RU2778691C2 - Наноразмерный кварц и способ его получения - Google Patents
Наноразмерный кварц и способ его получения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778691C2 RU2778691C2 RU2020144266A RU2020144266A RU2778691C2 RU 2778691 C2 RU2778691 C2 RU 2778691C2 RU 2020144266 A RU2020144266 A RU 2020144266A RU 2020144266 A RU2020144266 A RU 2020144266A RU 2778691 C2 RU2778691 C2 RU 2778691C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- quartz
- water
- powder
- shungite
- dispersion
- Prior art date
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 52
- 239000010453 quartz Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 28
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910021489 α-quartz Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 4
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000002296 dynamic light scattering Methods 0.000 description 4
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 4
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 4
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 4
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 4
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 239000011852 carbon nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- -1 displays Substances 0.000 description 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000002932 luster Substances 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000004452 microanalysis Methods 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011860 particles by size Substances 0.000 description 1
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical class OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение может быть использовано при получении исходного сырья для создания элементов для электроники и оптики, в промышленном производстве композиционных материалов, в биотехнологии, биомедицине, фармакологии. Для получения наночастиц кварца в качестве сырья используют жильный кварц шунгитовых пород, который измельчают в шаровой мельнице до порошка с размером частиц менее 50 мкм, отстаивают в воде при соотношении 1:10 в течение суток, фильтруют и обрабатывают в воде ультразвуком мощностью 300 Вт при частоте 22 кГц в течение 30 мин. Полученную дисперсию фильтруют, разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0,1 мг/мл и центрифугируют при 3000 об/мин в течение 30 мин. Надосадочную часть дисперсии высушивают. Полученные наночастицы кварца имеют кристаллическую решетку, удельную поверхность 80-120 м2/г, содержат одну фазу α-кварца. Изобретение позволяет получить наночастицы кварца из шунгита экологически безопасным и простым способом, снизив трудовые, временные и материальные затраты. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к способу получения наноразмерных частиц кварца из нетрадиционного для кварца вида минерального сырья - шунгита. Наноразмерный кварц является перспективным материалом в различных сферах промышленности, таких как машино- и приборостроение, электроника, оптика, биотехнологии и др. Помимо этого может использоваться как компонент для создания защитных стекол, дисплеев, красителей, а также для производства наномодифицированных композиционных материалов.
Известен наноразмерный кварц, полученный плазменно-дуговым методом, имеющий следующие структурно-морфологические характеристики: форма частиц - сферическая, распределение по размерам - в интервале от 10 до 300 нм, удельная поверхность - от 37 до 71 м2/г.(Вестник Бурятского государственного университета химия, физика, 2018 г, вып. 2-3, стр. 15-18).
Получаемый данным способом порошок наноразмерного кварца не содержит кристаллическую решетку, является аморфным.
На сегодняшний день известны способы получения наночастиц кварца, потенциально востребованные в промышленности. Однако эти способы в основном являются энергозатратными и дорогостоящими.
Известен способ получения наночастиц, по которому специально приготовленную реакционную смесь растирают до однородного состояния, прессуют при нормальных условиях под давлением от 2.0 до 3.0 см, затем подвергают термобарической обработке при давлении 8-9 ГПа и температурах 1200-1500°С с изотермической выдержкой 3-20 с. Далее происходит снижение сначала температуры до комнатной, затем давления до атмосферного. На следующем этапе полученный продукт диспергируют в водной среде и над образцом проводят кипячение смесью серной, азотной и хлорной кислот с объемным соотношением 1:1:1 в течение 5-10 часов с последующей отмывкой в дистиллированной воде до нейтральной реакции. Затем проводят ступенчатое центрифугирование с использованием различных скоростей вращения. Данный способ позволяет получать ультрананоразмерные и наноразмерные фракции с размерами частиц 10-100 нм, которые востребованы для квантово-физических и биомедицинских применений (Патент RU 2680512 от 21.11.2017 г.).
Недостатком этого способа является трудоемкость получения конечного продукта. Также использование смеси кислот и термобарической обработки не только усложняет процесс, но и делает вышеописанный способ небезопасным.
Известен способ получения наночастиц, по которому используется осаждение в вакууме лазерным способом при приложении ориентирующего электрического поля напряженностью 100-600 В/см. (Патент RU 2697413 от 13.06.2018 г.).
Недостатком этого способа является большая трудоемкость получения конечного продукта, а также сложность процесса и дорогостоящие установки, используемые для лазерного осаждения. Помимо этого способ недостаточно раскрыт для воспроизведения.
Ближайшим техническим решением к заявленному способу получения наночастиц кварца является способ получения наночастиц углерода из шунгита с содержанием углерода 96-98 вес. %, который дробят и измельчают до состояния порошка фракции менее 40 мкм, затем порошок заливают водой в соотношении 1:2, отстаивают в течение 3-х суток, фильтруют и оставшийся на фильтре порошок высушивают. Далее полученный порошок диспергируют в воде с использованием мелющих тел диаметром 1-3 мм при отношении массы порошка шунгита к массе воды и массе мелющих тел 1:4:3 в течение 60 минут. Затем полученную смесь фильтруют и высушивают. На следующем этапе проводят повторное диспергирование в воде ультразвуком при частоте 22 кГц, мощности 1000 Вт, в течение 35 минут при отношении массы порошка шунгита к массе воды 1:2, фильтруют и центрифугируют в течение 15 минут при 10000 об/мин. (Патент RU 2642632 от 13.07.2016 г.).
К недостаткам следует отнести более высокие материальные, трудовые и временные затраты и неоднократный повтор цикла получения порошка конечного продукта, что делает данный способ более трудоемким. Несмотря на идентичные стадии в процессе изготовления порошка, содержащего наночастицы, данный способ разработан именно для получения наночастиц углерода.
Задачей изобретения является создание высокотехнологичного, экологически безопасного способа получения наноразмерного кварца, позволяющего расширить области его практического применения.
Техническим результатом изобретения является получение наноразмерного кварца с кристаллической решеткой и создание экологически безопасного, относительно дешевого и простого в воспроизведении способа получения наноразмерного кварца из нетрадиционного для кварца вида минерального сырья шунгита.
Заявляемый технический результат достигается следующим образом: наноразмерный кварц содержащий частицы различного размера от 20-300 нм, согласно изобретению имеет кристаллическую решетку, содержит одну фазу α-кварца и удельную поверхность кварца от 80-120 м /г.
Заявляемый технический результат достигается так же тем, что способ получения наночастиц кварца, включающий измельчение, фильтрацию, диспергирование в воде ультразвуком при частоте 22 кГц и центрифугирование, согласно изобретению в качестве сырья используют жильный кварц шунгитовых пород, который измельчают в шаровой мельнице до порошка с размером частиц менее 50 мкм, отстаивают в воде при соотношении 1:10 в течение суток, фильтруют и обрабатывают в воде ультразвуком мощностью 300 Вт в течении 30 минут, полученную дисперсию фильтруют, разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0,1 мг/мл и центрифугируют при 3000 об/мин в течении 30 минут, надосадочную часть дисперсии высушивают.
Изобретение реализуется следующим образом.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами. Фиг. 1. Рентгенограмма порошка.
Фиг. 2. Микрофотография продукта после ультразвуковой обработки. Фиг. 3. Данные динамического светорассеяния.
Для работы используют жильный кварц шунгитовых пород, который хорошо диагностируется по белому цвету и стеклянному или матовому блеску. Жильный кварц слагает различные по мощности и форме прожилки, секущие шунгитовые породы разной текстуры и представляет собой нетрадиционный для кварца вид минерального сырья.
Структурные параметры кварца шунгитовых пород в сравнении с эталонными образцами описаны в статье Р.В. Садовничий, А.А. Ковальчук, Н.Н. Рожкова и И.С.Инина «Морфологические и структурные особенности кварца шунгитовых пород Максовской залежи (Труды КарНЦ РАН, опубл. 2016 №2 стр. 73-88).
Способ осуществляется следующим образом:
На первоначальном этапе берут жильный кварц шунгитовых пород, который измельчают в шаровой мельнице до состояния порошка различной фракции менее 50 мкм.
Для получения частиц наименьшего размера с равномерным распределение частиц порошка шунгита по размерам полученный порошок заливают водой в отношении 1:10 и отстаивают в течении суток. Данный режим отстаивания порошка шунгита в воде является наиболее оптимальным для достижения эффективной очистки шунгитового порошка от минеральных примесей. Экспериментально проверено, что при более длительном отстаивании эффективность очистки не изменяется. После чего полученную смесь фильтруют.
Отфильтрованный порошок для стабильности размеров наночастиц кварца диспергируют в воде ультразвуком на ультразвуковом диспергаторе при частоте 22 кГц и мощности 300 Вт в течение 30 минут при соотношении массы порошка шунгита к объему воды 1.2 г/50 мл, после чего полученную смесь фильтруют. Ультразвуковую обработку проводили при частоте 22±10% кГц. Заявляемый режим диспергирования порошка шунгита в воде ультразвуком является наилучшим для достижения эффекта стабильности размеров наночастиц кварца, что наглядно проиллюстрировано на фиг. 1, 2 и 3.
На следующем этапе полученный порошок шунгита разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0.1 мг/мл. Для сохранения стабильности размеров наночастиц кварца полученную водную дисперсию центрифугируют при 3000 об/мин в течение 30 минут на центрифуге.
На заключительном этапе надосадочную часть водной дисперсии высушивают и получают конечный продукт - наноразмерный кварц.
Для получения наиболее очищенного от примесей наноразмерного кварца полученный продукт дополнительно фильтруют и обрабатывают в воде ультразвуком мощностью 300 Вт в течении 30 минут, полученную дисперсию фильтруют, разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0,1 мг/мл и центрифугируют при 3000 об/мин в течении 30 минут, надосадочную часть дисперсии высушивают.В результате повтора данных этапов двух и более раз повышается степень очистки наноразмерного кварца от примесей.
Получаемый порошок наночастиц кварца анализируют методами рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии и динамического светорассеяния.
Рентгенографирование образцов выполнялось на автоматическом дифрактометре ARL X'TRA в области углов 2θ: 2°-156,5°, с шагом 0,01°, время набора импульсов 3 сек. на CuKα.
Рентгенофазовый анализ порошка свидетельствует о получении одной фазы - α-кварца. Представлена рентгенограмма порошка, полученного из водной дисперсии жильного кварца шунгитовых пород (фиг. 1). В соответствии с кристаллографической базой данных ICSD 174 - это чистый α-кварц. С помощью рентгеноструктурного анализа определяют параметры структуры наночастиц кварца. Средний размер наночастиц порошка в дисперсии составляет 20-300 нм, что говорит о наноразмерности, а отсутствие элементов примесей - о высокой степени очистки получаемого кварца.
Микроскопические исследования выполняют с использованием сканирующего (СЭМ) электронного микроскопа VEGA II LSH Teckan с приставкой Oxford Inka для микроанализа. При конденсации водной дисперсии наночастиц кварца на стеклянной подложке размер частиц по данным СЭМ составляет 50-200 нм (фиг. 2). Масштаб изображения - 1 мкм.
Средний размер наночастиц кварца и их полидисперсность определяют по данным динамического светорассеяния (ДСР) на анализаторе размеров наночастиц Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments) (фиг. 3). Представленный результат есть распределение относительной интенсивности рассеянного света по размерам частиц кварца в водной дисперсии (фиг. 3.а). Для этой же дисперсии распределение основных размерных фракций кварца по объему (фиг. 3.б):
Пик 1 - 36,1±7,5 нм - по объему - 25,1%
Пик 2 - 103,7±35,0 нм - по объему - 41,5%
Пик 3 - 264,4±90,0 нм - по объему - 31,4%.
Наноразмерный кварц, полученный заявляемым способом, имеет следующие структурно-морфологические характеристики: частицы имеют кристаллическую решетку, распределение по размерам - в интервале от 20 до 300 нм, удельная поверхность кварца -80 - 120 м /г, получение одной фазы - α-кварца
Таким образом, заявляемое изобретение является простым и технологичным за счет небольшого количества стадий обработки измельченного порошка шунгита, а как следствие снижение трудовых, временных и материальных затрат. Заявляемый способ осуществляется только механическим воздействием на исходный материал и является экологически безопасным, что обусловлено отсутствием использования токсичных органических веществ. При повторе стадий обработки - повышение степени очистки наноразмерного кварца от примесей. Заявляемый стабильный очищенный порошок наночастиц чистого кварца из шунгита может быть широко использован в промышленном производстве наномодифицированных композиционных материалов, в биотехнологии, в биомедицине, в фармакологии, а также как исходное сырье для создания элементов для электроники и оптики.
Claims (2)
1. Способ получения наночастиц кварца, включающий измельчение, фильтрацию, диспергирование в воде ультразвуком при частоте 22 кГц и центрифугирование, отличающийся тем, что в качестве сырья используют жильный кварц шунгитовых пород, который измельчают в шаровой мельнице до порошка с размером частиц менее 50 мкм, отстаивают в воде при соотношении 1:10 в течение суток, фильтруют и обрабатывают в воде ультразвуком мощностью 300 Вт в течение 30 мин, полученную дисперсию фильтруют, разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0,1 мг/мл и центрифугируют при 3000 об/мин в течение 30 мин, надосадочную часть дисперсии высушивают.
2. Наночастицы кварца, полученные способом по п. 1, отличающиеся тем, что имеют кристаллическую решетку, содержат одну фазу α-кварца и удельную поверхность кварца 80-120 м2/г.
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020144266A RU2020144266A (ru) | 2022-06-29 |
| RU2778691C2 true RU2778691C2 (ru) | 2022-08-23 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2401056A1 (de) * | 1974-01-10 | 1975-07-31 | Degussa | Kieselsaeure enthaltende mischung |
| RU2353578C1 (ru) * | 2007-07-17 | 2009-04-27 | Юрий Анатольевич Тиунов | Способ обогащения кварцевого сырья |
| US8142753B2 (en) * | 2006-11-16 | 2012-03-27 | Wacker Chemie Ag | Pyrogenic silica produced in a production facility with high capacity |
| RU2483024C2 (ru) * | 2011-06-22 | 2013-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт геологии Карельского научного центра Российской академии наук | Способ обогащения природного кварцевого сырья |
| RU2642632C2 (ru) * | 2016-07-13 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии Карельского научного центра Российской академии наук | Способ получения водной дисперсии наночастиц углерода из шунгита |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2401056A1 (de) * | 1974-01-10 | 1975-07-31 | Degussa | Kieselsaeure enthaltende mischung |
| US8142753B2 (en) * | 2006-11-16 | 2012-03-27 | Wacker Chemie Ag | Pyrogenic silica produced in a production facility with high capacity |
| RU2353578C1 (ru) * | 2007-07-17 | 2009-04-27 | Юрий Анатольевич Тиунов | Способ обогащения кварцевого сырья |
| RU2483024C2 (ru) * | 2011-06-22 | 2013-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт геологии Карельского научного центра Российской академии наук | Способ обогащения природного кварцевого сырья |
| RU2642632C2 (ru) * | 2016-07-13 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии Карельского научного центра Российской академии наук | Способ получения водной дисперсии наночастиц углерода из шунгита |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| САДОВНИЧИЙ Р.В. и др. Морфологические и структурные особенности кварца шунгитовых пород Максовской залежи, Труды Карельского научного центра РАН, 2016, N 2, сс. 73-88. JIANG X. et al. Hydrothermal synthesis of monodisperse single-crystalline alpha-quartz nanospheres, Chemical Communications, 2011, pp. 7524-7526. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Agi et al. | Ultrasound-assisted weak-acid hydrolysis of crystalline starch nanoparticles for chemical enhanced oil recovery | |
| Shar et al. | Facile synthesis and characterization of selenium nanoparticles by the hydrothermal approach | |
| Zhou et al. | Biosynthesis of CdS nanoparticles in banana peel extract | |
| Yang et al. | Synthesis, photocatalytic activity, and photogenerated hydroxyl radicals of monodisperse colloidal ZnO nanospheres | |
| Zhai et al. | Controllable synthesis of hierarchical ZnO nanodisks for highly photocatalytic activity | |
| KR102328995B1 (ko) | 폭발형 나노다이아몬드의 분리 방법 | |
| Pathania et al. | Synthesis, characterization and photocatalytic application of bovine serum albumin capped cadmium sulphide nanopartilces | |
| Sivakarthik et al. | Synthesis of co-doped tin oxide nanoparticles for photo catalytic degradation of synthetic organic dyes | |
| Rai et al. | Hydrothermally grown ZnO NSs on Bi-Directional woven carbon fiber and effect of synthesis parameters on morphology | |
| KR101605245B1 (ko) | 수분산성 그래핀 제조방법 | |
| Boualem et al. | Synthesis and characterization of mesoporous silica from Algerian river sand for solar grade silicon: Effect of alkaline concentration on the porosity and purity of silica powder | |
| Agrawal et al. | Plasma etching technology for surface and chemical modifications of aluminium and poly methyl meth acrylate (PMMA) nanocomposites | |
| CN107055518B (zh) | 一种通过粉碎制备石墨烯粉体的方法及石墨烯粉体的应用 | |
| RU2778691C2 (ru) | Наноразмерный кварц и способ его получения | |
| Latha et al. | Green synthesis of silver nanoparticles and their characterization | |
| Saridewi et al. | Synthesis and characterization of ZnO nanoparticles using pumpkin seed extract (Cucurbita moschata) by the sol-gel method | |
| Murali et al. | Ultrathin yttrium fluoride nanostructures: controlled synthesis and polarized up-conversion emission property | |
| Ramana et al. | Nanodiamonds synthesis using sustainable concentrated solar thermal energy: applications in bioimaging and phototherapy | |
| Misra et al. | Nanofabrication route to achieve sustainable production of next generation defect-free graphene: Analysis and Characterisation | |
| Xu et al. | Hydrothermal synthesis and characterisation of potassium/sodium titanate nanofibres at different temperatures | |
| US20210292172A1 (en) | FABRICATION OF BLUE-FLUORESCENT AND NON-TOXIC NANODIAMONDS 9NDs) FROM ATMOSPHERIC PARTICULATE MATTERS | |
| Ramamurthy et al. | Parthenium mediated synthesis of zinc oxide nanoparticles and its characterization | |
| Yao et al. | Synthesis of ZnO photocatalysts using various surfactants | |
| Pholnak et al. | Sono-synthesized sword-like zinc oxide and its use as a filler in polyurethane composites | |
| Madhukumar et al. | Gamma assisted synthesis and characterization of colloidal SF-AgNPs |