CN101903111A - 用于产生微粒的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生微粒的方法和设备。在本发明中，借助于至少两个雾化器(2)将液体(3)雾化成液滴喷雾(4)。根据本发明设置至少两个雾化器(2)朝向彼此，从而由此产生的液滴喷雾(4)彼此碰撞以形成薄雾，并且该设备还包括热反应器，在热反应器中，薄雾形成平均空气动力直径小于1000nm的微粒。

Description

用于产生微粒的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于产生微粒的设备，尤其涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于形成微粒的设备，该设备包括至少两个雾化器，其将一种或多种液体雾化成液滴喷雾。本发明还涉及用于产生微粒的方法，尤其涉及一种根据权利要求15的前序部分的用于形成微粒的方法，在该方法中将至少一种液体雾化成两种或多种液体喷雾。
背景技术
使用各种技术可以将液体雾化成微小的液滴，诸如空气分散雾化器、压力分散雾化器和超声波雾化器。在Huimin Liu于2000年在纽约的William Adrew出版的LLC的Fundamentals and Applications第19-120页、尤其是59-61页的“Science and Engineering ofDroplets”的出版物中已经全面地描述了各种雾化方式，其描述了所谓的“口哨雾化”设备，其中借助于超声波雾化碰撞的液体喷射流。借助于该设备，可以以高速率产生小于10微米的水滴。
公开日1997年3月16日(Liekki Oy)的专利公开文本FI98832描述了用于喷射物质的方法和设备，由此将喷射的物质引导至借助于燃气形成的火焰，并且将喷射的物质中的微粒借助于火焰喷射至所需目标。将喷射的物质以液体形式传递至火焰，并且借助于基本上位于火焰附近的气体而雾化。因而，可以以纳米等级快速、经济和单相地产生非常微小的微粒。公开文本的设备具有的问题是，在高速火焰中形成纳米微粒，并且在设备中，雾化处理和火焰形成处理是互相联系的，而且设备不包括优化彼此单独的雾化和火焰的自由度。设备不允许同时从不同类型的液体产生微粒。
现有技术因而提出了这样的问题，即以高产生速率产生高质量的薄雾或气雾需要复杂的设备。此外，当使用薄雾或气雾产生纳米微粒时，现有技术的问题在于分开不同的处理步骤，诸如雾化和火焰形成。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法和实施该方法的设备，从而可以消除上述问题。这是由根据权利要求1的特征部分的设备实现的，其特征在于设置至少两个朝向彼此的雾化器，从而由此产生的液滴喷雾彼此碰撞以形成薄雾或气雾，并且该设备还包括热反应器，在热反应器中，薄雾或气雾形成平均空气动力直径小于1000nm的微粒。本发明的目的还通过根据权利要求15的特征部分的方法而实现，其特征在于引导至少两股液滴喷雾朝向彼此，从而液滴喷雾彼此碰撞以形成薄雾或气雾，并且将形成的薄雾或气雾传送到热反应器中，在热反应器中薄雾或气雾形成平均空气动力直径小于1000nm的微粒。
在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
根据本发明的设备和方法基于令人惊讶的观察，即由于引导两股雾化液滴喷雾彼此碰撞，产生了液滴微小的气雾或薄雾。气雾指的是固体或液体微粒漂浮在气体中的混合物。本文中，薄雾指的是包括平均尺寸大于气雾的固体或液体微粒的混合物。有利地，将液滴喷雾引导成基本上彼此直对时，获得薄雾或气雾，其几乎没有活动性，由此可以通过基本上朝向液滴喷雾的碰撞点的单独气体流在所需方向上移动所述薄雾或气雾。由于直到碰撞点，液滴喷雾才聚合，所述设备允许产生薄雾或气雾，薄雾或气雾包括至少两种不同的液体，诸如由水和甲醇雾化的液滴，该液体可以互相不混合，诸如水和汽油，或者以在同一雾化器中不能结合在一起的方式互相反应，例如，因为液体将一同形成凝胶混合物，诸如包含金属盐和四乙基原硅酸盐(TEOS)的水。使用本发明的设备，也可以从混合物、包含溶剂和溶解于溶剂中的金属盐的液体或者是胶状溶液的液体产生薄雾和气雾。由不同雾化器产生的液滴的平均液滴尺寸并非必须相同，由此彼此碰撞的液滴喷雾中的平均液滴尺寸不同。根据该设备的运行性能的观点，有利地是，如果碰撞液滴喷雾的动量基本上相同，由此基于动量守恒原理，所产生的薄雾的动量为零。换句话说，动量基本上相同，但是符号相反。因而，本发明的设备和方法允许形成包括各种物质的薄雾。根据所获得的薄雾或气雾，本发明的设备和方法还产生直径为1至1000nm的固体物质的纳米尺寸微粒。
因而，使用本发明的设备和方法可以提供微粒，诸如金属微粒或金属氧化物微粒，其平均空气动力学直径小于1000nm。有利地产生这些微粒，从而将本发明设备产生的并且包含至少一种金属盐的薄雾或气雾引导至热反应器，在热反应器中薄雾液滴或气雾液滴以及包含于其中的金属蒸发，并且通过成核作用和冷凝作用形成纳米尺寸的金属微粒或金属氧化物微粒。有利地，所述的热反应器是借助于气体燃烧产生的火焰。在该情况下，有利地是使用根据本发明设备中的至少一种放热液体。此外，有利地是使用形成火焰所需的至少一种气体以雾化液体，诸如氢气、氧气或氢/氧混合物。还可以将至少一种气体送入本发明的设备，所述气体在热反应器中反应，并且形成金属微粒或金属氧化物微粒。
本发明的优点是本发明的设备允许产生质量均匀的薄雾或气雾，还将产生质量均匀的纳米微粒，例如用于涂敷处理中。由于本发明的设备可以具有各种实施例，可以将薄雾或气雾成型为线状薄雾前沿或气雾前沿，由此薄雾或气雾可以形成线状纳米微粒喷射流，其可以有利地用于涂敷例如板、带状物质。这些实例包括造纸机上的纸幅、纺织机上的纺织层或玻璃制造处理、尤其是研磨处理的玻璃带。
附图说明
下文中，将参照附图结合优选实施例更详细地描述本发明，其中：
图1是根据本发明的设备的原理的示意图，其中两个气体分散雾化器基本上朝向彼此；
图2示出了根据本发明的设备的一个实施例，其中气体流产生的火焰作为热反应器；以及
图3示出了根据本发明的设备的另一实施例，其中通过燃烧放热液体产生的火焰作为热反应器。
具体实施方式
图1示出了用于产生微粒的本发明的设备。在设备的主体1中，固定有基本上朝向彼此的两个雾化器2。根据图1，雾化器2设置在设备中，并且笔直地朝向彼此。换句话说，有利地是，雾化器2设置成基本上共轴地朝向彼此，从而它们的液滴喷雾4基本上彼此直接碰撞。该设备可以包括两个或更多个雾化器2。有利地是，雾化器2成对设置，以形成一对或多对雾化器，从而每对雾化器的雾化器2笔直地朝向彼此，有利地是共轴地，由此每对雾化器的液滴喷雾4彼此直接碰撞。在设备中，雾化器对还可以竖直或水平地接连或并排设置。
将准备雾化的液体3和雾化气体8送入雾化器2中。有利地以不同速率将雾化气体8和液体3送入雾化器2，由此雾化气体8和液体3在雾化器2的输出端处不同的速率提供了将液体3雾化成液滴喷雾4，液滴喷雾4由微小液滴构成。液滴喷雾4彼此碰撞，由此令人惊奇地产生包括微小液滴的薄雾或气雾。液滴喷雾4自身可以包括薄雾或气雾。当基本上笔直地彼此朝向的液滴喷雾彼此直接碰撞时，将提供薄雾或气雾，其基本上没有活动性，它们的动量基本相等。此外，可以设置设备以包括用于将至少两种不同的液体3送至至少两个不同雾化器的装置。换句话说，可以提供这样的设备，其将相同或不同的液体3送至两个或更多个雾化器2。换句话说，如果需要的话，可以将相同或不同的液体供给每对雾化器中的雾化器2。另外，至少两对雾化器可以使用与其它对的雾化器相同的液体。如果需要的话，每对雾化器可以产生与相邻的雾化器对所产生的不同或相同的薄雾。另外，可以设置设备的雾化器2以产生液滴喷雾4，其液滴的平均液滴尺寸明显不同或相同。例如，雾化器2的几何形状或者雾化气体的速率或者雾化气体之间不同的速率可以影响液滴尺寸。这能够产生液滴尺寸均匀或不均匀的薄雾或气雾。
有利地是，设备还包括用于将气体的气体流从至少一个方向传送至液滴喷雾4的碰撞点的装置。这有利地通过向设备提供气体喷嘴5来实现，气体喷嘴5用于将气体从至少一个方向送到液滴喷雾4的碰撞点。因而，借助于气体流，可以将位于液滴喷雾4的碰撞点产生的薄雾或气雾移动或转移到所需方向。可以在气体喷嘴5中使用任何气体。换句话说，可以是惰性气体，或者作为选择，可以是燃烧气体或者与薄雾或气雾反应的气体。在图1的实施例中，气体喷嘴5设置在设备中，从而气体流基本上垂直于液滴喷雾4流动和碰撞。
在图1的实施例中，该设备还包括热反应器，其由加热器9诸如电阻提供。热反应器还可以例如由火焰、微波或激光辐射提供。从气体喷嘴5流出的气体流然后将产生的薄雾或气雾引导至热反应器。在热反应器9中，薄雾或气雾中包含的至少一些物质蒸发，由此薄雾或气雾中的液滴可以形成纳米微粒，其平均空气动力直径小于1000nm。在这种情况下，例如，在热反应器中，存在于薄雾或气雾中的溶剂以及包含在薄雾或气雾中的金属蒸发。随着金属冷却，金属通过成核作用和冷凝作用形成金属颗粒或金属氧化物微粒。根据图1，由一个或多个加热器9提供热反应器，其可以是电阻等。
图2示出了根据本发明的设备的另一实施例，用于产生薄雾或气雾，并且进一步从薄雾或气雾产生纳米微粒。在设备的主体1中，安装有基本上彼此朝向的两个雾化器2。把将要雾化的液体3和雾化气体8送入雾化器2中。在雾化器2的输出端处的雾化气体8和液体3的速率差提供了由液体3雾化形成的包括微小液滴的液滴喷雾4。液滴喷雾4彼此碰撞，由此惊人地产生包括极度微小液滴的薄雾或气雾。将气体从固定至设备的主体1的气体喷嘴5基本上送至液滴喷雾4的碰撞点。从气体喷嘴5射出的气体流包括诸如氢气的燃烧气体和诸如氧气的氧化气体。位于气体喷嘴的输出端处的气流速率明显高于气体混合物的火焰前缘的传播速率，由此火焰不烧至气体喷嘴5内部。点燃从气体喷嘴射出的气体混合物，由此形成火焰7，其作为热反应器。产生火焰7的气体混合物将形成的薄雾或气雾导入火焰7。在一个实施例中，在至少第二雾化器中产生的液滴喷雾4中的液滴包含溶解在溶剂中的金属盐。薄雾或气雾中的溶剂以及包含在薄雾或气雾中的金属在火焰7中蒸发。当金属冷却时，通过成核作用和冷凝作用形成金属微粒或金属氧化物微粒。根据上文，该实施例组合了薄雾和气雾上的气体流以及用于从薄雾或气雾产生微粒的火焰7形成的动力学效应。
图3示出了根据本发明的设备的另一实施例，用于产生薄雾或气雾，并且进一步用于从薄雾或气雾中产生纳米微粒。在设备的主体1中安装了基本上朝向彼此的两个雾化器2。把将要雾化的液体3和雾化气体8送入雾化器2中。雾化气体8和液体3在雾化器2的输出端处的速率差提供了将液体3雾化成包括微小液滴4的液滴喷雾。液滴喷雾4彼此碰撞，由此意外地产生包括微小液滴的薄雾或气雾。放热的液体液滴10和氧化气体11(与气雾一起)从固定至设备的主体1的雾化器12基本上送至液滴喷雾4的碰撞点。点燃从雾化器12射出的气雾，由此形成火焰7，其作为热反应器。在该情况下，氧化气体11作为放热液体10的雾化气体。产生火焰7的气雾将产生的薄雾或气雾引入火焰7。在一个实施例中，在至少第二雾化器2处产生的液滴喷雾4中的液滴包含溶解在溶剂中的金属盐。薄雾或气雾中的溶剂以及包含在薄雾或气雾中的金属在火焰7中蒸发。当金属冷却时，金属通过成核作用和冷凝作用形成金属微粒或金属氧化物微粒。
前述附图1、2和3的实施例可以以所需方式组合。此外，可以安装或设置雾化器2，从而由此产生的液滴喷雾4以所需角度彼此碰撞。在有利的情况下，液滴喷雾4基本上彼此笔直碰撞，由此两者之间的碰撞角是约180度。当液滴喷雾基本上彼此笔直碰撞时，雾化器2可以被安装成它们基本上共轴地彼此朝向。
在本发明的用于产生薄雾或气雾的方法中，将一种或多种液体雾化成两种或多种液滴喷雾4。根据本发明，将至少两股液滴喷雾4引导成基本上笔直地彼此朝向，从而液滴喷雾4彼此笔直碰撞。有利地，将两股液滴喷雾4引导成基本上共轴地彼此朝向，从而液滴喷雾4彼此基本上笔直地碰撞。在本文中，共轴指的是液滴喷雾基本上共轴地朝向彼此移动。在该方法中，可以成对地引导两股或多股液滴喷雾4笔直朝向彼此，用于形成一对或多对液滴喷雾，从而被笔直地朝向彼此引导的液滴喷雾4彼此笔直碰撞。被笔直地朝向彼此引导的液滴喷雾4被雾化，使得其中的液滴的平均液滴尺寸明显不同或相同。
在该方法中，可以使用至少两种不同的液体3提供至少两种不同的液滴喷雾4。因而，可以由相同或不同的液体3产生碰撞液滴喷雾4。同样地，不同的液滴喷雾对可以使用不同的液体3或相同的液体3。不同的液体3可以互相不混合或相混合的。在本发明一个实施例中，使用至少一种液体3，该液体3包含溶剂和溶解于其中的金属盐。溶剂可以是放热液体。此外，本发明中使用的液体可以是混合物、乳状液或胶状溶液。
当液滴喷雾4的动量基本上相等时，液滴喷雾4的碰撞中产生的薄雾或气雾基本上是不动的。因而，通过将至少一股气体流传递至液滴喷雾4的碰撞点，可以移动所产生的薄雾。借助于该气体流可以移动薄雾或气雾，而且，可以控制其形状。在一个实施例中，将气体流以基本上垂直于液滴喷雾4的方向传送至液滴喷雾4的碰撞点。作为选择，还可以将两股或更多股气体流传送至液滴喷雾4的碰撞点。
有利的是，例如借助于上述气体流将已获得的薄雾或气雾传送至热反应器，其中至少一些包含在薄雾或气雾中的物质蒸发，由此薄雾或气雾中的液滴可以形成纳米微粒，其平均直径小于1000nm。
所用的热反应器可以是火焰或者由外部热源加热的空间。产生火焰7所需的气体可以连通来自于雾化器2的至少一股液体喷雾4一起送入。作为选择或者附加地，产生火焰7所需的气体连同引导液滴喷雾4的来自气体喷嘴12的至少一股气体流一同送入。此外，可以使用雾化器12供给产生火焰7所需的气体，该雾化器12还供给由放热液体10产生的液滴。在该情况下，产生火焰7所需的气体11，诸如氧化气体，可以作为将放热液体10雾化成液滴的雾化气体。当由至少一个雾化器2产生的液滴喷雾4中的液滴包含溶解在溶剂中的金属盐时，存在于薄雾或气雾中的溶剂在火焰7中蒸发，并且包含在薄雾中的金属也蒸发。已蒸发的金属通过成核作用和冷凝作用(气体向微粒的转换)形成金属微粒或金属氧化物微粒。
对于本领域技术人员而言，显然的是，随着技术发展，可以以各种方式实施整个发明。本发明及其实施例并不局限于上述实例，它们可以在权利要求的范围中改变。

Claims (29)

1.一种用于产生微粒的设备，该设备包括将传送至其内的液体(3)雾化成液滴喷雾(4)的至少两个雾化器(2)，其特征在于，至少两个雾化器(2)被朝向彼此设置，从而由雾化器产生的液滴喷雾(4)彼此碰撞以形成薄雾或气雾，并且该设备还包括热反应器，在热反应器中薄雾或气雾形成平均空气动力直径小于1000nm的微粒。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，至少两个雾化器(2)被基本上共轴地朝向彼此设置，使得雾化器的液滴喷雾(4)基本上彼此笔直碰撞。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，至少两个雾化器(2)被成对设置以形成一对或多对雾化器，使得每对雾化器中的雾化器(2)基本上笔直地朝向彼此。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的设备，其特征在于，设备包括用于将气体流从至少一个方向传送至液滴喷雾(4)的碰撞点的传送装置(5)。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，设备包括至少一个气体喷嘴(5)，用于从至少一个方向将气体送至液滴喷雾的碰撞点。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，至少一个气体喷嘴(5)设在设备中，用于使气体流基本上垂直于液滴喷雾(4)地流动。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的设备，其特征在于，设备包括用于将至少两种不同的液体(3)供给至至少两个不同的雾化器(2)的供给装置。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的设备，其特征在于，至少两个雾化器(2)被设置以产生液滴喷雾(4)，至少两个雾化器的液滴喷雾中的液滴的平均液滴尺寸明显不同。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的设备，其特征在于，热反应器是火焰。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，用于产生火焰所需的气体从至少一个雾化器(2)供给。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，产生火焰所需的气体被供给在引导液滴喷雾(4)的至少一股气体流中。
12.根据权利要求1至8中任意一项所述的设备，其特征在于，热反应器是由单独加热器(9)加热的空间。
13.一种用于产生微粒的方法，在该方法中将至少一种液体(3)雾化成两股或更多股液滴喷雾(4)，其特征在于，通过以朝向彼此的方式引导至少两股液滴喷雾(4)，使得至少两股液滴喷雾(4)彼此碰撞以形成薄雾或气雾，并且将已形成的薄雾或气雾传送至热反应器，在热反应器中薄雾或气雾形成平均空气动力直径小于1000nm的微粒。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，以基本上笔直朝向彼此的方式引导两股液滴喷雾(4)，使得至少两股液滴喷雾(4)彼此基本上笔直碰撞。
15.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，以朝向彼此的方式引导成对的液滴喷雾(4)以形成一对或多对液滴喷雾，从而以朝向彼此的方式引导的液滴喷雾(4)彼此笔直碰撞。
16.根据权利要求13至15中任意一项所述的方法，其特征在于，从至少一个方向将气体流传送至液滴喷雾(4)的碰撞点。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，将气体流以基本上垂直于液滴喷雾(4)的方式传送至液滴喷雾(4)的碰撞点。
18.根据权利要求13至17中任意一项所述的方法，其特征在于，至少一股气体流包含在热反应器中反应的至少一种气体。
19.根据权利要求13至18中任意一项所述的方法，其特征在于，使用火焰作为热反应器。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，将用于产生火焰所需的气体与至少一股液滴喷雾(4)一起供给。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，将用于产生火焰所需的气体与用于引导液滴喷雾(4)的至少一股气体流一起供给。
22.根据权利要求13至18中任意一项所述的方法，其特征在于，形成由单独加热器(9)加热的空间的热反应器。
23.根据权利要求13至22中任意一项所述的方法，其特征在于，使用至少两种不同的液体(3)提供至少两股不同的液滴喷雾(4)。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，至少两种不同的液体(3)是互相不可混合的。
25.根据权利要求13至24中任意一项所述的方法，其特征在于，将被以基本上朝向彼此的方式引导的至少两股液滴喷雾(4)雾化，使得至少两股液滴喷雾的液滴的平均液滴尺寸明显不同。
26.根据权利要求13至25中任意一项所述的方法，其特征在于，在该方法中使用至少一种液体(3)，该液体包含溶剂和溶解于溶剂中的金属盐。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，溶剂是放热液体。
28.根据权利要求13至27中任意一项所述的方法，其特征在于，在该方法中使用至少一种液体(3)，该液体是混合物、乳状液或胶状溶液。
29.根据权利要求13至28中任意一项所述的方法，其特征在于，将薄雾或气雾传送至热反应器，其中包含在液体液滴中的至少一种金属形成平均空气动力直径小于1000nm的金属颗粒或金属氧化物微粒。
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