Устройство для получения наночастиц

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пенязьков Олег Глебович Фисенко Сергей Павлович Саверченко Виктор Иванович Ходыко Юлия Андреевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для получения наночастиц, содержащее смеситель для приготовления водного раствора, который связан с насосом для подачи водного раствора в небулайзер, систему подачи инертного газа в небулайзер, проточный аэрозольный реактор, включающий цилиндрический нагреватель и датчики температуры и соединенный с вакуумным насосом низкого давления, контроллер устройства и систему улавливания наночастиц, отличающееся тем, что система улавливания наночастиц, соединенная с аэрозольным реактором, снабжена подложкой, установленной перпендикулярно потоку капель водного раствора, причем дополнительно введенные нагреватель подложки и контроллер присоединены к нижней поверхности подложки, при этом температура подложки составляет 2030 С, а источник деионизированной воды связан с водяным насосом для капельного орошения верхней поверхности подложки деионизированной водой, массовый расход которой составляет 1-2 массового расхода капель водного раствора, а размер капель деионизированной воды находится в диапазоне 10-30 мкм. Предлагаемое техническое решение относится к области нанотехнологии, в частности к получению наночастиц в процессе испарительного охлаждения микронных капель растворов. Получаемые с помощью указанного технического решения наночастицы могут найти применение в биологии и медицине, в электронике, широко используются при производстве строительных материалов, а также в лакокрасочной промышленности. Известно устройство для получения наночастиц из капель растворов 1, выбранное в качестве прототипа, состоящее из смесителя для приготовления водного раствора, который связан с насосом для подачи раствора (водного раствора) в распылительное устройство (небулайзер), системы подачи инертного газа в распылительное устройство(небулайзер), аэрозольного реактора (проточного аэрозольного реактора), к которому подключены проточная печь и вакуумный насос низкого давления, контроллера устройства и системы сбора наночастиц (системы улавливания наночастиц). Устройство снабжено цилиндрическим нагревателем проточного аэрозольного реактора и датчиками температуры,расположенными на наружной стенке аэрозольного реактора на расстоянии 100-1000 мкм от входа в аэрозольный реактор и связанными с контроллером, управляющим работой устройства. Устройство работает следующим образом. Приготовленный водный раствор в смесителе, например, содержащий растворенные соли никеля или растворенные соли титана, с помощью насоса для подачи водного раствора и инертный газ, например воздух или азот,поступают в небулайзер. При этом небулайзер образует капли водного раствора радиусом 1-10 мкм. Образовавшиеся капли вместе с потоком воздуха поступают в проточный аэрозольный реактор. В проточном аэрозольном реакторе при помощи вакуумного насоса низкого давления и контроллера устройства сохраняется постоянное пониженное давление в диапазоне 10-80 Тор. Такие условия благоприятны для быстрого охлаждения капель, которое приводит к появлению пересыщенного раствора внутри капель и выпадению осадка в виде кластеров размером порядка 1 нм (размер соответствует критическому радиусу кластера). Далее в имеющемся пересыщенном растворе происходит рост наночастиц. На боковой поверхности проточного аэрозольного реактора расположен цилиндрический нагреватель и датчики температуры, связанные с контроллером устройства, предназначенные для предотвращения образования пористого слоя льда на стенке проточного аэрозольного реактора. Микронные капли водного раствора с наночастицами внутри следуют в высокотемпературную проточную печь, после чего поступают в систему улавливания наночастиц. К недостаткам прототипа относится достаточно большое энергопотребление устройством. Кроме того, большое количество осажденной на поверхности наночастиц, например в виде оксида никеля, исходной соли, например соли никеля, снижает качество наночастиц (готового продукта) и уменьшает эффективность работы реактора. При производстве наночастиц оксида никеля из водного раствора соли никеля готовый продукт содержит 30-40 атомов, а остальные атомы никеля находятся в соединении соли никеля. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы устройства за счет улучшения качества и степени чистоты готового продукта, а также уменьшение энергоемкости устройства. Задача решается следующим образом. Известное устройство для получения наночастиц содержит смеситель для приготовления водного раствора, который связан с насосом для подачи водного раствора в небулайзер, систему подачи инертного газа в небулайзер, проточный аэрозольный реактор,2 97522013.12.30 включающий цилиндрический нагреватель и датчики температуры и соединенный с вакуумным насосом низкого давления, контроллер устройства и систему улавливания наночастиц. Согласно предлагаемому техническому решению система улавливания наночастиц,соединенная с аэрозольным реактором, снабжена подложкой, установленной перпендикулярно потоку капель водного раствора, причем дополнительно введенные нагреватель подложки и контроллер присоединены к нижней поверхности подложки, при этом температура подложки составляет 20-30 С, а источник деионизированной воды связан с водяным насосом для капельного орошения верхней поверхности подложки деионизированной водой, массовый расход которой составляет 1-2 массового расхода капель водного раствора, а размер капель деионизированной воды находится в диапазоне 10-30 мкм. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить энергоемкость установки и повышает эффективность работы устройства за счет повышения степени чистоты конечного продукта и улучшения качества наночастиц. На фигуре представлена общая схема предлагаемого устройства. Устройство включает проточный аэрозольный реактор 1, в котором происходит испарительное охлаждение капель 2 водного раствора, вакуумный насос 3 низкого давления,предназначенный для поддержания пониженного давления в проточном аэрозольном реакторе 1. Датчики 4 температуры, регистрирующие температуру внутренней стенки проточного аэрозольного реактора 1, расположены на наружной стенке проточного аэрозольного реактора 1. Датчики 4 температуры связаны с контроллером 5, управляющим работой всего устройства. Цилиндрический нагреватель 6 расположен на боковой поверхности проточного аэрозольного реактора 1. Вход проточного аэрозольного реактора 1 связан с небулайзером 7, образующим капли 2 водного раствора, приготовленного в смесителе 8. Смеситель 8 связан с насосом 9 для подачи водного раствора, который способствует продвижению приготовленного водного раствора в небулайзер 7. Небулайзер 7 связан также с системой 10 подачи инертного газа, инертный газ предназначен для переноса капель 2 водного раствора через проточный аэрозольный реактор 1. Выход проточного аэрозольного реактора 1 связан с системой 11 улавливания наночастиц, которые образуются внутри капли 2 водного раствора. В системе 11 улавливания наночастиц установлена подложка 12, расположенная перпендикулярно падающему потоку инертного газа с каплями 2 водного раствора. На нижней поверхности подложки 12 расположены нагреватель 13 подложки и контроллер 14, сохраняющие температуру подложки 12 при постоянной температуре в диапазоне 20-30 С. Система 11 улавливания наночастиц связана с водяным насосом 15, предназначенным для капельного орошения верхней поверхности подложки 12 деионизированной водой из источника деионизированной воды 16. Установка работает следующим образом. Водный раствор, например, содержащий растворенные соли никеля или растворенные соли титана, приготавливается в смесителе 8. Приготовленный водный раствор совместно с инертным газом с помощью насоса 9 для подачи водного раствора и системы 10 подачи инертного газа поступает в небулайзер 7,который производит капли 2 микронного размера в диапазоне 1-10 мкм. Микронные капли 2 водного раствора следуют в аэрозольный реактор 1, в котором поддерживается пониженное давление с помощью вакуумного насоса 3 низкого давления и контроллера 5 устройства. На боковой поверхности аэрозольного реактора 1 расположены датчики 4 температуры и цилиндрический нагреватель 6. Расположение датчиков 4 и цилиндрического нагревателя 6 объясняется тем, что в аэрозольном реакторе 1 со скоростью примерно 2105 К/с происходит испарительное охлаждение микронных капель 2 водного раствора на пути примерно в 20 диаметров капель 2. При этом температура капель 2 понижается на 20-30 С, что вызывает охлаждение газовой смеси в аэрозольном реакторе 1 на 15-25 С. Снижение температуры капли 2 приводит к возникновению в ней пересыщенного раствора и выпадению в капле 2 осадка в виде наночастиц соли. Затем идет превращение наночастиц в оксиды. Далее микронные капли 2 с наночастицами внутри поступают в систему 3 97522013.12.30 11 улавливания наночастиц, в частности, попадают на подложку 12. Подложка 12 подогревается нагревателем 13 подложки 12. При испарении капель 2 внутри них вновь создается пересыщенный раствор, что приводит к осаждению соли на поверхности наночастиц в течение нескольких миллисекунд. С помощью водяного насоса 15 из источника деионизированной воды 16 производится капельное орошение подложки 12, при этом размер капель чистой воды составляет порядка 10-30 мкм. Далее происходит смешение капель чистой воды и капель 2 водного раствора. За счет того что подложка 12 поддерживается при постоянной температуре в диапазоне 20-30 С с помощью нагревателя 13 подложки и контроллера 14, происходит замедление испарения капель, образовавшихся при смешении капель 2 водного раствора с каплями деионизованной воды. При этом идет растворение осевшей соли на наночастицы оксидов в каплях, образовавшихся при смешении капель 2 водного раствора, содержавших наночастицы, с каплями деионизованной воды. Этот процесс приводит к обратному переходу в жидкую фазу части соли, осевшей на наночастице,и тем самым к повышению качества готового продукта. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4