CN105502462B - 一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米材料的制备技术领域，公开了一种应用微孔管产生微米级二氧化碳气泡、经文丘里喷射管道反应器与氢氧化钙悬浮液在压力状态下快速混合反应、生成纳米碳酸钙微粒的方法和设备。该装置按氢氧化钙悬浮液的流向依次设置有储液罐、强力泵、文丘里管、微孔管、反应管等。在文丘里管的喉道，压缩二氧化碳气体穿过微孔管管壁与高速通过的氢氧化钙悬浮液混合形成高含气率的泡沫，然后在反应管及储液罐中连续发生一系列二氧化碳吸收、溶解以及酸碱中和化学反应（俗称碳化反应），生成纳米碳酸钙微粒。本发明碳化反应速率和二氧化碳利用率高，生成的纳米碳酸钙质量优良。

Description

一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备技术领域，尤其涉及一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置及方法。

背景技术

在纳米碳酸钙的生产工艺中，对产品质量影响关键的工序之一是碳化工艺。碳化是决定碳酸钙晶体形貌和粒径大小的控制工序。目前，我国各种纳米碳酸钙生产技术的工艺流程基本一致，其根本区别在于碳化工艺及其设备不同。根据碳化过程的不同，我国纳米碳酸钙的生产方法大致可分为如下几种：传统的低温间歇式鼓泡化法，连续喷雾碳化法，带搅拌器的反应釜碳化法，超重力反应结晶法等。

1.低温间歇鼓泡碳化技术

该法具有投资少操作简单、技术含量低、但生产不连续、自动化程度低、二氧化碳利用率不高、塔壁结垢清洗的劳动强度大、单套装置的生产规模少、产品粒度分布宽；不同批次产品的重现性差等特点，该法是国内目前应用最广泛的生产纳米碳酸钙的方法，这也是国产纳米碳酸钙产品质量普遍不如进口产品质量稳定的重要原因。

2.常温连续喷雾碳化技术

该工艺的喷雾碳化与后续工艺的喷雾干燥合称“双喷工艺”。但由于“双喷工艺”操作技术较复杂、需要较高浓度的碳化气，高浓度氢氧化钙悬浮液喷嘴雾化效果不稳定、喷头易于堵塞等问题难以解决，以及如何提高二氧化碳的利用率，如何克服碳化时黏壁、如何实现在线检测控制碳化率等问题。因此，“双喷工艺”在全国推广应用20年来，在国内应用并不普遍，仅在湖南金信化工有限责任公司还硕果仅存一套生产装置，其产品目前仅为亚微米级的微细碳酸钙。

3.低温带搅拌器的反应釜碳化技术

但该法仍属于间歇法生产，且设备投资大，操作复杂，单机生产能力少，由于受设备制造技术的限制，反应釜的高径比较少(约为2:1)，其气泡上升过程的距离较短，故二氧化碳的利用率较低。

4.超重力法快速反应技术

在无需添加晶体生长抑制剂的条件下，该法就能最终得到平均粒径达15-30nm的纳米碳酸钙。该工艺产品平均粒径小、粒径分布均匀，不同批次产品的重现性好、且碳化反应时间仅为传统方法的1/4-1/10，由于不需要使用晶体生长抑制剂，使产品纯度明显提高，生产物料成本有所下降，达国际先进水平。其不足之处是：该工艺技术复杂，电能消耗很高，产量较低，属于间歇法生产。二氧化碳利用率较低，清洗过程复杂。因而性价比较低，适用于生产附加值较高产品。

专利申请号为201210442581.5的专利文件公开了一种氢氧化钙悬浊液通过特殊制造的文丘里管反应器的喷嘴雾化，吸附窑气与雾化氢氧化钙液滴进行碳化反应，但其二氧化碳气体没有经过分布处理，导致二氧化碳气体与氢氧化钙悬浊液混合不充分，从而影响生成的纳米碳酸钙质量，且由于窑气是自动被吸附进去的，窑气的通入量以及流速难以控制，从而导致纳米碳酸钙的生成精度难以控制，生成速率也不甚理想。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置及方法，引入微孔管装置，充分分散二氧化碳气体，使氢氧化钙悬浊液与二氧化碳气体充分混合，且使二氧化碳气体的通入量、流速、气压等条件更加可控，提高纳米碳酸钙的生成速率。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置，包括微孔管、进气管和按氢氧化钙悬浊液流向依次设置的储液罐、强力泵、文丘里管、反应管，所述文丘里管由依次连通的入口段、收缩段、喉道、扩散段组成，所述储液罐的出液口与强力泵的进液口相连，所述强力泵的出液口与文丘里管的入口段相连，所述文丘里管的扩散段与反应管的进液口相连，所述反应管的出液口与储液罐的进液口相连，所述微孔管设有通气孔、进气壁和出气壁，所述通气孔连通进气壁与出气壁，所述通气孔用于气体从进气壁穿至出气壁时在微孔管的出气壁形成气体微泡，所述出气壁设置在文丘里管的喉道内，所述微孔管的进气壁与进气管密闭相连。

本发明的装置通过微孔管将二氧化碳气体分散在微孔管的出气壁，同时由于文丘里原理，氢氧化钙悬浊液在喉道的流速达到最大值，带走出气壁的二氧化碳微泡，形成均匀的气液分散相。一方面，二氧化碳在微孔管的出气壁形成分散的微泡以及在喉道的氢氧化钙悬浊液的比表面积大大地增大，使气液分散相的分散程度大大地增强，同时由于文丘里原理在喉道的氢氧化钙悬浊液的流速得到最大的提升，使气液混合更均匀；另一方面，文丘里管的对氢氧化钙的流速的改变会导致压强的改变，从而使入口段的氢氧化钙悬浊液进入喉道增速减压，对微孔管的气体产生吸附作用，进一步增强二氧化碳气体对微孔管的穿透能力。

其中，所述微孔管可按如下方式设置：(1)所述微孔管的出气壁为微孔管的外壁，所述微孔管的进气壁为微孔管的内壁；(2)所述微孔管为所述文丘里管的喉道，所述微孔管的出气壁为微孔管的内壁，所述微孔管的进气壁为微孔管的外壁，所述微孔管的进液口与文丘里管的收缩段相连，所述微孔管的出液口与文丘里管的扩散段相连。

这两种微孔管的设置方式为优选方案，前者结构简单，易于拆卸组装，并且有减小文丘里管的喉道孔径的作用，使氢氧化钙悬浊液得到进一步地提速；后者微孔管的固定程度更高，且高流速的氢氧化钙悬浊液只对微孔管的内壁造成冲击，大大地削弱冲击的损害作用，同时，文丘里管的喉道孔径较大，不易堵塞，从而延长微孔管的使用寿命。

使用如上所述的装置的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：

(1)进液：储液罐的氢氧化钙悬浊液在强力泵的作用下输送到文丘里管的入口段；

(2)混合：将二氧化碳气体通入进气管中，二氧化碳气体穿过微孔管的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管的喉道的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫；

(3)碳化反应：所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管进行碳化反应；

(4)气液分离：所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐，将未反应的二氧化碳气体排出储液罐外；

(5)回流：所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵的作用下输送至文丘里管的入口段。

氢氧化钙悬浊液在强力泵的作用下具有一定的流速，在文丘里管的收缩段进一步提速，在喉道流速达到最大值，并在喉道与微孔管的出气壁形成的二氧化碳微泡充分混合形成高含气率的气液混合泡沫，气液混合泡沫在扩散段增压减速，进入反应管充分反应后，回到储液罐，进入循环流程。本发明的纳米碳酸钙的制备方法可以在较短的时间内完成碳化反应，虽然在化学上单个氢氧化钙(分子)与二氧化碳(分子)碰撞瞬间就可完成化学上的沉淀反应，但是同等的碳酸钙的生成量，本发明的碳化时间仅为工业上传统的鼓泡法工艺的碳化时间的1/3，且本方法制备出的纳米碳酸钙质量优良，纳米碳酸钙粒径是10～100纳米，比表面积是10-30m²/g。

其中，所述的微孔管为粉末冶金烧结材料或多孔非金属材料，如钛粉末烧结多孔介质、不锈钢粉末烧结多孔介质、铜粉末烧结多孔介质、多孔陶瓷材料或多孔塑料等等，所述微孔管的孔径为5-80μm，管径5-20mm。

粉末冶金烧结材料或多孔非金属材料为微孔管的优选材料，本发明需在微孔管的出气壁形成直径为10-100μm的气泡，因此对于微孔管的孔径在5-80μm为最佳，而管径更是会影响微孔管的出气壁的面积，从而增大或减小孔径会相应的增大或减小气液分散相的含气量，同时管径也会影响微孔管的体积，从而影响在喉道的氢氧化钙悬浊液的比表面积和流速，因而，基于上述因素，发明人经过无数次的实践，得出了管径的优选范围，即为5-20mm。

其中，所述反应管设有套管式换热装置，所述储液罐设有气压调节阀。

套管式换热装置能够控制反应管的反应温度，通过水带走碳化反应放出的热，从而将反应温度维持在一定水平；气压调节阀可将未反应的二氧化碳气体从储液罐排出，弱化二氧化碳气体在储液罐发生类似鼓泡碳化工艺的碳化反应，从而抑制生成质量较低的纳米碳酸钙。

其中，所述步骤(5)之后还包括步骤(6)终止反应：当储液罐的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵，终止碳化反应。

通过检测氢氧化钙悬浊液的pH值判断碳化反应的完成程度，当pH值降到6-7时，可判断碳化反应已基本完成，继续反应对于成本要求较高，且单位耗费时间也较长，因而可在此时终止碳化反应，继而收取成品。

其中，所述步骤(2)的气液混合泡沫的气液体积比为1-2:1。

发明人通过多次的实践证明，气液混合泡沫的气液体积比为1-2:1时，生成的纳米碳酸钙的粒径以及比表面积较为平均。

其中，步骤(1)输送到文丘里管的入口段的氢氧化钙悬浊液的流速为30-120L/min，与步骤(2)二氧化碳气体的体积流速保持1-2：1的比例，其波美浓度为3-12°Be′。

本方法的氢氧化钙悬浊液的流速和浓度为重要参数，流速影响反应时间以及气液混合泡沫的气液体积比，从而影响纳米碳酸钙的成品质量，而浓度更是会影响反应放热以及反应速率，因此，流速为30-120L/min，其波美浓度为3-12°Be′为本方法的优选方案。

其中，所述储液罐的液体温度为30-40℃，所述步骤(2)二氧化碳气体的气压为0.1-0.3Mpa，体积分数为15-30％。

由于反应温度会严重影响分子碰撞以及反应速率，因此需对碳化反应的反应温度进行严格的控制。而二氧化碳气体的气压对反应速率和利用率有较大的影响，反应速率可从常压下的5.1g L^-1min^-1增加至0.2MPa的5.6g L^-1min^-1，利用率可从常压的大约83％提高到0.2MPa的94％，气压大于0.3Mpa后，反应速率以及二氧化碳的利用率不升反降，因此气压低于0.3Mpa更节约生产成本并提高生产速率，但本发明的二氧化碳的气压并不限于0.1-0.3Mpa。而且本发明二氧化碳气体的体积分数为15-30％，与窑气的二氧化碳的含量相近，因此本发明可采用窑气作为反应气体，为工业生产提供了便捷。此外，压缩二氧化碳的通气量可以在一定范围内变化，一般而言较大的通气量意味着可以用较短的时间完成碳化反应，但是二氧化碳的利用率会有所下降。

本发明的工作原理是：在文丘里管，氢氧化钙悬浮液经收缩段加速后进入文丘里管的喉部，并在此与数目庞大的由微孔管产生的二氧化碳微泡混合。由于体积迭加效应，气液混合物以加速度快速通过文丘里管的喉部，形成射流，然后在文丘里管的扩散段减速增压。

气液混合物经扩散段进入反应管，反应管设有套管式换热器，碳化反应的温度被控制在30℃以下。

通过反应管后，气液混合物通过连接管进入储液罐并在此完成气液分离，没有反应掉的尾气通过储液罐的气压调压阀排出系统。

气液分离后，储液罐中的氢氧化钙和碳酸钙悬浮液由强力泵驱动，被泵入文丘里反应器的入口段，形成循环，直至反应终止。

生成的纳米碳酸钙以悬浮液的形式最后集中在储液罐。悬浮液可以用泵抽出储罐外，并根据最终产品的要求，再经过熟化，活化，过滤，干燥，粉碎，研磨，包装等工序，成为纳米碳酸钙产品。

本发明的有益效果：

(1)利用文丘里原理，对氢氧化钙悬浊液流速、比表面积的调控实现高含气率的混合泡沫，从而实现纳米碳酸钙的低粒径；

(2)利用微孔管充分打散二氧化碳气体，并在微孔管的出气壁形成二氧化碳微泡，进而形成充分混合的气液分散相，生成的纳米碳酸钙粒径一致，质量优良；

(3)采用二氧化碳从而改变反应体系的反应压力，提高反应速率以及二氧化碳的利用率；

(4)同等的碳酸钙的生成量，本发明的碳化时间仅为工业上传统的鼓泡法工艺的碳化时间的1/3或更低；

(5)本发明中，二氧化碳的利用率为85-96％，氢氧化钙反应速率高于5.0g L^-1min^-1，制备出的纳米碳酸钙粒径是10～100纳米，比表面积是10-30m²/g；

(6)本发明的设备简单，适于工业生产，经济效益高。

附图标记

利用附图对实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是实施例1-4的利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置示意图。

图2是实施例5-6的利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置示意图。

附图标记包括：进气管1、微孔管2、文丘里管3、入口段31、收缩段32、喉道33、扩散段34、反应管4、套管式换热装置41、储液罐5、气压调节阀51、强力泵6。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述，这是本发明的较佳实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置，包括微孔管2、进气管1和按氢氧化钙悬浊液流向依次设置的储液罐5、强力泵6、文丘里管3、反应管4，所述文丘里管3由依次连通的入口段31、收缩段32、喉道33、扩散段34组成，所述储液罐5的出液口与强力泵6的进液口相连，所述强力泵6的出液口与文丘里管3的入口段31相连，所述文丘里管3的扩散段34与反应管4的进液口相连，所述反应管4的出液口与储液罐5的进液口相连，所述微孔管2设有通气孔、进气壁和出气壁，所述通气孔连通进气壁与出气壁，所述通气孔用于气体从进气壁穿至出气壁时在微孔管2的出气壁形成气体微泡，所述出气壁设置在文丘里管3的喉道33内，所述微孔管2的进气壁与进气管1密闭相连。

其中，所述微孔管2的出气壁为微孔管2的外壁，所述微孔管2的进气壁为微孔管2的内壁。

其中，所述的微孔管2为粉末冶金烧结材料或多孔非金属材料，所述微孔管2的孔径为45μm，管径5-20mm。

其中，所述反应管4设有套管式换热装置41，所述储液罐5设有气压调节阀51。

本实施例利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：(1)进液：储液罐5的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送到文丘里管3的入口段31，其中氢氧化钙浆液的波美浓度为7.5°Be′，流速为75L/min；(2)混合：将二氧化碳气体通入进气管1中，二氧化碳气体穿过微孔管2的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管3的喉道33的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫，其中，二氧化碳的体积分数为20％，所述反应管4、储液罐5中的压力为0.2Mpa，微孔管2的孔径为40μm；(3)碳化反应：所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管4进行碳化反应，并通过套管式换热装置41将碳化反应温度控制在30℃以下；(4)气液分离：所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐5，未反应的二氧化碳气体通过气压调节阀51排出储液罐5外；(5)回流：所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送至文丘里管3的入口段31，进入循环；(6)终止反应：当储液罐5的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵6，终止碳化反应，储液罐5的液体温度为37.8℃。

本实施例的氢氧化钙反应速率为5.6g L^-1min^-1，二氧化碳的利用率为94％，制备得到的纳米碳酸钙的粒径为20nm，比表面积为15m²/g。

实施例2

如图1所示，本实施例的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置与实施例1的不同之处在于：微孔管2的孔径为20μm。

本实施例利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：(1)进液：储液罐5的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送到文丘里管3的入口段31，其中氢氧化钙浆液的波美浓度为10°Be′，流速为88L/min；(2)混合：将二氧化碳气体通入进气管1中，二氧化碳气体穿过微孔管2的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管3的喉道33的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫，其中，二氧化碳的气压体积分数为25％，所述反应管4、储液罐5中的压力为0.3Mpa；(3)碳化反应：所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管4进行碳化反应，并通过套管式换热装置41将碳化反应温度控制在30℃以下；(4)气液分离：所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐5，未反应的二氧化碳气体通过气压调节阀51排出储液罐5外；(5)回流：所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送至文丘里管3的入口段31，进入循环；(6)终止反应：当储液罐5的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵6，终止碳化反应，储液罐5的液体温度为33.5℃。

本实施例的氢氧化钙反应速率为5.9g L^-1min^-1，二氧化碳的利用率为95％，制备得到的纳米碳酸钙的粒径为15nm，比表面积为17m²/g。

实施例3

如图1所示，本实施例的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置与实施例1的不同之处在于：微孔管2的孔径为60μm。

本实施例利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：(1)进液：储液罐5的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送到文丘里管3的入口段31，其中氢氧化钙浆液的波美浓度为6°Be′，流速为30L/min；(2)混合：将二氧化碳气体通入进气管1中，二氧化碳气体穿过微孔管2的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管3的喉道33的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫，其中，二氧化碳的体积分数为30％，所述反应管4、储液罐5中的压力为0.1Mpa；(3)碳化反应：所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管4进行碳化反应，并通过套管式换热装置41将碳化反应温度控制在30℃以下；(4)气液分离：所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐5，未反应的二氧化碳气体通过气压调节阀51排出储液罐5外；(5)回流：所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送至文丘里管3的入口段31，进入循环；(6)终止反应：当储液罐5的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵6，终止碳化反应，储液罐5的液体温度为35.5℃。

本实施例的氢氧化钙反应速率为5.0g L^-1min^-1，二氧化碳的利用率为87％，制备得到的纳米碳酸钙的粒径为94nm，比表面积为10m²/g。

实施例4

如图1所示，本实施例的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置与实施例1的不同之处在于：微孔管2的孔径为10μm。

本实施例利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：(1)进液：储液罐5的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送到文丘里管3的入口段31，其中氢氧化钙浆液的波美浓度为12°Be′，流速为120L/min；(2)混合：将二氧化碳气体通入进气管1中，二氧化碳气体穿过微孔管2的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管3的喉道33的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫，其中，二氧化碳的体积分数为30％，所述反应管4、储液罐5中的压力为0.3Mpa；(3)碳化反应：所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管4进行碳化反应，并通过套管式换热装置41将碳化反应温度控制在30℃以下；(4)气液分离：所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐5，未反应的二氧化碳气体通过气压调节阀51排出储液罐5外；(5)回流：所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送至文丘里管3的入口段31，进入循环；(6)终止反应：当储液罐5的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵6，终止碳化反应，储液罐5的液体温度为35.5℃。

本实施例的氢氧化钙反应速率为6.0g L^-1min^-1，二氧化碳的利用率为96％，制备得到的纳米碳酸钙的粒径为10nm，比表面积为24m²/g。

实施例5

如图2所示，本实施例的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置与实施例1的不同之处在于：所述微孔管2为文丘里管3的喉道33，所述微孔管2的出气壁为微孔管2的内壁，所述微孔管2的进气壁为微孔管2的外壁，所述微孔管2的进液口与文丘里管3的收缩段32相连，所述微孔管2的出液口与文丘里管3的扩散段34相连。

本实施例利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：(1)进液：储液罐5的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送到文丘里管3的入口段31，其中氢氧化钙浆液的波美浓度为8°Be′，流速为80L/min；(2)混合：将二氧化碳气体通入进气管1中，二氧化碳气体穿过微孔管2的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管3的喉道33的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫，其中，二氧化碳的体积分数为15％，所述反应管4、储液罐5中的压力为0.2Mpa；(3)碳化反应：所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管4进行碳化反应，并通过套管式换热装置41将碳化反应温度控制在30℃以下；(4)气液分离：所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐5，未反应的二氧化碳气体通过气压调节阀51排出储液罐5外；(5)回流：所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送至文丘里管3的入口段31，进入循环；(6)终止反应：当储液罐5的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵6，终止碳化反应，储液罐5的液体温度为30℃。

本实施例的氢氧化钙反应速率为5.4g L^-1min^-1，二氧化碳的利用率为93％，制备得到的纳米碳酸钙的粒径为55nm，比表面积为20m²/g。

实施例6

如图2所示，本实施例的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置与实施例5的不同之处在于：微孔管2的孔径为80μm。

本实施例利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：(1)进液：储液罐5的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送到文丘里管3的入口段31，其中氢氧化钙浆液的波美浓度为9°Be′，流速为60L/min；(2)混合：将二氧化碳气体通入进气管1中，二氧化碳气体穿过微孔管2的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管3的喉道33的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫，其中，二氧化碳的体积分数为25％，所述反应管4、储液罐5中的压力为0.2Mpa；(3)碳化反应：所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管4进行碳化反应，并通过套管式换热装置41将碳化反应温度控制在30℃以下；(4)气液分离：所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐5，未反应的二氧化碳气体通过气压调节阀51排出储液罐5外；(5)回流：所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送至文丘里管3的入口段31，进入循环；(6)终止反应：当储液罐5的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵6，终止碳化反应，储液罐5的液体温度为30℃。

本实施例的氢氧化钙反应速率为5.8g L^-1min^-1，二氧化碳的利用率为92％，制备得到的纳米碳酸钙的粒径为58nm，比表面积为16m²/g。

实施例7

如图2所示，本实施例的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置与实施例5的不同之处在于：微孔管2的孔径为5μm。

本实施例利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：(1)进液：储液罐5的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送到文丘里管3的入口段31，其中氢氧化钙浆液的波美浓度为10°Be′，流速为115L/min；(2)混合：将二氧化碳气体通入进气管1中，二氧化碳气体穿过微孔管2的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管3的喉道33的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫，其中，二氧化碳的体积分数为25％，所述反应管4、储液罐5中的压力为0.4Mpa；(3)碳化反应：所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管4进行碳化反应，并通过套管式换热装置41将碳化反应温度控制在30℃以下；(4)气液分离：所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐5，未反应的二氧化碳气体通过气压调节阀51排出储液罐5外；(5)回流：所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送至文丘里管3的入口段31，进入循环；(6)终止反应：当储液罐5的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵6，终止碳化反应，储液罐5的液体温度为36.5℃。

本实施例的氢氧化钙反应速率为6.1g L^-1min^-1，二氧化碳的利用率为92％，制备得到的纳米碳酸钙的粒径为17nm，比表面积为27m²/g。

实施例8

如图2所示，本实施例的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置与实施例5的不同之处在于：微孔管2的孔径为30μm。

本实施例利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，包括如下步骤：(1)进液：储液罐5的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送到文丘里管3的入口段31，其中氢氧化钙浆液的波美浓度为10°Be′，流速为110L/min；(2)混合：将二氧化碳气体通入进气管1中，二氧化碳气体穿过微孔管2的管壁形成二氧化碳微泡，与高速流过文丘里管3的喉道33的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫，其中，压缩二氧化碳的体积分数为30％，所述反应管4、储液罐5中的压力为0.5Mpa；(3)碳化反应：所述的步骤(2)气液混合泡沫进入反应管4进行碳化反应，并通过套管式换热装置41将碳化反应温度控制在30℃以下；(4)气液分离：所述的步骤(3)碳化反应后的混合液体进入储液罐5，未反应的二氧化碳气体通过气压调节阀51排出储液罐5外；(5)回流：所述的步骤(4)气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵6的作用下输送至文丘里管3的入口段31，进入循环；(6)终止反应：当储液罐5的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵6，终止碳化反应，储液罐5的液体温度为38.2℃。

本实施例的氢氧化钙反应速率为5.9g L^-1min^-1，二氧化碳的利用率为90％，制备得到的纳米碳酸钙的粒径为24nm，比表面积为23m²/g。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置，其特征在于：包括微孔管、进气管和按液体流向依次设置的储液罐、强力泵、文丘里管、反应管，所述文丘里管由依次连通的入口段、收缩段、喉道、扩散段组成，所述储液罐的出液口与强力泵的进液口相连，所述强力泵的出液口与文丘里管的入口段相连，所述文丘里管的扩散段与反应管的进液口相连，所述反应管的出液口与储液罐的进液口相连，所述微孔管设有通气孔、进气壁和出气壁，所述通气孔连通进气壁与出气壁，所述出气壁设置在文丘里管的喉道内，所述微孔管的进气壁与进气管密闭相连；其中，所述微孔管的孔径为5-80μm。

2.根据权利要求1所述的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置，其特征在于：所述微孔管的出气壁为微孔管的外壁，所述微孔管的进气壁为微孔管的内壁。

3.根据权利要求1所述的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的装置，其特征在于：所述微孔管为所述文丘里管的喉道，所述微孔管的出气壁为微孔管的内壁，所述微孔管的进气壁为微孔管的外壁，所述微孔管的进液口与文丘里管的收缩段相连，所述微孔管的出液口与文丘里管的扩散段相连。

4.根据权利要求1所述的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，其特征在于：所述的微孔管为粉末冶金烧结材料或多孔非金属材料，所述微孔管的管径为5-20mm。

5.根据权利要求1所述的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，其特征在于：所述反应管设有套管式换热装置。

6.使用如权利要求1-5所述的装置的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）进液：储液罐的氢氧化钙悬浊液在强力泵的作用下输送到文丘里管的入口段；

（2）混合：将二氧化碳气体通入进气管，二氧化碳气体穿过微孔管的管壁形成二氧化碳微泡，与流过文丘里管的喉道的氢氧化钙悬浊液混合，形成气液混合泡沫；

（3）碳化反应：所述的步骤（2）气液混合泡沫进入反应管进行碳化反应；

（4）气液分离：所述的步骤（3）碳化反应后的混合液体进入储液罐，将未反应的二氧化碳气体排出储液罐外；

（5）回流：所述的步骤（4）气液分离后的氢氧化钙悬浊液在强力泵的作用下输送至文丘里管的入口段。

7.根据权利要求6所述的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，其特征在于：所述步骤（5）之后还包括步骤（6）终止反应：当储液罐的氢氧化钙悬浊液的pH值降到6-7时，关闭强力泵，终止碳化反应。

8.根据权利要求6所述的一种利用微孔管制备纳米酸钙的方法，其特征在于：所述步骤（2）的气液混合泡沫的气液体积比为1-2:1。

9.根据权利要求6所述的一种利用微孔管制备纳米酸钙的方法，其特征在于：步骤（1）输送到文丘里管的入口段的氢氧化钙悬浊液的体积流速与所述步骤（2）二氧化碳气体的体积流速保持1-2：1的比例，其波美浓度为3-12°Be′。

10.根据权利要求6所述的一种利用微孔管制备纳米碳酸钙的方法，其特征在于：所述储液罐的液体温度为30-40℃，所述步骤（2）二氧化碳进气的体积分数为15-30%，所述反应管、储液罐中的压力为0.1-0.3Mpa。