％])。在本实施例中，数量基础中值粒径为约0.1μm至约0.2μm。
已经详细参考了所公开的发明的实施方案，其一个或多个实施例已在附图中示出。每个实施例已通过解释本技术来提供，而不是作为对本技术的限制。实际上，虽然已经关于本发明的具体实施方案详细描述了本说明书，但是应当理解，本领域技术人员在理解了前述内容后，可以容易地想到这些实施方案的改变、变形和等同物。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施方案一起使用以产生再另一个实施方案。因此，本主题旨在涵盖所附权利要求书及其等同物的范围内的所有这些修改和变形。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域普通技术人员可以实施对本发明的这些和其他修改变形，本发明的范围在所附权利要求书中更具体地阐述。此外，本领域普通技术人员将理解，前面的描述仅是示例性的，并不意图限制本发明。

Claims (20)

1.一种材料处理系统，其包括：
包含烃类气体的输入材料；
微波等离子体反应器，其包括：
微波能量源；
波导；
反应区，其中所述微波能量源通过所述波导被耦合到所述反应区，并且所述微波能量在所述反应区中产生等离子体；和
入口，其被配置成能够接收所述输入材料，其中所述输入材料通过所述入口流入所述反应区；
其中所述等离子体将所述输入材料分离成分离的组分，所述分离的组分包括氢气和碳颗粒；以及
耦合到所述微波等离子体反应器的多阶段气固分离系统，所述多阶段气固分离系统包括：
具有输出的第一旋风分离器，其中所述第一旋风分离器从所述分离的组分中过滤所述碳颗粒；和
反脉冲过滤系统，其被耦合到所述第一旋风分离器的所述输出，其中所述反脉冲过滤系统从所述第一旋风分离器的所述输出中过滤所述碳颗粒。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入材料包括天然气，并且所述输入材料进入所述反应器的流动速率大于5slm。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入材料包括生物气，并且所述输入材料进入所述反应器的流动速率大于5slm。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一旋风分离器和反脉冲过滤系统被加热到大于300℃的温度。
5.根据权利要求1所述的系统，其中通过所述第一旋风分离器过滤的大部分碳颗粒的尺寸大于1微米。
6.根据权利要求1所述的系统，其中通过所述反脉冲过滤系统过滤的大部分碳颗粒的尺寸大于100nm。
7.根据权利要求1所述的系统，其中大于80％的所述碳颗粒通过所述第一旋风分离器过滤。
8.根据权利要求1所述的系统，其中在所述分离的组分通过所述第一旋风分离器和所述反脉冲过滤系统过滤之后，过滤大于99％的所述碳颗粒。
9.根据权利要求1所述的系统，其中通过所述微波等离子体反应器产生的所述分离的组分中的所述碳颗粒的密度小于0.2g/cm3。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述碳颗粒包括石墨烯和除石墨烯外的一种或多种其他碳同素异形体，其中：
所述石墨烯包含多达15层；
所述碳颗粒中碳与除氢外的其他元素的比率大于99％；并且
所述石墨烯与所述其他碳同素异形体的比率大于5％。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述反脉冲过滤系统包括：
多个反脉冲过滤器，每个反脉冲过滤器具有i)过滤状态，其中所述反脉冲过滤器过滤所述分离的组分，ii)清洁状态，其中使用通过所述反脉冲过滤器的气体流动清洁所述反脉冲过滤器；以及
位于所述多个反脉冲过滤器的上游的用于在所述过滤状态和所述清洁状态之间切换每个反脉冲过滤器的阀门；
其中所述多个反脉冲过滤器并联布置，使得所述多个反脉冲过滤器的第一反脉冲过滤器处于所述清洁状态，同时所述多个反脉冲过滤器的其他反脉冲过滤器处于所述过滤状态。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述多阶段气固分离系统还在所述第一旋风分离器和所述反脉冲过滤系统之间包括第二旋风分离器，其中：
所述第一旋风分离器过滤掉所述分离的组分中的第一部分碳颗粒，
所述第二旋风分离器过滤掉所述分离的组分中的第二部分碳颗粒，并且
所述反脉冲过滤系统过滤掉所述分离的组分中的第三部分碳颗粒。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述第一部分中的所述颗粒的中值粒径大于所述第二部分中的所述颗粒的中值粒径，并且所述第二部分中的所述颗粒的中值粒径大于所述第三部分中的所述颗粒的中值粒径。
14.一种用于生产碳颗粒的方法，其包括：
提供包含烃类气体的输入材料；
使用微波等离子体反应器将所述输入材料处理成分离的组分，其中所述分离的组分含有氢气和碳颗粒；以及
使用多阶段气固分离系统从所述氢气中过滤所述碳颗粒，其中所述多阶段气固分离系统包括：
具有输出的第一旋风分离器；和
反脉冲过滤系统，其中：
所述第一旋风分离器从所述分离的组分中过滤所述碳颗粒；并且
所述反脉冲过滤系统从所述第一旋风分离器的所述输出中过滤所述碳颗粒。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述多阶段气固分离系统中的温度是可调节的，并且调节所述温度以改变所收集的碳颗粒中吸附的烃类的浓度。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述输入材料包含天然气，并且所述输入材料进入所述反应器的流动速率大于5slm。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述输入材料包含生物气，并且所述输入材料进入所述反应器的流动速率大于5slm。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述碳颗粒的密度小于0.2g/cm3。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述碳颗粒包括石墨烯和除石墨烯之外的一种或多种其他碳同素异形体，其中：
所述石墨烯包含多达15层；
所述碳颗粒中碳与除氢外的其他元素的比率大于99％；并且
所述石墨烯与所述其他碳同素异形体的比率大于5％。
20.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述反脉冲过滤系统包括：
多个反脉冲过滤器，每个反脉冲过滤器具有i)过滤状态，其中所述反脉冲过滤器过滤所述分离的组分，和ii)清洁状态，其中使用与所述分离的组分流过所述反脉冲过滤器相反方向上的气体流动清洁所述反脉冲过滤器；以及
位于所述多个反脉冲过滤器的上游的用于在所述过滤状态和所述清洁状态之间切换每个反脉冲过滤器的阀门；
其中所述多个反脉冲过滤器并联布置；并且
所述过程还包括在所述清洁状态下操作所述多个反脉冲过滤器的第一反脉冲过滤器，同时所述多个反脉冲过滤器的其他反脉冲过滤器处于所述过滤状态。
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