專利名稱：無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及ー種無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
無機納米粒子是指尺寸在I IOOnm間的金屬、陶瓷、半導(dǎo)體等材料粒子,和大塊固體材料相比，具有明顯的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于陶瓷、半導(dǎo)體、顔料和催化劑等領(lǐng)域。根據(jù)用途的不同，無機納米粒子的均一性、高分散性和形貌結(jié)構(gòu)等成為影響無機納米粒子使用性能的重要因素。常用的無機納米材料的制備方法包括溶膠-凝膠法、常規(guī)水熱法，共沉淀法、氣相法和加水分解法等，在這些合成方法中，溶膠-凝膠法、共沉淀法和加水分解法雖然可以用于材料的大規(guī)模制備，但是得到的無機納米粒子易團聚，很難得到結(jié)晶性好的納米級均勻分散粒子；間歇式的常規(guī)水熱法的設(shè)備較高昂貴且安全性較差，很難擴大生產(chǎn)。 采用連續(xù)合成用臨界(亞臨界)水熱法反應(yīng)生產(chǎn)無機納米材料已經(jīng)被越來越多人關(guān)注，例如，申請?zhí)枮?3121941. I的中國專利文獻公開了ー種連續(xù)管式高溫高壓水熱反應(yīng)裝置，該裝置采用管式循環(huán)流動反應(yīng)器，該反應(yīng)器主要由強制循環(huán)的管式反應(yīng)器本體，設(shè)置在管式反應(yīng)器本體上的高溫循環(huán)泵，布置在管式反應(yīng)器本體上的高溫循環(huán)泵，布置在在反應(yīng)本體外部的加熱裝置，垂直安裝在反應(yīng)器本體外部的加熱裝置，垂直安裝在反應(yīng)器本體上的氣體風(fēng)力器及相應(yīng)的閥門組成。該裝置的管道路線裝置復(fù)雜，且產(chǎn)品制備周期也比較長，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。另外，申請?zhí)枮?00710037315. 3的中國專利文獻報道了ー種無機納米粒子連續(xù)合成用超臨界水熱反應(yīng)裝置，該裝置主要由原料液輸送系統(tǒng)，反應(yīng)器，閃蒸室及干粉收集器組成，其中，原料液輸送系統(tǒng)由若干個高壓泵并列連接構(gòu)成。利用上述裝置無機納米粒子的過程中，由于原料進入反應(yīng)器前未得到充分的混合，且由各個高壓泵輸送進入反應(yīng)器內(nèi)的原料濃度不同，因此，易造成反應(yīng)器的阻塞；另外，由于原料進入反應(yīng)器前未得到充分的混合，從而導(dǎo)致原料混合不均勻，制備的無機納米粒子的成分均一性較差。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供ー種無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，避免了反應(yīng)裝置的阻塞，并且制備的無機納米粒子成分均一。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供ー種無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，包括依次連接的原料混合加壓系統(tǒng)、加熱反應(yīng)系統(tǒng)、冷卻裝置和過濾裝置，所述原料混合加壓系統(tǒng)包括依次連接的原料槽、原料輸送泵和具有第一攪拌裝置的空氣加壓器，所述空氣加壓器的出口與加熱反應(yīng)系統(tǒng)的入口相連。優(yōu)選的，所述原料槽具有第二攪拌裝置。優(yōu)選的，所述加熱反應(yīng)系統(tǒng)包括預(yù)熱器和反應(yīng)器，所述預(yù)熱器的入口和出口分別與所述空氣加壓器的出口和反應(yīng)器入口相連，所述反應(yīng)器的出口與冷卻裝置的入口相連。優(yōu)選的，所述預(yù)熱器和反應(yīng)器分別具有加熱套。優(yōu)選的，還包括設(shè)置于所述加熱反應(yīng)系統(tǒng)和冷卻裝置之間的背閥。優(yōu)選的，還包括設(shè)置于所述冷卻裝置和過濾裝置之間的壓カ調(diào)節(jié)閥。優(yōu)選的，還包括與所述過濾裝置出ロ相連的噴霧干燥裝置。優(yōu)選的，所述空氣加壓器可實現(xiàn)壓力在I 40MPa范圍內(nèi)可調(diào)。優(yōu)選的，所述空氣加壓器可實現(xiàn)溫度在20 100°C范圍內(nèi)可調(diào)。優(yōu)選的，所述加熱反應(yīng)系統(tǒng)可實現(xiàn)溫度在100 400°C范圍內(nèi)可調(diào)。

本發(fā)明提供ー種無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，包括依次連接的原料混合加壓系統(tǒng)、加熱反應(yīng)系統(tǒng)、冷卻裝置和過濾裝置，所述原料混合加壓系統(tǒng)包括依次連接的原料槽、原料輸送泵和具有第一攪拌裝置的空氣加壓器，所述空氣加壓器的出口與加熱反應(yīng)系統(tǒng)的入口相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于本發(fā)明采用了具有第一攪拌裝置的空氣加壓器，使原料在進入加熱反應(yīng)系統(tǒng)前在空氣加壓器內(nèi)得到充分混合，避免了因為原料混合不均勻而導(dǎo)致的反應(yīng)裝置的阻塞，同時使制備的無機納米粒子成分均一。實驗結(jié)果表明，利用本發(fā)明提供的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置制備的無機納米粒子成分均一，分散性良好。


圖I為本發(fā)明公開的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例I制備無機納米粒子的XRD圖；圖3為本發(fā)明實施例I制備的無機納米粒子的掃描電子顯微鏡圖片。
具體實施例方式下面對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明公開了ー種無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，如圖I所示，包括依次連接的原料混合加壓系統(tǒng)、加熱反應(yīng)系統(tǒng)、冷卻裝置107和過濾裝置108，原料混合加壓系統(tǒng)包括依次連接的原料槽101、原料輸送泵102和具有第一攪拌裝置110的空氣加壓器103，空氣加壓器103的出口與加熱反應(yīng)系統(tǒng)的入口相連。原料槽101具有第二攪拌裝置109，第二攪拌裝置109優(yōu)選為攪拌機。原料經(jīng)原料槽101的入口 111進入該水熱反應(yīng)裝置，經(jīng)第二攪拌裝置109攪拌后經(jīng)出口輸送進入空氣加壓器103中。原料槽101的出口和空氣加壓器103之間由原料輸送泵102連接。在水熱反應(yīng)裝置的工作過程中，將調(diào)制好的各種原料通過原料槽101的入口 111投入到原料槽101，經(jīng)過第二攪拌裝置109的攪拌，混合后由原料輸送泵102輸送至空氣加壓器103中。本發(fā)明采用的空氣加壓器103通過壓縮空氣112進行直接加壓，而不是通過高壓泵來實現(xiàn)加壓。壓縮空氣調(diào)節(jié)壓カ可以使反應(yīng)壓カ更平穩(wěn)，該加壓方法可以使原料漿料在加壓狀態(tài)下均勻分散，并且，該加壓裝置在不影響原料顆粒的形態(tài)，使生成的無機納米顆粒具有高分散性，高結(jié)晶性，高均一性的特點，有利于生產(chǎn)過程的穩(wěn)定進行?？諝饧訅浩?03可實現(xiàn)壓力在I 40MPa范圍內(nèi)可調(diào),溫度在20 100°C范圍內(nèi)可調(diào)。在利用該水熱反應(yīng)裝置制備無機納米粒子時，空氣加壓器103的壓カ優(yōu)選為I 40MPa ;空氣加壓器103內(nèi)原料的溫度優(yōu)選小于100°C。空氣加壓器103內(nèi)原料的溫度大于100°C時，易使原料在加壓器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品顆粒的不均一。由于空氣加壓器103具有第一攪拌裝置110，從而原料在進入加熱反應(yīng)系統(tǒng)前在空氣加壓器103內(nèi)得到充分混合，避免了因為原料混合不均勻而導(dǎo)致的反應(yīng)裝置的阻塞，且制備得到的無機納米粒子成分均一。原料在空氣加壓器103內(nèi)加壓后進入加熱反應(yīng)系統(tǒng)中，加熱反應(yīng)系統(tǒng)包括預(yù)熱器104和反應(yīng)器105，預(yù)熱器104的入口和出ロ分別與空氣加壓器103的出口和反應(yīng)器105入ロ相連，反應(yīng)器105的出口與冷卻裝置107的入口相連。原料在進入反應(yīng)器105前通過預(yù)熱器104，可以保證原料在高壓反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)溫度均勻，避免因為反應(yīng)溫度的不均一導(dǎo)致產(chǎn)品顆粒的不均一。反應(yīng)器105可實現(xiàn)壓力在I 40MPa范圍內(nèi)可調(diào)，溫度在100 400°C范圍內(nèi)可調(diào)。在水熱反應(yīng)裝置的工作過程中，反應(yīng)器105的壓カ一般控制在I 40MPa，這是由于壓カ太小將不易使原料快速反應(yīng)，得到純度高的產(chǎn)品，另ー方面壓カ也受材質(zhì)控制。反應(yīng)器105的水熱溫度優(yōu)選控制在100 400°C，更優(yōu)選為200 350°C，這是由于溫度小于100°C容易使反應(yīng)得到的產(chǎn)品結(jié)晶性不高或者反應(yīng)不完全，溫度大于400°C時易使顆粒過分 生長，導(dǎo)致團聚，從而影響顆粒的均一分布。為了控制控制溫度，預(yù)熱器104和反應(yīng)器105分別具有加熱套，即在預(yù)熱器104和反應(yīng)器105的外殼都裝有加熱裝置和熱電偶。在整個反應(yīng)過程中，本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)送液量達到控制反應(yīng)時間的目的，利用該方式來控制反應(yīng)時間可以減少送液過程中溫度的變化和原料漿料的固液分離。同吋，反應(yīng)器內(nèi)徑過大容易導(dǎo)致固液分離，同時導(dǎo)致水熱反應(yīng)粒子形狀和粒徑的不均一。原料在反應(yīng)器105中反應(yīng)后，經(jīng)冷卻裝置107冷卻，然后通入過濾裝置108中過濾，得到高分散，高結(jié)晶的無機納米粒子，該過濾裝置108優(yōu)選為連續(xù)過濾裝置。本裝置采用的連續(xù)過濾裝置可以減少工程的エ序，提高整個裝置的量產(chǎn)性，同時使所述水熱反應(yīng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、成本低和量產(chǎn)性高等優(yōu)點，并且，該無機納米粒子的制備過程是ー個連續(xù)的過程，適合于エ業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。另外，在反應(yīng)器105和冷卻裝置107之間優(yōu)選設(shè)置有背閥106用來調(diào)節(jié)壓力；在冷卻裝置107和過濾裝置108之間管道上裝有和大氣相通的壓カ調(diào)節(jié)閥(圖中未示出)。本發(fā)明提供的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置還優(yōu)選包括與過濾裝置108出ロ相連的噴霧干燥裝置，從而得到產(chǎn)品即無機納米粒子。本發(fā)明提供的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置可以制備各種金屬酸化物或者金屬水酸化合物，也可以制備兩種或兩種以上的復(fù)合金屬酸化物或者磷化物，例如，F(xiàn)e2O3,Fe3O4, Mn3O4, TiO2, Mg (OH) 2, Al2O3, SnO2, MnFe2O4, BaFe12O19, BaTiO3, ZrO2, WO3, CeO2, ZnO,Y2O3, La2O3, MoO3, Co3O4, NiO, LiCoO2, LiFePO4, LiMnPO4, Li2MnSiO4, Li2FeSiO4, LiTi2(PO4)3,Li3V2 (PO4)3等化合物,粒子的粒徑在5nm I μ m,同時粒子的形狀可控,例如可以是棒狀,片狀，方塊狀、纖維狀，針狀，球狀等。為了進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進ー步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。實施例I
LiMnPO4微粒子的制備以LiOH水溶液作為鋰源，MnSO4作為鐵源，H3PO4作為磷源，按Li Fe P =3:1: I添加到原料槽中，同時，加入25% (摩爾比)抗壞血酸溶液作為還原保護劑，經(jīng)原料槽內(nèi)充分攪拌混合后，然后通過原料輸送泵輸送到空氣加壓器中，空氣加壓器的壓縮空氣壓カ為30MPa，同時均勻攪拌，經(jīng)過加壓和均一化處理過的原料連續(xù)通過溫度為370°C的高壓反應(yīng)器，反應(yīng)后的原料經(jīng)過冷卻裝置和連續(xù)過濾裝置，得到無機納米粒子。將本實施例制備的無機納米粒子分別進行XRD測試，掃描電子顯微鏡測試和粒子分布測試。圖2為本實施例制備無機納米粒子的XRD圖譜，經(jīng)XRD檢測表明最終產(chǎn)品為LiMnP04單ー相；如圖3所示，為本實施例制備的無機納米粒子的掃面電子顯微鏡圖片，從圖中可以看出，本實施例制備的LiMnP04分散性好，約100納米，呈棒狀；粒子分布測試表明其分散性良好。實施例2 ZrO2微粒子的制備配制O. 4mol 的 ZnOCl2 溶液，Imol 的 NaOH 溶液；在常壓室溫條件下，將ZnOCl2溶液添加到原料槽中，滴加NaOH溶液，控制PH在11，經(jīng)原料槽內(nèi)充分攪拌混合后，然后通過原料輸送泵輸送到空氣加壓器中，空氣加壓器的壓縮空氣壓カ為28MPa，同時均勻攪拌，經(jīng)過加壓和均一化處理過的原料連續(xù)通過溫度為400°C的高壓反應(yīng)器，反應(yīng)完的原料經(jīng)過冷卻裝置和連續(xù)過濾裝置，得到無機納米粒子。采用與實施例I相同的方法進行測試，結(jié)果表明，本實施例制備的為分散性好的50nm的球狀ZrO2。實施例3BaTiO3微粒子的制備在常壓室溫條件下，將O. 44mol的BaNO3和O. 4TiCl4溶液(按計量比Ba/Ti = I. I的比例)添加到原料槽中，添加堿溶液NaOH，調(diào)節(jié)PH值在13. 2，經(jīng)原料槽內(nèi)充分攪拌混合后，然后通過原料輸送泵輸送到空氣加壓器中，空氣加壓器的壓縮空氣壓カ為25MPa，同時均勻攪拌，經(jīng)過加壓和均一化處理過的原料連續(xù)通過溫度為370°C的高壓反應(yīng)器，反應(yīng)完的原料經(jīng)過冷卻裝置和連續(xù)過濾裝置，得到無機納米粒子。采用與實施例I相同的方法進行測試，結(jié)果表明，本實施例制備的為分散性好的50nm的片狀BaTiO3產(chǎn)品。實施例4Mg (OH) 2微粒子的制備在常壓室溫條件下，將O. 5mol MgCl2添加到原料槽中，然后添加堿溶液NaOH，調(diào)節(jié)PH值在10. 5，經(jīng)原料槽內(nèi)充分攪拌混合后，然后通過原料泵輸送空氣加壓器中，空氣加壓器的壓縮空氣壓カ為30MPa，同時均勻攪拌，經(jīng)過加壓和均一化處理過的原料連續(xù)通過溫度為400°C的高壓反應(yīng)器，反應(yīng)完的原料經(jīng)過冷卻裝置和連續(xù)過濾裝置，得到無機納米粒子。采用與實施例I相同的方法進行測試，結(jié)果表明，本實施例制備的為分散性好的80nm的塊狀Mg(OH) 2產(chǎn)品。實施例5MnFe2O4微粒子的制備
在常壓室溫條件下，將2mol/LMn (NO3) 2和2mol/L Fe (NO3) 3溶液(按計量比Mn/Fe=1 2. 5的比例)添加到原料槽中，添加堿溶液NaOH，調(diào)節(jié)PH值在13. 2。經(jīng)原料槽內(nèi)充分攪拌混合后，然后通過原料泵輸送到空氣加壓器中，空氣加壓器的壓縮空氣壓カ為28MPa，同時均勻攪拌，經(jīng)過加壓和均一化處理過的原料連續(xù)通過溫度為400°C的高壓反應(yīng)器，反應(yīng)完的原料經(jīng)過冷卻裝置和連續(xù)過濾裝置，得到無機納米粒子。采用與實施例I相同的方法進行測試，結(jié)果表明，本實施例制備的為分散性好的IOOnm的方塊狀MnFe2O4產(chǎn)品。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本 文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.ー種無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，包括依次連接的原料混合加壓系統(tǒng)、加熱反應(yīng)系統(tǒng)、冷卻裝置和過濾裝置，其特征在于，所述原料混合加壓系統(tǒng)包括依次連接的原料槽、原料輸送泵和具有第一攪拌裝置的空氣加壓器，所述空氣加壓器的出口與加熱反應(yīng)系統(tǒng)的入口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，其特征在于，所述原料槽具有第二攪拌裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，其特征在于，所述加熱反應(yīng)系統(tǒng)包括預(yù)熱器和反應(yīng)器，所述預(yù)熱器的入口和出口分別與所述空氣加壓器的出口和反應(yīng)器入口相連，所述反應(yīng)器的出口與冷卻裝置的入口相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，其特征在干，所述預(yù)熱器和反應(yīng)器分別具有加熱套。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，其特征在于，還包括設(shè)置于所述加熱反應(yīng)系統(tǒng)和冷卻裝置之間的背閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，其特征在于，還包括設(shè)置于所述冷卻裝置和過濾裝置之間的壓カ調(diào)節(jié)閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，其特征在于，還包括與所述過濾裝置出ロ相連的噴霧干燥裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求I 7任意一項所述的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，其特征在于，所述空氣加壓器可實現(xiàn)壓力在I 40MPa范圍內(nèi)可調(diào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I 7任意一項所述的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，其特征在于，所述空氣加壓器可實現(xiàn)溫度在20 100°C范圍內(nèi)可調(diào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I 7任意一項所述的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，其特征在于，所述加熱反應(yīng)系統(tǒng)可實現(xiàn)溫度在100 400°C范圍內(nèi)可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置，包括依次連接的原料混合加壓系統(tǒng)、加熱反應(yīng)系統(tǒng)、冷卻裝置和過濾裝置，所述原料混合加壓系統(tǒng)包括依次連接的原料槽、原料輸送泵和具有第一攪拌裝置的空氣加壓器，所述空氣加壓器的出口與加熱反應(yīng)系統(tǒng)的入口相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于本發(fā)明采用了具有第一攪拌裝置的空氣加壓器，使原料在進入加熱反應(yīng)系統(tǒng)前在空氣加壓器內(nèi)得到充分混合，避免了因為原料混合不均勻而導(dǎo)致的反應(yīng)裝置的阻塞，同時使制備的無機納米粒子成分均一。實驗結(jié)果表明，利用本發(fā)明提供的無機納米粒子合成用水熱反應(yīng)裝置制備的無機納米粒子成分均一，分散性良好。
文檔編號B01J19/18GK102671577SQ20111025395
公開日2012年9月19日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者劉兆平, 周旭峰, 夏永高 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所