СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
METHOD OF PRODUCING SILICON DIOXIDE NANOPOWDER

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.
4
2
4
4
2
2
Из уровня техники известен способ получения дисперсных частиц диоксида кремния, в котором производят смешение летучего кремнийсодержащего компонента - тетрахлорида кремния (SiCl) с водородообразующим газом (например, Н, СН) 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 SiCl и окисление продуктов разложения с образованием диоксида кремния - SiO, а также соляной кислоты - HCl и влаги - НО, 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.
2
2
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 SiO 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 SiO 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.
2
Что касается сырья в виде гранита, где SiO 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.