用于过滤CO₂的带有包括纳米碳管的腔室的气体过滤器的制作方法

专利名称：用于过滤CO₂的带有包括纳米碳管的腔室的气体过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体过滤器，特别是用于提取二氧化碳(CO2)的过滤器。
背景技术：
用于从内燃机的排气中去除多种成分的排气过滤器和过滤系统从US2005/0126139 中已知。纳米碳管(CNT)纯粹由碳组成并且基本上是单层石墨片材。将该片材卷成管而形成CNT。通过选择卷起的方向，可以产生具有不同电学特性的CNT。实际的管状安排与强的碳-碳键一起产生了在机械上、化学上以及热力学上极度坚牢的结构。使CNT断裂所必须 的拉伸应力超过了最强的钢的拉伸应力。在热力学方面，CNT在空气中直至750° C都是稳定的。CNT通过范德华(Van der Waals)力彼此相互作用并且彼此吸引，范德华力是由于原子内的电子分布的短暂不平衡性而出现的。通过这些吸引力，可以将若干个CNT放在一起而形成一个CNT阵列或者可以将它们无规则地定向，由此保持其整体性而不要求任何额外的结构支撑。CNT的独特特性可以用于高效的气体分离。CNT可以具有单壁或多壁并且可以按限定的直径来产生，直径是气体分离的关键要素。这种分离可以基于吸附和筛分。筛分利用了分子的几何形状和尺寸的变化在合适的基底上生长CNT薄膜允许该薄膜的孔尺寸受到控制从而仅允许小于该孔直径的分子通过。这种类型的对孔尺寸的控制在使用常规的基于聚合物的薄膜时是不可能的。使用纳米碳管薄膜的纳米级过滤器在美国专利2007/0051240中被提出，该专利披露了使用一种多孔的支撑部件。实验显示，气体通过CNT薄膜要比传统的连续体理论所预测的快得多(Skoulidas等人，Phys. Rev. Lett.[物理评论快报]89，185901，2002)。对于多种不同的CNT薄膜，通量比标准的非滑动的水力流动高出达8，400倍，因为它控制着聚碳酸酯薄膜中的传输。这很可能是由于CNT壁的固有光滑性造成的，对此这些气体壁的相互作用主要是反射的，即碰撞并不损失朝前的动量并且仅部分是扩散的(具有部分滑动的克诺德森模型(Knudsenmodel))。这种现象已经通过分子动力学模拟得到确认。使用基于CNT的过滤器超过常规薄膜过滤器的另一个主要优点是，它们可以在每个过滤过程之后被重复清洁,因此恢复其全部过滤效率。由于其高的热稳定性,CNT过滤器可以在约400° C的温度下运行，这比常规聚合物薄膜过滤器的最高运行温度(约52° C)高出了几倍(Srivastava等人,纳米碳管过滤器，Nature Materials Letters[纳米材料快报]，3，612，2004)。吸附利用了分子对CNT的亲和性。早先的研究已经研究了单壁(钦凯(Cinke)等人，单壁纳米碳管(SWCNT)中的CO2吸附，Chemical Physics Letters [化学物理快报],376(2003)761 - 766)和多壁CNT (苏(Su)等人，通过多壁纳米碳管(MWCNT)从烟气中捕获CO2, Science of the Total Environment [整体环境科学]407 (2009) 3017 - 3023)中的 CO2吸附。钦凯(Cinke)等人研究了在0° C至200° C的温度范围内在HiPCo (高压CO歧化过程)SWCNT上的CO2吸附。SWCNT吸附了与活性炭相比将近两倍的CO2体积。他们进行了实验，显示在SWCNT中CO2的吸收热是2303J/mol (O. 024eV)。他们发现吸附主要是一个物理吸附过程并且进一步通过计算使用二阶穆勒-普利斯特微扰理论(M0ller_PleSSetperturbation theory)确认了相似的结合能,显示CO2是在侧向上被物理吸附到纳米管上。物理吸附是由于吸附性分子与吸附物之间的范德华力，而化学吸附是由于吸附性分子与吸附物的表面官能团之间的化学相互作用发生的。苏(Su)等人显示，CNT以及经3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTS)溶液改性的CNT上的CO2吸附能力随着温度而降低，表明吸附过程的放热性质，并且随着空气中0%- 7%的含水量而增大。他们还确认了 CNT和CNT(APTS)上的CO2吸附机理是一个物理吸附过程。与文献中报道的其他碳和硅石吸附剂相比，CNT(APTS)显示了在20° C下良好的CO2吸附性能。本发明的目标是减少以上讨论的气体过滤器的至少一个缺点。·发明的披露根据本发明的第一方面，在此提供了 一种气体过滤器，该气体过滤器包括一个壳体，该壳体具有一个气体入口、一个气体出口以及在其间的包含纳米碳管的至少一个腔室，该腔室具有一个端口并且被配置用于通过所述端口同时进行气体流入这些纳米碳管中以及气体从中流出。当气体在该腔室中时，诸如CO2的杂质被纳米碳管去除。一个具有端口(气体流入和气体流出通过该端口同时发生)的腔室潜在地能够对CNT提供比一种例如从上述US2007/0051240中已知的安排更多的支持，在该安排中气体通过该CNT过滤器的一个表面上的一个第一端口或流入边界而进入并且通过该CNT的另一个相反表面上的第二端口 /流出边界而离开。这种已知的安排要求一个用于这些纳米碳管的多孔支撑部件，不仅是因为在该过滤器上的压力梯度。在本发明中不要求这样的压力梯度，如在以下事实中所反映的气体流入纳米碳管以及从纳米碳管流出二者是在相同端口上同时地发生。不需要支撑部件，本发明的过滤器可以更容易地制造。它还使得过滤器更容易根据其应用而放大或缩小，由此增加其多功能性。纳米碳管的物理-化学性质包括吸附和物理吸附。优选地，该气体过滤器被配置成滤出CO2，其中CO2分子在不同的CNT位置(包括外表面、内表面、间隙通道以及凹槽)中累积。这样的过滤器可以用作汽车排气装置中的小规模CO2气体分离装置；用于基于煤和烃的发电站的更大规模的CO2气体分离装置；气体脱硫天然气与CO2的分离，例如H2的分离；附接至内燃机上；以及在空间应用中。这些纳米碳管可以是单壁纳米碳管(SWCNT)。这些纳米碳管可以是经改性的CNT。优选地，它们是经3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTS)改性的CNT。已经显示(路(Lu)等人.Energy & Fuels [能量与燃料]2008, 22，3050 - 3056M^APTS改性的CNT具有比其他材料如颗粒活性炭和沸石更高的吸附速率。这些纳米碳管可以是多壁纳米碳管(MWCNT)。碳和氧原子二者均显示了与CNT的强相互作用，从而在其内部形成了与CNT共轴的圆柱形层，留下CNT的中央部分为空；这是由于CNT-CO2吸引力比CO2-CO2更强而发生的。这个事实可以通过使用MWCNT而被滤筒利用，其中每个内部纳米管的外壁表现得如同一个内壁。在该气体过滤器中使用的纳米碳管包括以上的任何组合。它们也可以排列成束。该气体过滤器可以包括仅一个单一的腔室，S卩，它可以由单一的腔室组成。替代地，该气体过滤器可以包括多个腔室，优选地至少四个。该腔室可以是圆柱形的并且可以具有一个限定了圆形区域的端口，气体的流入和流出通过该圆形区域发生。该腔室可以是环形的。该腔室可以具有一个限定了环形区域的端口，气体的流入和流出通过该环形区域发生。该气体过滤器可以包括多个同心的环形腔室。这些腔室可以 被限定在多个同心的、轴向延伸的壁之间。替代地，一个环形腔室可以具有一个限定了圆柱形区域的端口，气体的流入和流出通过该圆柱形区域发生。该气体过滤器可以包括多个同轴的环形腔室，这些环形腔室可以被多个轴向间隔开的、径向延伸的壁限定。该气体过滤器的气体入口可以被配置成用于促进该至少一个腔室内在这些纳米碳管周围的气体流动循环，由此有助于CNT上CO2吸附。具体地，该气体入口可以被配置成用于促进流动镟润和射流状(开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz))不稳定性。该气体入口可以具有圆形截面。该气体入口可以包括多个具有圆形截面的孔。该至少一个腔室的端口的轴线可以基本上平行于该气体入口的流动轴线(后者对应于穿过该气体入口的气体流动方向)。当该气体入口是形成在该壳体的一个第一壁中时，该至少一个腔室的端口可以形成在面向该第一壁的一个第二壁中。替代地，该至少一个腔室的端口的轴线可以是基本上垂直于该气体入口的流动轴线。取决于其应用，环形入口和空腔的个数和尺寸可以变化，从而产生一种容易缩放的设计。至少一个纳米过滤器可以被布置在该气体过滤器的气体入口处，由此允许气体混合物流入该气体过滤器中而同时防止这些纳米管流出该气体过滤器。至少一个纳米过滤器可以被布置在该气体过滤器的气体出口处，由此允许经过滤的气体混合物流出该气体过滤器而同时防止这些纳米管流出该气体过滤器。该气体过滤器壳体可以是一个圆柱体。该气体入口可以形成在该圆柱体的一端处的一个第一壁中。该第一壁可以可释放地附接至该壳体上，由此允许更换滤筒内部的纳米管。经过滤的气体将通过一个气体出口或排气装置从该气体过滤器中出来。该气体出口的流动轴线可以基本上平行于该气体入口的流动轴线。当该壳体是一个圆柱体时，该气体出口可以形成在该圆柱体的与第一壁相反的末端处的一个第二壁中。替代地，该气体出口的流动轴线可以基本上垂直于该气体入口的流动轴线。当该壳体是一个圆柱体时，该气体出口可以形成在该圆柱体的侧向圆周壁中。在本发明的第二方面，提供了一种气体过滤装置，该气体过滤装置包括如在别处列出的气体过滤器、被配置成用于供应气体至该气体过滤器的气体入口的一个进入流区段、以及被配置成用于从该气体过滤器的气体出口排出气体的一个气体排出区段。该进入区段可以包括至少一个纳米过滤器。该进入区段还可以包括至少一个质量流量计和/或至少一个CO2流量传感器。该气体混合物可以通过一个进气管道被供应至该流入区段。在此，通过“气体混合物”来指代任何包含CO2的气体混合物或环境空气，如果该装置有待大规模地用于从大气中进行CO2的过滤和分离的话。然而，该气体过滤器也可以适合于滤出CO2外的气体。对于从大气空气中的CO2过滤，将要求空气的压缩以便在过滤器上产生足够的压力差，该压力差将用作过滤的驱动力。因此本发明还提供了一种气体过滤系统，该气体过滤系统包括一种以上所述的气体过滤器以及一个用于供送气体至该气体入口的压缩机。绝热压缩至大气压力的两倍所需的能量估计是大约I. 37kJ/mol。在从大气空气中进行CO2过滤的情况下并且对于显著的摄取，这种压缩可能需要增大五倍，对应于约3. 64kJ/mol的能量。附图简要说明现在将通过举例并参考附图来描述本发明的实施方案，在附图中图I是根据本发明第一实施方案的一个气体过滤器沿纵向轴线获取的截面视图；图2是图I的气体过滤器的入口壁在该气体过滤器的纵向轴线方向上看时的端视图。图3是该入口壁的第二实施方案的端视图。图4是一个入口壁的第三实施方案的端视图。图5是一个入口壁的第四实施方案的端视图。图6是结合了图I的气体过滤器的一个气体过滤装置沿纵向轴线获取的截面视图。图7是根据本发明的气体过滤器的第二实施方案沿纵向轴线获取的截面视图。图8A是根据本发明的气体过滤器的第三实施方案的纵向截面视图。图SB是沿图8A中的截面线AA获取的视图。图9A呈现了对于来自图8的一个实施方案、来自计算流体动力学(CFD)模拟的、沿一个装置的纵向轴线在截面上观看的流束轨迹。图9B和图9C呈现了在垂直于该装置的流动轴线的两个不同截面处观看到的流束轨迹。图IOA是根据本发明的气体过滤器的第四实施方案的纵向截面视图。图IOB是沿图IOA中的截面线AA获取的视图。图IlA呈现了对于来自

图11所述的腔室连同图6的圆形入口在一起的安排、沿着一个装置的纵向轴线在截面上观看到的来自CFD模拟的流束轨迹。图IlB和图IlC呈现了在垂直于该装置的流动轴线的两个不同截面处观看到的流束轨迹。图12是在工业规模上实施的用于从大气空气中去除CO2的若干其他过滤器的一种安排的透视图。具体实施方案的详细说明参见图I,气体过滤器20包括一个圆柱形壳体30,该壳体具有一个管状本体40,该管状本体在一端处被一个入口壁50关闭并且在相反的一端处被一个出口壁60关闭。入口壁50具有多个气体进入端口 55而出口壁60具有多个气体流出端口 65。沿着该管状本体40的内表面、在入口壁50与出口壁60之间共轴地安排了多个环形空腔或腔室70 :在所示的实施方案中，在入口壁50、出口壁60以及在这些气体进入端口55的流动轴线100的方向上轴向间隔开的三个径向延伸的分隔壁80之间安排了至少四个环形腔室70。显然流动轴线100是平行于该圆柱形过滤器整体的纵向轴线的。对于每个腔室70，这些分隔壁80的径向最外端85在它们之间或与这些入口 /出口壁一起限定了具有圆柱形区域的单一端口 90。因此每个腔室是一端不通的就像一个盲 孔，只有单向的进和出。因此气体流入腔室中以及气体流出该腔室二者均通过该单一端口90发生。流入/流出典型地是在基本上垂直于该端口的区域/平面的流动方向或轴线91上。在图I的实施方案中，这个流动轴线91将是径向的并且也垂直于这些气体进入端口 55的流动方向或轴线100。每个腔室包含多个纳米碳管110，这些纳米碳管被环形壁80以及管状本体40的内表面(限定了每个腔室)环绕并且也被其支撑。在入口壁和出口壁50、60中的纳米过滤器120、130确保了这些纳米管不离开该壳体。这些纳米碳管可以是例如由拜耳公司(Bayer)提供的cl50P型CNT并且具有45-95Kg/m3的堆密度。平均MWCNT有效负载质量可以是4. 7克。操作可以在0° C至50° C、O至I巴、50%至100%C02浓度以及O. 0001-0. 0006mVrnin流速的范围内。在运行中，有待过滤的气体混合物通过入口壁50中的多个圆形孔或端口 55进入该过滤器20，如在图2的端视图中更详细示出的。每个端口指引该气体混合物沿着流动轴线100进入该壳体中。一旦位于壳体内，该气体混合物通过其对应的单一端口 90而进入盲腔室70中，在这里它在纳米碳管周围循环，这些纳米碳管从混合物中吸附C02。然后经过滤的气体通过其对应的端口离开每个盲腔室，随后通过出口壁60中的多个导管65在基本上平行于流动入口方向的流动轴线方向101上离开该过滤器20。将会了解的是进入每个腔室70的气体流入是在从每个腔室的气体流出的同时发生的，即同时地。下面将关于图9和图11更详细地讨论这些气体流动路径；然而显然，不同于US2007/0051240的现有技术，这些腔室是位于该气体入口与气体出口之间的直接路径之外。类似地，这些腔室没有如US2007/0051240中那样在气体入口与气体出口之间受到压力差。为了促进纳米管周围的气体流动循环，对入口壁50中的端口 55的安排进行选择以便产生流动漩涡和射流状(开尔文-亥姆霍兹)不稳定性。在图2的圆形入口壁50中，这些端口 55是围绕一个表示为D的直径对称安排的。在平行于该直径的第一条线200上安排了多个(在此情况下为三个)第一端口 55’。在同样平行于该直径的第二条线210上安排了多个(在此情况下为两个)第二端口 55”。第一条线比第二条更接近该直径。这些第二端口的面积也小于这些第一端口的面积。图2还展示了入口壁50是如何通过四个围绕圆盘每隔90°分布的螺钉140而附接至该管状本体40上的。这些螺钉允许该内壁从本体上拆下以便允许对过滤器内部的纳米管进行容易的更换。还将一个O形环(未示出)布置在该入口壁与管状本体之间以避免进入的气体混合物泄漏到过滤器外部。关于出口壁60，这包括若干圆形端口 65，不必包括与入口壁50相同个数和形貌的出口。将一个O形环布置在出口壁60周围以便避免气体泄漏到过滤器外部。
图3示出了具有五个端口 55’和四个更小的圆形孔口或端口 55”的圆形入口壁50的一个替代性实施方案。较大的端口 55’位于该圆形壁的两个正交的直径D和D’上，其中一个位于这两个直径的相交处并且另外四个的中心位于距该相交处一个半径260之处。较小的端口 55”也位于半径260处并且在较大端口的中间。这样的构型对于更致密的气体环境可能是优选的。图4示出了圆形入口壁50的另一个实施方案，具有一个居中定位的端口 55’和六个围绕该中央端口以一个半径270等距间隔的较小入口或端口 55”。图5示出了圆形入口壁的一个替代性实施方案，该圆形入口壁具有四个圆形入口 55’，每个入口具有大约为该圆形入口壁的直径四分之一的直径并且围绕中心等距隔开。图5的具体设计是一种简单设计，因为它包括四个具有相同大小的圆形入口。然而，取决于其应用，可以在正面圆盘处制造若干微米孔或纳米孔。例如，对于微量和/或稀疏的气体过滤，为实现更好的流动漩涡，更大数目的较小入口将是优选的。图6示出了结合了图I的气体过滤器20的一种气体过滤装置290。该气体混合 物通过一个流入区段300被送至过滤器20，该流入区段的长度有助于确保气体混合物在进入该气体过滤器的这些入口端口 55时的速度在该入口壁50的面上是基本上均匀的。这进而确保了这些入口端口 55产生了必须的流量。如所示出的，该流入区段包括一个进入腔室310，该进入腔室经一个入口管320被供应气体混合物，一个流量计360和CO2传感器370被附接至该入口管上。该流入/进入区段还包括一个纳米过滤器(未示出)。腔室310是由一个管状本体330和一个可去除的圆盘或端盖340限定的，通过多个螺钉350实现了在进入管320与进入腔室之间的稳定连接。将一个O形环布置在该可除去的圆盘后面以避免任何潜在的空气泄漏。在离开过滤器20时，经过滤的气体进入一个排出区段400，该排出区段的长度有助于确保来自过滤器20的这些出口端口 65的气体的流量并不被出口管410处的流动限制的过度影响并且该排出区段可能以其他方式影响该气体过滤器本体之中的流动。如图所示，该出口管与一个圆盘或端盖420中间的孔相连通，该圆盘或端盖通过多个螺钉440而附接至该排出区段的管状本体430上，螺钉的个数可以根据该排气装置的尺寸而变化。该排气装置可附接至一个O形环上以防止气体泄漏，并且一个流量计450和CO2传感器460可以附接至该排气装置或该管上以便获得对过滤后的流速和CO2浓度的测量。图7示出了一种替代性的过滤器设计，根据该设计，气体出口端口 65是位于该圆柱形壳体30的管状本体40的侧向圆周壁上。所产生的流动方向或轴线505是垂直于壁50的气体入口 55的流动轴线100，如图2中所示。单一的含CNT腔室70位于壳体30的一个端壁500上并且位于进入流的直接路径100中。流入/流出腔室70典型地是在基本上垂直于该单一腔室端口 90的区域/平面92并且因此基本上平行于气体入口的流动轴线100的一个流动方向或轴线91上。如同所示，端口 90限定了一个圆形区域并且该腔室的形状是圆柱形的，具有为该壳体直径的约75%的直径(由箭头510表示)。在空腔70内将发生流动循环，因此增大了气体混合物与CNT的相互作用并且有助于CO2在CNT中的吸附。将一个纳米过滤器布置在该排出端口 65的入口处以便防止CNT逸出该过滤器。图8A和图8B示出了一个替代性实施方案，其类似于图7之处在于这些含CNT的腔室是位于壳体30的一个端壁500上，但是具有多个内部和外部的同心的圆形腔室70’和70”。内腔室70’具有单一的端口 90’，该端口具有被限定在一个中央的轴向延伸的销80与一个与销80同心的、中间的轴向延伸的环形壁80’之间的环形区域。该外腔室的单一的环形区域端口 90”被限定在该中间环形壁80’与一个与之同心的外部环形壁80”之间。类似于图7的实施方案，在这种设计中，这些空腔/腔室位于进入流的直接路径100中，而气体出口端口 65被布置在该壳体的侧面上。图9A示出了在x-y截面处从CFD模拟获得的流束轨迹并且展示了在这些空腔内部发生的显著流动循环(注意每当这些流束轨迹看来像是进入滤筒的壁中时，这是由于流动的三个维度的制图结果)。将看到每个腔室的气体流入和流出是在任何单个时刻发生的，即同时地。如550处所示，流动被限制在这些空腔70内并且并不导致流动朝气体入口端口65逆转。排出端口 65被布置在壳体滤筒的侧面上。如所示出的，该排气装置的入口直径小于端口 90’、90”的平面与入口壁50的间距(L)。图9B和图9C示出了在垂直于图9A的截面的两个不同y_z截面处来自CFD模拟获得的流束轨迹。图9B示出了在这些端口的平面与该入口壁之间的一个截面处的流动，而图9B示出了在穿过腔室70’和70”的一个截面处的流动。结果显示了在y-ζ平面上与若干漩涡结构相关联的显著流动循环。这个平面上的再循环由于该内壁的这些圆形气体入口·以及这些环形腔室的存在而得到促进。该内壁的这些圆形气体入口导致了开尔文-亥姆霍兹不稳定性以及流动漩涡，则会进一步被这些腔室/空腔的环形形状增强。流动被包裹在空腔内部和周围，因此增大了气体与布置在空腔内的CNT的相互作用。图10示出了一种替代的过滤器设计，类似于图8，但该端壁500包含四个环形空腔70、70’、70”和70”’。类似于图8的滤筒，这些CNT将被布置在空腔内部；排出装置被布置在滤筒的侧面上；与关于空腔个数的几何变化不同，图10的设计与图8中的保持相同。图IlA示出了图10的设计在x-y截面处从CFD模拟获得的流速轨迹。类似于图8的设计，这种四个环形空腔的设计导致了在这些空腔内的显著流动再循环并且没有导致流动朝向滤筒入口逆转。图8和图11的设计的漩涡尺寸和数目与如所预期的不同，因为流动形态不同。排气装置被布置在滤筒的侧面上。类似于图9，该气体出口的入口直径小于入口壁50与腔室端口 90-90”’之间的距离。图IlB和图IlC示出了在端口的平面与内壁之间并且分别穿过腔室70-70”’的y-z截面处从CFD模拟获得的流束轨迹。结果显示了在y-z平面上与若干漩涡结构相关联的显著流动循环。这个平面上的再循环由于该圆盘滤筒的这些圆形入口以及这四个圆形空腔的存在而得到促进。这四个圆形空腔导致了比图8的两个圆形空腔的设计更多的二次平面(y-z)再循环。本发明的可扩缩性是基于以下事实滤筒的尺寸可以根据应用的需要而容易地适配，包括数目和空腔尺寸。此外，可以将若干CNT滤筒组合在一起以形成更大的过滤器装置。图12示出了CNT CO2过滤装置的大规模工业应用的示意图。这包括CNT气体过滤装置290的一个阵列600，通过该阵列，CO2将被分离并且如所指示的在610处连到一起。可以将大规模设施附接至发电站和氢气生产厂，也可以独立地开发用于从大气空气中过滤co2。图12的实施方案涉及一种大气CO2过滤设备，其中空气被压缩(通过压缩机620)以便在每个CNT过滤器上产生足够的压力差，该压力差将用作过滤的驱动力。为了实现显著的摄取，空气需要被压缩五倍。在大规模设施中使用的过滤器的数目和类型可以根据预期的过滤能力进行改变。本发明的其他潜在应用包括从内燃机中的CO2过滤，具体是将过滤器附接至车辆的排气装置上，空间应用(空间站和宇宙飞船)以及轮船排放的烟气。具体应用至适合于车辆的CNT装置上显示，正吸附和负吸附通量目标需要是每单位质量MWCNT大于10%。这是基于车辆平均产生O. 161g/km的CO2、气体体积流量高于21. 23mVmin并且CO2浓度超过
O.6%。这样的设计包括使用两个有效载荷池，使得一个池进行主动过滤，而另一个被接触荷载成为CO2包含容器。因此，车辆车载的MWCNT总质量可以减小，而该包含容器需要大约每隔150km就在诸如燃料站的位置被倒空。根据本发明的过滤器还可以被配置成提供一个用于气体脱硫的过滤系统对天然气的成分进行分尚，包括CO2的分尚。应当理解的是，本发明仅是通过举例描述的并且可以在不背离本发明范围的情况 下进行多种改变。具体地，本发明容易缩放以便适应不同的气体混合物流速，这将要求取决于应用而对装置部件的尺寸进行调整。此外，圆形入口和腔室的数目和尺寸可以根据其应用而改变。流入区段的尺寸和设计细节，特别是流入管的尺寸，可以根据其应用进行调整。排气装置的设计，特别是排气装置入口的尺寸，可以根据其应用进行改变。
权利要求
1.一种气体过滤器，包括 一个壳体，该壳体具有一个气体入口、一个气体出口以及在其间的包含纳米碳管的至少一个腔室， 该腔室具有一个端口并且被配置用于通过所述端口同时进行气体流进这些纳米碳管以及气体从中流出。
2.根据权利要求I所述的气体过滤器，其中该气体过滤器被配置成用于滤出C02。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的气体过滤器，其中这些纳米碳管是单壁纳米碳管。
4.根据权利要求I或权利要求2所述的气体过滤器，其中这些纳米碳管是多壁纳米碳管。
5.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中这些纳米碳管是经改性的纳米碳管。
6.根据权利要求5所述的气体过滤器，其中这些纳米碳管是经3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性的。
7.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中这些纳米碳管被排列成束。
8.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中该气体过滤器由单一腔室组成。
9.根据权利要求I至7中任一项所述的气体过滤器，其中该气体过滤器包括多个腔室。
10.根据权利要求9所述的气体过滤器，包括至少四个腔室。
11.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中该腔室是圆柱形的并且具有一个限定了圆形区域的端口，气体的流入和流出通过该圆形区域发生。
12.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中该腔室的截面是环形的。
13.根据权利要求12所述的气体过滤器，其中该腔室具有一个限定了环形区域的端口，气体的流入和流出通过该环形区域发生。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的气体过滤器，包括多个同心的腔室。
15.根据权利要求14所述的气体过滤器，其中这些腔室被限定在多个同心的轴向延伸的壁之间。
16.根据权利要求12所述的气体过滤器，其中该腔室具有一个限定了圆柱形区域的端口，气体的流入和流出通过该圆柱形区域发生。
17.根据权利要求16所述的气体过滤器，包括多个同轴的环形腔室。
18.根据权利要求17所述的气体过滤器，其中这些腔室被多个轴向间隔开的、径向延伸的壁限定。
19.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中该气体过滤器的气体入口被配置成用于促进在该至少一个腔室中在这些纳米碳管周围的气体流动循环。
20.根据权利要求19所述的气体过滤器，其中该气体入口被配置成用于促进流动漩涡和射流状不稳定性。
21.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中该气体入口具有一个圆形截面。
22.根据权利要求21所述的气体过滤器，其中该气体入口包括多个具有圆形截面的孔。
23.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中该至少一个腔室的端口的轴线是基本上平行于该气体入口的流动轴线。
24.根据权利要求23所述的气体过滤器，其中该气体入口是形成在该壳体的一个第一壁中并且该至少一个腔室的端口是形成在面向该第一壁的一个第二壁中。
25.根据权利要求I至22中的任何一项所述的气体过滤器，其中该至少一个腔室的端口的轴线是基本上垂直于该气体入口的流动轴线。
26.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中至少一个纳米过滤器被布置在该气体入口处，由此允许气体混合物流入该气体过滤器中而同时防止这些纳米管流出该气体过滤器。
27.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中至少一个纳米过滤器被布置在该气体过滤器的气体出口处，由此允许经过滤的气体混合物流出该气体过滤器而同时防止这些纳米碳管流出该气体过滤器。
28.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中该壳体是一个圆柱体。
29.根据权利要求28所述的气体过滤器，其中该气体入口是形成在该圆柱体的一端处的一个第一壁中，该第一壁是可释放地附接至该壳体上。
30.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中该气体出口的流动轴线是基本上平行于该气体入口的流动轴线。
31.根据权利要求30所述的气体过滤器，当从属于权利要求29时，其中该气体出口是形成在该圆柱体的与该第一壁相反的末端处的一个第二壁中。
32.根据以上任一权利要求所述的气体过滤器，其中该气体出口的流动轴线是基本上垂直于该气体入口的流动轴线。
33.根据权利要求32所述的气体过滤器，当从属于权利要求28时，其中该气体出口是形成在该圆柱体的侧向圆周壁中。
34.一种气体过滤装置，包括根据以上任一权利要求所述的气体过滤器、被配置成用于供应气体至该气体过滤器的气体入口的一个进入流区段、以及被配置成用于从该气体过滤器的气体出口排出气体的一个气体排出区段。
35.根据权利要求34所述的气体过滤装置，其中该进入区段包括至少一个纳米过滤器。
36.根据权利要求34或权利要求35所述的气体过滤装置，其中该进入区段包括一个质量流量计。
37.根据权利要求34至36中任一项所述的气体过滤装置，其中该进入区段包括一个CO2流量传感器。
38.一种气体过滤系统，包括根据权利要求I至33中任一项所述的气体过滤器以及用于供送气体至该气体入口的一个压缩机。
39.根据权利要求38所述的气体过滤系统，其中该压缩机被配置成用于将气体压缩至少五倍。
全文摘要
一种气体过滤器，包括一个壳体(30)，该壳体具有一个气体入口(55)、一个气体出口(65)以及在其间的包含纳米碳管(110)的至少一个腔室(70)。该腔室(70)具有一个端口(90)并且被配置用于通过该端口(90)同时进行气体流入这些纳米碳管(110)中以及气体从中流出。
文档编号B01D53/02GK102892479SQ201180024335
公开日2013年1月23日 申请日期2011年3月29日 优先权日2010年3月31日
发明者迪米特里斯·德里卡基斯 申请人:克兰菲尔德大学