Умкд "Методы получения наноразмерных материалов"

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. 

жүктеу/скачать 2.32 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: