本發(fā)明涉及納米材料科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及納米粒子分級(jí)裝置及方法。

背景技術(shù)：

1981年，掃描隧道顯微鏡(stm)的發(fā)明，不但使得發(fā)明人ibm公司瑞士zürich研究所研究員gerdbinning和heinrichrohrer獲得1986年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，而且給了科學(xué)家和工程師一把“鑰匙”，打開了人類未知領(lǐng)域：納米世界的大門。從此，嶄新的納米科學(xué)和技術(shù)學(xué)科誕生并且快速發(fā)展，成為了各國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿，國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)利器，提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)民福祉的重要手段。stm，能夠在室溫下看到平面上試樣小于0.1納米的原子、分子，深度分辨率為0.01納米（10皮米）；并且能夠操縱原子的移動(dòng)。ibm公司科學(xué)家用stm，移動(dòng)一個(gè)一個(gè)的原子，拼寫出三個(gè)字母：ibm。

納米是個(gè)長(zhǎng)度單位，1米(m)＝1×109納米(nm)?？茖W(xué)家把3.5個(gè)金原子或8個(gè)氫原子按個(gè)排成一行，其長(zhǎng)度是1納米(nm)。如cpu生產(chǎn)進(jìn)入到5納米線寬，3納米線寬技術(shù)開發(fā)中。納米量級(jí)事物實(shí)際上大量存在于自然界，如dna直徑2nm、血紅蛋白直徑5.5nm，天然沸石是多孔材料、孔徑在0.1～5納米。在納米科學(xué)和技術(shù)學(xué)科，歐美國(guó)家通常認(rèn)為1－100nm為納米尺度范圍，亞洲國(guó)家如中國(guó)以0.1－100nm為納米尺度范圍。通常認(rèn)為納米科學(xué)是研究與較大尺寸的材料性能有本質(zhì)區(qū)別的原子、分子和大分子材料的現(xiàn)象和操控的一門科學(xué)；納米技術(shù)是指在納米尺度，通過控制形狀和大小，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、表征、制造及其應(yīng)用的一門技術(shù)。而納米材料是納米科學(xué)和納米技術(shù)的基礎(chǔ)。

納米材料是至少一個(gè)維度在納米尺度的材料。根據(jù)維度，納米材料分為三類：1）三維尺度都在納米尺度的，如：納米粒子、量子點(diǎn)、納米殼體、納米環(huán)，微膠囊等；2)二維尺度在納米尺度的，如：納米管、納米纖維、納米線等；3）一維尺度在納米尺度的，如薄膜、薄層、涂層等。納米材料通常分為兩大類：1)無(wú)意識(shí)制得的納米材料：如蛋白質(zhì)、病毒、火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰、柴油燃燒產(chǎn)生的納米顆粒物等；2）人類有意識(shí)制得的納米材料：如各種工藝生產(chǎn)的金屬納米粉、液相法合成的無(wú)機(jī)納米粉（氧化物、氮化物、碳化物）、人工合成的碳納米管、自組裝的c60、量子點(diǎn)、化學(xué)合成的有機(jī)納米材料如用于液晶顯示裝置里的納米微球等。

納米材料因其尺寸大小處于納米尺度，與物質(zhì)中的很多特征尺寸，如電子的德布洛意波長(zhǎng)、超導(dǎo)相干長(zhǎng)度、隧穿勢(shì)壘厚度、鐵磁性臨界尺寸等相當(dāng)，從而導(dǎo)致納米材料和納米結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)特性既不同于微觀的原子、分子，也不同于宏觀塊體材料，從而把人們探索自然、創(chuàng)造知識(shí)的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領(lǐng)域：介觀領(lǐng)域－納米世界。納米材料的性能與其化學(xué)組成完全一致的塊體材料根本不同，如美國(guó)科學(xué)家制備的晶粒尺寸50納米的納米銅材料，其硬度比粗晶銅提高了5倍。這是因?yàn)榧{米材料的性質(zhì)由其量子力學(xué)和巨大比表面積以及小尺寸效應(yīng)決定。例如，塊體銀是沒有毒性的，而納米銀可以殺死與納米銀粒子接觸的病毒而呈現(xiàn)一定毒性；又如20nm純鐵粒子的矯頑力是大塊鐵矯頑力的1000倍，當(dāng)進(jìn)一步降低純鐵納米粒子到一定尺寸如6nm時(shí)，其矯頑力下降到0，表現(xiàn)出順磁性。日本科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)了納米現(xiàn)象并引入納米概念，他們?cè)?0世紀(jì)70年代用蒸發(fā)法制備超微粒子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個(gè)導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅銀導(dǎo)體，做成納米尺度以后，它就失去原來(lái)的性能，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電又不導(dǎo)熱；磁性材料，如鐵鈷合金，做成大約20-30nm大小，磁疇變成單磁疇，它的磁性比原來(lái)固體磁性高了1000倍。20世紀(jì)80年代中期，人們把這種納米尺度的材料命名為納米材料。

自然界里納米結(jié)構(gòu)和納米功能的例子為人類開發(fā)新納米結(jié)構(gòu)和納米功能材料、器件、系統(tǒng)提供了靈感和借鑒。如：蝴蝶和鳥類翅膀-光子晶體、壁虎的足-粘接劑、荷花葉人類皮膚-疏水性表面、蜘蛛絲-高韌性高強(qiáng)度人造纖維等。納米科技已經(jīng)深入到人類生活的方方面面。在健康和醫(yī)藥領(lǐng)域，納米技術(shù)的應(yīng)用稱為納米醫(yī)學(xué)，納米尺度為100-500nm,這個(gè)尺度范圍正好是生物分子(蛋白質(zhì)、dna、酶)和生物復(fù)合物的長(zhǎng)度尺寸。納米醫(yī)學(xué)主要目的是建立與生物分子尺寸相當(dāng)?shù)墓こ袒牧?，如藥物傳輸系統(tǒng)、疾病影像探針、甚至組織工程化構(gòu)建，來(lái)保證病人疾病快速診斷、治療和病程監(jiān)視。碳納米管和納米線應(yīng)用于疾病診斷。金納米殼是癌細(xì)胞光學(xué)影像檢測(cè)最有效果的材料。用納米技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)骨再生、組織器官再生、腦神經(jīng)再生。靶向藥物能夠在分子水平上自動(dòng)識(shí)別病變細(xì)胞、刺穿細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞殺死致病細(xì)胞，納米技術(shù)使得靶向藥物成為可能。環(huán)境領(lǐng)域，水污染和土壤污染是各國(guó)面對(duì)的主要問題，也是各國(guó)政府首要解決的問題。利用納米科學(xué)技術(shù)，可以創(chuàng)造具有特殊功能的新的納米材料來(lái)解決各種污染問題，為人民健康和美好生活創(chuàng)造干凈、整潔、衛(wèi)生的生活工作條件。科學(xué)家實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，1～100nm的納米鐵粉對(duì)諸如氯化有機(jī)溶劑、有機(jī)氯化殺蟲劑和pcbs等通常的環(huán)境污染物有完全的分解和解毒能力，且沒有副作用。這種效果，微米級(jí)鐵粉是完全沒有的。并且納米鐵粉在完全分散開進(jìn)入地下水之前在處理現(xiàn)場(chǎng)可以保持長(zhǎng)達(dá)6～8周的活性。這是納米科學(xué)的優(yōu)勢(shì)所在。進(jìn)一步研究表明，雙金屬納米鐵粒子，如鐵/鈀納米粒子，比單個(gè)納米鐵粒子修復(fù)污水效果更好。也可以把納米鐵粉或雙金屬納米粉錨定在激活的碳基或硅基材料上，用于污水和工業(yè)廢水異地處理。半導(dǎo)體納米粒子如zno2和tio2,有光催化性能，可以把有機(jī)物如鹵素族碳?xì)浠衔镅趸蒫o2，h2，和其他成分，達(dá)到修復(fù)污染目的。這是半導(dǎo)體光降解有機(jī)污染物修復(fù)污染的實(shí)例。riceuniversity研究人員發(fā)現(xiàn)，直徑10nm的鐵銹，在磁鐵作用下可以吸附水中砷。用特殊功能基團(tuán)修飾過的磁性納米粒子用來(lái)檢測(cè)水中菌類。研究還發(fā)現(xiàn)，零價(jià)納米鐵粒子可以吸附和共沉淀水中砷和砷酸鹽。海水中的油滴對(duì)海洋和海中生物是致命的，雖然氣凝膠可以吸附油滴，但是成本很高；一家叫界面科學(xué)的公司聲稱，開發(fā)了一種自組裝單層修飾的納米材料，可以吸附自身重量40倍的油滴。這為凈化海水提供了一種很有希望的解決方案。雖然納米粒子在環(huán)境修復(fù)和處理方面很有前途，但是擔(dān)心還是存在的：一旦納米粒子被植物和動(dòng)物吸收，可能影響植物和動(dòng)物本身。生物可降解納米粒子可能是個(gè)優(yōu)選。在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域，納米粒子使用于環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和生命周期分析必不可少。特殊功能修飾的納米纖維、納米吸收物、納米膜可以用來(lái)消解污染的水和空氣，universityofcalifornialosangeles開發(fā)的納米級(jí)反滲透膜用于海水淡化和污水處理，而且可以排斥水中有機(jī)物和細(xì)菌。這種膜幾乎不會(huì)堵塞，從而增加了膜的生命周期，有明顯經(jīng)濟(jì)利益。納米技術(shù)在降低污染方面功能卓著，例如生產(chǎn)環(huán)境友好的材料，比如生物可降解塑料，又如提供增加某種工業(yè)過程效率的方法，如提高催化工藝效率；荷葉憎水現(xiàn)象激勵(lì)科學(xué)家開發(fā)自清潔涂層和紡織物；納米銀抗菌涂層、納米銀抗微生物涂層，織物和生活及家用電器用品，殺死病毒和微生物。納米催化劑用于燃料油的脫硫，防止大氣中出現(xiàn)酸雨；納米氧化鈰添加到燃料油起到催化作用，提高燃燒效率，節(jié)約燃料。納米催化劑在改善空氣質(zhì)量，消除水中特殊污染物方面發(fā)揮重要作用。納米金在一些污染控制研究中呈現(xiàn)極高催化性能，在室溫條件下裂解室內(nèi)空氣中的一氧化碳，去除氫燃料電池供氣中的一氧化碳。納米金/鉑共催化劑催化裂解三氯乙烯比傳統(tǒng)材料制得的催化劑裂解三氯乙烯快了100倍。納米金氧化催化能夠減少40％的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氫碳化合物排放。傳統(tǒng)的催化劑主要是一些稀土金屬如鈀。天然的鈀資源是有限的，因此，用過的鈀催化劑要再生成金屬鈀。一些菌種可以把二價(jià)鈀粒子還原成納米級(jí)生物鈀，其催化能力和商用納米鈀粒子旗鼓相當(dāng)，可用于一些其他的催化工藝。這樣就實(shí)現(xiàn)了稀土金屬催化劑的再生。納米技術(shù)從能源利用和材料使用發(fā)明可以使得工業(yè)工程更加高效，同時(shí)最小化有毒廢物的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)綠色制造。比如清洗行業(yè)，用水基微乳液替代揮發(fā)性化合物作為清洗劑，大大減少揮發(fā)性化合物產(chǎn)生的毒性和揮發(fā)量。納米電子學(xué)的發(fā)展，使得制造的傳感器具有連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)視成為可能，用來(lái)環(huán)境監(jiān)視。單壁碳納米管可以用來(lái)檢測(cè)氣態(tài)分子，如nh3、no2，注入硼的硅納米線用于水中，大氣和食品中病原體、化學(xué)和生物成分檢測(cè)。能源領(lǐng)域，據(jù)推算到2050年，全世界消耗的能源將是現(xiàn)在消耗能源的兩倍，達(dá)到28tw，而那時(shí)能源主要來(lái)自太陽(yáng)能，風(fēng)能，地理能源(占比50％)，全世界人口則從目前的63億增長(zhǎng)到90億?；茉词菍?dǎo)致綠屋氣體排放，氣候變暖的根源。另一方面，化石能源可用性有限，其供應(yīng)呈下降趨勢(shì)。因此可代替石化能源的可再生能源是值得大力推廣的。但是推廣可再生能源面臨著巨大技術(shù)挑戰(zhàn)：高效經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)換這些可再生能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、氫?成為隨時(shí)隨地安全可靠能源。在太陽(yáng)能氫能等可再生能源轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和輸送發(fā)明，納米技術(shù)能夠解決很多難題。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換，開發(fā)足夠小的納米晶硅片，使得間接帶隙變成幾乎直接帶隙，大大增加里對(duì)太陽(yáng)光的吸收效率，另一個(gè)方法是模仿植物葉綠素轉(zhuǎn)換光子的光子合成技術(shù)，該技術(shù)轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能為可儲(chǔ)存的化學(xué)能，最終變成碳水化合物，成為動(dòng)物食物來(lái)源。人為的光合成電池，轉(zhuǎn)換效率12％，也是可用的。染料敏感太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)敏感太陽(yáng)能電池利用納米技術(shù)，大大提高了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率。染料敏感太陽(yáng)能電池中，染料涂覆在節(jié)孔(孔徑2-50nm)tio2表面，能夠吸收各種波長(zhǎng)的光，與傳統(tǒng)光伏產(chǎn)品比較，光電轉(zhuǎn)換效率更高。科學(xué)家研究表明，直徑小于10nm的pbse納米粒子構(gòu)成的量子點(diǎn)(納米晶材料)敏感太陽(yáng)能電池，吸收一個(gè)光子產(chǎn)生3個(gè)電子，此看來(lái)納米技術(shù)可以把今天的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率從20-30％提高到65％。氫能社會(huì)：原理上，來(lái)源于可再生能源方式產(chǎn)生的氫氣未來(lái)將是環(huán)境友好能源載體，用來(lái)發(fā)電和驅(qū)動(dòng)汽車；產(chǎn)生氫氣的最佳方式是利用太陽(yáng)能在電解質(zhì)作用下電解水。自然界，氫元素是豐富的，但并不是隨意可用，必須通過化學(xué)反應(yīng)從含氫物質(zhì)中分離出來(lái)。最有希望的方式是用太陽(yáng)光借用光化學(xué)反應(yīng)分解水為氫氣和氧氣。科學(xué)家開發(fā)了修飾過帶隙的tio2納米管陣列作為光催化表面使用太陽(yáng)光裂解水產(chǎn)生氫氣。在tio2納米管陣列表面沉積小的貴金屬島(<5nm)或金屬納米粒子用來(lái)強(qiáng)化光催化反應(yīng)，增加氫氣產(chǎn)生的量。用來(lái)增加氫氣產(chǎn)能的其他納米技術(shù)還有碳注入氧化鈦納米管陣列，單壁碳納米管，納米結(jié)構(gòu)的赤鐵礦薄膜等。納米孔結(jié)構(gòu)的碳泡沫用于提高氫燃料電池效用。納米結(jié)構(gòu)固體膜增加了質(zhì)子導(dǎo)電率，電池效率和耐久性，提高了質(zhì)子交換膜燃料電池性能。納米結(jié)構(gòu)固體膜包括了陶瓷電解質(zhì)膜(例如金屬-氧化物膜)，納米結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)或納米尺寸的填充劑。納米材料改進(jìn)了可充電池性能，增加了電容量，供電能力，充電速率，安全性，電池壽命等。節(jié)能是社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必不可少的環(huán)節(jié)。納米技術(shù)有潛力在節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，比如建筑物節(jié)能，高效照明，使用輕量化材料，電網(wǎng)電能高效輸送等。納米催化技術(shù)，提高轉(zhuǎn)換效率。耐腐蝕納米涂層在其整個(gè)生命周期有明顯節(jié)能效果。納米孔氣凝膠改善熱絕緣，用于節(jié)能。有機(jī)發(fā)光二極管照明，量子點(diǎn)顯示技術(shù)等都是節(jié)能范例。導(dǎo)電碳納米管制成的導(dǎo)線，電阻比銅線更低，用于電能傳輸，電能損耗更低，節(jié)能潛力巨大，但是很多困難的技術(shù)難題要一步一步地解決。信息和通訊領(lǐng)域是納米科學(xué)技術(shù)發(fā)揮重要作用的領(lǐng)域之一。計(jì)算機(jī)微處理器即中央處理單元(cpu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元(memorystoragedevices)和顯示單元是信息和通訊技術(shù)的重要載體。現(xiàn)在韓國(guó)三星電子、美國(guó)英特爾公司均能生產(chǎn)線寬5nm的大規(guī)模集成電路。隨著集成電路線寬的進(jìn)一步減小，量子效應(yīng)占主導(dǎo)地位。利用量子效應(yīng)和納米效應(yīng)開發(fā)的下一代電子器件，可以儲(chǔ)存和處理具有量子效應(yīng)的信息?，F(xiàn)在我們用電信號(hào)來(lái)處理信息，未來(lái)我們可以利用自旋電子學(xué)，分子電子學(xué)，光子，機(jī)械，電阻，量子狀態(tài)和磁通量等方式處理信息。這些方式，納米技術(shù)發(fā)揮著重要作用，要依靠新材料和新的功能架構(gòu)來(lái)完成。北京大學(xué)在2020年開發(fā)出了碳納米管晶體管原型，為下一代信息和通訊技術(shù)發(fā)展開辟了一條嶄新道路。光子學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，激光和光纖的發(fā)明，誕生了光子學(xué)，成為了光通信的理論基礎(chǔ)。用于光通信的光器件已在大量生產(chǎn)和使用中，用于光計(jì)算的器件，各大公司開發(fā)中。量子通訊和量子計(jì)算原型也開發(fā)出來(lái)。顯示技術(shù)進(jìn)步飛快。超薄、超大尺寸，可折迭、可卷曲的顯示技術(shù)層出不窮，這里面納米技術(shù)和納米材料支撐了顯示技術(shù)和顯示原理，比如有機(jī)光發(fā)射二極管技術(shù)。電子紙顯示也是納米技術(shù)的產(chǎn)物。能夠自主感知周圍環(huán)境的各種各樣的人機(jī)接口技術(shù)使得人與環(huán)境的交互成為現(xiàn)實(shí)，如監(jiān)測(cè)身體生理狀態(tài)的智能手表，收集運(yùn)動(dòng)能量和皮膚溫度的智能織物，納米技術(shù)支撐了這些技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)。

納米科學(xué)技術(shù)和納米材料支撐了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，推動(dòng)了整個(gè)社會(huì)的科技創(chuàng)新，也是各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)科技制高點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。納米科學(xué)指導(dǎo)有創(chuàng)新性能和功能的新材料的設(shè)計(jì)和制造，比如強(qiáng)化塑料，陶瓷，涂層，復(fù)合物等等材料的性能。材料設(shè)計(jì)方面，納米科學(xué)也引進(jìn)了一個(gè)整體全新概念：材料自組裝的從底層到上層的設(shè)計(jì)方法，該方法來(lái)源于自然界有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的構(gòu)造。天然材料因?yàn)閮?nèi)部納米結(jié)構(gòu)的原因而具有特殊功能，比如荷葉的憎水性。金屬納米粒子是個(gè)極佳粒子，證明物質(zhì)到了納米尺度時(shí)其性能如何發(fā)生巨大變化。所有金屬中，塊體金呈現(xiàn)最高貴的金黃色，常溫下很穩(wěn)定（不氧化，不變色）。但是球形的納米金是紅色的，而環(huán)狀的納米金是無(wú)色的。納米金粒子很活潑，用作催化劑。陶瓷材料一般認(rèn)為是通過離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合在一起形成的一類無(wú)機(jī)材料，硬度高，電性能和熱性能穩(wěn)定，有氧化物，如al2o3,zro2;氮化物，如si3n4;碳化物，如sic等等。研究表明，用同樣化學(xué)成分納米陶瓷粉體燒結(jié)的陶瓷材料力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于用微米粉體燒結(jié)的陶瓷材料。納米結(jié)構(gòu)材料，納米粒子，納米孔材料等等納米材料，基本上用兩大類方法可以制造出來(lái)：自上到下和自底向上。自上到下，納米材料通過逐步去除材料的方式獲得，類似機(jī)械加工方式；與自上到下方向相反，自底向上，比如納米涂層，原子或分子前軀體為起始物，逐步組裝成所需的結(jié)構(gòu)和性能。一些制造納米材料的自上到下方法，源于半導(dǎo)體制造工藝，比如光刻蝕刻等工藝。制造納米材料的自底向上方法，可分為氣相和液相方法。氣相工藝如等離子弧，化學(xué)氣相沉積；液相工藝如溶膠-凝膠法，新興的分子自組裝法。等離子弧可以生產(chǎn)納米金屬粉，碳納米管；溶膠-凝膠法是在液相條件下制造納米粒子如納米氧化鋁粉、納米氧化鋯粉等，納米結(jié)構(gòu)表面和三維納米結(jié)構(gòu)材料如氣凝膠。

一般地，三維尺度納米材料中，最長(zhǎng)軸和最短軸幾乎相等的材料，叫做納米粒子，如近似球形的金屬粉、液相法合成的無(wú)機(jī)粉體、有機(jī)微球等。鑒于納米材料的性能與其尺寸、形狀密切相關(guān)，因此針對(duì)納米材料的顆粒大小有針對(duì)性篩選出符合特殊性能和特定尺寸和形狀的納米粒子就顯得十分必要。催化劑的催化活性與其粒子大小和形狀有很大關(guān)系，納米銀的細(xì)胞毒性和銀粒子的尺寸大小密切相關(guān)。納米粒子在傳感器，藥物載體，超級(jí)電容器，二極管，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存介質(zhì)，光催化，光子學(xué)，光伏電池，陶瓷材料，復(fù)合材料，高分子等應(yīng)用廣泛。

納米粒子尺寸和形狀與其生產(chǎn)工藝和工藝條件密切相關(guān)，即使在相同的合成工藝條件下，產(chǎn)生的納米粒子尺寸分布可能很窄，也可能分布很寬?；诩{米材料性能與納米粒子尺寸相關(guān)性，分選出尺寸大小比較一致的納米粒子確保充分發(fā)揮納米粒子性能成為首要和重要任務(wù)。從一堆粒子中分選出一定尺寸的粒子的過程就是尺寸分級(jí)，簡(jiǎn)稱分級(jí)，是粉體技術(shù)最重要單元操作之一。使用外力場(chǎng)和篩分原理兩種分級(jí)技術(shù)用來(lái)對(duì)納米粒子尺寸進(jìn)行尺寸分級(jí)。根據(jù)納米粒子在外力場(chǎng)中所受力的不同，實(shí)現(xiàn)納米粒子尺寸分級(jí)，具體又可分為場(chǎng)流分級(jí)、連續(xù)場(chǎng)流分級(jí)、離心場(chǎng)分級(jí)、電場(chǎng)（帶電荷納米粒子）分級(jí)、磁場(chǎng)（僅用于磁性納米粒子）分級(jí)等。外力場(chǎng)分級(jí)是分批次進(jìn)行的，效率較低。篩分，如同面粉篩分，使用真實(shí)孔或載體，對(duì)粒子進(jìn)行分級(jí)。真實(shí)孔的實(shí)例是膜，分為有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜，以管狀或平面形式用來(lái)過濾；載體指內(nèi)裝多孔材料的層析柱。膜分級(jí)中，膜本身孔的大小決定了分級(jí)精度：尺寸小于膜孔的粒子透過膜，尺寸大于膜孔的粒子不能透過膜而被截留。層析柱法，內(nèi)裝的多孔材料不同，構(gòu)成多種不同分級(jí)方式，多孔材料的孔徑以及粒子與孔材料之間的相互作用決定了層流分級(jí)效率。小尺寸材料進(jìn)入多孔材料里面，而大尺寸材料留在了層析柱里多孔材料的上面，實(shí)現(xiàn)材料分級(jí)。不管是外力場(chǎng)還是篩分用來(lái)對(duì)納米粒子進(jìn)行分級(jí)，最大的問題是分級(jí)效率低，不能滿足當(dāng)今社會(huì)各行各業(yè)使用納米粒子的迫切需求。因此迫切需要高效簡(jiǎn)便的納米粒子分級(jí)裝置和分級(jí)方法技術(shù)，以滿足多種行業(yè)對(duì)納米粒子的需求。當(dāng)然，二維納米材料，如納米纖維、碳納米管等也需要分級(jí)，以便更好發(fā)揮其最佳性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供納米粒子分級(jí)裝置及方法，采用陶瓷膜高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)錯(cuò)流篩分分級(jí)原理制造的裝置，不但能夠?qū){米粒子等三維尺度納米材料進(jìn)行精密分級(jí)，而且對(duì)納米纖維、碳納米管等二維尺度納米材料進(jìn)行精密分級(jí)，分級(jí)精度高，可以對(duì)粒徑2nm的納米粒子分級(jí)；分級(jí)效率高，對(duì)于同樣粒徑的納米粒子，與板式壓濾分級(jí)比較，高速旋轉(zhuǎn)蝶式陶瓷膜分級(jí)效率約是板式壓濾分級(jí)的20倍左右；工藝簡(jiǎn)潔，級(jí)聯(lián)不同粒徑的分級(jí)裝備，可以快速得到不同粒徑的納米粒子；自動(dòng)化連續(xù)操作，本技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)納米粒子分級(jí)自動(dòng)化連續(xù)操作，徹底改變外力場(chǎng)和靜態(tài)篩分耗時(shí)長(zhǎng)、斷續(xù)、產(chǎn)能低的窘態(tài)。

錯(cuò)流篩分基本原理，是通過泵把欲分級(jí)納米粒子的液/固、氣/固混合物通過不同孔徑的濾膜孔道，在泵壓力作用下，懸浮在液/固、氣/固混合物中的納米粒子在液體或氣體作用下進(jìn)入濾膜的孔里，被液體或氣體帶走。分散成單個(gè)顆粒的納米粒子懸浮在液體或氣體中，在壓力的作用下，很容易進(jìn)入到濾膜的孔中，同時(shí)由于濾膜的旋轉(zhuǎn)，將少量附著在膜表面的大于濾膜孔徑納米粒子帶走，從而防止濾膜的阻塞，保證篩分的正常運(yùn)行。

由于納米粒子巨大的比表面積，在分散劑的作用下，靜電力、范德華力、浮力和重力的綜合作用，納米粒子在液體里處于懸浮狀態(tài)，泵壓力作用大于離心力作用，使得納米粒子借助液體或氣體在陶瓷膜的中空通道里流動(dòng)，通過中空軸上與陶瓷膜的中空通道對(duì)應(yīng)的開口通道進(jìn)入中空軸，收集起來(lái)，通過后續(xù)濃縮或蒸發(fā)，得到納米粒子?；谔沾赡ばD(zhuǎn)的錯(cuò)流篩分原理，實(shí)現(xiàn)納米粒子的精密分級(jí)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種納米粒子分級(jí)裝置，由筒體、底板和頂蓋構(gòu)成的密閉腔體，密閉腔體的底板上設(shè)置有貫穿的中空軸，中空軸位于密閉空間里的部分，其上設(shè)置至少一片陶瓷膜，其上端設(shè)置鎖緊裝置；中空軸位于密閉空間外的部分，其上設(shè)置有皮帶輪，皮帶輪通過皮帶連接電機(jī)，在中空軸上皮帶輪下方設(shè)置支撐軸承，中空軸下端連接旋轉(zhuǎn)接頭；中空軸與底板上表面之間設(shè)置機(jī)械密封，機(jī)械密封上面有密封壓板，密封壓板用螺栓固定在底板上，中空軸與底板下表面之間設(shè)置定位軸承，定位軸承通過其軸承支架固定在底板上，中空軸、機(jī)械密封、定位軸承以及密封壓板同心；中空軸密閉空間內(nèi)部分，其圓周上設(shè)置有與陶瓷膜中空通道數(shù)一致的開口通道，開口通道大小與陶瓷膜中空通道大小一致；陶瓷膜之間設(shè)置有密封墊；底板上設(shè)置有進(jìn)料單向閥；頂蓋上設(shè)置有卸料單向閥；該密閉腔體借助其底板用螺栓固定在機(jī)架上表面，電機(jī)固定在機(jī)架內(nèi)部，支撐軸承軸承架固定在機(jī)架內(nèi)部。

所述中空軸位于密閉腔體里的部分，其靠近機(jī)械密封位置設(shè)有臺(tái)階，臺(tái)階上放置支撐陶瓷膜的支撐板，支撐板用定位銷固定在中空軸上；支撐板和陶瓷膜之間設(shè)有密封墊。

所述鎖緊裝置為中空軸上端的內(nèi)外螺紋，壓緊螺母和端蓋；陶瓷膜通過中空軸上端的外螺紋用壓緊螺母鎖緊；中空軸上端的內(nèi)螺紋擰進(jìn)端蓋。

所述陶瓷膜是蝶式陶瓷膜，包括膜層、支持層、中空通道；蝶式陶瓷膜放置在中空軸上支撐板和鎖緊裝置之間，用壓緊螺母鎖緊；其膜層孔徑2nm~100nm，膜面積為0.06m2~6m2，蝶式陶瓷膜中空通道為拋物線狀或者直線狀；蝶式陶瓷膜支持層材料重結(jié)晶碳化硅或是氧化鋁；蝶式陶瓷膜膜層材料碳化硅、氧化鈦或是氧化鋯；蝶式陶瓷膜通過中空軸上端的外螺紋用壓緊螺母鎖緊，蝶式陶瓷膜和壓緊螺母之間設(shè)有密封墊；中空軸上端的內(nèi)螺紋擰進(jìn)端蓋；蝶式陶瓷膜中空通道和中空軸圓周上開口通道完全對(duì)應(yīng)。

所述筒體和底板之間以及筒體和頂蓋之間分別通過底板螺栓和頂蓋螺栓固定，筒體、底板和頂蓋不銹鋼制成，筒體內(nèi)部襯有聚氨酯或耐磨陶瓷，底板上表面噴涂聚氨酯或陶瓷，蓋板下表面噴涂聚氨酯或陶瓷。

所述密封墊由橡膠等高分子材料制成，厚度1~3mm，內(nèi)徑與蝶式陶瓷膜內(nèi)徑一致，寬度5~10mm。

由本發(fā)明裝置進(jìn)行納米粒子分級(jí)方法，將含有分散成單個(gè)納米粒子的漿料借助泵的壓力通過進(jìn)料單向閥進(jìn)入分級(jí)裝置的密閉腔體，納米粒子懸浮在漿料中，使得漿料充滿密閉腔體，利用密閉腔體中旋轉(zhuǎn)著的陶瓷膜的錯(cuò)流篩分原理，實(shí)現(xiàn)納米粒子的高效精密分級(jí)；具體地，將分散成單顆粒的納米粒子的液固或氣固混合物，泵與進(jìn)料單向閥之間通過管道連接，借助泵的壓力，通過進(jìn)料單向閥，進(jìn)入密閉腔體，納米粒子懸浮在漿料中，使得漿料充滿密閉腔體，與該密閉腔體中旋轉(zhuǎn)著的陶瓷膜接觸，陶瓷膜固定在中空軸上，中空軸由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，陶瓷膜的中空通道與中空軸上開口通道對(duì)應(yīng)，粒徑等于小于蝶式陶瓷膜膜層納米孔的納米粒子，依靠泵壓力和剪切力等借助液體或氣體的流動(dòng)進(jìn)入陶瓷膜的中空通道，通過中空軸上與陶瓷膜的中空通道對(duì)應(yīng)的開口通道運(yùn)動(dòng)到中空軸，通過與中空軸底端旋轉(zhuǎn)接頭連接的管道引出到密閉的收料箱；粒徑大于蝶式陶瓷膜膜層納米孔的納米粒子，則不能進(jìn)入到蝶式陶瓷膜的中空通道，而留在該密閉腔體；這樣通過旋轉(zhuǎn)著的陶瓷膜的錯(cuò)流篩分作用，實(shí)現(xiàn)納米粒子精密高效分級(jí)。

所述陶瓷膜轉(zhuǎn)速100~1000rpm。

本發(fā)明的納米粒子分級(jí)裝置，多級(jí)連接，利用輸送管道連接前一級(jí)分級(jí)裝置的旋轉(zhuǎn)接頭如和下一級(jí)的分級(jí)裝置的進(jìn)料單向閥，依照這種級(jí)聯(lián)法，構(gòu)成多級(jí)分級(jí)裝置；多級(jí)分級(jí)要求次級(jí)的納米粒子分級(jí)裝置中的陶瓷膜的孔徑小于前一級(jí)的納米粒子分級(jí)裝置中的陶瓷膜中的孔徑。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用納米級(jí)孔徑陶瓷膜為核心動(dòng)態(tài)錯(cuò)流分級(jí)篩分原理，對(duì)納米粒子、納米纖維、納米管等納米材料精密分級(jí)，分級(jí)效率高，自動(dòng)化連續(xù)運(yùn)行，分級(jí)裝置容易級(jí)聯(lián)，不僅適用于研發(fā)階段、實(shí)驗(yàn)室，更適宜大規(guī)模生產(chǎn)。內(nèi)襯的聚氨酯材料、陶瓷材料，避免納米粒子與不銹鋼直接接觸，防止金屬微粒污染納米粒子。該分級(jí)技術(shù)簡(jiǎn)便，使用范圍寬，不但適用液/固分級(jí)，而且適用氣/固分級(jí)，如氣凝膠納米銀工藝納米銀粒子分級(jí)收集。本發(fā)明分級(jí)面積大，占地面積小，能耗低，密封環(huán)境更加環(huán)保，壓緊部件使得多個(gè)陶瓷膜接觸更加緊密、牢靠，使得可旋轉(zhuǎn)分級(jí)組件高速旋轉(zhuǎn)，大大減少分級(jí)所用時(shí)間，成本大大降低。

附圖說明

圖1：本發(fā)明納米粒子動(dòng)態(tài)錯(cuò)流分級(jí)篩分裝置以及原理圖；

圖2：支撐板和中空軸之間定位銷截面圖；

圖3：納米粒子級(jí)聯(lián)分級(jí)示意圖；

附圖標(biāo)記說明：11—圓形底板，12—筒體，13—圓形頂蓋，31—進(jìn)料單向閥，32--卸料單向閥，21—蝶式陶瓷膜，22—中空軸，23—密封墊，24—支撐板，25—壓緊螺母，26—端蓋，27—定位銷；40—密封壓板，41—機(jī)械密封，42—中空軸定位軸承，43—皮帶輪，44—中空軸支撐軸承，45—電動(dòng)機(jī)，51—旋轉(zhuǎn)接頭，引出分級(jí)物料,61—頂蓋螺栓，62—底板螺栓，210—蝶式陶瓷膜中空通道，220—中空軸上開口通道，221中空軸上凸臺(tái)；100—第一級(jí)分級(jí)裝置，200—第二級(jí)分級(jí)裝置，131—第一級(jí)分級(jí)裝置進(jìn)料單向閥，132—第一級(jí)分級(jí)裝置物料卸料單向閥，151—第一級(jí)分級(jí)裝置物料收集口旋轉(zhuǎn)接頭，231—第二級(jí)分級(jí)裝置進(jìn)料單向閥，232—第二級(jí)分級(jí)裝置物料卸料單向閥，251—第二級(jí)分級(jí)裝置物料收集口旋轉(zhuǎn)接頭，300—輸送管道。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，很明顯，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明部分實(shí)施例而非全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示的納米粒子分級(jí)裝置；包括筒體12、圓形底板11和圓形頂蓋13構(gòu)成的密閉腔體，其密閉腔體的圓形底板11上設(shè)置有貫穿的中空軸22；中空軸22位于密閉空間里的部分，其上布置至少一片蝶式陶瓷膜21，蝶式陶瓷膜21放在支撐板24上，支撐板24通過定位銷27固定在中空軸上，中空軸上端設(shè)置鎖緊裝置，鎖緊裝置是中空軸上端設(shè)置有內(nèi)外螺紋、壓緊螺母和端蓋，用壓緊螺母25擰入中空軸上端外螺紋，鎖緊蝶式陶瓷膜21，端蓋26擰入中空軸22上端；中空軸位于密閉空間外的部分，其上設(shè)置有皮帶輪43，皮帶輪43通過皮帶連接電動(dòng)機(jī)45，在中空軸皮帶輪下方設(shè)置中空軸支撐軸承44，中空軸下端連接旋轉(zhuǎn)接頭51；中空軸22與底板上表面之間設(shè)置機(jī)械密封41，機(jī)械密封41上面有密封壓板40，密封壓板40用螺栓固定在圓形底板11上；中空軸與圓形底板下表面之間設(shè)置定中空軸定位軸承42，中空軸22、機(jī)械密封41、中空軸定位軸承42和密封壓板40同心；中空軸在密閉空間內(nèi)的部分，其圓周上設(shè)置有與蝶式陶瓷膜中空通道210數(shù)一致、均布的中空軸上開口通道220，中空軸上開口通道220大小與陶瓷膜中空通道大小一致；陶瓷膜之間設(shè)置有密封墊23；圓形底板11上設(shè)置有進(jìn)料單向閥31；頂蓋上設(shè)置有卸料單向閥32；圓形底板11和筒體12之間用底板螺栓62連接，圓形頂蓋13和筒體12之間用底板螺栓62連接；含圓形底板11的密閉腔體用螺栓固定其圓形底板11在機(jī)架的上表面，電動(dòng)機(jī)45、中空軸支撐軸承44軸承架固定在機(jī)架里面。

分級(jí)裝置是這樣制造的：圓形底板11上表面設(shè)置機(jī)械密封槽，下表面設(shè)置安裝中空軸定位軸承42的凹槽，密封槽和凹槽同心，凹槽的直徑與中空軸定位軸承42支架外徑過盈配合；中空軸22上靠近機(jī)械密封處設(shè)置有中空軸上凸臺(tái)221，中空軸上凸臺(tái)221上有鍵槽；中空軸22圓周上設(shè)有與蝶式陶瓷膜21中空通道數(shù)一致的中空軸上開口通道220，中空軸上開口通道220大小與蝶式陶瓷膜中空通道210大小一致，中空軸上開口通道220均布在中空軸22圓周上，蝶式陶瓷膜中空通道均布在蝶式陶瓷膜內(nèi)圓圓周上；中空軸22下部設(shè)置皮帶輪定位臺(tái)階和支撐軸承定位臺(tái)階；固定圓形底板11在機(jī)架上，放置機(jī)械密封41在圓形底板11上的機(jī)械密封槽里，放置含中空軸定位軸承42的軸承支架在圓形底板11下部的凹槽，從圓形底板上面穿中空軸22進(jìn)入機(jī)械密封41和中空軸定位軸承42內(nèi)孔里，固定定位軸承41支架在圓形底板11上，穿密封壓板40在中空軸22上，與機(jī)械密封41接觸，固定密封壓板40在圓形底板11上；放置定位銷27在中空軸上凸臺(tái)221上的鍵槽里，放置支撐板24在中空軸上凸臺(tái)221上，用定位銷27固定支撐板24在中空軸22上，放置密封墊23，放置蝶式陶瓷膜21在中空軸22上，使蝶式陶瓷膜21中空軸上開口通道210和中空軸圓周上中空軸上開口通道220相對(duì)應(yīng)，依次放密封墊23和陶瓷膜21在中空軸22上，使蝶式陶瓷膜21的蝶式陶瓷膜中空通道210與中空軸22上的中空軸上開口通道220相對(duì)應(yīng)，直到中空軸22上部螺紋部分，放密封墊23在最上面一個(gè)蝶式陶瓷膜21的上面，擰緊壓緊螺母25，使得中空軸22和蝶式陶瓷膜21緊密接觸成整體，擰緊端蓋26在中空軸22上；放置筒體12子口在圓形底板11的凹槽，圓形底板11上表面有密封槽放置密封圈，用底板螺栓62固定圓形底板11和筒體12，用力矩扳手?jǐn)Q緊底板螺栓62使其力矩一致；在圓形底板11上安裝進(jìn)料單向閥31；放置頂蓋13凹槽在筒體12上，圓形頂蓋13下表面密封槽放置密封圈，用頂蓋螺栓61固定圓形頂蓋13和筒體12，用力矩扳手?jǐn)Q緊頂蓋螺栓61使其力矩一致；安裝卸料單向閥32在圓形頂蓋13上；用鍵和頂絲固定皮帶輪43在中空軸22皮帶輪定位臺(tái)階上，電動(dòng)機(jī)45固定在機(jī)架里，皮帶連接電動(dòng)機(jī)45和皮帶輪43，中空軸支撐軸承44定位中空軸22在軸承支撐臺(tái)階位置使其旋轉(zhuǎn)時(shí)更加平穩(wěn)，中空軸支撐軸承44的軸承架固定在機(jī)架里，中空軸22底端連接旋轉(zhuǎn)接頭51；用力矩扳手?jǐn)Q緊固定圓形底板11在機(jī)架上的所有螺栓；密閉空間里的蝶式陶瓷膜21與中空軸22一起旋轉(zhuǎn)；不同孔徑的分級(jí)裝置級(jí)聯(lián)，一次操作得到多種粒徑的粒子。

一種納米粒子分級(jí)方法，均勻分散成單個(gè)納米粒子的漿料，納米粒子懸浮在漿料中，借助泵壓力，由分級(jí)裝置的進(jìn)料單向閥31，進(jìn)入分級(jí)裝置由圓形底板11、筒體12以及圓形頂蓋13構(gòu)成的密閉腔體內(nèi)，泵與進(jìn)料單向閥之間通過管道連接，使得漿料充滿整個(gè)密閉腔體，與密閉腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)著的納米孔徑的多個(gè)蝶式陶瓷膜21表面接觸，漿料中粒徑小于等于蝶式陶瓷膜21膜層納米級(jí)孔的納米粒子，在泵壓力和剪切力作用下借助液體或氣體的流動(dòng)進(jìn)入陶瓷膜內(nèi)部，通過其內(nèi)部蝶式陶瓷膜中空通道210和中空軸22上的中空軸上開口通道220，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)到中空軸22，通過旋轉(zhuǎn)接頭51，以及與旋轉(zhuǎn)接頭51底部連接的軟管收集到密閉容器中；漿料中粒徑大于蝶式陶瓷膜組件膜層納米級(jí)孔的納米粒子，則不能進(jìn)入到蝶式陶瓷膜21內(nèi)部，留在密閉空間，隨后通過卸料單向閥32，被抽出密閉空間；連續(xù)泵入的均勻分散成單個(gè)納米粒子的漿料，漿料充滿整個(gè)密閉腔體，在泵壓力和剪切力的作用下，與旋轉(zhuǎn)著的納米孔徑的蝶式陶瓷膜21表面接觸，借助液體或氣體的流動(dòng)進(jìn)入陶瓷膜內(nèi)部，利用納米孔徑陶瓷膜的錯(cuò)流篩分原理，實(shí)現(xiàn)納米粒子的精密分級(jí)。

納米孔徑的蝶式陶瓷膜，其孔徑2nm~100nm，陶瓷膜層材質(zhì)為氧化鋯、氧化鈦、或碳化硅；陶瓷膜支持層材質(zhì)為氧化鋁或是重結(jié)晶碳化硅；多個(gè)蝶式陶瓷膜構(gòu)成的分級(jí)裝置，其分級(jí)面積0.06m2~6m2，其轉(zhuǎn)速100~1000rpm之間連續(xù)可調(diào)。筒體12內(nèi)部、底板11和頂蓋13由襯有聚氨酯或耐磨陶瓷的不銹鋼制成；納米孔徑的蝶式陶瓷膜，其中空通道拋物線狀或者直線狀。耐磨陶瓷是氧化物、氮化物或碳化物。

采用上述裝置的具體操作如下：

實(shí)施例1

分級(jí)得到100nm共沉淀氧化鋯粉

選用聚氨酯內(nèi)襯的不銹鋼筒體12、聚氨酯涂覆圓形上蓋13和圓形底板11組成的密閉腔體，不銹鋼材質(zhì)中空軸22，孔徑100nm膜層氧化鈦、支持層氧化鋁材質(zhì)的蝶式陶瓷膜21，蝶式陶瓷膜21蝶式陶瓷膜中空通道210是拋物線型，中空軸上半部分外徑90mm，橡膠密封墊23內(nèi)徑90mm、寬度10mm、厚1mm，蝶式陶瓷膜21內(nèi)徑90mm、外徑380mm、厚6mm，60片，膜表面積共計(jì)6m2，蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)速1000rpm。關(guān)閉卸料單向閥32，打開進(jìn)料單向閥31，用蠕動(dòng)泵泵入氧化鋯漿料進(jìn)入聚氨酯內(nèi)襯的密閉腔體，使?jié){料充滿整個(gè)密閉腔體，啟動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使得蝶式陶瓷膜轉(zhuǎn)速1000rpm，漿料中粒徑100nm及以下的氧化鋯粒子進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)著的孔徑100nm的蝶式陶瓷膜21表面，流入蝶式陶瓷膜中空通道210進(jìn)入中空軸，通過與旋轉(zhuǎn)接頭51下端相聯(lián)的管道流入密閉收料箱；漿料中粒徑大于100nm的氧化鋯粒子則留在密閉腔體；運(yùn)行4小時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料閥31，停止蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)動(dòng)，打開卸料閥32，用蠕動(dòng)泵抽走粒徑大于100nm的氧化鋯粒子，用透射電子顯微鏡觀察取自密閉收料箱的粉體，平均粒徑97.0±3.0nm；這樣操作實(shí)現(xiàn)了納米粒子連續(xù)精密分級(jí)。

實(shí)施例2

分級(jí)得到20nm水熱法氧化鋁粉

選用氧化鋁陶瓷內(nèi)襯的不銹鋼筒體12、聚氨酯涂覆圓形上蓋13和圓形底板11組成的密閉腔體；不銹鋼材質(zhì)中空軸22，孔徑20nm膜層氧化鈦、支持層氧化鋁材質(zhì)的蝶式陶瓷膜21，蝶式陶瓷膜21蝶式陶瓷膜中空通道210是直線型，中空軸上半部分外徑90mm，橡膠密封墊23內(nèi)徑90mm、寬度10mm、厚3mm，蝶式陶瓷膜21內(nèi)徑90mm、外徑380mm、厚6mm，50片，膜表面積共計(jì)5m2，蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)速1000rpm。關(guān)閉卸料單向閥料閥32，打開進(jìn)料單向閥31，用蠕動(dòng)泵泵入氧化鋁漿料進(jìn)入陶瓷內(nèi)襯的密閉腔體，使?jié){料充滿整個(gè)密閉腔體，啟動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使得蝶式陶瓷膜轉(zhuǎn)速1000rpm，漿料中粒徑20nm及以下的氧化鋁粒子進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)著的孔徑20nm的蝶式陶瓷膜21表面，流入蝶式陶瓷膜中間流道210進(jìn)入中空軸，通過與旋轉(zhuǎn)接頭51下端相聯(lián)的管道流入密閉收料箱；漿料中粒徑大于20nm的氧化鋯粒子則留在密閉腔體內(nèi)；運(yùn)行6小時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料閥31，停止蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)動(dòng)，打開卸料閥32，用蠕動(dòng)泵抽走粒徑大于20nm的氧化鋁粒子；用透射電子顯微鏡觀察取自密閉收料箱的粉體，平均粒徑20.0±2.0nm；這樣操作實(shí)現(xiàn)了納米粒子連續(xù)精密分級(jí)。

實(shí)施例3

分級(jí)得到20nm鐵粒子

選用氮化硅陶瓷內(nèi)襯的不銹鋼筒體12、氧化鋁陶瓷涂層圓形上蓋13和圓形底板11組成的密閉腔體，不銹鋼材質(zhì)中空軸22，孔徑20nm膜層碳化硅、支持層重結(jié)晶碳化硅材質(zhì)的蝶式陶瓷膜21，蝶式陶瓷膜蝶式陶瓷膜中空通道210是直線型，中空軸上半部分外徑90mm，橡膠密封墊23內(nèi)徑90mm、寬度8mm、厚2mm，蝶式陶瓷膜21內(nèi)徑90mm、外徑380mm、厚6mm，50片，膜表面積共計(jì)5m2，蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)速500rpm。關(guān)閉卸料單向閥32，打開進(jìn)料單向閥31，用蠕動(dòng)泵泵入乙醇為溶劑的鐵粉漿料進(jìn)入聚氨酯內(nèi)襯的密閉腔體，使?jié){料充滿整個(gè)密閉腔體，啟動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使得蝶式陶瓷膜轉(zhuǎn)速500rpm，漿料中粒徑20nm及以下的鐵粒子進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)著的孔徑20nm的蝶式陶瓷膜21表面，流入蝶式陶瓷膜中間流道210進(jìn)入中空軸，通過與旋轉(zhuǎn)接頭51下端相聯(lián)的管道流入密閉收料箱；漿料中粒徑大于20nm鐵粒子則留在密閉腔體；運(yùn)行6小時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料閥（31），停止蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)動(dòng)，打開卸料閥32，用蠕動(dòng)泵抽走粒徑大于20nm的鐵粒子；用透射電子顯微鏡觀察取自密閉收料箱的粉體，平均粒徑20.0±2.0nm；這樣操作實(shí)現(xiàn)了納米粒子連續(xù)精密分級(jí)。

實(shí)施例4

氣凝膠法納米銀粉分級(jí)出5nm和2nm銀粒子

采用如圖3所述的多級(jí)裝置，每一級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。第一級(jí)分級(jí)裝置100：選用碳化硅陶瓷內(nèi)襯的不銹鋼筒體12、氧化鋁陶瓷涂層圓形上蓋13和圓形底板11，組成的密閉腔體，不銹鋼材質(zhì)中空軸22，孔徑5nm膜層碳化硅、支持層重結(jié)晶碳化硅材質(zhì)的蝶式陶瓷膜21，蝶式陶瓷膜中空通道210是拋物線型，中空軸上半部分外徑40mm，橡膠密封墊23內(nèi)徑40mm、寬度5mm、厚1mm，蝶式陶瓷膜21內(nèi)徑40mm、外徑200mm、厚6mm，50片，膜表面積共計(jì)3m2。

第二級(jí)分級(jí)裝置200：選用碳化硅陶瓷內(nèi)襯的不銹鋼筒體12、陶瓷涂層圓形上蓋13和圓形底板11，組成的密閉腔體，不銹鋼材質(zhì)中空軸22，孔徑2nm膜層碳化硅、支持層重結(jié)晶碳化硅材質(zhì)的蝶式陶瓷膜21，蝶式陶瓷膜中空通道210是拋物線型，中空軸上半部分外徑40mm，橡膠密封墊23內(nèi)徑40mm、寬度5mm、厚1mm，蝶式陶瓷膜內(nèi)徑40mm、外徑200mm、厚6mm，35片，膜表面積共計(jì)2m2。

用輸送軟管300連接第一級(jí)分級(jí)裝置物料收集口旋轉(zhuǎn)接頭151和第二級(jí)分級(jí)裝置進(jìn)料單向閥231。第一級(jí)分級(jí)裝置和第二級(jí)分級(jí)裝置蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)速皆為100rpm。

同時(shí)關(guān)閉卸料閥132和第二級(jí)分級(jí)裝置物料卸料單向閥232，打開進(jìn)料單向閥131和第二級(jí)分級(jí)裝置進(jìn)料單向閥231，用隔膜泵泵入含納米銀粒子的氣體進(jìn)入第一級(jí)分級(jí)裝置的進(jìn)料單向閥131，使氣體充滿密閉腔體，調(diào)節(jié)蝶式陶瓷膜轉(zhuǎn)速100rpm,氣體中粒徑大于5nm的銀粒子，留在第一級(jí)分級(jí)裝置的密閉腔體中，氣體中粒徑5nm及以下的銀粒子進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)著的孔徑5nm的第一級(jí)分級(jí)裝置內(nèi)蝶式陶瓷膜表面，流入第一級(jí)分級(jí)裝置蝶式陶瓷膜中間通道進(jìn)入中空軸，通過與第一級(jí)分級(jí)裝置物料收集口旋轉(zhuǎn)接頭151下端相聯(lián)的輸送管道300，通過第二級(jí)分級(jí)裝置進(jìn)料單向閥231，進(jìn)入第二級(jí)分級(jí)裝置的密閉腔體內(nèi)，流入第二級(jí)孔徑2nm膜層碳化硅、支持層碳化硅材質(zhì)的蝶式陶瓷膜，氣體中粒徑大于2nm小于5nm銀粒子則留在第二級(jí)分級(jí)裝置的密閉腔體內(nèi)；粒徑等于小于2nm的銀粒子進(jìn)入第二級(jí)分級(jí)裝置內(nèi)的蝶式陶瓷膜中空通道，通過與旋轉(zhuǎn)接頭251下端相聯(lián)的管道流入密閉收料箱。第一級(jí)分級(jí)系統(tǒng)和第二級(jí)分級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行6小時(shí)，關(guān)閉第一級(jí)分級(jí)裝置進(jìn)料閥131和第二級(jí)分級(jí)裝置進(jìn)料閥231，停止第一級(jí)和第二級(jí)分級(jí)系統(tǒng)蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)動(dòng)，打開第一級(jí)分級(jí)系統(tǒng)卸料閥132，用蠕動(dòng)泵抽走粒徑大于5nm的銀粒子，打開第二級(jí)分級(jí)系統(tǒng)卸料閥232，用蠕動(dòng)泵抽走粒徑小于5nm的銀粒子；用掃描隧道顯微鏡（stm），分別觀察取自第二級(jí)分級(jí)系統(tǒng)卸料口232的銀粒子，以及與第二級(jí)分級(jí)裝置連接的密閉腔體內(nèi)的納米銀粒子，取自第一級(jí)分級(jí)系統(tǒng)的納米銀粒徑4.80±0.2nm，取自第二級(jí)分級(jí)系統(tǒng)的納米銀粒徑1.80±0.2nm；這樣操作實(shí)現(xiàn)了納米粒子連續(xù)精密分級(jí)。

實(shí)施例5

分級(jí)得到5nm銅粒子

選用氮化硅陶瓷內(nèi)襯的不銹鋼筒體12、氧化鋁陶瓷涂層圓形上蓋13和圓形底板11，組成的密閉腔體，不銹鋼材質(zhì)中空軸22，孔徑5nm膜層碳化硅支撐體重結(jié)晶碳化硅材質(zhì)的蝶式陶瓷膜21，其蝶式陶瓷膜中空通道210為拋物線型，中空軸上半部分外徑40mm，橡膠密封墊23內(nèi)徑40mm、寬度5mm、厚1mm，蝶式陶瓷膜21內(nèi)徑40mm、外徑200mm、厚6mm，1片，膜表面積共計(jì)0.06m2，蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)速500rpm。關(guān)閉卸料單向閥32，打開進(jìn)料單向閥31，用蠕動(dòng)泵泵入乙醇為溶劑的銅粉漿料進(jìn)入氮化硅陶瓷內(nèi)襯的密閉腔體，使?jié){料充滿整個(gè)密閉腔體，啟動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使得蝶式陶瓷膜轉(zhuǎn)速500rpm，漿料中粒徑5nm及以下的銅粒子進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)著的孔徑5nm的蝶式陶瓷膜21表面，流入蝶式陶瓷膜中空流道210進(jìn)入中空軸，通過與旋轉(zhuǎn)接頭51下端相聯(lián)的管道流入密閉收料箱；漿料中粒徑大于5nm銅粒子則留在密閉腔體內(nèi)；運(yùn)行6小時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料單向閥31，停止蝶式陶瓷膜組件轉(zhuǎn)動(dòng)，打開卸料單向閥32，用蠕動(dòng)泵抽走粒徑大于5nm的銅粒子；用透射電子顯微鏡觀察取自密閉收料箱的粉體，平均粒徑5.0±2.0nm；這樣操作實(shí)現(xiàn)了納米粒子連續(xù)精密分級(jí)。

本發(fā)明還可以用來(lái)對(duì)納米漿料濃縮處理、用溶解法去除納米漿料中雜質(zhì)、回收有機(jī)溶劑，實(shí)現(xiàn)氣/固分離；過濾掉半導(dǎo)體晶圓化學(xué)機(jī)械拋光拋光液中大顆粒粒子，提高晶圓良品率；用于太陽(yáng)能光伏晶圓多線切割機(jī)磨削液的過濾，城市污水處理，生活用水水質(zhì)提升等。使用微米級(jí)孔徑的蝶式陶瓷膜構(gòu)成動(dòng)態(tài)錯(cuò)流過濾，可以對(duì)微米級(jí)粉體顆粒精確分級(jí)、微粉漿料濃縮、除去漿料中溶解性雜質(zhì)、城市污水處理等，這樣本裝置及方法的應(yīng)用范圍將得到大大地拓展。

以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實(shí)施例并沒有詳盡敘述所有細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施方式。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可做很多的修改和變化，本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。

技術(shù)特征：

1.納米粒子分級(jí)裝置，其特征是，筒體、底板和頂蓋構(gòu)成密閉腔體，密閉腔體的底板上設(shè)置有貫穿的中空軸，中空軸位于密閉腔體里的部分，其上設(shè)置至少一片陶瓷膜，其上端設(shè)置鎖緊裝置；中空軸位于密閉腔體外的部分，其上設(shè)置有皮帶輪，皮帶輪通過皮帶連接電機(jī)；在中空軸的皮帶輪下方設(shè)置支撐軸承，在中空軸下端連接旋轉(zhuǎn)接頭；中空軸與底板上表面之間設(shè)置機(jī)械密封，中空軸與底板下表面之間設(shè)置定位軸承，中空軸、機(jī)械密封和定位軸承同心；中空軸在密閉腔體內(nèi)的部分，其圓周上設(shè)置有與陶瓷膜中空通道數(shù)一致的開口通道，開口通道大小與陶瓷膜中空通道大小一致；陶瓷膜之間設(shè)置有密封墊；底板上設(shè)置有進(jìn)料單向閥，進(jìn)料單向閥通過管道與泵連接；頂蓋上設(shè)置有卸料單向閥。

2.如權(quán)利要求1所述的納米粒子分級(jí)裝置，其特征是，中空軸位于密閉腔體里的部分，其靠近機(jī)械密封位置設(shè)有臺(tái)階，臺(tái)階上放置支撐陶瓷膜的支撐板，支撐板用定位銷固定在中空軸上；支撐板和陶瓷膜之間設(shè)有密封墊。

3.如權(quán)利要求1所述的納米粒子分級(jí)裝置，其特征是，所述鎖緊裝置為中空軸上端設(shè)置有內(nèi)外螺紋，壓緊螺母和端蓋；陶瓷膜通過中空軸上端的外螺紋用壓緊螺母鎖緊；中空軸上端的內(nèi)螺紋擰進(jìn)端蓋。

4.如權(quán)利要求1所述的納米粒子分級(jí)裝置，其特征是，所述陶瓷膜是蝶式陶瓷膜，包括膜層、支持層、中空通道；蝶式陶瓷膜放置在中空軸上支撐板和鎖緊裝置之間，用壓緊螺母鎖緊；膜層孔徑2nm~100nm，膜層面積為0.06m2~6m2，膜層材料是碳化硅、氧化鈦或是氧化鋯；中空通道為拋物線狀或者直線狀；支持層為重結(jié)晶碳化硅或是氧化鋁。

5.如權(quán)利要求1所述的納米粒子分級(jí)裝置，其特征是，筒體和底板之間、筒體和頂蓋之間通過螺栓固定，筒體、底板和頂蓋由不銹鋼制成，筒體內(nèi)表面襯有聚氨酯或耐磨陶瓷。

6.如權(quán)利要求1所述的納米粒子分級(jí)裝置，其特征是，密封墊厚度1~3mm，寬度5~10mm。

7.如權(quán)利要求1所述的納米粒子分級(jí)裝置，其特征是，采用多級(jí)連接，利用輸送管道連接前一級(jí)分級(jí)裝置的旋轉(zhuǎn)接頭和下一級(jí)的分級(jí)裝置的進(jìn)料單向閥，依照這種級(jí)聯(lián)法，構(gòu)成多級(jí)分級(jí)裝置；多級(jí)分級(jí)要求次級(jí)的納米粒子分級(jí)裝置中的陶瓷膜的孔徑小于前一級(jí)的納米粒子分級(jí)裝置中的陶瓷膜中的孔徑。

8.如權(quán)利要求1所述的納米粒子分級(jí)裝置，其特征是，陶瓷膜轉(zhuǎn)速100~1000rpm。

9.利用權(quán)利要求1-8所述的任意一項(xiàng)裝置進(jìn)行納米粒子分級(jí)方法，其特征是，將含有分散成單個(gè)納米粒子的漿料借助泵的壓力通過進(jìn)料單向閥進(jìn)入分級(jí)裝置的密閉腔體，納米粒子懸浮在漿料中，使得漿料充滿密閉腔體，利用密閉腔體中旋轉(zhuǎn)著的陶瓷膜的錯(cuò)流篩分原理，實(shí)現(xiàn)納米粒子的高效精密分級(jí)。

10.如權(quán)利要求9所述的納米粒子分級(jí)方法，其特征是，納米粒子懸浮在漿料中，使得漿料充滿密閉腔體，與該密閉腔體中旋轉(zhuǎn)的陶瓷膜接觸，陶瓷膜固定在中空軸上，中空軸由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，陶瓷膜的中空通道與中空軸上開口通道完全對(duì)應(yīng)，粒徑等于小于陶瓷膜膜層納米孔的納米粒子，依靠泵壓力和剪切力等借助液體或氣體的流動(dòng)進(jìn)入陶瓷膜的中空通道，通過中空軸上與陶瓷膜的中空通道對(duì)應(yīng)的開口通道運(yùn)動(dòng)到中空軸，通過與中空軸底端旋轉(zhuǎn)接頭連接的管道引出到密閉的收料箱；粒徑大于陶瓷膜膜層納米孔的納米粒子，則不能進(jìn)入到陶瓷膜的中空通道，而留在該密閉腔體；這樣通過旋轉(zhuǎn)著的陶瓷膜的錯(cuò)流篩分作用，實(shí)現(xiàn)納米粒子精密高效分級(jí)。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及納米粒子分級(jí)裝置及方法。筒體、底板和頂蓋構(gòu)成密閉腔體，其固定在機(jī)架上，其底板上設(shè)置有貫穿的中空軸；中空軸與底板上表面之間設(shè)機(jī)械密封，中空軸與底板下表面之間設(shè)定位軸承；中空軸在密閉空間內(nèi)部分，其圓周上設(shè)開口通道并與陶瓷膜中空通道相對(duì)應(yīng)，其凸臺(tái)上設(shè)支撐板，其上端有鎖緊裝置，陶瓷膜位于支撐板和鎖緊裝置之間，陶瓷膜之間設(shè)有密封墊；中空軸位于密閉空間外部分，其上設(shè)皮帶輪并與電機(jī)連接；中空軸底端連接旋轉(zhuǎn)接頭；底板上設(shè)進(jìn)料閥；頂蓋上設(shè)卸料閥。采用陶瓷膜旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)錯(cuò)流篩分分級(jí)裝置和方法，分級(jí)精度高，可分級(jí)粒徑2nm粒子；與板式壓濾分級(jí)比較，本發(fā)明的分級(jí)效率約是板式壓濾分級(jí)的20倍左右。

技術(shù)研發(fā)人員：王曉嗣

受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津開發(fā)區(qū)天地信息技術(shù)有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.07.07

技術(shù)公布日：2021.08.13