CN108770171A - 一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统。该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反应器、将粉体纳米材料与气相分离的纳米粉体收集装置和对分离的气相进行处理的尾气处理装置；雾化装置的雾化室、等离子反应器的等离子体枪和等离子体反应腔、纳米粉体收集装置依次从上至下垂直且同轴布置。本发明的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，结合液相前驱体雾化技术和等离子体技术，将雾化的前驱体溶液同轴的注入到等离子体中，可使前驱体与等离子体充分接触，提高反应效率。该系统可应用于各种适合雾化的前驱体物质制备纳米材料，具适用范围广，生产效率高，工艺流程简单，过程可控。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统。
背景技术
纳米材料具有与常规宏观材料显著不同的光、电、磁、热等物理和化学性质，在能源、环境、生物医疗、电子信息、国防军工等众多领域有着广泛而重要的应用。然而，纳米材料的比表面积巨大，致使其制备较为困难，尤其是大批量、规模化、稳定地制备纳米材料一直是限制其广泛应用的最大障碍。目前，能够实现工业化大批量制备纳米材料的技术非常少。常规的纳米材料制备方法，包括物理和化学的方法，尤其是化学方法，均难以大批量、连续地制备纳米材料。
传统制备纳米材料的化学方法主要分为液相化学沉淀法和气相化学沉积法。液相化学沉淀法具有操作简便的优点，适用于各种液态的前驱体，但后处理过程复杂，所得纳米材料尺寸较大且不均匀；气相化学沉积法则适用于气态前驱体或能够气化的前驱体，所制备的纳米材料均一可控且尺寸较小，但该方法通常为间歇式生产，可适用的前驱体较少。因此，如何有机地结合两种制备方法各自优点，形成可靠的制备系统，是解决多种纳米材料连续化制备的关键。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统。
本发明的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，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反应器、将粉体纳米材料与气相分离的纳米粉体收集装置和对分离的气相进行处理的尾气处理装置；所述雾化装置的雾化室、所述等离子反应器的等离子体枪和等离子体反应腔、纳米粉体收集装置依次从上至下垂直且同轴布置。
优选的，所述雾化装置包括雾化发生器和将所述液态前驱体输送至雾化发生器的蠕动泵。
优选的，所述雾化发生器可以是高压喷雾或超声喷雾装置。
优选的，所述离子反应器还包括为等离子体枪提供电源的等离子体电源。
优选的，等离子体电源为直流等离子体电源、微波等离子体电源或高频电感耦合等离子体电源。
优选的，所述雾化室的出料口与等离子体枪内部导管连通。
优选的，所述等离子体反应腔为耐高温金属材料、石英、刚玉或耐火砖。
优选的，所述纳米粉体收集装置为湿法收集装置、旋风分离装置或布袋收集装置。
优选的，所述等离子体反应腔的尾部与纳米粉体收集装置连接。
优选的，所述纳米粉体收集装置排气口与尾气处理装置连接。
本发明所提供的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，结合液相前驱体雾化技术和等离子体技术，将雾化的前驱体溶液同轴的注入到等离子体中，可使前驱体与等离子体充分接触，提高反应效率。该系统可应用于各种适合雾化的前驱体物质制备纳米材料，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，是一种新型的粉体纳米材料制备系统。
附图说明
图1是本发明的同轴式喷雾等离子体纳米材料制备系统示意图。
10-前驱体雾化装置；11-蠕动泵； 12-雾化发生器；13-雾化室； 16-载气； 17-前驱体溶液；18-雾化液滴； 20-等离子体反应器；21-等离子体电源；22-等离子体枪；23-等离子体反应腔；24- 等离子体枪内导管；25-等离子体枪外壁；26-等离子体枪内壁；27-冷却介质；28-等离子体工作气体；29-气体导流头；221-等离子体反应腔下端；222-粉体纳米材料；3-纳米粉体收集装置；30-湿法收集装置；31-收集瓶上端；32-收集瓶内导管；34-收集瓶尾端；35-收集瓶；40-尾气吸收装置；41-尾气吸收瓶上端；42-尾气吸收瓶内导管；44-尾气；45-尾气吸收瓶；14、15、33、43-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，一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，包括将液态前驱体定量雾化的前驱体雾化装置10、生成粉体纳米材料的等离子体反应器20、将粉体纳米材料与气相分离的纳米粉体收集装置3和对分离的气相进行处理的尾气吸收装置40；所述前驱体雾化装置10的雾化室13、所述等离子体反应器20的等离子体枪22和等离子体反应腔23、纳米粉体收集装置3依次从上至下垂直且同轴布置。
本发明所提供的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，结合液相前驱体雾化技术和等离子体技术，将雾化的前驱体溶液同轴的注入到等离子体中，可使前驱体与等离子体充分接触，提高反应效率。该系统可应用于各种适合雾化的前驱体物质制备纳米材料，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，是一种新型的粉体纳米材料制备系统。
等离子体反应器20还可以包括为等离子体枪22提供电源的等离子体电源21。等离子体电源21提供等离子体枪22电能，将送入到等离子体枪22中的等离子体工作气体28激发，形成等离子体。其后，前驱体溶液17经蠕动泵11定量送入雾化发生器12中进行雾化，进入到雾化室13中形成高浓度前驱体雾化液滴18，再由载气16通过与雾化室13相连接的等离子体枪内导管24将前驱体雾化液滴18同轴地注入到等离子体中，使其迅速反应，其反应后的产物在等离体体反应腔23冷凝成粉体纳米材料222，粉体纳米材料222随等离子体工作气体28和载气16通过收集瓶内导管32进入到湿法收集器30中，粉体纳米材料222在收集瓶35中被液体捕捉并收集，而气相部分进入到尾气处理装置40中以除去污染性有毒气体。
前驱体雾化装置10可以由蠕动泵11、雾化发生器12和雾化室13组成。蠕动泵11将前驱体溶液17定量送入到雾化发生器12中进行雾化，雾化后的微小液滴18进入雾化室13，雾化室13上端与载气16的管路连接，下端则通过法兰15与等离子体枪内导管24连接，雾化后的前驱体液滴18由载气16以同轴地方式注入到等离子体反应器20中进行反应。
等离子体反应器20可以由等离子体电源21和等离子体枪22构成。等离子体电源21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22由等离子体枪外壁25、等离子体枪内壁26和等离子体腔内导管24组成，它们三部分相互同轴套嵌在一起。等离子体枪外壁25和等离子体枪内壁26之间有空腔，冷却介质27可以进入到空腔中对等离子体枪内壁26进行冷却，以延长等离子体枪的使用寿命。等离子体枪内壁26与等离子体内导管24之间布置有气体导流头29，该气体导流头29可使进入到等离子体反应器20中的等离子体工作气体28分布均匀，以产生稳定连续的等离子体。
等离子体反应腔23与等离子体枪22同轴连接在一起，两者的材质可以由耐高温的金属合金、刚玉、石英或耐火砖材质制成，优选的等离子体枪外壁25与等离子体反应腔23由耐火砖砌成，以提高其保温效率。
等离子体反应腔下端221与湿法收集装置30收集瓶上端31通过法兰33连接在一起。收集瓶35内装有与反应产物及工作气体28、载气16不发生反应的液体，收集瓶内导管32出口置于液面以下，以收集产生的粉体纳米材料222，未吸收气体则从尾端进入尾气吸收装置40。
纳米粉体收集装置3可以为湿法收集装置30、旋风分离装置或布袋收集装置。在本实施例中，湿法收集装置30收集瓶尾端34与尾气吸收装置40尾气吸收瓶45上端41通过法兰43连接。尾气吸收瓶45内导管42出口置于尾气吸收瓶45的尾气吸收液液面以下，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。尾气处理装置可以类似方式进行串联，以使未吸收尾气44完全无毒无害。
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)
1.一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，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（10）、生成粉体纳米材料的等离子体反应器（20）、将粉体纳米材料与气相分离的纳米粉体收集装置（3）和对分离的气相进行处理的尾气吸收装置（40）；所述前驱体雾化装置（10）的雾化室（13）、所述等离子体反应器（20）的等离子体枪（22）和等离子体反应腔（23）、纳米粉体收集装置（3）依次从上至下垂直且同轴布置。
2.如权利要求1所述的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，其特征在于：所述前驱体雾化装置（10）还包括雾化发生器（12）和将所述液态前驱体输送至雾化发生器（12）的蠕动泵（11）。
3.如权利要求2所述的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，其特征在于：所述雾化发生器（12）为高压喷雾或超声喷雾装置。
4.如权利要求1所述的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，其特征在于：所述等离子体反应器（20）还包括为等离子体枪（22）提供电源的等离子体电源（21）。
5.如权利要求4所述的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，其特征在于：等离子体电源（21）为直流等离子体电源（21）、微波等离子体电源（21）或高频电感耦合等离子体电源（21）。
6.如权利要求1所述的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，其特征在于：所述雾化室（13）的出料口与等离子体枪（22）内部导管连通。
7.如权利要求1所述的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，其特征在于：所述等离子体反应腔（23）为耐高温金属材料、石英、刚玉或耐火砖。
8.如权利要求1所述的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，其特征在于：所述纳米粉体收集装置（3）为湿法收集装置（30）、旋风分离装置或布袋收集装置。
9.如权利要求1所述的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，其特征在于：所述等离子体反应腔（23）的尾部与纳米粉体收集装置（3）连接。
10.如权利要求1所述的一种同轴式喷雾的等离子体纳米材料制备系统，其特征在于：所述纳米粉体收集装置（3）排气口与尾气吸收装置（40）连接。
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