RU2588208C1 - Method of producing silicon dioxide nanopowder - Google Patents

Method of producing silicon dioxide nanopowder Download PDF

Info

Publication number
RU2588208C1
RU2588208C1 RU2015115440/05A RU2015115440A RU2588208C1 RU 2588208 C1 RU2588208 C1 RU 2588208C1 RU 2015115440/05 A RU2015115440/05 A RU 2015115440/05A RU 2015115440 A RU2015115440 A RU 2015115440A RU 2588208 C1 RU2588208 C1 RU 2588208C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon dioxide
plasma
nanopowder
reactor
walls
Prior art date
Application number
RU2015115440/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Алексеевич Власов
Павел Владимирович Космачев
Нелли Карповна Скрипникова
Геннадий Георгиевич Волокитин
Олег Геннадьевич Волокитин
Константин Александрович Безухов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет" (ТГАСУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет" (ТГАСУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет" (ТГАСУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2588208C1 publication Critical patent/RU2588208C1/en

Links

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to plasma technology of producing silicon dioxide. Raw material for producing silicon dioxide nanopowder is silicate material with silicon dioxide concentration not less than 70 % and particle size of not more than 2 mm. Raw material is introduced into plasma reactor sideways. Plasma temperature is provided equal to 2,500-3,000 °C. Nanopowder is produced via deposition of fine particles on walls of plasma reactor, which is subjected to forced water cooling.
EFFECT: method increases output of high-quality nanopowders at low power consumption.
1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано для получения нанопорошка диоксида кремния, который может найти применение в разных областях промышленности, но преимущественно в стройиндустрии в качестве модифицированных добавок для бетонов, строительных растворов, сухих строительных смесей, теплоизоляционных и термостойких материалов.The invention relates to the field of plasma technology and can be used to obtain silicon dioxide nanopowder, which can be used in various industries, but mainly in the construction industry as modified additives for concrete, mortar, dry mortar, heat-insulating and heat-resistant materials.

Из уровня техники известен способ получения дисперсных частиц диоксида кремния, в котором производят смешение летучего кремнийсодержащего компонента - тетрахлорида кремния (SiCl4) с водородообразующим газом (например, Н2, СН4) и кислородсодержащим газом, подачу этой смеси в реактор, разложение летучего кремнийсодержащего компонента и окисление продуктов разложения (US 6352679, C01B 33/12, 2002). При этом в пламени реактора при температуре от 1000 до 2100°С, поддерживаемой за счет энергии экзотермических реакций, происходит разложение SiCl4 и окисление продуктов разложения с образованием диоксида кремния - SiO2, а также соляной кислоты - HCl и влаги - Н2О, наличие которых в продуктах реакции снижает качество диоксида кремния и усложняет как процесс его получения, так и аппаратурное оборудование.The prior art method for producing dispersed particles of silicon dioxide, in which a volatile silicon-containing component is mixed - silicon tetrachloride (SiCl 4 ) with a hydrogen-generating gas (for example, Н 2 , СН 4 ) and an oxygen-containing gas, this mixture is fed into the reactor, decomposition of volatile silicon-containing component and oxidation of decomposition products (US 6352679, C01B 33/12, 2002). Moreover, in the flame of the reactor at a temperature of 1000 to 2100 ° C, supported by the energy of exothermic reactions, the decomposition of SiCl 4 and oxidation of the decomposition products with the formation of silicon dioxide - SiO 2 , as well as hydrochloric acid - HCl and moisture - H 2 O, the presence of which in the reaction products reduces the quality of silicon dioxide and complicates both the process of its preparation and hardware.

Известен способ получения высокодисперсного порошка диоксида кремния (RU 2349546 C1, С01В 33/18, опубл. 20.03.2009), включающий генерацию плазмы кислорода или кислородсодержащего газа, введение путем распыления в поток газовой плазмы жидкого тетрахлорида кремния и последующее окисление тетрахлорида кремния кислородом или кислородсодержащим газом при температуре 1000÷2100°С и при соотношении молярных расходов тетрахлорида кремния и кислорода от 1,0 до 3,0, при этом распыление жидкого тетрахлорида кремния производят соосно внутри и в направлении движения потока плазмы при давлении 0,2÷2,0 МПа с углом раскрытия факела распыливания 70÷170°. Недостатком данного способа является необходимость применения тетрахлорида кремния, который требует повышенных мер предосторожности при работе и представляет опасность для организма человека.A known method of producing a highly dispersed powder of silicon dioxide (RU 2349546 C1, СВВ 33/18, publ. March 20, 2009), which includes the generation of an oxygen or oxygen-containing gas plasma, the introduction of liquid silicon tetrachloride into the gas plasma stream and the subsequent oxidation of silicon tetrachloride with oxygen or an oxygen-containing gas at a temperature of 1000 ÷ 2100 ° C and with a molar ratio of silicon tetrachloride and oxygen from 1.0 to 3.0, while the spraying of liquid silicon tetrachloride is carried out coaxially inside and in the direction of movement otok plasma at a pressure of 0.2 ÷ 2.0 MPa angle flame spraying opening 70 ÷ 170 °. The disadvantage of this method is the necessity of using silicon tetrachloride, which requires increased precautions when working and is a danger to the human body.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения нанопорошков, реализуемый при помощи плазменной установки для получения нанодисперсных порошков (RU 2311225 C1, B01J 19/00, опубл. 27.11.2007). Согласно RU 2311225 нанопорошок получают путем осаждения мелкодисперсных частиц на стенках плазменного реактора. Сначала генерируют поток низкотемпературной плазмы. Затем сверху непосредственно в плазму вводят газообразное, жидкое или порошкообразное неорганическое сырье. Ввод сырья осуществляют за пределами канала течения плазмы через плоскость верхней крышки реактора на расстоянии от оси канала течения плазмы в 1,2-2,5 радиуса канала и под углом 45-70°. Вблизи плазменного потока на крышке реактора происходит спекание частиц вводимого сырья. Очистку крышки от спеков и удаление отложений нанопорошка со стенок реактора производят очистителями в разное время во избежание смешивания готового нанопорошка. Недостатком прототипа является то, что сырье вводят непосредственно в плазменную струю, но за счет динамического напора плазменного потока частицы не всегда будут подвергаться сублимации. Они могут пролетать и не изменять свои свойства или переходить лишь в расплавленное состояние, но не испаряться. Также недостатком является возможность загрязнения нанопорошка спеками и выполнение в связи с этим дополнительных операций, связанных с очисткой крышки реактора от образования спеков. К недостаткам следует отнести и повышенные энергозатраты, температура плазмы обеспечивается выше 3200 К, поскольку более низкая температура может оказаться недостаточной для полной переработки непрерывно поступающего исходного сырья.The closest in technical essence and the achieved result is a method of producing nanopowders, implemented using a plasma installation for producing nanodispersed powders (RU 2311225 C1, B01J 19/00, published on November 27, 2007). According to RU 2311225, a nanopowder is obtained by depositing fine particles on the walls of a plasma reactor. First, a low temperature plasma stream is generated. Then, gaseous, liquid or powdery inorganic raw materials are directly introduced into the plasma from above. The input of raw materials is carried out outside the channel of the plasma flow through the plane of the upper cover of the reactor at a distance from the axis of the channel of the plasma flow in 1.2-2.5 of the radius of the channel and at an angle of 45-70 °. Near the plasma flow on the reactor lid, particles of input feed are sintered. Cleaning the cap from the cakes and removing deposits of nanopowder from the walls of the reactor is carried out by cleaners at different times in order to avoid mixing the finished nanopowder. The disadvantage of the prototype is that the raw material is injected directly into the plasma jet, but due to the dynamic pressure of the plasma stream, the particles will not always be subjected to sublimation. They can fly over and not change their properties or only go into a molten state, but not evaporate. Also, the disadvantage is the possibility of contamination of the nanopowder with cakes and the implementation of additional operations in connection with this, cleaning the reactor lid from the formation of cakes. The disadvantages include increased energy consumption, the plasma temperature is provided above 3200 K, since a lower temperature may not be sufficient for the complete processing of continuously incoming feedstock.

Задача изобретения заключается в повышении эффективности выхода нанопорошка диоксида кремния с размером частиц менее 100 нм с использованием низкотемпературной плазмы при одновременном упрощении технологии его производства и экономии энергозатрат.The objective of the invention is to increase the efficiency of the output of silicon dioxide nanopowder with a particle size of less than 100 nm using low-temperature plasma while simplifying its production technology and saving energy costs.

Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в получении на стенках реактора мелкодисперсных частиц диоксида кремния за счет реакции сублимации которая происходит при взаимодействии сырья и потока низкотемпературной плазмы.The technical result, which allows us to solve the problem, is to obtain on the walls of the reactor finely divided particles of silicon dioxide due to the sublimation reaction that occurs during the interaction of raw materials and a stream of low-temperature plasma.

Задача и технический результат достигаются следующим образом.The task and the technical result are achieved as follows.

Способ получения нанопорошка диоксида кремния, как и прототип, основан на осаждении мелкодисперсных частиц на стенках плазменного реактора. Общим с прототипом является то, что сначала генерируют поток низкотемпературной плазмы, после чего в плазменный реактор вводят тугоплавкое порошкообразное сырье. Осажденный (готовый) нанопорошок собирают со стенок плазменного реактора.The method of producing silicon dioxide nanopowder, as well as the prototype, is based on the deposition of fine particles on the walls of a plasma reactor. In common with the prototype is that a low-temperature plasma stream is first generated, after which a refractory powdery feed is introduced into the plasma reactor. The precipitated (finished) nanopowder is collected from the walls of the plasma reactor.

В отличие от прототипа в качестве исходного сырья используют силикатное сырье с содержанием диоксида кремния не менее 70% и дисперсностью не более 2 мм, которое вводят в плазменный реактор сбоку.In contrast to the prototype, silicate raw materials with a silicon dioxide content of at least 70% and a dispersion of not more than 2 mm, which are introduced into the side of the plasma reactor, are used as feedstock.

Температуру плазмы обеспечивают 2500-3000°С, а стенки плазменного реактора одновременно подвергают принудительному водоохлаждению.The plasma temperature is provided at 2500-3000 ° C, and the walls of the plasma reactor are simultaneously subjected to forced water cooling.

Задача и технический результат достигаются за счет того, что сырье подается в реактор сбоку (с целью образования лужи расплава), а не непосредственно в плазменную струю сверху, как по прототипу. Кроме того, для достижения технического результата важно использовать в качестве сырья именно сырье с содержанием SiO2 не менее 70%. Были проведены исследования по применению различного силикатного сырья, такого как, например, гранит (содержание диоксида кремния - 62,5%), молотое стекло (содержание диоксида кремния - 72,5%) и кварцевый песок (содержание диоксида кремния - 98,5%). Ряд экспериментов показал, что выход целевого нанопорошка прямо пропорционален содержанию SiO2 в сырьевом материале: чем больше его содержание в сырье, тем большее количество наночастиц именно диоксида кремния образовывается в результате. В случае когда содержание диоксида кремния в сырье меньше 70%, при прочих равных условиях целевой продукт терял свою чистоту за счет образования примесей других веществ в осаждаемой фазе, и качество нанопорошка снижалось.The task and the technical result are achieved due to the fact that the feed is fed into the reactor from the side (in order to form a pool of melt), and not directly into the plasma jet from above, as in the prototype. In addition, to achieve a technical result, it is important to use raw materials with a SiO 2 content of at least 70% as raw materials. Studies have been carried out on the use of various silicate raw materials, such as, for example, granite (silicon dioxide content - 62.5%), ground glass (silicon dioxide content - 72.5%) and quartz sand (silicon dioxide content - 98.5% ) A series of experiments showed that the yield of the target nanopowder is directly proportional to the SiO 2 content in the raw material: the higher its content in the raw material, the greater the amount of silicon dioxide nanoparticles formed as a result. In the case when the content of silicon dioxide in the feed is less than 70%, ceteris paribus, the target product lost its purity due to the formation of impurities of other substances in the deposited phase, and the quality of the nanopowder decreased.

Также нами было установлено, что частица кварца размером 2 мм полностью расплавится в плазменном потоке за время 2,6 с, частица размером 0,4 мм расплавится за 0,1 с, при этом частицы достигают температуры 1700-1750°С, что обеспечивает их полное плавление. При достижении температуры 2500-3000°С происходит интенсификация процессов сублимации. Проведенные расчеты позволяют подобрать размеры частиц сырьевого материала в зависимости от скорости движения частицы в плазменном потоке, что определяет время нахождения частицы в плазме до ее полного расплавления. Экспериментально было установлено, что размер частиц для получения однородного расплава с последующей сублимацией должен быть до 2 мм, причем температуры плазмы Τ~2500-3000°С, как было установлено, достаточно для протекания процесса сублимации кремнийсодержащего сырья указанной дисперсности. Повышение температуры нецелесообразно с точки зрения энергозатрат при работе установки.We also found that a 2 mm quartz particle will completely melt in a plasma stream in 2.6 s, a 0.4 mm particle will melt in 0.1 s, while the particles reach a temperature of 1700-1750 ° С, which ensures their full melting. Upon reaching a temperature of 2500-3000 ° C, the processes of sublimation are intensified. The performed calculations make it possible to select the particle sizes of the raw material depending on the particle velocity in the plasma stream, which determines the time spent by the particle in the plasma until it is completely melted. It was experimentally established that the particle size to obtain a homogeneous melt with subsequent sublimation should be up to 2 mm, and the plasma temperature Τ ~ 2500-3000 ° C, as it was found to be sufficient for the process of sublimation of silicon-containing raw materials of the indicated dispersion. The temperature increase is impractical from the point of view of energy consumption during operation of the installation.

В уровне техники не обнаружено совокупности существенных отличительных признаков в заявляемом соотношении для достижения указанного технического результата. Именно использование исходного сырья с содержанием диоксида кремния не менее 70% и дисперсностью до 2 мм позволяет получить качественный нанопорошок при низких энергозатратах.In the prior art, not found a combination of significant distinguishing features in the claimed ratio to achieve the specified technical result. It is the use of feedstock with a silicon dioxide content of at least 70% and a dispersion of up to 2 mm that allows one to obtain high-quality nanopowder at low energy consumption.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Сначала, при помощи плазмотрона прямого действия с вынесенной дугой, зажигаем плазменную струю, имеющую Т ~ 2500-3000°С. Для первичного розжига струи применяется графитовый анод на дне реактора.First, using a direct-acting plasma torch with a remote arc, we ignite a plasma jet having T ~ 2500-3000 ° C. For the primary ignition of the jet, a graphite anode is used at the bottom of the reactor.

Затем сбоку в плазменный реактор подается сырье. Под действием плазмы в реакторе происходят физико-химические процессы плавления сырья. Более того, после образования расплава в нем возникает электропроводность. Ток течет по расплаву, одновременно обеспечивая повышение температуры на поверхности (джоулев нагрев), в результате чего происходит дополнительное испарение частиц диоксида кремния. Газовая фаза в виде диоксида кремния осаждается на водоохлаждаемых поверхностях реактора.Then, raw materials are fed into the plasma reactor from the side. Under the action of plasma, physicochemical processes of raw material melting take place in the reactor. Moreover, after the formation of the melt, electrical conductivity arises in it. The current flows through the melt, while simultaneously increasing the surface temperature (Joule heating), as a result of which additional evaporation of silicon dioxide particles occurs. The gas phase in the form of silicon dioxide is deposited on the water-cooled surfaces of the reactor.

Решение поставленной задачи и достижение технического результата подтверждается конкретными примерами.The solution of the problem and the achievement of the technical result is confirmed by specific examples.

При неизменном технологическом режиме плазменной установки (U=120 В, I=310 А, Т ~ 2500-3000°С) использовали 3 вида силикатного сырья, предварительно измельченного до фракции не более 2 мм: гранит, молотое стекло, кварцевый песок.At a constant technological mode of the plasma installation (U = 120 V, I = 310 A, T ~ 2500-3000 ° C), 3 types of silicate raw materials were used, previously crushed to a fraction of no more than 2 mm: granite, ground glass, silica sand.

Проведенные испытания показали, что при использовании сырья, где содержание диоксида кремния более 70% (молотое стекло - 72,5% и кварцевый песок - 98,5%), выход наночастиц составляет от 50 до 60% и размер наночастиц при этом составляет от 10 до 100 нм.The tests showed that when using raw materials where the content of silicon dioxide is more than 70% (ground glass - 72.5% and quartz sand - 98.5%), the yield of nanoparticles is from 50 to 60% and the size of the nanoparticles is from 10 up to 100 nm.

Что касается сырья в виде гранита, где SiO2 составляет 62,5%, то выход наночастиц является недостаточным и использование такого сырья для получения наночастиц диоксида кремния является неэффективным и нерентабельным.As for the raw materials in the form of granite, where SiO 2 is 62.5%, the yield of nanoparticles is insufficient and the use of such raw materials for the production of silicon dioxide nanoparticles is inefficient and unprofitable.

Figure 00000001
Figure 00000001

Проведенные исследования также показали, что полученные заявляемым способом наночастицы имеют сферическую форму.Studies have also shown that obtained by the claimed method, the nanoparticles have a spherical shape.

Claims (1)

Способ получения нанопорошка диоксида кремния путем осаждения мелкодисперсных частиц на стенках плазменного реактора, согласно которому генерируют поток низкотемпературной плазмы, в плазменный реактор вводят тугоплавкое порошкообразное сырье, а осажденный нанопорошок собирают со стенок плазменного реактора, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют силикатное сырье с содержанием диоксида кремния не менее 70% и дисперсностью не более 2 мм, которое вводят в плазменный реактор сбоку, при этом обеспечивают температуру плазмы 2500-3000°C, а стенки реактора одновременно подвергают принудительному водоохлаждению. A method of producing silicon dioxide nanopowder by depositing fine particles on the walls of a plasma reactor, according to which a low-temperature plasma stream is generated, refractory powdery raw materials are introduced into the plasma reactor, and the deposited nanopowder is collected from the walls of the plasma reactor, characterized in that silicate raw materials are used as the feedstock the content of silicon dioxide is not less than 70% and the dispersion of not more than 2 mm, which is introduced into the plasma reactor from the side, while providing a temperature of lasmas 2500-3000 ° C, and the walls of the reactor are simultaneously subjected to forced water cooling.
RU2015115440/05A 2015-04-23 Method of producing silicon dioxide nanopowder RU2588208C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2588208C1 true RU2588208C1 (en) 2016-06-27

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2067077C1 (en) * 1994-01-26 1996-09-27 Бардаханов Сергей Прокопьевич Process of manufacture of ultra-dispersive silicon dioxide and device for its implementation
US6352679B1 (en) * 1998-09-16 2002-03-05 Nippon Aerosil Co., Ltd. Ultrafine particle silicon dioxide and process for producing the same
RU2314254C1 (en) * 2006-05-18 2008-01-10 Михаил Алексеевич Горовой High-dispersity silicon dioxide powder preparation method
RU2349546C1 (en) * 2007-07-24 2009-03-20 Михаил Алексеевич Горовой Method of producing fine silicon dioxide powder
RU2488462C1 (en) * 2012-02-21 2013-07-27 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" Method of making amorphous silicon dioxide nanopowder
RU2503628C1 (en) * 2012-06-22 2014-01-10 Олег Геннадьевич Волокитин Plasma device for obtaining refractory silicate melt

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2067077C1 (en) * 1994-01-26 1996-09-27 Бардаханов Сергей Прокопьевич Process of manufacture of ultra-dispersive silicon dioxide and device for its implementation
US6352679B1 (en) * 1998-09-16 2002-03-05 Nippon Aerosil Co., Ltd. Ultrafine particle silicon dioxide and process for producing the same
RU2314254C1 (en) * 2006-05-18 2008-01-10 Михаил Алексеевич Горовой High-dispersity silicon dioxide powder preparation method
RU2349546C1 (en) * 2007-07-24 2009-03-20 Михаил Алексеевич Горовой Method of producing fine silicon dioxide powder
RU2488462C1 (en) * 2012-02-21 2013-07-27 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" Method of making amorphous silicon dioxide nanopowder
RU2503628C1 (en) * 2012-06-22 2014-01-10 Олег Геннадьевич Волокитин Plasma device for obtaining refractory silicate melt

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КОРЧАГИН А.И. "Электронно-лучевая технология получения нанодисперсных порошков диоксида кремния при атмосферном давлении", автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн., Томск, 2003. БАРДАХАНОВ С.П. и др., "Применение мощных ускорителей электронов типа ЭЛВ для получения нанопорошков", Problems of atomic science and technology, 2008, Series: Nuclear Physics Investigations (50), p. 165-168. *
ХОЛОДНАЯ Г.Е. "Плазмохимический синтез наноразмерного диоксида кремнтя из тетраэтоксисилана, инициируемый импульсным электронным лучём", автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн., Томск, 2013. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI778941B (en) Silica to high purity silicon production apparatus and rocess
NO174694B (en) Apparatus and method for producing uniform, fine, boron-containing ceramic powders
US3658673A (en) Process for carrying out chemical reactions
JP3780166B2 (en) Method and apparatus for producing amorphous silica from silicon and silicon-containing materials
US3532462A (en) Method of effecting gas-phase reactions
KR20140089526A (en) Production of graphenic carbon particles utilizing hydrocarbon precursor materials
ES2376511T3 (en) PROCEDURE FOR THE PRODUCTION OF COATED TITANIUM DIOXIDE PIGMENTS.
JP6331995B2 (en) Method for producing free carbon from carbonate
KR20100105887A (en) Coatings including pigments comprising substrate particles with ultrafine metal oxide particles deposited thereon
CN102491291B (en) Method for preparing high-purity silicon nitride micro-nano powder
NO152985B (en) PROCEDURE FOR PLUGGING AT LEAST ONE OF A NUMBER OF PERFORTS IN A DRILL
FR2545077A1 (en) PREPARATION OF METALLIC DIBORIDE POWDERS
RU2588208C1 (en) Method of producing silicon dioxide nanopowder
JP2012246203A (en) Method for manufacturing spherical titanium oxide particle
AU765840B2 (en) Highly white zinc oxide fine particles and method for preparation thereof
JP2008264638A (en) Automatic spread combustion cyclone type reactor
Yugeswaran et al. Zircon dissociation in air plasma through a low power transferred arc plasma torch
Yugeswaran et al. Plasma dissociation of zircon with concurrent in-flight removal of silica
CN117916193A (en) Plasma arc process and apparatus for producing fumed silica
JP2006282505A (en) Method and apparatus for producing silica fine powder
Samokhin et al. Synthesis of nanoscale zirconium dioxide powders and composites on their basis in thermal DC Plasma
Yan et al. Using ethanol for preparation of nanosized TiO 2 by gaseous detonation
AU2010346502B2 (en) Process for in-situ formation of chlorides of silicon, aluminum and titanium in the preparation of titanium dioxide
RU2349546C1 (en) Method of producing fine silicon dioxide powder
Hamblyn et al. Use of radio-frequency plasma in chemical synthesis