超重力碳化法二氧化硅的干燥及应用研究
超重力技术的研究及应用
超重力技术的研究及应用郭浩;牛杰【摘要】超重力技术是一种过程强化技术,通过离心力实现传质过程的强化.超重力技术广泛应用于吸收、蒸馏、汽提、萃取等分离过程,在化工、环保等领域也有广阔的应用前景.论述了超重力技术的基本原理及特点,重点介绍了超重力技术在化工尾气处理、精馏、纳米材料、催化剂制备及消除粉尘等方面的应用,并对超重力技术的研究方向和应用前景做了展望.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2016(037)005【总页数】4页(P61-64)【关键词】超重力;过程强化;吸收;蒸馏;传质过程【作者】郭浩;牛杰【作者单位】中国石化长城能源化工(宁夏)有限公司;中国石化长城能源化工(宁夏)有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ051.8超重力HIGEE（high gravity）技术是一种过程强化的新技术，主要是通过强大的离心力——超重力，使气-液流速及填料的比表面积大大提高，液体在高湍动、高分散、强混合及界面更新急速的条件下与气体以极大的相对速度在弯曲流道中逆向接触，从而强化传质过程。
超重力技术广泛应用于吸收、蒸馏、汽提、萃取等分离过程［1］。
与传统技术相比，超重力技术在实际应用中主要有以下特点［1-5］：（1）传递效率显著提高，传递系数可提高1～3个数量级，极大地减小了设备的体积，降低了设备投资。
（2）物料在设备内的停留时间极短（0.1～1.0 s），适用于某些特殊的反应及处理过程。
（3）易于操作及开停车，维护检修方便。
（4）填料不易堵塞。
（5）气相压降小，动力能耗小，适用于大气量、高气速的场合。
超重力设备结构如图1所示，主要由外壳、转轴、转子、填料及液体分布器等组成。
该设备核心部分是转子，其主要作用是装载和固定填料，在动力驱动下带动填料旋转，以实现良好的气液接触。
在压力作用下，气相由进气口进入外腔，在转轴外缘处进入填料，最后从排气口排出；液体由喷水管进入，经喷头洒在转轴内缘，在离心力的作用下进入转轴外缘。
超重力反应强化技术及工业应用
超重力反应强化技术及工业应用超重力反应强化技术及其工业应用超重力反应强化技术是一种通过增加反应体系中的离心力，从而提高反应速率和效率的技术。
它在工业领域有着广泛的应用，可以用于合成新材料、催化剂的制备、化学反应的优化等方面。
本文将介绍超重力反应强化技术的原理和工业应用，并探讨其在工业生产中的优势和前景。
一、超重力反应强化技术的原理超重力反应强化技术是利用离心力对反应体系进行强化，从而促进反应的进行。
离心力的增加可以通过旋转容器或采用离心机实现。
当反应体系受到离心力的作用时，分子之间的相互作用力和传质速率都会增强，从而加快反应速率。
此外，超重力还可以改变反应体系的物理和化学性质，例如改变溶剂的性质、增加物质的溶解度等，从而进一步优化反应条件。
二、超重力反应强化技术的工业应用1. 新材料合成超重力反应强化技术可以用于合成具有特殊性质的材料，例如高分子材料、纳米材料等。
在超重力条件下，反应分子之间的相互作用力增强，能够促进聚合反应的进行，从而得到高分子材料。
此外，超重力还可以改变材料的晶体结构和形貌，使其具有更好的性能和应用价值。
2. 催化剂的制备超重力反应强化技术可以用于催化剂的制备过程中。
催化剂的性能往往与其结构和形貌密切相关，而超重力可以改变反应体系的物理和化学性质，从而影响催化剂的形成过程。
通过超重力反应强化技术，可以调控催化剂的晶体结构和形貌，提高其催化活性和选择性，从而实现高效催化反应。
3. 化学反应的优化超重力反应强化技术可以用于化学反应的优化。
在超重力条件下，反应体系的传质速率增加，反应物与催化剂之间的接触面积增大，从而加快反应速率。
此外，超重力还可以改变反应体系的物理和化学性质，例如改变溶剂的性质、增加物质的溶解度等，从而优化反应条件，提高反应的选择性和产率。
三、超重力反应强化技术的优势和前景超重力反应强化技术具有以下优势：1. 提高反应速率和效率：通过增加离心力，可以加快反应速率和提高反应效率，从而节省时间和成本。
超重力技术进展——从实验室到工业化
第57卷第8期化工学报VOl.57NO.82006年8月JOur nal Of Che mical Industr y and En g i neeri n g Chi na Au g ust 2006综述与专论超重力技术进展!!!从实验室到工业化邹海魁!邵磊!陈建峰北京化工大学教育部超重力工程研究中心 北京100029摘要 超重力 旋转床 技术是一种能够极大强化传递和分子混合过程的突破性过程强化新技术 本文对超重力技术的基础研究 在反应与分离过程强化 纳米材料制备方面的应用研究以及工业化应用的最新进展情况进行了综述 重点介绍了本中心的研究成果.关键词"超重力旋转床技术 过程强化 反应 分离中图分类号"TK 124文献标识码"A文章编号"0438-1157 2006 08-1810-07Pr o 9r ess o f hi 9ee t echn o I o 9y !f r o m I abor at or yt o co mmer c i aI i zati onZOU Hai kui #SHAO Le i #CHEN Ji anf en 9Researc h C enter f or ~i g h G raUit $En g ineerin g and T ec hnolo g$ M inist r $o f Educ ation Bei j in gUniUersit $o f Che m ic al T ec hnolo g$ Bei j in g 100029 ChinaAbstr act ~i g ee t echnOl O gy carri ed Out i n a r Ot ati n g p acked bed i s a nOvel t echnOl O gy f Or p r Ocess i nt ensifi cati On Whi ch can tre m endOusl y i nt ensif y m ass and heat transf er and m i cr O m i xi n g p r Ocesses .Thi s p a p er revi e Ws t he st at e-Of-t he-art hi g ee t echnOl O gy i n f unda m ent al research a pp li cati Ons i n reacti On and se p arati On en g i neeri n g nanO-m at eri al s s y nt heses as Well as its cO mm erci ali zati On .The WOr k i n t he Research Cent er f Or ~i g h G ravit y En g i neeri n g and T echnOl O gy i s hi g hli g ht ed .Ke y Wor ds "hi g ee t echnOl O gy p r Ocess i nt ensifi cati On reacti On se p arati On2006-02-22收到初稿 2006-05-08收到修改稿.联系人"陈建峰.第一作者"邹海魁 1973 男 博士 副研究员.基金项目"国家自然科学杰出青年基金项目 20325621国家自然科学基金重点项目 20236020 国家重点基础研究发展计划项目 2004CB217804 .引言自1995年举行首次化工过程强化的国际会议以来 以节能 降耗 环保 集约化为目标的化工过程强化就受到研究者的广泛关注 化工过程强化已经被列为当前化学工程优先发展的领域之一.超重力技术则是过程强化技术中最先受到人们关注的几项关键技术之一 1-2.所谓超重力指的是在比地球重力加速度大得多的环境下 物质所受到的力 包括引力或排斥力 .在地球上 实现超重力环境的最简便方法是通过旋转产生离心力而实现 即通过旋转床实现.在超重Rece i ved dat e "2006-02-22.Corr es P ondi n 9aut hor "Pr Of .C~EN Ji anf en g .E -mai I "chen f ＠m Foundati on i t em "su pp Ort ed b y t he Nati Onal Nat ural S ci enceFundati On f Or Outst andi n g YOun g S ci enti sts Of Chi na 20325621 t he Nati Onal Nat ural S ci ence FOundati On Of Chi na 20236020 andt he Nati Onal Basi c Research Pr O g ra m Of Chi na 2004CB217804 .力环境下 不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下的要快得多 气液 液液 液固两相在比地球重力场大上百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生流动接触 巨大的剪切力和快速更新的相界面使相间传质速率比传统的塔器中的提高1～3个数量级微观混合和传质过程得到极大强化3.超重力技术开发研究始于20世纪70年代末. 1976年美国太空署征求微重力场实验项目英国I C I公司帝国化学工业公司的Ra m sha W教授等做了化工分离单元操作蒸馏吸收等过程中微重力场和超重力场影响效应的研究发现超重力使液体表面张力的作用相对变得微不足道液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜液丝和液滴产生出巨大的相间接触面积因此极大地提高了传递速率系数而且还使气液逆流操作的泛点速率提高大大增加了设备生产能力这些都对分离过程有利.这一研究成果促成了超重力分离技术的诞生随后引起了美英中俄等国大规模的工业化应用技术研究和开发热潮4.国外从事超重力技术研究的公司和科研机构包括Du POnt公司DO W化学公司G litsch公司NOrt On公司F l Our公司I C I公司Ne Wcatstl e 大学Case W est er n Reser ve大学W ashi n g t On大学T axas Austi n州立大学等重点研究的技术有超重力精馏分离技术甲醇乙醇的分离等超重力吸收分离技术天然气脱硫分离CO2等超重力解吸分离技术水脱氧聚合物脱单体地下污水脱苯甲苯等等.近几年在几个化工能源过程中实现了工业化运行如1999年美国DO W 化学公司成功地将超重力技术应用于次氯酸的工业生产展现出广阔的应用前景和重大的经济效益3.北京化工大学教育部超重力工程研究中心从1988年开始与Case W est er n Reser ve大学合作进行了超重力技术的开发研究.10多年来本中心已经在超重力技术的基础和应用研究方面取得了具有国际领先和先进水平的研究成果5并成功主办了第一届和第三届国际超重力工程技术研讨会确立了我国在国际超重力技术领域的重要地位.本文全面综述了超重力技术的基础研究在反应与分离方面的应用研究及超重力技术在纳米材料制备油田注水脱氧纳米药物制备超重力反应分离耦合法生产化工产品等工业化开发方面的研究进展情况注文中的研究成果除特别标明研究者姓名单位外其他均为本中心的研究成果.1超重力旋转床技术的基础研究1.1超重力旋转床内流体流动现象及描述对流体在超重力旋转床填料中流动状态的了解是建立超重力环境下传递和混合理论的物理基础.电视摄像和高速频闪照像的实验研究结果表明在超重力水平相对较低的情况下约小于60g填料内的液体主要是以填料丝上的单面膜与连接填料丝网间隙的双面膜两种状态存在而在超重力水平较高的情况下大于100g液体主要是以填料丝上的膜与空间的液滴两种形态存在另外还有少量的液丝将电导探头固定于旋转的转子上测得了不同情况下液体在转子填料内的停留时间约为0.1～1.0s通过图像分析得到了不同条件下的液膜厚度在0.1～0.3mm并拟合了丝网填料上平均液膜厚度与液体黏度流量及超重力水平之间的关系36.另外在超重力技术基础理论的研究方面本中心还取得了以下研究成果实验测得填料层中液滴的直径在0.1～0.3mm拟合出液体在填料中的平均径向速率与液体流量超重力水平之间的函数关系用电导的方法对填料层中持液量的研究得出了持液量与平均径向速度之间的函数关系逆流旋转床的液泛线要比填料塔中的整砌拉西环的液泛线高40%左右气相压降不高于传质效果与之相当的塔用五孔探针测试出旋转床内腔的速度和压力场是轴对称的并发现流道突变区对气相压降的影响很大3逆流旋转床中的传质主要发生在填料层内从液体分布器到填料空腔内的传质约占整个旋转床内传质的10%以下7填料内支撑布置在填料端效应区时会极大地强化传质在10%～100%的开孔率范围内内支撑的加入有利于传质而在2.5%～10%的开孔率范围内内支撑的加入不利于传质8.1.2旋转填充床内传递过程的研究Ra m sha W等用水吸收氨测定了逆流旋转床填料层的平均气膜传质系数用比表面积为1650的不锈钢丝网填料在760g下得到气膜传质系数为10.8>10-8s m-1朱慧铭等也利用水吸收氨测定了填料层的平均气膜传质系数得到加速度与平均体积传质系数及传质单元高度的关系沈浩等用空气解吸废水中的氨得到传质单元高度为3～10c m3.1181第8期邹海魁等超重力技术进展从实验室到工业化本中心的研究人员对用氮气解吸水中氧的液膜传质过程及对以黄原胶水溶液为对象的拟塑性非牛顿流体在逆流旋转床中的气液传质过程进行了研究结果表明超重力旋转床能大大强化液相的传质过程;逆流旋转床的转子中填料内缘的传质系数很大气液传质过程在填料层中主要发生在靠近转子填料内径的区域存在传质端效应3];对用水吸收空气中SO2这个气液两相对传质阻力均有影响的吸收过程的研究结果表明逆流时在旋转床的填料层内外缘处分别存在液相端效应区和气相端效应区而并流时气液两相端效应区都集中在填料层内缘处9].采用基于颗粒轨道模型的欧拉-拉格朗日法对超重力旋转床中的气液两相流动与传质进行了数值模拟研究将模拟计算得到的液相传质系数用于氮气解吸水中溶解氧的计算其计算值与实验结果符合良好.计算分析表明对超重力旋转床在一定的转速下液体和气体流量以及填料内径的变化对体积传质系数有重要影响10].旋转床填料内的径向温度分布与转子的转速和液体流量有关但气体流量的变化对温度分布的影响很小.研究中还发现了传热端效应的存在11]. 1.3旋转填充床内的微观混合特性研究微观混合对快速化学反应过程有着重要的影响.工业上受微观混合影响的快速反应过程包括燃烧~聚合~反应~结晶等过程.一些复杂有机合成反应如氧化~中和~卤化~硝化及偶氮等也都属于快速反应微观混合直接影响反应产物的分布3].采用1-萘酚与对氨基苯磺酸重氮盐偶合竞争串联反应体系对旋转填充床内的微观混合进行了实验研究证实旋转填充床中微观混合能被极大地强化12];建立了旋转填充床内微元流动的物理模型模拟计算了液体微元经过实验条件下50层丝网填料最终流出填料空间的浓度分布由浓度分布得到的微观混合特征指数与实验值进行了对比吻合良好13-14];采用沿程分子探头实验方法从实验上证实了旋转填充床内存在分子混合端效应区计算得到旋转填充床中的分子混合时间在100卜s量级说明旋转填充床反应器是目前分子混合速率最快的设备之一可用于各类快速反应或快速混合过程的调控15].1.4超重力旋转床的设计及工程放大技术的研究经过十几年的研究本中心已经在超重力旋转床的设计和工程化放大方面积累了较丰富的经验能够根据不同的生产规模和工艺条件设计不同结构和规格的超重力旋转床提出了超重力旋转床中介质进出口管径~喷淋管的形式及尺寸~填充床层的尺寸的计算方法及功率的计算~配套电机的选择及转子用转鼓的结构设计及强度的计算方法等3]为超重力旋转床的工业化应用提供了基础.2超重力旋转床技术的应用研究进展本中心在超重力技术的应用方面进行了一系列的研究和开发并取得了诸多创新性成果.2.1超重力技术在传递和分子混合控制的反应过程的应用(1>超重力技术在纳米材料合成中的应用纳米颗粒(材料>的制备方法与技术是当今世界高技术竞争的热点之一.这其中反应沉淀法由于具有成本低~生产能力大~易于工业化~化学组成达分子原子尺度均匀化等优点受到研究者和工业界的青睐.但传统的反应沉淀法一般在搅拌釜或塔中实现存在粒径分布不均且难控~批次间重复性差及工业放大困难等缺点.理论分析表明在传统反应器中成核过程是在非均匀微观环境中进行的微观混合状态严重影响成核过程这就是目前传统沉淀法制备颗粒过程中粒度分布不均和批次重现性差的理论根源.相反在超重力条件下混合传质得到了极大强化分子混合时间在100卜s量级这可使成核过程在微观均匀的环境中进行从而使成核过程可控粒度分布窄化.这就是超重力法合成纳米颗粒技术的思想来源和理论依据315-17].本中心于1995年在国际上率先发明了超重力反应沉淀法(简称为超重力法>合成纳米颗粒新方法在国家高技术研究发展计划等的资助下探索了气液~液液及气液固超重力法合成纳米颗粒的新工艺相继开发出系列纳米颗粒实验室小试合成技术并在纳米颗粒工业化制备技术及理论研究方面取得突破性进展3].例如气液固超重力法用于合成纳米Ca CO3可以制备出立方形~链锁状~纺锤形~针状~片状等不同形态的纳米Ca CO3.在不添加任何晶体生长抑制剂的情况下可以制备出平均粒度为15～40n m~分布很窄的纳米立方形Ca CO3颗粒;在添加特定晶习控制剂的条件下可以制备2181化工学报第57卷出轴比大于10 单个颗粒平均粒度小于10n m 分布均匀的链锁状Ca CO 3 18等.采用气液相超重力法制备的纳米材料有纳米氢氧化铝 纤维状 粒径为1～5n m 长度为100～300n m 纳米二氧化硅 球形 平均粒径约为30n m 3 纳米氧化锌 球形 粒度约为30n m 19纳米二氧化钛 球形 粒径20～30n m 20纳米硫化锌 球形 粒径约40n m 21 等.采用液液相超重力法制备的纳米材料有纳米碳酸锶 平均粒径约30n m 纳米碳酸钡 比表面积约20m 2 g -1纳米氢氧化镁 六方形片状物 平均粒径为70n m 3纳米钛酸钡 球形 粒径50～70n m 22等.在实验室及中试规模的研究基础上 本中心提出并突破了系列关键技术 创制了超重力法制备无机纳米粉体的成套技术 成功进行了超重力法生产纳米碳酸钙的工业放大 生产出平均粒度15～40n m 粒度和形貌可调控的纳米碳酸钙产品 粒度指标优于美国等国际同类产品 具有碳化时间缩短 粒度分布窄 生产成本低 生产质量稳定易控等突出优点.目前利用该技术建成了5条纳米碳酸钙工业生产线 总产能达3.6万吨 年 产品已出口欧美 东南亚等地区.另外 1000t 年超重力法纳米氢氧化镁工业生产线于2004年7月在天津汉沽建成投产.可见 采用超重力技术能够制备出多种纳米材料 具有很强的通用性 是一项平台性的高新技术 可望进一步推广至其他纳米材料的制备中.2 超重力法原位合成纳米功能复合材料无机有机纳米复合材料是一类非常重要的纳米复合材料 其制备及应用的技术关键是如何实现纳米无机颗粒在有机基体中以纳米级分散.本中心提出了采用超重力法原位合成纳米功能复合材料的新方法 通过气液固反应结晶和原位相转移耦合方法 在超重力反应器中成功合成出高碱值石油磺酸钙润滑油清净剂纳米复合材料 产品的碱值大于300m g KO~ g -1 电镜照片如图1所示 纳米碳酸钙胶粒的粒径小于30n m 分布均匀.目前 本中心已经与中国石油天然气股份有限公司合作 开发建立了超重力法制备高碱值石油磺酸钙润滑油清净剂纳米复合材料20t 年中试生产线.3 超重力结晶法制备纳米药物口服难溶性药物的溶出过程是限制其吸收及生物利用度的关键F i g .1TE M p hOt O g ra p hs Of Ca CO 3p articl es f r O m RPB -p re p ared Oil based dis p ersi On因素 一般来说 药物的溶出速率与药物颗粒的粒度呈反比关系 所以通过减小难溶性药物颗粒的粒度可以大大提高其溶出速度 对气雾剂而言 颗粒大小同样是决定药物能否到达作用部位的关键因素 23-25.在成功实现超重力法合成无机纳米材料的基础上 在国家高技术研究发展计划等的资助下 本中心发明了超重力结晶法制备纳米药物的新方法 采用超重力结晶法得到了平均粒度为1.5卜m 的解热镇痛消炎药 布洛芬重结晶产品 23-24制得了粒度小于500n m 的治疗哮喘病的药物 硫酸沙丁胺醇颗粒 25制备了超细头孢拉定抗生素药物粒子 通针性 混悬效果 溶出速率及溶解度要明显优于常规法产品 26-27 .此外还探索了用超重力法制备其他纳米药物粉体 如抗哮喘药物 抗生素类药物和药物辅料等.在实验室研究的基础上 本中心研究了该技术的放大规律 并与华北制药集团倍达有限公司合作 成功实现了40t 年超重力法制备无定形头孢呋辛酯纳米药物的工业化生产 图2为产品头孢呋辛酯的扫描电镜照片 得到的头孢呋辛酯是无定形的 粒径小于500n m.产品的溶解速率和溶解度较市售产品都有明显的提高 更易溶解 吸收 生物利用度也高于市售微米级药物产品.鉴于超重力技术在药物微粉化方面的独特优势 Abhi it 等 28发表综述评论认为 超重力结晶法代表了疏水药物纳米化的第二代战略性方法 由于其简单 易于放大和纳米效应 有可能3181 第8期邹海魁等 超重力技术进展 从实验室到工业化F i g.2SE M p hOt O g ra p hs Of nanOsizedCef ur Oxi m e Axetile成为一种未来的技术.4超重力技术在多相快速反应中的应用利用烷基化反应以异丁烷为原料在强酸等催化剂的作用下与C3～C5烯烃反应生成烷基化油.烷基化油是一种理想的汽油调和组分烷基化生产装置的全球生产能力为8000万吨年以上.烷基化反应涉及液液快速反应过程现工业上采用~F和浓~2SO4催化反应传统工艺存在腐蚀性强环境污染严重等问题.本中心将超重力反应器作为烷基化反应器应用于离子液体催化的烷基化反应合成烷基化油.该液液反应过程中微观传递和分子混合是关键实验结果表明烷基化油辛烷值可达97以上反应器体积可缩小至原先的110～16优于传统~F和浓~2SO4法工艺而且无污染物排放可实现高效低能耗清洁生产的目的为替代污染严重的~F和浓~2SO4法生产烷基化油提供了一种洁净生产新技术.最近本中心将超重力旋转床作为气液反应器用于环己烷空气氧化制备环己酮反应过程初步研究结果表明在环己烷转化率与现有工艺相当的情况下过氧化物的含量约降低70%左右可以大幅度减少后续由于过氧化物分解产生的废碱液可望开发出一种绿色环保新工艺.5超重力技术在生化反应中的应用大多数的生化反应都是好氧反应过程.由于好氧微生物的呼吸基质的氧化所需要的氧是液相中溶解的氧因此在好氧发酵过程中氧的气液传质十分重要氧溶解速度成为好氧发酵过程的限制因素.根据生化反应的特点本中心将超重力旋转床和内循环反应器的优点结合起来成功开发了内循环超重力生化反应器实验表明拟塑性流体在超重力旋转床中的氧传递速率较鼓泡搅拌釜中快6～20倍.在此反应器中进行了超氧化物歧化酶SOD的发酵实验发酵液中酵母的最大湿重为66g L-1超过气升式反应器中得到的51g L-1的优化结果采用此反应器时透明质酸的产量为6.5～7.2g L-1而操作条件基本相同的搅拌釜的产量只能达到4～5g L-1表明内循环超重力生化反应器可作为一种新型高效的发酵设备3.2.2超重力技术在强化分离过程的应用1超重力水脱氧技术的研究超重力技术的第一个工业化应用实例是油田注水脱氧.油田注水的国家标准是水中的氧含量小于50卜g L-1.1993年本中心为胜利油田研制了一台50t h-1的超重力脱氧机进行了用天然气对水进行氧解吸的实验出口氧含量全部达到低于50卜g L-1的注水要求最低低于20卜g L-1与现有的真空脱氧技术相比无论在脱氧指标上还是在动力消耗上都有较大的优越性3.1995年本中心开发研制了国际上第一台最大的工业化超重力样机300t h-1水脱氧超重力装置并于1998年在胜利油田投入实验应用之后两台250t h-1的工业装置也在胜利油田海上石油平台上投入了生产3.此外采用超重力法还进行了锅炉用水脱氧的研究使用0.03～0.2MPa表压的蒸汽在103～133时就可以将水中的含氧量减少至7卜g L-1以下而且不需添加任何化学药剂.与热力法相比超重力法可以在较低的温度压力下达到很好的脱氧指标能较好地解决锅炉的氧腐蚀问题在锅炉行业中具有广阔的推广应用前景3.2超重力技术在废水处理中的应用本中心与原中国天然气总公司下属大型合成氨企业合作开发建立了一套处理水量为5t h-1的超重力尿素水解工业侧线在220～230 2.4～2.6MPa条件下将尿素解吸废水中尿素含量由100m g L-1左右降至5m g L-1以下可以满足中压锅炉用水的要求.本中心采用超重力气提技术及设备处理合成氨厂铜洗车间存在的含氨量20000～30000m g L-1的废水成功地将废水中的氨含量降至100m gL-1以下满足环保要求的同时还得到可以利用的4181化工学报第57卷15%～20%的浓氨水解决了困扰企业的一个难题3.<3>超重力技术在废气治理中的应用工业及生活所排放的二氧化硫是空气的主要污染源新型脱硫技术及设备的研究与开发成为当前迫切需要加强的环保科研课题之一.本中心与国内硫酸厂合作采用亚胺吸收法进行了超重力脱硫的工业侧线实验经过超重力设备吸收后尾气中二氧化硫含量降至100m g L-1<世界银行标准为300m gL-1>.若将单级超重力脱硫与喷射脱硫器相结合可在设备投资动力消耗气相压降等方面较原有技术有较大优势35.除尘是由作为单元操作之一的气固相分离操作发展起来的是现代工业生产中一项不可缺少的环节.采用超重力旋转床对发电厂燃煤飞灰的捕集效率达99%以上切割粒径范围为0.02～0.3卜m 压降不大于3000Pa与电除尘相当但设备占地面积价格及能耗方面远优于电除尘法是一种极有推广前景的除尘技术及设备329.2.3超重力反应分离耦合法在化工产品生产中的应用1999年美国DO W化学公司与本中心合作成功地将超重力技术应用于反应分离耦合过程在次氯酸的生产中将直径6m高30m的钛材塔式反应分离设备用直径3m高3m的超重力装置进行了成功替代在一台超重力设备中同时完成反应和分离两种操作次氯酸的产率由原先的80%提高到90%以上生产效率大大提高并节省了设备投资70%和操作费用.这一技术的开发成功为超重力技术的应用提供了一个极好的工业化范例3.3结束语已有的理论研究和应用研究的结果表明超重力技术是一种高效的过程强化的新技术在众多领域具有广阔的应用前景.由于它广泛的适用性可生产出传统设备所难以生产出的更小更精更安全更高质量的产品以及具有更能适应环境和对环境友好等特殊性能可望成为21世纪过程工业过程强化的主导技术之一.致谢本文的研究成果包括了郑冲冯元鼎周绪美艾大刚等中心退休教师及郭锴郭奋王玉红张鹏远刘晓林宋云华陈建铭沈志刚毋伟初广文等中心教师及张军刘骥竺洁松李振虎钟杰杨海健等毕业和在读博士研究生张海峰廖颖万冬梅王刚李文博李树华赵永华崔建华梁继国刘方涛张春光张新军马静续京周敏毅徐春艳李亚玲许明王东光等毕业和在读硕士研究生的研究成果.同时超重力技术的研究得到了国家自然科学基金国家自然科学基金重点项目国家自然科学杰出青年基金国家科委八五九五和十五攻关项目及国家重点基础研究发展计划教育部和北京市等科技计划的资助在此一并表示感谢！Re f er ences1Ra m sha W C.The i ncenti ve f Or p r Ocess i nt ensifi cati On//1stI nt er nati Onal COnf erence On Pr Ocess I nt ensifi cati On f Or t heChe m i cal I ndustr y.LOndOn19952Fei W ei y an g<费维扬>.The p r O g ress Of p r Ocessi nt ensifi cati On.W orl d Sci T ec h R SD<世界科技研究与发展>2004 2 <5>1-43Chen Ji anf en g<陈建峰>.~i g h G ravit y T echnOl O gy andA pp li cati On A Ne W G enerati On Of Reacti On and S e p arati OnT echnOl O gy<超重力技术及应用新一代反应与分离技术>.Bei i n g Che m i cal I ndustr y Press20034GuO Kai<郭锴>L i u SOn g ni an<柳松年>Chen Ji anf en g <陈建峰>Zhen g ChOn g<郑冲>.Recent p r O g ress Of hi g hg ravit y t echnOl O gy.Che m ic al I ndust r$and En g ineerin gPro g ress<化工进展>199711-45W an g YuhOn g<王玉红>GuO Kai<郭锴>Chen Ji anf en g <陈建峰>Zhen g ChOn g<郑冲>.~i g ee t echnOl O gy and itsa pp li cati On.M et al M ine<金属矿山>1999425-296Zhan g Jun<张军>GuO Kai<郭锴>GuO Fen<郭奋> Zhu Ji esOn g<竺洁松>Zhen g ChOn g<郑冲>.Ex p eri m ent al st ud y abOut fl O W Of li c ui d i n r Ot ati n g p ackedbed.J ournal o f Che m ic al En g ineerin g o f ChineseUniUersities<高校化学工程学报>200014<4>378-3817GuO Fen<郭奋>W an g DOn gg uan g<王东光>W u Ji nli an g<吴金梁>GuO Kai<郭锴>Zhen g ChOn g<郑冲>ShaO Lei<邵磊>.E ff ect Of diff erent i niti al li c ui ddi stri buti On On m ass transf er i n a cOunt er current fl O Wr Ot ati n g p acked bed.J ournal o f Bei j in g UniUersit$o fChe m ic al T ec hnol o g$<北京化工大学学报>2003 3<3>30-348GuO Fen<郭奋>ZhaO YOn g hua<赵永华>Cui Ji anhua <崔建华>Chen Ji anf en g<陈建峰>GuO Kai<郭锴>Zhen g ChOn g<郑冲>.E ff ects Of i nner su pp Orts On li c ui d-fil m cOntr Oll ed m ass transf er i n r Ot ati n g p acked bed.J ournal o f Nort h China I nstit ute o f T ec hnol o g$<华北工学院学报>200122<6>420-4249L i Zhenhu<李振虎>GuO Kai<郭锴>Yan W ei m i n<燕为民>Zhen g ChOn g<郑冲>.The cO m p ari sOn Of t he g as5181第8期邹海魁等超重力技术进展从实验室到工业化。
二氧化硅的多孔材料及其在吸附和分离中的应用
二氧化硅的多孔材料及其在吸附和分离中的应用二氧化硅是一种重要的材料，在科学研究和工业生产中得到广泛应用。
其中，多孔二氧化硅是一种特殊形态的材料，它拥有许多独特的性质和应用。
本文将介绍多孔二氧化硅的制备、性质以及在吸附和分离方面的应用。
一、多孔二氧化硅的制备1. 溶剂蒸发法溶剂蒸发法是一种制备多孔二氧化硅的常用方法。
这种方法的具体步骤如下：首先，在有机溶剂中加入二氧化硅前驱体，加热搅拌使其充分溶解；然后使其自然蒸发，直到产生固体。
在这个过程中，由于有机溶剂的挥发，产生了很多小孔和大孔，形成了多孔结构。
最后将产生的物质高温煅烧，从而得到纯净的多孔二氧化硅。
2. 模板法模板法是一种将有机物作为模板来制备多孔二氧化硅的方法。
具体步骤为：首先将有机物与二氧化硅前驱体混合；然后通过一系列的化学反应使有机物自身蒸发或氧化分解，在这个过程中，有机物模板留下了一系列的空隙，形成了多孔结构；最后通过高温煅烧将有机物模板去除，得到纯净的多孔二氧化硅。
二、多孔二氧化硅的性质1. 多孔结构多孔二氧化硅的最显著的性质就是它的多孔结构。
这种多孔结构可分为两种类型：介孔和微孔。
介孔的孔径在2-50纳米之间，微孔的孔径小于2纳米。
这些孔隙在多孔二氧化硅中分布均匀，数量众多，能够提供大量的吸附活性位点，从而使得多孔二氧化硅具有很强的吸附能力。
2. 高比表面积多孔二氧化硅的多孔结构使得它的比表面积非常大，通常在100-1000平方米/克之间。
这种巨大的比表面积为多孔二氧化硅带来了许多独特的性质，例如高度的吸附能力和分离效率。
3. 活性位点多孔二氧化硅的多孔结构是由一系列的空隙组成的，这些空隙通常被认为是其活性位点。
这些活性位点能够提供大量的表面反应机会，增强多孔二氧化硅的吸附、吸附分离等性质。
三、多孔二氧化硅在吸附和分离中的应用1. 吸附分离多孔二氧化硅在吸附分离中得到了广泛应用。
它能够选择性地吸附某些分子和离子，从而达到分离和富集的目的。
二氧化硅气凝胶及其复合材料制备与吸附应用研究共3篇
二氧化硅气凝胶及其复合材料制备与吸附应用研究共3篇二氧化硅气凝胶及其复合材料制备与吸附应用研究1二氧化硅气凝胶及其复合材料制备与吸附应用研究气凝胶一词源自于“aerogel”，是指以大量的气体分布在凝胶空隙中，形成一种具有极低密度、高孔隙率和高比表面积的固体材料。
其中，二氧化硅气凝胶以其良好的物理、化学特性和广泛的应用领域备受关注。
本文将介绍二氧化硅气凝胶的制备方法及其在各个领域中的应用。
二氧化硅气凝胶的制备方法主要有超临界干燥法、溶胶-凝胶法和湿化减胶法等。
超临界干燥法在高温高压的条件下通过液态二氧化硅的物理变化实现气凝胶的制备，具有工艺简单、制备时间短和制备成本低等特点；溶胶-凝胶法通过物理或化学反应形成透明的凝胶体，再进行干燥制备气凝胶。
其中，溶液浸渍法是一种简单有效的制备气凝胶的方法，它首先将硅源溶解成某一浓度的溶液，然后将材料浸泡在溶液中，最终经过煅烧得到气凝胶。
湿化减胶法以硅源和特殊的聚合物为原料，在液相中形成凝胶，再通过严格的热处理和气相转化得到气凝胶。
此外，常温干燥和冻干等方法也可制备气凝胶。
气凝胶具有很高的比表面积和孔隙的联通性，并且可以通过改变它的孔隙结构调控其吸附能力，因此气凝胶也广泛应用于吸附材料的制备。
例如，二氧化硅气凝胶可以在大气压下吸附一系列气体，如一氧化碳、二氧化碳、氮气和甲醛等。
在催化剂的制备中，二氧化硅气凝胶与其他物质复合制备的催化剂表现出了更优秀的催化活性和稳定性，如铂-二氧化硅气凝胶催化剂在醇类氧化反应中表现出了良好的催化性能。
在环境治理领域，二氧化硅气凝胶还可以作为污染物吸附剂，例如硅凝胶改性后可以有效吸附水中的重金属离子，净化水质。
除了作为纯净材料外，二氧化硅气凝胶也经常与其他材料复合制备，以实现更好的吸附性能。
例如，铁掺杂二氧化硅气凝胶在吸附五氯酚方面表现出更高的吸附性能；杂化气凝胶中加入不同种类的有机物可以增加其吸附性能。
综上所述，二氧化硅气凝胶具有很高的比表面积和孔隙的联通性，并且可以通过改变其孔隙结构调控其吸附能力。
一种超重力-微界面传质强化碳化法制备立方形纳米碳酸钙的方法[发明专利]
![一种超重力-微界面传质强化碳化法制备立方形纳米碳酸钙的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/4c40803a974bcf84b9d528ea81c758f5f61f297e.png)
专利名称：一种超重力-微界面传质强化碳化法制备立方形纳米碳酸钙的方法
专利类型：发明专利
发明人：童张法,王伟超,陈小鹏,廖丹葵,覃玲意,黄煜,贺路路,李科宏
申请号：CN202210096689.7
申请日：20220126
公开号：CN114408960A
公开日：
20220429
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种超重力‑微界面传质强化碳化法制备立方形纳米碳酸钙的方法，包括以下步骤：S1.取高活性氧化钙和水进行消化，将消化所得Ca(OH)2浆液过筛网，所得精制Ca(OH)2浆液在室温下陈化，将陈化所得Ca(OH)2浆液调节至所需浓度；S2.将葡萄糖加入到Ca(OH)2浆液中，搅拌使其混合均匀，将精制Ca(OH)2浆液加入超重力‑微界面反应器中，调节至碳化起始反应温度，通入CO2至碳化反应结束，制得浆液；S3.将步骤S2所得浆液经离心分离后，沉淀固体物干燥后得到CaCO3样品。
本发明具有强化碳化反应，缩短碳化反应时间，制备得到形貌规整，粒径均一约为50nm立方形纳米碳酸钙的优点。
申请人：广西大学,崇左南方水泥有限公司,广西碳酸钙产业化工程院有限公司
地址：530003 广西壮族自治区南宁市西乡塘区大学东路100号
国籍：CN
代理机构：南宁胜荣专利代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：关文龙
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二氧化硅多孔材料的构筑与应用
二氧化硅多孔材料的构筑与应用一、简介二氧化硅多孔材料因其高比表面积、可调控孔径和结构、化学稳定性以及良好的生物相容性等特殊性能而备受关注。
近年来，在吸附、催化、分离、光学和生物医学领域等方面得到广泛应用。
本文将围绕二氧化硅多孔材料的构筑、性能以及应用进行探讨。
二、构筑方法在构筑二氧化硅多孔材料时，主要有溶胶-凝胶法、水热法、界面化学法等方法。
2.1 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是制备二氧化硅多孔材料的最早方法之一，其特点在于简单易行。
将硅源和水混合均匀后，加入酸性催化剂，在混合物中添加有机溶剂，并反应到特定的凝胶阶段。
最终在高温下将凝胶干燥，得到粉末。
通过控制溶胶的物化性质，如pH、配合物、聚合物、孔径模板等，可调控二氧化硅多孔材料的孔径及孔道结构。
2.2 水热法水热法是利用碱性、酸性或中性环境下水热反应与硅源反应，制得二氧化硅薄膜或二氧化硅多孔材料的方法。
该方法无需特殊设备，同时薄膜成膜速度快且横向均匀。
同时，该方法也是一种绿色化学合成方法，对环境友好。
2.3 界面化学法界面化学法是在界面活性剂存在的条件下，通过双亲性硅烷或有机短链化合物与界面活性剂中的自组装单元在水/油界面上反应生成。
该方法制备的二氧化硅材料具有大量的高度活化计数的柱形纳米结构孔道和特殊的亲疏性表面性质。
三、性能特点二氧化硅多孔材料具有许多独特的性质，如高比表面积、可调控的孔径和孔结构、高稳定性、良好的生物相容性等。
因此，其已广泛应用于各个领域，包括水处理、催化剂、药物传递、生物传感、环境污染控制等。
3.1 高比表面积由于二氧化硅多孔性材料具有高度分布的孔道结构，其比表面积非常大。
通过调节孔道结构和孔径，可在材料表面控制微观和宏观特征。
此外，具有高比表面积的材料也使得加速反应速度、提高催化活性成为可能。
3.2 可调控的孔径和孔结构二氧化硅多孔性材料的孔径和孔结构可以通过一系列化学和物理方法进行调节。
可以通过孔径模板的引导、控制凝胶的物理和化学特性、控制干燥条件等多种方式实现。
二氧化硅气凝胶 甲醇超临界干燥
二氧化硅气凝胶甲醇超临界干燥二氧化硅气凝胶是一种具有非常高比表面积和孔隙率的材料，广泛应用于各个领域。
而甲醇超临界干燥是一种常用的制备二氧化硅气凝胶的方法。
本文将介绍二氧化硅气凝胶以及甲醇超临界干燥的原理和应用。
一、二氧化硅气凝胶的特性和应用二氧化硅气凝胶是一种由三维连续的硅氧键构成的多孔材料。
由于其独特的孔隙结构和高比表面积，二氧化硅气凝胶具有很多优异的特性，如低密度、低热导率、高吸附性能、优良的热稳定性和化学稳定性等。
因此，二氧化硅气凝胶被广泛应用于催化剂载体、吸附剂、隔热材料、声学材料、光学材料、生物医学材料等领域。
二、甲醇超临界干燥的原理和过程甲醇超临界干燥是制备二氧化硅气凝胶的常用方法之一。
它利用甲醇在超临界状态下的特性，通过控制温度和压力来实现二氧化硅的溶胀和干燥。
具体过程如下：1. 溶胀：将二氧化硅前驱体（如硅酸盐溶液或乙基硅酸酯）与甲醇混合，加热至超临界状态。
在超临界状态下，甲醇具有较低的表面张力和粘度，能够渗透到二氧化硅的孔隙中，使其膨胀。
2. 干燥：在溶胀过程中，通过减小温度和压力，使甲醇逐渐从二氧化硅中脱出，使其恢复到原来的体积。
由于甲醇的蒸发速度较快，可以实现较快的干燥过程。
3. 热解：将干燥得到的二氧化硅样品进行热解处理，以去除残留的有机物和增强材料的热稳定性。
三、甲醇超临界干燥的优势和应用相比于传统的干燥方法，甲醇超临界干燥具有以下优势：1. 高效快速：甲醇超临界干燥过程中，甲醇的低表面张力和粘度使得其能够快速渗透到二氧化硅的孔隙中，提高干燥速度。
2. 均匀性好：甲醇的渗透性能使得二氧化硅样品的干燥更加均匀，避免了传统干燥方法中可能出现的表面干燥而内部仍有残留物的问题。
3. 无机有机一体化：甲醇超临界干燥过程中，有机物可以与二氧化硅进行充分交互作用，有利于形成无机有机一体化的二氧化硅气凝胶。
甲醇超临界干燥方法在制备二氧化硅气凝胶方面有广泛的应用。
例如，在催化剂载体领域，甲醇超临界干燥可以制备具有高比表面积和孔隙率的二氧化硅载体，有助于提高催化剂的活性和稳定性。
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第31卷第5期2004年北京化工大学学报JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF CHEMICAL TECHNOLO GYVol.31,No.52004超重力碳化法二氧化硅的干燥及应用研究陈智涛 王 琳 郭 锴3(北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京 100029)摘 要:采用超重力碳化法制备超细二氧化硅,经过不同的方法干燥,得到不同干燥产品,其性能有较大的差异。
通过各种手段的表征,研究白炭黑干燥过程的脱水行为,讨论了不同干燥方法对颗粒团聚控制的影响,简单探讨各种干燥方法的脱水机理。
并将所得干粉作为硅橡胶补强剂,讨论其补强机理及不同干燥产品对其补强性能的影响。
关键词:超重力技术;超细粉体;白炭黑;干燥;团聚控制;硅橡胶中图分类号:TQ051收稿日期:2004201205第一作者:男,1976年生,硕士生3通讯联系人E 2mail :guok @引言湿法制备超细无机粒子,因其技术成熟、操作简单、成本低廉、易于实现工业化,在工业上的应用相当广泛,对其的研究也很普遍。
但在干燥脱水过程中,由于水具有较大的表面张力,且粒子越小,表面能越大,粒子有自动结合以降低表面能而达到较稳定状态的趋势,使得超细颗粒极易产生交联而发生团聚,影响最终产品的各种性能,因此,干燥方式以及干燥工艺条件的选择,对于得到性能优异的干燥产品至关重要。
目前常见的除直接烘干干燥外,有恒沸干燥[1]、溶剂置换干燥、超临界干燥[2]以及冷冻干燥[3],还有喷雾干燥和旋转闪蒸干燥等。
超细二氧化硅又名白炭黑,是一种重要的精细无机化工产品,因其卓越的补强性、增稠性、消光性等性质,广泛地用于橡胶、塑料、涂料、油漆、油墨、造纸、医药、农药、日用化学用品等许多领域。
其制备方法主要有气相法和液相法。
气相法使用卤化硅为原料,产品直接由气相得到,不存在干燥问题,因此产品性能极好,粉体颗粒微细,不含盐类。
但消耗能源大,技术复杂,产品价格昂贵。
而液相法尽管成本低廉,但产品质量较差。
北京化工大学教育部超重力工程研究中心运用超重力技术,开发出湿法制备超细白炭黑的新工艺所得的产品较原湿法制品在质量上有很大提高,并获取了相关专利[4]。
本文对超重力反应沉淀法制得的超细白炭黑产品,采用各种不同的干燥方法,研究不同工艺条件对其团聚控制的影响,并通过多项性能指标测试,讨论各种干燥方法的不同特点;并将所得干燥粉体作为补强剂,应用于硅橡胶中,通过对混炼胶的各种物理机械性能的测试,进一步说明干燥方法的优劣,对今后工业设备选型以及工艺条件选择具有一定指导意义。
1 实验部分111 粉体制备参照文献[5]所述的方法制备白炭黑,将经过酸化、陈化、过滤、洗涤而得到的湿滤饼,分别进行以下几种干燥实验:(1)直接烘干干燥。
将湿滤饼置于干燥箱中,于105℃下烘干约2h ,滤饼失去大部分水,取出碾碎较大团块,继续在该温度下烘4h ,得到的干粉经研磨后,过010385mm 筛,筛下产品为样品A 。
(2)恒沸干燥。
将湿滤饼用文献[6]所述方法进行恒沸干燥,过滤、烘干、过010385mm 筛后为样品B 。
(3)溶剂置换干燥。
取一定量的湿滤饼,用无水乙醇多次充分洗涤过滤,如样品A 所示方法进行烘干、研磨、过筛得到样品C 。
(4)超临界干燥。
使用超临界干燥装置(自组装)对C 中所得醇洗后滤饼进行超临界干燥,过010385mm 筛为样品D 。
(5)冷冻干燥。
用CHRIS Alpha 122LD 型冷冻干燥机对所得湿滤饼干燥,体系真空度为6Pa ,此时冷冻池温度为-60℃,可以得到干燥产品,再经研磨过010385mm 筛为样品E 。
(6)喷雾干燥。
取一定量湿滤饼加水配制成固态质量分数15%的浆料,用QP3型喷雾干燥机进行喷雾干燥,其进风温度为160℃,排风温度为60℃,干燥后经旋风分离,收集于集料瓶中,将所得产品研磨,过010385mm筛,产品作为样品F。
112 样品表征用日立H2800型透射电子显微镜,分别对湿滤饼和各种干燥产品作透射电镜(TEM)分析,用AS2 AP2010型比表面仪测量所得各样品的比表面积,按照国标G B10528289对所得样品做吸油值测试,按照国标G B10521289对所得样品作加热减量测试,用IBASⅠ/Ⅱ图像分析仪对所得干粉进行图像分析,考察其粒度分布,用OL YMPUSⅨ51型光学显微镜对干燥粉体直接观察其形貌。
113 硅橡胶中的应用及测试硅橡胶是指分子主链为—Si—O—无机结构,侧基为有机基团(主要为甲基)的一类弹性体,属于半无机的饱和、杂链、非极性弹性体。
其耐高温和低温性能很好,表面张力低,具有良好的疏水性、透气性、绝缘性能和优异的耐老化性能。
由于硅橡胶纯胶拉伸强度只有约013MPa,因此必须用补强剂进行补强。
最常用的硅橡胶补强剂就是白炭黑。
现以硅橡胶、白炭黑、双二五的质量比为100∶40∶215的配方,对硅橡胶进行补强实验,并对混炼胶进行机械力学性能测试。
2 结果与讨论211 透射电镜(TEM)分析图1是超重力法制备得到的未经干燥处理的超细白炭黑凝胶的TEM电镜照片。
从图1中可以看出,未经过干燥的白炭黑是以一种葡萄串状的二次结构存在的,其一次粒子粒径小于20nm,这与前人所得到的结论[5]是一致的,说明超重力碳化沉淀法制备超细白炭黑具有稳定性高,可重复性好的特点,能够为将来本研究的工业化应用提供有力的证据。
在直接烘干干燥过程中,水分逐渐失去,颗粒表面部分裸露出来,处于颗粒之间的剩余水分在孔道中形成毛细管现象,存在有毛细管力。
鉴于水的特点,液面弯曲向下,毛细管所产生的附加压力指向空气,导致毛细管孔壁向内收缩,使相邻粒子相互拉近而紧紧地压在一起。
同时白炭黑表面存在—SiOH 结构,在干燥过程中,相邻粒子之间能够发生脱水缩合的化学反应(如式1),形成以化学键结合的硬团聚,使得粒子表观直径变大,正如图2中颜色较深部分即是发生了较为严重的团聚现象。
图1 未经处理的凝胶Fig.1 Rawgel图2 直接烘干干燥干粉Fig.2 Powder dried by stove heating—SiOH+HOSi——Si—O—Si—+H2O(1)在溶剂置换干燥过程中,用表面张力较小的乙醇置换出水分后,所受毛细管力相应减小,也降低了形成化学键的可能,团聚程度明显改观,(图3)。
而恒沸干燥时,使用正丁醇作为恒沸剂,利用恒沸蒸馏技术,将滤饼中的水分以正丁醇2水恒沸物的形式脱除,最终滤饼是二氧化硅和正丁醇的混合物,正丁醇的表面张力比水小得多,减小了由于表面张力作用产生的颗粒团聚。
而且,恒沸过程中的泡腾作用,颗粒处于不断运动状态中,发生团聚长大的几率大大减弱。
此外,在恒沸操作条件下,正丁醇能够取代颗粒表面的羟基而直接与粒子结合。
这种结合能够削弱后续脱醇过程的表面张力作用,较大的正丁醇还有空间位阻作用,阻止相邻粒子间的相互靠近,同时,正丁醇的醇羟基和正丁基也存在一定的改性作用。
对比恒沸处理烘干前后TEM照片图4,5可知:1)恒沸处理前后并没有改变粒子之间的聚集状态,二次结构不发生变化;2)进行恒沸干燥处理后的产品,硬团聚较轻,基本上保持着原来的形貌不变。
仇海波[7]等人的研究也说明恒沸干燥是一种・73・第5期 陈智涛等:超重力碳化法二氧化硅的干燥及应用研究图3 溶剂置换干燥干粉Fig.3 Powder processed byalcohol图4 恒沸处理的凝胶Fig.4 G el by azeotropic dehydration图5 恒沸干燥干粉Fig.5 Powder processed by azeotropic dehydration有效的控制硬团聚的干燥方法。
超临界干燥技术是使用超临界流体,使干燥过程处于超临界状态,气液之间没有相界面,消除表面张力的作用,使得粒子之间的结合、粒子之间孔隙所形成的网络结构的收缩、塌陷现象大大降低,因此必然能够很好地控制团聚的发生(如图6)。
冷冻干燥过程首先使水在低温下冷冻成为固态的冰,由于冰的密度小于水的密度,在水转化成为冰的过程中,体积必然膨胀,使得原来交联在一起的二次结构的粒子相互远离。
由于原生粒子为纳米级,这样的膨胀使粒子距离加大的效果非常明显。
最后通过抽真空使水分直接从固态向气态升华脱除,不经过液相,大大降低了团聚程度,效果较好(图7)。
喷雾干燥是将悬浮物分散成细小的雾滴,同时进行瞬间干燥,白炭黑二次结构内部的水分蒸发速度很快,缩小了毛细管力的作用时间和程度,减小了团聚的程度。
理想状况是:由喷嘴喷出的雾滴迅速汽化,只在该液滴内形成颗粒,两液滴之间不会发生交联或是化学键合的团聚现象。
可以推断该过程产品粒径大小取决于雾化的程度,雾化程度越高,粒径越小,粒度分布越窄(见图8)。
图6 超临界干燥干粉Fig.6 Powder processed by supercritical drying图7 冷凝干燥干粉Fig.7 Powder processed by cryodesiccation图8 喷雾干燥干粉Fig.8 Powder processed by spray drying212 不同干燥方法对白炭黑粉体性能的影响如表1所示,直接烘干干燥过程中,随着水分的脱除,粒子之间的相对位置并不发生变化,水分脱除后留下了大量的孔道,这样不仅有颗粒的外表面,还存在有微孔结构的内表面,使得比表面积较大,其他种类干燥方法在脱水过程中,颗粒结构发生破碎,粒径减小,表面积略有下降。
加热减量基本上符合国标小于7%的要求,只是由于冷冻干燥过程中,残留在孔道中的水分由于毛细管力,蒸汽压降低,真空泵所能提供的负压,不足以使其完全脱去,所以加热减量有所偏高。
吸油值是粉体支链发达程度的一个指・83・北京化工大学学报 2004年标,作为补强剂的白炭黑要求有一定的吸油值,直接烘干的干粉由于发生了较为严重的团聚现象,支链必然减少,从而使得吸油值降低,其它各种干燥方法,能很好的控制硬团聚的发生,较好的保存了原有的支链结构,因此所得到的产品吸油值都有较大的提高,其中尤以恒沸干燥的产品较直接烘干的提高了2倍。
表1 不同干燥方法处理的白炭黑粉体性能Table 1 Physical properties of samples processed bydifferent drying ways样品BET 比表面积/(m 2/g )DBP 吸油值/(cm 3/g )加热减量/%表观直径平均值/μm众值/μm标准偏差/μmA 107168118561519171171334155B 951753170319319021193190C 921143105610611651603197D 901952194619715771333166E 981193118817716571933177F1121313117618819691081126图9为干粉的粒度分布图(以喷雾干燥为例,其它各种干燥方法得到的曲线均类似。