中國粉體網(wǎng)訊 目前，顆粒結(jié)晶過程強化技術(shù)主要有，微流控過程強化傳質(zhì)及顆粒制備過程，外加力場構(gòu)建微尺度傳質(zhì)過程，膜傳質(zhì)強化等三種。

1顆粒結(jié)晶過程強化技術(shù)

與顆粒結(jié)晶過程強化技術(shù)相比，傳統(tǒng)滴加方式混合時間長，時間尺度為秒，處理量較大，產(chǎn)品晶體結(jié)構(gòu)存缺陷，形貌與粒度分布較差。不過，其設備成本相對低，無需復雜的結(jié)構(gòu)設計，能耗較低。微流控技術(shù)混合時間短，時間尺度為毫秒，受微結(jié)構(gòu)尺寸限制，處理量小，晶體尺寸雖小，卻容易團聚，分散性和流動性差。工業(yè)化設備成本較高，微通道的制造與維護困難，不過能耗相對低。外加力場混合時間極短，時間尺度為毫秒，除超重力場外，其余力場的引入困難，處理量小，放大困難。不過，獲得的晶體產(chǎn)品粒度分布集中，粒徑屬于納米級大小，工業(yè)化設備成本較大，需要構(gòu)建專門的外加力場裝備，能耗相對較高。膜結(jié)晶技術(shù)混合時間短，時間尺度為毫秒，處理量處于中等水平，可以實現(xiàn)連續(xù)操作，晶體產(chǎn)品的形貌和粒徑分布較好，適合大尺寸晶體的調(diào)控，設備成本相對低，綜合能耗較低。

2超重力場顆粒結(jié)晶過程強化技術(shù)

外加力場的引入可以在微觀尺度上有效加快分子的運動，提高溶液的擴散速率和結(jié)晶物質(zhì)分子之間的有效碰撞，實現(xiàn)結(jié)晶顆粒的精確、可控高效制備。目前，常見的用于結(jié)晶顆粒制備調(diào)控的外加力場主要有超重力場、超聲場、電場和磁場等。

其中，最成熟的超重力反應結(jié)晶法，其顯著優(yōu)勢是在離心力的作用下，液體在旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)實現(xiàn)高度分散，氣液、液-液等反應的傳質(zhì)效率大大提升。例如，申紅艷等利用超重力反應器合成了用于阻燃劑的納米氫氧化鎂顆粒，制備的晶體呈六方片狀，尺寸為15.9nm。祁貴生等采用撞擊流和旋轉(zhuǎn)床制備得到納米鐵酸鈷顆粒，所得顆粒尺寸為20nm，飽和磁化強度較磁力攪拌器法合成的產(chǎn)品提升40%。Sun等利用超重力反應沉淀方法制備了片狀氫氧化鎂納米晶體透明懸浮液，結(jié)果表明此方法可以將反應時間從20min縮短至1s，同時產(chǎn)品的透明度高、顆粒尺寸更小。北京化工大學超重力工程研究中心的陳建峰等成功合成了粒徑分布窄、形貌規(guī)整、長徑比較高(12~20)的碳酸鈣晶須。

主要的超重力系統(tǒng)示意圖

外場輔助強化制備的晶體產(chǎn)品

3超重力場強化碳化反應制備球形碳酸鈣

案例一

劉晨民等以高濃度氫氧化鈣漿液作為原料，氯化銨與L-谷氨酸為添加劑，使用超重力反應器成功制備粒徑分布較為均勻、形貌較為規(guī)整的球形碳酸鈣。

反應原理探析

超重力反應器內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的填料轉(zhuǎn)子將液體打成液絲、液滴或液膜，液體比表面積急劇增大，與此同時快速更新相界面，相間的傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)塔器設備高出1~3個數(shù)量級，微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大強化，故反應時間相比于傳統(tǒng)碳化法縮短了75%~90%左右，產(chǎn)品粒度小、粒徑分布窄、產(chǎn)品純度高、形貌更為規(guī)整。

超重力碳化反應制備球形碳酸鈣的SEM圖

案例二

為了突破工業(yè)上制備球形碳酸鈣的難題，黎聲鵬等采用超重力反應結(jié)晶法，以高濃度的氫氧化鈣作為原料，乙醇-水作為溶劑，L-天冬氨酸作為晶型控制劑制備出球形度高、分散性好和粒徑分布窄的球形碳酸鈣。

反應原理探析

晶型控制劑

由球形度和SEM結(jié)果可知，在沒有L-天冬氨酸下，生成了棒狀碳酸鈣。當添加了L-天冬氨酸后，生成了橢球形碳酸鈣，說明晶型控制劑參與了碳酸鈣的生長調(diào)控。

乙醇

由實驗球形度和SEM結(jié)果可知，在不加入乙醇的情況下，碳酸鈣聚集成無固定形貌的大顆粒碳酸鈣產(chǎn)品。隨著乙醇的含量不斷增加，碳酸鈣由橢球形慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐翁妓徕}，且球形度逐漸提升。

超重力水平

由實驗球形度和SEM結(jié)果可知，在普通重力場中，所生成的碳酸鈣無法形成完美的球形，高濃度漿料攪拌不充分，使得球霰石包覆在氫氧化鈣表面，隨著反應的進行，包覆體破碎、溶解后，會破壞碳酸鈣的球形度。在合適的超重力條件下(實驗數(shù)據(jù)：超重力水平為1400r×min^-1時(超重力因子β=228.67)，巨大的離心力將漿料打成液膜，提高表面更新率，強化傳質(zhì)，防止氫氧化鈣被過度包覆，為生長成為規(guī)整的球形碳酸鈣提供了一個良好的環(huán)境。

結(jié)語

氣液反應過程廣泛存在于化學工業(yè)中，是多相反應過程中介尺度行為和效應顯著的典型反應體系之一。傳統(tǒng)的氣液反應過程多采用塔式及釜式等反應器，但普遍存在設備龐大、過程較難控制等不足。在制備高端粉體材料的過程中，過程強化技術(shù)作為提高產(chǎn)品質(zhì)量和制備效率的高效、節(jié)能、環(huán)保技術(shù)具有很高的工業(yè)價值。

參考來源

盛磊，等：微尺度過程強化的結(jié)晶顆粒制備研究進展，大連理工大學化工學院

劉晨民，等：超重力反應結(jié)晶碳化法制備球形碳酸鈣，廣西大學化學化工學院

黎聲鵬，等：超重力場中球形碳酸鈣的制備及其機理研究，廣西大學