[發明專利]一種納米顆粒的超臨界水熱合成制備系統

有效

• 申請號: 201410131209.1
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN103949654A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 王樹眾;周璐;公彥猛;錢黎黎;任萌萌;李艷輝
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;西安市萬豐能源環保科技有限公司
• 主分類號: B22F9/24
• 分類號: B22F9/24;B82Y40/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

【技術領域】

本發明屬于超臨界水技術領域，具體涉及一種納米顆粒的超臨界水熱合成制備系統。

【背景技術】

納米顆粒具有特殊的結構性質，如大的比表面、小尺寸效應、界面效應、量子效應和量子隧道效應等，賦予了其不同于傳統材料的各種獨特性能以及特異的電學、熱學、磁學、光學及力學性能等最為引人注目，具有重要的應用價值。傳統的納米顆粒制備方法有電解法、噴霧熱解法、氣相反應法、液相反應法、微乳液法以及機械粉碎法等。其中，在工業生產中較成熟的電解工藝以及機械研磨工藝等的生產電耗均較高，并且生產效率低，生產周期較長。化學液相法是近年來較為活躍的納米顆粒制備方法，但該方法通常需采用大量的有機溶劑或劇毒的添加劑成分，在生產中造成嚴重污染，使得其應用受到很大限制。因此，探索以水為反應介質的綠色、高效的納米顆粒制備技術具有重要意義。

超臨界水（Supercritical?water，簡稱SCW）是指溫度和壓力均高于其臨界點（T=374.15℃，P=22.12MPa）的特殊狀態的水。超臨界水兼具液態和氣態水的性質，該狀態下的水中只有少量的氫鍵存在，介電常數近似于有機溶劑，具有高的擴散系數和低的粘度。超臨界水熱合成反應是指在密閉的高壓反應器中，以超臨界水作為反應介質，使金屬鹽在水熱介質中發生水解、脫水反應，進而成核、生長、最終形成具有一定粒度和結晶形態的納米晶粒的反應。在超臨界水中，還原性有機物或H2等無極性氣體可與超臨界水混溶形成均相反應體系，實現金屬氧化物高效還原，生成高純度的金屬納米顆粒。由于反應介質為超臨界水，反應過程在密閉的高壓容器中進行，因而在反應過程中不會引入其它污染物，被認為是一種綠色環保的納米制備技術。

目前還沒有完整的超臨界水熱合成制備納米金屬材料的系統工藝方案，它涉及的關鍵技術問題包括：

1、實現金屬鹽溶液快速升溫。連續式超臨界水熱合成納米顆粒的工藝流程，通常采用常溫金屬鹽溶液與超臨界水在混合器中直接混合，迅速被加熱至超臨界狀態。該工藝的優點是升溫速度快、大量晶核同時迅速生成、停留時間短以及晶粒的生長和團聚可得到有效抑制等。在反應器設計時，兩股流體的混合方式是決定系統能否良好運行的關鍵。在工程領域，采用靜態混合器將高溫高壓流體混合已進行了大量研究，但是如何在混合的極短時間域內通過控制混合來控制固體顆粒生成反應則是個技術難題。良好的混合器的評價標準應是能夠實現兩股流體快速、對稱混合，以實現快速、均勻成核，從而控制產物的品質。

2、采用有機配體防止納米顆粒團聚。由于納米顆粒具有比表面積大、表面能大等特點，表面缺少臨近的配位原子，處于能量不穩定狀態，容易發生團聚。因此，需要在納米顆粒的水熱合成過程中添加有機配體。有機配體可以增強顆粒間的位阻效應，抑制顆粒生長及團聚。通常在超臨界水熱合成反應中使用的有機配體添加量大大過量，因此需要對反應后多余的有機配體進行回收再利用，實現有機廢物排放。

【發明內容】

本發明的目的是提供一種納米顆粒的超臨界水熱合成制備系統，以解決上述納米金屬材料超臨界水熱合成涉及的關鍵技術問題。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現。

一種納米顆粒的超臨界水熱合成制備系統，包括第一反應物調制池、蒸汽發生器、背壓閥、氣液分離器、離心分離機、油水分離機、回熱器、加熱爐、第一物料泵、預混合器、混合器、超臨界水熱合成反應器、第二物料泵、純水泵、純水儲箱、第二反應物儲池和余熱發電系統；其中，

第一反應物調制池的出口連接第一物料泵的入口，第一物料泵的出口連接預混合器的第一入口；

第二反應物儲池的出口連接第二物料泵的入口，第二物料泵的出口連接預混合器的第二入口，預混合器的出口連接混合器的垂直入口；

純水儲箱的出口連接純水泵的入口，純水泵的出口連接加熱爐的低溫段入口，加熱爐的低溫段出口連接回熱器的殼側入口，回熱器的殼側出口連接加熱爐的高溫段入口，加熱爐的高溫段出口連接混合器的高溫水入口，混合器的垂直出口連接超臨界水熱合成反應器的入口，超臨界水熱合成反應器的出口連接回熱器的管側入口，回熱器的管側出口分為兩股，一股與第一反應物調制池中的換熱盤管的入口連接，一股與換熱盤管的出口合并后再與余熱發電系統中的蒸汽發生器的入口連接，蒸汽發生器的出口連接背壓閥的入口，背壓閥的出口連接離心分離機的入口，離心分離機的出口連接油水分離機的油相入口，油水分離機的油相出口連接第二反應物儲池的入口。