[发明专利]一种超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统与方法

说明书

本发明公开了一种超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统与方法，通过并联设置缓冲清洗罐，可实现不同批次分离产品的同时清洗、连续流离心分离机的连续运行，有效提高了生产效率，减少了设备数量。通过设置包覆剂及其溶剂的回收系统，可实现包覆剂与包覆剂溶剂的完全回收利用，显著提高系统运行经济性。通过设置三相分离器与气体变压吸附装置，可分离出反应产物中的气相产物，并吸附收集其中有价值的气体，带来较大的经济效益。

技术领域

本发明属于化工及环保技术领域，特别涉及一种超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统与方法。

背景技术

纳米技术在21世纪产业革命中具有重要战略地位，是21世纪最重要、最具发展前景的前沿技术。纳米材料具有独特的电学、热学、磁学、光学及力学性能，其在电子信息、高端制造、新能源、绿色化工、生命医学、军工科技等领域的应用，引发了所在领域的革命性技术突破，具有极其光明的应用前景。纳米材料的制备是纳米技术广泛应用的根本基础，只有掌握高端纳米材料的制备技术才能抢占纳米技术制高点。

传统的纳米粉体制备方法分为物理法和化学法两大类。但是传统方法工艺设备复杂，产量低，难以做到100nm以下，大规模生产难度较大；一般都要经过后续处理；同时有的制备方法会添加有机溶剂或剧毒的添加剂成分，在生产中造成严重污染。传统纳米制造方法所面临的诸多问题使得纳米材料的价格相当高，如50nm左右的纳米二氧化钛的价格为30～40万/吨，严重制约了纳米材料的规模化应用，同时也限制了相关产业的发展。

超临界水(Supercritical water，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，具有极高的扩散系数和极低的粘度。超临界水热合成技术是一种用于纳米金属粉体制备的绿色合成技术。超临界水热合成技术的基本原理为密闭高压容器中采用超临界水为反应介质，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粉体。

超临界水热合成过程中制备出来的颗粒具有粒度分布较为均匀，晶粒发育完整，纯度高，颗粒团聚较轻，可适用较为廉价的原料，运行成本相较于传统制备方法低，超临界水热合成制备纳米金属颗粒的技术优势主要包括以下几个方面：

1、成核率极高，有利于超细微粒(10～30nm)的形成；

2、反应速率极快，比常规方法提高了几个数量级；

3、反应空间密闭，介质为水，无污染，环境友好；

4、可通过控制工艺参数来控制产物粒径与形貌；

5、工序简单，生产成本低，为传统生产方法的5～10％。

超临界水热合成的直接产物主要为由反应后溶液与纳米颗粒组成的纳米流体，传统的后处理方法需要人工不断地间歇式进行分离与清洗步骤，然后进行抗氧化剂等包覆剂的包裹，以提高纳米产品的保存寿命、抑制颗粒团聚。这一过程极其复杂，严重限制了液相法制备纳米材料的产量。

在纳米颗粒的包覆处理工艺中，工程实际中所采用的方法为将纳米颗粒分散入溶解有包覆剂的溶液中，除去大部分液相，经过干燥得到表面包覆的干燥纳米产物。这一过程通常损失大量包覆剂及其溶剂，造成大量的浪费。另一方面，超临界水热合成的产物一般含有气液固三相，其中气相产物通常被人们忽略。以甲酸铜反应物体系制备纳米铜为例，产物中除纳米颗粒的悬浮液，还包括大量的氢气、二氧化碳等气体，根据估算，回收产物中氢气可实现较大的经济效益。

超临界水热合成技术制备纳米金属或纳米金属氧化物颗粒具有绿色环保、颗粒纯度高、粒度小、分散性良好等优势。其中，纳米颗粒产物的分离、包覆剂反应产气的回收利用对于提升超临界水热合成技术的经济性具有十分重要的意义。

发明内容