CN112664936B - 一种多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米材料合成相关技术领域，其公开了一种多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，系统包括至少四个燃烧器、燃烧室、伸缩式点火器、至少四个导轨、以及至少四个夹具，燃烧室为具有开口的桶状，至少四个导轨间隔设置在燃烧室的外周上；伸缩式点火器设置在燃烧室内；至少四个燃烧器分别设置在至少四个夹具上，至少四个夹具分别滑动地设置在至少四个导轨上；燃烧器喷射的可燃气流进入燃烧室后，由伸缩式点火器点燃而形成湍流火焰，火焰驱动形成墙式切圆气流，由于相切作用会产生螺旋上升的气流。本发明能够灵活选择燃烧器中的喷雾和分散气，可以同时兼顾是吸纳纳米颗粒粒径分布、相貌尺寸和晶相纯度的精准控制和增加纳米颗粒的产率。

Description

一种多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统

技术领域

本发明属于纳米材料合成相关技术领域，更具体地，涉及一种多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统。

背景技术

湿法合成通常包括了各种耗时的步骤，而火焰合成法则是快速的一步合成，并且高温生产过程中的原位煅烧意味着后期不再需要煅烧等热处理。不仅如此，火焰合成功能纳米颗粒不需要经过洗涤等过程，实际上湿法合成洗涤过程会增大引入其它杂质的几率，进而会改变纳米颗粒的组成并影响其性能。湿化学法合成路线通常是间歇的，而火焰合成法还可以进行连续的生产。

与湿化学法制备出的纳米颗粒相比，火焰合成法能够通过调整工艺参数可以改变纳米材料的特性，例如比表面积(SSA)、粒度和结晶度。然而，传统的单喷嘴火焰喷雾燃烧器具有合成的功能纳米颗粒组分单一、产率低等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，所述系统选用湍流燃烧器合成稳定的湍流火焰，通过将前驱物直接高压喷射雾化，配合分散气形成不同当量比的燃烧氛围。灵活选择燃烧器中的喷雾和分散气，可以同时兼顾实现纳米颗粒粒径分布、相貌尺寸和晶相纯度的精准控制和增加纳米颗粒的产率，且多喷嘴的应用可以极大地增加纳米颗粒结构和组分的选择。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，所述系统包括至少四个燃烧器、燃烧室、伸缩式点火器、至少四个导轨、以及至少四个夹具，所述燃烧室为具有开口的桶状，至少四个所述导轨间隔设置在所述燃烧室的外周上，且所述导轨的长度方向与所述燃烧室的中心轴平行；所述伸缩式点火器设置在所述燃烧室内；至少四个燃烧器分别设置在至少四个夹具上，至少四个夹具分别滑动地设置在至少四个导轨上；

所述燃烧器喷射的可燃气流进入所述燃烧室后，由所述伸缩式点火器点燃而形成湍流火焰，火焰驱动形成墙式切圆气流，至少四股气流大部分聚集在所述燃烧室的中间，由于相切作用会产生螺旋上升的气流。

进一步地，所述系统还包括玻璃纤维滤纸及空气泵，所述玻璃纤维滤纸设置在所述燃烧室的开口上，且所述开口上还设置有盖板，所述玻璃纤维滤纸位于所述燃烧室与所述盖板之间；所述空气泵连接于所述玻璃纤维滤纸。

进一步地，火焰合成的纳米颗粒被气流携带，通过所述空气泵的吸引而聚集到所述燃烧室顶部的玻璃纤维滤纸上以进行收集。

进一步地，所述夹具能够带动所述燃烧器沿所述导轨移动，并能够带动所述燃烧器转动，以改变所述燃烧器相对于所述燃烧室的位姿。

进一步地，所述盖板上设置有流道，所述流道内流通有冷却水。

进一步地，通过调节所述燃烧器的位姿来改变切圆半径大小进而控制颗粒的停留时间。

进一步地，所述导轨的数量、所述夹具的数量及所述燃烧器的数量相同，均为四个。

进一步地，所述燃烧器包括本体、分散气管路、预混气管路、注射泵及前驱体管路，所述分散气管路、所述预混气管路及所述注射泵分别连接于所述本体的同一端，且所述注射泵连接于所述前驱体管路。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的多喷嘴喷雾合成纳米颗粒的系统主要具有以下有益效果：

1.通过调节燃烧器流速、角度、高度以形成不同直径的气流切圆来改变颗粒的高温停留时间，形成四面风墙以防止纳米颗粒向四周扩散到不锈钢隔离罩上。

2.燃烧器可以仅喷射分散气以焠熄湍流火焰，减少颗粒的团聚和烧结现象，增加纳米材料的比表面积。

3.通过氧气的补充增加了液相金属有机前驱物比例、种类的选择，扩宽了纳米颗粒的结构和组分。

4.由于通过燃烧器实现，液相前驱物供给流速大幅提高也能保持空燃比一致，因此能显著增加纳米颗粒的产率。

5.多燃烧器结构可以更灵活地控制温度和浓度场等火焰参数，进一步精准调控纳米颗粒的形貌和尺寸分布。

6.通过灵活调节喷射气体中氧气的含量，进一步增强喷雾燃烧合成中氧气与燃料当量比的控制。

附图说明

图1是本发明提供的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统的四角切圆式和墙式喷口布置结构示意图；

图2是图1中的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统的示意图；

图3是图1中的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统的燃烧器的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-燃烧器，2-燃烧室，3-伸缩式点火器，4-夹具，5-导轨，6-玻璃纤维滤纸，7-空气泵，8-分散气管路，9-预混气管路，10-注射泵，11-前驱体管路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2及图3，本发明提供的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，所述系统设置在燃烧室壁面上的四个以上的燃烧器组成喷射的气流进入燃烧室后会形成墙式切圆气流，四股以上气流大部分聚集在燃烧室中间，由点火器点燃形成燃烧火焰。由于相切作用会产生螺旋上升的气流，通过空气泵的吸引，聚集到燃烧室顶部的玻璃纤维滤纸上以进行收集。

此外，所述系统可以自由组装不同类型的燃烧器，配合分散气体形成不同当量比的燃烧氛围，灵活选择燃烧器中的喷雾和分散气，同时调节燃烧器的高度和角度，可以兼顾实现纳米颗粒粒径分布、相貌尺寸和晶相纯度的精准控制和增加纳米颗粒的产率。多喷嘴的应用可以极大地增加纳米结构和组分的选择，提供了放大工业化的途径。

所述系统包括至少四个燃烧器1、燃烧室2、伸缩式点火器3、至少四个导轨5、至少四个夹具4、玻璃纤维滤纸6及空气泵7，所述燃烧室2为具有开口的桶状，至少四个所述导轨5间隔设置在所述燃烧室2的外周上，且所述导轨5的长度方向与所述燃烧室2的中心轴平行。所述伸缩式点火器3设置在所述燃烧室2内。至少四个所述燃烧器2分别设置在至少四个所述夹具4上，至少四个所述夹具4分别滑动地设置在至少四个所述导轨5上，所述夹具4能够带动所述燃烧器1沿所述导轨5移动，并能够带动所述燃烧器1转动，以改变所述燃烧器1相对于所述燃烧室2的位姿。所述玻璃纤维滤纸6设置在所述燃烧室2的开口上，且所述开口上还设置有盖板，所述玻璃纤维滤纸6位于所述燃烧室2与所述盖板之间。所述空气泵7连接于所述玻璃纤维滤纸6。其中，所述燃烧器1喷射的可燃气流进入所述燃烧室2后，由所述伸缩式点火器3点燃而形成湍流火焰，高温火焰驱动形成墙式切圆气流，至少四股气流大部分聚集在所述燃烧室2的中间，由于相切作用会产生螺旋上升的气流，火焰合成的纳米颗粒被气流携带，通过所述空气泵7的吸引而聚集到所述燃烧室2顶部的玻璃纤维滤纸6上以进行收集。

本实施方式中，所述盖板上设置有流道，所述流道内流通有冷却水；通过调节所述燃烧器1的位姿可以改变切圆半径大小进而控制颗粒的停留时间；所述导轨5的数量、所述夹具4的数量及所述燃烧器1的数量相同，均为四个。

四个燃烧器1都配备有前驱体和分散气管道，可以根据试验状况灵活分配管道的供给。当要提高纳米颗粒的产量时，四个燃烧器1都供给前驱体和含氧分散气，并且形成四面风墙而有效地防止了纳米颗粒向四周扩散到不锈钢隔离罩上，因此相较于传统的单喷嘴燃烧器产率提升大于四倍。当要调控颗粒的粒径分布和晶相时，其中两个位置对称的燃烧器1可以只提供惰性气体，达到焠熄湍流火焰，阻止了颗粒进一步生长而团聚、烧结成粒径较大的颗粒。通过调节燃烧器1的流速和角度形成不同直径的气流切圆进而改变颗粒的高温停留时间，也可以精准调控颗粒的形貌与尺寸。四个燃烧器至少可以形成二种以上不同的金属前驱体溶液，可以形成多元的金属氧化物和多种元素的掺杂与负载，极大地扩充了纳米颗粒的结构和组分。

所述燃烧器1包括本体、分散气管路8、预混气管路9、注射泵10及前驱体管路11，所述分散气管路8、所述预混气管路9及所述注射泵10分别连接于所述本体的同一端，且所述注射泵10连接于所述前驱体管路1。

纳米颗粒喷雾燃烧合成主要包括液体前驱物制备、前驱物溶液的喷射雾化及湍流火焰燃烧、以及纳米颗粒的收集。根据目标纳米颗粒的结构和组分，选取对应的金属有机盐作为金属前驱物。由于金属乙酸盐和金属硝酸盐气化分解温度高会导致纳米颗粒尺寸均一性差，因此应选取对应的金属2-乙基己酸盐和乙酰丙酮盐，并同时根据上述金属有机盐种类选择溶解度较好的有机燃料，包括二甲苯、乙醇、丁醇或丙酸。

本系统可以供给不同种类的金属前驱体到四个燃烧器1，实现多元金属的结构和组分；通过注射泵10喷射雾化，由含氧分散气进一步扩散并用伸缩式点火器3点燃，以形成稳定的湍流火焰。当要提高纳米颗粒的产量时，四个燃烧器1都供给前驱体和氧气、氩气组成的分散气，并且形成四面风墙有效地防止了纳米颗粒向四周扩散到燃烧室2上，因此相较于传统的单燃烧器产率提升大于四倍。当要调控颗粒的粒径分布和晶相时，其中两个位置对称的燃烧器可以只提供氩气惰性气体，达到焠熄湍流火焰，阻止了颗粒进一步生长而团聚、烧结成粒径较大的颗粒。减少喷嘴的流速可以降低螺旋上升气溶胶颗粒的动量，提升了雾化金属前驱体在高温燃烧区的停留时间，可以消除吸附在颗粒上的溶剂和未燃尽的有机物，以提高的纳米材料的结晶相和纯度。通过调节四个燃烧器的位置和角度，形成不同直径的气流切圆，以改变雾化前驱体的混入空间和时间，进而精准调控颗粒的形貌与尺寸。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，其特征在于：

所述系统包括至少四个燃烧器、燃烧室、伸缩式点火器、至少四个导轨、以及至少四个夹具，所述燃烧室为具有开口的桶状，至少四个所述导轨间隔设置在所述燃烧室的外周上，且所述导轨的长度方向与所述燃烧室的中心轴平行；所述伸缩式点火器设置在所述燃烧室内；至少四个燃烧器分别设置在至少四个夹具上，至少四个夹具分别滑动地设置在至少四个导轨上；

所述燃烧器喷射的可燃气流进入所述燃烧室后，由所述伸缩式点火器点燃而形成湍流火焰，火焰驱动形成墙式切圆气流，至少四股气流大部分聚集在所述燃烧室的中间，由于相切作用会产生螺旋上升的气流。

2.如权利要求1所述的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述系统还包括玻璃纤维滤纸及空气泵，所述玻璃纤维滤纸设置在所述燃烧室的开口上，且所述开口上还设置有盖板，所述玻璃纤维滤纸位于所述燃烧室与所述盖板之间；所述空气泵连接于所述玻璃纤维滤纸。

3.如权利要求2所述的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，其特征在于：火焰合成的纳米颗粒被气流携带，通过所述空气泵的吸引而聚集到所述燃烧室顶部的玻璃纤维滤纸上以进行收集。

4.如权利要求1所述的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述夹具能够带动所述燃烧器沿所述导轨移动，并能够带动所述燃烧器转动，以改变所述燃烧器相对于所述燃烧室的位姿。

5.如权利要求2所述的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述盖板上设置有流道，所述流道内流通有冷却水。

6.如权利要求1所述的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，其特征在于：通过调节所述燃烧器的位姿来改变切圆半径大小进而控制颗粒的停留时间。

7.如权利要求1-6任一项所述的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述导轨的数量、所述夹具的数量及所述燃烧器的数量相同，均为四个。

8.如权利要求1-6任一项所述的多喷嘴喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述燃烧器包括本体、分散气管路、预混气管路、注射泵及前驱体管路，所述分散气管路、所述预混气管路及所述注射泵分别连接于所述本体的同一端，且所述注射泵连接于所述前驱体管路。

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