一種製備微納米粉體的強化微反應裝置和微反應系統的製作方法

2023-05-29 11:04:11 1

專利名稱：一種製備微納米粉體的強化微反應裝置和微反應系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於微納米粉體製備技術領域，具體涉及一種製備微納米粉體的強化微反應裝置和微反應系統。
背景技術：
微納米粉體是一種介於原子團簇與宏觀物體交界的過渡區域的固體顆粒材料，是製備多種新材料的基礎。它具有截然不同於塊狀材料的電學、磁學、光學、熱學或力學等性質，被廣泛應用在電子器件、醫學和健康、航天、航空和空間探索、環境、資源和能量、以及生物技術等領域，具有廣闊的應用前景和巨大的經濟效益。在微納米粉體的產業發展中，缺少規模化的高性能微納米粉體製備新技術一直是嚴重製約微納米粉體性能、價格和應用的關鍵技術，也歷來是企業的核心競爭力和國外對我們封鎖的關鍵技術。在已發展的諸多製備微納米粉體的方法中，化學液相法具有設備簡單、原料容易獲得、純度高、均勻性好、化學組成控制精確、易於放大等優點，成為了目前實驗室和工業生產上廣泛採用的微納米粉體的製備方法。通常，化學液相法製備微納米粉體是從實驗室的玻璃容器開始，然後經過小試、中試直至產業化的逐級放大，經過長時間的研發和大量的人力物力投入，最終在大容積的反應釜中實現規模量產。這一傳統的研發生產模式存在高能耗、高物耗、高三廢排放和低產率的嚴重缺陷。特別是對於一些反應速度快、 對三傳要求高的微納米粉體製備反應來說，由於反應釜機械攪拌的混合和分散強度低，其強化傳質使物料均勻混合的速度遠低於反應速度，攪拌強度也遠不足以分散已團聚的微納米粉體聚集體，更談不上嚴格控制和分割微納米粉體製備過程中的形核與生長階段。以致所製備的微納米粉體存在嚴重的產物顆粒不均勻、尺寸分布寬、團聚嚴重、形貌難以控制等問題。因此，必須改變思路，尋求新的設備和發展新的製備技術。20世紀90年代以來發展的微反應器技術為解決這一類快速反應的傳質和混合提供了新途徑。微反應器是指通過微加工技術製造的流體通道尺寸在微米量級的小型反應系統。研究表明微反應技術具有強的傳質能力，可大幅度提高反應過程中的傳質效率，實現了化工過程強化、微型化和綠色化。並且具有操作條件易於控制、無放大效應、適應面廣和內在安全等優點。被認為是化學工程學科發展的新的重要方向之一。目前，用於氣相合成的微反應器在工業上的應用已成為現實。但與氣相微反應的研究和應用相比，液相微反應的研究顯然少得多。這主要是由於反應要在亞微米到亞毫米量級的微通道內進行，會產生很大的壓力降，難以實現大處理量的要求。特別是對於有沉澱生成的液相反應更容易造成微通道的堵塞和反應的難以繼續進行。同時，微器件還存在著加工困難、加工成本高等問題。 這些都導致了微反應器在生成沉澱的液相反應方面的應用還有相當的難度，需要進一步發展一些新的技術來解決這一問題。
發明內容本實用新型的主要目的是提供一種反應條件始終保持穩定和可控的適用於液相反應方法製備微納米粉體的強化微反應裝置。本實用新型的另一目的是提供一種能實現微納米粉體的高效率、性能穩定、質量可控的連續生產的微反應系統。為了實現上述目的，本實用新型採用了以下技術方案本實用新型公開了一種製備微納米粉體的強化微反應裝置，包括管道和超聲波發生器，所述管道具有尺寸逐級放大的中心通道，所述超聲波發生器設置於中心通道外部。進一步的，所述管道還設有一個循環流體通道，該循環流體通道位於所述中心通道外，設有進水口和出水口。優選的，所述循環流體通道被分隔為兩部分，該兩部分相互連通並對稱設置於所述中心通道外，以供循環流體通過。更優選的，所述循環流體為水，用以控制反應溫度。更進一步的，所述管道還設有超聲波發生器安裝腔，該超聲波發生器安裝腔位於所述中心通道外；所述超聲波發生器安裝於所述超聲波發生器安裝腔內。優選的，所述超聲波發生器安裝腔被分隔為兩部分，該兩部分對稱設置於所述中心通道外；最優選的，所述超聲波發生器均勻交錯的安裝於所述被分隔為兩部分的超聲波發生器安裝腔內，使得超聲波的範圍能夠均勻覆蓋整個中心通道。本實用新型還公開了一種製備微納米粉體的微反應系統，包括供料裝置、微混合裝置、上述的強化微反應裝置和儲料槽；供料裝置與微混合裝置的進料口相連，微混合裝置的出料口與強化微反應裝置的中心通道的小尺寸埠相連，強化微反應裝置的中心通道的大尺寸埠與儲料槽相連。需要指出的是，本實用新型提供的微反應系統，對反應歷程進行分解，使製備微納米粉體的反應液的混合和反應過程分別在微混合裝置和強化微反應裝置中進行。進一步的，上述微反應系統中，所述微混合裝置包括微反應器和設置於微反應器外部的超聲波發生器；所述供料裝置包括液槽與恆流泵，兩者相接。所述微混合裝置用於反應液的混合，優選的，對微混合裝置中的微反應器進行改進，其微通道直徑為2-20mm，微通道的長度為200-800mm，用以實現兩種或多種反應溶液的快速傳質混合，使得在不到1秒的時間量級內物料微觀均勻混合而又沒有沉澱生成。需要指出的是，在反應溶液快速均勻混合後，進入本實用新型提供的強化微反應裝置，通過對反應液的流速和強化微反應裝置的中心通道的尺寸的控制，實現對反應時間的控制，使得整個反應進程的反應條件始終保持穩定可控。更進一步的，所述微混合裝置還包括超聲波槽，所述超聲波槽圍繞於微反應器外部，所述超聲波發生器安裝於所述超聲波槽內。優選的，所述超聲波槽包括連接在一起的內槽和外槽，超聲波發生器均勻交錯安裝於外槽中，使得超聲波範圍均勻的覆蓋微反應器；整個微反應器貫穿內槽並與內槽密封連接在一起；內槽通過進水口和出水口實現循環流體的流通。優選的，所述流體為水，用於調控混合時的反應液溫度，水的溫度可根據需要進行調節。進一步的，所述微反應器內設置有混合單元內件，所述混合單元內件是固定在微通道內的混合單元體，用以改變流體在管內的流動狀態，進一步加強反應液的傳質混合。需要指出的是，在本實用新型中，所述微反應系統中至少有兩套供料裝置與微混合裝置相連。進行一步的，供料裝置的數量根據具體試驗中需要的反應成分的數量確定；在反應成分增加時，增加供料裝置數量，同時，可以對本實用新型的微反應器進行繼續改進， 使得其進料口的數量與供料裝置數量相匹配。由於採用以上技術方案，本實用新型的有益效果在於本實用新型提供的強化微反應裝置通過對中心通道的尺寸的控制，以及對反應液流速的調控，實現對反應時間的控制，使得整個反應進程中反應條件始終保持穩定可控，進而獲得尺寸穩定的反應產物。進一步的，本實用新型的微反應系統，對反應歷程進行分割和控制，使混合和反應兩個過程分別在微混合裝置和強化微反應裝置中進行，具有混合速度快、傳質能力強、能有效防止微反應通道堵塞和納米顆粒團聚、能耗低、放大容易、操作控制性強、產品質量穩定性好等多方面的優勢。採用本實用新型提供的微反應系統製備的微納米粉體形貌均一、 尺寸分布窄、分散性好，特別適於反應速度快、對三傳要求高的有固體物生成的化學液相反應的工業化生產。

圖1是本實用新型的實施例中強化微反應裝置4的正面示意圖，其中13為中心通道、18為進水口、19為出水口、20為超聲波發生器；圖2是本實用新型的實施例中強化微反應裝置4的側面示意圖，其中13為中心通道、14和15為循環流體通道、16和17為超聲波發生器安裝腔、18為進水口、19為出水口；圖3是本實用新型的實施例中微反應系統的示意圖，其中1為液槽、2為恆流泵、3 為微混合裝置、4為強化微反應裝置、5為儲料槽；圖4是本實用新型的實施例中微混合裝置3的示意圖，其中6為微反應器、7為超聲波槽的內槽、8為超聲波槽的外槽、9為超聲波發生器、10為超聲波內槽的進水口、11為超聲波內槽的出水口、12為混合單元內件。
具體實施方式
下面通過具體實施例並結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。以下實施例僅僅對本實用新型進行進一步的說明，不應理解為對本實用新型的限制。實施例一本例提供了一種製備微納米粉體的強化微反應裝置，由管道和超聲波發生器9組成，所述管道具有尺寸逐級放大的中心通道13，所述超聲波發生器9設置於中心通道13外部。進一步的，所述管道還設有一個循環流體通道，該循環流體通道位於所述中心通道外， 設有進水口 18和出水口 19。所述循環流體通道被分隔為兩部分14和15，該兩部分相互連通並對稱設置於所述中心通道外，以供循環流體通過。所述循環流體為水，用以控制反應溫度。更進一步的，所述管道設有超聲波發生器安裝腔，該超聲波發生器安裝腔位於所述中心通道13外；所述超聲波發生器9安裝於所述超聲波發生器安裝腔內。超聲波發生器安裝腔被分隔為兩部分16和17，該兩部分對稱設置於所述中心通道13外；所述超聲波發生器9均勻交錯的安裝於超聲波發生器安裝腔16和17中，使得超聲波的範圍能夠均勻覆蓋整個中心通道。所述強化微反應裝置通過對中心通道的尺寸的控制，以及對反應液流速的調控，實現對反應時間的控制，保持並控制反應進程和反應條件的穩定，使得生產的反應產物尺寸穩定。本例還提供了一種製備微納米粉體的微反應系統，由供料裝置、微混合裝置3、上述的強化微反應裝置4和儲料槽5組成。供料裝置與微混合裝置3的進料口相連，微混合裝置3的出料口與強化微反應裝置4的中心通道13的小尺寸埠相連，強化微反應裝置4 的中心通道13的大尺寸埠與儲料槽5相連。該微反應系統對反應歷程進行分解，使製備微納米粉體的反應液的混合和反應過程分別在微混合裝置3和強化微反應裝置4中進行。進一步的，上述微反應系統中，所述微混合裝置3由微反應器6和設置於微反應器外部的超聲波發生器9組成；所述供料裝置由液槽1與恆流泵2連接構成。所述微混合裝置3用於反應液的混合；對所述微混合裝置3的微反應器6進行改進，其微通道直徑為 2-20mm,微通道的長度為200-800mm，用以實現兩種或多種反應溶液的快速傳質混合，使得在不到1秒的時間量級內物料微觀均勻混合而又沒有沉澱生成，從而使混合和反應兩個反應歷程進行分離。更進一步的，所述微混合裝置還設置有超聲波槽，所述超聲波槽圍繞於微反應器外部，所述超聲波發生器安裝於所述超聲波槽內。所述超聲波槽由接在一起的內槽7和外槽8組成，超聲波發生器9均勻交錯安裝於外槽中，使得超聲波範圍均勻的覆蓋微反應器6 ； 整個微反應器6貫穿內槽7並與內槽7密封連接在一起；內槽7通過進水口 10和出水口 11 實現循環流體的流通。所述流體為水，用於調控混合時的反應液溫度，水的溫度可根據需要進行調節。進一步的，所述微反應器6內設置有混合單元內件12，所述混合單元內件12是固定在微通道內的混合單元體，用以改變流體在管內的流動狀態，進一步加強反應液的傳質混合。實施例二採用實施例一提供的微反應系統製備SiO2微球a.將經過二次減壓蒸餾處理的正矽酸乙酯溶解在無水乙醇中，配置成摩爾濃度為0. 8mol/L的溶液A放置在供料裝置的儲料桶中；同樣的，將二次蒸餾水和分析純氨水溶解在無水乙醇中配置成水的摩爾濃度在 8mol/L和氨的摩爾濃度在1.6mol/L的溶液B放置在供料裝置的另一儲料桶中；b.開啟循環水系統，分別在微混合裝置和強化微反應裝置中通入30°C和35°C的循環水；同時，先開啟微混合裝置的超聲波，調整超聲波頻率在^KHz,超聲波功率在200W ；c.開啟兩恆流泵， 將溶液A和B等體積的同時泵入到微混合裝置中，控制兩溶液的流量在l.SL/min。兩股液流高速相向撞擊接觸，並迅速流過通道，在微通道內完成了微觀均勻混合；d.隨後，均勻混合的溶液迅速流入到強化微反應裝置中。當在強化微反應裝置的出口有溶液流出時，開啟強化微反應裝置的超聲波，控制超聲波頻率在^KHz,超聲波功率在400W ；由於連續流道內的所有微單元在整個反應進程中反應條件始終保持穩定和可控，並且流入到儲料桶中時已經水解反應完全，從而保證了尺寸穩定的SiO2的製備；e.將產物儲料桶中製備的SiO2微球經表面改性、洗滌、固液分離、乾燥、粉碎等處理後即得到滿足要求的單分散S^2粉體；保持以上反應的持續進行，可以方便的實現S^2微球的量化製備。根據所製備S^2微球的電鏡照片可見所製備的粉體形貌均一、尺寸分布窄、分散性好。實施例三採用實施例一提供的微反應系統製備納米!^e3O4 :a.將二價鐵鹽和三價鐵鹽分別溶解在蒸餾水中，配置成狗2+摩爾濃度為0. 3mol/L和的!^3+摩爾濃度為0. 55mol/L溶液A放置在供料裝置的儲料桶中；同樣的，將分析純氨水溶解在蒸餾水中配置成氨的摩爾濃度在3. Omol/L的溶液B放置在供料裝置的另一儲料桶中；b.開啟循環水系統，分別在微混合裝置和強化微反應裝置中通入50°C和60°C的循環水；同時，先開啟微混合裝置的超聲波， 調整超聲波頻率在40KHz，超聲波功率在250W ；c.開啟兩恆流泵，將溶液A和B等體積的同時泵入到微混合裝置中，控制兩溶液的流量在1. 5L/min。兩股液流高速相向撞擊接觸，並迅速流過通道，在微通道內完成了微觀均勻混合；d.隨後，均勻混合的溶液迅速流入到強化微反應裝置中。當在強化微反應裝置的出口有溶液流出時，開啟強化微反應裝置的超聲波， 控制超聲波頻率在25KHz，超聲波功率在400W ；e.將產物儲料桶中製備的納米!^e3O4經表面改性、洗滌、固液分離、乾燥、粉碎等處理後即得到滿足要求的納米狗304粉體；保持以上反應的持續進行，可以方便的實現納米狗304的量化製備。根據所製備納米!^e3O4的電鏡照片可見所製備的粉體形貌均一、尺寸分布窄、分散性好。實施例四採用實施例一提供的微反應系統製備納米M :a.將鎳鹽溶解在蒸餾水中，配置成 M2+摩爾濃度為0. 5mol/L的溶液A放置在供料裝置的儲料桶中；同樣的，將分析純水合胼和NaOH溶解在蒸餾水中配置成水合胼的摩爾濃度為3. Omol/L和0H_摩爾濃度為1. 4mol/ L的溶液B放置在供料裝置的另一儲料桶中；b.開啟循環水系統，分別在微混合裝置和強化微反應裝置中通入78°C和80°C的循環水；同時，先開啟微混合裝置的超聲波，調整超聲波頻率在60KHz，超聲波功率在300W ；c.開啟兩恆流泵，將溶液A和B等體積的同時泵入到強化微混合裝置中，控制兩溶液的流量在2. 2L/min。兩股液流高速相向撞擊接觸，並迅速流過通道，在微通道內完成了微觀均勻混合；d.隨後，均勻混合的溶液迅速流入到強化微反應裝置中。當在強化微反應裝置的出口有溶液流出時，開啟強化微反應裝置的超聲波，控制超聲波頻率在40KHz，超聲波功率在800W ；e.將產物儲料桶中製備的M經表面改性、洗滌、固液分離、乾燥、粉碎等處理後即得到滿足要求的納米M粉體；保持以上反應的持續進行，可以方便的實現納米M粉的量化製備。根據所製備納米M粉的電鏡照片可見所製備的粉體形貌均一、尺寸分布窄、分散性好。以上內容是結合具體的實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種製備微納米粉體的強化微反應裝置，其特徵在於包括管道和超聲波發生器 (9)，所述管道具有尺寸逐級放大的中心通道(13)，所述超聲波發生器(9)設置於中心通道 (13)外部。
2.根據權利要求1所述的強化微反應裝置，其特徵在於所述管道還設有一個循環流體通道，該循環流體通道位於所述中心通道(1 外，設有進水口(18)和出水口(19)。
3.根據權利要求1所述的強化微反應裝置，其特徵在於所述管道還設有超聲波發生器安裝腔，該超聲波發生器安裝腔位於所述中心通道(13)外；所述超聲波發生器(9)安裝於所述超聲波發生器安裝腔內。
4.根據權利要求2所述的強化微反應裝置，其特徵在於所述循環流體通道被分隔為兩部分，該兩部分相互連通並對稱設置於所述中心通道(1 外，以供循環流體通過。
5.根據權利要求3所述的強化微反應裝置，其特徵在於所述超聲波發生器安裝腔被分隔為兩部分，該兩部分對稱設置於所述中心通道(1 夕卜。
6.一種微反應系統，其特徵在於包括供料裝置、微混合裝置(3)、權利要求1-5任一項所述的強化微反應裝置(4)和儲料槽(5)；供料裝置與微混合裝置( 的進料口相連，微混合裝置(3)的出料口與強化微反應裝置(4)的中心通道(13)的小尺寸埠相連，強化微反應裝置的中心通道(13)的大尺寸埠與儲料槽(5)相連。
7.根據權利要求6所述的微反應系統，其特徵在於所述微混合裝置(3)包括微反應器(6)和設置於微反應器(6)外部的超聲波發生器(9)。
8.根據權利要求7所述的微反應系統，其特徵在於所述微混合裝置(3)還包括超聲波槽，所述超聲波槽圍繞於微反應器(6)外部，所述超聲波發生器(9)安裝於所述超聲波槽內。
9.根據權利要求8所述的微反應系統，其特徵在於所述超聲波槽包括連接在一起的內槽(7)和外槽(8)，超聲波發生器(9)安裝於外槽(8)中；整個微反應器(6)貫穿內槽(7) 並與內槽⑵密封連接在一起；內槽(7)通過進水口(10)和出水口(11)實現循環流體的流通。
10.根據權利要求6-9任一項所述的微反應系統，其特徵在於所述供料裝置由液槽 (1)與恆流泵(2)連接構成，所述微反應系統中至少有兩套供料裝置與微混合裝置(3)相連。
專利摘要本實用新型提供了一種製備微納米粉體的強化微反應裝置和微反應系統。所述微反應系統包括供料裝置，微混合裝置，強化微反應裝置和儲料槽；所述強化微反應裝置包括管道和超聲波發生器，所述管道具有尺寸逐級放大的中心通道，所述超聲波發生器設置於中心通道外部。所述微反應系統將混合和反應兩個過程分割，使其分別在微混合裝置和強化微反應裝置中進行，具有混合速度快、傳質能力強、有效防止微反應通道堵塞和納米顆粒團聚、能耗低、放大容易、操作控制性強、生產效率、性能穩定高等優勢。特別適於反應速度快、對三傳要求高的有固體生成的化學液相反應的工業化生產。
文檔編號B01J19/10GK202036983SQ20112002628
公開日2011年11月16日 申請日期2011年1月26日 優先權日2011年1月26日
發明者萬軍喜, 曹海琳, 李霞 申請人:深圳航天科技創新研究院