DE112009000305T5

DE112009000305T5 - Radiale Gegenstrom-Scher-Elektrolyse

Info

Publication number: DE112009000305T5
Application number: DE112009000305T
Authority: DE
Inventors: Wilmot H. Orinda McCutchen; David J. Portland McCutchen
Original assignee: McCutchen Co
Current assignee: Vorsana Inc Brush Prairie Us
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: WO2009100457A1; DE112009000305B4; CA2715370A1; US9611556B2; CN101983260B; US20090263309A1; US20140346055A1; CN101983260A; CA2715370C; US20090200176A1; GB2469251A; GB2469251B; CN101980950A; DE112009000310T5; GB201013364D0; WO2009100455A1; CA2715372A1

Abstract

Radialer Gegenstromreaktor zur kontinuierlichen Scherelektrolyse, umfassend:
(a) annähernd parallele und annähernd scheibenförmige Impeller/Elektroden, wobei die Impeller/Elektroden zur Gegenrotation um eine gemeinsame Rotationsachse fähig und beabstandet sind, um zwischen sich einen Arbeitsraum zu definieren, und
wobei die Impeller/Elektroden leitendes Material aufweisen, das während der Gegenrotation in Gegenphase über dem Arbeitsraum angeordnet ist, und
wobei einer der Impeller/Elektroden einen axialen Beschickungsanschluss in der Nähe ihrer Mitte hat und der andere Impeller/Elektrode einen axialen Auslassanschluss in der Nähe ihrer Mitte hat, wobei die Anschlüsse mit dem Arbeitsraum kommunizieren;
(b) Mittel zur Gegenrotation der Impeller/Elektroden um die gemeinsame Rotationsachse;
(c) Mittel zum entgegengesetzten Laden der Impeller/Elektroden, um während der Gegenrotation ein elektrisches Feld in dem Arbeitsraum zu erzeugen;
(d) Mittel zum kontinuierlichen Einführen einer Beschickung zur Elektrolyse durch den axialen Beschickungsanschluss und in den Arbeitsraum während der Gegenrotation der Impeller/Elektroden;
(e) Mittel zum zentrifugalen Abpumpen der Beschickung...

Description

VORAUSGEHENDE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldungen mit den Nr. 61/034,242, eingereicht am 6. März 2008, und 61/026,963, eingereicht am 7. Feb. 2008.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft die mechanisch-unterstützte elektrolytische Dissoziation in einem kontinuierlichen Verfahren. Eine spezielle Anwendung des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung ist die gleichzeitige Elektrolyse von Kohlendioxid und Wasser, um Syngas, ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, zu produzieren, wodurch Mittel zum Kohlenstoff- und Sauerstoffrecycling in IGCC-Kraftwerken bereitgestellt werden. Eine andere Anwendung ist die Elektrolyse von Wasser oder Methan, um Wasserstoff für Brennstoff zu produzieren. Noch eine weitere Anwendung ist das Cracken von CO₂ als Alternative zur Kohlenstoffsequestrierung. Wieder eine andere Anwendung ist eine kontinuierliche großvolumige Synthese von Kohlenstoff oder anderen Nanoröhrchen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Kohlendioxidemissionen
Man ist sich allgemein darüber einig, dass Kohlendioxidemissionen unter Kontrolle gebracht werden müssen, aber die Technologie hat mit der Politik nicht Schritt gehalten. Von besonderer Bedeutung sind kohlebefeuerte Elektrizitätswerke, die unverzichtbare Elektrizitätslieferanten sind. Erneuerbare Energien, die keine Wasserkraft nutzen, wie etwa Wind und Sonnenenergie, sind vernachlässigbare Energiequellen, sie machen 2006 in den Vereinigten Staaten weniger als ein halbes Prozent der Kohle aus. Es gibt für Kohlekraftwerke kein wirtschaftliches Mittel zur Kohlenstoffabscheidung und -sequestrierung.
Die Sorge über den globalen Klimawandel hat zu Plänen für eine CO2-Steuer in einer Höhe zwischen 20–200 $ je Tonne Kohlendioxid geführt. Die Besitzer bereits bestehender Kohlekraftwerke werden vertretbarerweise die Wahl treffen, nichts zu tun, um die Emissionen zu reduzieren, sondern werden stattdessen jede CO2-Steuer zahlen und die Kosten an die Stromkunden durch einer Abschlagserhöhung weiterzugeben. Aminwäsche und Untertagespeicherung, die derzeit führenden Vorschläge zur Kohlenstoffabscheidung und -sequestrierung wären unerschwinglich teuer und es gibt gute Gründe, an ihrer Verlässlichkeit zu zweifeln. Rauchgas aus Kohlekraftwerken enthält Flugasche, eine große Menge an Stickstoffballast und die Säurevorläufer NOx und SOx. Das Volumen des Abfallstroms ist überwältigend groß.
Es muss einen gewissen ökonomischen Anreiz geben, der keine Strafsteuer ist, wenn es ein breit angenommenes Sanierungsprogramm geben soll, um den katastrophalen globalen Klimawandel durch unkontrollierte CO₂-Emissionen abzuwenden. Die vorliegende Erfindung bietet einen positiven Anreiz, die Kohlendioxidemissionen einzuschränken, indem sie CO₂ aus Abfall in einen Rohstoff verwandelt.
IGCC-Kraftwerke
Integrierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (Integrated Gasification Combined Cycle = IGCC) wandeln Kohle oder Biomasse mittels eines Verfahrens, das Vergasung genannt wird, in brennbares Syngas (ein Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂)) um. Die dabei kombinierten Zyklen sind: (1) ein Brayton-Zyklus (bei dem Abgas aus der Syngasverbrennung eine Gasturbine antreibt), und (2) ein Rankine-Zyklus (eine Dampfturbine, in der die Abhitze aus der Gasturbine zur Dampferzeugung verwendet wird). Für den gleichen Energieoutput benötigt ein IGCC-Kraftwerk 10–20% weniger Brennstoff als ein großdimensioniertes, mit Kohlenstaub befeuertes Kraftwerk. IGCC-Kraftwerke brauchen außerdem etwa 30% weniger Wasser als kohlebefeuerte Kraftwerke. Die Fläche, die von IGCC-Kraftwerken verbraucht wird, ist sehr viel geringer.
Die Vergasung ist ein Verfahren, das kohlenstoffhaltiges Material in Syngas umwandelt. Sogar stark schwefelhaltige Kohle, Braunkohle, Kunststoff und Deponiemüll kann Brennstoff für ein IGCC sein. Vergaser können mit Luft oder mit Sauerstoff betrieben werden. Der mit Luft betriebene Vergaser ist dem Vergaser, der reinen Sauerstoff verwendet, unterlegen. Der Brennstoffumwandlungswirkungsgrad des mit Luft betriebenen Vergasers beträgt nur 46% gegenüber 79%, und die Energiedichte, oder der Heizwert, des produzierten Syngases beträgt nur 5,3 MJ/kg gegenüber 12,55 MJ/kg. Der Sauerstoff für die mit Sauerstoff betriebene Vergasung wird gewöhnlich durch Tieftemperaturdestillation, aus der Luft extrahiert, wobei sehr viel Energie verbraucht wird.
Zusammen mit Syngas produziert das Vergasungsverfahren Kohlendioxid (CO₂). Das Abscheiden von Kohlendioxid nach der Vergasung in einem mit Sauerstoff betriebenen Vergaser ist einfacher als die der Verbrennung nachgeschaltete Rauchgas-Kohlenstoffabscheidung oder die der Verbrennung vorgeschaltete Abscheidung aus einem mit Luft betriebenen Vergaser, da kein Stickstoffballast vorhanden ist. Luft besteht zu 78% aus Stickstoff (N₂) und diese inerte Fraktion in Luft oder Rauchgas wird Stickstoffballast genannt. Abgas aus der Syngasverbrennung zum Antreiben der Gasturbine enthält auch CO₂, das ebenfalls abgeschieden werden muss. Aminwäsche ist eine Methode zur Kohlenstoffabscheidung und der „Chilled-Ammonia-Prozess” (gekühlte Ammoniaklösung als Absorber) eine andere.
Kohlenstoffsequestrierung
Wenn das Kohlendioxid abgeschieden wurde, dann muss etwas mit ihm geschehen. Was auf die Kohlenstoffabscheidung folgt, wird Sequestrierung genannt. So wie sie derzeit von politischen Entscheidungsträgern geplant wird, ist die Sequestrierung ein verkapptes Deponierungsprogramm. Ziel ist es, das Kohlendioxid statt in der Atmosphäre, unterirdisch oder im Meer zu lagern. Das enorme Volumen und Gewicht, das transportiert und injiziert werden muss, und das Fehlen jeglicher Sicherheit, dass die Kohlenstoffhalde sicher bleiben wird, sollte dazu führen, dass einer beliebigen Art von Behandlung im Kraftwerk der Vorzug vor der Deponierung gegeben wird; zur Zeit gibt es jedoch keine praktikable Kohlendioxidbehandlung für die großen Volumen an heißem und schmutzigem Abgas, das von Versorgungs- und Industriebetrieben emittiert wird.
Wenn das gesamte Kohlendioxid, das von einem durchschnittlichen kohlebefeuerten 250-MW-Elektrizitätswerk in einem Jahr emittiert wird, abgeschieden würde, dann wären das 1,7 Tonnen, die entsorgt werden müssten. Die Dichte von Kohlendioxidgas beträgt bei Standardtemperatur und -druck 1,98 kg/m³, so dass jede Tonne (1.000 kg) CO₂ bei auf Meereshöhe bezogenem Luftdruck an einem warmen Tag 554 Kubikmeter einnimmt, etwa die Größe eines Hauses. Jedes Jahr würde der Kohlendioxidabfallstrom aus diesem durchschnittlichen Kohlekraftwerk einen Kubikkilometer füllen.
Große Kohlekraftwerke emittieren bis zu 6 Millionen Tonnen pro Jahr. Zementwerke und Raffinerien und Stahlwerke sind ebenfalls starke Verschmutzer. Zum Beispiel entlässt die Shell-Martinez-Raffinerie in der San-Francisco-Bay-Area jedes Jahr mehr als 4,4 Millionen Tonnen CO₂ in die Atmosphäre. Die gesamte CO₂-Belastung aus den USA betrug 2005 mehr als 6 Milliarden Tonnen. Das sind mehr als 3 Billionen Kubikmeter oder 117 Billionen Kubikfuß. Der Transport eines so großen Gewichts und das jährliche unterirdische Einbringen eines so großen Volumens wäre ein teueres Unterfangen.
Vergrabenes Kohlendioxidgas kann zurück an die Oberfläche sickern und ausströmen, und Menschen schaden, oder zumindest in die Atmosphäre entweichen. Die Erfahrung mit der Sequestrierung von Atommüll in den Vereinigten Staaten sollte hinreichend Aufschluss über die politische Machbarkeit eines Sequestrierungsprogramms geben. Es gibt noch immer keinen Ort für eine dauerhafte Sequestrierung von Atommüll und dabei ist dessen Volumen winzig, im Vergleich zu dem Kohlendioxidabfallvolumen aus nur einem einzigen Kraftwerk. Die Bürger von Nevada haben entschlossen die Ehre abgelehnt, eine Atommülldeponie in Yucca Mountain zu beherbergen, und die gleiche Reaktion ist anderswo für CO₂-Deponien zu erwarten.
Wenn der Druck steigt, mehr Kohlendioxid in verfügbaren Deponieraum zu stopfen, steigt auch das Risiko des Auslaufens, von Migrationen und Eruptionen. Wenn die Wahrscheinlichkeit von menschlichem Versagen, Unredlichkeit und Habgier – sowie Erdbeben und anderer Naturkatastrophen – ebenfalls berücksichtigt wird, gibt es keinen Grund für die Erwartung, dass öffentliche Zustimmung für die Standortwahl von Kohlenstoffdeponien erhalten werden kann.
Kurz gesagt: Sequestrierung ist nicht nur unerschwinglich teuer sondern als langfristige Lösung auch nicht praktikabel. Es muss ein Weg gefunden werden, um CO₂ in harmlose Substanzen umzuwandeln. Das Beste wäre ein Weg, Kohlendioxid in etwas Nützliches, wie Syngas oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen (röhrenförmige Fullerene) umzuwandeln. Dies ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Syngas-Synthese durch gleichzeitige Elektrolyse von CO₂ und Wasser
Syngas ist ein Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂), das direkt verbrannt werden kann, oder als Ausgangsmaterial zur Herstellung von synthetischem Kraftstoff, Schmiermitteln oder Kunststoffen unter Verwendung des gut bekannten Verfahrens der Fischer-Tropsch-Synthese verwendet werden kann. Das Cracken von Kohlendioxid zu Syngas könnte Mittel zum Kohlenstoffrecycling in Kraftwerken bereitstellen, wobei die Energiedichte (Heizwert) des so gewonnenen Syngases für die direkte Verbrennung verwendet wird, um zum Antrieb der Gasturbine beizutragen. Oder das Syngas könnte synthetisiert werden, um Fahrzeugkraftstoff herzustellen. Die Energiedichte von Syngas reicht von 5 bis 12 MJ/kg, je nach dem Verfahren, das bei der Vergasung verwendet wird (wobei die Sauerstoff betriebene Vergasung die höchste Energiedichte erbringt, für eine bessere Verbrennung). Zum Vergleich: Die Energiedichte von Erdgas beträgt 45 MJ/kg, von Benzin 46,9 MJ/kg oder 34,6 MJ/l (131 MJ/Gallone); von Braunkohle 14–19 MJ/kg und von Holz 6–17 MJ/kg.
Die aus dem Kohlenstoffrecycling gewonnene Energie könnte die Kohlendioxidbehandlung ökonomisch rechtfertigen, sollten Steuern und Schelte sich als unwirksame Motivation für Energieerzeuger und andere erweisen, die CO2-Emissionen zu reduzieren. Die Energiedichte (Heizwert) von bituminöser Kohle beträgt 24 MJ/kg. Daher würde gewonnenes Syngas mit 12 MJ/kg die Hälfte der Energie aus Kohle gewinnen. Die Verminderung der Kohlekosten durch das Kohlenstoffrecycling würde einige der Kosten der Kohlendioxidbehandlung ausgleichen. Darüber hinaus würde die Kohlendioxidbehandlung die untragbaren Kosten und andere Probleme der Kohlenstoffsequestrierung vermeiden. Nicht nur Kohlekraftwerke sondern auch Erdgaswerke könnten Kohlenstoffrecycling verwenden, um die Kosten der Kohlendioxidbehandlung auszugleichen.
Sauerstoff könnte ebenso wie Kohlenstoff recycelt werden, wenn das Cracken von Kohlendioxid verfügbar wäre. Reiner Sauerstoff ist im Vergasungsverfahren gegenüber Luft bevorzugt, weil es das Stickstoffballastproblem vermeidet und Syngas mit einer höheren Energiedichte (ungefähr 12 MJ/kg) produziert. Für IGCC wird ein Luftabscheider verwendet, um Sauerstoff für die mit Sauerstoff betriebene Vergasung zu produzieren. Der Luftabscheider ist für ungefähr 30% der Betriebs- und Instandhaltungskosten des Kraftwerks verantwortlich. Die Verminderung der Luftabscheiderkosten mittels Sauerstoffrecycling würde die Kosten der Kohlendioxidbehandlung ausgleichen.
Das Idaho National Laboratory hat ein Verfahren, das sie „Syntrolyse” genannt haben, zur Synthese von Syngas mittels gleichzeitiger Elektrolyse von Kohlendioxid und Dampf bei hoher Temperatur (830°C) in einer statischen Zelle aus exotischen Metallen und keramischen Materialien entwickelt. Die Zelle ist nicht nur teuer sondern auch klein. Für große Kohlendioxidvolumen bleibt die Skalierbarkeit der Syntrolyse gemäß diesem Aufbau unklar.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kohlendioxidcracker bereitzustellen, der fähig sein wird, umfangreiche CO2-Abfallströme kontinuierlich in wertvolle Produkte, wie etwa Syngas und Nanostrukturen, wie etwa Kohlenstoff-Nanoröhrchen, zu verarbeiten.
Elektrolytische Dissoziation von Abgasen
Die für die molekulare Dissoziation, auch als Cracken bekannt, erforderliche Energie, kann in vielen Formen, einschließlich Wärme, mechanischer oder elektrischer Energie, übertragen werden. Elektrische Energie kann in einer Bogenentladung, wie bei einem Blitz, der Sauerstoff in Ozon umwandelt, übertragen werden. Normalerweise sind Gase, wie etwa Kohlendioxid, nicht leitend, aber ein ausreichend starkes elektrisches Feld dissoziiert Elektronen von Molekülen, ein Verfahren, das Ionisierung genannt wird, wodurch eine Mischung aus positiv geladenen Ionen und freien Elektronen, genannt Plasma, zurückbleibt. Plasma ist ein guter Leiter, also fließt ein Strom in einer Bogenentladung durch das ionisierte Gas. Die Bogenentladung überträgt Energie in das Gas und erhöht die Ionisierung.
Die Rate der Energieübertragung durch resistive Dissipation in das Gas, ist proportional zum Quadrat des Stroms, gemäß der Formel P = I²R, worin P gleich Leistung, I gleich Strom und R gleich Widerstand zum Stromfluss durch das Gas zwischen den Elektroden ist. Bogenentladungen, die die Anode und die Kathode verbinden, sind nicht erwünscht, nicht nur, weil sie zu einem Kurzschluss der Energie führen, so dass sie nicht in das Gas abgeleitet wird, sondern auch, weil sie Elektrodenerosion verursachen. Der herkömmliche Ansatz zur Vermeidung dieser Probleme besteht darin, ein Dielektrikum, wie etwa ein Glas, zwischen das Beschickungsgas und die Elektrode zwischenzuschalten, wie es in Reaktoren zur dielektrischen Barriereentladung (DBD) praktiziert wird, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Ozongeneratoren gut bekannt sind. Die dielektrische Barriere hat gleichmäßig über ihre Oberfläche verteilte Ladungen in Kontakt mit dem Beschickungsgas, so dass es keine lokale Ladungskonzentration gibt, wie in einer blanken Metallelektrode, was Lichtbogenbildung und Erosion verursachen könnte. Die Entladung aus dem Dielektrikum ist eher eine Vielzahl von Filamenten, die Tempern oder Corona genannt werden, als ein konzentrierter Bogen. Die filamentösen Ströme übertragen elektrische Energie in das Gas in einer Vielzahl von winzigen Pfaden, was für die resistive Dissipation gut ist. Jedoch schwächt der zwischengeschaltete Widerstand des Dielektrikums das E-Feld in dem Gas zwischen den Elektroden, so dass die elektromotorische Kraft, die elektrische Energie in das Gas treibt, schwach ist.
Thermische Plasmaverfahren, die hohe Drücke erfordern, sind für das Kohlendioxidcracken in industriellem Maßstab nicht praktikabel. Eine Alternative ist das so genannte kalte oder nicht isotherme Plasmaverfahren, da, wenngleich die Elektronentemperatur tausende von Grad beträgt, wie in einem thermischen Plasma, die Gastemperatur mäßig ist, da das Gas nicht zu einem thermischen Gleichgewicht mit den Elektronen gelangt ist. Fluoreszenzlicht ist ein Beispiel. Niedriger (atmosphärischer) Druck bedeutet, dass die Gasmoleküle, die durch Elektronenkollisionen angeregt wurden, nicht häufig genug aneinanderstoßen können, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen.
Der Kaltplasmareaktor mit gleitendem Lichtbogen (Glidarc) arbeitet annähernd bei Atmosphärendruck und verwendet transiente Bögen zwischen den Elektroden, um zum Cracken Energie in das Gas zu übertragen. Der schwächende Widerstand einer dielektrischen Barriere wird vermieden. Anstelle einer dielektrischen Barriere verhindert die Bewegung des Bogens eine konzentrierte Bogenentladung und schützt so die Elektroden vor Erosion und diffundiert elektrische Energie in das Beschickungsgas. Konvektive Kühlung des zwischen divergenten Elektroden strömenden Gases hält die Gastemperatur gering. Glidarc löst das Elektrodenerosionsproblem, indem der Bogen zusammen mit dem Gas durch das er leitet, bewegt wird, wodurch die Bogenenden bewegt werden, so dass sie nicht stillstehen und die Elektroden erodieren. Dem Fachmann bekannte Glidarc-Reaktoren arbeiten mit schwachem Strom bei hoher Spannung. Eine verbesserte Version von Glidarc (Glidarc II) weist eine rotierende zylindrische Elektrode, die mit einer koaxialen, statischen Elektrode verschachtelt ist, und einen axialen Beschickungsstrom zwischen den Elektroden auf. A. Czernichowski, et al, US-Patentschrift 6,924,608 (2005).
Glidarc-Reaktoren wurden als Mittel zum Cracken von Kohlendioxid zu Syngas erforscht. A. Czernichowski, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 56, p. 181, pp. 189–196 (2001).
Ein anderer, verbesserter Glidarc-Reaktor, der bei hoher Spannung arbeitet, bezieht das Prinzip der Wirbelströmung in umgekehrter Richtung (axialer Gegenstrom, wie in einem Zyklon), ein wie es in der Ranque-Hilsch-Wirbelröhre praktiziert wird. Tangential ausgestoßene Beschickung wirbelt eine Röhre hinunter und prallt dann durch eine Ringkathode am Boden der Röhre in einem axialen Plasmastrahl zurück nach oben zu einer Scheibenanode an der Spitze der Röhre. Die Röhre könnte mit der bloßen Hand gehalten werden, wodurch ihr Kaltplasmacharakter anschaulich demonstriert wird. CS. Kalra, et al., Rev. Sci. Instruments 76, 025110 (2005).
Ein Nachteil bekannter Glidarc-Reaktoren ist, dass die Verweilzeit des Beschickungsgases in der Aufbereitungszone zwischen den Elektroden kurz ist. Das Beschickungsgas wird nur durchgeblasen, was zum Bewegen des Bogens erforderlich ist, damit die Elektrodenerosion verhindert wird. Die Verbesserung der Verweilzeit der Beschickung von Kaltplasma- oder Glidarc-Reaktoren ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Der oben diskutierte Glidarc II und der von Hayashi et al., US-Patentschrift 5,817,218 (1998) offenbarte Reaktor sind Beispiele für Reaktoren, bei denen Scherkraft zwischen den Elektroden vorhanden ist, wobei die Scherkraft anstelle eines Druckgasstroms verwendet wird, um Erosion zu vermeiden. Beide zeigen eine einzige bewegliche Elektrode. In dem Glidarc II ist die rotierende Elektrode zylindrisch. Hayashi zeigt einen Kaltplasmareaktor, der eine rotierende Scheibenelektrode aufweist, die eine Katalysatorschicht hat und entgegengesetzt zu einer mit Katalysator beschichteten stationären Plattenelektrode angebracht ist. Die Beschickung ist peripher zur Turbulenzlücke zwischen den Elektroden. Wechselstrom mit 30–50 kHz wird an die Hayashi-Elektroden angelegt, um das Plasma zu erzeugen, obwohl auch Gleichstrom verwendet werden kann. Ein Reaktor zur Elektrolyse, der einen axial beschickten Arbeitsraum zwischen corotierenden Scheibenelektroden aufweist, wird von Fleischmann et al., US-Patentschrift 4,125,439 (1978) offenbart. Die Abscheidung von Elektrolyseprodukten in dem Apparat von Fleischmann et al. erfolgt mittels eines ringförmigen Splitters, der zwischen den Elektroden angeordnet ist.
Es besteht ein Bedarf an einem Reaktor, der eine hohe Energieübertragungsrate auf die Beschickung, eine lange Verweilzeit der Beschickung zwischen den Elektroden, minimale Elektrodenerosion, minimale Gasbedeckung der Elektroden und eine gute Trennung der Elektrolyseprodukte hat. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf diesen Bedarf.
Der Scheibendynamo
Michael Faraday entdeckte 1831, dass er durch Rotation einer Kupferscheibe durch einen Raum zwischen magnetischen Polen einen elektrischen Strom von der Scheibe nahe ihrer Rotationsachse abziehen konnte. Dies war der erste elektrische Generator. Der homopolare Generator, als der er später bekannt wurde, wurde von Tesla und vielen anderen erforscht. N. Tesla, "Notes an a Unipolar Dynamo," The Electrical Engineer, Sept. 2, 1891. Hier wird er als Scheibendynamo bezeichnet. Die Spannung des Scheibendynamos mag gering sein (< 3 Volt), aber der Strom ist groß (bis zu Millionen Ampere). Derzeitige Anwendungen enthalten Schweißen und Railguns. Die Potentiale, die für elektrolytische Teilreaktionen verwendet werden, liegen innerhalb des Bereichs, der mit einem Scheibendynamo erreichbar ist.
J. Bockris, et al. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 10, p. 179 at 185 (1985) offenbart einen Einscheibendynamo, der durch ein axiales Magnetfeld rotiert. Das Potential, das für das Cracken von Wasser verwendet wurde, lag zwischen dem Randbereich und der Achse der gleichen Scheibe.
Eine Ladungstrennung zwischen der Scheibenachse und dem Randbereich resultiert aus den entgegengesetzten Kräften auf den freien positiven und negativen Ladungen in der Scheibe, wenn die Scheibe durch das Magnetfeld rotiert. Die Bewegung der Scheibe ist azimutal und das Magnet- oder B-Feld ist axial, so dass die elektromotorische Kraft (Spannung) für positive und negative Ladungen radial und entgegengesetzt ist, was sie dazu bringt, in entgegengesetzte radiale Richtungen zu migrieren. Abhängig von der Rotationsrichtung und der Polarität des transversalen Magnetfelds entwickelt sich ein Stromfluss, der radial nach innen verlaufen kann, wodurch der Randbereich der Scheibe zu einer Kathode wird, oder radial nach außen verlaufen kann, wodurch der Randbereich der Scheibe zu einer Anode wird.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Synthese
Röhrenförmige Fullerene, die gewöhnlich als Kohlenstoff-Nanoröhrchen bezeichnet werden, sind eine kommerziell sehr wertvolle Form von Kohlenstoff mit vielen bemerkenswerten Eigenschaften. Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben die 100fache Zugfestigkeit von Stahl und dürften das stärkste Material auf der Erde sein. In ihrer metallischen Form (Armchair-Symmetrie) können sie Hochstrom mit wenig Wärme tragen, was sie beinahe zu Supraleitern macht. Zur Wärmeleitung sind sie das effizienteste Material, das bekannt ist. Jedes Kohlenstoffatom ist mit drei anderen in einem Sechseckgitter verbunden, das zu einem Röhrchen gerollt ist. Sie haben aufgrund ihrer kohäsiven Molekularstruktur in ihrer Längsrichtung einen hohen Grad an Korrosionsbeständigkeit.
Defizite der derzeitigen Methoden zur Kohlenstoff-Nanoröhrchensynthese enthalten: amorpher Kohlenstoffruß und fehlerhafte Strukturen gemischt mit den gesuchten Strukturen, kleine Fertigungsmengen, zu geringe Röhrchenlänge, Knicken und Verheddern der produzierten Nanoröhrchen.
Anorganische Nanoröhrchen, Nanodrähte und andere feine, filamentöse Strukturen wurden ebenfalls synthetisiert. Abgesehen von der Herstellung aus Kohlenstoff können Nanostrukturen auch aus Bornitrid, Gold, Metalldichalkogeniden (MX2 (M = Mo, W, Nb, Ta, Hf, Ti, Zr, Re; X = S, Se)), Metalloxiden und Metaldihaliden hergestellt werden.
Es ist anerkannt, dass Tempern bei der Nanoröhrchensynthese von Nutzen ist. Unter Tempern wird gewöhnlich eine Wärmebehandlung nach der Bildung verstanden, aber auch mechanisches Tempern oder Tempern durch Vibration ist bekannt. Die Aufgabe des Temperns ist es, das Packen von Atomen in das gesuchte Gitter zu verbessern, Verunreinigungen abzuscheiden und Mängel in der Struktur zu entfernen. Die vorliegende Erfindung verbessert auch das Tempern von Nanoröhrchen während der Synthese.
Ein Großvolumenreaktor für die kontinuierliche Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder anderen Nanoröhrchen ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Wenn Nanoröhrchen aus Rückständen aus dem CO₂-Cracken gewonnen werden können, sogar in geringen Mengen, könnten sie die Ausgaben für die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen mehr als ausgleichen. Der Anreiz für das Abscheiden und Cracken von Kohlendioxid könnte Gewinn anstelle von Zwang werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Leitende Scheiben, die gegenläufig durch ein transversales Magnetfeld rotieren, werden Scheibendynamos und Platten eines dynamischen Kondensators. Die Richtung der induzierten Ströme in den Scheiben ist aufgrund ihrer Gegenrotation entgegengesetzt; aufgrund des entgegengesetzten radialen Stromflusses wird eine Kathode und die andere eine Anode. Zwischen den entgegengesetzt geladenen, gegenläufig rotierenden Scheiben gibt es einen Arbeitsraum, in dem hohe Scherkraft eine Scherschicht herbeiführt, die radiale Wirbel zum axialen Extrahieren von Leichtfraktionsprodukten aus der Elektrolyse, wie etwa Syngas, aufweist, kontinuierlich, wenn mehr Beschickung axial in den Arbeitsraum einströmt und Schwerfraktionsprodukte aus der Elektrolyse, wie etwa Kohlenstoff-Nanoröhrchen den Arbeitsraum am Randbereich verlassen.
Gewellte Elektrodenoberflächen auf den Scheibendynamos scheren Gas in den Arbeitsraum und führen ein gepulstes elektrisches Feld herbei, wenn sich Peaks und Täler in periodischer Opposition befinden, während die Scheibendynamos gegenläufig rotieren. Der radial nach außen gerichtete Beschickungsstrom in dem Arbeitsraum verweilt durch Turbulenz in dieser energiereichen Umgebung, bis er in Leichtfraktions- und Schwerfraktionsprodukte aus der Elektrolyse gekrackt wird. Scherung unterstützt die molekulare Dissoziation durch das mechanische Belasten der Molekülbindungen, während das elektrische Feld zwischen den scherenden Impellern die Molekülbindungen elektrisch belastet. Das elektrische Feld fixiert die Moleküle und richtet sie zwischen den Scheibenimpeller/Elektroden aus, und Scherung reißt sie auseinander.
Ein radialen Gegenstrom erzwingendes System, das zentrifugale Impeller und eine axiale Saugpumpe aufweist, erzeugt in dem Arbeitsraum eine gleichzeitige Quellen- und Senkenströmung: Senkenströmung aus Leichtfraktionsprodukten aus der Elektrolyse zur Impeller/Elektroden-Rotationsachse und Quellenströmung aus Beschickung und Schwerfraktionsprodukten weg von der Achse. Radialer Gegenstrom (von-Karman-Wirbelstrom in einem offenen System) gewährleistet hohen kontinuierlichen Massenstrom durch den Reaktor und eine lange Verweilzeit zum Cracken und die zentrifugale Trennung von Produkten. Kleindimensionierte Wirbel in einer Scherschicht zwischen den Impeller/Elektroden führen die zentrifugale Trennung durch, und größer dimensionierte Wirbel, die mit den klein dimensionierten Wirbeln kommunizieren, stellen radiale Senkenströmungskanäle für Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse mit geringer Dichte, wie etwa Wasserstoff aus Wasser oder Methan, bereit.
Impulstransport von den Impeller/Elektroden advektiert die Beschickung und schwere Fraktionen von dem axialen Beschickungsanschluss an der Impeller/Elektroden-Rotationsachse radial nach außen. Gleichzeitig induzierte Wirbel in der Scherschicht zentrifugieren Beschickung oder Schwerfraktionsprodukte weg von den Wirbelachsen aus der Scherschicht und in laminare nach außen strömende Grenzschichten gegen die Impeller/Elektroden. In den Grenzschichten erfahren die Beschickung und die Schwerfraktionsprodukte eine Impulsverstärkung. Leichtfraktionsprodukte, wie etwa Syngas, die aus den Grenzschichten verdrängt werden und sich in der Scherschicht konzentrieren, erhalten nicht genauso viel Impulsübertragung von den Impellern. Daher sind Beschickung und Schwerfraktionsprodukte, die einen größeren Impuls als die Leichtfraktionsprodukte haben, mit zunehmendem Abstand von der Rotationsachse der Impeller in immer höherer Konzentration vorhanden.
Turbulenzimpedanz der radial nach außen strömenden Beschickung füllt die Grenzschichten gegen die Elektroden, wodurch sie Elektrolyseprodukte abzieht und Beschickung gegen die Elektroden auffüllt, wodurch die Produktgasbedeckung der Elektroden vermieden wird. Die Beschickung (z. B. CO₂ und Wasser) und die Schwerfraktionsprodukte (z. B. Ozon und fester Kohlenstoff) sind dichter als die Leichtfraktionsprodukte, die durch die Elektrolyse produziert werden (z. B. CO und H₂). Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse mit geringer Dichte und geringem Impuls werden von den Grenzschichten durch die Impeller-zentrifugierte und Scherkraft-zentrifugierte Beschickung und die schweren Produkte verdrängt. Daher werden die gasförmigen Elektrolyseprodukte kontinuierlich von den Elektrodenoberflächen abgezogen, um Platz zu machen für neue Beschickung, die auf diesen Oberflächen elektrolysiert werden soll. Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse konzentrieren sich in den Wirbelkernen der Scherschicht und werden radial nach innen advektiert, zur Extraktion an der Impeller/Elektroden-Rotationsachse mittels einer Saugpumpe. Diese extrahierten Leichtfraktionsprodukte können ihrerseits den Beschickungsstrom für einen anderen Reaktor in einer Kaskade bilden, um eine steigende Konzentration des gesuchten Abgabeprodukts zu produzieren.
Die Scherschicht des Arbeitsraums zwischen den gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden enthält eine radiale Anordnung von multidimensionierten Wirbelbäumen, die ein Netz aus Niederdruckgradienten sind, die an der Impeller/Elektroden-Rotationsachse konvergieren, an der durch die axiale Saugpumpe eine Senkenströmung erzeugt wird. Jeder der klein dimensionierten Wirbel in der Turbulenz der Scherschicht wirkt als Zentrifugalabscheider. Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse, gesammelt in den Wirbelkernen, werden durch dieses verzweigte Kapillarnetz durch die Arbeit der axialen Saugpumpe extrahiert. Kleindimensionierte Wirbel am Randbereich des Arbeitsraums rollen Kohlenstoff zu Nanoröhrchen auf, während Wasserstoff, Sauerstoff oder andere Gase aus dem Cracken der kohlenstoffhaltigen Beschickung durch die Wirbelkerne und weg von den entstehenden zusammenhängenden Kohlenstoffstrukturen radial nach innen gesaugt werden.
Die Wirbel-Wand-Interaktion unterstützt außerdem dabei, die Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse radial nach innen durch die radialen Wirbel, die Senkenströmungskanäle sind, zu advektieren. Wirbel der Scherschicht, wenn sie auf eine Einschnürung am Randbereich des Arbeitsraums treffen, erfahren einen axialen Rückstoßstrahl durch ihre Wirbelkerne. Da sich leichte Fraktionen aufgrund ihrer geringen Dichte an den Wirbelkernen konzentrieren, treibt dieser Rückstoßstrahl leichte Fraktionen zu der Impeller/Elektroden-Rotationsachse und presst Wirbel aus Schwerfraktionsprodukten aus der Elektrolyse, wie etwa Kohlenstoff, in lange, dichte, röhrenförmige Strukturen.
Über dem Arbeitsraum liegt ein Potential zwischen den Platten des dynamischen Kondensators, der aus den gegenüberliegenden Scheibendynamos gebildet wird, die aufgrund ihrer Gegenrotation durch ein axiales Magnetfeld einen entgegengesetzten radialen Stromfluss haben. Die Platten dieses Kondensators sind die Elektroden des Reaktors, der das Kohlendioxid oder eine andere Beschickung krackt. Elektrodenerosion der Platten durch konzentrierte Bogenentladung wird durch Gegenrotation der Elektroden vermieden. Die Energiedichte hat nie genug Zeit, um an den Elektrodenoberflächen auf ein destruktives Niveau anzuwachsen, da beginnende Bögen kontinuierlich durch die Elektrodengegenrotation zerrissen werden, die die Bogenenden mechanisch trennt und die Beschickung, die den Bogen erhält, schert. So gibt es anstelle einiger Hochstrombögen, die sinnlos und erosiv sind, unzählige kleine, transiente, filamentöse Entladungen, die elektrische Energie in die Beschickung übertragen, um molekulare Dissoziation durch resistive Dissipation der elektrischen Energie herbeizuführen.
Entladungen durch entstehende, leitende, röhrenförmige Strukturen aus Schwerfraktionselektrolyseprodukten fügen sie zusammen und verwandeln sie in Kathoden, die in die Beschickung zeigen und mehr Kohlenstoffionen zu ihren entstehenden Enden anziehen. Weniger leitende Kohlenstoffstrukturen, wie etwa Ruß, werden aufgrund ihres größeren Widerstands durch den Strom verdampft und recycelt, und stören daher die Produktion hochwertiger metallischer Nanoröhrchen nicht.
Elektrodenerosion durch fallende Ionen wird durch das Drehen der Elektroden vermieden, so dass die fallenden Ionen ein bewegliches Ziel jagen und ihre Bahn tangential zur Elektrode liegt. Die hohe Turbulenz des Gases in der Scherschicht zwischen den Elektroden zerstört jeden beginnenden Strompfad zwischen den Elektroden und wirkt als dynamisches Dielektrikum.
Durch den Schutz des dynamischen Dielektrikums und der Rotation der Elektroden, lagert sich der Kohlenstoff nicht auf den Elektroden ab und Katalysatorverkokung wird vermieden. Kohlenstoffionen und Kohlenstoffpartikel rotieren in sich selbstverdichtenden, zusammenhängenden, radialen Wirbeln in der Scherschicht. Die Rotation des Kohlenstoffionenwirbels führt zu einem quellenfreien Magnetfeld, durch das die Kohlenstoffionen rotieren. Es folgt eine positive Rückkopplungsschleife, in der die Magnetkraft aus der Innenrotation Ionen in den Wirbelkern presst, wodurch sich der Wirbel beschleunigt und mehr Magnetkraft hervorruft. In der Scherschicht bilden sich Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wenn sich die selbst verdichtenden Kohlenstoffionenzyklone unter der radialen Druckkraft zu zusammenhängenden Strukturen zusammenfügen. Wirbelrotation durch das Magnetfeld aufgrund der Scheibendynamos tempert die Nanoröhrchen durch magneto-mechanische Vibration gleichzeitig mit deren Selbstverdichtung in ihrem quellenfreien Magnetfeld. Das Gascracken wird durch diese magnetomechanische Vibration ebenfalls unterstützt.
Ozon in der Nähe der entstandenen Nanoröhrchen am Randbereich dient dazu, Mängel in den Kohlenstoffstrukturen zu oxidieren und die Nanoröhrchen zu funktionalisieren, indem sie oxidierte Stellen erzeugen, an die andere Moleküle zu einem späteren Zeitpunkt angeheftet werden können.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird aus Kohlendioxid, das derzeit mehr als wertlos ist, ein wertvoller Rohstoff. Emittenten von Kohlendioxid haben einen Weg, die Probleme der Sequestrierung zu vermeiden und ein Gewinnmotiv, um den globalen Klimawandel zu verhindern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht ungefähr der Hälfte eines axialen Reaktorabschnitts.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht ungefähr der Hälfte eines peripheren Reaktorabschnitts, die sich an 1 anschließt, wie durch die Pfeile gezeigt wird. Zusammen zeigen 1 und 2 ungefähr die Hälfte des Reaktors. Die illustrative Anwendung, die diskutiert wird, ist das Cracken von Kohlendioxid und Wasser, um Syngas sowie Ozon und Kohlenstoff zu produzieren.
3 zeigt eine Draufsicht des Arbeitsraums, wobei der obere Impeller/Elektrode entfernt wurde, in der eine Vielzahl von Antriebsrädern für die Gegenrotation der Impeller/Elektroden gezeigt wird.
4 zeigt eine detaillierte Seitenansicht des radialen Gegenstroms durch den Arbeitsraum.
5 zeigt eine Ansicht in die radialen Wirbelkerne.
6 zeigt ein Detail des Einschnürungsabschnitts des Arbeitsraums und die Wirbel-Wand-Interaktion.
7 zeigt ein Detail des radialen Gegenstroms am Beschickungseinlass.
8a und 8b zeigen gewellte Elektroden während der Gegenrotation, die ein gepulstes elektrisches Feld produzieren.
9 zeigt Impellerschaufeln auf den Impeller/Elektrode/Elektroden, die sich während der Gegenrotation überschneiden.
10 zeigt ein Detail der Umlenksegmentbaugruppe.
11a zeigt einen Kohlenstoffionenwirbel und dessen inneres Magnetfeld.
11b zeigt die radial nach innen gerichtete Magnetkraft auf einem Kohlenstoffion, das durch das Wirbelmagnetfeld rotiert.
12 zeigt ein Detail eines Abschnitts des Arbeitsraums und ein darin entstehendes Nanoröhrchen.
13a zeigt das konzentrische Magnetfeld in dem Arbeitsraum zwischen den gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden.
13b zeigt eine vereinfachte Version des Scherelektrolyseverfahrens.
14 zeigt einen radialen Wirbel aus Ionen, die durch ein Magnetfeld rotieren und das dadurch verursachte magnetomechanische Tempern von Nanoröhrchen.
15 zeigt ein Detail einer radialen Anordnung leitender Abschnitte auf den gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden.
16 zeigt eine vereinfachte Version eines radialen Gegenstrom-Scherelektrolysereaktors, der zur Elektrolyse von Wasser verwendet wird.
17 zeigt ein Detail eines Substrats, das durch Nanostrukturen bombardiert wird, die durch den radialen Railgun-Effekt aus dem Randbereich herausgeschleudert werden.
Bezugszeichenliste

1: Beschickungsquelle
2: axiale Beschickungsleitung
2a: axialer Beschickungsanschluss
3: untere Impeller/Elektrode
4: obere Impeller/Elektrode
5: Umlenksegment
6: Schaufel
7: Einschnürungsabschnitt des Arbeitsraums
8: Magnet
9: axiale Auslassleitung
9a: axialer Auslassanschluss
10: axiale Saugpumpe
11: Syngas-Behälter
12: Dampfkondensator-Kühlschirm-Baugruppe
13: isolierende Dichtung
14: Antriebsflansch
15: Antriebsrad
16: Antriebsspindel
17: Dielektrikum
18: Kontakt
19: leitender Abschnitt
20: Substrat

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit dem Begriff „Elektrolyse” sind Verfahren gemeint, die molekulare Dissoziation durch elektrische Energie herbeiführen, einschließlich Verfahren, bei denen die Dissoziation an Elektrodenoberflächen stattfindet sowie Verfahren, bei denen die molekulare Dissoziation im Inneren der Fluidphase (Gas, Flüssigkeit oder Kombinationen davon) zwischen entgegengesetzt geladenen Elektroden stattfindet, einschließlich Verfahren mit gepulstem elektrischem Feld und Verfahren mit kapazitiv gekoppeltem Plasma.
1 und 2 zeigen zusammen eine schematische Querschnittsansicht der bevorzugten Ausführungsform zur gleichzeitigen Elektrolyse von Kohlendioxid und Wasser, um Syngas zu produzieren. 1 schließt sich an 2 an, um ungefähr eine Hälfte des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Der Rest ist symmetrisch zum Gezeigten.
Eine andere Anwendung der vorliegenden Erfindung gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist es, Kohlendioxid oder ein anderes kohlenstoffhaltiges Beschickungsgas, einschließlich Methan und andere Alkane, zu cracken, um Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu synthetisieren. Die Strompfade für die verschiedenen Fraktionen werden durch Pfeile gezeigt.
Eine andere Anwendung ist es, gasförmige Schadstoffe, wie etwa Schwefelwasserstoff (H₂S), Ammoniak (NH₃), Mercaptane, Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) zu cracken, um sie unschädlich zu machen und dabei gleichzeitig wertvolle Materialen zu gewinnen. Es könnten sogar heiße und schmutzige Abgasströme in den Reaktor geschickt werden. Zum Beispiel könnte Rauchgas aus kohlebefeuerten Kraftwerken ohne Wäsche direkt injiziert werden, wobei leichte Fraktionen, wie etwa Stickstoffballast und Wasserdampf, zusammen mit den Leichtfraktionsprodukten aus der Elektrolyse der Schadstoffe axial extrahiert werden.
Die Syngas-Anwendung wird nachfolgend als illustratives Beispiel für den Betrieb des Reaktors diskutiert. Die Beschreibung dieses Beispiels ist jedoch nicht als Beschränkung für die Anwendung des Reaktors auf andere Elektrolyse- oder Plasma-gestützte Reaktoraufgaben zu lesen, wie zum Beispiel die Elektrolyse von Wasser, um Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren. Es ist beabsichtigt, dass sich die Ansprüche auf alle anderen Anwendungen erstrecken. Mittels der Offenbarung der vorliegenden Erfindung wird ein Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet durch Berechnen und Experimentieren in der Lage sein, den Reaktor an die Aufgabe anzupassen.
Eine Beschickung, die für die Syngas-Synthese ein Gemisch aus Kohlendioxid und Wasser aufweist, strömt von einer Beschickungsquelle 1 durch eine axiale Beschickungsleitung 2, die mit einem Arbeitsraum kommuniziert, der durch und zwischen den Impeller/Elektroden 3, 4 definiert ist, die durch einen Magneten 8 überspreizt sind. Die Impeller/Elektroden rotieren um die Achse a-a und durch das axiale Magnetfeld B zwischen den Nord- und Südpolen des Magneten 8. Hier wird ein Magnet 8 gezeigt, der ein axiales Magnetfeld durch beide Impeller herbeiführt. Alternativ könnten getrennte Magnete getrennte Impeller/Elektroden überspreizen. Der hier gezeigte untere Impeller weist in seiner Mitte einen axialen Beschickungsanschluss 2a auf. Die Impeller/Elektroden weisen leitendes Material, wie etwa Aluminium, in ihren Abschnitten zwischen den Polen des Magneten 8 auf, und sind bevorzugt mit einem Katalysator, wie etwa Nickel, auf ihren, dem Arbeitsraum zugewandten Oberflächen beschichtet.
Geeignete Mittel bringen die Impeller/Elektroden 3, 4 dazu, gegenläufig um die Achse a-a zu rotieren. Bevorzugte Mittel zum Herbeiführen der Gegenrotation der Impeller/Elektroden 3, 4 sind periphere Antriebsräder 15, wie in 2 und 3 genauer gezeigt wird. Die Antriebsräder 15 greifen in Antriebsflansche 14 auf jedem Impeller/Elektrode ein und werden von Antriebsmitteln (nicht gezeigt), wie etwa elektrischen Motoren, angetrieben, die mit dem Antriebsrädern durch Antriebsspindeln 16 verbunden sind. Die Antriebsräder 15 sind bevorzugt Luftreifen oder alternativ Zahnräder, die in Zähne auf den Flanschen eingreifen. Die Antriebsräder halten die Trennung der Impeller/Elektroden auf dem gesuchten Abstand und übertragen außerdem Energie von den Antriebsmitteln auf die Impeller/Elektroden. Es können andere geeignete Mittel verwendet werden, wie etwa Bandantriebe, die einen Motor mit den Impeller/Elektroden verbinden.
Die gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden 3, 4 wirken als Zentrifugal-Impeller auf die Beschickung, die durch den axialen Beschickungsanschluss 2a hereinkommt, wodurch die Beschickung von der Rotationsachse a-a zum Randbereich des Arbeitsraums radial nach außen advektiert wird und die Beschickung auch von der Quelle 1 durch die axiale Beschickungsleitung 2 gezogen wird. Die Strömungsgeschwindigkeit der Beschickung kann durch eine Beschickungspumpe, nicht gezeigt, oder durch den durch Verbrennung produzierten Druck einer Beschickung unterstützt werden. Impulstransport von den Impeller/Elektroden zur Beschickung erzeugt eine Grenzschicht gegen jede(n) Impeller/Elektrode und eine Scherschicht zwischen den Grenzschichten. Innerhalb der Scherschicht befindet sich ein Fraktalbaumnetz aus radialen Wirbeln.
Eine axiale Saugpumpe 10 zieht Fluid radial nach innen zur Achse a-a durch die radialen Wirbelkerne der Scherschicht in dem Arbeitsraum zwischen den Impeller/Elektroden und aus dem Arbeitsraum durch eine axiale Auslassleitung 9, die mit einem axialen Auslassanschluss 9a ungefähr in der Mitte des oberen Impellers kommuniziert. In dem vorliegenden Beispiel besteht dieses axial extrahierte Fluid aus den Leichtfraktionsprodukten aus der gleichzeitigen Elektrolyse von Kohlendioxid und Wasser, und zwar Kohlenmonoxid und Wasserstoff, einem Gemisch, das als Syngas bekannt ist. Das aus dem Arbeitsraum extrahierte Syngas wird in einem Syngas-Behälter 11 gesammelt. Das Syngas kann direkt als Brennstoff verwendet oder in andere Produkte, wie etwa flüssigen Fahrzeugkraftstoff, umgewandelt werden. Bei der Wasserelektrolyse wäre das Leichtfraktionsprodukt Wasserstoff. Beim Cracken von Methan wäre das Leichtfraktionsprodukt Wasserstoff.
Über der axialen Auslassleitung 9 ist ein Kühlschirm 12a angebracht, um die Kondensation des mitgeführten Wasserdampfs herbeizuführen. Der Kühlschirm wird durch einen Kühltank 12 kühl gehalten, der Fluid enthält und mit Kühlmitteln (nicht gezeigt) kommuniziert. Kondensat, das von dem Kühlschirm abtropft, fällt zurück auf ein Umlenksegment 5 und das rotierende Umlenksegment advektiert Kondensat von der Achse a-a radial nach außen zurück in den Arbeitsraum.
Die Impeller/Elektroden 3, 4 konvergieren bevorzugt zu einem Einschnürungsabschnitt 7. Am Einschnürungsabschnitt und an allen Orten des Arbeitsraums, an denen die Impeller/Elektroden weiter konvergieren, wird durch ein Phänomen, das als Wirbel-Wand-Interaktion bekannt ist, ein axialer Strahl durch die Wirbelkerne zur Achse a-a herbeigeführt. Vgl. 6.
Ein Umlenksegment 5, das in dem Arbeitsraum angeordnet ist, dient dazu, den axialen Beschickungsanschluss 2a von dem axialen Auslassanschluss 9a zu trennen, damit die Beschickung nicht direkt über den axialen Auslassanschluss austritt sondern vom axialen Beschickungsanschluss radial nach außen gelenkt wird. Das Umlenksegment ist bevorzugt aus dielektrischem Material. Hier wird ein Umlenksegment gezeigt, das durch Schaufeln 6 mit dem unteren Impeller/Elektrode 3 verbunden ist. Alternativ könnte das Umlenksegment eine statische Struktur sein, die zwischen dem axialen Beschickungsanschluss und dem axialen Auslassanschluss angeordnet ist, die mit der axialen Beschickungsleitung und der axialen Auslassleitung durch geeignete Mittel verbunden ist, und Strom-Channeling Mittel, wie etwa radiale Düsen zur Verbesserung der Extraktion von Leichtfraktionselektrolyseprodukten, wie etwa Syngas, aus den Wirbelkernen, aufweist. Die verbindenden Schaufeln 6 dienen dazu, die Beschickung von der Achse a-a radial nach außen zu advektieren, wenn der untere Impeller/Elektrode 3 rotiert. Das Umlenksegment, die Schaufeln und der untere Impeller/Elektrode bilden eine Zentrifugalpumpe für die Beschickung. Ein Detail der rotierbaren Schaufeln und der Umlenksegmentbaugruppe wird in 10 gezeigt.
Mindestens ein Magnet 8 ist derart angeordnet, dass seine Pole die gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden 3, 4 an den leitenden Abschnitten überspreizen. Hier werden zwei ringförmige Magnete gezeigt, die eine Polarität haben, wie angegeben, und ein axiales Magnetfeld B zwischen den Polen. Bevorzugt ist jeder der Magnete 8 ein Elektromagnet, der Mittel zur Stromsteuerung (nicht gezeigt) aufweist, um die Stärke des Magnetfelds B anzupassen. Die Linien des Magnetfelds B schneiden entgegengesetzt leitende Abschnitte der Impeller/Elektroden, wenn sie gegenläufig um die Achse a-a rotieren, und durch die leitenden Abschnitte ist der Stromfluss für jeden Impeller/Elektrode radial entgegengesetzt.
Alternativ könnte der Magnet 8 aus Spulen um die axiale Beschickungsleitung und die axiale Auslassleitung bestehen, mit einem B-Feld zwischen den Spulen. In dieser alternativen Ausführungsform befindet sich ein leitender Abschnitt der Impeller/Elektroden in der Nähe ihrer Rotationsachse und rotiert durch das B-Feld.
Aufgrund der Gegenrotation der annähernd parallelen Scheiben 3, 4 durch das B-Feld zwischen den Polen des Magneten 8, werden die Scheiben zu Dynamos (die manchmal auch als homopolare Generatoren, unipolare Generatoren oder Faraday-Scheiben bezeichnet werden). Jede Scheibe ist ein Anker eines Generators sowie eine Platte eines Kondensators. Der obere Impeller/Elektrode 4 wird eine Kathode mit einem (herkömmlichen) Stromfluss radial nach innen (und einem Elektronenfluss radial nach außen), und der untere Impeller/Elektrode 3 wird eine Anode mit einem Stromfluss radial nach außen (und einem Elektronenfluss radial nach innen).
Entgegengesetzt geladene Elektroden, die einander über den Arbeitsraum hinweg gegenüberstehen, werden durch den entgegengesetzten Stromfluss hervorgerufen. Die Scheiben-Gegenrotation erzeugt einen dynamischen Kondensator mit dem Gas im Arbeitsraum als Dielektrikum und den Ankern der Scheibendynamos als Platten. Turbulenz in einer Scherschicht zwischen den Platten vermeidet Bogenbildung zwischen den Impeller/Elektroden 3, 4, indem kein stabiler Pfad für den Stromfluss durch das Gas zugelassen wird. Elektrolyse findet in Redox-Reaktionen an den Elektroden und im Phaseninneren durch elektrische Energie in die gescherte Beschickung statt. Elektrolyseprodukte enthalten leichte Fraktionen und schwere Fraktionen. Leichte Fraktionen haben eine geringere Dichte (Molmasse) als die Beschickung, und schwere Fraktionen haben eine größere Dichte als die leichten Fraktionen. Zum Beispiel hat Wasserstoff aus dem Cracken von Methan eine Molmasse von 2 g/mol, während die Methanbeschickung 16 g/mol hat und Kohlenstoffionen 12 g/mol haben. Während die Beschickung in starker Turbulenz, während sie radial nach außen strömt, gekrackt wird, werden Schwerfraktionsprodukte aus der Elektrolyse von der Achse a-a durch den Randbereich des Arbeitsraums nach außen advektiert und Leichtfraktionsprodukte werden radial nach innen zum axialen Auslassanschluss 9a advektiert.
Wenn Kohlendioxid und Wasser gleichzeitig elektrolysiert werden, enthalten die Leichtfraktionsprodukte, die durch den axialen Auslassanschluss 9a extrahiert werden, Wasserstoff und Kohlenmonoxid, ein Gemisch, das als Syngas bekannt ist. Somit wird Kohlendioxid in ein nützliches Produkt gecrackt, das als Brennstoff verwendet werden kann. Schwerfraktionsprodukte enthalten Sauerstoff und Elementarkohlenstoff. Sauerstoff kann ferner zu Ozon elektrolysiert werden, und Kohlenstoff kann, in mechanisch erzwungener starker Scherung in dem starken E-Feld, zu langen Nanoröhrchen synthetisiert werden. Sauerstoff, Ozon und Kohlenstoff werden aus dem Reaktor durch den Randbereich des Arbeitsraums extrahiert.
Nanostrukturen, die aus dem Randbereich ausgestoßen werden, können auf ein Substrat 20 (hier nicht gezeigt, vgl. 17) auftreffen und darin eingebettet werden. Das Substrat ist eines der Mittel zum Sammeln der Schwerfraktionsprodukte aus der Elektrolyse am Randbereich des Arbeitsraums zwischen den Impeller/Elektroden.
Am Randbereich des Arbeitsraums, in 2 gezeigt, gibt es aufgrund der großen entgegengesetzten Ladungen auf den getrennten Impeller/Elektroden 3, 4 ein starkes elektrisches Feld zwischen den Scheibendynamos. Die Stärke des elektrischen Felds kann angepasst werden, indem der Strom in den Spulen der Elektromagnete 8, die Rotationsgeschwindigkeit der Impeller/Elektroden 3, 4 und der Abstand zwischen ihnen angepasst wird.
Mittel zum Vermeiden von Bogenentladungen werden am axialen Abschnitt jedes Scheibendynamos bereitgestellt. Die Mittel zum Vermeiden von Entladung enthalten dielektrische Barrieren 17, die die Oberflächen der Scheiben abdecken, die dem Arbeitsraum zugewandt sind, und Kontakte 18, die die axialen Abschnitte der Elektroden in Eingriff bringen, um Strom aus den axialen Abschnitten abzuziehen und ihn durch eine Wirklast abzuleiten oder in direkt in den Boden zu entladen. Die Lage des Kontaktpunkts des Kontakts 18 ist bevorzugt vor der Dichtung 13, um eine Beschädigung der Dichtung 13 zu vermeiden. Geeignete Kontakte 18 enthalten verschiebbare Bürsten oder andere Mittel, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Hochstrom-Gleichstrom-Generatoren bekannt sind. Die axialen Mittel zum Vermeiden von Entladung bewahren Syngas und Sauerstoff davor, sich im Innern des Reaktors zu entzünden.
Aufgrund von Entladungen zwischen den Impeller/Elektroden 3, 4, tritt an deren Randbereich, jenseits des Einschnürungsabschnitts 7, ein radialer Railgun-Effekt auf. Die Interaktion zwischen den Entladungsmagnetfeldern und dem B-Feld zwischen den Scheiben (dem konzentrischen Magnetfeld zwischen den Impeller/Elektroden 3, 4 – vgl. 13a) treibt ionisierte Gase und mitgeführte entstehende feste Strukturen, wie etwa festen Kohlenstoff und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, weg von der Achse a-a radial nach außen. Ein Substrat (nicht gezeigt), das über dem Randbereich des Arbeitsraums angebracht ist, wird aufgrund eines Effekts, der von Railguns bekannt ist, der hier radialer Railgun-Effekt genannt werden wird, durch sehr energiereiche Lanzen aus Nanostrukturen bombardiert und plattiert. Vgl. 17.
Die herkömmliche Railgun ist eine lineare Antriebsvorrichtung mit leitenden parallelen Führungen (rails), die mit einer Stromquelle in einem Gleichstromkreislauf verbunden sind. Das Verbinden der Führungen ist ein leitender Zünder. Ein Projektil ruht vor dem leitenden Zünder. Wenn ein starker Strom dazu gebracht wird, über die Führungen zu fließen, wird der Zünder, der die Führungen verbindet, verdampfen und ionisiert. Eine Bogenentladung durch den ionisierten Zünder verursacht ein starkes Magnetfeld mit Magnetfeldlinien, die ebenso ausgerichtet sind wie die Magnetfeldlinien zwischen den Führungen, daher werden die Zündungsentladung und das damit assoziierte ionisierte Gas zusammen mit dem Projektil entlang der Führungen abgestoßen. Die Beschleunigung aufgrund des Railgun-Effekts kann sehr hoch sein, bis zu 10⁶ g, was zu Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Kilometern pro Sekunde führt.
Die vorliegende Erfindung lässt sich als Anordnung einer Unzahl radialer Railguns begreifen, wobei die Impeller/Elektroden 3, 4 die Führungen sind, das Gas im Arbeitsraum der Zünder, und die Abstoßungsrichtung von der Achse a-a radial nach außen geht. Nanoröhrchen, Nanodrähte und andere Nanostrukturen werden zu radial beschleunigten Geschossen, die aus dem Randbereich herausschießen und sich selbst in das Substrat einbetten. In ein Substrat eingebettete Kohlenstoff-Nanoröhrchen würden eine ausgezeichnete Kondensatorplatte und einen ausgezeichneten Sonnenenergiekollektor ergeben.
Konzentrische Magnetfeldlinien sind in einem ringförmigen Magnetfeld im Arbeitsraum aufgrund des entgegengesetzten radialen Stromflusses in den Impeller/Elektroden vorhanden, wie in 13a gezeigt.
Die Achsen der Wirbel aus Kohlenstoffionen im Arbeitsraum werden durch den radialen Ausstoß von Ladungen in der radialen Railgun radial nach außen verlängert, und dadurch wird ihre Wirbelstärke erhöht. Das gleiche gilt für Kohlenstoffdampf. Der radiale Railgun-Effekt unterstützt die Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, da die Kohlenstoffionenwirbel in dem Arbeitsraum selbstverdichtend sind, d. h. ihre Rotation erzeugt ihr eignes quellenfreies Magnetfeld, und die Rotation von Ionen durch dieses Feld führt zu einer Magnetkraft, die die rotierenden Ionen in Richtung der Wirbelachse drückt, wodurch der Wirbel beschleunigt und das quellenfreie Magnetfeld verstärkt wird, und so weiter, in einer positiven Rückkopplungsschleife. Vgl. 11a und 11b. Selbstverdichtung von Kohlenstoffionenwirbeln überwindet die elektrostatische Abstoßung von Spezies mit gleicher Ladung und presst die Kohlenstoffionenwirbel in röhrenförmige Fullerene oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Kohlenstoffdampf wird in den Wirbeln mitgerissen und fällt in die Kathodenspitze des entstehenden Nanoröhrchens.
Andere Nanofasern oder Nanoröhrchen, die kein reiner Kohlenstoff sind, könnten ebenfalls durch den radialen Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung synthetisiert werden, unter Verwendung des geeigneten Ausgangsmaterials, zum Beispiel Bornitrid, Gold, Metalldichalkogenide (MX2 (M = Mo, W, Nb, Ta, Hf, Ti, Zr, Re; X = S, Se)), Metalloxide, Metalldihalide und andere anorganische Nanoröhrchen, Nanoscrolls, Nanobuds oder Nanofasern. Sogar in amorpher Form hätten Feststoffe, die aus dem Reaktor der vorliegenden Erfindung emittiert werden, die vom Randbereich des Arbeitsraums in starker radialer Beschleunigung durch den radialen Railgun-Effekt ausgestoßen werden, eine sehr hohe kinetische Energie. Daher könnten sie für stark haftendes, dickes und starkes Plattieren, wie etwa das Plattieren von Diamant, sogar auf Nichtmetallsubstraten geeignet sein. Eine andere Anwendung ist für Solarzellenplatten, mit eingebetteten Fäserchen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die dazu dienen, die Sonnenergie in das Substrat einzusammeln.
Isolierende Dichtungen 13 trennen die Impeller/Elektroden von den statischen Abschnitten der axialen Beschickungsleitung 2 und der axialen Auslassleitung 9. Die isolierenden Dichtungen sind aus dielektrischem Material. Ein Dielektrikum 17 trennt den axialen Abschnitt der oberen Elektrode 4 und die axiale Auslassleitung 9 von dem Fluid, das durch die axiale Saugpumpe 10 advektiert wird. Das Umlenksegment 5 ist bevorzugt ebenfalls mit einem Dielektrikum abgeschirmt. Der Zweck des Dielektrikums 17 ist es, Entladungen durch Syngas zu vermeiden, wenn es axial durch die axiale Auslassleitung 9 extrahiert wird. Kontakte 18, die auf dem axialen Abschnitt der Impeller/Elektroden zwischen dem Arbeitsraum und den Dichtungen 13 gleiten, die Bürsten, die mit dem Boden, mit oder ohne eine dazwischenliegende Wirklast, verbunden sind, würden die axialen Scheibenladungen entladen, was Entladungen durch das Syngas in dem Arbeitsraum herbeiführen könnte.
Während sich die Impeller/Elektroden 3, 4 in Gegenrotation befinden, gibt es in dem Arbeitsraum Grenzschichten gegen jeden Impeller/Elektrode, in denen aufgrund viskoser Impulsdiffusion aus den Impeller/Elektroden Fluid radial nach außen strömt. Zwischen den Grenzschichten liegt eine Scherschicht, in der die Strömung turbulent ist. Es handelt sich um den Von-Karman-Wirbelstrom (s ~ –1) in einem offenen System mit einem kontinuierlichen Massenstrom (durch den axialen Beschickungsanschluss 2a) hinein und (durch den axialen Auslassanschluss 9a und auch durch den Randbereich des Arbeitsraums) hinaus. Es ist zu beachten, dass sich dies von den geschlossenen Systemen (kein Massenstrom hinein oder hinaus), wie den magnetohydrodynamischen Apparaturen, die häufig in Verbindung mit dem Von-Karman-Wirbelstrom untersucht werden, unterscheidet.
Turbulenzwiderstand behindert den Strom durch die Scherschicht radial nach außen, wodurch die hereinkommende Beschickung um die Scherschicht herum und gegen die Elektroden gedrängt wird, wo Redox-Reaktionen stattfinden. Mag die Spannung zwischen dem Randbereich und der Achse eines einzigen Scheibendynamos auch gering sein (unter 3 Volt), so ist diese geringe Spannung doch für Redox-Reaktionen an den Oberflächen der Impeller/Elektroden 3, 4 mehr als geeignet. Der Strom in jedem Scheibendynamo des dynamischen Kondensators ist sehr groß, so dass große entgegengesetzte Ladungen den Arbeitsraum spreizen. Die Ladungstrennung ist der Abstand zwischen den Oberflächen der Impeller/Elektroden und nicht der Radius des Scheibendynamos. Die Ladungstrennung kann variiert werden, indem der Durchmesser der peripheren Antriebsräder verändert wird. Die peripheren Antriebsräder verhindern außerdem, dass die Impeller/Elektroden aufgrund der Anziehung ihrer großen entgegengesetzten Ladungen zusammenkommen.
Starke Scherung zwischen den Impeller/Elektroden 3, 4 verhindert Bogenentladungen über den Arbeitsraum und ruft anisotrope Turbulenz hervor. Großdimensionierte Wirbel in der Scherschicht des Arbeitsraums verästeln sich in ein fraktales Verzweigungsnetz, einer Anordnung von Wirbelbäumen, die von der Achse a-a ausgehen. Jeder radiale Baumwirbel ist ein Netz aus Niedrigdruckgradienten, die Senkenströmungskanäle sind, die kapillare Feinstrukturen zu zusammenhängenden groß dimensionierten Strukturen verknüpfen. Die axiale Saugpumpe 10 zieht die Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse in diese Wirbelkerne radial nach innen zur Achse a-a, während gleichzeitig die Schwerfraktionsprodukte aus der Elektrolyse radial nach außen in die Grenzschichten gegen die Impeller, um die Scherschicht herum, advektiert werden. Die Impeller/Elektroden 3, 4 in Verbindung mit der axialen Saugpumpe 10 bilden ein, einen radialen Gegenstrom erzwingendes System, das durch mechanische Energie angetrieben wird. Ein Detail des radialen Gegenstroms wird in 4, 5 und 7 gezeigt.
Zusätzlich presst ein Phänomen, das als Wirbel-Wand-Interaktion bekannt ist, Senkenströmung radial nach innen zur Achse a-a durch die Wirbelkerne der Scherschicht. Ein Detail der Wirbel-Wand-Interaktion ist in 6 gezeigt. Am Einschnürungsabschnitt 7 des Arbeitsraums, an dem die Impeller/Elektroden 3, 4 konvergieren und enger getrennt werden, treiben Wirbel, die auf die Einschnürung 7 treffen, einen axialen Rückstoßstrahl durch den Wirbelkern radial nach innen zur Achse a-a, weg von dem Einschnürungsabschnitt 7. Kleindimensionierte Wirbel in diesem Bereich des Arbeitsraums werden dadurch um ihre Leichtfraktionsprodukte, wie etwa Kohlenmonoxid (Molmasse 28 g/mol) und Wasserstoff (2 g/mol), erleichtert. Schwerfraktionsprodukte, wie etwa Sauerstoff (32 g/mol), Ozon (48 g/mol), fester Kohlenstoff und flüssiges Wasser, werden aufgrund ihrer hohen Dichte aus der Scherschicht herausgewirbelt.
Kurz gesagt: Aufgrund der Dichteunterschiede in der organisierten Turbulenz des Arbeitsraums gibt es eine kontinuierliche Migration von Beschickung und von Schwerfraktionsprodukten aus der Elektrolyse radial nach außen und von Leichtfraktionsprodukten aus der Elektrolyse radial nach innen, bezogen auf die Impeller/Elektroden-Rotationsachse a-a. Das radiale, Gegenstrom erzwingende System und die radialen Wirbel der Scherschicht stellen Mittel zur kontinuierlichen axialen Extraktion von Leichtfraktionsprodukten aus der Elektrolyse bereit, wenn Beschickung kontinuierlich an der Achse a-a einströmt und Schwerfraktionsprodukte aus der Elektrolyse aus dem Randbereich ausströmen.
Vom Einschnürungsabschnitt 7 radial nach außen gibt es einen peripheren Ring, an dem die gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden nahe zusammen sind. Die Elektroden weisen bevorzugt Wellen auf, wie in 8a und 8b gezeigt. Die periodische Opposition von Peaks der Wellen führt im Arbeitsraum ein gepulstes elektrisches Feld herbei. Die Frequenz ist von der Rotationsgeschwindigkeit der Impeller/Elektroden und der Anzahl der Peaks auf jeder abhängig. Für Impeller/Elektroden mit 1.000 Peaks, die jeweils mit 2 Umdrehungen pro Sekunde rotieren, läge die Frequenz des dazwischenliegenden gepulsten elektrischen Felds bei 4 kHz. Kapazitives Koppeln der elektrischen Energie in das Gas im Arbeitsraum unterstützt das Cracken von Kohlendioxid und Wasser, um Syngas zu produzieren, und unterstützt auch die Bildung von Ozon und Nanoröhrchen.
Alternativ weisen die Elektroden entgegengesetzt gebogene Schaufeln 6 anstelle der radialen Rippen, oder zusätzlich dazu, auf. Dies wird in 9 gezeigt. In Gegenrotation führen die Impeller/Elektroden 3, 4 zahlreiche Schnittpunkte herbei, an denen die Schaufeln sich nahe genug annähern, um Entladungen zwischen sich herbeizuführen, wobei sich die Schnittpunkte von der Achse a-a radial nach außen bewegen, wenn die Gegenrotation andauert. Die Ausführungsform der entgegengesetzten Schaufeln ist ein Glidarc-Reaktor mit dem Vorteil einer langen Verweilzeit, weil der Beschickungsstrom durch die Elektroden an dem Einschnürungsabschnitt 7 durch Turbulenz behindert wird, während die Bögen an Schnittpunkten wiederholt hindurchschlagen.
Es existiert ein radial ausgerichtetes Potential zwischen dem peripheren Ring des Arbeitsraums, an dem es zwischen den eng beabstandeten, stark geladenen Impeller/Elektroden ein Übermaß an freien Elektronen gibt, und dem axialen Abschnitt des Arbeitsraums, an dem hereinkommende Beschickung eine Masse bietet. Der Pfad für Elektronen radial nach innen durch den Arbeitsraum verläuft entlang beliebiger leitenden Kohlenstoffstrukturen, wodurch sie zu Kathoden werden, die die Beschickung in der Nähe der Strukturspitze, die in die Beschickung zeigt, elektrolysieren. Winzige Kathoden lassen Kohlenstoffatome an ihren Kathodenspitzen anwachsen, um röhrenförmige Fullerene oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen einzubauen. Ein Detail davon wird in 12 gezeigt.
Wie in 13a gezeigt, liegt zwischen den Scheibenankern (Impeller/Elektroden 3, 4) ein Magnetfeld mit konzentrischen Feldlinien in Richtung der Rotation der oberen Scheibe 4 (Kathode am Randbereich, Anode an der Achse, so dass herkömmlicher Strom, der das Gegenteil von Elektronenfluss ist, in dem Scheibendynamo radial nach innen verläuft). Geladene Spezies vibrieren, wenn sie das Magnetfeld zwischen den Scheiben durchqueren, während sie in Wirbeln rotieren. Das ist magnetomechanische Vibration, wie in 14 genauer gezeigt wird. Auf dem Abwärtshub jeder Umdrehung des Wirbels erhalten positive Ionen, wie etwa Kohlenstoff, Impulse radial nach innen zur Achse a-a und negative Ionen radial nach außen.
Magnetomechanische Vibration in den turbulenten Wirbeln überträgt kinetische Energie auf Moleküle und unterstützt dadurch die Dissoziation. Kohlenstoffatome, die in Kohlendioxid durch dieses konzentrische Magnetfeld rotieren, werden radial nach innen zur Achse a-a gezogen, während die Sauerstoffatome radial nach außen gezogen werden. Beim Aufwärtshub sind die Richtungen umgekehrt. Jede Wirbelumdrehung ist ein Beanspruchungszyklus auf die Molekülbindungen, die sich der Frequenz beugen bis sie brechen.
Magnetomechanisches Tempern von entstehenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen findet auf die gleiche Weise statt, wenn die Kohlenstoffionenwirbel durch das konzentrische Magnetfeld zwischen den Scheibendynamos rotieren. Hochfrequentes magnetomechanisches Tempern verbessert das Packing und reduziert die Mängel.
Etwas von dem gekrackten Kohlendioxid wird axial mit Hilfe radialer Wirbel als Kohlenmonoxid extrahiert. Der Rest des Kohlendioxids, plus etwas Kohlenmonoxid, strömt weiterhin über den Einschnürungsabschnitt 7 hinaus, zusammen mit Sauerstoff, radial nach außen. Weitere Dissoziation der Kohlenstoffverbindungen löst das zweite Sauerstoffatom ab, zurück bleiben blanke Kohlenstoffionen. Die Kohlenstoffionen drehen sich aufgrund der Scherkraft zwischen den Impeller/Elektroden 3, 4 in Wirbeln.
Der Wirbel aus Kohlenstoffionen führt ein quellenfreies Feld herbei, wie in 11a gezeigt wird. Die durch ihr eigenes Magnetfeld rotierenden Kohlenstoffionen erfahren eine Magnetkraft, wie in 11b gezeigt wird, mit einer Richtung radial nach innen zur Wirbelachse. Die radial nach innen gerichtete Kraft erhöht die Rotationsgeschwindigkeit, wodurch das Magnetfeld und die Magnetkraft stärker werden, und wo weiter, in einer positiven Rückkopplungsschleife.
Selbstverdichtende Kohlenstoffionentornados überwinden die elektrostatische Abstoßung von Kohlenstoffionen mit gleicher Ladung, die in Kohlenstoff-Nanoröhrchen gepackt werden Elektronen aus dem Plasma, in dem diese Kohlenstoffionen liegen, fließen durch die entstehenden Kohlenstoffionenwirbel weg von der stark elektronenbeladenen Plasmaregion am Randbereich und zur Achse a-a. Jede entstehende Kohlenstoffstruktur wird zu einer Kathodenspitze, die in den Arbeitsraum hängt und Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in ihrer Nähe reduziert. Kohlenstoffatome aggregieren sich an jeder Kathodespitze, wobei kontinuierlich eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen entsteht, wenn die verfestigten Enden der Nanoröhrchen durch den Randbereich extrudiert und durch geeignete Mittel (nicht gezeigt) eingesammelt werden, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Fasersynthese bekannt sind. Die quellenfreien Magnetfelder der Kohlenstoffionentornados haben die gleiche Polarität, da die Tornados co-rotieren, so dass die Wirbel der entstehenden Nanoröhrchen auseinander gehalten werden. Es werden eher parallele Nanoröhrchen als verhedderte Bündel produziert.
Strom, der durch entstehende Kohlenstoffstrukturen hindurchgeleitet wird, verdampft Ruß und halbleitende Strukturen durch Widerstandsaufheizung. Metallische Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Armchair-Symmetrie) erfahren nur eine geringe Widerstandsaufheizung, da sie ausgezeichnete Leiter sind. Die verdampften Kohlenstoffstrukturen werden dann in metallische Nanoröhrchen recycelt. So wird ein hoher Anteil der gesuchten, stark leitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen erhalten, frei von unerwünschtem Ruß und fehlerhaften Strukturen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die den Arbeitsraum erfolgreich durchqueren ohne verdampft zu werden, extrudieren aus dem Randbereich des Arbeitsraums, wie in 12 gezeigt.
Sauerstoff, der das Plasma im Arbeitsraum radial nach außen durchströmt, wird Ozon (48 g/mol), eine andere dichte Fraktion, die zusammen mit den Nanoröhrchen extrudiert wird. Ozon oxidiert amorphen Kohlenstoff und fehlerhafte Strukturen, aber richtig gebildete Nanoröhrchen halten der Oxidation aufgrund der sehr starken Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen stand. Enden gebrochenen Nanoröhrchen werden durch das Ozon in einer so genannten Funktionalisierung oxidiert. Funktionalisierte Stellen können später zum Anheften anderer Atome an das Nanoröhrchen oder zum Verknüpfen von Nanoröhrchen zu einem Gewebe oder einem starken Kabel verwendet werden.
3 zeigt eine Draufsicht des unteren Impellers/Elektrode 3. Gezeigt werden vier Antriebsräder 15, die von Antriebsspindeln 16 angetrieben werden. Die Antriebsräder greifen in einen Antriebsflansch 14 auf dem unteren Impeller 3 ein, was den unteren Impeller zum rotieren bringt, wie durch den Pfeil gezeigt. Es könnten mehr oder weniger Antriebsräder verwendet werden. Der obere Impeller 4 (nicht gezeigt) greift in die Antriebsräder an dessen Antriebsflansch ein und wird in einer entgegengesetzten Richtung von dem unteren Impeller 3 durch die Rotation der Antriebsräder 15 rotiert. Das periphere Antriebsmittel, das in 3 gezeigt wird, ermöglicht die nahezu exakte Gegenrotation der Impeller/Elektroden 3, 4 und das hohe Drehmoment, um die Rotation in Gang zu setzen. Die Antriebsräder erhalten außerdem die Trennung zwischen den eng beabstandeten, stark geladenen Elektronen aufrecht und verhindern, dass die Anziehung der entgegengesetzen Ladungen die Elektroden zusammenbringt. Es könnten mehr oder weniger als vier Antriebsräder verwendet werden.
4 ist eine detaillierte Seitenansicht eines Abschnitts des Arbeitsraums, während die Impeller/Elektroden 3, 4 gegenläufig um die Achse a-a rotieren. Es wird ein radialer Gegenstrom gezeigt. Eine Senkenströmung aus Leichtfraktionsprodukten aus der Elektrolyse, wie etwa Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Syngas), und eine gleichzeitige Quellenströmung aus Beschickung und Schwerfraktionsprodukten (wie etwa Sauerstoff und Elementarkohlenstoff), treten in dem Arbeitsraum auf. Die Senkenströmung verläuft durch Kerne radialer Wirbel im Von-Karman-Wirbelstrom in einem offenen System. Der Von-Karman-Wirbelstrom wird durch ein, einen radialen Gegenstrom erzwingendes System, das das gleichzeitige Saugen einer axialen Pumpe und das zentrifugale Pumpen der gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden aufweist, herbeigeführt. Die Quellenströmung verläuft entlang der Impeller/Elektroden 3, 4 in laminaren Grenzschichten um die Scherschicht zwischen den Impeller/Elektroden herum, die die Senkenströmungskanäle enthält.
5 zeigt ein anderes Detail eines Abschnitts des Arbeitsraums, dieses Mal von der Achse a-a aus gesehen. Die Fluidstromrichtung wird durch die Konvention der Magnetfelder gezeigt: Kreuze für den Strom weg vom Betrachter und Punkte für den Strom hin zum Betrachter. Die Strömung zur Achse a-a, oder Senkenströmung, wird durch die Arbeit der axialen Saugpumpe 10, die in 1 gezeigt wird, und durch die Wirbel-Wand-Interaktion, die in 6 gezeigt wird, herbeigeführt. Die Strömung weg von der Achse a-a wird durch die Advektion herbeigeführt, die auf die Impulsübertragung in die Grenzschicht von den Impeller/Elektroden 3, 4 zurückzuführen ist, die gegenläufig rotieren, wie durch die Pfeile gezeigt. Zwischen den laminaren Grenzschichten befindet sich eine Scherschicht, die zusammenhängende radiale Wirbel für die Senkenströmung aufweist. In der Scherschicht gibt es zahlreiche Wirbel mit vielerlei Dimensionen. Alle Wirbelkerne, unabhängig von der Rotationsrichtung des Wirbels, zeigen zur Achse a-a.
Die Scherschicht ist für die Senkenströmung aus Leichtfraktionsprodukten in den Wirbelkernen durchlässig. Die Senkenströmung wird durch die Arbeit der axialen Saugpumpe 10 erzwungen, die in 1 gezeigt wird. In den Wirbelkernen liegen aufgrund der zentrifugalen Wirbeltrennung Fraktionen mit geringeren Molmassen, wie etwa Wasserstoff (2 g/mol) und Kohlenmonoxid (28 g/mol), in hoher Konzentration, und schwere Fraktionen, wie etwa Kohlendioxid (44 g/mol), in geringer Konzentration vor. Fraktionen mit geringer Molmasse haben eine geringe Dichte und trennen sich zentrifugal in Wirbelrotation. Daher wird ein Strom, der reich an Syngas ist, axial durch die axiale Pumpe extrahiert werden. In den laminaren Grenzschichten liegen die leichten Fraktionen in niedriger Konzentration und die schweren Fraktionen in hoher Konzentration vor, aufgrund der zentrifugalen Wirbeltrennung und dem Hindernis, das der hereinkommenden Beschickung durch den Turbulenzwiderstand in der Scherschicht präsentiert wird. Die Impulsübertragung von den Impeller/Elektroden wird daher primär zu den schweren Fraktionen und der Beschickung gehen, wobei die leichten Fraktionen im radialen Strom nach außen (Quellenströmung) von der Achse a-a zurückgelassen werden. Radial nach innen von der Achse a-a liegen die Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse in hoher Konzentration vor, und radial nach außen von der Achse a-a liegen die Schwertfraktionsprodukte aus der Elektrolyse in hoher Konzentration vor. Die Beschickung wird zwischen den Konzentrationen aus schweren und leichten Fraktionen aufgehalten, bis sie gekrackt wird. Die lange Verweilzeit der Beschickung in der Verarbeitungszone zwischen den Impeller/Elektroden wird durch den Turbulenzwiderstand der Scherschicht und durch die Wirbel-Wand-Interaktion am Einschnürungsabschnitt 7 herbeigeführt, wie in 6 gezeigt. Die lange Verweilzeit der Beschickung und die effiziente Extraktion von Elektrolyseprodukten in diesem Reaktor ist ein signifikanter Fortschritt gegenüber den Apparaten des Stands der Technik, wie etwa den Glidarc- oder Glidarc-II-Reaktoren.
6 zeigt ein Detail, das die Wirbel-Wand-Interaktion am Einschnürungsabschnitt 7 des Arbeitsraums illustriert, an dem die Impeller/Elektroden 3, 4 zu einer engen Trennung konvergieren. Vgl. V. Shtern, et al., Ann. Rev. Fluid Mech. 1999, 31: 537–66. Ein radialer Wirbel, der durch Gegenrotation der Impeller/Elektroden 3, 4 und dem Saugen der axialen Pumpe 10 erzwungen ist, nähert sich dem Einschnürungsabschnitt 7 in einem radialen Strom nach außen von der Achse a-a. Gebogene, punktierte Strömungslinien zeigen die Wirbelrotation. Der nach außen gerichtete Wirbel trifft auf ein Hindernis, und die Wirbelrotation reißt plötzlich ab, was einen axialen Rückstoßstrahl hervorruft, der durch die geraden durchgängigen Strömungslinien gezeigt wird. Der axiale Rückstoßstrahl verläuft in entgegengesetzter Richtung zum hereinkommenden Wirbel, d. h. hin zur Achse a-a anstatt davon weg radial nach außen. Der axiale Rückstoßstrahl hat eine hohe axiale Wirbelstärke und einen hohen axialen Impuls. ”Wirbel induziert einen Druckabfall in Richtung der Achse, wodurch andere Strömungslinien zur Achse hin angezogen werden; dies fokussiert den Wirbel weiter, wodurch der Druck in dem Kern weiter sinkt. Diese positive Rückkopplung führt zu einer starken Akkumulation von axialer Wirbelstärke und Impuls, d. h. zur Bildung des Wirbelkerns.” Id. auf S. 551. Die Wirbelkerne enthalten Syngas, das zur Achse a-a durch die Arbeit der axialen Saugpumpe 10 (nicht gezeigt) und den Impuls der Wirbel-Wand-Interaktion advektiert wird.
Alternativ kann der Einschnürungsabschnitt aus einem dielektrischen Material hergestellt werden, wodurch die Impeller/Elektroden in zwei oder mehrere ringförmige konzentrische Abschnitte geteilt werden, wobei jeder konzentrische Abschnitt durch seinen eigenen Magneten geladen wird und seine eigenen Erdungsmittel hat. Auf diese Weise können die Entladungsmerkmale der inneren und äußeren Abschnitte des Arbeitsraums nach Bedarf unabhängig variiert werden.
Hinter dem Einschnürungsabschnitt 7, wo die Impeller/Elektroden sogar noch stärker konvergieren, selbstverdichtet die hohe axiale Wirbelkraft aufgrund der Wirbel-Wand-Interaktion Kohlenstoffionentornados zu Nanoröhrchen, wie unter 11a, 11b und 12 diskutiert. Der starke axiale Impuls in Richtung der Rotationsachse a-a bewahrt die Kohlenstoffwirbel davor, aus dem Arbeitsraum verdrängt zu werden und lässt die Kathodenspitzen weiter in den Arbeitsraum hängen, um Nanoröhrchen entstehen zu lassen. Daher unterstützt die Wirbel-Wand-Interaktion die Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Sauerstoff aus der Elektrolyse strömt radial nach außen hinter den Einschnürungsabschnitt 7, wie durch den Pfeil gezeigt. Etwas Sauerstoff kann zusammen mit Syngas axial extrahiert werden, was die Maßnahmen gegen die Bogenbildung an der axialen Region des Arbeitsraums besonders wichtig macht. Sauerstoff kann durch Elektrolyse in seinem Durchgang zum Randbereich des Arbeitsraums zu Ozon werden. Nicht umgesetzter Sauerstoff wird aufgrund seiner geringeren Dichte zurückrecycelt, während Ozon am Randbereich gewonnen wird.
7 zeigt einen radialen Wirbel in der Nähe der hereinkommenden Beschickung. Syngas im Wirbelkern wird durch die Arbeit der axialen Saugpumpe 10 radial nach innen zur Achse a-a advektiert (nicht gezeigt). Kohlendioxid wird gleichzeitig durch die Arbeit des unteren Impellers/Elektrode 3 und seiner angefügten Schaufeln 6 und dem Umlenksegment 5, die eine Zentrifugalpumpe bilden, radial nach außen advektiert. Eine Grenzschicht aus Kohlendioxid bildet sich gegen die Impeller/Elektroden 3, 4, da das Kohlendioxid dichter ist als Syngas und es daher aus den radialen Wirbelkernen ausgestoßen wird. Kondensat wird ebenfalls in die Grenzschichten zurückgestoßen.
8a und 8b zeigen ein Detail eines Abschnitts des Arbeitsraums zwischen den Impeller/Elektroden 3, 4, deren Rotationen durch Pfeile gezeigt werden. Gewellte Querschnitte werden für beide Impeller/Elektroden gezeigt. In 8a stehen Peaks in Opposition zu Peaks, was Entladungen zwischen den Peaks herbeiführt. In 8b, was einen Bruchteil einer Sekunde später ist, stehen die Peaks in Opposition zu Tälern, und die Entladungen erlöschen. Ein gepulstes elektrisches Feld überträgt elektrische Energie in das Gas zwischen die Impeller/Elektroden, und die Entladungen pulsen Strom in entstehende Kohlenstoff-Nanoröhrchen, um aus ihnen Kathoden zu machen, die in die Beschickung zeigen. Bevorzugt werden die Peaks aus dem Dielektrikum 18 gebildet, um die Erosion der Elektroden durch die Bögen zwischen ihnen zu vermeiden.
9 zeigt eine alternative Ausführungsform, die sich schneidende, gebogene Schaufeln anstelle der gegenüberstehenden Wellen hat. Gezeigt wird eine Draufsicht eines Abschnitts des unteren Impellers/Elektrode 3. Gebogene Schaufeln 6 auf dem unteren Impeller/Elektrode 3 werden in Volllinien gezeigt. Die Position der entgegengesetzt gebogenen Schaufeln auf dem oberen Impeller/Elektrode 4 wird durch Strichlinien gezeigt. Die Rotationsrichtung wird durch die Pfeile gezeigt. Es gibt Schnittpunkte zwischen den übereinanderliegenden Schaufeln der oberen und unteren Impeller/Elektroden, und diese Schnittpunkte bewegen sich radial nach außen, wenn die Impeller/Elektroden gegenläufig rotieren. An den Schnittpunkten liegt ein starkes elektrisches Feld über dem Arbeitsraum. Etwaige Bögen, die durch dieses starke E-Feld verursacht wurden, gleiten schnell von der Achse a-a radial nach außen, augrund der Gegenrotation der Schaufeln, mit denen der Bogen verbunden ist. Daher verweilt der Bogen nicht auf den Schaufeln und eine Erosion wird verhindert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Reaktoren mit gleitendem Bogen, ist die Verweilzeit der Beschickung zwischen den Elektroden lang, für eine gute Krackeffizienz, da Bogengleiten nicht vom Gasstrom abhängt.
10 zeigt eine Untersicht des Umlenksegments 5 und der Schaufeln 6. Das Umlenksegment 5 kann durch die Schaufeln 6 an dem unteren Impeller/Elektrode 3 angebracht werden (nicht gezeigt). Die Rotation, wie durch den Pfeil gezeigt, advektiert Beschickung von der axialen Beschickungsleitung 2 als Quellenströmung radial nach außen in den Arbeitsraum. Das Umlenksegment und die Schaufeln bilden einen Teil einer Zentrifugalpumpe.
11a zeigt einen quellenfreien Wirbel aus Kohlenstoff-Ionen. Der Wirbel wird durch das oben beschriebene, den radialen Gegenstrom erzwingende Systeme, erzwungen. Der Wirbel rotiert, wie durch die Pfeile gezeigt, und die Bewegung der positiven Ladungen, d. h. der Kohlenstoff-Ionen, in dem Wirbel führt ein quellenfreies Magnetfeld herbei, dessen Nord- und Südpole durch N bzw. S angegeben sind. Kohlenstoffionen, distal vom Wirbelkern, werden gezeigt, wie sie durch die Magnetkraft F_B angezogen werden, wenn sie in dem Wirbel rotieren.
11b zeigt ein Kohlenstoffion in dem Wirbel und Magnetfeld, das in 11a gezeigt wird. Das Kohlenstoffion rotiert in dem Wirbel mit der Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld B und erfährt dadurch eine Magnetkraft FB_I die rechtwinklig zu den anderen beiden Vektoren steht. Die Richtung der Magnetkraft ist radial nach innen zur Wirbelachse. Erhöhte Geschwindigkeit verstärkt das quellenfreie 3-Feld und verstärkt dadurch die Magnetkraft, was die Geschwindigkeit sogar noch weiter erhöht, usw. Dies ist die Selbstverdichtung der röhrenförmigen Kohlenstoffionenstrukturen im Wirbelstrom. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mitteln zum Herbeiführen von Kohlenstoffionenwirbeln, die auf dem Beschickungsdruck beruhen, erzwingt die vorliegenden Erfindung Wirbel durch hohe Scherkraft in mechanischen Mitteln. Die Ausrichtung der Wirbelachse ist eher stark gerichtet und parallel als zufällig gerichtet und verheddert.
12 zeigt ein Detail eines entstehenden Kohlenstoff-Nanoröhrchens, das nach links durch den Randbereich des Arbeitsraums in eine Region extrudiert wird, in der Plasma und Entladungen durch das Plasma vorhanden sind. Radialer Gegenstrom von Beschickung und Syngas wird durch die Pfeile gezeigt, hervorgerufen durch das erzwingende System der gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden 3, 4 und der axialen Saugpumpe 10 (nicht gezeigt). Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse der kohlenstoffhaltigen Beschickung zur Nanoröhrchensynthese werden durch die radialen Wirbel kontinuierlich aus der Verarbeitungszone abgezogen. Eine vorübergehende fadenförmige Entladung, die gezackte Linie, durch das Plasma (freie Elektronen e-) wird zwischen den entgegengesetzt geladenen Elektroden gezeigt. Ein Kohlenstoffionenwirbel konvergiert zu einer dichten röhrenförmigen Struktur mit Hilfe der Selbstverdichtung des Kohlenstoffionenwirbels, wie unter 11a and 11b diskutiert. Die Kräfte, die auf die Kohlenstoffionen wirken, sind die elektrische Kraft F_E, die die positive geladenen Ionen zur Kathode zieht, und die Magnetkraft F_B, die die Ionen radial nach innen zur Wirbelachse zieht. Metallische Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind ausgezeichnete Leiter, daher sendet die Entladung Elektronen durch das entstandene Kohlenstoff-Nanoröhrchen weg von dem Plasma und zur Achse a-a, d. h. zu den positiv geladenen Kohlenstoffionen in dem Kohlenstoffionenwirbel und in die hereinkommende Beschickung.
Elektronenfluss in die Beschickung durch das entstandene Nanoröhrchen oder eine andere Nanostruktur macht aus dem entstandenen Ende eine sehr dünne Kathode, die Kohlendioxid und Kohlenmonoxid nahe der Kathodenspitze reduziert, und verknüpft den Kohlenstoffionenwirbel zu einer zusammenhängenden Struktur mit metallischen Eigenschaften, wenn Ionen in die Kathodenspitze fallen und aggregieren. Entladungen durch nichtmetallische Kohlenstoffstrukturen, wie etwa amorphem Kohlenstoff oder Halbleiter-Nanoröhrchen, verdampfen diese Strukturen, da sie einen höheren Widerstand haben als die metallischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die Verdampfung ermöglicht es, dass der Kohlenstoff in fehlerhaften Strukturen zu metallischen Nanoröhrchen recycelt wird. Der Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung produziert lange, metallische Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ohne irgendwelche Belastungen mit übermäßigen Mengen an Halbleiter-Nanoröhrchen, missgebildeten Nanoröhrchen oder Ruß. Geeignete Mittel, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Fasersynthese bekannt sind, nicht gezeigt, außerhalb oder innerhalb des Randbereichs des Arbeitsraums, sammeln die entstandenen Nanoröhrchen ein.
Die Wirbel-Wand-Interaktion, die oben in 6 diskutiert wurde, lässt die entstehenden Kathodenspitzen der Kohlenstoff-Nanoröhrchen weiter in den Arbeitsraum hängen. Der axiale Rückstoßstrahl richtet die Nanoröhrchen radial zur Achse a-a aus und verhindert dabei, dass sie sich verheddern.
Ozon, das zusammen mit den Nanoröhrchen aus dem Randbereich austritt, dient dazu, Mängel zu oxidieren und gewährleistet dadurch, dass hochwertige Nanoröhrchen produziert werden. Ozon oxidiert auch die Endkappen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wodurch sie für den späteren Zusammenbau in nützliche Strukturen funktionalisiert werden. Ozon ist für sich genommen ein wertvolles Material und verwandelt sich in dem Vergaser schnell zu Sauerstoff, wenn Wärme zugeführt wird.
13a zeigt das ringförmige Magnetfeld, das auf den radialen Stromfluss in den Scheibenankern, die die Impeller/Elektroden 3, 4 sind, zurückzuführen ist. Die Feldlinien liegen konzentrisch um die Rotationsachse a-a der Impeller/Elektroden. Die Richtung des ringförmigen B-Felds zwischen den Scheiben ist die gleiche wie die Rotationsrichtung des oberen Impellers/Elektrode 4. Die axialen Feldlinien des B-Felds durch die Scheiben zeigen in die Seite.
13b zeigt ein Schema des Scherelektrolyseverfahrens. Die ringförmigen Feldlinien des B-Felds zwischen den Scheiben zeigen in die Seite. Die Impeller/Elektroden rotieren gegenläufig um eine gemeinsame Achse a-a und führen dadurch radiale Wirbel zwischen sich herbei. Es wird eine radiale Wirbelachse b-b gezeigt.
14 zeigt das Tempern von Nanoröhrchen in Rotation durch B-Magnetfeldlinien. Die Wirbelachse der entstehenden Nanostruktur ist b-b. Magnetkraft F_B auf positive Spezies wird durch Pfeile gezeigt. Die Richtung der Magnetkraft verändert sich mit jeder Halbrotation der positiven Spezies durch das B-Feld, daher wird eine magnetomechanische Vibration durch die erzwungenen Wirbel und das B-Feld transversal zu den Wirbeln hervorgerufen. Tempern der entstehenden Nanoröhrchen durch Vibration und Dissoziation von Kohlendioxid oder anderen Molekülen durch Vibration kann daraus resultieren.
15 zeigt entgegengesetzte, gegenläufig rotierende leitende Abschnitte 19 der Impeller/Elektroden. Die leitenden Abschnitte des oberen Impellers/Elektrode werden durch Volllinien gezeigt, und die leitenden Abschnitte des unteren Impellers/Elektrode werden durch schraffierte Linien gezeigt. In diesem Beispiel sind die leitenden Abschnitte 19 Metallstangen, die radial zur Impeller/Elektroden-Rotationsachse angeordnet sind. Gegenrotation der Impeller/Elektroden bringt die leitenden Abschnitte jedes Impellers/Elektrode in periodische Opposition über den Arbeitsraum. Beide Sätze leitender Abschnitte rotieren durch ein axiales Magnetfeld mit Feldlinien, die aus der Seite zeigen, und dadurch werden entgegengesetzte radiale Ströme in den Metallstangen hervorgerufen. Die Rotation der Stangen und ihrer assoziierten Magnetfelder zwingt Ionen, in radialen Wirbeln zu rotieren.
16 zeigt ein vereinfachtes Diagramm der vorliegenden Erfindung, angewendet auf Wasserelektrolyse. Bei dieser Anwendung ist kein Umlenksegment erforderlich. Eine Beschickung aus Wasser strömt durch den axialen Beschickungsanschluss 2a und wird zentrifugal von der Achse a-a radial nach außen gepumpt, mittels der gegenläufig rotierenden Elektrode/Impeller. Ein axiales B-Feld ist zwischen den Nord- und Südpolen eines Magneten 8 vorhanden, der die leitenden Abschnitte 19 der gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden überspreizt. Die Rotationsrichtung wird durch gebogene Pfeile gezeigt. Wassermoleküle dissoziieren zu Wasserstoff und Sauerstoffgas. Wasserstoff wird radial nach innen zur Achse a-a durch Kerne radialer Wirbel advektiert und axial durch den axialen Sauganschluss 9a extrahiert. Geeignete Mittel für eine radial nach innen gerichtete Advektion sind die axiale Saugpumpe 10 und die Wirbel-Wand-Interaktion. Eine Achse eines radialen Wirbels, der ein Senkenströmungskanal ist, ist b-b. Sauerstoff, der dichter ist als Wasserstoff, wird von den Wirbelkernen wegzentrifugiert und kann dem Wasserstoff nicht folgen. Sauerstoff aus der Elektrolyse konzentriert sich radial nach außen zum Randbereich, wenn die Beschickung aus Wasser in Scherelektrolyse gekrackt wird. Ozon kann in diesem Reaktor zusammen mit Sauerstoff produziert werden, und folgt dem Pfad von Sauerstoff von der Achse a-a radial nach außen zur Sammlung am Randbereich.
17 auf Blatt 8 zeigt ein Detail eines Substrats 20, das über dem Randbereich des Arbeitsraums zwischen den Impeller/Elektroden 3, 4 derart angeordnet ist, dass es aufgrund des oben diskutierten radialen Railgun-Effekts mit Nanostrukturen bombardiert wird.
WEITERE ANMERKUNGEN
Die Diskussion hat sich auf Kohlendioxid als Beschickung für die Nanoröhrchensynthese konzentriert, aber die Beschickung könnte alternativ Methan, VOCs, Wasser, HAPs oder Fahrzeugabgas sein. Methan würde in Wasserstoffgas und Kohlenstoff cracken, und das Wasserstoffgas würde axial als Leichtfraktionsprodukt extrahiert werden. Wasserstoff hat eine sehr geringe Molmasse (2 g/mol), so dass er sich in den Wirbelkernen der Scherschicht konzentrieren würde und durch die axiale Pumpe ausgepumpt würde. Oder Kohlenmonoxid könnte die Beschickung für Nanoröhrchen sein, wobei Sauerstoffgas axial extrahiert würde. Ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid könnte ebenfalls eine geeignete Beschickung für die Syngas- und Nanoröhrchenproduktion sein.
Abgas, einschließlich Prozessgasströme und Verbrennungsabgase können die Beschickung sein. Gasförmige Schadstoffe, wie etwa gefährliche Luftschadstoffe (HAPs), Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx), Schwefelwasserstoff (H₂S), Mercaptane, flüchtige organische Verbindungen (VOCs), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) und Ammoniak, gecrackt durch Scher-Elektrolyse, erbringen die wertvollen Leichtfraktionselektrolyseprodukte Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Schwefel. Axial extrahierte, leichte Fraktionen würden Elektrolyseprodukte mit einer niedrigeren Molmasse als die Beschickung enthalten, wie etwa Wasserstoff, sowie Stickstoffballast und Wasserdampf in Rauchgas- oder einer anderen Abgasbeschickung. Schwere Fraktionen, wie etwa Elementarkohlenstoff, Elementarschwefel, Quecksilber, Staub und Flugasche, würden den Randbereich verlassen, wenn die Beschickung einströmt und leichte Fraktionen axial extrahiert werden. Zentrifugale Trennung der Fraktionen in dem, den radialen Gegenstrom erzwingenden Systeme, ermöglicht hohe Strömungsgeschwindigkeiten.
Heiße Abgasströme, wie etwa Rauchgas, Motorabgase, Gasturbinenabgas und Prozessdampf könnten unter Verwendung der Beschickungswärme gekrackt werden, um die Energiezufuhr aus dem elektrischen Feld und der Scherung zu erhöhen, um die erforderliche Energie zu bekommen, um die Bindungsenergie der zu crackenden Schadstoffe zu überwinden. Dies würde den Bedarf für Wäscher und die damit verbundenen Probleme bei der Abwasser- und Schlammbeseitigung eliminieren. Flugasche würde die Elektroden abscheuern und Verkokung vermeiden.
Die vorliegende Erfindung offenbart einen Reaktor zur kontinuierlichen Scherelektrolyse zur Umwandlung von Kohlendioxid in Syngas in einem Maßstab, der ausreicht, um eine Alternative zur Kohlenstoffsequestrierung bereitzustellen, um dem globalen Klimawandel entgegenzuwirken. Mit kontinuierlich ist gemeint, dass während der Reaktor arbeitet, Beschickung in einem stetigen Durchlaufverfahren einströmt und Produkte austreten. Kontinuierlich bedeutet nicht unbedingt, dass er die ganze Zeit eingeschaltet ist. Das Gegenteil ist ein Chargenverfahren, bei dem die Beschickung anhält, während die Charge bearbeitet wird, dann werden die Produkte ausgeworfen, dann wird mehr Beschickung für die nächste Charge eingeführt.
Scherelektrolyse ist ein neues Konzept, bei dem die Kombination aus mechanischer Energie und elektrischer Energie zur Enthalpie der Beschickung zugefügt wird, um Moleküle, wie etwa Kohlendioxid und Wasser zu cracken, wobei gleichzeitig Elektrodenerosion verhindert wird und Elektrolyseprodukte in radialer Gegenströmung effizient extrahiert werden. Die angegebenen Beispiele dienen nicht der Beschränkung, sondern dazu, wichtige Anwendungen der Erfindung zu illustrieren. Kohlenstoffsequestrierung ist ein wesentliches ungelöstes Problem des globalen Klimawandels und Scherelektrolyse kann es lösen.
Eine duale Scheibendynamobaugruppe wird in 1 und 2 gezeigt. Parallele, koaxiale gegenläufig rotierende Impeller/Elektroden 3, 4 werden parallele Scheibendynamos und entgegengesetzt geladene Elektroden begrenzen durch transversale Magnetfeldlinien einen Arbeitsraum zwischen sich, wenn sie um ihre gemeinsame Achse a-a rotieren. Gegenrotation durch ein gemeinsames transversales Magnetfeld wird in 1 und 2 gezeigt. Die Feldlinien dort stammen aus einem einzigen Elektromagneten, dessen Pole beide Impeller/Elektroden überspreizen. Alternativ könnte jede(r) Impeller/Elektrode seinen eigenen Spreizmagneten haben oder jeder Impeller/Elektrode könnte durch einen Schleifkontakt geladen werden, der mit einer Stromquelle kommuniziert. Viele verschiedene Anordnungen von Spreizmagneten könnten verwendet werden, wie etwa entgegengesetzt angeordnete Ringe aus mehreren helikalen Elektromagneten mit kleinem Radius, oder entgegengesetzt angeordnete Spulen mit einem großen Radius. Es ist beabsichtigt, dass sich die Ansprüche auch auf diese Ausführungsformen der Impeller/Elektroden und andere Äquivalente erstrecken.
Die Gegenrotation der Impeller/Elektroden durch die transversalen Magnetfelder von Spreizmagneten beliebigen Typs lässt Strom, bezogen auf die Rotationsachse des Impellers, radial nach innen oder außen fließen, gemäß bekannter Prinzipien der Faraday-Scheibe oder eines Scheibendynamos. Der entgegengesetzte Stromfluss in den entgegengesetzt rotierenden Impeller/Elektroden erzeugt eine entgegengesetzte Ladung auf ihnen und erzeugt daher ein elektrisches Feld über dem Arbeitsraum. Die gewellte Kontur der gegenläufig rotierenden Elektroden bringt dieses elektrische Feld zum pulsieren. Vgl. 8a und 8b.
Mittel, die die Impeller/Elektroden dazu bringen, gegenläufig zu rotieren, könnten ein oder mehrere periphere Antriebsräder 15 sein, die mit Motoren verbunden sind, wie in 1 und insbesondere in 2 gezeigt wird, oder separate Antriebsmittel, die mit jedem Impeller/Elektrode verbunden sind, wie etwa ein Bandantrieb, der zum Beispiel mit einem Elektromotor verbunden ist. Der Vorteil von peripheren Antriebsrädern ist deren Einfachheit, hohes Drehmoment, Haltbarkeit und die Tatsache, dass sie Mittel zum Antreiben einer nahezu exakten Gegenrotation der Impeller/Elektroden bereitstellen und die Tatsache, dass sie Mittel zum Getrennthalten der Impeller/Elektroden bereitstellen, trotz der Anziehungskraft aus ihren entgegengesetzten Ladungen.
Das zentrifugale Pumpen der gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden, die Fluid von der Achse a-a radial nach außen advektieren, stellt Mittel zum Einführen eines Beschickungsstroms durch die axiale Beschickungsleitung und in den Arbeitsraum bereit. Zusätzliche Mittel könnten durch eine oder mehrere Beschickungspumpen stromaufwärts der axialen Beschickungsleitung bereitgestellt werden. Mit Advektion ist gemeint, durch Druck oder als Reaktion auf mechanische Mittel, Strömung hervorzurufen.
Ein Umlenksegment ist kein wesentliches Element der vorliegenden Erfindung; für die Behandlung einer gasförmigen Beschickung ist ein Umlenksegment jedoch bevorzugt. Das Umlenksegment 5 kann entweder an dem Impeller/Elektrode mit dem axialen Beschickungsanschluss 2a befestigt werden, um einen Teil einer Zentrifugalpumpe zu bilden, oder es kann statisch zwischen dem axialen Beschickungsanschluss 2a und dem axialen Auslassanschluss 9a angeordnet werden. Das Umlenksegment stellt Mittel bereit, um eine Strömung direkt von dem axialen Beschickungsanschluss zum axialen Auslassanschluss zu verhindern, so dass die Beschickung durch die Impeller/Elektroden radial nach außen advektiert wird. Ein statisches Umlenksegment kann auch Düsen oder andere Mittel zum direkteren Lenken des Sogs von der axialen Saugpumpe zu den nach innen zeigenden Wirbelkernen enthalten, um deren Inhalte für den axialen Pumpenanschluss abzuziehen, wobei gleichzeitig die Regionen mit schwereren Produkten, die sie umgeben, ausgeschlossen werden.
Die radialen Wirbel in der Scherschicht des Arbeitsraums, in Kombination mit dem Sog einer axialen Saugpumpe und/oder der Wirbel-Wand-Interaktion, stellen Mittel zum Advektieren leichter Fraktionen radial nach innen zur Achse a-a bereit, wenn durch das zentrifugale Pumpen der gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden die Beschickung gleichzeitig radial nach außen durch den Arbeitsraum advektiert wird. Die leichten Fraktionen gehen durch die Wirbelkerne radial nach innen, während die Beschickung um die Wirbelkerne herum in radialem Gegenstrom durch den Arbeitsraum radial nach außen fließt, angetrieben durch die Rotation der Impeller/Elektroden 3, 4 und den Sog der axialen Saugpumpe 10, die durch die axiale Auslassleitung 9 wirkt. Die leichten Fraktionen strömen kontinuierlich durch die Wirbelkerne und aus der axialen Auslassleitung, wenn die Beschickung in den Arbeitsraum durch die axiale Beschickungsleitung 2 strömt. Dies ist ein, einen radialen Gegenstrom erzwingendes System.
Das einen radialen Gegenstrom erzwingende System, das leichte Fraktionen radial nach innen treibt, stellt auch Mittel zum Advektieren schwerer Fraktionen von der Achse a-a radial nach außen und kontinuierlich aus dem Randbereich des Arbeitsraums bereit, wenn die Beschickung durch die axiale Beschickungsleitung 2 in den Arbeitsraum strömt. Die zentrifugale Pumpwirkung der Impeller/Elektroden überträgt Impuls auf Fluid gegen ihre Oberflächen, das, aufgrund der zentrifugalen Trennung in den Wirbeln der Scherschicht, reich an Beschickung und Schwerfraktionsprodukten ist. Von der Achse a-a radial nach außen wird das Fluid zunehmend reich an Schwerfraktionsprodukten, da die Beschickung elektrolysiert wird und die Leichtfraktionsprodukte (zum Beispiel Syngas) radial nach innen abgezogen werden. Am Randbereich sind es die Schwerfraktionsprodukte (zum Beispiel Ozon und Elementarkohlenstoff), die vorherrschen. Jenseits des Rands der Impeller/Elektroden, wo der Randbereich endet, extrudieren die Schwerfraktionsprodukte und können zur Verwendung abgeschieden werden. Von besonderem Interesse ist das Einbetten von Nanostrukturen in ein Substrat.
Durch Elektrolyse produzierter Sauerstoff kann aus dem Randbereich gewonnen und für IGCC-Kraftwerke wiederverwendet werden, wodurch die Kosten für die Abtrennung des Sauerstoffs von Luft eingespart werden, so dass die vorliegende Erfindung sowohl Mittel zum Sauerstoff- als auch zum Kohlenstoffrecycling bereitstellt. Durch das Trennen von Elektrolyseprodukten von den Elektroden und von der Beschickung in radialem Gegenstrom, werden Rückreaktionen von Produkten zurück in die Beschickung vermieden und Elektrolyse-Hinreaktionen werden gefördert. Der Sauerstoff kann aus dem Randbereich dieses Reaktors sogar noch weiter zu Ozon oxidiert werden.
Elementarkohlenstoff, wie Ruß, Graphit oder Fullerene, ist ein anderes wertvolles Nebenprodukt des Reaktors. Eine kohlenstoffhaltige Beschickung zur Kohlenstoff-Nanoröhrchenproduktion enthält Kohlendioxid, Methan, Propan und andere organische Verbindungen. Wasserstoff aus der Methanelektrolyse wird radial nach innen abgezogen und Kohlenstoff wird radial nach außen advektiert und bei hoher Scherung aus dem Randbereich des Arbeitsraums zwischen den gegenläufig rotierenden, entgegengesetzt geladenen Impeller/Elektroden extrudiert. Die Beschickung für den Reaktor zur Produktion von Nanoröhrchen könnte bereits ionisiert aus einem anderen Reaktor eingeführt werden, so dass kein Elektrolysemittel benötigt würde. Die eng beabstandeten, gegenläufig rotierenden Scheiben würden die kleindimensionierten Wirbel bereitstellen, radial angeordnet anstelle von durcheinander wie in einer herkömmlichen isotropen Turbulenz, um die Ionen zu Nanoröhrchen aufzurollen, um sie zu Tempern, um fehlerhafte oder nicht leitende Nanoröhrchen auszusortieren, und lange Fasern aus dem Randbereich in einem kontinuierlichen Verfahren zu extrudieren. Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die aufgrund des radialen Railgun-Effekts, wie Lanzen aus dem Randbereich geschossen werden, könnten sich in ein Substrat einbetten.
Die Wirbel-Wand-Interaktion und die Arbeit der axialen Saugpumpe treiben Wasserstoff und andere Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse radial nach innen durch die Wirbelkerne der Scherschicht und kontinuierlich aus dem Arbeitsraum, wenn Beschickung durch den axialen Beschickungsanschluss eingeführt wird. Die Beschickung könnte durch geeignete Mittel ionisiert werden, bevor sie in den Arbeitsraum eingeführt wird. Die äußerst kleindimensionierten Wirbel am Randbereich des Arbeitsraums, in dem die Elektroden/Impeller eng getrennt sind, rollen die ionisierte Beschickung zu langen zusammenhängenden Nanoröhrchen, Nanodrähten oder anderen Nanostrukturen (zusammengefasst Nanostrukturen) auf.
Magnetomechanisches Tempern der Nanostrukturen findet statt, wenn sich radiale Ionenwirbel in dem Magnetfeld zwischen den gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden drehen. Entgegengesetzte radiale Ströme in leitenden Abschnitten der Impeller/Elektroden erzeugen Magnetfelder. Feldlinien, die in Ionen aus Wirbeln gleiten, treiben die Rotation an und verdichten die Nanostrukturen, die aus dem Randbereich extrudiert werden.
Für die Wasserelektrolyse wird Wasserstoff (2 g/mol) radial nach innen abgezogen, wenn das Leichtfraktionsprodukt und Sauerstoff radial nach außen advektiert werden, vielleicht als Ozon, und aus dem Randbereich des Arbeitsraum gewonnen werden. Flüssiges Wasser verdrängt die gasförmigen Elektrolyseprodukte an die Oberfläche der Elektrode/Impeller, da flüssiges Wasser dichter ist als die gasförmigen Produkte und daher in eine Grenzschicht gegen die Elektrode/Impeller strömt, wenn es zwischen ihnen in hoher Scherkraft zentrifugal gepumpt wird. Die gasförmigen Produkte sammeln sich in der Scherschicht und die Wirbel der Scherschicht trennen Sauerstoff und Wasserstoff zentrifugal, wobei Wasserstoff durch die Wirbelkerne radial nach innen strömt, zur axialen Extraktion, und Sauerstoff durch den Randbereich radial nach außen strömt. Sauerstoff wird weiter zu Ozon oxidiert, das im Randbereich gewonnen wird.
Die vorliegende Erfindung stellt Mittel zum Kohlenstoff- und Sauerstoffrecycling in Elektrizitätswerken und anderen Emittenten von Kohlendioxid bereit. Sie stellt außerdem Mittel zum großvolumigen Cracken von Schadstoffen und zum Gewinnen wertvoller Materialen, wie etwa Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Wasserstoff bereit, wodurch Müll zum Schatz wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Konzentrisch angeordnete Scheibenanker, die gegenläufig durch ein axiales magnetisches Feld rotieren, wirken als Elektrolyseelektroden und zentrifugale Impeller mit hoher Scherkraft für eine axiale Beschickung. Die Beschickung kann aus Kohlendioxid, Wasser, Methan oder anderen Substanzen bestehen, die eine Elektrolyse erfordern. Kohlendioxid und Wasser können kontinuierlich zu Syngas und Ozon verarbeitet werden, wodurch das Kohlenstoff- und Sauerstoffrecycling in Kraftwerken ermöglicht wird. Im Raum zwischen den gegenläufig rotierenden Scheibenelektroden stellt eine Scherschicht, die ein Fraktalbaumnetz aus radialen Wirbeln aufweist, Senkenströmungskanäle für leichte Fraktionen, wie etwa Syngas, radial nach innen bereit, während die schweren Fraktionen, wie etwa Ozon und Elementarkohlenstoff, radial nach außen in Grenzschichten gegen die Scheiben und über den Scheibenrand hinaus strömen, wo sie als wertvolle Produkte, wie etwa Kohlenstoff-Nanoröhrchen, gewonnen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6924608 [0023]
- US 5817218 [0027]
- US 4125439 [0027]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- A. Czernichowski, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 56, p. 181, pp. 189–196 (2001) [0024]
- CS. Kalra, et al., Rev. Sci. Instruments 76, 025110 (2005) [0025]
- N. Tesla, ”Notes an a Unipolar Dynamo,” The Electrical Engineer, Sept. 2, 1891 [0029]
- J. Bockris, et al. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 10, p. 179 at 185 (1985) [0030]
- V. Shtern, et al., Ann. Rev. Fluid Mech. 1999, 31: 537–66 [0116]

Claims

Radialer Gegenstromreaktor zur kontinuierlichen Scherelektrolyse, umfassend: (a) annähernd parallele und annähernd scheibenförmige Impeller/Elektroden, wobei die Impeller/Elektroden zur Gegenrotation um eine gemeinsame Rotationsachse fähig und beabstandet sind, um zwischen sich einen Arbeitsraum zu definieren, und wobei die Impeller/Elektroden leitendes Material aufweisen, das während der Gegenrotation in Gegenphase über dem Arbeitsraum angeordnet ist, und wobei einer der Impeller/Elektroden einen axialen Beschickungsanschluss in der Nähe ihrer Mitte hat und der andere Impeller/Elektrode einen axialen Auslassanschluss in der Nähe ihrer Mitte hat, wobei die Anschlüsse mit dem Arbeitsraum kommunizieren; (b) Mittel zur Gegenrotation der Impeller/Elektroden um die gemeinsame Rotationsachse; (c) Mittel zum entgegengesetzten Laden der Impeller/Elektroden, um während der Gegenrotation ein elektrisches Feld in dem Arbeitsraum zu erzeugen; (d) Mittel zum kontinuierlichen Einführen einer Beschickung zur Elektrolyse durch den axialen Beschickungsanschluss und in den Arbeitsraum während der Gegenrotation der Impeller/Elektroden; (e) Mittel zum zentrifugalen Abpumpen der Beschickung von der Rotationsachse radial nach außen; (f) Mittel zum Advektieren von Leichtfraktionsprodukten der Elektrolyse radial nach innen zur Rotationsachse und zum kontinuierlichen Extrahieren leichter Fraktionen aus dem Arbeitsraum durch den axialen Auslassanschluss während der Gegenrotation; und (g) Mittel zum Gewinnen von Schwerfraktionsprodukten der Elektrolyse aus dem Randbereich des Arbeitsraums.
Reaktor nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum entgegengesetzten Laden der Impeller/Elektroden Mittel zum Herbeiführen eines entgegengesetzten radialen Stromflusses in den Impeller/Elektroden aufweist, wobei die Stromflussmittel mindestens einen Spreizmagneten zum Hervorrufen eines transversalen Magnetfelds durch das leitende Material während der Gegenrotation aufweisen.
Reaktor nach Anspruch 1, der ferner Mittel zum Hervorrufen eines gepulsten elektrischen Felds in dem Arbeitsraum aufweist, wobei die Mittel zum Hervorrufen des gepulsten elektrischen Felds entgegengesetzte, entgegengesetzt geladene geriffelte Oberflächen auf den gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden aufweisen.
Reaktor nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Gegenrotation mindestens ein rotierbares peripheres Antriebsrad aufweist, das beide Impeller/Elektroden gleichzeitig in Eingriff nimmt und mit Mitteln zum Hervorrufen der Rotation des Antriebsrads verbunden ist.
Reaktor nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum radialen Advektieren der leichten Fraktionen nach innen eine axiale Saugpumpe aufweisen.
Reaktor nach Anspruch 1, der zusätzlich ein Umlenksegment aufweist, das zwischen dem axialen Beschickungsanschluss und dem axialen Auslassanschluss angeordnet ist.
Reaktor nach Anspruch 1, der ferner einen Einschnürungsabschnitt aufweist, wobei der Trennungsabstand zwischen den Impeller/Elektroden verringert ist.
Reaktor nach Anspruch 6, wobei das Umlenksegment statisch ist und radiale Düsen aufweist.
Reaktor zur molekularen Dissoziation eines Gases, wobei der Reaktor Folgendes aufweist (a) annähernd parallele und annähernd scheibenförmige Impeller/Elektroden, wobei die Impeller/Elektroden zur Gegenrotation um eine gemeinsame Rotationsachse fähig und beabstandet sind, um zwischen sich einen Arbeitsraum zu definieren, wobei jeder Impeller/Elektrode mindestens einen leitenden Abschnitt aufweist, wobei die leitenden Abschnitte während der Gegenrotation in Gegenphase über dem Arbeitsraum angeordnet sind, und wobei einer der Impeller/Elektroden einen axialen Beschickungsanschluss zur axialen Injektion des Gases in der Nähe ihrer Mitte hat und der andere Impeller/Elektrode einen axialen Auslassanschluss zur axialen Extraktion der gasförmigen leichten Fraktionen in der Nähe ihrer Mitte hat, wobei die Anschlüsse mit dem Arbeitsraum kommunizieren; (b) ein Umlenksegment, das zwischen dem axialen Beschickungsanschluss und dem axialen Auslassanschluss angeordnet ist; (c) Mittel zum Hervorrufen von Gegenrotation der Impeller/Elektroden um die gemeinsame Rotationsachse; (d) Mittel zum entgegengesetzten Laden der leitenden Abschnitte der Impeller/Elektroden, um während der Gegenrotation ein elektrisches Feld in dem Arbeitsraum zu erzeugen; (e) Mittel zum kontinuierlichen Einführen des Gases durch den axialen Beschickungsanschluss und in den Arbeitsraum während der Gegenrotation; (f) Mittel zum zentrifugalen Abpumpen des Gases von der Rotationsachse radial nach außen während der Gegenrotation; (g) Mittel zum Advektieren von Leichtfraktionsprodukten der Elektrolyse radial nach innen zur Rotationsachse und zum kontinuierlichen axialen Extrahieren leichter Fraktionen aus dem Arbeitsraum durch den axialen Auslassanschluss während der Gegenrotation; und (h) Mittel zum Gewinnen schwerer Fraktionen aus dem Randbereich des Arbeitsraums.
Reaktor nach Anspruch 9, wobei das Mittel zum entgegengesetzten Laden Mittel zum Erzeugen eines axialen Magnetfelds durch die entgegengesetzten leitenden Abschnitte während ihrer Gegenrotation aufweist.
Reaktor nach Anspruch 9, wobei die Mittel zur axialen Extraktion eine axiale Saugpumpe aufweisen, die mit dem Arbeitsraum durch den axialen Auslassanschluss kommuniziert.
Reaktor nach Anspruch 9, wobei das Mittel zur Gegenrotation mindestens ein rotierbares peripheres Antriebsrad aufweist, das beide Impeller/Elektroden gleichzeitig in Eingriff nimmt und mit Mitteln zum Hervorrufen der Rotation des Antriebsrads verbunden ist.
Verfahren zur kontinuierlichen Scherelektrolyse einer Beschickung, die die folgenden gleichzeitigen Schritte aufweist: (a) axiales Injizieren der Beschickung in einen Arbeitsraum zwischen gegenläufig rotierenden, koaxialen, entgegengesetzt geladenen, annähernd scheibenförmigen Impeller/Elektroden; (b) Advektieren der Beschickung durch den Arbeitsraum radial nach außen, wobei die Beschickung gleichzeitig zwischen den Impeller/Elektroden geschert wird, um eine Scherschicht in dem Arbeitsraum zu bilden; (c) Advektieren der Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse radial nach innen zur Rotationsachse der Impeller/Elektroden durch radiale Wirbelkerne in der Scherschicht; (d) axiales Extrahieren der Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse aus dem Arbeitsraum; und (e) peripheres Extrahieren von Schwerfraktionsprodukten aus der Elektrolyse aus dem Arbeitsraum.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Beschickung ein Gemisch aus Kohlendioxid und Wasser ist, und die Leichtfraktionsprodukte aus der Elektrolyse Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthalten.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Beschickung Wasser ist, das Leichtfraktionsprodukt aus der Elektrolyse Wasserstoff ist und das Schwerfraktionsprodukt aus der Elektrolyse Sauerstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Schwerfraktionsprodukt aus der Elektrolyse Ozon ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schwerfraktionsprodukte aus der Elektrolyse Nanostrukturen von Materialien enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Bornitrid, Gold, Metalldichalkogeniden (MX2 (M = Mo, W, Nb, Ta, Hf, Ti, Zr, Re; X = S, Se)), Metalloxiden und Metaldihaliden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Beschickung kohlenstoffhaltige Verbindungen aufweist, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄), Alkanen, Kohlendioxid (CO₂) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Beschickung Verbindungen aufweist, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Schwefelwasserstoff (H₂S), Ammoniak (NH₄), Mercaptanen und Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs).
Radialer Scherreaktor zur Synthese langer Nanostrukturen, einschließlich Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Nanostrukturen von Materialen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Bornitrid, Gold, Metalldichalkogeniden (MX2 (M = Mo, W, Nb, Ta, Hf, Ti, Zr, Re; X = S, Se)), Metalloxiden und Metaldihaliden, wobei der Reaktor Folgendes aufweist: (a) gegenläufig rotierbare, koaxiale, beabstandete, annähernd scheibenförmige zentrifugale Impeller/Elektroden, die um eine gemeinsame Rotationsachse rotiert werden können und zwischen sich einen Arbeitsraum für einen radialen Gegenstrom definieren, wobei eine der Impeller/Elektroden einen axialen Beschickungsanschluss in der Nähe ihrer Mitte hat und der andere Impeller/Elektrode einen axialen Auslassanschluss in der Nähe ihrer Mitte hat, wobei die Anschlüsse mit dem Arbeitsraum kommunizieren, wobei jeder Impeller/Elektrode mindestens einen leitenden Abschnitt aufweist, wobei die leitenden Abschnitte der Impeller/Elektroden während der Gegenrotation in Gegenphase zueinander über dem Arbeitsraum angeordnet sind, und mit Mitteln zum entgegengesetzten Laden verbunden sind, um ein elektrisches Feld in dem Arbeitsraum zu erzeugen, und wobei jeder Impeller/Elektrode Mittel zum zentrifugalen Abpumpen von Fluid durch den Arbeitsraum radial nach außen aufweist; (b) ein Umlenksegment, das zwischen dem axialen Beschickungsanschluss und dem axialen Auslassanschluss angeordnet ist; (c) Mittel, die mit den Impeller/Elektroden verbunden sind, zum Hervorrufen gleichzeitiger Gegenrotation um ihre gemeinsame Rotationsachse; (d) Mittel zum kontinuierlichen Einführen einer Beschickung in den Arbeitsraum und durch den axialen Beschickungsanschluss während der Gegenrotation; (e) Mittel zum Advektieren von Leichtfraktionsprodukten aus der Beschickungsdissoziation radial nach innen zur Rotationsachse und zum kontinuierlichen Extrahieren der leichten Fraktionen aus dem Arbeitsraum durch den axialen Auslassanschluss während der Gegenrotation; und (f) Mittel zum Extrahieren von Nanostrukturen aus dem Randbereich des Arbeitsraums während der axialen Extraktion leichter Fraktionen und der Advektion der Beschickung radial nach außen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Mittel zum entgegengesetzten Laden der Impeller/Elektroden mindestens einen Spreizmagneten zum Hervorrufen eines transversalen Magnetfelds durch das leitende Material während ihrer Gegenrotation aufweisen, und dadurch einen entgegengesetzten radialen Stromfluss in den Impeller/Elektroden hervorrufen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, die ferner entgegengesetzte, geriffelte leitende Oberflächen auf den entgegengesetzt geladenen Impeller/Elektroden aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, die zusätzlich Mittel zum Ionisieren der Beschickung vor deren Einführung in den Arbeitsraum aufweist.
Vorrichtung zum radialen Plattieren eines Substrats mit Schwerfraktionsprodukten der Elektrolyse, die Folgendes aufweist (a) gegenläufig rotierbare, koaxiale, beabstandete, annähernd scheibenförmige zentrifugale Impeller/Elektroden, die um eine gemeinsame Rotationsachse rotiert werden können und zwischen sich einen Arbeitsraum für einen radialen Gegenstrom definieren, wobei einer der Impeller/Elektroden einen axialen Beschickungsanschluss in der Nähe ihrer Mitte hat und der andere Impeller/Elektrode einen axialen Auslassanschluss in der Nähe ihrer Mitte hat, wobei die Anschlüsse mit dem Arbeitsraum kommunizieren, wobei jeder Impeller/Elektrode mindestens einen leitenden Abschnitt aufweist, wobei die leitenden Abschnitte der Impeller/Elektroden in Gegenphase zueinander über dem Arbeitsraum angeordnet sind, und mit Mitteln zum entgegengesetzten Laden verbunden sind, um ein elektrisches Feld in dem Arbeitsraum zu erzeugen, und wobei jeder Impeller/Elektrode Mittel zum zentrifugalen Abpumpen von Fluid durch den Arbeitsraum radial nach außen aufweist; (b) ein Umlenksegment, das zwischen dem axialen Beschickungsanschluss und dem axialen Auslassanschluss angeordnet ist; (c) Mittel, die mit den Impeller/Elektroden verbunden sind, zum Hervorrufen gleichzeitiger Gegenrotation um ihre gemeinsame Rotationsachse; (d) Mittel zum kontinuierlichen Einführen einer Beschickung in den Arbeitsraum und durch den axialen Beschickungsanschluss während der Gegenrotation; (e) Mittel zum Advektieren von Leichtfraktionsprodukten aus der Beschickungsdissoziation radial nach innen zur Rotationsachse und zum kontinuierlichen Extrahieren der leichten Fraktionen aus dem Arbeitsraum durch den axialen Auslassanschluss während der Gegenrotation; und (f) Mittel zum Positionieren des Substrat annähernd senkrecht zum Randbereich des Arbeitsraums während der axialen Extraktion der leichten Fraktionen und dem radialen Abpumpen der Beschickung nach außen zwischen den entgegengesetzt geladenen, gegenläufig rotierenden Impeller/Elektroden, um eine Kollision zwischen Schwerfraktionsprodukten aus der Elektrolyse und dem Substrat hervorzurufen.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei das Mittel zum entgegengesetzten Laden Mittel zum Erzeugen eines gepulsten elektrischen Feldes in dem Arbeitsraum aufweist.