超重力技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用
時(shí)間：2025-11-14 瀏覽：834次
過程強(qiáng)化技術(shù)是化學(xué)工程學(xué)科的研究前沿和熱點(diǎn)方向之一，是采用新技術(shù)或新設(shè)備等，提升傳質(zhì)、傳熱或反應(yīng)過程速率，在生產(chǎn)能力不變的情況下減小設(shè)備體積、節(jié)能減排、提質(zhì)增效的可持續(xù)綠色化工新技術(shù)。而作為化工過程強(qiáng)化技術(shù)中的一種有力技術(shù)手段，超重力技術(shù)擁有設(shè)備體積小、強(qiáng)化微混合等優(yōu)勢，在納微顆粒的制備方面受到廣泛關(guān)注
超重力是指在高于地球重力加速度（g=9.8m/s2）的環(huán)境下物質(zhì)所受到的合力，基于超重力環(huán)境下物質(zhì)物理化學(xué)變化過程的原理而創(chuàng)立的應(yīng)用技術(shù)稱為超重力技術(shù)。超重力技術(shù)誕生于1979年，來自英國的Ramshaw博士提出了“Higee（high gravity），譯為超重力”的概念。超重力簡而言之就是要比常規(guī)重力場要大的一個(gè)環(huán)境，一般是比常規(guī)重力大100到1000倍。超重力技術(shù)是一種可以增強(qiáng)氣液傳質(zhì)和改善化學(xué)反應(yīng)的過程，其傳質(zhì)系數(shù)要比傳統(tǒng)重力場大很多。
超重力反應(yīng)器設(shè)備及特點(diǎn)
通常超重力環(huán)境可以通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力來模擬實(shí)現(xiàn)。這種旋轉(zhuǎn)的設(shè)備之一是旋轉(zhuǎn)填充床（Rotating Packed Bed，簡稱RPB)，又被稱為超重力反應(yīng)器。RPB反應(yīng)器主要由轉(zhuǎn)子、填料、外殼、氣體和液體進(jìn)出口等組成，其中轉(zhuǎn)子是固定并帶動(dòng)填料層旋轉(zhuǎn)提供模擬超重力環(huán)境的主要部件。氣相物質(zhì)經(jīng)氣體入口進(jìn)入超重力機(jī)空腔內(nèi)，由于腔內(nèi)氣體存在壓差，內(nèi)部氣體會(huì)由轉(zhuǎn)子外緣處進(jìn)入填料區(qū)。液體物料在通過由轉(zhuǎn)子帶動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)的填料時(shí)，會(huì)被填料內(nèi)穩(wěn)定的多孔道結(jié)構(gòu)切割并破碎形成不斷更新的微元流體。液體在這種高分散、高湍動(dòng)、強(qiáng)混合以及界面急速更新的環(huán)境下進(jìn)行氣液兩相甚至氣液固多相逆向接觸，有效地強(qiáng)化了傳質(zhì)過程和分子混合過程。
旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)簡圖
（1）傳質(zhì)單元高度低，僅有1.2cm，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)固定床的傳質(zhì)單元高度；（2）相間傳質(zhì)和微觀混合效率高，比傳統(tǒng)固定床高1-3個(gè)數(shù)量級；（3）器內(nèi)液體的停留時(shí)間很短，約為0.1-1s；（4）設(shè)備壓降小，液泛點(diǎn)高，能耗小，使其在氣液比比較高的體系中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢；（5）設(shè)備體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)固定床，可有效減少設(shè)備的投資成本，降低設(shè)備運(yùn)輸、安裝、拆卸和維修的難度；（6）可用于震動(dòng)性和移動(dòng)性較強(qiáng)的環(huán)境。超重力技術(shù)制備納米材料研究進(jìn)展
在誕生之初，超重力技術(shù)主要應(yīng)用于分離過程的強(qiáng)化，核心技術(shù)也掌握在英國和美國的部分企業(yè)和學(xué)校中，我國關(guān)于這方面的研究相對較少。80年代末，北京化工大學(xué)與美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)合作，正式開始了超重力技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究。作為一種過程強(qiáng)化技術(shù)，超重力技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)應(yīng)用。目前為止，RPB已被廣泛應(yīng)用于吸收、蒸餾、吸附、分離、乳化、反應(yīng)沉淀等過程，在化工分離、新材料制備、氣體凈化處理、海洋工程等領(lǐng)域被廣泛采用。在納米材料制備方面，超重力法具有明顯的優(yōu)勢：制備的納米顆粒尺寸更小，粒徑分布更窄，分散性更好。同時(shí)，超重力技術(shù)工程放大較容易，生產(chǎn)效率可顯著提高（生產(chǎn)能力可提高4-20倍），有利于納米材料的規(guī)模化生產(chǎn)。在常規(guī)水性介質(zhì)中，納米顆粒的成核特征時(shí)間大約為1ms級。在RPB反應(yīng)器中，分子混合特征時(shí)間估算為0.4－0.04ms或更小，明顯小于成核特征時(shí)間。而在傳統(tǒng)攪拌式反應(yīng)器中，分子混合特征時(shí)間約為5-50ms，明顯大于成核特征時(shí)間。因此，在RPB反應(yīng)器中，納米顆粒的成核過程是在微觀均勻的環(huán)境中進(jìn)行的，從而使得成核過程可控，得到的納米顆粒粒徑更小且粒度分布更窄。基于超重力法制備納米材料的優(yōu)勢，近年來北化超重力團(tuán)隊(duì)提出了超重力法制備納米材料的新工藝，成功制備了納米銀、零價(jià)鐵等納米金屬，氧化鋅、四氧化三鐵、二氧化硅等納米氧化物，氫氧化鎂、氫氧化鋁等納米氫氧化物及一些納米復(fù)合材料，并且實(shí)現(xiàn)了部分納米材料的工業(yè)化生產(chǎn)，如納米碳酸鈣。除此之外，近年來超重力法也成功用于熒光納米材料、鋰電等材料的制備過程。Leng等采用旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)器，結(jié)合水熱和煅燒過程制備納米熒光粉Gd2O3:Yb3+/Er3+，利用超重力環(huán)境強(qiáng)化顆粒沉淀過程的混合效果，制備的熒光粉納米顆粒粒徑<100nm，比常規(guī)路線制備的顆粒粒徑(~350nm)小。經(jīng)表面改性后與聚氨酯均勻混合，形成柔性透明的復(fù)合材料。黃新武等人采用RBHC得到了平均粒徑為60nm的鎳錳酸鋰以及申請了有關(guān)納米粉體材料等方面。段紹君等利用環(huán)形轉(zhuǎn)盤的超重力旋轉(zhuǎn)填料床制備超細(xì)粉體，并與傳統(tǒng)的夾套反應(yīng)器進(jìn)行對比。結(jié)果表明，超重力旋轉(zhuǎn)填料床制備出的產(chǎn)品形貌較好，無雜相，產(chǎn)出的粉體粒徑更加均一。He等對比了旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)器和攪拌反應(yīng)器制備的二氧化鋯納米分散體，并初步應(yīng)用于LED的封裝。結(jié)果顯示，超重力制備的納米分散體顆粒更小，更有利于在有機(jī)溶劑或聚合物主體溶液之中實(shí)現(xiàn)高分散，從而進(jìn)行改性處理。 在納米顆粒制備方面，超重力技術(shù)可極大地強(qiáng)化微觀混合效果，使成核過程可控。近年來，在工業(yè)化制備和理論研究方面不斷取得進(jìn)展，納米碳酸鈣已形成商業(yè)化生產(chǎn)線。實(shí)現(xiàn)了多相流、多步驟的納米顆粒合成路徑，可制備高分散、粒徑更小的顆粒，應(yīng)用于醫(yī)藥、電子、航天等眾多領(lǐng)域，陸續(xù)開發(fā)出了旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)器平臺(tái)用于系列化納米顆粒的制備，成為了納米材料制備的平臺(tái)性技術(shù)之一。
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