Криохимический синтез

В криохимическом методе получения порошков водный раствор солей, золь или суспензию замораживают настолько быстро, чтобы в максимальной степени сохранить взаимное распределение компонентов, соответствующее раствору, золю или суспензии [8].

Схема метода представлена на рис. 3.149. Для ускорения замораживания раствор распыляют в криоагент, например в жидкий азот. Жидкий азот особенно удобен тем, что является инертным газом и легко отделяется от наночастиц. Лед из полученных гранул удаляют сублимацией, не допуская образования жидкой фазы. Низкое поверхностное натяжение на границе лед - воздух резко замедляет агрегацию по сравнению с водой.

Рис. 3.149. Схема получения наночастиц криохимическим методом


При понижении температуры охлаждающей среды размер получаемых частиц уменьшается, но не монотонно. В интервале 233 - 244 K наблюдается скачкообразное уменьшение размера до некоторого предела (около 0,1 мкм), который при дальнейшем понижении температуры уменьшается очень незначительно. При этом скорость замораживания составляет 5 - 8 мм/с. С увеличением скорости охлаждения распределение частиц по размерам становится все более узким.
Самоорганизация системы в монодисперсную происходит при достижении скорости охлаждения 30 - 50 К/с. Эксперимент подтвердил, что переход к монодисперсным частицам минимального размера происходил при скорости замораживания 4,5 мм/с и темпе охлаждения 59 К/с. Согласно теории, криохимическим методом можно получать наночастицы размером до 0,5 - 5 нм.
Самая медленная стадия - удаление льда сублимацией из мелких пор. Для ускорения созданы вакуумно-распылительные установки, в которых происходит образование криогранул и их сушка. Раствор распыляют в отвакуумированный аппарат в виде капель, которые в полете замораживаются в гранулы, состоящие из субмикронных частиц. Для предотвращения замораживания раствора в форсунке кромку среза сопла гидрофобизируют и подогревают до 175 - 250 °С.
Для полученных криогранул характерно наличие плотного поверхностного слоя, содержащего более крупные частицы, которые скорее всего образуются на начальной стадии замораживания при испарении растворителя из жидкого состояния.

Этот плотный слой замедляет криосушку гранул. Для интенсификации процесса используют жидкости, имеющие при данном давлении равновесную температуру более низкую, чем равновесная температура раствора (этанол, циклогексан, четыреххлористый углерод). Эти жидкости наносят на поверхность капли раствора через специальное устройство или с помощью ультразвука предварительно создают эмульсию с распыляемым раствором. Для интенсификации криосушки гранулы различными способами перемешивают. Так, для этой цели предложено использовать водяной пар низкого давления, подводимый из специального парогенератора. Имеются проекты установок, позволяющих перерабатывать в высушенные криогранулы 22 - 25 л/ч солевого раствора при мощности установки не более 300 кВт.
Поскольку сублимация льда происходит очень медленно, то для ускорения этой стадии можно применять обработку гранул аммиаком для перевода солей в твердой фазе в гидроксиды и замену льда органическим растворителем. Очень важно, чтобы лед при этом не превращался в воду. Полученную на молекулярном уровне смесь подвергают термообработке в соответствующих газовых средах для синтеза требуемых соединений. Чтобы не допустить сегрегации компонентов, процесс проводят быстро и не допускают появления жидкой фазы. Соли и гидроксиды не должны плавиться конгруэнтно и образовывать кристаллогидраты.
Многостадийность процесса повышает его стоимость, но одновременно создает предпосылки для управления свойствами получаемого порошка на каждой стадии. В то же время высокая неравновесность процесса приводит к проявлению вероятностных свойств системы и затрудняет получение воспроизводимых результатов.
Криохимический метод перспективен для получения различных наночастиц, включая сложные соединения. Его можно использовать не только для водных растворов, но и для неводных растворов, а также смесей вода - неводный растворитель.

Еще по теме Криохимический синтез:

1. III. Координация синтезов
2. Синтез-технология и психотерапия
3. Кому нужна Синтез-технология
4. Упражнение 4. «Синтез»
5. Основные принципы Синтез-технологии
6. 5. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ("ОРГАНИЧЕСКОГО" ЦЕЛОГО)
7. ЭТНОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ВОСКА ЖИМПЕРЫ
8. Синтез белка невозможен в воде
9. НА ПУТИ К ЛАЗЕРНОМУ ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ
10. ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
11. Супраморализм, или Всеобщий синтез
12. Синтез науки и религии.
13. ГЛАВА XI ОБЩИЙ СИНТЕЗ
14. ПРОЦЕССЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА
15. 3. ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ
16. ПОЗДНЕВИЗАНТИЙСКИЙ БОГОСЛОВСКИЙ СИНТЕЗ
17. Позитивистский синтез П. Сорокина
18. Гуго из монастыря св. Виктора и синтез схоластики и мистики
19. А. А. Тараканова Особенности симультанного анализа и синтеза у младших школьников с дисграфией
20. ГЛАВ* XII СПЕЦИАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ