Diseño de precipitador electrostático para cluster de máquinas de sintesis de nanopartículas.

Abstract

La nanotecnología es la ciencia que se dedica al diseño, síntesis, producción y aplicación de estructuras y objetos a nivel nanométrico, siendo el nanómetro una milmillonésima parte de un metro. La amplia gama de tamaños, materiales y formas que componen las nanopartículas y nanoestructuras entregan un sin límite de posibles funcionalidades. Actualmente se busca desarrollar nuevas aplicaciones en esta área, puesto que las propiedades y comportamientos son únicos en esta escala de composición de la materia. Una de las principales limitaciones al desarrollar estas investigaciones, es la obtención de nanoestructuras de forma masiva, así como su clasificación por tamaño. Por ello, los nuevos estudios tienen como propósito que este proceso sea atractivo, por un lado, en términos de volumen de producción y por otro, económicamente viable. En la Universidad de Concepción, se busca fabricar un cluster de máquinas de descarga de arco eléctrico en atmósfera controlada (DARC-AC), para trabajar simultáneamente con varias de estas máquinas. Con anterioridad se fabricó la cámara de reacción de una máquina DARC-AC, la que mediante una descarga de arco eléctrico entre dos electrodos, permite generar una nube de nanopartículas en una cámara de reacción, nube que se inyectará mediante un deflector a una cámara de recolección donde se ubicará un precipitador electrostático, conformado por placas de acero formando cátodos y ánodos, generando la adhesión de nanopartículas a estas placas y posteriormente recolectarlas. Se busca que el precipitador funcione con un campo electrostático generado por fuentes de voltaje aproximadamente a 6000 [V]. En esta memoria de título se diseña y fabrica la cámara de recolección, así como cada pieza que conforma el precipitador electrostático, las que se ensamblan al resto de la máquina DARC-AC ya fabricada. Se realizan diversas pruebas previo a la puesta en marcha final, determinando los parámetros óptimos de funcionamiento, de manera experimental. Con todo en regla se dispuso a realizar las pruebas oficiales para sintetizar nanomaterial con una recolección exitosa de nanopartículas desde las placas. Finalmente, el rendimiento másico fue levemente superior al 40%, ya que un gran porcentaje del material reaccionado se adhirió a otros componentes metálicos (cámara de reacción y deflector), sin llegar a la cámara de recolección. Además, se analizaron las muestras sintetizadas mediante análisis TEM, obteniendo nanopartículas de origen metálico con un 85.71% de nanopartículas con tamaño inferior o igual a 100 [nm] y de estas, un tamaño promedio de 45.33 [nm], cumpliendo el objetivo esencial de sintetizar nanopartículas.

Nanotechnology is the science dedicated to the design, synthesis, production, and application of structures and objects at the nanometer level, with a nanometer being one billionth part of a meter. The wide range of sizes, materials, and shapes that compose nanoparticles and nanostructures offer limitless potential functionalities. Currently, there is a search for developing new applications in this area, as the properties and behaviors are unique at this scale of matter composition. One of the main limitations in developing these investigations is obtaining nanostructures in mass and their size classification. Therefore, new studies aim to make this process attractive both in terms of production volume and economic viability. In University of Concepción, the goal is to manufacture a cluster of machines for arc discharge in controlled atmosphere (DARC-AC) to work simultaneously with several of these machines. Previously, the reaction chamber of a DARC-AC machine was fabricated, which, through an electric arc discharge between two electrodes, allows generating a cloud of nanoparticles in a reaction chamber. This cloud will be injected by a deflector into a collection chamber where an electrostatic precipitator will be located, consisting of steel plates forming cathodes and anodes, generating the adhesion of nanoparticles to these plates, and subsequently collecting them. The aim is for the precipitator to operate with an electrostatic field generated by voltage sources approximately at 6000 [V]. In this thesis, the collection chamber is designed and fabricated, as well as each piece that forms the electrostatic precipitator, which is assembled to the rest of the already manufactured DARC-AC machine. Various tests are conducted before the final startup, determining the optimal operating parameters experimentally. With everything in order, official tests were conducted to synthesize nanomaterial with a successful collection of nanoparticles from the plates. Finally, the mass yield was slightly above 40%, as a large percentage of the reacted material adhered to other metallic components (reaction chamber and deflector), without reaching the collection chamber. Additionally, the synthesized samples were analyzed through TEM analysis, obtaining metal-origin nanoparticles with 85.71% of nanoparticles with a size equal to or less than 100 [nm], and among these, an average size of 45.33 [nm], fulfilling the essential objective of synthesizing nanoparticles.