CN102963918A - 一种纳米碳酸钙的碳酸化反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米碳酸钙的碳酸化反应方法，采用设置多层推进式搅拌器和圆盘锯齿式搅拌器的高径比为2.5—4.5∶1的反应釜，在进行纳米碳酸钙碳酸化反应时，关闭出料阀，打开进料阀，将Ca(OH)₂固含量8.5±0.5%，温度20℃的浆液加入反应釜中；开动多层推进式搅拌器和圆盘锯齿式搅拌器，打开进气阀，通入含二氧化碳气体的窑气，至反应体系pH<7.0制得纳米碳酸钙浆液。本由于反应釜的圆形锯齿搅拌器和二氧化碳气体同时参与浆料的搅拌，加强传质作用，浆液易于形成宏观循环，提高了二氧化碳气利用率；设备投资小，能耗低，容易操作控制，在微观混合与宏观混合的充分作用下，保证了体系反应的均匀性，所生产的纳米碳酸钙反应时间短，产品质量稳定。

Description

一种纳米碳酸钙的碳酸化反应方法

技术领域：

本发明属于化学工程技术领域，涉及一种纳米碳酸钙的碳酸化反应方法。

背景技术：

碳酸钙是一种白色、无毒的重要无机粉体材料。随着碳酸钙微细化及表面处理的进步，使碳酸钙产品由单一填充型向专用化、精细化、功能化方向发展，人们对微细化碳酸钙的需求量也越来越大。纳米碳酸钙由于其较小的粒径、较高的比表面积及特殊的表面处理，具有普通碳酸钙无法比拟的优越性能。纳米碳酸钙广泛应用于塑料、橡胶、黏胶、涂料和油墨等领域，既能起到增量填充、降低加工成本的作用，还可以对填充对象进行功能化改性。

目前，国内外制备纳米级碳酸钙的方法主要为为碳化法。其以优质石灰石为原料，通过煅烧得到氧化钙和含二氧化碳的窑气。将氧化钙与水按一定比例进行消化，生成氢氧化钙悬浮液，然后通入净化处理后的窑气，反应（碳化）生成碳酸钙沉淀物，经过脱水、干燥、粉碎得到纳米碳酸钙产品。用于沉淀碳酸钙化学合成的碳酸化合成方法主要有以下几种： 

（1）鼓泡碳化法

鼓泡碳化法采用的是圆柱形反应釜，其柱体高径比很大，不带搅拌等任何附属装置，反应时含二氧化碳气体由反应器底部引入，气体借助和浆液较大的密度差由下至上流动，并与浆液中的氢氧化钙不断发生碳酸化反应，直至反应结束。这种方法设备投资小，操作简易，但因没有搅拌等分散装置，用这种方法反应制得的沉淀碳酸钙的粒径和形貌均难以控制，不同批次产品间质量差异较大，而且能耗较高。

（2）间歇式搅拌碳化法 

间歇式搅拌碳化法，由于在反应过程中增加了搅拌，使溶液中微晶颗粒碰撞能增加，容易使一些吸附不很牢固的微晶因碰撞而散开，从而不易形成大颗粒的晶体，有利于超细粒子的产生。加强搅拌的同时也有利于二氧化碳气体在反应器中的分布，随着搅拌功率的加强，液相中的气泡直径逐渐减小，二氧化碳气体与氢氧化钙悬浮液接触面积增加，提高了二氧化碳的溶解度。该方法制得的纳米碳酸钙质量较好，但该碳化塔极易结垢，设备维修、清洗均很困难，而且能耗较高，产品质量稳定性有待进一步提高。

（3）喷雾碳化法 

喷雾碳化法是目前比较先进的碳化反应器，其以液体作为分散相进行气液传质反应，大大增加了气液接触面积，反应较为剧烈，可在较高温度的环境下合成纳米碳酸钙。但该设备工艺在国内仅有几家使用，主要由于喷嘴雾化问题难以解决，液滴直径较大，影响了气液接触面积，同时造成液滴下落速度较快，液滴在塔内停留时间太短，使二氧化碳利用率降低，生产能力难以提高。加之塔壁上液滴附着后流速缓慢，易使晶体粒径增大，并有部分在塔壁上结垢，另一部分则进入产品中，从而造成粒径分布不均匀。要想提高喷嘴雾化效果，就必须缩小喷嘴孔径，而孔径过小易造成堵塞，这一矛盾尚未找到很好的解决办法。

（4）超重力法 

该技术为北京化工大学超重力工程研究中心近年来研制开发的一种新的碳化反应器，其主要特点是采用在高速离心力作用下形成的超重力环境，在分子尺度上有效地控制化学反应、成核生长过程，从而获得粒度小、分布均匀的高质量纳米粉体产品，克服了常规反应沉淀法固有的技术缺点。但超重力合成器有设计复杂，设备投资大，运行成本高，反应气体利用率等缺点，这大大限制了它的工业应用。

发明内容：

本发明的目的：为克服现有纳米碳酸钙碳酸化反应方法之不足，提供一种轴向流量大，上下翻腾效果好，体积循环能力强，功率消耗小，有利于二氧化碳气体和氢氧化钙浆液完成宏观与微观混合的纳米碳酸钙碳酸化反应方法。

本发明的是这样实现的： 

一种纳米碳酸钙的碳酸化反应方法，采用本发明人设计在反应釜的中心轴上设置两种独立、不同类型的多层推进式搅拌器和圆盘锯齿式搅拌器的碳钢或不锈钢结构高径比为2.5—4.5∶1的反应釜，在进行纳米碳酸钙碳酸化反应时，关闭出料阀，打开进料阀，将Ca(OH)₂固含量8.5±0.5%，温度20℃的浆液加入反应釜中；开动多层推进式搅拌器和圆盘锯齿式搅拌器，打开进气阀，通入含二氧化碳气体的窑气，至反应体系pH<7.0制得纳米碳酸钙浆液。

以上所述的窑气CO₂体积浓度为30±2%。 

以上所述的多层推进式搅拌器转速控制在120—300r/min。 

以上所述的圆盘锯齿式搅拌器转速控制在300—600r/min。 

本发明具有以下突出特点： 

1、采用本纳米碳酸钙的碳酸化反应方法，反应釜的圆形锯齿搅拌器和二氧化碳气体同时参与浆料的搅拌，为反应釜内浆液和气体提供高剪切力，起到均化布气，减小气泡直径，增大气液接触面积，充分分散和加强传质作用。

2、采用本纳米碳酸钙的碳酸化反应方法，在多层推进式搅拌器的作用下，浆液易于形成由上至下的漩涡并形成宏观循环，从而减少了含二氧化碳气体的逸出，提高了二氧化碳气利用率；搅拌转速可通过变频调，减小无用功率。 

3、采用本发明人设计的反应釜，投资小，能耗低，容易操作控制，在微观混合与宏观混合的充分作用下，保证了体系反应的均匀性，所生产的纳米碳酸钙反应时间短，产品质量稳定。 

具体实施例：

下面结合实施例对本发明具体实施方式进行详细描述。旨在帮助读者理解，不能构成对本发明实施范围的限定。

实施例1

本实施例采用高径比为3∶1不锈钢结构反应釜，碳酸钙碳酸化反应时，关闭出料阀，打开进料阀，将Ca(OH)₂固含量8.5±0.5%，温度20℃的浆液加入反应釜中；开动多层推进式搅拌器和圆盘锯齿式搅拌器，打开进气阀，通入含二氧化碳体积浓度为30±2%的窑气，碳化初期控制多层推进式搅拌器转速为200r/min，圆盘锯齿式搅拌器转速为400r/min，碳化反应进行20%后，控制多层推进式搅拌器转速为150r/min，圆盘锯齿式搅拌器转速为350r/min。当反应体系pH达到<7.0制得纳米碳酸钙浆液。本发明实施例所制得的纳米碳酸钙比表面积为26.2m²/g，粒径约78nm，呈类立方规则形貌，粉体分散良好。与传统鼓泡碳酸化反应方法制备纳米碳酸钙相比，应用本发明反应釜可缩短碳酸化反应时间25%，所得产品更均匀。与普通带搅拌碳酸化方法相比，应用本发明反应釜可缩短碳酸化反应时间14%，搅拌能耗降低25%，产品稳定性较好。

实施例2

本实施例采用高径比为4∶1不锈钢结构反应釜，碳酸钙碳酸化反应时，关闭出料阀，打开进料阀，将Ca(OH)₂固含量9.0±0.5%，温度22℃的浆液加入反应釜中；开动多层推进式搅拌器和圆盘锯齿式搅拌器，打开进气阀，通入含二氧化碳体积浓度为30±2%的窑气，碳化初期控制多层推进式搅拌器转速为250r/min，圆盘锯齿式搅拌器转速为500r/min，碳化反应进行20%后，控制多层推进式搅拌器转速为180r/min，圆盘锯齿式搅拌器转速为400r/min。当反应体系pH达到<7.0制得纳米碳酸钙浆液。本发明实施例所制得的纳米碳酸钙比表面积为35.6m²/g，粒径约60nm，呈类立方规则形貌，粉体分散良好。与传统鼓泡碳酸化反应方法制备纳米碳酸钙相比，应用本发明反应釜可缩短碳酸化反应时间30%，所得产品更均匀。与普通带搅拌碳酸化方法相比，应用本发明反应釜可缩短碳酸化反应时间18%，搅拌能耗降低17%，产品稳定性较好。

Claims (4)

1.一种纳米碳酸钙的碳酸化反应方法，其特征在于：采用本发明人设计的多层推进式搅拌器和圆盘锯齿式搅拌器的高径比为2.5—4.5∶1的反应釜，在进行纳米碳酸钙碳酸化反应时，关闭出料阀，打开进料阀，将Ca(OH)₂固含量8.5±0.5%，温度20℃的浆液加入反应釜中；开动多层推进式搅拌器和圆盘锯齿式搅拌器，打开进气阀，通入含二氧化碳气体的窑气，至反应体系pH<7.0制得纳米碳酸钙浆液。

2.根据权利要求1所述的一种纳米碳酸钙的碳酸化反应方法，其特征在于：所述的窑气CO₂体积浓度为30±2%。

3.根据权利要求1所述的一种纳米碳酸钙的碳酸化反应方法，其特征在于：所述的多层推进式搅拌器转速控制在120—300r/min。

4.根据权利要求1所述的一种纳米碳酸钙碳的酸化反应方法，其特征在于：所述的圆盘锯齿式搅拌器转速控制在300—600r/min。