[发明专利]一种纳米颗粒的超临界水热合成制备系统

说明书

【技术领域】

本发明属于超临界水技术领域，具体涉及一种纳米颗粒的超临界水热合成制备系统。

【背景技术】

纳米颗粒具有特殊的结构性质，如大的比表面、小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应等，赋予了其不同于传统材料的各种独特性能以及特异的电学、热学、磁学、光学及力学性能等最为引人注目，具有重要的应用价值。传统的纳米颗粒制备方法有电解法、喷雾热解法、气相反应法、液相反应法、微乳液法以及机械粉碎法等。其中，在工业生产中较成熟的电解工艺以及机械研磨工艺等的生产电耗均较高，并且生产效率低，生产周期较长。化学液相法是近年来较为活跃的纳米颗粒制备方法，但该方法通常需采用大量的有机溶剂或剧毒的添加剂成分，在生产中造成严重污染，使得其应用受到很大限制。因此，探索以水为反应介质的绿色、高效的纳米颗粒制备技术具有重要意义。

超临界水（Supercritical water，简称SCW）是指温度和压力均高于其临界点（T=374.15℃，P=22.12MPa）的特殊状态的水。超临界水兼具液态和气态水的性质，该状态下的水中只有少量的氢键存在，介电常数近似于有机溶剂，具有高的扩散系数和低的粘度。超临界水热合成反应是指在密闭的高压反应器中，以超临界水作为反应介质，使金属盐在水热介质中发生水解、脱水反应，进而成核、生长、最终形成具有一定粒度和结晶形态的纳米晶粒的反应。在超临界水中，还原性有机物或H2等无极性气体可与超临界水混溶形成均相反应体系，实现金属氧化物高效还原，生成高纯度的金属纳米颗粒。由于反应介质为超临界水，反应过程在密闭的高压容器中进行，因而在反应过程中不会引入其它污染物，被认为是一种绿色环保的纳米制备技术。

目前还没有完整的超临界水热合成制备纳米金属材料的系统工艺方案，它涉及的关键技术问题包括：

1、实现金属盐溶液快速升温。连续式超临界水热合成纳米颗粒的工艺流程，通常采用常温金属盐溶液与超临界水在混合器中直接混合，迅速被加热至超临界状态。该工艺的优点是升温速度快、大量晶核同时迅速生成、停留时间短以及晶粒的生长和团聚可得到有效抑制等。在反应器设计时，两股流体的混合方式是决定系统能否良好运行的关键。在工程领域，采用静态混合器将高温高压流体混合已进行了大量研究，但是如何在混合的极短时间域内通过控制混合来控制固体颗粒生成反应则是个技术难题。良好的混合器的评价标准应是能够实现两股流体快速、对称混合，以实现快速、均匀成核，从而控制产物的品质。

2、采用有机配体防止纳米颗粒团聚。由于纳米颗粒具有比表面积大、表面能大等特点，表面缺少临近的配位原子，处于能量不稳定状态，容易发生团聚。因此，需要在纳米颗粒的水热合成过程中添加有机配体。有机配体可以增强颗粒间的位阻效应，抑制颗粒生长及团聚。通常在超临界水热合成反应中使用的有机配体添加量大大过量，因此需要对反应后多余的有机配体进行回收再利用，实现有机废物排放。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种纳米颗粒的超临界水热合成制备系统，以解决上述纳米金属材料超临界水热合成涉及的关键技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种纳米颗粒的超临界水热合成制备系统，包括第一反应物调制池、蒸汽发生器、背压阀、气液分离器、离心分离机、油水分离机、回热器、加热炉、第一物料泵、预混合器、混合器、超临界水热合成反应器、第二物料泵、纯水泵、纯水储箱、第二反应物储池和余热发电系统；其中，

第一反应物调制池的出口连接第一物料泵的入口，第一物料泵的出口连接预混合器的第一入口；

第二反应物储池的出口连接第二物料泵的入口，第二物料泵的出口连接预混合器的第二入口，预混合器的出口连接混合器的垂直入口；

纯水储箱的出口连接纯水泵的入口，纯水泵的出口连接加热炉的低温段入口，加热炉的低温段出口连接回热器的壳侧入口，回热器的壳侧出口连接加热炉的高温段入口，加热炉的高温段出口连接混合器的高温水入口，混合器的垂直出口连接超临界水热合成反应器的入口，超临界水热合成反应器的出口连接回热器的管侧入口，回热器的管侧出口分为两股，一股与第一反应物调制池中的换热盘管的入口连接，一股与换热盘管的出口合并后再与余热发电系统中的蒸汽发生器的入口连接，蒸汽发生器的出口连接背压阀的入口，背压阀的出口连接离心分离机的入口，离心分离机的出口连接油水分离机的油相入口，油水分离机的油相出口连接第二反应物储池的入口。