TW201823151A - 具有氣-固分離之微波反應器系統 - Google Patents

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布萊斯 H. 安吉爾莫
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Abstract

在此揭示微波化學處理系統，其具有一微波電漿反應器及一多級氣-固分離系統。微波能量源具有一波導、一反應區、及一經組態以接收輸入材料之入口，且該輸入材料經轉化成經分離組分。該等經分離組分包括氫氣及碳顆粒。該多級氣-固分離系統具有一第一旋風分離器，以自該等經分離組分過濾該等碳顆粒，及一反脈衝過濾系統，其經耦合至該第一旋風分離器之輸出端，以自該第一旋風分離器之該輸出端過濾該等碳顆粒。

Description

具有氣-固分離之微波反應器系統
本申請案要求以下申請案之優先權：1) 美國臨時專利申請案第62/404,851號，提交於2016年10月6日且標題為「Microwave Reactor System」；及2)美國臨時專利申請案第62/406,745號，提交於2016年10月11日且標題為「Bio-Gas System」；其均藉由引用之方式併入本文。
微波電漿經用於氣體之工業化學處理。這通常係藉由使氣體流動以穿過細長容器進行反應且同時微波能量經耦合至該容器中以產生電漿而完成。該電漿將氣體分子裂化成組分物質。微波化學處理系統的有效性係由於微波電漿在低離子能量下之相對高的功率耦合效率下工作，且能夠支持各種氣體反應，諸如甲烷轉化成氫及碳微粒、二氧化碳轉化成氧及碳、及以其他層包覆微粒及其他種子材料以用於官能化、及複雜層狀材料與聚集體處理。
用於化學氣體處理之典型系統包括製程材料流經之石英反應腔室，及透過波導耦合至反應腔室之微波磁控管源。輸入微波能量可為連續波或脈衝式。系統經設計以控制微波能量至反應腔室中之有效耦合及反應腔室內之氣流，以改善流動氣體之能量吸收。該等系統常常包括位於微波波導與石英反應腔室相交處的一楔形物，以將電場集中於小面積內，且波導傳導壁不經暴露於待處理之氣體。
在產生氣體及微粒之微波化學處理系統中，使用一氣-固分離系統完成微粒過濾。該氣-固分離系統可包含旋風過濾器、反脈衝過濾器、及其他過濾器。舉例而言，自微波化學處理系統中產生之氫氣過濾含碳顆粒係充滿挑戰的。在一些情況下，所產生之含碳顆粒非常小(例如，中值粒度低於100 nm)，其加劇顆粒過濾之挑戰。一些用於自氣流分離含碳顆粒之氣-固分離系統使用反脈衝過濾器。在一些情況下，反脈衝過濾器採用加熱式過濾器(例如，加熱式燭形過濾器)。在此等系統中之一些中，反脈衝過濾器係藉由吹入氣體穿過燭形過濾器以移出含碳顆粒來定期清潔(亦即，使用使氣體沿著與過濾方向相反之方向流動之反脈衝)。其他用於自氫氣分離含碳顆粒之氣-固分離系統使用旋風分離器。在一些情況下，旋風分離器亦經加熱。
在一些實施例中，一種材料處理系統包括一輸入材料，其包含一烴氣體；一微波電漿反應器；及一多級氣-固分離系統，其耦合至該微波電漿反應器。在一些實施例中，該微波電漿反應器包括一微波能量源；一波導；一反應區，其中該微波能量源係透過該波導經耦合至該反應區，且該微波能量在該反應區中產生一電漿；及一入口，其經組態以接收該輸入材料，其中該輸入材料透過該入口流入該反應區中。該電漿將該輸入材料分離成經分離組分，該等經分離組分包含氫氣及碳顆粒。在一些實施例中，該多級氣-固分離系統包括一第一旋風分離器，其具有一輸出端，其中該第一旋風分離器自該等經分離組分過濾該等碳顆粒；及一反脈衝過濾系統，其耦合至該第一旋風分離器之該輸出端，其中該反脈衝過濾系統自該第一旋風分離器之該輸出端過濾該等碳顆粒。
在一些實施例中，一種用於產生碳顆粒之方法包括提供包含一烴氣體之一輸入材料；使用一微波電漿反應器將該輸入材料處理成單獨組分，其中該等經分離組分含有氫氣及碳顆粒；及使用一多級氣-固分離系統自該氫氣過濾該等碳顆粒。在一些實施例中，該多級氣-固分離系統包括一第一旋風分離器，其具有一輸出端；及一反脈衝過濾系統，其中該第一旋風分離器自該等經分離組分過濾該等碳顆粒；且該反脈衝過濾系統自該第一旋風分離器之該輸出端過濾該等碳顆粒。
微波電漿化學處理系統使用微波能量產生一電漿，且該電漿經使用以將一輸入材料轉化成經分離組分。在一些情況下，該等經分離組分包括固體顆粒及氣態產物之混合物。在此類系統中，微波電漿化學反應器可經設計以自一特定輸入材料產生具有合需的特性之氣體及顆粒(例如，產物氣體種類、產物氣體純度、顆粒組成及晶體結構、粒度、表面積、質量密度、電導率等)。輸入材料特性(例如，輸入材料種類、輸入材料種類等)亦會影響經分離組分之特性(例如，產物氣體種類、產物氣體純度、顆粒組成及晶體結構、粒度、表面積、質量密度、電導率等)。另外，在產生固體顆粒及氣態產物之混合物的微波電漿化學處理系統中，氣-固分離系統係關鍵的。有效地過濾所產生的顆粒之一大部分且係成本有效的氣-固分離系統的製造可為面臨挑戰的。
貫穿於本揭示內容，術語「製程材料」、「輸入材料」、及「前驅材料」皆係指在微波電漿化學處理系統中經轉化成經分離組分的材料。在一些實施例中，輸入材料係一「製程氣體」。
本揭示內容中所描述的微波電漿化學處理系統及方法實現自各種輸入材料成本有效地生產固體顆粒及氣態產物。本文所描述的微波電漿化學反應器及微波電漿材料處理方法實現具有合需之特性的固體顆粒及氣態產物之高生產率。本文所描述的氣-固分離系統及方法實現自氣態產物成本有效地過濾固體顆粒。本文所描述的氣-固分離系統亦會影響所產生的固體顆粒及氣態產物的特性。
在一些實施例中，一種材料處理系統包括：一輸入材料，其包含一烴氣體；一微波電漿反應器；及一多級氣-固分離系統，其耦合至該微波電漿反應器。在一些實施例中，該微波電漿反應器包括：一微波能量源；一波導，其具有一反應區，其中該微波能量源係透過該波導經耦合至該反應區，且該微波能量在該反應區中產生一電漿。在一些實施例中，該微波電漿反應器亦包括一入口，其經組態以接收該輸入材料，其中該輸入材料透過該入口流入該反應區中，且該電漿將該輸入材料分離成經分離組分(例如，氫氣及碳顆粒)。
在一些實施例中，輸入材料可為氣體、液體或膠體分散液。在各種實施例之微波電漿化學處理反應器中，將輸入材料處理成經分離組分係在波導之反應區中進行。在本揭示內容中，可使用諸如氣體作為示例性材料之輸入材料之一種類型來描述實施例，但該等實施例可同等適用於其他類型之材料，諸如液體和/或膠體分散液。
在一些實施例中，輸入材料(例如，製程材料)為一氣體。在一些實施例中，輸入材料為一烴氣體，諸如C2 H2 、C2 H4 、C2 H6 。在一些實施例中，輸入材料為一工業氣體諸如天然氣或生物氣體。在一些實施例中，輸入材料為天然氣與氫氣之混合物、或生物氣體與氫氣之混合物。在一些實施例中，製程材料為甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、或丁二烯，且經分離組分為氫及奈米微粒碳。在一些實施例中，製程材料為帶水之二氧化碳，且經分離組分為氧、碳及水。在一些實施例中，製程材料為H2 S，且經分離組分為氫氣及硫。在一些實施例中，輸入材料不含二氧化碳，或具有少於1%二氧化碳、或少於0.1%二氧化碳、或少於0.01%二氧化碳。在一些實施例中，輸入材料不含氧，或具有少於1%氧、或少於0.1%氧、或少於0.01%氧。在一些實施例中，製程材料不含水，或具有少於1%水、或少於0.1%水、或少於0.01%水。在一些實施例中，製程材料為一基於複雜氣體之材料，例如SiH4 、三甲鋁(trimethylaluminum，TMA)、三甲鎵(trimethylgallium，TMG)、縮水甘油甲基丙烯酸酯(glycidyl methacrylate，GMA)、SF6 、或半導體工業中用於金屬及電介質之沈積與蝕刻之其他材料。
在一些實施例中，經分離之產物包括氫氣，且該氫氣係經用於諸如精煉、氨合成、甲醇合成、冶金還原製程、或脂肪酸氫化之應用中。
在一些實施例中，輸入材料為工業製程中產生之氣體諸如天然氣或生物氣體。在一些情況下，輸入材料可為工業製程之副產物。
天然氣(Natural gas，NG)輸入材料一般而言含有甲烷及乙烷。NG亦可含有其他烴諸如丙烷、丁烷及戊烷。NG亦可含有其他較低濃度之物質，諸如氮及二氧化碳。一般而言，天然氣中物質之組成係根據來源而變化。在一些實施例中，NG含有甲烷、多至10 mol%乙烷、多至5 mol%丙烷、多至2 mol%丁烷、多至4 mol%氮、及多至4 mol%二氧化碳。作為一個特定區域之實例，北加州NG含有86.6 wt.%甲烷、5.86 wt.%乙烷、3.5 wt.%丙烷、1.51 wt.%丁烷、2.5 wt.%二氧化碳、及低於實驗檢測極限之濃度的氮。
生物氣體輸入材料一般而言含有甲烷、二氧化碳、氮、水、及其他物質。一般而言，生物氣體中物質之組成係根據來源而變化。舉例而言，生物氣體可含有大約65%至70%甲烷、25%至30%二氧化碳、0%至5%氮、0%至5%水、0%至5%硫化氫、及少於1%氧。在其他實施例中，生物氣體之組成可處於此等範圍之外，且可包括其他物質。在一些實施例中，生物氣體輸入材料係在微波電漿反應器中轉化前經預處理以移除一或多種組成物質，諸如二氧化碳、硫化氫、水、及/或氧。
在一些實施例中，輸入材料至反應器中之流速為1 slm (標準公升/分鐘)至1000 slm、或2 slm至1000 slm、或5 slm至1000 slm、或大於1 slm、或大於2 slm、或大於5 slm。
在一些實施例中，經分離組分含有氫氣及碳顆粒，且固體負載量以固體質量/體積氣體計為大於0.001 g/L、或為大於0.01 g/L、或為大於0.05 g/L、或大於0.1 g/L、或大於0.15 g/L、或大於0.2 g/L、或大於0.25 g/L、或大於1 g/L、或大於2 g/L、或大於5 g/L、或0.001 g/L至5 g/L、或0.001 g/L至2.5 g/L、或0.001 g/L至1 g/L、或0.001 g/L至0.5 g/L、或0.001 g/L至0.1 g/L、或0.01 g/L至5 g/L、或0.01 g/L至2.5 g/L、或0.01 g/L至1 g/L、或0.01 g/L至0.5 g/L、或0.01 g/L至0.4 g/L、或0.01 g/L至0.3 g/L、或0.01 g/L至0.2 g/L、或0.01 g/L至0.1 g/L、或0.1 g/L至5 g/L、或0.1 g/L至2.5 g/L、或0.1 g/L至1 g/L、或0.1 g/L至0.5 g/L、或0.1 g/L至0.4 g/L、或0.1 g/L至0.3 g/L、或0.1 g/L至0.2 g/L。
在一些實施例中，其中經分離組分包括固體顆粒及氣態產物，該多級氣-固分離系統包括一或多個旋風分離器及一精細過濾系統。在一些情況下，該一或多個旋風分離器自經分離組分過濾碳顆粒，且該精細過濾系統係經耦合至第一旋風分離器之輸出端，以使得該精細過濾系統自該等旋風分離器之輸出端過濾碳顆粒。精細過濾器之一些實例係利用多孔介質捕獲顆粒之過濾器(例如，壓力過濾器、真空過濾器、反脈衝過濾器等)、利用液體捕獲顆粒之過濾器(例如，蒸餾塔、液體渦流過濾器等)、及利用靜電力捕獲顆粒之過濾器(例如，靜電沈澱過濾器)。
在一些實施例中，其中經分離組分包括固體顆粒及氣態產物，該多級氣-固分離系統包括一或多個旋風分離器及一反脈衝過濾系統。在一些情況下，該一或多個旋風分離器自經分離組分過濾碳顆粒，且該反脈衝過濾系統係經耦合至第一旋風分離器之輸出端，以使得該反脈衝過濾系統自該等旋風分離器之輸出端過濾碳顆粒。在一些實施例中，氣-固分離系統(例如，旋風分離器及反脈衝過濾系統)之溫度亦可升高以防止氣態物質冷凝在過濾器及所產生之顆粒上。在一些實施例中，在氣-固分離系統後且在儲存前對氣態產物進行純化。儘管本發明實施例將描述為使用一反脈衝過濾器，然而其他類型之精細過濾器亦可適用於該等實施例。
使用微波化學處理系統產生之碳同素異形體
在一些實施例中，微波化學處理系統產生碳奈米顆粒及聚集體，諸如標題為「Carbon Allotropes」的美國專利申請案第15/594,032號及標題為「Seedless Particles With Carbon Allotropes」的美國專利申請案第15/711,620號中所描述之材料，該等申請案經受讓於本申請案相同之受讓人，且如同在此全面陳述一般藉由引用之方式併入本文以用於所有目的。本文所描述的微波電漿氣體處理系統方法及裝置用於產生碳奈米顆粒及聚集體之額外資訊及實施例亦描述於前述之美國專利申請案中。
一般而言，微波電漿反應器及氣-固分離系統內的輸入材料及製程條件將會影響所產生的碳顆粒及積聚物之特性。在一些實施例中，該等顆粒及積聚物包括不同的碳同素異形體(亦即，各種形式)，包括石墨、石墨烯、富勒烯、無定形碳及其組合，如下文所述。在一些實施例中，相比於利用習知系統及方法可達成的較無序且較低純度之顆粒而言，碳奈米顆粒及聚集體的特徵在於一高有序度(亦即，低濃度之缺陷)及/或高純度(亦即，低濃度之元素雜質)。
本文所描述的材料之形狀因素(form-factor)係顆粒(例如，奈米顆粒或聚集體)。形狀因素不為經佈置在物體或基材上之薄膜。在一些實施例中，本文所描述的碳顆粒為無核或無種的(亦即，不含碳以外的材料之核心或種子)。在一些實施例中，本文所描述的碳聚集體之特徵在於一實質上大於可比先前技術顆粒之大小。
相比於經由習知系統及方法製成之顆粒，本文所描述的無種碳奈米顆粒及聚集體在合成時具有低濃度之元素雜質，且具有大粒度、高表面積、及高電導率。在一些實施例中，本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體係使用如本文所述的相對高速度、低成本、改進之微波化學處理系統及方法產生且過濾的。
在本揭示內容中，術語「石墨烯」係指呈二維、原子層級六方晶格(其中一個原子形成每一頂點)之形式之碳同素異形體。石墨烯中的碳原子為sp2 鍵合的。另外，石墨烯具有存在三個主峰之拉曼光譜：大約1580 cm-1 處之G模式、大約1350 cm-1 處之D模式、及大約2690 cm-1 處之2D模式峰(當使用532 nm激發雷射時)。在本揭示內容中，單層石墨烯為呈六角形佈置(亦即，sp2 鍵合)碳原子之單一片。已知，2D模式峰與G模式峰的強度之比(亦即，2D/G強度比)係與石墨烯中之層數目相關的。較高之2D/G強度比對應於多層石墨烯材料中較少之層。在本揭示內容之不同實施例中，石墨烯含有少於15層之碳原子、或少於10層之碳原子、或少於7層之碳原子、或少於5層之碳原子、或少於3層之碳原子，或含有單層之碳原子、或含有1至10層之碳原子、或含有1至7層之碳原子、或含有1至5層之碳原子。在一些實施例中，少層石墨烯(few layer graphene，FLG)含有2至7層之碳原子。在一些實施例中，多層石墨烯(many layer graphene，MLG)含有7至15層之碳原子。
在本揭示內容中，術語「石墨」係指呈二維、原子層級六方晶格(其中一個原子形成每一頂點)之形式之碳同素異形體。石墨中的碳原子為sp2 鍵合的。另外，石墨具有存在兩個主峰之拉曼光譜：大約1580 cm-1 處之G模式及大約1350 cm-1 處之D模式(當使用532 nm激發雷射時)。類似於石墨烯，石墨很有多層的呈六角形佈置(亦即，sp2 鍵合)之碳原子。在本揭示內容之不同實施例中，石墨可含有大於15層之碳原子、或大於10層之碳原子、或大於7層之碳原子、或大於5層之碳原子、或大於3層之碳原子。
在本揭示內容中，術語「富勒烯」係指呈中空球體、橢球體、管、或其他形狀之碳的分子。球狀富勒烯亦可稱為巴克明斯特富勒烯(Buckminsterfullerene)或巴克球(buckyball)。圓柱狀富勒烯亦可稱為碳奈米管。富勒烯在結構上類似於石墨，石墨係由相連接之六角形環的經堆疊之石墨烯片構成。富勒烯亦可含有五角形(或有時為七角形)環。
在本揭示內容中，術語「多壁富勒烯」係指具有多個同心層之富勒烯。舉例而言，多壁奈米管(multi-walled nanotube，MWNT)含有多個經滾軋之層(同心管)之石墨烯。多壁球狀富勒烯(Multi-walled spherical fullerene，MWSF)含有多個同心球體之富勒烯。
在本揭示內容中，術語「無定形碳」係指具有極少或無結晶結構之碳同素異形體。一種用於表徵無定形碳之方法係透過材料中存在的sp2 與sp3 雜化鍵合之比。sp2 與sp3 之比可藉由比較在sp2 或sp3 雜化下各種光譜峰(包括EELS、XPS、及拉曼光譜法)與碳同素異形體所欲之彼等之相對強度而確定。
在本揭示內容中，術語「奈米顆粒」係指具有1 nm至900 nm之大小之顆粒。奈米顆粒可包括一或多種類型之結構(例如，晶體結構、缺陷濃度等)及一或多種類型之原子。奈米顆粒可為任何形狀，包括但不限於，球形、橢球形、啞鈴形、圓柱形、細長圓柱形、矩形棱柱形、盤形、線形、不規則形狀、緻密形狀(亦即，具有少量空隙)、多孔形狀(亦即，具有許多空隙)等。在本揭示內容中，術語「顆粒」係指具有任意大小之顆粒，包括奈米顆粒。
在本揭示內容中，術語「聚集體」係指藉由凡得瓦力、共價鍵、離子鍵、金屬鍵、或其他物理或化學相互作用連接在一起的多個顆粒或奈米顆粒。聚集體可在大小上顯著變化，但一般而言為大於約500 nm。
貫穿於本申請案，術語「顆粒(particle)」或「顆粒(particles)」為可包括任意大小顆粒之通用術語，包括奈米顆粒及聚集體。
本文所描述的碳顆粒及奈米顆粒含有石墨及石墨烯，而不含種子顆粒。在一些實施例中，本文所描述的顆粒及奈米顆粒含有石墨及石墨烯，而不含種子顆粒，該石墨含有大於15層之碳原子、或大於10層之碳原子、或大於7層之碳原子、或大於5層之碳原子、或大於3層之碳原子，該石墨烯含有少於15層之碳原子、或少於10層之碳原子、或少於7層之碳原子、或少於5層之碳原子、或少於3層之碳原子，或含有單層之碳原子、或含有1至10層之碳原子、或含有1至7層之碳原子、或含有1至5層之碳原子。在一些實施例中，一碳聚集體內含有多個碳顆粒或奈米顆粒。在一些實施例中，一碳材料含有多個碳聚集體。
在一些實施例中，碳顆粒或奈米顆粒進一步包含多壁球狀富勒烯(MWSF)。在一些實施例中，碳顆粒或奈米顆粒進一步包含經連接之MWSF，且多層石墨烯包覆該等經連接之MWSF。在一些實施例中，碳顆粒或奈米顆粒進一步包含無定形碳。
在一些實施例中，本文所描述的顆粒及聚集體含有石墨烯及第二碳同素異形體之混合物，且不含種子顆粒。在一些實施例中，該第二碳同素異形體為石墨、MWSF、經連接之MWSF、或無定形碳。在一些實施例中，顆粒及聚集體含有石墨烯、第二碳同素異形體、及第三碳同素異形體之混合物，且不含種子顆粒。在一些實施例中，該第二同素異形體為石墨且該第三同素異形體為MWSF、經連接之MWSF、或無定形碳。
在一些實施例中，本文所描述的顆粒及聚集體含有更高階之碳同素異形體。習知的理想化更高階之碳同素異形體之一些實例係在圖1A-1D中示出。圖1A示出石墨之示意圖，其中碳形成多層之二維、原子層級六方晶格，其中一個原子形成每一頂點。石墨係由多個單層之石墨烯形成。圖1B示出一碳奈米管之示意圖，其中碳原子形成一六方晶格，其經彎曲成一圓柱體。碳奈米管亦可稱為圓柱狀富勒烯。圖1C示出一C60巴克明斯特富勒烯之示意圖，其中一單層之六方晶格碳原子形成一球體。存在其他球狀富勒烯，其含有多個單層之六方晶格碳原子，且可含有60個原子、70個原子、或多於70個原子。圖1D示出來自美國專利第6,599,492號之一碳奈米洋蔥之示意圖，該碳奈米洋蔥含有多個同心層之球狀富勒烯。
在一些實施例中，本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體之特徵在於由如圖1E中示出的理想化碳奈米顆粒100所展示之具有高純度之良序結構。圖1E中之碳同素異形體含有兩個經連接之多壁球狀富勒烯(MWSF)101及102，其中多層石墨烯103包覆該等經連接之MWSF 101及102。圖1E中示出的同素異形體亦為無核的(亦即，在球狀富勒烯之中心處不含碳以外的材料之核心)。圖1E中示出的理想化奈米顆粒因為MWSF與石墨烯之高比值而具有高均勻性，因為不存在點缺陷(例如，失去碳原子)且不存在變形的碳晶格而為良序的，且因為不存在碳以外的元素(例如，雜質之核心)而具有高純度，這與混合有其他碳同素異形體之MWSF之低均勻性混合物、具有許多點缺陷及變形晶格之無序MWSF、及低純度MWSF(例如，在核心處具有種子顆粒)形成對比。在其他實施例中，經連接之MWSF含有一核心。在一些實施例中，該核心係一空隙、或不為MWSF之碳基材料(例如，無定形碳)、或不為碳基之種子。
在一些實施例中，本文所描述的聚集體含有石墨烯(例如，含有多至15層)及一或多種除石墨烯之外的其他碳同素異形體，且具有20%至80%之石墨烯與其他碳同素異形體之比、高有序度(例如，具有大於0.5的2D模式峰與G模式峰之強度比的拉曼特徵)、及高純度(例如，碳與其他非H元素之比為大於99.9%)。在一些實施例中，石墨烯與其他碳同素異形體之比為5%至95%、或10%至90%、或10%至80%、或10%至60%、或10%至40%、或10%至20%、或20%至40%、或20%至90%、或40%至90%、或60%至90%、或80%至90%、或大於5%、或大於10%、或大於20%、或大於30%、或大於40%、或大於50%、或大於60%、或大於70%、或大於80%、或大於90%。在一些實施例中，使用本文所描述的方法產生之顆粒含有石墨及其他碳同素異形體，且不含由碳以外的雜質元素構成之核心。在一些情況下，該等顆粒之聚集體具有大的直徑(例如，大於10微米)。
在一些實施例中，本文所描述的聚集體含有石墨烯(例如，含有多至15層)及石墨(例如，含有大於15層)，且具有20%至80%之石墨烯與石墨之比、高有序度(例如，具有大於0.5的2D模式峰與G模式峰之強度比的拉曼特徵)、及高純度(例如，碳與其他非H元素之比為大於99.9%)。在一些實施例中，石墨烯與石墨之比為5%至95%、或10%至90%、或10%至80%、或10%至60%、或10%至40%、或10%至20%、或20%至40%、或20%至90%、或40%至90%、或60%至90%、或80%至90%、或大於5%、或大於10%、或大於20%、或大於30%、或大於40%、或大於50%、或大於60%、或大於70%、或大於80%、或大於90%。在一些實施例中，使用本文所描述的方法產生之顆粒含有石墨及石墨烯，且不含由碳以外的雜質元素構成之核心。在一些情況下，該等顆粒之聚集體具有大的直徑(例如，大於10微米)。
在一些實施例中，本文所描述的聚集體含有石墨烯、MWSF或經連接之MWSF、及視情況之石墨，且具有20%至80%之石墨烯與MWSF之比、高有序度(例如，具有0.95至1.05的D模式峰與G模式峰之強度比的拉曼特徵)、及高純度(例如，碳與其他非H元素之比為大於99.9%)。在一些實施例中，石墨烯與MWSF或經連接之MWSF之比為5%至95%、或10%至90%、或10%至80%、或10%至60%、或10%至40%、或10%至20%、或20%至40%、或20%至90%、或40%至90%、或60%至90%、或80%至90%、或大於5%、或大於10%、或大於20%、或大於30%、或大於40%、或大於50%、或大於60%、或大於70%、或大於80%、或大於90%。在一些實施例中，使用本文所描述的方法產生之顆粒含有MWSF或經連接之MWSF，且MWSF不含由碳以外的雜質元素構成之核心。在一些情況下，該等顆粒之聚集體具有大的直徑(例如，大於10微米)。
在一些實施例中，本文所描述的聚集體含有石墨烯、無定形碳、及視情況之石墨，且具有1%至10%的石墨烯與無定形碳之比，且具有高純度(例如，碳與其他非H元素之比為大於99.9%)。在一些實施例中，石墨烯與無定形碳之比為5%至95%、或1%至90%、或1%至80%、或1%至60%、或1%至40%、或1%至20%、或10%至90%、或10%至80%、或10%至60%、或10%至40%、或10%至20%、或20%至40%、或20%至90%、或40%至90%、或60%至90%、或80%至90%、或大於5%、或大於10%、或大於20%、或大於30%、或大於40%、或大於50%、或大於60%、或大於70%、或大於80%、或大於90%。在一些實施例中，使用本文所描述的方法產生之顆粒含有無定形碳，且不含由碳以外的雜質元素構成之核心。在一些情況下，該等顆粒之聚集體具有大的直徑(例如，大於10微米)。
在一些實施例中，碳材料具有碳與其他非氫元素的大於60%、或大於70%、或大於80%、或大於90%、或大於99%、或大於99.5%、或大於99.7%、或大於99.9%、或大於99.95%之比。
在一些實施例中，碳聚集體之中值大小為1微米50微米、或2微米至20微米、或5微米至40微米、或5微米至30微米、或10微米至30微米、或10微米至25微米、或10微米至20微米。在一些實施例中，碳聚集體之粒度分佈具有第10個百分點為1微米至10微米、或1微米至5微米、或2微米至6微米、或2微米至5微米。構成聚集體之顆粒之大小可變化，且可為小於10 nm或多至數百奈米之大小。在一些實施例中，構成聚集體之奈米顆粒具有範圍為5至500 nm、或5至250 nm、或5至100 nm、或5至50 nm、或10至500 nm、或10至250 nm、或10至100 nm、或10至50 nm、或40至500 nm、或40至250 nm、或40至100 nm、或50至500 nm、或50至250 nm、或50至100 nm之平均直徑。在一些實施例中，使用TEM影像量測聚集體之大小。在一些實施例中，使用雷射粒度分析儀(例如，Fritsch Analysette 22 MicroTec plus)量測聚集體之大小。
在一些實施例中，當使用布厄特(Brunauer–Emmett–Teller，BET)法以氮氣作為被吸附物(亦即，「使用氮氣之BET法」或「氮氣BET法」)、或密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)法量測時，碳聚集體之表面積為50至300 m2 /g、或100至300 m2 /g、或50至200 m2 /g、或50至150 m2 /g、或60至110 m2 /g、或50至100 m2 /g、或70至100 m2 /g。在一些實施例中，如本文所定義含有MWSF或經連接之MWSF之碳聚集體具有高的比表面積。在一些實施例中，碳聚集體具有10至300 m2 /g、或10至200 m2 /g、或10至100 m2 /g、或10至50 m2 /g、或50至500 m2 /g、或100至200 m2 /g、或100至300 m2 /g、或100至1000 m2 /g之BET比表面積。
在一些實施例中，在合成時(亦即，一旦離開微波電漿反應器)碳聚集體之密度為小於0.1 g/cm3 、或小於0.5 g/cm3 、或小於0.25 g/cm3 、或小於0.2 g/cm3 、或小於0.1 g/cm3 、或小於0.05 g/cm3 、或0.01 g/cm3 至1 g/cm3 、或0.01 g/cm3 至0.5 g/cm3 、或0.01 g/cm3 至0.25 g/cm3 、或0.01 g/cm3 至0.2 g/cm3 、或0.01 g/cm3 至0.1 g/cm3 、或0.01 g/cm3 至0.075 g/cm3 、或0.01 g/cm3 至0.05 g/cm3 。
在一些實施例中，當經壓縮(例如，壓縮成圓盤(disk)、糰粒(pellet)等)且視情況退火時，碳聚集體具有大於500 S/m、或大於1000 S/m、或大於2000 S/m、或500 S/m至20,000 S/m、或500 S/m至10,000 S/m、或500 S/m至5000 S/m、或500 S/m至4000 S/m、或500 S/m至3000 S/m、或2000 S/m至5000 S/m、或2000 S/m至4000 S/m、或1000 S/m至5000 S/m、或1000 S/m至3000 S/m之電導率。在一些情況下，壓縮後的密度為大約1 g/cm3 、或大約1.2 g/cm3 、或大約1.5 g/cm3 、或大約2 g/cm3 、或大約2.2 g/cm3 、或大約2.5 g/cm3 、或大約3 g/cm3 。在一些情況下，使用2000 psi至12000 psi之壓縮壓力，且可使經壓縮之材料在500℃至1500℃或800℃至1000℃之溫度下退火。
在一些實施例中，如本文所定義含有MWSF或經連接之MWSF之碳聚集體具有高的電導率。在一些實施例中，如本文所定義含有MWSF或經連接之MWSF之碳聚集體係經壓縮成一糰粒且該糰粒具有大於500 S/m、或大於1000 S/m、或大於2000 S/m、或大於3000 S/m、或大於4000 S/m、或大於5000 S/m、或大於10000 S/m、或大於20000 S/m、或大於30000 S/m、或大於40000 S/m、或大於50000 S/m、或大於60000 S/m、或大於70000 S/m、或500 S/m至100000 S/m、或500 S/m至1000 S/m、或500 S/m至10000 S/m、或500 S/m至20000 S/m、或500 S/m至100000 S/m、或1000 S/m至10000 S/m、或1000 S/m至20000 S/m、或10000至100000 S/m、或10000 S/m至80000 S/m、或500 S/m至10000 S/m之電導率。在一些情況下，該糰粒之密度為大約1 g/cm3 、或大約1.2 g/cm3 、或大約1.5 g/cm3 、或大約2 g/cm3 、或大約2.2 g/cm3 、或大約2.5 g/cm3 、或大約3 g/cm3 。另外，已進行如下測試：採用2000 psi與12000 psi之壓縮及800℃與1000℃之退火溫度形成碳聚集體材料之經壓縮之糰粒。較高的壓縮及/或較高的退火溫度一般而言導致具有較高電導率之糰粒，包括範圍10000 S/m至15000 S/m。
本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體係藉由拉曼光譜法表徵以確定所存在的碳同素異形體之種類及其有序度。石墨及石墨烯的拉曼光譜中之主峰為G模式、D模式、及2D模式。G模式峰具有大約1580 cm-1 之波數，且歸因於sp2 雜化之碳網中的碳原子之振動。D模式峰具有大約1350 cm-1 之波數，且可與具有缺陷的六角形碳環之呼吸相關。2D模式峰係D模式之二階諧波且具有大約2690 cm-1 之波數。
在一些實施例中，含有石墨及石墨烯之碳材料具有存在一2D模式峰及一G模式峰之拉曼光譜(使用532 nm入射光)，且2D/G強度比為大於0.2、或大於0.5、或大於1。
亦可使用拉曼光譜法表徵MWSF之結構。當使用532 nm入射光時，拉曼G模式通常對於平面石墨處於1582 cm-1 ，但對於MWSF可經下移(例如，下移至1565-1580 cm-1 )。在MWSF之拉曼光譜中大約1350 cm-1 處觀察到D模式。D模式峰與G模式峰的強度之比(亦即，D/G強度比)係與MWSF之有序度有關，其中較低的D/G強度比指示較高的有序度。接近或低於1之D/G強度比指示相對高的有序度，且大於或等於1.2之D/G強度比指示較低的有序度。
在一些實施例中，如本文所述含有MWSF或經連接之MWSF之碳奈米顆粒或碳聚集體具有存在處於約1350 cm-1 之第一拉曼峰及處於約1580 cm-1 之第二拉曼峰的拉曼光譜(當使用532 nm入射光時)。在一些實施例中，對於本文所描述的奈米顆粒或聚集體，第一拉曼峰之強度與第二拉曼峰之強度之比(亦即，ID /IG 、或D/G強度比)的範圍為0.95至1.05、或0.9至1.1、或0.8至1.2、或0.9至1.2、或0.8至1.1、或0.5至1.5、或小於1.5、或小於1.2、或小於1.1、或小於1、或小於0.95、或小於0.9、或小於0.8。在一些實施例中，含有MWSF之碳材料具有存在一D模式峰及一G模式峰之拉曼光譜(使用532 nm入射光)，且D/G強度比為0.9至1.1、或小於約1.2。
在一些實施例中，含有無定形碳之碳材料具有存在一2D模式峰、一D模式峰、及一G模式峰之拉曼光譜(使用532 nm入射光)，且D/G強度比為大於0.5。在一些實施例中，該拉曼光譜亦具有一低強度2D模式峰。在一些實施例中，該2D模式峰所具有之強度係小於大約30%之G模式峰強度、或小於20%之G模式峰強度、或小於10%之G模式峰強度。在一些實施例中，該拉曼光譜具有一D模式峰及一G模式峰，兩者之間具有一淺谷。在一些實施例中，該D模式峰與該G模式峰之間的淺谷之最小強度係大於大約40%之G模式峰強度、或大於大約50%之G模式峰強度、或大於大約60%之G模式峰強度。
產生碳奈米顆粒之聚集體(具體地具有上述範圍內之直徑)的一個益處係在於，大於10微米之顆粒之聚集體相較於小於500 nm之顆粒或顆粒聚集體其收集更簡便。收集之簡便降低碳奈米顆粒之生產中所使用的製造設備之成本且增加碳奈米顆粒之產率。另外，大於10微米大小之顆粒具有較少的安全問題，相較於此，處置較小奈米顆粒存在風險，例如由於較小奈米顆粒之吸入而造成潛在的健康及安全風險。較低的健康及安全風險由此進一步降低製造成本。
微波化學處理系統
圖2A示出根據一些實施例的一微波化學處理系統200之示意圖。圖2A中示出的非限制性示例系統經設計以將天然氣轉化成氫氣及碳顆粒經分離之產物。首先使用天然氣壓縮機104壓縮輸入的天然氣(NG)。接著，使用一或多個NG乾燥器106自經壓縮之NG移除水。接著，經乾燥之NG係儲存在NG接收器108中以適應進入微波化學處理系統200之NG流與經提供至微波電漿反應器110之流之間的任何流量差。在NG經壓縮機104、乾燥器106、及接收器108預處理後，在一或多個微波電漿反應器110將其轉化成氫氣及碳顆粒。接著，在氣-固分離之準備過程中，使用流出物冷卻器(熱交換器)120冷卻該氫氣及碳顆粒。經冷卻之氫氣及碳顆粒進入一第一旋風分離器121A，然後進入一第二旋風分離器121B。在藉由旋風分離器之氣-固分離後，尚未被旋風分離器過濾出的氫氣及碳顆粒進一步藉由反脈衝過濾系統123過濾。反脈衝過濾系統123亦由一反脈衝氣體管線160供料以實現反脈衝過濾系統123內過濾元件之清潔。藉由旋風分離器121A與121B及過濾系統123過濾之碳顆粒經輸送至箭頭127處的一超大袋(supersack)以供儲存。接著將過濾出碳顆粒之氫氣在乾式冷卻器125中進一步冷卻。氫氣經儲存在H2積儲器126中以適應離開乾式冷卻器125與進入隨後系統部件的氫氣流之間的任何流量差，且接著在H2壓縮機128中經壓縮，之後在壓力擺動吸附器(PSA)130中經純化。將經純化之氫氣送至H2儲存系統131，且將被PSA 130拒絕的未經純化之氫氣送至火炬140從而燒掉。
圖2A中所示出的示例系統亦包括一氫氣再循環管線150。在此實例中，一來自PSA 130之氫氣流經傳送回至壓縮機104之輸入端。另外，在此示例系統中，供應用於清潔反脈衝過濾系統123內之過濾元件之反脈衝氣體之氣體管線160亦提供自一來自PSA 130之氫氣流。
在其他實施例中，在微波化學處理系統中作為經分離組分產生之氣體可經再循環。舉例而言，經純化及/或未經純化之氫氣可自微波化學處理系統中之一個位置經再循環至該系統中之另一位置。在一些情況下，來自PSA的經純化之氫氣及/或被PSA拒絕的未經純化之氫氣可經傳送回至微波電漿反應器。經純化及/或未經純化之氫氣可直接提供至微波電漿反應器，或者其可經預處理(例如，藉由壓縮機、乾燥器、或純化系統)後提供至微波電漿反應器。在其他情況下，來自PSA的經純化之氫氣及/或被PSA拒絕的未經純化之氫氣可經傳送回至反脈衝過濾器以充當反脈衝氣體。
圖2A中所示出之示例系統200具有經選擇以促進經壓縮之NG轉化成氫氣及碳顆粒之特定部件。在一些實施例中，用於將烴(例如，NG)轉化成氫氣及碳顆粒之系統可具有額外部件，或可省去圖2A中所示出的一或多個部件。在其他實施例中，當存在不同的輸入材料及/或經分離組分時，系統可具有不同的部件。舉例而言，在用於將生物氣體轉化成氫氣及碳顆粒之微波化學處理系統中，該生物氣體可經預處理後在微波電漿反應器中轉化成氫氣及碳顆粒。存在生物氣體之不同組成及純度，且在一些情況下，可在微波電漿反應器中轉化之前移除水、二氧化碳、硫化氫、及/或生物氣體之其他組分。
下文更詳細地描述微波化學處理系統(類似於圖2A中所示出之示例系統)中之幾種元件。
微波化學處理系統：氣-固分離系統
在一些實施例中，多級氣-固分離系統包括一第一旋風分離器及一反脈衝過濾系統。在一些情況下，該第一旋風分離器自經分離組分過濾碳顆粒，且該反脈衝過濾系統係經耦合至第一旋風分離器之輸出端，以使得該反脈衝過濾系統自第一旋風分離器之輸出端過濾碳顆粒。
在一些實施例中，第一旋風分離器經設計以過濾出最大顆粒，且反脈衝過濾系統經設計以過濾出較小顆粒。舉例而言，由第一旋風分離器過濾之大多數碳顆粒之大小可為大於1微米、或大於2微米、或大於5微米、或大於10微米、或大於20微米、或500 nm至50微米、或1至30微米、或1至20微米、或1至10微米；且由反脈衝過濾系統過濾之大多數碳顆粒之大小為大於100 nm、或大於200 nm、或大於500 nm、或大於1微米、或50 nm至2微米、或100 nm至1微米、或100 nm至500 nm。
在一些實施例中，第一旋風分離器經設計以過濾出微波電漿反應器中產生之第一分數之顆粒，且反脈衝過濾系統經設計以過濾出第二分數之顆粒。舉例而言，在經分離組分由第一旋風分離器過濾後過濾出大於30%、或大於40%、或大於50%、或大於60%、或大於70%、或大於80%、或大於90%、或大於95%、或大於99%之碳顆粒，且在經分離組分由第一旋風分離器及反脈衝過濾系統過濾後過濾出大於80%、或大於90%、或大於95%、或大於99%、或大於99.5%、或大於99.9%之碳顆粒。
在一些情況下，在反脈衝過濾系統上游存在多於一個旋風分離器。舉例而言，多級氣-固分離系統可含有位於第一旋風分離器與反脈衝過濾系統之間的一第二旋風分離器，其中第一旋風分離器過濾出經分離組分中之第一分數之碳顆粒，第二旋風分離器過濾出經分離組分中之第二分數之碳顆粒，且反脈衝過濾系統過濾出經分離組分中之第三分數之碳顆粒。
在一些實施例中，多級氣-固分離系統含有多個級，其中第一級經設計以過濾出最大顆粒，且每一隨後級經設計以過濾出比前一級較小的顆粒，以使得最後一級經設計以過濾出最小顆粒。舉例而言，在氣-固分離系統含有一第一旋風分離器、一第二旋風分離器、及一反脈衝過濾系統之情況下，在不同實施例中由每一級過濾之粒度可具有不同的大小範圍。例如，在不同實施例中，由第一旋風分離器過濾之大多數碳顆粒之大小可為大於1微米、或大於2微米、或大於5微米、或大於10微米、或大於20微米、或500 nm至50微米、或1至30微米、或1至20微米、或1至10微米。此外，由第二旋風分離器過濾之大多數碳顆粒之大小可為大於1微米、或大於2微米、或大於5微米、或大於10微米、或大於20微米、或500 nm至50微米、或1至30微米、或1至20微米、或1至10微米。而且，由反脈衝過濾系統過濾之大多數碳顆粒之大小為大於100 nm、或大於200 nm、或大於500 nm、或大於1微米、或50 nm至2 微米、或100 nm至1微米、或100 nm至500 nm。
在一些實施例中，多級氣-固分離系統含有多個級，其中第一級經設計以過濾出微波電漿反應器中產生之第一分數之顆粒，且每一隨後級經設計以過濾出一隨後分數之顆粒。舉例而言，在氣-固分離系統含有一第一旋風分離器、一第二旋風分離器、及一反脈衝過濾系統之情況下，在不同實施例中由每一級過濾之該等分數之顆粒可具有不同的大小範圍。例如，在不同實施例中，在經分離組分由第一旋風分離器過濾後過濾出大於30%、或大於40%、或大於50%、或大於60%、或大於70%、或大於80%、或大於90%、或大於95%、或大於99%之碳顆粒。此外，在經分離組分由第一旋風分離器及第二旋風分離器過濾後過濾出大於30%、或大於40%、或大於50%、或大於60%、或大於70%、或大於80%、或大於90%、或大於95%、或大於99%之碳顆粒。而且，在經分離組分由第一旋風分離器、第二旋風分離器、及反脈衝過濾系統過濾後過濾出大於80%、或大於90%、或大於95%、或大於99%、或大於99.5%、或大於99.9%之碳顆粒。
在一些實施例中，一微波化學處理系統含有多個微波電漿反應器及/或多個氣-固分離系統。在此類情況下，每一微波電漿反應器可經耦合至一各別氣-固分離系統，或一單個微波電漿反應器可經耦合至多個氣-固分離系統，或多個微波電漿反應器可經耦合至一單個氣-固分離系統。在不同實施例中不同組態可存在優勢。舉例而言，在來自每一微波電漿反應器的經分離組分之生產率較高之情形下，在一各別氣-固分離系統中過濾來自每一反應器的經分離組分可為成本有效的。另一方面，在來自每一微波電漿反應器的經分離組分之生產率較低之情形下，將來自多個微波電漿反應器之流合併至一各別氣-固分離系統中可為成本有效的。
通常，微波化學處理系統中之溫度係高的(例如，大於500℃)，且因而，傾向於產生離開反應器時為熱的產物。在產生熱固體顆粒及熱氣體之微波化學處理系統中，氣-固分離系統(例如，過濾器)之溫度亦可升高以防止氣態物質冷凝在過濾器及所產生之顆粒上。舉例而言，自烴輸入材料產生含碳之顆粒及氫氣之微波化學處理系統亦通常產生各種反應副產物，包括烴。在一些實施例中，烴副產物沸點為大約80℃至大約400℃、或大於80℃、或大於300℃。在一些實施例中，氣-固分離系統之溫度可經調整以產生經捕獲之顆粒，其具有吸附於經捕獲之顆粒上的所欲濃度之烴。舉例而言，所吸附之烴按質量計之濃度可為1%至20%、或1%至10%、或1%至5%、或0.1%至20%、或0.1%至10%、或0.1%至5%、或0.1%至1%、或0.01%至20%、或0.01%至10%、或0.01%至5%、或0.01%至1%、或0.01%至0.1%。
在一些實施例中，氣-固分離系統係經加熱的。在一些情況下，氣-固分離系統中含有的一或多個旋風分離器及反脈衝過濾系統經加熱至100℃至600℃、或200℃至500℃、或300℃至500℃、或大於300℃、或大於400℃、或大於500℃之溫度。
在一些實施例中，氣-固分離系統另外含有一或多個熱交換器。在一些實施例中，一第一熱交換器係位於微波反應器輸出端與第一旋風分離器輸入端之間(例如，圖2A的反應器110與旋風分離器121A之間)。該第一熱交換器可用於冷卻來自微波電漿反應器之產物至適用於旋風分離器中之過濾之一溫度。舉例而言，來自微波電漿反應器之輸出產物可具有500℃至1500℃之溫度，且氣-固分離系統中之旋風分離器及反脈衝過濾系統可在200℃至400℃之溫度下工作。在此一實例中，一第一熱交換器可用於在進入氣-固分離系統中之第一旋風分離器之前冷卻該等輸出產物。
在一些實施例中，一第二熱交換器可用於冷卻離開氣-固分離系統中之最後一顆粒過濾級之氣體(例如，在圖2A之反脈衝過濾器123後)。在一些情況下，氣體將由該第二熱交換器冷卻從而積儲、壓縮、進一步純化、及/或儲存。
本文所描述的氣-固分離系統克服了習知系統之缺點。本文所描述的氣-固分離系統使得能夠收集較大部分之微波電漿產生之顆粒(例如，由氣-固分離系統捕獲之經分離組分中大於99%之顆粒)，即使該等顆粒係小的(例如，中值大小為小於10微米)且具有低密度(例如，小於0.2 g/cm3 )。此外，氣-固分離系統可在高氣體流量(例如，大於5 slm)下工作，且保持高收集效率(例如，大於99%)。氣-固分離系統亦可與微波電漿反應器同線(in-line)整合而不干擾反應器內之環境(例如，氣體流量及氧水準)。舉例而言，本文所描述的氣-固分離系統可達成跨氣-固分離系統之低的壓力降(例如，跨氣-固分離系統之小於0.5 psig、或0.5至10 psig之壓力降)。在一些實施例中，此等低的壓力降可在高流速(例如，大於5 slm)及高收集效率(例如，由氣-固分離系統捕獲之經分離組分中大於99%之顆粒)下達成。另外，氣-固分離系統之部件係與自反應器輸出之經熱分離之組分相容。包括一旋風分離器及之後一反脈衝過濾系統之氣-固分離系統係特別有利的，因為此一系統使得能夠捕獲較大部分之顆粒(例如，大於99%)，而不造成跨氣-固分離系統之大的壓力降。這與使用一單個反脈衝過濾器之習知系統形成對比，該習知系統將經受大的壓力降，因為過濾元件中捕獲大量顆粒。本文所描述的氣-固分離系統內之旋風分離器及反脈衝過濾系統係在下文經更詳細地描述。
氣-固分離系統中之旋風分離器
在一些實施例中，旋風分離器具有一圓柱形及/或圓錐形內部、一輸入端、及一輸出端。旋風分離器之輸入端可經組態以接收一含有第一顆粒濃度之氣體。該圓柱形及/或圓錐形內部含有一氣體及顆粒之旋轉流(亦即，渦流)且利用旋轉效應(亦即，渦流分離)自氣體分離顆粒。旋風分離器之輸出端可經組態以排出一含有第二顆粒濃度之氣體。因為一部分顆粒由旋風分離器過濾，所以第二顆粒濃度係小於第一顆粒濃度。在一些實施例中，旋風分離器另外含有一固體收集口，透過該固體收集口，可移除由旋風分離器過濾之顆粒。在一些實施例中，固體收集口經連接至一負載鎖定系統，以使得由旋風分離器過濾之顆粒可經移除而不造成旋風分離器之內部暴露於空氣。在一些實施例中，旋風分離器之固體收集口經連接至一夾套式(亦即，經冷卻或經加熱)料斗以儲存所收集之顆粒。在一些實施例中，旋風分離器之固體收集口經連接至一夾套式料斗，該夾套式料斗進而經連接至一額外的顆粒儲存單元(例如，容器、袋、包、或超大袋)，其係用於儲存所收集之顆粒及/或準備裝運。在一些實施例中，一機械系統(例如，運送機、傳送帶、螺旋鑽、螺桿型系統、或活塞推桿)係包括在旋風分離器中以將經過濾之顆粒自內部環境輸送至輸出端，從而協助顆粒收集。
在一些實施例中，氣-固分離系統中之旋風分離器在0.1 ACFM (實際立方呎/分鐘)至100 ACFM、或0.1 ACFM至50 ACFM、或0.1 ACFM至10 ACFM、或1 ACFM至100 ACFM、或1 ACFM至50 ACFM、或10 ACFM至100 ACFM、或10 ACFM至50 ACFM、或大於1 ACFM、或大於10 ACFM、或大於20 ACFM之流速下工作。在一些實施例中，氣-固分離系統中之旋風分離器在80℃至550℃至80℃至500℃、或80℃至450℃、或80℃至400℃、或80℃至350℃、或80℃至300℃、或80℃至250℃、或80℃至200℃、或100℃至550℃、或100℃至500℃、或100℃至450℃、或100℃至400℃、或100℃至350℃、或100℃至300℃、或100℃至250℃、或100℃至200℃、或大於80℃、或大於100℃、或大於200℃、或大於300℃、或大於400℃之溫度下工作。在一些實施例中，氣-固分離系統中之旋風分離器在0.1 psig (磅/平方吋表壓)至300 psig、或0.1 psig至200 psig、或0.1 psig至100 psig、或0.1 psig至10 psig、或1 psig至300 psig、或1 psig至200 psig、或1 psig至100 psig、或1 psig至10 psig、或10 psig至200 psig、或10 psig至100 psig、或大於0.1 psig、或大於1 psig、或大於10 psig、或大於100 psig之壓力下工作。在一些實施例中，氣-固分離系統中之旋風分離器在0.1 psig至10 psig、或0.1 psig至5 psig、或1 psig至10 psig、或1 psig至5 psig、或大於0.1 psig、或大於1 psig、或大於3 psig、或大於5 psig之壓力降(亦即，輸入端與輸出端之間的壓力差)下工作。在一些實施例中，旋風分離器之內部之長度(亦即，與渦流之軸線大約對準之尺寸)為0.1 m至10 m、或0.1 m至5 m、或0.1 m至2 m、或0.1 m至1 m、或0.1 m至0.5 m、或0.5 m至10 m、或0.5 m至5 m、或0.5 m至2 m、或0.5 m至1.5 m、或大於0.1 m、或大於0.2 m、或大於0.5 m、或大於1 m、或大於1.5 m、或大於2 m、或大於5 m。
在一些實施例中，旋風分離器之圓柱形及/或圓錐形內部之直徑為1 cm至50 cm、或1 cm至20 cm、或1 cm至10 cm、或5 cm至50 cm、或5 cm至30 cm、或5 cm至20 cm、或5 cm至10 cm、或大於1 cm、或大於5 cm、或大於10 cm、或大於20 cm。
本文所描述的旋風分離器使得能夠收集較大部分之微波電漿產生之顆粒(例如，大於90%)，即使該等顆粒係小的(例如，中值大小為小於10微米)且具有低密度(例如，小於0.2 g/cm3 )。此外，旋風分離器可在高氣體流量(例如，大於5 slm)下工作，且保持高收集效率(例如，大於90%)。旋風分離器亦可與微波電漿反應器同線整合而不干擾反應器內之環境(例如，氣體流量及氧水準)。另外，旋風分離器係與自反應器輸出之經熱分離之組分相容。
氣-固分離系統中之反脈衝過濾系統
在一些實施例中，反脈衝過濾系統含有反脈衝過濾器，每一反脈衝過濾器具有一含有一或多個過濾元件之內部、一過濾輸入端、及一過濾輸出端。該等反脈衝過濾器之過濾輸入端可經組態以在過濾元件之上游方向上接收含有一第一顆粒濃度之氣體。過濾元件含有孔以自氣體分離顆粒。該等反脈衝過濾器之過濾輸出端可經組態以自過濾元件之下游側排出含有一第二顆粒濃度之氣體。因為一部分顆粒由反脈衝過濾器過濾，所以第二顆粒濃度係小於第一顆粒濃度。在一些實施例中，反脈衝過濾器另外含有一固體收集口，透過該固體收集口，可移除由反脈衝過濾器過濾之顆粒。在一些實施例中，固體收集口經連接至一負載鎖定系統，以使得由反脈衝過濾器過濾之顆粒可經移除而不造成反脈衝過濾器之內部暴露於空氣。在一些實施例中，反脈衝過濾器之固體收集口經連接至一夾套式(亦即，經冷卻或經加熱)料斗以儲存所收集之顆粒。在一些實施例中，反脈衝過濾器之固體收集口經連接至一夾套式料斗，該夾套式料斗進而經連接至一額外的顆粒儲存單元(例如，容器、袋、包、或超大袋)，其係用於儲存所收集之顆粒及/或準備裝運。在一些實施例中，一機械系統(例如，運送機、傳送帶、螺旋鑽、螺桿型系統、或活塞推桿)係包括在反脈衝過濾器中以將經過濾之顆粒自內部環境輸送至輸出端，從而協助顆粒收集。
該反脈衝過濾系統可含有一或多個反脈衝過濾器及一閥系統，該閥系統用於引導在前向或反向方向上流動穿過該一或多個反脈衝過濾器。系統中之每一反脈衝過濾器可處於過濾狀態或清潔狀態。在過濾狀態期間，使氣體與顆粒混合物在前向方向上(亦即，自過濾元件之上游側至下游側)流動穿過反脈衝過濾器內部之過濾元件。該等過濾元件可為多孔的，諸如經燒結之顆粒、篩、或網，且可將顆粒過濾出混合物且捕獲在過濾元件之孔中。經捕獲在反脈衝過濾器內部的過濾元件之孔中之顆粒可藉由在反向方向上(亦即，自過濾元件之下游側至上游側)引導氣體流動穿過過濾器元件而移出。
在一些實施例中，反脈衝過濾器可含有經組態以協助清潔程序之一或多個額外口。舉例而言，一或多個反脈衝輸入端可經組態以接收進入反脈衝過濾器內部之一反脈衝氣體脈衝，其用於移出過濾元件中捕獲之顆粒。因為該反脈衝脈衝係用於移出過濾器中之顆粒，所以反脈衝輸入端係位於過濾元件之下游側，且引導反脈衝氣體自下游側至上游側穿過過濾元件。在一些實施例中，一或多個反脈衝輸出端可經組態以在移出過濾元件中捕獲之顆粒後，自過濾元件之上游側發射一反脈衝氣體脈衝。在一些實施例中，當反脈衝過濾器係處於清潔狀態時，過濾輸入端及過濾輸出端係關閉的(例如，使用閥)，且反脈衝輸入端及輸出端係打開的。相反地，在一些實施例中，當反脈衝過濾器係處於過濾狀態時，過濾輸入端及過濾輸出端係打開的(例如，使用閥)，且反脈衝輸入端及輸出端係關閉的。
在一些實施例中，多個反脈衝過濾器經平行佈置以使得該多個反脈衝過濾器中之第一反脈衝過濾器可處於清潔狀態、而同時該多個反脈衝過濾器中之其他反脈衝過濾器係處於過濾狀態。這使得整個反脈衝過濾系統能夠連續地自微波電漿反應器過濾顆粒，而不用必須停止顆粒產生來清潔過濾器。經平行佈置的反脈衝過濾器之數目可為例如2個至10個，且處於過濾狀態中及處於清潔狀態中的反脈衝過濾器之數目在一處理程序中可改變。在一些實施例中，用於移出過濾元件中捕獲之顆粒的進入反脈衝過濾器內部之反脈衝氣體脈衝之持續時間係為大約1秒、或2秒、或5秒、或10秒、或大於1秒、或大於2秒、或大於10秒。在一些實施例中，反脈衝過濾器經清潔而不使用閥系統隔離反脈衝過濾器與反應器。在其他實施例中，藉由在清潔期間隔離反脈衝過濾器(例如，使用閥系統、及平行之其他反脈衝過濾器)來防止反脈衝氣體脈衝與系統之其餘部分(例如，反應器及氣-固分離系統之其他部件)相互作用。
在一些實施例中，將反脈衝過濾器與氣-固分離系統之其餘部分隔離(例如，使用閥系統)以允許所收集之碳顆粒在經移動至系統之隨後部件(例如，用於儲存)之前冷卻。
另外，在一些實施例中，使用具有經平行設置之多個反脈衝過濾器之系統管理跨反脈衝過濾系統之總壓力降。舉例而言，可使用閥系統來選擇一或多個反脈衝過濾器工作，而同時隔離一或多個其他反脈衝過濾器。在一些實施例中，處於過濾狀態中及處於清潔狀態中之過濾器之數目可經選擇以建立跨反脈衝過濾系統之一定壓力降。
在一些實施例中，反脈衝過濾器中之過濾元件含有多孔金屬材料(例如，多孔不銹鋼、經燒結之不銹鋼等)、或多孔陶瓷材料、或聚合物(例如，聚醯亞胺)。在一些實施例中，反脈衝過濾器中過濾元件之孔大小係為大於1微米、或大於2微米、或大於5微米、或大於10微米、或大於20微米、或500 nm至50微米、或1至30微米、或1至20微米、或1至10微米。
在一些實施例中，氣-固分離系統中之反脈衝過濾器(反脈衝過濾系統中)在0.1 ACFM (實際立方呎/分鐘)至100 ACFM、或0.1 ACFM至50 ACFM、或0.1 ACFM至10 ACFM、或1 ACFM至100 ACFM、或1 ACFM至50 ACFM、或10 ACFM至100 ACFM、或10 ACFM至50 ACFM、或大於1 ACFM、或大於10 ACFM、或大於20 ACFM之流速下工作。在一些實施例中，氣-固分離系統中之反脈衝過濾器在80℃至550℃至80℃至500℃、或80℃至450℃、或80℃至400℃、或80℃至350℃、或80℃至300℃、或80℃至250℃、或80℃至200℃、或100℃至550℃、或100℃至500℃、或100℃至450℃、或100℃至400℃、或100℃至350℃、或100℃至300℃、或100℃至250℃、或100℃至200℃、或大於80℃、或大於100℃、或大於200℃、或大於300℃、或大於400℃之溫度下工作。在一些實施例中，氣-固分離系統中之反脈衝過濾器在0.1 psig (磅/平方吋表壓)至300 psig、或0.1 psig至200 psig、或0.1 psig至100 psig、或0.1 psig至10 psig、或1 psig至300 psig、或1 psig至200 psig、或1 psig至100 psig、或1 psig至10 psig、或10 psig至200 psig、或10 psig至100 psig、或大於0.1 psig、或大於1 psig、或大於10 psig、或大於100 psig之壓力下工作。在一些實施例中，氣-固分離系統中之反脈衝過濾器在0.1 psig至10 psig、或0.1 psig至5 psig、或1 psig至10 psig、或1 psig至5 psig、或大於0.1 psig、或大於1 psig、或大於3 psig、或大於5 psig之壓力降(亦即，輸入端與輸出端之間的壓力差)下工作。
本文所描述的反脈衝過濾系統使得能夠收集較大部分之微波電漿產生之顆粒(例如，大於99%)，即使該等顆粒係小的(例如，中值大小為小於1微米)且具有低密度(例如，小於0.2 g/cm3 )。此外，反脈衝過濾系統可在高氣體流量(例如，大於5 slm)下工作，且保持高收集效率(例如，大於90%)。反脈衝過濾系統亦可與微波電漿反應器同線整合而不干擾反應器內之環境(例如，氣體流量及氧水準)。另外，反脈衝過濾系統係與自反應器輸出之經熱分離之組分相容。藉由平行地組合多於一個反脈衝過濾器且該等過濾器經組態以具有允許一些過濾器正過濾而同時其他過濾器正利用反脈衝清潔之閥系統，本文所描述的反脈衝過濾系統亦實現實際上無中斷的連續工作。
微波化學處理系統：氣體產生
在一些實施例中，微波化學處理系統產生氣體，且該等氣態產物在儲存之前經冷卻、壓縮及/或純化。在一些實施例中，所產生之氣態產物為氫氣，其具有大於90%、或大於95%、或大於99%、或大於99.5%、或大於99.9%、或大於99.95%、或大於99.99%、或大於99.999%之純度。在一些情況下，一經離開微波電漿反應器或一經離開氣-固分離系統(若存在)之氫氣具有之純度水準可能需要額外純化以滿足所要求之氫氣終產物規格。
在一些實施例中，產生氫氣，且在離開微波電漿反應器後，或在離開氣-固分離系統(若存在)後，將該氫氣冷卻(例如，使用一干式冷卻器)、積儲(例如，在一氫氣積儲器中)、壓縮(例如，在一氫氣壓縮機中)、且純化(例如，在一壓力擺動吸附器、緻密聚合物膜純化器、微孔陶瓷純化器、緻密金屬純化器、多孔碳純化器、緻密陶瓷純化器、或低溫純化器)，之後儲存(例如，在一氫氣儲存系統中)。
滑座整合
在一些實施例中，本文所描述的微波化學處理系統可經整合至一滑座(或模組式製程滑座)中。一模組式製程滑座可為一內含製程系統，其允許該系統容易輸送。滑座可含有完整的製程系統，且可組合多個製程滑座以建立更大的製程系統或整個可攜式設備。相較於各別地裝運且在製造現場逐步地安裝製程系統零件之傳統構造，製程滑座具有一些優點。製程滑座亦可提供平行構造之優點，因為製程系統係在一製造工廠中現場外構建的，而其他升級係在設備現場同時完成的。
圖2B示出經整合至一滑座中之一微波化學處理系統之實例。圖2B中所示之元件對應於圖2A中系統圖之相同元件。天然氣(NG)壓縮機104、NG積儲器108、微波電漿反應器110、流出物冷卻器(熱交換器)120、旋風分離器121、反脈衝過濾系統123、H2積儲器126、H2壓縮機128、及壓力擺動吸附器(PSA)130皆大致按比例且在滑座整合所需之位置上顯示在該圖中。旋風分離器121及反脈衝過濾系統123在圖2B中經組態以具有料斗，以用於儲存由旋風分離器及反脈衝過濾系統過濾之碳顆粒。經整合至滑座中之微波化學處理系統之其他部件因簡潔起見而未示出。
在一些實施例中，本文所描述的微波化學處理系統之一些部件係需要遠離滑架而定位，例如定位於外部墊片上。此類部件之一個實例為微波發射器功率源，其在某些應用中可需要定位於遠離滑座一定距離處(例如，大於15呎)。
在一些實施例中，微波化學處理系統經整合至一滑座中，且該滑座係用於一本地(亦即，使用地點)應用，諸如輸入材料之生產地點與滑座相同、及/或經分離組分之使用地點與滑座相同之應用。舉例而言，經整合至一滑座中之一微波化學處理系統可位於一掩埋場，且該滑座可將本地生產之甲烷(或生物氣體)轉化成更高價值之產物(亦即，氫氣及碳顆粒)。作為另一實例，經整合至一滑座中之一微波化學處理系統可位於一煉油廠，且該滑座可自烴產生氫氣，且該氫氣可用於煉油。在其他實施例中，微波化學處理系統經整合至一滑座中，且該滑座係用於一地區或遠程應用，諸如輸入材料之生產地點與滑座不同、及/或經分離組分之使用地點與滑座不同之應用。舉例而言，經整合至一滑座中之多個微波化學處理系統可共同位於一地區位點，其中輸入材料(例如，烴)經遞送至該地區位點且經分離組分(例如，氫氣及碳顆粒)經裝運至其他位置以供利用(例如，經壓縮之氫氣為氫燃料電池供電、或微粒碳作為輪胎添加劑)。
微波反應器
在一些實施例中，本文所描述的碳顆粒、奈米顆粒、聚集體、及材料係使用微波電漿反應器及方法產生的，諸如描述於以下各項中之任何適當的微波反應器及/或方法：標題為「Microwave Chemical Processing」之美國專利申請案第15/351,858號，或標題為「Microwave Chemical Processing Reactor」且現授權為美國專利第9,767,992號之美國專利申請案第15/428,474號，該等申請案經受讓於本申請案相同之受讓人，且如同在此全面陳述一般藉由引用之方式併入本文以用於所有目的。本文所描述的微波電漿氣體處理系統方法及裝置用於產生碳奈米顆粒及聚集體之額外資訊及實施例亦描述於前述之美國專利申請案及美國專利中，且以下將關於圖3A-3H描述。
在一些實施例中，使用製程材料(例如，烴氣體、或液態混合物)之微波電漿化學處理來產生固體顆粒及氣態產物(例如，本文描述的碳顆粒、奈米顆粒及聚集體、及氫氣)。更具體而言，可使用採用各種技術(包括微波輻射之脈動以控制電漿之能量)的前驅材料之微波電漿化學處理來產生固體顆粒及氣態產物(例如，本文描述的碳顆粒、奈米顆粒及聚集體、及氫氣)。控制電漿之能量之能力使得能夠選擇一或多個反應路徑將前驅材料轉化成特定的經分離組分。可使用脈動之微波輻射控制電漿之能量，因為當一電漿點火時產生之短壽命的高能物質可在每一新脈衝開始時重新產生。電漿能量經控制以具有較習知技術低之平均離子能量，但處於足夠高之水準以使目標化學反應在高前驅材料流量及高壓力下發生。
使用脈動之微波輻射控制電漿之能量的習知微波電漿化學處理系統具有非常高的裂化效率，其超過90%。然而，此等習知系統使用低於1標準公升/分鐘(slm)之低氣體流速、及電漿內之小氣體體積，結果造成生產率較低且生產成本較高。此等習知系統無法在使用高頻率微波脈動(例如，高於大約100 Hz)的同時增加氣體流速及電漿內之氣體體積，因為當使用大體積及高氣體流量時電漿無法足夠快地點火以跟得上脈衝。
與先前開發之系統相比而言，在一些實施例中，可在一供應氣體及/或前驅材料中產生一微波電漿，且該電漿中之能量係足以自前驅材料分子形成經分離組分，包括本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體。在一些實施例中，一微波輻射之源經耦合至一反應腔室，該電漿係沿著該反應腔室之長度之第一部分產生，且該前驅材料係沿著該反應腔室之長度之第二部分經分離成包括本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體之組分。在一些實施例中，微波輻射係直接耦合至電漿中而不透過如同習知方法中之情況之一介電壁。
在關於前驅材料之微波電漿化學處理以產生固體顆粒及氣態產物(例如，本文描述的碳顆粒、奈米顆粒及聚集體、及氫氣)之本發明實施例之方法中，透過具有一長度之波導供應脈動之微波輻射，其中該微波輻射在沿著該波導之方向上傳播。波導內之壓力為至少0.1大氣壓。一供應氣體係在沿著波導之長度之第一位置經提供至波導中，其中大多數之該供應氣體在微波輻射傳播之方向上流動。一電漿係在波導之長度之至少部分上在供應氣體中產生，且一前驅材料(例如，製程氣體、或液態前驅物)在第一位置下游之第二位置經添加至波導中。大多數之該前驅材料以大於5 slm、或對於液態混合物而言大於5 L/min之速率在微波傳播之方向上流動。藉由控制以下之至少一者，電漿之平均能量經控制以將前驅材料轉化成經分離組分(包括本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體)：i)脈動之微波輻射之脈動頻率，其中該脈動頻率係大於500 Hz、及ii)脈動之微波輻射之工作週期，其中該工作週期係小於90%。
在一些實施例中，微波電漿化學處理系統包括一波導，該波導具有一第一氣體入口、該第一氣體入口下游之一第二氣體入口、及一長度。該第一入口經組態以接收一供應氣體，且該第二入口經組態以接收一前驅材料(例如，製程氣體、或液態混合物)。一脈動之微波輻射源經耦合至波導以在供應氣體中產生一電漿，其中微波輻射在沿著波導之長度之方向上傳播以與前驅材料反應。該微波輻射源經組態以500 Hz至1000 kHz之頻率及小於90%之工作週期脈動開及關微波輻射。大多數之供應氣體之流及大多數之前驅材料之流係平行於微波傳播之方向。製程氣體之流量係大於5 slm，且波導經組態以適應至少0.1大氣壓之壓力。
在一些實施例中，本揭示內容之微波化學處理反應器之波導係場增強波導，其使得能夠處理高通量之一輸入材料，其中波導自身充當一反應腔室而非如同習知系統中之情況在獨立於微波能量波導之石英腔室中具有經處理之材料。該反應器系統之設計提供用於進行化學反應之大體積且降低微粒堆積及微粒之量對反應腔室之壁之衝擊。習知系統中在石英壁上之微粒堆積降低化學處理之效率，因為微波能量必須穿透其內包含經處理之氣體之石英壁。在本發明系統中，微波能量係在充當用於經處理之材料之反應腔室之一波導中傳播，且因此微波能量將不受到可能沈積在腔室(亦即，波導)之壁上的微粒阻礙。
如本文所用，術語「場增強波導(FEWG)」係指具有第一橫截面積及第二橫截面積之波導，其中第二橫截面積系小於第一橫截面積且較第一橫截面積更遠離微波能量。橫截面積之減小藉由集中該微波能量而增強場，且波導之尺寸經設定以保持所使用之特定微波頻率之傳播。FEWG之第二橫截面積沿著形成FEWG之反應區之一反應長度延伸。在FEWG之第一橫截面積與第二橫截面積之間存在一場增強區。在一些實施例中，該場增強區可以連續方式(例如，線性地或非線性地)或突然方式(例如，透過一或多個離散步階)改變橫截面積。在一些實施例中，FEWG內及/或反應器之反應區內之壓力為0.1 atm至10 atm、或0.5 atm至10 atm、或0.9 atm至10 atm、或大於0.1 atm、或大於0.5 atm、或大於0.9 atm。
圖3A示出本揭示內容之一微波化學處理系統之實施例，其中一「場增強波導」(FEWG)經耦合至一微波能量發生器(亦即，一微波能量源)，一電漿係在該FEWG之一電漿區中自一供應氣體產生，且該FEWG之一反應長度充當反應區以將製程材料分離成單獨組分。由圖3A所展示之本反應器在場增強波導之場增強區與反應區之間不存在一介電障壁。相比而言，習知系統之反應區係封閉在一介電障壁(諸如先前闡述之一石英腔室)內。微波能量之傳播方向係平行於大多數之供應氣體及/或製程材料(諸如，前驅材料)之流，且微波能量在FEWG之產生經分離組分之部分上游進入波導。
如圖3A所示，根據一些實施例之一微波化學處理反應器300一般而言包括一FEWG 305、經組態以接收流入FEWG 305中之供應氣體及/或製程材料308a之一或多個入口302、及經耦合至FEWG 305之一微波能量源304、及其他為簡潔起見未示出之元件。該「製程材料」亦可稱為「輸入材料」、「前驅材料」、或在一些實施例中稱為「製程氣體」。入口302可經設計以適應氣態或液態混合物前驅材料。對於液態前驅物，在一些實施例中，入口302可包括一霧化器(或其他總成)以有效地分散液態前驅物於反應器中。在一些實施例中，一起泡器可用於汽化一液體，且該蒸汽經提供至入口302。
在一些實施例中，微波電路307控制來自微波能量源304之微波能量309經脈動之一脈動頻率。在一些實施例中，來自微波能量源304之微波能量309係連續波。
FEWG 305具有一長度L。FEWG 305之具有長度LA (圖3A所示)之部分係較FEWG之具有長度LB (圖3A所示)之部分更靠近微波能量發生器。貫穿本揭示內容，FEWG之不同部分將由一大寫字母L加上表示FEWG之某一部分之下標描述(例如，LA 、L0 、LB 、L1 、L2 )，且同義地，FEWG之不同部分之長度亦將由一大寫字母L加上表示FEWG之某一部分之長度之下標描述(例如，LA 、L0 、LB 、L1 、L2 )。
長度LB 中FEWG之橫截面積係小於長度LA 中FEWG之橫截面積。FEWG L0 之長度係位於FEWG之長度LA 與LB 之間，且沿著微波能量傳播之路徑具有一減小之橫截面積。橫截面積之減小用以集中電場，由此增大微波能量密度、而同時仍提供相較於習知系統而言可形成電漿之較大量之面積。當使用2.45 GHz之微波能量頻率時，具有長度LB (圖3A所示)之FEWG之部分可具有尺寸為0.75吋x3.4吋之矩形橫截面。此橫截面積係遠大於習知系統，其中電漿產生面積一般而言係小於一平方吋。FEWG 305之不同部分之尺寸係根據微波頻率設定，以便適當地起到波導之作用。舉例而言，對於一橢圓形波導，橫截面尺寸針對2.1-2.7 GHz可為5.02吋x2.83吋。
在習知微波電漿材料處理系統中，可形成電漿之有限區域(諸如，如上文所述小於一平方吋)限制了可進行氣體反應之體積。同時，在習知系統中，微波能量透過一窗口(通常為石英)進入反應腔室。在此等系統中，介電材料(例如，微粒碳)在處理期間經包覆在窗口上，導致功率遞送隨時間減少。若此等經分離組分吸收微波能量則這可能很成問題，因為其會妨礙微波能量耦合至反應腔室中以產生電漿。因此，諸如自氣體反應產生之碳顆粒之副產物快速堆積且限制處理設備之運行時間。在本發明實施例中，系統300及下文描述之其他實施例經設計而不使用反應區中之窗口；亦即，使用一平行傳播/氣體流動系統，其中能量自反應之上游進入。因而，更多能量及功率可經耦合至來自微波能量源之電漿中。窗口之缺少及相較於習知系統中有限反應腔室體積而言波導305內較大之體積極大地減少顆粒堆積從而造成有限運行時間之問題，由此改善微波處理系統之生產效率。
圖3A中之微波能量309在FEWG 305之長度的具有長度L1 (圖3A所示)之一電漿區內在供應氣體及/或製程材料中產生一微波電漿306。具有長度L1 之該電漿區係位於FEWG LB 之部分內，其中相比於長度LA 其橫截面積係較小的且微波能量密度係較高的。在一些實施例中，使用不同於製程材料之一供應氣體產生微波電漿306。該供應氣體可例如為氫氣、氦氣、氮氣、惰性氣體諸如氬氣、或多於一種類型氣體之混合物。在其他實施例中，供應氣體係與製程材料相同，其中製程材料係自其產生經分離組分之材料。
在一些實施例中，供應氣體及/或製程材料入口302係位於FEWG LB 之部分上游，或位於FEWG L0 之部分內，或位於FEWG LA 之部分內，或位於FEWG LA 之部分上游。在一些實施例中，FEWG L1 之部分自沿著FEWG處於供應氣體及/或製程材料308a進入FEWG之位置下游之一位置延伸至FEWG之末端或延伸至供應氣體及/或製程材料之進口與FEWG 305之末端之間的一位置。在一些實施例中，FEWG L1 之部分自供應氣體及/或製程材料308a進入FEWG之位置延伸至FEWG之末端或延伸至供應氣體及/或製程材料之進口與FEWG之末端之間的一位置。
所產生之電漿306提供用於在具有一反應長度L2 之FEWG 305之一反應區301內在製程材料308b中進行反應之能量。在一些實施例中，反應區L2 自製程材料308a進入FEWG 305之位置延伸至FEWG 305之末端或延伸至製程材料之進口與FEWG 305之末端之間的一位置。在給定正確條件下，電漿306中之能量將足以自製程材料分子形成經分離組分。一或多個出口303經組態以收集在製程材料308b中進行反應之FEWG之反應區部分301下游離開FEWG 305之經分離之產物。在圖3A所示之實例中，微波能量309之傳播方向係平行於大多數之供應氣體及/或製程材料流308b，且微波能量309自產生經分離組分之FEWG之反應區301上游進入FEWG 305。
在一些實施例中，微波能量可穿透之一壓力障壁310可位於微波能量源304內、位於微波能量源之出口附近、或位於微波能量源304與FEWG中產生之電漿306之間的其他位置處。此壓力障壁310可充當一安全措施以防止電漿可能回流至微波能量源304中。電漿在壓力障壁自身處不形成；而實際上，壓力障壁僅為一機械障壁。可製成壓力障壁之材料之一些實例為石英、乙烯四氟乙烯(ETFE)、其他塑膠、或陶瓷。在一些實施例中，可存在兩個壓力障壁310及311，其中一個或兩個壓力障壁310及311係位於微波能量源304內、位於微波能量源之出口附近、或位於微波能量源304與FEWG中產生之電漿306之間的其他位置處。在一些實施例中，壓力障壁311係較壓力障壁310更靠近FEWG中之電漿306，且在壓力障壁310與311之間存在一壓力噴氣口312以防壓力障壁311失效。
在一些實施例中，使用長絲、點光源、電極、及/或磁鐵定製FEWG內之局部阻抗。在一些實施例中，長絲、點光源、電極、及/或磁鐵係用於增加FEWG之反應區內之電漿密度。
圖3B示出具有一FEWG及長絲之一微波處理系統。在圖3B之實施例中，類似於先前實施例，微波處理系統350包括一微波能量發生器(亦即，一微波能量源)354、一FEWG 355、及一微波發射器電路357。微波能量359藉由微波能量源354供應以在沿著FEWG 355之長度L之方向上傳播。在此實施例中，供應氣體入口352經置放於部分L0 之進口附近，而非如先前實施例中所示經置放於部分L1 (亦即，電漿區)之進口處。一或多根金屬長絲370經置放於FEWG 355內以協助電漿之點火及/或電漿內更高能量物質之激發。在此實施例中，金屬長絲370係在第一氣體入口352之下游，位於FEWG L1 (與更靠近微波能量發生器之FEWG相比具有較小的橫截面積)之電漿區部分之進口附近。在其他實施例中，長絲370可位於FEWG 355之總體長度L之部分L1 內之其他位置處，其中L1 為波導中關於先前實施例所描述而形成電漿之區域。在一些實施例中，長絲370係位於FEWG之部分L1 內且位於製程材料入口360之上游，以使得其將位於部分L2 (亦即，圖3A所示之長度L2 )之外部，在該部分L2 中反應正在發生且其可能以經反應之物質包覆該長絲。長絲370之存在可藉由提供一點火位點、藉由集中微波能量359之電場而降低電漿點火電壓。另外，長絲370可變成經加熱的且透過熱離子發射而發射電子，由此進一步幫助降低電漿點火電壓。雖然長絲370在此實施例中經示出為單一線材，但長絲370可採用其他組態，諸如一線圈或多根長絲。在一些實施例中，長絲370係鎢。在一些實施例中，該長絲可有源地通電(供電)或可為無源的。在一些實施例中，長絲370為鄰近一加熱線圈之一鋨長絲(例如，經組態成一板、線圈、或其他形狀)。在一些實施例中，長絲370為處於一可導線圈之場內的一鐵質材料。在一些實施例中，長絲370係有源地加熱的，其中有源部件(例如，加熱源部件)係位於波導355之外部且正受加熱之長絲材料係處於波導355之內部。
FEWG內之長絲370可協助電漿點火。在一些實施例中，FEWG內使用長絲370之一優點係在於，其使得一電漿能夠足夠快地形成以跟得上快速微波脈動頻率(例如，大於500 Hz、或大於1 kHz之頻率)，即使具有高氣體流量(例如，大於5 slm)及大氣體體積(例如，多至1000 L)。這在高壓力(例如，大於0.9 atm、或大於1 atm、或大於2 atm)下係特別重要的，因為高能量物質在一高壓氣氛下將會快速熄滅，且若電漿無法足夠快地點火，則在高壓力下將會在一脈動電漿中存在一小部分之高能量物質(亦即，在時間上積分)。
在一些實施例中，使用微波電漿反應器，以1 slm (標準公升/分鐘)至1000 slm、或2 slm至1000 slm、或5 slm至1000 slm、或大於1 slm、或大於2 slm、或大於5 slm、或大於10 slm、或大於100 slm之氣體流量(亦即，供應氣體流量、製程氣體流量、或輸入材料氣體流量)產生如本文所描述的包括不同碳同素異形體之碳奈米顆粒及聚集體。在一些實施例中，使用微波電漿反應器，以0.001秒至100秒、或0.01秒至100秒、或0.1秒至100秒、或0.001秒至10秒、或0.01秒至10秒、或0.1秒至10秒之氣體停留時間產生如本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體。
在一些實施例中，使用微波電漿反應器，以0.1 L/min至1000 L/min、或2 L/min至1000 L/min、或5 L/min至1000 L/min、或大於1 L/min、或大於2 L/min、或大於5 L/min、或大於10 L/min、或大於100 L/min之液態前驅物流量產生如本文所描述的包括不同碳同素異形體之碳奈米顆粒及聚集體。在一些實施例中，使用微波電漿反應器，以0.001秒至100秒、或0.01秒至100秒、或0.1秒至100秒、或0.001秒至10秒、或0.01秒至10秒、或0.1秒至10秒之液態前驅物停留時間產生如本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體。
在一些實施例中，使用前驅材料流速(亦即，氣體或液體流速)定製反應器內產生的同素異形體之混合物。在較高流速下，停留時間係較短，而在較低流速下，停留時間係較長。在一些實施例中，存在起初形成之一或多種碳同素異形體、及隨後形成且/或生長在起初形成之碳同素異形體之表面上之其他碳同素異形體。在較高流速下(亦即，較低停留時間)，起初形成之同素異形體與隨後形成之同素異形體之比率將高於在較低流速下之比率。
一個實例係生產石墨烯、石墨、及MWSF之混合物。在一些實施例中，MWSF首先形成，且石墨烯及/或石墨材料形成於起初形成之MWSF之表面上。在以較高速率生產混合物之實施例中，石墨烯及石墨與MWSF之比率係較低的(例如，低至10%或20%)。另一方面，在以較低速率生產混合物之實施例中，石墨烯及石墨與MWSF之比率係較高的(例如，多至80%或90%)，因為有較多時間供額外的石墨烯及石墨層生長在MWSF表面上。
另一實例係生產石墨烯、石墨、及無定形碳之混合物。在一些實施例中，無定形碳首先形成，且石墨烯及/或石墨材料形成於起初形成之無定形碳之表面上。在以較高速率生產混合物之實施例中，石墨烯及石墨與無定形碳之比率係較低的(例如，低至10%或20%)。另一方面，在以較低速率生產混合物之實施例中，石墨烯及石墨與無定形碳之比率係較高的(例如，多至80%或90%)，因為有較多時間供額外的石墨烯及石墨層生長在無定形碳表面上。
重要的係應注意，除了前驅材料流速之外，其他參數亦影響形成哪些碳同素異形體、及各自之生長速率，包括，例如，微波參數(例如，能量、功率、脈衝率)、腔室幾何結構、反應溫度、長絲之存在、及所利用之前驅物及供應氣體物質。舉例而言，當生產石墨烯、或石墨烯與石墨之混合物時，微波能量及功率、以及前驅物及供應氣體流速可影響石墨烯中之層數及/或所產生的石墨烯與石墨之比。在較高功率下，碳層之生長速率增加，且在較長停留時間下，能夠生長之層數增加。
在一些實施例中，使用微波電漿反應器以100 cm3 至100,000 cm3 、或1000 cm3 至100,000 cm3 、或100 cm3 至10,000 cm3 、或1000 cm3 至10,000 cm3 、或1000 cm3 至5,000 cm3 之腔室體積產生本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體。亦可在單一反應器中平行地使用多個腔室，且可在同一反應器系統中平行地使用多個反應器。
在一些實施例中，使用微波電漿反應器以大於10 kg/hr、或大於1 kg/hr、或0.1至100 kg/hr、或1至100 kg/hr、或10至100 kg/hr、或0.1至10 kg/hr、或0.1至1 kg/hr、或1至10 kg/hr之生產率產生本文所描述的碳奈米顆粒及聚集體。
多種反應器組態
在一些實施例中，微波電漿化學處理反應器係在本揭示內容之微波化學處理系統中經佈置成不同組態，如標題為「Microwave Chemical Processing Reactor」之前述美國專利第9,767,992號中所述。
在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器具有單一微波能量發生器，其係為經耦合至一或多於一個FEWG之一微波能量源。在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器具有多於一個微波能量發生器，其經耦合至多於一個FEWG。在一些實施例中，該微波能量係連續波或經脈動的。在一些實施例中，該微波能量發生器功率為1至100 kW。
在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器具有多於一個反應區，其經連接在一起且具有自其收集經分離組分之一或多於一個出口。
在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器含有具有不同幾何結構(包括歧管佈置及網狀佈置)之多個FEWG。
在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器具有帶有壁之反應區，且供應氣體及製程入口透過該等壁而提供供應氣體(用於產生微波電漿)及輸入材料至反應區。在一些實施例中，存在多個供應氣體及製程入口，其以受控之質量分數透過該等壁提供供應氣體及輸入材料至反應區。以受控之質量分數透過該等壁提供供應氣體及輸入材料至反應區可減輕反應區壁上經分離組分之沈積。
在一些實施例中，製程材料係一氣體。製程材料(亦即，輸入材料)氣體之實例係如上文所述。
在一些實施例中，製程材料係一透過製程材料入口提供至FEWG中之液體。可用作製程材料之液體之一些實例為水、烷烴、烯烴、炔烴、芳族烴、飽和及不飽和烴(例如，烷烴、烯烴、炔烴、或芳族烴之飽和及不飽和烴)、乙醇、甲醇、異丙基醇(亦即，異丙醇)、或其混合物(例如，乙醇/甲醇之50/50混合物)。在一些實施例中，以上列出之液體製程材料將產生碳及氫氣經分離組分。在一些實施例中，液體之流速可為進入反應器中之供應氣體流量之一百分數，諸如0.001%至1000%、或0.001%至100%、或0.001%至10%、或0.001%至1%、或0.001%至0.1%、或0.01%至1000%、或0.01%至100%、或0.01%至10%、或0.01%至1%、或0.01%至0.1%。
在一些實施例中，製程材料係一透過製程材料入口提供至FEWG中之一膠體分散液(亦即，固體顆粒懸浮於一液體或氣體中之混合物)。舉例而言，該膠體分散液可包括碳質顆粒。可用作製程材料之膠體分散液之一些實例為來自第16族、第14族、第10族、第9族、第5族、第2族、第1族、其合金、及其混合物與一液體或氣體混合之固體顆粒。在一些實施例中，以上列出之固體顆粒可混合有液體諸如水、烷烴、烯烴、炔烴、芳族烴、飽和及不飽和烴(例如，烷烴、烯烴、炔烴、或芳族烴之飽和及不飽和烴)、乙醇、甲醇、異丙基醇、或其混合物(例如，乙醇/甲醇之50/50混合物)。氣體之實例為第1族及第15-18族，及無機化合物(例如，第14族之氫化物)。可自以上列出之膠體分散液製程材料產生之經分離組分之一些實例為包覆在有機材料中之固體無機材料(例如，包覆有石墨烯之矽)、及具有有機/無機材料夾層之複合材料(例如，具有包封矽之碳層之一矽核心，其包覆有一額外無機層)。在一些實施例中，膠體分散液之流速可為進入反應器中之供應氣體流量之一百分數，諸如0.001%至1000%、或0.001%至100%、或0.001%至10%、或0.001%至1%、或0.001%至0.1%、或0.01%至1000%、或0.01%至100%、或0.01%至10%、或0.01%至1%、或0.01%至0.1%。
圖3C-3F示出代表本揭示內容之微波化學處理系統之實施例之方塊圖，其中多個FEWG經耦合至一或多個微波能量發生器(亦即，微波能量源)。此等實施例中之FEWG可共享上述系統之部分或全部特徵。此等實施例中之供應氣體及製程材料輸入可共享上述之部分或全部特徵。在一些實施例中，每一FEWG具有一反應區。在一些實施例中，在該等FEWG中之每一者中自一電漿區中之一供應氣體產生一電漿，且該等FEWG中之每一者之一反應長度充當反應區以將製程材料分離成單獨組分。在一些實施例中，反應區係經連接在一起且微波化學處理系統具有用於經分離組分之一個出口。在一些實施例中，反應區係經連接在一起且微波化學處理系統具有用於經分離組分之多於一個出口。在一些實施例中，每一反應區具有其自己的用於經分離組分之出口。
圖3C示出一實施例，其中存在一個微波能量發生器381，其經耦合至多個FEWG 382，且該等FEWG之反應區係皆連接在一起以使得存在單一出口383用於收集經分離組分。
圖3D示出一實施例，其中存在一個微波能量發生器381，其經耦合至多個FEWG 382，且一些FEWG之反應區係皆連接在一起以使得存在多於一個出口383用於收集經分離組分。
圖3E示出一實施例，其中存在多於一個微波能量發生器381，其經耦合至多個FEWG 382，且該等FEWG之反應區係皆連接在一起以使得存在單一出口383用於收集經分離組分。
圖3F示出一實施例，其中存在多於一個微波能量發生器381，其經耦合至多個FEWG 382，且一些FEWG之反應區係皆連接在一起以使得存在多於一個出口383用於收集經分離組分。
圖3C-3F鑒於示例性目的而繪示6個FEWG，但在其他實施例中，存在少於或多於6個FEWG。舉例而言，在一些實施例中，存在1至10個FEWG，其經耦合至每一微波能量發生器。在一些實施例中，來自多於一個微波發生器之微波能量可使用一功率組合器組合，且接著可將經組合之微波能量耦合至多於一個FEWG中。自此一功率組合器發射之微波能量可為非常大，且可耦合至許多FEWG(例如，大於10個)中。在一些實施例中，使用多工將微波能量自單一微波能量源耦合至多個FEWG中。在一個實例中，該多工係時分多工，其意謂將能量在一時刻自一微波能量源耦合至一組FEWG中，且使用一開關在隨後一時刻將能量引導至一不同組之FEWG中。該開關可用於隨時間自單一微波能量源在許多組FEWG(例如，多於2組、或多於5組、或多於10組)之間循環能量，其中每組之FEWG可含有多個FEWG(例如，多於2個、或多於5個、或1至10個)。圖3D繪示兩個出口，但可存在多於兩個出口，諸如圖3F中，且每一FEWG可具有其自己的出口用於收集經分離組分。在一些實施例中，存在1至10個出口用於收集經分離組分。圖3D繪示3個FEWG經連接至每一出口中，但可存在少於或多於3個FEWG經連接至每一出口中，且每一FEWG可具有其自己的出口用於收集經分離組分。圖3E及圖3F繪示兩個微波能量發生器，但在一些實施例中，存在多於2個微波能量發生器。在一些實施例中，存在1至10個FEWG經一起連接至每一出口中用於收集經分離組分。
圖3G及圖3H示出本揭示內容之微波化學處理系統之實施例，其中多個FEWG使用不用幾何結構經耦合至一個微波能量發生器(亦即，微波能量源)。此等實施例中之FEWG可共享上述系統之部分或全部特徵。此等實施例中之供應氣體及製程材料輸入可共享上述之部分或全部特徵。在一些實施例中，每一FEWG具有一反應區。在一些實施例中，在該等FEWG中之每一者中自一電漿區中之一供應氣體產生一電漿，且該等FEWG中之每一者之一反應長度充當反應區以將製程材料分離成單獨組分。在一些實施例中，反應區係經連接在一起且微波化學處理系統具有用於經分離組分之一個出口。在一些實施例中，反應區係經連接在一起且微波化學處理系統具有用於經分離組分之多於一個出口。在一些實施例中，每一反應區具有其自己的用於經分離組分之出口。
圖3G示出具有一歧管幾何結構之實施例，其中存在一個微波能量發生器經耦合至多個FEWG。微波能量391經耦合至一歧管波導392，且然後耦合至多個FEWG中。該微波能量進入每一FEWG之大橫截面積之截面，然後進入到FEWG 393之場增強區中，且然後耦合至FEWG 394之較小橫截面積之反應區中。在圖3G所繪示之實施例中，所有FEWG皆經連接在一起以使得存在單一出口395用於收集經分離組分。
圖3H示出具有一網狀幾何結構之實施例，其中存在一個微波能量發生器經耦合至多個FEWG。微波能量391經耦合至一網狀波導392，且然後耦合至多個FEWG中。特定之網狀波導尺寸係取決於所使用之微波頻率。該微波能量進入每一FEWG之大橫截面積之截面，然後進入到FEWG 393之場增強區中，且然後耦合至FEWG 394之更小橫截面積之反應區中。在圖3H所繪示之實施例中，所有FEWG皆經連接在一起以使得存在單一出口395用於收集經分離組分。
圖3G及圖3H繪示一個微波能量發生器經耦合至呈一歧管或網狀幾何結構之5個FEWG，但在其他實施例中，存在一個微波能量發生器經耦合至呈一歧管或網狀幾何結構之少於或多於5個FEWG。在一些實施例中，來自多於一個微波發生器之微波能量可使用一功率組合器組合，且接著可將經組合之微波能量耦合至呈一歧管或網狀幾何結構之多於一個FEWG中。自此一功率組合器發射之微波能量可為非常大，且可耦合至呈一歧管或網狀幾何結構之許多FEWG(例如，大於10個)中。在一些實施例中，存在1至10個FEWG，其以一歧管或網狀幾何結構經耦合至每一微波能量發生器。圖3G及3H繪示一個出口，但自以一歧管或網狀幾何結構經耦合至微波能量發生器之FEWG可存在多於一個出口。在一些實施例中，存在1至10個出口用於自以一歧管或網狀幾何結構經耦合至微波能量發生器之FEWG收集經分離組分。圖3G及圖3H繪示一個微波能量發生器經耦合至多個FEWG，但在一些實施例中，存在1至10個微波能量發生器經耦合至呈一歧管或網狀幾何結構之1至10個FEWG。在一些實施例中，存在1至10個FEWG經一起連接至每一出口中用於自以一歧管或網狀幾何結構經耦合至微波能量發生器之FEWG收集經分離組分。
在一些實施例中，在歧管或網狀幾何結構波導392與FEWG 393之場增強區之間存在孔隙。此等孔隙之尺寸經定製以將來自歧管或網狀幾何結構波導392之微波能量有效地耦合至FEWG 393之場增強區。在一些實施例中，此等孔隙之尺寸係不同大小以平衡來自歧管或網狀幾何結構波導392之微波能量在FEWG 393之所有經耦合之場增強區之間的傳輸。
在一些實施例中，歧管或網狀幾何結構波導392之尺寸經定製以使得其形成一共振腔且在歧管或網狀幾何結構波導392內存在微波能量之駐波。在一些實施例中，微波能量之駐波經調諧以有效地將微波能量耦合至FEWG 393之經耦合之場增強區中之每一者中。
在一些實施例中，存在自歧管或網狀幾何結構波導392至FEWG 393之場增強區之受控之洩露以有效地分配經耦合至FEWG 394之反應區中之每一者中的微波能量之量。用於控制自歧管或網狀幾何結構波導392至FEWG 393之場增強區之洩露且有效地分配經耦合至FEWG 394之反應區中之每一者中的微波能量之量的一些設計實例為：改變波導之橫截面及/或長度；使用歧管或網狀幾何結構波導392與FEWG 393之場增強區之間的孔隙；改變歧管或網狀幾何結構波導392與FEWG 393之場增強區之間的定向角度；使用處於歧管或網狀幾何結構波導內或處於FEWG內之長絲、點光源、電極、及/或磁鐵(如下文將更詳細討論)；及此等設計特徵中之兩者或兩者以上之組合。
微波化學處理方法
圖4A中示出一種用於使用微波電漿反應器產生本文所描述之碳顆粒、奈米顆粒、聚集體、及材料之方法。在一些實施例中，方法400包括：使一製程氣體流入一反應區中之步驟402，在該反應區中使用一微波電漿裂化該製程氣體之分子之步驟404，使該等經裂化之分子反應以形成碳聚集體之步驟406，及收集該等碳聚集體之步驟408。在一些實施例中，碳聚集體包括石墨烯。在一些實施例中，碳聚集體包括石墨烯、石墨、MWSF、經連接之MWSF、無定形碳、其他碳同素異形體、或其組合。在一些實施例中，碳聚集體含有大於99%之碳與其他氫以外之元素之比率，碳聚集體之中值大小為1至50微米，當使用布厄特(BET)法以氮氣作為被吸附物量測時碳聚集體之表面積為50至200 m2 /g，且當經壓縮時，碳聚集體具有大於500 S/m之電導率。
圖4B中示出一種用於產生本文所描述的碳顆粒之方法。方法410包括提供包含一烴氣體之一輸入材料之步驟412；使用一微波電漿反應器將該輸入材料處理成單獨組分之步驟414，其中該等經分離組分含有氫氣及碳顆粒；及使用一多級氣-固分離系統自該氫氣過濾該等碳顆粒之步驟416。在方法410之一些實施例中，多級氣-固分離系統包括具有一輸出端之一第一旋風分離器、及一反脈衝過濾系統。該第一旋風分離器自經分離組分過濾碳顆粒，且該反脈衝過濾系統自第一旋風分離器之輸出端過濾碳顆粒。
在方法之一些實施例中，多級氣-固分離系統中之溫度係可調節的，且該溫度經調節以改變所收集之碳顆粒中所吸附之烴之濃度。
在方法之一些實施例中，多級氣-固分離系統中之溫度係大於300℃，且所收集之碳顆粒之烴濃度為1%至5%。
在方法之一些實施例中，輸入材料包括天然氣，且輸入材料進入反應器中之流速為大於5 slm。在方法之一些實施例中，輸入材料包括生物氣體，且輸入材料進入反應器中之流速為大於5 slm。
在方法之一些實施例中，由旋風分離器過濾之大多數碳顆粒為大於1微米之大小。在方法之一些實施例中，由反脈衝過濾系統過濾之大多數碳顆粒為大於100 nm之大小。在方法之一些實施例中，在藉由第一旋風分離器過濾經分離組分後，過濾出大於80%之碳顆粒。在方法之一些實施例中，在藉由第一旋風分離器及反脈衝過濾系統過濾經分離組分後，過濾出大於99%之碳顆粒。
在方法之一些實施例中，碳顆粒之密度為小於0.2 g/cm3。在方法之一些實施例中，當使用布厄特(BET)法以氮氣作為被吸附物量測時碳顆粒之表面積為50至300 m2/g。
在方法之一些實施例中，碳顆粒包括石墨烯及一或多種其他除石墨烯外之碳同素異形體。在方法之一些實施例中，石墨烯包括多至15層；碳顆粒中碳與其他氫以外元素之比率為大於99%；且石墨烯與其他碳同素異形體之比率為5%至95%。在方法之一些實施例中，碳顆粒包括無定形碳，且其中石墨烯與無定形碳之比率為1%至10%。
在方法之一些實施例中，反脈衝過濾系統包括：多個反脈衝過濾器，每一反脈衝過濾器具有i)一過濾狀態，其中該反脈衝過濾器正過濾經分離組分，及ii)一清潔狀態，其中該反脈衝過濾器正使用在與經分離組分之流相反之方向上穿過該反脈衝過濾器之一氣體流清潔；及位於該多個反脈衝過濾器上游之一閥，以使每一反脈衝過濾器在過濾狀態與清潔狀態之間切換；其中該多個反脈衝過濾器係平行地佈置；且該方法進一步包括使多個反脈衝過濾器中之第一反脈衝過濾器在清潔狀態下工作，而同時多個反脈衝過濾器中之其他反脈衝過濾器在過濾狀態下工作。
在方法之一些實施例中，多級氣-固分離系統進一步包括位於第一旋風分離器與反脈衝過濾系統之間的一第二旋風分離器，其中第一旋風分離器過濾出經分離組分中之第一分數之碳顆粒，第二旋風分離器過濾出經分離組分中之第二分數之碳顆粒，且反脈衝過濾系統過濾出經分離組分中之第三分數之碳顆粒。在方法之一些實施例中，該第一分數中顆粒之中值粒度係大於該第二分數中顆粒之中值粒度，且該第二分數中顆粒之中值粒度係大於該第三分數中顆粒之中值粒度。
在方法之一些實施例中，微波電漿反應器包括0.1 atm至10 atm之一壓力；及具有915 MHz至5.8 GHz之頻率之一微波能量電漿源。 實例
實例1：微波化學處理系統氣-固分離系統
在此第一實例中，如上實施例中所述使用一微波電漿反應器系統產生含有石墨及石墨烯之碳顆粒及聚集體。此實例中之微波電漿反應器具有由不銹鋼製成之一主體，其具有一石英內壁材料。然而，該石英內壁材料並非在所有情況下皆需要，且可在反應區中或鄰近反應區不含石英之反應器中產生類似碳材料。反應區體積為大約45 cm3 。前驅材料為甲烷，且視情況地與一供應氣體(例如，氬氣)混合。甲烷之流速為1至100 L/min，且供應氣體之流速為0至100 L/min。利用彼等流速及工具幾何形狀，反應腔室中氣體之停留時間為大約0.001秒至大約2.0秒，且碳顆粒生產率為大約0.1 g/hr至大約15 g/hr。
在此實例中，一烴為微波電漿反應器之輸入材料，且經分離組分為氫氣及含有石墨及石墨烯之碳顆粒。在一多級氣-固分離系統中自氫氣分離碳顆粒。在離開微波電漿反應器後，透過一旋風分離器第一級處理氫氣及碳顆粒，且接著透過一反脈衝過濾第二級處理來自旋風分離器之輸出。
在該實例中氣-固分離系統中所使用之旋風分離器係由不銹鋼構成，在入口及出口處具有一1” OD管，且具有大約13.25”之長度及大約2.5”之直徑。在分離實驗期間旋風分離器之溫度為大於225℃，且壓力為0至100 psig。
在該實例中氣-固分離系統中所使用之反脈衝過濾器包括具有0.5 μm至25 μm之中值大小之一多孔不銹鋼過濾元件。在過濾實驗期間反脈衝過濾器之溫度為大於250℃。跨過濾器之最小壓力降為大於0.5 psig，且最大壓力降為大約15 psig。過濾器之反應器側(亦即，過濾期間之上游側)上之壓力為大於1 psig，且出口側(亦即，過濾期間之下游側)上之壓力為小於微波電漿反應器內部之壓力大約0.5 psig。
該實例中所產生之顆粒含有石墨及石墨烯，且不含種子顆粒。該實例中之顆粒具有大約99.5%或更大之碳與其他元素(除氫以外)之比率。來自反應器之經分離組分之固體負載量為0.001 g/L至2.5 g/L。
該實例中之氣-固分離系統(依次包括旋風分離器第一級及反脈衝過濾器第二級)在經分離組分中自氫氣移除多於99%之碳顆粒。
圖5A示出由旋風分離器捕獲的該實例之碳聚集體之SEM影像，其展示出石墨及石墨烯同素異形體。圖5B示出由反脈衝過濾器捕獲的該實例之碳聚集體之SEM影像，其展示出石墨及石墨烯同素異形體。層狀石墨烯係清晰地顯示在碳之變形(褶皺)內。碳同素異形體之3D結構亦可見。
在該實例中藉由旋風分離器第一級捕獲的碳顆粒之粒度分佈係如圖5C所示。基於質量之累積粒度分佈510對應於曲線圖中之左y軸(Q3(x) [%])。質量粒度分佈之直方圖520對應於曲線圖中之右軸(dQ3(x) [%])。在該實例中藉由旋風分離器捕獲的中值粒度為大約33 μm，第10個百分點粒度為大約9 μm，且第90個百分點粒度為大約103 μm。在旋風分離器中收集的顆粒之質量密度為大約10 g/L。
在該實例中藉由反脈衝過濾器第二級捕獲的碳顆粒之粒度分佈係如圖5D所示。基於質量之累積粒度分佈550對應於曲線圖中之左y軸(Q3(x) [%])。質量粒度分佈之直方圖560對應於曲線圖中之右軸(dQ3(x) [%])。在該實例中藉由旋風分離器捕獲的中值粒度為大致11 μm，第10個百分點粒度為大致3.5 μm，且第90個百分點粒度為大致21 μm。圖5D中之曲線圖亦示出基於數目之累積粒度分佈570，其對應於曲線圖中之左y軸(Q0(x) [%])。在該實例中基於數目之中值粒度為大約0.1 μm至大約0.2 μm。在反脈衝過濾器中收集的顆粒之質量密度為大約22 g/L。
圖5C亦示出來自該第一實例之一第二實驗之結果。在該實例之微波電漿反應器中產生的顆粒係藉由機械研磨減小尺寸，且然後使用該實例之旋風分離器處理經減小尺寸之顆粒。在該實例中藉由旋風分離器捕獲的經減小尺寸之碳顆粒之基於質量之累積粒度分佈530對應於曲線圖中之左y軸(Q3(x) [%])。基於質量之粒度分佈之直方圖540對應於曲線圖中之右軸(dQ3(x) [%])。在該實例中藉由旋風分離器捕獲的經減小尺寸之碳顆粒之中值粒度為大約6 μm，第10個百分點粒度為1 μm至2 μm，且第90個百分點粒度為10 μm至20 μm。
實例2：微波化學處理系統氣-固分離系統
在此第二實例中，如實例1中所述使用一微波電漿反應器系統產生含有石墨、石墨烯、及無定形碳之碳顆粒及聚集體。前驅材料含有甲烷、或異丙基醇(IPA)、或乙烷、或一冷凝烴(例如，己烷)。該等含碳之前驅物視情況地與一供應氣體(例如，氬氣)混合。當使用氣態甲烷時，甲烷之流速為1至100 L/min，且供應氣體之流速為0至100 L/min。當前驅材料為IPA及乙醇之一液態混合物時，該液態混合物之流速為0.1至100 mL/min。在一些其他情況下，使用一冷凝烴且該烴之流速為大約3 L/min。利用彼等流速及工具幾何形狀，反應腔室中氣體之停留時間為大約0.001秒至大約2.0秒，且碳顆粒生產率為大約0.1 g/hr至大約15 g/hr。在合成且收集聚集體後，藉由在一惰性氣氛中1000至2200℃之溫度下退火大約60至大約600分鐘之持續時間而對其後處理。
該實例中所產生之顆粒含有石墨、石墨烯、無定形碳，且不含種子顆粒。該實例中之顆粒具有大約99.5%或更大之碳與其他元素(除氫以外)之比率。
在此實例中，一烴為微波電漿反應器之輸入材料，且經分離組分為氫氣及含有石墨、石墨烯、及無定形碳之碳顆粒。如實例1中所述在一多級氣-固分離系統中自氫氣分離碳顆粒。來自反應器之經分離組分之固體負載量為0.001 g/L至2.5 g/L。
圖6A-6C示出該實例之在合成時碳奈米顆粒之TEM影像，其展示出石墨、石墨烯、及無定形碳同素異形體。石墨烯及其他碳材料之層在影像中清晰可見。
在該實例中藉由旋風分離器第一級捕獲的碳顆粒之粒度分佈係如圖6D所示。基於質量之累積粒度分佈610對應於曲線圖中之左y軸(Q3(x) [%])。質量粒度分佈之直方圖620對應於曲線圖中之右軸(dQ3(x) [%])。在該實例中藉由旋風分離器捕獲的中值粒度為大約14 μm，第10個百分點粒度為大約5 μm，且第90個百分點粒度為大約28 μm。圖6D中之曲線圖亦示出基於數目之累積粒度分佈630，其對應於曲線圖中之左y軸(Q0(x) [%])。在該實例中基於數目之中值粒度為大約0.1 μm至大約0.2 μm。
已詳細參考本發明所揭示的實施例，附圖中例示該等實施例之一或多個實例。每一實例均以解釋本技術而非限制本技術之方式提供。儘管已參照本發明之特定實施例詳細描述本說明書，但熟習此項技術者應理解的是，在獲得對前述內容之理解後，可容易構想出此等實施例之替代形式、變化形式及等效物。例如，作為一個實施例之一部分加以例示或描述的特徵可用於其他實施例中，從而得到另一實施例。因此，本發明標的意欲涵蓋所附申請專利範圍及其等效物之範疇內的所有此類修改及變化。在不脫離隨附申請專利範圍中更特定闡述的本發明之範疇的情況下，熟習此項技術者可實踐本發明之此等及其他修改形式及變化形式。此外，一般技藝人士將瞭解前述描述僅為舉例說明，且不意欲限制本發明。
100‧‧‧碳奈米顆粒
101、102‧‧‧多壁球狀富勒烯(MWSF)
103‧‧‧石墨烯
104‧‧‧壓縮機
106‧‧‧乾燥器
108‧‧‧接收器
110‧‧‧微波電漿反應器
120‧‧‧流出物冷卻器(熱交換器)
121A‧‧‧第一旋風分離器
121B‧‧‧第二旋風分離器
123‧‧‧過濾系統
125‧‧‧乾式冷卻器
126‧‧‧H2積儲器
127‧‧‧箭頭
128‧‧‧H2壓縮機
130‧‧‧壓力擺動吸附器(PSA)
131‧‧‧H2儲存系統
140‧‧‧火炬
150‧‧‧循環管線
160‧‧‧氣體管線
200‧‧‧微波化學處理系統
300‧‧‧微波化學處理反應器
301‧‧‧反應區
302‧‧‧入口
303、382、395‧‧‧出口
304‧‧‧微波能量源
305、382、393、394‧‧‧FEWG
306‧‧‧電漿
307‧‧‧微波電路
308a、308b‧‧‧製程材料
309、359、391‧‧‧微波能量
310、311‧‧‧壓力障壁
312‧‧‧壓力噴氣口
350‧‧‧微波處理系統
352‧‧‧第一氣體入口
354‧‧‧微波能量發生器；微波能量源
355‧‧‧FEWG；波導
357‧‧‧微波發射器電路
360‧‧‧製程材料入口
370‧‧‧長絲
381‧‧‧微波能量發生器
392‧‧‧歧管波導；網狀波導
400、410‧‧‧方法
402-408、412-416‧‧‧步驟
L、LA、L0、LB、L1、L2‧‧‧長度
圖1A-1D係如此項技術中已知之碳同素異形體之示意圖。
圖1E係根據一些實施例，理想化的經連接之多壁球狀富勒烯之示意圖。
圖2A係根據一些實施例，一微波化學處理系統之示意圖。
圖2B係根據一些實施例，整合至一滑座中之一微波化學處理系統之示意圖。
圖3A係根據一些實施例，一微波電漿反應器之簡化垂直剖面圖。
圖3B係根據一些實施例，具有一長絲之一微波電漿反應器之簡化垂直剖面圖。
圖3C-3F係根據一些實施例，具有多個場增強波導及多個微波能量源之微波化學處理系統之方塊圖。
圖3G-3H係根據一些實施例，多個場增強波導經耦合至一個微波能量發生器之微波化學處理系統之簡圖。
圖4A係根據本揭示內容之實施例，用於一氣體之微波處理的方法之示例性流程圖。
圖4B係根據本揭示內容之實施例，用於一氣體之微波處理的方法之示例性流程圖。
圖5A及5B示出根據一些實施例，來自一第一實例中在合成時含有石墨及石墨烯的碳聚集體之掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)影像。
圖5C及5D示出根據一些實施例，一第一實例中經收集之碳顆粒之粒度分佈。
圖6A-6C示出根據一些實施例，來自一第二實例中在合成時含有石墨、石墨烯及無定形碳的碳聚集體之TEM影像。
圖6D示出根據一些實施例，一第二實例中的經收集之碳顆粒之粒度分佈。

Claims (20)

  1. 一種材料處理系統，其包括： 一包含烴氣體之輸入材料； 一微波電漿反應器，其包括： 一微波能量源； 一波導； 一反應區，其中該微波能量源係透過該微波耦合至該反應區，且該微波能量在該反應區中產生一電漿；及 一入口，其經組態以接收該輸入材料，其中該輸入材料透過該入口流入該反應區中； 其中該電漿將該輸入材料分離成經分離組分，該等經分離組分包含氫氣及碳顆粒；及 一多級氣-固分離系統，其經耦合至該微波電漿反應器，該多級氣-固分離系統包括： 一第一旋風分離器，其具有一輸出端，其中該第一旋風分離器自該等經分離組分過濾該等碳顆粒；及 一反脈衝過濾系統，其經耦合至該第一旋風分離器之該輸出端，其中該反脈衝過濾系統自該第一旋風分離器之該輸出端過濾該等碳顆粒。
  2. 如請求項1之系統，其中該輸入材料包括天然氣，且該輸入材料進入該反應器中之流速為大於5 slm。
  3. 如請求項1之系統，其中該輸入材料包括生物氣體，且該輸入材料進入該反應器中之流速為大於5 slm。
  4. 如請求項1之系統，其中該第一旋風分離器及該反脈衝過濾系統經加熱至一大於300℃之溫度。
  5. 如請求項1之系統，其中由該第一旋風分離器過濾之大多數之該等碳顆粒為大於1微米之大小。
  6. 如請求項1之系統，其中由該反脈衝過濾系統過濾之大多數之該等碳顆粒為大於100 nm之大小。
  7. 如請求項1之系統，其中由該第一旋風分離器過濾出大於80%之該等碳顆粒。
  8. 如請求項1之系統，其中在藉由該第一旋風分離器及該反脈衝過濾系統過濾該等經分離組分後，過濾出大於99%之該等碳顆粒。
  9. 如請求項1之系統，其中由該微波電漿反應器產生的該等經分離組分中之該等碳顆粒之密度為小於0.2 g/cm3 。
  10. 如請求項1之系統，其中該等碳顆粒包括石墨烯及一或多種其他除石墨烯外之碳同素異形體，其中： 該石墨烯包括多至15層； 該等碳顆粒中碳與其他氫以外之元素之比率為大於99%；且 該石墨烯與該等其他碳同素異形體之比率為大於5%。
  11. 如請求項1之系統，其中該反脈衝過濾系統包括： 多個反脈衝過濾器，每一反脈衝過濾器具有i)一過濾狀態，其中該反脈衝過濾器正過濾該等經分離組分，及ii)一清潔狀態，其中該反脈衝過濾器正使用穿過該反脈衝過濾器之一氣體流清潔；及 一位於該多個反脈衝過濾器上游之閥，以使每一反脈衝過濾器在該過濾狀態與該清潔狀態之間切換； 其中該多個反脈衝過濾器係平行地佈置以使得該多個反脈衝過濾器中之一第一反脈衝過濾器可處於該清潔狀態、而同時該多個反脈衝過濾器中之其他反脈衝過濾器係處於該過濾狀態。
  12. 如請求項1之系統，其中該多級氣-固分離系統進一步包括一位於該第一旋風分離器與該反脈衝過濾系統之間的第二旋風分離器，其中： 該第一旋風分離器過濾出該等經分離組分中之一第一分數之碳顆粒， 該第二旋風分離器過濾出該等經分離組分中之一第二分數之碳顆粒，且 該反脈衝過濾系統過濾出該等經分離組分中之一第三分數之碳顆粒。
  13. 如請求項12之系統，其中該第一分數中顆粒之中值粒度係大於該第二分數中顆粒之中值粒度，且該第二分數中顆粒之中值粒度係大於該第三分數中顆粒之中值粒度。
  14. 一種用於產生碳顆粒之方法，其包括： 提供一包含烴氣體之輸入材料； 使用一微波電漿反應器將該輸入材料處理成單獨組分，其中該等經分離組分含有氫氣及碳顆粒；及 使用一多級氣-固分離系統自該氫氣過濾該等碳顆粒，其中該多級氣-固分離系統包括： 一第一旋風分離器，其具有一輸出端；及 一反脈衝過濾系統，其中： 該第一旋風分離器自該等經分離組分過濾該等碳顆粒；且 該反脈衝過濾系統自該第一旋風分離器之該輸出端過濾該等碳顆粒。
  15. 如請求項14之方法，其中該多級氣-固分離系統中之溫度係可調節的，且該溫度經調節以改變該等所收集之碳顆粒中所吸附之烴之濃度。
  16. 如請求項14之方法，其中該輸入材料包括天然氣，且該輸入材料進入該反應器中之流速為大於5 slm。
  17. 如請求項14之方法，其中該輸入材料包括生物氣體，且該輸入材料進入該反應器中之流速為大於5 slm。
  18. 如請求項14之方法，其中該等碳顆粒之密度為小於0.2 g/cm3 。
  19. 如請求項14之方法，其中該等碳顆粒包括石墨烯及一或多種其他除石墨烯外之碳同素異形體，其中： 該石墨烯包括多至15層； 該等碳顆粒中碳與其他氫以外之元素之比率為大於99%；且 該石墨烯與該等其他碳同素異形體之比率為大於5%。
  20. 如請求項14之方法，其中： 該反脈衝過濾系統包括： 多個反脈衝過濾器，每一反脈衝過濾器具有i)一過濾狀態，其中該反脈衝過濾器正過濾該等經分離組分，及ii)一清潔狀態，其中該反脈衝過濾器正使用在與該等經分離組分之流相反之方向上穿過該反脈衝過濾器之一氣體流清潔；及 一位於該多個反脈衝過濾器上游之閥，以使每一反脈衝過濾器在該過濾狀態與該清潔狀態之間切換； 其中該多個反脈衝過濾器係平行地佈置；且 該方法進一步包括使該多個反脈衝過濾器中之一第一反脈衝過濾器在該清潔狀態下工作，而同時該多個反脈衝過濾器中之其他反脈衝過濾器在該過濾狀態下工作。
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