从水系统移出碳纳米管的制作方法

从水系统移出碳纳米管的制作方法
【专利摘要】本文提供了用于从水流移出碳纳米管的方法和系统。该系统包括净化容器，其中净化容器被配置为从水流内的碳纳米管形成碳氧化物。该方法包括流动水流至净化容器并且将化学物质注入净化容器。通过在净化容器内化学物质与碳纳米管的相互作用从水流分离碳纳米管。
【专利说明】从水系统移出碳纳米管
[0001] 相关申请
[0002] 本临时申请涉及Noyes于2011年10月6日提交的题目为"通过还原碳氧化物生 成固态碳的方法（Method for Producing Solid Carbon by Reducing Carbon Oxides) "的 美国专利申请序列号13/263, 311，其要求基于Noyes于2010年4月5日提交的名称为"通 过还原碳氧化物生成固态碳的方法（Method for Producing Solid Carbon by Reducing Carbon Oxides) "的国际专利申请号PCT/US2010/029934的优先权，其又要求基于提交于 2009年4月17日的题目为"通过还原碳氧化物生成固态碳的方法（Method for Producing Solid Carbon by Reducing Carbon Oxides)" 的美国临时专利申请序列号 61/170, 199 的 优先权，通过引用将它们全部公开内容并入本文。

【技术领域】
[0003] 本技术涉及用于净化包含碳纳米管的水流的工业规模方法。

【背景技术】
[0004] 该部分旨在介绍该领域与本技术的示例性实施方式相关的多个方面。相信该讨论 有助于提供促进更好的理解本技术的具体方面的框架。因此，应该理解应该以此角度阅读 该部分，并且不必是对现有技术的承认。
[0005] 多年来，在多种产品中使用主要由固体或元素碳形成的物质。例如，炭黑是用作橡 胶和塑料产品比如汽车轮胎中的颜料和增强化合物的高碳含量的物质。炭黑通常由烃比如 甲烷或重质芳烃油的不完全热裂解形成。热炭黑，其由天然气的裂解形成，包括大的未团聚 的颗粒，例如，大小在200-500nm等范围中。炉法炭黑，其由重油的裂解形成，包括团聚或粘 在一起以形成结构的许多较小的颗粒，其大小在IO-IOOnm的范围中。在这两种情况下，颗 粒可以由具有开口端或边的石墨烯薄片的层形成。开口边化学地形成可用于吸收、结合进 基质和类似物的反应区域。
[0006] 已研发更多最近形式的元素碳，比如富勒烯，并且在商业应用中开始研发。与炭黑 的更开放结构相比，富勒烯由碳生成为闭合的石墨烯结构，即，其中边结合至其他边，形成 球、管和类似物。碳纳米纤维和碳纳米管这两种结构具有许多的潜在应用，范围从电池组和 电子器件至用于建筑工业中的混凝土。碳纳米材料可具有单壁石墨烯或多嵌套壁石墨烯或 以杯或盘形式由叠堆薄片组形成纤维结构。在类富勒烯构造中，碳纳米管的末端通常用半 球形结构封端。与炭黑不同，用于碳纳米材料的大规模生产方法还没有实现。然而，已经对 许多提出的生产方法进行了研究。
[0007] 基于电弧、基于激光的烧蚀技术和化学气相沉积已被经典地用于从碳表面产生碳 纳米管。例如，在Karthikeyan等，"碳纳米管的大规模合成（Large Scale Synthesis of Carbon Nanotubes)"，E_Journal of Chemistry，2009,6(l)，l_12 中综述了产生碳纳米管 的技术。在描述的一种技术中，在存在金属催化剂的情况下使用电弧从电极汽化石墨，达到 约1克/分钟的生产率。描述的另一种技术使用激光烧蚀以在惰性气体流中从靶电极汽化 碳。然而，激光技术使用高纯度石墨和高功率激光，但是提供低产量的碳纳米管，使得大规 模合成不实际。作者描述的第三种技术基于化学气相沉积（CVD)，其中在存在催化剂的情 况下烃被热分解。在一些研究中，这些技术已实现高至几千米/小时的生产率，纯度水平为 70%。然而，描述的这些方法对于大规模商业生产都不实用。
[0008] 烃裂解被用于炭黑和多种碳纳米管和富勒烯产品的生产。存在多种通过烃的裂 解产生和获得多种形式的固态碳的方法，使用温度、压力和催化剂的存在控制所得固态 碳的形态。例如，Kauffman等（美国专利号2, 796, 331)公开了在存在过剩氢的情况下 使用硫化氢作为催化剂由烃制造多种形式的纤维状碳的方法，和在固体表面上收集纤维 状碳的方法。Kauffman也声明使用焦炉气作为经来源。在另一研究中，在Vander Wal, R.L.等"单壁碳纳米管和纳米纤维的火焰合成（Flame Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotubes and Nanofibers)"，关于微重力燃烧和化学反应系统的第七次国际研讨 会（Seventh International Workshop on Microgravity Combustion and Chemically Reacting Systems)，2003 年 8 月，73-76 (NASA 研究出版社：NASA/CP - 2003-212376/REV1) 中描述了基于火焰的技术。该技术采用将CO或CCVC2H2混合物连同催化剂引入火焰中以形 成碳纳米管。作者指出使用基于火焰的生产炭黑的技术，可实现高生产率。然而，作者指出 放大火焰合成存在许多的挑战。具体而言，催化剂颗粒形成的总时间--碳纳米管的开始 和碳纳米管的生长--被限制在约l〇〇ms。
[0009] Noyes的国际专利申请公布W0/2010/120581公开了一种在存在催化剂的情况下， 通过用还原剂还原碳氧化物生产多种形态的固态碳产物的方法。碳氧化物典型地是一氧化 碳或二氧化碳。还原剂典型地是烃气体或氢。通过用于还原反应的特定催化剂、反应条件 和任选的添加剂可控制固态碳产物的期望形态。
[0010] 虽然以上描述的所有技术可用于形成碳纳米管，但这些方法都不提供批量生产或 工业规模生产的实用方法。具体而言，形成的量和方法效率二者均较低。而且，以上描述的 技术不提供用于此类批量生产或工业规模生产方法的水的有效分离和净化。


【发明内容】

[0011] 本文描述的实施方式提供了用于从水流移出碳纳米管的方法。该方法包括流动水 流至净化容器，其中配置净化容器以从水流内的碳纳米管形成碳氧化物。
[0012] 另一个实施方式提供了用于从水流移出碳纳米管的系统。该系统包括净化容器， 其中配置净化容器以从水流内的碳纳米管形成碳氧化物。
[0013] 另一个实施方式提供了用于净化包括碳纳米管的水流的方法。该方法包括流动水 流至净化容器并且将化学物质注入净化容器。该方法也包括通过在净化容器内化学物质与 碳纳米管的相互作用实现碳纳米管从水流中的分离。
[0014] 附图描沭
[0015] 通过参考以下详细描述和附图将更好地理解本技术的优势，其中：
[0016] 图1是产生碳结构例如作为二氧化碳捕获（sequestration)反应的副产物的反应 系统的方框图；
[0017] 图2是确定条件的平衡图，在该条件下将形成固态碳产物；
[0018] 图3是用于在催化剂颗粒上形成碳纳米管（CNT)的催化反应的示意图；
[0019] 图4是用于形成CNT的流化床反应器的图。
[0020] 图5是由包括二氧化碳和甲烷的气体进料制造 CNT的一个反应器系统的简化的工 艺流程图；
[0021] 图6是由包括二氧化碳和甲烷的气体进料制造 CNT的一个反应器系统的简化的工 艺流程图，其中所述二氧化碳过量；
[0022] 图7是水净化系统的示意图，所述水净化系统被配置为通过加入絮凝剂将水分离 为净化水流和废物流；
[0023] 图8是水净化系统的示意图，所述水净化系统被配置为通过空气喷射法，或许多 其它注气法，包括，例如，臭氧分解法将水分离为净化水流和废物流；
[0024] 图9是水净化系统的示意图，所述水净化系统被配置为通过氧化法将水分离为净 化水流和废物流；
[0025] 图10是水净化系统的示意图，所述水净化系统被配置为通过反渗透法将水分离 为净化水流和废物流；
[0026] 图11是火焰降解容器的示意图，所述火焰降解容器可用于通过形成蒸汽从水移 出 CNT ;
[0027] 图12是水力旋流器的示意图，所述水利旋流器可用于将水分离为净化水流和废 物流；
[0028] 图13是显示从包括甲烷和二氧化碳的进料气体生成CNT的方法的工艺流程图；以 及
[0029] 图14是显示从水流移出CNT的方法的工艺流程图。
[0030] 详细描沭
[0031] 在以下详细描述部分中，描述了本技术的【具体实施方式】。然而，就以下描述特定于 本技术的【具体实施方式】或具体应用而言，这旨在是仅示例性目的，并且仅提供示例性实施 方式的描述。因此，该技术不限于以下描述的【具体实施方式】，而在于包括落在所附权利要求 的精神和范围中的全部替代物、修改和等同物。
[0032] 首先，为了便于参考，阐释了本申请中使用的某些术语和在该文中使用的其含义。 就以下未定义本文使用的术语而言，应当给予其相关领域人员已经给予该术语的最宽泛的 定义，如在至少一篇印刷的出版物或授权的专利中反映的。进一步，本技术不受以下显示的 术语的用法限制，因为全部等效词、同义词、新形式和用作相同或相似目的的术语或技术被 认为在本权利要求的范围中。
[0033] 如本文所使用，"空气喷射（air sparging) "是水净化技术，其中空气被直接注入 水中。注入的空气可有助于通过挥发（volatizing)水中的污染物来净化水。通过与空气 物理接触去除污染物通常称为"吹脱（stripping) "，并且，因此，空气喷射有时被称为"空 气吹脱"。
[0034] 碳纤维、纳米纤维和纳米管是具有圆筒形结构的碳的同素异形体，其可以是纳米 范围。碳纳米纤维和纳米管是富勒烯结构家族的成员，其包括称为"巴克敏斯特富勒烯 (Buckminster fullerene)"的球形碳球。碳纳米管的壁由碳薄片以石墨烯结构形成。如本 文所使用，纳米管可包括任何长度的单壁纳米管和多壁纳米管。如本文和权利要求书中所 使用，术语"碳纳米管"包括碳的其它同素异形体，比如碳纤维、碳纳米纤维和其它碳纳米结 构。
[0035] "压缩机"是用于压缩包括气体-蒸汽混合物或尾气的工作气体的设备，并且包括 泵、压缩机涡轮、往复式压缩机、活塞压缩机、旋叶或螺旋式压缩机，以及能够压缩工作气体 的设备和组合。在一些实施方式中，具体类型的压缩机，比如压缩机涡轮，可以是优选的。本 文可使用活塞压缩机，包括螺旋式压缩机、旋叶压缩机和类似物。
[0036] "絮凝"是其中通过加入澄清剂，胶体以"絮状物"或"薄片"的形式被带出悬浮液 的过程。絮凝可导致小颗粒聚集成较大的颗粒。其它类型的絮凝可包括从一相加入配置为 捕集物质或颗粒的溶剂，并移动它们至另一相。例如，如本文所表述，有机溶剂通过水溶液 的逆流流动对于从水溶液移出疏水颗粒可能是有用的。
[0037] "烃"是主要包括元素氢和碳的有机化合物，尽管氮、硫、氧、金属或任何数量的其 他元素可以以少量存在。如本文所使用，烃通常指在天然气、油或化学处理设施中发现的组 分。
[0038] "焚烧"是废物处理过程，其包括燃烧在废材料中包含的有机物质。废材料的焚烧 将废材料转化为灰烬、烟道气和热。
[0039] 如本文所使用，术语"天然气"指由原油井获得或来自地下储气地层的多组分气 体。天然气的组成和压力可显著地变化。典型的天然气流包含甲烷（CH 4)作为主要组分， 艮P，天然气流的大于50m〇l%是甲烷。天然气流也可包含乙烷（C 2H6)、较高分子量的烃（例 如，C3-C2tl烃）、一种或多种酸性气体（例如，硫化氢）或其任何组合。天然气也可包含少量 的污染物比如水、氮、硫化铁、蜡、原油或其任何组合。在用于实施方式之前，天然气流可被 基本上纯化，以便于去除可充当毒物的化合物。
[0040] "低BTU天然气"是包括如从储层收获的相当比例的CO2的气体。例如，除烃和其 他组分以外，低BTU天然气可包括IOmol %或更高的CO2。在一些情况下，低BTU天然气可 王要包括CO2。
[0041] "氧化"是其中元素中的原子失去电子并且该元素的化合价相应增加的反应。如 本文所使用，术语"氧化"可指的是用于水净化的化学氧化过程。通过将强化学氧化剂直接 地引入污染的水中以破坏污染物，氧化可有助于降低水中污染物的浓度。其也可用于除去 (remediate)各种有机化合物。
[0042] "臭氧分解"是其中用臭氧裂解烯烃和炔烃以形成有机化合物的反应。所得的有机 化合物中的多个碳-碳键被替换为与氧的双键。
[0043] 如本文所使用，"装置（plant) "是其中加工或运输化学或能量产物的物理设备的 整体。从最广义来讲，术语装置被应用至可用于产生能量或形成化学产物的任何设备。设 施的例子包括聚合装置、炭黑装置、天然气装置和发电装置。
[0044] "反渗透"是由溶剂例如水被迫使通过半透膜--溶剂而不是溶质可通过该半透 膜--纯化溶质的过程。在许多情况下，反渗透通过将压力施加至溶液开始，这迫使溶剂通 过半透膜。
[0045] "增稠剂（thickening agent) "或"稠化剂（thickener) "是增加液体/固体混合 物的粘度而基本上没有改变它的其它性质的物质。增稠剂也可被称为"胶凝剂"或"固化 剂"。增稠剂可导致形成凝胶状材料，所述凝胶状材料可通过撇去浮质、或通过使用抽吸装 置或网从液体的表面移出。
[0046] 综述
[0047] 本文描述的实施方式提供了用于从水流移出碳纳米管的系统和方法。水流可以是 来自制造碳纳米管的方法的废水。碳纳米管可从水流中移出以获得净化水流。此外，在一 些实施方式中，碳纳米管产品可从碳纳米管获得。值得注意的是，本文描述的技术不限于碳 纳米管（CNT)。其它碳的同素异形体，比如碳纳米纤维、炭黑等，可使用本技术从水流中移 出。因此，提及CNT也可被理解为应用至这些碳同素异形体。
[0048] 在各种实施方式中，CNT可通过在净化系统内从CNT形成碳氧化物移出。例如，碳 氧化物可以是一氧化碳或二氧化碳。碳氧化物可由于CNT和例如氧化剂或臭氧之间的相互 作用而形成。碳氧化物也可通过CNT的焚烧形成。在一些实施方式中，CNT可通过空气喷 射法从水流中移出，这可能会或可能不会导致产生碳氧化物。
[0049] 进一步，在一些实施方式中，可通过与任何许多不同类型的化学物质的相互作用 从水流移出CNT。例如，可将絮凝剂注入水流并用于通过使得污染物团聚来实现CNT的移 出。可将增稠剂注入水流并用于通过使得污染物漂浮至水流表面来实现CNT的移出。
[0050] 在一些实施方式中，反渗透法可用于从水流移出CNT。在反渗透法中，水流内的纯 水可由于施加压力被迫使通过半透膜，从水流移出CNT。沉降法也可用于从例如罐或沉降池 内的水流移出CNT。此外，在一些实施方式中，基于向心力的技术可用于实现分离，比如水力 旋流器、多水力旋流器或离心机。
[0051] 根据本文描述的实施方式，可根据任何类型的适合的分离法从水流移出CNT。此 夕卜，上面描述的任何许多技术可彼此结合使用以增加水流的净化程度。
[0052] 本文描述的实施方式提供了用于净化在工业规模制造碳纤维、碳纳米纤维和 CNT(CNTs)时形成的废水流的系统和方法。如关于图2所讨论，该方法在高温和高压条件下 使用鲍氏反应或类似鲍氏的反脱气反应进行。
[0053] 该方法可以是稍微放热的、能量中性的或稍微吸热的。因此，可回收至少一部分来 自反应的热并用于加热进料气体，提供一部分在连续操作期间该方法使用的热。当使用高 压过程时，环境温度热交换器足以从产品流移出水蒸气，而不使用低温冷却器。同时，例如， 该方法的上游可具有分离设备比如旋风分离器或过滤器，水蒸汽的冷凝可导致残留CNT对 水流的一些污染。
[0054] 如本文所使用，环境温度热交换器可包括水冷却器、空气冷却器或任何其它与处 于基本上环境温度的来源交换热的冷却系统。可以理解，环境温度基本上是设备的位置处 的外部空气的温度，例如，范围从大约-40°C到大约+40°C，这取决于设备的位置。此外，可 使用不同类型的环境温度热交换器，这取决于当前的环境温度。例如，在夏季使用的水冷却 器的设备可在冬季使用空气冷却器。可以理解，可在本文的描述使用环境温度热交换器的 任何地方使用适当类型的热交换器。环境温度热交换器可在整个装置中在类型方面变化， 这取决于需要的冷却量。
[0055] 在描述的一些实施方式中，可使用碳氧化物作为主要的碳源生产工业量的碳产品 比如富勒烯、CNT、碳纳米纤维、碳纤维、石墨、炭黑和石墨烯等。可能产品的平衡（balance) 可由反应使用的条件，包括催化剂组成、温度、压力、原料等调节。在反应器系统中，碳氧化 物被催化转化为固体碳和水。碳氧化物可从许多的来源获得，包括大气、燃烧气体、工艺废 气、井气、以及其它天然和工业来源。
[0056] 本方法可使用各种原料，包括例如碳氧化物，比如二氧化碳（CO2)或一氧化碳 (CO)，和还原剂，比如甲烷（CH 4)或其它烃类、氢气（H2)或其任意组合。还原剂可包括其它 烃气体、氢气（H2)或其混合物。烃气体可作为额外的碳源并且作为碳氧化物的还原剂。其 它气体，比如合成气，可以形成为该过程中的中间化合物或可包含在进料中。这些气体也可 作为还原剂使用。合成气或"合成的气体"包括一氧化碳（CO)和氢气（H 2)，并且因此，包括 单一混合物中的碳氧化物和还原气体二者。合成气可作为原料气的全部或部分使用。
[0057] 碳氧化物，尤其二氧化碳，是可以从排气、低BTU井气和从一些工艺废气提取的丰 富气体。虽然二氧化碳也可以从空气提取，但是其他来源通常具有高的多的浓度，并且是获 得二氧化碳更经济的来源。进一步，二氧化碳可用作发电的副产物。通过将一部分CO 2转 化成碳产物，使用来自这些来源的CO2可降低二氧化碳的排放。
[0058] 本文描述的系统可并入电力产生和工业过程，用于碳氧化物的捕获，允许其转化 为固体碳产物。例如，可将燃烧或工艺废气中生成的碳氧化物分离和浓缩成为此方法的原 料。在一些情况下，这些方法可直接被并入工艺流程，而没有分离和浓缩，例如作为多级燃 气轮机发电站的中间步骤。在其它实施方式中，可将该系统并入用于从自碳质原料形成CNT 的废物处理系统。
[0059] 如本文所使用，工业规模方法在短时间段内可提供大量的碳同素异形体。例如，本 文使用的技术可以以大于约〇. 5Kg/hr、大于约lKg/hr、大于约2Kg/hr、大于约5Kg/hr、大于 约10Kg/hr、大于约100Kg/hr、或大于1000Kg/hr的量提供碳同素异形体。产生的量取决于 设备的规模和选择的催化剂。
[0060] 图1是产生碳结构例如作为二氧化碳捕获反应的副产物的反应系统100的方块 图。进料气体102提供给反应系统100,进料气体102可以是CO 2和CH4的混合物。在一 些实施方式中，反应可允许从发电装置和类似物的排气流捕获CO 2。在其他实施方式中，例 如，在来自天然气田的气体流中，CH4的浓度更高。其他组分可存在于进料气体102中，比如 C2H6、C2H4和类似物。在一种实施方式中，处理进料气体102以移出这些组分，例如，作为产 物流出售。
[0061] 进料气体102穿过热交换器104被加热用于反应。在连续操作期间，使用由反应 回收的热106提供一部分加热。可由辅助加热器提供反应用的其余的热，如以下所描述。 在启动期间，辅助加热器用于提供全部热，使进料处于合适的反应温度，例如，约500°C (约 930 °F )。在一种实施方式中，进料被加热至约500°C (约932 °F )至约550°C (约1022 °F ) 之间。在另一实施方式中，进料被加热至约700°C (约1292 °F )至约750°C (约1382 °F ) 之间。在另一实施方式中，进料被加热至约800°C (约1472 °F )至约850°C (约1562 °F ) 之间。加热的进料气体108被进料至反应器110。
[0062] 在反应器110中，使用鲍氏反应，催化剂与一部分加热的进料气体108反应以形成 CNT 112。如以下更详细描述，反应器110可以是流化床反应器，其使用任何许多的不同催 化剂，包括例如金属丸、负载催化剂等。从反应器110之外的流动流114分离CNT 112,留下 包含过量反应物和水蒸汽的废气流116。在流动流114作为废气流116进入冷却器之前，来 自流动流114的至少一部分热用于形成加热的进料气体108。
[0063] 废气流116通过环境温度热交换器，比如水冷却器118,其冷凝出废气流116内的 一些量的水120。然后，部分干燥的废气流122可传递至水分离系统124,其可分离来自部 分干燥的废气流122的大部分的剩余水120。所得的干燥废气流126被用作用于气体分馏 系统128的进料流。可以理解，如本文使用的干燥废气流已经移出大量的水，但是仍然可具 有少量的水蒸气。例如，干燥废气流的露点可高于约_5°C、高于约0°C、高于约5°C、高于约 l〇°C、高于约20°C或更高。可在气体分馏之前，使用干燥器来降低露点，例如，至约-50°C、 约-70°C或更低。
[0064] 从废气流116和部分干燥的废气流122冷凝和移出的水120可包含在分离过程中 没有被移出的CNT。因此，水120可被进料至水净化系统130。可配置水净化系统130以通 过从水120移出CNT和其它的杂质生成净化水流132。
[0065] 水净化系统130可包括任何许多设备，其被配置以实现从净化水流132分离CNT。 在一些实施方式中，配置水净化系统130以从水120中的CNT形成碳氧化物。例如，这可通 过水120的焚烧、水120与臭氧的混合、或水120与氧化剂的混合来完成。然后，来自焚烧 过程的一些部分的蒸汽可在热交换器中冷凝以形成净化水流132。可使用水下燃烧器或火 焰降解容器等以焚烧水120中的CNT。
[0066] 进一步，在一些实施方式中，从水120分离CNT可在空气喷射内实现。将空气注入 空气喷射内的水120可使得CNT以泡沫（froth)相漂浮到水120的表面，然后CNT可由超 过堰顶部的水120排出。
[0067] 在一些实施方式中，CNT可通过反渗透法从水120分离，在反渗透法中，净化水流 132被迫使通过不能渗透CNT的半透膜。例如，在水力旋流器中、在多水力旋流器中、或在离 心机中，也可使用向心力生成净化水流132以分离CNT。此外，可使用分子筛或沸石床以从 水120移出CNT。
[0068] 在一些实施方式中，水的分离和净化过程可在水冷却器118内完成。例如，絮凝 齐U、氧化剂、增稠剂、臭氧或任何许多其它化学物质可用于实现分离水冷却器118内的CNT。
[0069] 在一些实施方式中，例如，通过掺混循环流134与进料气体102,气体分馏系统128 移出进料气体102中具有较低浓度的一部分反应物，并且将其循环至该过程。进料气体102 中较高浓度的气体可被处理为过量进料136,例如，通过销售至下游用户。作为一个例子，如 果CO 2在与CH4的掺混物中是最高浓度的气体，则气体分馏系统128可用于移出在废气流中 剩余的CH 4，并且将其作为循环流134送回至该过程。该过程用作反应物和固态碳之间的平 衡反应，如参考图2进一步讨论。由于在反应中可以消耗很多CO 2，所以当CH4过量时，可不 利用气体分馏系统128。因此，包含CH4并且也可包含H 2XO和其他气体的过量进料136可 用于在发电装置中发电，或可用作用于另一用途的燃料，而不用进一步的净化或气体分离。
[0070] 图2是确定形成固态碳产物的条件的平衡图。该图是在三角形的顶点处具有元素 C 202、H 204和0 206的三角图200。随着从任何位置向顶点移动，元素 C 202、H 204和0 206的摩尔比增加。以此方式，三种元素的全部可能组成可被映射到三角图200上。
[0071] 具有这三种元素的任何两种或全部的任何化学化合物或混合物可被映射到三角 图200上，如标记的示例点所指示。一些化学化合物包括烃比如烷烃、烯烃和炔烃，以及许 多其他类型的烃。烃位于连接C202和H 204的C-H边208上。仅包括元素 C 202和0 206 的化学化合物，包括一氧化碳（CO)和二氧化碳（CO2)，沿着连接C 202和0 206的C-O边210 出现。仅包括元素 H 204和0 206的化学化合物，比如水（H2O)，沿着连接H 204和0 206 的H-O边212出现。
[0072] 在三角图200的中央区域是具有全部三种元素 C 202、H 204和0206的化学化合 物和混合物。例如,这些化学化合物可包括非常大量的单一组分，比如醇、醛、醚和具有更复 杂结构的物质，比如碳水化合物。进一步，也可存在化合物比如氢、碳氧化物和烃的混合物。
[0073] 通过激光烧蚀碳电极进行形成富勒烯、C6tl和C7tl以及碳纳米管（CNT)的一些首次 实验，在质谱仪中捕获碳物质。图2中显示的曲线214显示在多个温度下碳生产的限制。通 过执行化学计量约束的吉布斯最小化确定这些曲线214,其基于碳、氧和氢的量在反应前后 相同的约束，使所得化合物的吉布斯自由能最小化。随着组成从三角图200上的第一组成 点至第二组成点移动，记录第一次出现固态碳形成的点。
[0074] 在热力学术语中，曲线214确定碳活性约为I. 0的点。高于约I. 0的碳活性，固体 碳在中间区域形成，而低于约1.0的碳活性，无固态碳形成。三角图200对于确定其中可能 产生碳同素异形体比如碳纳米管（CNT)的条件以及确定可用于它们的生产的化合物和混 合物是有用的。
[0075] 在图2中指示的温度下，大部分烃和其他有机化合物经历热分解以产生小的、热 力学稳定的气体分子，比如CO、C0 2、CH4、H20、H2和类似物。在某些反应条件下，这些小的气 体分子可反应以产生碳的同素异形体。在一些情况下，碳的同素异形体将为CNT的形式。以 这些方式可以制造多种尺寸和手性的单壁和多壁CNT。
[0076] 形成碳同素异形体的反应路径
[0077] 烃以两种方式经历热分解，这取决于氧的浓度。不存在氧的情况下，大烃分子将热 分解成更小的烃，比如甲烷、乙烷、丙烷和氢。这些小的烃将进一步分解为碳和更多氢，给出 如Rxn. 1中所显示的总反应。该反应被称为裂解反应，其沿着C-H边208发生。
[0078]

【权利要求】
1. 从水流移出碳纳米管的方法，包括流动所述水流至净化容器，其中所述净化容器被 配置为从所述水流内的碳纳米管形成碳氧化物。
2. 权利要求1所述的方法，包括使用空气喷射法从所述水流内的所述碳纳米管形成所 述碳氧化物。
3. 权利要求1所述的方法，包括添加絮凝剂至所述水流以实现从所述水流分离所述碳 纳米管。
4. 权利要求1所述的方法，包括混合臭氧流与所述水流以实现从所述水流分离所述碳 纳米管。
5. 权利要求1所述的方法，包括使用水力旋流器从所述水流移出所述碳纳米管。
6. 权利要求1所述的方法，包括通过反渗透法将所述碳纳米管过滤出所述水流。
7. 权利要求1所述的方法，包括通过氧化法从所述水流内的所述碳纳米管形成所述碳 氧化物。
8. 权利要求1所述的方法，包括使用水下燃烧器产生水下火焰，用来降解所述碳纳米 管。
9. 权利要求1所述的方法，包括使用火焰降解容器通过形成蒸汽从所述水流移出所述 碳纳米管。
10. 权利要求9所述的方法，包括使用热交换器通过冷凝法从所述蒸汽回收至少一部 分所述水流。
11. 权利要求1所述的方法，包括通过过滤法从所述水流移出所述碳纳米管。
12. 权利要求1所述的方法，包括通过冷却法从来自反应器的流获得所述水流。
13. 权利要求1所述的方法，包括使用分子筛从所述水流移出所述碳纳米管。
14. 权利要求1所述的方法，包括使用沸石从所述水流移出所述碳纳米管。
15. 权利要求1所述的方法，其中流动所述水流至所述净化容器包括流动来自分离容 器的水流至所述净化容器，并且其中所述分离容器被配置为进行所述水流与碳纳米管产物 的初始分离。
16. 从水流移出碳纳米管的系统，其包括净化容器，其中所述净化容器被配置为从所述 水流内的所述碳纳米管形成碳氧化物。
17. 权利要求16所述的系统，其中所述净化容器包括空气喷射容器，其配置为通过形 成泡沫相从所述水流移出所述碳纳米管，所述泡沫相可使用注入的空气与清洁的水相分 离。
18. 权利要求16所述的系统，其中所述净化系统被配置为将絮凝剂注入至所述水流 中，并且其中所述絮凝剂使得从所述水流移出所述碳纳米管。
19. 权利要求16所述的系统，其中所述净化系统被配置为通过臭氧分解法从所述水流 内的所述碳纳米管形成所述碳氧化物。
20. 权利要求16所述的系统，包括用于在所述水流流动至所述净化容器之前从所述水 流移出大碳纳米管的水力旋流器。
21. 权利要求16所述的系统，包括通过反渗透法从所述水流移出所述碳纳米管。
22. 权利要求16所述的系统，其中所述净化容器包括水下燃烧器，其被配置为产生水 下火焰，用来降解所述碳纳米管。
23. 权利要求16所述的系统，其中所述净化容器包括火焰降解容器，其被配置为通过 形成蒸汽从所述水流移出所述碳纳米管。
24. 权利要求16所述的系统，其中通过冷凝法从来自反应器的流获得所述水流。
25. 净化包括碳纳米管的水流的方法，其包括： 流动所述水流至净化容器； 将化学物质注入所述净化容器；并且 通过在所述净化容器内所述化学物质与所述碳纳米管的相互作用实现从所述水流分 离所述碳纳米管。
26. 权利要求25所述的方法，其中所述化学物质包括空气，并且其中实现从所述水流 分离所述碳纳米管包括通过空气喷射法实现移出所述碳纳米管。
27. 权利要求25所述的方法，其中所述化学物质包括絮凝剂，并且其中实现从所述水 流分离所述碳纳米管包括通过在所述净化容器内所述絮凝剂与所述碳纳米管的相互作用 移出所述碳纳米管。
28. 权利要求25所述的方法，其中所述化学物质包括臭氧，并且其中实现从所述水流 分离所述碳纳米管包括通过臭氧分解法从所述水流移出所述碳纳米管。
29. 权利要求25所述的方法，包括通过使所述碳纳米管流动超过堰并且进入收集容 器，从所述净化容器移出所述碳纳米管。
【文档编号】C02F9/04GK104302582SQ201380020596
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年4月10日 优先权日:2012年4月18日
【发明者】R·D·丹顿, R·J·小卡威尔, D·B·诺伊斯, T·A·林 申请人:埃克森美孚上游研究公司, 固体碳制品公司