Способ получения нанопорошка диоксида кремния

Изобретение относится к области плазменной технологии получения диоксида кремния. Исходным сырьем для получения нанопорошка диоксида кремния служит силикатное сырье с содержанием диоксида кремния не менее 70% и дисперсностью не более 2 мм. Сырье вводят в плазменный реактор сбоку. Температуру плазмы обеспечивают равной 2500-3000°С. Получение нанопорошка производится путем осаждения мелкодисперсных частиц на стенках плазменного реактора, которые подвергают принудительному водоохлаждению. Способ позволяет повысить выход качественного нанопорошка при низких энергозатратах. 1 табл.

 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Задача и технический результат достигаются следующим образом.

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.

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.

Температуру плазмы обеспечивают 2500-3000°С, а стенки плазменного реактора одновременно подвергают принудительному водоохлаждению.

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.

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.

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.

Способ осуществляется следующим образом.

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.

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.

Решение поставленной задачи и достижение технического результата подтверждается конкретными примерами.

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.

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.

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.

Проведенные исследования также показали, что полученные заявляемым способом наночастицы имеют сферическую форму.

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.