一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统及方法

摘要

一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统及方法，属于纳米及超细材料合成技术领域。本发明所述系统包括旋流滞止火焰合成装置、双床再生吸附式压缩空气干燥机、前驱物蒸汽发生器、空气预热器、燃料瓶、混合器和产品收集器。所述方法是将除水后的压缩空气、前驱物蒸汽和可燃气体混合后，在旋流燃烧器出口形成弱旋流场，并在滞止装置的作用，在弱旋滞止火焰场中经反应和聚并长大形成纳米颗粒。本发明具有结构、工艺简单，易于大规模工业化生产等特点，适用于生产各种纳米氧化物颗粒，如二氧化钛、二氧化硅和氧化铝等，所合成的纳米颗粒单分散性好，纳米颗粒的粒径可控制在20nm以下。

权利要求

1.一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统，该系统含有旋流滞止火焰合成装置，所述旋流滞止火焰合成装置包括反应炉(10)、喷嘴(13)、阻火器(7)、旋流燃烧器(8)和设置在反应炉内的滞止装置，其特征在于：所述系统还包括双床再生吸附式压缩空气干燥机(2)、前驱物蒸汽发生器(3)、空气预热器(4)、燃料瓶(5)、混合器(6)和产品收集器(11)；所述双床再生吸附式压缩空气干燥机的出口分别通过气体管路与前驱物蒸汽发生器和空气预热器(4)的进口连接；所述的混合器的进口分别通过管路与空气预热器的出口、前驱物蒸汽发生器的出口和燃料瓶(5)的出口连接；所述的产品收集器(11)的进口与火焰合成装置的出口相连，并在产品收集器的底端设有真空泵(12)。

2.根据权利要求1所述的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述的滞止装置与喷嘴出口的距离控制在0.1～3.0倍的喷嘴直径。

3.根据权利要求1或2所述的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：

所述的滞止装置采用滞止平板装置、滞止钝体装置或四角切圆滞止风冷装置。

4.根据权利要求3所述的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述的滞止平板装置由滞止平板(14)、热阻石英玻璃片(16)和循环水管(15)构成。

5.根据权利要求3所述的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述的滞止钝体装置由滞止钝体(17)、热阻石英玻璃片(16)和循环水管(15)构成。

6.根据权利要求3所述的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述的四角切圆滞止风冷装置由高压风机和气体喷射装置组成；所述的气体喷射装置采用多个均匀布置的多组气体喷嘴或一体的环形喷气装置构成。

7.根据权利要求1所述的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述的产品收集器采用布袋式除尘器、电除尘器或电袋复合除尘器。

8.采用如权利要求1所述系统的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)空气经过双床再生吸附式压缩空气干燥机(2)进行除水，将除水后的压缩空气分为两路，一路进入前驱物蒸汽发生器(3)，然后携带前驱物蒸汽进入混合气(6)；另一路压缩空气经空气预热器(4)加热后进入混合器,两路气体与可燃气体在混合器中进行预混，形成混合气体；可燃性气体与氧气的当量比在0.40～1.0；

2)混合气体经阻火器(7)后，通过旋燃烧器(8)进入反应炉(10)，在反应炉内的旋流燃烧器出口形成弱旋流场，旋流数控制在0.1～1.0范围内；并在滞止装置的作用下，形成弱旋滞止火焰场，反应温度在800℃～1600℃；

3)前驱物在弱旋滞止火焰场中经历反应和聚并生成纳米颗粒，控制纳米颗粒在反应炉内的停留时间至少为0.01s，进而抑制纳米颗粒的聚并长大过程以获得20nm以下颗粒；

4)带有纳米颗粒的气体在引风机的作用下进入采集器(11)中收集纳米颗粒。

9.如权利要求8所述的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的方法，其特征在于：所述滞止装置的温度范围控制在120℃～600℃。

10.如权利要求8所述的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的方法，其特征在于：经双床

3

再生吸附式压缩空气干燥机干燥后的压缩空气的含水量低于0.1g/m。

说明书

一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于火焰合成技术制备纳米颗粒的系统及方法，属于纳米及超细材料合成技术领域。

背景技术

[0002] 纳米颗粒具有很多不同于宏观材料的特殊性质，因此受到了人们的广泛关注。目前，工业上主要采用两种技术合成纳米颗粒：火焰合成技术和湿法合成技术。湿法合成技术如水热法（Hydrathermal），设备简单但工序繁琐，不利于工业放大，因此仅局限于实验室少量制备。而火焰合成法具有易于控制、纯度高、工序简单、生产效率高和易于工业放大等优势，但传统的火焰合成技术无法高效可控地生产20nm以下的颗粒。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统及方法，使其不仅具有工艺简单、效率高、易于工业大规模生产等特点，而且可以合成粒径在20nm以下的纳米颗粒。

[0004] 本发明的技术方案如下：

[0005] 一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统，该系统含有旋流滞止火焰合成装置，所述旋流滞止火焰合成装置包括反应炉、喷嘴、阻火器、旋流燃烧器和设置在反应炉内的滞止装置，其特征在于：所述系统还包括双床再生吸附式压缩空气干燥机、前驱物蒸汽发生器、空气预热器、燃料瓶、混合器和产品收集器；所述双床再生吸附式压缩空气干燥机的出口分别通过气体管路与前驱物蒸汽发生器和空气预热器的进口连接；所述的混合器的进口分别通过管路与空气预热器的出口、前驱物蒸汽发生器的出口和燃料瓶的出口连接；所述的产品收集器的进口与火焰合成装置的出口相连，并在产品收集器的底端设有真空泵。

[0006] 本发明所述系统的另一技术其特征在于：所述的滞止装置与喷嘴出口的距离控制在0.1～3.0倍的喷嘴直径。所述的产品收集器采用布袋式除尘器、电除尘器或电袋复合除尘器。

[0007] 本发明中，所述的滞止装置采用滞止平板装置、滞止钝体装置或四角切圆滞止风冷装置。所述的滞止平板装置由滞止平板、热阻石英玻璃片和循环水管构成；所述的滞止钝体装置由滞止钝体、热阻石英玻璃片和循环水管构成；所述的四角切圆滞止风冷装置由高压风机和气体喷射装置组成；所述的气体喷射装置采用多个均匀布置的多组气体喷嘴或一体的环形喷气装置构成。

[0008] 本发明提供的一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

[0009] 1）空气经过双床再生吸附式压缩空气干燥机进行除水，将除水后的压缩空气分为两路，一路进入前驱物蒸汽发生器，然后携带前驱物蒸汽进入混合气；另一路压缩空气经空气预热器加热后进入混合器,两路气体与可燃气体在混合器中进行预混，形成混合气体；可燃性气体与氧气的当量比在0.40～1.0；

[0010] 2）混合气体经阻火器后，通过旋燃烧器进入反应炉，在反应炉内的旋流燃烧器出口形成弱旋流场，旋流数控制在0.1～1.0范围内；并在滞止装置的作用下，形成弱旋滞止火焰场，反应温度在800℃～1600℃；

[0011] 3）前驱物在弱旋滞止火焰场中经历反应和聚并生成纳米颗粒，控制纳米颗粒在反应炉内的停留时间至少为0.01s，进而抑制纳米颗粒的聚并长大过程以获得20nm以下颗粒；

[0012] 4）带有纳米颗粒的气体在引风机的作用下进入采集器中收集纳米颗粒。

[0013] 本发明所述方法中，其特征在于：所述滞止装置的温度范围控制在120℃～600℃。

[0014] 本发明方法的另一技术特征是：步骤1）中经双床再生吸附式压缩空气干燥机干3
燥后的压缩空气的含水量低于0.1g/m。

[0015] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明所述系统可以合成各种纳米氧化物颗粒。所需的前驱物可以为气态，液态以及固态，适应性广，工艺简单可靠。②本发明中采用旋流滞止火焰合成，具有工艺简单、耗时短、效率高的特点，且易于大规模工业生产；所合成的纳米颗粒单分散性好，颗粒粒径分布均匀（粒径可以控制在20nm以下），纯度高，部分设计工况下可达10nm以下；与其它火焰合成方法相比，由于采用了旋流滞止预混火焰结构，使得火焰更为稳定，并且均一性较好。

附图说明

[0016] 图1为本发明提供的旋流滞止火焰合成纳米颗粒系统的结构原理示意图。

[0017] 图2为滞止装置采用滞止钝体装置的结构示意图。

[0018] 图3为滞止装置采用滞止平板装置的结构示意图。

[0019] 图4为为滞止装置采用四角切圆滞止风冷装置的结构示意图。

[0020] 图5为本发明制备的二氧化钛TEM形貌图。

[0021] 图6为本发明制备的氧化钯TEM形貌图。

[0022] 图7为本发明制备的氧化铝TEM形貌图。

[0023] 图中标号：1—空气入口；2—双床再生吸附式压缩空气干燥机；3—前驱物蒸汽发生器；4—空气预热器；5—燃料瓶；6—混合器；7—阻火器；8—旋流燃烧器；9—滞止板；10—反应炉；11—收集器；12—真空泵；13—喷嘴。14—滞止钝体；15—循环水管；16—热阻石英玻璃片；17—滞止平板。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明的系统结构、工艺方法和具有实施方式做进一步的说明。

[0025] 图1为本发明提供的旋流滞止火焰合成纳米颗粒系统的结构原理示意图，该系统含有双床再生吸附式压缩空气干燥机2、前驱物蒸汽发生器3、空气预热器4、燃料瓶5、混合器6、旋流滞止火焰合成装置以及产品收集器11；所述旋流滞止火焰合成装置包括反应炉10、喷嘴13、阻火器7、旋流燃烧器8和滞止装置；阻火器7和旋流燃烧器8设置在喷嘴内，阻火器位于喷嘴的前端，旋流燃烧器8布置在阻火器7的后面。滞止装置布置在反应炉10内，滞止装置与喷嘴出口的距离应控制在0.1～3.0倍的喷嘴直径。所述双床再生吸附式压缩空气干燥机的出口分别通过气体管路与前驱物蒸汽发生器和空气预热器4的进口连接，空气预热器4可采用电磁预热器或其它外热式加热器。所述的混合器6的进口分别通过管路与空气预热器4的出口、前驱物蒸汽发生器3的出口和燃料瓶5的出口连接；所述的产品收集器11采用布袋式除尘器、电除尘器或电袋复合除尘器。的产品收集器11的进口与火焰合成装置的出口相连，并在产品收集器的底端设有真空泵12。

[0026] 所述的滞止装置可采用滞止平板装置、滞止钝体装置或四角切圆滞止风冷装置；所述的滞止钝体装置由滞止钝体17、热阻石英玻璃片16和循环水管15构成（如图2所示）。
所述的滞止平板装置由滞止平板14、热阻石英玻璃片16和循环水管15构成,滞止平板在气流方向投影面积可控制在1～50倍旋流燃烧器喷口截面积（如图3所示）。当合成颗粒需要钝体或者滞止板的温度低于靠近钝体或者滞止板的火焰温度时，循环水管冷却控温；
当合成颗粒需要钝体或者滞止板的温度高于靠近钝体或者滞止板火焰温度时，热阻石英玻璃片加热控温。所述的四角切圆滞止风冷装置由高压风机和气体喷射装置组成；所述的气体喷射装置采用多个均匀布置的多组气体喷嘴或一体的环形喷气装置构成（如图4所示）。

[0027] 本发明的工艺过程如下：

[0028] 空气首先经过双床再生吸附式压缩空气干燥机2进行严格除水，经双床再生吸附3
式压缩空气干燥机干燥后的压缩空气的含水量应低于0.1g/m，这是避免燃烧前前驱物提前水解的关键措施。将除水后的压缩空气分为两路，一路进入前驱物蒸汽发生器3，然后携带前驱物蒸汽进入混合气6；另一路压缩空气经空气预热器4加热后进入混合器,两路气体与可燃气体在混合器中进行预混，形成混合气体。所述的前驱物可以为气态、液态或固态，对于气体和液体形式存在的前驱物，采用前驱物蒸汽发生器3，根据前驱物的特性确定预热温度，产生前驱物蒸汽；由干燥的压缩空气携带进入混合器；对于固体形式的前驱物，先采用甲苯、二甲苯、乙醇或乙腈等可燃有机物作为溶剂制成溶液，再进入前驱物蒸汽发生器产生前驱物蒸汽。可燃性气体与氧气的当量比控制在0.40～1.0；可燃性气体可采用甲烷、丙烷、氢气以及其他可燃气。

[0029] 混合气体经阻火器7后，通过旋燃烧器8进入反应炉10，在反应炉内的旋流燃烧器出口形成弱旋流场，弱旋流场可以通过布置机械旋片或气流喷射形成，其旋流数在0.1—1.0范围内可控。旋流数控制在0.1～1.0范围内；并在滞止装置的作用下，形成弱旋滞止火焰场，滞止装置的温度范围控制在120℃～600℃；反应温度控制在800℃～1600℃；前驱物在弱旋滞止火焰场中经历反应和聚并生成纳米颗粒，控制纳米颗粒在反应炉内的停留时间至少为0.01s，进而抑制纳米颗粒的聚并长大过程以获得20nm以下颗粒；带有纳米颗粒的气体在引风机12的作用下进入采集器11中收集纳米颗粒；脱除纳米颗粒后的气体在除酸器与过滤器中脱除有害环境的成分后排入大气。

[0030] 实施例1：合成二氧化钛纳米颗粒

[0031] 将液态的钛酸四异丙酯放入蒸汽发生器3中产生前驱物蒸汽；使空气经过双床再3
生吸附式压缩空气干燥机2进行严格除水，干燥后的压缩空气的含水量低于0.1g/m；将除水后的压缩空气分为两路，一路进入前驱物蒸汽发生器3，然后携带前驱物钛酸四异丙酯进入混合气6；另一路压缩空气经空气预热器4加热后进入混合器,两路气体与甲烷以化学当量比0.68在混合器中进行预混，形成混合气体。

[0032] 混合气体经阻火器7后，通过旋燃烧器8进入反应炉10，在反应炉内的旋流燃烧器出口形成弱旋流场，弱旋流场通过布置机械旋片形成，其旋流数为0.4；滞止装置采用滞止钝体装置，滞止装置的温度范围控制在120℃左右；反应温度控制在1580℃左右；前驱物在弱旋滞止火焰场中经历反应和聚并生成纳米颗粒二氧化钛（如图5）；从图中可以看出，二氧化钛的颗粒的平均粒径为10nm。带有颗粒的气体在引风机12的作用下进入采集器11中收集纳米颗粒二氧化钛，采集器采用布袋式除尘器；脱除纳米颗粒后的气体在除酸器与过滤器中脱除有害环境的成分后排入大气。

[0033] 实施例2：合成氧化钯纳米颗粒过程

[0034] 空气首先经过双床再生吸附式压缩空气干燥机2进行严格除水，经双床再生吸附3
式压缩空气干燥机干燥后的压缩空气的含水量低于0.1g/m；将除水后的压缩空气分为两路，一路进入前驱物蒸汽发生器3，然后携带前驱物蒸汽进入混合气6；钯的前驱物醋酸钯是以固体形式存在，先采用二甲苯作为溶剂制成浓度为0.02g/mL的溶液，再进入前驱物蒸汽发生器产生前驱物蒸汽。另一路压缩空气经空气预热器4加热后进入混合器,两路气体与甲烷在混合器中进行预混，形成混合气体，其化学当量比为0.58。

[0035] 混合气体经阻火器7后，通过旋燃烧器8进入反应炉10，在反应炉内的旋流燃烧器出口形成弱旋流场，弱旋流场可以通过布置机械旋片或气流喷射形成，其旋流数在0.5。滞止装置采用滞止平板装置，滞止装置的温度范围控制在135℃；反应温度控制在1550℃；前驱物在弱旋滞止火焰场中经历反应和聚并生成纳米颗粒氧化钯（如图6所示）；从图6可以看出，氧化钯的平均粒径为6nm。带有氧化钯的气体在引风机12的作用下进入采集器11中收集纳米颗粒氧化钯，采集器采用布袋式除尘器；脱除纳米颗粒后的气体在除酸器与过滤器中脱除有害环境的成分后排入大气。

[0036] 实施例3：合成氧化铝纳米颗粒

[0037] 空气首先经过双床再生吸附式压缩空气干燥机2进行严格除水，经双床再生吸附3
式压缩空气干燥机干燥后的压缩空气的含水量低于0.1g/m；将除水后的压缩空气分为两路，一路进入前驱物蒸汽发生器3，然后携带前驱物蒸汽进入混合气6；氧化铝的前驱物异丙醇铝是以固体形式存在，先采用甲苯作为溶剂制成浓度为0.2g/mL的溶液，再进入前驱物蒸汽发生器产生前驱物蒸汽。另一路压缩空气经空气预热器4加热后进入混合器,两路气体与甲烷在混合器中进行预混，形成混合气体，其化学当量比为0.6。

[0038] 混合气体经阻火器7后，通过旋燃烧器8进入反应炉10，在反应炉内的旋流燃烧器出口形成弱旋流场，弱旋流场可以通过布置机械旋片或气流喷射形成，其旋流数在0.5。滞止装置采用四角切圆滞止风冷装置，形成弱旋滞止火焰场，滞止装置的温度范围控制在
145℃；反应温度控制在1400℃；前驱物在弱旋滞止火焰场中经历反应和聚并生成纳米颗粒氧化铝（如图7所示）；从图7可以看出，氧化铝的平均粒径为14nm左右。带有氧化铝的气体在引风机12的作用下进入采集器11中收集纳米颗粒氧化铝，采集器采用电除尘器；脱除纳米颗粒后的气体在除酸器与过滤器中脱除有害环境的成分后排入大气。