專利名稱：徑向逆流剪切電解的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適于在連續(xù)過程中機(jī)械輔助的電離作用。根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的一個特定 的應(yīng)用是同時電解二氧化碳和水以產(chǎn)生合成氣，合成氣是一氧化碳和氫氣的混合物，因此 提供了用于在IGCC發(fā)電廠回收碳和氧氣的設(shè)備。另一個應(yīng)用是電解水或甲烷以產(chǎn)生用于 燃料的氫氣。還有另一個應(yīng)用是作為碳螯合技術(shù)的可選方案的CO2的裂化。以及另一個應(yīng) 用是碳納米管或其它納米管的高體積的連續(xù)合成。
背景技術(shù)：
二氧化碳排放普遍認(rèn)同的是必須使二氧化碳排放處于控制之下，但是技術(shù)上還不能與政策步調(diào) 一致。特別關(guān)注的是燃煤發(fā)電廠，它是電的必不可少的提供者。非氫可再生的，如風(fēng)和太陽 能是可忽略不計的能源，不到美國2006年的煤的半個百分點(diǎn)。在煤廠沒有經(jīng)濟(jì)的設(shè)備用于 碳捕獲和螯合。全球氣候變化的警報已導(dǎo)致碳稅計劃，碳稅預(yù)計為每噸二氧化碳20-200美元?，F(xiàn) 有煤廠的所有者可能合理地選擇不對減少排放做任何事，但是卻交納碳稅并將成本以增加 的比率轉(zhuǎn)移給使用的顧客。胺洗滌(amine scrubbing)和地下儲存是目前最主要的用于碳 捕獲和螯合的提議，它們過于昂貴且有正當(dāng)?shù)睦碛蓱岩伤鼈兪强煽康摹Ｃ簭S的煙氣包含粉 煤灰、大的氮?dú)馍澳?large nitrogen ballast)、以及酸雨前體NOx和S0X。廢流的體積是 非常大的。如果存在普遍采用的補(bǔ)救方案來避免因無節(jié)制地排放CO2引起的災(zāi)難性的全球氣 候變化，那么必須有一些經(jīng)濟(jì)鼓勵而不是懲罰性稅收。本發(fā)明通過將CO2從廢氣轉(zhuǎn)化為資 源，提供了用來控制二氧化碳排放的正激勵。IGCC 發(fā)電廠整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電廠依靠稱為煤氣化的工藝將煤或生物質(zhì)轉(zhuǎn)化 為易燃的合成氣(一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的混合物)。聯(lián)合循環(huán)是(1)布雷頓循 環(huán)(Brayton cycle)(其中合成氣燃燒產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動燃?xì)鉁u輪機(jī))，和(2)蘭金循環(huán) (Rankine cycle)(蒸汽渦輪機(jī)，其中來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的廢熱用于蒸汽)。對于相同的能量 輸出，IGCC廠需要比大型煤粉發(fā)電廠少10-20%的燃料。IGCC廠也使用比燃煤發(fā)電廠少約 30%的水。IGCC廠占用的面積也小得多。煤氣化是將含碳材料轉(zhuǎn)化為合成氣的工藝。甚至高硫煤、褐煤、塑料和垃圾都可以 是IGCC的燃料。氣體發(fā)生器可以按照空氣-鼓風(fēng)或氧氣-鼓風(fēng)運(yùn)行?？諝?鼓風(fēng)氣體發(fā) 生器不如使用純氧氣的氣體發(fā)生器。空氣-鼓風(fēng)氣體發(fā)生器的燃料轉(zhuǎn)化效率僅為46%對 79%，且產(chǎn)生的合成氣的能量密度或熱值僅為5. 3MJ/kg對12. 55MJ/kg。用于氧氣-鼓風(fēng)氣
6體發(fā)生器的氧氣通常通過低溫蒸餾從空氣中提取，巨大的能量吸取(energy drain)。連同合成氣，煤氣化工藝還產(chǎn)生二氧化碳(CO2)。因?yàn)椴淮嬖诘獨(dú)馍澳遥栽谘?氣_鼓風(fēng)氣體發(fā)生器中的煤氣化之后捕獲二氧化碳比從空氣_鼓風(fēng)氣體發(fā)生器進(jìn)行燃燒后 的燃?xì)馓疾东@或燃燒前的捕獲更簡單。空氣是78%氮?dú)?N2),且空氣或燃料氣中的此惰性 部分稱為氮?dú)馍澳?。合成氣燃燒產(chǎn)生的用來運(yùn)轉(zhuǎn)燃?xì)鉁u輪機(jī)的廢氣還包含必須也被捕獲的 C02。胺洗滌是碳捕獲的一種方法，且冷凍胺(chilled ammonia)是另一種方法。碳螯合一旦二氧化碳被捕獲，必須對它采取一些行動。碳捕獲隨后的事情稱為螯合。如 政策制定者目前所預(yù)想的，螯合是一種隱蔽性的傾倒方案。目的是將二氧化碳儲存在地下 或海洋中，而不是儲存在空氣中。需要運(yùn)輸和注入巨大的體積和重量、以及缺乏碳傾倒將保 持安全可靠的任何把握性使得應(yīng)優(yōu)先在廠里進(jìn)行某種處理而不是傾倒，但是目前對公用事 業(yè)和工業(yè)所排放的大量熱而臟的廢氣進(jìn)行二氧化碳處理依然是不可行的。如果捕獲由一個平均250-MW的燃煤發(fā)電廠在一年內(nèi)排放的所有二氧化碳，那么 將需要處理1. 7百萬公噸。二氧化碳?xì)怏w的密度在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下是1. 98kg/m3，因此在 溫暖的天氣的海平面壓力下，每公噸(IOOOkg)CO2占據(jù)554立方米，約為一套房子的大小。 每年，來自這個平均煤廠的二氧化碳廢氣流將裝滿一立方千米。大型煤廠每年排放多達(dá)6百萬噸。水泥廠和精煉廠以及鋼廠也是重度污染者。例 如，舊金山灣區(qū)域的殼牌Martinez煉油廠每年向大氣中傾倒超過4. 4百萬公噸C02。2005 年美國的總0)2負(fù)荷(load)超過6百萬公噸。那是超過3萬億立方米，或117萬億立方英 尺。每年運(yùn)輸如此大的重量和將如此大的體積放入地下將是昂貴的工作。掩埋的二氧化碳?xì)怏w可能滲透回到表面且泄漏出來而傷害人類或至少散逸到空 氣中。關(guān)于任何螯合方案的政治可行性，美國螯合核廢棄物的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該是有益的。核廢棄 物還沒有用于永久螯合的場所，且它的體積與僅僅一個廠的二氧化碳廢氣的體積相比是極 小的。Nevada的市民堅定地拒絕了在Yucca Mountain進(jìn)行核廢棄物傾倒的榮幸，且可以預(yù) 料到其它地方對碳傾倒也是同樣的反應(yīng)。如果增大壓力以將更多的二氧化碳填塞進(jìn)可利用的傾倒空間中，那么發(fā)生泄漏、 移動和爆發(fā)的危險增加。當(dāng)人為錯誤、不誠實(shí)和貪婪-以及地震和其它自然災(zāi)害的可能性 也被考慮時，沒有理由期望可以獲得公眾對設(shè)置碳傾倒場所的贊同?？偟恼f來，螯合不僅過于昂貴而且作為長期的解決辦法是不可行的。必須找到一 種方法將CO2轉(zhuǎn)化為無害的材料。最好的方法是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的某種東西，像合 成氣或碳納米管(管狀富勒烯)。那是本發(fā)明的目的。通過同時電解CO2和水來合成合成氣合成氣是一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的混合物，合成氣可以直接燃燒或用作使用 眾所周知的費(fèi)托合成工藝來制造合成燃料、潤滑劑或塑料的進(jìn)料。二氧化碳裂化為合成氣 可提供用于在發(fā)電廠進(jìn)行碳回收的方法，利用這樣回收的合成氣的能量密度(熱值)以便 直接燃燒以助于向燃?xì)鉁u輪機(jī)提供動力?；蛘呖梢院铣珊铣蓺鈦碇圃旖煌üぞ叩娜剂稀：?成氣的能量密度在5MJ/kg到12MJ/kg內(nèi)變動，這取決于煤氣化中使用的工藝(氧氣-鼓風(fēng) 產(chǎn)生最高的能量密度，用于較好的燃燒)。為了對比的目的，天然氣的能量密度是45MJ/kg; 汽油是 46. 9MJ/kg 或 34. 6MJ/1(131MJ/加侖)；褐煤是 14_19MJ/kg ；以及木材是 6_17MJ/kg。
如果稅收和斥責(zé)證明了在激勵電力生產(chǎn)者和其它人減少C02排放方面是無效的， 那么從碳回收重新獲得的能量可在經(jīng)濟(jì)上證明二氧化碳處理是有道理的。浙青煤的能量密 度(熱值)是24MJ/kg。12MJ/kg的回收的合成氣將回收煤的一半能量。通過碳回收減少 的煤成本將抵消二氧化碳處理的一些成本。此外，二氧化碳處理將避免過高的成本和碳螯 合的其它問題。不僅煤廠而且天然氣廠可使用碳回收來抵消二氧化碳處理的成本。如果二氧化碳的裂化是可利用的，那么除碳之外氧氣也可以被回收。在煤氣化過 程中純氧氣優(yōu)于空氣，因?yàn)榧冄鯕獗苊饬说獨(dú)馍澳覇栴}且產(chǎn)生了具有更高能量密度(約 12MJ/kg)的合成氣。對于IGCC，吹氣分離器用來產(chǎn)生氧氣-鼓風(fēng)氣體發(fā)生器用的氧氣。吹 氣分離器占廠的運(yùn)行和維護(hù)成本的約30%。依靠氧氣回收而減少的吹氣分離器成本將抵消 二氧化碳處理的成本。愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室已研制出一種工藝，他們把該工藝稱為“Syntr0lySiS(合成電 解)”，其通過在稀有金屬和陶瓷材料的靜態(tài)的電解槽中于高溫(830°C)下同時電解二氧化 碳和蒸汽來合成合成氣。該電解槽不僅昂貴，而且小。對于大體積的二氧化碳，依照此裝置 的合成電解的可擴(kuò)展性仍不清楚。本發(fā)明的目的是提供一種二氧化碳裂化器，該裂化器將能夠連續(xù)地將大量的CO2 廢氣流處理為有價值的產(chǎn)物，例如合成氣和諸如碳納米管的納米結(jié)構(gòu)。廢氣的電離分子離解(也稱為裂化)所需的能可以以許多形式轉(zhuǎn)移，包括熱能、機(jī)械能或電 能。電能可以在電弧放電中轉(zhuǎn)移，如在閃電將氧氣轉(zhuǎn)換成臭氧的情況一樣。通常，氣體諸如 二氧化碳是絕緣的，但是足夠強(qiáng)的電場將電子從分子分離，稱為離子化的過程，剩下帶正電 離子和稱為等離子體的自由電子的混合物。等離子體是良好的導(dǎo)體，所有電流在電弧放電 中流過離子化的氣體。電弧放電將能量轉(zhuǎn)移到氣體且增加離子化。根據(jù)公式P = I2R,能量通過電阻耗散(resistive dissipation)轉(zhuǎn)移到氣體的比 率與電流的平方成比例，其中P是能量，I是電流，而R是電流流過電極之間的氣體的電阻。 連接陽極和陰極的電弧放電是不期望的，不僅因?yàn)樗鼈儗?dǎo)致能量的短路所以能量不能耗散 到氣體中，而且因?yàn)樗鼈円痣姌O腐蝕。防止這些問題的常規(guī)方法是在進(jìn)料氣體和電極之 間插入電介質(zhì)例如玻璃，如在臭氧發(fā)生器領(lǐng)域眾所周知的介質(zhì)阻擋放電(DBD)反應(yīng)器中所 實(shí)踐的一樣。介質(zhì)阻擋具有平均分布在它的與進(jìn)料氣體接觸的表面上的電荷，所有沒有局 部的電荷濃度，如在裸露的金屬電極中一樣，這可能引起電弧放電和腐蝕。來自電介質(zhì)的放 電是大量的燈絲，稱為輝光(glow)或電暈(corona)，而不是一個集中的電弧。絲狀電流在 大量的極小的路徑中將電能轉(zhuǎn)移到氣體，這對于電阻耗散是有益的。然而，插入的電介質(zhì)的 電阻削弱了電極之間的氣體中的E場，所以驅(qū)使電能到達(dá)氣體中的電動勢是微弱的。需要高壓的熱等離子工藝用于工業(yè)規(guī)模的二氧化碳的裂化是不現(xiàn)實(shí)的?？蛇x方案 是稱為冷的或非等溫的等離子工藝，這是因?yàn)殡m然電子溫度是幾千度，如在熱等離子中一 樣，但是氣體溫度是溫和的，因?yàn)闅怏w沒有和電子達(dá)到熱平衡。熒光燈是一個例子。低(大 氣)壓意味著通過電子碰撞激發(fā)的氣體分子不能足夠頻繁地互相碰撞而達(dá)到熱平衡?；瑒与娀?滑動弧)冷等離子體反應(yīng)器在近似大氣壓下運(yùn)行，且在電極之間使用 瞬態(tài)電弧(transient arc)將能量轉(zhuǎn)移到氣體中用于裂化。避免了削弱電介質(zhì)阻擋的電阻。 電弧的運(yùn)動而不是電介質(zhì)阻擋防止集中的電弧放電，并且因此保護(hù)電極不被腐蝕和將電能
8擴(kuò)散到進(jìn)料氣體中。在分開的電極之間流動的氣體的對流冷卻保持氣體的溫度溫和。滑動 弧通過使電弧與其導(dǎo)電通過的氣體一起移動而解決了電解腐蝕的問題，從而移動滑動弧末 端所以氣體不會停留和腐蝕電極。該領(lǐng)域已知的滑動弧反應(yīng)器在高壓下以低電流運(yùn)行。改 進(jìn)的滑動弧版本(滑動弧II)包括一個嵌套著共軸的靜態(tài)電極的旋轉(zhuǎn)的圓柱形電極，以及 在電極之間的軸向進(jìn)料流。A. Czernichowski等人，美國專利6，924，608(2005)。已研究了滑動弧反應(yīng)器作為二氧化碳裂化為合成氣的設(shè)備。A. Czernichowski， Oil & Gas Science and Technology-Rev. IFP, Vol.56，p. 181，第 189-196 頁(2001)。另一個改進(jìn)的在高壓下運(yùn)行的滑動弧反應(yīng)器引入反向渦流(軸向逆流，如在旋風(fēng) 中一樣)，如在蘭克_赫爾胥渦流管中所進(jìn)行的一樣。切線噴射的進(jìn)料沿著管旋轉(zhuǎn)向下，并 且然后以軸向的等離子體噴射通過管底部的環(huán)狀陰極回彈至管上部的盤狀陽極。管可由裸 手拿住，極好地證明了它的冷等離子體的特性。C. S. Kalra等人，Rev. Sci. Instruments 76， 025110(2005)。已知的滑動弧反應(yīng)器的不足在于進(jìn)料氣體在電極之間的處理區(qū)域的停留時間是 短暫的。進(jìn)料氣體僅僅吹過，這需要用來移動電弧以便防止電極腐蝕。改善冷等離子體或 滑動弧反應(yīng)器的進(jìn)料停留時間是本發(fā)明的另一個目的。上述的滑動弧II和由Hayashi等人的美國專利5，817，218(1998)公開的反應(yīng)器 是反應(yīng)器的實(shí)施例，其中在電極之間存在剪切，使用剪切代替加壓氣流來防止腐蝕。兩者都 顯示了單一的移動電極。在滑動弧II中旋轉(zhuǎn)的電極是圓柱形的。Hayashi顯示了包括旋轉(zhuǎn) 的圓盤電極的冷等離子體反應(yīng)器，所述圓盤電極具有催化劑層且與涂有催化劑的固定板電 極相對。進(jìn)料對電極之間的湍流間隙(turbulent gap)是不重要的。將30_50kHz的交流 電應(yīng)用于Hayashi電極以產(chǎn)生等離子體，盡管可以使用直流電。Fleischmarm等人的美國專 利4，125，439 (1978)公開了一種用于電解的反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括共同旋轉(zhuǎn)的圓盤電極之 間的軸向進(jìn)料的工作空間。在Fleischmarm等人的設(shè)備中電解產(chǎn)物的分離依靠位于電極之 間的環(huán)狀分流器(splitter)。對反應(yīng)器存在一種需求，需求的反應(yīng)器具有能量轉(zhuǎn)移到進(jìn)料的高的比率、電極之 間的進(jìn)料的長的停留時間、最小的電極腐蝕、電極的最小的氣體覆蓋和電解產(chǎn)物的良好分 離。本發(fā)明滿足了此需求。圓盤發(fā)電機(jī)Michael Faraday在1831年發(fā)現(xiàn)通過在磁極之間的空間旋轉(zhuǎn)銅盤，他能從圓盤 的旋轉(zhuǎn)軸附近引出電流。這是第一代發(fā)電機(jī)。Tesla和許多其他人研究了后來變得著名 的同極發(fā)電機(jī)。N. Tesla, "Notes on a Unipolar Dynamo (關(guān)于單極發(fā)電機(jī)的注釋)”，The Electrical Engineer, S印.2，1891。在此，其將指的是圓盤發(fā)電機(jī)。圓盤發(fā)電機(jī)的電壓可 以小(< 3伏特)，但電流是大的(高達(dá)數(shù)百萬安培)。電流應(yīng)用包括焊接和軌道炮(rail guns) 0用于電解半反應(yīng)(half reaction)的電勢在可用圓盤發(fā)電機(jī)得到的范圍內(nèi)。J.Bockris 等人，Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 10，第 179 頁在 185(1985)公開了 一種單一的通過軸向磁場旋轉(zhuǎn)的圓盤發(fā)電機(jī)。用于水裂化的電勢在同一個圓盤的外周和軸 之間。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)通過磁場時，在圓盤軸和圓盤外周之間的電荷分離由圓盤中的自由正 電荷和自由負(fù)電荷上的相反的力產(chǎn)生。圓盤的運(yùn)動是方位角的(azimuthal)，并且磁場或B場是軸向的，所以電動勢(電壓)是徑向的，并且正電荷和負(fù)電荷是相反的，引起它們向相 反的徑向方向遷移。依據(jù)旋轉(zhuǎn)方向和橫向磁場的極性形成電流，所述電流可能徑向向內(nèi)，將 圓盤外周變成陰極，或徑向向外，將圓盤外周變?yōu)殛枠O。碳納米管合成通常稱為碳納米管的管狀富勒烯是商業(yè)上非常有價值的碳形式，該碳形式具有許 多非凡的特性。碳納米管具有100倍的鋼的抗拉強(qiáng)度，且可能是地球上最結(jié)實(shí)的材料。在 其金屬(不切實(shí)際的對稱)形式時，碳納米管可以攜帶高電流而具有很少的熱量，使得其近 似超導(dǎo)體。對于熱傳導(dǎo)，碳納米管是已知最有效的材料。每一個碳原子在卷成管的六邊形 格子中連接到其它三個碳原子。沿著其長度，碳納米管具有對腐蝕的高的抵抗度，這是因?yàn)?它們粘結(jié)性的分子結(jié)構(gòu)。目前的碳納米管合成方法的缺點(diǎn)包括無定形炭黑和與期望的結(jié)構(gòu)混合的有缺陷 的結(jié)構(gòu)、小批量、短的管長度、扭結(jié)和生成的納米管的纏結(jié)。無機(jī)納米管、納米線和其它細(xì)絲結(jié)構(gòu)也已被合成。除由碳制造之外，納米結(jié)構(gòu)也可 從以下材料制造氮化硼、金、金屬二硫?qū)倩?MX2(M = Mo、W、Nb、Ta、Hf、Ti、Zr、Re ；X = S、Se))、金屬氧化物和金屬二鹵化物。退火(annealing)被認(rèn)為在納米管合成中是有益的。退火通常理解為成型之后的 熱處理，但是機(jī)械退火或振動退火也是已知的。退火的目的是改善原子填塞入期望的格子 中；分離雜質(zhì)；以及消除結(jié)構(gòu)中的缺陷。本發(fā)明也改善了納米管在合成過程中的退火。用于連續(xù)合成碳納米管或其它納米管的大體積反應(yīng)器是本發(fā)明的另一個目的。如 果納米管可從CO2裂化殘留物中回收，即使是以很低的量回收，其也勝過抵消減少二氧化碳 排放的代價。捕獲和裂化二氧化碳的動機(jī)也可變得獲利而不是受到強(qiáng)迫。發(fā)明概述導(dǎo)電圓盤通過橫向的磁場反向旋轉(zhuǎn)，變成圓盤發(fā)電機(jī)和動態(tài)電容器(dynamic capacitor)的極板。因?yàn)槠浞聪蛐D(zhuǎn)，圓盤中感應(yīng)電流的方向是相反的；由于相反的徑向 電流流動，一個變成陰極且另一個變成陽極。在帶相反電荷的反向旋轉(zhuǎn)的圓盤之間是工作 空間，其中高剪切引起包括徑向漩渦的剪切層以便當(dāng)更多進(jìn)料軸向進(jìn)入工作空間時，連續(xù) 地軸向提取諸如合成氣的電解的輕餾分產(chǎn)物，而諸如碳納米管的電解的重餾分產(chǎn)物在外周 離開工作空間時。當(dāng)圓盤發(fā)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時，圓盤發(fā)電機(jī)上的波紋狀的電極表面剪切工作空間中的 氣體且引起峰和谷周期性地相反的脈沖電場。工作空間中的進(jìn)料的徑向向外的流動被此高 能環(huán)境中的湍流阻礙，直至進(jìn)料裂化成電解的輕餾分產(chǎn)物和重餾分產(chǎn)物。剪切通過以機(jī)械 方式向分子鍵施加應(yīng)力來協(xié)助分子分解，而剪切葉輪之間的電場以電方式向分子鍵施加應(yīng) 力。電場把分子固定在圓盤葉輪/電極之間且在它們之間排成行，而剪切把它們拆散。一種徑向逆流推動體系(radial counterflow forcing regime)，包括離心式葉 輪和軸向吸入泵，在工作空間同時形成源流-匯流電解的輕餾分產(chǎn)物的匯流朝著葉輪/電 極的旋轉(zhuǎn)軸，而進(jìn)料的源流和重餾分產(chǎn)物遠(yuǎn)離所述軸。徑向逆流(開放系統(tǒng)中的馮·卡門 旋轉(zhuǎn)流)保證了高的連續(xù)的質(zhì)量流通過反應(yīng)器和用于裂化和產(chǎn)物的離心分離的長的保留 時間。葉輪/電極之間的剪切層中的小規(guī)模漩渦實(shí)施離心分離，與小規(guī)模的漩渦相通的更 大規(guī)模的漩渦提供電解的低密度輕餾分產(chǎn)物的徑向匯流通路，例如來自水或甲烷的氫氣。
來自葉輪/電極的動量輸送在葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)軸從軸向進(jìn)料口徑向向外平流 輸送進(jìn)料和重餾分。同時，在剪切層中誘發(fā)的漩渦使進(jìn)料或重餾分產(chǎn)物離心地遠(yuǎn)離漩渦軸 (axes)，從剪切層出來且進(jìn)入靠著葉輪/電極的向外流動的層流邊界層。在邊界層中，進(jìn)料 和重餾分產(chǎn)物得到動量提高。諸如合成氣的輕餾分產(chǎn)物被取代遠(yuǎn)離邊界層而聚集在剪切 層，不會從葉輪得到同樣的動量轉(zhuǎn)移。因此，具有比輕餾分產(chǎn)物高的動量的進(jìn)料和重餾分產(chǎn) 物隨著與葉輪旋轉(zhuǎn)軸的距離的增加而具有越來越高的濃度。徑向向外流動的進(jìn)料的湍流阻抗填充靠著電極的邊界層，去掉電解產(chǎn)物且靠著電 極補(bǔ)充進(jìn)料，從而防止產(chǎn)物氣體覆蓋電極。進(jìn)料(例如CO2和水)和重餾分產(chǎn)物(例如臭氧 和固體碳)比電解產(chǎn)生的輕餾分(例如CO和H2)密度大。電解的低密度、低動量的輕餾分 產(chǎn)物被葉輪_離心和剪切_離心的進(jìn)料和重產(chǎn)物取代遠(yuǎn)離邊界層。因此，氣態(tài)的電解產(chǎn)物 被連續(xù)地從電極表面去除，為將要在這些表面進(jìn)行電解的新的進(jìn)料讓路。電解的輕餾分產(chǎn) 物在剪切層的漩渦核心濃縮，并且被徑向向內(nèi)平流輸送，以便在葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)軸處通 過軸向吸入泵提取。這些提取的輕餾分產(chǎn)物又可以是用于串聯(lián)的另一個反應(yīng)器的進(jìn)料流， 以產(chǎn)生增加的濃度的期望的輸出產(chǎn)物。在反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極之間的工作空間的剪切層包括大規(guī)模的漩渦樹形物的 徑向陣列，漩渦樹形物是會聚在葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)軸處的低壓力梯度的網(wǎng)絡(luò)，其中匯流由 軸向吸入泵產(chǎn)生。剪切層的湍流中的每一個小規(guī)模的漩渦都用作離心分離器。通過軸向吸 入泵的作用，漩渦核心內(nèi)收集的電解的輕餾分產(chǎn)物通過此分支的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)被提取。工作 空間的外周的小規(guī)模的漩渦將碳卷成納米管，而氫氣、氧氣或來自碳質(zhì)進(jìn)料裂化的其它氣 體徑向向內(nèi)被吸入通過漩渦核心且遠(yuǎn)離逐漸形成的連貫的(coherent)碳結(jié)構(gòu)。漩渦-壁相互作用也協(xié)助通過徑向漩渦徑向向內(nèi)平流輸送電解的輕餾分產(chǎn)物，徑 向漩渦是匯流通路。剪切層的漩渦一旦遇到在工作空間的外周的收縮部分，就經(jīng)歷通過其 漩渦核心的軸向回彈噴射。因?yàn)檩p餾分由于其低密度而在漩渦核心濃縮，此回彈噴射驅(qū)使 輕餾分朝著葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)軸，并且將諸如碳的電解的重餾分產(chǎn)物的漩渦擠壓成長的、 牢固的管狀結(jié)構(gòu)。橫跨工作空間的是在由相對的圓盤發(fā)電機(jī)形成的動態(tài)電容器的極板之間的電勢， 相對的圓盤發(fā)電機(jī)由于其通過軸向磁場的反向旋轉(zhuǎn)具有相反的徑向電流流動。此電容器的 極板是裂化二氧化碳或其它進(jìn)料的反應(yīng)器的電極。通過電極的反向旋轉(zhuǎn)防止了集中的電弧 放電對極板的電極腐蝕。能量密度從未有時間在電極表面處成為破壞性的點(diǎn)，因?yàn)槌跗诘?電弧通過使電弧端和剪切維持電弧的進(jìn)料機(jī)械分離的電極的反向旋轉(zhuǎn)而受到不斷地干擾。 所以存在無數(shù)的小的、短暫的、細(xì)絲放電而不是一些高電流的浪費(fèi)的和腐蝕性的電弧將電 能轉(zhuǎn)移到進(jìn)料中，以引起通過電能的電阻耗散的分子分解。通過重餾分電解產(chǎn)物逐漸形成導(dǎo)電的管狀結(jié)構(gòu)的放電將其結(jié)合在一起，并且將其 轉(zhuǎn)變成指向進(jìn)料和吸引更多碳原子到其逐漸形成的端的陰極。導(dǎo)電性較低的碳結(jié)構(gòu)例如 煤煙由于其更大的電阻而通過電流蒸發(fā)和回收，并且因此不弄亂高質(zhì)量的金屬納米管的生產(chǎn)。通過使電極旋轉(zhuǎn)，防止落下的離子對電極的腐蝕，使得落下的離子追趕移動的目 標(biāo)，并且其軌道變?yōu)榕c電極相切。電極之間的剪切層中的氣體的高的湍流破壞電極之間的 任何初始的電流路徑，且作為動態(tài)的電介質(zhì)使用。
由于動態(tài)的電介質(zhì)的保護(hù)和電極的旋轉(zhuǎn)，碳不會沉積在電極上，并且防止了催化 劑焦化。碳離子和碳粒子在剪切層中的自緊的(self-tightening)連貫的徑向漩渦中旋 轉(zhuǎn)。碳離子漩渦的旋轉(zhuǎn)引起螺線管磁場，碳離子通過螺線管磁場旋轉(zhuǎn)。因而產(chǎn)生正反饋回 路，其中來自離子旋轉(zhuǎn)的磁力擠壓離子到漩渦核心中，從而加速漩渦和引起更大的磁力。當(dāng) 自緊的碳離子旋風(fēng)在徑向壓縮力下結(jié)合成連貫的結(jié)構(gòu)時，碳納米管在剪切層中形成。由于 圓盤發(fā)電機(jī)通過磁力學(xué)振動使納米管退火，同時因?yàn)榧{米管在其螺線管磁場中自緊，漩渦 旋轉(zhuǎn)著通過磁場。這個磁力學(xué)振動也協(xié)助氣體裂化。在外周接近逐漸形成的納米管的臭氧用來氧化碳結(jié)構(gòu)中的缺陷，并且用來通過產(chǎn) 生氧化部位使納米管官能化，其它的分子可以在之后連接到此氧化部位。本發(fā)明使得目前比無價值還不如的二氧化碳變成有價值的資源。二氧化碳的排放 者具有一種避免螯合問題的方法，以及防止全球氣候變化的獲利的動機(jī)。附圖簡述

圖1顯示反應(yīng)器的軸向部分的約一半的橫截面示意圖。圖2顯示反應(yīng)器的外周部分的約一半的橫截面示意圖，如箭頭所顯示的與圖1連 接。圖1和圖2—起顯示反應(yīng)器的約一半。討論的示例性的應(yīng)用是二氧化碳和水的裂化以 產(chǎn)生合成氣以及臭氧和碳。圖3顯示去除頂部葉輪/電極的工作空間的俯視圖，顯示了用于反向旋轉(zhuǎn)葉輪/ 電極的多個驅(qū)動輪。圖4顯示通過工作空間的徑向逆流的詳細(xì)的側(cè)視圖。圖5顯示徑向漩渦核心的圖。圖6顯示工作空間的收縮部分(pinch section)和漩渦-壁相互作用的細(xì)節(jié)。圖7顯示在進(jìn)料入口的徑向逆流的細(xì)節(jié)。圖8a和圖8b顯示波紋狀的電極在反向旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生脈沖電場。圖9顯示在葉輪/電極上的葉輪葉片在反向旋轉(zhuǎn)過程中交叉。圖10顯示折流板(baffle)組件的細(xì)節(jié)。圖Ila顯示碳離子漩渦和其固有的磁場。圖lib顯示碳離子上的徑向向內(nèi)的磁力旋轉(zhuǎn)通過漩渦磁場。圖12顯示一部分工作空間的細(xì)節(jié)和其中逐漸形成的碳納米管的細(xì)節(jié)。圖13a顯示反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極之間的工作空間中的同心磁場。圖13b顯示剪切電解過程的簡化版。圖14顯示離子的旋轉(zhuǎn)通過磁場的徑向漩渦，以及由此引起的納米管的磁力學(xué)退 火。圖15顯示反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極上的導(dǎo)電部分的徑向陣列的細(xì)節(jié)。圖16顯示用于水電解的徑向逆流剪切電解反應(yīng)器的簡化版。圖17顯示通過徑向軌道炮效應(yīng)從外周噴射的納米結(jié)構(gòu)撞擊襯底(substrate)的 細(xì)節(jié)。附圖參考數(shù)字1-進(jìn)料源2-軸向進(jìn)料導(dǎo)管
2a_軸向進(jìn)料口3-底部葉輪/電極4-頂部葉輪/電極5-折流板6-葉片7-工作空間的收縮部分8-磁體9-軸向排放口10-軸向吸入泵11-合成氣容器12-蒸汽冷凝器冷卻篩組件13-絕緣的密封件14-驅(qū)動凸緣15-驅(qū)動輪16-驅(qū)動軸17-電介質(zhì)18-接觸器(contact)19-導(dǎo)電部分20-襯底詳述術(shù)語“電解”意指通過電能引起分子分解的過程，包括分解發(fā)生在電極表面的過 程和分子分解發(fā)生在帶相反電荷的電極之間的本體流體(bulk fluid)(氣體、液體或其組 合)中的過程，包括脈沖電場過程和電容耦合的等離子體過程。圖1和圖2 —起顯示了用于同時電解二氧化碳和水以產(chǎn)生合成氣的優(yōu)選實(shí)施方案 的橫截面示意圖。圖1連接到圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的約一半。余下的部分與所 顯示的部分對稱。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案的本發(fā)明的另一個應(yīng)用是裂化二氧化碳或包括甲烷和其它烷 烴的其它含碳進(jìn)料，用來合成碳納米管。各種餾分(fraction)的流動路徑由箭頭表示。另一個應(yīng)用是裂化氣態(tài)的污染物質(zhì)例如硫化氫(H2S),氨(NH3)、硫醇、含氯氟烴 (CFCs)和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，以使它們是無害的，同時回收有價值的材料。甚至熱 的和臟的廢氣流可以供給到反應(yīng)器中。例如，來自燃煤發(fā)電廠的煙氣可以直接注入而不需 要洗滌，諸如氮?dú)馍澳液退羝妮p餾分與電解污染物質(zhì)的輕餾分產(chǎn)物一起被軸向提取。合成氣應(yīng)用將作為操作反應(yīng)器的示例性實(shí)施例在下面進(jìn)行討論。然而，此實(shí)施例 的描述不應(yīng)被理解為對將反應(yīng)器應(yīng)用到其它電解或等離子體協(xié)助的反應(yīng)器工作的限制，諸 如例如，水的電解以產(chǎn)生氫氣和氧氣。權(quán)利要求將覆蓋所有的所述其它的應(yīng)用。鑒于本發(fā) 明的公開內(nèi)容，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠通過計算和實(shí)驗(yàn)使反應(yīng)器適應(yīng)工作。用于合成氣合成的進(jìn)料包括二氧化碳和水的混合物，進(jìn)料從進(jìn)料源1流過與工作 空間相通的軸向進(jìn)料導(dǎo)管2，工作空間由葉輪/電極3、4界定且在其之間，磁體8橫跨葉輪 /電極3、4。葉輪/電極圍繞軸a-a旋轉(zhuǎn)并且通過磁體8的北極和南極之間的軸向磁場B。在此顯示的是一個磁體8，磁體8引起通過兩個葉輪的軸向磁場?？蛇x地，單獨(dú)的磁體可以 橫跨單獨(dú)的葉輪/電極。在此顯示的底部葉輪包括在其中心的軸向進(jìn)料口 2a。葉輪/電極 包括其在磁體8的磁極之間的部分內(nèi)的導(dǎo)電材料，例如鋁，并且優(yōu)選在其面向工作空間的 表面上涂有催化劑，例如鎳。適當(dāng)?shù)脑O(shè)備引起葉輪/電極3、4圍繞軸a-a反向旋轉(zhuǎn)。用于引起葉輪/電極3、4 反向旋轉(zhuǎn)的優(yōu)選設(shè)備是外周驅(qū)動輪15，如在圖2和圖3中所更具體顯示的。驅(qū)動輪15嚙合 每一個葉輪/電極上的驅(qū)動凸緣14且由驅(qū)動設(shè)備(未顯示)驅(qū)動，例如通過驅(qū)動軸16連 接到驅(qū)動輪的電動機(jī)。驅(qū)動輪15優(yōu)選地是充氣輪胎，或可選地是嚙合凸緣上的齒的齒輪。 驅(qū)動輪維持葉輪/電極以期望的距離分開并且也將能量從驅(qū)動設(shè)備轉(zhuǎn)移到葉輪/電極。可 以使用其它適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，例如將發(fā)動機(jī)連接到葉輪/電極的帶驅(qū)動。反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極3、4用作至通過軸向進(jìn)料口 2a進(jìn)來的進(jìn)料的離心葉輪，從 旋轉(zhuǎn)軸a-a徑向向外朝工作空間的外周平流輸送進(jìn)料，并且也通過軸向進(jìn)料導(dǎo)管2從源1 提取進(jìn)料。進(jìn)料的流動速率可以由未顯示的進(jìn)料泵來協(xié)助，或由燃燒產(chǎn)生的進(jìn)料的壓力來 協(xié)助。動量從葉輪/電極傳輸?shù)竭M(jìn)料形成了靠著每一個葉輪/電極的邊界層和在邊界層之 間的剪切層。在剪切層內(nèi)是分形樹網(wǎng)狀的徑向漩渦。軸向吸入泵10通過在葉輪/電極之間的工作空間中的剪切層的徑向的漩渦核心 (votex core)將流體徑向向內(nèi)引到軸a_a，并且通過與大約在頂部葉輪的中心的軸向排放 口 9a相通的軸向排放導(dǎo)管9引出工作空間。在本實(shí)施例中，此軸向提取的流體是同時電解 二氧化碳和水的輕餾分產(chǎn)物，即一氧化碳和氫氣，一種被稱為合成氣的混合物。從工作空間 提取的合成氣在合成氣容器11中被收集。合成氣可以直接用作燃料或轉(zhuǎn)化為其它產(chǎn)物例 如液態(tài)交通工具用燃料。對于水電解，輕餾分產(chǎn)物將是氫氣。對于甲烷裂化，輕餾分產(chǎn)物將 是氫氣。橫跨軸向排放導(dǎo)管9的是用于使夾帶的水蒸汽冷凝的冷卻篩12a。冷卻篩通過包 括流體且與冷卻設(shè)備(未顯示)相通的冷卻儲存器(reservoir) 12來保持冷卻。從冷卻篩 滴落的冷凝物落回到折流板5上，并且旋轉(zhuǎn)中的折流板從軸a-a徑向向外平流輸送冷凝物 返回到工作空間。葉輪/電極3、4優(yōu)選地會聚到收縮部分7。在收縮部分和在工作空間的使葉輪/ 電極進(jìn)一步會聚的所有位置處，通過漩渦核心朝向軸a-a的軸向噴射是由被稱為漩渦-壁 相互作用的現(xiàn)象引起的。見圖6。設(shè)置在工作空間中的折流板5起到使軸向排放口 9a與軸向進(jìn)料口 2a分隔的作 用，以便進(jìn)料不會直接從軸向排放口出去，而是從軸向進(jìn)料口被引向徑向向外。折流板優(yōu)選 地是電介質(zhì)材料。在此顯示的折流板由葉片6連接到底部葉輪/電極3?？蛇x擇地，折流板 可以是設(shè)置在軸向進(jìn)料口和軸向排放口之間的固定結(jié)構(gòu)，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備連接到軸向進(jìn)料 導(dǎo)管和軸向排放導(dǎo)管，而且包括流動引導(dǎo)設(shè)備，例如用于改善從漩渦核心提取諸如合成氣 的輕餾分電解產(chǎn)物的徑向噴嘴。連接葉片6用來在底部葉輪/電極3旋轉(zhuǎn)時從軸a-a徑向 向外平流輸送進(jìn)料。折流板、葉片和底部葉輪/電極構(gòu)成了用于進(jìn)料的離心泵。可旋轉(zhuǎn)的 葉片和折流板組件的細(xì)節(jié)在圖10中顯示。將至少一個磁體8設(shè)置成使得其磁極在所述導(dǎo)電部分處橫跨反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電 極3、4。在此顯示的是具有所標(biāo)明極性的兩個環(huán)狀磁體和磁極之間的軸向磁場B。優(yōu)選地，
14每一個磁體8都是包括用于控制電流的設(shè)備(未顯示)以便調(diào)整磁場B的強(qiáng)度的電磁體。 當(dāng)葉輪/電極圍繞軸a-a反向旋轉(zhuǎn)時，磁場B的線與葉輪/電極的相對的導(dǎo)電部分相交，并 且每一個葉輪/電極的通過所述導(dǎo)電部分的電流流動是徑向相反的?？蛇x擇地，磁體8可以是圍繞軸向進(jìn)料導(dǎo)管和軸向排放導(dǎo)管的線圈，且線圈之間 有B場。在那個可選擇的實(shí)施方案中，葉輪/電極的導(dǎo)電部分在其旋轉(zhuǎn)軸附近，并且通過所 述B場旋轉(zhuǎn)。由于近似平行的圓盤3、4通過磁體8的磁極之間的B場而反向旋轉(zhuǎn)，所以圓盤變 成圓盤發(fā)電機(jī)(有時稱為同極發(fā)電機(jī)、單極發(fā)電機(jī)或法拉第圓盤)。每一個圓盤既是發(fā)電 機(jī)的電樞又是電容器的極板。頂部葉輪/電極4變成具有(常規(guī)的)徑向向內(nèi)的電流流動 (和徑向向外的電子流動)的陰極，以及底部葉輪/電極3變成具有徑向向外的電流流動 (和徑向向內(nèi)的電子流動)的陽極。橫跨工作空間的面向彼此的帶相反電荷的電極是由所述相反的電流流動引起的。 圓盤的反向旋轉(zhuǎn)形成動態(tài)電容器，此動態(tài)電容器具有在工作空間中的作為其電介質(zhì)的氣體 和作為其極板的圓盤發(fā)電機(jī)的電樞。通過拒絕給予用于電流流過氣體的穩(wěn)定路徑，極板之 間的剪切層中的湍流防止在葉輪/電極3、4之間電弧放電(arcing)。電極處的電解以氧化 還原反應(yīng)發(fā)生，而本體中的電解通過進(jìn)入剪切進(jìn)料的電能發(fā)生。所述電解的產(chǎn)物包括輕餾 分和重餾分。輕餾分具有小于進(jìn)料的密度(摩爾質(zhì)量)，而重餾分具有大于輕餾分的密度。 例如，甲烷裂化產(chǎn)生的氫氣具有2g/mol的摩爾質(zhì)量，而甲烷進(jìn)料是16g/mol，以及碳離子是 12g/mol。當(dāng)進(jìn)料在其徑向向外流動的過程中在高湍流中裂化時，從軸a-a徑向向外穿過工 作空間的外周來平流輸送電解的重餾分產(chǎn)物，而徑向向內(nèi)至軸向排放口 9a來平流輸送輕 餾分產(chǎn)物。當(dāng)二氧化碳和水被同時電解時，通過軸向排放口 9a提取的輕餾分產(chǎn)物包括氫氣 和一氧化碳，一種被稱為合成氣的混合物。因此二氧化碳被裂化成可以用作燃料的有用的 產(chǎn)物。重餾分產(chǎn)物包括氧氣和元素碳。氧氣可以進(jìn)一步電解成臭氧，且高E場中的受機(jī)械 力的高剪切下的碳可以被合成為長納米管。通過工作空間的外周從反應(yīng)器提取氧氣、臭氧 和碳。從外周噴射的納米結(jié)構(gòu)可撞擊襯底20 (在此未顯示，見圖17)而且變成嵌入在襯 底內(nèi)。襯底是在葉輪/電極之間的工作空間的外周用于收集電解的重餾分產(chǎn)物的一種設(shè)備。在圖2中顯示的工作空間的外周，由于在分隔的葉輪/電極3、4上大量的相反電 荷，因而在圓盤發(fā)電機(jī)之間存在強(qiáng)的電場?？梢酝ㄟ^調(diào)整電磁體8的線圈中的電流、葉輪/ 電極3、4的旋轉(zhuǎn)速度和其之間的間距來調(diào)整電場的強(qiáng)度。用于防止電弧放電的設(shè)備被設(shè)置在每一個圓盤發(fā)電機(jī)的軸向部分。所述放電防 止設(shè)備包括覆蓋圓盤的面向工作空間的表面的電介質(zhì)阻擋物17，和嚙合電極的軸向部分的 接觸器18，以便從所述軸向部分引出電流且通過電阻負(fù)載使其耗散或?qū)⑵渲苯臃烹姷降孛?中。接觸器18的接觸點(diǎn)的位置優(yōu)選地在密封件13之前，以便防止對密封件13的損害。適 當(dāng)?shù)慕佑|器18包括可滑動的刷子(brushes)或高電流DC發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其 它設(shè)備。所述軸向放電防止設(shè)備防止合成氣和氧氣在反應(yīng)器里面著火。由于葉輪/電極3、4之間的，其外周處的，在收縮部分7之外的放電，所以發(fā)生徑向的軌道炮效應(yīng)。放電磁場與圓盤內(nèi)的B場(葉輪/電極3、4之間的同心磁場-見圖13a) 之間的相互作用推動離子化的氣體和夾帶的諸如固體碳和碳納米管的逐漸形成的固體結(jié) 構(gòu)徑向向外遠(yuǎn)離軸a-a。由于已知來自軌道炮的效應(yīng)，其在此將被稱為徑向軌道炮效應(yīng)，設(shè) 置成橫跨工作空間的外周的襯底(未顯示)被撞擊和鍍覆高能矛狀物的納米結(jié)構(gòu)。參見圖 17。常規(guī)的軌道炮是一種線性推進(jìn)設(shè)備，具有連接到DC電路中的電源的導(dǎo)電的平行 軌道。連接軌道的是導(dǎo)電的保險絲。發(fā)射體置于導(dǎo)電的保險絲之前。當(dāng)使高電流沿著軌 道流動時，連接軌道的保險絲被蒸發(fā)并且離子化。通過離子化的保險絲的電弧放電引起強(qiáng) 的磁場，此強(qiáng)的磁場具有與軌道之間的磁場線相同指向的磁場線，因此，保險絲放電(fuse discharge)和其結(jié)合的離子化氣體和發(fā)射體一起沿著軌道被推出。由于軌道炮效應(yīng)，加速 度可以非常高，高達(dá)106，產(chǎn)生大約為每秒數(shù)千米量級的速度。本發(fā)明可以設(shè)想為許多陣列的徑向的軌道炮，其中圓盤葉輪/電極3、4是軌道，在 工作空間中的氣體是保險絲，并且斥力的方向是從軸a-a徑向向外。納米管、納米線和其它 納米結(jié)構(gòu)變成徑向加速的發(fā)射物，從外周發(fā)射出來且將它們自身嵌入到襯底中。嵌入襯底 中的碳納米管可制造優(yōu)良的電容器極板和優(yōu)良的太陽能收集器。由于在葉輪/電極中的相反的徑向電流，工作空間中的環(huán)狀磁場中存在同心的磁 場線，如在圖13a中所顯示的。工作空間中的碳離子的漩渦具有其通過徑向軌道炮中的放電的徑向噴射而徑向 向外延伸的軸，并且由此增大其渦度。相同的情況也適用于碳蒸氣。徑向軌道炮效應(yīng)有助 于碳納米管的形成，這是因?yàn)楣ぷ骺臻g中的碳離子漩渦是自緊的，即，它們的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生它們 自身的螺線管磁場，并且離子通過此場的旋轉(zhuǎn)引起將旋轉(zhuǎn)的離子推向漩渦軸的磁力，從而 在正反饋回路中加速漩渦和加強(qiáng)螺線管磁場，等等。見圖Ila和lib。碳離子漩渦的自緊克 服類似帶電物質(zhì)的靜電排斥且將碳離子漩渦擠壓成管狀富勒烯或碳納米管。碳蒸氣在漩渦 中掠過且變成逐漸形成的納米管的陰極末端。通過根據(jù)本發(fā)明的徑向反應(yīng)器，使用適當(dāng)?shù)脑希绲?、金、金屬二硫?qū)倩?物(metal dichalcogenide) (MX2 (Μ = Mo、W、Nb、Ta、Hf、Ti、Zr、Re ；X = S、Se))、金屬氧化 物、金屬二鹵化物和其它無機(jī)納米管、納米卷(nanoscrolls)、納米芽(nanobuds)或納米纖 維，可以合成除純碳外的其它納米纖維或納米管。即使呈無定形的形式，從本發(fā)明的反應(yīng)器 發(fā)射的固體是從工作空間的外周以徑向軌道炮效應(yīng)產(chǎn)生的高徑向加速度發(fā)射的，此固體將 具有非常高的動能。這可能使它們適用于強(qiáng)粘合的、厚的和牢固的鍍覆，例如金剛石鍍覆， 即使是在非金屬襯底上進(jìn)行鍍覆。另一個應(yīng)用是用于太陽能電池板，此太陽能電池板具有 用于將太陽能收集到襯底中的碳納米管的嵌入的細(xì)毛(fuzz)。絕緣密封件13將葉輪/電極與軸向進(jìn)料導(dǎo)管2和軸向排放導(dǎo)管9的固定部分分 隔。絕緣密封件是電介質(zhì)材料。電介質(zhì)17使頂部電極4的軸向部分和軸向排放導(dǎo)管9與 由軸向吸入泵10平流輸送的流體分隔。折流板5優(yōu)選地也用電介質(zhì)防護(hù)。電介質(zhì)17的 目的是當(dāng)通過軸向排放導(dǎo)管9軸向提取合成氣時防止通過合成氣放電。接觸器18在葉輪 /電極的在工作空間和密封件13之間的軸向部分上滑動，刷子連接到地面且具有或不具有 中間的電阻負(fù)載，這將使軸向圓盤電荷放電，造成工作室內(nèi)通過合成氣進(jìn)行的放電。在工作空間中，當(dāng)葉輪/電極3、4反向旋轉(zhuǎn)時，存在靠著每一個葉輪/電極的邊界層，其中由于動量從葉輪/電極的粘性擴(kuò)散(viscous diffusion)，流體徑向向外流動。在 邊界層之間是剪切層，其中流動是湍流的。這是開放系統(tǒng)中的馮 卡門旋轉(zhuǎn)流(s -1)，具 有連續(xù)的質(zhì)量流入(通過軸向進(jìn)料口 2a)和流出(通過軸向排放口 9a，并且也通過工作空 間的外周流出)。注意到，這和封閉系統(tǒng)(無質(zhì)量流入或流出)不同，例如通常結(jié)合馮·卡 門旋轉(zhuǎn)流研究的磁流體動力學(xué)裝備。湍流障礙妨礙徑向向外流過剪切層，迫使到來的進(jìn)料圍繞剪切層并且靠著發(fā)生氧 化還原反應(yīng)的電極。雖然單個圓盤發(fā)電機(jī)的外周和軸之間的電壓可能小(小于3伏特)， 但是此小電壓大于足夠用于在葉輪/電極3、4的表面進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的電壓。動態(tài)電容 器的每一個圓盤發(fā)電機(jī)中的電流是非常大的，所以大的相反的電荷橫跨工作空間。電荷間 距是葉輪/電極的表面之間的距離而不是圓盤發(fā)電機(jī)的半徑。通過改變外周的驅(qū)動輪的直 徑，可以改變電荷間距。外周的驅(qū)動輪也防止葉輪/電極由于它們的大的相反的電荷的吸 引而聚集在一起。葉輪/電極3、4之間的高剪切防止橫跨工作空間的電弧放電和引起各向異性的湍 流。工作空間的剪切層中的大規(guī)模的漩渦分叉成分形的分支網(wǎng)狀，從軸a-a輻射的漩渦樹 狀陣列。每一個徑向樹狀漩渦是低壓力梯度的網(wǎng)絡(luò)，其中低壓力梯度是將毛細(xì)管細(xì)結(jié)構(gòu)連 接到粘合的大規(guī)模結(jié)構(gòu)的匯流通路。軸向吸入泵10將這些漩渦核心中的電解的輕餾分產(chǎn) 物徑向向內(nèi)引到軸a-a，而同時將電解的重餾分產(chǎn)物在邊界層中徑向向外靠著葉輪、圍繞剪 切層來平流輸送。葉輪/電極3、4與軸向吸入泵10相結(jié)合構(gòu)成了由機(jī)械能驅(qū)動的徑向逆 流推動體系。徑向逆流的細(xì)節(jié)在圖4、圖5和圖7中顯示。另外，被稱為漩渦_壁相互作用的現(xiàn)象將匯流穿過剪切層的漩渦核心徑向向內(nèi)擠 壓到軸a-a。漩渦-壁相互作用的細(xì)節(jié)在圖6中顯示。在工作空間的收縮部分7處，葉輪/ 電極3、4會聚且變成更緊密地分隔，遇到收縮部分7的漩渦驅(qū)動軸向的回彈噴射，通過漩渦 核心徑向向內(nèi)至軸a-a而遠(yuǎn)離收縮部分7。從而，在工作空間的此區(qū)域的小規(guī)模的漩渦被 擠出它們的輕餾分產(chǎn)物，例如一氧化碳(摩爾質(zhì)量28g/mol)和氫氣(2g/mol)。例如氧氣 (32g/mol)、臭氧(48g/mol)、固體碳和液態(tài)水的重餾分產(chǎn)物因其高密度而被旋轉(zhuǎn)出剪切層?？偟膩碚f，由于工作空間的有序湍流的密度差，因此相對于葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)軸 a-a,存在進(jìn)料和電解的重餾分產(chǎn)物徑向向外的連續(xù)的遷移，以及電解的輕餾分產(chǎn)物徑向向 內(nèi)的連續(xù)的遷移。當(dāng)進(jìn)料在軸a-a處連續(xù)流入且電解的重餾分產(chǎn)物流出外周時，徑向逆流 推動體系和剪切層的徑向漩渦提供了用于連續(xù)地軸向提取電解的輕餾分產(chǎn)物的設(shè)備。從收縮部分7徑向向外是外周環(huán)狀物，其中反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極一起靠近。優(yōu) 選地，電極包括徑向的波紋狀物，如在圖8a和8b中所顯示的。波紋狀峰的周期性相對 (periodic opposition)在工作空間內(nèi)引起脈沖電場。頻率取決于葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)速度 和每一個葉輪/電極上的峰的數(shù)量。對于具有1000個峰的葉輪/電極來說，每一個都以2 轉(zhuǎn)每秒旋轉(zhuǎn)，那么在葉輪/電極之間的脈沖電場的頻率將是4kHz。在工作空間內(nèi)，電能電容 耦合到氣體中有助于二氧化碳和水的裂化以便產(chǎn)生合成氣，并且也有助于臭氧和納米管的 形成?？蛇x擇地，電極包括相對彎曲的葉片6，而不是徑向波紋狀物或除徑向波紋狀物之 外。這在圖9中顯示。在反向旋轉(zhuǎn)中，葉輪/電極3、4造成許多位置相互作用，在這些位置 處，葉片靠的足夠近以引起在葉片之間的放電，當(dāng)反向旋轉(zhuǎn)繼續(xù)時，相互作用的所述位置從軸a-a徑向向外移動。相對的葉片的實(shí)施方案是滑動弧反應(yīng)器，因?yàn)榱鬟^電極的進(jìn)料在收 縮部分7處被湍流妨礙，所以滑動弧反應(yīng)器具有長的停留時間的優(yōu)勢，而相互作用的位置 處的電弧反復(fù)沖擊著通過收縮部分7。在工作空間的外周環(huán)形物之間存在徑向指向的電勢，其中相隔緊密的高度帶電的 葉輪/電極之間，存在大量的自由電子，并且工作空間的軸向部分，即到來的進(jìn)料提供了場 地。用于電子徑向向內(nèi)通過工作空間的路徑是沿著任何導(dǎo)電的碳結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)電的碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn) 變成在指向進(jìn)料的結(jié)構(gòu)末端附近電解進(jìn)料的陰極。微小的陰極使碳原子依附在其陰極末端 處以聚積成管狀富勒烯或碳納米管。此細(xì)節(jié)在圖12中顯示。如在圖13a中所顯示的，在圓盤電樞(葉輪/電極3、4)之間是具有在頂部圓盤4 的旋轉(zhuǎn)方向上的同心場線的磁場(在外周處的陰極，在軸處的陽極，所以與電子流動相反 的常規(guī)的電流在圓盤反電極中是徑向向內(nèi)的)。當(dāng)帶電的物質(zhì)在漩渦中旋轉(zhuǎn)時，隨著帶電的 物質(zhì)通過圓盤之間的磁場，它們發(fā)生振動。這是磁力學(xué)振動，在圖14中更詳細(xì)地顯示。當(dāng) 漩渦的每一次旋轉(zhuǎn)的下行程(downstroke)時，諸如碳的正離子受到徑向向內(nèi)朝著軸a_a的 推動力，并且負(fù)離子受到徑向向外的推動力。湍流漩渦中的磁力學(xué)振動使動能轉(zhuǎn)移到分子中，并且從而協(xié)助分解。在二氧化碳 中旋轉(zhuǎn)通過此同心磁場的碳原子被徑向向內(nèi)牽拉朝向軸a-a，而氧原子被徑向向外牽拉。當(dāng) 上行程(upstroke)時，方向是相反的。每一個漩渦旋轉(zhuǎn)是分子鍵上的一個應(yīng)力循環(huán)，分子 鍵在那個頻率下彎曲直到它們斷裂。以與碳離子漩渦旋轉(zhuǎn)通過圓盤發(fā)電機(jī)之間的同心磁場相同的方式，發(fā)生逐漸形成 的碳納米管的磁力學(xué)退火。高頻磁力學(xué)退火改善了填塞(packing)和減少了缺陷。如一氧化碳一樣，一些裂化的二氧化碳通過徑向的漩渦軸向地提取。二氧化碳的 余下部分，加上一些一氧化碳，連同氧氣繼續(xù)徑向向外流動通過收縮部分7。碳化合物的進(jìn) 一步離解脫去第二個氧原子，留下裸露的碳離子。由于葉輪/電極3、4之間的剪切，碳離子 在漩渦中旋轉(zhuǎn)。碳離子的漩渦引起螺線管磁場，如在圖Ila中所顯示的。旋轉(zhuǎn)通過它們自身的磁 場的碳離子經(jīng)受磁力，如在圖lib中所顯示的，磁力具有徑向向內(nèi)朝漩渦軸的方向。在正反 饋回路中，徑向向內(nèi)的力使旋轉(zhuǎn)速度增加，這使磁場和磁力增加，等等。自緊的碳離子旋風(fēng)克服類似的帶電碳離子的靜電排斥以塞進(jìn)碳納米管。這些碳離 子存在于等離子體中，來自等離子的電子流過逐漸形成的碳離子漩渦，遠(yuǎn)離在外周的高電 子等離子體區(qū)域且朝著軸a_a。每一個逐漸形成的碳結(jié)構(gòu)變成了陰極末端，此陰極末端在工 作空間內(nèi)搖晃且減少在其附近的二氧化碳和一氧化碳。當(dāng)納米管的固化端被擠壓通過外周 且由纖維合成領(lǐng)域已知的適當(dāng)?shù)脑O(shè)備(未顯示)收集時，碳原子聚集到每一個電極末端，連 續(xù)地逐漸形成大量的碳納米管。因?yàn)樾L(fēng)旋轉(zhuǎn)，碳離子旋風(fēng)的螺線管磁場具有相同的極性， 因此逐漸形成的納米管的漩渦保持分離。產(chǎn)生的是平行的納米管，而不是纏結(jié)的束狀物。通過逐漸形成的碳結(jié)構(gòu)的電流通過電阻加熱使煤煙和半導(dǎo)電結(jié)構(gòu)蒸發(fā)。金屬的 (不切實(shí)際的對稱)碳納米管遭受小的電阻加熱，因?yàn)樗鼈兪莾?yōu)良的導(dǎo)體。然后，蒸發(fā)的碳 結(jié)構(gòu)被回收到金屬納米管中。因此，獲得了高期望比例的、高度導(dǎo)電的碳納米管，而沒有混 亂的煤煙和有缺陷的結(jié)構(gòu)。成功地通過工作空間而不被蒸發(fā)的碳納米管從工作空間的外周 擠出，如在圖12中所顯示的。
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徑向向外通過工作空間中的等離子體的氧氣變成臭氧(48g/mol)，另一種密實(shí)的 餾分和納米管一起被擠壓。臭氧氧化無定形碳和有缺陷的結(jié)構(gòu)，但是因?yàn)樘荚又g的非 常牢固的鍵，所以合適形成的納米管耐氧化。斷裂的納米管的端被臭氧氧化，這稱為官能 化。官能化的位置可在后來用于使其它原子連接到納米管，或用于使納米管連接到一起形 成織物或結(jié)實(shí)的電纜。圖3顯示底部葉輪/電極3的俯視圖。顯示的是由驅(qū)動軸16驅(qū)動的四個驅(qū)動輪 15。驅(qū)動輪在底部葉輪3上嚙合驅(qū)動凸緣14，引起底部葉輪如箭頭所示地旋轉(zhuǎn)?？梢允褂?更多或更少的驅(qū)動輪。頂部葉輪4 (未顯示)在其驅(qū)動凸緣處嚙合驅(qū)動輪，并且通過驅(qū)動輪 15的旋轉(zhuǎn)在與底部葉輪3相反的方向上旋轉(zhuǎn)。在圖3中顯示的外周驅(qū)動設(shè)備允許葉輪/電 極3、4的近似精確的反向旋轉(zhuǎn)，并且允許高轉(zhuǎn)矩來使它們開始旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動輪也維持緊密相 隔的高度帶電的電極之間的分離，并且防止相反的電荷吸引而使電極合在一起?？梢允褂?多于或少于四個的驅(qū)動輪。圖4是當(dāng)葉輪/電極3、4圍繞軸a-a反向旋轉(zhuǎn)時，工作空間的一部分的詳細(xì)的側(cè) 視圖。顯示的是徑向逆流。諸如一氧化碳和氫氣(合成氣)的電解的輕餾分產(chǎn)物的匯流， 以及同時的進(jìn)料和重餾分產(chǎn)物(例如氧氣和元素碳)的源流，發(fā)生在工作空間中。匯流通 過開放系統(tǒng)中的馮·卡門旋轉(zhuǎn)流中的徑向漩渦的核心。馮·卡門旋轉(zhuǎn)流是由徑向逆流推動 體系引起的，徑向逆流推動體系包括同時的軸向泵的吸入和反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極的離心 泵送。源流在層流邊界層(laminar boundary layer)中沿著葉輪/電極3、4，層流邊界層 圍繞葉輪/電極之間的包括匯流通路的剪切層。圖5顯示了一部分工作空間的另一個細(xì)節(jié)，這次從軸a-a觀察。流體流動的方向 通過磁場的規(guī)則來顯示交叉用于流走，并且點(diǎn)用于流向觀察者。朝著軸a-a流動或匯流是 由如在圖1中所顯示的軸向吸入泵10的作用以及在圖6中所顯示的漩渦_壁相互作用引 起的。從軸a-a流走是由平流輸送引起的，這是由于動量在邊界層中從葉輪/電極3、4轉(zhuǎn) 移，葉輪/電極3、4如箭頭所示反向旋轉(zhuǎn)。在層流邊界層之間是包括用于匯流的連貫的徑 向漩渦的剪切層。許多規(guī)模的無數(shù)漩渦在剪切層中。所有漩渦核心，無論漩渦旋轉(zhuǎn)的方向 是什么，都指向軸a-a。剪切層對漩渦核心中的輕餾分產(chǎn)物的匯流是可滲透的。匯流由在圖1中顯示的軸 向吸入泵10的作用推動。在漩渦核心中，由于離心漩渦分離，諸如氫氣(2g/mol)和一氧化 碳(28g/mol)的具有低摩爾質(zhì)量的餾分是高濃度的，而諸如二氧化碳(44g/mol)的重餾分 是低濃度的。低摩爾質(zhì)量餾分具有低密度，并且在漩渦旋轉(zhuǎn)中離心分離。因此，富含合成氣 的流體將被軸向泵軸向提取。在層流邊界層中，輕餾分是低濃度的，并且重餾分是高濃度的，這是由于所述離心 漩渦分離和因剪切層中的湍流障礙對到來的進(jìn)料產(chǎn)生的障礙。因此，動量將從葉輪/電極 主要轉(zhuǎn)移到重餾分和進(jìn)料，留下輕餾分滯后在從軸a-a徑向向外的流(源流)中。從軸a-a 徑向向內(nèi)，電解的輕餾分產(chǎn)物是高濃度的，并且從軸a-a徑向向外，電解的重餾分產(chǎn)物是高 濃度的。進(jìn)料被擱置在重餾分濃度和輕餾分濃度之間，直至其被裂化。進(jìn)料在葉輪/電極 之間的處理區(qū)中的長的停留時間是由剪切層的湍流障礙和由在收縮部分7的漩渦-壁相互 作用引起的，在圖6中顯示。進(jìn)料在此反應(yīng)器中的長的停留時間和電解產(chǎn)物的有效提取是 比例如滑動弧或滑動弧II反應(yīng)器的現(xiàn)有設(shè)備領(lǐng)先的重要的一步。
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圖6顯示工作空間的收縮部分7處的示例性的漩渦_壁相互作用的細(xì)節(jié)，其中 葉輪/電極3、4會集成靠近的分離。見V. Shtern等人，Ann. Rev. Fluid Mech. 1993,31 537-66。徑向漩渦由葉輪/電極3、4的反向旋轉(zhuǎn)和軸向泵10的吸入推動，徑向漩渦從軸
徑向向外靠近收縮部分7。彎曲的點(diǎn)線流線表示漩渦旋轉(zhuǎn)。向外受限的漩渦遇到障礙物，且 漩渦旋轉(zhuǎn)突然停止，這引起軸向的回彈噴射，由直的實(shí)心流線顯示。軸向的回彈噴射在與到 來的漩渦相反的方向上，即朝著軸a-a，而不是從軸a-a徑向向外。軸向的回彈噴射具有高 的軸向渦度和高的軸向動量。“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致朝向軸的壓力降，因此吸引其它的流線到軸；這進(jìn) 一步使旋轉(zhuǎn)集中，從而進(jìn)一步增加核心內(nèi)的壓力。此正反饋導(dǎo)致軸向渦度和動量的強(qiáng)的積 累，即導(dǎo)致漩渦核心的形成?！?Id. at p. 551。漩渦核心包括合成氣，合成氣是通過軸向吸入 泵10 (未顯示)的作用和漩渦_壁相互作用的推動力朝著軸a-a平流輸送的?？蛇x擇地，收縮部分可由電介質(zhì)材料制得，從而把葉輪/電極分為兩個或更多個 環(huán)狀的同心部分，每一個同心部分通過其自身的磁體帶電，且具有其自身的接地設(shè)備。這 樣，工作空間的內(nèi)部部分和外部部分的放電特征可以根據(jù)需要獨(dú)立地改變。在收縮部分7之外，在葉輪/電極會聚得更靠近的地方，由于漩渦_壁相互作用， 高的軸向渦度把碳離子旋風(fēng)自緊成納米管，如根據(jù)圖IlaUlb和12所討論的。朝著旋轉(zhuǎn)的 軸a-a的高的軸向動量防止碳漩渦被清除出工作空間，且保持陰極末端在工作空間內(nèi)搖晃 以逐漸形成納米管。因此漩渦-壁相互作用協(xié)助碳納米管的形成。來自電解的氧氣徑向向外流動通過收縮部分7，如箭頭所表示的。一些氧氣可能與 合成氣一起被軸向提取，這使得在工作空間的軸向區(qū)域的抗-電弧放電測量尤其重要。氧 氣可在其到達(dá)工作空間的外周的通道中通過電解變成臭氧。未反應(yīng)的氧氣因其較低的密度 而被回收返回，而在外周回收臭氧。圖7顯示到來的進(jìn)料的附近的徑向漩渦。漩渦核心處的合成氣是通過軸向吸入 泵10(未顯示)的作用朝著軸a-a徑向向內(nèi)平流輸送的。同時地，二氧化碳是通過底部葉 輪/電極3和其連接的葉片6和折流板5 (它們構(gòu)成了離心泵)的作用徑向向外平流輸送 的。二氧化碳的邊界層靠著葉輪電極3、4形成，這是因?yàn)槎趸急群铣蓺饷芏却螅⑶乙?此被從徑向漩渦核心退回。冷凝物也被退回到邊界層。圖8a和圖8b顯示了葉輪/電極3、4之間的一部分工作空間的細(xì)節(jié)，葉輪/電極 3、4的旋轉(zhuǎn)由箭頭顯示。顯示了葉輪/電極兩者的波紋狀橫截面。在圖8a中，峰與峰相對， 引起峰之間的放電。在圖8b中是1秒后的部分，峰與谷相對，并且放電消失。脈沖電場把 電能轉(zhuǎn)移到葉輪/電極之間的氣體，并且把放電脈沖電流轉(zhuǎn)移到逐漸形成的碳納米管，以 便使它們成為指向進(jìn)料的陰極。優(yōu)選地，峰由電介質(zhì)18形成，用來防止電極被峰之間的電 弧腐蝕。圖9顯示具有交叉的彎曲葉片而不是相對的波紋狀物的可選擇的實(shí)施方案。顯示 的是一部分底部葉輪/電極3的俯視圖。在底部葉輪/電極3上的彎曲的葉片6由實(shí)線顯 示。在頂部葉輪/電極4上相對地彎曲的葉片的位置由虛線顯示。旋轉(zhuǎn)的方向由箭頭顯示。 交叉點(diǎn)存在于頂部葉輪/電極和底部葉輪/電極的疊置的葉片之間，且當(dāng)葉輪/電極反向 旋轉(zhuǎn)時，這些交叉點(diǎn)徑向向外移動。在交叉點(diǎn)處是遍布工作空間的高的電場。由于與電弧 連接的葉片的反向旋轉(zhuǎn)，由此高的E場引起的任何電弧從軸a-a徑向向外快速地滑動。因 此，電弧不會停留在葉片上，并且防止了腐蝕。與常規(guī)的滑動電弧反應(yīng)器相比，進(jìn)料在電極
20之間的停留時間長，以便得到良好的裂化效率，這是因?yàn)殡娀』瑒硬灰揽繗怏w流動。圖10顯示折流板5和葉片6的仰視圖。折流板5可通過葉片6連接到底部葉輪 /電極3 (未顯示)。如由箭頭所表示的旋轉(zhuǎn)將進(jìn)料作為源流從軸向進(jìn)料導(dǎo)管2徑向向外平 流輸送到工作空間中。折流板和葉片形成離心泵的一部分。圖Ila顯示碳離子的螺線管漩渦。漩渦由上述徑向逆流推動體系推動。漩渦按箭 頭所表示的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)且漩渦中的正電荷即碳原子的運(yùn)動引起螺線管磁場，螺線管磁場的北 極和南極分別用N和S表示。顯示了遠(yuǎn)離漩渦核心的碳離子在漩渦中旋轉(zhuǎn)時被磁力Fb吸 引。圖lib顯示了圖Ila所示的漩渦和磁場中的碳離子。碳離子在漩渦中以速度ν通 過磁場B旋轉(zhuǎn)，并且因此經(jīng)受垂直于其它兩個矢量的磁力Fb。磁場的方向是對于漩渦軸徑 向向內(nèi)。增加的速度使螺線管B場增強(qiáng)，并且因此使磁力增加，這使速度更進(jìn)一步增加，等 等。這就是漩渦流動中的管狀碳離子結(jié)構(gòu)的自緊。與用于引起碳離子漩渦的依靠進(jìn)料壓力 的常規(guī)設(shè)備相比，本發(fā)明由機(jī)械設(shè)備中的高剪切推動漩渦。漩渦軸的方向是高度定向和平 行的，而不是任意定向的和纏結(jié)的。圖12顯示存在等離子體和通過等離子體放電的區(qū)域內(nèi)，通過工作空間的外周被 擠壓到左邊的逐漸形成的碳納米管的細(xì)節(jié)。進(jìn)料和合成氣的徑向逆流由箭頭表示，進(jìn)料和 合成氣的徑向逆流由反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極3、4和軸向吸入泵10 (未顯示)的推動體系引 起。電解用于納米管合成的含碳進(jìn)料的輕餾分產(chǎn)物通過徑向漩渦連續(xù)地被去除出處理區(qū) 域。顯示了在帶相反電荷的電極之間通過等離子(自由電子‘)的短暫的絲狀放電 (鋸齒形線)。碳離子漩渦依靠如根據(jù)圖Ila和圖lib討論的碳離子漩渦的自緊會聚成牢 固的管狀結(jié)構(gòu)。碳離子上的力是將帶正電荷的離子牽引到陰極的電力&和將離子徑向向 內(nèi)牽引朝著漩渦軸的磁力Fb。金屬碳納米管是優(yōu)良的導(dǎo)電體，所以放電將電子傳輸通過逐 漸形成的金屬碳納米管而遠(yuǎn)離等離子體和朝著軸a-a，即，朝著碳離子漩渦中的帶正電荷的 碳離子并且進(jìn)入到來的進(jìn)料中。電子通過逐漸形成的納米管或其它納米結(jié)構(gòu)流入進(jìn)料中，使得逐漸形成的端變成 優(yōu)良的陰極，此優(yōu)良的陰極減少陰極末端附近的二氧化碳和一氧化碳，并且當(dāng)離子落入陰 極末端且聚合時，使碳離子漩渦結(jié)合成具有金屬特性的連貫的結(jié)構(gòu)。通過非金屬碳結(jié)構(gòu)例 如無定形碳或半導(dǎo)體納米管的放電，蒸發(fā)這些結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兙哂斜冉饘偬技{米管高的電 阻。蒸發(fā)允許在有缺陷的結(jié)構(gòu)中的碳被回收成金屬納米管。根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器產(chǎn)生長的 金屬碳納米管，不受過量的半導(dǎo)體納米管、變形的納米管或煤煙的妨礙。纖維合成領(lǐng)域已知 的適當(dāng)?shù)脑O(shè)備(未顯示)在工作空間的外周之外或之內(nèi)收集逐漸形成的納米管。在上面的圖6中討論的漩渦-壁相互作用維持在工作空間內(nèi)搖晃的碳納米管的逐 漸形成的陰極末端。軸向回彈噴射使納米管定向?yàn)殛P(guān)于軸a-a的徑向的，并且因此防止其 纏結(jié)。與納米管一起從外周出來的臭氧用來氧化缺陷，并且因此保證生產(chǎn)高質(zhì)量的納米 管。臭氧也氧化碳納米管的端蓋，使其官能化以便后來組裝成有用的結(jié)構(gòu)。臭氧以其自身 來說是有價值的材料，并且易于在氣化器中借助增加的熱量轉(zhuǎn)變成臭氧。圖13a顯示由于在圓盤電樞中的徑向電流流動而引起的環(huán)狀磁場，圓盤電樞是葉輪/電極3、4。場線是同心的，圍繞葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)軸a-a。圓盤內(nèi)的環(huán)狀B場的方向與 頂部葉輪/電極4的旋轉(zhuǎn)方向相同。橫穿圓盤的軸向B場線指向頁面內(nèi)。圖13b顯示剪切電解過程的示意圖。圓盤內(nèi)的環(huán)狀B場線指向頁面內(nèi)。電極/葉 輪圍繞共同的軸a-a反向旋轉(zhuǎn)，并且因此引起在其之間的徑向漩渦。顯示了一個徑向漩渦 軸 b-b ο圖14顯示旋轉(zhuǎn)通過磁場線B的納米管的退火。逐漸形成的納米管的漩渦軸是b-b。 正的物質(zhì)上的磁力Fb由箭頭表示。磁力的方向隨著正的物質(zhì)通過B場的每半個旋轉(zhuǎn)而改 變，因此磁力學(xué)振動由推動的漩渦引起，并且B場橫穿漩渦?？赡軐?dǎo)致逐漸形成的碳納米管 的振動退火和二氧化碳或其它分子的振動分解。圖15顯示葉輪/電極的相對的反向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電部分19。頂部葉輪/電極的導(dǎo)電 部分由實(shí)線表示，且底部葉輪/電極的導(dǎo)電部分由交叉平行線表示。在這個實(shí)施例中，導(dǎo)電 部分19是相對于葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)軸徑向設(shè)置的金屬棒。葉輪/電極的反向旋轉(zhuǎn)使得每 一個葉輪/電極的導(dǎo)電部分變成橫跨工作空間的周期性相對。兩組導(dǎo)電部分旋轉(zhuǎn)通過軸向 磁場，且場線指向頁面外，并且因此在金屬棒中引起相反的徑向電流。棒的旋轉(zhuǎn)和與其有關(guān) 的磁場驅(qū)使離子在徑向漩渦中旋轉(zhuǎn)。圖16顯示當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于水電解時的簡化圖。在此應(yīng)用中不需要折流板。水的 進(jìn)料進(jìn)入軸向進(jìn)料口 2a，并且通過反向旋轉(zhuǎn)的電極/葉輪從軸a-a被徑向向外離心泵送。 軸向B場存在于磁體8的北極和南極之間，磁體8橫跨反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極的導(dǎo)電部分 19。旋轉(zhuǎn)的方向由彎曲的箭頭表示。水分子分解成氫氣和氧氣。通過徑向漩渦朝著軸a-a 徑向向內(nèi)平流輸送氫氣，并且通過軸向排放口 9a被軸向提取。用于這種徑向向內(nèi)的平流輸 送的合適的設(shè)備是軸向吸入泵10和漩渦-壁相互作用。一個徑向漩渦是匯流通路，其軸是 b-b。比氫氣密度大的氧氣被離心遠(yuǎn)離漩渦核心并且不能跟隨氫氣。當(dāng)水的進(jìn)料在剪切電 解中被裂化時，來自電解的氧氣徑向向外朝著外周被濃縮。臭氧可能與氧氣一起在這個反 應(yīng)器中產(chǎn)生，并且沿著氧氣的路徑從軸a-a徑向向外以在外周處收集。第8頁上的圖17顯示設(shè)置橫跨葉輪/電極3、4之間的工作空間的外周的襯底20 的細(xì)節(jié)，以便襯底20由于上述的徑向軌道炮效應(yīng)與納米結(jié)構(gòu)撞擊。進(jìn)一步注釋討論已集中在二氧化碳作為納米管合成的進(jìn)料，但是，可選擇地，進(jìn)料可以是甲 烷、V0C、水、HAP或交通工具廢氣。甲烷將裂化成氫氣氣體和碳，并且氫氣氣體將作為輕餾 分產(chǎn)物被軸向地提取。氫氣具有非常低的摩爾質(zhì)量(2g/mol)，所以它將在剪切層的漩渦核 心中濃縮且通過軸向泵吸出。或者一氧化碳可以是用于納米管的進(jìn)料，氧氣氣體被軸向地 提取。甲烷和二氧化碳的混合物也可以是用于生產(chǎn)合成氣和納米管的合適的進(jìn)料。包括工藝氣體流和燃燒廢氣的廢氣可以是進(jìn)料。氣態(tài)污染物例如有害的空氣污染 物(HAP)、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、硫化氫(H2S)、硫醇、揮發(fā)性 有機(jī)化合物(VOC)、含氯氟烴(CFC)和氨通過剪切電解裂化，產(chǎn)生有價值的輕餾分電解產(chǎn)物 氫氣、氧氣、碳和硫。軸向提取的輕餾分可包括具有比進(jìn)料低的摩爾質(zhì)量的電解產(chǎn)物，例如 氫氣，和氮?dú)馍澳乙约盁煔庵械乃羝蚱渌鼜U氣體進(jìn)料。當(dāng)進(jìn)料流入且輕餾分被軸向提 取時，重餾分例如元素碳、元素硫、水銀、粉塵和飛灰可流出外周。徑向逆流推動體系中的餾 分的離心分離允許高的流速。
熱廢氣流例如煙氣、發(fā)動機(jī)廢氣、燃?xì)鉁u輪廢氣和工藝蒸汽可以被裂化，使用進(jìn)料 熱量從電場和從剪切中增加能量輸入以達(dá)到需要的能量以克服待裂化的污染物的鍵能。這 將消除對洗滌器的需求和其伴隨的廢水和淤積物的處理問題。飛灰將沖刷電極并且防止焦 化。本發(fā)明公開了一種用于連續(xù)剪切電解的反應(yīng)器，以足夠規(guī)?；厥苟趸嫁D(zhuǎn)化 為合成氣來提供碳螯合的備選方案以便解決全球氣候變化。連續(xù)意指當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行時，在 穩(wěn)定的流動通過過程中，進(jìn)料進(jìn)入而產(chǎn)物離開。連續(xù)的不是必然地意味著反應(yīng)器是一直開 著的。相對的是分批處理過程(batch process)，其中進(jìn)料停止而該批次繼續(xù)工作，然后傾 倒產(chǎn)物，然后更多的進(jìn)料被引入用于下一次批次。剪切電解是一個新的概念，使用機(jī)械能和電能的組合，加入到進(jìn)料的焓用來裂化 分子，例如一氧化碳和水，同時防止電極腐蝕和有效地提取徑向逆流中的電解產(chǎn)物。實(shí)施例 不作為限制給出，而是用來說明本發(fā)明的重要應(yīng)用。碳螯合是全球氣候變化中主要的未解 決的問題，并且剪切電解可以解決碳螯合問題。雙圓盤發(fā)電機(jī)組件在圖1和圖2中顯示。當(dāng)葉輪/電極3、4圍繞它們共同的軸 a-a旋轉(zhuǎn)通過橫向的磁場線時，平行的同軸的反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極3、4變成平行的圓盤發(fā) 電機(jī)，并且?guī)喾措姾傻碾姌O界定在葉輪/電極3、4之間的工作空間。反向旋轉(zhuǎn)通過共同 的橫向磁場在圖1和圖2中顯示。那里的場線來自具有其橫跨葉輪/電極兩者的磁極的單 個電磁體?？蛇x擇地，每一個葉輪/電極可具有其自身的橫跨的磁體，或每一個葉輪/電極 可通過與電源相通的滑動接觸器帶電。可以使用橫跨的磁體的許多不同的構(gòu)造，例如多個 小半徑螺旋狀電磁體的相對的環(huán)形物，或具有寬半徑的相對的線圈。權(quán)利要求將覆蓋葉輪 /電極的這些實(shí)施方案和其它等同物。根據(jù)已知的法拉第圓盤或圓盤發(fā)電機(jī)的原理，葉輪/電極通過無論什么類型的橫 跨的磁體的橫向磁場進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，使得電流關(guān)于葉輪的旋轉(zhuǎn)軸徑向地流入或流出。在反 向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極中的電流的相反的流動在其上形成相反的電荷，并且因此形成遍布工 作空間的電場。反向旋轉(zhuǎn)的電極的波紋狀的輪廓引起此電場產(chǎn)生脈沖。見圖8a和Sb。用于引起葉輪/電極反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備可以是連接到發(fā)動機(jī)的一個或多個外周驅(qū) 動輪15，如在圖1和尤其在圖2中所顯示的，或連接到每一個葉輪/電極的單獨(dú)的驅(qū)動設(shè) 備，諸如例如，連接到電動機(jī)的帶驅(qū)動。外周驅(qū)動輪的優(yōu)勢是簡單、高轉(zhuǎn)矩、耐用、其提供用 于驅(qū)動葉輪/電極的近似精確的反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備的事實(shí)、和其提供用于保持葉輪/電極分 離(盡管有來自其相反的電荷的吸引力)的設(shè)備的事實(shí)。反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極的離心泵送是從軸a-a徑向向外平流輸送流體，該離心泵 送提供了用于引入進(jìn)料流過軸向進(jìn)料導(dǎo)管并進(jìn)入工作空間的設(shè)備。可通過軸向進(jìn)料導(dǎo)管上 游的一個或多個進(jìn)料泵提供另外的設(shè)備。平流輸送意指通過壓力或響應(yīng)機(jī)械設(shè)備來引起流動。折流板不是本發(fā)明的基本的元件，而是用于氣態(tài)進(jìn)料的處理時，折流板是優(yōu)選的。 折流板5可連接到具有軸向進(jìn)料口 2a的葉輪/電極，以便形成離心泵的一部分，或者可靜 態(tài)地放置在軸向進(jìn)料口 2a和軸向排放口 9a之間。折流板提供用于防止從軸向進(jìn)料口到軸 向排放口的直接流動的設(shè)備，使得進(jìn)料被葉輪/電極徑向向外平流輸送。靜態(tài)的折流板也 可包括噴嘴或用于引導(dǎo)吸力從軸向吸入泵更直接地朝著向內(nèi)指向漩渦核心的其它設(shè)備，以提取出漩渦核心的內(nèi)容物以便軸向排放，同時排除具有圍繞其的更重產(chǎn)物的區(qū)域。當(dāng)通過反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極的離心泵送將進(jìn)料徑向向外平流輸送通過工作空 間時，工作空間的剪切層中的徑向漩潤，與軸向吸入泵和/或漩渦-壁相互作用結(jié)合，提供 了用于同時徑向向內(nèi)朝著軸a-a平流輸送輕餾分的設(shè)備。輕餾分徑向向內(nèi)前行通過漩渦核 心，而進(jìn)料圍繞漩渦核心徑向向外流動，以徑向逆流由葉輪/電極3、4的旋轉(zhuǎn)和軸向吸入泵 10的吸力產(chǎn)生的驅(qū)動通過工作空間，軸向吸入泵10的吸力通過軸向排放導(dǎo)管9產(chǎn)生。當(dāng) 進(jìn)料通過軸向進(jìn)料導(dǎo)管2流入工作空間時，輕餾分流過漩渦核心且連續(xù)地流出軸向排放導(dǎo) 管。這就是徑向逆流推動體系。徑向逆流推動體系徑向向內(nèi)驅(qū)動輕餾分，徑向逆流推動體系也提供了在進(jìn)料通過 軸向進(jìn)料導(dǎo)管2流入工作空間時用于從軸a-a徑向向外平流輸送重餾分和連續(xù)地輸出到工 作空間的外周之外的設(shè)備。葉輪/電極的離心泵送作用把動量轉(zhuǎn)移到靠著其表面的流體， 由于在剪切層的漩渦中的離心分離，靠著其表面的流體富含進(jìn)料和重餾分產(chǎn)物。因?yàn)檫M(jìn)料 被電解和輕餾分產(chǎn)物(例如合成氣)被徑向向內(nèi)去除，從軸a-a徑向向外的流體愈加富含 重餾分產(chǎn)物。在外周，主要是重餾分產(chǎn)物(例如臭氧和元素碳)。超出葉輪/電極的邊緣， 在外周終止的地方，擠壓重餾分產(chǎn)物并且可捕獲用于使用。特別感興趣的是使納米結(jié)構(gòu)嵌 入在襯底中。通過電解產(chǎn)生的氧氣可在外周回收，并且重新用于IGCC廠，節(jié)省從空氣中分離氧 氣的費(fèi)用，所以本發(fā)明提供了用于氧氣回收和碳回收的設(shè)備。通過從電極和從徑向逆流的 進(jìn)料中分離電解產(chǎn)物，防止了產(chǎn)物變回進(jìn)料的逆反應(yīng)，并且有利于向前的電解反應(yīng)。氧氣甚 至可以被進(jìn)一步氧化成從這個反應(yīng)器的外周出來的臭氧。元素碳如煤煙、石墨或富勒烯是反應(yīng)器的另一種有價值的副產(chǎn)物。用于碳納米管 生產(chǎn)的含碳進(jìn)料包括二氧化碳、甲烷、丙烷和其它有機(jī)化合物。甲烷電解產(chǎn)生的氫氣被徑向 向內(nèi)除去，并且碳被徑向向外平流輸送且在高剪切中被擠壓出反向旋轉(zhuǎn)的帶相反電荷的葉 輪/電極之間的工作空間的外周。用于使反應(yīng)器產(chǎn)生納米管的進(jìn)料可以是引入的來自另一 個反應(yīng)器的已離子化的進(jìn)料，使得將不需要電解設(shè)備。緊密相隔的反向旋轉(zhuǎn)的圓盤將提供 小規(guī)模的漩渦，徑向地排成行而不是混雜在一起，如在常規(guī)的各向同性的湍流中一樣，用于 把離子卷成納米管、對其進(jìn)行退火、清除有缺陷的納米管或非導(dǎo)電納米管、以及在連續(xù)的過 程中從外周擠壓出長的纖維。由于徑向軌道炮效應(yīng)，碳納米管從外周像矛狀物射出，嵌入在 襯底中。當(dāng)進(jìn)料通過軸向進(jìn)料口被引入時，漩渦-壁相互作用和軸向吸入泵的作用驅(qū)動電 解的氫氣和其它輕餾分產(chǎn)物徑向向內(nèi)通過剪切層的漩渦核心，并且連續(xù)地離開工作空間。 在被引入工作空間之前，可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備使進(jìn)料離子化。在工作空間的外周，極小規(guī)模 的漩渦將離子化的進(jìn)料卷成長的連貫的納米管、納米線或其它納米結(jié)構(gòu)(統(tǒng)稱納米結(jié)構(gòu))， 葉輪/電極在工作空間的外周緊密地相隔。當(dāng)離子的徑向漩渦在反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極之間的磁場中旋轉(zhuǎn)時，發(fā)生納米管的 磁力學(xué)退火。葉輪/電極的導(dǎo)電部分中的相反的徑向電流引起磁場。掃過漩渦的離子的場 線驅(qū)使旋轉(zhuǎn)和拉緊被從外周擠壓出的納米結(jié)構(gòu)。對于水電解，氫氣(2g/mol)被作為輕餾分產(chǎn)物徑向向內(nèi)除去，并且氧氣可能如臭 氧一樣被徑向向外平流輸送，并且從工作空間的外周出來而回收。當(dāng)液態(tài)水在高剪切中在電極/葉輪之間被離心泵送時，液態(tài)水在電極/葉輪的表面取代氣態(tài)電解產(chǎn)物，因?yàn)橐簯B(tài)水 比氣態(tài)產(chǎn)物密度大，且因此在靠著電極/葉輪的邊界層中流動。剪切層是收集氣態(tài)產(chǎn)物的 地方，并且剪切層的漩渦離心地分離氧氣和氫氣，且氫氣徑向向內(nèi)流過漩渦核心以便軸向 提取，并且氧氣徑向向外流過外周。氧氣進(jìn)一步被氧化成在外周被回收的臭氧。
本發(fā)明提供了用于在發(fā)電廠和二氧化碳的其它排放場所進(jìn)行碳和氧氣回收的設(shè) 備。也提供了用于高體積裂化污染物的設(shè)備和用于回收有價值的材料例如碳納米管和氫氣 的變廢為寶的設(shè)備。
權(quán)利要求
一種用于連續(xù)剪切電解的徑向逆流反應(yīng)器，包括(a)近似平行且近似圓盤形狀的葉輪/電極所述葉輪/電極能夠圍繞共同的旋轉(zhuǎn)軸反向旋轉(zhuǎn)，并且被隔開以便界定在其之間的工作空間，以及所述葉輪/電極包括導(dǎo)電材料，所述導(dǎo)電材料在所述反向旋轉(zhuǎn)的過程中被相對放置橫跨所述工作空間，以及所述葉輪/電極中的一個具有在其中心附近的軸向進(jìn)料口，并且另一個葉輪/電極具有在其中心附近的軸向排放口，所述口與所述工作空間相通；(b)用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，所述用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備用于使所述葉輪/電極圍繞所述共同的旋轉(zhuǎn)軸反向旋轉(zhuǎn)；(c)用于使所述葉輪/電極帶相反電荷的設(shè)備，以便在所述反向旋轉(zhuǎn)的過程中在所述工作空間中形成電場；(d)用于連續(xù)地引入進(jìn)料的設(shè)備，所述用于連續(xù)地引入進(jìn)料的設(shè)備用于在所述葉輪/電極的反向旋轉(zhuǎn)的過程中，將用于電解的進(jìn)料連續(xù)地引入通過所述軸向進(jìn)料口并且進(jìn)入所述工作空間；(e)用于離心泵送所述進(jìn)料的設(shè)備，所述用于離心泵送所述進(jìn)料的設(shè)備用于從所述旋轉(zhuǎn)軸徑向向外離心地泵送所述進(jìn)料；(f)用于徑向向內(nèi)平流輸送輕餾分和用于連續(xù)提取的設(shè)備，在反向旋轉(zhuǎn)過程中，朝著所述旋轉(zhuǎn)軸徑向向內(nèi)平流輸送電解的輕餾分產(chǎn)物，以及通過所述軸向排放口從所述工作空間連續(xù)地提取輕餾分；以及(g)用于回收重餾分產(chǎn)物的設(shè)備，所述用于回收重餾分產(chǎn)物的設(shè)備用于從所述工作空間的外周回收電解的重餾分產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，所述用于使所述葉輪/電極帶相反電荷的設(shè)備包 括電流流動設(shè)備，所述電流流動設(shè)備用于使相反的徑向電流在所述葉輪/電極中流動，所 述電流流動設(shè)備包括至少一個橫跨的磁體，在所述反向旋轉(zhuǎn)的過程中，所述至少一個橫跨 的磁體用于引起通過所述導(dǎo)電材料的橫向的磁場。
3.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器還包括脈沖電場設(shè)備，所述脈沖電場設(shè)備 用于在所述工作空間中引起脈沖電場，所述脈沖電場設(shè)備包括反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極上的 相對的帶相反電荷的有皺褶的表面。
4.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，所述用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備包括至少一個可旋轉(zhuǎn) 的外周驅(qū)動輪，所述至少一個可旋轉(zhuǎn)的外周驅(qū)動輪同時與葉輪/電極兩者嚙合并且連接到 用于引起所述驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)的設(shè)備。
5.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，所述用于徑向向內(nèi)平流輸送輕餾分的設(shè)備包括 軸向吸入泵。
6.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器另外包括位于所述軸向進(jìn)料口和所述軸向 排放口之間的折流板。
7.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器還包括收縮部分，其中，所述葉輪/電極之 間的分隔距離是減少的。
8.如權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其中，所述折流板是靜態(tài)的，并且包括徑向的噴嘴。
9.一種用于氣體的分子分解的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括(a)近似平行且近似圓盤形狀的葉輪/電極，所述葉輪/電極能夠圍繞共同的旋轉(zhuǎn)軸反 向旋轉(zhuǎn)，并且隔開以便界定在其之間的工作空間，每一個葉輪/電極包括至少一個導(dǎo)電部分，所述導(dǎo)電部分在所述反向旋轉(zhuǎn)的過程中橫 跨所述工作空間被相對地放置，以及所述葉輪/電極中的一個具有在其中心附近的軸向進(jìn)料口以便軸向注入所述氣體，并 且另一個葉輪/電極具有在其中心附近的軸向排放口以便軸向提取氣態(tài)的輕餾分，所述口 與所述工作空間相通；(b)折流板，所述折流板位于所述軸向進(jìn)料口和所述軸向排放口之間；(c)用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，所述用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備用于使所述葉輪/電極圍繞所述 共同的旋轉(zhuǎn)軸反向旋轉(zhuǎn)；(d)用于帶相反電荷的設(shè)備，所述用于帶相反電荷的設(shè)備用于使所述葉輪/電極的所 述導(dǎo)電部分帶相反的電荷，以便在所述反向旋轉(zhuǎn)的過程中，在所述工作空間中形成電場；(e)用于連續(xù)地引入所述氣體的設(shè)備，所述用于連續(xù)地引入所述氣體的設(shè)備用于在所 述反向旋轉(zhuǎn)的過程中，將所述氣體連續(xù)地引入通過所述軸向進(jìn)料口并且進(jìn)入所述工作空間 中；(f)用于離心泵送所述氣體的設(shè)備，所述用于離心泵送所述氣體的設(shè)備用于在所述反 向旋轉(zhuǎn)的過程中從所述旋轉(zhuǎn)軸徑向向外離心泵送所述氣體；(g)用于徑向向內(nèi)平流輸送輕餾分和用于軸向提取的設(shè)備，在反向旋轉(zhuǎn)過程中，朝著所 述旋轉(zhuǎn)軸徑向向內(nèi)平流輸送電解的輕餾分產(chǎn)物，以及通過所述軸向排放口從所述工作空間 連續(xù)地軸向提取輕餾分；以及(h)用于回收重餾分的設(shè)備，所述用于回收重餾分的設(shè)備用于從所述工作空間的外周 回收重餾分。
10.如權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器，其中，所述帶相反電荷的設(shè)備包括用于產(chǎn)生軸向磁場 的設(shè)備，所述用于產(chǎn)生軸向磁場的設(shè)備用于在其反向旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生通過所述相對的導(dǎo)電 部分的軸向磁場。
11.如權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器，其中，所述用于軸向提取的設(shè)備包括軸向吸入泵，所 述軸向吸入泵通過所述軸向排放口與所述工作空間相通。
12.如權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器，其中，所述用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備包括至少一個可旋轉(zhuǎn) 的外周驅(qū)動輪，所述至少一個可旋轉(zhuǎn)的外周驅(qū)動輪同時與葉輪/電極兩者嚙合并且連接到 用于引起所述驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)的設(shè)備。
13.—種連續(xù)剪切電解進(jìn)料的方法，所述方法包括以下同時的步驟(a)將所述進(jìn)料軸向注入工作空間，所述工作空間在反向旋轉(zhuǎn)的同軸的帶相反電荷的 近似圓盤形狀的葉輪/電極之間；(b)將所述進(jìn)料徑向向外平流輸送通過所述工作空間，同時在所述葉輪/電極之間剪 切所述進(jìn)料，以便在所述工作空間中形成剪切層；(c)將電解的輕餾分產(chǎn)物徑向向內(nèi)朝著所述葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)軸平流輸送通過在所述 剪切層中的徑向漩渦的核心；(d)從所述工作空間軸向提取電解的所述輕餾分產(chǎn)物；以及(e)外周地從所述工作空間提取電解的重餾分產(chǎn)物。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述進(jìn)料是二氧化碳和水的混合物，并且電解的 所述輕餾分產(chǎn)物包括一氧化碳和氫氣。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述進(jìn)料是水，電解的所述輕餾分產(chǎn)物是氫氣， 并且電解的所述重餾分產(chǎn)物是氧氣。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，電解的重餾分產(chǎn)物是臭氧。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，電解的重餾分產(chǎn)物包括選自由以下組成的組的 材料的納米結(jié)構(gòu)碳、氮化硼、金、金屬二硫?qū)倩?MX2(M = Mo、W、Nb、Ta、Hf、Ti、&、Re ；X =S、Se))、金屬氧化物和金屬二鹵化物。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述進(jìn)料包括選自由以下組成的組的含碳化合 物一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、烷烴、二氧化碳(C02)和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述進(jìn)料包括選自由以下組成的組的化合物硫 化氫(H2S)、氨(NH4)、硫醇和含氯氟烴(CFC)。
20.一種用于合成長的納米結(jié)構(gòu)的徑向剪切反應(yīng)器，所述長的納米結(jié)構(gòu)包括碳納米管 和選自由以下組成的組的材料的納米結(jié)構(gòu)碳、氮化硼、金、金屬二硫?qū)倩?MX2(M = Mo、 W, Nb, Ta, Hf, Ti, Zr, Re ；X = S、Se))、金屬氧化物和金屬二鹵化物，所述反應(yīng)器包括(a)反向旋轉(zhuǎn)的同軸的隔開的近似圓盤形狀的離心的葉輪/電極，所述葉輪/電極圍繞 共同的旋轉(zhuǎn)軸是可旋轉(zhuǎn)的，并且界定在其之間的用于徑向逆流的工作空間，所述葉輪/電極中的一個具有在其中心附近的軸向進(jìn)料口，并且另一個葉輪/電極具 有在其中心附近的軸向排放口，所述口與所述工作空間相通，每一個葉輪/電極包括至少一個導(dǎo)電部分，所述葉輪/電極的所述導(dǎo)電部分在所述反 向旋轉(zhuǎn)的過程中跨過所述工作空間彼此相對地放置，并且連接到用于帶相反電荷的設(shè)備， 以便在所述工作空間中形成電場，以及每一個葉輪/電極包括用于離心泵送流體的設(shè)備，所述用于離心泵送流體的設(shè)備用于 通過所述工作空間徑向向外地離心泵送流體；(b)折流板，所述折流板位于所述軸向進(jìn)料口和所述軸向排放口之間；(c)用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，所述用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備連接到所述葉輪/電極，用于引起 圍繞其共同的旋轉(zhuǎn)軸的同時的反向旋轉(zhuǎn)；(d)用于連續(xù)地引入進(jìn)料的設(shè)備，所述用于連續(xù)地引入進(jìn)料的設(shè)備用于在所述反向旋 轉(zhuǎn)的過程中，將進(jìn)料連續(xù)地引入到所述工作空間中并通過所述軸向進(jìn)料口 ；(e)用于徑向向內(nèi)平流輸送輕餾分和用于連續(xù)提取的設(shè)備，在反向旋轉(zhuǎn)過程中，朝著所 述旋轉(zhuǎn)軸徑向向內(nèi)平流輸送進(jìn)料分解的輕餾分產(chǎn)物，以及通過所述軸向排放口從所述工作 空間連續(xù)地提取所述輕餾分；以及(f)用于提取納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所述用于提取納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備用于在輕餾分的所述軸 向提取和進(jìn)料的所述徑向向外的平流輸送的過程中，從所述工作空間的外周提取納米結(jié) 構(gòu)。
21.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述用于使所述葉輪/電極帶相反電荷的設(shè)備 包括至少一個橫跨的磁體，在所述葉輪/電極反向旋轉(zhuǎn)時，所述至少一個橫跨的磁體用于 引起通過所述導(dǎo)電材料的橫向的磁場，且由此在所述葉輪/電極內(nèi)引起相反的徑向電流流動。
22.如權(quán)利要求17所述的裝置，所述裝置還包括在所述帶相反電荷的葉輪/電極上的 相對的有皺褶的導(dǎo)電表面。
23.如權(quán)利要求17所述的裝置，所述裝置另外包括用于在所述進(jìn)料引入到所述工作空 間之前，使所述進(jìn)料離子化的設(shè)備。
24.用于使襯底徑向鍍覆電解的重餾分產(chǎn)物的裝置，所述裝置包括(a)反向旋轉(zhuǎn)的同軸的隔開的近似圓盤形狀的離心的葉輪/電極，所述葉輪/電極可旋 轉(zhuǎn)地圍繞共同的旋轉(zhuǎn)軸，并且界定在其之間的用于徑向逆流的工作空間，所述葉輪/電極中的一個具有在其中心附近的軸向進(jìn)料口，并且另一個葉輪/電極具 有在其中心附近的軸向排放口，所述口與所述工作空間相通，每一個葉輪/電極包括至少一個導(dǎo)電部分，所述葉輪/電極的所述導(dǎo)電部分被設(shè)置成 彼此相對地橫跨所述工作空間，并且連接到用于帶相反電荷的設(shè)備，以便在所述工作空間 中產(chǎn)生電場，以及每一個葉輪/電極包括用于離心泵送流體的設(shè)備，所述用于離心泵送流體的設(shè)備用于 通過所述工作空間徑向向外地離心泵送流體；(b)折流板，所述折流板被設(shè)置在所述軸向進(jìn)料口和所述軸向排放口之間；(c)用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，所述用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備連接到所述葉輪/電極，以便引起 同時圍繞其共同的旋轉(zhuǎn)軸的反向旋轉(zhuǎn)；(d)用于連續(xù)地引入進(jìn)料的設(shè)備，所述用于連續(xù)地引入進(jìn)料的設(shè)備用于在所述反向旋 轉(zhuǎn)的過程中，將進(jìn)料連續(xù)地引入到所述工作空間中并且通過所述軸向進(jìn)料口 ；(e)用于徑向向內(nèi)平流輸送輕餾分和用于連續(xù)提取的設(shè)備，在反向旋轉(zhuǎn)過程中，朝著所 述旋轉(zhuǎn)軸徑向向內(nèi)平流輸送進(jìn)料分解的輕餾分產(chǎn)物，以及通過所述軸向排放口從所述工作 空間連續(xù)地提取所述輕餾分；以及(f)用于放置所述襯底的設(shè)備，所述用于放置所述襯底的設(shè)備用于在所述軸向提取輕 餾分和所述在所述帶相反電荷的反向旋轉(zhuǎn)的葉輪/電極之間徑向向外泵送進(jìn)料的過程中， 將所述襯底近似垂直于所述工作空間的外周放置，以便引起在電解的重餾分產(chǎn)物和所述襯 底之間的碰撞。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中，所述用于帶相反電荷的設(shè)備包括用于在所述工 作空間內(nèi)產(chǎn)生脈沖電場的設(shè)備。
全文摘要
通過軸向磁場反向旋轉(zhuǎn)的同軸的圓盤電樞用作軸向進(jìn)料的電解電極和高剪切離心葉輪。進(jìn)料可以是二氧化碳、水、甲烷或需要電解的其它物質(zhì)。二氧化碳和水可以被連續(xù)地處理成合成氣和臭氧，使得碳和氧能夠在發(fā)電廠回收。在反向旋轉(zhuǎn)的圓盤電極之間的空間內(nèi)，包括分形樹網(wǎng)狀的徑向漩渦的剪切層為例如合成氣的輕餾分提供了徑向向內(nèi)的匯流通路，而諸如臭氧和元素碳的重餾分在靠著圓盤的邊界層內(nèi)和在圓盤外周之外徑向向外流動，在圓盤外周之外，重餾分作為諸如碳納米管的有價值的產(chǎn)物被回收。
文檔編號C25D17/00GK101983260SQ200980111988
公開日2011年3月2日 申請日期2009年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月7日
發(fā)明者W·H·麥卡欽, 大衛(wèi)·J·麥卡欽 申請人:麥卡欽公司