JP2024511471A - 電気化学的グラファイトの生成のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

グラファイトを生成する方法は、石炭を選鉱して石炭チャーを形成すること、石炭チャーを粉砕して破砕されたチャーを生成すること、及び破砕されたチャーを多孔質容器に入れることを含むことができる。次に、この方法は、多孔質容器を溶融塩浴に浸漬することを含む。溶融塩浴はグラファイト陽極を含む。この方法はさらに、グラファイト陽極上にグラファイト析出物が形成されるように、多孔質容器とグラファイト陽極との間に電位を印加することを含む。グラファイト陽極を溶融塩浴から取り出し、グラファイト析出物をグラファイト陽極から分離して、グラファイトフラグメントを生成する。【選択図】 図１

Description

相互参照
本出願は、２０２１年３月２６日に出願された米国仮特許第６３／１６６，８６９号の優先権を主張するものであり、その開示内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

石炭は何千年も前から採掘され、さまざまな用途に使われてきた。産業革命以降、石炭の主な用途は、家庭、産業、輸送のための熱とエネルギーを生み出すことであった。石炭は当初、産業革命の時代に列車の輸送用燃料として広く使われるようになったが、２０世紀に入り、自動車の出現と大量の石油鉱床の発見により、輸送用燃料は石油を主成分とする液体燃料に移行した。

しかし、石炭に関する研究は続けられ、石炭の基本的な化学的性質は少なくとも２０世紀初頭までには十分に理解されていた。石炭の液化については１世紀以上にわたって重要な研究が行なわれてきたが、この広範な先行研究は圧倒的に輸送用燃料の開発に焦点を当てたものであった。より産業的意義の高い他の物質を生産するための石炭の利用は、まだ十分に検討されていない。例えば、炭素繊維、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブなどの先端炭素材料の商業化が急速に進展し、炭素ベースの技術が近年脚光を浴びている。これらの先端材料が大量生産・大量用途に使用されるようになるにつれ、先端炭素材料を迅速かつ経済的に大量にメーカーに供給する必要性が生じている。従って、石炭からの輸送用燃料は商業化のための実りある道とは見なされていないが、石炭を将来の経済に役立つ先端炭素材料に変換するプロセスを開発する上で、なすべき重要な仕事が残されている。

グラファイトを生成する方法は、石炭を選鉱して石炭チャーを形成すること、石炭チャーを粉砕して破砕されたチャーを生成すること、破砕されたチャーを多孔質容器内に入れること、多孔質容器を溶融塩浴に浸漬することを含む。溶融塩浴はグラファイト陽極を含むことができる。本方法はさらに、グラファイト陽極上にグラファイト析出物が形成されるように、多孔質容器とグラファイト陽極との間に電位を印加すること、グラファイト陽極を溶融塩浴から取り出すこと、グラファイト析出物をグラファイト陽極から分離してグラファイトフラグメントを生成することを含むことができる。

いくつかの実施形態では、石炭を選鉱することは、石炭を不活性雰囲気中で約６００℃から約１０００℃の間にまで加熱して揮発性成分及び不純物を除去することを含む。石炭を選鉱することは、石炭を間接加熱ロータリーキルン中で加熱することを含む。破砕されたチャーは、約１００ミクロン未満の粒径を有し得る。多孔質容器は、高い耐腐食性を有する金属を含むメッシュを含んでもよい。いくつかの実施形態では、多孔質容器は、クロム、ニッケル、アルミニウム、スズ、及び合金のうちの少なくとも１つを有する。溶融塩浴は、塩化カルシウム塩又は塩化マグネシウム塩を含んでもよい。いくつかの実施形態において、電位は約２Ｖから約３Ｖの間である。

グラファイト陽極からグラファイト析出物を分離することは、機械的分離工程を含むことができる。いくつかの実施形態において、機械的分離工程は、グラファイト陽極を脱イオン水又は蒸留水ですすぐことを含み得る。グラファイトを生成する方法は、グラファイトフラグメントを乾燥させることをさらに含み得る。いくつかの実施形態において、グラファイトを生成する方法は、石炭を選鉱している間及び溶融塩浴中で多孔質容器とグラファイト陽極の間に電位を印加している間に、石炭の揮発性成分を捕捉することをさらに含み得る。

グラファイトを生成する方法は、溶融塩浴を準備すること、破砕された石炭チャー及びグラファイト収集ロッドを溶融塩浴に加えること、石炭チャーとグラファイト収集ロッドとの間に電位を印加すること、及び溶融塩を電気分解して石炭チャーを熱還元し、グラファイト収集ロッド上に電気化学的グラファイト析出物を生成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶融塩浴を準備することは、塩を８００℃にまで加熱することと、溶融塩を電気分解して反応領域を形成することを含む。

一部の実施形態では、溶融塩の電気分解を連続的に行うことができる。グラファイト収集ロッドは、石炭チャーを還元して電気化学的グラファイト析出物が連続的に生成されるように連続的に供給される一連のグラファイト収集ロッドを含んでもよい。いくつかの実施形態において、電位は、石炭チャーを含む導電性容器を溶融塩浴の上方に吊るされている第１のワイヤコンベヤに連結し、グラファイト収集ロッドを溶融塩浴の上方に吊るされている第２のワイヤコンベヤに連結すること、石炭チャー及びグラファイト収集ロッドが溶融塩浴内に吊るされるように、第１のワイヤコンベヤ及び第２のワイヤコンベヤに電気テンションローラを連結し、石炭チャーが陰極となり、グラファイト収集ロッドが陽極となるように、電気テンションローラに電圧を印加し、炭素が石炭チャーから電気分解された溶融塩を通って移動し、グラファイト収集ロッド上に析出する。

いくつかの実施形態において、グラファイトを生成する方法は、石炭チャー及びグラファイト収集ロッドを溶融塩浴の少なくとも一部を通って搬送すること、グラファイト析出物を含むグラファイト収集ロッド及び導電性容器を溶融塩浴から取り出すこと、をさらに含み得る。本方法は、グラファイト析出物をグラファイト収集ロッドから分離すること、及びグラファイト析出物を脱イオン水又は蒸留水で洗浄することを更に含み得る。幾つかの実施形態では、グラファイトを生成する方法は、グラファイト析出物を洗浄した後に、塩を捕捉して再利用するために脱イオン水又は蒸留水を処理することを更に含み得る。

グラファイトを生成するための電気分解装置は、溶融塩浴と、溶融塩浴の上方に配置された第１のワイヤコンベヤ及び第２のワイヤコンベヤを含む電源と、を含むことができ、電源は、第１のワイヤコンベヤと第２のワイヤコンベヤとの間に電位を生じさせる。電気分解装置はまた、第１のワイヤコンベヤから吊るされた少なくとも１つの石炭チャー陰極と、第２のワイヤコンベヤから吊るされた少なくとも１つのグラファイト陽極とを含むことができる。電気分解装置はまた、第１のワイヤコンベヤ及び第２のワイヤコンベヤに連結するように構成された電気テンションローラコンタクトバスを含むことができる。電気テンションローラコンタクトバスは、少なくとも１つの石炭チャー陰極及び少なくとも１つのグラファイト陽極を溶融塩浴内に吊るすように付勢（bias）する。電気分解装置は、電圧が少なくとも１つの石炭チャー陰極及び少なくとも１つのグラファイト陽極に印加されて石炭チャーが熱還元して、電気化学的グラファイト析出物が少なくとも１つのグラファイト陽極上に生成されるときに形成される電解槽をさらに含むことができる。グラファイト陽極は一連のグラファイトロッドを有し、この一連のグラファイトロッドは少なくとも１つの石炭チャー陰極を還元して一連のグラファイトロッド上にグラファイト析出物が形成されるように連続的に供給される。いくつかの実施形態では、溶融塩浴は、約８００℃にまで加熱された塩化カルシウム塩又は塩化マグネシウム塩を含む。電源は、約２Ｖと約３Ｖの間の電圧を有する直流電源を含むことができる。

添付の図面は、本装置の様々な実施形態を示すものであり、本明細書の一部を構成するものである。図示された実施形態は、本装置の単なる例示であり、その範囲を限定するものではない。

一実施形態にかかる、石炭からグラファイトを生成する方法の一例のプロセスフロー図を示す。

一実施形態にかかる電解槽を示す。

一実施形態にかかる、選鉱プロセスを含む炭素からグラファイトを生成する方法の一例のプロセスフロー図を示す。

一実施形態にかかる、グラファイトを生成するためのシステムの側面概略図である。

一実施形態にかかる、グラファイトを生成するためのシステムの上面概略図である。

図面全体を通して、同一の参照番号は類似の要素を示すが、必ずしも同一の要素を示すとは限らない。

以下に説明するように、グラファイトは未加工の採掘石炭から生成することができる。一部の実施形態では、石炭を選鉱して石炭チャーを形成し、そこからグラファイトを生成する。高品質のグラファイトは、溶融塩プロセスを用いて比較的低温かつ低電気エネルギーで生成することができる。このプロセスは、グラファイトの連続的で大量の生産にスケールアップすることができる。

次に、添付図面に図示された代表的な実施形態を詳細に参照する。以下の説明は、実施形態を１つの好ましい実施形態に限定することを意図していないことを理解されたい。それどころか、添付の特許請求の範囲によって定義されるように、記載された実施形態の精神及び範囲内に含まれ得るような代替形態、修正形態、及び等価形態を包含することが意図されている。

いくつかの実施形態によれば、また図１に示されるように、グラファイトを生成する方法１００は、溶融塩浴を準備する工程１０２と、破砕された石炭チャーを溶融塩浴に加える工程１０４と、グラファイト収集ロッドを溶融塩浴に加える工程１０６と、石炭チャーとグラファイト収集ロッドとの間に電位を印加する工程１０８と、溶融塩を電気分解して石炭チャーを熱還元し、グラファイト収集ロッド上に電気化学的グラファイト析出物を生成する工程１１０とを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶融塩浴を準備する工程１０２は、塩を約８００℃にまで加熱することを含むことができる。溶融塩は、蒸気圧がほとんど又は全くなく、液相動作温度が非常に高い（７００℃以上）という利点を有する。いくつかの実施形態では、溶融塩浴は塩化カルシウム塩又は塩化マグネシウム塩を含むことができる。例えば、塩化カルシウムは７７２℃の溶融温度を有する。溶融塩浴は、任意の適切な手段で加熱することができる。いくつかの実施形態では、溶融塩浴は天然ガスバーナー又は電気バーナーを用いて加熱することができる。加熱がガス又は油の燃焼による場合、浴の燃焼室は適当な耐火物で内張りしてもよい。塩が加熱されると、塩がイオン成分に解離する際に溶融して電解質溶液を形成し得る。

グラファイトを生成する方法１００の工程１０４は、破砕された石炭チャーを溶融塩浴に加えることを含む。一部の実施形態では、石炭チャーを破砕して石炭チャーの表面積を増加させることができる。一部の実施形態では、石炭チャーは１００ミクロン未満にまで粉砕することができる。他の実施形態では、石炭チャーは５０ミクロン未満にまで粉砕される。いくつかの実施形態では、破砕された石炭チャーは篩い分けされる。石炭チャーは、任意の適切な手段（例えば、ジョークラッシャー、ローラー、浸漬ブレンダーなど）によって粉砕又は破砕されてもよい。グラファイトを生成する方法１００の工程１０６は、グラファイト収集ロッドを溶融塩浴に加えることを含む。グラファイト収集ロッドは、アイソモールド（isomolded）又は押出成形されたロッドであってもよい。いくつかの実施形態では、グラファイト収集ロッドは、カーボングラファイト、エレクトログラファイト、又は樹脂結合グラファイトを含むことができる。グラファイト収集ロッドは、任意の適切な形状とすることができる。いくつかの実施形態では、グラファイト収集ロッドは、プレート又はスラグを含むことができる。

グラファイトを生成する方法１００の工程１０８は、石炭チャーとグラファイト収集ロッドとの間に電位を印加することを含む。電位は直流（ＤＣ）印加電位であってもよい。電位は、いくつかの実施形態では、２～３ボルトの間とすることができる。電流は、石炭チャー及び／又はグラファイト収集ロッドに直接印加してもよい。

図２に示されるように、いくつかの実施形態において、電解槽２００は、溶融塩浴２０２中に形成されてもよい。上述したように、溶融塩浴２０２は、約８００℃に加熱された塩化カルシウム及び／又は塩化マグネシウム塩を含んでもよい。溶融塩浴２０２を電気分解して、還元反応及び酸化反応が起こり得る反応領域を形成してもよい。電源２０４が電解槽２００に電流を流すようにできる。いくつかの実施形態では、電源２０４は直流電源を含んでよい。直流電源は、約２Ｖと約３Ｖの間の電圧を有していてもよい。通常、陽極２０８を形成する石炭チャー２０６に正電荷を印加し、グラファイト収集ロッド２１０を陰極２１２とすることができる。いくつかの実施形態では、陽極２０８は還元反応を起こし、陰極２１２は溶融塩浴２０２内で酸化反応を起こす。単純な酸化還元反応は、電極から電子を奪うこと（還元）又は電極に電子を与えること（酸化）によって、溶液中の電荷担体炭素イオン（通常は単純イオン又は複合イオン）の電荷の変化を伴う。いくつかの実施形態では、炭素イオンは還元されて中性のグラファイト種として放出されて、グラファイト収集ロッド２１０上に析出する。このように、カーボングラファイトは、陰極２１２上に析出させて収集することができる。いくつかの実施形態では、石炭チャー２０６はこのようにして溶解し、炭素イオンを形成する。いくつかの実施形態では、酸化還元反応の間に、石炭チャー２０６から揮発性化合物が放出されることがある。揮発性化合物は回収されてもよい。

図３に示すように、グラファイトを生成する方法３００は、連続プロセス又は半連続プロセスを含むようにスケーリングすることができる。いくつかの実施形態では、方法３００は、ある量の石炭を選鉱して石炭チャーを形成することを含む工程３０２を含み得る。石炭の量は、１日当たり約１０～約５０ポンドの石炭を含むことができる。石炭を選鉱することは、所望の時間、石炭を１つ以上の温度に加熱することを含むことができる。例えば、選鉱することは、石炭を約６００℃と約１０００℃の間にまで加熱することを含むことができる。いくつかの実施形態では、この加熱は大気圧程度で実施することができる。加熱は、酸化を最小限に抑えるため及び／又は続いての反応を制限するために不活性環境下で実施することができる。いくつかの実施形態において、このような加熱プロファイルにより、石炭から所望の量又は所望の範囲の量の水分を除去することができる。

いくつかの実施形態では、選鉱中に、揮発分を捕捉することを含む工程３０４を含むことができる。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のプロセスによって利用される石炭は、褐炭であり得、約４５ｗｔ％を超える揮発分を有し得る。いくつかの実施形態において、石炭は、亜瀝青炭、瀝青炭、及び／又は無煙炭であり得る。いくつかの実施形態では、原料石炭を選鉱して水及び／又は重金属等の汚染物質又は不純物を除去することができる。いくつかの実施形態では、石炭を選鉱することにより様々な他の生成物を生成することができ、この生成物は、捕捉して後の処理ステップで使用することができたり、それ自体で価値があったり、又は方法３００において更なる処理若しくは使用に供したりすることができる。すなわち、いくつかの実施形態では、石炭を選鉱することにより、原料石炭からガス又は液体を生成又は分離することができる。これらのガス及び／又は液体は、処理中に捕捉又は分離することができる。例えば、工程３０２で石炭を選鉱することにより、Ｈ_２、ＣＯ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_３Ｈ_６及び／又は他の炭化水素ガスを生成することができ、これらは捕捉されて、工程３０４又は他のプロセスステップで引き続き利用することができる。場合によっては、石炭を選鉱することにより、Ｃ_２、Ｃ_３、及び／又はＣ_４の炭化水素、トルエン、及び／又はベンゼンのような液体を生成することができ、これらを続けて使用又は処理するために捕捉することができる。

場合によっては、選鉱は、所望の時間、１つ以上の温度に石炭を加熱することを含むことができる。他のいくつかの実施形態では、石炭は、１つ以上の触媒化合物の存在下で石炭を所望の温度にまで加熱することによって選鉱することができる。場合によっては、石炭を選鉱することは、例えば触媒の存在下で石炭を熱分解することを含むことができる。いくつかの実施形態では、選鉱は間接加熱ロータリーキルン中で石炭を加熱することを含むことができる。キルンは、天然ガス又は電熱によって加熱することができる。いくつかの実施形態では、ロータリーキルンは約６００℃から約１０００℃の間の温度にまで加熱することができる。

方法３００は、石炭チャーを粉砕して破砕されたチャーを生成することを含む工程３０６を含むことができる。いくつかの実施形態では、チャーは、石炭チャーの表面積を増加させるために破砕される。いくつかの実施形態では、石炭チャーは１００ミクロン未満に粉砕される。他の実施形態では、石炭チャーは５０ミクロン未満に粉砕される。いくつかの実施形態では、石炭チャーは約３５０メッシュ以下に粉砕される。いくつかの実施形態では、破砕された石炭チャーを篩にかけてもよい。石炭チャーは、任意の適切な手段（例えば、ジョークラッシャー、ローラー、浸漬ブレンダーなど）によって粉砕又は破砕してもよい。

方法３００は、破砕されたチャーを多孔質容器に入れることを含む工程３０８を含んでもよい。いくつかの実施形態では、多孔質容器はメッシュ金属容器を含む。メッシュ金属容器は、高い耐腐食性を有する金属を含んでもよい。いくつかの実施形態では、多孔質容器は、不動態金属の少なくとも１つを含んでもよい。多孔質容器は、クロム、ニッケル、アルミニウム、スズ、及び不動態合金のうちの少なくとも１つを含んでもよい。多孔質容器は、溶融塩及び／又は高温条件に対する耐性を有し、細孔及び／又は開口を含み得る任意の適切な容器とすることができる。

方法３００は、多孔質容器を溶融塩浴に浸漬することを含む工程３１０を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶融塩浴は塩化カルシウム塩を含む。他の実施形態では、溶融塩浴は塩化マグネシウム塩を含むことができる。任意の適切な塩又は塩の組み合わせが含まれてもよい。溶融塩は、いくつかの実施形態では約８００℃にまで加熱してもよい。溶融塩浴はグラファイト陽極を有してもよい。一部の実施形態では、グラファイト陽極は、比較的低コスト、豊富、高エネルギー密度、出力密度、及び非常に長いサイクル寿命の比類のないバランスを含むことができる。さらに、グラファイト陽極は、陰極としての破砕されたチャーの電圧要件を満たし、多孔質で耐久性がある。

方法３００は、グラファイト陽極上にグラファイト析出物が形成されるように、多孔質容器とグラファイト陽極との間に電位を印加する工程３１２を含むことができる。析出するメカニズムについては、図２を参照して上述した。いくつかの実施形態において、電位は、約２Ｖと約３Ｖの間とすることができる。電位は、直流（ＤＣ）電源によって生成することができる。直流電源は、多孔質容器及びグラファイト陽極に一定の直流電圧を供給してもよい。一部の実施形態では、多孔質容器は、陰極として機能する破砕されたチャーを内部に含む。陽極と陰極の間の電位により、炭素イオンはグラファイト陽極にグラファイトとして析出する。グラファイト陽極に移動した炭素の形態は、グラファイトフレーク又はグラファイトフラグメントの層である。一部の実施形態では、石炭チャーからの揮発性化合物が電気分解中に放出されることがある。揮発性化合物は、石炭を選鉱する工程３０２の間に捕捉されるのと同様に、工程３０４として捕捉される場合がある。揮発性化合物は、ガス及び／又は液体の石炭製品を製造するために処理することができる。いくつかの実施形態では、揮発性化合物は再利用されるか、熱及び／又は電力を生産するために使用されることができる。
幾つかの実施形態では、多孔質容器とグラファイト陽極との間に電位を印加する工程３１２は、連続的に実行することができる。このような連続プロセスでは、溶融塩を電気分解することは連続的であってもよい。グラファイト陽極又はグラファイト収集ロッドは、石炭チャーを還元してグラファイト陽極上にグラファイト析出物が連続的に生成されるようにするために連続的に供給される一連のグラファイト収集ロッドを含むことができる。連続プロセスの際、電位は、石炭チャーを含む多孔質容器を第１のワイヤコンベヤに連結し、グラファイト収集ロッドを第２のワイヤコンベヤに連結することによって印加することができる。いくつかの実施形態では、第１のワイヤコンベヤ及び第２のワイヤコンベヤは、溶融塩浴の上方に吊るされている。工程３１２は、石炭チャー及びグラファイト収集ロッドが溶融塩浴中に吊るされるように、電気テンションローラを第１のワイヤコンベヤ及び第２のワイヤコンベヤに連結することをさらに含み得る。次に、石炭チャーが陰極となり、グラファイト収集ロッドが陽極となるように、電気テンションローラに電圧を印加することができる。その後、炭素は石炭チャーから電気分解された溶融塩を通って移動して、グラファイト収集ロッド上に析出する。いくつかの実施形態では、石炭チャー及びグラファイト収集ロッドは、溶融塩浴の少なくとも一部を通って搬送される。いくつかの実施形態では、第１のワイヤコンベヤ及び第２のワイヤコンベヤは、石炭チャーとグラファイト収集ロッドを反対の流れ方向で溶融塩浴に通すシステムに連結される。例えば、石炭チャーを含む多孔質容器は、溶融塩浴の第１端から第２端にまで第１の方向に溶融塩浴を通って搬送され、第２端で石炭チャーが溶融塩浴から取り出される。グラファイト収集ロッドは、溶融塩浴の第２端から第１端にまで第１の方向とは反対の第２の方向に溶融塩浴を通って搬送され、第１端でグラファイト収集ロッドは溶融塩浴から取り出される。

方法３００は、グラファイト陽極を溶融塩浴から取り出すことを含む工程３１４を含み得る。工程３１４において、グラファイト陽極はグラファイト析出物を含む。いくつかの実施形態では、グラファイト陽極は、溶融塩浴からの塩析出物をさらに含む。グラファイト陽極が溶融塩から取り出されると、グラファイト陽極は塩の凝固温度以下にまで冷却される。一部の実施形態では、グラファイト陽極は、空気との接触又は対流によって空冷される。他の実施形態では、グラファイト陽極は、不活性雰囲気中で冷却されてもよい。グラファイト陽極は、脱イオン水及び／又は蒸留水で洗浄することによって更に冷却されてもよい。脱イオン水及び／又は蒸留水は、グラファイト陽極に噴霧されてもよく、又はグラファイト陽極が浸漬される別個の冷却浴であってもよい。塩は、グラファイト陽極から取り除かれて回収及び／又は再処理して、工程３１０の溶融塩浴で使用するために再利用されてもよい。塩の再処理及び／又は再利用は、任意の適切な手段によって行ってもよい。幾つかの実施形態では、脱イオン水及び／又は蒸留水を逆浸透システムで処理してもよい。他の実施形態では、塩が、グラファイト陽極を洗浄するために使用された水から濃縮、乾燥、又は蒸留されてもよい。

方法３００は、グラファイト陽極からグラファイト析出物を分離してグラファイトフラグメントを生成することを含む工程３１６を含むことができる。いくつかの実施形態では、分離することは機械的分離プロセスを含む。工程３１６のグラファイトフラグメントは、鋭利な刃でグラファイト陽極から削り取られてもよい。幾つかの実施形態では、グラファイト陽極は、グラファイトフラグメントを取り除くために振動及び／又は衝撃を与えてもよい。他の実施形態では、任意の適切な機械的又は化学的分離プロセスにより、グラファイト析出物を取り除いてもよい。幾つかの実施形態では、機械的分離プロセスは、脱イオン水及び／又は蒸留水でグラファイト陽極を洗浄及び／又はすすぐことを含む。脱イオン水及び／又は蒸留水は、グラファイト陽極に噴霧されてもよく、又はグラファイト陽極が浸漬される別個の浴であってもよい。

方法３００は、グラファイトフラグメントを乾燥させることを含む工程３１８を含むことができる。グラファイトフラグメントは、任意の適切な方法によって乾燥されてもよい。いくつかの実施形態では、グラファイトフラグメントは、ロータリーキルン、オーブン、強制空気中で乾燥させてもよく、又は周囲温度で乾燥させてもよい。いくつかの実施形態では、グラファイトフラグメントは、その後、品質管理のためにチェックされ、流通のために包装されてもよい。

次に図４Ａ～４Ｂを参照すると、グラファイトを連続的に生成する電気分解装置４００が図示されている。いくつかの実施形態において、電気分解装置４００は、溶融塩浴４０２を含むことができる。幾つかの実施形態では、溶融塩浴４０２は、電気加熱及び／又は天然ガス加熱されてもよい。いくつかの実施形態において、溶融塩浴４０２は約８００℃にまで加熱されてもよい。溶融塩浴４０２は耐火物で内張りされてもよい。幾つかの実施形態では、溶融塩浴４０２は高アルミナ耐火物で内張りされていてもよい。他の実施形態では、耐火物は、アルミナ、耐火粘土、ボーキサイト、クロマイト、ドロマイト、マグネサイト、炭化ケイ素等のような任意の適切な天然材料及び／又は合成材料又は化合物の組み合わせから生成することができる。上述したように、溶融塩浴は、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、若しくは他の塩、又は適切な塩の組み合わせを含むことができる。

電気分解装置４００は、電源４０４をさらに含むことができる。電源４０４は、約１ボルトと約１０ボルトとの間の電圧（Ｖ）を生成することができる直流電源を含むことができる。電源は、一定の直流電圧を維持することができる任意の適切な電源を含むことができる。いくつかの実施形態では、電源４０４は、溶融塩浴４０２の上方に配置された第１のワイヤコンベヤ４０６及び第２のワイヤコンベヤ４０８を含むことができる。電源４０４は、第１のワイヤコンベヤ４０６と第２のワイヤコンベヤ４０８との間に電位を生じさせるように構成することができる。いくつかの実施形態では、第１のワイヤコンベヤ４０６と第２のワイヤコンベヤ４０８との間の電位は、約２Ｖと約３Ｖとの間とすることができる。

電気分解装置４００は、第１のワイヤコンベヤ４０６から吊るされた少なくとも１つの石炭チャー陰極４１０をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、石炭チャー陰極４１０はチャーバスケット４１２を含む。チャーバスケット４１２は、破砕された石炭チャーを保持するように構成される。破砕された石炭チャーは、少なくとも１つの石炭チャー陰極４１０を含むことができる。チャーバスケット４１２は、メッシュ状の金属容器を含んでもよい。チャーバスケット４１２は、高い耐腐食性を有する金属を含んでもよい。いくつかの実施形態では、チャーバスケット４１２は、不動態金属の少なくとも１つを含むことができる。チャーバスケット４１２は、クロム、ニッケル、アルミニウム、スズ、及び不動態合金のうちの少なくとも１つを含んでもよい。チャーバスケット４１２は、溶融塩及び／又は高温状態に耐性があり、細孔及び／又は開口を含む任意の適切な容器であってよい。

電気分解装置４００は、第２のワイヤコンベヤ４０８から吊るされた少なくとも１つのグラファイト陽極４１４をさらに含み得る。いくつかの実施形態において、グラファイト陽極４１４は、任意の適切なグラファイト体であってよい。グラファイト陽極４１４は、アイソモールドロッド又は押し出しロッドであってもよい。いくつかの実施形態では、グラファイト陽極４１４は、カーボングラファイト、エレクトログラファイト、又は樹脂結合グラファイトを含んでもよい。グラファイト陽極４１４は、任意の適切な形状であってよい。いくつかの実施形態では、グラファイト陽極４１４は、グラファイト収集ロッド、プレート、又はスラグであってもよい。

電気分解装置４００は、電気テンションローラコンタクトバス４１６をさらに含み得る。電気テンションローラコンタクトバス４１６は、第１のワイヤコンベヤ４０６及び第２のワイヤコンベヤ４０８に連結するように構成され得る。電気テンションローラコンタクトバス４１６は、陰極部分４１６Ａ及び陽極部分４１６Ｂを含み得る。陰極部分４１６Ａは、第１のワイヤコンベヤ４０６に接触するように構成されてもよく、陽極部分４１６Ｂは、第２のワイヤコンベヤ４０８に接触するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、電気テンションローラコンタクトバス４１６は、少なくとも１つの石炭チャー陰極４１０及び少なくとも１つのグラファイト陽極４１４を溶融塩浴４０２内に吊るすように付勢（bias）することができる。いくつかの実施形態では、第１のワイヤコンベヤ４０６及び第２のワイヤコンベヤ４０８は、オフセットワイヤサポート４１８によって溶融塩浴４０２の上方で支持される。オフセットワイヤサポート４１８は、第１のワイヤコンベヤ４０６及び第２のワイヤコンベヤ４０８の張力を維持することができる。オフセットワイヤサポート４１８は更に、第１のワイヤコンベヤ４０６及び第２のワイヤコンベヤ４０８を連続的又は周期的に回転させるために、モータを有する及び／又は外部モータ（図示せず）に連結されるようにすることができる。

このように、電気分解装置４００は、グラファイト陽極４１４の酸化反応によってグラファイトを生成する電解槽を形成する。いくつかの実施形態では、電解槽は、電圧が少なくとも１つの石炭チャー陰極４１０と少なくとも１つのグラファイト陽極４１４に印加されるにつれて連続的に形成される。電解槽は、石炭チャー陰極４１０を熱還元して、少なくとも１つのグラファイト陽極４１４上に電気化学的グラファイト析出物４２０を生成するように構成することができる。図４Ａ～4Ｂに示すように、少なくとも１つのグラファイト陽極４１４は一連のグラファイトロッドを有し、その一連のグラファイトロッドは、少なくとも１つの石炭チャー陰極４１０を還元して、一連のグラファイトロッド上にグラファイト析出物４２０が形成されるようにするために連続的に供給されるようにできる。幾つかの実施形態では、グラファイト析出物４２０は、第２のワイヤコンベヤ４０８を電気的に絶縁された機械的ブレード又はエッジに接触させることによってグラファイト陽極４１４から取り除くことができる。幾つかの実施形態では、グラファイト析出物４２０は、機械的ブレードの下に集めることができる。幾つかの実施形態では、チャーバスケット４１２は、溶融塩浴４０２からのチャーバスケット４１２の取り出し及び取り扱いを最小化するのに十分な石炭チャーで満たされるようにできる。

いくつかの実施形態では、グラファイト析出物４２０がグラファイト陽極４１４から分離されると、グラファイト析出物４２０を空気中又は不活性環境中に搬送することによって冷却し、次いで脱イオン水及び／又は蒸留水で洗浄してもよい。いくつかの実施形態において、洗浄により、グラファイト析出物４２０から残留塩を除去することができる。冷却されて洗浄されたグラファイト析出物４２０は、その後、任意の適切な手段によって乾燥され、品質管理のために検査されて、上述のように梱包され得る。いくつかの実施形態では、すすいだ水は、固体塩を再利用するための回収システムに送られ、溶融塩浴４０２で再利用できるようにされる。脱イオン水及び／又は蒸留水を逆浸透システムで処理して塩を回収してもよい。

別段の記載がない限り、本明細書（特許請求の範囲を除く）において使用される寸法、物理的特性などを表す数値又は表現はすべて、すべての場合において「約」という用語によって修正されていると理解される。少なくとも、特許請求の範囲に対する均等論の適用を制限する試みではないが、「約」という用語によって修飾されている明細書又は特許請求の範囲に記載されている各数値パラメータは、少なくとも、記載されている有効数字の桁数に照らして、通常の丸め技術を適用することによって解釈されるべきである。

加えて、本明細書において開示される全ての範囲は、任意の及び全ての部分範囲又はそこに包含される任意の及び全ての個々の値を記載する請求項を包含してその支持を提供すると理解されるべきである。例えば、１～１０の記載範囲は、最小値１と最大値１０との間及び／又は最長値１と最大値１０を包含する任意の及び全ての部分範囲又は個々の値；即ち、最小値１以上で始まり最大値１０以下で終わる全ての部分範囲（例えば、５．５～１０、２．３４～３．５６等）、又は１～１０の任意の値（例えば、３、５．８、９．９９９４等）を記載する請求項を包含し、その支持を提供すると考えられるべきである。

前述の説明では、説明の目的で、記載された実施形態の完全な理解を提供するために特定の名称を使用した。しかしながら、説明した実施形態を実施するために具体的な詳細が必要でないことは、当業者には明らかであろう。したがって、本明細書に記載された特定の実施形態の前述の説明は、例示及び説明の目的で提示される。これらは、網羅的であること、又は実施形態を開示された正確な形態に限定することを目的としていない。当業者であれば、上記の教示に鑑みて、多くの修正及び変形が可能であることは明らかであろう。

Claims (21)

1. 石炭を選鉱して石炭チャーを形成することと、
   前記石炭チャーを粉砕して破砕されたチャーを生成することと、
   前記破砕されたチャーを多孔質容器内に入れることと、
   前記多孔質容器を、グラファイト陽極を有する溶融塩浴に浸漬することと、
   前記グラファイト陽極上にグラファイト析出物が形成されるように前記多孔質容器と前記グラファイト陽極との間に電位を印加することと、
   前記グラファイト陽極を前記溶融塩浴から取り出すことと、
   前記グラファイト析出物を前記グラファイト陽極から分離してグラファイトフラグメントを生成することと、
   を含む、グラファイトを生成する方法。
2. 前記石炭を選鉱することが、前記石炭を不活性雰囲気内で約６００℃と約１０００℃の間にまで加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記石炭を選鉱することが、前記石炭を間接加熱ロータリーキルン内で加熱することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記破砕されたチャーが、約１００ミクロン未満の粒径を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記多孔質容器が、高い耐腐食性を有する金属からなるメッシュを有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記多孔質容器が、クロム、ニッケル、アルミニウム、スズ、及び合金のうちの少なくとも１つを有する、請求項５に記載の方法。
7. 前記溶融塩浴が、塩化カルシウム又は塩化マグネシウム塩を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記電位が約２Ｖと約３Ｖの間である、請求項１に記載の方法。
9. 前記グラファイト陽極から前記グラファイト析出物を分離することが、機械的分離プロセスを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記機械的分離プロセスが、前記グラファイト陽極を脱イオン水又は蒸留水ですすぐことを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記グラファイトフラグメントを乾燥させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記石炭を選鉱している間及び前記溶融塩浴内で前記多孔質容器と前記グラファイト陽極の間に電位を印加している間に、前記石炭の揮発性成分を捕捉することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 溶融塩浴を準備することと、
    破砕された石炭チャー及びグラファイト収集ロッドを前記溶融塩浴に加えることと、
    前記石炭チャーと前記グラファイト収集ロッドとの間に電位を印加することと、
    前記溶融塩浴を電気分解して前記石炭チャーを熱還元し、前記グラファイト収集ロッド上に電気化学的グラファイト析出物を生成することと、
    を含む、グラファイトを生成する方法。
14. 前記溶融塩浴を準備することが、塩を８００℃にまで加熱することと、前記溶融塩を電気分解して反応領域を形成することとを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記溶融塩を電気分解することが連続的に行なわれ、前記グラファイト収集ロッドが、前記石炭チャーを還元して前記電気化学的グラファイト析出物が連続的に生成されるように連続的に供給される一連のグラファイト収集ロッドを有する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記電位が、
    前記石炭チャーを含む導電性容器を前記溶融塩浴の上方に吊されている第１のワイヤコンベヤに連結し、前記グラファイト収集ロッドを前記溶融塩浴の上方に吊されている第２のワイヤコンベヤに連結することと、
    前記石炭チャー及び前記グラファイト収集ロッドが前記溶融塩浴内に吊されるように、前記第１のワイヤコンベヤ及び前記第２のワイヤコンベヤに電気テンションローラを連結することと、
    前記石炭チャーが陰極となり且つ前記グラファイト収集ロッドが陽極となるように、前記電気テンションローラに電圧を印加することと、
    によって印加され、
    炭素が、前記石炭チャーから前記電気分解された溶融塩を通って移動して、前記グラファイト収集ロッド上に析出するようにされた、請求項１５に記載の方法。
17. 前記石炭チャー及び前記グラファイト収集ロッドを前記溶融塩浴の少なくとも一部を通って搬送することと、
    グラファイト析出物を含む前記グラファイト収集ロッド及び前記導電性容器を前記溶融塩浴から取り出すことと、
    前記グラファイト析出物を前記グラファイト収集ロッドから分離することと、
    前記グラファイト析出物を脱イオン水又は蒸留水で洗浄することと、
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記グラファイト析出物を洗浄した後に、塩を取り出して再利用するために前記脱イオン水又は蒸留水を処理することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. グラファイトを生成するための電気分解装置であって、
    溶融塩浴と、
    前記溶融塩浴の上方に配置された第１のワイヤコンベヤ及び第２のワイヤコンベヤを有する電源であって、前記第１のワイヤコンベヤと前記第２のワイヤコンベヤとの間に電位を生じさせる電源と、
    前記第１のワイヤコンベヤから吊された少なくとも１つの石炭チャー陰極と、
    前記第２のワイヤコンベヤから吊された少なくとも１つのグラファイト陽極と、
    前記第１のワイヤコンベヤ及び前記第２のワイヤコンベヤに連結されるようにされた電気テンションローラコンタクトバスであって、前記少なくとも１つの石炭チャー陰極及び少なくとも１つのグラファイト陽極を前記溶融塩浴内に吊されるように付勢する、電気テンションローラコンタクトバスと、
    前記電圧が前記少なくとも１つの石炭チャー陰極及び前記少なくとも１つグラファイト陽極に印加されて前記石炭チャーが熱還元して電気化学的グラファイト析出物が前記少なくとも１つのグラファイト陽極に生成されるときに形成される電解槽と、
    を備え、
    前記少なくとも１つのグラファイト陽極が一連のグラファイトロッドを有し、前記一連のグラファイトロッドは前記少なくとも１つの石炭チャー陰極を還元して前記一連のグラファイトロッド上にグラファイト析出物が形成されるように連続的に供給されるようにされた、電気分解装置。
20. 前記溶融塩浴が、約８００℃にまで加熱された塩化カルシウム又は塩化マグネシウム塩を含む、請求項１９に記載の電気分解装置。
21. 前記電源が約２Ｖと約３Ｖの間の電圧を有する直流電源を含む、請求項１９に記載の電気分解装置。
    
    
    

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