專利名稱：等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的方法和裝置，屬冶金、化工納米新材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋅是一種被廣泛和大量應(yīng)用的無機(jī)功能材料，我國每年各種氧化鋅的總用量約在120萬噸以上，由于生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本等原因，其中納米氧化鋅的用量很少，僅約占總用量的I %左右，納米氧化鋅是指顆粒尺寸小于100納米(nm)的氧化鋅粉末，由于納米粉末晶粒的極細(xì)微化及高比表面積，使其具有表面與界面效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，體積效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，從而使納米氧化鋅在化工、電子、陶瓷、航天，光學(xué)、醫(yī)藥等許多領(lǐng)域獲得了特殊、重要的應(yīng)用價(jià)值，隨著科技的進(jìn)步，預(yù)計(jì)納米氧化鋅在氧化鋅總用量中的應(yīng)用比例將提高到3-5%。納米氧化鋅的制備方法大體可分為液相法、固相法、氣相法、綜合交叉等方法，目前市場上的絕大多數(shù)的納米氧化鋅工業(yè)化產(chǎn)品，生產(chǎn)的方法都伴隨有液相反應(yīng)及沉淀、干燥、煅燒等單個(gè)或多生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)過程不易控制，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品質(zhì)量難于滿足某些特殊應(yīng)用的要求。等離子體為物質(zhì)的第四態(tài)，是一種由分子，原子，離子，電子和光子組成的電離氣體，它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)，本發(fā)明利用等離子體中呈等離子態(tài)的氧與氣態(tài)的鋅蒸氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，在高于氧化鋅升華溫度的條件下，獲得升華態(tài)氧化鋅，使升華態(tài)氧化鋅在降溫過程中尚未完全形成固體結(jié)晶或晶核尚未長大的情況下，被冷空氣急劇冷卻從而保持了氧化鋅晶核的極細(xì)微狀態(tài)，最終獲得粒度極細(xì)、活性極高的納米氧化鋅，與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明有生產(chǎn)過程無三廢污染；生產(chǎn)方法簡便、無生產(chǎn)周期、即產(chǎn)即得；工業(yè)化生產(chǎn)成本低；等離子熱利用率高；產(chǎn)品質(zhì)量高、用途廣、分散性好、長期存放不團(tuán)聚；所獲粉體未經(jīng)任何表面修飾和改性、保持了原生態(tài)納米粒子應(yīng)具有的特性等特點(diǎn)。與本發(fā)明相類似的技術(shù)有公開號(hào)為CN1083538A的“等離子法制取氧化鋅工藝及設(shè)備”的中國專利，公開的是采用高頻等離子發(fā)生器對(duì)堿式碳酸鋅進(jìn)行焙燒熱解、粉碎、細(xì)化，從而獲得納米級(jí)的氧化鋅。著名的美國泰克納等離子系統(tǒng)公司(Tekna Plasma SystemsInc)提供等離子體技術(shù)和設(shè)備，制備粒度在20 100納米的氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅等納米粉體和球形粉體，但未見與本發(fā)明相似的技術(shù)和產(chǎn)品報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的方法；本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一種等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的裝置。發(fā)明的技術(shù)方案等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的方法，其特征在于該方法是在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，輸入高頻氧氣等離子體或空氣等離子體中之一種，同時(shí)輸入溫度為1130 1230K的金屬鋅蒸氣，鋅蒸氣與等離子體中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化鋅ZnO，生成的氧化鋅和等離子焰及少量未反應(yīng)的鋅蒸氣經(jīng)反應(yīng)器反應(yīng)物出口進(jìn)入輔助氧化室充分氧化，控制反應(yīng)溫度在氧化鋅的升華溫度之上，獲得由升華態(tài)氧化鋅和等離子體尾焰組成的溫度為1973 2273K的高溫反應(yīng)產(chǎn)物，該高溫反應(yīng)產(chǎn)物從輔助氧化室進(jìn)入空氣冷卻器，被輸入量為高溫反應(yīng)產(chǎn)物氣量20 50倍的冷卻空氣急劇冷卻到423K溫度下，形成納米氧化鋅粉末和冷卻空氣的氣粉混合物，氣粉混合物經(jīng)過空氣冷卻器的出口，再經(jīng)濾袋收粉獲得納米氧化鋅成品。
等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的生產(chǎn)裝置，包括反應(yīng)器、空氣冷卻器，其特征在于所述的反應(yīng)器構(gòu)造上有等離子體輸入口、鋅蒸氣輸入口、反應(yīng)物出口 ；空氣冷卻器構(gòu)造上有一個(gè)輔助氧化室、冷卻空氣入口、冷卻器出口。反應(yīng)器的反應(yīng)物出口末端與空氣冷卻器的輔助氧化室相連接。


附圖為本發(fā)明的生產(chǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中的標(biāo)記為I-反應(yīng)器，由高溫耐火材料和金屬冷卻水套制做；2-等離子體輸入口；，3-鋅蒸氣輸入口 ；4_反應(yīng)器反應(yīng)物出口 ；5_高溫耐火材料襯層；6_冷卻水套，7-空氣冷卻器；，8-輔助氧化室；9-冷卻空氣入口 ；10_冷卻器出口。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :參照附圖I所示，將高頻等離子發(fā)生器產(chǎn)生的溫度為4273 9273K的高頻氧氣等離子體由反應(yīng)器的等離子體輸入口 2輸入，將來自于鋅蒸發(fā)坩堝或鋅精餾爐溫度為1130 1230K的金屬鋅蒸氣由鋅蒸氣輸入口 3輸入，此時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生生成氧化鋅2Zn+02 = 2Zn0的放熱反應(yīng)，依據(jù)反應(yīng)式，氧的實(shí)際輸入量按理論需要量的I. I I. 2倍分別控制氧氣等離子體和鋅蒸氣的輸入量，反應(yīng)溫度控制在1973 2373K范圍氧化鋅的升華溫度之上，反應(yīng)生成的氧化鋅和等離子焰及少量未完全反應(yīng)的鋅蒸氣經(jīng)反應(yīng)器反應(yīng)物出口 4進(jìn)入空氣冷卻器的輔助氧化室8充分氧化后，形成由升華態(tài)氧化鋅和等離子體尾焰組成的溫度為1973 2273K的高溫反應(yīng)產(chǎn)物，該高溫反應(yīng)產(chǎn)物在離心引風(fēng)機(jī)作用下從輔助氧化室進(jìn)入空氣冷卻器，升華態(tài)氧化鋅在降溫過程中尚未完全形成固體結(jié)晶或晶核尚未長大的情況下，被由冷卻空氣入口 9進(jìn)入的輸入量為高溫反應(yīng)產(chǎn)物氣量20 50倍的冷卻空氣急劇冷卻到423K溫度下，從而保持了氧化鋅晶核的極細(xì)微狀態(tài)，形成納米氧化鋅粉末和冷卻空氣的氣粉混合物，氣粉混合物經(jīng)過空氣冷卻器的出口 10后，經(jīng)連接管道進(jìn)入傳統(tǒng)的收粉系統(tǒng)，通過離心引風(fēng)機(jī)，再經(jīng)濾袋收粉獲得納米氧化鋅成品。成品粒徑范圍為15 50納米、比表面積為40 80米2/克、疏裝密度O. 22 O. 25克/厘米3。實(shí)施例2 :參照附圖I所示，將高頻等離子發(fā)生器產(chǎn)生的溫度為4273 8273K的空氣等離子體由反應(yīng)器的等離子體輸入口 2輸入，將來自于鋅蒸發(fā)坩堝或鋅精餾爐溫度為1130 1230K的金屬鋅蒸氣由鋅蒸氣輸入口 3輸入，此時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生生成氧化鋅2Zn+02 = 2Zn0的放熱反應(yīng)，依據(jù)反應(yīng)式，氧的實(shí)際輸入量按理論需要量的I. I I. 3倍分別控制空氣等離子體和鋅蒸氣的輸入量，反應(yīng)溫度控制在1973 2293K范圍氧化鋅的升華溫度之上，反應(yīng)生成的氧化鋅和等離子焰及少量未完全反應(yīng)的鋅蒸氣，經(jīng)反應(yīng)器出口 4進(jìn)入空氣冷卻器的輔助氧化室8充分氧化后，形成由升華態(tài)氧化鋅和等離子體尾焰組成的溫度為1973 2193K的高溫反應(yīng)產(chǎn)物，該高溫反應(yīng)產(chǎn)物從輔助氧化室進(jìn)入空氣冷卻器，升華態(tài)氧化鋅在降溫過程中尚未完全形成固體結(jié)晶或晶核尚未長大的情況下，被由冷卻空氣入口 9進(jìn)入的輸入量為高溫反應(yīng)產(chǎn)物氣量20 50倍的冷卻空氣急劇冷卻到423K溫度下，從而保持了氧化鋅晶核的極細(xì)微狀態(tài)，形成納米氧化鋅粉末和冷卻空氣的氣粉混合物，氣粉混合物經(jīng)過空氣冷卻器的出口 10后，經(jīng)連接管道進(jìn)入傳統(tǒng)的收粉系統(tǒng)，通過離心引風(fēng)機(jī)，再經(jīng)濾袋收粉獲得納米氧化鋅成品。成品粒徑范圍為20 50納米、比表面積為40 75米2/克、疏裝密度O. 23 O. 25克/厘米3。本發(fā)明的反應(yīng)器、冷卻器設(shè)有清理孔、測溫儀，反應(yīng)溫度可以通過控制等離子發(fā)生器的操作條件，控制氧化反應(yīng)中氧的過剩系數(shù)以及冷卻水套水溫來實(shí)現(xiàn)。冷卻空氣可以由離心引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)或其它氣體輸送設(shè)備提供。本發(fā)明附圖中的輔助氧化室與冷卻器設(shè)為一體、氧化室出口向下，以便于快速清理結(jié)垢或維修，也可將反應(yīng)器與輔助氧化室設(shè)為一整體或改變氧化室出口方向，其使用方法和結(jié)果與說明書所述一致。由于高頻等離子體發(fā)生器和鋅蒸氣的制備都是已有成熟技術(shù) 本發(fā)明不再詳述。
權(quán)利要求
1.等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的方法，其特征在于該方法是在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，輸入高頻氧氣等離子體或空氣等離子體中之一種，同時(shí)輸入金屬鋅蒸氣，鋅蒸氣與等離子體中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化鋅ZnO，生成的氧化鋅和等離子焰及少量未反應(yīng)的鋅蒸氣經(jīng)反應(yīng)器反應(yīng)物出口進(jìn)入輔助氧化室充分氧化，控制反應(yīng)溫度在氧化鋅的升華溫度之上，獲得由升華態(tài)氧化鋅和等離子體尾焰組成的高溫反應(yīng)產(chǎn)物，該高溫反應(yīng)產(chǎn)物從輔助氧化室進(jìn)入空氣冷卻器內(nèi)，被冷卻空氣急劇冷卻到423K溫度下，形成納米氧化鋅粉末和冷卻空氣的氣粉混合物，再經(jīng)濾袋收粉獲得納米氧化鋅成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的方法，其特征在于所述輸入的金屬鋅蒸氣的控制溫度為1130 1230K。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的方法，其特征在于由升華態(tài)氧化鋅和等離子體尾焰組成的高溫反應(yīng)產(chǎn)物，是溫度為1973 2273K范圍的反應(yīng)產(chǎn)物。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的方法，其特征在于冷卻空氣輸入量為高溫反應(yīng)產(chǎn)物氣量的20 50倍。
5.等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的生產(chǎn)裝置，包括反應(yīng)器、空氣冷卻器，其特征在于所述的反應(yīng)器構(gòu)造上有等離子體輸入口、鋅蒸氣輸入口、反應(yīng)物出口 ；空氣冷卻器構(gòu)造上有一個(gè)輔助氧化室、冷卻空氣入口、冷卻器出口 ；反應(yīng)器的反應(yīng)物出口末端與空氣冷卻器的輔助氧化室相連接。
全文摘要
等離子氣相反應(yīng)生產(chǎn)納米氧化鋅的方法和裝置，屬冶金、化工納米新材料，該方法是在反應(yīng)器內(nèi)輸入高頻氧氣等離子體或空氣等離子體中之一種，同時(shí)輸入金屬鋅蒸氣，在反應(yīng)器內(nèi)，鋅蒸氣與等離子體中的氧發(fā)生反應(yīng)生成氧化鋅，控制反應(yīng)溫度在氧化鋅的升華溫度之上，獲得由升華態(tài)氧化鋅和等離子體尾焰組成的高溫反應(yīng)產(chǎn)物，該高溫反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入空氣冷卻器內(nèi)，被冷卻空氣急劇冷卻到423K溫度下，形成納米氧化鋅粉末，再經(jīng)濾袋收粉獲得粒徑為15～50納米，比表面積為40～80米2/克的納米氧化鋅成品。本發(fā)明具有生產(chǎn)過程無三廢污染；方法簡便、生產(chǎn)成本低；產(chǎn)品分散性好、長期存放不團(tuán)聚；粉體未經(jīng)表面修飾和改性、保持了原始態(tài)納米粒子應(yīng)具有的特性等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102849784SQ201210144198
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者樊囿宇, 陳慶, 樊張帆 申請(qǐng)人:樊囿宇