双静电喷雾装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种双静电喷雾装置，特别是用于金属有机框架材料合成的双静电喷雾装置，包括第一静电喷雾装置和第二静电喷雾装置，其中，所述第一静电喷雾装置用于将合成MOF材料的金属盐溶液喷射出带电的金属盐溶液雾滴，其包括第一液体输送装置和第一静电雾化装置；所述第二静电喷雾装置用于将合成MOF材料的配体溶液喷射出带电的配体溶液雾滴，其包括第二液体输送装置和第二静电雾化装置；所述第一静电喷雾装置和所述第二静电喷雾装置设置成相交，使得喷射出的带电的金属盐溶液雾滴和喷射出的带电的配体溶液雾滴能够汇合。采用该双静电喷雾装置合成MOF材料，具有绿色环保、高效率、低成本、高产率、微型化、分散性好、操作简单等优点。
【专利说明】
双静电喷雾装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种双静电喷雾装置，具体地，涉及一种用于金属有机框架材料合成的双静电喷雾装置。
【背景技术】
[0002]近年来，金属有机框架(metal-organic framework，简称M0F)材料一直是人们关注的焦点，它具有高孔隙率、大比表面积、孔径可调、可功能化后修饰等性能，同时孔道中可以负载多种官能团，使得MOF材料比其他多孔材料具有更广泛的应用前景，主要表现在以下几个方面:拓扑结构和穿插网格，不断丰富着拓扑知识，同时也使本就复杂的结构变得更加富有魅力;②独特的光、电、磁性质;③潜在的应用价值:吸附、催化、气体储存、光学传感、消除有毒气体、分离、CO2捕捉、荧光等。
[0003]对于MOF材料，目前常用的合成方法主要包括挥发法、扩散法、水热法、溶剂热法、微波辅助和研磨辅助等，在科学研究领域它们或许发挥着巨大的作用，然而它的生产周期及生产设备却制约着工业生产的发展。同时，这些方法又造成资源的浪费、温室效应的加重等等。而今，在保护环境的基础上降低生产周期、使用简单高效的生产设备，高效、高产生成产品才更满足工业生产的要求。
【实用新型内容】
[0004]鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种用于金属有机框架材料合成的双静电喷雾装置，采用该双静电喷雾装置合成MOF材料，具有绿色环保、高效率、低成本、高产率、微型化、分散性好、操作简单等优点。
[0005]本实用新型提供的用于金属有机框架材料合成的双静电喷雾装置，包括第一静电喷雾装置和第二静电喷雾装置，其中:
[0006]所述第一静电喷雾装置用于将合成MOF材料的金属盐溶液喷射出带电的金属盐溶液雾滴，其包括第一液体输送装置和第一静电雾化装置；
[0007]所述第二静电喷雾装置用于将合成MOF材料的配体溶液喷射出带电的配体溶液雾滴，其包括第二液体输送装置和第二静电雾化装置；
[0008]所述第一静电喷雾装置和所述第二静电喷雾装置设置成相交，使得喷射出的带电的金属盐溶液雾滴和喷射出的带电的配体溶液雾滴能够汇合。
[0009]有益效果
[0010]采用本实用新型的双静电喷雾装置来合成MOF材料，第一静电喷雾装置和第二静电喷雾装置均包括三通道，三通道最里层为液体输送管，输送金属盐溶液或者配体溶液，中层为气体输送管，输送高压气体，最外层为导电装置，送液与气体、送液与导电均通过一个三通连接件形成密封体系，形成一个良好的密闭整体，然后可以用具有弹性的绝缘材料PEEK管包围；通电后，金属盐溶液和配体溶液被电离成带电液体，在高压气体的输送下溅射而出，正负离子结合形成MOF材料，有序地散落于载物台上。
[0011]采用双静电喷雾装置来合成MOF材料，正负离子目标明确，“定向”结合，迅速得到结晶产物，且产物纯度较高，能够方便迅速地控制产物的生产过程，同时提高了资源的有效利用，减少了溶剂的浪费，缓解了对环境的污染。
[0012]与此同时，双静电喷雾装置省略了传统静电喷雾装置中雾化装置所附带的一系列装置，仅通过气体输送管输送高压气体实现运送带电离子的目的，简单方便，切实可行。
[0013]另外，采用双静电喷雾装置来合成MOF材料，可以根据合成的情况随时停止合成反应，既可进行大批量合成，也可以微量合成，具有绿色环保、高效率、低成本、高产率、微型化、分散性好、操作简单等优点。
【附图说明】
[0014]由下面结合附图的详细描述可以更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，其中:
[0015]图1是本实用新型的双静电喷雾装置的结构示意图；
[0016]图2是本实用新型的双静电喷雾装置的构成框图；
[0017]图3是采用双静电喷雾装置制备的M0F-5的X射线粉末衍射图谱;和
[0018]图4是采用双静电喷雾装置制备的Cu-BDC的X射线粉末衍射图谱。
【具体实施方式】
[0019]下面，更具体地说明所述双静电喷雾装置。
[0020]所述双静电喷雾装置，包括第一静电喷雾装置和第二静电喷雾装置，其中:
[0021]所述第一静电喷雾装置用于将合成MOF材料的金属盐溶液喷射出带电的金属盐溶液雾滴，其包括第一液体输送装置和第一静电雾化装置；
[0022 ]所述第二静电喷雾装置用于将合成MOF材料的配体溶液喷射出带电的配体溶液雾滴，其包括第二液体输送装置和第二静电雾化装置；
[0023]所述第一静电喷雾装置和所述第二静电喷雾装置设置成相交，使得喷射出的带电的金属盐溶液雾滴和喷射出的带电的配体溶液雾滴能够汇合。
[0024]图1是本实用新型的双静电喷雾装置的结构示意图，图2是本实用新型的双静电喷雾装置的构成框图。如图1和图2所示，双静电喷雾装置1000包括第一静电喷雾装置100和第二静电喷雾装置200。
[0025]其中，第一静电喷雾装置100包括第一液体输送装置110和第一静电雾化装置120。
[0026]所述第一液体输送装置110用于将合成MOF材料的金属盐溶液输送到第一静电雾化装置120，第一液体输送装置110包括第一液体输送管111，该第一液体输送管111穿过第一静电雾化装置120，例如，其可以为毛细管，尤其是石英毛细管。另外，第一液体输送装置110还可以包括液体栗等辅助液体传输的装置。
[0027]第一静电雾化装置120用于将第一液体输送装置110输送过来的金属盐溶液雾化并使其带电，包括第一气体输送管121、第一三通连接件122、第一电极套管123、第二三通连接件124和第一电极125，其中，第一气体输送管121通过第一三通连接件122套在第一液体输送管111外面，且第一三通连接件122的第三个通口设置成进气口 1，用于向第一气体输送管121通入高压气体;第一电极套管123通过第二三通连接件124套在第一气体输送管121夕卜面，且第二三通连接件124的第三个通口用于第一电极125的接电接头，第一电极125设置在第一气体输送管121的外面且在第一电极套管123的里面。优选的是，第一气体输送管121、第一电极套管123与第一液体输送管111同心。
[0028]第二静电喷雾装置200包括第二液体输送装置210和第二静电雾化装置220，它们分别与第一静电喷雾装置100中的第一液体输送装置110和第一静电雾化装置120的结构相同或相似。
[0029]具体地，所述第二液体输送装置210用于将合成MOF材料的配体溶液输送到第二静电雾化装置220，第二液体输送装置210包括第二液体输送管211，该第二液体输送管211穿过第二静电雾化装置220，例如，其可以为毛细管，尤其是石英毛细管。另外，第二液体输送装置210还可以包括液体栗等辅助液体传输的装置。
[0030]第二静电雾化装置220用于将第二液体输送装置210输送过来的配体溶液雾化并使其带电，包括第二气体输送管221、第三三通连接件222、第二电极套管223、第四三通连接件224和第二电极225，其中，第二气体输送管221通过第三三通连接件222套在第二液体输送管211外面，且第三三通连接件222的第三个通口设置成进气口 I，用于向第二气体输送管221通入高压气体;第二电极套管223通过第四三通连接件224套在第二气体输送管221夕卜面，且第四三通连接件224的第三个通口用于第二电极225的接电接头，第二电极225设置在第二气体输送管221的外面且在第二电极套管223的里面。优选的是，第二气体输送管221、第二电极套管223与第二液体输送管211同心。
[0031]所述第一电极125和第二电极225可以为耐高压电丝，通过接电接头与高压正极或负极连接而带电。
[0032]在双静电喷雾装置1000中，输入第一静电喷雾装置100和第二静电喷雾装置200的高压气体可以通过空气发生器提供，优选地，所述高压气体的气流压在0.1MPa?1MPa范围内，更优选地，所述高压气体的气流压在0.15MPa?5MPa范围内。
[0033]优选地，第一液体输送管111、第二液体输送管211、第一气体输送管121和第二气体输送管221为石英毛细管，第一电极套管123和第二电极套管223为PEEK(聚醚醚酮)管，例如，所述第一液体输送管111和第二液体输送管211为内径为约0.25mm的石英毛细管，所述第一气体输送管121和第二气体输送管221为内径为约0.5mm的石英毛细管，所述第一电极套管123和第二电极套管223为内径为约1.0mm的PEEK管。
[0034]优选地，在雾滴喷口端，所述第一电极套管123和第二电极套管223的长度分别长于所述第一气体输送管121和第二气体输送管221，例如可以长出约I?2mm;所述第一气体输送管121和第二气体输送管221的长度分别长于第一液体输送管111和第二液体输送管211，例如可以长出约I?2mm。从而，形成带电雾滴向外喷射的喷嘴，促进带电雾滴的雾化，控制雾滴的喷射范围。
[0035]所述第一静电喷雾装置100和所述第二静电喷雾装置200设置成相交，使得喷射出的带电的金属盐溶液雾滴和喷射出的带电的配体溶液雾滴能够汇合。相交的夹角根据溶液性质及雾化气体的流速确定，优选地，所述夹角在60°?180°范围内，进一步优选地，所述夹角在70°?150°范围内。
[0036]如图2所示，双静电喷雾装置1000还可以包括:
[0037]晶体收集装置300，例如聚四氟乙烯盘，用于收集合成的产物MOF晶体；
[0038]两个容器400，例如试剂瓶、锥形瓶或烧杯等，分别用于承载金属盐溶液和配体溶液；
[0039]液体流量计500，用于测量和控制第一静电喷雾装置100中金属盐溶液的液体输送速度和第二静电喷雾装置200中配体溶液的液体输送速度，优选地，所述液体输送速度在
0.lmL/min?50mL/min范围内，进一步优选地，所述液体输送速度为4.5mL/min;
[0040]气体流量计600，例如，转子流量计，用于测量和控制第一气体输送管121和第二气体输送管221的高压气体和雾化气体的流量，优选地，所述高压气体和雾化气体的流量在
0.lL/min?50L/min的范围内，例如，可以为336mL/min;
[0041 ]加热装置700，例如液体加热棒、液体电加热器等，用于加热金属盐溶液和配体溶液，使得金属盐溶液和配体溶液进入第一静电喷雾装置100和第二静电喷雾装置200的入口温度在100°C?180°C温度范围内，例如可以为180°C。
[0042]作为优选，所述第一静电喷雾装置100和第二静电喷雾装置200可以用塑料例如聚四氟乙烯密封成整体，其中第一静电喷雾装置100和第二静电喷雾装置200均包括三通道，三通道最里层为液体输送管，输送金属盐溶液或者配体溶液，中层为气体输送管，输送高压气体，最外层为导电装置，这三通道通过三通连接件形成密封体系，然后可以用具有弹性的绝缘材料PEEK管包围而密封成整体，有效防止高压触电。
[0043]下面，具体地说明采用所述双静电喷雾装置来合成MOF材料的方法，该方法包括:用于合成MOF材料的金属盐溶液通过第一静电喷雾装置喷射出带电的金属盐溶液雾滴，用于合成MOF材料的配体溶液通过第二静电喷雾装置喷射出带电的配体溶液雾滴，同时使喷射出的金属盐溶液雾滴和喷射出的配体溶液雾滴汇合在一起进行反应，形成MOF晶体。
[0044]所述用于合成MOF材料的金属盐溶液可以为锌盐溶液或者铜盐溶液，所述锌盐溶液可以为硝酸锌、乙酸锌或氯化锌在二甲基甲酰胺(DMF )、二甲基亚砜(DMSO)或者水中的溶液，优选硝酸锌在二甲基甲酰胺(DMF)中的溶液，对其浓度不作限定，可以参考合成MOF材料的水热法、溶剂热法中使用的浓度;所述铜盐溶液可以为硝酸铜或乙酸锌在二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)或者水中的溶液，优选硝酸铜在二甲基甲酰胺(DMF)中的溶液，对其浓度不作限定，可以参考合成MOF材料的水热法、溶剂热法中使用的浓度。
[0045]所述用于合成MOF材料的配体溶液可以为对苯二甲酸的溶液，具体地，可以为对苯二甲酸在二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)或者水中的溶液，优选对苯二甲酸在二甲基甲酰胺(DMF)中的溶液;且所述配体溶液还包含三乙胺;在所述配体溶液中对对苯二甲酸和三乙胺的浓度不作限定，可以参考合成MOF材料的水热法、溶剂热法中使用的浓度。
[0046]在所述用于合成MOF材料的金属盐溶液为锌盐溶液或者铜盐溶液，所述用于合成MOF材料的配体溶液可以为对苯二甲酸的溶液时，用于合成MOF材料的金属盐溶液通过第一静电喷雾装置100喷射出带正电的金属盐溶液雾滴，用于合成MOF材料的配体溶液通过第二静电喷雾装置200喷射出带负电的配体溶液雾滴，同时使喷射出带正电的金属盐溶液雾滴和喷射出带负电的配体溶液雾滴汇合在一起进行反应，形成MOF晶体。
[0047]作为优选，金属盐溶液和配体溶液分别进入第一静电喷雾装置100和第二静电喷雾装置200的入口温度在100°C?180°C温度范围内，例如可以为180°C;
[0048]金属盐溶液和配体溶液的输送速度在0.lmL/min?50mL/min范围内，例如可以为4.5mL/min；
[0049]用于使金属盐溶液和配体溶液雾化的高压气体的流量在0.lL/min?50L/min的范围内，例如可以为336mL/min;所述高压气体的气流压在0.1MPa?1MPa范围内，更优选地，所述高压气体的气流压在0.15MPa?5MPa范围内；
[0050]用于使金属盐溶液和配体溶液带电的正、负极电压例如可以为小于等于10KV。
[0051]在形成MOF晶体之后，将晶体收集起来，用极性相反的溶剂对其进行洗涤、分离、干燥等纯化工序。
[0052]在下面的实施例中具体地说明采用所述双静电喷雾装置1000来合成MOF材料MOF-5晶体和Cu-BDC晶体。
[0053]实施例1
[0054]M0F-5晶体制备
[0055](I)在万分之一的分析天平上准确称取0.6g Ζη(Νθ3)2.6H2O，置于50mL的烧杯中，量取20mL DMF于烧杯中，搅拌溶解，得到Zn盐溶液；
[0056]在分析天平中准确称取0.168g对苯二甲酸，置于50mL的烧杯中，量取20mL的DMF和
1.1mL的三乙胺于烧杯中，在通风橱中搅拌溶解，得到配体溶液；
[0057](2)Zn盐溶液通过第一静电喷雾装置100喷射出带正电的Zn盐溶液雾滴，其中，入口温度为1800C，Zn盐溶液输送速度为4.5mL/min，高压气体的气流压为0.4MPa，高压气体的流量为336mL/min，第一电极125通过接电接头与高压正极连接，正极电压为2500V;
[0058]配体溶液通过第二静电喷雾装置200喷射出带负电的配体溶液雾滴，其中，入口温度为1800C，配体溶液输送速度为4.5mL/min，高压气体的气流压为0.4MPa，高压气体的流量为336mL/min，第二电极225通过接电接头与高压负极连接，负极电压为-860V;
[0059]第一静电喷雾装置100和第二静电喷雾装置200设置成相交90°，使得喷射出的带电的金属盐溶液雾滴和喷射出的带电的配体溶液雾滴溅射交于一处形成白色结晶M0F-5。
[0060](3)将上述产物置于离心管中，量取1mL甲醇，进行离心分离；分离后的产物再用二氯甲烧进行洗涤两次，静置瞭干得纯净M0F-5晶体。
[0061 ]上述制备的M0F-5晶体的X射线粉末衍射(PXRD)图谱如图3所示，与M0F-5单晶衍射图谱，利用Or igin软件拟合，二者所得曲线基本匹配。
[0062]实施例2
[0063]Cu-BDC晶体制备
[0064](I)在万分之一的分析天平上准确称取1.0268g Cu(NO3)2.6H20，置于50mL的烧杯中，量取29.68mL DMF于烧杯中，搅拌溶解，得到Cu盐溶液；
[0065]在分析天平中准确称取0.706Ig对苯二甲酸，置于50mL的烧杯中，量取25mL的DMF和4.68mL的三乙胺于烧杯中，在通风橱中搅拌溶解，得到配体溶液；
[0066](2)Cu盐溶液通过第一静电喷雾装置100喷射出带正电的Cu盐溶液雾滴，其中，入口温度为1800C，Cu盐溶液输送速度为4.5mL/min，高压气体的气流压为0.4MPa，高压气体的流量为336mL/min，第一电极125通过接电接头与高压正极连接，正极电压为170V;
[0067]配体溶液通过第二静电喷雾装置200喷射出带负电的配体溶液雾滴，其中，入口温度为1800C，配体溶液输送速度为4.5mL/min，高压气体的气流压为0.4MPa，高压气体的流量为336mL/min，第二电极225通过接电接头与高压负极连接，负极电压为-230V;
[0068]第一静电喷雾装置100和第二静电喷雾装置200设置成相交90°，使得喷射出的带电的金属盐溶液雾滴和喷射出的带电的配体溶液雾滴溅射交于一处形成蓝色结晶Cu-BDC。
[0069](3)将上述产物置于离心管中，量取1mL DMF，进行离心分离;分离后的产物再用二氯甲烷进行洗涤两次，150 °C下加热干燥24h得纯净Cu-BDC晶体。
[0070]上述制备的Cu-BDC晶体的X射线粉末衍射(PXRD)图谱如图4所示，与Cu-BDC单晶衍射图谱，利用Origin软件拟合，二者所得曲线基本匹配。
[0071]尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当理解，在不背离本发明权利要求所限定的范围和精神的前提下，可以进行多种改变和替代，这些改变和替代落入本发明权利要求的范围内。
【主权项】
1.一种用于金属有机框架材料合成的双静电喷雾装置，其特征是，包括第一静电喷雾装置和第二静电喷雾装置，其中: 所述第一静电喷雾装置用于将合成MOF材料的金属盐溶液喷射出带电的金属盐溶液雾滴，其包括第一液体输送装置和第一静电雾化装置； 所述第二静电喷雾装置用于将合成MOF材料的配体溶液喷射出带电的配体溶液雾滴，其包括第二液体输送装置和第二静电雾化装置； 所述第一静电喷雾装置和所述第二静电喷雾装置设置成相交，使得喷射出的带电的金属盐溶液雾滴和喷射出的带电的配体溶液雾滴能够汇合。2.根据权利要求1所述的双静电喷雾装置，其特征是，在所述第一静电喷雾装置中: 所述第一液体输送装置用于将合成MOF材料的金属盐溶液输送到第一静电雾化装置，第一液体输送装置包括第一液体输送管，该第一液体输送管穿过第一静电雾化装置； 第一静电雾化装置用于将第一液体输送装置输送过来的金属盐溶液雾化并使其带电，包括第一气体输送管、第一三通连接件、第一电极套管、第二三通连接件和第一电极，其中，第一气体输送管通过第一三通连接件套在第一液体输送管外面，且第一三通连接件的第三个通口设置成进气口，用于向第一气体输送管通入高压气体;第一电极套管通过第二三通连接件套在第一气体输送管外面，且第二三通连接件的第三个通口用于第一电极的接电接头，第一电极设置在第一气体输送管的外面且在第一电极套管的里面， 在所述第二静电喷雾装置中: 所述第二液体输送装置用于将合成MOF材料的配体溶液输送到第二静电雾化装置，第二液体输送装置包括第二液体输送管，该第二液体输送管穿过第二静电雾化装置； 第二静电雾化装置用于将第二液体输送装置输送过来的配体溶液雾化并使其带电，包括第二气体输送管、第三三通连接件、第二电极套管、第四三通连接件和第二电极，其中，第二气体输送管通过第三三通连接件套在第二液体输送管外面，且第三三通连接件的第三个通口设置成进气口，用于向第二气体输送管通入高压气体;第二电极套管通过第四三通连接件套在第二气体输送管外面，且第四三通连接件的第三个通口用于第二电极的接电接头，第二电极设置在第二气体输送管的外面且在第二电极套管的里面。3.根据权利要求2所述的双静电喷雾装置，其特征是，所述第一气体输送管、所述第一电极套管与所述第一液体输送管同心;所述第二气体输送管、所述第二电极套管与所述第二液体输送管同心。4.根据权利要求2所述的双静电喷雾装置，其特征是，所述第一电极和第二电极为耐高压电丝，通过接电接头与高压正极或负极连接而带电。5.根据权利要求2所述的双静电喷雾装置，其特征是，所述第一液体输送管、第二液体输送管、第一气体输送管和第二气体输送管为石英毛细管，所述第一电极套管和第二电极套管为聚醚醚酮管;在雾滴喷口端，第一电极套管和第二电极套管的长度分别长于第一气体输送管和第二气体输送管，第一气体输送管和第二气体输送管的长度分别长于第一液体输送管和第二液体输送管。6.根据权利要求5所述的双静电喷雾装置，其特征是，第一液体输送管和第二液体输送管为内径为0.25mm的石英毛细管，第一气体输送管和第二气体输送管为内径为0.5mm的石英毛细管，第一电极套管和第二电极套管为内径为1.0mm的聚醚醚酮管;在雾滴喷口端，第一电极套管和第二电极套管的长度分别长出第一气体输送管和第二气体输送管I?2_，第一气体输送管和第二气体输送管的长度分别长出第一液体输送管和第二液体输送管I?2mm ο7.根据权利要求2所述的双静电喷雾装置，其特征是，所述第一静电喷雾装置中第一液体输送管、第一气体输送管和第一电极套管通过第一三通连接件和第二三通连接件形成密封体系;所述第二静电喷雾装置中第二液体输送管、第二气体输送管和第二电极套管通过第三三通连接件和第四三通连接件形成密封体系;所述第一静电喷雾装置和第二静电喷雾装置各自用具有弹性的绝缘材料PEEK管包围而密封成整体。8.根据权利要求1所述的双静电喷雾装置，其特征是，所述双静电喷雾装置还包括: 晶体收集装置，用于收集合成的产物MOF晶体；以及 两个容器，分别用于承载金属盐溶液和配体溶液。9.根据权利要求8所述的双静电喷雾装置，其特征是，所述双静电喷雾装置还包括: 液体流量计，用于测量和控制第一静电喷雾装置中金属盐溶液的液体输送速度和第二静电喷雾装置中配体溶液的液体输送速度； 气体流量计，用于测量和控制第一气体输送管和第二气体输送管的高压气体和雾化气体的流量；以及 加热装置，用于加热金属盐溶液和配体溶液。
【文档编号】B05B5/03GK205628359SQ201620118038
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年2月5日
【发明人】孟盼盼, 李建红, 罗峰, 罗明标, 刘淑娟, 李建强
【申请人】东华理工大学