×
10.08.2018
218.016.7b57

Способ получения полых микросфер феррита висмута

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение может быть использовано для получения наноструктурированных порошков феррита висмута BiFeO, применяемых в микроэлектронике, спинтронике, устройствах для магнитной записи информации, в производстве фотокатализаторов, материалов для фотовольтаики. Способ получения полых микросфер феррита висмута включает ультразвуковое воздействие на смесь нитратов железа и висмута, взятых в стехиометрическом соотношении, сушку и последующее прокаливание. Ультразвуковому воздействию подвергают водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л в пересчете на феррит висмута. Водный раствор переводят во взвешенное состояние с образованием аэрозоля, частицы которого подаются в зону сушки, а затем в зону прокаливания. Частота ультразвукового воздействия 1,7–3,0 МГц, скорость подачи воздуха 0,150–0,185 м/с. Полученный продукт сушат при 250-350°С и прокаливают при 800-820°С. Изобретение позволяет сократить процесс получения полых микросфер феррита висмута до нескольких секунд. 4 ил., 4 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к химической промышленности, в частности, к способу получения наноструктурированных порошков феррита висмута для использования в микроэлектронике, спинтронике, устройствах для магнитной записи информации, фотокатализаторов, материалов для фотовольтаики и т.д.

Известен способ получения полых сферических частиц феррита висмута. Способ включает следующие этапы: добавление додецилбензолсульфоната натрия и стирола в нагревательный контейнер, содержащий деионизированную воду при комнатной температуре, добавление персульфата калия в нагревательный контейнер с перемешиванием и проведение изотермической реакции в течение 2 часов; добавление стирола, гадолевой кислоты, персульфата калия и бикарбоната натрия в нагревательный контейнер, проведение реакции в течение от 2 до 5 часов, а затем проведение центрифугирования с целью отделения нанокристаллов сополимера стирола и гадолеиновой кислоты; ультразвуковое диспергирование полученных наносфер сополимера в воде, добавление в дисперсию поливинилпирролидона, 9-водного нитрата трехвалентного железа и 5-водного нитрата висмута в молярном соотношении 1: 1, ультразвуковая обработка для получения суспензии; добавление водного раствора мочевины в суспензию, проведение изотермической реакции, затем проведение фильтрации с получением висмутовых композитных наносфер с полистирол-гадолеиновой кислотой и проведение высокотемпературного прокаливания, в результате чего получают полые наносферы феррита висмута (патент CN 105536807; МПК B01J 23/843, B01J 35/08, C01G 49/00, C02F 1/30; 2016 год).

Недостатком известного способа является многостадийность процесса, использование на каждой стадии специального оборудования и применение большого количества вредных органических соединений, которые остаются в фильтрате и требуют дальнейшей утилизации.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения полых микросфер феррита висмута, включающий следующие стадии: растворение соли висмута и соли трехвалентного железа, в частности нитратов висмута и железа в смешанном спиртовом растворе абсолютного этилового спирта и глицерина, добавление лимонной кислоты и равномерное перемешивание, диспергирование ультразвуком, помещение в гидротермальный сосуд из нержавеющей стали для проведения термического старения в течение 24 часов, сушку продукта в течение 12 часов и его прокаливание в течение 4 часов.

Недостатками известного способа являются длительность процесса, обусловленная в частности наличием дополнительных стадий термического старения, фильтрации, неоднократной промывки продукта, а также использование органических соединений в качестве исходных.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения феррита висмута в виде полых микросфер, обеспечивающий значительное сокращение времени процесса.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения полых микросфер феррита висмута, включающем ультразвуковое воздействие на смесь нитратов железа и висмута, взятых в стехиометрическом соотношении, сушку и последующее прокаливание, в котором ультразвуковому воздействию с частотой 1,7–3,0 МГц при скорости подачи воздуха 0,150–0,185 м/с подвергают водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута), сушат полученный продукт при температуре 250-350°С и прокаливают при температуре 800-820°С.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения полых микросфер феррита висмута с использованием ультразвукового воздействия с частотой 1,7–3,0 МГц при скорости подачи воздуха 0,150–0,185 м/с на водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута), сушкой полученного продукта при температуре 250-350°С и прокаливанием при температуре 800-820°С.

Авторами предлагаемого технического решения разработан способ получения полых микросфер феррита висмута, обеспечивающий непрерывный процесс синтеза. Водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута) посредством звукового воздействия переводят во взвешенное состояние с образованием аэрозоля, частицы которого подаются непосредственно в зону сушки с температурой 250-350°С, а затем в зону прокаливания с температурой 800-820°С. Проведенные авторами исследования позволили определить параметры и условия ультразвукового воздействия, обеспечивающие получения капель аэрозоля, которые формируются в процессе сушки в полые микросферы. Размер капель аэрозоля пропорционален корню кубическому из(1/ F2), где F – частота ультразвука. Так, при частоте ниже 1,7 Мгц наблюдается резкое увеличение размера капель более 10 мкм, что затрудняет образование микросфер. Повышение частоты выше 3 Мгц нецелесообразно, так как размер капель при дальнейшем увеличении частоты остаётся практически неизменным. Средний размер капель аэрозоля в области частот от 1,7 до 3 МГц составляет порядка 2,5 мкм, что обусловливает получение микросфер с размером 0,69-0,98 мкм. Для такого аэрозоля скорость движения капель в реакторе равна скорости потока воздуха и составляет 0,150–0,185 м/с. Количество капель аэрозоля, уносимого воздухом пропорционально его расходу (скорости потока). При скорости подачи воздуха менее 0,150 м/с резко уменьшается производительность. При скорости подачи воздуха более 0,185 м/с не происходит полного синтеза феррита висмута в высокотемпературной области, и, как следствие, получают неоднофазные образцы.

Концентрация исходного водного раствора нитратов также оказывает существенное влияние на конечный продукт. А именно, при концентрации ниже 0,24 моль/л (в пересчете на феррит висмута) в конечном продукте наблюдаются примесные следы фазы Bi25FeO40. При концентрации выше 0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута) наблюдается увеличение диаметра сфер феррита висмута более 1 мкм. Экспериментально установлено, что диаметр частиц хорошо согласуется с теоретическим выражением:

где СF - концентрация феррита висмута, ρp – плотность высушенного материала. Плотность частиц, ρP, в этом уравнении - это масса частицы, деленная на объем сферы диаметром dg и может быть значительно ниже истинной плотности, поскольку она включает внутренние и внешние пустоты и совпадает с результатами измерений пикнометрической плотности. dD – средний размер капель аэрозоля.

Исследования авторов основывались на предположении, что морфология частиц формируется во время сушки и сохраняется в процессе последующего прокаливания. Сушка капель аэрозоля, содержащих растворённые частицы, связана со сложным многофазным переносом тепла и массы. Процесс испарения условно можно разделить на две стадии: первая состоит из испарения до образования оболочки частиц или когда отношение твердое вещество к жидкости достаточно велико и второй этап, где размер капли обычно остаётся неизменным, а температура капли приближается к температуре окружающей среды. После сушки капля попадает в зону прокаливания. Во время прокаливания сохраняется сформированная в результате сушки морфология. Важным является контроль механизмов, которые определяют радиальное распределение компонентов в процессе сушки. По мере того, как испаряющаяся капля сжимается, уменьшение доли воды приводит к увеличению концентрации растворенных веществ на поверхности. Это вызывает диффузионный поток от поверхности к центру капли. Процесс обусловлен различием между давлением паров воды около поверхности капли и их парциальным давлением в газовой фазе. Скорость испарения зависит от баланса энергии, необходимой для испарения воды и энергии, переносимой на поверхность капли, которые определяются температурой воздуха во время сушки. Проведённые авторами оценки скорости испарения и коэффициентов диффузии позволили оценить температуру сушки.

Первый критерий это коэффициент испарения k с размерностью м2/с. Время необходимое для испарения определяется выражением:

t = dD/k

Наши расчёты и предварительные эксперименты показали, что при температуре ниже 200°С капля не успевает высохнуть. Второй критерий это радиальное распределение растворённых компонентов в объёме капли. Температура сушки определяет радиальное распределение компонентов в процессе сушки, так как при постоянном расходе аэрозоля приводит к изменению коэффициента диффузии и скорости испарения. Критерием возникновения пересыщенного раствора на поверхности капли является безразмерный параметр Пекле.

где Di – коэффициент диффузии (м2/с) i – го компонента (ионов железа и висмута).

Тогда отношение концентрации Cs,i i – го компонента к средней концентрации Cm,i в капле приближённо описывается выражением

Для того чтобы получить полые частицы, параметр Pe должен быть больше единицы как для ионов железа, так и для ионов висмута. Проведённые расчёты позволили установить, что параметр Пекле превышает единицу при температуре сушки более 250 оС. Экспериментально установлено, что при увеличении температуры от 250°С до 350°С и концентрации раствора нитратов железа и висмута 0,32 моль/л (в пересчете на феррит висмута) диаметр сфер уменьшается от 0,86 до 0,75 мкм, а толщина оболочки увеличивается от 0,073 до 0,099 мкм. Дальнейшее увеличение температуры сушки приводит к увеличению диаметра сфер из-за формирования более рыхлой оболочки. Поэтому для формирования частиц с плотной оболочкой выбран диапазон температур сушки 250-350°С. При увеличении концентрации раствора нитратов железа и висмута от 0,24 до 0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута) и температуре сушки 350°С диаметр сферы увеличивается от 0,69 мкм до 0,98 мкм, а толщина оболочки увеличивается от 0,093 до 0,12 мкм. При дальнейшем увеличении концентрации диаметр сфер становится больше 1 мкм. При концентрации раствора нитратов железа и висмута меньше 0,24 моль/л (в пересчете на феррит висмута) образцы неоднофазны, что связано с различием коэффициентов диффузии для ионов железа и висмута. Поэтому был выбран диапазон концентраций от 0,24 до 0,48 моль/л.

Предлагаемый способ обеспечивает непрерывный поточный процесс, проводимый в пределах одной установки, включающей зону ультразвукового воздействия, зону сушки и зону прокаливания, каждая из которых характеризуется определенным температурным интервалом.

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом. Готовят водный раствор нитратов железа и висмута, взятых в стехиометрическом соотношении, с концентрацией 0,24-0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута), подвергают раствор ультразвуковой обработке на частоте 1,7-3,0 МГц при скорости подачи воздуха 0,150–0,185 м/с для образования капель аэрозоля, которые поступают в зону сушки с температурой 250°С-350°С и затем в зону прокаливания с температурой прокаливания 800°С-820°С. Время получения составляет 5,4 с. После того как израсходуется весь раствор, процесс останавливают и извлекают готовый порошок из бункера для сбора продукта. В результате получают порошок феррита висмута состава BiFeO3 в виде полых микросфер диаметра 0,69-0,98 мкм и толщиной оболочки 0,073–0,12 мкм.

Полученный продукт аттестован следующими методами: фазовый состав продукта определялся с помощью рентгенофазового анализа, проведенного на XRD-7000 (SHIMADZU) с вторичным монохроматором Cu Kα излучения с поликристаллическим кремнием, используемым в качестве внутреннего стандарта. Анализ рентгенограмм осуществляли с помощью программы PowderCell. Морфологию образцов изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6390LA.

Рентгенограммы полученных образцов представлены на фиг. 1 и 3. Для всех полученных образцов рефлексы соответствуют ферриту BiFeO3 со структурой перовскита и пространственной группой R3c (ICSD Collection Code 15299), параметры элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм, рентгеновская плотность 8,31 г/см3. Средняя плотность, определенная с помощью гелевого пикнометра AccuPyc, составляет 5,3 г/см3. Разница между рентгеновской и средней плотностью косвенно доказывает, что частицы полые с непроницаемой для гелия оболочкой.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 50 мл раствора, содержащего нитраты железа и висмута, взятые по стехиометрии, в концентрации 0,32 моль/л (в пересчете на феррит висмута), помещают в емкость ультразвукового распылителя, устанавливают температуру зоны сушки 250°С, температуру зоны прокаливания 800°С. Ультразвуковую обработку проводят при частоте 1,7 МГц и скорости потока 0,185 м/с. По окончании синтеза готовый порошок достают из бункера для готового продукта. В результате получают однофазный феррит висмута BiFeO3 (фиг.1) с параметрами элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм и рентгеновской плотностью 8,31 г/см3. По данным сканирующей электронной микроскопии, порошок состоит из полых сфер со средним диаметром 0,86 мкм (фиг.2) и толщиной оболочки 0,073 мкм. Пикнометрическая плотность феррита 4,3 г/см3, что составляет 52% от рентгеновской.

Пример 2. Берут 50 мл раствора, содержащего нитраты железа и висмута, взятые по стехиометрии, в концентрации 0,32 моль/л (в пересчете на феррит висмута), помещают в емкость ультразвукового распылителя, устанавливают температуру зоны сушки 350°С, температуру зоны прокаливания 800°С. Ультразвуковую обработку проводят при частоте 1,7 МГц и скорости потока 0,15 м/с. По окончании синтеза готовый порошок достают из бункера для готового продукта. В результате получают однофазный феррит висмута BiFeO3 (фиг.3) с параметрами элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм и рентгеновской плотностью 8,31 г/см3. По данным сканирующей электронной микроскопии, порошок состоит из полых сфер со средним диаметром 0,75 мкм (фиг.4) и толщиной оболочки 0,099 мкм. Пикнометрическая плотность феррита 4,85 г/см3, что составляет 58% от рентгеновской.

Пример 3. Берут 50 мл раствора, содержащего нитраты железа и висмута, взятые по стехиометрии, в концентрации 0,24 моль/л (в пересчете на феррит висмута), помещают в емкость ультразвукового распылителя, устанавливают температуру зоны сушки 350°С, температуру зоны прокаливания 800°С. Ультразвуковую обработку проводят при частоте 3 МГц и скорости потока 0,185 м/с. По окончании синтеза готовый порошок достают из бункера для готового продукта. В результате получают однофазный феррит висмута BiFeO3 с параметрами элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм и рентгеновской плотностью 8,31 г/см3. По данным сканирующей электронной микроскопии, порошок состоит из полых сфер со средним диаметром 0,69 мкм и толщиной оболочки 0,093 мкм. Пикнометрическая плотность феррита 5,1 г/см3, что составляет 61% от рентгеновской.

Пример 4. Берут 50 мл раствора, содержащего нитраты железа и висмута, взятые по стехиометрии, в концентрации 0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута), помещают в емкость ультразвукового распылителя, устанавливают температуру зоны сушки 350°С, температуру зоны прокаливания 820°С. Ультразвуковую обработку проводят при частоте 3 МГц и скорости потока 0,150 м/с. По окончании синтеза готовый порошок достают из бункера для готового продукта. В результате получают однофазный феррит висмута BiFeO3 с параметрами элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм и рентгеновской плотностью 8,31 г/см3. По данным сканирующей электронной микроскопии, порошок состоит из полых сфер со средним диаметром 0,98 мкм и толщиной оболочки 0,12 мкм. Пикнометрическая плотность феррита 5,3 г/см3, что составляет 63% от рентгеновской.

Таким образом, авторами предлагается способ получения полых микросфер феррита висмута, обеспечивающий значительное сокращение процесса получения (время получения составляет порядка нескольких секунд).

Работа выполнена при поддержке РФФИ гранд № 17-08-00893.

Способ получения полых микросфер феррита висмута, включающий ультразвуковое воздействие на смесь нитратов железа и висмута, взятых в стехиометрическом соотношении, сушку и последующее прокаливание, отличающийся тем, что ультразвуковому воздействию с частотой 1,7–3,0 МГц при скорости подачи воздуха 0,150–0,185 м/с подвергают водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л в пересчете на феррит висмута, сушат полученный продукт при температуре 250-350°С и прокаливают при температуре 800-820°С.
Способ получения полых микросфер феррита висмута
Способ получения полых микросфер феррита висмута
Способ получения полых микросфер феррита висмута
Способ получения полых микросфер феррита висмута
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 11-20 of 99 items.
20.02.2015
№216.013.2a33

Ионоселективный материал для определения ионов аммония и способ его получения

Изобретение может быть использовано в аналитической химии. Гидратированную оксидную ванадиевую бронзу аммония состава (NH)VO·0,5HO используют в качестве ионоселективного материала для селективного определения концентрации ионов аммония в растворах. Для получения гидратированной оксидной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542260
Дата охранного документа: 20.02.2015
27.04.2015
№216.013.45fd

Способ получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия

Изобретение может быть использовано в производстве катодного материала химических источников тока, а также термисторов, резисторов, устройств для записи и хранения информации. Способ получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaVO включает получение реакционной смеси,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002549421
Дата охранного документа: 27.04.2015
10.05.2015
№216.013.4994

Способ извлечения радионуклидов и микроэлементов

Изобретение относится к области сорбционной технологии извлечения радионуклидов и микроэлементов при переработке различных жидких и твердых объектов радиохимических производств. Заявленный способ включает контактирование с сорбентом на основе цианоферрата переходного металла, при этом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002550343
Дата охранного документа: 10.05.2015
10.06.2015
№216.013.5525

Способ получения галлия из щелочно-алюминатных растворов глиноземного производства

Изобретение относится к способу электрохимического выделения галлия из шелочно-алюминатных растворов глиноземного производства процесса Байера. Способ включает подготовку исходной смеси смешением маточного и оборотного растворов в соотношении, равном 1: (0,8÷0,9), при постоянном перемешивании и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002553318
Дата охранного документа: 10.06.2015
20.06.2015
№216.013.5738

Способ получения тонких пленок сульфида свинца

Изобретение относится к области получения тонких пленок сульфида свинца нанокристаллической структуры, активных в ближнем ИК-диапазоне. Предложен способ получения тонких пленок сульфида свинца, активных в ближнем инфракрасном диапазоне, включающий осаждение из водного раствора смеси ацетата...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002553858
Дата охранного документа: 20.06.2015
20.08.2015
№216.013.6e94

Никель-алюминиевая шпинель в качестве катализатора парциального окисления метана и способ ее получения

Изобретение относится к катализатору парциального окисления метана, который представляет собой никель-алюминиевую шпинель. Данная шпинель имеет общую химическую формулу (Ni(МO))·γ-АlO, где М - Сr, Мn или Fe, 0,01≤x≤0,99, 0,01≤y≤1. Изобретение также относится к способу получения такого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559878
Дата охранного документа: 20.08.2015
27.08.2015
№216.013.7492

Способ извлечения оксида алюминия из красного шлама

Изобретение относится к металлургии, а именно к переработке красного шлама - отхода глиноземного производства переработки бокситов щелочным способом Байера. Способ извлечения оксида алюминия из красного шлама включет автоклавное выщелачивании красного шлама при температуре 230-260°С и давлении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002561417
Дата охранного документа: 27.08.2015
10.11.2015
№216.013.8b87

Способ получения коллоидного раствора наночастиц сульфида свинца

Изобретение относится к способам получения коллоидных растворов, содержащих наночастицы полупроводникового соединения, и может быть использовано в оптоэлектронике и медицине. Предлагается способ получения коллоидного раствора наночастиц сульфида свинца, включающий смешивание исходного раствора...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002567326
Дата охранного документа: 10.11.2015
27.11.2015
№216.013.9496

Сырьевая смесь для сульфатированного цемента

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано в производстве портландцементов. Технический результат заключается в повышении прочности на сжатие, ускорении сроков схватывания. Сырьевая смесь для сульфатированного цемента состоит из двуводного гипса,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002569657
Дата охранного документа: 27.11.2015
20.12.2015
№216.013.9a52

Сплав для получения водорода на основе алюминия

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для получения водорода. Сплав для получения водорода на основе алюминия и добавки, разрушающей окисную пленку алюминия при взаимодействии с водой, содержит в качестве добавки лантан при следующем соотношении компонентов: лантан-...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002571131
Дата охранного документа: 20.12.2015
Showing 1-5 of 5 items.
20.02.2014
№216.012.a27a

Способ нанесения пленки металла

Изобретение относится к способам получения пленок металлов, например, в виде покрытий, и может быть использован в металлургии и машиностроении при изготовлении материалов с необычными физико-химическими, электрофизическими, фотофизическими, магнитными или каталитическими свойствами. Согласно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002507309
Дата охранного документа: 20.02.2014
20.03.2014
№216.012.ab87

Способ получения нанодисперсных порошков металлов или их сплавов

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Порошкообразный хлорид металла или порошкообразную смесь по крайней мере двух хлоридов металлов обрабатывают в атмосфере водяного пара, который подают в реакционное пространство со скоростью 50-100 мл/мин, при температуре 400-800°C в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509626
Дата охранного документа: 20.03.2014
10.04.2016
№216.015.2ba8

Способ получения наноультрадисперсного порошка оксида металла

Изобретение относится к области химической промышленности. Способ включает обработку исходной смеси, содержащей хлорид металла, в токе водяного пара при повышенной температуре. В исходную смесь вводят хлорид натрия. Соотношение хлорид металла: хлорид натрия =1÷2:1. Обработку проводят при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579632
Дата охранного документа: 10.04.2016
29.05.2018
№218.016.53d3

Способ получения наноструктурированных порошков ферритов и установка для его осуществления

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ получения наноструктурированных порошков ферритов включает получение смеси соли азотной кислоты и по крайней мере одного оксидного соединения металла, ультразвуковую обработку, термообработку и фильтрацию. Получают смесь...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002653824
Дата охранного документа: 14.05.2018
08.06.2019
№219.017.75db

Способ получения нанопорошков сложного германата лантана и щелочного металла

Изобретение относится к неорганической химии и может быть использовано при получении люминофоров. В азотной кислоте растворяют карбонат щелочного металла, взятый в 50-100 %-ном избытке по сравнению со стехиометрическим, и оксид лантана. Концентрация оксида лантана в полученном растворе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002690916
Дата охранного документа: 06.06.2019
+ добавить свой РИД