KR20050046358A - 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및수소의 제조공정 - Google Patents

마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및수소의 제조공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 1∼50torr의 진공분위기하에서, 천연가스 또는 저급 탄화수소를 제트 주입 노즐(jet inlet nozzle)을 이용한 분사방식으로 수소 플라즈마 토치를 통하여 6kW, 2.45GHz의 마그네트론 마이크로웨이브 발생기를 갖는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기에 5∼10ℓ/min의 유속으로 유입시켜 1.5∼4.0kW의 저출력에서 메탄 가스의 방전반응을 유도하여 상기 천연가스 또는 저급 탄화수소를 열분해시키는 단계; 상기 열분해반응으로부터 생성된 카본 블랙 및 수소를 사이클론 및 필터를 통해서 분리시키는 단계; 및 상기 분리된 수소의 일부를 플라즈마 가스로서 상기 플라즈마 토치에 공급하여 재순환시키는 단계를 포함하는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 저출력 고에너지 밀도의 저온 플라즈마 시스템에서 열역학적으로 매우 안정한 천연가스 또는 저급 탄화수소를 후-글로 방전반응을 유도하여 분해시킴으로써, CO2를 발생시키지 않고 고순도의 수소 및 카본블랙을 제공할 수 있다.

Description

마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정{Process for making carbon black and hydrogen using microwave plasma reactor}
본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 저출력 고에너지 밀도의 저온 플라즈마 시스템에서 천연가스 또는 저급 탄화수소를 후-글로(after-glow) 방전반응을 유도하여 분해시켜 고순도의 수소 및 카본블랙을 얻을 수 있는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정에 관한 것이다.
종래에 탄화수소를 분해시켜 고순도의 수소 및 블랙카본을 얻기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 또한, 우수한 품질 및 밀도를 갖는 블랙 카본을 제조하기 위한 다양한 연구가 시도되었다.
예를 들어, 미국 특허 제4,101,639호는 열분해법을 이용하여 카본블랙을 제조하는 방법을 개시하고 있는데, 상기 특허에 따른 방법은 수증기가 플라즈마 스트림 내로 반응 챔버의 벽에 대하여 방사상 및 탄젠트식으로 주입되어 열분해성 탄소 및 카본블랙의 흑연 형성을 방지할 뿐만 아니라, 수증기의 탄젠트식 기류는 반응 챔버의 벽을 플라즈마 스트림의 고온으로부터 보호해주며, 챔버 벽상에 응축된 탄소의 퇴적을 방지하는 장점을 갖지만, 물이 분해되어 카본블랙 표면에 산소 함유기를 생성시켜 카본블랙의 품질에 악영향을 미치는 단점이 있다. 또한, 물은 분해되어 산화탄소 및 산화질소와 같은 산소 함유 가스를 생성시켜 공정으로부터 배출되는 가스를 오염시키는 문제점이 있다.
한편, 최근 미 MIT 플라즈마 핵융합센터의 브롬버그(Bromberg) 등은 100% 수소 제조용 플라즈마 개질장치를 연료전지와 연계한 시스템으로 개발하여 높은 신뢰성이 있는 결과를 발표하였으며, 더욱이 최근에 물리적 에너지인 플라즈마를 사용한 메탄변환이 시도되면서 수소, 석유화학원료의 기초원료(에틸렌 등)로의 제조가 분산가스(remote gas) 매장이 많은 국가에서 활발하게 이루어지고 있다.
플라즈마는 아크 방전, 글로(glow) 방전, AC 또는 DC 방전, 고온 플라즈마, 광에너지 등의 물리적인 에너지를 가하여 고온에서 메탄을 분해한 후 기상상태로 반응시켜 에탄, 에틸렌 및 아세틸렌 등의 C2+ 화합물과 카본블랙 및 수소를 제조하는 방법을 사용하고 있다.
그러나, 종래 기술에서는 에너지의 집중(energy intensive) 문제를 해결해야 하는 어려움이 남아 있으며, 초기에 연구된 고온, 고출력의 플라즈마 변환시스템을 이용하여 이를 실험하였으나 여전히 에너지 효율 등의 에너지 문제를 해결하지 못하고 있는 실정이다.
이에 본 발명에서는 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 다양한 연구를 거듭한 결과, 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용하여 낮은 에너지 출력에서 천연가스 또는 저급 탄화수소의 후-글로 방전반응을 유도시켜 수소와 카본블랙을 고순도로 얻을 수 있음을 발견하였으며, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 저출력 고에너지 밀도의 저온 플라즈마 시스템에서 천연가스 또는 저급 탄화수소를 후-글로 방전반응을 유도하여 분해시켜 고순도의 수소 및 카본블랙을 얻을 수 있는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정은 1∼50torr의 진공분위기하에서, 천연가스 또는 저급 탄화수소를 제트 주입 노즐(jet inlet nozzle)을 이용한 분사방식으로 수소 플라즈마 토치를 통하여 6kW, 2.45GHz의 마그네트론 마이크로웨이브 발생기를 갖는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기에 5∼10ℓ/min의 유속으로 유입시켜 1.5∼4.0kW의 저출력에서 메탄 가스의 방전반응을 유도하여 상기 천연가스 또는 저급 탄화수소를 열분해시키는 단계; 상기 열분해반응으로부터 생성된 카본 블랙 및 수소를 사이클론 및 필터를 통해서 분리시키는 단계; 및 상기 분리된 수소의 일부를 플라즈마 가스로서 상기 플라즈마 토치에 공급하여 재순환시키는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 저출력 고에너지 밀도의 저온 플라즈마 시스템에서 열역학적으로 매우 안정한 천연가스 또는 저급 탄화수소를 후-글로 방전반응을 유도하여 분해시킨 후, 분리 및 정제공정을 통해서 CO2를 발생시키지 않고 고순도의 수소 및 특수 카본블랙을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 약 1.5∼4.0kW의 저출력 고에너지 밀도의 저온 플라즈마 시스템에서 1몰의 천연가스 또는 저급 탄화수소, 바람직하게 메탄은 하기 반응식 1과 같이 2몰의 수소 및 1몰의 카본블랙으로 분해된다.
CH4 →C + 2H2 + 75.6kJ
상기 천연가스 또는 저급 탄화수소는 제트 주입 노즐(jet inlet nozzle)을 이용한 분사방식으로 수소 플라즈마 토치를 통하여 상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기에 유입되고 1.5∼4.0kW의 저출력에서 메탄 가스의 방전반응이 유도되어 열분해된다. 한편, 상기 메탄 가스의 방전반응은 상기 마이크로웨이브 플라즈마에서 점화된 수소 플라즈마를 이용하여 상기 제트 주입 노즐을 통해 공급된 천연가스 또는 저급 탄화수소의 방전을 유도하는 후-글로(after-glow) 방전반응이다. 이 때, 상기 천연가스 또는 저급 탄화수소는 1∼50torr의 진공분위기하에서, 6kW, 2.45GHz의 마그네트론 마이크로웨이브 발생기를 갖는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기에 5∼10ℓ/min의 유속으로 유입된다.
또한, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기에는 플라즈마 토치를 통해 천연가스 또는 저급 탄화수소를 열분해시킬 수 있는 충분한 에너지가 공급된다. 한편, 상기 플라즈마 토치는 저기압 또는 상압에서 상기 마이크로 웨이브파에 의한 기체 방전이 가능하도록 마그네트론과 연결된 도파관으로부터 유도된 마이크로웨이브 파장을 이용하여 플라즈마를 형성시키며, 이 때 저기압의 기체 방전은 글로 방전과 유사하여 전자온도는 이온온도에 비하여 대단히 높으나, 기압이 상승함에 따라서 전자온도와 이온온도는 근접하고 100torr 이상에서는 거의 같은 값을 나타낸다. 한편, 상기 기체 방전의 외관은 밝은 코어(core) 형태가 되고, 그 주위에는 작은 얇은 빛이 나며, 아크(arc) 방전 그 자체의 온도는 5,000∼6,000K 정도로 전자온도, 이온온도 및 기체온도 3자 모두 같은 온도가 되며, 기압이 높기 때문에 충돌의 기회가 대단히 많아 전극의 소모가 적고(low electrode consumption), 열적으로 평균(homogeneous plasma)이 된다.
그 다음, 상기 열분해반응으로부터 생성된 카본 블랙 및 수소는 사이클론(cyclon) 및 필터를 통해서 분리 및 정제된다. 즉, 상기 열분해반응으로부터 생성된 상기 카본 블랙은 상기 사이클론을 통해서 포집되어 정제되며, 상기 수소는 필터를 통해서 분리되어 정제된다.
한편, 상기 필터를 통해 분리되어 정제된 수소의 일부는 플라즈마 가스로서 상기 플라즈마 토치에 공급되어 재순환되어 플라즈마 가스로 사용되는 수소가 전체 공정으로부터 회수(recirculation)됨으로써, 플라즈마 토치에 요구되는 전기와 원료는 반응물로부터 분리되어 전체 공정은 자급자족(self-sufficient) 시스템으로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 상기 플라즈마 토치에 의한 복사열과 상기 플라즈마 가스에 의한 대류현상을 통해 상기 천연가스 및 저급 탄화수소 등의 공급원료는 열분해 온도에 도달하는데 충분한 에너지를 공급받아 수소 및 카본블랙으로 전환될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 수소 및 카본블랙의 제조하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 포함하는 장치를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 본 발명에서는 회전 도파관{endless circular waveguide(미국 특허 제5,487,875호); 2}을 사용하고 6kW, 2.45GHz의 마그네트론 마이크로웨이브 발생기를 갖는 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 이용한다. 도 1을 참조하면, 마그네트론(1)에서 발생된 마이크로웨이브 파장을 도파관(2) 및 E-H 튜너(3)를 조절하여 플라즈마 발생원(5)으로부터 1.5∼4.0kW의 플라즈마가 출력되도록 한다. 한편, 플라즈마 가스로는 수소를 사용하여 마이크로웨이브 석영 튜브(4)를 통해 유입시킬 수 있고, 이는 또한 공정내에서 생성되어 공급될 수 있다. 한편, 공급원료 또는 반응가스로는 천연가스 또는 저급 탄화수소, 바람직하게는 메탄을 사용하여 제트 주입 노즐(6)을 이용한 분사방식으로 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(9) 내의 플라즈마 토치(도시되지 않음)를 통해 유입시킨다. 이 때, 상기 공급원료의 유입시 진공펌프(10)에 연결된 압력조절 밸브(11, 12)로 시스템의 압력을 조절하고, 질량유속조절기(8)로 유량을 조절하여 1∼50torr의 진공분위기하에서 상기 공급원료를 5∼10ℓ/min의 유속으로 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(9)에 유입시킨다. 따라서, 상기 제트 주입 노즐(6)을 통해 상기 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(9)에 공급된 공급원료는 상기 마이크로웨이브 플라즈마에서 점화된 수소 플라즈마를 이용하여 1.5∼4.0kW의 낮은 플라즈마 출력에서 메탄 가스의 방전반응, 즉 후-글로 방전반응이 유도되어 열분해된다.
그 다음, 상기 열분해반응에 의해 생성된 생성물 중 카본블랙은 사이클론(13)에서 포집되어 분리되며, 상기 사이클론(13)을 통과한 기체상의 생성물은 필터(14)를 거쳐 기계 격막 펌프(mechanical diaphragm pump: 15)를 통해 온-라인(on-line) G.C.(gas chromatography)로 유입되어 분석된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 저출력 고에너지 밀도의 저온 마이크로웨이브 플라즈마 시스템에서 열역학적으로 매우 안정한 천연가스 또는 저급 탄화수소를 후-글로 방전반응을 유도하여 분해시킴으로써 CO2를 발생시키지 않고 전기신호로 고급 제어가 가능하여 고온(>2,000℃)의 열원을 발생시킬 수 있기 때문에, 천연가스와 같은 화석연료를 저온 플라즈마에 의하여 분해하는 경우 99% 이상의 순수한 수소를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 부생성물로서 고순도의 특수 카본블랙을 얻을 수 있다.
이하, 하기 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
가스연료로는 천연가스의 주성분인 메탄을 사용하고, 마이크로웨이브 플라즈마의 발생기로는 독일 Iplas사의 모델 Cyrannus I-6" 6kW, 2.45GHz의 마그네트론 마이크로웨이브 발생기를 사용하며, 전체 반응조건으로는 50torr의 압력하에서 천연가스 1000㎖/min의 유속으로 천연가스를 유입하고, 플라즈마 출력을 저출력인 1.5∼4.0kW 범위로 한정하여 수소 및 카본블랙을 제조한 다음, 이로부터 얻은 수소 및 카본블랙의 기본 특성을 측정한 후, 그 결과를 하기 도 2a, 2b, 도 3, 및 하기 표 1에 나타내었다.
도 2a는 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 메탄의 전환율 및 생성물 선택도 결과를 도시한 그래프이다. 도 2a를 참조하면, 메탄의 전환율이 1.5∼4.0kW에서 96%이상의 높은 전환율을 나타내며, 특히 3.0kW 이상에서는 99% 이상의 전환율을 보여주고 있다. 또한, 수소의 선택도의 경우 1.5kW에서 82%로 플라즈마 출력이 증가할수록 4.0kW에서는 96% 이상으로 나타남을 보여주고 있다. 일부 저출력에서는(< 3.0kW)는 C2+ 화합물이 발견되는데 이는 충분치 못한 플라즈마에너지에서 메탄의 완전분해보다는 라디칼 반응형태로 발전하여 메틸기에 의하여 에탄, 에틸렌 및 아세틸렌으로 전환되는 것으로 사료된다.
도 2b는 정량적 실험을 통하여 수소와 카본블랙이 화학양론적인 반응을 갖는지를 살펴보기 위한 실험 결과(시스템 압력: 50torr, 천연가스 유량: 1,000㎖/min)를 도시한 그래프로서, 메탄 1몰의 분해반응으로부터 1.66몰의 수소와 0.61몰의 카본블랙이 제조됨을 고찰할 수 있다. 이는 전체 생산공정의 효율이 약 83%(= 1.66/2 H2 mole)임을 보여주고 있다.
따라서, 상기 실험결과를 바탕으로 마이크로웨이브 플라즈마에 의한 반응공정은 기존의 수소 및 카본블랙을 제조하는 반응공정에 비하여 월등히 우수한 결과를 나타냄을 알 수 있다.
도 3은 본 발명에 따라 마이크로 웨이브 플라즈마 반응기를 이용하여 얻은 카본블랙을 주사현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 주사미세현미경사진이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 카본블랙의 입자가 매우 일정한 형태로 분포되어 있음을 알 수 있으며, 크기는 약 20∼30㎚로 특수 카본블랙의 형상을 갖고 있음을 알 수 있다.
하기 표 1은 특수 카본블랙, 일반 카본블랙 및 플라즈마 카본블랙에 대한 표면 특성을 비교하여 나타낸 표로서, 본 발명에 따른 플라즈마 블랙은 특수 카본블랙으로 알려진 퍼니스 블랙과 매우 유사한 BET 표면적(213.23㎡/g) 값을 나타내었다. 따라서, 하기 도 3 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마로부터 생성된 플라즈마 블랙에 대한 특성은 특수 카본블랙으로 분류할 수 있는 정보가 된다.
상업용 카본블랙과 플라즈마에서 제조된 카본블랙의 표면특성분석 결과
카본 블랙 BET 표면적(㎡/g) Langmuir 표면적 (㎡/g) 평균 입자 크기(㎚)
Thermal black 50∼120 75.7∼171 40∼200
Furnace black 100∼ab. 200 150∼300 ca. 20∼30
Plasma black 213.23 293.05 20∼30
전술한 바와 같이, 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 반응시스템을 이용하여 천연가스 또는 저급 탄화수소로부터 수소 및 카본블랙을 제조하는 반응시스템에 의하면, 고에너지 밀도를 갖는 마이크로웨이브 플라즈마 시스템에서 메탄을 완전 분해하여 수소 및 특수 카본블랙을 생산할 수 있는 공정으로 활용이 가능하다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 수소는 21세기 미래 에너지원으로 활용하여 연료전지 또는 수소자동차에 적용하고, 부생성물로 생성된 카본블랙은 고품질의 카본블랙으로서 프린터나 복사기 토너 또는 전기전도성을 갖는 카본블랙으로 활용할 수 있는 유용한 화학공정으로의 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따라 수소 및 카본블랙의 제조하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 포함하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 메탄의 전환율 및 생성물 선택도 결과를 도시한 그래프이다.
도 2b는 본 발명에 따라 마이크로 웨이브 플라즈마 반응기를 이용하여 메탄으로부터 제조된 수소 및 카본블랙의 생성량을 정량적으로 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따라 마이크로 웨이브 플라즈마 반응기를 이용하여 제조된 카본블랙을 나타낸 주사미세현미경사진이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
1: 마그네트론 2: 회전도파관
3: E-H 튜너 4: 마이크로웨이브 석영 튜브
5: 마이크로웨이브 플라즈마 발생원 6: 제트 주입 노즐
7: 냉각 라인 입구 8: 질량유속조절기
9: 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 10: 진공펌프
11: 앵글 밸브 12: 고진공 버터플라이 밸브
13: 사이클론 14: 필터
15: 기계 격막 펌프

Claims (3)

1∼50torr의 진공분위기하에서, 천연가스 또는 저급 탄화수소를 제트 주입 노즐(jet inlet nozzle)을 이용한 분사방식으로 수소 플라즈마 토치를 통하여 6kW, 2.45GHz의 마그네트론 마이크로웨이브 발생기를 갖는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기에 5∼10ℓ/min의 유속으로 유입시켜 1.5∼4.0kW의 저출력에서 메탄 가스의 방전반응을 유도하여 상기 천연가스 또는 저급 탄화수소를 열분해시키는 단계;
상기 열분해반응으로부터 생성된 카본 블랙 및 수소를 사이클론 및 필터를 통해서 분리시키는 단계; 및
상기 분리된 수소의 일부를 플라즈마 가스로서 상기 플라즈마 토치에 공급하여 재순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정.
제1항에 있어서, 상기 메탄 가스의 방전반응은 상기 마이크로웨이브 플라즈마에서 점화된 수소 플라즈마를 이용하여 상기 제트 주입 노즐을 통해 공급된 천연가스 또는 저급 탄화수소의 방전을 유도하는 후-글로(after-glow) 방전반응인 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정.
제1항에 있어서, 상기 열분해반응으로부터 생성된 상기 카본 블랙은 사이클론을 통해서 포집되어 정제되며, 상기 수소는 필터를 통해서 분리되어 정제되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및 수소의 제조공정.
KR1020030080605A 2003-11-14 2003-11-14 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 이용한 카본블랙 및수소의 제조공정 KR100583500B1 (ko)

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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070106105A (ko) * 2006-04-28 2007-11-01 이홍재 고형탄화물을 이용한 나노크기의 카본블랙 제조방법
CN101838480A (zh) * 2010-04-30 2010-09-22 曲靖众一精细化工股份有限公司 甲烷高温裂解联产炭黑及高纯氢气的方法
CN102108216A (zh) * 2010-12-03 2011-06-29 苏州纳康纳米材料有限公司 一种等离子体技术制备导电炭黑和氢气的方法
KR101535973B1 (ko) * 2012-08-13 2015-07-13 세종대학교산학협력단 액상 플라즈마에 의한 카본 블랙의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 카본 블랙
US9761886B2 (en) 2014-02-10 2017-09-12 Industry-Academia Cooperation Group Of Sejong Univ Crystalline carbon structure, method of manufacturing the same, and energy storage device having the same
CN112013385A (zh) * 2020-07-22 2020-12-01 山东师范大学 一种等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置及方法
EP3919438A1 (de) * 2020-06-03 2021-12-08 Behzad Sahabi Verfahren und vorrichtung zur thermischen spaltung eines kohlenwasserstoffhaltigen ausgangsmaterials sowie verwendung des verfahrens
WO2022129736A1 (fr) * 2020-12-17 2022-06-23 Sakowin Dispositif de production d'energie comportant une unite de production de dihydrogene; procédé utilisant ce dispositif
WO2023037094A1 (en) * 2021-09-10 2023-03-16 HiiROC-X Developments Limited Hydrogen production in built environment

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101189834B1 (ko) 2011-03-09 2012-10-10 한국에너지기술연구원 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 황화수소 제거 장치 및 방법
KR101336868B1 (ko) 2012-08-22 2013-12-05 한국에너지기술연구원 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스 급속 생산 장치 및 방법
EP3523013A4 (en) 2016-10-06 2020-05-27 Lyten, Inc. MICROWAVE REACTOR SYSTEM WITH GAS-SOLID SEPARATION
US9997334B1 (en) 2017-02-09 2018-06-12 Lyten, Inc. Seedless particles with carbon allotropes
JP7042282B2 (ja) 2017-03-16 2022-03-25 ライテン・インコーポレイテッド 炭素及びエラストマーの融合
US10920035B2 (en) 2017-03-16 2021-02-16 Lyten, Inc. Tuning deformation hysteresis in tires using graphene
US10502705B2 (en) 2018-01-04 2019-12-10 Lyten, Inc. Resonant gas sensor
WO2019126196A1 (en) 2017-12-22 2019-06-27 Lyten, Inc. Structured composite materials
US11623197B2 (en) * 2020-01-23 2023-04-11 Lyten, Inc. Complex modality reactor for materials production and synthesis

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6461396A (en) * 1987-09-01 1989-03-08 Idemitsu Petrochemical Co Synthesis of diamond and installation therefor
CA2077773A1 (en) * 1991-10-25 1993-04-26 Thomas R. Anthony Microwave, rf, or ac/dc discharge assisted flame deposition of cvd diamond
DE4225968A1 (de) * 1992-08-06 1994-02-10 Micro Epsilon Messtechnik Berührungslos arbeitendes Wegmeßsystem und Verfahren zur berührungslosen Wegmessung
NO176969C (no) * 1992-12-23 1995-06-28 Kvaerner Eng Fremgangsmåte til styring av fremstillingen av karbon og hydrogen ved pyrolyse av hydrokarboner, samt anordning for bruk ved fremgangsmåten
JPH10292126A (ja) * 1997-04-16 1998-11-04 Tokai Carbon Co Ltd カーボンブラックの製造方法
ATE310054T1 (de) * 2000-09-19 2005-12-15 Vorrichtung und verfahren zur umwandlung eines kohlenstoffhaltigen rohstoffs in kohlenstoff mit einer definierten struktur
KR20040004799A (ko) * 2002-07-05 2004-01-16 한국과학기술연구원 메탄을 열분해하여 수소와 카본블랙을 동시에 제조하는방법

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070106105A (ko) * 2006-04-28 2007-11-01 이홍재 고형탄화물을 이용한 나노크기의 카본블랙 제조방법
CN101838480A (zh) * 2010-04-30 2010-09-22 曲靖众一精细化工股份有限公司 甲烷高温裂解联产炭黑及高纯氢气的方法
CN101838480B (zh) * 2010-04-30 2012-08-29 曲靖众一精细化工股份有限公司 甲烷高温裂解联产炭黑及高纯氢气的方法
CN102108216A (zh) * 2010-12-03 2011-06-29 苏州纳康纳米材料有限公司 一种等离子体技术制备导电炭黑和氢气的方法
KR101535973B1 (ko) * 2012-08-13 2015-07-13 세종대학교산학협력단 액상 플라즈마에 의한 카본 블랙의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 카본 블랙
US9761886B2 (en) 2014-02-10 2017-09-12 Industry-Academia Cooperation Group Of Sejong Univ Crystalline carbon structure, method of manufacturing the same, and energy storage device having the same
EP3919438A1 (de) * 2020-06-03 2021-12-08 Behzad Sahabi Verfahren und vorrichtung zur thermischen spaltung eines kohlenwasserstoffhaltigen ausgangsmaterials sowie verwendung des verfahrens
CN112013385A (zh) * 2020-07-22 2020-12-01 山东师范大学 一种等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置及方法
CN112013385B (zh) * 2020-07-22 2022-07-15 山东师范大学 一种等离子体射流耦合微波放电的辅助燃烧装置及方法
WO2022129736A1 (fr) * 2020-12-17 2022-06-23 Sakowin Dispositif de production d'energie comportant une unite de production de dihydrogene; procédé utilisant ce dispositif
FR3118024A1 (fr) * 2020-12-17 2022-06-24 Sakowin Dispositif de production d’énergie comportant une unité de production de dihydrogène
WO2023037094A1 (en) * 2021-09-10 2023-03-16 HiiROC-X Developments Limited Hydrogen production in built environment
GB2610811A (en) * 2021-09-10 2023-03-22 Hiiroc X Developments Ltd Hydrogen production in built environment

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