專利名稱：利用靜態(tài)混合器制備無機(jī)非金屬納米材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無機(jī)非金屬納米材料的制備方法，特別是利用靜態(tài)混合器制備無機(jī)非金屬納米材料的方法。
CN1116146A公開了在超重力場下制備超微顆粒的方法，該方法利用旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置作為化學(xué)反應(yīng)器完成沉淀反應(yīng)，強(qiáng)化了微觀混合和傳質(zhì)的效率，產(chǎn)物粒度分布窄，粒徑超微化。但超重力場裝置存在價格昂貴且裝置本身不能控溫，因而對某些產(chǎn)品不能連續(xù)生產(chǎn)等缺點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是提供一種使用常規(guī)設(shè)備—靜態(tài)混合器，連續(xù)生產(chǎn)粒度均勻的無機(jī)非金屬納米材料的新方法，以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案的是采用靜態(tài)混合單元為管材的靜態(tài)混合器作為化學(xué)沉淀反應(yīng)器，將參加反應(yīng)的原料物流按反應(yīng)計(jì)量比范圍分別通入靜態(tài)混合器的不同進(jìn)料口，在靜態(tài)混合單元內(nèi)反應(yīng)，同時在以管材制造的靜態(tài)混合單元內(nèi)通以加熱或冷卻介質(zhì)，控制反應(yīng)溫度，使反應(yīng)的原料物流混合均勻，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，得到粒度均勻的納米材料。
上述參加反應(yīng)的原料物流至少一種為液相流，另外一種是氣相或液相。其中氣相物流是單組分氣體或含兩個組分以上的混合氣體；液相物流是單組分液體或溶液，也可以是含兩種組分以上的混合液體或混合溶液。
本發(fā)明利用利用靜態(tài)混合器作為化學(xué)沉淀反應(yīng)器，極大地強(qiáng)化了微觀混合與微觀傳質(zhì)，并且通過控制混合器溫度(10-100℃)連續(xù)生產(chǎn)粒度均勻的無機(jī)非金屬納米材料，提高了生產(chǎn)效率。
如圖2所示，按化學(xué)計(jì)量比將參加反應(yīng)的物料，分別用高壓齒輪泵輸入到靜態(tài)混合器進(jìn)料口1和1′中，原料物流在高壓作用下(一般為0.5-5Mpa)在管道3中沖擊管元件4，產(chǎn)生劇烈的渦流，從而均勻混合發(fā)生沉淀反應(yīng)，然后反應(yīng)物料在高壓下在管元件4中繼續(xù)向出料口5方向流動，同時通過加熱或冷卻介質(zhì)進(jìn)口2及2′中通過加熱或冷卻介質(zhì)(一般為油或水)，使管元件4通入流體介質(zhì)，控制反應(yīng)溫度，使管元件4同一截面處的溫度變得均勻，對于高黏度產(chǎn)物的傳熱過程能強(qiáng)化4-15倍，使管元件4內(nèi)物料混合均勻，這樣反應(yīng)物料在管道3中流動的過程相當(dāng)于是一個恒溫晶化過程。反應(yīng)物料從出料口5排出后，直接送入分離、洗滌及干燥后處理工序，連續(xù)制備出納米材料。
本發(fā)明得到的產(chǎn)品是氫氧化物、氧化物、復(fù)合金屬氫氧化物、復(fù)合金屬氧化物、碳酸鹽，包括納米氫氧化鎂及氧化鎂、納米氫氧化鋁及氧化鋁、納米氧化鋅、納米氧化鎳、納米氧化鐵、納米尺寸鎳鋁復(fù)合金屬氫氧化物及氧化物、納米鎳鐵尖晶石等。
上述參加反應(yīng)的兩個原料物流可以為液相流，如可以為鹽溶液和堿溶液，鹽溶液為硫酸鹽、鹽酸鹽或硝酸鹽的水溶液或醇溶液或以水和醇的混合溶劑溶解形成的溶液，堿溶液為氫氧化鈉、碳酸鈉、氨水、碳酸銨或尿素等的水溶液。此外，參加反應(yīng)的兩個原料物流，可以一個為液相，如鹽溶液或堿溶液，另一個為氣相，二氧化碳等。
下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
實(shí)施例1在溶解釜A中將30.8kg的固體硝酸鎂Mg(NO3)2·6H2O溶于120L水，20-50℃下配成鹽溶液，在溶解釜B中將9.6kg氫氧化鈉NaOH溶于120L水，20-50℃下配成堿溶液。將鹽溶液和堿溶液分別用高壓泵噴入靜態(tài)混合器內(nèi)，兩種液體在管線內(nèi)沖擊管元件快速混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度為100℃，生成白色結(jié)晶性氫氧化鎂Mg(OH)2沉淀，并從靜態(tài)混合器出料口出料，經(jīng)過濾、洗滌及干燥制得納米氫氧化鎂Mg(OH)2，納米氫氧化鎂Mg(OH)2于400-600℃下焙燒1-5小時得納米氧化鎂MgO。操作中，鹽溶液/堿溶液流量比為1.1。
由透射電鏡圖可知，氫氧化鎂Mg(OH)2及氧化鎂MgO晶體形狀為六邊形，晶粒大小范圍為50-100nm。
實(shí)施例2除堿溶液為氫氧化鈉NaOH和尿素的混合溶液及控制反應(yīng)溫度為90℃外，其余工藝同實(shí)施例1?？刂颇蛩赜昧繛镹aOH用量的7-30倍，制得納米氫氧化鎂Mg(OH)2及納米氧化鎂MgO。操作中，鹽溶液/堿溶液流量比為1.1。
由透射電鏡圖可知，氫氧化鎂Mg(OH)2及氧化鎂MgO晶體形狀為六邊形；晶粒大小范圍為60-100nm。
實(shí)施例3在溶解釜A中將13.7kg的固體氯化鋅ZnCl2溶于160L水，20-50℃下配成鹽溶液，溶解釜B中將6kg固體氫氧化鈉NaOH和9.6kg的固體碳酸鈉Na2CO3溶于160L水，20-50℃下配成堿溶液。將鹽溶液和堿溶液分別用高壓泵噴入靜態(tài)混合器內(nèi)，兩種液體在管線內(nèi)沖擊管元件快速混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度為10-40℃，生成白色沉淀，并從靜態(tài)混合器出料口出料，經(jīng)過濾、洗滌、干燥，300-700℃焙燒1-5小時，得納米氧化鋅ZnO。操作中，鹽溶液/堿溶液流量比為1.2。
由透射電鏡圖可知，氧化鋅ZnO晶體形狀為橢圓形；晶粒大小范圍為10-50nm。
實(shí)施例4在溶解釜A中將29.1kg的固體硝酸鎳Ni(NO3)2·6H2O溶于100L的水和乙醇CH3OH(水/乙醇的配比為0/10-100/0)中，20-50℃下配成鹽溶液，在溶解釜B中配置濃度為10-35％的氨水溶液100L。將鹽溶液和堿溶液分別用高壓泵噴入靜態(tài)混合器內(nèi)，兩種液體在管線內(nèi)沖擊管元件快速混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度為50℃，生成沉淀，并從靜態(tài)混合器出料口出料，經(jīng)過濾、洗滌、干燥，300-750℃焙燒1-5小時后得納米氧化鎳NiO。操作中，鹽溶液/堿溶液流量比為1.2。
由透射電鏡圖可知，氧化鎳NiO晶體形狀為橢圓形，晶粒大小為30-80nm。
由透射電鏡圖可知，氧化鎳NiO晶體形狀為橢圓形，晶粒大小為30-80nm。
實(shí)施例5在溶解釜A中將9.7kg的固體硝酸鎳Ni(NO3)2·6H2O和26.9kg的固體硝酸鐵Fe(NO3)3·9H2O溶于200L水，20-50℃下配成混合鹽溶液，在溶解釜B中將14.4kg固體氫氧化鈉NaOH溶于200L水，20-50℃下配成堿溶液。將鹽溶液和堿溶液分別用高壓泵噴入靜態(tài)混合器內(nèi)，兩種液體在管線內(nèi)沖擊管元件快速混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度為40℃，生成沉淀，并從靜態(tài)混合器出料口出料，經(jīng)過濾、洗滌、干燥，700-900℃下焙燒1-5小時后得納米鎳鐵尖晶石NiFe2O4。操作中，鹽溶液/堿溶液流量比為1.2。
由透射電鏡圖可知，鎳鐵尖晶石NiFe2O4晶粒大小為40-90nm。
實(shí)施例6在溶解釜A中將20.2kg的固體硝酸鐵Fe(NO3)3·9H2O和0.2kg硬脂酸溶于90L水，20-50℃下配成鹽溶液，在溶解釜B中將6.2kg固體碳酸鈉Na2CO3溶于90L水，20-50℃下配成堿溶液。將鹽溶液和堿溶液分別用高壓泵噴入靜態(tài)混合器內(nèi)，兩種液體在管線內(nèi)沖擊管元件快速混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度為10-30℃，生成沉淀，并從靜態(tài)混合器出料口出料，經(jīng)過濾、洗滌、干燥，300-500℃下焙燒1-5小時得納米氧化鐵Fe2O3。操作中，鹽溶液/堿溶液流量比為1.2。
由透射電鏡圖可知，晶粒大小范圍為50-100nm。
實(shí)施例7在溶解釜A中將7.7kg的固體無水硫酸鎳NiSO4和5.6kg的固體無水硫酸鋁Al2(SO4)3溶于70L水，20-50℃下配成混合鹽溶液，在溶解釜B中將14.4kg固體碳酸氨(NH4)2CO3溶于70L水，20-50℃下配成堿溶液。將鹽溶液和堿溶液分別用高壓泵噴入靜態(tài)混合器內(nèi)，兩種液體在管線內(nèi)沖擊管元件快速混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度為60℃，生成沉淀，并從靜態(tài)混合器出料口出料，經(jīng)過濾、洗滌、干燥得納米尺寸鎳鋁復(fù)合氫氧化物Ni6Al2(OH)16CO3·4H2O，400-600℃下焙燒1-5小時后得納米尺寸鎳鋁復(fù)合氧化物Ni6Al2O8(OH)2。操作中，鹽溶液/堿溶液流量比為1.0。
由透射電鏡圖可知，鎳鋁復(fù)合氫氧化物Ni6Al2(OH)16CO3·4H2O及鎳鋁復(fù)合氧化物Ni6Al2O8(OH)2晶體形狀為橢圓形，晶粒大小為10-60nm。
實(shí)施例8在溶解釜A中配置濃度為10-30％偏鋁酸鈉NaAlO2溶液70-200L，通過高壓泵輸入靜態(tài)混合器；二氧化碳CO2氣從鋼瓶氣源減壓后，以1-4m3/h流量從另一進(jìn)料口進(jìn)入靜態(tài)混合器，二氧化碳CO2與偏鋁酸鈉NaAlO2溶液在高度湍流的情況下發(fā)生反應(yīng)，生成沉淀，經(jīng)過濾、洗滌、干燥得納米氫氧化鋁Al(OH)3。氫氧化鋁Al(OH)3經(jīng)500-800℃下焙燒1-5小時后得納米氧化鋁Al2O3。
由透射電鏡圖可知，氫氧化鋁Al(OH)3和氧化鋁Al2O3晶粒大小為30-100nm。
實(shí)施例9同實(shí)施例7，但氣體為二氧化碳CO2-空氣混合氣，二氧化碳CO2氣體含量控制在20-50％，得到納米氫氧化鋁Al(OH)3和納米氧化鋁Al2O3。
由透射電鏡圖可知，氫氧化鋁Al(OH)3和氧化鋁Al2O3晶粒大小為30-100nm。
權(quán)利要求
1.利用靜態(tài)混合器制備無機(jī)非金屬納米材料的方法，其特征是采用靜態(tài)混合單元為管材的靜態(tài)混合器作為化學(xué)沉淀反應(yīng)器，將參加反應(yīng)的原料物流按反應(yīng)計(jì)量比范圍分別通入靜態(tài)混合器的不同進(jìn)料口，在靜態(tài)混合單元內(nèi)反應(yīng)，同時以管材制造的靜態(tài)混合單元內(nèi)通以加熱或冷卻介質(zhì)，控制反應(yīng)溫度，使反應(yīng)的原料物流混合均勻，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，得到粒度均勻的納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的原料物流至少一種為液相流，另一種是氣相或液相。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是液相物流是單組分液體或溶液，或含兩種組分以上的混合液體或混合溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的制備方法，其特征是所述的氣相物流是單組分氣體或含兩個組分以上的混合氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是液相物流中的一種液體為鹽溶液，另一種為堿溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是所述鹽溶液為硫酸鹽或鹽酸鹽或硝酸鹽等的水溶液，或醇溶液，或以水和醇混合溶劑溶解形成的溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是所述堿溶液為氫氧化鈉、碳酸鈉、氨水、碳酸銨或尿素等的水溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征是以管材制造的靜態(tài)混合單元內(nèi)通加熱或冷卻介質(zhì)為油或水，控制反應(yīng)溫度為10-100℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征是在靜態(tài)混合器內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)后得到的沉淀產(chǎn)物是氫氧化物、氧化物、復(fù)合金屬氫氧化物、復(fù)合金屬氧化物、碳酸鹽，包括納米氫氧化鎂及氧化鎂、納米氫氧化鋁及氧化鋁、納米氧化鋅、納米氧化鎳、納米氧化鐵、納米尺寸鎳鋁復(fù)合金屬氫氧化物及氧化物、納米鎳鐵尖晶石等。
全文摘要
利用靜態(tài)混合器制備無機(jī)非金屬納米材料的方法，將參加反應(yīng)的原料物流按反應(yīng)計(jì)量比范圍分別通入靜態(tài)混合器的不同進(jìn)料口，在靜態(tài)混合單元內(nèi)反應(yīng)，同時以管材制造的靜態(tài)混合單元內(nèi)通以加熱或冷卻介質(zhì)，控制反應(yīng)溫度，使反應(yīng)的原料物流混合均勻，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，得到粒度均勻的納米材料。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)備昂貴、不能連續(xù)生產(chǎn)及粒度分布寬、顆粒尺寸難以控制的缺陷，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)粒度均勻的無機(jī)非金屬納米材料，提高了生產(chǎn)效率。
文檔編號B01J14/00GK1467020SQ0212395
公開日2004年1月14日 申請日期2002年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月10日
發(fā)明者胡偉康, 劉燕, 陳中強(qiáng), 徐瑞芬 申請人:北京化工大學(xué)精細(xì)化工廠