JP2021508791A - 石炭から炭素繊維、樹脂、グラフェン、およびその他の先進炭素材料を製造する方法 - Google Patents

石炭から炭素繊維、樹脂、グラフェン、およびその他の先進炭素材料を製造する方法 Download PDF

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Abstract

先進炭素材料の製造方法は、石炭を処理施設に提供する工程と、石炭を選鉱して石炭から不純物を除去する工程と、選鉱された石炭を処理してピッチを生成する工程と、ピッチを処理して炭素繊維、ナノチューブ、グラフェン、炭素繊維、ポリマー、生体材料、またはその他の炭素材料のような先進炭素材料を生成する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本出願は、２０１７年１２月２２日に提出された「石炭からの先進炭素材料の製造方法（Methods for Producing Advanced Carbon Materials from Coal）」というタイトルの米国仮特許出願第６２／６１０，０３７号の利益を主張し、その開示は参照により本明細書に組み入れられる。
石炭は非常に多様な不均質材料であり、主に数千年にわたって３つの目的のために採掘され、使用されてきた：１）焼却による熱と発電の生成、２）コーキング（ｃｏｋｉｎｇ）による鋼とその他の金属の生産、３）熱分解または液化による「石油化学製品」として現在広く知られているものの生産。石炭は何千年もの間広く使用されてきたという事実にもかかわらず、その９９％以上が熱と電力を生産するために焼却されてきた。このプロセスは現在、多くの環境的および経済的悪影響をもたらすことが広く知られている。
石炭のさらなる使用は、長年にわたって研究の主題であった。石炭の基礎化学は、少なくとも２０世紀初頭にはよく理解されていた。石油に取って代わるために石炭から液体輸送燃料を導き出すことを目的として重要な研究が行われた。１つの注目すべき画期的な進歩は、１９２５年頃にドイツで、ガス化した石炭を液体炭化水素に変換するフィッシャートロプシュプロセスが開発されたことである。さらに、南アフリカの大手企業であるＳａｓｏｌは、接触分解による固体石炭の液体輸送燃料への変換に焦点を当てた。同様に、米国エネルギー省は、石油ベースの燃料の代替として、石炭ベースの輸送用燃料を開発しようとした。しかし、研究主導の石油技術と石油コストの低下により、石炭を使用して液体輸送燃料を大規模に生産することは、経済的に実現可能になることがなかった。
石炭の液化と他の製品を形成するための石炭の使用について１世紀以上にわたって重要な研究が行われてきたが、石炭から炭素繊維などの高価値で高性能の炭素ベースの製品を製造する能力は未解決の問題である。近年、炭素ベースのテクノロジーが最前線に立っており、炭素繊維、樹脂、グラフェン、カーボンナノチューブなどの先進炭素材料の商業化が急速に進んでいる。これらの先進材料は、大量の生産、大量の応用でますます使用されるようになり、それらを大量に製造業者に迅速かつ経済的に供給する必要がある。したがって、石炭からの燃料やその他の製品の導出の改善が模索されている一方で、石炭を将来の経済に役立つであろう先進炭素材料に変換するプロセスを開発する重要な作業が残っている。
先進炭素材料を製造する方法は、石炭を処理施設に提供する工程と、該処理施設で石炭を選鉱してそこから不純物を除去する工程と、該処理施設で選鉱された石炭の少なくとも一部からピッチを生成する工程と、該処理施設で該ピッチの少なくとも一部を処理して、先進炭素材料を生成する工程とを含む。
先進炭素材料を製造する方法は、炭鉱から石炭を採掘することによって処理施設に石炭を提供することを含み得る。
先進炭素材料を製造する方法は、ハイウォールマイニングプロセスによって炭鉱から石炭を採掘することによって、処理施設に石炭を提供することを含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、炭鉱から採掘された石炭を処理施設に輸送することを含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、原材料として原炭を使用することを含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、第１の持続時間の間、石炭を第１の温度に加熱する工程と、および第２の持続時間の間、該石炭をより高い第２の温度に加熱する工程とを含み得る。
先進炭素材料を製造する方法は、水銀などの不純物を石炭から除去する工程を含むことができる。石炭を選鉱することは、石炭から少なくとも８５％の水銀を取り除くことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、石炭から水を除去する工程を含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、石炭を選鉱して約５重量％未満の水を含む選鉱された石炭を製造する工程を含むことができる
先進炭素材料を製造する方法は、石炭から揮発性物質を除去することを含み得る。揮発性物質の少なくとも５０％を石炭から除去することができる。
先進炭素材料を製造する方法は、処理施設で選鉱された石炭を処理して、選鉱された石炭を熱分解プロセスにかけて、石炭の少なくとも一部からピッチを生成する工程を含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、処理施設で選鉱された石炭を処理して、選鉱された石炭を直接液化する工程を含み、石炭の少なくとも一部からピッチを生成することを含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、処理施設で選鉱された石炭を間接液化プロセスにかける工程を含む、処理施設で選鉱された石炭の処理を含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、固形チャーを生成することを含む、処理施設での選鉱された石炭の処理を含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、活性炭を生成するために固形チャーの少なくとも一部を処理する工程を含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、石炭液化抽出物を生成することを含む、処理施設で選鉱された石炭の処理を含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、石炭液化抽出物の少なくとも一部を処理してベンゼンを生成する工程を含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、石炭液化抽出物の少なくとも一部を処理してパラキシレンを生成する工程を含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、メソフェーズピッチ、等方性ピッチ、またはメソフェーズピッチのうちの１つを含むピッチを使用する工程を含み得る。
先進炭素材料を製造する方法は、先進炭素材料を生成するためにピッチの少なくとも一部を紡糸（ｓｐｉｎｉｎｇ）する工程を含むことができる。
先進炭素材料を製造する方法は、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、グラファイトナノプレートレット、フラーレン、熱分解炭素、炭素発泡体、および樹脂のうちの１つまたは複数を含む先進炭素材料を形成することを含み得る。
先進炭素材料を製造する方法は、第１の量のピッチを処理して第１の先進炭素材料を形成し、第２の量のピッチを処理して第２の先進炭素素材を形成する工程を含む、処理施設でのピッチの少なくとも一部を処理することを含み得る。
先進炭素材料を製造する方法は、第１の先進炭素材料が炭素繊維を含み、第２の先進炭素材料がポリマーを含むようにすることができる。
先進炭素材料を製造する方法は、炭素繊維とポリマーを組み合わせて炭素繊維強化ポリマーを形成することを含むことができる。
いくつかの実施形態によれば、処理施設で石炭から合成グラファイトを製造する方法は、石炭を処理施設に提供する工程と、石炭を選鉱してそこから所望の量の不純物を除去する工程と、選鉱された石炭を処理して合成グラファイトを生成する工程とを含むことができる。
合成グラファイトは所望の量の不純物を含む。不純物は、カドミウム、セレン、または他の金属の１つまたは複数を含み得る。この方法はさらに、合成グラファイトを処理して合成グラフェンを生成することを含むことができる。合成グラフェンを生成するために合成グラファイトを処理することは剥離（ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ）を含み得る。合成グラフェンは、所望の量の不純物を含み得る。
いくつかの実施形態に従って、石炭に由来するピッチから形成された合成グラファイトが本明細書に記載されている。合成グラファイトはさらに、石炭中に見られる１つまたは複数の不純物の所望量を含むことができる。
いくつかの実施形態に従って、石炭に由来するピッチから形成された合成グラフェンが本明細書に記載されている。合成グラフェンは、石炭中に見られる１つまたは複数の不純物の所望量をさらに含むことができる。
一実施形態では、少なくとも１つ以上の樹脂を製造する方法が開示される。この方法は、ある量の原炭を提供する工程を含む。原炭は、その中に１つ以上の不純物を含む。この方法はまた、原炭を選鉱する工程と、原炭中の１つ以上の不純物のいくつかの少なくとも一部を選択的に除去して、選鉱された石炭を形成する工程とを含む。さらに、この方法は、選鉱された石炭を処理してピッチを生成する工程を含む。この方法は、このピッチの少なくとも一部を変化させて１つまたは複数の樹脂を生成する工程をさらに含む。１つまたは複数の樹脂は、原炭を選鉱し、選鉱された石炭を処理し、ピッチの少なくとも一部を変化させるプロセスの間に除去されなかった１つ以上の不純物の選択された量を含む。
一実施形態では単一の処理施設で先進炭素材料を製造する方法が開示される。この方法は、原炭を単一の処理施設に提供する工程を含む。原炭は、その中に１つ以上の不純物を含む。この方法はまた、単一の処理施設で原炭を選鉱する工程と、原炭中の１つまたは複数の不純物のいくつかの少なくとも一部を選択的に除去して、選鉱された石炭を形成する工程も含む。この方法はさらに、選鉱された石炭を単一の処理施設で処理して、ピッチを生成する工程を含む。この方法は、単一の処理設備でピッチの少なくとも一部を変化させて、１つまたは複数の樹脂を生成する工程をさらに含む。１つまたは複数の樹脂は、原炭を選鉱し、選鉱された石炭を処理し、ピッチの少なくとも一部を変化させる間に除去されなかった１つまたは複数の不純物の選択された量を含む。
一実施形態では、石炭から形成される１つまたは複数の樹脂が開示される。１つ以上の樹脂は複数のマーユニットを含む。複数のマーユニットのそれぞれは、炭素および水素を含む。１つまたは複数の樹脂はまた、原炭中に最初に存在した１つまたは複数の不純物の選択された量を含む。
石炭からグラフェンを製造する方法は、少なくとも約１４９℃（約３００°Ｆ）の温度で石炭を熱処理する工程と、石炭が熱処理から少なくとも部分的に冷却された後、石炭から還元酸化グラフェンを形成する工程とを含む。
いくつかの場合において、石炭から還元酸化グラフェンを形成する工程は、石炭を酸化して石炭酸化物を形成する工程と、石炭酸化物を遠心分離する工程と、遠心分離後に石炭酸化物から沈殿物を収集する工程と、沈殿物が酸化グラフェンを含み、そしてその酸化グラフェンを還元して還元酸化グラフェンを形成する工程とを含み得る。石炭を酸化して石炭酸化物を形成する工程は、石炭を硫酸、硝酸、または過マンガン酸カリウム、過酸化水素の少なくとも１つと混合して石炭酸化物を形成する工程を含む。石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素の少なくとも１つと混合して酸化石炭を形成する工程には、石炭を硫酸および硝酸の少なくとも１つと混合する工程と、硫酸と硝酸の少なくとも１つと混合した石炭を攪拌する工程と、硫酸と硝酸の少なくとも１つを混合した石炭に過マンガン酸カリウムを混合する工程と、過マンガン酸カリウムと硫酸および硝酸の少なくとも１つを混合した石炭を攪拌する工程と、過マンガン酸カリウムと硫酸および硝酸の少なくとも１つと混合した石炭を水で希釈して溶液を形成し、溶液を過酸化水素と混合する工程と、過酸化水素と混合した溶液を最初の遠心分離にかける工程と、最初の遠心分離のあと過酸化水素と混合された溶液の上澄みを、過酸化水素と混合された溶液の沈殿物から分離する工程とを含む。
この方法は、石炭酸化物を遠心分離する前に、水で石炭酸化物を希釈する工程とをさらに含むことができる。場合によっては、酸化グラフェンを還元して還元酸化グラフェンを形成する工程とは、酸化グラフェンを超音波処理する工程、および酸化グラフェンを超音波処理した後に標準反応器（ｐａｒ ｒｅａｃｔｏｒ）で酸化グラフェンを水熱処理する工程を含む。場合によっては、水熱処理は少なくとも約１４９℃（約３００゜Ｆ）の温度で行われるが、約１７７℃（３５０゜Ｆ）を超えないように石炭を第１の温度に加熱し、石炭を水銀除去反応器に移送し、水銀除去反応器内の石炭を少なくとも約２６０℃（５００゜Ｆ）の第２の温度に加熱し、そして石炭を不活性ガスと接触させて、石炭中に存在する水銀の少なくとも一部を除去する。いくつかの場合において、石炭から還元酸化グラフェンを形成する工程は、石炭の約１０重量パーセントから約２０重量パーセントの還元酸化グラフェン収率で石炭から還元酸化グラフェンを形成する工程を含む。場合によっては、石炭から還元酸化グラフェンを形成する工程は、還元酸化グラフェン中の石炭に存在した所定量の１つまたは複数の不純物原子を保持する工程を含む。幾つかの場合においては、不純物原子は、ホウ素、窒素、およびケイ素の１つまたは複数を含む。
合成グラフェンを製造する方法は、１つ以上の不純物原子を含む石炭を選鉱して、そこからその１つ以上の不純物原子の所定量を除去する工程と、その選鉱された石炭を処理してそこからある量のピッチを生成する工程と、そのピッチの少なくとも一部を処理して所望量の１つ以上の不純物原子を含む合成グラフェンを生成する工程とを含む。場合によっては、ピッチはメソフェーズピッチを含む。場合によっては、不純物原子は、シリコン、窒素、およびホウ素の１つまたは複数を含む。場合によっては、不純物原子により、合成グラフェンに所定量の点欠陥が生じる。
合成グラフェンを製造する方法は、石炭を熱処理して、その中の不純物原子を所定量とし、その石炭の少なくともある量を酸化して、１つ以上の不純物原子を所定濃度で有する石炭酸化物とし、この石炭酸化物を処理して、所定濃度の１つ以上の不純物原子を含む還元酸化グラフェンを形成する。
いくつかの場合において、１つ以上の不純物原子は、石炭に自然にあるものである。場合によっては、不純物原子には、カドミウム、セレン、ホウ素、窒素、およびシリコンの1つ以上が含まれる。場合によっては、還元酸化グラフェン中の不純物原子の所定の濃度は、約０．１原子％から約１０原子％である。
石炭から形成される合成グラフェンは、所定量のドーパント原子を含むことができ、ドーパント原子は石炭に由来する。場合によっては、ドーパント原子は、ホウ素、窒素、およびシリコンの1つまたは複数を含む。合成グラフェンは、１つまたは複数のドーパント原子に起因する所定量の点欠陥をさらに含むことがある。
添付の図面は、本装置の様々な実施形態を示しており、明細書の一部である。図示の実施形態は本装置の単なる例でありその範囲を限定するものではない。
図１は一実施形態による炭素繊維を形成する例示的な方法１００のフローチャートである。
図２は、一実施形態による直接液化プロセスを使用して炭素繊維を形成する例示的な方法２００のフローチャートである。
図３は、一実施形態による間接液化プロセスを使用して炭素繊維を形成する例示的な方法３００のフローチャートである。
図４は、一実施形態による１つまたは複数の膜を使用して炭素繊維を形成する例示的な方法４００のフローチャートである。
図５は、一実施形態による１つまたは複数の樹脂を形成する例示的な方法５００のフローチャートである。
図６は、一実施形態による直接液化プロセスを使用して１つまたは複数の樹脂を形成する例示的な方法６００のフローチャートである。
図７は、一実施形態による、間接液化プロセスを使用して１つまたは複数の樹脂を形成する例示的な方法７００のフローチャートである。
図８は、一実施形態による１つ以上の膜を使用して１つ以上の樹脂を形成する例示的な方法８００のフローチャートである。
図９は、本開示による石炭から先進炭素材料を製造する方法の例のプロセスフロー図を示す。
図は、本開示による熱分解プロセスを含む、石炭から先進炭素材料を製造する方法の例のプロセスフロー図を示す。
図１１は、本開示による直接液化プロセスを含む、石炭から先進炭素材料を生成する方法の例のプロセスフロー図を示す。
図１２は、本開示による間接液化プロセスを含む、石炭から先進炭素材料を生成する方法の例のプロセスフロー図を示す。
図１３は、一実施形態による、本開示による、炭素繊維および、任意選択で、石炭から１つまたは複数の先進炭素材料を製造する方法１３００の例の材料流れ図を示す。
図１４は、本開示による石炭からグラフェンを生成する方法の例のプロセスフロー図を示す。
図１５は、本開示による石炭から還元酸化グラフェンを生成する方法の例のプロセスフロー図を示す。
図１６Ａは、本開示によるモナークシーム石炭のサンプルのラマン分光グラフである。
図１６Ｂは、本開示による熱処理されたモナーク炭のサンプルのラマン分光グラフである。
図１６Ｃは、図１６Ａのモナークシーム石炭のサンプルを本開示による図１６Ｂの熱処理されたモナークシーム石炭のサンプルと比較するラマン分光グラフである。
図１６Ｄは、本開示による熱処理されたモナーク炭からのグラフェンのサンプルのラマン分光グラフである。
図１７は、本明細書に記載され、いくつかの実施形態による、１つまたは複数の先進炭素材料を生産するための処理施設におけるエネルギーおよび石炭の流れを示す図である。
図１８は、本明細書に記載の実施形態に従って処理されて、活性炭、グラフェン、電池で使用される材料、一実施形態による建築および建設材料などの様々な先進炭素材料を形成するときの、例えばハイウォールマイニングからの原炭のプロセスフローを示す図である。
図１９は、一実施形態による、原炭から本明細書に記載されているプロセスによる様々な先進炭素材料へのプロセスフローを示す図である。
図面全体を通じて、同一の参照番号は、類似しているが必ずしも同一ではない要素を示している。
以下に記載するように、炭素繊維は原炭から製造することができる。一実施形態では、原炭を処理施設に輸送することができる。次に、所望量の不純物を除去するために石炭を選鉱することができる。石炭から除去される不純物（例えば、炭素または水素以外の任意の化合物または元素）は、水銀、ヒ素、カドミウム、他の重金属、水、または揮発性化合物の少なくとも１つを含むことができる。場合によっては、選鉱には石炭を加熱してこれらの不純物を除去することが含まれる。次に、選鉱された石炭を処理して、ピッチ、および必要に応じて１つ以上の追加の先進炭素材料（つまり、非炭素繊維先進炭素材料）を生成することができる。処理は、選鉱された石炭を液体抽出プロセス（例えば、熱分解プロセス、直接液化プロセス、間接液化プロセス、または１つ以上の膜を使用する処理）に供することを含み得る。場合によっては、本明細書に開示されているこれらのプロセスは、炭素繊維や追加の先進炭素材料などを作ることができるピッチに加えて、１つまたは複数の副産物（たとえば、ガス、固形チャー、または石炭液化抽出物）を生成することができる。例えば、固形チャーを処理して活性炭を形成することができ、抽出された石炭液化油を処理してベンゼンやパラキシレンなどの芳香族化合物を形成することができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるプロセスによって生成されるピッチは、等方性ピッチであり得、必要または所望に応じて処理することによってメソフェーズピッチに変換され得る。次に、ピッチを処理および／または変化させて、炭素繊維（たとえば、ピッチを回転（ｓｐｉｎ）させて炭素繊維を形成する）を作り、またオプションで、１つ以上の追加の先進炭素材料（たとえば、合成グラファイトなど）を作ることができる。この炭素繊維と、必要に応じての追加の先進炭素材料を、さらに処理するかまたは製造などで使用するために第三者に提供することができる。いくつかの場合において、炭素繊維は、樹脂またはポリマーなどの二次材料と組み合わされて炭素繊維強化複合材を形成することができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスまたはプロセスステップの１つまたは複数は、１つまたは複数の触媒の存在下で利用または実行することができる。例えば、１つ以上のプロセスは水素化触媒を含み得る。いくつかの実施形態では、触媒は金属（例えば、白金）を含むことができる。場合によっては、触媒は、マルチパート触媒（例えば、２つ以上の金属を含む触媒）であり得る。場合によっては、触媒は、セラミックまたは鉱物材料（例えば、アルミノケイ酸塩材料などのケイ酸塩材料）を含むことができる。場合によっては、触媒は、現在知られている、または石炭の処理に使用するためにまだ発見されていない任意の触媒材料を含むことができる。
いくつかの実施形態では、本明細書で説明される選鉱、処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、および処理（ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）ステップのすべては、単一の処理施設、例えば、単一の処理プラントまたはコンパウンドで実行することができる。しかし、他の実施形態では、１つまたは複数のステップを個別の施設で実行することができ、各ステップの製品を保管して、各施設間で輸送することができる。本明細書で使用される場合、処理施設という用語は、ほぼ同じ地理的位置にある１つまたは複数の実験室、建物、プロセスフロー、または他の装置を指すことができる。例えば、処理施設は、本明細書に記載されるプロセスおよび方法を実行するためのそのような機器を含む単一の地理的位置にある単一の建物または工場複合体を含むことができる。
一実施形態では、炭素繊維は、本明細書に開示されるプロセス中に生成される唯一の先進炭素材料である。一実施形態では、前述のように、本明細書に開示されるプロセスは、炭素繊維および１つまたは複数の追加の先進炭素材料を形成することができる。一例では、１つまたは複数の追加の先進炭素材料は、樹脂（たとえば、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン樹脂、シアン酸エステル樹脂、エポキシ樹脂、メタクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、および他の適切な樹脂）、カーボンフォーム、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンメガチューブ、グラファイト、グラフェン、グラファイトナノプレートレット、ナノリボン、ナノバッド、フラーレン（バックミンスターフラーレン、マルチコアフラーレンなど）、量子ドット、活性炭、熱分解カーボンを含むことができるが、これらに限定されない。一例では、本明細書に記載されるプロセスによって生成される追加の先進炭素材料は、ポリマーを含むことができるがこれに限定されない。一例では、本明細書に記載されているプロセスによって生成される追加の先進炭素材料は、追加の先進炭素材料の形成における前駆体として使用できる１つまたは複数の材料も含むことができる。前駆体の例は、アルカン、アルケン、またはアルキンの少なくとも１つを含むことができる。一例では、追加の先進炭素材料は、生物学的に有用な材料または生体高分子（例えば、タンパク質、アミノ酸、核酸、コラーゲン、キトサン、または糖のうちの少なくとも１つ）を含むことができる。
石炭からの、炭素繊維および任意選択で１つまたは複数の追加の先進炭素材料の製造は、炭素繊維および任意選択で他の炭素源（たとえば石油）からの１つまたは複数の追加の先進炭素材料の製造よりもいくつかの利点を有する。たとえば、石油の供給と価格は非常に変動しやすいため、製造業者が炭素繊維と追加の先進炭素材料を製造するための石油を入手するのに影響を与える可能性がある。これにより、炭素繊維と追加の先進炭素材料が不足する可能性があり、炭素繊維と追加の先進炭素材料を含むデバイス、部品などを製造するメーカーの妨げとなる可能性がある。さらに、石炭から樹脂を生成すると、低い水素対炭素比（たとえば、水素対炭素比が約０．５未満、約０．２未満、または約０．１未満）の樹脂、ピッチ、または１つ以上の副産物の少なくとも１つが生成される。水素対炭素比が低いと、石炭から形成される樹脂の収率を向上させ、外部水素源の必要性を排除し、またはここに開示するプロセス中に生成される二酸化炭素の量を減らすといったことを可能とする。さらに、石炭はその中に１つ以上の不純物を含み得る。１つまたは複数の不純物の存在は、炭素繊維および追加の先進炭素材料の特性に影響を与える可能性がある。例えば、少なくとも１つの不純物の少なくとも一部は、選鉱プロセス中または別のプロセス中に意図的かつ選択的に石炭から除去されない可能性がある。石炭から除去されない不純物は、炭素繊維および１つ以上の追加の炭素材料のドーパントとして機能する可能性があり、これは、炭素繊維および１つ以上の追加の炭素材料の特性に影響を与える可能性がある。このように、石炭に存在する不純物と、石炭から不純物を選択的に除去する機能により、炭素繊維の組成と特性、および石炭から製造される追加の先進炭素材料を高度に制御できる。さらに、石炭中の不純物の存在により、炭素繊維および追加の先進炭素材料を形成するために必要な処理が少なくなる。たとえば、石炭中の不純物を維持することにより、選鉱プロセスまたは他の精製プロセスの少なくとも１つを簡略化したり、１つ以上の他の非選鉱プロセスの操作を容易にしたり、石炭、炭素繊維、または追加の先進炭素材料に積極的にドーピングする必要性を排除したりできる。さらに、石炭から形成された炭素繊維は、石油から形成された炭素繊維よりも高いグラフェンレベルを示し、より弾性があり、より高い引張強度を示し得る。

原炭から炭素繊維およびその他の副産物を形成する方法
図１は、一実施形態による、炭素繊維を形成する例示的な方法１００のフローチャートである。方法１００は、ブロック１１０で処理施設に原炭を提供し；ブロック１２０で、この処理施設で原炭を選鉱して、所望量の水、金属、および／または他の不純物を石炭から除去し；ブロック１３０で、この処理施設で選鉱された石炭の少なくとも一部を熱分解し；ブロック１４０でピッチを生成する工程の１つまたは複数を有する。炭素繊維は、方法１００中に除去されなかった１つ以上の不純物の選択された量を含むことができる。方法１００は、単なる例である。したがって、方法１００の１つまたは複数のブロックは、省略、補足、結合、または分割することができる。さらに、方法１００は、石炭から少なくとも１つの副産物（例えば、チャー、少なくとも１つのガス、または１つまたは複数の石炭液化抽出物）を生成する、またはピッチを処理して１つ以上の追加の先進炭素材料を生成するといった１つまたは複数の追加のステップを含むことができる。
いくつかの実施形態では、ブロック１１０において、現在知られているか将来開発される可能性のある任意の方法によって原炭を処理施設に提供することができる。たとえば、石炭は一般に、炭層または炭層として知られている天然の層または鉱脈から採掘される。石炭は、露天採掘、地下採掘、またはその他のさまざまな形態の採掘ができる。通常、採掘されたが他の方法で処理されていない石炭は、原炭と呼ばれる。場合によっては、原炭は、ハイウォールマイニングプロセス、ストリップマイニングプロセス、またはコントア（ｃｏｎｔｏｕｒ）マイニングプロセスなどの露天採掘プロセスによって採掘できる。場合によっては、原炭は、長壁採掘プロセス、連続採掘プロセス、爆風採掘プロセス、後退採掘プロセス、ルーム・ピラー採掘プロセスなどの地下採掘プロセスによって採掘することができる。
原炭は、処理施設に比較的近い場所から採鉱または採掘することができる。例えば、処理施設は、石炭採掘エリアまたはその近くに配置することができる。しかし、他の場合には、石炭はどこからでも採掘されて処理施設に輸送される。場合によっては、必要に応じて原炭を処理施設に提供して、所望量の先進炭素材料を生産することができる。ただし、他のいくつかのケースでは、未処理の石炭は提供されて処理されるまで処理施設で保管される。
ブロック１１０で提供される石炭は、その内容および特性に基づいてランク付けまたは等級付けすることができる。さまざまな石炭分類スキームが存在するが、ここでは、一般的な変成グレードを使用して原炭を一般的に説明する。これらの等級は、概ね本開示の理解を助けるために使用されるが、本明細書に記載の炭素繊維、および任意選択的な、１つまたは複数の追加の先進炭素材料を生成するために使用できる石炭のタイプに限定することを意図しない。石炭の特定の分類は、本明細書に記載されるプロセスでの使用に好ましい可能性があるが、そのようなプロセスは、議論された石炭の分類に、それがもしあったとしても、厳密に限定されない。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるプロセスによって利用される石炭は褐炭とすることができ、約４５重量％を超える揮発性含有物を有し得る。いくつかの実施形態では、石炭は、亜瀝青炭、歴青炭、および／または無煙炭とすることができる。いくつかの実施形態では、石炭は、ワイオミング州シェリダン近くのブルック鉱山から抽出された石炭とすることができる。ブルックマインから抽出された石炭の組成は、以下により詳細に説明するように、特定の機械的、化学的、および／または電気的特性を示す炭素繊維の形成を促進できる有益な濃度でいくつかの不純物を含むと現在発明者は考えている。場合によっては、本明細書に記載されているプロセスで使用するのに好ましい石炭は、当業者が選択することができる。例えば、好ましい石炭は、１つ以上の破壊的または非破壊的な化学分析技術（例えば、ラマン分光法、エネルギー分散型Ｘ線分光法など）または１つ以上の計算技術の少なくとも１つに基づいて選択され得る。いくつかの実施形態では、石炭は、０．７〜約１．０、約０．７〜約０．７５、約０．７２５〜約０．０７７５、約０．７５〜約０．８、約０．０７７５〜約０．８５、約０．８〜約０．９、約０．８５〜約０．９５、または約０．９〜約１．０の範囲など、約０．７より大きい初期水素対炭素比を示すことができる。
先に論じたように、原炭は方法１００で使用するためにブロック１１０で処理設備に提供することができる。処理設備は、必要に応じて使用するために原炭を貯蔵する能力を有することができ、または所望量の炭素繊維を製造するため必要される量の原炭を受け取ることができる。当技術分野でよく知られているように、石炭は、トラック、列車、または任意の他の形態の輸送によって提供することができる。さらに、処理施設は、石炭採掘場に配置することができ、その場合、石炭採掘場は処理施設の一部と考えられる。
前述のように、原炭は、その中に１つまたは複数の不純物を含むことができる。この１つ以上の不純物は、揮発性重金属（例えば、水銀、セレン、ヒ素、およびカドミウム）、アルカリ金属（例えば、ナトリウム金属、カリウム金属）、ヘテロ原子（例えば、硫黄、酸素、およびハロゲン）、シリコン、アルミニウム、チタン、カルシウム、鉄、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、硫黄、ストロンチウム、バリウム、マンガン、リン、アンチモン、ヒ素、バリウム、ベリリウム、ホウ素、臭素、カドミウム、塩素、クロム、コバルト、銅、フッ素、鉛、リチウム、マンガン、水銀、モリブデン、ニッケル、セレン、銀、ストロンチウム、タリウム、スズ、バナジウム、亜鉛、ジルコニウム、またはそれらの酸化物を含み得る。例えば、不純物および原炭の供給源に応じて、本明細書に開示される不純物はいずれも、原炭の０重量パーセント（「ｗｔ重量％」）〜約２５重量％であり得るものであり、例えば約０重量％〜約０．００１重量％、約０．０００５％重量〜約０．００２重量％、％、約０．００１重量％〜約０．００３重量％、約０．００２重量％〜約０．００４重量％、約０．００３重量％〜約０．００５重量％、約０．００４重量％〜約０．００６重量％、約０．００５重量％〜約０．００８重量％、約０．００７重量％〜約０．０１重量％、約０．００９重量％〜約０．０２重量％、約０．０１重量％〜約０．０３重量％、約０．０２重量％〜約０．０４重量％、約０．０３重量％〜約０．０５重量％、約０．０４重量％〜約０．０６重量％、約０．０５重量％〜約０．０８重量％、約０．０７重量％〜約０．１重量％、約０．０９重量％〜約０．２重量％、約０．１重量％〜約０．３重量％、約０．２重量％〜約０．４重量％、約０．３重量％〜約０．５重量％、約０．４重量％〜約０．６重量％、約０．５重量％〜約０．８重量％、約０．７重量％〜約１重量％、約０．９重量％〜約２重量％、約１重量％〜約４重量％、約３重量％〜約６重量％、約５重量％〜約８重量％、約７重量％〜約１０重量％、約９重量％〜約１５重量％、または約１０重量％〜約２５重量％、となり得る。
一実施形態によれば、ブロック１２０において、原炭は、原炭に存在する少なくとも１つの不純物の少なくとも一部を除去して、選鉱された石炭（別名、アップグレードされた石炭）を形成するために選鉱され得る。例えば、原炭を選鉱して、少なくとも１つの水、重金属、揮発性化合物、アルカリ金属、またはヘテロ原子を原炭から除去することにより、選鉱された石炭を生成することができる。一実施形態では、原炭を選鉱して、少なくとも１つの不純物のかなりの部分を除去することができる。
選鉱プロセスは、原炭を１つ以上の所望の温度に加熱することを含み得る。１つまたは複数の所望の温度は、約１００℃〜約２９０℃、１００℃〜約１５０℃、約１２５℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２９０℃など、約１００℃〜約５００℃であり得る。原炭が加熱される温度は、原炭中に存在する少なくとも１つの不純物の少なくとも一部を選択的に除去するように選択することができる。例えば、原炭を約１００℃〜約１５０℃の温度に加熱して、原炭から水分を除去し、約１５０℃〜約２９０℃で、原炭から揮発性金属を除去することができる。場合によっては、選鉱プロセスは、原炭を第１の所望の温度に加熱することを含むことができる。原炭を第１の所望の温度に加熱すると、１つまたは複数の第１の不純物を除去することができる。いくつかの実施形態では、選鉱は、原炭を第２のより高い所望の温度に加熱することを含むことができる。原炭を第２の所望の温度に加熱すると、１つまたは複数の第２の不純物を除去することができる
選鉱プロセスは、原炭を所望期間、所望温度に加熱することを含むことができる。所望の持続時間は、約１秒〜約１分、約３０秒〜約３０分、約１分〜約１時間、約３０分〜約３時間、１時間〜約５時間、約３時間〜約１０時間、約７時間〜約１８時間、約１２時間〜約１日、または約１８時間〜約３日など、約１秒〜数日の範囲とすることができる。典型的には、原炭が所望温度に加熱される持続時間を増加させることは、原炭から除去される１つ以上の不純物の量を増加させる可能性がある。しかしながら、原炭は最大持続時間を示す可能性があり、最大持続時間よりも長い時間にわたって原炭を加熱しても、原炭から除去される１つ以上の不純物の量にほとんどまたは全く影響を与えない。場合によっては、選鉱プロセスは、原炭を第１の所望の温度に第１の期間加熱し、その後、原炭を第２の期間、第２のより高い所望の温度に加熱することを含むことができる。第１と第２の期間は同じとすることも異なるものとすることもできる。
一実施形態では、選鉱プロセスは、原炭からの不純物の１つまたは複数の除去を容易にし、原炭の酸化または他の反応を防ぐことができるハロゲンガスを含む雰囲気で原炭を加熱することを含むことができる。いくつかの実施形態では、水素対炭素比を増加させることができる水素を含む雰囲気中で原炭を加熱することにより、石炭を選鉱することができる。そのような実施形態では、水素は外部水素源から、または方法１００の別の段階で収集された水素から提供することができる。いくつかの実施形態では、実質的に水素がない雰囲気で原炭を加熱することにより石炭を選鉱することができる。そのような実施形態では、実質的に水素がない雰囲気が水素対炭素比を減少させることができる。
いくつかの実施形態では、水素対炭素比を増加させることができる水素を含む雰囲気中で原炭を加熱することにより石炭を選鉱することができる。そのような実施形態では、水素は、外部水素源から、または方法１００の別の段階で収集された水素から提供することができる。いくつかの実施形態では、実質的に水素がない雰囲気で原炭を加熱することにより、石炭を選鉱することができる。そのような実施形態では、実質的に水素を含まない雰囲気が、水素対炭素比を減少させることができる。
いくつかの他の実施形態では、１つ以上の触媒化合物の存在下で石炭を所望の温度に加熱することにより石炭を選鉱することができる。いくつかの場合では、石炭を選鉱することは、例えば触媒の存在下で石炭を熱分解することを含み得る。いくつかの実施形態において、原炭は、大気圧または大気圧近く（例えば、０．８〜約１．２気圧）で選鉱することができるが、原炭は、より高い圧力またはより低い圧力で選鉱することができる。
いくつかの実施形態では、選鉱は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第９，１８１，５０９号に記載されているように、原炭をＷＲＩＴＥＣｏａｌ（登録商標）選鉱プロセスに供することを含むことができる。いくつかの他の実施形態では、１つまたは複数の触媒化合物の存在下で石炭を所望の温度に加熱することによって、石炭を選鉱することができる。いくつかの場合では、石炭を選鉱することは、例えば触媒の存在下で石炭を熱分解することを含み得る。場合によっては、エルピアミナ（ＬＰ Ａｍｉｎａ）によって開発およびライセンスされ、たとえば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開番号２０１７／０１９８２２１に記載されているように、石炭はベネプラス（ＢｅｎｅＰｌｕｓ）システムによって選鉱することができる。
選鉱された石炭は、有意に減少した量（例えば、少なくとも２５重量％、少なくとも５０重量％、少なくとも７５重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は少なくとも９９重量％）の水銀、カドミウム、他の重金属、水、本明細書に開示される他の不純物のいずれか、又は原炭中に存在し得る他の不純物の少なくとも１つを含む。選鉱された石炭に残る不純物の量は、原炭が加熱された温度、原炭が加熱された時間、原炭が選鉱プロセス中にさらされた雰囲気、触媒の存在などによる。例えば、石炭を選鉱することにより、石炭中の水銀の量を少なくとも約７重量％、７５重量％、８０重量％、８５重量％、９０重量％、または９２重量％以上削減することができる。場合によっては、石炭を選鉱することにより、石炭の水または水分含有量を約５重量％、４重量％、３重量％、２重量％、または１．５重量％以下にすることができる。場合によっては、石炭を選鉱することにより、水素、硫黄、酸素、ヒ素、セレン、カドミウム、または揮発性物質の１つ以上を石炭から除去できる。石炭中のこれらの元素の１つ以上の量は、約２５重量％〜約９０重量％だけ減少することが可能である。
しかし、前述のように、選鉱プロセスに供された後、選鉱された石炭中に所望の量の１つまたは複数の不純物が残ることが望ましい場合がある。例えば、選鉱プロセスは、所定量の水銀、カドミウム、セレン、アルカリ金属、異種元素、および／または別の元素が処理後に選択的に残ることができるように、所望量の不純物の除去をすることができる。場合によっては、選鉱された石炭に残る可能性のある所望の量の不純物は、その後の炭素繊維、または任意選択による１つまたは複数の追加の先進炭素材料の形成に有用である可能性がある。場合によっては、選鉱された石炭中に残存する可能性のある所望量の不純物を、炭素繊維、および任意選択による１つまたは複数の先進炭素材料に組み込むことができる。例えば、先進炭素材料が合成グラフェンを含む場合、所望量のカドミウムが選鉱された石炭に残され、それによって合成グラフェンに組み込まれ、それによってその電気的、機械的、または化学的特性を改善することができる。
一実施形態では、選鉱プロセスは、ブロック１２０で選鉱された（ただしブロック１３０の前の）石炭が、本明細書に開示される不純物の少なくともいくつかを本明細書に開示されるいずれかの濃度に維持するように構成することができる。
一実施形態では、選鉱プロセスは、石炭の水素対炭素比を減少させるように構成することができる。例えば、選鉱プロセスの後、選鉱された石炭の水素対炭素比は約０．８未満、例えば約０．６〜約０．７、約０．６５〜約０．７５、または約０．７〜約０．８の範囲であり得る。
いくつかの実施形態では、ブロック１２０で石炭を選鉱することにより１つまたは複数の副産物、例えば捕捉して後の処理ステップで使用することができる副産物、それ自体で価値がある副産物、または方法１００において更なる処理又は使用に供することができる副産物、を生成することができる。例えば、石炭を選鉱することにより、原石炭からガスまたは石炭液化抽出物を生成または分離することができる。これらのガスおよび／または石炭液化抽出物は、処理中に捕捉または分離することがでる。例えば、ブロック１２０で石炭を選鉱することにより、Ｈ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６、または他の炭化水素ガスの少なくとも１つを生成でき、これらを捕捉して、その後ブロック１３０または他のプロセスステップで利用するようにすることができる。場合によっては、石炭を選鉱することにより、その後の使用または処理のために捕獲できる石炭液化抽出物（たとえば、トルエンまたはベンゼン）が得られる可能性がある。場合によっては、ブロック１２０での選鉱プロセスによって石炭から除去された不純物は、その後の使用のために捕捉することができる。例えば、選鉱プロセスによって石炭から除去された水は、収集されて後続のプロセスステップで利用され得る。いくつかの実施形態では、石炭を選鉱することにより、灰またはチャーとして知られる固体材料を生成することもできる。場合によっては、このチャーをさらに処理して活性炭を形成することができる。
ブロック１３０において、選鉱された石炭は、処理施設によって処理され得る。いくつかの実施形態では、選鉱された石炭の処理は、選鉱された石炭を熱分解プロセス（例えば、高温熱分解プロセスまたは穏やかな温度の熱分解プロセス）などの液体抽出プロセスに供することを含み得る。熱分解プロセスの代わりに、または熱分解プロセスと組み合わせて、他の液化プロセス、例えば直接液化プロセス（図２に関して詳細に説明）、間接液化プロセス（図３に関して詳細に説明）、（例えば、図４に関してより詳細に論じる）膜、電気アークプロセス、超臨界溶媒抽出プロセス、または電磁加熱プロセスなどの他の液化プロセスを使用することができる。液体抽出プロセスは、選鉱された石炭を少なくともピッチに、１つ以上のガスに、１つ以上の石炭液化抽出物に、またはチャーに変換できる。
一実施形態では、ブロック１３０の液体抽出プロセスは、処理施設によって選鉱された石炭を熱分解することを含むことができる。選鉱された石炭を熱分解して炭素繊維を形成することは、選鉱された石炭に加えられる圧力を上げるかまたは上げずに、選鉱された石炭を所望期間、所望温度に加熱することを含むことができる。高温では、選鉱された石炭内の一部の有機構造が分解し始め、低分子量の熱分解フラグメントが形成される。低分子量の熱分解フラグメントの一部は、軽質ガス（水素、メタン、二酸化炭素など）として選鉱された石炭から離れることができる。これらの軽質ガスは、以下でより詳細に論じられるように、捕捉および／または再利用することができる。しかしながら、より低分子量の熱分解フラグメントのいくつかは、再結合または解重合して、小さな環の芳香族構造（例えば、単環の芳香族構造）を形成することがあり得る。小さな環の芳香族構造は、小さな芳香族環構造が一緒に結合してより大きな環の芳香族構造（例えば、多環芳香族炭化水素）を形成する縮合反応を受けることがあり得る。縮合反応の例には、環縮合、環融合、脱水素化、または小環芳香族構造を成長させる他の縮合反応の少なくとも１つが含まれる。より大きい環の芳香族構造は、等方性ピッチ、等方性樹脂、整列した多環芳香族層、液晶構造（例えば、異方性ピッチまたは異方性樹脂）、メソフェーズピッチ、またはメソフェーズ樹脂を含む他の製品を含み得る。
一例では、選鉱された石炭を熱分解することは、選鉱された石炭を大気圧プロセスで約１０００℃より高い温度に加熱することを含む高温熱分解プロセスを含むことができる。高温熱分解プロセスは、ベンゼン化合物、フェノール化合物、高価な油、または炭素繊維の形成に有用な他の化合物を形成する可能性がある。一例では、選鉱された石炭を熱分解することは、選鉱された石炭を大気圧で約４００℃〜約６５０℃の温度に加熱することを含む穏やかな温度の熱分解プロセスを含むことができる。穏やかな温度の熱分解プロセスは、本明細書に開示される樹脂の形成を促進することができる高温の熱分解プロセスよりもコークスを形成する可能性が高い。いくつかの場合において、石炭は、高圧（例えば、約１気圧を超える圧力）および溶媒の存在下で加熱することができる。例えば、選鉱された石炭は、超臨界状態に保つことができるＣＯ２溶媒の存在下で熱分解することができる。場合によっては、選鉱された石炭を水素（たとえば、外部の水素源から提供された水素または方法１００の間に収集された水素）雰囲気で熱分解して、選鉱された石炭の水素対炭素比を増やすか、水素を含まない雰囲気で熱分解して選鉱された石炭の水素対炭素比を減少させることができる。一実施形態では、選鉱された石炭は、水素（例えば、外部水素源から提供される水素または方法１００の別の停止部から収集される水素）雰囲気で熱分解して石炭の水素対炭素比を増加させるか、水素を含まない雰囲気で熱分化して選鉱された石炭の水素対炭素比を減少させることができる。いくつかの場合において、選鉱された石炭は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第１０，１４４，８７４号に記載されているテラパワー（ＴｅｒｒａＰｏｗｅｒ）によって開発されたＭｕＳＣＬシステムによって熱分解することができる。選鉱された石炭の処理に使用できる熱分解プロセスの追加の例は、米国特許出願公開番号２０１７／０１９８２２１、米国特許出願公開番号２０１８／０３１１６５７、およびＥＮＣＯＡＬマイルドガス化プロジェクト、ＤＯＥ評価、ＤＯＥ／ＮＥＴＬ−２００２／１１７１（２００２）があり、それぞれの開示はこの参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。
いくつかの実施形態では、熱分解プロセスは、選鉱された石炭を、所望強度および所望持続時間で電磁放射線に曝露することを含むことができる。例えば、ブロック１３０は、熱分解プロセスの一部として、選鉱された石炭をマイクロ波および／または高周波（ＲＦ）放射線に所望の時間曝すことを含むことができる。場合によっては、この熱分解プロセスにより、選鉱された石炭の大部分が熱分解温度未満に留まる可能性があるが、石炭の個々の粒子は、約６４９℃（約１２００°Ｆ）を超える温度に曝される可能性がある。場合によっては、この熱分解プロセスは、選鉱された石炭を構成する炭素の少なくとも一部のメタン活性化および／またはメチル化も含むことができる。いくつかの実施形態では、選鉱された石炭は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１７／００８０３９９号に記載されている、エイチ クエスト ヴァンガード社（Ｈ Ｑｕｅｓｔ Ｖａｎｇｕａｒｄ、Ｉｎｃ．）によって開発された波液化プロセス（Ｗａｖｅ Ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）によって熱分解することができる。選鉱された石炭を電磁放射線に曝露することによって石炭を処理するプロセスの追加の例は、米国特許第６，５１２，２１６号および米国特許出願公開第２０１７／０１０１５８４号に開示されており、それらのそれぞれの開示は参照することにより全体として本明細書に組み込まれる。選鉱された石炭を電磁放射線に曝露することによって石炭を処理するプロセスのさらなる例は、本明細書に既に開示が組み込まれている米国特許出願公開第２０１８／０３１１６５７号に開示されている。
ブロック１３０は、熱分解された石炭中の選択された量の１つまたは複数の不純物を防ぐか、または選択的に維持するように構成することができる。例えば、ブロック１３０の後、ピッチは、本明細書に開示される濃度のいずれかで本明細書に開示される不純物のいずれかを含み得る。
一実施形態では、ブロック１３０の後に、熱分解された水素対炭素比は約０．８未満、例えば、約０．１未満、約０．２未満、約０．１〜約０．２、約０．１５〜約０．１〜約０．２５、約０．２〜約０．４、約０．３〜約０．５、約０．４〜約０．６、または約０．５〜約０．７であり得る。
ブロック１４０では、ピッチ、および任意選択で１つまたは複数の副産物（たとえば、１つまたは複数のガス、少なくとも１つの石炭液化抽出物、またはチャーの少なくとも１つ）が処理施設で処理（たとえば、熱分解石炭に抽出）される。一実施形態では、ブロック１４０は、別個のアクションまたはプロセスステップではなく、ブロック１２０またはブロック１３０の少なくとも１つの結果を表す。一実施形態では、ブロック１４０は、ブロック１２０またはブロック１３０の少なくとも１つと実質的に同時に実行することができる。一実施形態では、ブロック１４０は、ブロック１２０またはブロック１３０の少なくとも１つの後に実行することができる。
一実施形態では、ブロック１４０は、選鉱された石炭に１つまたは複数の添加剤を加えることを含むことができる。例えば、ブロック１４０の間に１つ以上の他のガスまたは液体を使用して１つ以上の添加剤を選鉱された石炭に加えることができる。ブロック１０４で使用できるガスまたは液体の例には、水素含有ガス、天然ガス、ＣＯ２、石油製品、ブロック１２０またはブロック１３０の少なくとも１つで生成される１つ以上の材料または化合物、あるいは先に行われた方法１００の反復によって生成または捕捉され得る化合物１つ以上の材料が含まれる。
前述のように、原炭はその中に１つまたは複数の不純物を含むことがあり、ブロック１２０および１３０は、選鉱または熱分解された石炭が少なくともいくつかの不純物を含むように、少なくともいくつかの不純物を除去しないように構成することができる。選鉱または熱分解石炭に１つまたは複数の不純物が存在すると、選鉱または熱分解石炭に１つまたは複数の添加剤を加える必要を無くすことが可能となり、または選鉱または熱分解石炭に加える添加剤の量を減らすことが可能となる。したがって、選鉱または熱分解された石炭に１つ以上の不純物が存在すると、選鉱または熱分解された石炭に添加される添加剤の量が非石炭源よりも少なくなるため、方法１００は非石炭源から炭素繊維を形成する方法よりも効率的になる。
いくつかの実施形態では、ブロック１４０で処理設備においてピッチを生成することができる。本明細書で使用する場合、コールピッチ、コールタール、またはコールタールピッチともとして知られるピッチは、当業者にはよく理解されているように、１つまたは複数の典型的な粘弾性ポリマーの混合物を指すことができる。いくつかの実施形態では、ブロック１４０で生成されるピッチは、ステップ１３０で選鉱された石炭を処理した直接の結果であり得る。ブロック１４０で生成されるピッチは、１つ以上の高分子量ポリマーを含み得る。いくつかの実施形態では、ピッチは、約３４３℃（約６５０°Ｆ）を超える融点を有することができる。いくつかの実施形態では、ピッチは、ピッチの一部（例えば、炭素繊維を形成するために使用されないピッチの部分）が可塑剤を必要とせずに炭素繊維紡糸プロセスで使用できるのに十分高い融点を有することができる。
一実施形態では、ピッチは、芳香族炭化水素、例えば多環式芳香族炭化水素を含むことができる。場合によっては、ピッチは少なくとも約５０重量％の多環式芳香族炭化水素、少なくとも約６０重量％、７０重量％、８０重量％、９０重量％、９５重量％、または９９重量％以上の多環式芳香族炭化水素を含むことができる。一実施形態では、ピッチは、約０．１重量％の灰または他の固形物質、約０．０５重量％未満の灰または固体材料、または約０．０１重量％未満の灰または固形物を含むことができる。場合によっては、ピッチは約１１０℃（約２３０°Ｆ）を超える、約１２１℃（約２５０°Ｆ）を超える、約１４９℃（約３００°Ｆ）を超える、または約１１０℃〜約１２１℃（約２３０°Ｆ〜約２５０°Ｆ）、約１１６℃〜約１３５℃（約２４０°Ｆ〜約２７５°Ｆ）、約１２１℃〜約１４９℃（約２５０°Ｆ〜約３００°Ｆ）、約１３５℃〜約１７７℃（約２７５°Ｆ〜約３５０°Ｆ）、または約１４９℃〜約２０４℃（約３００°Ｆ〜約４００°Ｆ）の引火点を有することがある。場合によっては、ピッチは、約４未満、約３未満、または約２未満、または約１．５未満のＡＰＩ重力を持つことがある。いくつかの実施形態では、方法１００によって生成されるピッチは、コークスピッチではない。すなわち、場合によっては、ブロック１４０で生成されるピッチは、コークスまたはコークスベースの材料〜生成されない。いくつかの実施形態では、方法１００中のどの時点でもコークスは生成されない。
いくつかの実施形態では、ピッチは、本明細書に開示されている濃度のいずれかで、本明細書に開示されている不純物のいずれかを含むことができる。
いくつかの実施形態では、ピッチは約０．８未満の水素対炭素比、例えば約０．１未満、約０．２未満、約０．１〜約０．２、約０．１５〜約０．２５、約０．２〜約０．４、約０．３〜約０．５、約０．４〜約０．６、または約０．５〜約０．７の水素対炭素比を有することができる。
一実施形態では、ピッチは水、硫黄や窒素を含む非炭素原子、または石炭灰やチャーなどの物質、１つ以上の非炭素原子（例：１つ以上の水銀、セレン、カドミウム、ヒ素、アルカリ金属、酸素、ハロゲン、硫黄または窒素）、または石炭灰またはチャーなどの、複数の選択された不純物の１つ以上を比較的含まないことができる。例えば、ピッチは、約０．２重量％未満、約０．１重量％未満、約０．０５重量％、または約０．０１重量％未満の水を含むことがあり得る。一実施形態では、ピッチは、上に開示された濃度で１つまたは複数の選択された不純物を含み得る。
一実施形態において、方法１００はまた、ブロック１４０において１つ以上の副産物を生成することを含み得る。ブロック１４０において生成され得る副産物の例は、［前述の他の関連出願に］それぞれの開示に開示されており、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。例えば、ブロック１４０において生成される副産物は、１つ以上のガス、１つ以上の石炭液化抽出物、またはチャーのうちの少なくとも１つを含み得る。ブロック１４０の代わりに、またはブロック１４０に加えて、ブロック１２０またはブロック１３０の少なくとも１つにおいて１つまたは複数の副産物を生成することも可能である。
石炭液化抽出物は、常温およびまたはその近く（約２０℃（約６８°Ｆ）および１気圧の圧力）で液体である、原炭または選鉱石炭から抽出または生成される任意の材料を指すことができる。１つまたは複数の石炭液化抽出物は、１つまたは複数の液体炭化水素を含むことができる。例えば、石炭液化抽出物は、ベンゼン、トルエン、アルカンまたはパラフィン、アルケン、Ｃ２化合物、Ｃ３化合物、Ｃ４化合物、Ｔ化合物、ハロゲン化合物、フェノール、または他の飽和または不飽和炭化水素の１つ以上を含むことができる。いくつかの実施形態では、石炭液化抽出物は、本明細書に開示される濃度のいずれかで、本明細書に開示される不純物のいずれかを含み得る。
灰としても知られるチャーは、ガス、石炭抽出液、および／またはピッチが原炭から除去された後に残る任意の固体物質を指すことができる。チャーは、ブロック１２０、ブロック１３０、またはブロック１４０の少なくとも１つにおいて生成することができる。一例では、チャーは、固体の高表面積炭素質材料を含むことができる。一例では、チャーは、ブロック１４０で生成されたピッチの水素対炭素比よりも低い水素対炭素比など、比較的低い水素対炭素比を有することができる。場合によっては、チャーは、約０．０５〜約０．６５の水素対炭素を有することができる。一例では、チャーは、本明細書において固有バインダー含浸と呼ぶことができる少なくともいくつかのピッチ材料をさらに含み得る。場合によっては、チャーのその後の処理の前に、残留ピッチまたは他の気体または液体の材料をチャーから除去することができる。
いくつかの実施形態では、チャーは、本明細書に開示される濃度のいずれかで、本明細書に開示される不純物のいずれかを含み得る。いくつかの実施形態では、チャーは約０．７未満の水素対炭素比、例えば約０．１未満、約０．２未満、約０．１〜約０．２、約０．１５〜約０．２５、約０．２〜０．４、約０．３〜約０．５、約０．４〜約０．６、または約０．５〜約０．７約などの水素対炭素比を有することができる。
ガスは水素および／または炭素を含むことができる。例えば、ガスはＨ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６、および／または他の炭化水素ガスを含むことができる。ガスには硫黄も含まれ得る。場合によっては、これらのガスは、本明細書に記載されているプロセス中に捕捉されるか、そうでなければ含まれるか、または使用されることのうちの少なくとも１つであり得る。いくつかの実施形態では、方法１００の任意のガス状または揮発性副産物の少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、９５％、または９９％を捕捉することができる。特定のプロセスステップ中に捕捉されたガスは、本明細書に記載されているように、後続のプロセスステップで使用することができる。場合によっては、本明細書に記載のプロセスによって生成され、その一部として捕捉されたガスを、これらの同じまたは後続のプロセスで利用して、前記プロセスの効率および／または費用効果を高めることができる。場合によっては、副産物の捕捉および再利用は、方法１００の効率を改善し、および／またはコストを下げることができる。
一実施形態において、方法１００は、捕捉された水素ガス（Ｈ２）を捕捉された二酸化炭素（ＣＯ２）（すなわち、合成ガス）と反応させてメタンまたは別の適切なガスまたは液体を形成し、それにより方法１００のカーボンフットプリントを低減することができる。捕捉された水素および二酸化炭素ガスは、化学的に（例えば、触媒的に）処理されて、高分子化合物（例えば、エチレンおよび／またはプロピレンなどのオレフィン）を形成し、その後、重合して高分子量樹脂化合物になる。一例では、水素を二酸化炭素と反応させることにより、方法１００によって生成される二酸化炭素の量を、約１％〜約９９％減少、例えば約１％〜約２５％、約２０％〜約４０％、または約２５％〜約５０％減少させることができる。
一実施形態では、ピッチおよび副産物はすべてブロック１４０で生成される。一実施形態では、ピッチの少なくとも１つおよび副産物の少なくとも１つは、別々の時間または互いに別々の処理ステップで生成することができる。一実施形態では、ピッチおよび少なくとも１つの副産物は、プロセス１００によって、特にブロック１４０において一緒に生成される。そのような実施形態では、方法１００は、個々の各生成物の行われることがあるさらなる処理の前にこれらの生成物を分離することを含むことができる。たとえば、ピッチと石炭の液体抽出物は、ブロック１３０の結果として同時に生成され、ピッチまたは石炭液化抽出物のいずれかのさらなる処理の前に、現在知られている、または将来開発される可能性のあるプロセスによって、互いに分離することが必要とされ得る。
一実施形態では、ブロック１４０において生成されたピッチは、ブロック１５０の前において、さらなる処理または改良にかけられない。別の一実施形態では、ブロック１４０の間に生成されたピッチは、ブロック１５０の前において、ピッチの化学組成を変えるための１つ以上の処理を受けることができる。一例では、ブロック１５０の前にピッチに残っている望ましくない不純物は、ブロック１５０の前にそこから除去することができる。そのような例では、望ましくない不純物は、ブロック１２０およびブロック１３０中に除去できなかった不純物、または炭素繊維中に存在するように選択される少なくとも１つの過剰分を含み得る。一例では、ピッチは、ピッチの水素対炭素比を増加または減少させるために１つ以上のプロセスに供され得る。一例では、ピッチを１つまたは複数のプロセスにかけて、メソフェーズピッチを生成するか、さもなければピッチの組成または特性を変えることができる。一実施形態では、１つまたは複数の副産物を使用して、ブロック１５０において炭素繊維を形成することもできる。そのような実施形態では、１つまたは複数の副産物は、本明細書に開示されるプロセスまたは他の任意の適切なプロセスのいずれかを使用して、ブロック１５０の前にその化学組成を変えるためのさらなる処理または精製に供してもしなくてもよい。
ブロック１５０では、少なくともブロック１４０で生成されたピッチを処理施設において処理して、本明細書で開示される炭素繊維の少なくとも１つを生成することができる。一実施形態では、ピッチを処理して、ピッチを紡糸して炭素繊維を形成することにより、本明細書に開示される少なくとも１つの炭素繊維を生成することができる。場合によっては、ピッチを紡糸して炭素繊維を形成することは、ピッチを炭素繊維または炭素フィラメントに変換するために、当技術分野で既知の、または将来開発される任意のプロセスにより行うことができる。場合によっては、ピッチは、スピニングプロセス中に約３４３℃（約６５０°Ｆ）などの所望の温度に加熱することができる。場合によっては、炭素繊維を形成することは、ピッチを延伸、紡糸、および加熱して炭素繊維を生成することを含むことができる。場合によっては、炭素繊維を形成することは、ピッチのフィラメントを紡ぐこと、ピッチを空気中で第１の温度に加熱し、次いで不活性雰囲気中で紡糸ピッチを第２のより高い温度に加熱して炭素フィラメントを形成することを含み得る。場合によっては、ピッチを紡糸するのを助けるために可塑剤をピッチに添加することができるが、他のいくつかの実施形態では、ピッチを紡糸する前に可塑剤を添加しないようにすることができる。いくつかの実施形態では、炭素繊維を形成することは、ピッチを処理して、本明細書に記載される任意の先進炭素材料の１つまたは複数を生成することを含むことができる。
一実施形態では、ブロック１５０は、ピッチがすでに処理されて炭素繊維を形成している場合、ピッチまたは炭素繊維に１つまたは複数の添加剤を加えることを含むことができる。
ブロック１５０において形成される炭素繊維は、その中に１つ以上の不純物を含み得る。炭素繊維の特性は、少なくとも部分的には、炭素繊維中に存在する１つ以上の不純物に依存する可能性がある。言い換えれば、炭素繊維の特性は、石炭からの不純物の添加、制御、または除去のうちの少なくとも１つによって調整可能であり得る。例えば、１つ以上の不純物の存在に依存し得る炭素繊維の特性は、弾性（ヤング率）、引張強度、破壊メカニズムなどのうちの少なくとも１つを含み得る。一実施形態では、１つまたは複数の不純物は、原炭に最初に存在していた少なくとも１つの不純物を含むことができ、それにより、少なくとも１つの不純物を原炭、選鉱石炭、ピッチ、または副産物のうちの少なくとも１つに加える必要がなくなる。一実施形態では、１つまたは複数の不純物は、原炭、選鉱された石炭、ピッチ、または副産物のうちの少なくとも１つに添加された少なくとも１つの不純物を含むことができる。
追加の先進炭素材料が炭素繊維を含むことができるいくつかの実施形態では、炭素繊維は、従来のプロセスによって形成される炭素繊維（例えば、ポリアクリロニトリル（「ＰＡＮ」）を紡糸することによって生成される炭素繊維）と比較して、異なるまたは改善された物理的特性を有することができる。異なるまたは改善された物理的特性は、原炭に存在し、炭素繊維に残っている不純物によって引き起こされる可能性がある。幾つかの場合においては、本明細書に記載されているプロセスによって製造された炭素繊維は、ＰＡＮから製造された炭素繊維よりも繊維軸に沿って高度の分子配向を有することができる。幾つかの場合においては、本明細書に記載されているプロセスによって製造された炭素繊維は、ＰＡＮから製造された炭素繊維よりも高い弾性率を有することができる。いくつかの場合において、本明細書に記載されるプロセスによって生成される炭素繊維は、ＰＡＮから生成される炭素繊維よりも高い熱および電気伝導率を有することができる。しかし、いくつかの実施形態では、追加の先進炭素材料はＰＡＮを含むことができ、したがって、炭素繊維は、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から形成されるＰＡＮから生成することができる。
一実施形態では、炭素繊維は、本明細書に開示されている濃度のいずれかで、本明細書に開示されている不純物のいずれかを含むことができる。
一実施形態において、樹脂の水素対炭素比は、約０．７〜約１．０の範囲、例えば、約０．７〜約０．７５、約０．７２５〜約０．０７７５、約０．７５〜約０．８、約０．０７７５〜約０．０８５、約０．８〜約０．９、約０．８５〜約０．９５、または約０．９〜約１．０であり得る。
一実施形態では、方法１００は、所望の水素対炭素比よりも大きい、例えば約０．２より大きい、約０．３より大きい、約０．４より大きい、約０．５より大きい、約０．６より大きい、または約０．７より大きい、水素対炭素比を示す炭素材料（例えば、樹脂、ピッチなど）をリサイクルすることを含むことができる。たとえば、水素と炭素の比率が高い炭素材料のリサイクルには、原炭、選鉱された石炭、熱分解石炭、ピッチが処理される前のピッチなどに炭素材料を追加することが含まれる。炭素材料をリサイクルすると、方法１００において生成される樹脂または他の先進炭素材料の量を増やすことができる。
前述のように、選鉱された石炭は、熱分解プロセス以外の直接液化プロセスを使用して処理することができる。直接液化プロセスには、ナフサを製造するための水素化条件下で石炭から樹脂を製造することが含まれ、これは、さらに「スチームクラッキング」（例えば、いわゆる「ナフサクラッカー」に変換）されて、軽質オレフィン生成物（例えば、エチレンおよび／または）プロピレンを生成することができる。直接液化プロセスの１つの例には、キャットレッツバーグ製油所および中国のシェンファ（Ｓｈｅｎｈｕａ）によって開発され、液体輸送燃料、化学中間体、およびナフサを製造するエッチ−コール（Ｈ−Ｃｏａｌ）プロセスが含まれる。
図２は、一実施形態による、直接液化プロセスを使用して炭素繊維を形成する例示的な方法２００のフローチャートである。本明細書で他に開示される場合を除いて、方法２００は、方法１００と同じまたは実質的に同様である。方法２００は、ブロック２１０で処理設備に石炭を供給することを含むことができる。方法２００は、ブロック２２０で処理設備によって石炭から所望量の水、金属、および／または他の不純物を除去する選鉱することも含むことができる。方法２００はさらに、ブロック２３０で、選鉱された石炭の少なくとも一部を処理施設で直接液化プロセスに供することを含むことができる。さらに、方法２００は、ブロック２４０でピッチを生成することを含むことができる。また、方法２００は、ブロック２５０でピッチを変化させて炭素繊維をつくることを含むことができる。方法２００は一例にすぎない。したがって、方法２００の１つまたは複数のブロックは、省略、補足、結合、または分割することができる。さらに、方法２００は、１つまたは複数の追加のプロセスを含むことができる。
ブロック２３０は、直接液化プロセスを使用して選鉱された石炭を処理することを含む。直接液化プロセスは、選鉱された石炭を所望の温度（例えば、約４００℃〜約５００℃）以上に持続時間加熱し、それによって選鉱された石炭を液体に変換することを含むことができる。場合によっては、選鉱された石炭は、１つまたは複数の触媒の存在下および／または高圧で加熱することができる。場合によっては、選鉱された石炭は、Ｈ２を含む雰囲気で加熱することができる。場合によっては、直接液化プロセスは水素化または水素化分解プロセスであり得る。そのような場合、直接液化プロセスは、水素雰囲気で実行することができる。場合によっては、直接液化プロセス中に溶媒を選鉱された石炭に加えることができる。場合によっては、選鉱された石炭は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１７／０３１３８８６号に記載されている、アクセンス社（Ａｘｅｎｓ）によって開発された直接液化プロセスに供することができる。
前述のように、選鉱された石炭は、熱分解プロセス以外の間接液化プロセスを使用して処理することができる。間接液化プロセスは、いわゆる合成ガス（例えば、水素ガスと一酸化炭素または二酸化炭素の少なくとも１つの混合物）を形成する高温ガス化プロセスで原炭から樹脂を生成することを含む。合成ガスは化学的に処理してモノマー化合物を形成し、その後、重合して高分子量の樹脂化合物にすることができる。例えば、合成ガスは、触媒的に軽質オレフィン（例えば、エチレンおよび／またはプロピレン）に変換することができるメタノールに変換することができる。エチレンおよび／またはプロピレンは炭素繊維に変換することができる。本明細書に開示される間接液化プロセスおよび／または他のプロセスにおいて形成される軽質オレフィンは、他のポリマー化合物の前駆体にもなり得る。例えば、プロピレンのアンモ酸化は、アクリロニトリルモノマーの形成をもたらし、アクリロニトリルモノマーはその後、ポリアクリロニトリルに変換することができる。
図３は、一実施形態による、間接液化プロセスを使用して炭素繊維を形成する例示的な方法３００のフローチャートである。本明細書で他に開示される場合を除いて、方法３００は、方法１００および／または方法２００と同じまたは実質的に同様である。方法３００は、ブロック３１０で処理設備に石炭を提供することを含むことができる。方法３００は、ブロック３２０において処理施設で石炭から所望量の水、金属、および／または他の不純物を除去するための石炭の選鉱も含むことができる。方法３００はさらに、ブロック３３０において、選鉱された石炭の少なくとも一部を処理施設で間接液化プロセスに供することを含むことができる。さらに、方法３００は、合成ガスまたは別のコア由来要素（例えば、チャー、ピッチなど）を生成することを含むことができる。また、方法３００は、ブロック３５０でピッチを変化させて炭素繊維を生成することを含むことができる。方法３００は、単なる例である。したがって、方法３００の１つまたは複数のブロックは、省略、補足、結合、または分割することができる。さらに、方法３００は、１つまたは複数の追加の処理を含むことができる。
ブロック３３０は、間接液化プロセスを使用して選鉱された石炭を処理することを含む。間接液化プロセスは、選鉱された石炭を１つまたは複数のガスに変換し、次に１つまたは複数のガスを１つまたは複数の液体に変換することを含むことができる。１つまたは複数のガスは、合成ガス（例えば、Ｈ２ガスとＣＯガスの混合物）を含むことができるが、これらに限定されない。一例では、間接液化プロセスは、選鉱された石炭を、所望の圧力（例えば、約４０バール〜約６０バール）で所望の持続時間にわたって所望温度（例えば、約１４００℃〜約１６００℃）に加熱することを含み得る。一例では、間接液化プロセス中に形成されたガスは、液体またはアンモニアやメタノールなどの他の材料に変換することができる。間接液化プロセス中に形成されたガスは、所望温度（例えば、約２００℃〜約３５０℃）および所望圧力（例えば、約１０バール〜約４０バール）で液体または他の物質に変換することができる。次に、この液体または他の材料をさらに処理して、炭素繊維に形成できる炭化水素、炭素繊維に形成できるポリマー、炭素繊維の他の前駆体、または炭素繊維自体を生成することができる。炭化水素は、オレフィン（例えば、エチレンおよびプロピレン）、芳香族炭化水素、トルエン、ベンゼン、パラキシレン、または他の炭化水素を含むことができる。特定の例では、ガスは、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１５／０１４１７２６号に記載されているハネウエルＵＰＯ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＵＯＰ）によって開発されたプロセスによってオレフィンに変換することができる。場合によっては、選鉱された石炭は間接液化プロセスにかけられることがある。
前述のように、選鉱された石炭は、熱分解プロセスの代わりに膜を使用して処理することができる。膜を使用して石炭を処理する例には、膜を使用してガス化リアクターで石炭から水素を分離することが含まれる。膜は、１つまたは複数の先進炭素系材料（例えば、１つまたは複数のグラフェン系材料）などの特殊セラミック材料を含むことができる。膜は、比較的低温での石炭からの水素の分離および／またはスラリーベースの石炭の処理を容易にすることができ、どちらもコストを削減し、１つまたは複数の樹脂を形成するプロセスの効率を改善することができる。選鉱された石炭を処理するために膜を使用する例は、Ｖ．キリアコウ他（Ｖ．Ｋｙｒｉａｋｏｕ ｅｔａｌ．）の、「石炭蒸気ガス化から水素を生成するためのプロトン性セラミック膜反応器（ｐｒｏｔｏｎｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｒｏｍ ｃｏａｌ ｓｔｅａｍ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」、５５３ Ｊ． Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉ１６３（２０１８）、およびフランシス Ｃ．アリラガ他（Ｆｒａｎｃｉｓ Ｃ． Ａｒｒｉｌｌａｇａ、ｅｔ ａｌ）の、「石炭から水素へ（Ｃｏａｌ ｔｏ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）：直接抽出のための新規な膜反応器（Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）」、ＧＣＥＰエネルギーワークショップ（ＧＣＥＰ Ｅｎｅｒｇｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ（２００４）に開示されており、それぞれの開示は、この参照により全体として本明細書に組み込まれる。
図４は、一実施形態による、１つまたは複数の膜を使用して炭素繊維を形成する例示的な方法４００のフローチャートである。本明細書で他に開示される場合を除いて、方法４００は、方法１００、方法２００、および／または方法３００と同じまたは実質的に同様である。方法４００は、ブロック４１０において処理設備に石炭を供給することを含むことができる。ブロック４２０で、処理施設によって石炭を選鉱することも含み、所望量の水、金属、および／または他の不純物を石炭から除去する。方法４００はさらに、ブロック４３０で処理施設において、選鉱された石炭の少なくとも一部を１つ以上の膜で処理することを含み得る。さらに、方法４００は、ブロック４４０においてピッチを生成することを含み得る。また、方法４００は、ブロック４５０で炭素繊維を生成するためにピッチを変化させることを含むことができる。方法４００は、単なる例である。したがって、方法４００の１つまたは複数のブロックは、省略、補足、結合、または分割することができる。さらに、方法４００は、１つまたは複数の追加の処理を含むことができる。
ブロック４３０は、１つ以上の膜の存在下で選鉱された石炭を処理することを含む。場合によっては、これらの膜は、選鉱された石炭から生成物を生じるために、先行された石炭を物理的に分離し、化学的に分離し、または分解する作用の少なくとも１つの役割を果たすことができる。膜の例には、先進炭素ベースの材料が含まれる。一実施形態では、これらの製品は、本明細書に開示される他の液化プロセスによって生成される製品と実質的に同様であり得るが、他の液化プロセスが必要とする可能性がある量の熱または圧力を使用しない場合がある。したがって、選鉱された石炭を１つまたは複数の膜で処理すると、液化プロセスと実質的に同様の生成物を生成することができるが、そうするために必要とするエネルギーは実質的に少なくてよい。一実施形態では、１つまたは複数の膜は、所望の化合物を単離し、かつ／または選鉱された石炭から所望の化合物を生成するために、様々な細孔サイズ、化学特性、物理特性、または電気特性を有することができる。
選鉱された石炭は、本明細書に開示される熱分解プロセス、本明細書に開示される直接液化プロセス、本明細書に開示される間接液化プロセス、または膜を使用する本明細書に開示されるプロセス以外の他のプロセスを使用して処理することができる。一例では、選鉱された石炭は、電気アークプロセスを使用して処理することができる。一例において、選鉱石炭は、超臨界溶媒抽出プロセスを使用して処理することができる。選鉱炭を処理するために使用できる超臨界溶媒抽出プロセスの例は、ジョナサンｊ．コラック（Ｊｏｎａｔｈａｎ Ｊ． Ｋｏｌａｋ）の「石炭サンプルの超臨界流体抽出手順、その後の抽出炭化水素の分析、ＵＳＧＳ（２００６）」およびイェスン他（Ｙｅ Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ）の「超臨界二酸化炭素／１−メチル−２−ピロリドン混合溶媒による石炭抽出の評価（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ／１−Ｍｅｔｈｙｌ−２−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ Ｍｉｘｅｄ Ｓｏｌｖｅｎｔ）に開示されている。

原炭から樹脂およびその他の副産物を形成する方法
図５は、一実施形態による、１つまたは複数の樹脂を形成する例示的な方法５００のフローチャートである。方法５００は、ブロック５１０で原炭を処理施設に提供し；ブロック５２０で、処理施設によって原炭を選鉱して、所望量の水、金属、および／または他の不純物を石炭から除去し；ブロック５３０で、処理施設によって、選鉱された石炭の少なくとも一部を熱分解し；ブロック５４０でピッチを生成し；ブロック５５０でピッチの少なくとも一部を変化させて１つまたは複数の樹脂を生成することの１つまたは複数を含むことができる。この１つまたは複数の樹脂は、方法５００中に除去されなかった１つ以上の不純物の選択された量を含むことができる。方法５００は単なる例である。したがって、方法５００の１つまたは複数のブロックは、省略、補足、結合、または分割することができる。さらに、方法５００は、例えば石炭から少なくとも１つの副産物（例えば、チャー、１つ以上のガス、または１つ以上の石炭液化抽出物）を生成し、またはピッチを処理して１つ以上の追加の先進炭素材料を生成する、１つ以上の追加の処理を含むことができる。
いくつかの実施形態では、ブロック５１０で、現在知られているか、将来開発される可能性のある任意の方法によって、原炭を処理施設に提供することができる。たとえば、石炭は一般に、炭層または炭層として知られている天然の層または鉱脈から採掘される。石炭は、露天採掘、地下採掘、またはその他のさまざまな形態で採掘できる。通常、採掘されて他の方法で処理されていない石炭は原炭と呼ばれる。場合によっては、原炭は、ハイウォールマイニングプロセス、ストリップ採掘プロセス、または輪郭採掘プロセスなどの露天採掘プロセスによって採掘できる。場合によっては、原炭は、長壁採掘プロセス、連続採掘プロセス、爆風採掘プロセス、後退採掘プロセス、部屋・柱（ｒｏｏｍ ａｎｄ ｐｉｌｌａｒ）の採掘プロセスなどの地下採掘プロセスによって採掘できる。
原炭は、処理施設に比較的近い場所から採鉱または抽出することができる。例えば、処理施設は、石炭抽出エリアまたはその近くに配置することができる。しかし、他の場合には、石炭はどこからでも採掘されて処理施設に輸送される。場合によっては、必要に応じて原炭を処理施設に提供して、所望量の先進炭素材料を生産することができる。ただし、他のいくつかのケースでは、未処理の石炭は提供されて処理されるまで処理施設で保管される。
ブロック５１０で提供される石炭は、その内容および特性に基づいてランク付けまたは等級付けすることができる。さまざまな石炭分類スキームが存在するが、ここでは、一般的な変成グレードを使用して、原炭を一般的に説明する。これらの等級は、一般に、本開示の理解を助けるために使用され、樹脂の生成や、本明細書に記載の任意選択的に生成される１つまたは複数の追加の先進炭素材料の生成のために使用できる石炭のタイプに限定することを意図しない。石炭の特定の分類は、本明細書に記載されるプロセスでの使用に好ましい可能性があるが、そのようなプロセスは、ここで述べられた石炭の分類に厳密に限定されない。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるプロセスによって利用される石炭は、褐炭であり得、約４５重量％を超える揮発性含有量を有し得る。いくつかの実施形態では、石炭は、亜瀝青炭、歴青炭、および／または無煙炭であり得る。いくつかの実施形態では、石炭は、ワイオミング州シェリダン近くのブルック鉱山から抽出された石炭とすることができる。本願発明者は、以下でより詳細に論じるように、ブルック鉱山から抽出された石炭の組成は、特定の機械的、化学的、および／または電気的特性を示す樹脂の形成を促進できる有益な濃度でいくつかの不純物を含むと考えている。場合によっては、本明細書に記載されているプロセスで使用するのに好ましい石炭は、当業者が選択することができる。例えば、好ましい石炭は、１つ以上の破壊的または非破壊的な化学分析技術（例えば、ラマン分光法、エネルギー分散型Ｘ線分光法など）または１つ以上の計算技術の少なくとも１つに基づいて選択され得る。いくつかの実施形態では、石炭は約０．７より大きい初期水素対炭素比、例えば０．７〜約５．０、約０．７〜約０．７５、約０．７２５〜約０．０７７５、約０．７５〜約０．８、約０．０７７５〜約０．８５、約０．８〜約０．９、約０．８５〜約０．９５、または約０．９〜約１．０の初期水素対炭素比を有し得る。
前述のように、原炭は、方法５００で使用するためにブロック５１０で処理施設に提供することができる。処理施設は、必要に応じて使用するために原炭を貯蔵する能力を有することができ、または所望量の樹脂を製造するために必要に応じた原炭を受け取ることができる。当技術分野でよく知られているように、石炭は、トラック、列車、または任意の他の形態の輸送によって提供することができる。さらに、処理施設は石炭採掘サイトに配置することができ、その場合、石炭採掘サイトは処理施設の一部とみることができる。
前述のように、原炭はその中に１つ以上の不純物を含み得る。この１つ以上の不純物は、揮発性重金属（例えば、水銀、セレン、ヒ素、およびカドミウム）、アルカリ金属（例えば、ナトリウム金属、カリウム金属）、ヘテロ原子（例えば、硫黄、酸素、およびハロゲン）、シリコン、アルミニウム、チタン、カルシウム、鉄、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、硫黄、ストロンチウム、バリウム、マンガン、リン、アンチモン、ヒ素、バリウム、ベリリウム、ホウ素、臭素、カドミウム、塩素、クロム、コバルト、銅、フッ素、鉛、リチウム、マンガン、水銀、モリブデン、ニッケル、セレン、銀、ストロンチウム、タリウム、スズ、バナジウム、亜鉛、ジルコニウム、またはそれらの酸化物を含むことができる。例えば、不純物および原炭の供給源に応じて、本明細書に開示される不純物はいずれも、原炭の０重量％（「ｗｔ％」）〜約２５重量％となり得るものであり、例えば、原炭の約０重量％〜約０．００１重量％、約０．０００５重量％〜約０．００２重量％、約０．００１重量％〜約０．００３重量％、約０．００２重量％〜約０．００４重量％、約０．００３重量％〜約０．００５重量％、約０．００４重量％〜約０．００６重量％、約０．００５重量％〜約０．００８重量％、約０．００７重量％〜約０．０１重量％、約０．００９重量％〜約０．０２重量％、約０．０１重量％〜約０．０３重量％、約０．０２重量％〜約０．０４重量％、約０．０３重量％〜約０．０５重量％、約０．０４重量％〜約０．０６重量％、約０．０５重量％〜約０．０８重量％、約０．０７重量％〜約０．１重量％、約０．０９重量％〜約０．２重量％、約０．１重量％〜約０．３重量％、約０．２重量％〜約０．４重量％、約０．３重量％〜約０．５重量％、約０．４重量％〜約０．６重量％、約０．５重量％〜約０．８重量％、約０．７重量％〜約１重量％、約０．９重量％〜約２重量％、約１重量％〜約４重量％、約３重量％〜約６重量％、約５重量％〜約８重量％、約７重量％〜約１０重量％、約９重量％〜約１５重量％、または約１０重量％〜約２５重量％となる。
実施形態によれば、ブロック５２０において、原炭は選鉱され、原炭中に存在する少なくとも１つの不純物の少なくとも一部を除去した選鉱された石炭（別名、アップグレードされた石炭）とされる。例えば、原炭を選鉱して、少なくとも１つの水、重金属、揮発性化合物、アルカリ金属、またはヘテロ原子を原炭から除去することにより、選鉱された石炭を生成することができる。一実施形態では、原炭を選鉱して少なくとも１つの不純物のかなりの部分を除去することができる。
選鉱プロセスは、原炭を１つ以上の所望の温度に加熱することを含み得る。１つ以上の所望の温度は、約１００℃〜約５００℃の間の範囲とすることができ、例えば、約１００℃〜約２９０℃、１００℃〜約１５０℃、約１２５℃〜約２００℃、または約１５０℃〜約２９０℃とすることができる。原炭を加熱する温度は、原炭中に存在する少なくとも１つの不純物の少なくとも一部を選択的に除去するように選択することができる。例えば、約１００℃〜約１５０℃に加熱して原炭から水分を除去し、約１５０℃〜約２９０℃に加熱して揮発性金属を除去することができる。いくつかの実施形態では、選鉱プロセスは、原炭を第１の所望の温度に加熱することを含むことができる。原炭を第１の所望の温度に加熱すると、１つまたは複数の第１の不純物を除去することができる。いくつかの実施形態では、次に、選鉱は、原炭を第２のより高い所望の温度に加熱することを含むことができる。原炭を第２の所望の温度に加熱すると、１つまたは複数の第２の不純物を除去することができる。
選鉱プロセスは、原炭を所望の期間、所望の温度に加熱することを含むことができる。所望の持続時間は、約１秒〜約１分、約３０秒〜約３０分、約１分〜約１時間、約３０分〜約３時間、１時間〜約５時間、約３時間〜約１０時間、約７時間〜約１８時間、約１２時間〜約１日、または約１８時間〜約３日など約１秒〜数日の範囲とすることができる。典型的には、原炭が所望の温度に加熱される持続時間を増加させることは、原炭から除去される１つ以上の不純物の量を増加させる可能性がある。しかしながら、原炭は最大持続時間を示す可能性があり、最大持続時間よりも長い時間にわたって原炭を加熱しても、原炭から除去される１つ以上の不純物の量にほとんどまたは全く影響を与えない。場合によっては、選鉱プロセスは、原炭を第１の持続時間の間第１の所望の温度に加熱し、その後、原炭を第２の持続時間の間第２のより高い所望の温度に加熱することを含むことができる。最初と２番目の期間は同じでも異なっていてもよい。
一実施形態では、選鉱プロセスは、原炭からの不純物の１つまたは複数の除去を促進し、原炭との酸化または他の反応を防ぐことができるハロゲンガスを含む雰囲気で原炭を加熱するようにすることができる。いくつかの実施形態では、水素対炭素比を増加させることができる水素を含む雰囲気中で原炭を加熱することにより、石炭を選鉱することができる。そのような実施形態では、水素は、外部水素源から、または方法５００の別の段階で収集された水素から提供することができる。いくつかの実施形態では実質的に水素がない雰囲気で原炭を加熱して選鉱することができる。そのような実質的に水素を含まない雰囲気は、水素対炭素比を減少させることができる。
いくつかの他の実施形態では、石炭は、１つ以上の触媒化合物の存在下で石炭を所望の温度に加熱することにより先行することができる。いくつかの場合では、例えば触媒の存在下で石炭を熱分解して選鉱することができる。いくつかの実施形態において、大気圧または大気圧近く（例えば、０．８〜約１．２気圧）で選鉱することができるが、より高い圧力またはより低い圧力で選鉱することができる。
いくつかの実施形態では、選鉱は、原炭をライトコール（ＷＲＩＴＥＣｏａｌ）選鉱プロセスに供するようにすることができる。ライトコール選鉱プロセスについては、米国特許第４，５３６，４８０号に記載されている。米国特許第９，１８１，５０９号の開示は、その全体がこの参照により本明細書に組み込まれる。場合によっては、エルピアミナ（ＬＰ Ａｍｉｎａ）によって開発およびライセンス供与され、たとえば、参照により全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１７／０１９８２２１号に記載されているように、石炭はベネプラス（ＢｅｎｅＰｌｕｓ）システムによって選鉱することができる。
選鉱された石炭は、水銀、カドミウム、他の重金属、水、本明細書に開示された他の不純物のいずれか、または原炭中に存在する可能性のある他の不純物の少なくとも１つの著しく減少した量（（例えば、少なくとも２５重量％、少なくとも５０重量％、少なくとも７５重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、または少なくとも９９重量％）を含むことができる。選鉱された石炭に残る不純物の量は、原炭が加熱された温度、原炭が加熱された時間、原炭が選鉱プロセス中にさらされた雰囲気、触媒の存在などによる。例えば、石炭を選鉱することにより、石炭中の水銀の量を少なくとも約７０重量％、７５重量％、８０重量％、８５重量％、９０重量％、または９２重量％以上削減することができる。場合によっては、石炭を選鉱することにより、石炭の水または水分含有量を約５重量％、４重量％、３重量％、２重量％、または１．５重量％以下まで減少することができる。場合によっては、石炭を選鉱することにより、水素、硫黄、酸素、ヒ素、セレン、カドミウム、または揮発性物質の１つ以上を石炭から除去できる。石炭中のこれらの元素の１つ以上の量を約２５重量％〜約９０重量％だけ減少することができる。
しかしながら、前述のように、選鉱プロセスに供された後、選鉱された石炭中に所望量の１つ以上の不純物が残ることが望ましい場合がある。例えば、選鉱プロセスは、所定量の水銀、カドミウム、セレン、アルカリ金属、異種元素、および／または別の元素が処理後に選鉱された石炭に選択的に残ることができるように、所望量の不純物を除去できる。場合によっては、選鉱された石炭に残存する可能性のある所望の量の不純物は、その後の樹脂、または任意選択で１つまたは複数の追加の先進炭素材料の形成に役立つ可能性がある。場合によっては、選鉱された石炭に残ることができる不純物の所望量を、樹脂、および任意選択で１つまたは複数の先進炭素材料に組み込むことができる。例えば、先進炭素材料が合成グラフェンを含む場合、望ましい量のカドミウムが選鉱された石炭に残り、それによって合成グラフェンに組み込まれ、それによってその電気的、機械的、または化学的特性を改善するようにすることができる。
一実施形態において、選鉱プロセスは、ブロック５２０の後（ただしブロック５３０の前）の選鉱された石炭が、本明細書に開示される不純物の少なくともいくつかを、本明細書に開示される任意の濃度で保持するようにすることができる。
一実施形態では、選鉱プロセスは、石炭の水素対炭素比を減少させるように構成することができる。例えば、選鉱プロセスの後、選鉱された石炭の水素対炭素比が約０．８未満、例えば約０．６〜約０．７、約０．６５〜約０．７５、または約０．７〜約０．８の範囲となるようにすることができる。
いくつかの実施形態では、ブロック５２０での石炭の選鉱は、後の処理ステップで捕捉および使用することができる１つまたは複数の副産物を生成することができ、この副産物は方法５００でさらに処理または使用するようにすることができる。例えば、選鉱では、原炭からガスまたは石炭液化抽出物を生成または分離することができる。これらのガスおよび／または石炭液化抽出物は、処理中に捕捉または分離することができる。例えば、ブロック５２０で石炭を選鉱することは、Ｈ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６または他の炭化水素ガスの少なくとも１つを生成でき、これらは捕捉され、その後ブロック５３０または他のプロセスステップで利用できる。場合によっては、石炭を選鉱することにより、その後の使用または処理のために捕獲できる石炭液化抽出物（たとえば、トルエンまたはベンゼン）が得られる可能性がある。場合によっては、ブロック５２０での選鉱プロセスによって石炭から除去された不純物は、その後の使用のために捕捉することができる。例えば、選鉱プロセスによって石炭から除去された水は収集され、後続のプロセスステップで利用するようにすることができる。いくつかの実施形態では、石炭を選鉱することにより、灰またはチャーとして知られる固体材料を生成することもできる。場合によっては、このチャーをさらに処理して活性炭を形成することができる。
選鉱された石炭は、ブロック５３０で処理施設によって処理することができる。いくつかの実施形態では、選鉱された石炭の処理は、選鉱された石炭を熱分解プロセス（例えば、高温熱分解プロセスまたは穏やかな温度の熱分解プロセス）などの液体抽出プロセスに供するができる。（図２に関してより詳細に述べられた）直接液化プロセス、（図３に関してより詳細に述べられた）間接液化プロセス、（例えば、図４に関してより詳細に述べられた）膜の使用、電気アークプロセス、超臨界溶媒抽出プロセス、または電磁加熱プロセスなどの熱分解プロセスの代わりに、またはそれと組み合わせて、他の液化プロセスを使用できることに留意されたい。液体抽出プロセスは、選鉱された石炭をピッチ、1つ以上のガス、1つ以上の石炭液化抽出物、またはチャーの少なくとも1つに変換できる。
一実施形態では、ブロック５３０の液体抽出プロセスは、処理施設による選鉱された石炭を熱分解することを含むことができる。選鉱された石炭を熱分解して１つまたは複数の樹脂を形成することは、選鉱された石炭に加えられる圧力を上げるかまたは上げずに、選鉱された石炭を所望時間にわたって所望温度に加熱することを含み得る。高温では、選鉱された石炭内の一部の有機構造が分解し始め、低分子量の熱分解フラグメントが形成される。低分子量の熱分解フラグメントの一部は、軽質ガス（水素、メタン、二酸化炭素など）として選鉱された石炭から逃れることができる。これらの軽質ガスは、以下でより詳細に論じられるように、捕捉および／または再利用することができる。しかしながら、より低分子量の熱分解フラグメントのいくつかは、再結合または解重合して、小さな環の芳香族構造（例えば、単環の芳香族構造）を形成するようになり得る。小さな環の芳香族構造は、小さな芳香族環構造が一緒に結合してより大きな環の芳香族構造（例えば、多環芳香族炭化水素）を形成する縮合反応を受けるようになり得る。縮合反応の例には、環縮合、環融合、脱水素化、または小環芳香族構造を成長させる他の縮合反応の少なくとも１つが含まれる。より大きい環の芳香族構造は、等方性ピッチ、等方性樹脂、整列した多環芳香族層を含む生成物、液晶構造（例えば、異方性ピッチまたは異方性樹脂）、メソフェーズピッチ、またはメソフェーズ樹脂を含むことができる。
一例では、選鉱された石炭を熱分解することは、選鉱された石炭を大気圧プロセスで約１０００℃より高い温度に加熱することを含む高温熱分解プロセスを含むことができる。高温熱分解プロセスは、ベンゼン化合物、フェノール化合物、高価な油、または樹脂の形成に有用な他の化合物を形成する可能性がある。一例では、選鉱された石炭を熱分解することは、選鉱された石炭を大気圧で約４００℃〜約６５０℃の温度に加熱することを含む穏やかな温度の熱分解プロセスを含むことができる。穏やかな温度の熱分解プロセスは、本明細書に開示される樹脂の形成を促進することができる高温の熱分解プロセスよりも、コークスを形成する可能性が高い。いくつかの場合において、石炭は、高圧（例えば、約１気圧を超える圧力）および／または溶媒の存在下で加熱することができる。例えば、選鉱された石炭は、超臨界状態に保つことができるＣＯ２溶媒の存在下で熱分解することができる。いくつかの例では、選鉱された石炭を（たとえば、外部の水素源から提供された水素または方法５００中に収集された水素の）水素雰囲気で熱分解して、選鉱された石炭の水素対炭素比を増やすか、水素を含まない雰囲気で熱分解して選鉱された石炭の水素対炭素比を減少させる。一実施形態では、選鉱された石炭は、例えば、参照により全体が本明細書に組み込まれる米国特許第１０，１４４，８７４号に記載されているように、テラパワー（ＴｅｒｒａＰｏｗｅｒ）によって開発されたＭｕＳＣＬシステムによって熱分解することができる。
いくつかの実施形態では、熱分解プロセスは、選鉱された石炭を所望の強度で所望時間だけ電磁放射線に曝露することを含むことができる。例えば、ブロック５３０は、熱分解プロセスの一部として、選鉱された石炭をマイクロ波および／または高周波（ＲＦ）放射線に所望時間曝すことを含むことができる。場合によっては、この熱分解プロセスでは、選鉱された石炭の大部分が熱分解温度未満に留まる可能性があるが、石炭の個々の粒子は、約６４９℃（約１２００°Ｆ）を超える温度に曝される可能性がある。場合によっては、この熱分解プロセスは、選鉱された石炭を構成する炭素の少なくとも一部のメタン活性化および／またはメチル化も含み得る。いくつかの実施形態では、選鉱された石炭は、Ｈクエストヴァンガード社によって開発された波液化プロセス（Ｗａｖｅ Ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）によって熱分解することができる。選鉱された石炭を電磁放射線に曝露することによって石炭を処理するプロセスの追加の例は、米国特許第６，５１２，２１６号および米国特許出願公開第２０１７／００８０３９９号に開示されている。そのそれぞれの開示はこの参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
ブロック５３０は、熱分解された石炭中の１つまたは複数の不純物の選択された量を選択的に維持またはそれを阻止するようにすることができる。例えば、ブロック５３０の後、ピッチは、本明細書に開示される濃度のいずれかで、本明細書に開示される不純物のいずれかを含み得る。
一実施形態では、ブロック５３０の後、熱分解された水素対炭素比は、約０．１未満、約０．２未満、約０．１〜約０．２、約０．１５〜約０．２５、約０．２〜約０．４、約０．３〜約０．５、約０．４〜約０．６、または約０．５〜約０．７範囲など、約０．８未満を示す。
ブロック５４０において、ピッチおよび任意選択で１つまたは複数の副産物（例えば、１つまたは複数のガス、少なくとも１つの石炭液化抽出物、またはチャーの少なくとも１つ）は、処理施設によって処理（例えば、熱分解石炭から抽出）される。一実施形態では、ブロック５４０は、別個のアクションまたはプロセスステップではなく、ブロック５２０またはブロック５３０の少なくとも１つの結果を表すものであり得る。一実施形態では、ブロック５４０は、ブロック５２０またはブロック５３０の少なくとも１つと実質的に同時に実行することができる。一実施形態では、ブロック５４０は、ブロック５２０またはブロック５３０の少なくとも１つの後に実行することができる。
一実施形態では、ブロック５４０は、選鉱された石炭に１つまたは複数の添加剤を加えることを含むことができる。例えば、１つ以上の他のガスまたは液体をブロック５４０中に使用して、１つ以上の添加剤を選鉱された石炭に加えることができる。ブロック５４０の間に使用できるガスまたは液体の例には、水素含有ガス、天然ガス、ＣＯ２、石油生成物、ブロック５２０またはブロック５３０の少なくとも１つで生成される１つ以上の材料または化合物、あるいは１つ以上の材料が含まれる。または、先に反復された方法５００で生成されるか、または捕捉され得る生成物などがある。
前述のように、原炭はその中に１つまたは複数の不純物を含み得るものであり、ブロック５２０および５３０は、選鉱または熱分解石炭が少なくともいくつかの不純物を含むように、少なくともいくつかの不純物を除去しないようにすることができる。選鉱または熱分解石炭に１つまたは複数の不純物が存在すると、選鉱または熱分解石炭に１つまたは複数の添加剤を加える必要がなくなり、または選鉱または熱分解石炭に加える添加剤の量を減らすことができる。したがって、選鉱または熱分解された石炭に１つ以上の不純物が存在すると、選鉱または熱分解された石炭に添加される添加剤が非石炭源より少ないので、方法５００は、非石炭源から樹脂を形成する方法よりも効率的になる。
いくつかの実施形態では、ピッチは、ブロック５４０で処理設備によって生成することができる。本明細書で使用されるように、ピッチは、コールピッチ、コールタール、またはコールタールピッチとしても知られ、１つまたは複数の当業者によく理解されている典型的な粘弾性のポリマーを指すことができる。いくつかの実施形態では、ブロック５４０で生成されたピッチは、ステップ５３０で選鉱された石炭を処理した直接の結果であり得る。ブロック５４０で生成されたピッチは、１つ以上の高分子量ポリマーを含み得る。いくつかの実施形態では、ピッチは、約３４３℃（約６５０°Ｆ）を超える融点を有することができる。一部の実施形態では、ピッチは、一部のピッチ（例えば、樹脂を形成するために使用されないピッチの部分）が可塑剤を必要とせずに炭素繊維紡糸プロセスで使用できるほど十分に高い融点を有し得る。
一実施形態では、ピッチは、芳香族炭化水素、例えば多環式芳香族炭化水素を含むことができる。いくつかの例では、ピッチは少なくとも約５０重量％の多環式芳香族炭化水素、少なくとも約６０重量％、７０重量％、８０重量％、９０重量％、９５重量％、または９９重量％以上の多環式芳香族炭化水素を有するものであり得る。一実施形態では、ピッチは、約０．１重量％未満の灰または他の固体材料、約０．０５重量％未満の灰または固体材料、または約０．０１重量％未満の灰または固体材料を含むことができる。場合によっては、ピッチは約１１０℃（約２３０°Ｆ）を超える、約１２１℃（約２５０°Ｆ）を超える、約１４９℃（約３００°Ｆ）を超える、または約１１０℃〜約１２１℃（約２３０°Ｆ〜約２５０°Ｆ）、約１１６℃〜約１３５℃（約２４０°Ｆ〜約２７５°Ｆ）、約１２１℃〜約１４９℃（約２５０°Ｆ〜約３００°Ｆ）、約１３５℃〜約１７７℃（約２７５°Ｆ〜約３５０°Ｆ）、または約１４９℃〜約２０４℃（約３００°Ｆ〜約４００°Ｆ）の引火点を有し得る。場合によっては、ピッチは、約４未満、約３未満、または約２未満、または約１．５未満のＡＰＩ重力を持ち得る。いくつかの実施形態では、方法５００によって生成されるピッチは、コークスピッチではない。すなわち、いくつかのケースでは、ブロック５４０で生成されるピッチは、コークスまたはコークスベースの材料から生成されない。いくつかの実施形態では、コークスは方法５００中のいかなる時点でも生成されない。
いくつかの実施形態では、ピッチは、本明細書に開示されている濃度のいずれかで、本明細書に開示されている不純物のいずれかを含むことができる。
いくつかの実施形態では、ピッチは約０．８未満の水素対炭素比、例えば約０．１未満、約０．２未満、約０．１〜約０．２、約０．１５〜約０．２５、約０．２〜約０．４、約０．３〜約０．５、約０．４〜約０．６、または約０．５〜約０．７の水素対炭素比を有し得る。
一実施形態では、ピッチは、水、１つ以上の非炭素原子（例えば、水銀、セレン、カドミウム、ヒ素、アルカリ金属、酸素、ハロゲン、硫黄または窒素）または石炭灰やチャーなどの物質などの１つ以上の選択された不純物を比較的含まないことがあり得る。例えば、ピッチは、約０．２重量％未満の水、約０．１重量％未満、約０．０５重量％、または約０．０１重量％未満の水を含み得る。一実施形態では、ピッチは前述した濃度での１つまたは複数の選択された不純物を含むことができる。
一実施形態では、方法５００は、ブロック５４０中に１つまたは複数の副産物を生成することも含むことができる。ブロック５４０において形成できる副産物の例は、本明細書において参照により、その全体が本明細書に組み込まれる他の関連出願に開示されている。例えば、ブロック５４０中に生成される副産物は、１つ以上のガス、１つ以上の石炭液化抽出物、またはチャーのうちの少なくとも１つを含み得る。ブロック５４０の代わりに、またはブロック５４０に加えて、ブロック５２０またはブロック５３０の少なくとも１つにおいて１つまたは複数の副産物を生成することもできることに留意されたい。
石炭液化抽出物は、常温および常圧またはその付近（約２０℃（約６８°Ｆ）および１気圧）で液体である原炭または選鉱石炭から抽出または生成される任意の材料を指すことができる。１つまたは複数の石炭液化抽出物は、１つまたは複数の液体炭化水素を含むことができる。例えば、石炭液化抽出物は、ベンゼン、トルエン、アルカンまたはパラフィン、アルケン、Ｃ２化合物、Ｃ３化合物、Ｃ４化合物、Ｔ化合物、ハロゲン化合物、フェノール、または他の飽和または不飽和炭化水素の１つ以上を含むことができる
いくつかの実施形態では、石炭液化抽出物は、本明細書に開示されている濃度のいずれかで、本明細書に開示されている不純物のいずれかを含むことがあり得る。
灰としても知られるチャーは、ガス、石炭抽出液、および／またはピッチが原炭から除去された後に残る任意の固体物質を指すことができる。チャーは、ブロック５２０、ブロック５３０、またはブロック５４０の少なくとも１つにおいて生成することができる。一例では、チャーは、固体の高表面積炭素質材料を含むことができる。一例では、チャーは、ブロック５４０で生成されたピッチの水素対炭素比よりも低い水素対炭素比など、比較的低い水素対炭素比を有することができる。いくつかの場合では、チャーは、約０．０５〜約０．６５の比率水素対炭素を有することができる。一例では、チャーは、本明細書では固有バインダー含浸と呼ぶことができる少なくともいくつかのピッチ材料をさらに含むことができる。場合によっては、チャーのその後の処理の前に、残留ピッチまたは他の気体または液体の材料をチャーから除去することができる。
いくつかの実施形態では、チャーは、本明細書に開示されている濃度のいずれかで、本明細書に開示されている不純物のいずれかを含み得る。いくつかの実施形態では、チャーは、約０．１未満、約０．２未満、約０．１〜約０．２、約０．１５〜約０．２５、約０．２〜約０．４、約０．３〜約０．５、約０．４〜約０．６、または約０．５〜約０．７などの範囲など、約０．７未満の水素対炭素比を有し得る。
ガスは、水素および／または炭素を含むことができる。例えば、ガスは、Ｈ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６、および／または他の炭化水素ガスを含み得る。ガスには硫黄も含み得る。場合によっては、これらのガスは、本明細書に記載されているプロセス中に捕捉されるか、そうでなければ含まれるか、または使用されることのうちの少なくとも１つであり得る。いくつかの実施形態では、方法５００の任意のガス状または揮発性副産物の少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、９５％、または９９％を捕捉することができる。特定のプロセスステップ中に捕捉されたガスは、本明細書に記載されている後続のプロセスステップで使用することができる。場合によっては、本明細書に記載のプロセスによって生成され、その一部として捕捉されたガスを、これらの同じまたは後続のプロセスで利用して、前記プロセスの効率および／または費用効果を高めることができる。場合によっては、副産物の捕捉および再利用により、方法５００の効率を改善し、および／またはコストを下げることができる。
一実施形態において、方法５００は、捕捉された水素ガス（Ｈ２）を捕捉された二酸化炭素（ＣＯ２）（すなわち、合成ガス）と反応させてメタンまたは別の適切なガスまたは液体を形成し、それにより方法５００のカーボンフットプリントを低減するようにすることができる。捕捉された水素および二酸化炭素ガスは、化学的に（例えば、触媒的に）処理されてモノマー化合物（例えば、エチレンおよび／またはプロピレンなどのオレフィン）を形成し、その後、重合して高分子量樹脂化合物になる。一例では、水素を二酸化炭素と反応させることにより、方法５００によって生成される二酸化炭素の量を約１％〜約９９％、例えば約１％〜約２５％、約２０％〜約４０％、または約２５％〜約５０％低減することができる。
一実施形態では、ピッチおよび副産物はすべてブロック５４０で生成される。一実施形態では、ピッチの少なくとも１つおよび副産物の少なくとも１つは、別々の時間または互いに別々の処理ステップで生成することができる。一実施形態では、ピッチおよび副産物の少なくとも１つは、プロセス５００によって、特にブロック５４０中に一緒に生成される。そのような実施形態では、方法５００は、各個々の生成物の行われ得るさらなる処理の前にこれらの生成物を分離することを含むことができる。例えば、ピッチと石炭液化抽出物は、ブロック５３０の結果として同時に生成することがあり、ピッチまたは石炭液化抽出物のいずれかのさらなる処理の前に、現在知られているまたは将来開発される可能性のある任意のプロセスによって、互いに分離する必要があり得る。
一実施形態では、ブロック５４０において生成されたピッチは、ブロック５５０の前においてピッチの化学組成を変えるためのさらなる処理または改良にかけられない。一実施形態では、ブロック５４０において生成されたピッチは、ブロック５５０の前にその化学組成を変えることができる１つまたは複数の処理を受けることができる。一例では、ブロック５４０の後にピッチに残っている望ましくない不純物は、ブロック５５０の前にそこから除去することができる。そのような例では、望ましくない不純物には、ブロック５２０およびブロック５３０の間に除去されるか、または樹脂中に存在するように選択された少なくとも１つの不純物の過剰量が含まれる。一例では、ピッチは、ピッチの水素対炭素比を増加または減少させるために１つ以上のプロセスに供され得る。一例では、ピッチを１つまたは複数のプロセスにかけてメソフェーズピッチを生成するか、さもなければピッチの組成または特性を変えることができる。一実施形態では、１つまたは複数の副生成物を使用して、ブロック５５０において樹脂を形成することもできる。そのような実施形態では、１つ以上の副産物は、本明細書に開示されるプロセスまたは他の任意の適切なプロセスのいずれかを使用して、ブロック５５０の前にその化学組成を変えるためにさらなる処理または精製に供されてもされなくてもよい。
ブロック５５０では、少なくともブロック５４０で生成されたピッチは、処理施設によって処理されて、本明細書で開示される樹脂の少なくとも１つを生成することができる。一実施形態では、ピッチが樹脂を形成するように既に処理されている場合、ブロック５５０は、ピッチまたは樹脂に１つまたは複数の添加剤を加えることを含むことができる。一実施形態では、ピッチまたは樹脂に添加される添加剤は、１つまたは複数の紫外線活性剤などの１つまたは複数の光活性剤を含むことができる。一実施形態では、ピッチまたは樹脂に添加される添加剤は、１つまたは複数の熱活性剤を含むことができる。一実施形態では、添加剤は、任意の適切な触媒を含むことができる。
一実施形態において、ブロック５５０は、処理施設によって石炭液化抽出物を処理して、本明細書に開示される樹脂の少なくとも１つを形成することを含み得る。
ブロック５５０において形成される樹脂は、ポリウレタン樹脂、シアン酸エステル樹脂、エポキシ樹脂、メタクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアクリロニトリル（例えば、ソヒオアクリロニトリルプロセスによって形成される）、または他の任意の適切な樹脂を含み得る。
ブロック５５０中に形成される樹脂は、その中に１つ以上の不純物を含み得る。樹脂中に存在する不純物は、本明細書に開示されている濃度のいずれかで本明細書に開示されている不純物のいずれかを含み得る。例えば、樹脂中に存在する１つ以上の不純物の濃度は、原炭に存在していた１つ以上の不純物の濃度と実質的に同じ（例えば、±１０重量％）か、それより低いか、または高い（例えば、添加物は不純物を含む）むように選択することができる。樹脂の特性は、少なくとも部分的に、樹脂中に存在する１つ以上の不純物に依存し得る。たとえば、１つ以上の樹脂に存在する不純物は、樹脂の弾性（ヤング率）、引張強度、または破壊メカニズムの少なくとも１つに影響を与える可能性がある。一実施形態では、この１つまたは複数の不純物は、原炭中に最初に存在していた少なくとも１つの不純物を含むことができ、それにより、この少なくとも１つの不純物を、原炭、選鉱された石炭、ピッチ、または副産物の少なくとも１つに加える必要性をなくす。一実施形態では、この１つまたは複数の不純物は、原炭、選鉱された石炭、ピッチ、または副産物のうちの少なくとも１つに添加された少なくとも１つの不純物を含むことができる。
一実施形態において、樹脂の水素対炭素比は約０．７〜約１．０、例えば約０．７〜約０．７５、約０．７２５〜約０．０７７５、約０．７５〜約０．８、約０．０７７５〜０．８５、約０．８〜約０．９、約０．８５〜約０．９５、または約０．９〜約１．０であり得る。
一実施形態では、方法５００は、約０．２より大きい、約０．３より大きい、約０．４より大きい、約０．５より大きい、約０．６より大きい、または約０．７より大きい所望の水素対炭素比よりも大きい水素対炭素比を示す炭素材料（例えば、樹脂、ピッチなど）をリサイクルすることを含むことができる。たとえば、水素と炭素の比率が高い炭素材料のリサイクルには、原炭、選鉱された石炭、熱分解石炭、ピッチが処理される前のピッチなどにこの炭素材料を追加することを含み得る。炭素材料をリサイクルすると、方法５００の間に生成される樹脂または他の先進炭素材料の量を増やすことができる。
前述のように、選鉱された石炭は、熱分解プロセス以外の直接液化プロセスを使用して処理することができる。直接液化プロセスは、ナフサを製造するための水素化条件下で石炭から樹脂を製造して、これをさらに「スチームクラッキング」（たとえば、いわゆる「ナフサクラッカー」に変換する）して、軽質オレフィン製品（例えば、エチレン）および／またはプロピレンを製造する。直接液化プロセスの１つの例には、キャットレッツバーグ製油所および中国のシェンファ（Ｓｈｅｎｈｕａ）によって開発され、液体輸送燃料、化学中間体、およびナフサを製造するエッチ−コール（Ｈ−Ｃｏａｌ）プロセスが含まれる。
図６は、一実施形態による、直接液化プロセスを使用して１つまたは複数の樹脂を形成する例示的な方法６００のフローチャートである。ここで別段の開示がある場合を除いて、方法６００は、方法５００と同じまたは実質的に同じである。方法６００は、ブロック６１０で処理設備に石炭を提供することを含むことができる。方法６００は、ブロック６２０で処理設備によって石炭を選鉱し所望量の水、金属、および／またはその他の不純物を除去することも含むことができる。方法６００は、ブロック６３０において、選鉱された石炭の少なくとも一部を処理施設で直接液化プロセスに供することをさらに含み得る。さらに、方法６００はブロック６４０においてピッチを生成することを含み得る。また、方法６００は、ブロック６５０で１つまたは複数の樹脂を生成するようにピッチを変化させることを含むことができる。方法６００は単なる例である。したがって、方法６００の１つまたは複数のブロックは、省略、補足、結合、または分割することができる。さらに、方法６００は、１つまたは複数の追加のプロセスを含むことができる。
ブロック６３０は、直接液化プロセスを使用して選鉱された石炭を処理することを含む。直接液化プロセスは、選鉱された石炭をある時間にわたって所望温度以上に加熱し、それによって選鉱された石炭を液体に変換することを含むことができる。例えば、所望温度は、約４００℃〜約５００℃であり得る。場合によっては、選鉱された石炭は、１つまたは複数の触媒の存在下および／または高圧（例えば、約１０バール〜約１０００バール）で加熱することができる。場合によっては、選鉱された石炭は、Ｈ２を含む雰囲気で加熱することができる。場合によっては、直接液化プロセスは水素化または水素化分解プロセスとすることができる。そのような場合では、直接液化プロセスは水素雰囲気で実行することができる。場合によっては、直接液化プロセス中に溶媒を選鉱された石炭に加えることができる。場合によっては、選鉱された石炭は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１７／０３１３８８６号に記載されているように、アクセンス社（Ａｘｅｎｓ）によって開発された直接液化プロセスに供することができる。
前述のように、選鉱された石炭は、熱分解プロセス以外の間接液化プロセスを使用して処理することができる。間接液化プロセスは、高温ガス化プロセスで原炭から樹脂を生成して、いわゆる合成ガス（例えば、水素ガスと一酸化炭素または二酸化炭素の少なくとも１つの混合物）を形成することを含む。合成ガスは化学的に処理してモノマー化合物を形成し、その後、重合して高分子量の樹脂化合物にすることができる。例えば、合成ガスは、触媒的に軽質オレフィン（例えば、エチレンおよび／またはプロピレン）に変換することができるメタノールに変換することができる。エチレンおよび／またはプロピレンをさらに重合させて、それぞれポリエチレンおよびポリプロピレン樹脂にすることができる。本明細書に開示される間接液化プロセスおよび／または他のプロセス中に形成される軽質オレフィンは、他のポリマー化合物の前駆体にもなり得る。例えば、プロピレンのアンモ酸化は、アクリロニトリルモノマーの形成をもたらし、その後、ポリアクリロニトリルに変換することができる。
図７は、一実施形態による、間接液化プロセスを使用して１つまたは複数の樹脂を形成する例示的な方法７００のフローチャートである。本明細書で別の説明がある場合を除き、方法７００は、方法５００および／または方法６００と同じまたは実質的に同様である。方法７００は、ブロック７１０で処理設備に石炭を提供することを含み得る。方法７００は、ブロック７２０で処理施設によって石炭から所望量の水、金属、および／または他の不純物を除去する石炭の選鉱プロセスを含み得る。方法７００はさらに、ブロック７３０で、選鉱された石炭の少なくとも一部を処理施設で間接液化プロセスに供することを含むことができる。さらに、方法７００は、ブロック７４０において、合成ガスまたは別の石炭由来の生成物（例えば、チャー、ピッチなど）を生成することを含み得る。また、方法７００は、ブロック７５０で１つまたは複数の樹脂を生成するためにピッチを変化させることを含むことができる。方法７００は単なる例である。したがって、方法７００の１つまたは複数のブロックは、省略、補足、結合、または分割することができる。さらに、方法７００は、１つまたは複数の追加のプロセスを含むことができる。
ブロック７３０は、間接液化プロセスを使用して選鉱された石炭を処理することを含む。間接液化プロセスは、選鉱された石炭を１つまたは複数のガスに変換し、次にこの１つまたは複数のガスを１つまたは複数の液体に変換することを含むことができる。この１つまたは複数のガスは、合成ガス（例えば、Ｈ２ガスとＣＯガスの混合物）を含むことができるが、これらに限定されない。一例では、間接液化プロセスは、選鉱された石炭を、所望圧力（例えば、約４０バール〜約６０バール）で所望の持続時間にわたって所望温度（例えば、１４００℃〜約１６００℃）に加熱することを含み得る。一例として、間接液化プロセス中に形成されたガスは、アンモニアまたはメタノールなどの液体または他の材料に変換することができる。間接液化プロセス中に形成されたガスは、所望温度（例えば、約２００℃〜約３５０℃）と所望圧力（たとえば、約１０バール〜約４０バール）で、液体または他の材料に変換することができる。この液体または他の材料はさらに処理して、樹脂、樹種に形成できるポリマー、樹脂の他の前駆体、または樹脂自体にすることができる炭化水素を生成できる。炭化水素には、オレフィン（例えば、エチレンおよびプロピレン）、芳香族炭化水素、トルエン、ベンゼン、パラキシレン、または他の炭化水素を含むことができる。特定の例では、ガスは、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１５／０１４１７２６号に記載されているハネウエルＵＰＯ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＵＯＰ）によって開発されたプロセスによってオレフィンに変換することができる。
前述のように、選鉱された石炭は、熱分解プロセスの代わりに膜を使用して処理することができる。膜を使用して石炭を処理する例には、膜を使用してガス化リアクターで石炭から水素を分離することが含まれる。膜は、１つまたは複数の先進炭素系材料（例えば、１つまたは複数のグラフェン系材料）などの特殊セラミック材料を含むことができる。膜は、比較的低温での石炭からの水素の分離および／またはスラリーベースの石炭の処理を促進することができ、どちらもコストを削減し、１つまたは複数の樹脂を形成するプロセスの効率を改善することができる。選鉱された石炭を処理するために膜を使用する例は、Ｖ．キリアコウ他（Ｖ．Ｋｙｒｉａｋｏｕ ｅｔａｌ．）の、「石炭蒸気ガス化から水素を生成するためのプロトン性セラミック膜反応器（ｐｒｏｔｏｎｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｒｏｍ ｃｏａｌ ｓｔｅａｍ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」、５５３ Ｊ． Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉ１６３（２０１８）、およびフランシス Ｃ．アリラガ他（Ｆｒａｎｃｉｓ Ｃ． Ａｒｒｉｌｌａｇａ、ｅｔ ａｌ）の、「石炭から水素へ（Ｃｏａｌ ｔｏ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）：直接抽出のための新規な膜反応器（Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）」、ＧＣＥＰエネルギーワークショップ（ＧＣＥＰ Ｅｎｅｒｇｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ（２００４）に開示されており、それぞれの開示は、この参照により全体として本明細書に組み込まれる。
図８は、一実施形態による、１つ以上の膜を使用して１つ以上の樹脂を形成する例示的な方法８００のフローチャートである。本明細書に別に述べられている場合を除き、方法８００は、方法５００、方法６００、および／または方法７００と同じまたは実質的に同様である。方法８００は、ブロック８１０で処理設備に石炭を提供することを含むことができる。ブロック８２０で、処理施設によって石炭を選鉱することも含み、所望量の水、金属、および／または他の不純物を石炭から除去する。方法８００はさらに、ブロック８３０の処理施設において、選鉱された石炭の少なくとも一部を１つまたは複数の膜で処理することを含むことができる。さらに、方法８００は、ブロック８４０においてピッチを生成することを含むことができる。また、方法８００は、ブロック８５０で１つまたは複数の樹脂を生成するために方法８００において形成された他の炭素系材料を変化させることを含むことができる。方法８００は単なる例である。したがって、方法８００の１つまたは複数のブロックは、省略、補足、結合、または分割することができる。さらに、方法８００は、１つまたは複数の追加のプロセスを含むことができる。
ブロック８３０は、１つ以上の膜の存在下で選鉱された石炭を処理することを含む。いくつかの例では、これらの膜は、選鉱された石炭を物理的に分離するか、化学的に分離するか、または分解してそこから生成物を生成する少なくとも１つの役割を果たすことができる。膜の例には、先進炭素ベースの材料が含まれる。一実施形態では、これらの生成物は、本明細書に開示される他の液化プロセスによって生成される生成物と実質的に同様であり得るが、他の液化プロセスが必要とする可能性がある量の熱または圧力を使用しない場合がある。したがって、選鉱された石炭を１つまたは複数の膜で処理すると、液化プロセスと実質的に同様の生成物を生成することができるが、そうするために必要とするエネルギーは実質的に少なくてよい。一実施形態では、１つまたは複数の膜は、所望の化合物を単離し、かつ／または選鉱された石炭から所望の化合物を生成するために、様々な細孔サイズ、化学特性、物理特性、または電気特性を含むことができる。
選鉱された石炭は、本明細書に開示される熱分解プロセス、本明細書に開示される直接液化プロセス、本明細書に開示される間接液化プロセス、または膜を使用する本明細書に開示されるプロセス以外の他のプロセスを使用して処理することができる。一例では、選鉱された石炭は、電気アークプロセスを使用して処理することができる。一例において、選鉱石炭は、超臨界溶媒抽出プロセスを使用して処理することができる。選鉱炭を処理するために使用できる超臨界溶媒抽出プロセスの例は、ジョナサンｊ．コラック（Ｊｏｎａｔｈａｎ Ｊ． Ｋｏｌａｋ）の「石炭サンプルの超臨界流体抽出手順、その後の抽出炭化水素の分析、ＵＳＧＳ（２００６）」およびイェスン他（Ｙｅ Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ）の「超臨界二酸化炭素／１−メチル−２−ピロリドン混合溶媒による石炭抽出の評価（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ／１−Ｍｅｔｈｙｌ−２−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ Ｍｉｘｅｄ Ｓｏｌｖｅｎｔ）に開示されている。
石炭は、その内容および特性に基づいてランク付けまたは等級付けすることができる。さまざまな石炭分類スキームが存在するが、ここでは、一般的な変成グレードを使用して原炭を一般的に説明する。これらの等級は、概ね本開示の理解を助けるために使用されるが、本明細書に記載の炭素繊維、および任意選択的な、１つまたは複数の追加の先進炭素材料を生成するために使用できる石炭のタイプに限定することを意図しない。石炭の特定の分類は、本明細書に記載されるプロセスでの使用に好ましい可能性があるが、そのようなプロセスは、議論された石炭の分類に、それがもしあったとしても、厳密に限定されない。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるプロセスによって利用される石炭は褐炭とすることができ、約４５重量％を超える揮発性含有物を有し得る。いくつかの実施形態では、石炭は、亜瀝青炭、歴青炭、および／または無煙炭とすることができる。いくつかの実施形態では、石炭は、ワイオミング州シェリダン近くのブルック鉱山から抽出された石炭とすることができる。場合によっては、本明細書に記載されているプロセスで使用するのに好ましい石炭は、当業者が選択することができる。いくつかの実施形態によれば、図９に示されるように、グラフェンまたは別の先進炭素材料は、以下を含む方法またはプロセス９００によって石炭から生成され得る。
ブロック９１０において処理施設に石炭を提供する。
ブロック９２０で、処理施設によって石炭を選鉱して所望量の水、金属、および／または他の不純物を石炭から除去する。
ブロック９３０で、処理施設によって選鉱された石炭の少なくとも一部を処理する。
ブロック９４０でピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物を生成する。そして
ブロック９５０で、処理設備によってピッチを処理してグラフェンまたは他の先進炭素材料を生成する。
方法９００は、処理施設によって単一タイプの先進炭素材料を生成するためのプロセスフローを説明しているが、方法９００は、処理施設によって複数のタイプの先進炭素材料を生成するために使用できる。例えば、方法９００は、ある量の第１の先進炭素材料を生成するために利用でき、その後、ある量の第２の異なる先進炭素材料を生成するために使用できる。ただし、場合によっては、処理施設は、方法９００を利用した並行処理によって、２つ以上の異なるタイプの先進炭素材料を生成できる場合がある。さらに、ピッチ、チャー、および／または石炭液化抽出物を生成することは、別個のブロック９４０として説明されるが、チャーおよび／または石炭液化抽出物は、ブロック９２０および／または９３０の結果として生成され得、それ自体では別個のプロセスステップではないものとすることができる。
本明細書で説明するように、原炭は、方法９００で使用するためにブロック９１０で処理設備に提供することができる。処理設備は、必要に応じて使用するための原炭を貯蔵する能力を有するか、または所望量の先進炭素材料を生成するために必要に応じて原炭を受け取ることができる。当技術分野でよく知られているように、石炭は、トラック、列車、または任意の他の形態の輸送によって提供することができる。さらに、処理施設は、石炭採掘サイトに配置することができ、石炭採掘サイトは処理施設の一部と考えることができる。
ブロック９２０において、水、重金属、および／または揮発性化合物などの汚染物質または不純物を原炭から除去するために選鉱され、それによって選鉱またはアップグレードされた石炭を生成することができる。場合によっては、選鉱プロセスは、原炭を第１の持続時間の間所望の温度に加熱することを含むことができる。いくつかの実施形態では、選鉱は、原炭を第２の持続時間の第２のより高い所望の温度に加熱することも含み得る。いくつかの実施形態では、石炭は、ハロゲンガスを含む雰囲気中で加熱することができる。一部の実施形態では、選鉱は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第９，１８１，５０９号に記載されているように、原炭をライトコール（ＷＲＩＴＥＣｏａｌ）選鉱プロセスに供することを含むことができる。いくつかの他の実施形態では、１つまたは複数の触媒化合物の存在下で石炭を所望温度に加熱することによって、石炭を選鉱することができる。いくつかの場合では、石炭を選鉱することは、例えば触媒の存在下で石炭を熱分解することを含み得る。場合によっては、エルピアミナ（ＬＰ Ａｍｉｎａ）によって開発およびライセンスされ、たとえば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開番号２０１７／０１９８２２１に記載されているように、石炭はベネプラス（ＢｅｎｅＰｌｕｓ）システムによって選鉱することができる。
選鉱された石炭は、著しく減少した量の水銀、カドミウム、他の重金属、水、および／または他の不純物を含むことができる。本明細書で使用する場合、不純物は、炭素または水素以外の任意の元素または化合物と考えることができる。例えば、石炭を選鉱することにより、石炭中の水銀の量を少なくとも約７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、または９２％以上削減することができる。場合によっては、石炭を選鉱することにより、石炭の水または水分含有量を約５重量％、４重量％、３重量％、２重量％、または１．５重量％以下に減少することができる。場合によっては、石炭を選鉱することにより、水素、硫黄、酸素、ヒ素、セレン、カドミウム、または揮発性物質の１つ以上を石炭から除去できる。石炭中のこれらの要素の１つ以上の量は、約２５％〜約９０％まで低減することができる。
しかしながら、場合によっては、選鉱プロセスに供された後、選鉱された石炭中に所望の量の１つ以上の不純物が残ることが望ましい場合がある。例えば、いくつかの実施形態では、選鉱プロセスは、所定量のカドミウム、セレン、または別の元素が処理後の選鉱された石炭中に残ることができるように、所望の量の不純物を除去することができる。場合によっては、選鉱後の石炭中に残存する可能性のある所望の量の不純物は、その後の先進炭素材料の形成に有用であり得、および／または先進炭素材料に組み込まれ得る。例えば、先進炭素材料が合成グラフェンを含むいくつかの実施形態では、所望の量のカドミウムが選鉱された石炭に残り、合成グラフェンに組み込まれ、それによってその電気的、機械的、または化学的特性を改善することができる。
いくつかの実施形態では、石炭を選鉱することにより、後の処理ステップで捕捉および使用でき、それ自体で価値があるか、またはさらなる処理または方法９００での使用に供することができる様々な他の生成物を生成することができる。すなわち、いくつかの実施形態では、石炭を選鉱することにより、原炭からガスまたは液体を生成または分離することができる。これらのガスおよび／または液体は、処理中に捕捉または分離することができる。例えば、ブロック９２０で石炭を選鉱することは、Ｈ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６、および／または他の炭化水素ガスを生成し得、これらはブロック９３０または他のプロセスステップで捕捉され、その後利用され得る。場合によっては、石炭を選鉱すると、トルエンやベンゼンなどの液体が発生し、その後の使用や処理のために回収できる。場合によっては、ブロック９２０での選鉱プロセスによって石炭から除去された不純物は、その後の使用のために捕捉することができる。例えば、選鉱プロセスによって石炭から除去された水は捕獲され、後続のプロセスステップで利用され得る。いくつかの実施形態では、石炭を選鉱することにより、灰またはチャーとして知られる固体材料を生成することもできる。場合によっては、このチャーをさらに処理して活性化された活性炭を形成することができる。
ブロック９３０で選鉱された石炭はアップグレードされた石炭とも呼ばれ、処理施設によって処理することができる。いくつかの実施形態では、選鉱された石炭を処理することは、アップグレードされた石炭を熱分解プロセス、直接液化プロセス、間接液化プロセス、または１つ以上の膜を含むプロセスなどの液体抽出プロセスに供することを含み得る。
いくつかの実施形態では、ブロック９３０は、処理施設によって選鉱された石炭を熱分解することを含むことができる。いくつかの実施形態では、選鉱された石炭を熱分解することは、持続時間の間、石炭を所望温度以上で加熱することを含むことができる。場合によっては、石炭は高圧下で溶媒の存在下で加熱できる。例えば、アップグレードされた石炭は、超臨界状態に保持できるＣＯ２溶媒の存在下で熱分解できる。場合によっては、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第１０，１４４，８７４号に記載されているテラパワー（ＴｅｒｒａＰｏｗｅｒ）によって開発されたＭｕＳＣＬシステムによって熱分解することができる。
いくつかの実施形態では、熱分解プロセスは、アップグレードされた石炭を所望強度および所望持続時間で電磁放射線に曝露することを含むことができる。たとえば、ブロック９３０は、熱分解プロセスの一部として、アップグレードされた石炭をマイクロ波および／または高周波（ＲＦ）放射線に所望の期間曝すことを含むことができる。場合によっては、この熱分解プロセスにより、アップグレードされた石炭の大部分が熱分解温度未満に留まる可能性があるが、石炭の個々の粒子は約６４９℃（約１２００°Ｆ）以上の温度に曝される可能性がある。場合によっては、この熱分解プロセスは、高品質石炭を構成する炭素の少なくとも一部のメタン活性化および／またはメチル化を含むこともでる。一部の実施形態では、アップグレードされた石炭は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１７／００８０３９９号に記載されている、エイチ クエスト ヴァンガード社（Ｈ Ｑｕｅｓｔ Ｖａｎｇｕａｒｄ、Ｉｎｃ．）によって開発された波液化プロセスによって熱分解することができる。
いくつかの実施形態では、ブロック９３０は、ブロック９２０のアップグレードされた石炭を液化プロセスに供することを含むことができる。いくつかの実施形態では、液化プロセスは、直接液化プロセスであり得る。いくつかの他の実施形態では、液化プロセスは、間接液化プロセスであり得る。
ブロック９３０が直接液化プロセスを含むいくつかの場合において、アップグレードされた石炭は、持続時間の間、所望温度を超えて加熱することができる。場合によっては、アップグレードされた石炭は、１つまたは複数の触媒の存在下および／または高圧で加熱することができる。場合によっては、高品質の石炭はＨ２を含む雰囲気で加熱できる。場合によっては、直接液化プロセスは水素化または水素化分解プロセスとすることができる。場合によっては、アップグレードされた石炭は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１７／０３１３８８６号に記載されているアクセンス社（Ａｘｅｎｓ）によって開発された直接液化プロセスに供することができる。
いくつかの実施形態では、ブロック９３０は間接液化プロセスを含むことができ、そこではアップグレードされた石炭は、１つまたは複数の液体に変換することができる１つまたは複数のガスに変換することができる。例えば、間接液化プロセスは、アップグレードされた石炭を高圧などの所望圧力で、所望持続時間、所望温度まで加熱することを含むことができる。場合によっては、これにより、アップグレードされた石炭の少なくとも一部が、合成ガス、Ｈ２ガスとＣＯガスの混合物などのガスに変換される。いくつかの例では、合成ガスなどのこれらのガスは、液体または他の材料に変換される。例えば、合成ガスは、アンモニアまたはメタノールに変換することができ、これらは炭化水素を生成するためにさらに処理することができる。場合によっては、ガスを処理して、最終的にエチレンやプロピレンなどのオレフィンを生成できる。場合によっては、ガスを処理して、芳香族炭化水素などの炭化水素を生成することができる。場合によっては、ガスを処理して、トルエン、ベンゼン、パラキシレンなどの炭化水素や、ポリマーや樹脂などのその他の炭化水素を生成できる。場合によっては、ガスは、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１５／０１４１７２６号に記載されているハネウエルＵＯＰ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＵＯＰ）によって開発されたプロセスによってオレフィンに変換することができる。場合によっては、アップグレードされた石炭は間接液化プロセスにかけられることがある。
いくつかの実施形態では、ブロック９３０は、１つまたは複数の膜の存在下で選鉱された石炭を処理することを含むことができる。場合によっては、これらの膜は、選鉱された石炭を物理的および／または化学的に分離および／または分解して、そこから生成物を生成する役割を果たすことができる。場合によっては、これらの製品は、液化プロセスによって作られる生成物と実質的に同じである可能性があるが、液化プロセスが必要とする可能性のある熱または圧力の量を使用しないようにすることができる。したがって、場合によっては、選鉱された石炭を１つ以上の膜で処理すると、液化プロセスと実質的に同様の生成物を作るのに必要なエネルギーを大幅に少なくすることが可能である。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の膜は、望ましい化合物を単離し、かつ／または選鉱された石炭から望ましい化合物を生成するための様々な細孔サイズ、化学特性、物理特性、または電気特性を含むことができる。
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の添加剤をブロック９４０で選鉱石炭に加えることができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の他のガスまたは液体をブロック９４０のプロセス中に使用することができる。例えば、水素含有ガスは、石炭液化プロセスに添加または使用することができる。場合によっては、天然ガス、ＣＯ２、または石油生成物をブロック９３０において添加剤として使用できる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の添加剤は、ブロック９２０および／または９３０中に生成されるか、またはプロセス９００の以前の反復中に生成されるかまたは捕捉されることができる材料または化合物を含むことができる。
ブロック９４０において、ピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化油が、処理施設によって生成される。当業者は、ブロック９４０が、別個のアクションまたはプロセスステップではなく、ブロック９２０および９４０の結果を表すことができることを理解するであろう。ブロック９１０−９５０が一緒になって方法９００を規定するが、この方法は、本明細書で説明される追加のステップを含むことができる。
いくつかの実施形態では、ピッチは、ブロック９４０で処理設備によって生成され得る。本明細書で使用する場合、ピッチは、コールピッチ、コールタール、またはコールタールピッチとしても知られ、当業者にはよく理解されているように、１つまたは複数の典型的な粘弾性ポリマーの混合物を指すことができる。いくつかの実施形態では、ブロック９４０で生成されたピッチは、ステップ９３０での選鉱された石炭の処理の直接的な結果であり得る。ブロック９４０で生成されたピッチは、１つまたは複数の高分子量ポリマーを含むことができる。いくつかの実施形態では、ピッチは、約３４３℃（約６５０°Ｆ）を超える融点を有することができる。いくつかの実施形態では、ピッチは、例えば本明細書に記載されているように、可塑剤を必要とせずにピッチを炭素繊維紡糸プロセスで使用できるのに十分に高い融点を有することができる。
いくつかの実施形態では、ピッチは、芳香族炭化水素、例えば多環式芳香族炭化水素を含むことができる。場合によっては、ピッチは少なくとも約５０重量％、少なくとも約６０重量％、７０重量％、８０重量％、９０重量％、９５重量％、または９９重量％以上の多環式芳香族炭化水素を含み得る。いくつかの実施形態では、ピッチは、水、硫黄または窒素を含む非炭素原子、または石炭灰またはチャーなどの材料などの不純物を比較的含まない可能性がある。場合によっては、ピッチは、約０．２重量％未満、約０．１重量％未満、約０．０５重量％未満、約０．０１重量％の水またはより低い量の水を含む。場合によっては、ピッチは約０．１重量％未満、約０．０５重量％未満、約０．０１重量％未満の灰または他の固形物質を含む。場合によっては、ピッチの引火点が約１１０℃（約２３０°Ｆ）以上、約１２１℃（約２５０°Ｆ）以上、または約１４９℃（約３００°Ｆ）以上であり得る。場合によっては、ピッチは約４未満、約３未満、または約２未満、またはそれ以下のＡＰＩ重力を持つことができる。一部の実施形態では、ピッチは、約１：１の水素対炭素（Ｈ：Ｃ）比を有することができる。いくつかの実施形態では、ピッチは等方性ピッチであり得る。いくつかの実施形態では、方法９００によって生成されるピッチはコークスピッチではない。すなわち、場合によっては、ブロック９４０で生成されたピッチは、コークスまたはコークスベースの材料から生成されない。いくつかの実施形態では、方法９００中のどの時点でもコークスは生成されない。
いくつかの実施形態では、チャーは、ブロック９４０で処理施設によって生成され得る。
本明細書で使用されるように、灰としても知られるチャーは、ガス、液体、および／またはピッチが原炭から除去された後に残る任意の固体材料を指すことができる。例えば、いくつかの実施形態では、ブロック９２０での原炭の選鉱中にチャーを生成することができる。いくつかの実施形態では、チャーは、ブロック９３０の処理によって生成され得る。一部の実施形態では、ブロック９２０および９３０の結果としてチャーを生成することができる。
いくつかの実施形態では、チャーは、固体の高表面積炭素質材料を含むことができる。場合によっては、チャーは比較的低いＨ：Ｃ比、例えば、ブロック９４０で生成されたピッチのＨ：Ｃ比よりも低い可能性がある。場合によっては、チャーは約０．０５〜約０．６５のＨ：Ｃ比となり得る。場合によっては、チャーは、本明細書では固有バインダー含浸と呼ぶことができる少なくともいくつかのピッチ材料をさらに含むことができる。場合によっては、チャーのその後の処理の前に、残留ピッチまたは他の気体または液体の材料をチャーから除去することができる
いくつかの実施形態では、ブロック９４０で生成された任意のチャーは、例えば、活性炭などの先進炭素材料を生成するために、さらなる処理を受けることができる。場合によっては、チャーはこのさらなる処理の一部として、たとえばロータリーキルンで炭化または加熱することができる。場合によっては、例えば、物理的活性化プロセスまたは化学的活性化プロセスによってチャーを活性化することができる。場合によっては、物理的活性化は、チャーをアルゴンおよび／または窒素を含む雰囲気中で加熱すること、またはチャーを酸化雰囲気中で加熱することを含むことができる。場合によっては、化学的活性化は、酸、塩基、または塩などの１つまたは複数の化学物質をチャーに含浸させることを含むことができる。場合によっては、化学的活性化は、含浸チャーを炭化または加熱して活性化することをさらに含むことができる。場合によっては、化学的活性化は物理的活性化よりも低い温度と少ないエネルギーで行うことが可能である。さらに、場合によっては、方法９００によって生成された化学副産物は、化学的活性化プロセス中に利用することができる。
いくつかの実施形態では、ブロック９４０で処理設備によって１つまたは複数の液体を生成することができる。これらの液体は、本明細書ではまとめて石炭液化抽出物と呼ばれ、原炭から抽出または生成され、常温または常圧またはその付近（約２０℃（約６８°Ｆ）および１気圧）で液体である任意の材料を指す。例えば、いくつかの実施形態では、ブロック９２０での原炭の選鉱中に石炭液化抽出物を生成することができる。いくつかの実施形態では、石炭液化抽出物は、ブロック９３０の処理によって生成することができる。いくつかの実施形態では、石炭液化抽出物は、ブロック９２０および９３０の結果として生成され得る。
いくつかの実施形態では、ブロック９４０で、処理設備によって１つまたは複数のガスを生成することができ、後で使用または再利用するために捕捉することができる。いくつかの実施形態では、これらのガスはブロック９２０での原炭の選鉱中に生成され得る。いくつかの実施形態では、ガスはブロック９３０の処理によって生成され得る。一部の実施形態では、ブロック９２０および９３０の結果としてガスが生成され得る。いくつかの実施形態では、捕捉されたガスは、水素および／または炭素を含むことができる。場合によっては、捕捉されたガスは硫黄を含むことがある。そのようなガスは、例えば、Ｈ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６、および／または他の炭化水素ガスを含むことができる。本明細書で説明するように、場合によっては、方法９００によって生成された捕捉ガス自体を前駆体として使用して、先進炭素材料を形成することができる。
いくつかの実施形態では、石炭液化抽出物は１つまたは複数の液体炭化水素を含むことができる。例えば、石炭液化抽出物は、ベンゼン、トルエン、アルカンまたはパラフィン、アルケン、または他の飽和または不飽和炭化水素の１つ以上を含むことができる。いくつかの実施形態では、ブロック９４０で生成された石炭液化抽出物は、例えば特定の液体を精製または単離するため、または他の液体化合物に変換するために、さらなる処理にかけることができる。例えば、１つ以上の石炭液化抽出物をベンゼンおよび／またはパラキシレンに変換するプロセスにかけることができる。いくつかの例では、石炭液化抽出物を処理して、樹脂やポリマーなどの先進炭素材料を生成することができる。場合によっては、石炭液化抽出物を処理して、ポリウレタン樹脂、シアン酸エステル樹脂、エポキシ樹脂、メタクリレート樹脂、ポリエステル樹脂などを形成できる。
ピッチ、チャー、ガス、および石炭液化抽出物はすべてブロック９４０で生成されるものとして説明されているが、いくつかの実施形態では、これらの生成物の１つまたは複数は別の時間または別の処理ステップで他の生成物から生成されるようにすることができる。
いくつかの実施形態では、ピッチ、チャー、および石炭の液体抽出物の１つまたは複数は、１つのプロセスステップによって一緒に生成されることがあり、各個々の生成物のさらなる処理を行う前に分離する必要がある場合がある。例えば、ピッチおよび石炭の石炭液化抽出物は、ブロック９３０の結果として同時に生成することができ、ピッチまたは石炭液化抽出物のいずれかのさらなる処理の前に、現在知られている、または将来開発される可能性がある任意のプロセスによって、互いに分離する必要があり得る。したがって、方法９００は、ブロック９５０の前に、ピッチ、チャー、および石炭液化抽出物の１つまたは複数を互いに分離するさらなるステップを含むことができる。
ブロック９５０では、ブロック９４０で生成されたピッチを処理施設によって処理して、本明細書で説明される１つまたは複数の先進炭素材料を生成することができる。いくつかの実施形態では、ブロック９４０のピッチは、先進炭素材料を形成するために処理される前に、ピッチの化学組成を変えるためのさらなる処理または改良に供されない。しかしながら、いくつかの他の実施形態では、ピッチは、ブロック９５０の前にピッチの化学組成を変えることができる１つまたは複数のプロセスにかけることができる。例えば、不純物をブロック９５０の前にピッチから除去することができる。場合によっては、ピッチを１つまたは複数のプロセスに供して、メソフェーズピッチを生成するか、さもなければピッチの組成または特性を変えることができる。
いくつかの実施形態では、ブロック９５０は、ピッチを処理して合成グラファイトを形成することを含むことができる。いくつかの場合では、合成グラファイトをさらに処理して合成グラフェンを形成する。例えば、いくつかの実施形態において、ブロック９５０は、例えば、熱、高圧、および／または１つ以上の触媒への曝露によってピッチを処理して、合成グラファイトを形成することを含み得る。本明細書で使用する場合、合成グラファイトという用語は、前駆体材料から生成された任意のグラファイト材料、例えば、地球で自然に発生しない任意のグラファイト材料を指すために使用される。いくつかの実施形態では、ブロック９５０は、合成グラファイトを形成するために合成グラフェンを処理または処理することをさらに含むことができる。本明細書で使用される場合、合成グラフェンは、合成グラファイトから生成または誘導されたグラフェン材料を指す。例えば、ブロック９５０は、合成グラファイトを機械的剥離に供して合成グラフェンを生成することを含み得る。
いくつかの実施形態では、方法９００は、ブロック９１０−９５０を含む方法９００の結果として生成され得るガス、液体、または他の揮発性化合物の少なくともいくつかを捕捉することをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、方法９００の任意のガス状または揮発性副産物の少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、９５％、または９９％を捕捉することができる。場合によっては、これらの捕捉または残留するガス状または揮発性副産物の一部またはすべてを方法９００のステップで使用できる。たとえば、ＣＯ２ガスは、方法９００の１つ以上のステップで生成され、捕捉され、その後、方法９００のいずれかのステップで使用される。いくつかの場合では、副産物の捕捉および再利用は、方法９００の効率を改善し、および／またはコストを下げることができる。
いくつかの実施形態によれば、先進炭素材料は、以下を含む方法またはプロセスによって石炭から生成することができる。
石炭を処理施設に提供し；
この処理施設によって石炭を選鉱して、所望量の水、金属、揮発性化合物、および他の不純物を石炭から除去し；
同処理施設によって、選鉱された石炭の少なくとも一部を処理し；
ピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物を生成し；そして
ピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物の１つまたは複数を、同処理設備によって処理して１つまたは複数の先進炭素材料を生成する。
いくつかの実施形態によれば、図１０に示されるように、先進炭素材料は、以下を含む方法またはプロセス１０００によって石炭から生成され得る。
ブロック１０１０において、処理施設に石炭を提供し；
ブロック１０２０で、同処理施設によって石炭を選鉱して所望量の水、金属、および他の不純物を石炭から除去し；
ブロック１０３０で、同処理施設によって、選鉱された石炭の少なくとも一部を熱分解し；
ブロック１０４０でピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物を生成し；そして
ブロック１０５０で、同処理施設によってピッチ、チャー、ガス、および石炭液化抽出物の少なくとも１つを処理して先進炭素材料を生成する。方法１０００は、処理施設によって単一のタイプの先進炭素材料を生成するためのプロセスフローを説明しているが、方法１０００は、同処理施設によって複数のタイプの先進炭素材料を生成するために使用できる。例えば、方法１０００は、ある量の第１の先進炭素材料を生成するために利用でき、その後、ある量の第２の異なる先進炭素材料を生成するために使用できる。しかしながら、場合によっては、この処理施設は、方法１０００を利用する並行処理によって２つ以上の異なるタイプの先進炭素材料を生成するようにすることができる。さらに、ピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物を生成することは、独立したブロック１０４０として説明されるが、ブロック１０２０および／または１０３０の結果として生成され得るものであり、それ自体が独立したプロセスステップではない場合がある。
いくつかの実施形態によれば、図１１に示されるように、先進炭素材料は、以下を含む方法またはプロセス１１００によって石炭から製造することができる。
ブロック１１１０で、処理施設に石炭を提供し；
ブロック１１２０で、同処理施設によって石炭を選鉱して、所望量の水、金属、および他の不純物を石炭から除去し；
ブロック１１３０で、同処理施設によって、選鉱された石炭の少なくとも一部を直接液化プロセスにかけ；
ブロック１１４０でピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物を生成し；そして
ブロック１１５０で、同処理施設によってピッチ、チャー、ガス、および石炭液化抽出物の少なくとも１つを処理して、先進炭素材料を生成する。
方法１１００は、処理施設によって単一のタイプの先進炭素材料を生成するためのプロセスフローを示しているが、この処理施設によって複数のタイプの先進炭素材料を生成するために使用できる。例えば、方法１１００は、ある量の第１の先進炭素材料を生成するために利用でき、その後、ある量の第２の異なる先進炭素材料を生成するために使用できる。しかしながら、いくつかの場合は、この処理施設は、方法１１００を利用する並行処理によって２つ以上の異なるタイプの先進炭素材料を生成することができるにすることができる。さらに、ピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物を生成することは、独立のブロック１１４０として説明されるが、ピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物は、ブロック１１２０および／または１１３０の結果として生成されるようにすることができ、それ自体が独立したプロセスステップではない場合がある。いくつかの実施形態によれば、図３に示されるように。図１２に示されるように、先進炭素材料は、以下を含む方法またはプロセス１２００によって石炭から製造することができる。
ブロック１２１０において、処理施設に石炭を提供し；
ブロック１２２０で、同処理施設によって石炭を選鉱して、所望量の水、金属、および他の不純物を石炭から除去し；
ブロック１２３０で、同処理施設によって選鉱された石炭の少なくとも一部を間接液化プロセスにかけ；
ブロック１２４０でピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物を生成し；そして
ブロック１２５０において、同処理施設によってピッチ、チャー、ガス、および石炭液化抽出物の少なくとも１つを処理して、先進炭素材料を生成する。
方法１２００は、処理施設によって単一タイプの先進炭素材料を生成するためのプロセスフローを説明しているが、この処理施設によって複数のタイプの高度炭素材料を生成することができる。例えば、方法１２００は、ある量の第１の先進炭素材料を生成するために利用でき、その後、ある量の第２の異なる先進炭素材料を生成するために使用できる。しかしながら、場合によっては、この処理施設は、方法１２００を利用する並行処理によって２つ以上の異なるタイプの先進炭素材料を生成することができるようにすることができる。さらに、ピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物を生成することは、独立のブロック１２４０として説明されるが、ピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物は、ブロック１２２０および／または１２３０の結果として生成され得るものであり、それ自体が独立したプロセスステップではない場合がある。
図１３は、一実施形態による、石炭から炭素繊維を、および任意選択で１つまたは複数の先進炭素材料を製造する方法１３００の例の材料流れ図を示す。本明細書で他に開示されている場合を除いて、方法１３００は、図１〜図１２の方法１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、または１２００のいずれかと同じまたは実質的に同じである。例えば、方法１３００は、図１〜図１２の方法１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、または１２００のうちの２つ以上の組み合わせであり得る。ブロック１３１０では、例えば、ハイウォールマイニングなどの採掘プロセスによって、原炭が処理施設に提供される。原炭は、本明細書に開示されている原炭のいずれかを含むことができる。次に、原炭を選鉱プロセスにかけて、本明細書でブロック１３２０において所望量の水、金属、揮発性物質、および本明細書で説明した他の不純物を除去する。この選鉱プロセスは、本明細書に開示されている選鉱プロセスのいずれかを含むことができる。場合によっては、選鉱プロセスでは、選鉱された石炭のほかに、チャー（ブロック１３４２）やガスや石炭液化抽出物（１３４６）などの副産物が生成されることがある。選鉱された石炭は、ブロック１３３０において、液体抽出プロセス（例えば、熱分解、直接液化、または間接液化プロセス）に供されて、本明細書に記載されるように、ピッチを生成することができる（ブロック１３４０）。この場合も、いくつかの場合において、ブロック１３４０の熱分解または液化プロセスは、チャー（ブロック１３４２）および石炭液化抽出物およびガス（ブロック１３４６）などの副産物を生成する可能性がある。いくつかの場合において、チャー１３４２は、ブロック１３６０で処理または処理されて、本明細書に記載されるように、追加の先進炭素材料、例えば、活性炭（ブロック１３４４）を生成することができる。場合によっては、石炭液化抽出物１３４６をブロック１３７０で処理して、本明細書で説明するように、炭化水素（例えば、ベンゼンおよびパラキシレン）、炭素繊維、または他の追加の先進炭素材料（ブロック１３４８）の少なくとも１つを生成することができる。本明細書で説明するように、ブロック１３５０で、ピッチを処理して炭素繊維を生成することができる（ブロック１３８０）。一実施形態では、ブロック１３８０はまた、ピッチを処理して、本明細書で説明するように、炭素繊維に加えて１つまたは複数の追加の先進炭素材料を生成することを含むことができる。
いくつかの実施形態では、方法１３００は、単一の処理施設で完全に実行することができる。しかしながら、他のいくつかのケースでは、１つ以上のブロックは、異なる処理施設および／または異なる場所で実行され得る。例えば、チャー１３４２または石炭液化抽出物１３４６は、ブロック１３６０および１３７０を実行することができる第２の場所に輸送することができる。
本明細書に記載されているプロセスは、石炭からの炭素ベースの炭素繊維および追加の先進炭素材料の製造に関するが、いくつかの実施形態では、これらのプロセスを利用して、シリコーン炭素繊維などのシリコン製品を製造することができる。例えば、いくつかの実施形態では、シリコンを含む砂または他の原材料を本明細書に記載のプロセスおよび方法で使用して、１つまたは複数のシリコーン炭素繊維を生成することができる。
本明細書に記載されているプロセスは、石炭からの炭素ベースの炭素繊維および追加の先進炭素材料の製造に関するが、いくつかの実施形態では、これらのプロセスを利用して、シリコーン炭素繊維などのシリコン製品を製造することができる。例えば、いくつかの実施形態では、砂を含む砂または他の原材料を本明細書に記載のプロセスおよび方法で使用して、１つまたは複数のシリコーン樹脂を生成することができる。
いくつかの実施形態によれば、図１４に示されるように、合成グラフェンが、以下を含む方法またはプロセス１４００によって石炭から生成され得る：
ブロック１４１０で、処理施設に石炭を提供し；
ブロック１４２０で、同処理施設によって石炭を選鉱して、所望量の水、水銀、カドミウム、セレン、他の重金属、および／または他の不純物を石炭から除去し；
ブロック１４３０で、同処理施設によって選鉱された石炭の少なくとも一部を処理し；
ブロック１４４０でピッチ、チャー、ガス、および／または石炭液化抽出物を生成し；そして
ブロック１４５０で、同処理施設によってピッチ、チャー、ガス、および石炭液化抽出物の少なくとも１つを処理して合成グラファイトを生成し；
ブロック１４６０で、同処理設備によって合成グラファイトを処理して合成グラフェンを生成する。
本明細書に記載されるように、所望量の１つ以上の不純物は、ブロック１４２０で選鉱された石炭中に残り、ブロック１４６０で生成された合成グラフェンに組み込まれて合成グラフェンの化学的、電気的および／または物理的を調整するようにすることができる。
いくつかの実施形態によれば、図１５に示されるように、グラフェンまたは別の先進炭素材料は、ブロック１５１０で石炭を熱処理すること、および石炭が熱処理から少なくとも部分的に冷却された後に石炭から還元酸化グラフェンを形成することを含む方法またはプロセス１５００によって石炭から製造できる。石炭から還元酸化グラフェンを形成するには、ブロック１５２０で石炭を酸化して石炭酸化物を形成し；ブロック１５３０で石炭酸化物を遠心分離し；遠心分離した後、ブロック１５４０で酸化グラフェンを含む石炭酸化物から沈殿物を収集し；ブロック１５５０で酸化グラフェンを還元して、還元酸化グラフェンを生成する。他の実施形態では、化学蒸着またはカーボンドットの形成など、他の活動を使用して、熱処理された石炭からグラフェンを形成することができる。
方法１５００は、グラフェンを生成するためのプロセスフローを示しているが、方法１５００を使用して２つ以上のタイプの先進炭素材料を生成することができる。例えば、方法１５００は、ある量の第１の先進炭素材料を生成するために利用でき、その後、ある量の第２の異なる先進炭素材料を生成するために使用できる。しかしながら、場合によっては、方法１５００を利用する並行処理によって２つ以上の異なるタイプの先進炭素材料を生成することができる。さらに、方法１５００の様々なステップは、それぞれ複数のステップを含むことができ、方法１５００の様々なステップは、それ自体で個別のプロセスステップでなくてもよい。
ブロック１５１０で熱的に処理される石炭は、上述したような原炭、または少なくとも部分的に処理される石炭を含むことができる。生または少なくとも部分的に処理された石炭は、適切なまたは所定のサイズに粉砕された石炭を含むことができる。石炭を熱処理することは、より詳細に上述したように、汚染物質または不純物を除去するために石炭を選鉱することを含むことができる。この開示に従って石炭を熱処理することはまた、その開示は参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，４０３，３６５号に記載されているいずれの処理をも含むことができる。
多くの実施形態では、石炭を熱処理することは、少なくとも約１４９℃（約３００°Ｆ）の温度で石炭を熱処理することを含むことができる。より具体的には、いくつかの実施形態では、石炭の熱処理は、石炭を約１７７℃（約３５０゜Ｆ）を超えない第１の温度に加熱すること、石炭を水銀除去反応器に移送すること、水銀除去反応器内の石炭を少なくとも２６０℃（５００゜Ｆ）の第２の温度に加熱すること、石炭を不活性ガスと接触させて、石炭中に存在する水銀の少なくとも一部を除去することを含むことができる。
いくつかの実施形態では、石炭を１７７℃（３５０°Ｆ）を超えない第１の温度に加熱することは、石炭を約１２１℃〜約１７７℃（約２５０°Ｆ〜約３５０°Ｆ）、約１３５℃〜約１６３℃（約２７５゜Ｆ〜約３２５゜Ｆ）、約１４０℃〜約１５７℃（約２８５゜Ｆ〜約３１５゜Ｆ）、約１４６℃〜約１５２℃（約２９５゜Ｆ〜約３０５゜Ｆ）、約１４５℃〜約１４９℃（約２９５゜Ｆ〜約３００゜Ｆ）、約１４９℃〜約１５２℃（約３００゜Ｆ〜約３０５゜Ｆ）、約１４３℃（約２９０゜Ｆ）、約１４６℃（約２９５゜Ｆ）、約１４９℃（約３００゜Ｆ）、約１４９℃（約３０１゜Ｆ）、約１５０℃（約３０２゜Ｆ）、約１５１℃（約３０３゜Ｆ）、約１５１℃（約３０４゜Ｆ）、約１５２℃（約３０５゜Ｆ）、約１５４℃（約３１０゜Ｆ）、約１５７℃（約３１５゜Ｆ）、約１６０℃（約３２０゜Ｆ）、約１６２℃（約３２５゜Ｆ）、約１６６℃（約３３０゜Ｆ）、約１６８℃（約３３５゜Ｆ）、約１７１℃（約３４０゜Ｆ）、１７４℃（約３４５゜Ｆ）、または約１７６℃（約３５０゜Ｆ）を超えないように第１の温度に加熱することを含む。石炭が第１の温度に加熱されると、自由水および石炭中の結合水の少なくとも一部が気化され、掃引ガス中に除去される。いくつかの実施形態では、石炭は、水分除去反応器および／または振動流動床システムで加熱することができる。水分除去反応器の乾燥補助装置には、高温ガス発生器、石炭供給装置、およびバルブを含めることができる。
石炭を第１の温度に加熱した後、石炭を水銀除去反応器に移すことができ、そこで石炭を少なくとも２６０℃（５００°Ｆ）の第２の温度に加熱することができる。いくつかの実施形態では、石炭は、水銀除去反応器内で、約２０４．４℃〜約１７１．１（約４００゜Ｆ〜約７００゜Ｆ）、約２３２℃〜約３４３℃（約４５０゜Ｆ〜約６５０゜Ｆ）、約２６０℃〜３１６℃（約５００゜Ｆ〜約６００゜Ｆ）、約２７４℃〜約３０２℃（約５２５゜Ｆ〜約５７５゜Ｆ）、２７９℃〜２９９℃（約５３５゜Ｆ〜約５７０゜Ｆ）、２８２℃〜約２７０℃（約５４０゜Ｆ〜約５６５゜Ｆ）、約２８５℃〜２９３℃（約５４５゜Ｆ〜約５６０゜Ｆ）、約２８８℃〜約２９１℃（約５５０゜Ｆ〜約５５５゜Ｆ）、少なくとも約２６０℃（約５００゜Ｆ）、少なくとも２６６℃（約５１０゜Ｆ）、少なくとも２７１℃（約５２０゜Ｆ）、少なくとも２７７℃（約５３０゜Ｆ）、少なくとも２８３℃（約５４０゜Ｆ）、少なくとも約２８５℃（約５４５゜Ｆ）、少なくとも２８８℃（約５５０゜Ｆ）、少なくとも約２９１℃（約５５５゜Ｆ）、約２８８℃（約５５０゜Ｆ）、約２８８℃（約５５１゜Ｆ）、２８９℃（約５５２゜Ｆ）、約２８９℃（約５５３゜Ｆ）、約２９０℃（約５５４゜Ｆ）、約２９１℃（約５５５゜Ｆ）、約２９１℃（約５５６゜Ｆ）、約２９２℃（約５５７゜Ｆ）、約２９２℃（約５５８゜Ｆ）、約２９３℃（約５５９゜Ｆ）、または２９３℃（約５６０゜Ｆ）に加熱される。
ダウンフロー反応器を使用して、石炭を高温の不活性ガスに曝し、水銀を少なくとも一部および／または１つ以上のドーパントの少なくとも一部を揮発させて除去することができる。例えば、石炭中の水銀の約７０％〜約８０％を揮発させて石炭から除去することができる。場合によっては、他のドーパントまたは不純物、例えばカドミウム、セレン、および／または石炭中に存在する可能性のある炭素以外の任意の他の元素を石炭から除去することができる。石炭は、水銀除去反応器で３番目の温度に冷却することもできる。３番目の温度は、約２０４℃（約４００゜Ｆ）未満、約１９１℃（約３７５゜Ｆ）未満、約１７７℃（約３５０゜Ｆ）未満、約１６３℃（約３２５゜Ｆ）未満、約１４９℃（約３００゜Ｆ）未満、約１３５℃（約２７５゜Ｆ）未満、または約１２１℃（約２５０゜Ｆ）未満である。第３の温度に冷却すると、石炭は、石炭から還元酸化グラフェンを形成する前にサイズを小さくなり得る。
上記のように、石炭から還元酸化グラフェンを形成することは、以下を含み得る：ブロック１５２０で石炭を酸化して石炭酸化物を形成し；ブロック１５３０で石炭酸化物を遠心分離し；ブロック９４０で遠心分離した後、石炭酸化物から酸化グラフェンを含む沈殿物を収集し；ブロック９５０で酸化グラフェンを還元して、還元酸化グラフェンを生成する。ブロック１５２０において、石炭を酸化して酸化石炭を形成することは、石炭を硫酸、硝酸、または過マンガン酸カリウムの少なくとも１つ、または過酸化水素と混合して酸化石炭を形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素の少なくとも１つと混合して石炭酸化物を形成することは、石炭を硫酸と混合し、次に硝酸を石炭と硫酸の混合物と混合することを含むことができる。
いくつかの実施形態では、石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素の少なくとも１つと混合して酸化石炭を形成することは、石炭、硫酸、および硝酸の混合物を所定の時間撹拌することを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、石炭、硫酸、および硝酸の混合物は、少なくとも約１時間、少なくとも約２時間、少なくとも約３時間、少なくとも約４時間、少なくとも約５時間、約１時間〜約５時間、約２時間〜約４時間、約２．５時間〜約３．５時間、約１時間、約２時間、約３時間、約４時間、約５時間、約１時間未満、約２時間未満、約３時間未満、約４時間未満、または約５時間未満の時間撹拌され得る。
いくつかの実施形態では、石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素の少なくとも１つと混合して、石炭酸化物を形成することは、石炭、硫酸、および硝酸の混合物を攪拌した後、この石炭、硫酸、および硝酸の混合物に過マンガン酸カリウムを混合し、次に石炭、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物を所定の時間撹拌する。いくつかの実施形態では、石炭、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物は、約２５℃〜約４５℃、約３０℃〜約４０℃、約３３℃〜約３７℃、少なくとも約２５℃、少なくとも約３０℃、少なくとも約３５℃、少なくとも約４０℃、少なくとも約４５℃、約２５℃、約３０℃、約３５℃、約４０℃、または約４５℃に加熱されたホットプレート上で攪拌するようにすることができる。いくつかの実施形態では、石炭、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物は、少なくとも約１時間、少なくとも約２時間、少なくとも約３時間、少なくとも約４時間、少なくとも約５時間、少なくとも約６時間、約１時間〜約６時間、約３時間〜約５時間、約３．５時間〜約４．５時間、約１時間、約２時間、約３時間、約４時間、約５時間、約６時間、約１時間未満、約２時間未満、約３時間未満、約４時間未満、約５時間未満、または約６時間未満攪拌するようにすることができる。
いくつかの実施形態では、石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素の少なくとも１つと混合して酸化石炭を形成することは、石炭、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物を水で希釈して溶液を形成することを含むことができる。石炭、硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物と水との混合は、混合物：水希釈比が、例えば、約１：１、約１：２、約１：３、約１：４、約１：５、約１：６、約１：７、または約１：８とされる。
いくつかの実施形態では、石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素のうちの少なくとも１つと混合して酸化石炭を形成することは、希釈した溶液を過酸化水素と混合することを含み得る。過酸化水素は１０％の過酸化水素とすることができる。過酸化水素を溶液と混合すると、溶液は黄色または黄緑色に変わる。
いくつかの実施形態では、石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素の少なくとも１つと混合して酸化石炭を形成することは、過酸化水素と混合された溶液の第１の遠心分離を行うことを含み得る。過酸化水素と混合した溶液は、少なくとも約１５分、少なくとも約３０分、少なくとも約４５分、少なくとも約６０分、約１５分〜約４５分、約１５分、約３０分、約４５分、または約６０分などの所定の時間遠心分離することができる。過酸化水素と混合した溶液は、遠心分離機に依存する可能性がある所定の毎分回転数（ＲＰＭ）で遠心分離することができる。いくつかの実施形態では、過酸化水素と混合された溶液は、約５００ＲＰＭで遠心分離される。
いくつかの実施形態において、石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素の少なくとも１つと混合して酸化石炭を形成することは、第１の遠心分離を行った後、過酸化水素と混合された溶液の上澄みを過酸化水素と混合した溶液の沈殿物から分離することを含み得る。上澄みには石炭酸化物が含まれており、沈殿物は廃棄される。上澄みが沈殿物から分離されたら、上澄みを所定の上澄み：水希釈比で、水で希釈することができる。例えば、上澄みは水で、１：０．５、１：１、１：１．５、１：２、０．５：１、１．５：１、または２：１の希釈率で希釈できる。
ブロック１５３０で、第２の遠心分離において石炭酸化物を遠心分離することができる。遠心分離される石炭酸化物は、上記の水および石炭酸化物の希釈液を含み得る。石炭酸化物と水は、少なくとも約１０分、少なくとも約１５分、少なくとも約２０分、少なくとも約２５分、少なくとも約３０分、少なくとも３５分、少なくとも約４０分、約１０分〜約４０分、約１５分〜約２５分、約１５分、約２０分、約２５分、または約３０分などの所定の時間遠心分離することができる。石炭酸化物および水は、遠心分離機に依存し得る所定のＲＰＭで遠心分離され得る。いくつかの実施形態では、石炭酸化物および水は、上述の過酸化水素と混合された溶液の遠心分離のＲＰＭよりも高いＲＰＭで遠心分離され得る。例えば、石炭酸化物および水は、１０，０００ＲＰＭ以上、例えば約１２，８００ＲＰＭなどで遠心分離することができる。
ブロック１５４０において、酸化グラフェンは、石炭酸化物および水を遠心分離した後に沈殿物として収集することができ、遠心分離の上澄みは廃棄物となり得る。場合によっては、ブロック１５４０は、石炭酸化物が水中にある間に石炭酸化物を超音波処理することを含むことができる。場合によっては、ブロック１５４０は、沈殿物としてすでに収集されている酸化グラフェンを超音波処理することを含むことができる。
ブロック１５５０では、酸化グラフェンを還元して、還元酸化型グラフェンを形成することができる。酸化グラフェンを還元すると、酸化グラフェンから酸素含有基が除去され、少なくとも部分的にグラフェンの導電率が回復する。いくつかの実施形態では、酸化グラフェンを還元して還元酸化グラフェンを形成することは、少なくとも酸化グラフェンを超音波処理することを含むことができる。水と酸化グラフェンの官能基との間の相互作用は、石炭酸化物層の剥離を促進する。酸化グラフェンは、少なくとも約５分、少なくとも約１０分、少なくとも約１５分、少なくとも約２０分、約５分〜約１５分、約５分、約１０分、約１５分、または約２０分などの所定時間、超音波処理することができる。超音波処理後、酸化グラフェンおよび／または還元酸化グラフェンを分析して、ラマン分光分析を使用して酸化グラフェンおよび／または還元酸化グラフェンの品質を決定することができる。
いくつかの実施形態では、酸化グラフェンを還元して還元酸化グラフェンを形成することは、酸化グラフェンを超音波処理した後に標準反応器（ｐａｒ ｒｅａｃｔｏｒ）内で酸化グラフェンを水熱処理することを含むことができる。酸化グラフェンは、少なくとも約１時間、少なくとも約２時間、少なくとも約３時間、少なくとも約４時間、少なくとも約５時間、少なくとも約６時間、約１時間〜約６時間、約３時間〜約５時間、約３．５時間〜約４．５時間、約１時間、約２時間、約３時間、約４時間、約５時間、約６時間、約１時間未満、約２時間未満、約３時間未満、約４時間未満、約５時間未満、または約６時間未満などの所定の時間、標準反応器で水熱処理することができる。酸化グラフェンは、約１００℃〜約３００℃、約１３０℃〜約２３０℃、約１７０℃〜約１９０℃、約１７５℃〜約１８５℃、少なくとも約１００℃、少なくとも約１４０℃、少なくとも約１７０℃、少なくとも約１８０℃、少なくとも約１９０℃、約１７０℃、約１７５℃、約１８０℃、約１８５℃、または約１９０℃などの所定の温度において標準反応器内で水熱処理することができる。酸化グラフェンが標準反応器で還元された後、結果として得られる溶液は、真っ黒なフレークとチャンクで透明になる。真っ黒なフレークとチャンクは還元グラフェンであり、ラマン分光法で確認できる。
方法１５００の１つまたは複数の実施形態のステップは、図１６Ａ−１６Ｄに示されるラマン分光グラフに示されるように、驚くほど改善されたグラフェンを生成した。
具体的には、図１６Ａは、未処理（非熱処理）のモナークシーム石炭（Ｍｏｎａｒｃｈ ｓｅａｍ ｃｏａｌ）のサンプルのラマン分光グラフである。モナークシーム石炭には、ＤバンドとＧバンドという２つの特徴的なラマン振動モードがある。Ｄバンド（１３５０ｃｍ−１）は、欠陥に起因するラマンバンドである。Ｄバンドは、ｓｐ２ハイブリッドカーボンのリングブリージングモードを表す。アクティブにするためには、リングはグラフェンエッジまたは欠陥に隣接している必要がある。Ｇバンド（１５７３ｃｍ−１）は１次ラマンスペクトルであり、ｓｐ２ハイブリッドグラフェン層上の隣接する２つの炭素原子の面内振動に対応する。Ｇピークは、Γ点の高周波Ｅ２ｇフォノンに対応する。
図１６Ｂは、熱処理されたモナーク石炭のサンプルのラマン分光グラフである。図１６Ｂに示されるように、熱処理されたモナークシーム石炭はまた、２つの特徴的なラマン振動モード：ＤバンドおよびＧバンドを有する。図１６Ｃは、図１６Ｂの熱処理されたモナーク炭のサンプルに対する図１６Ａのモナークシーム石炭のサンプルの比較を示すラマン分光グラフである。この比較は、Ｄバンド（欠陥誘起ラマンモード）の強度が低いため、熱処理された石炭の欠陥が生のモナークシーム石炭よりも少ないことを示している。この強度の違いは、（ＩＧ／ＩＤ）熱処理＞（ＩＧ／ＩＤ）生として表示される。この比較は、Ｇバンド（グラファイトモード）が原料石炭サンプルよりも熱処理石炭サンプルでより鋭く対称的であるため、グラファイト化とグラフェン形成が熱処理石炭サンプルで優れていることも示している。したがって、本開示による石炭の熱処理は、グラフェン形成を改善し、石炭中の欠陥を減らす。
図１６Ｄは、熱処理されたモナークシーム石炭からのグラフェンのサンプルのラマン分光グラフである。図からわかるように、強度にはＤバンド、Ｇバンド、２Ｄバンドの３つの鋭いピークが含まれている。これらのピークの鋭さは、例えば、図１６Ａ〜１６Ｄのグラフの比較的広いピークおよび全体的な形状と比較して、実質的に純粋なグラフェンの存在を示す。図１６Ｄは、石炭から首尾よく誘導された実質的に純粋なグラフェンナノプレートレットを示している。
方法１５００の１つ以上の実施形態のステップはまた、驚くべきことに、石炭からグラフェンを形成するための従来のプロセスと比較して高い収率で酸化グラフェンを生成した。例えば、驚くべきことに、少なくとも約１４９℃（約３００°Ｆ）の温度で石炭を熱処理し、次に石炭から還元酸化グラフェンを形成すると、約１０重量パーセント〜約２０重量パーセントの収率で還元酸化グラフェンが得られることが観察された。方法１５００の１つまたは複数の実施形態のステップは、石炭の少なくとも約５重量パーセント、石炭の少なくとも約１０重量パーセント、石炭の少なくとも約１５重量パーセント、石炭の少なくとも約２０重量パーセント、石炭の少なくとも約２５重量パーセント、石炭の少なくとも約３０重量パーセント、石炭の少なくとも約３５重量パーセント、石炭の少なくとも約４０重量パーセント、少なくとも約４５重量パーセントの石炭、少なくとも約５０重量パーセントの石炭、約２重量パーセント〜約５０重量パーセントの石炭、約４重量パーセント〜約４０重量パーセントの石炭、石炭の８重量パーセントと約３０重量パーセント、石炭の約１０重量パーセント〜約２０重量パーセント、石炭の約１２重量パーセント〜約１７重量パーセント、石炭の約５重量パーセント〜約１０重量パーセント、約１０重量パーセント〜約１５石炭の重量パーセント、石炭の約１５重量パーセント〜約２０重量パーセント、石炭の約２０重量パーセント〜約２５重量パーセント、石炭の約２５重量パーセント〜約３０重量パーセント、約３０重量パーセント石炭の重量パーセントと約３５重量パーセント、石炭の約３５重量パーセントと約４０重量パーセントの間、石炭の約４０重量パーセントと約４５重量パーセントの間、石炭の約４５重量パーセントと約５０重量パーセント、石炭の約５重量パーセント、石炭の約１０重量パーセント、石炭の約１２重量パーセント、石炭の約１４重量パーセント、石炭の約１６重量パーセント、約１８重量石炭のパーセント、石炭の約２０重量パーセント、石炭の約２２重量パーセント、石炭の約２４重量パーセント、石炭の約２５重量パーセント、石炭の約３０重量パーセント、約３５重量パーセント石炭、石炭の約４０重量パーセント、石炭の約４５重量パーセント、または石炭の約５０重量パーセントの収率で還元酸化グラフェンを生成することができる。
方法１５００の１つまたは複数の実施形態のステップはまた、驚くべき有用な濃度のドーパントを有する酸化グラフェンを生成した。還元酸化グラフェンのドーパントには、アンチモン、ヒ素、バリウム、ベリリウム、ホウ素、臭素、カドミウム、塩素、クロム、コバルト、銅、フッ素、鉛、リチウム、マンガン、水銀、モリブデン、ニッケル、セレン、銀、ストロンチウム、タリウム、スズ、バナジウム、亜鉛、および／またはジルコニウムの１つ以上を含むことがある。場合によっては、還元酸化グラフェンに存在する１つ以上のドーパントは、点欠陥などの最終的に形成される合成グラフェンに１つ以上のタイプの欠陥を生成する可能性がある。場合によっては、これらの欠陥は、電気的特性など、結果として得られるグラフェンの特性を向上または変化させる可能性がある。したがって、場合によっては、グラフェン中の所望の量の１つまたは複数のドーパントは、点欠陥などの欠陥の所望の量および／または分布のグラフェンをもたらすことができる。酸化グラフェンに存在する１つ以上のドーパントまたは不純物原子は、最大約０．１原子％、最大約０．５原子％、最大約１原子％、最大約２原子％、最大約５原子％、最大約１０原子％、または最大約１５原子％以上となり得る。いくつかのケースでは、酸化グラフェン中の１つまたは複数のドーパントまたは不純物原子のいずれかの濃度は、たとえば、約０．１原子％〜約１５原子％、約１原子％〜約１０原子％、または約２原子％〜約５原子％を含み得る。
いくつかの実施形態では、方法１５００のブロック１５１０に関してより詳細に説明されるように、還元酸化グラフェン中の１つまたは複数のドーパントの濃度は、石炭を熱処理するステップの間に制御される。いくつかの実施形態では、１つ以上のドーパントは、石炭の熱処理中に除去された蒸気中に収集され、方法１５００の１つ以上のステップ中に所定の濃度で少なくとも部分的に石炭または酸化グラフェンに戻されるようにすることができる。
グラフェンおよび１つまたは複数のドーパントを含むグラフェン組成物の様々な実施形態も本明細書で開示されている。グラフェン組成物は、方法１５００においては、グラフェン、酸化グラフェン、および／または還元酸化グラフェンの１つ以上を含むことができる。グラフェン組成物中の１つ以上のドーパントは、アンチモン、ヒ素、バリウム、ベリリウム、ホウ素、臭素、カドミウム、塩素、クロム、コバルト、銅、フッ素、鉛、リチウム、マンガン、水銀、モリブデン、ニッケル、セレン、銀、ストロンチウム、タリウム、スズ、バナジウム、亜鉛、および／またはジルコニウムの少なくとも１つを含み得る。
グラフェンに存在する１つ以上のドーパントまたは不純物原子は、最大約０．１原子％、最大約０．５原子％、最大約１原子％、最大約２原子％、最大約５原子％、最大約１０原子％、または最大約１５原子％以上を含む濃度で存在することができる。いくつかの場合では、最終的に形成される合成グラフェンの１つ以上のドーパントまたは不純物原子のいずれかの濃度は、たとえば、約０．１原子％〜約１５原子％、約１原子％〜約１０原子％、または約２原子％と約５原子％となり得る。
図１７は、本明細書に記載され、いくつかの実施形態による、１つまたは複数の先進炭素材料を生産するための処理施設におけるエネルギーおよび石炭の流れを示す図である。図１７に示され、本明細書に記載されているように、ワイオミング州のブルック鉱山などの鉱山からの原炭を処理して、炭素繊維、およびオプションで建設資材などの１つ以上の追加の先進炭素材料、および／または活性炭を形成することができる。
図１８は、本明細書に記載の実施形態に従って処理されて、活性炭、グラフェン及び電池や建築および建設材料などで使用される材料などの様々な先進炭素材料を形成するときの、例えばハイウォールマイニングからの原炭の処理の流れを示す図である。図示されているように、いくつかの実施形態によれば、石炭の処理では、処理された石炭自体がさらなる処理にかけられて他の先進炭素材料を形成することができる先進炭素材料を生成するようなものとすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、先進炭素材料の生産からの副産物自体をさらなる処理にかけ、本明細書に記載されるような他の先進炭素材料を生産するようにすることができる。
図１９は、一実施形態による、本明細書に記載されているプロセスによる、様々な先進炭素材料への原炭のプロセスフローを示す図である。図８はさらに、いくつかの実施形態に従って、本明細書に記載のプロセスに従って製造された先進炭素材料が、自動車グレードのＣＦＲＰまたはグラフェンベースのバイオセンサーなどの高価値最終製品の１つまたは複数の構成要素としてどのように利用できるかを示す。

炭素繊維の用途
方法１００、２００、３００、４００、または１３００の少なくとも１つにおいて生成される炭素繊維は様々な用途で使用されるように構成でき、任意選択的に、これらの方法が、１つまたは複数の用途においてこの炭素繊維を使用するようにすることができる。一実施形態では、炭素繊維は、炭素繊維強化複合材で使用されるように構成することができる。例えば、炭素繊維を少なくとも１つのマトリックス材料と組み合わせて、当技術分野で知られている、または将来開発される可能性のある任意のプロセスによって炭素繊維強化複合材を形成することができる。マトリックス材料は、ポリマー（例えば、石炭から作られた樹脂）、金属、またはセラミック材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。
いくつかの場合には、マトリックスは、本明細書に開示されている追加の先進炭素材料のいずれかを含むことができる。いくつかの実施形態では、炭素繊維強化ポリマーを所望の構造に形成することができる。いくつかの実施形態では、この追加の先進炭素材料は、本明細書に記載のプロセスによって生成でき、処理施設によって１つ以上の他の材料と組み合わせられて、所望の形状を有する複合材料を生成できる。
いくつかの実施形態では、炭素繊維強化複合体は、炭素繊維を含む金属またはコンクリートを含むことができる。いくつかの例では、炭素繊維強化複合材料を３Ｄ印刷できる。いくつかの例では、本明細書に記載されているように石炭から製造された炭素繊維または炭素繊維強化複合材は、コンクリートの鉄筋として使用でき、または他の建築材料として使用できる。
一実施形態では、本明細書に開示される炭素繊維は、炭素繊維強化複合材の所望の化学的または機械的特性を達成するために、ユーザーが現場で変化させることができる。場合によっては、本明細書に記載のプロセスによって石炭から生成された第１の炭素繊維は、第１の炭素繊維とは異なる所定量の第２の炭素繊維と混合することができる。一例では、第１の炭素繊維および第２の炭素繊維は両方とも石炭から形成されるが、異なる特性を示す（例えば、第１および第２の炭素繊維は異なる不純物を含む）。一例では、第１の炭素繊維は石炭から形成され、第２の炭素繊維は油から形成される。第１および第２の炭素繊維の量は、第１および第２の炭素繊維から形成された炭素繊維強化複合材料の所望の特性に基づいて選択することができる。たとえば、ユーザーがより高いヤング率を望む場合、石炭から生成された第１の炭素繊維を所定量追加して油から形成された第２の炭素繊維のヤング率を上げるようにすることができる。
場合によっては、炭素繊維などの先進炭素材料は、活性炭を含み、および／または必要に応じて機能化および調整することができる。場合によっては、本明細書に記載されている先進炭素材料または炭素繊維のいずれかを機能化するか、または使用して機能化製品を形成することができる。例えば、場合によっては、本明細書に記載の方法に従って製造された先進炭素材料を機能化して、水、大気または他の媒体から必要に応じて１つまたは複数の所定の材料、元素、および／または物質を吸着するようにすることができる。場合によっては、本明細書に記載の方法に従って製造された先進炭素材料は、本明細書に記載の処理設備などの石炭処理プラントによって生成された１つまたは複数のタイプの希土類元素を吸着することができる。いくつかの場合において、本明細書に記載された方法に従って製造された先進炭素材料は、海水から１つ以上の貴重な所定の元素または化合物を吸着することができる。いくつかの場合において、本明細書に記載された方法に従って製造された先進炭素材料は、周囲大気からＣＯ２を吸着することができる。

樹脂の用途
方法５００、６００、７００、８００、または１３００の少なくとも１つおいて生成された樹脂は、それぞれが炭素および水素を含む複数のモノマー単位と、原炭に含まれていた最初にあった１つ以上の不純物の残りの選択された量とを含む。本明細書で開示される樹脂は、様々な用途で使用されるように構成することができ、任意選択で、本発明に係る方法は、これらの用途の１つまたは複数で樹脂を使用することを含むことができる。一実施形態では、樹脂は、ポリマー部品または製品を製造するように構成することができる。そのような実施形態では、樹脂は、ポリマー部品または製品を製造するために、処理設備によってさらなる処理にかけられることができる。例えば、樹脂を使用して、シート、押出成形、成形プロセスまたは他の適切なプロセスを使用しての三次元構造を作ることができる。
一実施形態では、樹脂は、３Ｄプリンティングプロセスなどによって炭素の３次元（「３Ｄ」）デバイスを生成するようにすることができる。３Ｄプリンティングプロセスには、樹脂をメッシュ、中空オブジェクト、中実オブジェクト、またはその他の製品に成形することが含まれる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される３Ｄプリンティングプロセスによって生成される樹脂は、カーボン３Ｄ社（Ｃａｒｂｏｎ３Ｄ、Ｉｎｃ）によって開発された連続液界面製造（ＣＬＩＰ）プロセスにおいて使用され、処理施設によって多種多様なポリマーオブジェクトを製造することができる。カーボン３Ｄ社は、ここに開示されている樹脂を使用してＣＬＩＰプロセスによって選択可能な特性を持つ最終製品を提供することができる。したがって、処理施設は、本明細書に記載されるように石炭から直接得られるポリマー部品を印刷できる、カーボン３Ｄ社によって開発されたＭ２プリンターなどの１つまたは複数のＣＬＩＰプリンターを含むことができる。たとえば、ここで説明するプロセスによって石炭から製造された樹脂は、個々の患者の解剖学的構造に合わせてカスタマイズされた歯科製品を印刷するために、処理施設においてＣＬＩＰプロセスで使用できる。カスタム歯科製品を例示したが、ほとんどすべての形式の３Ｄオブジェクトは、ここで説明されているプロセスによって作製できる。一実施形態では、３Ｄプリンティングプロセスで使用される樹脂は、その中に混合された１つまたは複数の添加剤を含むことができる。例えば、樹脂はその中にグラフェンを含むことができる。
樹脂を含む３Ｄ印刷された製品は、各顧客のニーズに合わせることができる。たとえば、そのような３Ｄプリント製品は、各顧客のカスタム測定に対応する寸法を持つことができる。一例では、本明細書に記載されたプロセスによって製造された樹脂を使用して３Ｄ印刷された製品は、カスタム仕様のヘルメット、パッド、またはスポーツ活動および／または戦闘で使用するための他の防護服を含むことができる。いくつかの実施形態では、ユーザーまたは顧客の１つまたは複数の身体部分をスキャンして、それらの寸法を３Ｄ印刷製品のカスタム設計に組み込むことができる。場合によっては、本明細書に記載されているプロセスによって製造された樹脂を使用するカスタム３Ｄ印刷製品は、カスタムフィットのホースシューズおよび／またはサドルを含むことができる。
一実施形態では、本明細書に開示される樹脂は、最終的な３Ｄ印刷製品の所望の化学的または機械的特性を達成するために、ユーザーが現場で修正することができる。例えば、本明細書に記載されているプロセスによって石炭から製造された第１の樹脂は、第１のヤング率などの最終硬化状態で第１の物理的特性を有することができる。ユーザーがこの特性を調整したい場合、ユーザーは、石炭から生成された所定量の第２の樹脂または他の追加の先進炭素材料を第１の樹脂に直接追加できるが、第２の樹脂とその量は、石炭から製造された第１の樹脂の第１の物理的性質への調整の性質に基づき決められる。たとえば、ユーザーがより高いヤング率を望む場合、第１の樹脂のヤング率を上げるように、石炭から生成された所定量の第２の樹脂を追加するように指示できる。場合によっては、この追加は３Ｄ印刷されたオブジェクトの望ましい硬化材料特性に基づいて自動的に行われる。
実施形態では、３Ｄ印刷された物体の材料特性は、ＵＶ活性化可能である本明細書に記載のプロセスに従って石炭から生成される２つ以上の樹脂を利用することにより、物体の体積全体にわたって変化させることができるが、この２つ以上の樹脂はそれぞれ硬化されたときに異なる特性を有し、それぞれが異なる波長のＵＶ光によって活性化されるようなものである。例えば、いくつかの実施形態では、第１の剛性などの第１の材料特性を有する石炭から生成された第１の樹脂は、ＵＶ光の第１の波長によって活性化することができる。第２の剛性などの第２の異なる材料特性を有する石炭から生成される第２の樹脂は、第２の異なる波長のＵＶ光によって活性化することができる。樹脂は、３Ｄプリントされている製品を形成するためにＵＶ光で活性化できる。ＵＶ光の波長を調整して、製品の材料特性を変化させることができる。例えば、第１の樹脂の材料特性が望まれる製品の部分には、第１の樹脂の活性化波長に対応する波長を有するＵＶ光を使用することができる。次に、波長を第２の樹脂の活性化波長に変更して、印刷物の材料特性が第１の樹脂の特性から第２の樹脂の特性に変わるようにすることができる。
一実施形態では、樹脂は、積層造形プロセスで使用されるように構成することができる。一実施形態では、ブロック１６０中に生成される樹脂は、炭素繊維強化複合材のマトリックスなどの複合材のマトリックスの少なくとも一部を形成するように構成することができる。

グラフェンの用途
本明細書に記載される方法およびプロセスによって生成される先進炭素材料または材料類は、多種多様な用途で使用することができる。場合によっては、本明細書に記載されている処理設備によって生成された先進炭素材料は、この先進炭素材料から物体、デバイス、および他の製品を生成するためにさらに処理することができる。他の実施形態では、先進炭素材料は、使用するために他の生産設備に分配することができる。重要なことに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスは、２つ以上のタイプの先進炭素材料を作ることができ、それら先進炭素材料は処理施設で組み合わされてさらなる製品にすることができるということである。
場合によっては、グラフェンなどの先進炭素材料を、必要に応じて官能化し調整することができる。いくつかの場合において、本明細書に記載されている先進炭素材料またはグラフェンの形態のいずれかを使用して、所望の元素または化合物を吸着するか、または官能化製品を形成することができる。例えば、いくつかの場合においては、本明細書に記載の方法に従って製造された先進炭素材料を官能化して、１つまたは複数の所定の材料、元素、および／または物質を、水、大気または他の媒体から必要に応じて吸着することができる。場合によっては、本明細書に記載の方法に従って製造された先進炭素材料は、本明細書に記載の処理設備などの石炭処理プラントによって生成された１つまたは複数のタイプの希土類元素を吸着できる。いくつかの場合において、本明細書に記載された方法に従って製造された先進炭素材料は、海水から１つ以上の貴重な所定の元素または化合物を吸着することができる。いくつかの場合において、本明細書に記載された方法に従って製造された先進炭素材料は、周囲大気からＣＯ２を吸着することができる。
いくつかの場合において、本明細書に記載される方法に従って形成されたグラフェンは、１つ以上の元素または化合物の支持体または基板として使用され得る。場合によっては、これらの元素または化合物を利用して、所望の用途に用いたり、所定の電気的、化学的、および／または物理的特性を持たせたりすることができる。例えば、場合によっては、本明細書に記載の方法に従って形成されたグラフェンを層状に配置して、任意の数の所望の機能を果たすことができる１つまたは複数の酵素の支持体、足場、または基質として機能させることができる。場合によっては、グラフェン支持構造によって支持された酵素は、例えば周囲環境からのＣＯ２を吸着して、メタンなどの二次生成物に変換することができる。
場合によっては、本明細書で説明するように、第１の量のピッチを処理して第１の先進炭素材料を生成でき、第２の量のピッチを処理して第２の異なる先進炭素材料を生成できる。場合によっては、第１および第２の先進炭素材料を組み合わせて、新しい材料を形成および／または生成することができる。例えば、第１の先進炭素材料は炭素繊維を含むことができ、第２の先進炭素はポリマーまたは樹脂を含むことができる。次に、第１および第２の先進炭素材料を処理設備によって組み合わせて、当技術分野で既知の、または将来開発できる任意のプロセスによって炭素繊維強化ポリマーを生成することができる。場合によっては、炭素繊維強化ポリマーは所望の構造、例えば、顧客が指定した部品または製品に形成することができる。いくつかの実施形態では、先進炭素材料は、本明細書に記載のプロセスによって生成でき、所望の形状を有する複合材料を生成するために処理設備によって１つ以上の他の材料と組み合わせることができる。例えば、先進炭素材料は、カーボンナノチューブを含むことができる。次に、これらのカーボンナノチューブを、処理施設によって金属化して、カーボンナノチューブ金属マトリックス複合材を生成することができる。場合によっては、カーボンナノチューブ金属マトリックス複合材はバルク材料を含むことができるが、いくつかの他の場合では、カーボンナノチューブ金属マトリックス複合材は所望の形状に形成することができる。場合によっては、カーボンナノチューブ金属マトリックス複合材は、当技術分野で既知の任意のプロセスによって、または将来開発できる任意のプロセスによって、例えば粉末冶金プロセス、電気化学プロセス、溶融プロセスなどによって形成することができる。
先進炭素材料が樹脂を含むことができるいくつかの実施形態では、樹脂は、ポリマー部品または製品を製造するために、処理設備によってさらなる処理にかけることができる。いくつかの場合においては、樹脂を３Ｄプリンティングプロセスで使用して、メッシュ、中空オブジェクト、中実オブジェクト、またはその他の製品などのポリマー構造を形成できる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスによって生成された樹脂を、カーボン３Ｄ社（Ｃａｒｂｏｎ３Ｄ、Ｉｎｃ）によって開発された連続液界面製造（ＣＬＩＰ）プロセスを使用して、処理施設によって多種多様なポリマー物体を生成することができる。カーボン３Ｄ社は、ＣＬＩＰプロセスによって選択可能な特性を持つ最終製品を提供するために、いくつかの異なる樹脂を使用している。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の方法およびプロセスを使用して、ＣＬＩＰプロセスで使用される任意の樹脂、例えば、ポリウレタン樹脂、エステル樹脂、エポキシ樹脂などを製造することができる。したがって、処理施設は、カーボン３Ｄ社によって開発されたＭ２プリンターなどの１つまたは複数のＣＬＩＰプリンターを備えることができ、本明細書に記載されるように石炭から直接得られるポリマー部品を印刷することができる。例えば、いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスによって石炭から製造された先進炭素材料は、個々の患者の解剖学的構造に合わせてカスタマイズされた歯科製品を印刷するために、処理施設によってＣＬＩＰプロセスで使用できる。カスタム歯科製品が例としたが、ほとんどすべての形状の３次元オブジェクトは、ここで説明されているプロセスによって作成できる。
例えば、先進炭素材料が３Ｄ印刷で使用するための１つまたは複数の樹脂を含むいくつかの実施形態では、そのような樹脂を使用して、各顧客のニーズに固有の製品を３Ｄ印刷することができる。たとえば、そのような３Ｄプリント製品は、各顧客のカスタム測定に対応する寸法を持つことができる。いくつかの例では、本明細書に記載されているプロセスによって製造された樹脂を使用して３Ｄ印刷された製品は、カスタマイズされたヘルメット、パッド、またはスポーツ活動や戦闘で使用するその他の防護服を含むことができる。いくつかの実施形態では、ユーザーまたは顧客の１つまたは複数の身体部分をスキャンすることができ、それらの寸法を３Ｄ印刷製品のカスタム設計に組み込むことができる。場合によっては、本明細書に記載されているプロセスによって製造された樹脂を使用するカスタム３Ｄ印刷製品は、カスタムフィットのホースシューズおよび／またはサドルを含むことができる。
いくつかの実施形態では、３Ｄプリンティングプロセスで使用される先進炭素材料樹脂は、最終的な３Ｄ印刷製品の所望の化学的または機械的特性を達成するために、ユーザーが現場で修正することができる。例えば、本明細書に記載されるプロセスによって石炭から製造された第１（最初）の樹脂は、第１のヤング率などの最終硬化状態で第１の物理的特性を有することができる。ユーザーがこの特性を調整したい場合は、石炭から生成された所定量の第２の樹脂またはその他の先進炭素材料を第１の樹脂に直接添加することができる。第２の樹脂とその量は、石炭から製造された第１の樹脂の第１の物理的性質への調整による。たとえば、ユーザーがより高いヤング率を望む場合、第１の樹脂のヤング率を上げるために、石炭から生成された所定量の第２の樹脂を追加するように指示できる。場合によっては、この追加は３Ｄ印刷されたオブジェクトの望ましい硬化材料特性に基づいて自動的に行われる。
いくつかの実施形態では、３Ｄ印刷された物体の材料特性は、ＵＶ活性化可能である本明細書に記載のプロセスに従って石炭から生成された２つ以上の樹脂を利用することにより、物体の体積全体にわたって変化させることができ、その場合の２つ以上の樹脂のそれぞれは、硬化時に異なる材料特性を持ち、そして、それぞれが異なる波長のＵＶ光によって活性化される。例えば、いくつかの実施形態では、第１の剛性などの第１の材料特性を有する石炭から生成される第１の樹脂は、ＵＶ光の第１の波長によって活性化することができる。第２の剛性などの第２の異なる材料特性を有する石炭から生成された第２の樹脂は、第２の異なる波長のＵＶ光によって活性化することができる。樹脂はＵＶライトによって活性化され、３Ｄプリントされている製品を形成できる。また、ＵＶライトの波長を調整して、プリントされている製品の材料特性を変化させることができる。例えば、第１の樹脂の材料特性が望まれる製品の部分には、第１の樹脂の活性化波長に対応する波長を有するＵＶ光を使用することができる。次に、波長を第２の樹脂の活性化波長に変化させて、印刷物の材料特性が第１の樹脂の特性から第２の樹脂の特性に変わるようにすることができる。
いくつかの実施形態では、グラフェンまたは他の先進炭素材料を、グラフェンまたは官能化グラフェンインクの製造に使用することができる。グラフェンインクは、本開示に従ってグラフェンから生成され、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）上に印刷されるか、またはチャネルに注がれてグラフェンベースのアレイを生成することができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるプロセスによって生成される第１の先進炭素材料は、第２の異なる先進炭素材料を生成するための後続のプロセスで使用され得る。例えば、第１の先進炭素材料は分子グラフェン膜を含むことができる。この分子グラフェン膜を本明細書に記載のプロセスで使用して、熱分解または液化プロセスによる生成物を化学的に分離して、樹脂を製造することができる。場合によっては、グラフェン膜を介したこの形態の化学分離は、通常使用される他の分離プロセスよりも熱効率が高くなる可能性がある。これらの樹脂は、ＣＬＩＰプロセスで、たとえばメッシュを印刷するために使用できる。
先進炭素材料がグラフェンを含むいくつかの実施形態では、グラフェンは、例えば、グラフェンセンサーを形成するために、処理設備によってさらなる処理に供することができる。いくつかの実施形態では、グラフェンセンサーはグラフェンインクを含むことができる。例えば、グラフェンセンサーは、ドープされたグラフェンを含むエリアまたはポイントへの回路として、ドープされていないグラフェンインクを含むことができる。そのような実施形態では、ドープされたグラフェン領域または点が検出でき、ドープされていないグラフェンインクが信号をコンピューティングデバイスまたはユーザーインターフェースに運ぶことができる。いくつかの実施形態では、グラフェンセンサーは、フレークベースのグラフェンバイオセンサーなどのフレークベースのグラフェンセンサーを含むことができる。そのような実施形態では、いくつかのグラフェンフレークをドープすることができ、回路として機能するいくつかのグラフェンフレークおよび／またはグラフェンインクはドープされない。これらのグラフェンセンサーは、ハンドヘルドデバイスによって病気を検出するための使い捨てチップとして使用できる。グラフェンセンサーは、ライム病やジカウイルスなどの疾患を患者の血液、尿、唾液、またはその他の体液や生体物質から病気を即座に検出できるため、研究室に輸送する血液サンプルを保管する必要がなくなる。さらに、本明細書に記載のプロセスは、例えばＣＬＩＰプロセスによって、ハンドヘルドデバイスの本体、および／またはマイクロ流体チャンバなどの消耗品または付属品を印刷形成するために使用することもできる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されているプロセスによって生成された先進炭素材料は、多種多様な他の用途で使用することができる。例えば、先進炭素材料は、リチウムイオン電池の電極として使用できる炭素発泡体を含むことができる。より具体的には、本明細書に記載されているプロセスによって生成されたグラフェンまたは還元酸化グラフェンは、電池の電極に使用することができる。電池の電極に使用される、本明細書に記載されるプロセスによって生成されるグラフェンまたは還元酸化グラフェンは、本明細書に記載される量のいずれかで、本明細書に記載される１つ以上のドーパントを含み得る。場合によっては、先進炭素材料は、大気中のＣＯ２回収プロセスで使用できる活性炭を含むことができる。場合によっては、大気中のＣＯ２再捕獲プロセスは、処理施設によって実行することができ、捕獲されたＣＯ２は本明細書で説明するプロセスで使用することができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスに従って形成されたグラフェンなどの先進炭素材料を使用して、ソーラーパネルを製造することができる。場合によっては、これらの太陽電池パネルは、他の従来の方法で製造された太陽電池パネルよりも高い効率を持つことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されているプロセスに従って形成された先進炭素材料は、エレクトロスピニングプロセスの前駆体として使用することができる。例えば、先進炭素材料を、ミクロンレベルの分解能を有する足場または他の構造をエレクトロスピンするのに使用することができる。場合によっては、エレクトロスピニングで使用される先進炭素材料は、本明細書に記載されているプロセスに従って石炭から生成された生体材料であり得る。いくつかの実施形態では、先進炭素材料を使用して、ゲル、例えば、ヒドロゲルまたはシリコーンゲルなどの医療グレードのゲルを製造することができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から製造された１つまたは複数の先進炭素材料は、乗用車、トラック、または他の自動車の製造における自動車グレードの材料として使用できる。例えば、炭素繊維、樹脂、および／またはＣＦＲＰは、自動車のフレーム、構造部品、ボディパネル、エンジンブロック、および／または他の部品として使用することができる。場合によっては、コンポーネントを３Ｄ印刷したり、ユーザーの好みに応じてカスタム設計したりすることができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から生成された１つまたは複数の先進炭素材料を使用して、クロマトグラフィーカラム、膜、およびフィルターなどの化学プロセスまたは生物学的プロセスで使用する製品を形成することができる。いくつかの場合において、クロマトグラフィーカラム、膜、および／またはフィルターは、本明細書に記載されるプロセスに従って、石炭から生成される１つ以上の先進炭素材料から３Ｄ印刷され得る。場合によっては、クロマトグラフィーカラム、膜、および／またはフィルターを使用して、さまざまな溶液から抗体、細菌、寄生虫、および／または重金属を分離または除去することができる。
いくつかの実施形態では、本出願の開示に従って強化グラフェンを生成することができる。強化グラフェンには、グラフェンとナノチューブが含まれる。本明細書に記載される１つ以上のドーパントを有するグラフェンは、別のドーパントを有するナノチューブと化学的に結合することができる。この化学結合は、カーボンナノチューブとグラフェンシートの間に形成でき、グラフェンシートの繰り返し層がグラフェンフィルターを形成できるようにする。本開示によるグラフェンフィルターは、化学リンカーを使用して形成することもできる。たとえば、化学リンカーの両端にある異なるドーパント金属により、化学リンカーは方向性を持ち、グラフェンシート間のスペースを制御できる。グラフェンシートには、化学リンカーとは異なる反応性ドーパントがプレドープされている。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から生成された１つまたは複数の先進炭素材料を使用して、回路基板を形成することができる。例えば、本明細書に記載されているように石炭から製造された炭素発泡体は３Ｄ印刷して回路基板を形成することができる。場合によっては、炭素発泡回路基板は、一般的なプリント回路基板よりも優れた電気的および熱的特性を持つことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から生成される１つまたは複数の先進炭素材料は、合成グラフェンであり得、そして例えば量子ドットの形成およびコンピュータチップにおける様々な電子用途で使用され得る。場合によっては、グラフェンを使用して、病気のバイオマーカーやウイルスなど、生物学的に活性な分子や物質を分離および／または識別できるバイオセンサーを作成することができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から生成される１つまたは複数の先進炭素材料は、炭素繊維を含む金属またはコンクリート、グラフェン、または他の先進炭素材料などの複合材料を含むことができる。いくつかの例では、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブなどの１つ以上の先進炭素材料を含む金属を３Ｄ印刷することができる。いくつかの例では、本明細書で説明されているように石炭から製造された炭素繊維またはＣＦＲＰをコンクリートの鉄筋として使用でき、また他の建設または建築材料として使用することができる。

追加の先進炭素材料
前述のように、本明細書に記載の方法およびプロセスを使用して炭素繊維、および任意選択で、石炭から１つまたは複数の追加の先進炭素材料を生成することができる。本明細書で使用される場合、追加の先進炭素材料という用語は、炭素を含む１つまたは複数の非炭素繊維材料を指すことができる。追加の先進炭素材料は、ピッチの少なくとも１つ（例えば、炭素繊維を形成するために使用されないピッチの部分）または本明細書に開示される方法において生成される１つ以上の副産物から形成され得る。一例では、本明細書で開示される方法を利用してある量の炭素繊維を生成し、その後、ある量の少なくとも１つの追加の先進炭素材料を生成することができる。一例では、方法１００は、例えば、本明細書に開示される方法を利用する並行処理によって、ある量の炭素繊維およびある量の少なくとも１つの第２の先進炭素材料を同時に生成するために利用できる。いくつかの実施形態では、追加の先進炭素材料は樹脂、ポリマー、または他の炭化水素材料であり得る。
一実施形態では、本明細書に開示される方法は、本明細書に開示される方法において生成されるピッチまたは副産物から樹脂を形成することを含むことができる。たとえば、少なくともピッチから形成された樹脂には、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン樹脂、シアン酸エステル樹脂、エポキシ樹脂、メタクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、芳香族縮合環構造（多環芳香族炭化水素など）、および他の適切な樹脂が含まれる。一例では、本明細書に開示されるプロセスに従って形成される樹脂は、樹脂前駆体から形成される樹脂を含み得る。樹脂前駆体の例には、Ｃ２化合物（例えば、エタン、エチレン、アセチレンなど）、Ｃ３化合物（例えば、プロピレン、シクロプロパン、プロペンなど）、Ｃ４化合物（例えば、ブタジエン、ブタン、ｔ−ブタノールなど）が含まれる。）、Ｂ化合物、Ｔ化合物、ハロゲン化合物、フェノール、またはその他の適切な樹脂前駆体を含む。
一実施形態では、ピッチを処理し、例えば、ピッチを１つまたは複数の有機化合物（例えば、オレフィン、他の樹脂前駆体、他のポリマー）に形成し、それを重合することにより、ここ開示される樹脂の少なくとも１つを生成することができる。一実施形態では、石炭液化抽出物を処理施設で処理して、本明細書で開示される樹脂の少なくとも１つを形成することができる。一実施形態では、本明細書で開示される樹脂を形成することは、ピッチ、副産物、または樹脂がすでに形成されている場合は樹脂に１つまたは複数の添加剤を加えることを含むことができる。ピッチ、副産物、または樹脂に添加される添加剤は、１つ以上の光活性剤（例えば、１つ以上の紫外線活性剤）または１つ以上の熱活性剤を含むことができる。
そのような実施形態では、樹脂は、ポリマー部品または製品を製造するために、処理設備によってさらなる処理を受けることができる。例えば、樹脂を使用して、シート、押出成形、成形プロセスまたは他の適切なプロセスを使用する三次元構造を作ることができる。一実施形態では、樹脂は、３Ｄプリンティングプロセスなどによって炭素三次元（「３Ｄ」）デバイスを作るように構成することができる。３Ｄプリンティングプロセスには、樹脂をメッシュ、中空オブジェクト、中実オブジェクト、またはその他の製品に成形することが含まれる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の３Ｄプリンティングプロセスによって生成された樹脂は、カーボン３Ｄ社（Ｃａｒｂｏｎ３Ｄ、Ｉｎｃ）によって開発された連続液界面製造（ＣＬＩＰ）プロセスで使用することができる。一実施形態では、３Ｄ印刷された物体の材料特性は、全体にわたって変化することができる。一実施形態では、３Ｄ印刷された物体の材料特性は、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から生成された２つ以上の樹脂を利用することにより、物体の体積全体にわたって変化することができ、ここでの２つ以上の樹脂のそれぞれは、硬化および／またはそれぞれが異なる刺激によって活性化さたときに異なる材料特性を有するものである。一実施形態では、樹脂は、積層造形プロセス（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）で使用されるように構成することができる。
一実施形態では、本明細書で開示される方法は、ピッチの少なくとも１つまたは副産物の１つまたは複数を処理して、合成グラファイトを形成することを含むことができる。場合によっては、合成グラファイトをさらに処理して合成グラフェンを形成することができる。例えば、ピッチの少なくとも１つまたは副産物の１つ以上は、熱、高圧、および／または１つ以上の触媒への曝露によって処理されて、合成グラファイトを形成することができる。本明細書で使用する場合、合成グラファイトという用語は、前駆体材料から生成された任意のグラファイト材料（例えば、地球で自然に発生しない任意のグラファイト材料）を指すために使用される。一実施形態では、本明細書に開示される方法は、処理設備によって合成グラファイトを処理してまたは変化させて、合成グラフェンを形成することをさらに含むことができる。本明細書で使用される場合、合成グラフェンは、合成的に形成されたグラファイトから生成または誘導されたグラフェン材料を指す。例えば、合成グラファイトは、機械的剥離に供されて合成グラフェンを生成することができる。本明細書で説明するように、所望の量の１つまたは複数の不純物は、選鉱された石炭に残り、それによって、生成された合成グラフェンに組み込まれて合成グラフェンの化学的、電気的および／または物理的特性を調整する。
一実施形態において、本明細書に開示される方法は、方法において生成される任意のチャーをさらに処理して、活性炭などの１つまたは複数の追加の先進炭素材料を生成することを含むことができる。一例では、チャーを処理することは、チャーを（例えば、窯内で）炭化または加熱することを含むことができる。次に、チャーは、物理的活性化プロセスまたは化学的活性化プロセスによって活性化され得る。物理的活性化は、チャーをアルゴンおよび／または窒素を含む雰囲気中で加熱すること、またはチャーを酸化雰囲気中で加熱することを含むことができる。化学的活性化は、チャーを酸、塩基、または塩などの１つまたは複数の化学物質で含浸することを含むことができる。場合によっては、化学的活性化は、含浸チャーを炭化または加熱して活性化することをさらに含むことができる。場合によっては、化学的活性化は物理的活性化よりも低い温度と少ないエネルギーで行うことが可能である。さらに、場合によっては、方法１００によって生成された化学副産物は、化学的活性化プロセス中に利用することができる。
場合によっては、追加の先進炭素材料は主に炭素原子を含むことができる。いくつかの実施形態では、追加の先進炭素材料は少なくとも１つの炭素発泡体、または熱分解炭素を含むことができる。いくつかの実施形態では、追加の先進炭素材料は、当技術分野で知られているか、または将来開発される可能性のある炭素の同素体など、１つ以上の炭素の同素体を含むことができる。場合によっては、追加の先進炭素材料は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンメガチューブ、カーボンナノリボン、カーボンナノバッド、グラフェン、グラファイトナノプレートレット、量子ドット、フラーレン（バックミンスターフラーレンまたはマルチコアフラーレン）を含む。
場合によっては、追加の先進炭素材料は炭素に加えて元素を含むことができ、例えば、ポリマーまたは他の炭化水素材料とすることができる。例えば、追加の先進炭素材料は、熱硬化性または熱可塑性ポリマーを含むことができる。場合によっては、追加の先進炭素材料は、ポリエステル、ビニルエステル、またはナイロンポリマーを含むことができる。
いくつかの場合において、追加の先進炭素材料は、生物学的に有用な材料または生体高分子を含み得る。言い換えれば、追加の先進炭素材料は、生物系または生物で使用されるか、生体適合性であるか、または典型的には生物によって生産される炭素を含む材料を含むことができる。例えば、追加の先進炭素材料は、タンパク質、アミノ酸、核酸、コラーゲン、キトサン、糖、または他の生物学的材料であり得る。場合によっては、追加の先進炭素材料は、生物学的および／または化学的プロセスで使用するための膜などの多孔質材料を含むことができる。例えば、追加の先進炭素材料は、穴あきグラフェンを含むことができる。

追加の先進炭素材料のアプリケーション
本明細書に記載される方法およびプロセスによって生成される追加の先進炭素材料は、多種多様な用途で使用することができる。場合によっては、本明細書に記載されている処理施設によって生成される追加の先進炭素材料は、追加の先進炭素材料から物体、デバイス、および他の製品を生成するためにさらに処理されることができる。他の実施形態では、追加の先進炭素材料は、使用するために他の生産設備に分配することができる。重要なことに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載されているプロセスは、処理施設でさらなる製品に組み合わせることができる２つ以上のタイプの追加の先進炭素材料を生成することができる。
そのような実施形態では、樹脂は、ポリマー部品または製品を製造するために、加工設備によってさらなる加工に供することができる。例えば、樹脂を使用して、シート、押出成形、成形プロセスまたは他の適切なプロセスを使用する三次元構造を生成することができる。一実施形態では、樹脂は、３Ｄプリンティングプロセスなどによって炭素三次元（「３Ｄ」）デバイスを生成するように構成することができる。３Ｄプリンティングプロセスには、樹脂をメッシュ、中空オブジェクト、中実オブジェクト、またはその他の製品に成形することが含まれる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の３Ｄプリンティングプロセスによって生成された樹脂は、カーボン３Ｄ社によって開発された連続液界面製造（ＣＬＩＰ）プロセスで使用することができる。実施形態では、３Ｄ印刷された物体の材料特性は、本明細書に記載のプロセスに従って生成された２つ以上の樹脂を利用することにより全体にわたって変化することができ、ここでの２つ以上の樹脂のそれぞれは、硬化時および／またはそれぞれが異なる刺激によって活性化されたときに異なる材料特性を有するものである。一実施形態では、樹脂は、積層造形プロセスで使用されるように構成することができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるプロセスによって生成される第１の追加の先進炭素材料は、後続のそのようなプロセスで使用されて、第２の異なる追加の先進炭素材料を生成することができる。例えば、最初の追加の先進炭素材料は分子グラフェン膜を含むことができる。この分子グラフェン膜を本明細書に記載のプロセスで使用して、熱分解または液化プロセスの生成物を化学的に分離して、炭素繊維を生成することができる。場合によっては、グラフェン膜を介したこの形態の化学分離は、通常使用される他の分離プロセスよりも熱効率が高くなる可能性がある。これらの炭素繊維は、ＣＬＩＰプロセスで、たとえばメッシュを印刷するために使用できる。
追加の先進炭素材料がグラフェンを含むいくつかの実施形態では、グラフェンは、例えば、グラフェンセンサーを形成するために、処理施設によってさらなる処理に供され得る。これらのグラフェンセンサーは、ハンドヘルドデバイスによって病気を検出するための使い捨てチップとして使用できる。グラフェンセンサーは、ライム病やジカウイルスなどの疾患を、患者の血液、尿、唾液、またはその他の体液や生体物質から即座に検出できるため、研究室に輸送するために血液サンプルを保管する必要がなくなる。さらに、本明細書に記載のプロセスは、例えばＣＬＩＰプロセスによって、ハンドヘルドデバイスの本体、および／またはマイクロ流体チャンバなどの消耗品または付属品を印刷するために使用することもできる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるプロセスによって生成される追加の先進炭素材料は、多種多様な他の用途で使用することができる。例えば、追加の先進炭素材料は、リチウムイオン電池の電極として使用できる炭素発泡体を含むことができる。場合によっては、追加の先進炭素材料は、大気中のＣＯ２回収プロセスで使用できる活性炭を含むことができる。場合によっては、大気中のＣＯ２再捕獲プロセスが処理施設によって行われ、捕獲されたＣＯ２はここで説明するプロセスで使うことができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されているプロセスに従って形成されたグラフェンなどの追加の先進炭素材料を使用して、ソーラーパネルを製造することができる。いくつかの場合においては、これらのソーラーパネルは、他の従来の方法で製造されたソーラーパネルよりも高い効率を持つことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されているプロセスに従って形成された追加の先進炭素材料は、エレクトロスピニングプロセスの前駆体として使用することができる。例えば、追加の先進炭素材料を使用して、ミクロンレベルの分解能を有する足場または他の構造をエレクトロスピンすることができる。場合によっては、エレクトロスピニングで使用される追加の先進炭素材料は、本明細書に記載されているプロセスに従って石炭から生成された生体材料であり得る。いくつかの実施形態では、追加の先進炭素材料を使用して、ゲル、例えば、ヒドロゲルまたはシリコーンゲルなどの医療グレードのゲルを製造することができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から製造された１つまたは複数の追加の先進炭素材料は、乗用車、トラック、または他の自動車の製造における自動車グレードの材料として使用できる。例えば、石炭から形成された樹脂を含む炭素繊維強化複合材料は、自動車のフレーム、構造部品、ボディパネル、エンジンブロック、および／または他の部品として使用できる。場合によっては、コンポーネントを３Ｄ印刷したり、ユーザーの好みに応じてカスタム設計したりできる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から生成される１つまたは複数の追加の先進炭素材料を使用して、クロマトグラフィーカラム、膜、およびフィルターなどの化学的または生物学的プロセスで使用する製品を形成することができる。いくつかの場合において、クロマトグラフィーカラム、膜、および／またはフィルターは、本明細書に記載されるプロセスに従って石炭から生成された１つ以上の追加の先進炭素材料から３Ｄ印刷され得る。場合によっては、クロマトグラフィーカラム、膜、および／またはフィルターを使用して、さまざまな溶液から抗体、細菌、寄生虫、および／または重金属を分離または除去することができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されているプロセスに従って石炭から生成された１つまたは複数の追加の先進炭素材料を使用して、回路基板を形成することができる。例えば、本明細書に記載されているように石炭から製造された炭素発泡体は、回路基板を形成するために３Ｄ印刷され得る。場合によっては、炭素発泡体の回路基板は、一般的なプリント回路基板よりも優れた電気的および熱的特性を持つことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のプロセスに従って石炭から生成される１つまたは複数の追加の先進炭素材料は合成グラフェンであり、さまざまな電子用途、たとえば量子ドットの形成およびコンピュータチップで使用できる。場合によっては、グラフェンを使用して、病気のバイオマーカーやウイルスなど、任意の数の生物学的に活性な分子または物質を分離および／または識別できるバイオセンサーを製造できる。
特に明記しない限り、（請求項以外の）明細書で使用される、寸法、物理的特性などを表すものなど、すべての数または表現は、「おおよそ」という用語によって修飾されるものであると理解されるべきである。少なくとも、均等論の適用を請求項に限定しようとするものとしてではなく、「ほぼ」という用語によって修飾される明細書または請求項に記載された各数値パラメータは、列挙された有効数字の数に照らし、通常の丸め手法を適用されるべきである。さらに、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、および「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、非限定的および限定的の両方の用語として解釈されるべきである。
さらに、本明細書に開示されるすべての範囲は、ありとあらゆる部分範囲またはそこに含まれるありとあらゆる個別の値を列挙する請求項を包含し、サポートを提供すると理解されるべきである。たとえば、１〜１０の範囲は、最小値１と最大値１０の間および／またはそれらを含むすべての部分範囲または個々の値を列挙するクレームを含み、サポートを提供すると解釈されるべきである。つまり、１以上の最小値で始まり、１０以下の最大値で終わるすべての部分範囲（たとえば、５．５〜１０、２．３４〜３．５６など）または１〜１０の任意の値（たとえば、３、５．８、９．９９９４など）である。

Claims (60)

  1. 炭素繊維の製造方法であって、
    １つ以上の不純物を含む原炭を提供する工程と、
    該原炭を選鉱し、該原炭中の該１つ以上の不純物のいくつかの少なくとも一部を選択的に除去して、選鉱された石炭を形成する工程と、
    該選鉱された石炭を処理してピッチを生成する工程と、
    該ピッチの少なくとも一部を変化させて炭素繊維を生成する工程と、
    を有し、
    該炭素繊維が、該１つ以上の不純物の、該原炭を選鉱する工程、該選鉱された石炭を処理する工程、及び該ピッチの少なくとも一部を変化させる工程において除去されず残されたものの選択された量を含む、炭素繊維の製造方法。
  2. 該原炭を選鉱する工程は、水銀、ヒ素、カドミウム、水、または揮発性化合物の少なくとも１つの少なくとも７５重量％を除去することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 該選鉱された石炭を処理する工程は、該選鉱された石炭を熱分解する工程を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 該選鉱された石炭を熱分解する工程は、該選鉱された石炭を大気圧で約４００℃〜約６５０℃に加熱することを含む、請求項３に記載の方法。
  5. 該選鉱された石炭を処理する工程は、該選鉱された石炭を直接液化プロセスにかける工程、該選鉱された石炭を間接液化プロセスにかける工程、または膜を使用する工程のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 合成ガスを捕捉する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  7. 該ピッチの少なくとも一部を変化させて炭素繊維を生成する工程が、該ピッチの一部を変化させて炭素繊維を生成し、残りのピッチを変化させて１つ以上の追加の先進炭素材料を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
  8. 該１つ以上の追加の先進炭素材料が１つ以上の樹脂を含む、請求項７に記載の方法。
  9. 該残りのピッチを変化させて１つ以上の追加の先進炭素材料を形成する工程が、該ピッチの少なくとも一部を変化させて１つ以上の樹脂前駆体を形成する工程を含む、請求項８に記載の方法。
  10. 該１つ以上の樹脂が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン樹脂、シアン酸エステル樹脂、エポキシ樹脂、メタクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、または多環式芳香族炭化水素の少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
  11. 該炭素繊維を少なくとも１つのマトリックス材料と組み合わせて、炭素繊維強化複合材料を形成する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  12. 該少なくとも１つのマトリックス材料が、少なくとも１つのポリマーを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 該少なくとも１つのマトリックス材料が、少なくとも１つの金属または少なくとも１つのセラミックのうちの１以上を含む、請求項１１に記載の方法。
  14. 単一の処理施設で先進炭素材料を製造する方法であって、
    １つ以上の不純物を含む原炭を単一の処理施設に提供する工程と、
    該単一の処理施設で該原炭を選鉱して、該原炭中の該１つ以上の不純物のいくつかの少なくとも一部を選択的に除去して、選鉱された石炭を形成する工程と、
    該選鉱された石炭を該単一の処理施設で処理して、ピッチを生成する工程と、
    該単一の処理施設で該ピッチの少なくとも一部を変化させて、１つ以上の樹脂を製造する工程と、
    を有し、
    該１つ以上の樹脂は、該１つ以上の不純物の、該原炭を選鉱する工程、該選鉱された石炭を処理する工程、及び該ピッチの少なくとも一部を変化させる工程において除去されずに残されたものの選択された量を含む、単一の処理施設で先進炭素材料を製造する方法。
  15. 該原炭を選鉱する工程は、水銀、ヒ素、カドミウム、水、または揮発性化合物の少なくとも１つの少なくとも７５重量％を除去することを含む、請求項１６に記載の方法。
  16. 該選鉱された石炭を処理する工程は、該選鉱された石炭を約４００℃〜約６５０℃の温度で熱分解する工程を含む、請求項１に記載の方法。
  17. 該選鉱された石炭を処理する工程は、該選鉱された石炭を直接液化プロセスかける工程、該選鉱された石炭を間接液化プロセスにかける工程、または膜を使用する工程のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
  18. 該ピッチの少なくとも一部を変化させて炭素繊維を生成する工程が、該ピッチの一部を変化させて炭素繊維を生成し、残りのピッチを変化させて１つ以上の追加の樹脂を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
  19. 該炭素繊維を少なくとも１つのマトリックス材料と組み合わせて、炭素繊維強化複合材料を形成する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  20. 該原炭中に最初に存在していた１つ以上の不純物の残りの選択された量を含む、石炭から形成された炭素繊維。
  21. 少なくとも１つ以上の樹脂を製造する方法であって、
    １つ以上の不純物を含む原炭を提供する工程と、
    該原炭を選鉱して、該原炭中の該１つ以上の不純物のいくつかの少なくとも一部を選択的に除去して、選鉱された石炭を形成する工程と、
    該選鉱された石炭を処理してピッチを生成する工程と、
    該ピッチの少なくとも一部を変化させて、１つ以上の樹脂を生成する工程と、
    を有し、
    該１つ以上の樹脂は、該１つ以上の不純物の、該原炭を選鉱する工程、該選鉱された石炭を処理する工程、及び該ピッチの少なくとも一部を変化させる工程において除去されずに残されたものの選択された量を含む、少なくとも１つ以上の樹脂を製造する方法。
  22. 該原炭を選鉱する工程は、水銀、ヒ素、カドミウム、水、または揮発性化合物の少なくとも１つの少なくとも７５重量％を除去することを含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 該選鉱された石炭を処理する工程は、該選鉱された石炭を熱分解する工程を含む、請求項２１に記載の方法。
  24. 該選鉱された石炭を熱分解する工程は、該選鉱された石炭を大気圧で約４００℃〜約６５０℃に加熱する工程を含む、請求項２３に記載の方法。
  25. 該選鉱された石炭の処理する工程が、該選鉱された石炭を直接液化プロセスにかける工程、該選鉱された石炭を間接液化プロセスにかける工程、または膜を使用する工程の少なくとも１つを含む、請求項２１に記載の方法。
  26. 該ピッチの少なくとも一部を変化させる工程は、該ピッチの少なくとも一部を変化させて、１つ以上の樹脂前駆体を形成する工程を含む、請求項２１に記載の方法。
  27. 該１つ以上の樹脂前駆体が、Ｃ２化合物、Ｃ３化合物、またはＣ４化合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項２３に記載の方法。
  28. 該１つ以上の樹脂前駆体が、ベンゼン化合物、トルエン化合物、ハロゲン化合物、またはフェノールを含む、請求項２３に記載の方法。
  29. 該１つ以上の樹脂前駆体がメタノールを含む、請求項２３に記載の方法。
  30. 該１つ以上の樹脂が、ポリエチレンまたはポリプロピレンのうちの少なくとも１つを含む、請求項２１に記載の方法。
  31. 該１つ以上の樹脂がポリアクリロニトリルを含む、請求項２１に記載の方法。
  32. 該１つ以上の樹脂が、ポリウレタン樹脂、シアン酸エステル樹脂、エポキシ樹脂、メタクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、または多環式芳香族炭化水素のうちの少なくとも１つを含む、請求項２１に記載の方法。
  33. 合成ガスの捕獲する工程と、
    該合成ガスを変化させて、該１つ以上の樹脂のいくつかを形成する工程と、
    をさらに含む請求項２１に記載の方法。
  34. 該ピッチの少なくとも一部を変化させて１つ以上の樹脂を生成する工程が、該ピッチの少なくとも一部を変化させて該１つ以上の樹脂を生成し、残りのピッチを変化させて１つ以上の追加の先進炭素材料を形成する工程を含む、請求項２１に記載の方法。
  35. 該１つ以上の追加の先進炭素材料が炭素繊維を含む、請求項３４に記載の方法。
  36. 単一の処理施設で先進炭素材料を製造する方法であって、
    １つ以上の不純物を含む原炭を単一の処理施設に提供する工程と、
    該単一の処理施設で該原炭を選鉱して、該原炭中の該１つ以上の不純物のいくつかの少なくとも一部を選択的に除去して、選鉱された石炭を形成する工程と、
    該選鉱された石炭を該単一の処理施設で処理してピッチを生成する工程と、
    該ピッチを変化させて１つ以上の樹脂を製造する工程であって、該１つ以上の樹脂は、１つ以上の不純物の、該原炭を選鉱する工程、該選鉱された石炭を処理する工程、及び該ピッチの少なくとも一部を変化させる工程において除去されず残されたものの選択された量を含むようにする、該ピッチを変化させて１つ以上の樹脂を製造する工程と、
    を有する、単一の処理施設で先進炭素材料を製造する方法。
  37. 該原炭を選鉱する工程は、水銀、ヒ素、カドミウム、水、または揮発性化合物のうちの少なくとも１つの実質的にすべてを除去することを含む、請求項３６に記載の方法。
  38. 該選鉱された石炭を処理する工程は、穏やかな温度の熱分解プロセスで該選鉱された石炭を熱分解する工程、該選鉱された石炭を直接液化プロセスにかける工程、該選鉱された石炭を間接液化プロセスにかける工程、または膜を使用する工程のうちの少なくとも１つを含む、請求項３６に記載の方法。
  39. 該ピッチの少なくとも一部を変化させる工程は、該ピッチの少なくとも一部を変化させて１つ以上の樹脂前駆体を形成する工程を含み、該１つ以上の樹脂前駆体は、Ｃ２化合物、Ｃ３化合物、Ｃ４化合物、ベンゼン化合物、トルエン化合物、ハロゲン化合物、及びフェノールのうちの少なくとも１つを含む、請求項３６に記載の方法。
  40. 複数のマーユニットであって、該複数のマーユニットのそれぞれが炭素および水素を含む複数のマーユニットと、
    原炭に最初から存在していた１つ以上の不純物の残りの選択された量と、
    を有する、石炭から形成された１つ以上の樹脂。
  41. 少なくとも約１４９℃（約３００゜Ｆ）の温度で石炭を熱処理する工程と、
    該石炭が熱処理から少なくとも部分的に冷却された後、該石炭から還元酸化グラフェンを形成する工程と、
    を有する、石炭からグラフェンを製造する方法。
  42. 該石炭から還元酸化グラフェンを形成する工程が、
    該石炭を酸化して石炭酸化物を形成する工程と、
    該石炭酸化物を遠心分離する工程と、
    遠心分離後に該石炭酸化物から酸化グラフェンを含む沈殿物を収集する工程と、
    該酸化グラフェンを還元して還元酸化グラフェンを形成する工程と、
    を含む、請求項４１に記載の方法。
  43. 該石炭を酸化して石炭酸化物を形成する工程は、石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素のうちの少なくとも１つと混合して、石炭酸化物を形成する工程を含む、請求項４２に記載の方法。
  44. 石炭を硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、または過酸化水素の少なくとも１つと混合して、石炭酸化物を形成する工程は、
    該石炭を硫酸および硝酸の少なくとも１つと混合する工程と、
    該硫酸と硝酸の少なくとも一方と混合された石炭を攪拌する工程と、
    過マンガン酸カリウムを、該硫酸および硝酸の少なくとも一方と混合された石炭に混合する工程と、
    該過マンガン酸カリウムと該硫酸および硝酸の少なくとも一方と混合された石炭を攪拌する工程と、
    該過マンガン酸カリウムと硫酸および硝酸の少なくとも一方と混合された石炭を水で希釈して溶液を形成する工程と、
    該溶液を過酸化水素と混合する工程と、
    該過酸化水素と混合された溶液の最初の遠心分離を行う工程と、
    該最初の遠心分離を行った後に、該過酸化水素と混合された溶液の石炭酸化物を含む上澄みを、該過酸化水素と混合された溶液の沈殿物から分離する工程と、
    を含む、請求項４３に記載の方法。
  45. 該石炭酸化物を遠心分離する前に、水で該石炭酸化物を希釈する工程をさらに含む、請求項４２に記載の方法。
  46. 該酸化グラフェンを還元して還元酸化グラフェンを形成する工程が、
    該酸化グラフェンを超音波処理する工程と、
    該酸化グラフェンを超音波処理した後、標準反応器で酸化グラフェンを水熱処理する工程と、
    を含む、請求項４２に記載の方法。
  47. 該少なくとも約１４９℃（約３００°Ｆ）の温度で石炭を熱処理する工程が、
    該石炭を１７７℃（３５０゜Ｆ）を超えないように第１の温度に加熱する工程と、
    該石炭を水銀除去反応器に移送する工程と、
    該水銀除去反応器で該石炭を少なくとも２６０℃（５００゜Ｆ）の第２の温度に加熱する工程と、
    該石炭を不活性ガスと接触させて、該石炭中に存在する水銀の少なくとも一部を除去する工程と、を含む請求項４１に記載の方法。
  48. 該石炭から還元酸化グラフェン酸化物を形成する工程が、該石炭の約１０重量パーセント〜約２０重量パーセントの還元酸化グラフェン収率で該石炭から還元酸化グラフェンを形成することを含む、請求項４１に記載の方法。
  49. 該石炭から還元酸化グラフェンを形成する工程が、該還元酸化グラフェン中の石炭に存在する所定量の１つ以上の不純物原子を保持する工程を含む、請求項４１に記載の方法。
  50. 該不純物原子は、ホウ素、窒素、およびシリコンのうちの１つ以上を含む、請求項４９に記載の方法。
  51. １つ以上の不純物原子を含む石炭を選鉱して、該石炭から該１つ以上の不純物原子の所定量を除去する工程と、
    該選鉱された石炭を処理して、該石炭の少なくとも一部からピッチを生成する工程と、
    該ピッチの少なくとも一部を処理して、所定量の該１つ以上の不純物原子を含む合成グラフェンを生成する工程と、
    を有する、合成グラフェンの製造方法。
  52. 該不純物原子は、シリコン、窒素、およびホウ素のうちの１つ以上を含む、請求項５１に記載の方法。
  53. 該不純物原子は、該合成グラフェンに所定量の点欠陥をもたらす、請求項５１に記載の方法。
  54. 石炭を熱処理して、該石炭中の１つ以上の不純物原子を所定濃度にする工程と、
    該石炭の少なくとも一部を酸化して、所定濃度の１つ以上の不純物原子を含む石炭酸化物を形成する工程と、
    該石炭酸化物を処理して、所定濃度の１つ以上の不純物原子を含む還元酸化グラフェン酸化物を形成する工程と、
    を含む合成グラフェンの製造方法。
  55. 該１つ以上の不純物原子が、該石炭で自然に生じるものである、請求項５４に記載の方法。
  56. 該不純物原子は、カドミウム、セレン、ホウ素、窒素、およびシリコンのうちの１つ以上を含む、請求項５４に記載の方法。
  57. 該還元酸化グラフェン中の該不純物原子の所定濃度は、約０．１原子％から約１０原子％である、請求項５４に記載の方法。
  58. 石炭から形成された合成グラフェンであって、
    所定量のドーパント原子を含み、該ドーパント原子は該石炭に由来している、合成グラフェン。
  59. 該ドーパント原子は、ホウ素、窒素、およびシリコンのうちの１つ以上を含む、請求項５８に記載の合成グラフェン。
  60. 該１つ以上のドーパント原子による所定量の点欠陥をさらに含む、請求項５８に記載の合成グラフェン。

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