[發明專利]一種在線調節反應物濃度的自清洗超臨界水熱合成系統

在審

• 申請號: 202010624317.8
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111760510A
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發明（設計）人: 王樹眾;張寶權;孫盼盼;王棟;劉璐
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B01F11/02
• 分類號: B01F11/02;B01F5/00;B01F15/00;B01J19/24;B01J19/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

一種在線調節反應物濃度的自清洗超臨界水熱合成系統，包括：超臨界流體輸送模塊，其出口為超臨界溶劑；反應物供料模塊，包括前驅物供料單元和添加劑供料單元，前驅物供料單元的出口為前驅物溶液，添加劑供料單元的出口為添加劑溶液；混合反應模塊，包括混合器和反應器，系統清洗模塊，連接超臨界流體輸送模塊、前驅物供料單元和添加劑供料單元，收集廢液并提供清洗水。本發明通過并聯設置多條前驅物進料路線，設置添加劑進料路線，并耦合三入口旋流混合器，連接反應時間可控的反應器，并具有清洗功能，實現了超臨界水熱合成反應物濃度的在線調節、添加劑的在線添加、三流體的快速均勻混合、反應時間的控制及系統的自清洗。

技術領域

本發明屬于化工及環保技術領域，特別涉及一種在線調節反應物濃度的自清洗超臨界水熱合成系統。

背景技術

納米技術在21世紀產業革命中具有重要戰略地位，是21世紀最重要、最具發展前景的前沿技術。納米材料具有獨特的電學、熱學、磁學、光學及力學性能，其在電子信息、高端制造、新能源、綠色化工、生命醫學、軍工科技等領域的應用，引發了所在領域的革命性技術突破，具有極其光明的應用前景。納米材料的制備是納米技術廣泛應用的根本基礎，只有掌握高端納米材料的制備技術才能搶占納米技術制高點。

傳統的納米粉體制備方法分為物理法和化學法兩大類。但是傳統方法工藝設備復雜，產量低，難以做到100nm以下，大規模生產難度較大；一般都要經過后續處理；同時有的制備方法會添加有機溶劑或劇毒的添加劑成分，在生產中造成嚴重污染。傳統納米制造方法所面臨的諸多問題使得納米材料的價格相當高，如50nm左右的納米二氧化鈦的價格為30～40萬/噸，嚴重制約了納米材料的規模化應用，同時也限制了相關產業的發展。

超臨界水(Supercritical water，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，具有極高的擴散系數和極低的粘度。超臨界水熱合成技術是一種用于納米金屬粉體制備的綠色合成技術。超臨界水熱合成技術的基本原理為密閉高壓容器中采用超臨界水為反應介質，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粉體。

超臨界水熱合成過程中制備出來的顆粒具有粒度分布較為均勻，晶粒發育完整，純度高，顆粒團聚較輕，可適用較為廉價的原料，運行成本相較于傳統制備方法低，超臨界水熱合成制備納米金屬顆粒的技術優勢主要包括以下幾個方面：

1、成核率極高，有利于超細微粒(10～30nm)的形成；

2、反應速率極快，比常規方法提高了幾個數量級；

3、反應空間密閉，介質為水，無污染，環境友好；

4、可通過控制工藝參數來控制產物粒徑與形貌；

5、工序簡單，生產成本低，為傳統生產方法的5～10％。

在超臨界水熱合成過程中，參與反應的物質主要包括三種：

1、前驅物(原料)：一般采用目標金屬陽離子與惰性酸根離子組成的鹽作為原料，對于制備納米銅，可采用硫酸銅、甲酸銅等，對于制備納米二氧化鈦，可采用氯化鈦等。

2、添加劑(有機配體)：一般采用大分子有機物作為配體。配體與正在生長的晶體表面相互締合，抑制晶體的進一步生長。對于制備納米金屬，可采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、己胺等作為有機配體。

3、反應溶劑：一般采用超臨界水作為反應溶劑，也可采用超臨界醇類(乙醇、乙二醇等)作為反應溶劑。

超臨界水熱合成過程中，冷態的金屬鹽溶液與高溫超臨界水以及有機配體添加劑混合后迅速達到超臨界狀態，無機鹽反應形成納米超細微粒。這一過程中，有機配體一般與顆粒表面締合并起到空間位阻作用，抑制晶粒的進一步生長與團聚。