CN112723399A - 一种等离子弧火焰燃烧反应系统以及利用其制备高纯γ-Al2O3的方法 - Google Patents

一种等离子弧火焰燃烧反应系统以及利用其制备高纯γ-Al2O3的方法 Download PDF

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Abstract

一种等离子弧火焰燃烧反应系统以及利用其制备高纯γ‑Al2O3的方法，涉及纳米氧化铝粉体制备技术领域。主要由进料器、等离子弧反应室、等离子电源以及压缩机组成，启动等离子电源使等离子弧反应室顶部的发生器开始工作形成等离子电弧焰流，物料通过进料器进入等离子弧反应室并经过等离子电弧焰流燃烧形成反应产物，压缩机将燃烧所需气体压缩并持续输入至等离子弧反应室中。通过新颖设计的等离子弧火焰燃烧反应体系，能够实现高纯γ‑Al2O3纳米粉体的快速制备，通过一步法离子弧燃烧快速合成纯度高、粉体比表面积大的纳米γ‑Al2O3，而且，其产能可以达到较高的水平，生产过程无三废、对环境友好。

Description

一种等离子弧火焰燃烧反应系统以及利用其制备高纯γ- Al2O3的方法
技术领域
本发明涉及纳米氧化铝粉体制备技术领域，具体是涉及一种等离子弧火焰燃烧反应系统以及利用其制备高纯γ-Al2O3的方法。
背景技术
氧化铝粉体具有高熔点、高硬度、高化学稳定性。目前，针对γ-Al2O3的制备主要采用的是拜耳法生产，利用氢氧化铝在140-150℃的低温环境下脱水制得。这种方法获得γ-Al2O3普遍存在的缺陷主要有：产物纯度不高，粒径分布均匀，生产耗时长，生产能耗较高，
等离子弧火焰燃烧法，是近年来逐渐受到关注的新颖制备方法，具有反应时间短、产物纯度高、粒度小等常规制备方法所不可比拟的优点。目前，未见相关文献报道将等离子弧燃烧法应用在γ-Al2O3纳米粉体的制备中。
发明内容
针对上述存在制备氧化铝粉体出现的技术问题，本发明提供了一种等离子弧火焰燃烧反应系统以及利用其制备高纯γ-Al2O3的方法，反应系统构建新颖，操作简便，能耗低。制备的高纯γ-Al2O3具有纯度较高、粒径分布均匀等优点。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种等离子弧火焰燃烧反应系统，主要由进料器、等离子弧反应室、等离子电源以及压缩机组成，启动等离子电源使等离子弧反应室顶部的发生器开始工作形成等离子电弧焰流，物料通过进料器进入等离子弧反应室并经过等离子电弧焰流燃烧形成反应产物，压缩机将燃烧所需气体压缩并持续输入至等离子弧反应室中。
进一步的，等离子弧火焰燃烧反应系统还包括多级分离器和收集器，等离子弧反应室的底部通过管路与多级分离器和收集器顺序连通。
进一步的，等离子弧火焰燃烧反应系统还包括由抽气泵和净化器组成的气流净化循环系统，所述抽气泵置于收集器和净化器之间，所述净化器与压缩机的气流输入端连通；抽气泵工作形成气流使等离子弧反应室内部反应获得的物料经过多级分离器分离后被收集器储存；同时，通过净化器净化处理的气体经过压缩机存储升压后再次通入等离子弧反应室的顶部形成气流循环。
进一步的，等离子弧火焰燃烧反应系统的所述净化器和压缩机之间的气流管道上设有阀门，供输入新鲜空气+高纯氧气和排出气体所用。
作为本发明的另一目的，本发明所采用的技术方案为：一种利用所述等离子弧火焰燃烧反应系统制备高纯γ-Al2O3的方法，步骤如下：
①、等离子弧火焰燃烧法反应
首先，启动等离子电源，等离子弧反应室顶部的发生器开始工作，形成等离子电弧焰流；然后通过进料器向等离子弧反应室内部顶端输送高纯拟薄水铝石粉，高纯拟薄水铝石粉经过等离子电弧焰流快速反应获得γ-Al2O3粉体，并下落至等离子弧反应室的底部；等离子弧反应室顶部的焰流温度为600～2500℃可调，反应时间为低于1s，等离子电源的功率为30～75kW可调；
②、γ-Al2O3粉体的多级分离和收集
在气流作用下，等离子体反应室底部的γ-Al2O3粉体进入多级分离器中，经过多级分离后被收集器储存；
③、气流循环
气流从等离子弧反应室依次进入多级分离器、收集器、抽气泵和净化器，经过净化处理的气体经过压缩机存储升压后再次通入等离子弧反应室的顶部形成气流循环。
作为本发明的优选技术方案，制备方法还包括高纯拟薄水铝石粗粉的分散研磨处理步骤，具体为：将高纯拟薄水铝石粗粉和助磨剂分别加入分散研磨设备中，助磨剂选择为石英砂，高纯拟薄水铝石粗粉和助磨剂的重量比控制为1：5，研磨时间为10h，经过分散研磨设备加工处理，然后分离石英砂得到高纯拟薄水铝石细粉。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
1)、实现了高纯度纳米γ-Al2O3粉体的制备，具有工艺简便、成本低廉、产物纯度高等优点，可以用于规模化生产，可以显著降低反应温度及生产能耗。
2)、通过新颖设计的等离子弧火焰燃烧反应体系，能够实现高纯γ-Al2O3纳米粉体的快速制备，通过一步法离子弧燃烧快速合成纯度高、粉体比表面积大的纳米γ-Al2O3，而且，其产能可以达到较高的水平，生产过程无三废、对环境友好。
3)、等离子弧火焰燃烧反应体系中，离子弧反应瞬间完成、可达到毫秒级别，制备产物颗粒小、无硬团聚，这对于氧化物纳米粉体的制备领域具有积极的指导意义。
4)、高纯拟薄水铝石粗粉(纯度一般达到99.9％级别)利用分散研磨设备处理获得高纯拟薄水铝石细粉，这更有利于等离子弧火焰燃烧反应的进行，制备的高纯γ-Al2O3纳米粉体无需再次研磨即可获得细度均匀的纳米粉体。
附图说明
图1为等离子弧火焰燃烧反应系统的结构示意图。
图2为实施例2制备纳米γ-Al2O3粉体的XRD图。
图3为实施例2制备纳米γ-Al2O3粉体的SEM图(a、b分别代表高、低倍率)。
具体实施方式
本发明提出了一种等离子弧火焰燃烧反应系统以及利用其制备高纯γ-Al2O3的方法，下面以实施例和附图对本发明的方法做进一步的详述。
实施例1
请参阅图1所示，一种等离子弧火焰燃烧反应系统，主要由进料器1、等离子弧反应室2、等离子电源4、多级分离器5、收集器6、抽气泵7、净化器8以及压缩机9组成。启动等离子电源4使等离子弧反应室2顶部的发生器3开始工作形成等离子电弧焰流，物料通过进料器1进入等离子弧反应室2并经过等离子电弧焰流燃烧形成反应产物，压缩机9将燃烧所需气体压缩并持续输入至等离子弧反应室2中。
等离子弧反应室2的底部通过管路与多级分离器5和收集器6顺序连通。抽气泵7置于收集器6和净化器8之间，净化器8与压缩机9的气流输入端连通；抽气泵7工作形成气流使等离子弧反应室2内部反应获得的物料经过多级分离器5分离后被收集器6储存；同时，通过净化器8净化处理的气体经过压缩机9存储升压后再次通入等离子弧反应室2的顶部形成气流循环。
净化器8和压缩机9之间的气流管道上设有阀门10，供输入新鲜空气+高纯氧气和排出气体所用。
实施例2
利用等离子弧火焰燃烧反应系统制备高纯γ-Al2O3的方法，步骤如下：
一、高纯拟薄水铝石粗粉的分散研磨处理
将高纯拟薄水铝石粗粉和助磨剂分别加入分散研磨设备中，助磨剂选择为石英砂，高纯拟薄水铝石粗粉和助磨剂的重量比控制为1：5，研磨时间为10h，经过分散研磨设备加工处理，然后分离石英砂得到高纯拟薄水铝石细粉。
二、利用等离子弧火焰燃烧反应系统制备高纯γ-Al2O3
①、等离子弧火焰燃烧法反应
首先，启动等离子电源4，等离子弧反应室2顶部的发生器3开始工作，形成等离子电弧焰流，通过调节等离子电源4的功率使等离子弧反应室2顶部的焰流温度达到2000℃。然后通过进料器1向等离子弧反应室2内部顶端输送高纯拟薄水铝石粉，高纯拟薄水铝石粉经过等离子电弧焰流快速反应(反应时间为低于1s)获得γ-Al2O3粉体，并下落至等离子弧反应室2的底部。
②、γ-Al2O3粉体的多级分离和收集
在气流作用下，等离子体反应2室底部的γ-Al2O3粉体进入多级分离器5中，经过多级分离后被收集器6储存。
③、气流循环
气流从等离子弧反应室2依次进入多级分离器5、收集器6、抽气泵7和净化器8，经过净化处理的气体经过压缩机9存储升压后再次通入等离子弧反应室2的顶部形成气流循环。
图2是实施例1制备纳米γ-Al2O3粉体的XRD谱图，分析可知反应产物为γ-Al2O3。图3是实施例1制备纳米γ-Al2O3粉体的整体SEM形貌图(a、b分别代表高、低倍率)，可以看出粉体颗粒粒径分布较为均匀，平均粒径为100～300nm左右，无大颗粒形态存在，产物无聚集。经过检测，制备的纳米γ-Al2O3粉体纯度达到99.99％以上。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种等离子弧火焰燃烧反应系统，其特征在于，主要由进料器(1)、等离子弧反应室(2)、等离子电源(4)以及压缩机(9)组成，启动等离子电源(4)使等离子弧反应室(2)顶部的发生器(3)开始工作形成等离子电弧焰流，物料通过进料器(1)进入等离子弧反应室(2)并经过等离子电弧焰流燃烧形成反应产物，压缩机(9)将燃烧所需气体压缩并持续输入至等离子弧反应室(2)中。
2.如权利要求1所述的等离子弧火焰燃烧反应系统，其特征在于，还包括多级分离器(5)和收集器(6)，等离子弧反应室(2)的底部通过管路与多级分离器(5)和收集器(6)顺序连通。
3.如权利要求2所述的等离子弧火焰燃烧反应系统，其特征在于，还包括由抽气泵(7)和净化器(8)组成的气流净化循环系统，所述抽气泵(7)置于收集器(6)和净化器(8)之间，所述净化器(8)与压缩机(9)的气流输入端连通；抽气泵(7)工作形成气流使等离子弧反应室(2)内部反应获得的物料经过多级分离器(5)分离后被收集器(6)储存；同时，通过净化器(8)净化处理的气体经过压缩机(9)存储升压后再次通入等离子弧反应室(2)的顶部形成气流循环。
4.如权利要求3所述的等离子弧火焰燃烧反应系统，其特征在于，所述净化器(8)和压缩机(9)之间的气流管道上设有阀门(10)，供输入新鲜空气+高纯氧气和排出气体所用。
5.一种利用如权利要求4所述等离子弧火焰燃烧反应系统制备高纯γ-Al2O3的方法，其特征在于，步骤如下：
①、等离子弧火焰燃烧法反应
首先，启动等离子电源(4)，等离子弧反应室(2)顶部的发生器(3)开始工作，形成等离子电弧焰流；然后通过进料器(1)向等离子弧反应室(2)内部顶端输送高纯拟薄水铝石粉，高纯拟薄水铝石粉经过等离子电弧焰流快速反应获得γ-Al2O3粉体，并下落至等离子弧反应室(2)的底部；等离子弧反应室(2)顶部的焰流温度为600～2500℃可调，反应时间为低于1s，等离子电源(4)的功率为30～75kW可调；
②、γ-Al2O3粉体的多级分离和收集
在气流作用下，等离子体反应(2)室底部的γ-Al2O3粉体进入多级分离器(5)中，经过多级分离后被收集器(6)储存；
③、气流循环
气流从等离子弧反应室(2)依次进入多级分离器(5)、收集器(6)、抽气泵(7)和净化器(8)，经过净化处理的气体经过压缩机(9)存储升压后再次通入等离子弧反应室(2)的顶部形成气流循环。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括高纯拟薄水铝石粗粉的分散研磨处理步骤，具体为：将高纯拟薄水铝石粗粉和助磨剂分别加入分散研磨设备中，助磨剂选择为石英砂，高纯拟薄水铝石粗粉和助磨剂的重量比控制为1：5，研磨时间为10h，经过分散研磨设备加工处理，然后分离石英砂得到高纯拟薄水铝石细粉。
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