Новый спиральный бесконечный реактор для непрерывного гидротермального синтеза наночастиц

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8616 (2022) Цитировать эту статью

1294 Доступа

1 Цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Гидротермальный синтез является привлекательным способом получения наночастиц с использованием недорогих прекурсоров в умеренных технологических условиях. Хотя это обеспечивает гибкость и надежность в контроле характеристик частиц, масштабирование процесса для непрерывного производства является серьезной проблемой. Здесь предлагается новый спиральный реактор непрерывного действия в форме «бесконечности», позволяющий использовать большую разницу плотностей между раствором предшественника и сверхкритической водой для обеспечения быстрого смешивания, что приводит к однородным условиям для кинетики реакции и роста частиц. Гидротермальный синтез моделируется путем объединения вычислительной гидродинамики с моделированием баланса населения и соответствующей кинетикой реакции. Моделирование показывает три различных режима спада, восстановления и стабильных полей потока. Эти режимы сильно зависят от соотношения потоков раствора прекурсора и сверхкритической воды. Реактор «Бесконечность» обеспечивает две различные реакционные среды: начальные витки спирали, которые служат реактором смешанного потока, способствующим быстрому смешиванию и равномерной реакции, а затем реактор поршневого потока, стабилизирующий рост частиц. Он производит частицы с относительно небольшим средним диаметром и узким распределением по размерам по сравнению с обычным реактором периодического действия с мешалкой и Т-образным смесителем.

Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам наночастицы широко используются в различных отраслях промышленности, таких как химическая, энергетическая, водная, электроника и здравоохранение. Растет интерес к крупномасштабному производству наночастиц с жесткими характеристиками с точки зрения материалов и химического состава, размера частиц, формы частиц, дисперсии и кристалличности, чтобы сделать их пригодными для различных применений. Хотя различные пути синтеза, такие как осаждение, золь-гель, микроэмульсия, распылительный пиролиз, термическое разложение, пламенный синтез и гидротермальный синтез, были исследованы и успешно продемонстрированы в лабораторных масштабах для различных наноматериалов, производство наночастиц некоторых материалов в коммерческих масштабах все еще остается проблемой. главный вызов.

В последнее время гидротермальный синтез привлекает все больше внимания, поскольку в нем используются недорогие предшественники и умеренные условия процесса, обеспечивая при этом большую гибкость и надежность в контроле характеристик частиц. Хотя используется сверхкритическая вода, ключевой реагент, при высоком давлении и температуре, эти условия можно считать умеренными по сравнению с такими процессами, как пламенный пиролиз и газофазный синтез на основе горения, которые работают близко к адиабатической температуре пламени.

Гидротермальный синтез обычно проводят в реакторах периодического действия с мешалкой. Он ограничен низкой скоростью нагрева в сочетании с длительным временем процесса, что приводит к плохому контролю характеристик частиц. Синтез в непрерывном гидротермальном потоке (CHFS) не только решает некоторые из этих проблем периодического производства, но и может проложить путь к непрерывному и коммерческому производству наночастиц с легко настраиваемыми характеристиками частиц, такими как размер, морфология и кристалличность1.

В CHFS используется раствор соли металла (MS) под давлением, обычно при температуре 28 °C и давлении 24 МПа, и сверхкритическая вода (SCW), обычно при температуре 400 °C. при температуре 24 МПа и давлении 24 МПа вводят в реактор отдельно. Их быстро перемешивают, чтобы добиться условий, способствующих мгновенным химическим реакциям образования частиц оксидов металлов. Высокая концентрация металла или оксида металла в сочетании с низкой растворимостью оксида металла в сверхкритических условиях приводит к образованию наночастиц металла или оксида металла2. Динамика массо- и теплопередачи в аппарате CHFS определяет качество смешивания, распределение времени пребывания (RTD) химических веществ, скорости реакций и эволюцию распределения частиц по размерам (PSD). Спроектировать реактор, который способствует быстрому и эффективному смешиванию двух жидкостей с совершенно разными физическими и транспортными свойствами для обеспечения требуемой массо- или теплопередачи, является большой проблемой.

3.5\)) trigger an interaction between inertial and buoyancy forces determining the interpenetration, recirculation and back-mixing of the flow streams. The dominant mechanism can be identified using the Richardson number (Ri), defined as \({\text {Ri}} ={\text {Gr}}/{\text {Re}}^{2}\), where Re and Gr are Reynolds and Grashoff numbers, respectively. In turn, these are defined as: \({\text {Re}}=\rho {{D}}_{{T}}U/\eta\) and \({\text {Gr}} = g\beta \delta T D^3_{T} \rho ^2/\eta ^2\), where \(\rho\): fluid density, U: velocity of the fluid in the inlet section, \(D_T\): the inner hydraulic diameter of the spiral, g: the acceleration due to gravity, \(\beta\): the coefficient of thermal expansion, \(\delta T\): the temperature difference between the supercritical water and metallic precursor solution./p>1}\), the convection is dominated by buoyancy, otherwise it is dominated by inertial forces4. The Re and Ri calculated for the flow mixture at the end of the bisection wall in the inlet section are given in the Table 2 for all the simulation conditions. It can be observed that \({\text {Ri}} > 1\) for the entire operating regime explored, indicating the flow is dominated by buoyancy. The denser MS solution displaces the SCW as they come in contact at the end of bisection wall of the inlet section. It results in the penetration of MS into SCW stream causing the movement of lighter SCW towards the inner region. This leads to a significant decrease in the velocity of SCW stream near and beyond the bisection wall. The degree of penetration depends on FR for a given feed temperature, pressure and SCW flow rate./p> 0.25\), the velocity profile showed three distinct regimes or regions named: declining, recovering and stabilizing regimes; the reasons for these names shall become obvious in the course of this study. For a better understanding, these are roughly marked in Fig. 6a. In the declining regime, the mixture velocity rapidly decreases to a threshold value within the first spiral turn due to the intense mixing caused by the interpenetration of metallic precursor solution into supercritical water stream. The convective transfer of heavier and cooler MS stream across the flow cross-section results in the density of the reaction mixture to raise and the temperature to drop as can be observed in Fig. 6b,c, respectively. Further, these phenomena cause an increased hold-up of the heavier MS stream slowing down the overall velocity. The threshold value of the reaction mixture velocity that marks the end of the decline-regime is termed as threshold velocity (\(v_{th}\)). It can also be viewed as a point of inflection of the axial velocity profile. It can be observed that the threshold velocity gradually increases with FR for a given flow set; this trend is also observed for other sets as shown in Fig. A.1 in the Supplementary material. The reader may find the density and temperature contour plots given in the supplementary material instructive (refer Figs. A.2 and A.3)./p>1\), the ratio increases moderately. This decreasing trend is more pronounced for higher flow sets. These observations reinforce that this hypothesis deserves some merit./p> 0.75\), nucleation rate increased, the coagulation rate continued to decrease and the increasing supersaturation aided the particle growth process despite the lower temperatures. The combined effect of these factors led to a broader PSD. These results suggest that lowering the FR to 0.75 is more favorable for achieving narrow PSD with a lower mean. It is worth recalling that the conversion is not affected significantly for values up to \(FR=1\)./p>

Новости

Новый спиральный бесконечный реактор для непрерывного гидротермального синтеза наночастиц