耦合水力空化、超声空化与紫外光照的银纳米粒子制备装置

技术领域

本发明涉及耦合水力空化、超声空化与紫外光照射的银纳米粒子制备装置，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

纳米粒子是指粒子尺寸在1～100nm之间的粒子，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特有性质和功能。金属纳米粒子是指组分相在形态上被缩小至纳米程度(5～100nm)的金属颗粒，这种新型纳米材料，其原子和电子结构不同于化学成分相同的金属粒子。纳米材料是一种新兴的功能材料，具有很高的比表面积和表面活性，例如，纳米银导电率比普通银块至少高20倍，因此，广泛用作催化剂材料、防静电材料、低温超导材料、电子浆料和生物传感器材料等。纳米银还具有抗菌、除臭及吸收部分紫外线的功能，因而可应用于医药行业和化妆品行业。在化纤中加入少量的纳米银，可以改变化纤品的某些性能，并赋予很强的杀菌能力。因此，研究纳米银粉的制备技术具有重要意义。

国内外有关纳米金属材料制备的文献和专利报道很多，制备方法主要分为化学方法，物理方法。化学方法主要有液相化学还原法、电化学法、光化学还原法等，物理方法主要有还原球磨法、蒸发冷凝法及雾化法等。己发展了各种制备纳米材料的方法以获得不同种类、不同性质和尺寸的超微粒子。目前，纳米银的制备方法主要有微乳液法、模板法、相转移法、化学还原法、光化学法、超声波法、电化学法、辐射法等。

物理粉碎法制备纳米银颗粒是指通过机械粉碎、超声波、电火花爆炸等方法将原料粉碎得到纳米粒子。应用广泛的方法有高能球磨法,即利用球磨机的转动或振动使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌,从而把金属或合金粉末粉碎为纳米微粒。目前,制备纳米银颗粒最重要的物理方法是真空蒸镀法和激光烧蚀法。其中,激光烧蚀法是使用激光照射金属表面,最终制备出金属胶体。采用800nm飞秒激光脉冲,在水中进行激光烧蚀,可制备尺寸为20～50nm的纳米银球。该方法制备纳米银颗粒的粒径受多种因素影响,包括激光脉冲的周期、消融时间，液体中是否含有表面活性剂和激光功率等因素。在现有的方法中,激光烧蚀是一种独特而重要的方法,它不需要在溶液中使用化学试剂就能得到纯净的金属纳米颗粒。真空蒸镀法常用于制备高阻隔性高分子膜材料。真空蒸镀法可将纳米银颗粒沉积在其他材料的表面,真空蒸镀法可将纳米银颗粒沉积在其他材料的表面,以制备出具有抗菌性能的复合材料。

化学法制备纳米银分为液相化学还原法和微乳液法。液相化学还原法是利用有机还原剂或和无机还原剂制备纳米银的最常用方法。液相化学还原法制备纳米银的机理，一般分为两种路线。一种路线是选择合适的银前驱体和还原剂，在相应的反应条件下通过氧化还原反应获得水溶液和非水溶液中的湿银纳米颗粒，并使用有机溶剂和表面活性剂调整纳米银的物理.性质；最后再采取一些措施去除相应的有机溶剂，获得理想的纳米银。另一条路线是,在银源中或还原剂中分别加入分散剂、表面活性剂和有机溶剂，以调节相应的反应条件；氧化还原反应完成后,用一些有效的物理和化学方法去除相应的有机物和杂质。多种还原剂可以用于纳米银颗粒的合成，如抗坏血酸、聚乙烯吡咯烷酮、硼氢化钠和亚硫酸钠。还原剂的使用影响了纳米银颗粒的粒径分布。值得注意的是，一些强还原剂如硼氢化物,会导致小颗粒纳米银的分散，这使得控制大颗粒纳米银的产生变得困难。相反，柠檬酸盐等弱还原剂可以减慢还原速率使粒度分布变宽。

发明内容

本发明针对现有工艺存在的不足，提出一种高效、安全、可靠的耦合水力空化、超声空化与紫外光照射的银纳米粒子制备装置。

本发明采用以下技术方案：

该装置包括定子、转子、转轴、紫外线发射器和超声波换能器，定子的内壁上分布有超声换能器，定子两端面上均设置有紫外线发射器，定子两侧端面分别设置有排液口和进液口，转轴安装在定子中，转子处于定子中并固定安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片上在空腔相对的两侧设置有空化通孔。

所述定子内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～30mm。

所述定子内部的反应温度为50～80℃(升温来自于空化现象的热效应)。

所述超声波换能器在定子内壁上沿轴向与周向等间距分布，每圈2～8个，共2～6圈。

所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。

所述紫外线发射器以圆周阵列等角度嵌入在定子端面上，每侧定子端面上有2～12个，单机功率为15～100W。所述定子两侧端面的紫外线发射器的数量相等且一一相互对应。

所述进液口和排液口对角设置，以防止产生短流现象。所述进液口的进液流量为1.5～4.5m

所述转轴的转速为4000～4500r/min。

所述转子在转轴上轴向等距分布2～6个。

所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个。所述叶片的长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。

所述空化通孔的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。

所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。

所述空化通孔在叶片上每侧均以4～10排、3～10列的矩形阵列排布。所述叶片内空腔两侧的空化通孔两两对正(在同一轴线上)。

所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。

本发明所述装置采用旋转水力空化技术，创新地采用转轴高速旋转带动转子，使转子上的文丘里形空化通孔高效生成空化气泡，当静压力恢复时空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)。此外，在上述极端条件下，水分子可被水解，生成具有强还原性的氢自由基。在水力空化效应作用的同时，同时耦合超声波，大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进氢自由基的生成。此外，在上述极端条件下，无论是原料间的还是紫外光照的还原反应速率会大大加强。因此，上述三者的耦合使用可获得远高于单独使用时还原效果的总和。

本发明具有以下特点：

1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化与紫外线技术协同制备，远远比单独使用水力空化、超声空化或紫外线的方法效率高(可提高2倍以上)，具有高效性，且此方法的处理量大，可连续作业；

2.本发明所述装置转子内空化通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形空化通孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；

3.叶片的空腔为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果；

4.本发明所述装置转子空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率；

5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转盘开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器与紫外线发射器，较传统空化器极大地提高水力空化的处理效率；

6.本发明所述装置中的超声波换能器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，能量衰减小；

7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变定子与转盘式空化发生器尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大制备需求；

8.本发明所述装置高效耦合了水力空化、超声空化与紫外线技术，一体化设备大大简化了整个工艺流程；

9.本发明所述装置运转过程中，定、转子表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；

10.本发明所述装置结构简单、适应性强、操作方便、安全可靠且便于维修；

11.本发明所述装置不局限于银纳米粒子，对于其他类型的纳米颗粒制备也预计拥有良好的处理效果；

12.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际实验所得。

附图说明

图1本发明耦合水力空化、超声空化与紫外光照的银纳米粒子制备装置的结构示意图。

图2是本发明中紫外线发射器的分布示意图。

图3是本发明中定子和转子截面示意图。

图4是本发明中转子结构示意图。

图中：1.排液口，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.紫外线发射器，8.定子端盖，9.密封垫圈，10.定子，11.超声波换能器，12.超声波发生器，13.空化通孔，14.转子，15.进液口，16.楔键，17.空腔，18.叶片。

具体实施方式

本发明耦合水力空化、超声空化与紫外光照的银纳米粒子制备装置，如图1所示，包括定子10、转子14、转轴4、紫外线发射器7和超声波换能器11。

定子10为空心密封筒体，两端通过螺栓连接定子端盖8，连接处有密封垫圈9，使得定子10内部形成密封的空腔。定子端盖8的内部设角接触球轴承5，外部设有密封盖2，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈9，形成密封结构。定子10内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～30mm，其内壁上装有超声换能器11。各个超声波换能器11均与超声波发生器12连接。所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。超声波发生器12数量为1～4个，频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。耦合超声波后，可使大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进氢自由基的生成，促进处理效果。两侧定子的端盖8上均设置有紫外线发射器7，参见图2。紫外线发射器7以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子端盖8上，每侧共有2～12个，单机功率为15～100W，通过密封结构进行固定。两侧的紫外线发射器7的数量相等且一一相互对应，可保证定子10中不同区域所受光照强度相同，使得紫外线反应能够高效进行。

参见图2，定子左侧端盖下部设置排液口1，右侧端盖上部设置进液口15。进液口15和排液口1对角设置，以防止产生短流现象。进液口15与出水口1分别与控制阀相连，用于控制流量。进液口的进液流量为1.5～4.5m

转轴4通过角接触球轴承5安装在定子10中，一端伸出定子10并通过联轴器依次连接增速器和电机，带动转子14在定子10内转动。转轴4与定子10的连接处设有机械密封6，机械密封6设置在定子端盖8外侧，并处在密封盖2内部，以保证装置的密封性。转轴4的转速为4000～4500r/min。转子14处于定子10的空腔中，并通过楔键16固定安装在转轴4上。

转轴4上轴向等距分布2～6个转子14，转子14为多叶片叶轮结构，如图3和图4所示。叶片18为带有空腔17的中空梯形体结构，在转子14上等间隔沿周向分布4～10个。空腔17为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片18的长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。叶片18上在空腔17相对的两侧设置有空化通孔13，空化通孔13的轴线与转子14的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。空化通孔13为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，中央喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。空化通孔13在叶片上的每侧均以4～10排、3～10列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭。叶片18两侧的每对文丘里形空化通孔13两两对正(在同一轴线上)。转子高速旋转时，流体从一侧的空化通孔13的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出；之后流体便会进入另一侧的空化通孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。空化通孔13内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。

上述结构及参数是根据制备实验得出，达到了处理效果的最佳匹配效果。

采用本发明的上述装置对银纳米粒子的制备过程如下所述。

通过压力泵将混合溶液从进液口15输送进定子10中，流量为1.5～4.5m

本发明通过制备实验，在最优工况下与该结构下(参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚度为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为6mm，中央喉部内径为0.7mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每排4个，共6排；超声波发生器为2个，单机功率为2000W；紫外线发射器单侧共有7个，单机功率为45W)，获得如下结论：

在转速4500rpm，流量为2.6m