[發(fā)明專利]一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410131796.4
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN103935962A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王樹眾;周璐;唐興穎;錢黎黎;任萌萌;李艷輝
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);西安市萬豐能源環(huán)?？萍加邢薰?/a>
• 主分類號: C01B13/18
• 分類號: C01B13/18;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于超臨界水技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】

納米顆粒具有特殊的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如大的比表面、小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等，賦予了其不同于傳統(tǒng)材料的各種獨特性能以及特異的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)及力學(xué)性能等最為引人注目，具有重要的應(yīng)用價值。經(jīng)過近幾年深入地研究，現(xiàn)已發(fā)展了一系列納米材料的合成方法。不同納米粉體的制備方法分類各不相同，根據(jù)制備原料狀態(tài)可分為固相法、液相法和氣相法。例如，噴霧熱解法、氣相反應(yīng)法、液相反應(yīng)法、微乳液法以及機械粉碎法等。其中，在工業(yè)生產(chǎn)中較成熟的機械研磨工藝的生產(chǎn)電耗均較高，并且生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)周期較長。化學(xué)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(chǎn)中造成嚴(yán)重污染，使得其應(yīng)用受到很大限制。因此，探索以水為反應(yīng)介質(zhì)的綠色、高效的納米顆粒制備技術(shù)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(tài)的水。超臨界水兼具液態(tài)和氣態(tài)水的性質(zhì)，該狀態(tài)下的水中只有少量的氫鍵存在，介電常數(shù)近似于有機溶劑，具有高的擴散系數(shù)和低的粘度。超臨界水熱合成反應(yīng)是指在密閉的高壓反應(yīng)器中，以超臨界水作為反應(yīng)介質(zhì)，使金屬鹽在水熱介質(zhì)中發(fā)生水解、脫水反應(yīng)，進(jìn)而成核、生長、最終形成具有一定粒度和結(jié)晶形態(tài)的納米金屬氧化物的反應(yīng)。由于反應(yīng)介質(zhì)為超臨界水，反應(yīng)過程在密閉的高壓容器中進(jìn)行，因而在反應(yīng)過程中不會引入其它污染物，被認(rèn)為是一種綠色環(huán)保的納米制備技術(shù)。

水熱合成反應(yīng)通常由水解和脫水兩步反應(yīng)機理組成，分別如下面方程式所示。金屬鹽ML_x首先與水電離出的OH^-發(fā)生水解反應(yīng)生成金屬氫氧化物M(OH)_x，緊接著再發(fā)生脫水反應(yīng)生成金屬氧化物MO_x/2：

水解反應(yīng)：ML_x+xOH^-→M(OH)_x+xL^-???（1）

脫水反應(yīng)：M(OH)_x→MO_x/2+x/2H₂O???（2）

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(tǒng)工藝方案，它涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題為實現(xiàn)金屬鹽溶液快速、均勻升溫。連續(xù)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(tài)。該工藝的優(yōu)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(yīng)器設(shè)計時，兩股流體的混合方式是決定系統(tǒng)能否良好運行的關(guān)鍵。在工程領(lǐng)域，采用靜態(tài)混合器將高溫高壓流體混合已進(jìn)行了大量研究，但是如何在混合的極短時間域內(nèi)通過控制混合來控制固體顆粒生成反應(yīng)則是個技術(shù)難題。良好的混合器的評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是能夠?qū)崿F(xiàn)兩股流體快速、對稱混合，以實現(xiàn)快速、均勻成核，從而控制產(chǎn)物的品質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種納米金屬氧化物的超臨界水熱合成制備系統(tǒng)，包括金屬鹽溶液調(diào)制池、蒸汽發(fā)生器、背壓閥、氣液分離器、離心分離器、余熱發(fā)電系統(tǒng)、純水儲箱、回?zé)崞鳌⒓訜釥t、物料泵、混合器、超臨界水熱合成反應(yīng)器和純水泵；

其中，金屬鹽溶液調(diào)制池的出口連接物料泵的入口，物料泵的出口連接混合器的垂直入口，混合器的垂直出口連接超臨界水熱合成反應(yīng)器的入口，超臨界水熱合成反應(yīng)器的出口連接回?zé)崞鞯母邷亓黧w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?zé)崞鞯牡蜏亓黧w入口，回?zé)崞鞯牡蜏亓黧w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，回?zé)崞鞯母邷亓黧w出口分為兩股，一股與金屬鹽溶液調(diào)制池內(nèi)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(fā)電系統(tǒng)中蒸汽發(fā)生器的入口連接，蒸汽發(fā)生器的出口連接背壓閥的入口，背壓閥的出口連接氣液分離器的入口，氣液分離器的出口連接離心分離器的入口，離心分離器的出口連接回收池。

本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，還包括設(shè)置在蒸汽發(fā)生器與背壓閥之間的管道過濾器。