Устройства и способы хранения и/или фильтрования вещества

Устройства и способы хранения и/или фильтрования вещества

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящая технология относится к хранению и/или фильтрованию вещества с использованием устройства, содержащего сорбционную среду.

Предпосылки создания изобретения

Несмотря на то, что спрос на возобновляемые источники растет, человечество продолжает удовлетворять большую часть своих потребностей в энергии за счет использования нефти. Субпродукты нефти служат топливом для автомобилей, кораблей и самолетов, а в большинстве регионов земного шара их сжигают с целью производства электроэнергии. Хотя нефть является очень полезным веществом, ее запасы ограничены, а обитателям земли, как растениям, так и животным, наносится вред, непосредственно или опосредованно, когда нефть извлекается из земли, и когда субпродукты нефти сжигаются с целью получения энергии. Для того чтобы сохранить окружающую среду и удовлетворить потребности растущего населения мира в энергии, люди должны заменить нефть альтернативными веществами.

Несмотря на то, что человечеству необходимо уйти от использования нефти, существует лишь несколько альтернативных веществ, которые могут быть получены, переработаны, сохранены и использованы так же дешево и просто, как нефть, и в таких количествах, которые могут компенсировать потребность в нефти. Таким образом, нефть остается основным топливом для экономики всего мира. Ключевым фактором доминирования нефти по всему миру является высокая плотность энергии на единицу объема субпродуктов нефти, что позволяет транспортировать и хранить углеводороды с таким содержанием энергии, которое удовлетворяет потребностям общества. Бензин, например, содержит около 44,4 мегаджоулей на килограмм (МДж/кг), а дизельное топливо содержит около 45,4 МДж/кг. Водород и метан, легкодоступные альтернативы бензину и дизельному топливу, содержат около 143 МДж/кг и 55,6 МДж/кг, соответственно. Однако при комнатной температуре и атмосферном давлении, водород и метан это газы, следовательно, они менее плотные, чем углеводороды, например, бензин и дизельное топливо. Соответственно, газообразный водород содержит лишь около 0,01079 мегаджоулей на литр (МДж/л), а газообразный метан содержит лишь около 0,0378 МДж/л, в то время как бензин содержит около 32 МДж/л, а дизельное топливо содержит около 38,6 МДж/л. Если газы, подобные водороду и метану, рассматриваются в качестве замены углеводородам в мировом масштабе, необходимо иметь возможность хранить их таким образом, чтобы компенсировать их низкое содержание энергии в единице объема.

Разработаны многочисленные способы для хранения водорода и других газов при более высоких плотностях энергии на единицу объема. Первый подход состоит в хранении газа при очень высоком давлении. В то время как этот способ пригоден для многих применений, включая транспортировку газов по трубопроводам, он неосуществим в большинстве типичных применений из-за того что значительная энергия расходуется на сжатие газа. К тому же, резервуар, способный выдерживать высокое давление, слишком тяжел для большинства автомобилей, самолетов или иных машин, которые могут использовать сжатый газ в качестве топлива. Другим подходом является хранение газа в виде жидкости или жидкого раствора. Этот подход имеет ряд недостатков, к числу которых относится большая стоимость хранения. Например, подобно водороду, являющемуся одной из наиболее жизнеспособных альтернатив нефти, многие газы кипят при очень низкой температуре, а это значит, что их необходимо хранить в криогенных условиях, а на охлаждение газа до состояния жидкости или жидкого раствора и хранение в охлажденном состоянии потребуются значительные затраты энергии.

Водород и другие газы можно хранить при более высоких плотностях энергии на единицу объема в виде абсорбированного вещества или в виде гидрида металла. К сожалению, многие гидриды металлов содержат редкоземельные металлы и имеют плотности энергии на единицу объема меньше, чем углеводороды из-за того, что для хранения используются тяжелые металлы. Кроме этого, материалы, которые аккумулируют водород, такие как гранулы активированного угля, карбонизированные ткани, цеолиты и частицы гидрида, плохо проводят тепло, а это значит, что скорость, с которой можно охлаждать эти материалы с целью поглощения газа, и скорость, с которой можно нагревать эти материалы с целью выделения газа, ограничены. К тому же, эти материалы могут разрушаться или быть источником пыли и мусора, которые могут загрязнять выделяющийся газ и забивать трубопроводы питания, фитинги, клапаны и фильтры системы хранения.

Кроме того, значительная энергия затрачивается на транспортировку нефти и ее субпродуктов к тем местоположениям, где нефть перерабатывается, или ее субпродукты потребляются, в то время как большие количества возобновляемых источников, которые могут быть превращены в топливо, такие как отходы сельскохозяйственного производства, пропадают попусту. Кроме того, при сжигании углеводородов, побочные продукты этого процесса, как правило, выбрасываются в окружающую среду. Эти побочные продукты нагревают атмосферу земли. Исторически сложилось так, что всегда было трудно хранить, перерабатывать или фильтровать побочные продукты углеводородов для дальнейшего эффективного использования. Например, производитель автомобиля может считать, что хранить выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания практически нецелесообразно, поскольку они занимают слишком большой объем. Аналогично, наряду с тем, что существуют фильтры, которые удаляют твердые частицы из побочных продуктов углеводородов, трудно отфильтровать первое вещество от второго вещества, или провести реакцию побочного продукта с другим веществом с целью получения полезного вещества в ограниченном пространстве. В результате, побочные продукты углеводородов выбрасываются в воздух, попусту растрачивается потенциально выгодный источник энергии, и загрязняется окружающая среда.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.

Фиг. 2A - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза параллельных слоев сорбционной среды, включая поверхностные структуры, выполненные в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 2B - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза параллельных слоев сорбционной среды, включая поверхностные структуры, выполненные в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 2C - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза параллельных слоев сорбционной среды, включая поверхностные структуры, выполненные в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 2D - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза параллельных слоев сорбционной среды, включая поверхностные структуры, выполненные в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 3 - это технологическая схема процесса для введения вещества в сорбционную среду в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 4 - это технологическая схема процесса для выведения вещества из сорбционной среды в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг. 5 - это вид сбоку выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.

Фиг. 6A - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.

Фиг. 6B - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.

Фиг. 6C - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.

Фиг. 7 - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящей изобретения устройства для фильтрования вещества.

Фиг. 8 - это изометрическое изображение выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения устройства для фильтрования вещества.

Фиг. 9 - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества и связанной с ним системы.

Подробное описание

Настоящая заявка полностью включает посредством ссылки объект изобретения предварительной заявки США № 60/626021, поданной 9 ноября 2004 г., и озаглавленной «Многотопливная система хранения, учета и зажигания» (досье № 69545-8013US); предварительной заявки США № 61/153253, поданной 17 февраля 2009 г., и озаглавленной «Комплексная энергия» (досье № 69545-8001US); и патентной заявки США № 12/804509, поданной 21 июля 2010 г., и озаглавленной «Способ и система термохимической регенерации для обеспечения кислородсодержащего топлива, например, с помощью охлаждаемых топливом топливных форсунок» (досье № 69545-8037US). Настоящая заявка полностью включает путем ссылки объект изобретения каждой из следующих патентных заявок США, поданных одновременно 16 августа 2010 г., и озаглавленных: «Способы и устройства для определения свойств систем транспортирования жидкости» (досье № 69545-8003US); «Комплексное моделирование затрат на автогенные системы и процессы для производства энергии, материальные ресурсы и режимы питания» (досье № 69545-8025US); «Электролитическая ячейка и способ ее использования» (досье № 69545-8025US); «Устойчивое экономическое развитие за счет комплексного производства возобновляемой энергии, материальных ресурсов и режимов питания» (досье № 69545-8040US); «Системы и способы для устойчивого экономического развития за счет интегрированного комплексного производства возобновляемой энергии» (досье № 69545-8041US); «Устойчивое экономическое развитие за счет интегрированного комплексного производства возобновляемых материальных ресурсов» (досье № 69545-8042US); «Способ и система для повышения эффективности преобразования пополняемой тепловой энергии океана (SOTEC) (досье № 69545-8044US); «Система превращения газового гидрата для сбора осадков гидрата углеводорода» (досье № 69545-8045US); «Энергетическая система для обеспечения жилища» (досье № 69545-8047US); «Агрегаты преобразования энергии и соответствующие способы использования и производства» (досье № 69545-8048US); и «Композиционные материалы конструкционного назначения с внутренним армированием и соответствующие способы производства» (досье № 69545-8049US).

Описаны системы, устройства и способы хранения и/или фильтрования вещества. Сорбционная среда содержит параллельные слои сорбционного материала, отстоящие друг от друга на определенном расстоянии или переменном расстоянии. Вещество подводится на край сорбционной среды. Край сорбционной среды обеспечивает доступ к зонам между слоями сорбционной среды. Для того чтобы облегчить и/или вызвать введение (т.е. адсорбцию и/или абсорбцию) молекул вещества в сорбционную среду, от сорбционной среды может отводиться тепло. Аналогично, для того, чтобы облегчить и/или вызвать введение молекул вещества в сорбционную среду, к сорбционной среде может быть приложено напряжение первой полярности. Таким же образом, для того, чтобы облегчить и/или вызвать введение молекул вещества в сорбционную среду, может быть повышено давление, при котором находится сорбционная среда. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда содержит также поверхностные структуры, в которые вводится вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения катализатор способствует введению вещества в сорбционную среду. Вещество может быть выведено из сорбционной среды за счет подвода тепла к сорбционной среде, приложения к сорбционной среде напряжения с полярностью, противоположной первой полярности, и/или снижения давления, при котором находится сорбционная среда.

В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда заключена в сосуд. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда имеет форму трубы. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда вводит все молекулы вещества, в то время как в других вариантах реализации изобретения сорбционная среда вводит только молекулы определенного вещества или молекулы определенных соединений вещества. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда фильтрует вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда накапливает вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения на по меньшей мере часть сорбционной среды нанесен катализатор для активизации химической реакции между веществом, введенным в сорбционную среду, и другим веществом.

Система, устройства и способ далее описываются в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Следующее описание представляет специфические элементы, необходимые для полного понимания и описания этих вариантов реализации системы, устройств и способа. Тем не менее, для специалиста в данной области техники очевидно, что система может быть практически реализована без этих элементов. В других случаях, для того чтобы излишне не затруднять понимание описания вариантов реализации системы, подробно не описаны широко известные конструкции и функции.

Подразумевается, что терминологию, использующуюся в представленном ниже описании, следует интерпретировать в самом широком смысле, даже если она используется в связи с детальным описанием определенных конкретных вариантов реализации системы. Ниже некоторым терминам может быть даже придано особое значение, однако, любая терминология, которую следует интерпретировать в узком смысле, явно и конкретно определена как таковая в данном разделе «Подробное описание».

Фиг. 1 - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда 2 для хранения и/или фильтрования вещества. Сосуд 2 принимает вещество, такое как газ, через первое отверстие 10, и вещество проходит по перфорированному каналу 4, который проложен через сорбционную среду 6 внутри сосуда 2. Первый клапан 13 и второй клапан 28 могут быть открыты или закрыты в различной степени для регулирования количества вещества, поступающего в сосуд или выходящего из сосуда 2. Вещество, проходя через отверстия перфорированного канала 4, подводится к первому краю 15 сорбционной среды 6, которая включает параллельные, имеющие форму диска слои сорбционного материала, который вводит (т.е. абсорбирует или адсорбирует) вещество на слои сорбционного материала и в зоны между слоями, уменьшая объем вещества, которое введено в сорбционную среду. Следовательно, сосуд 2 может быть сконфигурирован для хранения вещества при плотности гораздо больше, чем плотность, при которой вещество существует при атмосферном давлении и температуре окружающего воздуха. Сосуд 2 включает второе отверстие 11, которое может использоваться для вытеснения вещества по мере его высвобождения из сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения сосуд 2 выполнен так, что только определенное соединение вещества вводится сорбционной средой 6, а остающиеся соединения проходят через сосуд 2 без введения. Соответственно, сосуд 2 может быть также выполнен с возможностью фильтрования вещества.

A. Сорбционная среда и поверхностные структуры

Сорбционная среда 6 сосуда 2 выполнена в виде параллельных слоев сорбционного материала, на которых и между которыми адсорбируются и абсорбируются молекулы вещества. Подходящие материалы для параллельных слоев включают графен, графит, нитрид бора, керамику, металлы и полимеры, в том числе различные комбинации и измененные формы этих материалов. Как показано ниже, в некоторых вариантах реализации изобретения материал имеет высокий коэффициент теплопередачи, который позволяет передавать тепло через каждый слой и снимать тепло с каждого слоя с целью облегчения введения или выведения вещества из сорбционной среды 6. Аналогично, в некоторых вариантах реализации изобретения материал является электропроводящим, и для облегчения введения или выведения вещества через весь слой параллельных слоев приложено напряжение. Примером подходящего материала для сорбционной среды 6 является графен, поскольку он является электропроводящим и имеет высокий коэффициент теплопередачи. В некоторых вариантах реализации изобретения каждый параллельный слой имеет толщину всего лишь в один атом, в то время как в других вариантах реализации изобретения некоторые из слоев или все слои имеют толщину больше, чем в один атом. В некоторых вариантах реализации изобретения теплопроводность и электропроводность слоя сорбционной среды 6 регулируются путем изменения толщины слоя.

Сорбционная среда 6 может быть изготовлена и сформирована в параллельные слои с использованием любого из множества известных способов. В некоторых вариантах реализации изобретения параллельные слои сорбционной среды получены отшелушиванием слоев монокристалла. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения выращен монокристалл графита, механической обработкой ему придана необходимая форма, например, форма диска, и от кристалла отшелушены слои толщиной в один атом. Перед отшелушиванием в графитовом кристалле может быть высверлено отверстие, и в процессе отшелушивания кристалл может удерживаться с помощью центральной основы, такой как перфорированный канал 4. Патент США № 6503584 и предварительная заявка США № 61/304403, которые включены в настоящую заявку путем ссылки, описывают подходящие системы и способы для отшелушивания монокристаллов с целью производства слоев сорбционного материала толщиной в один атом. С использованием аналогичных способов могут быть отшелушены многие другие материалы, включая такие соединения, как слюда, минералы для производства цеолитов и нитрид бора.

Слои сорбционной среды 6 могут быть сформированы путем дегидрирования соединения. Например, к углеводороду, такому как метан, может быть приложена энергия для диссоциации углеводорода с образованием углерода и водорода. Например, к метану может быть приложена электроэнергия на время, достаточное для получения слоя углерода сорбционной среды. Получившийся углерод может быть осажден на подложку, или ему может быть придана необходимая форма. Эти графеновые покрытия будут однородно упорядочены в слои сорбционной среды, которые можно скомпоновать на подложке параллельно друг другу.

Параллельные слои сорбционной среды 6 отделены друг от друга промежутком для того, чтобы сделать возможной введение молекул вещества на поверхности слоев сорбционной среды 6 и внутри зон между слоями сорбционной среды 6. Фиг. 2A показывает увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 200 сорбционной среды 6 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. На поверхность параллельных слоев 22 сорбционной среды 6 наносятся различные поверхностные структуры 20. Эти поверхностные структуры 20 могут содержать нанотрубки 20a, нанозавитки 20b и другие различные наноструктуры с развитой поверхностью, такие как пористые, отшелушенные, карбонизированные ткани, палочки 20c и цветовидные структуры 20d. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры позволяют сорбционной среде вводить больше вещества. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры позволяют сорбционной среде вводить определенное соединение вещества. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры позволяют сорбционной среде более быстро вводить и/или выводить молекулы вещества. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностная структура определенного типа является более предпочтительной в сравнении с другой поверхностной структурой. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения нанозавиток может быть более предпочтительным, чем нанотрубка. Нанозавиток может быть способен вводить и выводить молекулы вещества более быстро, чем нанотрубка, поскольку нанозавиток может вводить и выводить несколько молекул вещества одновременно, в то время как нанотрубка может вводить и выводить одну молекулу за раз. В некоторых вариантах реализации изобретения первый тип поверхностной структуры вводит первое соединение, и второй тип поверхностной структуры вводит второе соединение. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры 20 состоят из материала, который является электропроводящим и/или имеет высокий коэффициент теплопередачи. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры 20 состоят из углерода.

Поверхностные структуры могут быть сформированы на слоях сорбционной среды 6 с использованием ряда различных способов. Упомянутые выше родственные заявки описывают ряд способов для формирования поверхностных структур 20 на поверхностях параллельных слоев 22. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры эпитаксиально ориентированы решетчатой структурой того слоя, на который они нанесены. В некоторых вариантах реализации изобретения слой сорбционного материала покрыт поверхностными структурами до того, как рядом со слоем формируется соседний слой. В некоторых вариантах реализации изобретения для образования поверхностных структур 20 соединение дегидрируют на слое сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры выполняют функции прокладок между параллельными слоями сорбционной среды 6, разделяя их необходимым расстоянием.

В некоторых вариантах реализации изобретения расстояние между параллельными слоями достаточно велико лишь для того, чтобы ввести слой вещества толщиной в одну молекулу на поверхности каждого из параллельных слоев. В других вариантах реализации изобретения расстояние достаточно велико для того, чтобы ввести молекулы на каждый из параллельных слоев и для того, чтобы ввести по меньшей мере один слой вещества толщиной в одну молекулу в зону между параллельными слоями, а не на поверхность слоев. Например, молекулы вещества могут быть введены на поверхность слоев 22 сорбционной среды 6 и в зоны 204 между слоями 22. В некоторых вариантах реализации изобретения параллельные слои сорбционной среды 6 отстоят друг от друга на расстоянии 90 Å. Параллельные слои сорбционной среды 6 могут быть разделены расстоянием 90 Å, например, для введения природного газа. В некоторых вариантах реализации изобретения слои сорбционной среды 6 отстоят друг от друга на расстоянии больше, чем 90 Å, или меньше, чем 90 Å. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения расстояние составляет 120 Å или больше, а в других вариантах реализации изобретения расстояние меньше, чем 60 Å.

В некоторых вариантах реализации изобретения расстояние между всеми слоями сорбционной среды 6 одинаковое, в то время как в других вариантах реализации изобретения расстояние между слоями изменяется или одинаково только между некоторыми из параллельных слоев. Например, некоторые из параллельных слоев могут быть разделены расстоянием, которое позволяет вводить молекулы первого вещества, такого как метан, а некоторые из параллельных слоев могут быть разделены расстоянием, которое позволяет вводить второго вещества, такого как водород. Фиг. 2B показывает увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 200 сорбционной среды 6 в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения. Поверхностные структуры 20 нанесены на поверхность параллельных слоев 22 сорбционной среды 6. Параллельные слои 22 разделены различными расстояниями, так что размер первой зоны 210 отличается от размера второй зоны 212, которая также имеет размер, отличающийся от размера третьей зоны 214. Как отмечалось выше, изменяющееся расстояние между слоями может позволить осуществить преимущественное введение различных молекул в разные зоны. Например, первая зона 210 может быть сконфигурирована для введения метана, а вторая зона 212 может быть сконфигурирована для введения водорода. Фиг. 2C показывает увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 200 сорбционной среды 6 в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения. В варианте реализации изобретения на Фиг. 2C слои 22 сорбционной среды 6 отделены друг от друга различными расстояниями, так что сорбционная среда включает зоны первого размера, такие как зона 222, и зоны второго размера, такие как зона 224.

В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры 20 различаются по размеру. Например, на Фиг. 2B некоторые нанотрубки 20a длиннее, чем другие нанотрубки 20a. В некоторых вариантах реализации изобретения изменение размера поверхностных структур изменяет скорость, с которой они могут вводить и/или выводить вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения размеры поверхностных структур увеличиваются или уменьшаются для преимущественного введения первого соединения в сравнении со вторым соединением, или для изменения расстояния между слоями сорбционной среды 6.

В некоторых вариантах реализации изобретения зона между слоями сорбционной среды включает только первый тип поверхностной структуры. Например, третья зона 214 включает только нанотрубки. Зона между параллельными слоями сорбционной среды может включать только определенный тип поверхностной структуры для размещения определенного соединения. Например, третья зона 214 может включать нанотрубки 20a, поскольку нанотрубки способны вводить водород при более высокой плотности, чем нанозавитки, и водород необходимо ввести в третью зону 214. В некоторых вариантах реализации изобретения зона между слоями сорбционной среды включает только два типа поверхностных структур для размещения определенного соединения или соединений. Например, вторая зона 212 может включать только нанозавитки 20b и палочки 20c, поскольку нанозавитки способны вводить метан при высокой плотности, а палочки, хотя и не способны вводить метан при высокой плотности, способны вводить и выводить метан с высокой скоростью. Таким образом, нанозавитки 20b и палочки 20c могут компенсировать недостатки друг друга в конкретном применении. В некоторых вариантах реализации изобретения все поверхностные структуры, сформированные на слоях сорбционной среды, могут быть одного типа. Например, сорбционная среда может включать только нанотрубки для конкретного применения.

В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры 20 ориентированы перпендикулярно слоям 22 сорбционной среды. В других вариантах реализации изобретения по меньшей мере некоторые из поверхностных структур 20 не ориентированы перпендикулярно слоям 22 сорбционной среды, а вместо этого ориентированы под другим углом. На Фиг. 2C поверхностные структуры 20 ориентированы под разными углами по отношению к слоям 22, а не под углом 90 градусов. Поверхностная структура может быть ориентирована под определенным углом с целью увеличения площади поверхности поверхностной структуры, для увеличения скорости, с которой молекулы вводятся поверхностной структурой, для повышения плотности введения поверхностной структуры, для преимущественного введения молекул определенного соединения, или по иной причине.

В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры состоят из материала, отличающегося от материала того слоя сорбционной среды 6, с которым они связаны. Фиг. 2D показывает увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 200 сорбционной среды 6 в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения. Параллельные слои 22 сорбционной среды состоят из первого материала, такого как графен. Поверхностные структуры 20 состоят из второго материала, такого как нитрид бора. В некоторых вариантах реализации изобретения на графен нанесен промежуточный слой бора перед осаждением нитрида бора на параллельные слои 22. Поверхностные структуры могут состоять из любого количества различных материалов. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения нанотрубки 20a, нанозавитки 20b, палочки 20c и цветовидные структуры 20d состоят из гидрида бора, диборана (B₂H₆), алюмогидрида натрия, MgH₂, LiH, гидрида титана и/или другого гидрида металла или другого соединения. Процесс образования гидрида бора на промежуточном слое бора является эндотермическим, теплоту образования необходимо удалить через тот параллельный слой, на который наносится гидрид бора. Водород, например, может быть быстро введен с образованием относительно нестабильного накопления водорода из-за превосходной теплопроводности гидрида бора, которая аналогичным образом позволяет быстро выводить водород.

Расстояние между параллельными слоями может контролироваться с использованием любого из нескольких известных способов. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры нанесены на поверхность слоев сорбционной среды 6 и сконфигурированы для разделения параллельных слоев сорбционной среды 6 определенным расстоянием. На Фиг. 2D, например, поверхностные структуры 20 соседних слоев, такие как поверхностные структуры в зоне 226, контактируют друг с другом, регулируя размер зоны 226. В некоторых вариантах реализации изобретения параллельные слои скомпонованы на поддерживающем основании, таком как перфорированный канал 4, и к параллельным слоям приложены одинаковые заряды, отталкивающие слои друг от друга с целью достижения необходимого разделения. Параллельные слои могут также быть разделены необходимым расстоянием за счет осаждения атомов или соединений, выполняющих роль прокладок между слоями в процессе производства или в то время, когда слои компонуют на основании. Например, при дегидрировании соединения, атомы или молекулы прокладки могут быть нанесены между каждым изготовляемым слоем сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения параллельные слои сорбционной среды 6 формируют из исходного материала, который нагревают, что приводит к его расширению, и, таким образом, появляется возможность вставить между слоями атомы или молекулы прокладки, которые не позволяют исходному материалу вжиматься в те зоны, в которых есть атомы или молекулы прокладки. Расстояние между двумя слоями сорбционной среды 6 можно также контролировать изменением фазы в слое или в прокладке между двумя слоями, которая индуцирует силу, достаточную для обеспечения работы, требующейся для того, чтобы расположить слои на предварительно заданном расстоянии друг от друга. Расстояние между слоями можно подобрать для обеспечения опоры конструкции сосуда 2, для облегчения переноса тепла к слоям и от слоев, для обеспечения прохода света между слоями, для каталитических целей и/или с целью демпфирования.

Вещество вводится в сорбционную среду 6 путем адсорбции на поверхностях параллельных слоев сорбционной среды 6 и поверхностных структур 20 и путем абсорбции в поверхностных структурах 20 и в зонах между слоями сорбционной среды 6. Фиг. 3 - это блок-схема процесса введения вещества в сорбционную среду 6. В блоке 300 вещество подводится на край сорбционной среды. Край сорбционной среды 6 включает область, которая обеспечивает доступ к зонам между слоями сорбционной среды. Например, сосуд 2 на Фиг. 1 включает слои, имеющие форму диска, и внутренний край 15 сорбционной среды 6 обеспечивает доступ к зонам между слоями сорбционной среды. Молекулы вещества могут быть введены с внутреннего края 15 сорбционной среды 6.

В блоке 310 молекулы вещества адсорбируются на поверхностях слоев сорбционной среды 6. Как указано в настоящем описании, сорбционная среда 6 может вводить вещество тогда, когда тепло отводится от сорбционной среды 6, когда к сорбционной среде 6 приложено напряжение и/или когда повышается давление, при котором находится сорбционная среда. В некоторых вариантах реализации изобретения введению вещества способствует или введение вызывает катализатор.

В блоке 320 молекулы вещества адсорбируются на поверхности поверхностных структур, которые сформированы на слоях сорбционной среды 6. Например, молекулы вещества могут адсорбироваться на поверхности нанопалочки, которая сформирована на поверхности слоя сорбционной среды. В блоке 330 молекулы вещества абсорбируются в поверхностных структурах. Например, молекулы вещества могут абсорбироваться в нанотрубке, которая располагается на поверхности слоя сорбционной среды 6.

В блоке 340 молекулы вещества абсорбируются в зонах между слоями сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения молекулы вещества не абсорбируются в виде раствора газа в зоне между слоями сорбционной среды 6 до тех пор, пока молекулы не адсорбируются на поверхности слоев с такой плотностью, что больше не остается поверхности, на которой могут адсорбироваться молекулы, и остальные вводимые молекулы абсорбируются в виде раствора газа в зоне между двумя слоями. В некоторых вариантах реализации изобретения молекулы вещества адсорбируются через край сорбционной среды 6 и перемещают ранее адсорбированные молекулы глубже в сорбционную среду 6 до тех пор, пока воздействие недавно адсорбированных молекул не вынуждает ранее адсорбированные молекулы перейти во взвешенное состояние в зоне между слоями сорбционной среды, став частью абсорбированного раствора газа. Для специалиста в данной области техники очевидно, что в некоторых вариантах реализации изобретения молекулы вещества абсорбируются прежде, чем некоторые молекулы вещества адсорбируются, или молекулы вещества абсорбируются в то же самое время, когда молекулы вещества адсорбируются.

Вещество выводится из сорбционной среды 6 путем десорбции из адсорбированного состояния на поверхностях параллельных слоев сорбционной среды 6 и поверхностных структур 20 и путем десорбции из абсорбированного состояния в поверхностных структурах 20 и в зонах между слоями сорбционной среды 6. Фиг. 4 - это блок-схема процесса выведения вещества из сорбционной среды 6. В блоке 400 молекулы вещества десорбируются из адсорбированного состояния на поверхностях слоев сорбционной среды 6. Как указано в настоящем описании, те молекулы, которые были введены в сорбционную среду, могут быть выведены путем подвода тепла к сорбционной среде, путем приложения к сорбционной среде напряжения с полярностью, противоположной полярности, приложенной для введения вещества, путем снижения давления, при котором находится сорбционная среда и/или с использованием других механизмов, таких как облучение сорбционной среды и физическое возмущение сорбционной среды.

В блоке 410 молекулы вещества десорбируются из адсорбированного состояния на поверхности поверхностных структур сорбционной среды 6. В блоке 420 молекулы вещества десорбируются из абсорбированного состояния внутри поверхностных структур сорбционной среды 6. Как описывалось выше, разные поверхностные структуры способны десорбировать молекулы абсорбированного вещества с разными скоростями. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения цветовидные наноструктуры будут десорбировать адсорбированное вещество быстрее, чем нанотрубки, которые могут быть способны десорбировать только одну молекулу абсорбированного вещества за один раз.

В блоке 430 молекулы вещества десорбируются из абсорбированного состояния из зон между слоями сорбционной среды 6. В блоке 440 десорбированные молекулы вытесняются из сорбционной среды за край сорбционной среды. В некоторых вариантах реализации изобретения те молекулы, которые адсорбированы и, таким образом, находятся в контакте с сорбционной средой, десорбируются первыми. В некоторых вариантах реализации изобретения первыми десорбируются абсорбированные молекулы. Однако, в некоторых вариантах реализации изобрете