2.1.1.2. Переработка капельно-жидкого сырья
Второй метод отличается от первого прежде всего процессами
нагревания и испарения капель. Схема переработки капельно-жидкого сырья
представлена на рис. 17.
54
Рис. 17. Схема процесса переработки капельно-жидкого сырья: I — зона
смешения; II — зона испарения капель; III— зона химической реакции;
IV— зона формирования частиц порошка; V — зона охлаждения; 1 —
плазмотрон; 2— реактор; 3 — форсунка
Жидкость впрыскивают в плазму. Для этой цели используют
центробежные либо пневматические форсунки. Полученные в результате
распыления капли имеют диаметр от 1 до 50 мкм. Высокая дисперсность
капель способствует их более быстрой и глубокой переработке. Другое
отличие этого метода состоит в том, что образование твердого продукта
может идти двумя путями. Первый из них заключается в том, что капли
жидкого реагента полностью испаряются, в газовой фазе протекают
гомогенные химические реакции, а при охлаждении реакционных газов
происходит формирование наночастиц продукта (как в первом методе).
Второй путь представляет собой формирование частиц за счет возникновения
центров кристаллизации и их последующего роста непосредственно в
55
жидкой капле исходного сырья, что может привести к образованию более
крупных частиц.
В качестве сырья используются либо чистые жидкости, либо водные
растворы. Термолиз водных растворов солей или суспензий является гибким
и универсальным способом получения нанооксидов. Основные его
достоинства – это большое число каналов воздействия на физико-химические
свойства продукта, возможность синтеза сложнооксидных соединений, а
также высокая химическая активность получаемых веществ.
В качестве исходных соединений используются нитраты, сульфаты,
ацетаты, карбонаты, гидроксиды металлов. Если в смеси присутствуют
соединения нескольких металлов в стехиометрических соотношениях, то
можно получить сложный оксид.
Механизм образования нанооксида заключается в том, что сначала
происходит сушка капли, растворитель удаляется, остается частица соли,
которая теряет кристаллизационную воду, после чего разлагается с
образование оксида. Время термолиза сырья составляет 10
-3
– 10
-2
с.
Форма и размер частиц оксидов зависят от химической предыстории
сырья, его концентрации, процессов тепло- и массообмена с плазменным
теплоносителем.
В табл.2 приведены некоторые свойства порошков оксидных
материалов, полученных в низкотемпературной плазме из растворов.
Таблица 2. Свойства простых и сложных оксидов, полученных
термолизом водных растворов солей в плазме
Синтезируемое
вещество
Исходное сырье
Размер частиц
продукта, мкм
Удельная
поверхность
продукта, м
2
/г
ZrO
2
ZrO
2
(Y
2
O
3
)
PbZr
0,53
Ti
0,47
O
3
Zr(NO
3
)
4
(водн)
Zr(NO
3
)
4
, Y(NO
3
)
3
(водн)
Pb(NO
3
)
2
, Zr(NO
3
)
4
, Ti(NO
3
)
4
(водн)
0,5-2,0
0,2-2,0
0,05-0,1
2-6
3-8
20
56
Сохраняя преимущества первого метода – его высокую производительность,
второй метод характеризуется большей дешевизной и доступностью сырья, его
меньшей агрессивностью и токсичностью, а также дает возможность получать
сложные кристаллические структуры и смеси с высокой однородностью.
2.1.1.3. Переработка твердых частиц, взвешенных в потоке плазмы
Исходные вещества подаются в плазму в виде порошка. В потоке плазмы
протекают следующие процессы: нагрев частиц сырья до высокой
температуры, их плавление, испарение, химические реакции, формирование
частиц продукта, охлаждение.
Схема процесса представлена на рис. 18.
Рис. 18. Схема процесса переработки частиц, взвешенных в потоке плазмы:
I — зона смешения; II — зона плавления; III — зона испарения; IV —
зона химической реакции; V — зона образования и роста частиц; VI — зона
охлаждения; 1 — плазмотрон; 2 — реактор.
Механизмы формирования частиц продукта реакции при конденсации их
из газовой фазы такие же, как в первых двух методах. Но в данном случае
существует возможность гетерогенного взаимодействия твердых и жидких
57
частиц исходного сырья с плазмой, приводящего к появлению более крупных
частиц, имеющих размеры от 100 до 500 нм (табл. 3).
Таблица 3. Свойства некоторых порошков, полученных переработкой
твердых веществ, взвешенных в потоке плазмы
Синтезируемое
вещество
Исходное
сырье
Размер частиц
продукта, нм
Удельная
поверхность
продукта, м
2
/г
SiS
TiC
0,4
N
0,6
Si
3
N
4
Композит TiN-AlN
SiO
2
, C
n
H
m
Ti, C
n
H
m
Si
Ti, Al
120-300
40-50
500-800
-
17-65
24-30
42-50
22-39
Далеко не все вещества могут быть поданы в плазму в газообразном или
жидком состоянии, поэтому третий метод позволяет расширить диапазон
химических реакций, протекающих в плазме. Кроме того, сохраняются такие
достоинства второго метода, как доступность исходного сырья, его
неагрессивность и нетоксичность.
К недостаткам метода следует отнести неполную переработку исходного
сырья. В продукте присутствуют примеси исходных металлов и
восстановителя (сажа).
Итак, между плазмохимическими методами получения и дисперсными
свойствами порошков имеется тесная взаимосвязь. Самые мелкодисперсные
порошки (десятки нанометров) могут быть получены при переработке
газообразных соединений; при переработке капельно-жидкого и твердого
сырья образуются порошки с размером частиц порядка сотен нанометров.
Достарыңызбен бөлісу: |