一種利用微孔管制備納米碳酸鈣的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米材料的制備技術領域，尤其涉及一種利用微孔管制備納米碳酸鈣的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在納米碳酸鈣的生產工藝中，對產品質量影響關鍵的工序之一是碳化工藝。碳化是決定碳酸鈣晶體形貌和粒徑大小的控制工序。目前，我國各種納米碳酸鈣生產技術的工藝流程基本一致，其根本區別在于碳化工藝及其設備不同。根據碳化過程的不同，我國納米碳酸鈣的生產方法大致可分為如下幾種:傳統的低溫間歇式鼓泡化法，連續噴霧碳化法，帶攪拌器的反應釜碳化法，超重力反應結晶法等。
[0003]1.低溫間歇鼓泡碳化技術
該法具有投資少操作簡單、技術含量低、但生產不連續、自動化程度低、二氧化碳利用率不高、塔壁結垢清洗的勞動強度大、單套裝置的生產規模少、產品粒度分布寬；不同批次產品的重現性差等特點，該法是國內目前應用最廣泛的生產納米碳酸鈣的方法，這也是國產納米碳酸鈣產品質量普遍不如進口產品質量穩定的重要原因。
[0004]2.常溫連續噴霧碳化技術
該工藝的噴霧碳化與后續工藝的噴霧干燥合稱“雙噴工藝”。但由于“雙噴工藝”操作技術較復雜、需要較高濃度的碳化氣，高濃度氫氧化鈣懸浮液噴嘴霧化效果不穩定、噴頭易于堵塞等問題難以解決，以及如何提高二氧化碳的利用率，如何克服碳化時黏壁、如何實現在線檢測控制碳化率等問題。因此，“雙噴工藝”在全國推廣應用20年來，在國內應用并不普遍，僅在湖南金信化工有限責任公司還碩果僅存一套生產裝置，其產品目前僅為亞微米級的微細碳酸鈣。
[0005]3.低溫帶攪拌器的反應釜碳化技術
但該法仍屬于間歇法生產，且設備投資大，操作復雜，單機生產能力少，由于受設備制造技術的限制，反應釜的高徑比較少(約為2:1)，其氣泡上升過程的距離較短，故二氧化碳的利用率較低。
[0006]4.超重力法快速反應技術
在無需添加晶體生長抑制劑的條件下，該法就能最終得到平均粒徑達15-30nm的納米碳酸鈣。該工藝產品平均粒徑小、粒徑分布均勻，不同批次產品的重現性好、且碳化反應時間僅為傳統方法的1/4-1/10，由于不需要使用晶體生長抑制劑，使產品純度明顯提高，生產物料成本有所下降，達國際先進水平。其不足之處是:該工藝技術復雜，電能消耗很高，產量較低，屬于間歇法生產。二氧化碳利用率較低，清洗過程復雜。因而性價比較低，適用于生產附加值較高產品。
[0007]專利申請號為201210442581.5的專利文件公開了一種氫氧化鈣懸濁液通過特殊制造的文丘里管反應器的噴嘴霧化，吸附窯氣與霧化氫氧化鈣液滴進行碳化反應，但其二氧化碳氣體沒有經過分布處理，導致二氧化碳氣體與氫氧化鈣懸濁液混合不充分，從而影響生成的納米碳酸鈣質量，且由于窯氣是自動被吸附進去的，窯氣的通入量以及流速難以控制，從而導致納米碳酸鈣的生成精度難以控制，生成速率也不甚理想。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是針對現有技術中的上述不足，提供一種利用微孔管制備納米碳酸鈣的裝置及方法，引入微孔管裝置，充分分散二氧化碳氣體，使霧化氫氧化鈣懸濁液與二氧化碳氣體充分混合，且使二氧化碳氣體的通入量、流速、氣壓等條件更加可控，提高納米碳酸鈣的生成速率。
[0009]本發明的目的通過以下技術方案實現。
[0010]一種利用微孔管制備納米碳酸鈣的裝置，包括微孔管、進氣管和按氫氧化鈣懸濁液流向依次設置的儲液罐、強力栗、文丘里管、反應管，所述文丘里管由依次連通的入口段、收縮段、喉道、擴散段組成，所述儲液罐的出液口與強力栗的進液口相連，所述強力栗的出液口與文丘里管的入口段相連，所述文丘里管的擴散段與反應管的進液口相連，所述反應管的出液口與儲液罐的進液口相連，所述微孔管設有通氣孔、進氣壁和出氣壁，所述通氣孔連通進氣壁與出氣壁，所述通氣孔用于氣體從進氣壁穿至出氣壁時在微孔管的出氣壁形成氣體微泡，所述出氣壁設置在文丘里管的喉道內，所述微孔管的進氣壁與進氣管密閉相連。
[0011]本發明的裝置通過微孔管將二氧化碳氣體分散在微孔管的出氣壁，同時由于文丘里原理，氫氧化鈣懸濁液在喉道的流速達到最大值，帶走出氣壁的二氧化碳微泡，形成均勻的氣液分散相。一方面，二氧化碳在微孔管的出氣壁形成分散的微泡以及在喉道的氫氧化鈣懸濁液的比表面積大大地增大，使氣液分散相的分散程度大大地增強，同時由于文丘里原理在喉道的氫氧化鈣懸濁液的流速得到最大的提升，使氣液混合更均勻；另一方面，文丘里管的對氫氧化鈣的流速的改變會導致壓強的改變，從而使入口段的氫氧化鈣懸濁液進入喉道增速減壓，對微孔管的氣體產生吸附作用，進一步增強二氧化碳氣體對微孔管的穿透能力。
[0012]其中，所述微孔管可按如下方式設置:(I)所述微孔管的出氣壁為微孔管的外壁，所述微孔管的進氣壁為微孔管的內壁;(2)所述微孔管為所述文丘里管的喉道，所述微孔管的出氣壁為微孔管的內壁，所述微孔管的進氣壁為微孔管的外壁，所述微孔管的進液口與文丘里管的收縮段相連，所述微孔管的出液口與文丘里管的擴散段相連。
[0013]這兩種微孔管的設置方式為優選方案，前者結構簡單，易于拆卸組裝，并且有減小文丘里管的喉道孔徑的作用，使氫氧化鈣懸濁液得到進一步地提速;后者微孔管的固定程度更高，且高流速的氫氧化鈣懸濁液只對微孔管的內壁造成沖擊，大大地削弱沖擊的損害作用，同時，文丘里管的喉道孔徑較大，不易堵塞，從而延長微孔管的使用壽命。
[0014]使用如上所述的裝置的一種利用微孔管制備納米碳酸鈣的方法，包括如下步驟:
(1)進液:儲液罐的氫氧化鈣懸濁液在強力栗的作用下輸送到文丘里管的入口段；
(2)混合:將二氧化碳氣體通入進氣管中，二氧化碳氣體穿過微孔管的管壁形成二氧化碳微泡，與高速流過文丘里管的喉道的氫氧化鈣懸濁液混合，形成氣液混合泡沫；
(3)碳化反應:所述的步驟(2)氣液混合泡沫進入反應管進行碳化反應；
(4)氣液分離:所述的步驟(3)碳化反應后的混合液體進入儲液罐，將未反應的二氧化碳氣體排出儲液罐外； (5)回流:所述的步驟(4)氣液分離后的氫氧化鈣懸濁液在強力栗的作用下輸送至文丘里管的入口段。
[0015]氫氧化鈣懸濁液在強力栗的作用下具有一定的流速，在文丘里管的收縮段進一步提速，在喉道流速達到最大值，并在喉道與微孔管的出氣壁形成的二氧化碳微泡充分混合形成高含氣率的氣液混合泡沫，氣液混合泡沫在擴散段增壓減速，進入反應管充分反應后，回到儲液罐，進入循環流程。本發明的納米碳酸鈣的制備方法可以在較短的時間內完成碳化反應，雖然在化學上單個氫氧化鈣(分子)與二氧化碳(分子)碰撞瞬間就可完成化學上的沉淀反應，但是同等的碳酸鈣的生成量，本發明的碳化時間僅為工業上傳統的鼓泡法工藝的碳化時間的1/3，且本方法制備出的納米碳酸鈣質量優良，納米碳酸鈣粒徑是10?100納米，比表面積是10_30m2/go
[0016]其中，所述的微孔管為粉末冶金燒結材料或多孔非金屬材料，如鈦粉末燒結多孔介質、不銹鋼粉末燒結多孔介質、銅粉末燒結多孔介質、多孔陶瓷材料或多孔塑料等等，所述微孔管的孔徑為5-80μηι，管徑5_20mm。
[0017]粉末冶金燒結材料或多孔非金屬材料為微孔管的優選材料，本發明需在微孔管的出氣壁形成直徑為10-100μπι的氣泡，因此對于微孔管的孔徑在5-80μπι為最佳，而管徑更是會影響微孔管的出氣壁的面積，從而增大或減小孔徑會相應的增大或減小氣液分散相的含氣量，同時管徑也會影響微孔管的體積，從而影響在喉道的氫氧化鈣懸濁液的比表面積和流速，因而，基于上述因素，發明人經過無數次的實踐，得