CN106573206B - 用于从燃烧发动机排气制备碳纳米管的*** - Google Patents

用于从燃烧发动机排气制备碳纳米管的*** Download PDF

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Abstract

公开了一种过滤***，其使用过滤器将汽车排气中的废气转化为碳纳米管。例如铁盐的金属盐可以借助于使用藻类生物柴油与柴油燃料混合，以确保所述金属盐于所述柴油燃料中的均质悬浮液。所述金属盐形成适合催化剂，以使碳纳米管在放置在所述柴油燃烧排气路径中的过滤器上生长。过滤器表面可以由类似催化剂的铁构成。所述过滤器可以沿着排气流线的所述路径优选地以大于5度并且小于15度的角度放置。将所述过滤器加热到200‑1000摄氏度范围内的温度。本发明中描述的过滤器可以自身操作或补充现有过滤***。所述过滤***可以制备为商业上有价值的合成碳纳米管的材料。

Description

用于从燃烧发动机排气制备碳纳米管的***
相关申请的交叉引用
本专利申请要求美国专利申请第14/166,448号的优先权，美国专利申请第14/166,448号是2013年7月9日提交的美国专利申请第13/937,927号的部分继续申请，美国专利申请第13/937,927号是2012年9月21日提交的美国专利申请第13/624,409号、即现在的美国专利第8,480,992号的接续专利申请，美国专利申请第13/624,409号是2009年7月2日提交、现在放弃了的美国专利申请第12/496,808号的接续专利申请，这些美国专利申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种将汽车排气废气转化为碳纳米管的***和方法。
背景技术
不完全燃烧、尤其柴油发动机中的不完全燃烧产生了可能促成全球变暖和潜在健康危害的黑碳和许多烃气体。将烃和一氧化碳转化为二氧化碳和水的氧化催化剂在文献中已知。因其移除90％微粒的效率而已知的陶瓷过滤器需要至少高达500摄氏度的温度和富氧排气条件。适于捕获微粒的过滤***已经公开于美国专利第5,167,765号和第5,755,963号中。尽管如此，常规过滤器并不教授将来自燃烧发动机排气的废气转化为商业上可用的产物。
发明内容
公开了一种在排气***内将燃烧发动机的排气废气转化为碳纳米管的***和方法，所述排气***与所述燃烧发动机流体连通。在至少一个实施例中，所述***可以包括将燃烧发动机的废气排气转化为碳纳米管的过滤器和工艺。所述燃烧发动机可以用于众多应用，例如但不限于用作汽车燃烧发动机。在至少一个实施例中，所述***和方法的各方面包括过滤器材料、过滤器材料的处理、过滤器材料的排列和产出最大量碳纳米管的工艺。所述***和方法还可以包括使用具有一种或多种金属盐的燃料18，其在于燃烧发动机内燃烧后在燃烧腔室的下游、例如但不限于在所述排气***内产生碳纳米管。
在至少一个实施例中，所述***包括从汽车发动机排气废气合成碳纳米管的过滤器和工艺。在一个实施例中，所述过滤器可以由铁板构成，所述铁板在放置在所述排气***中之前被抛光。在另一实施例中，由Fe、Al、Ni和Co制成的薄金属膜可以沉积在金属或非金属层上并且放置在所述排气废气的流线中。所述***可以在仅作微小修改情况下安装在当前存在的排气***上。所述***的所述过滤器可以单独地或与其它过滤***结合起作用。可以在过滤器表面上形成的所述碳纳米管是可回收的并且可以用于许多碳纳米管(CNT)应用。
所述在与所述燃烧发动机流体连通的排气***内将燃烧发动机的排气废气转化为碳纳米管的方法可以包括通过使包括金属盐的燃料燃烧而产生燃烧发动机排气，和将一个或多个过滤器加热到至少200摄氏度。所述过滤器可以放置在燃烧发动机的下游，例如在排气***内。例如但不限于铁盐的一种或多种金属盐可以悬浮于例如但不限于柴油燃料的燃料中，以提供供碳纳米管形成用的催化剂。悬浮液可以通过以下方式形成：将一种或多种金属盐引入混合于乙醇中的藻类生物柴油或含脂肪酸的油中，并且然后引入化石燃料柴油中以形成均质悬浮液。所述金属盐增加了碳纳米管在所述过滤器上的形成。
下文更详细地描述这些和其它实施例。
附图说明
并入说明书中并且形成说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与实施方式一起公开了本发明的原理。
图1是展示微粒在放置在排气路径中的聚合物过滤器上的形成的SEM图。
图2是展示在不存在局部加热的情况下微粒在过滤器材料上的形成的SEM图。
图3是展示当过滤器沿着排气废气的流线水平地放置时，碳纳米管的形成的SEM图。
图4是展示当过滤器距排气流线5度地放置时，碳纳米管的形成的SEM图。
图5是展示微粒在过滤器上的形成的SEM图，所述过滤器放置在来自铁盐浓度为2mg/ml的燃料18的燃烧的排气路径中。
图6是展示微粒在过滤器上的形成的SEM图，所述过滤器放置在来自铁盐浓度为1mg/ml的燃料18的燃烧的排气路径中。
图7是展示微粒在过滤器上的形成的SEM图，所述过滤器放置在来自铁盐浓度为0.05mg/ml的燃料18的燃烧的排气路径中。
图8是可用以在与燃烧发动机流体连通的排气***内将燃烧发动机的排气废气转化为碳纳米管的***的示意图。
具体实施方式
如图1-8所示，公开了在排气***14内将燃烧发动机12的排气废气转化为碳纳米管的***10和方法，所述排气***14与燃烧发动机12流体连通。在至少一个实施例中，***10可以包括将燃烧发动机12的废气排气转化为碳纳米管的过滤器16和工艺。燃烧发动机12可以用于众多应用，例如但不限于用作汽车燃烧发动机。在至少一个实施例中，***10和方法的各方面包括过滤器材料16、过滤器材料的处理、过滤器材料的排列和产出最大量碳纳米管的工艺。***10和方法还可以包括使用具有一种或多种金属盐的燃料18，其在于燃烧发动机12内燃烧后在燃烧腔室的下游、例如但不限于在排气***14内产生碳纳米管。
在至少一个实施例中，***10可以包括放置在燃烧发动机12的下游的过滤器16。过滤器16可以由能够耐受由燃烧发动机12产生的例如热的环境的任何适当材料形成。在至少一个实施例中，过滤器16可以由例如厚度小于1mm的薄的过滤器材料形成，并且可以由例如但不限于铁金属的金属形成。在至少一个实施例中，形成过滤器16的过滤器材料可以由例如但不限于纯铁片的纯铁形成。在另一实施例中，过滤器16可以由具有低百分比碳、例如但不限于0.05或更少的碳的碳化钢形成。在另一实施例中，薄铁层可以布置在聚合物或金属薄片上。薄层可以通过一种或多种物理工艺制造，所述工艺例如但不限于脉冲激光沉积或烧蚀工艺。
在使用碳化钢或铁的情况下，抛光流程可以用以使表面上的铁粒暴露。对于如先前所描述的薄层沉积，可能不需要此类工艺。
过滤器16可以安置于例如汽车发动机的燃烧发动机的排气废气路径中。过滤器16可以成从排气废气的流线测量为小于45度角度地放置，并且在至少一个实施例中可以成小于15度地放置。在至少一个实施例中，过滤器16可以与排气流成5度与15度之间角度地放置。因此，可以引导燃烧发动机排气通过表面相对于排气流成5度与15度之间角度地偏斜的过滤器16。
需要局部加热过滤器16或其周围介质来激活碳纳米管形成。尽管700摄氏度范围内的温度是优选的，但低到200摄氏度的温度已经展示了碳纳米管形成。管形成效率是过滤器角度和过滤器位置处的温度的函数。在至少一个实施例中，碳纳米管可以在过滤器16的暴露表面上形成，以便碳纳米管可以由平均直径在20与50nm之间并且平均长度在一微米与10微米之间的多壁碳纳米管形成。
如图5-7中所示，在与燃烧发动机12流体连通的排气***14内将燃烧发动机12的排气废气转化为碳纳米管的方法包括通过使包括金属盐的燃料18燃烧而产生燃烧发动机排气，和将一个或多个过滤器16加热到至少200摄氏度。所述方法还包括使燃烧发动机排气通过安置于燃烧发动机12的排气***14内的过滤器16，其中碳纳米管在过滤器16的暴露表面上形成。
在至少一个实施例中，所述方法可以包括用于将柴油发动机排气转化为碳纳米管的工艺。如图8中所示，一个或多个过滤器16可以放置在燃烧发动机12的下游在从燃烧发动机12流出的至少一部分排气中。所述方法可以包括通过使包括金属盐的燃料18燃烧而产生燃烧发动机排气，其中金属盐可以是但不限于铁盐。金属盐可以但不限于以约1mg金属盐/ml燃料18与4mg金属盐/ml燃料18之间的浓度使用。小于此范围的浓度和无金属基体不产生碳纳米管。在至少一个实施例中，金属盐的浓度可以是2mg金属盐/ml燃料18。
金属盐可以与例如但不限于柴油燃料18的燃料18一起使用。在至少一个实施例中，至少一部分燃料18可以是藻类生物柴油。在另一实施例中，至少一部分燃料18可以是化石柴油燃料18。在另一实施例中，燃料18可以是藻类生物柴油燃料18和化石柴油燃料18的混合物。藻类生物柴油燃料18的利用通过将铁盐悬浮于化石柴油燃料18内而促进碳纳米管的形成。在另一实施例中，燃料18可以是藻类生物柴油燃料18、乙醇和化石柴油燃料18的混合物。燃料18可以通过将一种或多种金属盐引入藻类生物柴油中形成混合物而形成。一种或多种金属盐于藻类生物柴油中的混合物然后可以混合到化石柴油燃料18中以形成均质悬浮液。藻类生物柴油产生铁盐于化石柴油燃料18中的均质悬浮液。金属盐的存在增加了碳纳米管在过滤器16上的形成。
在至少一个实施例中，柴油燃料18可以由1％与10％之间的藻类生物柴油燃料18、1％与10％之间的乙醇和剩余百分比的化石柴油燃料18的混合物形成。在另一实施例中，柴油燃料18可以由约5％藻类生物柴油燃料18、约5％乙醇和约90％化石柴油燃料18的混合物形成。具有例如但不限于一种或多种铁盐的金属盐的例如但不限于柴油燃料18的燃料18的燃烧提高了燃烧品质并且减少了烟尘的形成。包括生物柴油以及化石柴油燃料18可以帮助减少环境危害物，例如但不限于CO(x)和SO(x)。
实例
以下实例并不限制本发明的范围，而是为了说明本发明。将由例如但不限于碳化钢的固体结构制成的过滤器放置在柴油发动机排气路径中。使发动机在正常操作条件下运行半小时。回收过滤器并且使用SEM评估。图1展示了在固体过滤器上收集的材料的图。其展示有碳微粒的凝块。
使用文献中已知的技术对由碳化钢制成的过滤器进行抛光。使用光学显微法检查表面。清楚地展示了颗粒。将过滤器放置在柴油发动机排气路径中。使发动机在正常操作条件下运行半小时。收集过滤器并且使用SEM检查。图2展示了在过滤器表面上收集的材料的SEM图。其展示有碳化材料的凝块。
对由碳化钢制成的类似过滤器进行抛光，并且将其相对于排气流线水平地放置在排气路径中。使用气体燃烧器加热过滤器区。使柴油发动机在正常条件下运行半小时。收集过滤器材料并且使用SEM检查。图3展示了展示碳纳米管的形成的SEM图。
对由碳化钢制成的类似过滤器进行抛光，并且将其以相对于排气流线5度的角度放置在柴油发动机的排气路径中。使柴油发动机在正常操作条件下运行半小时。使用气体燃烧器加热过滤器位置。收集过滤器并且使用SEM检查。图4展示了有碳纳米管在表面上形成的过滤器表面的图。显而易见，5度的角度影响了更多碳纳米管的形成。
通过将过滤器板浸没于离子液体浴中纯化所产生的碳纳米管。使用离子液体的纯化工艺产生了95％纯化的碳纳米管。在不限于组成的情况下，离子液体能够溶解不为碳纳米管的碳化材料，留下高度纯化的碳纳米管备品。
***和方法不限于在以下描述中阐述的构造或工艺步骤的细节。替代地，***和方法能够以其它方式和通过***的其它实施例实践或实施。
除非上下文另外明确指示，否则如本说明书和所附权利要求书所用，单数形式“一(a/an)”和“所述”包括多个指示物。因此，举例来说，提及“一过滤器”包括两个或更多个过滤器的混合物，等。
出于说明、解释和描述本发明的实施例的目的提供了前文。对这些实施例的修改和改编对于本领域的技术人员将是显而易见的并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下作出。

Claims (10)

1.一种在排气***内将燃烧发动机的排气废气转化为碳纳米管的方法，所述排气***与所述燃烧发动机流体连通，所述方法包含：
通过使包括铁盐的燃料燃烧而产生燃烧发动机排气；
将至少一个过滤器加热到至少200摄氏度；和
使燃烧发动机排气通过安置于所述燃烧发动机的所述排气***内的所述至少一个过滤器，其中碳纳米管在所述至少一个过滤器的暴露表面上形成；和
其中通过使包括铁盐的燃料燃烧而产生燃烧发动机排气包含通过使包括所述铁盐的柴油燃料燃烧而产生燃烧发动机排气，所述柴油燃料的铁盐浓度在1mg铁盐/ml燃料与4mg铁盐/ml燃料之间,以及所述柴油燃料由藻类生物柴油燃料和化石柴油燃料的混合物形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用所述柴油燃料由藻类生物柴油燃料、乙醇和化石柴油燃料的混合物形成代替所述柴油燃料由藻类生物柴油燃料和化石柴油燃料的混合物形成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中用所述柴油燃料由1％与10％之间的藻类生物柴油燃料、1％与10％之间的乙醇和剩余百分比的化石柴油燃料的混合物形成代替所述柴油燃料由藻类生物柴油燃料和化石柴油燃料的混合物形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中用所述柴油燃料由约5％藻类生物柴油燃料、约5％乙醇和约90％化石柴油燃料的混合物形成代替所述柴油燃料由藻类生物柴油燃料和化石柴油燃料的混合物形成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中使燃烧发动机排气通过所述至少一个过滤器包含使燃烧排气通过由铁形成的表面。
6.根据权利要求1所述的方法，其中使燃烧发动机排气通过所述至少一个过滤器包含使燃烧排气通过由碳化钢形成的表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其中使燃烧发动机排气通过所述至少一个过滤器包含使燃烧排气通过由一层形成的表面，所述层由选自于由铁、镍和铝组成的群组的材料沉积在表面上形成。
8.根据权利要求1所述的方法，其中使燃烧发动机排气通过所述至少一个过滤器包含使燃烧排气通过表面相对于排气流成小于45度角度地偏斜的所述至少一个过滤器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中将所述至少一个过滤器加热到至少200摄氏度包含将所述至少一个过滤器加热到200-700℃之间的温度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中使燃烧发动机排气通过安置于所述燃烧发动机的所述排气***内的所述至少一个过滤器包含使燃烧发动机排气通过安置于所述燃烧发动机的所述排气***内的所述至少一个过滤器，以便直径为20-50nm并且长度为1-10微米的碳纳米管在所述至少一个过滤器的暴露表面上形成。
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