專利名稱：富勒烯的分離和提純的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及富勒烯的分離和提純。特別地，本申請(qǐng)涉及在與形成富勒烯的工藝相結(jié)合的方法中無溶劑地分離和提純富勒烯的方法。
背景技術(shù)：
富勒烯是由含碳的五邊形和六邊形構(gòu)成的閉合籠碳分子。1985年Kroto等人對(duì)巴克明斯特富勒烯(Buckminsterfullerene)，即碳的C60球形同素異構(gòu)體的發(fā)現(xiàn)(“C60Buckminsterfullenrene”；Nature318162(1985年，11月))促進(jìn)了一場(chǎng)突發(fā)的活動(dòng)，這些活動(dòng)旨在理解富勒烯的性質(zhì)和性能，特別是它們?cè)诤铣苫瘜W(xué)、及作為電子受體、自由基清除劑、非線性光學(xué)限制器，和在多種其它應(yīng)用中的用途。而獲得大量純物質(zhì)的難度嚴(yán)重阻礙了這一研究和開發(fā)。
迄今為止，已經(jīng)通過用激光燒蝕石墨，然后在爐內(nèi)燃燒石墨、或者在惰性氣氛下在兩石墨電極間產(chǎn)生電弧，從而合成出富勒烯。其它用于合成富勒烯的方法包括負(fù)離子/解吸化學(xué)電離和可形成富勒烯的燃料燃燒。目前，燃燒是唯一用于大容量生產(chǎn)的方法。在各方法中，收集包括不同含量的煤煙、其它不溶性冷凝物、C60、C70、及更高和更低級(jí)數(shù)目的富勒烯、和多環(huán)芳烴(PAH)混合物的可冷凝物質(zhì)，其中全部富勒烯部分典型地占所收集到的全部物質(zhì)的5～15％，煤煙占余下全部物質(zhì)的80～95％。
最通常用于提純富勒烯的步驟采用了相當(dāng)量的有機(jī)溶劑。該溶劑首先用于從不溶性煤煙和其它不溶性冷凝物中提取出富勒烯的混合物，然后用于提純和分離個(gè)體富勒烯。典型地，利用過濾或一些其它技術(shù)收集冷凝物的不同組分，利用高能量輸入的提取法如聲處理、或采用有機(jī)溶劑如甲苯的索格利特萃取法，來提取可溶性組分。然后，典型地過濾提取液以除去顆粒物，然后用高效液相色譜(HPLC)提純，該高效液相色譜從可溶性雜質(zhì)如多環(huán)芳烴(PAH)和脂肪族物質(zhì)中分離出富勒烯，并從其它富勒烯類型中分離出個(gè)別的富勒烯類型。
上述方法有著諸多缺點(diǎn)。有機(jī)溶劑價(jià)格昂貴且必須作為危險(xiǎn)的廢品進(jìn)行處理。HPLC因其設(shè)備和固定相材料的高成本、及所需的長時(shí)間，也很昂貴。此外，在較大規(guī)模時(shí)，由于煤煙顆粒非常小的粒度(典型地為微米(μm)級(jí)或更小)，所以對(duì)分離階段的冷凝物的處理也變得困難，而且對(duì)這一粒度范圍的顆粒而言，液體運(yùn)載的煤煙顆粒的分離困難且低效。
概念上已證明了升華是一種從電弧法的富勒烯提取液中提純富勒烯的方法(Dresselhaus等人，“Science of Fullerenes and CarbonNanotubes”，Academic Press，San Diego，p.118)，而且用于從較低純度等級(jí)的物質(zhì)中獲得高純度的富勒烯(如從99％獲得99.9％的C60)。已獲證明的升華法針對(duì)收集的顆粒、或者冷凝物、或者收集的富含富勒烯的產(chǎn)物進(jìn)行操作而提純富勒烯，通過在低壓下加熱(通常為500～1000℃)而加入能量，從非富勒烯的冷凝物中分離出富勒烯。然后，將蒸發(fā)的富勒烯冷凝在表面上。使用升華時(shí)，從冷凝物中分離富勒烯需要能量，材料的處理昂貴，而且相比于溶劑萃取法的回收而言，發(fā)生了不可逆的富勒烯的損失(典型地為20％)。
典型地，發(fā)現(xiàn)富勒烯嵌入所收集的冷凝物的煤煙顆粒中(Dresselhaus等人，“Science of Fullerenes and CarbonNanotubes”，Academic Press，San Diego，p.111)。透射電鏡顯示，富勒烯結(jié)構(gòu)存在于從火焰中收集到的煤煙顆粒的外周和內(nèi)部(Goel等人，“Combustion Synthesis of Fullerenes and FullerenicNanostructures”，Carbon 40177(2002))?，F(xiàn)有技術(shù)尚不清楚是在形成和收集過程的哪個(gè)階段發(fā)生了富勒烯嵌入到煤煙顆粒中。
激光燒蝕能夠從煤煙和煤煙前體顆粒中釋放出由尚且未知的富勒烯生產(chǎn)方法所生產(chǎn)的痕量富勒烯(Reilly等人，“FullereneEvolution in Flame-Generated Soot”，J.Am.Chem.Soc.，11211596(2000))。這一觀察和富勒烯在冷凝相，即固體顆粒之中或之上的形成一致。Baum等人在“Fullerene Ions and Their Relationto PAH and Soot in Low-Pressure Hydrocarbon Flames”(Ber.Bunsenges.Phys.Chem.96841(1992))中假設(shè)富勒烯在冷凝相中形成。富勒烯在冷凝相中的形成能夠解釋為什么發(fā)現(xiàn)富勒烯嵌在固體顆粒中。
還存在以下證據(jù)在富勒烯形成過程期間，在可能包括化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)過程中，富勒烯是被煤煙消耗的(Grieco等人，“Fullerene Carbon in Combustion-Generated Soot”，Carbon38597(2000))。
Homann描述了對(duì)痕量富勒烯在無煤煙或低煤煙火焰中的分光原位火焰(spectroscopic in-situ flame)的觀察結(jié)果(Gehardt等人，“Polyhedral Carbon Ions in Hydrocarbon Flames”，Chem.Phys.Lett.137306(1987))。由于不同于典型用于生產(chǎn)富勒烯的產(chǎn)生顯著量煤煙的火焰條件，這些火焰中存在很少或者不存在煤煙或其它固體顆粒物，因此從Gehardt等人的描述中無法清楚地知道在富勒烯嵌入煤煙之前的形成過程期間，是否有顯著部分的富勒烯作為氣態(tài)分子存在。
關(guān)于燃燒合成富勒烯的文獻(xiàn)教導(dǎo)了富勒烯是和在火焰中與其結(jié)合的煤煙一起收集的，而且在后收集工藝步驟中必須從煤煙中分離出富勒烯(Howard等人，Nature 352139(1991)；Howard等人，J.Phys.Chem.966657(1992)；McKinnon等人，Combustion and Flame 88102(1992)；Richter等人，J.Chimie Physique 921272(1995))。
總之，不知道富勒烯是形成在冷凝相并嵌入固體顆粒中而存在，還是形成在氣相中并隨后被煤煙顆粒或聚集體消耗或嵌入其中?，F(xiàn)有技術(shù)中的方法包括在溶劑萃取、升華及其它后形成方法步驟中加入能量以釋放嵌入的富勒烯。
所期望的是低成本和可以更有效地用于分離和提純富勒烯的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面提供了從固體顆粒和可冷凝雜質(zhì)中分離和提純富勒烯的方法和裝置，并提供了與分離相關(guān)的顯著的成本下降。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面，附加地各種不同的富勒烯彼此分離開來。溶劑和比如HPLC昂貴技術(shù)的使用得以避免，而且更多的富勒烯部分可回收。另外，減少了處理時(shí)間以及處理冷凝物的復(fù)雜程度，不需要額外的能量或處理步驟從冷凝物中分離富勒烯。
本發(fā)明基于這一發(fā)現(xiàn)，即，在火焰形成工藝中，相當(dāng)量的富勒烯作為自由氣體分子存在于火焰的某些區(qū)域中，而且能夠在某些條件下保持作為自由氣體分子。通過利用分離和提純方法并結(jié)合合適的收集設(shè)備作用于氣體流出物并調(diào)節(jié)氣體流出物的物理?xiàng)l件，從與形成工藝相一致的固體煤煙顆粒和可冷凝氣體雜質(zhì)中分離并提純富勒烯?？刂聘焕障┑奈锢頎顟B(tài)，以在分離工藝之前將其保持為氣體分子，直至需要進(jìn)行收集。
本發(fā)明通過利用以下發(fā)現(xiàn)而為富勒烯的分離和提純作出準(zhǔn)備在某些條件下，相當(dāng)量的富勒烯獨(dú)立于典型的富勒烯形成工藝的氣體流出物中的懸浮固體顆粒而存在，而且，可以適當(dāng)?shù)乜刂茪怏w流出物中由于富勒烯與固體和/或冷凝材料的反應(yīng)而導(dǎo)致的富勒烯的消耗，從而提供了一種富勒烯形成和分離/提純的方法。此外，本發(fā)明使得可以控制來自分離設(shè)備的流出物從而發(fā)生氣/固相的改變，在某些情況下可以形成基本上純化的富勒烯顆粒，而且可以通過本領(lǐng)域已知的顆粒收集設(shè)備方便地完成收集。此外，本發(fā)明通過減少富勒烯的不可逆損失和/或促進(jìn)富勒烯在基本無煤煙的情況下以及在以下煤煙中形成(a)氣相中懸浮的煤煙、(b)在過濾器、電場(chǎng)或磁場(chǎng)、某些其它類型捕集器、或其它裝置中高溫下收集并容納或限定的煤煙、或者結(jié)合(a)和(b)的煤煙，從而在燃燒和潛在的其它富勒烯生產(chǎn)方法中增加了富勒烯的產(chǎn)量。在示例性的情況下，產(chǎn)量增加了高至兩倍或更多倍。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，通過產(chǎn)生含有懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流，然后通過氣/固分離工藝使至少一部分可冷凝氣體與懸浮煤煙顆粒分離來加工富勒烯。該可冷凝的氣體包括氣態(tài)富勒烯。從煤煙中分離出至少一部分可冷凝氣體之后，冷凝可冷凝氣體中的至少一部分富勒烯，收集冷凝的富勒烯。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，富勒烯的加工是通過在有效產(chǎn)生富勒烯并產(chǎn)生包括懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體在內(nèi)的流出氣體的條件下燃燒含碳燃料，其中該可冷凝氣體包括富勒烯；然后用氣/固分離工藝使至少一部分可冷凝氣體與懸浮的煤煙顆粒分離。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，使至少一部分可冷凝氣體與煤煙分離之后，冷凝可冷凝氣體中的至少一部分富勒烯，收集冷凝的富勒烯。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于加工富勒烯的方法，其中在有效產(chǎn)生富勒烯并產(chǎn)生包括懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體在內(nèi)的流出氣體的條件下在火焰中燃燒含碳燃料，其中該可冷凝氣體包括氣態(tài)富勒烯；利用氣/固分離工藝使可冷凝氣體與懸浮的煤煙顆粒分離，以獲得煤煙含量減少的可冷凝氣體；將含有富勒烯的可冷凝氣體引入后續(xù)的進(jìn)行富勒烯進(jìn)一步處理或反應(yīng)的區(qū)域中。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，用于加工富勒烯的裝置包括氣體流出物源，該氣體流出物源能夠產(chǎn)生包括懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體在內(nèi)的氣體流出物，其中該可冷凝氣體包括氣態(tài)富勒烯；入口導(dǎo)管，用于將氣體流出物引至第一分離點(diǎn)；位于第一分離點(diǎn)的第一氣/固分離設(shè)備；出口導(dǎo)管，用于將來自第一分離點(diǎn)的氣體流出物引至第一收集點(diǎn)；位于第一收集點(diǎn)的收集設(shè)備；以及用于控制氣體流出物溫度的溫度控制。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種清潔包括過濾器在內(nèi)的氣/固分離設(shè)備的方法。該方法包括，在從載氣中分離煤煙和在過濾器上收集煤煙期間或之后，在能夠氧化所收集煤煙的溫度下，使過濾器接觸一種氧化物質(zhì)。
本發(fā)明還提供了一種從煤煙中回收富勒烯的方法。該方法包括，產(chǎn)生包括懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流，其中可冷凝氣體包括氣態(tài)富勒烯；用過濾器使至少一部分可冷凝氣體與懸浮的煤煙顆粒分離；在過濾器上從可冷凝氣體分離和收集煤煙期間或之后，在能夠氧化所收集煤煙的溫度下，使過濾器接觸一種氧化物質(zhì)；和從煤煙過濾器下游的可冷凝氣體中冷凝并收集富勒烯。
在發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供了一種加工富勒烯的方法，該方法包括以下步驟產(chǎn)生包括懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流，其中可冷凝氣體包括氣態(tài)富勒烯；冷凝至少一部分可冷凝氣體；在收集區(qū)域收集煤煙和冷凝的可冷凝氣體；加熱所收集到的煤煙和冷凝的可冷凝氣體以升華至少一種富勒烯物質(zhì)；和冷凝所升華的富勒烯物質(zhì)。
此處所用的“富勒烯”是指閉合籠碳分子如C60、C70，以及分子量在C20～C84之間的類似分子，C90和更大的這類分子，其形狀范圍可從球狀到橢球狀、伸長狀及其它形狀，且不僅包括單壁籠還包括由堆疊或平行層構(gòu)成的多壁籠。如此處所用的，富勒烯還包括具有化學(xué)官能團(tuán)如C60On、C60(OH)n、含金屬的基團(tuán)、籠內(nèi)含有金屬或其它原子內(nèi)多面體(endohedral)結(jié)構(gòu)的閉合籠碳分子。
“氣態(tài)富勒烯”或“氣相富勒烯”及類似用語是指在給定的一組溫度和壓力(及其它變量)條件下處于汽相的富勒烯。氣態(tài)富勒烯的組成隨給定條件而變，所以氣態(tài)富勒烯可以包括全部富勒烯的一個(gè)子集。
此處所用術(shù)語“煤煙”是一種固體顆粒碳質(zhì)物質(zhì)，其主要含碳，也包括氫、氧以及取決于形成煤煙的物質(zhì)組成的其它元素。燃燒產(chǎn)生的煤煙含有顯著量的氫和一些氧，以及存在于火焰中的其它痕量元素。在碳蒸發(fā)或其它富勒烯合成工藝中產(chǎn)生的煤煙可能包括較少量的氧和氫，以及各種含量的取決于碳源材料純度的其它元素。煤煙的結(jié)構(gòu)主要由多環(huán)芳族碳層構(gòu)成，該碳層根據(jù)形成的條件可為平面或曲面，而且各種形狀可以不同的含量存在。該層表現(xiàn)出不同程度的相互排列，其范圍從形成工藝初期的無定形結(jié)構(gòu)到隨著高溫下停留時(shí)間的增長而增多出現(xiàn)的晶體狀結(jié)構(gòu)，或石墨(平面層)、或富勒烯(曲面層)，或兼有二者的一些結(jié)構(gòu)。煤煙結(jié)構(gòu)還可包括較少量的脂族碳如官能團(tuán)，以及在多環(huán)芳族物質(zhì)和長鏈烴中的交聯(lián)鍵。煤煙顆粒是一種大致球狀的單元的聚集體或聚集塊，該單元稱作基礎(chǔ)顆?；蛐∏?。每個(gè)聚集體中的小球數(shù)量能夠小至1，或者多至100或更多，聚集體的形狀根據(jù)形成的條件在小球的單股鏈至接枝鏈和葡萄狀簇之間變化。如此處所用的，煤煙可包括具有多嵌套或平行層或壁的閉合籠和開放籠的納米結(jié)構(gòu)，其形狀在球狀至伸長狀之間變化，包括在所有方向上具有類似尺寸的洋蔥狀納米顆粒，和長度-直徑比為5或更高的具有伸長結(jié)構(gòu)的圓柱狀納米管。納米的前綴是指尺寸在納米范圍內(nèi)。
此處所用的術(shù)語“冷凝物”是指煤煙和與其一起物理冷凝的其它物質(zhì)。與煤煙一起物理冷凝的物質(zhì)的分子量或揮發(fā)度范圍取決于所涉及物質(zhì)的飽和程度。例如，在400℃和1atm下，與煤煙一起物理冷凝的物質(zhì)將包括全部富勒烯的大多數(shù)，以及更大的多環(huán)芳烴(PAH)。當(dāng)收集煤煙并保持在典型的形成富勒烯的火焰溫度和壓力下時(shí)，多環(huán)芳烴和富勒烯如C60、C70、C84及類似分子典型地不能與煤煙一起物理冷凝，但是多層納米結(jié)構(gòu)物可以。室溫下，與煤煙一起冷凝的物質(zhì)包括PAH、一些脂族化合物和一些水。
此處所用的術(shù)語“氣體流出物”或“氣體物流”是指富勒烯形成工藝產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物和懸浮的或攜帶的固體顆粒產(chǎn)物。氣體流出物一旦離開富勒烯形成區(qū)，就可以進(jìn)行進(jìn)一步的物理和化學(xué)轉(zhuǎn)換。
此處所用的術(shù)語“約”是指大約、在其區(qū)域內(nèi)、大致或者大概。當(dāng)用術(shù)語“約”聯(lián)接一個(gè)數(shù)值范圍時(shí)，其通過延伸該數(shù)值的上下邊界而修改此范圍。通常，此處所用術(shù)語“約”可將一個(gè)數(shù)值修改為高于和低于該數(shù)值的10％的變化范圍內(nèi)。
附圖概述結(jié)合下面的附圖，并參考下述對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，將更加充分地理解本發(fā)明的各種目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中用相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。下面的附圖僅為說明，并非旨在限制本發(fā)明，本發(fā)明的范圍由下述權(quán)利要求書限定。


圖1是流程圖，概括性地示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的分離和提純工藝。
圖2是富勒烯生產(chǎn)體系的示意圖，該體系和根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的氣/固分離和提純體系結(jié)合在一起。
圖3是富勒烯生產(chǎn)體系的示意圖，該體系和根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案用于獲得兩種或多種不同揮發(fā)度或分子量的富勒烯級(jí)分的氣/固分離和提純體系結(jié)合在一起。
圖4是富勒烯生產(chǎn)體系的示意圖，該體系和根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的氣/固分離和提純體系結(jié)合在一起。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案包括一個(gè)旋風(fēng)式環(huán)形分離器的富勒烯生產(chǎn)、分離和收集體系的示意圖。
圖6是流程圖，概括性地說明了另一種根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的分離和提純工藝。
圖7是富勒烯生產(chǎn)體系的示意圖，該體系和根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的富勒烯分離和提純體系的兩個(gè)或多個(gè)氣/固分離器結(jié)合在一起。
圖8是富勒烯生產(chǎn)體系的示意圖，該體系和根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案能夠連續(xù)操作的氣/固分離和提純體系結(jié)合在一起。
圖9是富勒烯生產(chǎn)體系的示意圖，該體系和根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的氣/固分離體系結(jié)合在一起。
圖10是當(dāng)φ＝2.4火焰(40托，C6H6/O2/Ar(10％))時(shí)C60和C70的濃度曲線，其中左側(cè)y軸是C60的摩爾分?jǐn)?shù)，右側(cè)y軸是C70的摩爾分?jǐn)?shù)，x軸是燃燒器上方的距離。
發(fā)明詳述在本發(fā)明的一個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)富勒烯從固相中的分離是通過在富勒烯形成工藝的初始階段之后(下文稱為“后形成”)識(shí)別顯著部分的富勒烯作為氣態(tài)分子存在的區(qū)域，并在該區(qū)域中收集富勒烯形成工藝的固體反應(yīng)產(chǎn)物如煤煙和其它冷凝的雜質(zhì)。固體顆粒因此從含富勒烯的氣相中分離出來。因此，避免了由于富勒烯在煤煙顆粒之上或之內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)、物理吸附或嵌入，或者由于導(dǎo)致富勒烯嵌入的煤煙顆粒的聚集而造成富勒烯損失的富勒烯的反應(yīng)或冷凝。對(duì)富勒烯形成工藝的氣體流出物的后形成條件進(jìn)行控制，以提供所需的煤煙生長，和/或PAH反應(yīng)和/或PAH消除，和/或富勒烯形成。通過冷凝富勒烯以形成懸浮顆粒，然后用第二氣/固分離工藝收集富勒烯，或者在冷凝表面上收集富勒烯從氣相中回收富勒烯。
參考圖1的流程圖100，描述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案。
參見圖1的步驟110，本方法包括一個(gè)富勒烯的形成步驟，其中氣相的富勒烯形成于氣體物流中。該氣體物流包括其它組分，如煤煙顆粒和其它可冷凝雜質(zhì)。煤煙作為懸浮的固體存在于氣體物流中，但可冷凝材料可以以比如氣體分子、冷凝的顆粒固體、或固體材料上的被吸附物如煤煙的多種形式存在于氣體物流中。
可通過利用能夠在從固體煤煙顆粒中分離之前產(chǎn)生并保持富勒烯為氣相的任何常規(guī)富勒烯生產(chǎn)工藝來產(chǎn)生氣相富勒烯。適當(dāng)?shù)姆椒òǖ幌抻?，激光燒蝕、電弧放電、燃燒石墨、負(fù)離子/解吸化學(xué)電離、和燃燒。為了在氣/固分離之前和期間避免可冷凝氣體的過早冷凝并保持富勒烯為氣相，需要對(duì)常規(guī)工藝進(jìn)行改進(jìn)。例如，在溫度加熱到高于富勒烯蒸發(fā)溫度的環(huán)境中進(jìn)行電弧放電。為了簡便和不起限制作用起見，參考富勒烯的燃燒合成描述本發(fā)明。
參考步驟120，將富勒烯生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的流出氣體從富勒烯生成位置經(jīng)由第一轉(zhuǎn)移區(qū)送至下游的第一分離區(qū)。轉(zhuǎn)移區(qū)典型地是一個(gè)導(dǎo)管如管道或管子。如上所述，典型地通過形成煤煙和其它可冷凝雜質(zhì)而實(shí)現(xiàn)富勒烯的生成。已知在火焰工藝中，富勒烯的濃度、煤煙生長和PAH濃度都取決于火焰的溫度和停留時(shí)間。因此，當(dāng)提供了使分離工藝有效的條件時(shí)，轉(zhuǎn)移區(qū)的停留時(shí)間和氣體溫度是可控因素。該轉(zhuǎn)移區(qū)提供了一種具有適于PAH減少(通過與煤煙顆粒的化學(xué)反應(yīng)或?qū)AH吸附在煤煙顆粒上，或其它消耗性過程)、適于煤煙顆粒生長、和具有適于進(jìn)一步富勒烯形成的停留時(shí)間和溫度的環(huán)境。煤煙顆粒的生長提高了在后續(xù)步驟中煤煙回收的效率。
控制輸送期間的溫度以將氣體物流保持在最佳溫度，即將富勒烯保持為氣相，和/或促進(jìn)減少氣體物流中PAH含量的反應(yīng)，和/或促進(jìn)煤煙生長，和/或促進(jìn)富勒烯形成的溫度。減少氣體物流中PAH含量、煤煙顆粒生長和富勒烯形成的示例性條件包括轉(zhuǎn)移區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間為約10毫秒～約10秒，或約100毫秒～2秒，溫度為約500℃～約2200℃，或約900℃～約1700℃。此外，其它工藝條件也能在該工藝階段得以控制，例如但不限于，引入反應(yīng)性物質(zhì)如鹵代化合物、或惰性氣體或蒸汽如水、氮?dú)狻鍤饧捌漕愃莆?，以控制顆粒和可冷凝氣體的濃度，和/或通過加熱/冷卻(如通過用熱或冷氣體稀釋，或者通過膨脹冷卻)來控制溫度。
在分離工藝的第一分離區(qū)內(nèi)，用氣/固分離技術(shù)從煤煙顆粒中分離出氣相富勒烯，如步驟130所示。
該氣/固分離可以是任何常規(guī)的技術(shù)，包括但不限于過濾如篩網(wǎng)過濾和填充床過濾、靜電沉淀、靜電分離、熱泳、或惰性(inertial)方法如碰撞分離和旋風(fēng)分離。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，用顆粒捕集器或過濾器捕集或保留煤煙顆粒?？刹捎靡粋€(gè)或多個(gè)分離步驟；從流出的氣體中分離懸浮的固體可采用一種或多種分離技術(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，通過此方法從氣體物流中基本上除去了懸浮的煤煙。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，高效率地從流出物物流中分離出粒度為約0.1μm～約500μm、甚至更大的顆粒，其效率例如為從流出氣體中除去了至少95％，或至少99％，或約99.9％的煤煙。除了煤煙，還可將其它可冷凝雜質(zhì)如PAH收集在過濾器上，或者，例如通過使可冷凝雜質(zhì)與煤煙反應(yīng)、或使可冷凝雜質(zhì)冷凝在煤煙顆粒表面上從而從氣體物流中將其除去。
對(duì)溫度和其它工藝條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，以使包括氣態(tài)富勒烯在內(nèi)的所需的可冷凝產(chǎn)物保留在氣相中并通過分離區(qū)。氣態(tài)富勒烯是在分離區(qū)內(nèi)處于氣相、且后續(xù)收集步驟對(duì)其進(jìn)行操作的富勒烯。氣態(tài)富勒烯可以是氣體物流中全部富勒烯的一個(gè)子集。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)氣體物流和氣/固分離工藝的溫度進(jìn)行選擇，以優(yōu)選地將全部富勒烯的一個(gè)子集保持為氣態(tài)。
分離溫度為約300℃～約2000℃。在富勒烯的形成在煤煙的第一氣/固分離之后得到進(jìn)一步促進(jìn)的實(shí)施方案中，溫度優(yōu)選為約900℃～2000℃。在形成并未得以進(jìn)一步促進(jìn)的實(shí)施方案中，優(yōu)選范圍為約500℃～約900℃。該分離工藝可以在使富勒烯穩(wěn)定性最優(yōu)化的條件下進(jìn)行，該條件下煤煙顆?；蚱渌镔|(zhì)導(dǎo)致的富勒烯的消耗最少，而且因此氣相富勒烯的濃度最大。通過控制停留時(shí)間、溫度、及其它條件如氣/固分離的氣速，將富勒烯的消耗或富勒烯的嵌入(是指富勒烯被物理結(jié)合在煤煙上，或被煤煙包藏的消耗過程)減至最小。優(yōu)選地，氣/固分離發(fā)生在這樣的時(shí)間量程內(nèi)該量程沒有足夠的、使得在氣/固分離期間發(fā)生消耗或嵌入的停留時(shí)間。通過相比于發(fā)生非所需的富勒烯消耗或嵌入所需的時(shí)間而更快地從流出氣體中過濾或以別的方式分離出煤煙，可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。快速的分離時(shí)間防止了將導(dǎo)致富勒烯損失的富勒烯和煤煙之間顯著的相互作用。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，與煤煙一起從可冷凝氣體中分離出一部分富勒烯。在示例性實(shí)施方案中，分離工藝是在允許C60及更易揮發(fā)的物質(zhì)通過氣/固分離工藝，而氣/固分離區(qū)內(nèi)更高分子量的富勒烯與煤煙從氣體物流中分離出的條件下進(jìn)行的。所收集的C60部分相對(duì)于更高級(jí)富勒烯的純度為約70％～約95％。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，分離工藝是在允許C60、C70及其它更易揮發(fā)的物質(zhì)通過氣/固分離工藝，而氣/固分離區(qū)內(nèi)更高分子量的富勒烯與煤煙從氣體物流中分離出的條件(典型地為更高的溫度)下進(jìn)行的。富含富勒烯的流出氣體包括C60和C70以及更易揮發(fā)的可冷凝氣體，其純度相對(duì)于比C70更易揮發(fā)的富勒烯而言為約85％～約99％。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，包括富勒烯類C90及更易揮發(fā)物質(zhì)在內(nèi)的基本上所有的富勒烯都通過了富勒烯過濾器，其數(shù)量高至總濃度的100％。
氣/固分離器也可充當(dāng)濃縮器，其中煤煙和其它懸浮的顆粒濃縮在流出氣體的一部分中。該流出氣體的余下部分包括已稀釋的或較少量的懸浮顆粒，其富勒烯含量得以濃縮。在示例性實(shí)施方案中，將可冷凝氣體區(qū)分成具有低煤煙含量如約10～70wt％富勒烯的部分，而流出氣體的余下部分富含煤煙和其它懸浮顆粒。這可通過旋風(fēng)濃縮器或靜電分離器實(shí)現(xiàn)，也可作為第一粗分離進(jìn)行操作，其后為類似或不同的氣/固分離設(shè)備。
現(xiàn)在參見步驟140，離開分離區(qū)的基本上不含顆?；蝾w粒減少的氣體進(jìn)入冷凝區(qū)，在該冷凝區(qū)中，控制比如溫度的條件以冷凝富勒烯，從而在收集步驟150中收集富勒烯。該冷凝區(qū)典型地是一個(gè)導(dǎo)管如管道或管子，其溫度受控或保持在約-250℃～約1200℃，或者約100℃～約800℃，從而導(dǎo)致富勒烯的冷凝。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，冷凝區(qū)的溫度從分離工藝出口末端的較高溫度到收集階段的較低溫度分級(jí)遞減。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，已冷凝的富勒烯具有足夠的速度和粒度使得它們基本上不會(huì)沉積在導(dǎo)管壁或其它表面上。
在收集分離步驟150中，收集成為顆粒的已冷凝的富勒烯。該顆?？蓛H包括富勒烯，或者它們可包括成核作用形成的核，或者包括含有非富勒烯固體如煤煙顆粒的其它組成顆粒。
收集是通過利用氣/固分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)包括但不限于過濾如篩網(wǎng)過濾和填充床過濾、靜電沉淀、靜電分離、熱泳、或惰性方法如碰撞分離和旋風(fēng)分離。在從流出氣體分離懸浮的固體時(shí)，可采用一個(gè)或多個(gè)收集步驟；可采用一種或多種收集技術(shù)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，通過冷凝并沉積在比如冷凝板或盤管的表面上，從而收集富勒烯。
所收集的冷凝固體富含富勒烯。任何程度的富集都是可能的，其范圍包括從富勒烯的輕度富集(相對(duì)于流出氣體組成)到基本上純的富勒烯。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，所收集的富勒烯的純度相對(duì)于煤煙在約65％～約90％之間，或者從99％，或甚至約99.9％，或者甚至高達(dá)100％。所收集富勒烯的純度相對(duì)于PAH為約99％～約99.9％，以及約99％～約99.99％。
根據(jù)本發(fā)明，也考慮了在不同條件下收集不同富勒烯級(jí)分的多個(gè)步驟，如箭頭160所示。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，控制流出氣體的溫度，以使較不易揮發(fā)的富勒烯冷凝并被收集在第一冷凝和收集步驟中。然后降低所產(chǎn)生的流出氣體的溫度，以冷凝較易揮發(fā)的富勒烯級(jí)分，然后將該級(jí)分收集在第二冷凝和收集步驟中。該方法可對(duì)各富勒烯級(jí)分重復(fù)多次。還有，在各步驟中可收集多種富勒烯物種，從而代表一組揮發(fā)性低于給定物種的富勒烯。當(dāng)此處使用更高或更低揮發(fā)度時(shí)，該術(shù)語是指在給定溫度下使某一物種分離至某一程度的蒸汽壓，它可包括冷凝約半數(shù)的給定物種，和基本上全部的較低揮發(fā)性的物種。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，在收集步驟的富勒烯物種收集之后，進(jìn)行非富勒烯可冷凝物質(zhì)的冷凝和收集。該非富勒烯物質(zhì)可為多環(huán)芳烴?？蛇x地，可在富勒烯收集步驟之前，例如通過導(dǎo)管壁的冷凝而冷凝并分離非富勒烯的可冷凝氣體。
此外，盡管本發(fā)明并不需要，還考慮到可以用常規(guī)技術(shù)如HPLC來進(jìn)一步處理或提純這里所述的已分離、收集和/或提純的富勒烯。
圖2是結(jié)合富勒烯形成和提純體系200的示意圖，該體系用于如上所述的氣/固分離-富勒烯提純工藝。富勒烯的形成可通過燃燒合成實(shí)現(xiàn)，其利用在低壓燃燒室215中的水冷卻燃燒器210。通過形成富勒烯的燃料在合適的燃燒條件下燃燒，產(chǎn)生形成富勒烯的火焰218?？刂朴糜诟焕障┬纬傻淖兞堪ㄈ紵覊毫Α⑷剂虾脱趸瘎┝髁?、氣速和φ(由(實(shí)際的燃料/氧化劑)/(化學(xué)計(jì)量的燃料/氧化劑)的關(guān)系決定)。關(guān)于火焰燃燒的進(jìn)一步信息記載在美國專利5,273,729中，該專利引入作為參考。包括噴射燃燒器在內(nèi)的合適燃燒室描述于公開的國際申請(qǐng)WO03/021018中，該專利引入作為參考。
燃燒室215和導(dǎo)管220相連，該導(dǎo)管220提供從燃燒室215至氣/固分離器230的燃燒氣體物流的通道。導(dǎo)管220提供了在用于減少PAH、用于煤煙顆粒生長和富勒烯形成的比如溫度、氣速等受控條件下的氣體停留時(shí)間。導(dǎo)管的尺寸根據(jù)燃燒室的特征和所排放的燃燒氣的性質(zhì)而改變。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行選擇，以提供在約10毫秒～約10秒，或者約100毫秒～約2秒范圍內(nèi)的停留時(shí)間，以及在約500℃～約2200℃，或者約900℃～約1700℃范圍內(nèi)的溫度。
導(dǎo)管220和氣/固分離器230流體連通，該分離器在圖2中表示為過濾器。如前所述，該氣/固分離器可以為能夠在富勒烯分離工藝的高溫(和其它條件)下操作的任何常規(guī)分離器。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，該氣/固分離器為篩網(wǎng)過濾器、纖維過濾器、或填充床過濾器，且該過濾器例如具有約1μm～約100μm的平均有效孔徑。該過濾器可以是提供了溫度穩(wěn)定性的陶瓷顆粒過濾器。僅為示例起見，該過濾器可以由堇青石、碳化硅、氧化鋁和氧化鋁/氧化硅復(fù)合物制造。過濾器保持在允許所需的可冷凝產(chǎn)物通過該過濾器的溫度下。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，設(shè)計(jì)過濾器以使之用于大于約300℃的溫度下，并在約400℃～約1000℃的溫度范圍進(jìn)行操作。通過進(jìn)氣的溫度和流速以及從分離器向外界的傳熱，控制分離器的溫度?？刂茰囟鹊钠渌椒ㄓ杀景l(fā)明所預(yù)見。可采用一個(gè)或多個(gè)氣/固分離階段。比如用于柴油機(jī)排氣的典型的高溫顆粒排放設(shè)備非常適合用于本發(fā)明。
氣/固分離器230和第二導(dǎo)管240相連，該導(dǎo)管240將已過濾出煤煙的流出氣體引至收集器250。如上，收集器可以是能夠在富勒烯分離工藝的溫度(和其它條件)下操作的任何常規(guī)分離器。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，該收集器為過濾器，且該過濾器具有例如約1μm～約50μm的平均有效孔徑。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，該收集器為填充床或金屬篩網(wǎng)過濾器。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該過濾器為旋風(fēng)分離器，或有效收集尺寸范圍為1μm或更小的顆粒的靜電沉淀器(未示出)。
收集器250收集混合的富勒烯及痕量的其它可冷凝氣體。如上所討論的，選擇導(dǎo)管240的溫度以冷凝所需揮發(fā)度的富勒烯。余下的氣體物流通過排氣導(dǎo)管260送至真空泵(未示出)。在排氣導(dǎo)管260之中或之后，可根據(jù)需要收集氣體的余下部分。
在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，提供了兩個(gè)或多個(gè)富勒烯收集區(qū)以收集不同的富勒烯級(jí)分，如圖3的體系300所示。類似于圖2所示體系，利用低壓燃燒室215內(nèi)的水冷卻燃燒器210，由燃燒合成產(chǎn)生富勒烯。燃燒室215和導(dǎo)管220相連，該導(dǎo)管220用作燃燒氣體物流從燃燒室215至氣/固分離器230的通道。該氣/固分離器230和第二導(dǎo)管240相連，該第二導(dǎo)管240將已過濾出煤煙的流出氣體引至收集不同富勒烯組成級(jí)分的兩個(gè)或多個(gè)富勒烯收集器310、320中。
可通過控制氣體物流溫度，和/或在各分離階段采用不同的分離條件或技術(shù)，從而將全部富勒烯區(qū)分成不同的級(jí)分。例如，分離階段可采用不同孔徑的過濾器，或采用能在不同溫度下過濾的過濾器。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，將產(chǎn)生的全部富勒烯分成兩級(jí)分，一個(gè)含有C70和較不易揮發(fā)的富勒烯，另一個(gè)主要含有C60和更易揮發(fā)的富勒烯，這一區(qū)分的實(shí)現(xiàn)可通過以下步驟實(shí)施(1)控制離開煤煙過濾器230的氣體在區(qū)域240中的溫度，以使之低于富勒烯C70和較不易揮發(fā)的富勒烯的飽和溫度；(2)在收集器310中收集這些富勒烯；(3)控制離開收集器310的氣體在導(dǎo)管315中的溫度，以冷凝余下的富勒烯，該富勒烯比C70更易揮發(fā)，且包括C60和更易揮發(fā)的富勒烯；然后(4)在收集器320中收集富勒烯的第二級(jí)分。由于不同分子量的富勒烯在給定氣體條件下具有不同的飽和曲線和冷凝溫度，因此就可以控制氣體流出物的溫度和過濾器的溫度，以選擇性地冷凝主要為一種揮發(fā)度或分子量范圍的富勒烯。
在首先冷凝和收集C70和更高級(jí)富勒烯，然后冷凝和收集C60和更低級(jí)富勒烯的實(shí)施方案中，導(dǎo)致了第一收集級(jí)分的純度相對(duì)于C60為約96％C70，和第二收集級(jí)分中C60的純度相對(duì)于比C60更不易揮發(fā)的富勒烯為約94％。其它的實(shí)施方案考慮了含有基本上純化的C84和更不易揮發(fā)的富勒烯、基本上純化的C78、基本上純化的C76、基本上純化的C70、基本上純化的C60等、以及各富勒烯物種和混合物的任意組合的富勒烯級(jí)分的冷凝和收集。
根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，氣體物流在約500℃～800℃，或約600℃～700℃溫度下離開氣/固分離器230，在導(dǎo)管240中進(jìn)一步冷卻至約100℃～550℃，或約420℃～470℃，然后進(jìn)入第一富勒烯收集器310。離開第一富勒烯收集器的氣體物流在導(dǎo)管315中進(jìn)一步冷卻至約-250℃～約300℃，然后進(jìn)入第二富勒烯收集器320。溫度的控制可通過多種方式實(shí)現(xiàn)，例如，通過導(dǎo)管壁的導(dǎo)熱損失，加入液體以提供潛在的熱冷卻(通過相變的熱吸收)，或者加入氣體以提供稀釋冷卻或膨脹冷卻。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的另一種方法和體系的示意圖，其中體系400用蛇管冷凝器410同時(shí)冷卻和收集富勒烯。如上述實(shí)施方案，富勒烯的形成能通過燃燒合成而實(shí)現(xiàn)，該燃燒合成采用在低壓燃燒室215內(nèi)的水冷卻燃燒器210。燃燒室215和導(dǎo)管220相連，該導(dǎo)管220用作燃燒氣體物流從燃燒室進(jìn)入氣/固分離器230的通道。氣/固分離器230和第二導(dǎo)管240相連，該導(dǎo)管240將已過濾出煤煙的流出氣體送至蛇管冷凝器410，其中可冷凝氣體中的富勒烯冷凝并沉積在蛇管冷凝器上。從而，蛇管冷凝器起到了同時(shí)冷凝和收集富勒烯的作用。
蛇管冷凝器410可為中空管，流體通過該管而將盤管保持在所需的溫度下。冷卻流體根據(jù)待冷凝的富勒烯級(jí)分的揮發(fā)度進(jìn)行選擇。還可考慮多個(gè)冷凝器單元。在多盤管的構(gòu)造中，通過控制流經(jīng)各盤管的流體溫度，能夠?qū)⒈P管保持在不同溫度下。多個(gè)蛇管冷凝器的不同溫度使得可以收集不同的富勒烯或其它氣體。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可采用任何溫度受控的表面，即非流體控制的冷卻板。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的另一種方法和體系的示意圖，其中體系500用旋風(fēng)型分離器510進(jìn)行富勒烯的冷凝和收集，該旋風(fēng)型分離器510可單獨(dú)或聯(lián)合過濾器250使用。如上述實(shí)施方案，富勒烯的形成能通過燃燒合成而實(shí)現(xiàn)，該燃燒合成采用在低壓燃燒室215內(nèi)的水冷卻燃燒器210。燃燒室215和導(dǎo)管220相連，該導(dǎo)管220用作燃燒氣體物流進(jìn)入氣/固分離器230的通道。氣/固分離器230和第二導(dǎo)管240相連，將過濾出煤煙的流出氣體送入導(dǎo)管240，選擇導(dǎo)管240中的條件，從而以上述方式從流出的氣體物流中冷凝至少一部分可冷凝氣體。
然后，含有攜帶的已冷凝顆粒的流出物流進(jìn)入環(huán)路510，該環(huán)路510近似于一個(gè)旋風(fēng)分離器。負(fù)載有顆粒的氣體受到離心力，該離心力將顆粒引至外壁，從而根據(jù)氣體物流中顆粒的Stokes數(shù)、氣速和旋風(fēng)分離器的物理尺寸而使顆粒分離。在本實(shí)施方案的一個(gè)實(shí)例中，從氣體物流中分離出66％的富勒烯。參見實(shí)施例5。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，旋風(fēng)分離器和其它收集方法如過濾一同使用。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，旋風(fēng)分離器用作粗分離器，以除去一部分給定較大尺寸范圍的懸浮固體，而后續(xù)分離器用于收集不同且較小尺寸范圍的懸浮固體。本領(lǐng)域已知的是懸浮固體具有尺寸分布，不同尺寸的顆粒具有不同的含量。
圖6是流程圖600，示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案采用多個(gè)氣/固分離工藝的方法。如前面實(shí)施方案所述，參見步驟610，該方法包括一個(gè)在氣體物流中形成氣相富勒烯的富勒烯形成步驟。參見步驟620，在富勒烯形成工藝中產(chǎn)生的流出氣體隨后從富勒烯形成處經(jīng)由第一轉(zhuǎn)移區(qū)向下游輸送到第一分離區(qū)中。氣體物流在形成區(qū)和第一分離區(qū)之間的傳輸提供了一個(gè)具有適于減少PAH(通過PAH與煤煙顆粒的化學(xué)反應(yīng)，或其在煤煙顆粒上的吸附，或通過其它消耗性過程)、適于煤煙顆粒生長、且具有適于進(jìn)一步形成富勒烯的停留時(shí)間和溫度的環(huán)境。煤煙顆粒的生長促進(jìn)了后續(xù)步驟中煤煙的回收效率。在分離工藝的第一分離區(qū)中，用氣/固分離技術(shù)從煤煙顆粒中分離出氣相富勒烯，如步驟630所示。
某些情況下，過濾后的氣體仍含有相當(dāng)量的PAH、乙炔和自由基物質(zhì)，以及其它物質(zhì)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，第一氣/固分離工藝發(fā)生在富勒烯的形成和/或富勒烯的穩(wěn)定性處于次最優(yōu)狀態(tài)的地方，從而有相當(dāng)量的非富勒烯氣體物質(zhì)存在于已過濾的流出物中。在可形成富勒烯的條件下，有可能將這些非富勒烯的氣體組分轉(zhuǎn)化成富勒烯。這達(dá)到了雙重目的，即減少了流出氣體的雜質(zhì)含量并增加了富勒烯產(chǎn)量。為此如步驟640所示，在第一氣/固分離工藝之后，流出氣體保持在可形成富勒烯的條件下，從而形成了額外的富勒烯。轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度保持在約500℃～2200℃，或約900℃～1700℃。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，將現(xiàn)在含有含量增加的富勒烯的熱處理后的流出氣體冷凝(步驟660)，在步驟670中收集已冷凝的氣體。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，在富勒烯的冷凝和收集之前，進(jìn)行最優(yōu)的第二氣/固分離。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，在步驟660中形成富勒烯，以及作為富勒烯形成副產(chǎn)物的不同量雜質(zhì)，如PAH和/或煤煙。這些雜質(zhì)可能或可能沒有以較之圖1所述工藝中產(chǎn)生的更大的雜質(zhì)量存在。煤煙典型地是富勒烯形成的副產(chǎn)物，在第二氣/固分離步驟中從煤煙中分離出流出氣體，如步驟650所示?？蛇x地，在第二形成區(qū)域中形成的煤煙量不足以需要從氣體流出物中分離出來。冷凝基本上不含顆粒的氣體(步驟660)，在步驟670中收集已冷凝的顆粒。
圖7是示例性體系700的示意圖，該體系700可至少用于實(shí)施流程圖600所述的工藝。如上面更詳細(xì)所述的，富勒烯的形成能通過燃燒合成而實(shí)現(xiàn)，該燃燒合成采用低壓燃燒室215內(nèi)的水冷卻燃燒器210。燃燒室215和導(dǎo)管220相連，該導(dǎo)管220用作燃燒氣體物流從燃燒室進(jìn)入氣/固分離器230的通道。分離器230鄰近燃燒室215放置，從而在煤煙分離之后仍保留相當(dāng)量的富勒烯前體在氣體物流中。分離器230和保持在可有效進(jìn)行富勒烯形成條件下的轉(zhuǎn)變區(qū)710流體連通，從而富勒烯前體反應(yīng)形成富勒烯。氣體物流中的煤煙含量明顯減少，從而由于與煤煙的反應(yīng)或嵌入而導(dǎo)致富勒烯損失的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。在氣/固分離器720中，從氣體物流中分離出任何可能在轉(zhuǎn)變區(qū)710內(nèi)形成的煤煙。
氣/固分離器720和第二導(dǎo)管240相連，該導(dǎo)管240將已過濾出煤煙的流出氣體引至收集器250。收集器250收集混合的富勒烯和痕量的其它可冷凝氣體。如上所述，對(duì)導(dǎo)管240的溫度進(jìn)行選擇以冷凝所需揮發(fā)度的富勒烯。余下的氣體物流通過排氣導(dǎo)管260，進(jìn)入真空泵(未示出)。在排氣導(dǎo)管260之內(nèi)或之后，可根據(jù)需要收集氣體的余下部分。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，該結(jié)合的富勒烯的生產(chǎn)和分離工藝可根據(jù)氣體物流的物理變量如溫度、氣速、氣體濃度等連續(xù)或間歇進(jìn)行，或在穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)模式下進(jìn)行。在煤煙過濾器被負(fù)載或阻塞的情況下，典型地該情況由于通過過濾器的壓降增加而應(yīng)引起注意，能通過煤煙的氧化(燃燒)而再生煤煙過濾器。煤煙由氧化性氣體(如氧氣或空氣)在高到足以支持氧化的溫度下通過煤煙過濾器而被消耗。利用加熱到約100℃～約900℃，或約500℃～約800℃，且流速為約10SLPM～約1000SLPM的空氣，能夠熱再生煤煙過濾器。再生循環(huán)時(shí)間取決于煤煙過濾器的尺寸，和其它變量如溫度、空氣流速、煤煙過濾器的負(fù)載。過濾器材料理想地是能夠耐高溫的材料，且可用作煤煙過濾器熱再生的反應(yīng)性表面。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，過濾器是陶瓷顆粒過濾器。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，過濾器包括高溫氧化鋁顆粒。過濾器還包括比如堇青石、碳化硅和氧化硅的材料。過濾器可進(jìn)一步包括催化劑，如金屬催化劑，以促進(jìn)過濾器的熱再生。
在煤煙過濾器的熱再生期間，需要避免所收集的富勒烯的氧化或降解。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，將收集富勒烯的過濾器保持在惰性氣體如氮?dú)饣驓鍤庵校?或保持在降低的溫度下以避免過濾器上收集的富勒烯物質(zhì)的氧化，或可以被再生的氣體流出物所旁路通過?？稍跓嵩偕掠蔚牧鞒鰵怏w中加入惰性氣體，以降低氣體物流的溫度。在示例性實(shí)施方案中，將收集富勒烯的過濾器在氮?dú)饣\罩下保持在約25℃～約100℃的溫度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，熱再生過程是離線進(jìn)行的，從而熱再生的流出氣體得以轉(zhuǎn)移，不接觸收集到的富勒烯?？蛇x地，在煤煙過濾器再生之前收集并除去已冷凝的富勒烯。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的體系800，其用于煤煙的熱再生而沒有中斷富勒烯的形成、分離和收集過程。如上所述，富勒烯的形成能通過燃燒合成而實(shí)現(xiàn)，該燃燒合成采用低壓燃燒室215內(nèi)的水冷卻燃燒器210。燃燒室215和導(dǎo)管220相連，該導(dǎo)管220用作燃燒氣體物流從燃燒室進(jìn)入兩個(gè)或多個(gè)煤煙分離器810和815的通道。閥820、825可開閉以將來自導(dǎo)管220的氣流分別導(dǎo)入煤煙過濾器810或815。各閥830、835為流過煤煙過濾器810、815的氣體物流通向真空泵提供出口。煤煙過濾器810、815各自分別含有一個(gè)入口端840、845，引入用于熱再生期間用的氧化性氣體；和含有分別的出口導(dǎo)管850、855，分別用于輸送來自過濾器810、815的流出氣體。導(dǎo)管850、855和真空泵(分別通過閥830、835)及富勒烯收集器250(分別通過閥860、865)流體連通。
操作中，通過閥820和825的適當(dāng)定位，將燃燒室215產(chǎn)生的流出氣體經(jīng)導(dǎo)管220引入煤煙過濾器810或815中的一個(gè)。在一種模式下，將導(dǎo)管220中的氣體通過開啟的閥820引入煤煙過濾器810中，在該過濾器810中從懸浮的煤煙中分離出至少一部分流出氣體。過濾后的流出氣體通過出口導(dǎo)管850離開煤煙過濾器，在該出口導(dǎo)管850中富勒烯冷凝并被引入富勒烯收集器250中。閥830處于關(guān)閉模式下，閥860處于開啟模式下，以確保流出物流通過富勒烯收集器250。
連續(xù)或同時(shí)地將氧化性氣體通過入口端825引入煤煙過濾器815中，以燃燒煤煙并再生過濾器。燃燒副產(chǎn)物通過出口導(dǎo)管855離開煤煙過濾器815，并被排放至真空泵。閥835為開啟模式，閥865為關(guān)閉模式，以確保流出物料流動(dòng)不通過富勒烯收集器250。
當(dāng)需要熱再生過濾器810時(shí)，反轉(zhuǎn)該工藝。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，在富勒烯生產(chǎn)、分離和收集工藝期間，連續(xù)再生煤煙過濾器。調(diào)節(jié)燃燒條件，從而使氣/固分離器中的條件支持煤煙燃燒?？稍诿簾熯^濾器中加入催化劑以催化支持燃燒，并確保煤煙在不會(huì)使流出氣體中可冷凝氣體冷凝的條件下，或是在不會(huì)顯著減少富勒烯產(chǎn)量的條件下進(jìn)行再生。可選地，可在煤煙過濾器中引入氧化性氣體，以在煤煙分離和再生期間保持氧化環(huán)境。參見圖2，再生氣可在入口270處引入。如實(shí)施例10所述，連續(xù)的再生不會(huì)導(dǎo)致富勒烯產(chǎn)量的下降。
本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)了在煤煙再生過程期間釋放或形成了額外的富勒烯。在消耗煤煙并產(chǎn)生常規(guī)燃燒產(chǎn)物如CO2和水的氧化條件下，在富勒烯收集器內(nèi)冷凝并收集了顯著量的富勒烯。本發(fā)明設(shè)想了在后煤煙(post-soot)分離工藝中增加富勒烯的產(chǎn)量，其中煤煙被氧化，所產(chǎn)生的氧化過程形成了富勒烯。該富勒烯可如上所述冷凝和收集?？蛇x地，在再生期間，可以釋放在氣/固分離器操作期間冷凝的任何富勒烯。此外，來自燃燒器或其它來源的熱氣可用于氣/固分離器，以升華在不能使顯著量富勒烯通過氣/固分離器的條件下，如加熱期間或其它條件下，冷凝在氣/固過濾器上的富勒烯。
本發(fā)明的另一個(gè)方面示于圖9，其中在分離器230從懸浮的顆粒中分離富勒烯以獲得基本上富含富勒烯的流出氣體。該富勒烯可以是氣態(tài)或者冷凝的懸浮固體狀態(tài)。富含富勒烯的氣體物流可以用作懸浮的顆粒直接送入隨后的在線工藝900中。隨后的工藝包括在形態(tài)(例如，通過加入蒸汽而“活化”)、尺寸(通過溫度控制)、或其它物理和/或化學(xué)特性方面對(duì)富勒烯進(jìn)行改性?？蛇x地，該富含富勒烯的氣體物流可以在910處轉(zhuǎn)移至另一工藝，其中對(duì)氣相富勒烯進(jìn)行如下所述的操作，比如，氣相沉積工藝、或納米顆粒形成工藝、或與富勒烯的還學(xué)反應(yīng)，例如，對(duì)氣相的富勒烯分子加入化學(xué)官能團(tuán)。
如上所述，已經(jīng)觀察到來自常規(guī)形成和分離工藝的富勒烯嵌入煤煙固體顆粒中?？梢蕴岢雠c這一觀察結(jié)果相一致的各種機(jī)理。
在一個(gè)方案中，富勒烯可在形成工藝中化學(xué)鍵合到煤煙上，然后在后來的煤煙形成工藝中被碳覆蓋。在煤煙顆粒形成和生長期間已知發(fā)生的石墨化或其它重排過程中，隨后可發(fā)生富勒烯與煤煙化學(xué)鍵的斷裂?？赏ㄟ^聲處理或其它方法打開或斷裂煤煙結(jié)構(gòu)，從而將不再化學(xué)鍵合到煤煙上的嵌入的富勒烯釋放出來。這樣的行為可以解釋激光燒蝕如何能夠從通過聲處理或萃取無法產(chǎn)生富勒烯的煤煙顆粒上釋放出富勒烯，因?yàn)榧す鉄g在更高能量下操作，該能量能夠更有效地?cái)嗔迅焕障?煤煙鍵。
可選地，富勒烯能物理性地吸收在固體煤煙顆粒上，并通過后續(xù)向煤煙中加入碳而嵌入其中。由于碰撞和范德華力導(dǎo)致的粘合，固體煤煙顆粒天然地聚結(jié)在一起，而且由過濾進(jìn)行的收集也導(dǎo)致基礎(chǔ)或個(gè)體煤煙顆粒的高度聚結(jié)。高度聚結(jié)的煤煙顆粒可以通過范德華粘合力、富勒烯在煤煙顆粒上的吸附、或收集過程中的反應(yīng)而捕集富勒烯，例如，過濾設(shè)備聚結(jié)固體顆粒，并提供用于粘合或反應(yīng)的高的表面積。在富勒烯吸附在煤煙顆粒上之后的這種聚結(jié)也解釋了富勒烯在煤煙中的嵌入。富勒烯在煤煙顆粒上的物理吸附也和所觀察到的由聲處理或激光燒蝕導(dǎo)致的富勒烯釋放相一致，因?yàn)檫@樣的工藝將導(dǎo)致富勒烯聚集體的分裂，和已吸附的富勒烯的釋放。
在不同的可能的后形成消耗和/或嵌入方案中，富勒烯(a)在化學(xué)反應(yīng)或吸附過程中嵌入，隨后在煤煙形成工藝期間碳生長或固體顆粒聚結(jié)；(b)在通過固體顆粒聚結(jié)伴隨富勒烯與固體顆粒冷凝或反應(yīng)而收集已冷凝物質(zhì)期間，富勒烯吸附在基礎(chǔ)顆粒上并嵌入；或(c)在收集時(shí)，富勒烯吸附在固體顆粒聚集體上，或者與固體顆粒聚集體反應(yīng)。
基于這些觀察，本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的方法和體系所需地提供了富勒烯分子，該富勒烯分子作為氣相分子存在于該工藝的室或反應(yīng)器的可接近的位置，例如存在于相對(duì)燃燒合成工藝中燃燒器的位置處，或者存在于相對(duì)碳蒸發(fā)工藝的電弧、熱焦點(diǎn)、或能量釋放中心的位置處，且該處氣相富勒烯的濃度值可使得生產(chǎn)優(yōu)選產(chǎn)量和組成的富勒烯。此外，理想地最小化或避免了由于與煤煙的化學(xué)反應(yīng)或在煤煙上的吸附而導(dǎo)致的富勒烯損失。
選擇用于從形成工藝中排出氣體流出物的分離點(diǎn)，從而使相當(dāng)量的富勒烯作為氣態(tài)分子存在，且避免或?qū)⒚簾煂?dǎo)致的消耗最小化至理想的程度?？梢酝ㄟ^例如測(cè)量氣相富勒烯濃度相對(duì)于在火焰中的停留時(shí)間或位置的曲線，來確定富勒烯形成和消耗的區(qū)域，從而確定適當(dāng)?shù)姆蛛x點(diǎn)。在相對(duì)于熱源或形成區(qū)域不同位置處的富勒烯氣體的濃度是已知的。例如，圖10示出當(dāng)φ＝2.4火焰(40托，C6H6/O2/Ar(10％))時(shí)C60和C70的富勒烯濃度曲線(摘自Richter等人，Combustion andFlame，1191(1999))。這些富勒烯濃度曲線是由火焰燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)富勒烯的代表。圓圈內(nèi)區(qū)域1000、1010分別對(duì)應(yīng)于最佳和次最佳的收集點(diǎn)，用于在最大富勒烯濃度處設(shè)置分離裝置。該分離點(diǎn)可在高富勒烯濃度處，以將消耗所形成的富勒烯的消耗反應(yīng)減至最少。燃燒器上方最佳距離到次最佳距離之間濃度的變化是例如降低了富勒烯濃度的燃燒反應(yīng)的結(jié)果?；谄渌紤]，如除去煤煙，和在不存在形成的煤煙的情況下進(jìn)一步形成富勒烯，需要時(shí)也可選擇次最佳(相對(duì)于富勒烯濃度)收集點(diǎn)。在某些實(shí)施方案中，次最佳收集點(diǎn)可位于任何富勒烯顯著形成之前的位置處，或者在任何富勒烯形成之前的位置處，但要在位于具有一定量富勒烯前體的位置處。
在分離區(qū)的流出氣體輸送過程中，例如通過在短于消耗反應(yīng)的時(shí)間量程內(nèi)進(jìn)行分離、控制氣體流出物的冷卻、或者添加稀釋劑，從而將富勒烯與固體顆粒或其它物質(zhì)之間的化學(xué)消耗反應(yīng)控制至所需的程度。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，可采用迅速的冷卻以使自由基物質(zhì)在和富勒烯反應(yīng)之前就被驟冷。
在氣體流出物輸送和后續(xù)的分離工藝中，例如通過比氣溶膠的碰撞頻率更快地進(jìn)行固體分離，如通過快速過濾、靜電沉淀或靜電分離，從而控制了能夠使任何吸附的富勒烯嵌入的固體顆粒聚結(jié)過程。
在固體顆粒分離之前，例如通過控制氣體流出物的溫度以控制富勒烯在固體顆粒上的吸附，在固體顆粒分離之前使吸附的富勒烯揮發(fā)，或者在短于形成富勒烯冷凝相時(shí)間范圍的時(shí)間量程內(nèi)進(jìn)行固體顆粒分離，從而將采取固體顆?；蛭轿镄问酱嬖诘母焕障├淠嗟男纬煽刂浦了璧某潭取＿@些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是通過在高于富勒烯冷凝點(diǎn)的溫度下操作固體分離裝置，如靜電沉淀器或過濾器，根據(jù)富勒烯的濃度和氣體流出物的壓力，其基本上在約300℃～約2000℃范圍內(nèi)。
例如通過控制氣體流量和富勒烯至固體顆粒的傳輸，或者控制固體顆粒收集工藝的溫度，顯著地控制了在固體顆粒收集過程期間富勒烯在固體顆粒上的吸附或與之的反應(yīng)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，氣/固分離的實(shí)現(xiàn)是采用除過濾之外的一種方法，該方法避免了富勒烯和固體顆粒物質(zhì)之間的不必要接觸?？蛇x地，如果采用過濾，則該過濾器優(yōu)選在約300℃～約2000℃范圍內(nèi)操作，以使富勒烯處于足以確保富勒烯不會(huì)冷凝到固體煤煙顆粒上的高溫下，但是應(yīng)在不會(huì)導(dǎo)致富勒烯和固體顆粒發(fā)生明顯反應(yīng)的溫度下。
例如通過氣體流出物的受控冷卻以作為固體顆粒選擇性地冷凝或沉淀個(gè)體富勒烯，并通過過濾、靜電沉淀等進(jìn)行收集，從而采用了一種將氣體流出物或富含富勒烯物流中的富勒烯級(jí)分分離成個(gè)體富勒烯物種的方法。已過濾出煤煙的氣體流出物中富勒烯級(jí)分的分離是通過氣體流出物的受控冷卻實(shí)現(xiàn)的，以使氣體流出物的溫度介于個(gè)體富勒烯物種的冷凝溫度之間，例如約450℃，此溫度高于某些示例性條件下的C60飽和溫度，卻低于C84的飽和溫度。C84和形成為固體的可能更不易揮發(fā)的富勒烯能夠冷凝在表面上，或作為固體顆粒沉積，并通過過濾或靜電沉淀而被分離出去。然后，將氣體流出物的溫度控制低于約400℃，以沉淀或冷凝C60。完成此步驟所必須的確切溫度是富勒烯飽和度及氣體流出物壓力的函數(shù)，與前述顯著不同。
對(duì)分離工藝不同特征的控制產(chǎn)生了純化的混合富勒烯級(jí)分，和/或個(gè)體富勒烯物種的純化級(jí)分。分離是在氣體流出物物流的操作中，以與形成工藝在線的間歇、半連續(xù)、連續(xù)的方式進(jìn)行的。通過控制氣/固轉(zhuǎn)化率，和/或富勒烯和可冷凝氣態(tài)雜質(zhì)的冷凝，以及在形成氣體流出物物流中的煤煙氣溶膠動(dòng)力學(xué)，該分離體系發(fā)揮作用，以理想的程度防止富勒烯嵌入固體煤煙顆粒中，并提供優(yōu)選富勒烯的收集。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中提供了從形成的流出物中收集基本上無嵌入(即自由組分)的混合和/或個(gè)體的富勒烯。因此，從所收集的冷凝物質(zhì)中回收和提純富勒烯就不需要高能量的分離工藝如聲處理或其類似方法。本發(fā)明還提供了這一優(yōu)點(diǎn)，即通過以理想的程度減少不可逆地嵌入到形成工藝中存在的固體顆粒中的富勒烯部分，從而在給定條件下回收更多的富勒烯。
需要本發(fā)明收集和分離裝置和形成工藝的緊密聯(lián)合。假如未充分進(jìn)行此聯(lián)合，則產(chǎn)生的分離效率將下降。因此，理想的是操作能夠提供相當(dāng)量的氣態(tài)富勒烯且使收集到的富勒烯最大化的形成工藝，在最佳收集點(diǎn)收集富勒烯從而使收集到的富勒烯的量最大化，并且控制富勒烯的消耗途徑從而避免或使富勒烯的損失最小化。還有，在煤煙分離之后仍留在氣相中的固體顆粒將充當(dāng)用于冷凝富勒烯的成核位點(diǎn)，并使得進(jìn)一步的工藝如高能量的溶劑化技術(shù)以從固體煤煙顆粒中除去富勒烯成為必須。但是，考慮可能需要低含量的煤煙或其它氣溶膠顆粒充當(dāng)成核位點(diǎn)并改善富勒烯的冷凝工藝。其它工藝包括聲波(如超聲波)、離子(如通過加入低電離電勢(shì)的物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)電離)、或放射性的(如雙極性離子成核)工藝。
本發(fā)明的不同實(shí)施方案示于下面實(shí)施例中，該實(shí)施例僅為說明目的，并不限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1.描述了從煤煙和PAH中分離和收集富勒烯。
用圖2所示的體系完成富勒烯的形成、分離和提純。一噴射燃燒器位于10″ID的氧化鋁絕緣管段中。苯流速為10SLPM～25SLPM，φ為2.2～3.0，壓力為10～200托。噴射燃燒器具有高燃料流速，釋放大量熱量以保持后煤煙分離區(qū)域內(nèi)的溫度，并提供比無光焰體系更高的富勒烯產(chǎn)量。燃燒室通過導(dǎo)管段(6″ID，6′長)和分離器連接，該分離器含有10.5″直徑、12″長堇青石的10μm顆粒過濾器，其表面積為約200ft2(Celcor牌，Corning公司)(下文稱作“煤煙過濾器”)。該煤煙過濾器設(shè)計(jì)用于高至～1200℃以除去柴油機(jī)排氣中的顆粒物(通常稱作柴油機(jī)顆粒過濾器，DPF)。進(jìn)入煤煙過濾器的熱氣(300℃～1000℃)含有煤煙、富勒烯和其它可冷凝氣體、以及在此處所述條件下的不可冷凝的氣體。在典型地持續(xù)1～4小時(shí)的時(shí)間內(nèi)連續(xù)過濾出煤煙。
監(jiān)測(cè)并保持煤煙過濾器的氣體流出物的溫度，使所需的可冷凝產(chǎn)物通過煤煙過濾器。在此實(shí)施例中，溫度保持高于500℃，且通常低于700℃，以使全部富勒烯物種通過煤煙過濾器。該煤煙過濾器去除了進(jìn)氣中約95％的煤煙；而且通過添加另一過濾階段，或減少煤煙過濾器的平均孔徑，或者在煤煙過濾器之后加入另一個(gè)或多個(gè)分離器，可以容易地獲得更高的去除效率。
離開煤煙過濾器的流出氣體溫度為500℃～700℃。該氣體然后進(jìn)入長約10英尺的2″銅管段。當(dāng)氣體進(jìn)入收集富勒烯的過濾器時(shí)，氣體溫度降至100℃～300℃。用三個(gè)平均孔徑為10μm的不銹鋼篩網(wǎng)過濾器(Dynamesh，Pall公司)作為富勒烯收集過濾器。收集到的富勒烯的純度相對(duì)于煤煙為60％～90％，相對(duì)于PAH為約99％純度。低含量的PAH歸因于在燃燒室和煤煙過濾器之間的第一導(dǎo)管內(nèi)的停留時(shí)間(100～500毫秒)和溫度(500℃～1700℃，優(yōu)選900℃～1500℃)，其通過與氣體中存在的其它物質(zhì)之間的化學(xué)和物理相互作用而減少了PAH含量。
沒有可檢測(cè)量的富勒烯或其它固體顆粒(如重量分析和HPLC分析)通過富勒烯收集過濾器，這表明基本上為富勒烯的所收集的顆粒具有大于10μm的平均顆粒尺寸。如在連接兩過濾器之間的管道的始端和末端的氣體取樣所確定的，沒有顯著的富勒烯損失發(fā)生在連接煤煙過濾器和富勒烯收集過濾器的管壁上。收集在富勒烯收集過濾器中的富勒烯為粉末狀，易于從金屬過濾器中收集，且處理時(shí)較之煤煙更不易形成粉塵。收集到的富勒烯粉末具有快速溶解的性能，且沒有溶劑殘余，其性能為很多用途所需。
連續(xù)進(jìn)行分離，直至煤煙過濾器被煤煙飽和。由穿過煤煙過濾器的壓降確定煤煙過濾器的完全負(fù)載。當(dāng)煤煙過濾器充滿時(shí)，用熱再生使之再活化。熱再生是通過在100℃～900℃、優(yōu)選500℃～800℃、約50SLPM空氣流速下的空氣流動(dòng)。根據(jù)溫度、空氣流速和煤煙過濾器的負(fù)載，再生循環(huán)持續(xù)15分鐘～1小時(shí)。再生期間，向煤煙過濾器的流出物中加入N2，以將富勒烯收集過濾器中的溫度保持在約25℃～100℃，從而收集到的富勒烯不會(huì)被再生循環(huán)氣體流出物中存在的任何物質(zhì)如O2氧化。這還可通過在再生期間旁路通過富勒烯收集區(qū)而實(shí)現(xiàn)。
對(duì)基本上不含非富勒烯雜質(zhì)的富勒烯而言，此方法產(chǎn)生5～20g/h的富勒烯產(chǎn)量。不需要溶劑萃取或其它后工藝方法將非富勒烯雜質(zhì)降至目前可接受的水平。不再需要收集作為富勒烯形成工藝副產(chǎn)物而產(chǎn)生的大量煤煙，這也大大減少了與處理及處置這些材料有關(guān)的成本。
表1報(bào)道了全部富勒烯的產(chǎn)量(g/h)，該富勒烯是剛好在煤煙過濾器之前的一個(gè)位置(圖2的標(biāo)記取樣位置270)收集的。收集已知量的燃燒氣體，通過聲處理、過濾、和隨后的HPLC分析從全部的可冷凝物質(zhì)中提取出富勒烯。利用在監(jiān)測(cè)的氣流速度和收集時(shí)間條件下在富勒烯收集過濾器中收集到的富勒烯質(zhì)量(如HPLC所分析)，計(jì)算實(shí)施例1工藝的全部富勒烯。比較取樣點(diǎn)270處的富勒烯產(chǎn)量(常規(guī)燃燒工藝方法的代表性產(chǎn)量)，和在富勒烯過濾器處收集的已冷凝富勒烯的富勒烯產(chǎn)量?？梢?，煤煙在500℃～700℃溫度下過濾導(dǎo)致收集了更多量的富勒烯。對(duì)實(shí)施例1中制備的樣品而言，富勒烯產(chǎn)量是其約2倍。
表1

實(shí)施例2.采用和實(shí)施例1同樣的體系，其具有相同的燃料流速、相同的當(dāng)量比、壓力、和相同的反應(yīng)器、連接區(qū)和煤煙過濾器溫度。表2示出在熱再生之前，存在和不存在煤煙過濾器時(shí)富勒烯收集過濾器中收集到的富勒烯的產(chǎn)量。
表2

然后，將體系冷卻到室溫，充分清潔富勒烯過濾器。再用甲烷火焰將體系預(yù)熱至實(shí)施例1的體系溫度，由穿過煤煙過濾器的空氣進(jìn)行熱再生。熱再生之后，收集富勒烯過濾器上的材料，發(fā)現(xiàn)其含有相當(dāng)量的富勒烯。表3示出對(duì)用于表2富勒烯形成的燃料而言產(chǎn)量的增加。
表3

由此實(shí)施例概括的步驟可以看到富勒烯產(chǎn)量的明顯提高。
實(shí)施例3.描述了從煤煙和PAH中分離和收集富勒烯，以及將富勒烯純化為不同富勒烯級(jí)分。
用圖3所示的體系完成富勒烯的形成、分離和提純。用兩個(gè)富勒烯收集過濾器310、320收集不同的富勒烯級(jí)分。第二富勒烯收集過濾器320和過濾器310相同。第一富勒烯收集過濾器310收集較高級(jí)的富勒烯級(jí)分，這種情況中是收集相當(dāng)一部分分子量大于C60的富勒烯。第二富勒烯收集過濾器320收集相當(dāng)一部分C60和分子量低于C60的任何富勒烯。將產(chǎn)生的全部富勒烯區(qū)分為兩個(gè)部分，一個(gè)為C70和更高級(jí)富勒烯，另一個(gè)主要為C60，這是通過一種受控的方式，將分離器230中的氣體溫度控制在約500℃～800℃、優(yōu)選600℃～700℃，并將第一過濾器310的氣體溫度降至約400～550℃、優(yōu)選420℃～470℃而實(shí)現(xiàn)的，這種情況下氣體通過管壁傳導(dǎo)冷卻。將進(jìn)入第二過濾器320的氣體溫度降至約25℃～300℃，優(yōu)選80℃～150℃。這導(dǎo)致收集在過濾器310中的富勒烯級(jí)分具有相對(duì)于C60約96％的C70和更高級(jí)富勒烯的純度。過濾器320收集C60，其純度相對(duì)于C70和更高級(jí)富勒烯為約94％。兩種富勒烯級(jí)分都基本上不含煤煙。
實(shí)施例4.采用與實(shí)施例1所述相同的工藝。如實(shí)施例1所述，從氣體中過濾煤煙并控制煤煙過濾器的溫度，以使在此實(shí)施例條件下較C60不易揮發(fā)的富勒烯基本上不會(huì)通過煤煙過濾器，而使C60和較C60更易揮發(fā)的富勒烯及可冷凝氣體通過煤煙過濾器。獲得C60的純度相對(duì)于C70和更不易揮發(fā)的富勒烯(C76、C78、C84……)為約95％。煤煙過濾器出口處的流出氣體溫度為約400℃～約450℃。
實(shí)施例5.采用與實(shí)施例1所述相同的工藝，但是在連接煤煙過濾器和富勒烯過濾器的管道上加入一個(gè)半徑約1′的360°彎管。該裝置簡略示于圖5中。在彎管中收集了66％的富勒烯，根據(jù)顆粒的Stokes數(shù)、氣體物流條件、導(dǎo)管和彎管的物理?xiàng)l件，確認(rèn)了尺寸為約10μm或更大的顆粒的存在。此實(shí)施例證明了旋風(fēng)分離器用于收集富勒烯的效率。如果需要多個(gè)富勒烯分離，則可采用多個(gè)旋分器用于不同的富勒烯級(jí)分。
實(shí)施例6.采用與實(shí)施例1或2所述相同的工藝，但用噴射攪動(dòng)反應(yīng)器裝置取代富勒烯形成工藝，該裝置由偏置相對(duì)噴嘴(offsetopposed jet)組成，如國際公開申請(qǐng)WO 03/021018所述。
實(shí)施例7.采用與實(shí)施例1相同的工藝，但是用平均有效孔徑為50μm的過濾器取代煤煙過濾器。這使得進(jìn)入煤煙過濾器的氣體中存在的某一百分比的煤煙通過，產(chǎn)生濃縮效應(yīng)，從而增加了富勒烯與煤煙的比率。在具有一定富勒烯百分比的碳黑產(chǎn)物提供了增強(qiáng)性能的情況下，這種產(chǎn)物可能是需要的。可用其它分離工藝如旋風(fēng)分離來濃縮富勒烯/煤煙產(chǎn)物。
實(shí)施例8.采用與實(shí)施例1相同的工藝，但是用靜電沉淀器替代煤煙過濾器，該靜電沉淀器在約300℃～約1200℃的溫度分離煤煙。連續(xù)收集煤煙。
實(shí)施例9.采用與實(shí)施例8相同的工藝，但該靜電沉淀器在約900℃～約2000℃下操作，以從進(jìn)氣中基本上除去煤煙。在靜電分離期間及其下游提供一個(gè)溫度約900℃～約2000℃的區(qū)域以促進(jìn)富勒烯的形成。
實(shí)施例10.本實(shí)施例證明了在富勒烯形成、分離和收集期間煤煙過濾器的連續(xù)再生。
采用與實(shí)施例1相同的體系，其具有1/2的燃料流速、類似的當(dāng)量比、壓力和類似的反應(yīng)器、連接區(qū)和煤煙過濾器中的溫度。本實(shí)施例中，剛好在煤煙過濾器的上游處引入再生空氣，其流速類似于實(shí)施例2中所述用于不連續(xù)再生的流速，從而在富勒烯產(chǎn)生并通過煤煙過濾器時(shí)，發(fā)生煤煙的氧化和煤煙過濾器的再生。表4示出有/無連續(xù)再生時(shí)的產(chǎn)量。可見，加入空氣以完成連續(xù)再生并沒有導(dǎo)致通過煤煙過濾器的富勒烯的顯著損失。
表4

盡管已經(jīng)示出并詳細(xì)地描述了包括本發(fā)明教導(dǎo)在內(nèi)的多種實(shí)施方案，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地設(shè)計(jì)包括這些教導(dǎo)在內(nèi)的其它的多種實(shí)施方案，包括不同于上述數(shù)值和范圍的實(shí)施方案在內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解，這里的附圖和討論僅說明了示例性的設(shè)備和方法。因此，本發(fā)明不限于這里所公開的結(jié)構(gòu)和方法。上面所述工藝不限于任何特定順序。多個(gè)實(shí)施方案的特征可相互組合。而且，上面未提及但與本發(fā)明所述目的一致的其它工藝也包括在內(nèi)。特別地應(yīng)當(dāng)想到，可采用多個(gè)煤煙過濾器，如兩個(gè)、三個(gè)、或四個(gè)或更多個(gè)，以提供并促進(jìn)當(dāng)在典型條件下氣流中煤煙量減少時(shí)的富勒烯形成，同時(shí)減少因煤煙導(dǎo)致的富勒烯消耗。還應(yīng)想到采用多個(gè)富勒烯收集過濾器，如兩個(gè)、三個(gè)、或四個(gè)或更多個(gè)。
權(quán)利要求
1.一種加工富勒烯的方法，包括下述步驟產(chǎn)生含有懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流，所述可冷凝氣體包括氣態(tài)富勒烯；和利用氣/固分離工藝將至少一部分可冷凝氣體與懸浮的煤煙顆粒分離，其中所述氣態(tài)富勒烯在分離之前不被冷凝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中懸浮煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流是利用選自燃燒、電弧等離子體放電、激光燒蝕、石墨燃燒和負(fù)離子/解吸化學(xué)電離的方法獲得的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中懸浮煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流是利用燃燒設(shè)備獲得的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中分離工藝在最佳富勒烯穩(wěn)定性的條件下進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中最佳富勒烯穩(wěn)定性的條件包括其中由煤煙顆?；驓怏w物流中存在的其它物質(zhì)導(dǎo)致的富勒烯消耗被最小化的條件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中氣/固分離的時(shí)間量程小于富勒烯消耗的時(shí)間量程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在氣/固分離工藝中，和懸浮的煤煙顆粒一起分離出揮發(fā)度低于所選揮發(fā)度的富勒烯。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在分離之前，氣體物流在分離工藝上游有約10毫秒～約10秒的停留時(shí)間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在分離之前，氣體物流在分離工藝上游有約100毫秒～約2秒的停留時(shí)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中與懸浮煤煙顆粒分離的可冷凝氣體部分富集所選富勒烯物種的程度大于其它的富勒烯物種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中氣/固分離工藝是濃縮器，其產(chǎn)生相對(duì)于懸浮煤煙更高百分比的氣體流出物物流，和相對(duì)于懸浮煤煙更低百分比的氣體流出物物流。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在低于約1100℃的溫度下完成該至少一部分可冷凝氣體與煤煙顆粒的分離。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在約300℃～約2000℃范圍內(nèi)的溫度下完成該至少一部分可冷凝氣體與煤煙顆粒的分離。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在約300℃～約900℃范圍內(nèi)的溫度下完成該至少一部分可冷凝氣體與煤煙顆粒的分離。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括在分離可冷凝氣體之后，冷凝可冷凝氣體中的至少一部分富勒烯。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中冷凝的富勒烯形成為懸浮的顆粒。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在含有懸浮種子顆粒的氣體物流內(nèi)，通過異相成核和/或均相成核冷凝富勒烯。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中通過聲、離子或放射性方法促進(jìn)顆粒的成核作用和/或生長。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述種子顆粒包括煤煙。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其進(jìn)一步包括在分離工藝中收集冷凝的富勒烯。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中該分離工藝包括氣/固分離工藝。
22.根據(jù)權(quán)利要求1或21的方法，其中該氣/固分離工藝選自過濾、靜電沉淀、靜電分離和惰性分離。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中過濾選自篩網(wǎng)過濾、纖維過濾和填充床過濾。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中收集包括將富勒烯冷凝在一個(gè)表面上。
25.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在氣/固分離設(shè)備下游形成的顆粒的平均尺寸范圍為0.1μm～500μm。
26.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在氣/固分離設(shè)備下游形成的顆粒的平均尺寸范圍為10μm～200μm。
27.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中氣體物流的速度保持在選擇的使氣體物流至收集點(diǎn)的輸送期間富勒烯至表面的損失最小化的速度下。
28.根據(jù)權(quán)利要求1或15的方法，其中向氣體物流中加入稀釋氣體。
29.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中冷凝步驟包括冷凝第一選擇的富勒烯物種，或富勒烯物種組。
30.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括在分離工藝中收集第一冷凝的富勒烯物種或富勒烯物種組。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中分離工藝是氣/固分離工藝。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括在冷凝第一選擇的富勒烯物種或富勒烯物種組之后，冷凝第二選擇的富勒烯物種或富勒烯物種組。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其進(jìn)一步包括在隨后的分離工藝中收集冷凝的第二富勒烯物種或富勒烯物種組。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中分離工藝是氣/固分離工藝。
35.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中氣體物流的溫度范圍為約-250℃～1200℃。
36.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中氣體物流的溫度范圍為約100℃～800℃。
37.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中保持氣/固分離工藝下游的反應(yīng)區(qū)條件，以促進(jìn)氣體物流中額外的富勒烯形成。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中在反應(yīng)區(qū)中形成富勒烯之后，進(jìn)行第二氣/固分離工藝，以至少分離出在額外的富勒烯形成中作為副產(chǎn)物形成的懸浮煤煙。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中氣/固分離工藝下游的溫度保持在約500℃～2200℃。
40.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中氣/固分離工藝下游的溫度保持在約900℃～1700℃。
41.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中在收集富勒烯物質(zhì)之后，完成非富勒烯的可冷凝物質(zhì)的冷凝和收集。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中該非富勒烯物質(zhì)包括多環(huán)芳烴。
43.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其進(jìn)一步包括在第二氣/固分離工藝之后，從可冷凝氣體中冷凝至少一部分富勒烯；和在分離工藝中收集冷凝的富勒烯。
44.根據(jù)權(quán)利要求1或20的方法，其中氣/固分離設(shè)備以穩(wěn)態(tài)的模式操作。
45.根據(jù)權(quán)利要求1或20的方法，其中氣/固分離設(shè)備以非穩(wěn)態(tài)的模式操作。
46.根據(jù)權(quán)利要求15、30、32或37的方法，其中在收集的冷凝富勒烯中，富勒烯相對(duì)于煤煙和其它可冷凝物的重量百分比為約70％～100％。
47.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中相比于從氣體物流中分離懸浮煤煙之前氣體物流中的富勒烯含量，收集的冷凝富勒烯富含富勒烯。
48.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中收集的冷凝富勒烯包括約10重量％～約70重量％的富勒烯。
49.根據(jù)權(quán)利要求1或15的方法，其中通過采用傳導(dǎo)性冷卻表面，和/或惰性氣體，和/或相變產(chǎn)生的熱吸收來控制氣體物流的溫度。
50.根據(jù)權(quán)利要求1或20的方法，其中通過加入惰性氣體控制氣/固分離工藝的停留時(shí)間。
51.一種加工富勒烯的方法，包括下述步驟在能夠有效產(chǎn)生富勒烯并產(chǎn)生含有懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的流出氣體的條件下燃燒含碳燃料，其中所述可冷凝氣體包括富勒烯；和利用氣/固分離工藝將至少一部分可冷凝氣體與懸浮的煤煙顆粒分離。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中在低于1100℃的溫度完成該至少一部分可冷凝氣體與煤煙顆粒的分離。
53.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中在約300℃～約900℃的溫度范圍完成該至少一部分可冷凝氣體與煤煙顆粒的分離。
54.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中該分離工藝在最佳富勒烯穩(wěn)定性的條件下進(jìn)行。
55.根據(jù)權(quán)利要求54的方法，其中最佳富勒烯穩(wěn)定性的條件包括其中由煤煙顆?；驓怏w物流中存在的其它物質(zhì)導(dǎo)致的富勒烯消耗被最小化的條件。
56.根據(jù)權(quán)利要求55的方法，其中該氣/固分離的時(shí)間量程小于富勒烯消耗或嵌入的時(shí)間量程。
57.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中氣體物流在分離之前的分離工藝的上游有約10毫秒～約10秒的停留時(shí)間。
58.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中氣體物流在分離之前的分離工藝的上游有約100毫秒～約2秒的停留時(shí)間。
59.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中氣/固分離工藝是濃縮器，其產(chǎn)生相對(duì)于懸浮煤煙更高百分比的氣體流出物物流，和相對(duì)于懸浮煤煙更低百分比的氣體流出物物流。
60.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中該氣/固分離工藝選自過濾、靜電沉淀、靜電分離和惰性分離。
61.根據(jù)權(quán)利要求60的方法，其中過濾選自篩網(wǎng)過濾、纖維過濾和填充床過濾。
62.根據(jù)權(quán)利要求60的方法，其中采用陶瓷顆粒過濾器完成過濾。
63.根據(jù)權(quán)利要求62的方法，其中該陶瓷顆粒過濾器包括催化劑，以促進(jìn)過濾器的熱再生以除去收集的煤煙。
64.根據(jù)權(quán)利要求63的方法，其中陶瓷顆粒過濾器選自堇青石、碳化硅、氧化鋁、和氧化鋁/氧化硅組合物。
65.根據(jù)權(quán)利要求63的方法，其中催化劑是金屬。
66.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中該氣/固分離在選擇的時(shí)間和區(qū)域進(jìn)行，以提供平均粒度為0.1μm～100μm的煤煙顆粒。
67.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中該氣/固分離在選擇的時(shí)間和區(qū)域進(jìn)行，以使得煤煙顆粒可收集在平均有效粒徑為約0.1μm～100μm的過濾器上。
68.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其進(jìn)一步包括在將可冷凝氣體與懸浮煤煙分離之后，冷凝可冷凝氣體中的至少一部分富勒烯。
69.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中冷凝的富勒烯形成為懸浮的顆粒。
70.根據(jù)權(quán)利要求69的方法，其中在含有懸浮種子顆粒的氣體物流內(nèi)，通過異相成核和/或均相成核冷凝富勒烯。
71.根據(jù)權(quán)利要求70的方法，其中所述種子顆粒包括煤煙。
72.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其進(jìn)一步包括在分離工藝中收集冷凝的富勒烯。
73.根據(jù)權(quán)利要求72的方法，其中在收集的冷凝富勒烯中，富勒烯相對(duì)于煤煙和其它可冷凝物的重量百分比為約70％～100％。
74.根據(jù)權(quán)利要求72的方法，其中相比于在氣體物流分離懸浮煤煙之前氣體物流中的富勒烯含量，收集的冷凝富勒烯富含富勒烯。
75.根據(jù)權(quán)利要求72的方法，其中收集的冷凝富勒烯包括約10重量％～約70重量％的富勒烯。
76.根據(jù)權(quán)利要求69的方法，其中在氣/固分離設(shè)備下游形成的顆粒的平均尺寸為0.1μm～500μm。
77.根據(jù)權(quán)利要求69的方法，其中在氣/固分離設(shè)備下游形成的顆粒的平均尺寸為10μm～200μm。
78.根據(jù)權(quán)利要求72的方法，其中分離工藝包括氣/固分離工藝。
79.根據(jù)權(quán)利要求78的方法，其中該氣/固分離工藝選自過濾、靜電沉淀、惰性分離和靜電分離。
80.根據(jù)權(quán)利要求79的方法，其中過濾選自篩網(wǎng)過濾、纖維過濾和填充床過濾。
81.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中氣體物流包括成核點(diǎn)以促進(jìn)從氣體物流中冷凝出富勒烯。
82.根據(jù)權(quán)利要求81的方法，其中成核點(diǎn)包括粒度為約0.01μm～100μm的煤煙顆?；蚱渌鼞腋☆w粒。
83.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其進(jìn)一步包括在將可冷凝氣體與懸浮煤煙分離之后，冷凝可冷凝氣體中的至少一部分非富勒烯物質(zhì)；和在分離操作中收集冷凝的非富勒烯物質(zhì)。
84.根據(jù)權(quán)利要求83的方法，其中冷凝在約-250℃～約600℃的溫度進(jìn)行。
85.根據(jù)權(quán)利要求51或68的方法，其中通過采用傳導(dǎo)性冷卻表面，和/或惰性氣體，和/或相變產(chǎn)生的熱吸收來控制氣體物流的溫度。
86.根據(jù)權(quán)利要求51或68的方法，其中通過加入惰性氣體控制在氣/固分離工藝中的停留時(shí)間。
87.根據(jù)權(quán)利要求20或72的方法，其中收集的冷凝富勒烯基本上不含多環(huán)芳烴(PAH)。
88.根據(jù)權(quán)利要求20或72的方法，其中收集的冷凝富勒烯基本上不含煤煙。
89.根據(jù)權(quán)利要求87的方法，其中通過使PAH和煤煙顆粒反應(yīng)降低了可冷凝氣體中的多環(huán)芳烴(PAH)含量。
90.根據(jù)權(quán)利要求1或51的方法，其進(jìn)一步包括以下步驟在從流出氣體的可冷凝氣體中分離煤煙期間或之后，在使得所收集的煤煙發(fā)生氧化的溫度下，向氣/固分離工藝中引入氧化性物質(zhì)。
91.一種加工富勒烯的方法，包括下述步驟在能夠有效產(chǎn)生富勒烯并產(chǎn)生含有懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的流出氣體的條件下，在火焰中燃燒含碳燃料，其中所述可冷凝氣體包括富勒烯；利用氣/固分離工藝將可冷凝氣體與懸浮的煤煙顆粒分離，以獲得煤煙含量降低的可冷凝氣體；和將含有富勒烯的可冷凝氣體引入后續(xù)的進(jìn)行富勒烯進(jìn)一步處理或反應(yīng)的區(qū)域中。
92.根據(jù)權(quán)利要求91的方法，其中冷凝含有富勒烯的可冷凝氣體，以使得至少一部分富勒烯作為懸浮顆粒存在于可冷凝氣體中，并將懸浮顆粒引入后續(xù)區(qū)域中。
93.根據(jù)權(quán)利要求91的方法，其中含有富勒烯的可冷凝氣體包括氣態(tài)富勒烯，而且將氣態(tài)富勒烯引入后續(xù)區(qū)域中。
94.一種用于加工富勒烯的裝置，包括氣體流出物源，其能夠產(chǎn)生含有懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體流出物，其中所述可冷凝氣體包括富勒烯；入口導(dǎo)管，其將氣體流出物引入第一分離點(diǎn)；第一氣/固分離設(shè)備，其位于第一分離點(diǎn)處；出口導(dǎo)管，其將來自第一分離點(diǎn)的氣體流出物引至第一收集點(diǎn)；收集設(shè)備，其位于第一收集點(diǎn)處；和用于控制氣體流出物溫度的溫度控制。
95.根據(jù)權(quán)利要求94的裝置，其中溫度控制包括采用傳導(dǎo)性冷卻表面和/或惰性氣體和/或相變產(chǎn)生的熱吸收。
96.根據(jù)權(quán)利要求94的裝置，其中該裝置包括多個(gè)氣/固分離設(shè)備，和/或氣/固收集設(shè)備。
97.根據(jù)權(quán)利要求94的裝置，其中分離設(shè)備選自過濾器、靜電沉淀器、靜電分離器和惰性分離器。
98.根據(jù)權(quán)利要求97的裝置，其中過濾器包括篩網(wǎng)過濾器。
99.根據(jù)權(quán)利要求97的裝置，其中過濾器包含高溫氧化鋁珠。
100.根據(jù)權(quán)利要求94的裝置，其中該裝置包括多個(gè)收集設(shè)備。
101.根據(jù)權(quán)利要求94的裝置，其中收集設(shè)備包括一冷凝表面。
102.根據(jù)權(quán)利要求94的裝置，其中收集設(shè)備選自過濾器、靜電沉淀器、靜電分離器和惰性分離器。
103.根據(jù)權(quán)利要求94的裝置，其進(jìn)一步包括第一和第二氣/固分離設(shè)備，各所述設(shè)備和入口導(dǎo)管流體連通；用于將來自入口導(dǎo)管的氣體引入第一或第二氣/固分離設(shè)備的裝置；和第一和第二出口，分別用于引導(dǎo)來自第一和第二氣/固分離設(shè)備的氣體流出物。
104.根據(jù)權(quán)利要求103的裝置，其進(jìn)一步包括第一入口端，用于將材料引入第一氣/固分離設(shè)備；和第二入口端，用于將材料引入第二氣/固分離設(shè)備。
105.一種用于加工富勒烯的裝置，包括用于產(chǎn)生并將來自氣體流出物源的包括懸浮煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體流出物引至第一收集點(diǎn)的裝置；用于在第一收集點(diǎn)從氣體流出物中分離第一固體的裝置；用于將來自第一收集點(diǎn)的氣體物流引入第二收集點(diǎn)的裝置；用于在第二收集點(diǎn)從氣體流出物中分離第二固體的裝置；用于控制氣體流出物溫度的溫度控制裝置。
106.一種清潔包括過濾器在內(nèi)的氣/固分離設(shè)備的方法，包括在從載氣分離煤煙并將煤煙收集到過濾器上期間或之后，使過濾器在能夠氧化所收集煤煙的溫度下接觸氧化性物質(zhì)。
107.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中過濾器是填充床過濾器。
108.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中過濾器是陶瓷顆粒過濾器。
109.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中過濾器包括高溫氧化鋁顆粒。
110.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中氧化性物質(zhì)包括空氣。
111.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中將一種惰性氣體加入到熱再生的流出氣體中以充分降低溫度，使得在熱再生下游收集的富勒烯不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。
112.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中熱再生的流出氣體被旁路通過并不與下游收集的富勒烯接觸，使得反應(yīng)不會(huì)發(fā)生。
113.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中過濾器包括用于煤煙氧化的催化劑。
114.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中煤煙的氧化和從載氣中分離煤煙同時(shí)發(fā)生。
115.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，其中在煤煙過濾器處或之前緊鄰煤煙過濾器處引入氧化性物質(zhì)。
116.一種從煤煙回收富勒烯的方法，包括產(chǎn)生包括懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流，所述可冷凝氣體包括氣態(tài)富勒烯；利用過濾器使至少一部分可冷凝氣體與懸浮的煤煙顆粒分離；在過濾器上從可冷凝氣體中分離和收集煤煙期間或之后，使過濾器在能夠氧化所收集煤煙的溫度下接觸一種氧化性物質(zhì)；和從煤煙過濾器下游的可冷凝氣體中冷凝并收集富勒烯。
117.一種加工富勒烯的方法，包括以下步驟產(chǎn)生包括懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流，所述可冷凝氣體包括氣態(tài)富勒烯；冷凝至少一部分可冷凝氣體；在收集區(qū)域中收集煤煙和冷凝的可冷凝氣體；加熱收集的煤煙和冷凝的可冷凝氣體以升華至少一種富勒烯物質(zhì)；和冷凝該升華的富勒烯物質(zhì)。
118.根據(jù)權(quán)利要求117的方法，其中將煤煙和冷凝的可冷凝氣體收集在過濾器上，并利用加熱的惰性氣體使之升華。
119.根據(jù)權(quán)利要求117的方法，其中將煤煙和冷凝的可冷凝氣體收集在過濾器上，并在無煤煙操作條件下的燃燒設(shè)備中使之升華。
120.一種加工富勒烯的方法，包括以下步驟產(chǎn)生包括懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流，所述可冷凝氣體包括氣態(tài)富勒烯；利用氣/固分離工藝使至少一部分可冷凝氣體與懸浮煤煙顆粒分離；在從煤煙中分離出至少一部分可冷凝氣體之后，冷凝該可冷凝氣體中的至少一部分富勒烯；和收集冷凝的富勒烯。
121.根據(jù)權(quán)利要求120的方法，其進(jìn)一步包括加熱收集的富勒烯，以使至少一種富勒烯物質(zhì)升華；和冷凝升華的富勒烯物質(zhì)。
全文摘要
一種加工富勒烯的方法，包括產(chǎn)生含有懸浮的煤煙顆粒和可冷凝氣體的氣體物流，其中可冷凝氣體包括富勒烯；和用氣/固分離工藝從懸浮的煤煙顆粒中分離出至少一部分可冷凝氣體。在分離可冷凝氣體之后，冷凝并收集可冷凝氣體中的至少一部分富勒烯。
文檔編號(hào)B01D51/00GK101061064SQ03818523
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2003年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月3日
發(fā)明者D·克朗霍姆, J·B·霍華德 申請(qǐng)人:Nano-C公司