一种纳米颗粒旋流火焰雾化掺杂合成系统的制作方法

本实用新型涉及一种纳米颗粒旋流火焰雾化掺杂合成系统，尤其涉及一种原子级多元素掺杂的纳米颗粒旋流火焰雾化掺杂合成系统，属于纳米材料合成技术领域。

背景技术：

现代纳米技术对医药、催化、电子、材料领域至关重要，纳米颗粒因其具有粒径小、比表面积大等特点在许多领域都具备独特的性能优势。目前纳米颗粒主要通过火焰合成法、化学气相沉积、溶胶凝胶法、液相沉淀法、水热法、等离子体喷射等方法合成。与其他方法相比，火焰合成方法具有易实现规模化、无液相污染物、纳米颗粒粒径小、易掺杂等优势。

旋流火焰易稳定、排放低、调节范围宽，在气体燃烧等工业中获得广泛应用。将旋流滞止火焰应用于火焰合成领域的实用新型专利“一种旋流滞止火焰合成纳米颗粒的系统及方法”(cn33464064a)，具有燃烧器结构简单，颗粒粒径小、均匀纯度高等特点。该系统针对的是单一前驱物和单一种类的纳米颗粒的精确合成。随着火焰合成技术的进一步发展，另一实用新型专利“一种基于多旋流强化混合的雾化火焰纳米颗粒合成系统”(cn204445881u)，针对低挥发性的液相前驱物适合中小量产，针对强挥发性的气相前驱物可达到大量产，在一定程度上实现了火焰合成技术的工业放大。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种纳米颗粒旋流火焰雾化掺杂合成系统，选用旋流燃烧器形成稳定的旋流值班火焰，并通过直接雾化的方式喷入前驱物，二者形成气液组合燃烧模式，火焰直接参与颗粒合成反应过程，配合相应的颗粒收集方法，大幅提高火焰合成纳米颗粒的产率，可实现纳米颗粒合成工业放大化。同时，在实现原子级多元素掺杂的纳米颗粒合成的基础上，进一步实现颗粒粒径、形态和晶向的精确控制。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种纳米颗粒旋流火焰雾化掺杂合成系统，包括火焰腔、稀释冷却腔、旋流撞击式雾化器、组合燃烧器和产物收集装置。

所述旋流撞击式雾化器设置在所述组合燃烧器中心，所述组合燃烧器环绕着旋流撞击式雾化器设置在所述火焰腔的底部。

所述组合燃烧器包括旋流燃烧器和环绕着所述旋流燃烧器设置的气体导流块，且所述旋流燃烧器呈同心圆环状，使得所述旋流撞击式雾化器、旋流燃烧器和气体导流块由里往外呈同心圆布置；所述气体导流块上设置有至少一组径向贯通的气流通道组，每组气流通道组均包括两个呈圆周均匀布置的气流通道，且其中一个气流通道作为一次风通道，另一个气流通道作为燃料气通道，分别用于通入一次风和燃料气。

所述稀释冷却腔设置在所述火焰腔顶部。所述产物收集装置入口端设置在所述稀释冷却腔。

所述旋流撞击式雾化器设置有雾化气入口和前驱物液体入口。

上述技术方案中，所述火焰腔顶部设置有倾斜布置的缩口挡板，使得所述火焰腔向所述稀释冷却腔渐缩并在所述稀释冷却腔形成收缩喷口；所述产物收集装置入口端位于所述收缩喷口上方。

上述技术方案中，所述稀释冷却腔内还设置有三次风管，其出口设置在所述稀释冷却腔内，且三次风管的出口与产物收集装置的入口高度相对应。

上述技术方案中，所述产物收集装置入口中心轴线与所述收缩喷口的相对高度h为3～5cm。

上述技术方案中，所述缩口挡板选用中空结构，且设有二次风入口(8)；所述缩口挡板的内壁面设置有若干风孔，用于通入二次风。

上述技术方案中，所述旋流燃烧器包括至少两个旋流燃烧模块，旋流燃烧模块彼此贴近、能够形成同心圆环状环绕着所述旋流撞击式雾化器设置，且相邻两个旋流燃烧模块之间形成旋流进气通道，所述旋流进气通道与所述气流通道一一对应设置并连通，旋流燃烧模块数与旋流进气通道数和气流通道数一致。

上述技术方案中，所述气流通道组设置两组以上，一次风通道和燃料气通道相应的分别设置两个以上，且所述一次风通道和燃料气通道呈圆周均布式依次间隔设置。

上述技术方案中，所述气流通道组设置三至五组，所述旋流燃烧模块对应设置六至十个；所述旋流燃烧模块呈近三角弧形旋流块状且彼此贴近能够形成同心圆环，且相邻两个旋流燃烧模块之间形成旋流进气通道并与气流通道一一对应式连通。

上述技术方案中，所述气体导流块选用圆柱形中空的正多边体结构，所述正多边体结构的边数对应气流通道数设置，且每个边块设有一个气流通道。

本实用新型具有以下优点及有益效果：①旋流气体燃烧器产生旋流火焰，通过外扩板可与雾化前驱物液滴共同燃烧，对雾化前驱物液滴的燃烧起到点火和稳定燃烧的作用。②火焰直接参与颗粒合成反应过程，结合气液组合燃烧模式，进一步提升火焰合成反应的控制程度。③通过改变液相前驱物中金属硝酸盐的种类、比例，可以进行金属氧化物的颗粒组成的调控，并实现原子级掺杂。④利用金属硝酸盐的可溶解性，在有机添加剂的改性作用下，实现通过直接雾化前驱物燃烧的方式合成大量金属氧化物颗粒，结合先进燃烧技术，精确控制纳米的粒径分布与晶相。⑤液相前驱物进给量大且不间断供给，大幅提高了纳米颗粒的产量。⑥缩口挡板配合送气泵产生的高速空气流，产生文丘里效应将纳米颗粒流引入收集管道，并对高温纳米颗粒流进行稀释冷却，大幅提高收集品质与效率。⑦缩口挡板中空设计，内壁设有若干风孔，二次风在挡板表面形成一层气膜，能有效地避免颗粒在挡板上的沉积。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的纳米颗粒旋流火焰雾化掺杂合成系统示意图。

图2为本实用新型所涉及的组合燃烧器和旋流撞击式雾化器布置示意图。

图3为本实用新型所涉及的气体导流块为圆环状且气流通道组为两组时的组合燃烧器结构示意图。

图4为本实用新型所涉及的气体导流块为圆环状且气流通道组为四组时的组合燃烧器结构示意图。

图5为图4中气体导流块外表面为正多边体时的组合燃烧器结构示意图。

图6是本实用新型所涉及的纳米颗粒物产物为yap时的xrd图。

图7是图6产物的tem图：(a)0.2μm比例尺；(b)50nm比例尺；(c)20nm比例尺。

图8是产物为yap在不同比例yb元素掺杂时的tem图。

图中：1–火焰腔；2–稀释冷却腔；3–缩口挡板；4–组合燃烧器；41–旋流燃烧器；42–气体导流块；43–下盖板；44–上盖板；45–栓孔；46–外扩板；5–旋流撞击式雾化器；51–雾化气入口；52–前驱物液体入口；6–连接装置；7–气流通道；8–二次风口；9–三次风口；10–产物收集装置。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

如图1所示，一种纳米颗粒旋流火焰雾化掺杂合成系统，包括火焰腔1、稀释冷却腔2、旋流撞击式雾化器5、组合燃烧器4和产物收集装置10。

稀释冷却腔2设置在火焰腔1顶部，且火焰腔1顶部设置有倾斜布置的缩口挡板3，使得火焰腔1向稀释冷却腔2渐缩并在稀释冷却腔中部形成收缩喷口。

产物收集装置10包括产物收集室和引流泵，且产物收集室内设置有滤袋或过滤膜收集产物。产物收集室的入口端设置在稀释冷却腔2，且位于收缩喷口上方且靠近喷口。稀释冷却腔2内还设置有三次风管9，其出口设置在稀释冷却腔2内，且位于与产物收集装置10入口同一高度的相对侧。产物收集装置10入口中心轴线与收缩喷口的相对高度h为3～5cm。

如图2所示，组合燃烧器4和旋流撞击式雾化器5设置在火焰腔1的底部。且旋流撞击式雾化器5设置在组合燃烧器4中心，组合燃烧器4环绕着旋流撞击式雾化器5成同心圆状设置。旋流撞击式雾化器5选用双流体流道结构，中心为液体通道，液体通道外部设有气体通道。气体通道和液体通道外设置有雾化气入口51和前驱物液体入口52，分别用于通入雾化气和金属前驱体溶液的给入。

旋流撞击式雾化器5顶部与组合燃烧器4内壁之间设置有外扩板46，使组合燃烧器4内壁形成的旋流火焰能够稳定地在火焰腔9扩展燃烧，并点燃经过旋流撞击式雾化器5雾化的金属前驱物微滴。

组合燃烧器4包括旋流燃烧器41和环绕着旋流燃烧器41设置的气体导流块42，且旋流燃烧器41呈同心圆环状，使得旋流撞击式雾化器5、旋流燃烧器41和气体导流块42由里往外呈同心圆布置。气体导流块42上设置有至少一组径向贯通的气流通道组7，每组气流通道组均包括两个呈圆周均匀布置的气流通道，且其中一个气流通道为一次风通道71，另一个气流通道为燃料气通道72，分别用于通入一次风和燃料气。组合燃烧器4还设置有下盖板43和上盖板44，能够通过下盖板43和上盖板44上下固定式夹紧。旋流撞击式雾化器5上部外设有连接装置6，能够将旋流撞击式雾化器5和组合燃烧器4固定连接。下盖板43和上盖板42将旋流燃烧器41和气体导流块42固定成一个整体。图2所示的实施例中，导流块42、下盖板43和上盖板42上设置有上下贯通的栓孔45，栓孔设置若干组，能够通过螺栓固定连接。

如图3～图5所示，旋流燃烧器41包括至少两个旋流燃烧模块，旋流燃烧模块彼此贴近、能够形成同心圆环状环绕着旋流撞击式雾化器5设置，且相邻两个旋流燃烧模块之间形成旋流进气通道，旋流进气通道与气流通道连通式一一对应设置，旋流燃烧模块数与旋流进气通道数和气流通道数一致。

气流通道组7设置两组以上时，一次风通道和燃料气通道相应的分别设置两个以上，一次风通道71和燃料气通道72依次间隔且呈圆周均布式设置。此时两个以上一次风通道之间或两个燃料气通道之间有气体分布装置。

图3是气流通道组设置两组的实施例，气体导流块42选用圆环状。

气流通道组7设置三至五组，旋流燃烧模块对应式设置六至十个，图4和图5为气流通道组设置四组时的实施例。旋流燃烧模块呈近三角弧形旋流块状且彼此贴近能够形成同心圆环，且相邻两个旋流燃烧模块之间形成旋流进气通道。

其中图4中气体导流块42选用圆环状，图5中气体导流块42选用圆柱形中空的正多边体结构，正多边体结构的边数对应气流通道数设置，且每个边块设有一个气流通道。

作为一种优化的技术方案，缩口挡板3选用中空结构，且设有二次风入口8；缩口挡板3的内壁面设置有若干风孔，用于通入二次风，风孔直径为1～2mm，出口气流方向沿内壁表面方向向上。二次风通入，能够使得纳米颗粒流不会粘附在缩口挡板上3。

纳米颗粒合成主要包括金属前驱物溶液制备、金属前驱物溶液的雾化及旋流火焰燃烧，以及纳米颗粒流的收集。

金属前驱物溶液制备包括：

根据制备的纳米颗粒目标产物，选用对应的金属硝酸盐作为金属前驱物，金属包括镁、铝、钇、镍、钴或锰中的任一种或多种混合物。而制备金属掺杂的纳米颗粒材料时，则选定并改变金属种类及其掺杂比。

同时根据上述金属硝酸盐种类选择适用的有机燃料，有机燃料包括乙醇、丁醇或二甲苯。为了提高金属硝酸盐在有机燃料中的溶解度，通常还添加有机添加剂，有机添加剂选用2-乙基己酸或环烷酸。

按照金属离子浓度小于等于0.5mol/l以及有机添加剂与有机燃料体积比为1:(4～9)，称取适量的金属硝酸盐并量取有机添加剂和有机燃料，使三者混合均匀得到金属前驱物溶液。为进一步保证金属硝酸盐溶解完全且混合均匀，还可以在超声波作用下制备混合液。

使一次风均匀分配到两个以上的一次风通道，使燃料气均匀分配到两个以上的燃料气通道，使得一次风和燃料气依次间隔的从气体导流块42分散式导流进入旋流燃烧模块壁面之间的旋流进气通道，并进入燃烧器中心且在旋流燃烧模块内圆周旋流混合形成旋流气流，旋流气流中燃料气被点燃形成稳定的旋流值班火焰。

然后将制备好的金属前驱物溶液通过给液泵定量可控的通过前驱物液体入口52通入旋流撞击式雾化器5，同时选用空气作为雾化气通过雾化气入口51也给入旋流撞击式雾化器5，通过流量计调节雾化气的流速，使得前驱物溶液首先被雾化气雾化成粒径小于等于30μm的金属前驱物微滴。

金属前驱物微滴进入稳定的旋流值班火焰中，被旋流值班火焰点燃，并燃烧合成纳米颗粒；纳米颗粒随着燃烧烟气上行形成高温纳米颗粒流。

高温纳米颗粒流在火焰腔1顶部被缩口挡板3导流从收缩喷口喷入稀释冷却腔2；使三次风通过三次风管9以100～150m/s的速度喷入稀释冷却腔2，在收缩喷口上部形成文丘里效应，使得高温纳米颗粒流被引入产物收集装置10进行收集。

实施例一：旋流火焰雾化合成yap(铝酸钇yalo3)纳米材料

前驱物溶液配制中选择并分别称取9.49g的六水合硝酸钇和14.76g的九水合硝酸铝作为金属前驱物，并将二者溶解于141ml的有机燃料乙醇，同时加入39ml的2-乙基己酸作为有机添加剂，混合溶液中钇离子浓度为0.15mol/l、铝离子浓度为0.25mol/l。旋流燃烧器所采用的燃料气体为甲烷，一次风为压缩空气，流量分别为3l/min和30l/min。旋流撞击式雾化器采用压缩空气作为雾化气，流量为15l/min。采用上述方法燃烧并收集制备得到的yap纳米颗粒产生速率达到100g/h以上。bet测量得到该颗粒比表面积为69.78m²/g，平均粒径达到14nm。yap纳米颗粒产物的晶相及后处理后的晶相xrd和形貌tem如图6和图7所示。初始合成产物的晶相峰明显，对应为yap颗粒。所制备的yap纳米颗粒形貌上为规则的球形，粒径小且分布均匀。

而且，还可以将yap进一步进行后处理，从而得到yag(钇铝石榴石y3al5o12)颗粒，其晶相xrd图如图6所示。

实施例二：旋流火焰雾化合成掺杂yb元素的yap纳米材料

在实施例一配制前驱物时，根据设定的掺杂比例分别加入对应掺杂元素yb的金属硝酸盐(五水合硝酸镱)进行前驱物溶液调制，从而得到不同掺杂比例下合成的纳米颗粒形貌如图8所示。所制备的纳米颗粒形貌上为规则球形，粒径分布较为均匀，随着掺杂比例的增大，颗粒粒径也有所增加。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。