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。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及气体过滤器，特别是用于提取二氧化碳(CO2)的过滤器。
技术介绍
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.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，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 ,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 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。本专利技术的目标是减少以上讨论的气体过滤器的至少一个缺点。·专利技术的披露根据本专利技术的第一方面，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。在本专利技术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，本专利技术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 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本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：迪米特里斯·德里卡基斯，
申请(专利权)人：克兰菲尔德大学，
类型：
国别省市：
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