Способ синтеза нанодиоксида титана

Способ синтеза нанодиоксида титана

Реферат

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

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°.