RU2321543C1 - Способ синтеза нанодиоксида титана - Google Patents
Способ синтеза нанодиоксида титана Download PDFInfo
- Publication number
- RU2321543C1 RU2321543C1 RU2006129806/15A RU2006129806A RU2321543C1 RU 2321543 C1 RU2321543 C1 RU 2321543C1 RU 2006129806/15 A RU2006129806/15 A RU 2006129806/15A RU 2006129806 A RU2006129806 A RU 2006129806A RU 2321543 C1 RU2321543 C1 RU 2321543C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- synthesis
- titanium
- oxygen
- supersonic
- titanium tetrachloride
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано для получения высококачественного нанодиоксида титана - диоксида титана, размеры частиц которого находятся в диапазоне 10÷100 нанометров. Способ синтеза нанодиоксида титана включает генерацию газовой плазмы, ввод в зону синтеза потока газовой плазмы, кислорода и паров тетрахлорида титана, окисление в зоне синтеза тетрахлорида титана кислородом с образованием диоксида титана и хлора и закалку продуктов синтеза в сверхзвуковом сопле путем преобразования выходящего из зоны синтеза дозвукового потока продуктов синтеза в сверхзвуковой поток с последующим расширением сверхзвукового потока и вдува в последний холодного закалочного газа. Перед вводом в зону синтеза осуществляют смешение паров тетрахлорида титана с кислородом при соотношении молярных расходов тетрахлорида титана и кислорода от 1,0 до 3,0, синтез нанодиоксида титана производят при температуре 1000÷1800°С и времени пребывания компонентов синтеза в зоне синтеза от 0,05 до 0,25 с, а холодный закалочный газ вводят при расширении сверхзвукового потока внутри расширяющейся части сверхзвукового сопла, угол раствора которой составляет 10÷15°. Изобретение позволяет повысить качество нанодиоксида титана. 2 табл., 1 ил.
Description
Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано для получения высококачественного нанодиоксида титана - диоксида титана, размеры частиц которого находятся в диапазоне 10÷100 нанометров.
Из уровня техники известен способ получения синтеза диоксида титана, включающий окисление тетрахлорида титана кислородом в плазмохимическом реакторе с последующим микроизмельчением под воздействием сверхзвуковой струи газа (RU 2125018 C1, C01G 23/00, 1999). Однако данный способ не обеспечивает получения диоксида титана, размеры всех частиц которого находятся в диапазоне 10÷100 нанометров, т.е. качественного нанодиоксида титана.
Известен также способ синтеза нанодиоксида титана в газовой среде, включающий генерацию газовой плазмы, ввод в зону синтеза потока плазмы, кислорода и паров тетрахлорида титана, окисление тетрахлорида титана кислородом с образованием диоксида титана и хлора и закалку продуктов синтеза на выходе из зоны синтеза путем преобразования в сверхзвуковом сопле дозвукового потока продуктов синтеза в сверхзвуковое с последующим расширением сверхзвукового потока и вдува в этот поток холодного закалочного газа (US 5749937, С22В 4/06, 1998; US 5935293, C22B 4/06, 1999). К недостатку такого способа можно отнести ввод реагентов - кислорода и паров тетрахлорида титана в зону синтеза раздельными потоками и, соответственно, их смешивание в зоне синтеза. При этом увеличивает продолжительность синтеза, поскольку она в основном определяется скоростью смешивания потоков реагентов, которая во много раз меньше скорости химических реакций, что приводит к росту частиц диоксида титана и затрудняет получение частиц диоксида титана в требуемом диапазоне их размеров, т.е. высококачественного продукта нанодиоксида титана.
Изобретение направлено на повышение качества нанодиоксида титана.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе синтеза нанодиоксида титана, включающем генерацию газовой плазмы, ввод в зону синтеза потока газовой плазмы, кислорода и паров тетрахлорида титана, окисление в зоне синтеза тетрахлорида титана кислородом с образованием диоксида титана и хлора и закалку продуктов синтеза в свехзвуковом сопле путем преобразования выходящего из зоны синтеза дозвукового потока продуктов синтеза в сверхзвуковой поток с последующим расширением сверхзвукового потока и вдува в последний холодного закалочного газа, согласно изобретению перед вводом в зону синтеза осуществляют смешивание паров тетрахлорида титана с кислородом при соотношении молярных расходов тетрахлорида титана и кислорода от 1,0 до 3,0, синтез - окисление нанодиоксида титана производят при температуре 1000÷1800°С и времени пребывания компонентов синтеза в зоне синтеза от 0,05 до 0,25 с, при этом холодный закалочный газ вводят при расширении сверхзвукового потока внутри расширяющейся части сверхзвукового сопла, угол раствора которой составляет 10÷15°.
Благодаря подаче в зону синтеза предварительно перемешенной на молекулярном уровне смеси реагентов - кислорода и паров тетрахлорида титана существенно увеличивается скорость процессов синтеза, которая в заявленном способе определяется только скоростью химических реакций и не зависит от скорости смешивания потоков реагентов, что позволяет получать продукт с однородными по размерам наночастицами диоксида титана.
Кроме того, при расширении сверхзвукового потока продуктов синтеза в процессе закалки внутри расширяющейся части сверхзвукового сопла, угол раствора которой составляет 10÷15°, возникает скачок уплотнения, что приводит к ударному охлаждению продуктов синтеза со скоростью охлаждению порядка 107 К/с, а вдув холодного закалочного газа внутрь расширяющейся части сверхзвукового сопла исключает повышение температуры продуктов синтеза при торможении сверхзвукового потока после скачка уплотнения, в результате чего прекращается рост частиц диоксида титана и происходит фиксирование их размеров в нанодиапазоне.
На чертеже представлена технологическая схема устройства для реализации заявленного способа.
Устройство для синтеза нанодиоксида титана содержит плазмотрон 1 с патрубком 2 для ввода плазмообразующего газа, блок подготовки реагентов, содержащий нагреватель 3 с патрубком 4 для ввода кислородсодержащего газа и испаритель 5 с патрубком 6 для ввода тетрахлорида титана, плазмохимический реактор 7, соединенный с плазмотроном 1 и блоком подготовки реагентов, выходное отверстие которого соединено со сверхзвуковым соплом 8, расширяющаяся часть которого выполнена с углом раствора 10÷15° и снабжена патрубком 9 для ввода холодного закалочного газа. После сверхзвукового сопла 8 последовательно размещены закалочная камера 10, теплообменник 11 и блок осаждения, содержащий циклон 12 и тканевый фильтр 13.
Способ получения нанодиоксида титана реализуется следующим образом.
В плазмотроне 1 плазмообразующий газ (преимущественно воздух или, например, азот) нагревается до плазменного состояния. Жидкий тетрахлорид титана по патрубку 6 подают в испаритель 5, где он испаряется в потоке подогретого в нагревателе 3 до температуры 300÷600°С кислорода или кислородсодержащего газа (например, воздуха). Приготовленная таким образом смесь реагентов - паров тетрахлорида титана и кислорода или кислородсодержащего газа при температуре 140÷180°С поступает в плазмохимический реактор 7, где в результате теплообмена с плазменным потоком, поступающим из плазмотрона 1 при температуре 1200÷3800°С, реагенты нагреваются и реагируют с образованием диоксида титана и хлора. Процесс синтеза - окисления нанодиоксида титана протекает при температуре 1000÷1800°С и времени (t) пребывания компонентов синтеза в зоне синтеза от 0,05 до 0,25 с. Время (t) пребывания компонентов в зоне синтеза частиц нанодиоксида титана определяют расчетным путем по формуле:
t=V/Q=πd2hρ/4(G1+G2+G3), с,
где V=πd2h/4 - объем плазмохимического реактора, м3;
d - диаметр плазмохимического реактора, м;
h - высота плазмохимического реактора, м;
Q=(G1+G2+G3)/ρ - объемный расход реагентов и несущего газа, протекающих через реактор, м3/с;
G1 - массовый расход тетрахлорида титана, кг/с (кг/ч);
G2 - массовый расход газа, подаваемого в плазмотрон, кг/с (кг/ч);
G3 - массовый расход газа, подаваемого в реактор в смеси с тетрахлоридом титана, кг/с (кг/ч);
ρ - плотность среды в плазмохимическом реакторе, кг/м3.
При температуре процесса синтеза - окисления ниже 1000°С скорость процесса синтеза понижается настолько, что размеры частиц диоксида титана заметно увеличиваются и резко снижается качество готового продукта. При температуре выше 1800°С частицы слипаются и практически невозможно получить готовый продукт как нанодиоксид титана.
При времени (t) пребывания - продолжительности синтеза менее 0,05 с значительное количество тетрахлорида титана не успевает прореагировать, а при продолжительности синтеза выше 0,25 с размеры частиц настолько увеличиваются, что сложно получить готовый продукт как нанодиоксид титана.
Из плазмохимического реактора 7 продукты реакции направляют в сверхзвуковое сопло 8, в котором поток продуктов реакции ускоряется до сверхзвуковой скорости с образованием внутри расширяющейся части скачка уплотнения. При этом происходит преобразование тепловой энергии потока в кинетическую, сопровождающееся резким снижением температуры - ударным охлаждением потока продуктов реакции. Для предотвращения обратного повышения температуры потока продуктов реакции при его торможении внутрь расширяющейся части сверхзвукового сопла 8 по патрубку 9 вдувают холодный закалочный газ (например, воздух). Таким образом, осуществляется закалка продуктов реакции - синтеза, в результате которой прекращается рост частиц и их размеры фиксируются на уровне размеров зародышей. Дальнейшее охлаждение продуктов реакции происходит в закалочной камере 10 и в теплообменнике 11. После охлаждения продукты реакции в виде пылегазового потока поступают в блок осаждения, включающий циклон 12 и тканевый фильтр 13. Уловленные в тканевом фильтре 13 частицы диоксида титана возвращаются в циклон 12, а газовая фаза по патрубку 14 направляется на регенерацию для технологических нужд. Готовый продукт - порошок нанодиоксида титана с размером частиц 10÷100 нанометров отводят из циклона 12 по патрубку 15.
В таблицах 1 и 2 приведены режимные параметры примеров реализации заявленного способа и основной показатель качества целевого продукта - размеры частиц диоксида титана.
| Таблица 1 | ||||
| № | d - диаметр реактора, м | h - высота реактора, м | ρ - плотность среды, кг/м3 | t - время пребывания, с |
| 1 | 0,1 | 0,9 | 1,129 | 0,25 |
| 2 | 0,1 | 0,8 | 0,982 | 0,15 |
| 3 | 0,1 | 0,7 | 0,857 | 0,1 |
| 4 | 0,1 | 0,15 | 0,676 | 0,05 |
| 5 | 0,1 | 0,4 | 0,511 | 0,1 |
| Таблица 2 | |||||||||||
| № примера | Мощность плазмотрона, кВт | Расходы газов | |||||||||
| В плазмотрон | В смеси с парами TiCl4 | ||||||||||
| Род газа | G2, Расход, кг/ч | Род газа | С3, Расход, кг/ч | ||||||||
| 1 | 27,7 | Воздух | 50 | Воздух | 34,1 | ||||||
| 2 | 61,3 | Воздух | 53 | Воздух | 47,9 | ||||||
| 3 | 36,6 | Азот | 60 | Воздух | 54,7 | ||||||
| 4 | 49,6 | Воздух | 25 | Кислород | 16,3 | ||||||
| 5 | 56,7 | Воздух | 28 | Кислород | 16,8 | ||||||
| Продолжение таблицы 2. | |||||||||||
| Тетрахлорид титана | Отношение молярных расходов кислорода и TiCl4 | Параметры процесса | Размер частиц TiO2, нм | ||||||||
| № | Агрегатное состояние | G1, Расход, кг/ч | Температура, °С | t, Время пребывания, с | |||||||
| 1 | Жидкость | 34,1 | 1,0 | 1010 | 0,25 | 80 | |||||
| 2 | Жидкость | 47,9 | 1,5 | 1185 | 0,15 | 35 | |||||
| 3 | Жидкость | 54,7 | 2,2 | 1430 | 0,1 | 12 | |||||
| 4 | Жидкость | 16,3 | 2,6 | 1615 | 0,05 | 15 | |||||
| 5 | Жидкость | 16,8 | 3,0 | 1820 | 0,1 | 42 | |||||
Claims (1)
- Способ синтеза нанодиоксида титана, включающий генерацию газовой плазмы, ввод в зону синтеза потока газовой плазмы, кислорода и паров тетрахлорида титана, окисление в зоне синтеза тетрахлорида титана кислородом с образованием диоксида титана и хлора и закалку продуктов синтеза в сверхзвуковом сопле путем преобразования выходящего из зоны синтеза дозвукового потока продуктов синтеза в сверхзвуковой поток с последующим расширением сверхзвукового потока и вдува в последний холодного закалочного газа, отличающийся тем, что перед вводом в зону синтеза осуществляют смешение паров тетрахлорида титана с кислородом при соотношении молярных расходов тетрахлорида титана и кислорода от 1,0 до 3,0, синтез нанодиоксида титана производят при температуре 1000÷1800°С и времени пребывания компонентов синтеза в зоне синтеза от 0,05 до 0,25 с, при этом холодный закалочный газ вводят при расширении сверхзвукового потока внутри расширяющейся части сверхзвукового сопла, угол раствора которой составляет 10÷15°.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006129806/15A RU2321543C1 (ru) | 2006-08-17 | 2006-08-17 | Способ синтеза нанодиоксида титана |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006129806/15A RU2321543C1 (ru) | 2006-08-17 | 2006-08-17 | Способ синтеза нанодиоксида титана |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006129806A RU2006129806A (ru) | 2008-02-27 |
| RU2321543C1 true RU2321543C1 (ru) | 2008-04-10 |
Family
ID=39278482
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006129806/15A RU2321543C1 (ru) | 2006-08-17 | 2006-08-17 | Способ синтеза нанодиоксида титана |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2321543C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2547490C2 (ru) * | 2013-07-16 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Способ синтеза наноразмерных частиц порошка диоксида титана |
| CN109956496A (zh) * | 2019-04-03 | 2019-07-02 | 西南科技大学 | 一种超音速气流解离和痕量水分控制的方法及其装置 |
-
2006
- 2006-08-17 RU RU2006129806/15A patent/RU2321543C1/ru active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2547490C2 (ru) * | 2013-07-16 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Способ синтеза наноразмерных частиц порошка диоксида титана |
| CN109956496A (zh) * | 2019-04-03 | 2019-07-02 | 西南科技大学 | 一种超音速气流解离和痕量水分控制的方法及其装置 |
| CN109956496B (zh) * | 2019-04-03 | 2021-07-16 | 西南科技大学 | 一种超音速气流解离和痕量水分控制的方法及其装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006129806A (ru) | 2008-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7771666B2 (en) | Method of producing nanoparticles using a evaporation-condensation process with a reaction chamber plasma reactor system | |
| AU2005203124B2 (en) | Apparatus for making metal oxide nanopowder | |
| US7708975B2 (en) | Process for making metal oxide nanoparticles | |
| US7217407B2 (en) | Plasma synthesis of metal oxide nanoparticles | |
| JP5275342B2 (ja) | 粒子生産システム及び粒子生産方法 | |
| JP4279556B2 (ja) | 二酸化チタンナノパウダーのプラズマ合成、及びパウダードーピング及び表面調整方法 | |
| US3486913A (en) | Process for the production of finely divided oxides from halides | |
| TW200536783A (en) | Process for improving raw pigment grindability | |
| US8940240B2 (en) | Apparatus and method for manufacturing composite nano particles | |
| RU2321543C1 (ru) | Способ синтеза нанодиоксида титана | |
| US8573519B2 (en) | Process for producing nanoscale organic solid particles | |
| Okada et al. | Formation of non-agglomerated titania nanoparticles in a flame reactor | |
| JP3974051B2 (ja) | 粒子製造方法および粒子製造装置 | |
| WO2023173357A1 (zh) | 一种薄壁碳纳米管的合成方法 | |
| RU2160230C2 (ru) | Способ получения диоксида титана | |
| Yu et al. | Synthesis and catalytic activity of copper (II) resorcylic acid nanoparticles | |
| RU2119454C1 (ru) | Способ получения высокодисперсных оксидов | |
| RU2741735C1 (ru) | Микрореактор-смеситель во встречными закрученными потоками | |
| CN113543876B (zh) | 微粒子的制造装置以及微粒子的制造方法 | |
| Kolesnikov et al. | Controlled synthesis of alumina nanoparticles in a reactor with self-impinging plasma jets | |
| RU2641737C1 (ru) | Способ получения нанокристаллического порошка оксикарбида молибдена | |
| RU2647075C1 (ru) | Способ получения нанопорошка оксинитрида алюминия | |
| JPS6316041A (ja) | 超微粉・微粉製造方法 | |
| RU2314254C1 (ru) | Способ получения высокодисперсного порошка диоксида кремния |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20141030 |