阅读说明：本技术 用于从一组气体或大气中分离出特定选择的气体的带通过滤器 (Band-pass filter for separating a particular selected gas from a group of gases or the atmosphere ) 是由 詹姆斯·罗伯特·德吕兹 于 2019-06-14 设计创作，主要内容包括：公开了一种质量选择性流体带通过滤器。该过滤器用于从包含两种或更多种质量物种的分子的气体样品中选择特定质量的气体分子。该过滤器提供了从一组气体或大气中选择预定气体的操作方法。质量选择性流体带通过滤器由天然或人造来源的石英玻璃组成。这提供了从由以下各项组成的组中去除预定气体的方法：~1H_2,~1H~2H,~2H_2,~1H~3H,~2H~3H,~3H,~1H_2O,~1H~2HO,~2H_2O,~1H~3HO,~2H~3HO,~3H_2O,~3He,~4He,O_2,O_3,~(12)CO_2,~(13)CO,~(14)CO_2,CO,N_2,NO,NO_2,NO_x,SiO_2,FeO,Fe_2O_3,SiF_4,HF,NH_3,SO_2,SO_3,H_2SO_4,H_2S,~(35)Cl_2,~(37)Cl_2,F_2,Al_2O_3,CaO,MnO,P_2O_5,酚类挥发性有机化合物,以及过氧酰基硝酸酯。(A mass selective fluid bandpass filter is disclosed. The filter is used to select gas molecules of a particular mass from a gas sample containing molecules of two or more mass species. The filterAn operating method is provided for selecting a predetermined gas from a group of gases or the atmosphere. The mass selective fluid band pass filter is composed of quartz glass of natural or artificial origin. This provides a method of removing a predetermined gas from the group consisting of: 1 H 2 ， 1 H 2 H， 2 H 2 ， 1 H 3 H， 2 H 3 H， 3 H， 1 H 2 O， 1 H 2 HO， 2 H 2 O， 1 H 3 HO， 2 H 3 HO， 3 H 2 O， 3 He， 4 He，O 2 ，O 3 ， 12 CO 2 ， 13 CO， 14 CO 2 ，CO，N 2 ，NO，NO 2 ，NO x ，SiO 2 ，FeO，Fe 2 O 3 ，SiF 4 ，HF，NH 3 ，SO 2 ，SO 3 ，H 2 SO 4 ，H 2 S， 35 Cl 2 ， 37 Cl 2 ，F 2 ，Al 2 O 3 ，CaO，MnO，P 2 O 5 phenolic volatile organic compounds, and peroxyacyl nitrates.)

具体实施方式

本发明的实质是发明人发现的石英玻璃新特性。它包括一种质量选择性流体带通过滤器(8)。所述质量选择性流体带通过滤器是一种过冷液体。所述过冷液体是石英玻璃(9)。所述石英玻璃，其中，石英玻璃由天然或人造源的石英构成。所述质量选择性流体带通过滤器，其中，该设备在气体分离中提供了高选择性。所述质量选择性流体带通过滤器提供了一种在此过滤器的工作范围内非常选择性地过滤具有接近的原子质量单位值的气体的方法。所述质量选择性流体带通过滤器，其中，发生最大传输的特定原子质量单位受以下因素影响，包括：玻璃的温度、跨玻璃的压差，以及玻璃的成分。由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器提供了一种方法，其中，最大传输的原子质量单位与由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器的温度直接相关。发生最大传输的特定原子质量单位受以下因素影响，包括：由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器的温度、由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器的厚度、由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器中的压差，以及由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器的成分。由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器提供了一种方法，其中，在设定的条件下，给定原子质量单位的物种(species)被选择性地传输，而较高和较低原子质量单位值的物种被选择性地阻隔，其中所述质量选择性流体带通过滤器表现出高品质或“Q”特性。由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器提供了一种方法，通过所述方法，在恒温操作下，所述质量选择性流体带通过滤器能够选择性地通过预定原子质量单位值的气体物种。由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器提供了一种在此过滤器的工作范围内非常选择性地过滤具有接近的原子质量单位值的气体的方法。

由石英玻璃制成的所述质量选择性流体带通过滤器提供了一种对该设备要过滤的气体选择性地半透过的方法。对要过滤的气体的选择性半透过的作用是基于玻璃厚度、玻璃温度、玻璃成分和跨玻璃的压差的条件。

该质量选择性过滤器提供了一种从气体混合物或大气中分离预定气体的方法。该气体选择方法由以下组成：进气口结构(6)、进气口空间(7)、质量选择性流体带通过滤器、出气口空间(10)和过滤的气体出口(11)。该气体选择方法提供了两个内部有界空间，它们被钛、不锈钢、硼硅酸盐玻璃、密封玻璃、石英玻璃和其他金属合金的结构隔开。所述质量选择性流体带通过滤器由烧结的金属管(14)组成，石英玻璃已被本领域技术人员密封在烧结的金属管(14)上。石英玻璃在表面上具有温度传感器(16)和螺旋地缠绕在其表面上的温度改变装置(19)。所述烧结的金属由选自由以下组成的组的金属构成：1)钛、2)不锈钢、3)铝，4)这些金属的合金，或5)被确定最适合给定条件的另一种金属和/或合金。在一个替代的实施例中，所述质量选择性流体带通过滤器由石英玻璃封端管组成，所述管通过多层密封玻璃(未示出)与混合适配管(conflat adapter)匹配。温度传感器在玻璃表面上，并且温度改变装置螺旋地缠绕在玻璃表面上。不锈钢、硼硅酸盐玻璃和密封玻璃的结构对于要通过该设备过滤的气体是不可透过的。石英玻璃对于要由该设备选择的气体选择性地半透过。对所描述的要由该设备过滤的气体的选择性半透过作用是基于玻璃厚度、玻璃温度、玻璃成分和跨玻璃的压差的条件。该选择的方法采用一种或多种选自由以下组成的组的效果：1)进气口，2)进气口空间，3)质量选择性流体带通过滤器，4)出气口空间，5)过滤的气体出口，以及6)未过滤的气体出口结构(12)。进气口、进气口空间、质量选择性流体带通过滤器、出气口空间和安装在壳体(21)和一个或多个端盖(20)中的未过滤的气体出口结构共同组合在一起构成了安装在壳体中的质量选择性流体带通过滤器(23)。这些单元可以顺序地和依次地组合。温度改变装置由选自以下的装置组成：a)金属电阻带；b)在预定温度下输送流体的扁平管。

图1示出了热斜坡的初始上升斜坡的一部分，其中通过³He的阀门在通过⁴He的阀门之前有选择地开启。该图是质量选择性流体过滤器关于气体³He和⁴He的行为的示例。在本发明的操作中，该操作将类似于针对预定气体选择性地打开和关闭的阀门，但在对于每种预定气体而言特定且不同的压力和温度下。此图1作为示例给出。图的纵坐标(30)y轴表示以托计的³He的分压。图原点位于(31)。图的横坐标(32)x轴表示以摄氏度计的温度。四极质谱仪的估计的本底噪声位于(33)。采样点大约间隔1分钟。(34)示出了一个时间点，其中已经超过了³He阀门的开启点并且³He正在进入高真空空间(HV)。(35)表示³He阀门的关闭点，尽管如此，温度持续升高，³He分压开始下降。(37)表示³He高“Q”阀门关闭点，因为³He分压的下降速率更加陡然地下跌。随后是位于(36)的³He高“Q”阀门开启点，其中，³He分压非常陡峭地增加。接着依次是几个随后的³He高“Q”阀门关闭点和开启点，最后是³He高“Q”阀门关闭点以及在点(38)被存在的其他气体淹没的³He信号。该曲线下的面积表示在该升温斜坡阶段期间的³He气体累积。在此时间之后，阀门选择性地开启以通过⁴He。在开启⁴He阀门以允许⁴He进入质谱仪后，4He的丰度约为³He的一百万倍，质谱仪内的总气体压力为使得本底噪声升高到³He不再能在进一步的加热斜坡和/或降温斜坡上被检测到的水平。

所述质量选择性流体带通过滤器是一种高“Q”流体带通过滤器，其特征的一个示例如图1中所示并如上所述，所述过滤器形成了从气体混合物或大气中分离预定气体的方法。公开了一种质量选择性流体带通过滤器。该过滤器用于从包含两种或更多种质量种类的分子的气体样品中选择特定质量的气体分子。该过滤器提供了从一组气体或大气中选择预定气体的操作装置。该过滤器是由石英玻璃组成的过冷液体。所述质量选择性流体带通过滤器的石英玻璃由天然或人造源的石英构成。

这些部件和结构根据本领域技术人员的当前实践进行组装。该组件提供了两个真空和压力密闭的外部连接，以连接至内部包含的气体入口结构和气体出口结构。由该组件限定的该空间提供了两个内部限定的空间，这些空间被所述质量选择性流体带通过滤器的结构分隔开。石英玻璃对要被该设备过滤的气体选择性地半透过。对要过滤的气体的选择性半透过作用是基于玻璃厚度、玻璃温度、玻璃成分和跨玻璃的压差的条件。

包含具有不同原子质量和分子质量的物种的气体通过进气口引入进气口空间。来自该气体混合物的预定气体质量物种被选择性地传输通过所述质量选择性流体带通过滤器的半透过性石英玻璃部分。该过滤后的气体收集在出气口空间中，并通过过滤的气体出口排出。该出口气体可以直接使用，也可以重复通过安装在壳体(一个或多个)中的质量选择性流体过滤器(一个或多个)，以使气体的纯度达到应用所需的水平，因为“Q”值和选择性可以随不同的预定气体种类而变化。

半透过性石英玻璃质量选择性流体带通过滤器的行为类似于由电阻、电容和电感组成的电串联谐振电路。气体传输在串联谐振的等效条件下最高，其中电容性和电感性电抗抵消，电路传输受到电路的直流(DC)电阻的限制。在这种情况下，谐振表示AMU中的分子或原子质量种类。

发生最大传输的特定AMU受以下因素影响，包括：玻璃的温度、跨玻璃的压差以及玻璃的成分。已经观察到最大传输的AMU与玻璃的温度直接相关。在实验期间观察到的温度范围内，已经观察到AMU与玻璃温度之间呈正相关。随着温度升高，通常有选择地通过较高值的AMU。

该过滤器是一种质量选择性流体带通过滤器，其中在设定的条件下，给定AMU的物种被选择性地传输，而较高和较低AMU值的物种被选择性地阻隔。该过滤器表现出高质量或Q特性。Q定义为相较于AMU值略高或略低的物种的排斥特性，在给定AMU值下的相对传输。

对于玻璃成分和压差的给定的一组操作特性，有选择地通过的AMU值由玻璃的温度控制。通过调节包裹在玻璃上的温度改变装置的活性，以及通过调节流过热交换器流体管线(5)的和在热交换器(4)内的流体的温度和速率，辅助电子设备(29)确定该玻璃温度并将其保持在预定温度范围内。温度由温度传感器、电子设备、电缆(一个或多个)(28)、热交换器和温度改变装置进行监控和控制。质谱仪(17)监控气体质量。

通过恒温操作，所述质量选择性流体带通过滤器能够选择性地通过预定AMU的气体物种。观察到的选择性特征表明在其范围的1AMU之内的物种可以被选择性地传输或排除。可以通过调整玻璃温度来改变在给定时间透过的给定物质。

从气体混合物或大气中分离预定气体的工艺流程方法包括以下步骤：1)提供一种颗粒过滤器(1)，2)提供一种压力控制装置，选自由以下组成的组：a)压缩装置，通过泵(2)压缩至预定压力；b)减压装置，通过调压器(3)减压，3)将气体储存在调压罐(13)中，4)通过压力传感器(15)监控压力，5)通过热交换器将气体的温度变化至预定温度，6)使气体进入进气口结构，7)在进气口空间内以预定压力容纳气体，8)提供由石英玻璃制成的质量选择性流体带通过滤器，9)使预定气体通过保持在预定温度的由石英玻璃制成的质量选择性流体带通过滤器元件，10)保持恒定温度在-200至+1000℃的温度窗内，11)保持所述质量选择性流体带通过滤器中的压差在1E^-8托到10,000PSI的总压力窗内，12)将预定气体收集在出气口空间内，13)通过过滤的气体出口排出预定气体，14)通过未过滤的气体出口结构将未选择的一种气体和/或多种气体从进气口空间排出。

通过一种或多种装置保持进气口空间内的气体压力，所述装置选自由以下组成的组：1)泵，2)入口管线中的调压器，3)在未过滤的气体出口结构之后的调压器，4)压力传感器，5)电子设备，以及6)电缆(一个或多个)。所述质量选择性流体带通过滤器中的压差在1E^-8托到10,000PSI的总压力窗内。所述压差是针对特定选择的气体和操作条件设置的。

进气口空间内的气体温度和质量选择性流体带通过滤器的温度保持在预定温度。通过选自以下的一种或多种装置维持该温度：1)调节流经热交换器流体管线的以及在热交换器内的流体的温度和速率的装置，2)直接缠绕在质量选择性过滤器的玻璃表面上的温度改变装置，3)在预定位置的温度传感器，4)电子设备，5)适合于特定应用的给定参数的绝缘装置(未示出)。所述质量选择性流体带通过滤器的温度保持在-200至+1000℃的总温度窗内。为特定的选定气体和操作条件设置温度。

预定的选定气体为选自以下的气体：¹H₂，¹H²H，²H₂，¹H³H，²H³H，³H₂，¹H₂O，¹H²HO，²H₂O，¹H³HO，²H³HO，³H₂O，³He，⁴He，O₂，O₃，¹²CO₂，¹³CO₂，¹⁴CO₂，CO，N₂，NO，NO₂，NO_x，SiO₂，FeO，Fe₂O₃，SiF₄，HF，NH₃，SO₂，SO₃，H₂SO₄，H₂S，³⁵Cl₂，³⁷Cl₂，F₂，Al₂O₃，CaO，MnO，P₂O₅，酚类，挥发性有机化合物，以及过氧酰基硝酸酯。

本发明的实质是发明人发现的石英玻璃的新特性。在人造石英的情况下，本发明包括在人造石英玻璃的制造过程中以预定量添加一种预定的化学改性剂。所述化学改性剂是原子序数为1、3-9、11-17、19-35、37-53、55-85和87-109的元素组中的一种或多种元素；其中，所述元素的形式选自：金属、气体、分子、盐、稀土、氧化物、氯化物、离子、碳酸盐、酸、碱或适于玻璃制造条件的其他形式。

本发明的操作

公开了一种质量选择性流体带通过滤器。所述过滤器用于从包含两种或更多种质量物种的分子的气体样品中选择特定质量的气体分子。该过滤器提供了从一组气体或大气中选择预定气体的操作装置。在不同的温度下，在所有其他条件相同的情况下，石英玻璃内的阀门选择性地开启和关闭用于透过给定的特定气体。

从气体混合物或大气中分离出预定气体的方法包括以下操作步骤：1)收集气体或大气；2)由收集装置通过颗粒过滤器抽取一种或多种气体，所述收集装置选自由以下组成的组：a)泵，b)调压器，3)使气体进入调压罐，其中压力波动被抑制，4)使气体通过所述热交换器，5)将气体保持在预定温度，6)使气体通过所述进气口结构进入所述进气口空间，7)用包裹在质量选择性液体带通过滤器上的温度改变装置保持恒定的预定温度，8)提供对预定气体的传输开启的石英玻璃的气体选择阀门，9)提供对所有其他非预定气体的传输关闭的石英玻璃的气体选择阀门，10)通过使预定气体通过质量选择性流体过滤器的开启阀门，在所述出气口空间中收集预定气体，11)通过过滤的气体出口排出预定气体，12)通过在未过滤的气体出口结构之后的调压器，在所述进气口空间内保持预定压力，13)使未选择的一种或多种气体通过在未过滤的出气口结构之后的调压器，14)在调压罐中收集未选择的一种和/或多种气体，15)使用热电偶、压力传感器和质谱仪监测工艺流程，16)引导管道(18)中的气流，17)使用电子设备监测过程操作，18)使用电子设备控制过程操作。

如图3所示，单个质量选择性流体带通过滤器安装在壳体中，并且各个单元串联连接以提高出口气体的纯度。如图4所示，单个质量选择性流体带通过滤器安装在壳体中，并且各个单元逐次连接以从气体混合物和/或大气中去除多于一种的预定气体。

安装在壳体中的单个质量选择性流体带通过滤器结合了端盖(一个或多个)和壳体，以提供结构上合理的组装。根据应用，气体通过未过滤的气体出口(22)和一个或多个选定的气体输出(24、25、26、27)排出。可以根据应用的需要提供其他输出(未示出)。

同样未示出的是，单个质量选择性流体带通过滤器安装在壳体中，并且各个单元根据应用需要既串联又逐次连接。

目的和优点

因此，除了本专利申请中描述的选择性流体带通过滤器以及从一组气体或大气中选择预定气体的方法的目的和优点之外，本发明的若干目的和优点为：

(a)提供一种以商业数量从大气中商业收集二氧化碳的方法。

(b)提供一种以商业数量从大气中商业收集³He的方法。

(c)提供一种从大气中去除有害气体的方法。

(d)提供一种消除烟雾的商业方法。

(e)提供一种从水中收集聚变燃料的方法。

(f)提供一种从废气中分离出残余的聚变燃料的方法。

(g)提供一种顺序操作聚变反应器的方法，其使用废物输出作为燃料。

(h)提供一种提供聚变合成的商业方法。

(i)提供一种温室气体回收的商业方法。

(j)提供一种获得碳中性的商业方法。

结论、后果和范围

在上面的说明中，读者已经看到了我们的质量选择性流体带通过滤器以及从一组气体或大气中选择预定气体的方法的若干实施例。这些装置和方法有不同的应用。一个例子是从可用的陆地氦源中分离³He的商业方法。这些截然不同的应用充分利用了我们的质量选择性液体带通过滤器的不同实施例。

本发明的操作实施例适用于从一组气体或大气中选择预定气体，以及将该预定气体商业化生产。所述质量选择性流体带通过滤器的基本机制是提供通过过滤器的特定质量的气体的选择性传输，并提供与选定气体质量几乎相同质量的相关气体传输的选择性阻隔。此外，本发明所述的质量选择性流体带通过滤器和方法具有以下额外优点：

(a)选择用于传输的气体质量由过滤器的温度控制。

(b)选择性地排除附近质量较低的气体。

(c)选择性地排除附近质量较高的气体。

(d)通过改变过滤器的温度来调节选择用于传输的气体质量。

(e)提供用于生产预定的选定气体的商业设备。

(f)用于从大气去除有害气体。

(g)用于从大气去除温室气体。

(h)提供用于烃合成的纯化气体的生产。

(i)提供用于工业过程的预定底物气体的生产。

(j)提供一种从可用的陆地氦源中分离³He的商业方法。

(k)提供一种聚变反应器燃料生产的商业方法。

(l)提供一种用于实验室聚变实验的中子探测器靶材的商业方法。

(m)提供一种用于实验室实验的中子探测器靶材的商业方法。

(n)提供一种用于便携式核安全监测器的中子探测器靶材的商业方法。

尽管我们的以上描述包含许多特性，但是这些特性不应被解释为对本发明范围的限制，而应被视为其一个优选实施例的示例。许多其他变体是可能的。例如：

(a)从我们最初的实验条件出发将石英玻璃膜变薄。

(b)向与玻璃接触的气体施加压力。

(c)增加跨玻璃的压差。

(d)在过滤器结构中使用多个管道。

(e)通过用烧结的石英玻璃支撑来支撑薄石英玻璃层。

(f)通过用烧结的金属支撑来支撑薄石英玻璃层。

(g)高温加热，以将玻璃熔合而覆盖在支撑用烧结材料上。

(h)增加石英玻璃膜的厚度以提升“Q”。

在以上描述中，我们提出了我们认为是正确的操作理论。尽管我们认为这些理论是正确的，但我们不希望受到它们的限制。尽管以上已经结合特定设备描述了本发明的原理，但是应该清楚地理解，该描述仅是通过示例的方式作出的，并且不作为对本发明范围的限制。因此，本发明的范围不应由所示的实施例确定，而应由所附的权利要求书及其法律等同物确定。