[發明專利]一種超臨界水熱合成制備納米材料的連續式后處理系統與方法

有效

• 申請號: 202010626012.0
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111774580B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 王樹眾;張寶權;徐甜甜;王玉珍;楊健喬
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F9/24
• 分類號: B22F9/24;B22F1/00;B82Y40/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

本發明公開了一種超臨界水熱合成制備納米材料的連續式后處理系統與方法，通過并聯設置緩沖清洗罐，可實現不同批次分離產品的同時清洗、連續流離心分離機的連續運行，有效提高了生產效率，減少了設備數量。通過設置包覆劑及其溶劑的回收系統，可實現包覆劑與包覆劑溶劑的完全回收利用，顯著提高系統運行經濟性。通過設置三相分離器與氣體變壓吸附裝置，可分離出反應產物中的氣相產物，并吸附收集其中有價值的氣體，帶來較大的經濟效益。

技術領域

本發明屬于化工及環保技術領域，特別涉及一種超臨界水熱合成制備納米材料的連續式后處理系統與方法。

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?；瘧?，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％。

超臨界水熱合成的直接產物主要為由反應后溶液與納米顆粒組成的納米流體，傳統的后處理方法需要人工不斷地間歇式進行分離與清洗步驟，然后進行抗氧化劑等包覆劑的包裹，以提高納米產品的保存壽命、抑制顆粒團聚。這一過程極其復雜，嚴重限制了液相法制備納米材料的產量。

在納米顆粒的包覆處理工藝中，工程實際中所采用的方法為將納米顆粒分散入溶解有包覆劑的溶液中，除去大部分液相，經過干燥得到表面包覆的干燥納米產物。這一過程通常損失大量包覆劑及其溶劑，造成大量的浪費。另一方面，超臨界水熱合成的產物一般含有氣液固三相，其中氣相產物通常被人們忽略。以甲酸銅反應物體系制備納米銅為例，產物中除納米顆粒的懸浮液，還包括大量的氫氣、二氧化碳等氣體，根據估算，回收產物中氫氣可實現較大的經濟效益。

超臨界水熱合成技術制備納米金屬或納米金屬氧化物顆粒具有綠色環保、顆粒純度高、粒度小、分散性良好等優勢。其中，納米顆粒產物的分離、包覆劑反應產氣的回收利用對于提升超臨界水熱合成技術的經濟性具有十分重要的意義。

發明內容