專利名稱：液滴產(chǎn)生系統(tǒng)和方法
液滴產(chǎn)生系統(tǒng)和方法發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般來(lái)說(shuō)涉及一種液滴產(chǎn)生系統(tǒng)和方法。這種系統(tǒng)和方法在一種有機(jī)液體或無(wú)機(jī)液體的多個(gè)微尺寸液滴的產(chǎn)生方面，特別是在該液體是一種水性溶液的情況下，具有特定的效用。這種系統(tǒng)在此也被描述為用于諸如火焰噴霧熱解反應(yīng)器的熱化學(xué)反應(yīng)器的多個(gè)微尺寸液滴流的一個(gè)實(shí)用源。
背景技術(shù)：
存在多種反應(yīng)系統(tǒng)，其中反應(yīng)的一個(gè)進(jìn)料組分作為該組分的溶液的一種精細(xì)的氣溶膠混合物被輸送。一種這樣的情況是火焰噴霧熱解(FSP)，在這種情況下，該精細(xì)的氣溶膠混合物被噴霧到發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)的火焰區(qū)域中。存在用于產(chǎn)生精細(xì)的氣溶膠混合物的多種裝置，包括霧化器、造霧器以及雙流體噴嘴。典型的是已經(jīng)對(duì)于一組特定的工作參數(shù)或條件優(yōu)化了這些裝置。因此，由一個(gè)給定裝置排出的氣溶膠混合物的平均液滴大小或多或少是一個(gè)固定的值，這取決于那些工作參數(shù)或條件以及取決于該裝置的具體設(shè)計(jì)。此外，這些裝置的流速通常是基本上固定的并且無(wú)法改變。氣溶膠輸送中靈活性和可調(diào)整性的缺乏限制了這些反應(yīng)系統(tǒng)在除工作臺(tái)上或特別定制的應(yīng)用以外的效用。要求氣溶膠進(jìn)料的反應(yīng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例是共同申請(qǐng)人之一的共同待決的國(guó)際專利公開(kāi)W02010/118480，該專利公開(kāi)披露了用于將納米結(jié)構(gòu)的材料沉積到一個(gè)顆粒基底上的過(guò)程。在優(yōu)選方法中，這種納米結(jié)構(gòu)的材料是通過(guò)多個(gè)微尺寸的液滴的一種霧化分散體的火焰噴霧熱解產(chǎn)生的，這些微尺寸的液滴含有納米相的前體材料。這個(gè)過(guò)程在原理上已被證明，但有機(jī)會(huì)將該過(guò)程適配成允許具有定制特性的納米顆粒涂料的低成本的商業(yè)生產(chǎn)。對(duì)這樣一種適配的核心要求是一種霧化或液滴產(chǎn)生系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠產(chǎn)生液滴大小可變、而液滴大小的分布狹窄并且流速可變的有機(jī)或無(wú)機(jī)液體的氣溶膠混合物。這后一種系統(tǒng)作為優(yōu)先選擇出現(xiàn)的原因是對(duì)于一個(gè)完全的熱化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，不同的化學(xué)化合物將會(huì)要求不同的停留時(shí)間。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供至少部分地滿足這個(gè)要求的一種液滴產(chǎn)生系統(tǒng)。在本說(shuō)明書(shū)中對(duì)任何現(xiàn)有技術(shù)的提及不是、并且不應(yīng)該被當(dāng)做是一種認(rèn)可或任何形式的建議這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)形成了澳大利亞或其他任何管轄區(qū)內(nèi)的公知常識(shí)的一部分，或者這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)可以合理地預(yù)計(jì)成是本領(lǐng)域技術(shù)人員將確定的、理解的以及認(rèn)為相關(guān)的。發(fā)明概述本發(fā)明的諸位發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到，上述目的可以通過(guò)多個(gè)噴嘴配置的一個(gè)新穎的交互性組合來(lái)滿足，這些噴嘴配置各自具有熟悉的一般類型。在一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一個(gè)雙流體噴嘴和一個(gè)螺線管噴嘴與一個(gè)周期性操作閥的交互性組合。本發(fā)明因此在一個(gè)第一方面中提供了一種液滴產(chǎn)生系統(tǒng),該液滴產(chǎn)生系統(tǒng)包括一個(gè)第一噴嘴配置，該第一噴嘴配置被構(gòu)造成以一個(gè)可控的進(jìn)料比在壓力下接收一種液體和一種氣體，并且合并該液體與氣體，以便形成一個(gè)中間流，該中間流是該氣體與該液體的分散相的一種混合物；和一個(gè)第二噴嘴配置，該第二噴嘴配置被連接以從該第一噴嘴配置接收該中間流并且具有一個(gè)閥機(jī)構(gòu)以便排出所述液體的多個(gè)液滴的一個(gè)流，該閥機(jī)構(gòu)具有一個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)；其中這些液滴的平均大小取決于該液體和氣體的所述可控的進(jìn)料比，并且該液滴流的流速取決于該閥機(jī)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)。將了解的是，該第一噴嘴配置預(yù)先處理這些流體使該中間流形成為一個(gè)分散相，該分散相促進(jìn)了在該第二噴嘴配置處產(chǎn)生該液滴流。優(yōu)選地，該閥機(jī)構(gòu)的可控的操作參數(shù)是它的占空比，具體來(lái)說(shuō)最優(yōu)選地是它的打開(kāi)頻率和它被打開(kāi)的周期。優(yōu)選地，該第一噴嘴配置的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)節(jié)流部，在該節(jié)流部處，或在該節(jié)流部的下游，氣體是作為在外圍圍繞液體的一個(gè)簾幕來(lái)輸送。有利的是，這個(gè)結(jié)構(gòu)被提供在一個(gè)外殼的一個(gè)進(jìn)入端處，該外殼的用于在該節(jié)流部處形成的液體的分散相的出口是該第二噴嘴配置，該第二噴嘴配置被布置在該外殼的另一端處或附近。優(yōu)選地，這兩個(gè)噴嘴配置相對(duì)于該外殼被同軸地安排。該第二噴嘴配置可以包括一個(gè)出口孔和具有一個(gè)互補(bǔ)閥的一個(gè)相鄰的閥座，該互補(bǔ)閥在操作中相對(duì)于該孔和該閥座同軸地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該閥機(jī)構(gòu)方便地是螺線管致動(dòng)的。在一個(gè)第二方面中，本發(fā)明提供了 一種產(chǎn)生液體的多個(gè)液滴的一個(gè)流的方法，該方法包括在一個(gè)第一噴嘴配置處將以一個(gè)可控的全比例在壓力下接收到的一種液體和氣體進(jìn)行合并，以便形成一個(gè)中間流，該中間流是該氣體與該液體的分散相的一種混合物，并且使該中間流穿過(guò)具有一個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)的一個(gè)閥機(jī)構(gòu)，以便排出所述液體的多個(gè)液滴的一個(gè)流其中這些液滴的平均大小取決于該液體和氣體的所述可控的進(jìn)料比，并且該液滴流的流速取決于該閥機(jī)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)。優(yōu)選地，所述可控的進(jìn)料比是選自流速、體積流量以及密度的。典型地，對(duì)于該液體和該氣體中的每一個(gè)來(lái)說(shuō)，所述壓力為至少1. 5巴。在一個(gè)第三方面中，本發(fā)明是針對(duì)用于提供納米顆粒的裝置，該裝置包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的液滴產(chǎn)生系統(tǒng)與一種熱化學(xué)反應(yīng)器的組合，其中該第二噴嘴配置是相對(duì)于該反應(yīng)器安裝的，由此由該第二噴嘴配置排出的液滴流被引導(dǎo)到該反應(yīng)器的一個(gè)反應(yīng)室中以用于使這些液滴的多種組分進(jìn)行熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，由此產(chǎn)生具有一種組成的納米顆粒，該組成是由輸送到該液滴產(chǎn)生系統(tǒng)的第一噴嘴配置的液體和氣體確定。該熱化學(xué)反應(yīng)器可以方便地是一種火焰噴霧熱解裝置，在這種情況下，由該第二噴嘴配置排出的液滴流在該裝置的操作過(guò)程中被引導(dǎo)到該火焰噴霧熱解的火焰區(qū)域中。在本發(fā)明的第三方面中，提供了一種提供納米顆粒的方法，在該方法中，根據(jù)本發(fā)明的第二方面所產(chǎn)生的多個(gè)液滴的一個(gè)流被引導(dǎo)到一個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)器的一個(gè)反應(yīng)室中以用于使這些液滴的多種組分進(jìn)行熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，由此產(chǎn)生具有一種組成的納米顆粒，該組成是由在所述合并步驟中接收到的液體和氣體確定的。該熱化學(xué)反應(yīng)可以是火焰噴霧熱解,其中該液滴流被引導(dǎo)到該火焰噴霧熱解的火焰區(qū)域中。在本發(fā)明的第三方面中，這些納米顆粒的顆粒大小的范圍可以為5nm至20nm。在該合并步驟中接收到的液體和氣體可以是在水或水-溶劑混合物中的一種金屬鹽以及氣體，由此這些納米顆粒是相應(yīng)的金屬氧化物納米顆粒。該金屬鹽可以(例如)是例如選自硝酸鋰、硝酸鋁、硝酸鋅、硝酸鐵、硝酸鈷、硝酸鎂、硝酸鎳、硝酸銀或硝酸錳的一種金屬硝酸鹽。在本發(fā)明的第二方面和第三方面的這些方法中，該氣體可以是空氣、氧氣、諸如氮?dú)狻鍤饣蚝獾亩栊詺怏w以及氣體燃料中的一種或多種。合適的氣體燃料包括一氧化碳、甲烷和氫氣。氣體燃料可能是優(yōu)選的，(例如)以便使一個(gè)下游熱化學(xué)反應(yīng)器中的火焰增加。在本發(fā)明的第二方面和第三方面的這些方法中，該液體可以(例如)是水、水溶液或水/溶劑混合物，其中該溶劑是可與水混溶的。如在此所使用的，除非在上下文另外要求的地方，術(shù)語(yǔ)“包括”(comprise)和該術(shù)語(yǔ)的變化，例如“包括”(〃comprising〃)、“包括”(comprises)和“包括”("comprised")并不旨在排除其他添加劑、組分、整體或步驟。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明現(xiàn)將參考附圖僅通過(guò)舉例來(lái)進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一種液滴產(chǎn)生系統(tǒng)的一個(gè)不意性表不,該液滴產(chǎn)生系統(tǒng)用于將一種前體材料的水性溶液的多個(gè)微尺寸液滴的一個(gè)流輸送到一個(gè)熱化學(xué)處理反應(yīng)器中；圖2是穿過(guò)多個(gè)噴嘴配置的一個(gè)組件的實(shí)施例的軸向截面圖，這些噴嘴配置形成該液滴產(chǎn)生系統(tǒng)的一個(gè)更具體的實(shí)施例；并且圖3至圖7對(duì)應(yīng)地是實(shí)例I至5的結(jié)果的圖形表示。本發(fā)明的實(shí)施方式圖1是本發(fā)明的概念的示意圖。液滴產(chǎn)生系統(tǒng)10包括一個(gè)第一噴嘴配置20以及一個(gè)第二噴嘴配置30。噴嘴配置20具有用于諸如無(wú)機(jī)溶液或有機(jī)溶液的一種液體15和氣體16的對(duì)應(yīng)的進(jìn)口通道22、23，并且將該液體和氣體在一個(gè)下游通道24中進(jìn)行合并，以便形成一個(gè)中間流，該中間流是該氣體與該液體的分散相的一種混合物。這個(gè)中間流被輸送到第二噴嘴配置30，該第二噴嘴配置具有一個(gè)周期性可操作的閥機(jī)構(gòu)32以便排出在22處輸入的液體的多個(gè)液滴的一個(gè)流100,該閥機(jī)構(gòu)具有一個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)。液體進(jìn)口通道22和氣體進(jìn)口通道23包括對(duì)應(yīng)的流量控制器26、27，流體的進(jìn)料比是通過(guò)這些流量控制器可控的(例如，通過(guò)流速、體積流量、密度或其他方面)。在工作中，這些流體均是在壓力下被輸送的，優(yōu)選地在最小1. 5巴下該液體可以典型地在5巴下并且該氣體在2巴至4巴下。對(duì)應(yīng)的壓力計(jì)28、29是被提供用于監(jiān)控和控制目的。閥機(jī)構(gòu)32可以典型地由一個(gè)螺線管33致動(dòng)，該螺線管是由一個(gè)電子控制單元34供能的。這個(gè)單元產(chǎn)生從0. 5Hz到3，OOOHz的范圍的多個(gè)周期以及從0. 2毫秒至500毫秒的脈沖長(zhǎng)度。用于該閥的一個(gè)方便的占空比使用了 IOOHz至200Hz的頻率以及0. 5ms至5ms (例如,大約2ms)的脈沖長(zhǎng)度，以便產(chǎn)生微尺寸的平均直徑(舉例而言在5 y m至IOOiim的范圍內(nèi))的多個(gè)液滴。將這兩個(gè)閥配置20、30并入到一個(gè)外殼中的一個(gè)有利的構(gòu)造在圖2中進(jìn)行了描繪，并且包括一個(gè)常規(guī)的螺線管閥噴嘴的改變。該安排包括具有噴嘴配置20、30的一個(gè)整體的圓柱形外殼60，這些噴嘴配置對(duì)應(yīng)地界定包括節(jié)流部或孔50的組件的一個(gè)進(jìn)口以及在前端處的一個(gè)出口孔50，液滴流20從該出口孔50中被排出。節(jié)流部40和孔50是同軸的?？?0在其內(nèi)面上具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的分流閥座，該分流閥座與一個(gè)互補(bǔ)閥52相互作用。閥52是通過(guò)螺線管驅(qū)動(dòng)器33軸向地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，該螺線管驅(qū)動(dòng)器被布置在外殼60的內(nèi)部室內(nèi)，同時(shí)該螺線管驅(qū)動(dòng)器的線圈也被同軸地安排。噴嘴配置20的孔40在液體輸送通道22的一個(gè)軸向中央出口 42的直接下游，氣體輸送通道23的一個(gè)環(huán)形出口 44圍繞該液體輸送通道22，由此該氣體是作為在外圍圍繞該液體流的一個(gè)簾幕來(lái)輸送。這種安排確保了液體與氣體的一種湍流混合以及穿過(guò)孔40在下游形成中間流，該中間流是該氣體與該液體的分散相的一種混合物。取決于這些條件和這些設(shè)置，該分散相可以是一種乳液或多個(gè)液滴的一個(gè)流或這兩者的一種混合物。這個(gè)分散相通過(guò)閥機(jī)構(gòu)32的作用在下游被進(jìn)一步分成液滴流100。一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是，通過(guò)所圖示的安排，在孔50處排出的這些液滴的平均直徑是進(jìn)入孔40中的該液體和氣體的流速比的函數(shù)，并且這個(gè)液滴直徑/大小展現(xiàn)出一個(gè)相對(duì)窄的分布范圍。在孔50處排出的這些液滴的平均直徑也是該氣體的壓力、該液體的流速以及頻率的函數(shù)。初始試驗(yàn)已證明，平均液滴大小可以在大約3微米至5微米直到60微米至80微米之間變化，并且流速可能在每小時(shí)0.1升與1. 5升之間或更高的一個(gè)范圍內(nèi)相應(yīng)地受到閥機(jī)構(gòu)32的控制，而不會(huì)顯著地影響液滴的尺寸。在大約6 u m的一個(gè)平均值下，液滴直徑分布的半尺寸帶寬為僅僅大約3 ii m。一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致產(chǎn)生多個(gè)較小液滴的多個(gè)參數(shù)也減少了平均通過(guò)量，反之亦然。例如，增加氣相的壓力減小了平均液滴大?。辉黾右合嗟牧魉賹?dǎo)致平均液滴大小的增加；增加頻率減小了平均液滴大?。辉黾用}沖寬度使得液滴大小分布的范圍變寬?？傊?，這些結(jié)果表明，氣相的平均速度的增加導(dǎo)致較小液滴的產(chǎn)生。這意味著較低的液滴大小是在較高的頻率、較短的脈沖、較高的氣壓以及較低的液體流速下產(chǎn)生的。所圖示的安排的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)于包括多種水性溶液的廣泛范圍的液體的成功。諸位發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，幾乎任何常規(guī)的螺線管閥噴嘴安排都可以被優(yōu)化來(lái)以廣泛范圍的流速產(chǎn)生精細(xì)的(微尺寸的)液滴，其中這些液體是有機(jī)的(苯、甲醇以及乙醇)，但所述螺線管閥噴嘴安排對(duì)于水類溶液并不是如此有效的其中，當(dāng)流速可能廣泛地變化時(shí)，產(chǎn)生充分小的微尺寸的精細(xì)的液滴是相當(dāng)困難的。很明顯，初始的雙流體噴嘴配置提供了對(duì)流體混合物的一個(gè)必要的預(yù)調(diào)節(jié)，以用于呈現(xiàn)給裝有閥的噴嘴。由于以廣泛范圍的流速以及平均液滴尺寸產(chǎn)生一種水性溶液的霧化流的能力，本發(fā)明的系統(tǒng)適用于諸如共同待決的國(guó)際專利公開(kāi)W02010/118480中所描述的應(yīng)用的多種火焰噴霧熱解應(yīng)用中。在這種情況下，圖1和圖2的噴嘴配置是適用于將含有一種活性成分的霧化分散體輸送到熱化學(xué)反應(yīng)器80的火焰中的一種裝置，如圖1中所描繪。在一個(gè)實(shí)施例中，該活性成分是一種納米相前體材料。這種材料在火焰中起反應(yīng)，使液體載體蒸發(fā)并且使反應(yīng)產(chǎn)物的納米顆粒沉積在一個(gè)基底上，該基底方便地是諸如氧化鋁的一種合適的材料的微米尺寸顆粒的流化團(tuán)。一個(gè)合適的冷卻頭(未示出)可以典型地被提供來(lái)保護(hù)液滴產(chǎn)生系統(tǒng)10免受該反應(yīng)器的熱量。通過(guò)提供在一個(gè)適當(dāng)?shù)拇笮》秶鷥?nèi)(例如，3微米至6微米)的液滴，由這些液滴攜帶的前體材料在熱化學(xué)反應(yīng)室中起反應(yīng)，以便產(chǎn)生用于涂布一個(gè)相鄰基底的納米尺寸的顆粒。
在該組合的一個(gè)應(yīng)用中，液體進(jìn)料是在水或水-溶劑混合物中的一種金屬鹽溶液，并且氣體可以是諸如氮、氬或氦的一種惰性氣體，或例如，在要求使火焰增加的情況下，氣體是諸如一氧化碳、甲烷或氫氣的一種氣體燃料。例如，含有在范圍為1200° C至2500° C的溫度下被噴霧到氣體燃燒器20的火焰熱解區(qū)域中的氯化鋅(或硝酸鋅)溶液的精細(xì)液滴(3 ii m至6 ii m)分散體的一種氣溶膠，產(chǎn)生尺寸在納米范圍內(nèi)(例如，范圍為IOnm至20nm)的氧化鋅顆粒。其他合適的金屬鹽包括鋰、鋁、鐵、鈷、鎂、鎳、銀或錳的鹽(例如，硝酸鹽)。一般來(lái)說(shuō)，已證明，所圖示的液滴產(chǎn)生系統(tǒng)可以 產(chǎn)生納米顆粒； 用于使這些納米顆粒的性能適用于多種特定的應(yīng)用； 以廣泛范圍的參數(shù)工作； 以與其他現(xiàn)有的液滴產(chǎn)生器相比以一個(gè)更大的流速(以及因此以一個(gè)更大的生產(chǎn)率)工作。實(shí)例系列I圖2的組件被用來(lái)進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，以便確定過(guò)程參數(shù)對(duì)液滴大小的產(chǎn)生的影響。每次運(yùn)行進(jìn)行5分鐘并且通過(guò)一個(gè)Malvern Spraytec2000儀器提供對(duì)平均液滴大小(以及分布)的快照。實(shí)例1:
氣相流速3升/分鐘
壓力在連續(xù)的運(yùn)行中像次地變成3巴、4巴、5 6巴、7 &
以及7.5巴
液相流速10毫升/分鐘
壓力10巴
值頻率〗50Hz
脈沖寬度 2 ms在圖3中用圖形示出這些結(jié)果。結(jié)論是，增加氣相的壓力導(dǎo)致平均液滴大小的穩(wěn)定、準(zhǔn)線性的減少。實(shí)例2氣相波速3升/分鐘
壓力7巴
液相流速在連續(xù)的運(yùn)行中依次地變成5毫升/分鐘、IO毫升/分鐘、15
毫升/分鐘、20毫升/分鐘、25毫升/分鐘、30毫升/分鐘u
壓力W巴
値頻率150 Hz
脈沖寬度 2 ms在圖4中用圖形示出這些結(jié)果。結(jié)論是，增加液相的流速導(dǎo)致平均液滴大小的穩(wěn)定、準(zhǔn)線性的增加。實(shí)例3
氣相流速3升/分鐘壓力7巴
液相流速10毫升/分鐘 壓力10巴
值頻率在連續(xù)的運(yùn)行中依次地變成50 Hz, 75 Hz, 100 Hz, 125 Hz.
150 Hz、175 Hz、200 Hz0
脈沖寬度 2 ms在圖5中用圖形示出這些結(jié)果。結(jié)論是，增加頻率導(dǎo)致平均液滴大小的穩(wěn)定減小、與在較高頻率范圍(IOOHz至200Hz)下相比在較低頻率范圍(50Hz至IOOHz)下有更大的影響。實(shí)例4氣相流速3升/分鐘
壓力7巴
液相流速10毫升/分鐘
壓力10巴
值頻率IOOHz
脈沖寬度在連續(xù)的運(yùn)行中依次地變成1.5 ms、2.0 ms, 2.5 ms, 3.0 ms、
4.0 ms、5.0 ms,；-在圖6中用圖形示出這些結(jié)果。結(jié)論是，增加脈沖寬度并不導(dǎo)致影響在所研究范圍內(nèi)(1. 5ms至5ms)的平均液滴大小。然而，這些快照證明，貝爾曲線在較高的脈沖寬度下略微變寬(在5ms(50%的占空比)下，液滴大小的范圍為從I微米至100微米)。實(shí)例5現(xiàn)設(shè)置一個(gè)比較實(shí)例來(lái)將基于實(shí)例I至4的結(jié)果的過(guò)程參數(shù)的一個(gè)優(yōu)化的組合與原始隨機(jī)的“常規(guī)”參比條件進(jìn)行比較。

常規(guī)或參比優(yōu)化的條件
條件
氣相流速 3升/分鐘3升/分鐘
壓力3巴7巴
液相流速10毫升/分鐘 10毫升/分鐘
壓力10巴10巴
值頻率150 Hz175 Hz
脈沖寬度 2 ms1.5 ms在圖7中用圖形示出這些結(jié)果。結(jié)論是，優(yōu)化的運(yùn)行條件允許乙醇、水以及它們的混合物的精細(xì)液滴產(chǎn)生為具有8微米至12微米的幾乎相同的平均大小。液滴大小在為一對(duì)特定的氣相-液相(例如，空氣-水、氬氣-乙醇等)而優(yōu)化的條件下的進(jìn)一步精細(xì)化是可能的。系列2圖2的組件被用來(lái)將多個(gè)液滴的一個(gè)流輸送到國(guó)際專利公開(kāi)W02010/118480中所披露的類別的一個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)器中。目的是驗(yàn)證當(dāng)將液滴產(chǎn)生器與一個(gè)燃燒器組合使用時(shí)(“熱運(yùn)行”)，合成納米級(jí)顆粒的可能性。這些結(jié)果由相轉(zhuǎn)變(通過(guò)XRD測(cè)定)、表面積(通過(guò)BET測(cè)定)以及平均顆粒大小(通過(guò)TEM測(cè)定)來(lái)表征。所采用的初始方法是由硝酸鋅的0.1摩爾濃度的水溶液產(chǎn)生ZnO納米顆粒并且使用該初始方法作為針對(duì)一個(gè)常規(guī)設(shè)置(即，具有0. OSmlpm的流速并且氬氣作為載氣的一個(gè)霧化器)的基線。第一結(jié)果證明，從現(xiàn)有的燃燒器中輸送的熱能的量是非常有限的，并且并不高到足以形成在較高速率所需的熱化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致了漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)。由于時(shí)間是主要的要素并且將實(shí)驗(yàn)保持較短是極其重要的，因此采取一種新的方法，即，使用乙醇代替水來(lái)制造也用作一種燃料的前體。實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是組織成以下組1.水溶液五個(gè)摩爾濃度:1. 0,0. 5,0. 1,0. 05,0. 01。2.乙醇溶液一五個(gè)摩爾濃度:1. 0,0. 5,0. 1,0. 05,0. 01。(預(yù)計(jì)I摩爾濃度將實(shí)現(xiàn)最高的生產(chǎn)率，而另一極端的0.01摩爾濃度將導(dǎo)致最小的顆粒大小)3.水溶液一四個(gè)不同的流速一5. 0mlpm> 10. 0mlpm、15. 0mlpm、20. Omlpm一以便調(diào)
查這個(gè)參數(shù)對(duì)顆粒大小以及生產(chǎn)率的影響。4.乙醇溶液一四個(gè)不同的流速一5. 0mlpm、10. 0mlpm、15. 0mlpm、20. Omlpm一以便調(diào)查這個(gè)參數(shù)對(duì)顆粒大小以及生產(chǎn)率的影響。5.1摩爾濃度一三種不同的溶液(乙醇、乙醇和水、水)。總共產(chǎn)生20個(gè)熱運(yùn)行。每次運(yùn)行的平均時(shí)間在10分鐘與30分鐘之間，這取決于具體的條件。很好地預(yù)計(jì)到，當(dāng)使條件改變以將不同的邊界條件作為目標(biāo)時(shí)，將會(huì)存在具有高生產(chǎn)率和低生產(chǎn)率、較小和較大顆粒大小、較好或較差均勻性等的多個(gè)樣品。由于BET要求相對(duì)大量的粉末以用于運(yùn)行這些分析，因此具有最高生產(chǎn)率的5個(gè)樣品被選擇來(lái)進(jìn)行初始分析。這些樣品的運(yùn)行條件如下所示#51-10mlpm 的流速；0.1 摩爾的乙醇 + 水(50/50vol%)，#43-10mlpm的流速；0.1摩爾的乙醇，

#44-15mlpm的流速；() I摩爾的乙醇，#49-10mlpm的流速；0. 5摩爾的乙醇，
#50-10mlpm的流速；1. 0摩爾的乙醇。這些XRD結(jié)果清楚地證明，所有的樣品都已經(jīng)歷了完全的轉(zhuǎn)變并且完全轉(zhuǎn)化為ZnO?？梢栽诖嘶诜逯祻?qiáng)度及其FWHM (半峰全寬)進(jìn)行其他推測(cè)。不難看出，樣品#50產(chǎn)生了最高的峰值強(qiáng)度并且具有最窄的峰，這意味著應(yīng)當(dāng)預(yù)計(jì)到，這個(gè)樣品在所有樣品中將具有最大的顆粒。該樣品在所有樣品中還具有最高的生產(chǎn)率-在10分鐘的運(yùn)行后，差不多收集到0. 5克的粉末，這使得生產(chǎn)率是霧化器的生產(chǎn)率的約100倍。在另一個(gè)極端，樣品#43證實(shí)了最低的峰值強(qiáng)度以及最寬的FWHM，這表明較低的摩爾濃度和中等的流速導(dǎo)致產(chǎn)生更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)。最令人鼓舞的結(jié)果可能是樣品#51—用50/50(乙醇+水)的溶液生產(chǎn)。該樣品實(shí)現(xiàn)了高生產(chǎn)率(用純乙醇的樣品運(yùn)行中為大約80%)并且僅使用所要求的乙醇的一半作為燃料。峰值強(qiáng)度和FWFM也表明，這個(gè)樣品的顆粒大小比樣品#50的顆粒大小更加精細(xì)。這些TEM結(jié)果證明了以下事實(shí)在所有情況下，平均顆粒大小仍然相對(duì)較小，在IOnm至30nm的范圍內(nèi)。在大多數(shù)情況下，平均顆粒大小是在IOnm至15nm的范圍內(nèi)。這些納米顆粒主導(dǎo)地存在的一個(gè)優(yōu)選范圍是5nm至20nm。形狀和大小最均勻的是樣品#43和#51，這是確認(rèn)在特定條件下，可以由低摩爾濃度和高摩爾濃度(大10倍)的前體產(chǎn)生細(xì)粒的粉末的一個(gè)非常有希望的結(jié)果。大小和形態(tài)存在不同，這確認(rèn)了不同的運(yùn)行條件會(huì)影響最終產(chǎn)物，這意味著可以使用該裝置產(chǎn)生具有定制特性的材料。應(yīng)指出的是，樣品#44、#49以及#50導(dǎo)致鏈形成或針狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，而樣品#43和#51并沒(méi)有證明這一點(diǎn)。這個(gè)現(xiàn)象最有可能是由于較高的摩爾濃度與使用乙醇作為溶劑而引起的。一般來(lái)說(shuō)，這些TEM結(jié)果徹底確認(rèn)了僅基于XRD結(jié)果的推測(cè)。基于所提供的信息，通過(guò)一摩爾濃度的硝酸鋅的乙醇溶液的IOmlpm的流速，與現(xiàn)有的霧化器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置和使用相比，這個(gè)組件輸送約100倍的通過(guò)量。然而，這種當(dāng)前設(shè)計(jì)的理論通過(guò)量是大于50升/小時(shí)的。這大于目前用于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)的600毫升/小時(shí)(IOmlpm)。這表明，如果提供了優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件，那么生產(chǎn)率可能顯著增加?？赡茴A(yù)計(jì)到，對(duì)于將滿足這個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)類型的大多數(shù)化合物(即，金屬氮化物+熱=金屬氧化物)來(lái)說(shuō)，乙醇可以純粹的形式或用水以特定比稀釋而用于前體。這些實(shí)例證明，該組件是高度靈活的，具有用于廣闊范圍的多種應(yīng)用的潛力。
權(quán)利要求
1.一種液滴產(chǎn)生系統(tǒng),包括 ー個(gè)第一噴嘴配置，該第一噴嘴配置被構(gòu)造成以ー個(gè)可控的進(jìn)料比在壓カ下接收ー種液體和ー種氣體，并且合并該液體與氣體，以便形成一個(gè)中間流，該中間流是該氣體與該液體的分散相的ー種混合物；以及 ー個(gè)第二噴嘴配置，該第二噴嘴配置被連接以從該第一噴嘴配置接收該中間流并且具有一個(gè)閥機(jī)構(gòu)以便排出所述液體的多個(gè)液滴的ー個(gè)流，該閥機(jī)構(gòu)具有一個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)； 其中這些液滴的平均大小取決于該液體和氣體的所述可控的進(jìn)料比并且該液滴流的流速取決于該閥機(jī)構(gòu)的該ー個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該閥機(jī)構(gòu)的該可控的操作參數(shù)是它的占空比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中該閥機(jī)構(gòu)的該可控的操作參數(shù)是它的打開(kāi)頻率和它被打開(kāi)的周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的系統(tǒng)，其中該第一噴嘴配置包括一個(gè)節(jié)流部，在該節(jié)流部處，或在該節(jié)流部的上游，該氣體是作為在外圍圍繞該液體的ー個(gè)簾幕來(lái)輸送。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述節(jié)流部被提供在一個(gè)外殼的一個(gè)進(jìn)入端處，該外殼的用于在該節(jié)流部處形成的該液體的分散相的出口是該第二噴嘴配置，該第二噴嘴配置被布置在該外殼的另一端處或附近。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中這些第一和第二噴嘴配置相對(duì)于該外殼被同軸地安排。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中該第二噴嘴配置包括ー個(gè)出ロ孔和具有ー個(gè)互補(bǔ)閥的ー個(gè)相鄰的閥座，該互補(bǔ)閥在操作中相對(duì)于該孔和該閥座同軸地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述可控的進(jìn)料比是選自流速、體積流量以及密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中對(duì)于該液體和該氣體中的每ー個(gè)來(lái)說(shuō)，所述壓カ為至少1.5巴。
10.用于提供納米顆粒的裝置，該裝置包括根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的液滴產(chǎn)生系統(tǒng)與ー個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)器的組合，其中該第二噴嘴配置是相對(duì)于該反應(yīng)器安裝的，由此由該第二噴嘴配置排出的該液滴流被引導(dǎo)到該反應(yīng)器的一個(gè)反應(yīng)室中以用于使這些液滴的多種組分進(jìn)行熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，由此產(chǎn)生具有一種組成的納米顆粒，該組成是由輸送到該液滴產(chǎn)生系統(tǒng)的該第一噴嘴配置的該液體和氣體確定。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中該熱化學(xué)反應(yīng)器是一種火焰噴霧熱解裝置，并且由該第二噴嘴配置排出的該液滴流在該裝置的操作過(guò)程中被引導(dǎo)到該火焰噴霧熱解的火焰區(qū)域中。
12.—種產(chǎn)生液體的多個(gè)液滴的一個(gè)流的方法，該方法包括 將以ー個(gè)可控的全比例在壓カ下接收到的ー種液體和氣體在ー個(gè)第一噴嘴配置處進(jìn)行合井，以便形成一個(gè)中間流，該中間流是該氣體與該液體的分散相的ー種混合物；并且 使該中間流穿過(guò)具有一個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)的ー個(gè)閥機(jī)構(gòu)，以便排出所述液體的多個(gè)液滴的ー個(gè)流，其中這些液滴的平均大小取決于該液體和氣體的所述可控的進(jìn)料比并且該液滴流的流速取決于該閥機(jī)構(gòu)的該ー個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中該閥機(jī)構(gòu)的該可控的操作參數(shù)是它的占空比。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中該閥機(jī)構(gòu)的該可控的操作參數(shù)是它的打開(kāi)頻率和它被打開(kāi)的周期。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的方法，其中所述可控的進(jìn)料比是選自流速、體積流量以及密度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)于該液體和該氣體中的每ー個(gè)來(lái)說(shuō)，所述壓カ為至少1. 5巴。
17.ー種提供納米顆粒的方法，在該方法中，根據(jù)權(quán)利要求12至16中任一項(xiàng)產(chǎn)生的多個(gè)液滴的一個(gè)流被引導(dǎo)到ー個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)器的一個(gè)反應(yīng)室中以用于使這些液滴的多種組分進(jìn)行熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，由此產(chǎn)生具有一種組成的納米顆粒，該組成是由在所述合并步驟中接收到的該液體和氣體確定。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，包括流噴霧熱解，其中該液滴流被引導(dǎo)到該火焰噴霧熱解的火焰區(qū)域。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其中在所述合并步驟中接收到的該液體和氣體對(duì)應(yīng)地是ー種金屬鹽在水或水-溶劑混合物中的ー種溶液和氣體，由此這些納米顆粒是相應(yīng)的金屬氧化物納米顆粒。
20.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其中在所述合并步驟中接收到的該液體和氣體對(duì)應(yīng)地是(i)選自硝酸鋰、硝酸鋁、硝酸鋅、硝酸鐵、硝酸鈷、硝酸鎂、硝酸鎳、硝酸銀或硝酸錳的ー種金屬硝酸鹽在水或水-溶劑混合物中的ー種溶液；和Qi)氣體，由此這些納米顆粒是相應(yīng)的金屬氧化物納米顆粒。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的方法，其中該氣體是ー種惰性氣體。
22.根據(jù)權(quán)利要求17至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中這些納米顆粒的顆粒大小的范圍為 5nm 至 20nm。
全文摘要
一種液滴產(chǎn)生系統(tǒng)包括一個(gè)第一噴嘴配置(20)，該第一噴嘴配置被構(gòu)造成以一個(gè)可控的進(jìn)料比在壓力下接收一種液體和一種氣體，并且合并該液體與氣體，以便形成一個(gè)中間流，該中間流是該氣體與該液體分散相的一種混合物。一個(gè)第二噴嘴配置(30)被連接以從該第一噴嘴配置接收該中間流并且具有一個(gè)閥機(jī)構(gòu)(32)以便排出該液體的多個(gè)液滴的一個(gè)流，該閥機(jī)構(gòu)具有一個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)。這些液滴的平均大小取決于該液體和氣體的該可控的進(jìn)料比并且該液滴流的流速取決于該閥機(jī)構(gòu)的該一個(gè)或多個(gè)可控的操作參數(shù)。在此披露了一種相應(yīng)的方法，還披露了該系統(tǒng)和方法在一個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)器中產(chǎn)生納米顆粒的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B05B7/20GK103037976SQ201180037430
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者若尼安·尼科洛夫, 科克·盛·利姆, 蔣韓權(quán), 張熙東 申請(qǐng)人:聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織, 韓國(guó)地質(zhì)資源研究院