CN108584882A - 一种纳米材料制备系统及利用该系统生产纳米材料的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米材料制备系统及利用该系统生产纳米材料的工艺。该系统，包括将液态前驱体定量雾化的雾化装置、生成粉体纳米材料的等离子反应器、将粉体纳米材料与气相分离的纳米粉体收集装置、对分离的气相进行处理的尾气处理装置和智能控制系统。该工艺，包括以下过程：（1）前驱体溶液配置；（2）等离子体激发；（3）前驱体雾化；（4）雾化液滴法向注入等离子体；（5）收集粉体纳米材料；（6）气液分离；（7）尾气处理。本发明的制备系统及工艺，可应用于各种适合雾化的前驱体物质，具有适用范围广的特点；并且，该系统可连续化制备和收集纳米材料，生产效率高，工艺流程简单，过程可控，自动化程度高。

Description

一种纳米材料制备系统及利用该系统生产纳米材料的工艺

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种纳米材料制备系统及利用该系统生产纳米材料的工艺。

背景技术

纳米材料是指其至少在某一方向上的尺寸小于100nm的材料，按其维度可分为零维纳米材料、一维纳米材料和二维纳米材料。纳米材料具有显著的表面效应、小尺寸效应、宏观量子遂道效应、介电限域效应等，这一系列效应使得纳米材料表现出与宏观材料明显不同的特殊物理化学性质。这些特殊性质使得纳米材料在能源、环境、功能新材料、医疗、信息技术等领域有着广泛而重要的应用。然而，由于其尺寸小，比表面积巨大，纳米材料的制备比较困难。目前，可以大规模、连续、批量生产纳米材料的方法和设备系统较少，这困扰着众多的纳米材料专家，严重制约着纳米技术的发展。

根据纳米材料自身的性质不同，合成或制备纳米材料的方法非常多且相当复杂。传统的纳米材料制备方法主要包括化学法和物理法，这其中化学法的使用较为普遍，它又可分为液相化学沉淀法和气相化学沉积法（CVD）等。等离子体化学气相沉积(PCVD)是气相化学沉积法中非常重要的分支，它利用等离子体作为制备纳米材料前驱体的加热源或化学反应的激发源，使前驱体气化、裂解或反应，并在基材上冷凝沉积，特别适用于纳米膜材料的制备。然而，等离子体化学气相沉积法所使用的前驱体通常为气态物质或可经等离子体气化的物质，这严重限制了其使用范围。而且，PCVD方法通常为间歇式生产，效率较低，不适用于粉体材料的制备和收集。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种结构简单、收率高的纳米材料制备系统及利用该系统生产纳米材料的工艺。

本发明的一种纳米材料制备系统，包括将液态前驱体定量雾化的雾化装置、生成粉体纳米材料的等离子体反应器、将粉体纳米材料与气相分离的纳米粉体收集装置、对分离的气相进行处理的尾气处理装置和用以调控前驱体制备纳米材料过程中各反应参数和过程参数的智能控制系统。

优选的，所述等离子体反应器包括等离子体发生装置、等离子体反应腔和冷凝部。

优选的，所述等离子体发生装置是直流等离子体发生器，微波等离子体发生器或电感耦合等离子体发生器。

优选的，所述等离子体反应腔包括两个同轴的套接的圆筒。

优选的，雾化的液态前驱体由载气将其以法向方式注入到同轴布置的等离子体反应腔中。

优选的，所述雾化装置为高压喷雾或超声喷雾装置。

优选的，纳米粉体收集装置4包括气液分离装置50、收集瓶41、气固分离装置45，气固分离装置45为旋风分离器40、湿法分离器或布袋收集器。

优选的，所述气液分离装置冷却方式是水冷、气冷或冷却液冷却。

优选的，所述尾气处理装置包括装填有吸收液的处理池；所述吸收液为酸性吸收液或碱性吸收液。

本发明的利用上述的的系统生产纳米材料的工艺，包括以下过程：（1）前驱体溶液配置；（2）等离子体激发；（3）前驱体雾化；（4）雾化液滴法向注入等离子体；（5）收集粉体纳米材料；（6）气液分离；（7）尾气处理。

本发明所提供的一种纳米材料制备系统及利用该系统生产纳米材料的工艺，可应用于各种适合雾化的前驱体物质，具有适用范围广的特点；并且，该系统可连续化制备和收集各种零维、一维或二维的无机纳米材料、金属纳米材料、纳米金属氧化物或硫化物、碳纳米材料及杂化纳米材料，生产效率高，工艺流程简单，过程可控，自动化程度高，是一种新型的粉体纳米材料制备技术和系统。

附图说明

图1是本发明的纳米材料制备系统示意图；

图2是本发明的工艺流程图。

1-等离子体反应器；10-等离子体发生装置；11-等离子体电源；12-等离子体枪；13-等离子体枪进气阀；14-等离子体工作气体；15-冷却介质；16-等离子体枪前端；17-等离子体；20-前驱体雾化装置；21-蠕动泵；22-前驱体；23-雾化器；24-雾化室；25-载气管路电磁阀；26-载气；27-雾化室前端； 30-等离子体反应腔；31-等离子体反应腔外腔体；32-等离子体反应腔内腔体；321-注入口； 34-等离子体辅助气体进气口；341-等离子体辅助气体；35-等离子体辅助气体管路电磁阀；36-等离子体反应腔内腔体尾端；3-冷凝部；37-冷却介质电磁阀；38-冷凝管；39-等离子体反应腔尾部；4-纳米粉体收集装置；40 -旋风分离器；41-收集瓶；42 -旋风分离器下端；43-旋风分离器上端；44-旋风分离器的进气口；45-气固分离装置；50-气液分离装置；51-冷凝管；52-冷却介质电磁阀；53-气液分离装置的前端；54-气液分离装置的底部；55-气液分离装置的底部排液口；56 -气液分离装置的尾部；57-液相收集瓶；60-尾气处理装置；61- 进气管；62-进气管底端；63-排气口；64-排气口底端；65-处理池；70-智能控制系统；71、72、73、74、75-热电偶；81、82、83、84、85、86 -连接法兰。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本发明的纳米材料制备系统包含有：包括将液态前驱体定量雾化的前驱体雾化装置20、生成粉体纳米材料的等离子体反应器1、将粉体纳米材料与气相分离的纳米粉体收集装置4、对分离的气相进行处理的尾气处理装置60和用以调控前驱体制备纳米材料过程中各反应参数和过程参数的智能控制系统70。

等离子体反应器1可以包括等离子体发生装置10、等离子体反应腔30和冷凝部3。

一由等离子体电源11和等离子体枪12组成的等离子体发生装置10、一前驱体雾化装置20、一由圆柱形等离子体反应腔外腔体31和等离子体反应腔内腔体32同轴水平布置的等离子体反应腔体30、一旋风分离器40、一气液分离装置50、一尾气处理装置60和一智能控制系统70；等离子体电源11提供等离子体枪12电能，将送入到等离子体枪12中的等离子体工作气体14激发，并在由两圆形、同轴布置的等离子体反应腔外腔体31和内腔体32组成的等离子体反应腔30中形成等离子体17，其后，前驱体22经蠕动泵21定量送入雾化器23中进行雾化，雾化后的液滴进入到雾化室24中形成高浓度前驱体雾化液滴，再由载气26通过雾化室24与等离子体反应内腔体32相连的注入口321将前驱体雾化液滴法向注入到等离子体17中，使其迅速反应，其中通过载气管路电磁阀25来控制载气26的流量，其反应后的产物在等离体体反应腔尾部39的冷凝部3中冷凝成粉体纳米材料，粉体纳米材料由等离子工作气体14、等离子体辅助气体341和载气26共同将其送入到旋风分离器40中，等离子体枪进气阀13控制等离子工作气体14的进入量，粉体纳米材料在收集瓶41中收集，而气相部分进入到气液分离装置50中，经安装在气液分离装置50的前端53的冷凝管51冷凝后，其中低沸点的部分被冷却成液态而收集在液相收集瓶57中，其余气相部分则送入到尾气处理装置60中以除去污染性有毒气体。智能控制系统70通过控制等离子体电源11的功率、等离子工作气体14开关及流量和采集热电偶71数据，调控等离子体17的直径和温度，并通过采集蠕动泵21转速数据和控制载气管路电磁阀开关，设置前驱体22进入雾化器23的流速，使其定量雾化，并控制其进入等离子体17中的速度，以到达合适的反应条件和反应速率；通过采集制备过程中各关键区域热电偶72、73、74、75的数据和控制各冷却介质管路的冷却介质电磁阀37、52，智能调节设置粉体纳米材料冷凝区温度和气液分离温度。

等离子体发生装置10可以由等离子体电源11和等离子体枪12构成。等离子体电源11可以是直流等离子体电源、微波等离子体电源或电感耦合等离子体电源。

等离子体枪前端16可以伸入到等离子体反应腔内腔体32内部，并与其同轴布置，等离子体枪12尾端18连接有等离子体工作气体14的进气管路和枪体的冷却介质15的管路，且等离子体工作气体14的进气管路连接有电磁阀，可以控制其开头及流速大小，以调节等离子体17的直径和温度。冷却介质15用于冷却枪体部件以免受损影响使用寿命。

前驱体雾化装置20可以由蠕动泵21、雾化器23和雾化室24组成。蠕动泵21将前驱体22定量送入到雾化器23中进行雾化，雾化后的微小液滴进入雾化室24，雾化室前端27与载气26的管路连接，另一端通过法兰81与注入口321连接，雾化后的前驱体由载气26以法向方式注入到等离子体中进行反应。根据注入口321的数目，前驱体雾化装置20与其对应配套连接。

等离子反应腔30可以包括两个同轴的套接的圆筒。在本实施例中，等离子体反应腔30由两个不同大小的圆柱形等离子体反应腔外腔体31和等离子体反应腔内腔体32同轴套嵌而成，外腔体31和内腔体32可以由耐高温的金属合金、刚玉、石英或耐火砖材质制成，优选的外腔体31由耐火砖砌成，以提高其保温效率。内腔体32靠近等离子体枪前端16的位置沿着腔体径向方向开有多个对称分布的注入口321，并延伸至外腔体31外侧与前驱体雾化装置20相连。等离子体反应腔30与等离子体枪12连接一端在内腔体32和外腔体31之间分布有多个辅助气进气口34，辅助气341的开关和流量由等离子体辅助气体管路电磁阀35控制，起到冷却内腔体32避免其高温损坏的作用，同时吹扫粉体纳米材料，将其送入旋风分离器40。在注入口321附近及内腔体32尾端36出口处安装有热电偶，以检测等离子体反应温度及等离子体出口温度。在等离子体反应腔体尾部39安装有冷凝管38，冷却介质流经冷凝管38起到降低腔内温度的作用，其腔体内温度由热电偶73检测，降低反应腔内温度目的是为了促使反应后产物冷凝以形成粉体纳米材料，同时提供后续气液分离效率。

纳米粉体收集装置4包括气液分离装置50、收集瓶41、气固分离装置45，气固分离装置45可以为旋风分离器40、湿法分离器或布袋收集器。在本实施例中，气固分离装置45为旋风分离器40。

旋风分离器40的进气口44与等离子体反应腔30经法兰82同轴连接，旋风分离器下端42通过法兰84连接有粉体纳米材料的收集瓶41，旋风分离器上端43与气液分离装置50通过法兰83连接。

气液分离装置50的前端53与旋风分离器40通过法兰连接，并在气液分离装置50的前端53设置一热电偶74，以检测进入到气液分离装置50中气相部分的温度，通过调节加装在气液分离装置前端的冷凝管51的冷却介质电磁阀52，以及通过热电偶75检测冷凝后气相温度，控制冷却介质开关，实现对气相中低沸点物质的冷凝，将其从气相中分离，并流入到与气液分离装置50的底部54排液口55相连的液相收集瓶57中，排液口55通过法兰85与液相收集瓶57连接，实现低沸点物质与气相部分的分离。

尾气处理装置60的进气管61与气液分离装置50的尾部56通过法兰86相连，进气管61底端62浸入到处理池65中的尾气吸收液液面以下，排气口63底端64则位于液面上方。尾气处理装置可以类似方式进行串联，其吸收液可以酸性吸收液、碱性吸收液或两者的联用，取决于反应产物气体的性质。

智能控制系统70设有人机交互界面，其通过采集各关键区域热电偶温度参数，控制各气、液管路中工作气体和液体流量及开头，结合特定算法，可智能调节等离子体电源功率、各气体和液体流量及开头，实现各种纳米材料的连续化制备。

如图2所示，本发明的利用上述系统生产粉体纳米材料的工艺包括前驱体溶液的配置、等离子体激发、前驱体雾化、雾化液滴法向注入等离子体、收集粉体纳米材料、气液分离和尾气处理。首先配置好前驱体溶液，再调节等离子体工作气体和辅助气体流量，打开等离子体电源，激发工作气体形成稳定的等离子体。同时，将前驱体溶液定量雾化，雾化液滴由载气法向注入到等离子体中反应，反应后的产物在反应腔中冷凝形成粉体纳米材料，再由工作气体、辅助气体和载气一同将其送入气固分离装置中以收集粉体纳米材料，气相部分则在气液分离装置中进一步冷却以除去低沸点物质和溶剂，其余部分则进入尾气吸收装置以除去污染性有毒气体，无害气体排出或回收再利用。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米材料制备系统，其特征在于：包括将液态前驱体定量雾化的前驱体雾化装置（20）、生成粉体纳米材料的等离子体反应器（1）、将粉体纳米材料与气相分离的纳米粉体收集装置（4）、对分离的气相进行处理的尾气处理装置（60）和用以调控前驱体制备纳米材料过程中各反应参数和过程参数的智能控制系统（70）。

2.如权利要求1所述的一种纳米材料制备系统，其特征在于：所述等离子体反应器（1）包括等离子体发生装置（10）、等离子体反应腔（30）和冷凝部（3）。

3.如权利要求2所述的一种纳米材料制备系统，其特征在于：所述等离子体发生装置（10）是直流等离子体发生器，微波等离子体发生器或电感耦合等离子体发生器。

4.如权利要求2所述的一种纳米材料制备系统，其特征在于：所述等离子体反应腔（30）包括两个同轴的套接的圆筒。

5.如权利要求4所述的一种纳米材料制备系统，其特征在于：雾化的液态前驱体由载气将其以法向方式注入到同轴布置的等离子体反应腔（30）中。

6.如权利要求1所述的一种纳米材料制备系统，其特征在于：所述前驱体雾化装置（20）为高压喷雾或超声喷雾装置。

7.如权利要求1所述的一种纳米材料制备系统，其特征在于：纳米粉体收集装置（4）包括气液分离装置（50）、收集瓶（41）、气固分离装置（45），气固分离装置（45）为旋风分离器（40）、湿法分离器或布袋收集器。

8.如权利要求7所述的一种纳米材料制备系统，其特征在于：所述气液分离装置（50）冷却方式是水冷、气冷或冷却液冷却。

9.如权利要求1所述的一种纳米材料制备系统，其特征在于：所述尾气处理装置（60）包括装填有吸收液的处理池（65）；所述吸收液为酸性吸收液或碱性吸收液。

10.一种利用如权利要求1～9所述的系统生产纳米材料的工艺，其特征在于：包括以下过程：（1）前驱体溶液配置；（2）等离子体激发；（3）前驱体雾化；（4）雾化液滴法向注入等离子体；（5）收集粉体纳米材料；（6）气液分离；（7）尾气处理。