Наноразмерный кварц и способ его получения



Наноразмерный кварц и способ его получения
Наноразмерный кварц и способ его получения
Наноразмерный кварц и способ его получения
C01P2004/64 - Неорганическая химия (обработка порошков неорганических соединений для производства керамики C04B 35/00; бродильные или ферментативные способы синтеза элементов или неорганических соединений, кроме диоксида углерода, C12P 3/00; получение соединений металлов из смесей, например из руд, в качестве промежуточных соединений в металлургическом процессе при получении свободных металлов C21B,C22B; производство неметаллических элементов или неорганических соединений электролитическими способами или электрофорезом C25B)

Владельцы патента RU 2778691:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Карельский научный центр Российской академии наук" (RU)

Изобретение может быть использовано при получении исходного сырья для создания элементов для электроники и оптики, в промышленном производстве композиционных материалов, в биотехнологии, биомедицине, фармакологии. Для получения наночастиц кварца в качестве сырья используют жильный кварц шунгитовых пород, который измельчают в шаровой мельнице до порошка с размером частиц менее 50 мкм, отстаивают в воде при соотношении 1:10 в течение суток, фильтруют и обрабатывают в воде ультразвуком мощностью 300 Вт при частоте 22 кГц в течение 30 мин. Полученную дисперсию фильтруют, разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0,1 мг/мл и центрифугируют при 3000 об/мин в течение 30 мин. Надосадочную часть дисперсии высушивают. Полученные наночастицы кварца имеют кристаллическую решетку, удельную поверхность 80-120 м2/г, содержат одну фазу α-кварца. Изобретение позволяет получить наночастицы кварца из шунгита экологически безопасным и простым способом, снизив трудовые, временные и материальные затраты. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу получения наноразмерных частиц кварца из нетрадиционного для кварца вида минерального сырья - шунгита. Наноразмерный кварц является перспективным материалом в различных сферах промышленности, таких как машино- и приборостроение, электроника, оптика, биотехнологии и др. Помимо этого может использоваться как компонент для создания защитных стекол, дисплеев, красителей, а также для производства наномодифицированных композиционных материалов.

Известен наноразмерный кварц, полученный плазменно-дуговым методом, имеющий следующие структурно-морфологические характеристики: форма частиц - сферическая, распределение по размерам - в интервале от 10 до 300 нм, удельная поверхность - от 37 до 71 м2/г.(Вестник Бурятского государственного университета химия, физика, 2018 г, вып. 2-3, стр. 15-18).

Получаемый данным способом порошок наноразмерного кварца не содержит кристаллическую решетку, является аморфным.

На сегодняшний день известны способы получения наночастиц кварца, потенциально востребованные в промышленности. Однако эти способы в основном являются энергозатратными и дорогостоящими.

Известен способ получения наночастиц, по которому специально приготовленную реакционную смесь растирают до однородного состояния, прессуют при нормальных условиях под давлением от 2.0 до 3.0 см, затем подвергают термобарической обработке при давлении 8-9 ГПа и температурах 1200-1500°С с изотермической выдержкой 3-20 с. Далее происходит снижение сначала температуры до комнатной, затем давления до атмосферного. На следующем этапе полученный продукт диспергируют в водной среде и над образцом проводят кипячение смесью серной, азотной и хлорной кислот с объемным соотношением 1:1:1 в течение 5-10 часов с последующей отмывкой в дистиллированной воде до нейтральной реакции. Затем проводят ступенчатое центрифугирование с использованием различных скоростей вращения. Данный способ позволяет получать ультрананоразмерные и наноразмерные фракции с размерами частиц 10-100 нм, которые востребованы для квантово-физических и биомедицинских применений (Патент RU 2680512 от 21.11.2017 г.).

Недостатком этого способа является трудоемкость получения конечного продукта. Также использование смеси кислот и термобарической обработки не только усложняет процесс, но и делает вышеописанный способ небезопасным.

Известен способ получения наночастиц, по которому используется осаждение в вакууме лазерным способом при приложении ориентирующего электрического поля напряженностью 100-600 В/см. (Патент RU 2697413 от 13.06.2018 г.).

Недостатком этого способа является большая трудоемкость получения конечного продукта, а также сложность процесса и дорогостоящие установки, используемые для лазерного осаждения. Помимо этого способ недостаточно раскрыт для воспроизведения.

Ближайшим техническим решением к заявленному способу получения наночастиц кварца является способ получения наночастиц углерода из шунгита с содержанием углерода 96-98 вес. %, который дробят и измельчают до состояния порошка фракции менее 40 мкм, затем порошок заливают водой в соотношении 1:2, отстаивают в течение 3-х суток, фильтруют и оставшийся на фильтре порошок высушивают. Далее полученный порошок диспергируют в воде с использованием мелющих тел диаметром 1-3 мм при отношении массы порошка шунгита к массе воды и массе мелющих тел 1:4:3 в течение 60 минут. Затем полученную смесь фильтруют и высушивают. На следующем этапе проводят повторное диспергирование в воде ультразвуком при частоте 22 кГц, мощности 1000 Вт, в течение 35 минут при отношении массы порошка шунгита к массе воды 1:2, фильтруют и центрифугируют в течение 15 минут при 10000 об/мин. (Патент RU 2642632 от 13.07.2016 г.).

К недостаткам следует отнести более высокие материальные, трудовые и временные затраты и неоднократный повтор цикла получения порошка конечного продукта, что делает данный способ более трудоемким. Несмотря на идентичные стадии в процессе изготовления порошка, содержащего наночастицы, данный способ разработан именно для получения наночастиц углерода.

Задачей изобретения является создание высокотехнологичного, экологически безопасного способа получения наноразмерного кварца, позволяющего расширить области его практического применения.

Техническим результатом изобретения является получение наноразмерного кварца с кристаллической решеткой и создание экологически безопасного, относительно дешевого и простого в воспроизведении способа получения наноразмерного кварца из нетрадиционного для кварца вида минерального сырья шунгита.

Заявляемый технический результат достигается следующим образом: наноразмерный кварц содержащий частицы различного размера от 20-300 нм, согласно изобретению имеет кристаллическую решетку, содержит одну фазу α-кварца и удельную поверхность кварца от 80-120 м /г.

Заявляемый технический результат достигается так же тем, что способ получения наночастиц кварца, включающий измельчение, фильтрацию, диспергирование в воде ультразвуком при частоте 22 кГц и центрифугирование, согласно изобретению в качестве сырья используют жильный кварц шунгитовых пород, который измельчают в шаровой мельнице до порошка с размером частиц менее 50 мкм, отстаивают в воде при соотношении 1:10 в течение суток, фильтруют и обрабатывают в воде ультразвуком мощностью 300 Вт в течении 30 минут, полученную дисперсию фильтруют, разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0,1 мг/мл и центрифугируют при 3000 об/мин в течении 30 минут, надосадочную часть дисперсии высушивают.

Изобретение реализуется следующим образом.

Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами. Фиг. 1. Рентгенограмма порошка.

Фиг. 2. Микрофотография продукта после ультразвуковой обработки. Фиг. 3. Данные динамического светорассеяния.

Для работы используют жильный кварц шунгитовых пород, который хорошо диагностируется по белому цвету и стеклянному или матовому блеску. Жильный кварц слагает различные по мощности и форме прожилки, секущие шунгитовые породы разной текстуры и представляет собой нетрадиционный для кварца вид минерального сырья.

Структурные параметры кварца шунгитовых пород в сравнении с эталонными образцами описаны в статье Р.В. Садовничий, А.А. Ковальчук, Н.Н. Рожкова и И.С.Инина «Морфологические и структурные особенности кварца шунгитовых пород Максовской залежи (Труды КарНЦ РАН, опубл. 2016 №2 стр. 73-88).

Способ осуществляется следующим образом:

На первоначальном этапе берут жильный кварц шунгитовых пород, который измельчают в шаровой мельнице до состояния порошка различной фракции менее 50 мкм.

Для получения частиц наименьшего размера с равномерным распределение частиц порошка шунгита по размерам полученный порошок заливают водой в отношении 1:10 и отстаивают в течении суток. Данный режим отстаивания порошка шунгита в воде является наиболее оптимальным для достижения эффективной очистки шунгитового порошка от минеральных примесей. Экспериментально проверено, что при более длительном отстаивании эффективность очистки не изменяется. После чего полученную смесь фильтруют.

Отфильтрованный порошок для стабильности размеров наночастиц кварца диспергируют в воде ультразвуком на ультразвуковом диспергаторе при частоте 22 кГц и мощности 300 Вт в течение 30 минут при соотношении массы порошка шунгита к объему воды 1.2 г/50 мл, после чего полученную смесь фильтруют. Ультразвуковую обработку проводили при частоте 22±10% кГц. Заявляемый режим диспергирования порошка шунгита в воде ультразвуком является наилучшим для достижения эффекта стабильности размеров наночастиц кварца, что наглядно проиллюстрировано на фиг. 1, 2 и 3.

На следующем этапе полученный порошок шунгита разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0.1 мг/мл. Для сохранения стабильности размеров наночастиц кварца полученную водную дисперсию центрифугируют при 3000 об/мин в течение 30 минут на центрифуге.

На заключительном этапе надосадочную часть водной дисперсии высушивают и получают конечный продукт - наноразмерный кварц.

Для получения наиболее очищенного от примесей наноразмерного кварца полученный продукт дополнительно фильтруют и обрабатывают в воде ультразвуком мощностью 300 Вт в течении 30 минут, полученную дисперсию фильтруют, разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0,1 мг/мл и центрифугируют при 3000 об/мин в течении 30 минут, надосадочную часть дисперсии высушивают.В результате повтора данных этапов двух и более раз повышается степень очистки наноразмерного кварца от примесей.

Получаемый порошок наночастиц кварца анализируют методами рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии и динамического светорассеяния.

Рентгенографирование образцов выполнялось на автоматическом дифрактометре ARL X'TRA в области углов 2θ: 2°-156,5°, с шагом 0,01°, время набора импульсов 3 сек. на CuKα.

Рентгенофазовый анализ порошка свидетельствует о получении одной фазы - α-кварца. Представлена рентгенограмма порошка, полученного из водной дисперсии жильного кварца шунгитовых пород (фиг. 1). В соответствии с кристаллографической базой данных ICSD 174 - это чистый α-кварц. С помощью рентгеноструктурного анализа определяют параметры структуры наночастиц кварца. Средний размер наночастиц порошка в дисперсии составляет 20-300 нм, что говорит о наноразмерности, а отсутствие элементов примесей - о высокой степени очистки получаемого кварца.

Микроскопические исследования выполняют с использованием сканирующего (СЭМ) электронного микроскопа VEGA II LSH Teckan с приставкой Oxford Inka для микроанализа. При конденсации водной дисперсии наночастиц кварца на стеклянной подложке размер частиц по данным СЭМ составляет 50-200 нм (фиг. 2). Масштаб изображения - 1 мкм.

Средний размер наночастиц кварца и их полидисперсность определяют по данным динамического светорассеяния (ДСР) на анализаторе размеров наночастиц Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments) (фиг. 3). Представленный результат есть распределение относительной интенсивности рассеянного света по размерам частиц кварца в водной дисперсии (фиг. 3.а). Для этой же дисперсии распределение основных размерных фракций кварца по объему (фиг. 3.б):

Пик 1 - 36,1±7,5 нм - по объему - 25,1%

Пик 2 - 103,7±35,0 нм - по объему - 41,5%

Пик 3 - 264,4±90,0 нм - по объему - 31,4%.

Наноразмерный кварц, полученный заявляемым способом, имеет следующие структурно-морфологические характеристики: частицы имеют кристаллическую решетку, распределение по размерам - в интервале от 20 до 300 нм, удельная поверхность кварца -80 - 120 м /г, получение одной фазы - α-кварца

Таким образом, заявляемое изобретение является простым и технологичным за счет небольшого количества стадий обработки измельченного порошка шунгита, а как следствие снижение трудовых, временных и материальных затрат. Заявляемый способ осуществляется только механическим воздействием на исходный материал и является экологически безопасным, что обусловлено отсутствием использования токсичных органических веществ. При повторе стадий обработки - повышение степени очистки наноразмерного кварца от примесей. Заявляемый стабильный очищенный порошок наночастиц чистого кварца из шунгита может быть широко использован в промышленном производстве наномодифицированных композиционных материалов, в биотехнологии, в биомедицине, в фармакологии, а также как исходное сырье для создания элементов для электроники и оптики.

1. Способ получения наночастиц кварца, включающий измельчение, фильтрацию, диспергирование в воде ультразвуком при частоте 22 кГц и центрифугирование, отличающийся тем, что в качестве сырья используют жильный кварц шунгитовых пород, который измельчают в шаровой мельнице до порошка с размером частиц менее 50 мкм, отстаивают в воде при соотношении 1:10 в течение суток, фильтруют и обрабатывают в воде ультразвуком мощностью 300 Вт в течение 30 мин, полученную дисперсию фильтруют, разбавляют дистиллированной водой до концентрации 0,1 мг/мл и центрифугируют при 3000 об/мин в течение 30 мин, надосадочную часть дисперсии высушивают.

2. Наночастицы кварца, полученные способом по п. 1, отличающиеся тем, что имеют кристаллическую решетку, содержат одну фазу α-кварца и удельную поверхность кварца 80-120 м2/г.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к химической промышленности и нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении анодных и электродных материалов для химических источников тока и суперконденсаторов. Готовят реакционную смесь, содержащую водный раствор перманганата калия KMnO4 и органического соединения - аскорбиновой кислоты C6H8O6 при их мольном соотношении 1:(1-5) соответственно.

Изобретение относится к технологии получения малозольного графита, который может быть использован в качестве конструкционного материала в атомной энергетике, теплотехнике, для изготовления тиглей для плавки металлов, для получения многокомпонентного стекла, трубчатых нагревателей, а также является исходным сырьем для получения коллоидного графита, оксида графита и расширенного графита.

Изобретение относится к химической промышленности, электрохимии и энергетике и может быть использовано при изготовлении анодных материалов твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) электрохимических устройств. Сначала готовят смесь порошков оксида или карбоната церия и оксида алюминия в необходимом стехиометрическом количестве по отношению к массе получаемого алюмината церия.

Изобретение относится к технологии получения слоистого композита дисульфида молибдена с углеродом, который может быть использован для промышленного производства электродных масс натрий-ионных аккумуляторов (НИА), смазочных материалов, осмотических мембран для нефтехимии. Слоистый композит углерод-дисульфид молибдена получают с использованием в качестве исходного источника углерода вискозного волокна, которое пропитывают раствором аммония молибденовокислого четырехводного (NH4)6Mo7O24⋅4H2O, высушивают, карбонизируют при температурах 630-950°С с выдержкой при 220°С, 280°С и 350°С в течение не менее 15 мин при каждой температуре, а после волокно подвергают сольвато-термической обработке в растворе тиомочевины NH2CSNH2 при температуре 75°С в течение 4 ч с последующей сушкой.

Изобретение относится к технологии получения химического соединения состава (NH4)3Sc0,995Eu0,005(S04)3, которое может быть использовано в качестве люминофора для бесконтактного определения температуры. Предлагается двойной сульфат скандия и аммония, допированный европием, состава (NH4)3Sc0,095Eu0,005(SO4)3.

Изобретение относится к химической технологии получения неорганического соединения - молибдата натрия-висмута со структурой шеелита, который является перспективным материалом в качестве матрицы для люминесцентных устройств, таких как светодиоды белого свечения, газоразрядных мембран, сепараторов, сенсоров и топливных элементов.

Изобретение относится к технологии изготовления композитных материалов, содержащих наночастицы платины и ее сплавы, используемых в качестве анода и катода в электролизерах и топливных элементах с протоннообменной мембраной. Способ получения платиносодержащих катализаторов осуществляют путём формирования наночастиц платины в процессе химического восстановления соединений металла в жидкой реакционной среде при воздействии ультрафиолетовым облучением, при этом реакционная среда содержит углеродный носитель, в качестве которого используют углеродные дисперсные материалы с удельной поверхностью выше 50 м2/г, растворитель – этиленгликоль, восстановитель, прекурсор платины – водный раствор гексагидрата хлорплатиновой кислоты, а также водный раствор щелочного агента, а ультрафиолетовое облучение проводят в течение 30-180 мин перед началом химического восстановления или в процессе химического восстановления при температуре от 20 до 160°С.
Изобретение относится к получению сложных оксидов металлов для электронной и СВЧ техники, фотоники, энергетики, для получения магнитных и магниторезистивных композиций, высокотемпературных сверхпроводников, в качестве покрытий для летательных аппаратов, упрочняющих добавок к строительным и конструкционным материалам.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при нанесении покрытий на поверхность изделий, предназначенных для машиностроения, авиации, космонавтики, энергетики. В качестве исходных компонентов используют металлосодержащий порошок и оксид графена в объёмном соотношении (1:1)÷(5:1).

Изобретение относится к технологи получения сверхрешеток из нанокристаллов свинцово-галогенидного перовскита, допированного ионами кадмия CsСdxPb1-xBr3, (0<x<1), которые могут быть использованы как компоненты оптоэлектронных приборов, работающих в синем диапазоне длин волн света. Способ получения сверхрешеток из нанокристаллов свинцово-галогенидного перовскита включает добавление октадецена к порошку безводного карбоната цезия Cs2CO3, выдерживание полученной смеси при температуре 100°C в течение 30 мин, добавление олеиновой кислоты и нагревание до 180°C с образованием олеата цезия, охлаждение полученного раствора до 25°C за 30 мин, введение октадецена в бромид свинца PbBr2, создание вакуума с последующим перемешиванием при 100°C в течение 30 мин, введение в эту смесь олеиламина и олеиновой кислоты и ее нагрев до 180°C, смешивание полученных растворов олеата цезия и бромида свинца с образованием коллоидного раствора нанокристаллов свинцово-галогенидного перовскита в октадецене, его охлаждение до 15°C на ледяной бане, очистку от октадецена центрифугированием, редиспергирование осадка нанокристаллов, повторное центрифугирование коллоидного раствора и удаление надосадочного раствора, редиспергирование осадка нанокристаллов в толуоле с образованием коллоидного раствора нанокристаллов свинцово-галогенидного перовскита в толуоле, который прокапывают на предварительно очищенную кремниевую подложку с образованием сверхрешеток из нанокристаллов свинцово-галогенидного перовскита при испарении толуола, при этом перед очисткой в коллоидный раствор нанокристаллов свинцово-галогенидного перовскита CsPbBr3 в октадецене дополнительно добавляют октадецен, центрифугирование во время очистки осуществляют с ускорением 1000g в течение 5-10 мин, далее удаляют надосадочный раствор, редиспергирование осадка нанокристаллов проводят в октадецене, к нему добавляют заранее приготовленную смесь, полученную перемешиванием четырехводного бромида кадмия CdBr2•4H2O с октадеценом при температуре 130°C со скоростью 1000 об/мин в перчаточном боксе, заполненном атмосферой азота 99,999%, в течение 40 мин и добавлением олеиламина и олеиновой кислоты с нагревом до 180°C и охлаждением до 25°C за 30 мин, полученный состав вакуумируют и перемешивают со скоростью 1000 об/мин при комнатной температуре в течение 10 мин, нагревают до 150°C и выдерживают в течение 10 мин, охлаждают до 25°C за 30 с, в результате чего получают коллоидный раствор нанокристаллов состава CsСdxPb1-xBr3, (0<x<1) в октадецене, повторное центрифугирование проводят с ускорением 1000g в течение 5 мин, а после удаления надосадочного раствора в результате редиспергирования осадка нанокристаллов в толуоле получают концентрированный коллоидный раствор нанокристаллов свинцово-галогенидного перовскита CsСdxPb1-xBr3 в толуоле, раствор после редиспергирования вновь центрифугируют в толуоле с ускорением 1000g в течение 5 мин и отбирают надосадочный коллоидный раствор нанокристаллов состава CsСdxPb1-xBr3 в толуоле, который прокапывают на упомянутую кремниевую подложку, предварительно очищенную в атмосфере кислородной плазмы под давлением 0,3-0,4 Мбар с мощностью генератора 50-100 Вт в течение 1 мин.

Изобретение относится к способу нисходящего одноэтапного синтеза наночастиц диоксида кремния из объемного кремния – HR-, N-, P-кремниевые пластины с переработкой при рН≥5 водного раствора гидротермальным синтезом при температуре 297,15-453,15 K в течение 2-96 часов макрочастиц объемного кремния в монодисперсные наночастицы диоксида кремния с возможностью регулирования средних размеров наночастиц диоксида кремния.
Наверх