Способ сепарации полидисперсных частиц в плазме высокочастотного емкостного разряда и устройство для его осуществления

(51) 03 9/00 (2006.01) 03 11/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ размера, которые находят сво применение в научном и специальном машиностроении (дозаторы редких или опасных веществ, калибровочные частицы, генераторы капель и др.), биологии и медицине (криоконсервация биологических веществ, микродозирование био- и медицинских препаратов,экспресс-системы диагностики и др.), энергетике (монодисперсные форсунки, гранулированное ядерное топливо и др.),производстве новых материалов со специальными свойствами (композиты, проводящие клеи и пасты,высокотемпературные сверхпроводники и др.) и ряде других отраслей, а также для решения различных практических задач, связанных с определением характеристик частицы (заряд, масса, и т.п.). Достигаемый технический результат - упрощение процесса сепарации. Способ сепарации полидисперсных пылевых частиц в высокочастотном емкостном разряде и устройство для его осуществления основан на захвате и управлении плазменно-пылевой структуры электрическим полем нижнего электрода, для осуществления которого используют модернизированный нижний электрод, который представляет собой плоский диск из алюминия с отверстиями и ловушка на ней в виде незамкнутого кольца. Управляя мощностью разряда(72) Рамазанов Тлеккабул Сабитович Досболаев Мерлан ылышлы Габдуллин Маратбек Тулепбергенович Батрышев Дидар Галымович Оразбаев Саги Амзеевич(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Национальная нанотехнологическая лаборатория открытого типа Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Казахский национальный университет им. аль-Фараби Министерства образования и науки Республики Казахстан(56) Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т 3. Оборудование для физикомеханических методов переработки. С. 894(54) СПОСОБ СЕПАРАЦИИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к области технологических процессов и транспортирования, и представляет собой новый способ сепарации полидисперсных частиц микронных размеров для получения монодисперсных частиц требуемого Изобретение относится к области технологических процессов и транспортирования, и представляет собой новый способ сепарации полидисперсных частиц микронных размеров для получения монодисперсных частиц требуемого размера, которые находят сво применение в научном и специальном машиностроении (дозаторы редких или опасных веществ, калибровочные частицы, генераторы капель и др.), биологии и медицине(монодисперсные форсунки,гранулированное ядерное топливо и др.),производстве новых материалов со специальными свойствами (композиты, проводящие клеи и пасты,высокотемпературные сверхпроводники и др.) и ряде других отраслей, а также для решения различных практических задач, связанных с определением характеристик частицы (заряд, масса,и т.п.). Сепарация (от лат.- отделение) разделение смесей разнородных частиц тврдых материалов, жидкостей разной плотности, эмульсий,взвесей тврдых частиц или капелек в газах, парах,двухфазных средах. При сепарации компоненты не изменяют своего фазового и химического состава. В зависимости от среды разделения сепарация может быть сухая (пневматическая) и мокрая (в водной среде), а также в тяжлой жидкости, суспензии(тяжелосредная), в пенах. Выбор метода сепарации определяется контрастностью свойств разделяемых компонентов. Известен способ магнитной сепарации для железных руд, состоящих из магнетита и немагнитного кварца, основанный на использовании различия в магнитных свойствах (величинах магнитной восприимчивости, остаточной индукции,коэрцитивной силы и др.) компонентов разделяемой механической смеси (минералов, их сростков и др.) крупностью до 150 мм в неоднородном постоянном или переменном магнитном полях. Физический механизм разделения магнитной сепарации как сильномагнитных, так и слабомагнитных руд состоит в том, что минеральные зрна, обладающие более высокой магнитной восприимчивостью,притягиваются к полюсам магнитной системы магнитных сепараторов и с помощью транспортирующих устройств перемещаются в примные устройства магнитных продуктов, а немагнитные или слабомагнитные зрна потоком выносятся в примные устройства немагнитных продуктов (Деркач В. Г., Специальные методы обогащения полезных ископаемых, М., 1966 Кармазин В. В., Кармазин В. И., Бинкевич В. А.,Магнитная регенерация и сепарация при обогащении руд и углей, М., 1968 Остапенко П. Е.,Обогащение железных руд, М., 1977 Кармазин В. И., Кармазин В. В., Магнитные методы обогащения,М., 1984.). Недостатками этого способа являются ограниченный выбор материала,трудность управления, крупная дисперсия и ограничения размера, выше 70 мкм. Известен способ выделения из руд золота,вольфрамита, касситерита и др. минералов,имеющих высокую плотность,в котором используют гравитационные процессы сепарации разделение твердых полидисперсных систем на фракции по скорости осаждения частиц разной крупности под действием центробежногравитационных сил в горизонтальном или восходящем потоке воздуха. Твердые минералы при их вращении с несущей средой (воздухом) или без нее более крупные частицы, обладающие большей центробежной силой, перемещаются в радиальном направлении к периферии аппарата быстрее, чем мелкие частицы, вытесняя их к центру. Непосредственно разделение материала на фракции происходит под действием центробежных сил, а гравитационные силы выводят крупную фракцию из сепарационной зоны,что обеспечивает непрерывность процесса. (Лященко П. В.,Гравитационные методы обогащения, (2 изд.), М. ., 1940 Полькин С. И., Лаптев С. Ф., Обогащение оловянных руд и россыпей, М., 1974 Справочник по обогащению руд, Основные процессы, М., 1983.). Недостатками этого способа являются крупногабаритная установка, ограниченный выбор материала, ограничения размера от 0,1-2 до 250-300 мм, большая дисперсность. Известен способ сепарации статическим электрическим полем, которое разделяет материалы с различной электропроводностью. Барабан электростатических сепараторов снабжают отрицательно заряженным электродом от выпрямителя электрического тока. Частицы минералов,обладающие высокой электропроводностью, при движении ленты по поверхности барабана заряжаются отрицательно и,отталкиваясь от ленты, ссыпаются в бункер,поставленный на некотором расстоянии от барабана,а частицы, не обладающие электропроводностью(диэлектрики), ссыпаются в бункер, расположенный ближе к барабану. (Тимонин А.С., Инженерно экологический справочник. ТЗ, Оборудование для физико-механических методов переработки. С. 894). Недостатками этого способа являются крупногабаритная установка, ограниченный выбор материала, ограничения размера от 0,04-2,0 мм,большая дисперсность. Известно экспериментальное устройство для получения наночастиц и наноструктур в плазме ВЧЕР методом магнетронного распыления, которое состоит из следующих элементов (фиг.1)Магнетрон (1), для распыления материала на микрочастицу. Емкостной высокочастотный разряд образующейся между плоскопараллельными дисковыми электродами (2), поддерживающийся высокочастотным генератором (4) с частотой 13,56 МГц.Дозатор с микрочастицами (5) для выбрасывания частицы в объем плазмы. Рабочая (вакуумная) камера выполнена в виде цилиндрического колпака из нержавеющей стали со смотровыми окошками (3).Пьеза-элементный натекатель для напуска газа.Термопарно-ионнизационный манометр для измерения давления.Вакуумная система. Экспериментальное устройство собрано на базе вакуумного поста (ВУП-5), то есть была использована вакуумная часть данного поста. Вакуумно-плотное соединение рабочей камеры с базовой плитой достигается с помощью прокладки из эластомера, обладающим незначительным газовыделением. Задачей предложенного изобретения является разработка нового способа сепарирования полидисперсных частиц и устройства для его осуществления. Технический результат - упрощение процесса сепарации. Технический результат достигается предлагаемым способом сепарации полидисперсных частиц в плазме высокочастотного емкостного разряда, включающим сепарацию электрическим полем, но в отличие от известного, сепарирование осуществляют в плазме высокочастотного емкостного разряда, а также устройством для его осуществления, состоящим из вакуумного поста(ВУП-5) и рабочей камеры из нержавеющей стали в форме цилиндра со смотровыми окошками,состоящей из двух плоскопараллельных дисковых электродов, верхний из которых заземлен, а нижний подсоединен к высокочастотному генератору, пьезоэлементного натекателя,термопарноионнизационного манометра, дозатора и ловушки,но в отличие от известного нижний электрод выполнен с отверстиями, на котором расположена ловушка в форме незамкнутого кольца, а также устройство дополнительно снабжено двумя контейнерами, которые соединены с нижним электродом. Авторам неизвестен способ сепарации полидисперсных частиц в плазме высокочастотного емкостного разряда. Преимущество данного способа сепарации в плазме позволяет работать с малыми размерами частиц - от 1 до 20 мкм, где силы поверхностного натяжения начинают играть более существенную роль, чем сила тяжести. Способ осуществляют с помощью экспериментальной установки (фиг.2), которая состоитРабочая (вакуумная) камера (1) выполнена в виде цилиндрического колпака из нержавеющей стали со смотровыми окошками (3). Емкостной высокочастотный разряд образующейся между плоскопараллельными дисковыми электродами (2), поддерживающийся высокочастотным генератором (4) с частотой 13,56 МГц.Дозатор с микрочастицами (5) для выбрасывания частицы в объем плазмы.Ловушка (6) в форме незамкнутого кольца. Два контейнера (7) для сбора частиц.Пьеза-элементный натекатель для напуска газа.Термопарно-ионнизационный манометр для измерения давления.Вакуумная система. Конфигурация нижнего электрода, представляет собой плоский диск из алюминия с отверстиями на ней. Ловушка имеет вид незамкнутого кольца и не зависит от материала изготовления. Диаметр отверстий 6 см и 1 мм, а под ними находятся два контейнера для сбора сепарированных и упавших частиц. Расположения отверстий, ловушки и контейнеров показаны на фиг.2 и 3. Данная форма модернизированного нижнего электрода прежде никем не была использована и нет упоминаний в литературе об ее применении. Способ сепарации полидисперсных пылевых частиц в высокочастотном емкостном разряде основан на захвате и управлении плазменнопылевой структуры электрическим полем нижнего электрода. Способ осущестляют следующим образом. В рабочую камеру, после установления высокого вакуума с помощью пьеза-элементного натекателя напускают рабочий газ - аргон, давление 0,5-0,7 Торр. На нижний электрод подают переменное напряжение от ВЧ генератора с частотой 13,56 МГц,образуя между плоскопараллельными электродами плазму ВЧЕР. Образование плазменно-пылевой структуры осуществлют механическим выбросом полидисперсных частиц 2 (0-100 мкм) через отверстие верхнего электрода. Падая, в плазменной среде они заряжаются электрически. Из-за более высокой мобильности электронов они приобретают отрицательный заряд, который позволяет им левитировать из-за баланса электрической силы и силы тяготения над поверхностью нижнего электрода. В радиальном направлении пылевые частицы удерживаются ловушкой, происходит захват плазменно-пылевой структуры, но так как ловушка не замкнута, это позволяет отводить частицы из ловушки в контейнер для сбора сепарированных частиц, а те частицы, которые упали, преодолев электрическую силу и пройдя через отверстия диаметром 1 мм, собирают во втором контейнере под электродом. Таким образом, реализуются захват и управление плазменно-пылевой структуры электрическим полем нижнего электрода. Затем на сканирующем электронном микроскопе 3 200 (,) исследуют полученные в ходе эксперимента сепарированные микрочастицы 2, при давлении газа 0,6 Торр и мощности ВЧ - генератора 12 Вт (фиг.4). Размер левитирующих частиц существенно отличается от размера выбрасываемых полидисперсных частиц 2. Размеры полученных сепарированных частиц 2-16 мкм, тогда как первоначальные размеры частиц равнялись 1-100 мкм. Связано это с балансом сил тяжести и электрической, действующих на пылевые частицы, 3 поэтому частицы разных размеров левитируют при различных продольных координатах. Желаемый порядок фракции устанавливают параметром плазмы мощностью ВЧ - генератора. Чем больше мощность, тем больше количество дискретных фракций и наоборот. Такая особенность существенно упрощает получение частиц требуемых размеров с малой дисперсностью. Предлагаемые способ и устройство для осуществления позволяют получать микрочастицы с малой дисперсностью. На фиг. 5 приведены фото сепарированных частиц с размерами 2,1-2,4 мкм и дисперсностью 34, при давлении газа 0,5 Торр и мощности ВЧ генератора 0,5 Вт. Таким образом, с помощью предлагаемого способа получают сепарированные частицы требуемого размера с малой дисперсностью. Способ включает в себя поэтапное сепарирование по массе,сначала сепарируют малые массы, затем повторным использованием выброшенных в плазму сепарируют полидисперсных частиц 2 следующие. Так как в данном способе используют полые сферические частицы, то сепарация происходит не только по массам, но и по размерам. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ сепарации полидисперсных частиц в плазме высокочастотного емкостного разряда,включающий сепарацию электрическим полем,отличающийся тем,что сепарирование осуществляют в плазме высокочастотного емкостного разряда. 2. Устройство для сепарации полидисперсных частиц в плазме высокочастотного емкостного разряда, состоящее из вакуумного поста (ВУП-5) и рабочей камеры из нержавеющей стали в форме цилиндра со смотровыми окошками, состоящей из двух плоскопараллельных дисковых электродов,верхний из которых заземлен, а нижний подсоединен к высокочастотному генератору, пьезоэлементного натекателя,термопарноионнизационного манометра, дозатора и ловушки,отличающийся тем, что нижний электрод выполнен с отверстиями, на котором расположена ловушка в форме незамкнутого кольца, а также устройство дополнительно снабжено двумя контейнерами, которые соединены с нижним электродом.