СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗОЛЕЙ И СУСПЕНЗИЙ
METHOD OF PRODUCING SOLS AND SUSPENSIONS

Область техники
Изобретение относится к области создания новых материалов на основе частиц, которые в ходе технологических процедур находятся или могут находиться в аэрозольной среде; в частности, изобретение относится к области получения суспензий и золей на основе нано- и микроматериалов.
Уровень техники
Суспензии, представляющие собой стабильные дисперсные системы, в которых твердая фаза распределена в жидкой среде, имеют широкое применение в различных областях науки и техники. Так, суспензии используются в фармацевтике для ускоренной доставки твердого вещества, в лакокрасочных и смазочных изделиях для равномерного распределения твердого компонента и обеспечения заданных трибологических характеристик, в химической промышленности для эффективного проведения гетерогенных процессов.
Как правило, выделяют дисперсионный («сверху-вниз») и конденсационный («снизу- вверх») подходы при получении дисперсий. Конденсационный подход, заключающийся в образовании твердой фазы при непосредственной сборке молекул или их кластеров в жидкой среде, связан либо с проведением химических превращений, либо с созданием пересыщенных растворов необходимого диспергируемого вещества, что накладывает серьезные ограничения на использование данных технологических процессов, например, в пищевой, фармацевтической или косметической промышленности. В связи с этим измельчение массивных твердых объектов с целью получения более мелких фракций и их последующей стабилизации в жидкой среде (дисперсионный подход) является намного более распространенным. Тем не менее, данный подход также не лишен недостатков. А именно, измельчение твердой фазы в жидкой среде происходит путем передачи среде больших количеств энергии (в частности, ультразвуковая или механическая обработка), которые могут приводить к искажению эксплуатационных характеристик твердой фазы: накоплению дефектов, локальному протеканию химических процессов на поверхности или в объеме твердой фазы. Данные негативные эффекты могут особенно сильно проявляться при работе с нанодисперсными объектами, отличающимися высокой химической активностью и пластичностью (в случае металлов).
Ярким примером ограниченности существующих подходов являются сложности, возникающие при создании стабильных суспензий углеродных нанотрубок. По очевидным технологическим причинам конденсационный подход невозможен в данном случае: используемые в синтезе углеродных нанотрубок области температур слишком высоки (более 400оС [Q. Zhang, J.Q. Huang, M.Q. Zhao, W.Z. Qian, F. Wei, Carbon nanotube mass production: Principles and processes, ChemSusChem. 4 (2011) 864–889. doi:10.1002/cssc.201100177]) для большинства используемых растворителей, которые также не будут инертными в ходе процесса роста. Дисперсионный подход [P.-C. Ma, N.A. Siddiqui, G. Marom, J.-K. Kim, Dispersion and functionalization of carbon nanotubes for polymer-based nanocomposites: A review, Compos. Part A. 41 (2010) 1345–1367. doi:10.1016/j.compositesa.2010.07.003] активно исследовался и использовался в течение последних 25 лет с целью получения стабильных чернил [RU 2665397; RU 2 522 887 C2; N. Rouhi, D. Jain, P.J. Burke, High-performance semiconducting nanotube inks: Progress and prospects, ACS Nano. 5 (2011) 8471–8487. doi:10.1021/nn201828y], средств доставки лекарств [US 20080214494A1], а также разделения нанотрубок по хиральности с целью последующего внедрения в другие технологические процессы [M.C. Hersam, Progress towards monodisperse single-walled carbon nanotubes, Nat. Nanotechnol. 3 (2008) 387–394. doi:10.1038/nnano.2008.135].
Одним из основных направлений развития дисперсионного подхода является комбинирование ультразвуковой обработки углеродных нанотрубок, которая, однако, приводит к увеличению дефектности нанотрубок и их разрезанию на мелкие части [M. Meyyappan, ed., Carbon nanotubes: science and application, CRC Press, 2005.], с агентами, такими как поверхностно-активные вещества (ПАВы), предотвращающими редиспергацию путем физического контакта (см., например, [US20040131859A1; R. Rastogi, R. Kaushal, S.K. Tripathi, A.L. Sharma, I. Kaur, L.M. Bharadwaj, Comparative study of carbon nanotube dispersion using surfactants, J. Colloid Interface Sci. 328 (2008) 421–428. doi:10.1016/j.jcis.2008.09.015]), или с функционализацией нанотрубок, которая заключается в присоединении к ним функциональных групп [RU 2490204; RU 2528985; US 7365100 B2], с последующим центрифугированием неэффективно обработанных агломератов.
В документе RU2665397 описан способ получения водной суспензии графена для проводящих чернил. Способ включает электрохимическое расслоение графита в растворе электролита, введение добавки, препятствующей слипанию частиц (ПАВ), и проведение механического расслоения диспергированием в течение 0,5-2 ч или ультразвуковым воздействием и центрифугированием (5-10 циклов). После механического расслоения вводят добавку, обеспечивающую стабильность суспензии (например, этиленгликоль, или N-метилпирролидон, или пропиленгликоль, или диэтиленгликоль). В документе RU2665397 указано, что для получения суспензии графена для проводящих чернил необходима длительная обработка ультразвуком - от 10 до 20 часов.
Следует отметить, что, как правило, ультразвуковая обработка порошка углеродных материалов в жидкой среде является затратной по времени и обычно характеризуется невысокой эффективностью и может приводить к фрагментации частиц с уменьшением аспектного соотношения частиц (R. Rastogi, R. Kaushal, S.K. Tripathi, A.L. Sharma, I. Kaur, L.M. Bharadwaj, Comparative study of carbon nanotube dispersion using surfactants, J. Colloid Interface Sci. 328 (2008) 421–428. doi:10.1016/j.jcis.2008.09.015]), а также приводит лишь к ограниченному редеспергированию агломератов нанотрубок [Sigma Aldrich Technical Bulletin AL-265], что связано с одной стороны с высоким аспектным соотношением и взаимозапутанной морфологией порошков [RU 2577273C1], так и с высокой энергией взаимодействия между нанотрубками в агломерате (~950 эВ/мкм) [L.A. Girifalco, M. Hodak, R.S. Lee, Carbon nanotubes, buckyballs, ropes, and a universal graphitic potential, Phys. Rev. B. 62 (2000) 13104–13110. doi:10.1103/PhysRevB.62.13104].
В итоге, предложенные подходы несомненно позволяют улучшить основные эксплуатационные характеристики суспензий (стабильность, однородность распределения твердой фазы и т.д.), однако приводят при этом к ухудшению свойств самих диспергируемых частиц, а также к большой доле неэффективно распределенных частиц в качестве осадка после ультрацентрифугирования.
В свете вышеизложенного, существует необходимость в разработке способов получения суспензий без необходимости дополнительной обработки (в частности, без необходимости длительного механического диспергирования, ультразвуковой обработки, химической модификации, введения дополнительных стабилизирующих добавок), и при этом было бы желательным:
• чтобы такие способы характеризовались меньшим механическим разрушающим воздействием на твердую фазу, чем известные в данной области способы получения суспензий частиц. В частности, преимущественными были бы способы получения суспензий без применения стадий дополнительной обработки, в частности диспергирования, обработки ультразвуком, применения дополнительных химических агентов для модификации частиц;
• чтобы такие способы обеспечивали золи и суспензии с высокой стабильностью, однородностью распределения твердой фазы, низкой степенью дефектности и фрагментации частиц, высокой долей индивидуальных частиц, а не их агломератов;
• разработать способы получения золей и суспензий, которые позволили бы получить золи и суспензии частиц, получение которых ранее было затруднено вследствие ограничений существующих подходов.
Раскрытие сущности изобретения
Одной из задач настоящего изобретения является обеспечение способа получения стабильных золей и суспензий.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение стабильных золей и суспензий, которые характеризуются минимальной степенью дефектности и фрагментации твердых частиц и с минимальной степенью их агломерации.
Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение стабильных золей и суспензий, получение которых ранее было затруднено вследствие ограничений существующих подходов.
Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка способа очистки воздуха от взвешенных частиц.
Ниже будут описаны варианты реализации настоящего изобретения с указанием достигаемых технических результатов.
В первом аспекте настоящее изобретение относится к способу получения золя или суспензии, включающий:
a. обеспечение аэрозоля твердых частиц;
b. обеспечение аэрозоля частиц, образованных текучей средой;
c. приведение в контакт аэрозоля твердых частиц с аэрозолем частиц, образованных текучей средой, с получением аэрозоля частиц золя или суспензии, причем в частицах золя или суспензии твердые частицы взвешены в частицах текучей среды;
d. осаждение аэрозоля частиц золя или суспензии с получением макроскопических (больших) количеств золя или суспензии.
Одним из технических результатов, достигаемых в настоящем изобретении, является обеспечение стабильных золей и суспензий.
Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является сокращение времени получения золей и суспензий.
Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является упрощение процесса получения золей и суспензий. В частности, предложенный способ обеспечивает получение золей и суспензий частиц (например, нано- и микрочастиц) путем непосредственного поглощения твердых компонентов аэрозольной фазы жидкостью без необходимости дополнительной обработки (не нужны продолжительная обработка с помощью ультразвука, диспергирование, центрифугирование, применение дополнительных химических агентов для модификации частиц).
Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является высокая однородность распределения твердой фазы в золях и суспензиях, полученных согласно предложенному способу.
Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является обеспечение золей и суспензий, характеризующихся минимальной степенью дефектности и фрагментации твердых частиц и минимальной степенью их агломерации. В частности, суспензии и золи, полученные согласно предложенному способу, содержат индивидуальные твердые частицы. Соответственно, предложенный способ характеризуется меньшим механическим разрушающим воздействием на твердую фазу.
Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является возможность обеспечения золей и суспензий, получение которых ранее было затруднено вследствие ограничений существующих подходов, в частности, таких золей и суспензий, которые невозможно получить с помощью известных конденсационного и дисперсионного способов получения.
Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является возможность обеспечения золей и суспензий с применением практически любой комбинации твердых частиц и текучих сред.
Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является возможность применения предложенного способа для создания жидких сред микронного размера для эффективного обеспечения химических гетерогенных процессов.
Еще одним техническим результатом, который достигается в настоящем изобретении, является повышение эффективности перевода твердой фазы в золь или суспензию за счет уменьшения количества неэффективно обработанных агломератов.
В одном из вариантов реализации осаждение аэрозоля частиц золя или суспензии с получением макроскопических (больших) количеств золя или суспензии осуществляют под действием гравитационного или электрического поля, силы инерции, акустического воздействия, или вымораживания. В одном конкретном варианте реализации осаждение аэрозоля частиц золя или суспензии с получением макроскопических (больших) количеств золя или суспензии под действием силы инерции осуществляют с помощью циклонного фильтра.
В одном из вариантов реализации золь или суспензию, полученные на стадии d., используют на стадии b. в качестве текучей среды. В другом варианте реализации аэрозоль частиц золя или суспензии, полученный на стадии с., используют на стадии b. в качестве аэрозоля частиц, образованных текучей средой. Использование на стадии b. аэрозоля частиц золя или суспензии, полученного на стадии с., в качестве аэрозоля частиц, образованных текучей средой, или золя или суспензии, полученных на стадии d., в качестве текучей среды, обеспечивает повышение концентрации твердых частиц в полученных макроскопических (больших) количествах золя или суспензии.
В одном из вариантов реализации концентрация аэрозоля твердых частиц составляет не более примерно 1012 см-3. В конкретных вариантах реализации концентрация аэрозоля твердых частиц составляет не более примерно 1011 см-3, не более примерно 1010 см-3, не более примерно 109 см-3, не более примерно 108 см-3, не более примерно 107 см-3, не более примерно 106 см-3, не более примерно 105 см-3, не более примерно 104 см-3, не более примерно 103 см-3, не более примерно 102 см-3 или не более примерно 10 см-3. В конкретных вариантах реализации концентрация аэрозоля твердых частиц составляет примерно 10-102 см-3, примерно 102-103 см-3, примерно 103-104 см-3, примерно 104-105 см-3, примерно 105-106 см-3, примерно 106-107 см-3, примерно 107-108 см-3, примерно 108-109 см-3, примерно 109-1010 см-3 или примерно 1010-1011 см-3. Более низкие концентрации частиц в аэрозоле приводят к большей стабильности аэрозоля.
В одном из вариантов реализации концентрация аэрозоля частиц, образованных текучей средой, составляет примерно 103-1010 см-3. В конкретных вариантах реализации концентрация аэрозоля частиц, образованных текучей средой, составляет примерно 10-102 см-3, примерно 102-103 см-3, примерно 103-104 см-3, примерно 104-105 см-3, примерно 105-106 см-3, примерно 106-107 см-3, примерно 107-108 см-3, примерно 108-109 см-3, примерно 109-1010 см-3 или примерно 1010-1011 см-3. Более низкие концентрации частиц в аэрозоле приводят к большей стабильности аэрозоля.
В одном из вариантов реализации твердые частицы характеризуются диаметром не более 200 мкм. В одном конкретном варианте реализации твердые частицы характеризуются диаметром не более 100 мкм, предпочтительно не более 1 мкм, более предпочтительно не более 100 нм.
В одном из вариантов реализации текучая среда или аэрозоль твердых частиц дополнительно содержат поверхностно-активное вещество или смесь поверхностно-активных веществ. В качестве примера, поверхностно-активное вещество выбрано, но не ограничивается указанными, из TRITON X-100, TWEEN 20, дезоксихолата натрия, додецилсульфата натрия (SDS), рибонуклеиновой или дезоксирибонуклеиновой кислоты.
В некоторых вариантах реализации присутствие поверхностно-активного вещества повышает стабильность получаемых суспензий и золей.
В одном из вариантов реализации текучая среда содержит смесь жидкостей.
Применение в качестве текучей среды смеси жидкостей позволяет получить многофазные золи и суспензии с заданными характеристиками.
В одном конкретном варианте реализации текучая среда содержит воду и/или этанол.
В одном из вариантов реализации твердые частицы представляют собой, но не ограничиваются указанными, углеродные нанотрубки, серебряные наночастицы или железные наночастицы, инкапсулированные в углеродную оболочку.
В одном из вариантов реализации предложенный способ дополнительно включает разделение полученной суспензии с помощью проточной гель-хроматографии.
Во втором аспекте настоящее изобретения относится к золям и суспензиям, полученным согласно предложенному способу.
Золи и суспензии, полученные согласно предложенному способу, являются стабильными и характеризуются высокой однородностью распределения твердой фазы, минимальной степенью дефектности и фрагментации твердых частиц и минимальной степенью их агломерации. В частности, золи и суспензии, полученные согласно предложенному способу, содержат индивидуальные твердые частицы.
Полученные золи и суспензии могут использоваться во многих отраслях и во многих применениях, таких как, например, в фармацевтике для ускоренной доставки твердого вещества, в лакокрасочных и смазочных изделиях для равномерного распределения твердого компонента и обеспечения заданных трибологических характеристик, в химической промышленности для эффективного проведения гетерогенных процессов.
В третьем аспекте настоящее изобретение относится к применению предложенного способа для очистки воздуха от взвешенных частиц. Применение предложенного способа для очистки воздуха от взвешенных частиц позволяет эффективно очистить воздух от взвешенных частиц. Применение указанного способа для очистки газовых сред от взвешенных твердых частиц может быть использовано, например, для утилизации вредных частиц отходящих (дымовых) газов.
После ознакомления с данным описанием специалисту станут понятны и другие технические результаты, обеспечиваемые настоящим изобретением.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими чертежами и примерами реализации.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы для реализации предложенного способа получения золей и суспензий (туманной ловушки), где 1 – ячейка для образования аэрозоля частиц, образованных текучей средой, (тумана) и предварительного смешения полученного тумана с аэрозолем твердых частиц; 2 – сорбционная колонна для поглощения твердых частиц туманом; 3 – блок дополнительной подачи чистых газов; 4 – циклонный фильтр; 5 – система рециркуляции и/или дополнительной обработки полученных золей и суспензий (например, система для разделения однослойных углеродных нанотрубок по хиральности); 6 – емкость для дополнительной подачи текучей среды для обеспечения необходимой концентрации тумана. Поглощение твердых частиц частицами тумана происходит в основном в колонне 2, но также и при предварительном смешении аэрозоля твердых частиц с туманом в ячейке 1. Поскольку объем ячейки 1 существенно меньше объема колонны 2, то общая доля твердых частиц, которые поглотились частицами тумана в ячейке 1, мала.
На фиг. 2 представлена фотография туманной ловушки, в частности тумана с аэрозолем однослойных углеродных нанотрубок.
Фиг. 3-5 иллюстрируют стабильность и дисперсность полученных с помощью предложенного способа суспензий.
На фиг. 3 представлены спектры оптического поглощения суспензий однослойных углеродных нанотрубок, полученных с помощью туманной ловушки и ультразвуковой обработки порошков. Фиг. 3 демонстрирует, что суспензия, полученная с помощью туманной ловушки, содержит индивидуальные нанотрубки, а не их агломераты.
На фиг. 4 представлены спектры оптического поглощения пленок однослойных углеродных нанотрубок, полученных за разное время с включённой (зеленая кривая, 6 часов) и выключенной (черная кривая, 1 час) ловушкой, демонстрирующие высокую эффективность установки. Справа приведены фотографии пленок, полученных на фильтре в выхлопной системе, расположенном на выходе выхлопных газов (время сбора – 1 час).
Фиг. 4 также демонстрирует фильтрующую способность туманной ловушки. Как видно, при включенной туманной ловушке для обеспечения такого же оптического поглощения нанотрубок (т.е. такого же их количества), осажденных на фильтре выхлопной системы ловушки, как и при выключенной, требуется в 6 раз больше времени, что говорит о высокой степени поглощения наночастиц туманом при включенной туманной ловушке.
На фиг. 5 представлен спектр фотолюминесценции суспензии однослойных углеродных нанотрубок, полученный при возбуждении лазером 720 нм. Каждый пик отнесен к соответствующей хиральности. Полученный спектр демонстрирует присутствие индивидуальных нанотрубок с низкой степенью дефектности, а не их агломератов.
Осуществление изобретения
В нижеследующем описании приведены средства и методы, с помощью которых может быть осуществлено настоящее изобретение, а также приведены примеры его реализации.
При характеристике некоторых количественных признаков используется термин «примерно». Этот термин отражает неопределенность, которая присуща измерению любого количественного признака, и обозначает диапазон, который представляет собой количественный признак ± погрешность измерения. Погрешность измерения может быть 10%, более предпочтительно 5%.
Термин «суспензия», используемый для описания настоящего изобретения, обозначает дисперсную систему, в которой твердые частицы дисперсной фазы равномерно распределены в жидкой дисперсионной среде и находятся в ней во взвешенном состоянии.
Частицы дисперсной фазы в суспензии как правило со временем осаждаются под действием силы тяжести.
Термин «золь», используемый для описания настоящего изобретения, обозначает высокодисперсную коллоидную систему (коллоидный раствор), в которой в объеме дисперсионной среды распределена другая фаза (дисперсная фаза) в виде твердых частиц, размер которых находится в диапазоне от 1 до 100 нм. Как правило, частицы дисперсной фазы в золе не осаждаются под действием силы тяжести.
Термин «аэрозоль», используемый для описания настоящего изобретения, обозначает дисперсную систему, состоящую из взвешенных в газообразной дисперсионной среде, обычно в воздухе, мелких частиц другой фазы (дисперсной фазы). Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капель жидкости, называют туманами.
Термин «текучая среда», используемый для описания настоящего изобретения, обозначает вещество, которое способно течь. Данный термин охватывает, без ограничения указанными, жидкости, смеси жидкостей, дисперсные системы, в частности, суспензии, эмульсии, золи.
Термин «осаждение», используемый для описания настоящего изобретения, обозначает процесс слияния (коалесценции) частиц золя или суспензии с образованием макроскопических (больших) количеств золя или суспензии.
Термин «диаметр подвижности», используемый для описания настоящего изобретения, обозначает диаметр сферической частицы, имеющей такую же подвижность, как и рассматриваемая частица. Данный термин является общепринятым в области исследования и создания аэрозолей. Термин «диаметр подвижности» обычно используют для характеристики частиц, форма которых отличается от сферической, в частности для нанотрубок. Для сферических частиц диаметр подвижности совпадает с объемным диаметром, тогда как для несферических частиц диаметр подвижности является функцией формы и ориентации частиц. Диаметр подвижности частиц можно определить методами, известными в данной области, в частности, с помощью дифференциального анализатора подвижности аэрозольных частиц.
В одном варианте реализации настоящего изобретения диаметр подвижности углеродных нанотрубок составляет не более 200 мкм, предпочтительно не более 100 мкм, более предпочтительно не более 1 мкм, еще более предпочтительно не более 100 нм.
Аэрозоль твердых частиц для использования в настоящем изобретении может быть получен известными способами. В частности, аэрозоль твердых частиц можно получить путем химического синтеза (например, методом химического осаждения из газовой фазы (CVD-метод) на аэрозоль катализатора, методом термического разложения летучих предшественников твердых частиц) или путем конденсации (например, с помощью конденсационных установок) или путем диспергирования твердых частиц в газовую среду.
Аэрозоль твердых частиц для использования в настоящем изобретении должен быть стабильным, что означает, что твердые частицы в аэрозоле не должны слипаться.
Стабильность полученного аэрозоля твердых частиц зависит, в частности, от размера частиц и их концентрации в газовой фазе. В одном варианте реализации настоящего изобретения концентрация твердых частиц не превышает 1012 см-3, что приводит к повышению стабильности частиц в аэрозоле. В одном варианте реализации настоящего изобретения диаметр твердых частиц не превышает 200 мкм, поскольку при превышении указанных значений будет повышаться тенденция к осаждению частиц под действием силы тяжести. В одном варианте реализации настоящего изобретения стабилизацию твердых частиц в аэрозоле обеспечивают путем введения ПАВ или смеси ПАВ.
Тип твердых частиц, входящих в аэрозоль, подходящих для использования в настоящем изобретении, специальным образом не ограничен. Могут использоваться любые твердые частицы, которые способны образовывать аэрозоль, а также золь или суспензию с выбранной текучей средой.
В одном варианте реализации настоящего изобретения твердые частицы могут представлять собой частицы, размеры которых составляют примерно 1-1000 мкм. В другом варианте реализации настоящего изобретения твердые частицы могут представлять собой частицы, размеры которых составляют примерно 1-100 нм (наночастицы). В качестве примера, наночастицы могут представлять собой углеродные нанотрубки, серебряные наночастицы или железные наночастицы, инкапсулированные в углеродную оболочку; углеродные нанотрубки могут быть однослойными или многослойными.
Аэрозоль частиц, образованных текучей средой, для использования в настоящем изобретении может быть получен известными способами. В одном варианте реализации настоящего изобретения аэрозоль частиц, образованных текучей средой, может быть получен с помощью генератора тумана. Перевод текучей среды в состояние аэрозоля обеспечивает увеличение удельной площади поверхности раздела фаз жидкость/газ, в результате чего повышается эффективность взаимодействия твердых частиц и частиц, образованных текучей средой.
Аэрозоль частиц, образованных текучей средой, является достаточно стабильной системой. Диаметр частиц, образованных текучей средой, может быть любым. В одном варианте реализации настоящего изобретения диаметр частиц, образованных текучей средой, составляет 0,1-300 мкм. Концентрация аэрозоля частиц, образованных текучей средой, может быть любой, подходящей для целей настоящего изобретения. В одном варианте реализации настоящего изобретения концентрация аэрозоля частиц, образованных текучей средой составляет примерно 103-1010 см-3.
Текучая среда для образования аэрозоля частиц, образованных текучей средой, может быть любой, подходящей для целей настоящего изобретения. В одном варианте реализации настоящего изобретения текучая среда может представлять собой смесь разных жидкостей, в результате чего получают многофазные золи и суспензии с заданными характеристиками.
В одном варианте реализации текучая среда содержит ПАВ или смесь ПАВ. Для реализации настоящего изобретения в качестве ПАВ можно использовать любое поверхностно-активное вещество. В одном варианте реализации настоящего изобретения ПАВ может быть выбрано из неионогенных, катионных, анионных, амфотерных ПАВ или любых их комбинаций. В качестве примера, ПАВ может быть выбрано из TRITON X-100, TWEEN 20, TWEEN 80, дезоксихолата натрия, додецилсульфата натрия (SDS), рибонуклеиновой или дезоксирибонуклеиновой кислоты. Введение ПАВ в аэрозоль твердых частиц и/или аэрозоль частиц, образованных текучей средой, может повышать стабильность полученных золя или суспензии путем образования с твердой фазой ковалентных связей или Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.
В одном варианте реализации текучая среда, аэрозоль частиц, образованных текучей средой, и/или аэрозоль твердых частиц могут содержать по меньшей мере один дополнительный агент. Дополнительный агент может быть любым, подходящим для осуществления предложенного изобретения. В одном варианте реализации настоящего изобретения дополнительный агент может быть выбран, но не ограничивается указанными, из TRITON X-100, TWEEN 20, TWEEN 80, дезоксихолата натрия, додецилсульфата натрия (SDS), рибонуклеиновой или дезоксирибонуклеиновой кислоты или любых их комбинаций.
В конкретном варианте реализации дополнительный агент может представлять собой рибонуклеиновую кислоту (РНК) или дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) или их смесь.
Приведение аэрозоля твердых частиц в контакт с аэрозолем частиц, образованных текучей средой, может быть обеспечено с помощью известных методов. В одном варианте реализации настоящего изобретения для обеспечения контакта аэрозоля твердых частиц с аэрозолем частиц, образованных текучей средой, смесь аэрозоля твердых частиц с аэрозолем частиц, образованных текучей средой, подают в реакторную систему. В реакторной системе может использоваться активное перемешивание, или смешивание может происходить за счет диффузии. В конкретном варианте реализации реакторная система представляет собой аналог реактора идеального смешения, аналог реактора идеального вытеснения или стационарную конденсационную камеру или любой вариант указанных реакторов и камеры. В конкретном варианте реализации смесь аэрозоля твердых частиц с аэрозолем частиц, образованных текучей средой, подают в сорбционную колонну.
При приведении аэрозоля твердых частиц в контакт с аэрозолем частиц, образованных текучей средой, обеспечивается поглощение твердых частиц частицами, образованными текучей средой. Не желая ограничиваться теорией, авторы настоящего изобретения полагают, что поглощение твердых частиц частицами, образованными текучей средой, обеспечивается за счет простых столкновений твердых частиц с частицами, образованными текучей средой, и закрепления твердых частиц на границе жидкость/газ с последующей диффузией твердых частиц в частицы, образованные текучей средой.
Время контакта аэрозоля твердых частиц с частицами, образованными текучей средой, определяет эффективность поглощения твердых частиц частицами, образованными текучей средой, поэтому время контакта подбирается в зависимости от конкретной задачи.
В одном варианте реализации настоящего изобретения время контакта представляет собой время, достаточное для поглощение твердых частиц частицами, образованными текучей средой. В одном варианте реализации время контакта представляет собой время, достаточное для обеспечения степени поглощения твердых частиц частицами, образованными текучей средой, по меньшей мере 70%. В одном варианте реализации настоящего изобретения время контакта составляет от нескольких секунд до десятков секунд. В конкретном варианте реализации время контакта составляет примерно 1-10 с, предпочтительно 1-5 с. В случае наночастиц указанное время контакта позволяет обеспечить степень поглощения твердых частиц жидкостью более 70 %. При этом следует понимать, что для более крупных частиц время контакта может быть больше. Время контакта зависит от соотношения длины реактора (например, длины колонны, в которой происходит поглощение твердых частиц частицами, образованными текучей средой) и скорости потока газов в реакторной системе. Степень поглощения регулируется не только временем контакта, но и концентрацией аэрозоля твердых частиц на входе в реакторную систему.
Температура, при которой аэрозоль твердых частиц смешивают с аэрозолем частиц, образованных текучей средой (туманом), для описания настоящего изобретения может быть любой, подходящей для целей настоящего изобретения. В одном варианте реализации настоящего изобретения температура, при которой аэрозоль твердых частиц смешивают с аэрозолем частиц, образованных текучей средой, составляет не более 0,95·Т, где Т - температура кипения текучей среды, К.
Осаждение аэрозоля частиц золя или суспензии с получением макроскопических (больших) количеств золя или суспензии, для использования в настоящем изобретении, может быть обеспечено с помощью известных методов. В одном варианте реализации настоящего изобретения осаждение проводят с помощью внешних полей. В конкретном варианте реализации осаждение с помощью внешних полей осуществляют под действием гравитационного поля и/или силы инерции. В одном варианте реализации настоящего изобретения осаждение проводят с помощью дополнительных воздействий, улучшающих коалесценцию жидких капель. В конкретном варианте реализации дополнительное воздействие, улучшающее коалесценцию жидких капель, представляет собой электрическое поле, акустическое воздействие или вымораживание. В одном варианте реализации настоящего изобретения осаждение проводят с помощью внешних полей и дополнительных воздействий, улучшающих коалесценцию жидких капель. В одном варианте реализации осаждение осуществляет под действием силы инерции. В одном конкретном варианте реализации осаждение под действием силы инерции осуществляют с помощью циклонного фильтра.
В аэрозоле частиц золя или суспензии частицы представляют собой золи или суспензии твердых частиц в текучей среде, при этом частица золя или суспензии может содержать любое количество твердых частиц. В качестве примера, частица золя или суспензии может содержать до примерно 50-100 твердых частиц.
Золь или суспензию, полученные в результате осаждения аэрозоля частиц золя или суспензии, можно использовать в качестве текучей среды, с целью повышения концентрации твердых частиц в золе или суспензии. Также, с целью повышения концентрации твердых частиц в золе или суспензии аэрозоль частиц золя или суспензии можно использовать в качестве аэрозоля частиц, образованных текучей средой. Введение полученного золя или суспензии и/или аэрозоля частиц золя или суспензии в систему получения золя или суспензии для использования в настоящем изобретении можно обеспечивать с помощью известных методов. В одном варианте реализации такое введение можно осуществить с помощью системы рециркуляции. В конкретном варианте реализации такое введение можно осуществить как показано на Фиг. 1 (позиция 5).
Концентрацию твердых частиц в золе и суспензии можно регулировать путем изменения пропорций аэрозоля твердых частиц и аэрозоля частиц, образованных текучей средой, при смешении указанных аэрозолей, путем изменения концентрации твердых частиц в аэрозоле твердых частиц и/или путем изменения степени поглощения твердых частиц частицами, образованными текучей средой.
Стабилизация твердых частиц в золе и суспензии достигается путем обеспечения золя и суспензии с высоким расклинивающим давлением, предотвращающим реагломерацию, или путем использования в аэрозоле твердых частиц и/или текучей среде ПАВ.
Использование ПАВ не является обязательным. Например, в случае этанола в качестве текучей среды стабильные золь или суспензия образуются и в отсутствие ПАВ. Полученные согласно предложенному способу золи и суспензии характеризуются высокой долей дисперсности твердых образований. Полученные золи и суспензии можно использовать далее в соответствии с предполагаемым применением.
Золь или суспензию, полученные в результате осаждения аэрозоля частиц золя или суспензии, согласно настоящему изобретению можно направить в систему для дополнительной обработки. В одном варианте реализации в случае, когда твердые частицы представляют собой углеродные нанотрубки, дополнительная обработка может представлять собой разделение углеродных нанотрубок по хиральности. В одном конкретном варианте реализации разделение углеродных нанотрубок по хиральности можно осуществить с помощью хроматографии. В одном конкретном варианте реализации хроматография может представлять собой проточную гель-хроматографию.
Если необходимо, полученные золи и суспензии характеризуют с помощью дифференциального анализатора подвижности частиц, оптической спектроскопии, фотолюминесценции, просвечивающей электронной микроскопии и других методов анализа, известных в данной области техники.
В предлагаемом способе для демонстрации возможностей подхода реализована задача по получению стабильных суспензий однослойных углеродных нанотрубок, серебряных частиц и железных наночастиц, инкапсулированных в углеродную оболочку.
Далее приведены примеры реализации настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается представленными примерами.
Примеры
Пример 1
Аэрозоль однослойных углеродных нанотрубок с характерным диаметром подвижности примерно 70 нм получали методом аэрозольного химического осаждения из газовой фазы с использованием ферроценового катализатора. Концентрация твердых частиц в газовой среде в полученном аэрозоле составляла примерно 3·106 см-3. Аэрозоль нанотрубок смешивали при 25 оС с туманом с концентрацией жидких частиц (капель) примерно 105 см-3, образованным из водного раствора TRITON X-100 с концентрацией 10-2 масс. %. Смесь подавали в трубчатый реактор со временем контакта 5,2 с для эффективного взаимодействия. Осаждение смеси проводили с помощью циклонного фильтра. В результате наблюдали степень поглощения углеродных нанотрубок 93 % и получали стабильную суспензию углеродных нанотрубок.
Пример 2
Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что вместо водного раствора TRITON X-100 с концентрацией 10-2 масс. % использовали водный раствор TWEEN 20 с концентрацией 10-2 масс. %. В результате получали стабильную суспензию углеродных нанотрубок.
Пример 3
Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что вместо водного раствора TRITON X-100 с концентрацией 10-2 масс. % использовали водный раствор додецилсульфата натрия (SDS) с концентрацией 10-2 масс. %.
Пример 4
Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что время контакта снижали до 1,3 с. В результате наблюдали степень поглощения углеродных нанотрубок 76 % и получали стабильную суспензию углеродных нанотрубок.
Пример 5
Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что после осаждения суспензию наночастиц рециркулировали в ячейку для образования тумана с целью увеличения концентрации наночастиц в суспензии. Получали стабильную суспензию углеродных нанотрубок.
Пример 6
Данный пример аналогичен примеру 4 и отличается тем, что полученную суспензию подвергали проточной гель-хроматографии с целью разделения нанотрубок. В результате определили, что углеродные нанотрубки в полученной суспензии присутствуют в виде индивидуальных частиц.
Пример 7
Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что в качестве твердой фазы использовали серебряные наночастицы, полученные путем конденсации пересыщенных паров (при температуре 850 °С). В результате наблюдали степень поглощения наночастиц туманом 98 % и получали стабильную суспензию наночастиц.
Пример 8
Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что в качестве твердой фазы использовали железные наночастицы, инкапсулированные в углеродную оболочку, полученные путем разложения ферроцена в среде азота/этилена при 700 °С. В результате наблюдали степень поглощения наночастиц туманом 98 % и получали стабильную
суспензию наночастиц.
Пример 9
Данный пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что вместо водного раствора TRITON X-100 использовали этанол. В результате получали стабильную суспензию наночастиц.