CN106219605B - 一种采用氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛的方法 - Google Patents

一种采用氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛的方法 Download PDF

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Abstract

采用氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛的方法，所述炉体外罩设有水套，所述炉体内设有耐火材料层，炉体底部设有反应物出口，炉体内的顶部设有燃烧喷嘴，燃烧喷嘴与混合膨胀管底部连接，混合膨胀管上部分别设有氧气气体接头、惰性气体接头，混合膨胀管外套设有高压外罩，TiCl4输入管穿过高压外罩与混合膨胀管中部连接，含氢燃料管与高压外罩连接，高压外罩上设有中空纤维膜组件。本发明具有原料易得，生成物纯度极高、团聚较少、所得粒径分布窄、节约能源、提高纯度、增加效率等特点。

Description

一种采用氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛的方法
技术领域
本发明属于二氧化钛生产设备领域，尤其涉及一种采用氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛的方法。
背景技术
二氧化钛P25是一种纳米级的白色粉末，表面的氢氧基团使其具有亲水性，并且该产品没有任何色素特征。基本颗粒的平均粒径大约为21nm，颗粒的大小和4g/cm3的密度使其具有50m2/g的特殊表面。二氧化钛P25属于混晶型，锐钛矿和金红石的重量比大约为71/29，由于两种结构混杂增大了TiO2晶格内的缺陷密度，增大了载流子的浓度，使电子、空穴数量增加，使其具有更强的捕获在TiO2表面的溶液组份（水、氧气、有机物）的能力。纳米级二氧化钛，有优异的紫外线吸收、光催化杀菌、分解有机污染物等性能，可用于纳米涂料，空气净化器、自清洁玻璃、陶瓷等。纳米二氧化钛在抗菌防霉、排气净化、脱臭、水处理、防污、耐候抗老化、汽车面漆等领域有着广泛的应用，它在环境、信息、材料、能源、医疗与卫生等领域有着广阔的应用前景。
中国的二氧化钛工业起始于20世纪50年代中期，但纳米Ti02粉体产品是最近5年上市的高端产品，生产技术主要被德国的德高萨公司、美国的卡伯特公司，Ff本的德山曹达、出光兴产、大阪制钛工业公司等大型企业垄断，国内尚缺少此高新技术。
发明内容
本发明提供一种采用氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛的方法，用以解决现有技术产量低、浪费大、生产的杂质多，不经济、不环保等技术问题。
为了解决以上技术问题,本发明所采取的技术方案是：
一种采用氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛的方法，其特征是采用一种氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛，该氢氧火焰炉包括炉体、TiCl4输入管、含氢燃料管，所述炉体外罩设有水套，所述炉体内设有耐火材料层，炉体底部设有反应物出口，炉体内的顶部设有燃烧喷嘴，燃烧喷嘴与混合膨胀管底部连接，混合膨胀管上部分别设有氧气气体接头、惰性气体接头，混合膨胀管外套设有高压外罩，TiCl4输入管穿过高压外罩与混合膨胀管中部连接，含氢燃料管与高压外罩连接，所述混合膨胀管与高压外罩之间设有中空纤维膜组件；所述含氢燃料管与氨分解器连接，氨分解器与氨原料罐连接；所述反应物出口与转运泵连接，转运泵与一级螺旋絮凝器连接，一级螺旋絮凝器与球形反应釜连接，球形反应釜与二级螺旋絮凝器连接，二级螺旋絮凝器的末端经过管道与旋风分离器连接，球形反应釜顶部与脉冲气体发生器连接；
所述制备方法包括以下步骤：a.准备液氨，纯度为99%的TiCl4，纯净、干燥的氧气，惰性气体；让氧气通过氧气气体接头直接导入火焰水解炉混合膨胀管21，氧气流量为1-2m3/h，惰性气体载气通过惰性气体接头直接导入火焰水解炉混合膨胀管21，惰性气体流量为1-2m3/h；氨分解器7把分解所得到氢气和氮气的混合物经鼓风机增压后作为含氢燃料经过含氢燃料管导入混合膨胀管的高压外罩，再经过多个中空纤维膜组件将氢气渗透到混合膨胀管内，含氢燃料流量为0.5-1m3/h，TiCl4输入管穿过高压外罩3将TiCl4直接导入火焰水解炉混合膨胀管，TiCl4流量为3.3-4.1Kg/h；
b.各路气体在膨胀管21汇集后进入燃烧喷嘴处燃烧、水解 ，炉体内炉膛的温度控制在850 —1000℃；
c.炉体底部出来的混合物经过转运泵导入一级絮凝器絮凝，含有Ti02粒子的气溶胶在絮凝器絮凝中再停留3—8秒后，进入球形反应釜陈化反应1-2分钟，反应釜温度控制在200℃，脉冲气体发生器19向球形反应釜载入成核气体，成核气体载气为氮气，成核剂为18%的氯化钾、铝酸钠混合溶液，其中氯化钾：铝酸钠=1:1。
d.经过陈化反应的混合物进入二级经絮凝器，经过二级经絮凝器再次絮凝，能实现99.5％以上的收集率，然后在旋风分离器中分离，从旋风分离器得到的产品氧化物在脱酸炉脱酸后经产品料斗收集得到产品。
本发明具有原料易得，生成物纯度极高、团聚较少、所得粒径分布窄、节约能源、提高纯度、增加效率等特点。制备过程中，把含氢燃料气体，含氧燃料气体及控制火焰燃烧情况的惰性气体导入燃烧喷嘴混合腔中，混合均匀后在喷嘴前端点火燃烧。同时把携带有金属赫的原料气体均匀的混合在燃烧气体中，与燃烧产物水蒸气发生水解反应，并凝集成十几个纳米的初级粒子，初级粒子经絮凝、陈化、再絮凝长大即可用旋风分离器进行收集，得到纳米粉体。本发明工艺可以获得纯度为99.9％、平径粒径为25-35纳米、平均比表面在50m2／g、形状为球状、晶型为金红石型的纳米TiO2。
附图说明
图1为本发明氢氧火焰炉结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
结合图1所示，氢氧火焰炉包括炉体9、TiCl4输入管15、含氢燃料管61，所述炉体9外罩设有水套，所述炉体内设有耐火材料层9，炉体底部设有反应物出口93，炉体内的顶部设有燃烧喷嘴5，所述燃烧喷嘴5出口处设有点火器51。燃烧喷嘴5与混合膨胀管21底部连接，混合膨胀管21上部分别设有氧气气体接头2、惰性气体接头1，混合膨胀管外套设有高压外罩3，TiCl4输入管15穿过高压外罩3与混合膨胀管21中部连接，含氢燃料管61与高压外罩连接，混合膨胀管与高压外罩之间设有中空纤维膜组件16。中空纤维膜组件具有分离混合气体功能的中空纤维。分离驱动力为压差，操作压力为0.098—9.8MPa，利用透过率差来实现混合气体分离，透过物为气体或蒸气。制法是采用中喷丝板将热塑性树脂熔纺或将聚合物溶液干湿纺制得多微孔均质膜后涂覆超薄有机硅分离膜，也可在中空部通入某些凝固液以形成非对称膜结构。用于氢-氮、氧-氮、甲烷-氦、醇-水及乙烷、甲烷和乙烯等混合气分离。
含氢燃料管与氨分解器7连接，氨分解器与氨原料罐8连接。
反应物出口93与转运泵92连接，转运泵92与一级螺旋絮凝器10连接，一级螺旋絮凝器10与球形反应釜12连接，球形反应釜12与二级螺旋絮凝器100连接，球形反应釜顶部与脉冲气体发生器19连接。二级螺旋絮凝器100的末端经过管道与旋风分离器连接。
准备液氨，纯度为99%的TiCl4，纯净、干燥的氧气，惰性气体。让氧气通过一路氧气气体接头2直接导入火焰水解炉混合膨胀管21，氧气流量为1-2m3/h；
惰性气体载气通过另一路惰性气体接头1直接导入火焰水解炉混合膨胀管21，惰性气体流量为1-2m3/h。作用是利用气流的高压冲击作用来防止燃烧喷嘴口结疤。
氨分解器7把分解所得到氢气和氮气的混合物经鼓风机6增压后作为含氢燃料经过含氢燃料管61导入混合膨胀管21的高压外罩3，含氢燃料流量为0.5-1m3/h。含氢燃料流量再经过多个中空纤维膜组件16将氢气渗透到混合膨胀管21内。
TiCl4输入管15穿过高压外罩3将TiCl4直接导入火焰水解炉混合膨胀管21，TiCl4流量为3.3-4.1Kg/h。
各路气体在膨胀管21汇集后进入燃烧喷嘴处燃烧、水解。炉体内炉膛的温度控制在850 —1000℃。整个反应发生的非常快，几乎是瞬时进行的整个反应过程比在水中还要迅速，且在此高温条件下，水解的最主要的产物Ti0。绝大部分都是以金红石型存在的。
炉体9底部出来的混合物经过转运泵导入一级絮凝器絮凝。气溶胶在絮凝管中的絮凝，通常并不能一次行的完全长大到几个微米，因此采用球形反应釜陈化反应+二级絮凝的方式来解决，含有Ti02粒子的气溶胶在絮凝器絮凝中再停留3—8秒后，进入球形反应釜陈化反应1-2分钟，反应釜温度控制在200℃，球形反应釜顶部与脉冲气体发生器19连接，脉冲气体发生器19向球形反应釜内载入成核气体，成核气体载气为氮气，成核剂为18%的氯化钾、铝酸钠混合溶液，其中氯化钾：铝酸钠=1:1，以促进Ti02粒子长大。
经过陈化反应的混合物进入二级经絮凝器，经过二级经絮凝器再次絮凝，能实现99.5％以上的收集率。然后在旋风分离器中分离，从旋风分离器81得到的产品氧化物在脱酸炉脱酸后经产品料斗收集得到产品。从旋风分离器出来的尾气混合物进行冷凝处理，冷凝温度为-23℃，将气体过滤后回收。
参照GB/T 5211.20-1999、GB1706-9中5.1.1、GB/T2511.4—85、GB/T3185—92中5.7、GB/T 1717-86、GB/T 1716-79（89）、GB/T 1713-89对本发明生产的Ti02进行检测，得到以下表中检验结果。

Claims (2)

1.一种采用氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛的方法，其特征是采用一种氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛，该氢氧火焰炉包括炉体、TiCl4输入管、含氢燃料管，所述炉体外罩设有水套，所述炉体内设有耐火材料层，炉体底部设有反应物出口，炉体内的顶部设有燃烧喷嘴，燃烧喷嘴与混合膨胀管底部连接，混合膨胀管上部分别设有氧气气体接头、惰性气体接头，混合膨胀管外套设有高压外罩，TiCl4输入管穿过高压外罩与混合膨胀管中部连接，含氢燃料管与高压外罩连接，所述混合膨胀管与高压外罩之间设有中空纤维膜组件；所述含氢燃料管与氨分解器连接，氨分解器与氨原料罐连接；所述反应物出口与转运泵连接，转运泵与一级螺旋絮凝器连接，一级螺旋絮凝器与球形反应釜连接，球形反应釜与二级螺旋絮凝器连接，二级螺旋絮凝器的末端经过管道与旋风分离器连接，球形反应釜顶部与脉冲气体发生器连接；
所述制备方法包括以下步骤：a.准备液氨，纯度为99%的TiCl4，纯净、干燥的氧气，惰性气体；让氧气通过氧气气体接头直接导入火焰水解炉混合膨胀管，氧气流量为1-2m3/h， 惰性气体载气通过惰性气体接头直接导入火焰水解炉混合膨胀管，惰性气体流量为1- 2m3/h；氨分解器把分解所得到氢气和氮气的混合物经鼓风机增压后作为含氢燃料经过含氢燃料管导入混合膨胀管的高压外罩，再经过多个中空纤维膜组件将氢气渗透到混合膨胀管内，含氢燃料流量为0.5-1m3/h，TiCl4输入管穿过高压外罩将TiCl4直接导入火焰水解炉混合膨胀管，TiCl4流量为3.3-4.1kg/h；
b.各路气体在膨胀管汇集后进入燃烧喷嘴处燃烧、水解，炉体内炉膛的温度控制在850 —1000℃；
c.炉体底部出来的混合物经过转运泵导入一级絮凝器絮凝，含有Ti02粒子的气溶胶在絮凝器絮凝中再停留3—8秒后，进入球形反应釜陈化反应1-2分钟，反应釜温度控制在200℃，脉冲气体发生器向球形反应釜载入成核气体，成核气体载气为氮气，成核剂为18%的氯化钾、铝酸钠混合溶液，其中氯化钾：铝酸钠=1:1；
d.经过陈化反应的混合物进入二级经絮凝器，经过二级经絮凝器再次絮凝，能实现99.5％以上的收集率，然后在旋风分离器中分离，从旋风分离器得到的产品氧化物在脱酸炉脱酸后经产品料斗收集得到产品。
2.根据权利要求1所述的采用氢氧火焰炉制备金红石型纳米二氧化钛的方法，其特征是所述燃烧喷嘴出口处设有点火器。
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