CN1301590A - 利用膜反应器合成纳米粒子的方法和设备 - Google Patents

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本发明属于纳米粒子合成技术领域,特别是涉及利用膜反应器合成纳米粒子的方法和设备。该方法的特点是利用分离膜构建膜反应器。液相或气相反应物分别在膜两侧。利用膜两侧的压力差和/或浓度差,可以将膜一侧的反应物,通过膜微孔,均匀微量地加入到膜另一侧反应物中,发生反应,生成纳米粒子。利用本发明的合成方法和设备可以制得纳米级粒子,也可以用于合成微米或亚微米级粒子。

Description

利用膜反应器合成纳米粒子的方法和设备
本发明属于纳米粒子合成技术领域,特别是涉及利用膜反应器合成纳米粒子的方法和设备。
纳米粒子,通常是指粒径在纳米数量级的颗粒。纳米粒子在性能上有许多既不同于原子和分子、又不同于大块体相的行为,构成了物质的一种新状态,即介观态。处于介观状态的纳米粒子,具有显著的量子尺寸效应和表面效应,因而表面活性提高、熔点和热导率降低,具有一系列不寻常的热、电、磁、力学和光学等性能,在微电子、信息、宇航、国防、化工、冶金、生物、光学等诸多工业领域具有广泛的应用前景。以纳米粒子为基础的纳米科学技术,将成为21世纪最重要的高新技术之一。
纳米粒子制备方法很多,可分为气相沉积法和液相沉淀法两大类。气相沉积法又分为物理气相沉积法和化学气相沉积法。气相沉积法所得粒子纯度很高,但生产能力较低、能耗高,因而限制了其广泛应用。
液相沉淀法又分为液相非反应沉淀法和液相反应沉淀法。反应沉淀法是指通过反应物之间的置换、水解、氧化、还原或热分解等化学反应,从溶液中析出固体粒子的方法。反应沉淀法有利于组分的精确控制,实现分子或原子水平上的均匀混合,可用于制备单组分或多组分化合物颗粒,具有投资少、工艺简单等优点,因此得到广泛应用。
沉淀反应一般为离子间的飞速或快速反应,在反应器局部反应区内瞬时可形成很高过饱和度,依靠均相成核机理爆发成核。均相成核速率级数一般在4左右,即成核速率强烈依赖于过饱和度,过饱和度的微小变化将导致成核速率的巨大变化,并显著影响最终产品的粒度和粒度分布。成核和微观混合的快慢可用成核诱导时间和特征扩散时间来表征。
显然,利用反应沉淀法制备纳米粒子的理想过程是大量均相成核前,反应物料之间能够达到分子尺度均匀的微观混合,即成核过程为动力学所控制,微观混合影响可不予考虑,此种情况下,容易制得粒度均匀的纳米粒子。然而,大多数沉淀反应成核诱导时间很短,其数量级一般在微秒至毫秒级,因此,过程多为微观混合所控制,难以制得均匀粒子。
为了得到粒度分布均匀的纳米粒子,必须人为改变过程控制因素,将微观混合控制过程转化为动力学控制,其方法不外乎两种:
一是延长成核诱导时间。通过改变反应历程,将剧烈反应转化为温和可控反应,以适当降低体系过饱和度,有效延长成核诱导时间。主要方法有醇盐水解法、沉淀转化法、配合沉淀法、溶胶凝胶法和均匀沉淀法等。以采用沉淀转化法制备Ni(OH)2为例。首先,向NiSO4溶液中加入Na,C2O4,使生成NiCO4沉淀。然后,加入NaOH溶液和阻聚剂吐温-80,使其逐渐转化为Ni(OH)2沉淀。粒子为薄片形,平均粒径30nm左右(周根陶等,无机化学学报,1997,1:43~47)。采用配合沉淀法也可制得Ni(OH)2:向Ni(NO3)2溶液中加入稍过量的乙二胺,加热搅拌得到紫红色的镍的乙二胺配合物溶液,然后,加入计量的NaOH溶液,反应1hr后,得到3×16nm左右薄片状Ni(OH)2粒子(周根陶等,无机化学学报,1996,3:96~98)。采用溶胶凝胶法可制得纳米Al2O3:将Al(NO3)3和柠檬酸按一定配比溶于水中,加入适量分散剂,用浓HNO3调节溶液初始pH值在0.4左右,得无色溶液。经微孔过滤后,在70℃缓慢蒸发,得到透明溶胶,静置数日得透明凝胶,干燥焙烧得Al2O3,平均粒径14nm(陈忠等,无机盐工业,1997,4:10~12)。
二是缩短特征扩散时间。包括构建介观尺度微型反应器和强化混合两类方法。构建介观尺度微型反应器,即将一反应物预先在介观尺度上均匀分散,并使之保持稳定状态。然后,加入另一反应物进行反应。通过创造介观尺度反应环境,可降低反应物初始微团尺度,有效降低特征扩散时间。反应结束后,使反应产物仍保持均匀分散状态,阻止其凝聚生长,则可得到微小均匀的粒子。主要方法有反胶团法、介观孔腔内合成、喷雾热分解法等。例如,将NiCl2溶液加入732型苯乙烯强酸性离子交换树脂中,进行离子交换。洗去物理吸附的Ni2+离子后,加入NaOH溶液进行反应。最后将Ni(OH)2沉淀和树脂分离。得到的Ni(OH)2为针状,5×30nm左右(胡志国,化学通报,1999,3:49~50)。
强化混合即利用强制混合装置,如搅拌釜、静态混合器、旋转填充床等,强化主体流动和湍流脉动,降低初始微团尺度,提高能量耗散速率及其分布均匀性,从而降低特征扩散时间。通常剧烈的湍动也只能将液体破碎成10~100μm的微团,进一步的混合必须通过微团间的分子扩散完成。例如,在标准搅拌釜中,加入Al(NO3)3溶液,然后迅速加入一定配比的(NH4)2CO3溶液,剧烈搅拌反应15分钟,最终pH在4.4~5之间,得到凝胶,经洗涤和冷冻干燥,得无定形Al2O3,平均粒径100nm左右(顾燕芳等,化工冶金,1993,1:14~21)。
通过延长成核诱导时间(如醇盐水解法、均匀沉淀法等)和构建介观尺度微型反应器(如反胶团法),虽然可制得分布均匀的纳米粒子,但是所需原材料较多,往往需要大量有机溶剂或助剂参与反应,成本高,工艺复杂,且易产生环境污染。
本发明的目的在于克服传统合成方法的缺点,提出利用膜反应器合成纳米粒子的方法和设备,所制备出的纳米粒子的粒度均匀,生产成本较低,环境污染小,实现纳米粒子的低成本和绿色合成。
本发明技术方案的原理是:膜表面均匀分布着大量微孔。其中,超滤膜孔径范围一般在几纳米到几百纳米之间,微滤膜孔径范围在0.01~10μm之间。反应物在压力差或浓度差作用下透过膜时,尺度与膜孔径相当,因而有效降低了反应物初始微团尺度,从而降低了特征扩散时间。通过改变膜孔径、组件型式和操作条件(如内外压差、料液流速)等,可以方便地改变反应物初始微团尺度和能耗速率,控制微观混合状况和反应速度,制得粒径微小、粒度分布均匀的纳米粒子。本发明还可以利用膜内外的电位差合成纳米粒子。
本发明是这样实现的:
利用膜构建膜反应器。反应物(纯液体、溶液、悬浮液、乳浊液或气相)分别在膜两侧。利用膜内外的压力差和/或浓度差,可以将膜一侧的反应物,通过膜微孔,均匀微量地加入到膜另一侧反应物中,发生反应,生成纳米粒子。
本发明中利用膜内外压力差和/或浓度差,作为传质动力,将膜一侧的反应物,通过膜微孔,均匀微量地加入到膜另一侧反应物中,产生传质动力的方法包括:
一、利用液体输送泵在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系,如图1、图2所示。
1.首先向釜1-1中加入液相反应物A;向釜1-2中加入液相反应物B。
2.打开阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中液相反应物A在泵7-1的抽吸作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,经泵7-1回到釜1-1,并继续循环,(见图1)。
或:打开阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中液相反应物A在泵7-1的推压作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,回到釜1-1,经泵7-1继续循环,(见图2)。
3.打开阀6-2,启动泵7-2,使釜1-2中液相反应物B在泵7-2的推压作用下,进入膜组件5中膜8另一侧,经阀6-2、流量计3-2,回到釜1-2,并继续循环。通过调节阀6-1、阀6-2、泵7-1、泵7-2,控制液相反应物A、B流速,保证膜组件5内液相反应物B一侧压力比液相反应物A侧压力高0~1MPa,使液相反应物B在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到液相反应物A中,发生反应。
二、利用高位液体容器在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系,如图3所示。
1.首先向釜1-1中加入液相反应物A;向釜1-2中加入液相反应物B。
2.打开阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中液相反应物A在泵7-1的抽吸作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,经泵7-1回到釜1-1,并继续循环。
或:打丌阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中液相反应物A在泵7-1的推压作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,回到釜1-1,经泵7-1继续循环,(图略)。
3.打开阀6-2,使釜1-2中液相反应物B经阀6-2、流量计3-2进入膜组件5中膜8另一侧。通过调节阀6-1、阀6-2、泵7-1,调节釜1-2高度和液相反应物B的液位高度,控制液相反应物A流速,保证膜组件5内液相反应物B一侧压力比液相反应物A侧压力高0~1MPa,使液相反应物B在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到液相反应物A中,发生反应。
三、利用气源在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系,如图4所示。
1.首先向釜1-1中加入液相反应物A;向釜1-2中加入液相反应物B。
2.打开阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中液相反应物A在泵7-1的抽吸作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,经泵7-1回到釜1-1,并继续循环(图4)。
或:打开阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中液相反应物A在泵7-1的推压作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,回到釜1-1,经泵7-1继续循环,(图略)。
3.打丌阀6-2,打开气阀10,打开气源9,使密闭釜1-2中液相反应物B在气压作用下,经阀6-2、流量计3-2进入膜组件5中膜8另一侧。通过调节阀6-1、阀6-2、泵7-1、气阀10,控制液相反应物A流速,保证膜组件5内液相反应物B一侧压力比液相反应物A侧压力高0~1Mpa,使液相反应物B在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到液相反应物A中,发生反应。
四、利用气源在膜两侧形成压力差,用于气-液或气-液固反应体系,如图5所示。
1.首先向釜1-1中加入液相反应物A;气源9提供气相反应物B。
2.打开阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中液相反应物A在泵7-1的抽吸作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,经泵7-1回到釜1-1,并继续循环(图5)。
或:打丌阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中液相反应物A在泵7-1的推压作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,回到釜1-1,经泵7-1继续循环,(图略)。
3.打丌气阀10,打开气源9,使气相反应物B在气压作用下,经气阀10、气体流量计11,进入膜组件5中膜8另一侧。通过调节阀6-1、泵7-1、气阀10、气源9,控制液相反应物A流速,保证膜组件5内气相反应物B一侧压力比液相反应物A侧压力高0~1MPa,使气相反应物B在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量进入A中,发生反应。
本发明中采用的气源可以为气体钢瓶或气体输送设备(风机、压缩机等);膜可以是超滤膜、微滤膜或纳滤膜。超滤膜截留分子量在1000~100万道尔顿之间,微滤膜孔径在0.01~10μm之间。膜材料可以为无机膜、有机膜、无机/有机复合膜。膜组件型式可以为管式膜、中空纤维膜、平板膜、卷式膜。为了改善组件内流体流动状况,膜组件内可以设置湍流促进器和/或静态混合器、搅拌器。
本发明中反应物可以为无机物和有机物,无机物包括单质、酸、碱、盐,有机物包括烃、烯、醇、酸、酮、醚、酯、有机酸盐、醇盐等;组成可以为单组分、双组分和多组分,存在形式可以为纯液体、溶液、悬浮液、乳浊液或气相,液相反应物浓度可以为未饱和、饱和或过饱和,浓度范围为10-6~10mol/L,最佳浓度范围为10-4~5mol/L,气相反应物浓度为0.1~100%。反应温度范围在1~110℃,最佳温度范围在1~50℃。
本发明的专用设备为:
一.利用液体输送泵在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系的设备。
釜1-1出口30有一与阀6-1、流量计3-1、膜组件5一侧进口33连接的管线40-1;膜组件5的一侧出口34有一与泵7-1和釜1-1进口31连接的管线40-3;釜1-1内装有搅拌器2;流量计3-1和膜组件5一侧进口33之间管线40-1上装有压力表4-1,膜组件5一侧出口34和泵7-1之间管线40-2上装有压力表4-2;膜组件5另一侧的进口36有一与泵7-2、釜1-2出口38连接的管线40-4;膜组件5一侧出口35有一与阀6-2、流量计3-2、釜1-2进口37连接的管线40-3;膜组件5一侧进口36和泵7-2之间管线40-4上装有压力表4-4、膜组件5出口35和阀6-2之间管线40-3上装有压力表4-3(见图1)。
或:釜1-1出口30有一与泵7-1、阀6-1、流量计3-1、膜组件5一侧进口33连接的管线40-1;膜组件5的一侧出口34有一与釜1-1进口31连接的管线40-2;釜1-1内装有搅拌器2;流量计3-1和膜组件5一侧进口33之间管线40-1上装有压力表4-1,膜组件5一侧出口34和釜1-1进口31之间管线40-2上装有压力表4-2;膜组件5另一侧的进口36有一与泵7-2、釜1-2出口38连接的管线40-4;膜组件5一侧出口35有一与阀6-2、流量计3-2、釜1-2进口37连接的管线40-3;膜组件5一侧进口36和泵7-2之间管线40-4上装有压力表4-4、膜组件5出口35和阀6-2之间管线40-3上装有压力表4-3(见图2)。
二.利用高位液体容器在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系的设备。
釜1-1出口30有一与阀6-1、流量计3-1、膜组件5一侧进口33连接的管线40-1;膜组件5一侧出口34有一与泵7-1、釜1-1进口31连接的管线40-2;釜1-1内装有搅拌器2;流量计3-1和膜组件5一侧进口33之间管线40-1上装有压力表4-1,膜组件5一侧出口34和泵7-1之间管线40-2上装有压力表4-2;膜组件5另一侧进口36有一与流量计3-2、阀6-2、釜1-2出口38连接的管线40-3;膜组件5一侧进口36和流量计3-2之间管线40-3上装有压力表4-3(见图3)。
或:釜1-1出口30有一与泵7-1、阀6-1、流量计3-1、膜组件5一侧进口33连接的管线40-1;膜组件5一侧出口34有一与釜1-1进口31连接的管线40-2;釜1-1内装有搅拌器2;流量计3-1和膜组件5一侧进口33之间管线40-1上装有压力表4-1,膜组件5一侧出口34和釜1-1进口31之间管线40-2上装有压力表4-2;膜组件5另一侧进口36有一与流量计3-2、阀6-2、釜1-2出口38连接的管线40-3;膜组件5一侧进口36和流量计3-2之间管线40-3上装有压力表4-3。
三.利用气源在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系的设备。
釜1-1出口30有一与阀6-1、流量计3-1、膜组件5一侧进口33连接的管线40-1;膜组件5一侧出口34有一与泵7-1、釜1-1进口31连接的管线40-2;釜1-1内装有搅拌器2;流量计3-1和膜组件5一侧进口33之间管线40-1上装有压力表4-1,膜组件5一侧出口34和泵7-1之间管线40-2上装有压力表4-2;膜组件5另一侧进口36有一与流量计3-2、阀6-2、釜1-2出口38连接的管线40-3;膜组件5一侧进口36和流量计3-2之间管线40-3上装有压力表4-3。釜1-2进口37有一与气阀10、气源9连接的管线40-4;釜1-2进口37和气阀10之间管线40-4上装有压力表4-4(见图4)。
或:釜1-1出口30有一与泵7-1、阀6-1、流量计3-1、膜组件5一侧进口33采用管线40-1连接;膜组件5一侧出口34、釜1-1进口31采用管线40-2连接;釜1-1内装有搅拌器2;流量计3-1和膜组件5一侧进口33之间管线40-1上装有压力表4-1,膜组件5一侧出口34和釜1-1进口31之间管线40-2上装有压力表4-2;膜组件5另侧进口36和流量计3-2之间管线40-3上装有压力表4-3。釜1-2进口37、气阀10、气源9之间采用管线40-4连接;釜1-2进口37和气阀10之间管线40-4上装有压力表4-4。
四.利用气源在膜两侧形成压力差,用于气-液或气-液固反应体系的设备。
釜1-1出口30有一与阀6-1、流量计3-1、膜组件5一侧进口33连接的管线40-1;膜组件5一侧出口34有一与泵7-1、釜1-1进口31连接的管线40-2;釜1-1内装有搅拌器2;流量计3-1和膜组件5一侧进口33之间管线40-1上装有压力表4-1,膜组件5一侧出口34和泵7-1之间管线40-2上装有压力表4-2;膜组件5另一侧进口36有一与流量计3-2、阀6-2、气阀10、气源9连接的管线40-3;膜组件5一侧进口36和流量计3-2之间管线40-3上装有压力表4-3。(见图5)。
或:釜1-1出口30有一与泵7-1、阀6-1、流量计3-1、膜组件5一侧进口33连接的管线40-1;膜组件5一侧出口34有一与釜1-1进口31连接的管线40-2;釜1-1内装有搅拌器2;流量计3-1和膜组件5一侧进口33之间管线40-1上装有压力表4-1,膜组件5一侧出口34和釜1-1进口31之间管线40-2上装有压力表4-2;膜组件5另一侧进口36有一与流量计3-2、阀6-2、气阀10、气源9连接的管线40-3;膜组件5一侧进口36和流量计3-2之间管线40-3上装有压力表4-3。
本发明工艺和设备简单,操作方便,易于实现工程放大,适于通过互溶液相、液-液、液-液固、气-液或气-液固反应合成纳米级(1~100nm)单质、化合物和混合物粒子,如Ni(OH)2、TiO2、ZnO、CeO2、CrO、LaO、Al2O3、SiO2、SnO2、ZnTiO3、BaTiO3、MaAl2O4、CaCO3、Cu、Ag等,也可以用于合成微米或亚微米级粒子,应用非常广泛。所制备出的纳米粒子粒度均匀,可降低生产成本,减少环境污染。
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
图1:本发明的设备之一示意图;
图2:本发明的设备之一示意图;
图3:本发明的设备之一示意图;
图4:本发明的设备之一示意图;
图5:本发明的设备之一示意图;
图6:纳米Ni(OH)2粒子透射电子显微镜照片;
图7:纳米CaCO3透射电子显微镜照片;
图8:纳米Al2O3.H2O粒子透射电子显微镜分析照片;
图9:纳米CaCO3透射电子显微镜照片;
图中标号:
1-1、1-2.釜  2.搅拌器  3-1、3-2.流量计  4-1、4-2、4-3、4-4.压力表
5.膜组件  6-1、6-2.阀  7-1、7-2.泵  8.膜  9.气源   10.气阀30.釜1-1出口  31.釜1-1入口  33.膜组件一侧入口  34.膜组件一侧出口35.膜组件另一侧出口  36.膜组件一侧入口  37.釜1-2入口  38.釜1-2出口40-1、40-2、40-3、40-4.管线
实施例1:利用Ni(Ac)2和NaOH合成纳米Ni(OH)2粒子。
请参见图1。7-1、7-2均为蠕动泵,反应物分别为Ni(Ac)2和NaOH溶液,膜为截留分子量为3000的聚醚砜/圈形聚砜共混中空纤维超滤膜(膜内径1mm),膜面积49cm2
1.首先向釜1-1中加入0.01mol/L的Ni(Ac)2 100ml,向釜1-2中加入0.01mol/L的NaOH溶液300ml。
2.打丌阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中Ni(Ac)2在泵7-1的抽吸作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,经泵7-1回到釜1-1,并继续循环。
3.打丌阀6-2,启动泵7-2,使釜1-2中NaOH在泵7-2的推压作用下,进入膜组件5中膜8另一侧,经阀6-2、流量计3-2,回到釜1-2,并继续循环。通过调节阀6-1、阀6-2、泵7-1、泵7-2,控制中空纤维膜内镍盐料液流速为1.0m/s,膜内压力为-0.03MPa、膜外压力为0.01MPa,压差0.04MPa,使NaOH在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到Ni(Ac)2中,发生反应。
产品料液经超声波分散制样,采用Hitach H-800型透射电子显微镜分析产品粒度。
当NaOH加入量为200ml时,反应结束,制备的纳米Ni(OH)2粒子(放大10万倍)见图6,平均粒径6nm。
实施例2:利用CaCl2和碳酸钠合成纳米CaCO3粒子。
请参见图3。7-1为蠕动泵,反应物分别为CaCl2和碳酸钠溶液,膜为截留分子量为3000的聚醚砜/圈形聚砜中空纤维超滤膜(膜内径1mm),膜面积49cm2
1.首先向釜1-1中加入CaCl2溶液100ml,浓度为0.01mol/L;向釜1-2中加入碳酸钠溶液200ml,浓度为0.025mol/L。
2.打开阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中CaCl2溶液在泵7-1的抽吸作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,经泵7-1回到釜1-1,并继续循环。
3.打开阀6-2,使釜1-2中碳酸钠溶液经阀6-2、流量计3-2进入膜组件5中膜8另一侧。通过调节阀6-1、阀6-2、泵7-1,调节釜1-2高度,控制中空纤维膜内钙盐料液流速为1.0m/s,保证膜组件5内碳酸钠溶液一侧压力比CaCl2侧压力高0.022MPa,使碳酸钠溶液在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到CaCl2中,发生反应。
产品粒度采用Hitach H-800型透射电子显微镜分析。
当碳酸钠溶液加入量为40ml时,反应结束,制备的纳米CaCO3粒子(放大4.8万倍)见图7,平均粒径40nm。
实施例3:利用AlCl3和碳酸钠溶液合成纳米Al2O3.H2O粒子。
请参见图4。7-1为蠕动泵,1-2为密闭釜,9为压缩空气钢瓶,反应物分别为AlCl3和碳酸钠溶液,膜为截留分子量为30000的聚砜/圈形聚砜中空纤维超滤膜(膜内径lmm),膜面积49cm2
1.首先向釜1-1中加入AlCl3100ml,浓度为0.01mol/L;向釜1-2中加入碳酸钠溶液200ml,浓度为0.025mol/L。
2.打开阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中AlCl3在泵7-1的抽吸作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,经泵7-1回到釜1-1,并继续循环。
3.打开阀6-2,打开钢瓶9的气阀10,使密闭釜1-2中碳酸钠溶液在气压作用下,经阀6-2、流量计3-2进入膜组件5中膜8另一侧。通过调节阀6-1、阀6-2、泵7-1、气阀10,控制中空纤维膜内铝盐料液流速为1.0m/s,保证膜组件5内碳酸钠溶液一侧压力比AlCl3侧压力高0.03MPa,使碳酸钠溶液在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到AlCl3中,发生反应。
当碳酸钠溶液加入量为40ml时,反应结束,制备的纳米Al2O3·H2O粒子(放大20万倍)见图8。若干微小粒子发生团聚,单个粒子平均粒径3~4nm。
实施例4:利用Ca(OH)2和CO2气体合成纳米CaCO3粒子。
请参见图5。7-1为蠕动泵,9为CO2钢瓶,液体反应物为Ca(OH)2,膜为孔径为1μm的聚乙烯微孔膜(膜内径2mm)。
1.首先向釜1-1中加入Ca(OH)2溶悬浮液100ml,浓度为2%;CO2钢瓶中CO2浓度为98%。
2.打丌阀6-1,启动搅拌器2,启动泵7-1,使釜1-1中Ca(OH)2溶液在泵7-1的抽吸作用下,经阀6-1、流量计3-1,进入膜组件5中,流经膜8一侧,经泵7-1回到釜1-1,并继续循环。
3.打开钢瓶9的气阀10,使CO2气体经气阀10、流量计11进入膜组件5中膜8另一侧。通过调节阀6-1、泵7-1、气阀10,控制中空纤维膜内Ca(OH)2料液流速为1.0m/s,保证膜组件5内CO2气体一侧压力比Ca(OH)2侧压力高0.05MPa,使CO2气体在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到Ca(OH)2中,发生反应。
采用pH计测定釜1-1中料液pH,确定反应终点。当pH=8时,反应结束。产品粒度采用Hitach H-800型透射电子显微镜分析。制备的纳米CaCO3粒子(放大4.8万倍)见图9,平均粒径35nm。

Claims (13)

1.一种利用膜反应器合成纳米粒子的方法,其特征在于该方法包括:
一.利用液体输送泵在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系:
(1).首先向釜(1-1)中加入液相反应物A,向釜(1-2)中加入液相反应物B;
(2).打开阀(6-1),启动搅拌器(2),启动泵(7-1),使釜(1-1)中液相反应物A在泵(7-1)的抽吸作用下,经阀(6-1)、流量计(3-1),进入膜组件(5)中,流经膜(8)一侧,经泵(7-1)回到釜(1-1),并继续循环;
或:打开阀(6-1),启动搅拌器(2),启动泵(7-1),使釜(1-1)中液相反应物A在泵(7-1)的推压作用下,经阀(6-1)、流量计(3-1),进入膜组件(5)中,流经膜(8)一侧,回到釜(1-1),经泵(7-1)继续循环;
(3).打开阀(6-2),启动泵(7-2),使釜(1-2)中液相反应物B在泵(7-2)的推压作用下,进入膜组件(5)中膜(8)另一侧,经阀(6-2)、流量计(3-2),回到釜(1-2),并继续循环;通过调节阀(6-1)、阀(6-2)、泵(7-1)、泵(7-2),控制液相反应物A、B流速,保证膜组件(5)内液相反应物B一侧压力比液相反应物A侧压力高0~1MPa,使液相反应物B在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到液相反应物A中,发生反应;
二.利用高位液体容器在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系:
(1).首先向釜(1-1)中加入液相反应物A,向釜(1-2)中加入液相反应物B;
(2).打开阀(6-1),启动搅拌器(2),启动泵(7-1),使釜(1-1)中液相反应物A在泵(7-1)的抽吸作用下,经阀(6-1)、流量计(3-1),进入膜组件(5)中,流经膜(8)一侧,经泵(7-1)回到釜(1-1),并继续循环;
或:打开阀(6-1),启动搅拌器(2),启动泵(7-1),使釜(1-1)中液相反应物A在泵(7-1)的推压作用下,经阀(6-1)、流量计(3-1),进入膜组件(5)中,流经膜(8)一侧,回到釜(1-1),经泵(7-1)继续循环;
(3).打开阀(6 2),使釜(1-2)中液相反应物B经阀(6-2)、流量计(3-2)进入膜组件(5)中膜(8)另一侧;通过调节阀(6-1)、阀(6-2)、泵(7-1),调节釜(1-2)高度和液相反应物B的液位高度,控制液相反应物A流速,保证膜组件(5)内液相反应物B一侧压力比液相反应物A侧压力高0~1MPa,使液相反应物B在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到液相反应物A中,发生反应;
三.利用气源在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系;
(1).首先向釜(1-1)中加入液相反应物A,向釜(1-2)中加入液相反应物B;
(2).打开阀(6-1),启动搅拌器(2),启动泵(7-1),使釜(1-1)中液相反应物A在泵(7-1)的抽吸作用下,经阀(6-1)、流量计(3-1),进入膜组件(5)中,流经膜(8)一侧,经泵(7-1)回到釜(1-1),并继续循环;
或:打开阀(6-1),启动搅拌器(2),启动泵(7-1),使釜(1-1)中液相反应物A在泵(7-1)的推压作用下,经阀(6-1)、流量计(3-1),进入膜组件(5)中,流经膜(8)一侧,回到釜(1-1),经泵(7-1)继续循环;
(3).打开阀(6-2),打开气阀(10),打开气源(9),使密闭釜(1-2)中液相反应物B在气压作用下,经阀(6-2)、流量计(3-2)进入膜组件(5)中膜(8)另一侧。通过调节阀(6-1)、阀(6-2)、泵(7-1)、气阀(10),控制液相反应物A流速,保证膜组件(5)内液相反应物B一侧压力比液相反应物A侧压力高0~1Mpa,使液相反应物B在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量加入到液相反应物A中,发生反应;
四.利用气源在膜两侧形成压力差,用于气-液或气-液固反应体系:
(1).首先向釜(1-1)中加入液相反应物A,气源(9)提供气相反应物B;
(2).打开阀(6-1),启动搅拌器(2),启动泵(7-1),使釜(1-1)中液相反应物A在泵(7-1)的抽吸作用下,经阀(6-1)、流量计(3-1),进入膜组件(5)中,流经膜(8)一侧,经泵(7-1)回到釜(1-1),并继续循环;
或:打开阀(6-1),启动搅拌器(2),启动泵(7-1),使釜(1-1)中液相反应物A在泵(7-1)的推压作用下,经阀(6-1)、流量计(3-1),进入膜组件(5)中,流经膜(8)一侧,回到釜(1-1),经泵(7-1)继续循环;
(3).打开气阀(10),打开气源(9),使气相反应物B在气压作用下,经气阀(10)、气体流量计(11),进入膜组件(5)中膜(8)另一侧,通过调节阀(6-1)、泵(7-1)、气阀(10)、气源(9),控制液相反应物A流速,保证膜组件(5)内气相反应物B一侧压力比液相反应物A侧压力高0~1MPa,使气相反应物B在膜内外压差作用下,通过膜微孔均匀微量进入A中,发生反应。
2.如权利要求1所述的利用膜反应器合成纳米粒子的方法,其特征在于所述的液相反应物浓度范围为10-6~10mol/L,气相反应物浓度为0.1~100%,反应温度范围在1~110℃。
3.如权利要求2所述的利用膜反应器合成纳米粒子的方法,其特征在于所述的液相反应物浓度范围为10-4~5mol/L,反应温度范围在1~50℃。
4.如权利要求1或2所述的利用膜反应器合成纳米粒子的方法,其特征在于所述的反应物为无机物或有机物。
5.如权利要求4所述的利用膜反应器合成纳米粒子的方法,其特征在于所述的无机物为单质、酸、碱、盐;有机物为烃、烯、醇、酸、酮、醚、酯、有机酸盐、醇盐。
6.如权利要求4或5所述的利用膜反应器合成纳米粒子的方法,其特征在于所述的无机物或有机物组成为单组分、双组分或多组分。
7.如权利要求1所述的利用膜反应器合成纳米粒子的方法,其特征在于所述的液相反应物存在形式为纯液体、溶液、悬浮液、乳浊液。
8.如权利要求1-7所述的一种利用膜反应器合成纳米粒子的方法的设备,其特征在于所述的设备包括:
一.利用液体输送泵在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系的设备为:
釜(1-1)出口(30)有一与阀(6-1)、流量计(3-1)、膜组件(5)一侧进口(33)连接的管线(40-1);膜组件(5)的一侧出口(34)有一与泵(7-1)和釜(1-1)进口(31)连接的管线(40-3);釜(1-1)内装有搅拌器(2);流量计(3-1)和膜组件(5)一侧进口(33)之间管线(40-1)上装有压力表(4-1),膜组件(5)一侧出口(34)和泵(7-1)之间管线(40-2)上装有压力表(4-2);膜组件(5)另一侧的进口(36)有一与泵(7-2)、釜(1-2)出口(38)连接的管线(40-4);膜组件(5)一侧出口(35)有一与阀(6-2)、流量计(3-2)、釜(1-2)进口(37)连接的管线(40-3);膜组件(5)一侧进口(36)和泵(7-2)之间管线(40-4)上装有压力表(4-4)、膜组件(5)出口(35)和阀(6-2)之间管线(40-3)上装有压力表(4-3);
或:釜(1-1)出口(30)有一与泵(7-1)、阀(6-1)、流量计(3-1)、膜组件(5)一侧进口(33)连接的管线(40-1);膜组件(5)的一侧出口(34)有一与釜(1-1)进口(31)连接的管线(40-2);釜(1-1)内装有搅拌器(2);流量计(3-1)和膜组件(5)一侧进口(33)之间管线(40-1)上装有压力表(4-1),膜组件(5)一侧出口(34)和釜(1-1)进口(31)之间管线(40-2)上装有压力表(4-2);膜组件(5)另一侧的进口(36)有一与泵(7-2)、釜(1-2)出口(38)连接的管线(40-4);膜组件(5)一侧出口(35)有一与阀(6-2)、流量计(3-2)、釜(1-2)进口(37)连接的管线(40-3);膜组件(5)一侧进口(36)和泵(7-2)之间管线(40-4)上装有压力表(4-4)、膜组件(5)出口(35)和阀(6-2)之间管线(40-3)上装有压力表(4-3);
二.利用高位液体容器在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系的设备为:
釜(1-1)出口(30)有一与阀(6-1)、流量计(3-1)、膜组件(5)一侧进口(33)连接的管线(40-1);膜组件(5)一侧出口(34)有一与泵(7-1)、釜(1-1)进口(31)连接的管线(40-2);釜(1-1)内装有搅拌器(2);流量计(3-1)和膜组件(5)一侧进口(33)之间管线(40-1)上装有压力表(4-1),膜组件(5)一侧出口(34)和泵(7-1)之间管线(40-2)上装有压力表(4-2);膜组件(5)另一侧进口(36)有一与流量计(3-2)、阀(6-2)、釜(1-2)出口(38)连接的管线(40-3);膜组件(5)一侧进口(36)和流量计(3-2)之间管线(40-3)上装有压力表(4-3);
或:釜(1-1)出口(30)有一与泵(7-1)、阀(6-1)、流量计(3-1)、膜组件(5)一侧进口(33)连接的管线(40-1);膜组件(5)一侧出口(34)有一与釜(1-1)进口(31)连接的管线(40-2);釜(1-1)内装有搅拌器(2);流量计(3-1)和膜组件(5)一侧进口(33)之间管线(40-1)上装有压力表(4-1),膜组件(5)一侧出口(34)和釜(1-1)进口(31)之间管线(40-2)上装有压力表(4-2);膜组件(5)另一侧进口(36)有一与流量计(3-2)、阀(6-2)、釜(1-2)出口(38)连接的管线(40-3);膜组件(5)一侧进口(36)和流量计(3-2)之间管线(40-3)上装有压力表;
三.利用气源在膜两侧形成压力差,用于液-液或液-液固反应体系的设备:
釜(1-1)出口(30)有一与阀(6-1)、流量计(3-1)、膜组件(5)一侧进口(33)连接的管线(40-1);膜组件(5)一侧出口(34)有一与泵(7-1)、釜(1-1)进口(31)连接的管线(40-2);釜(1-1)内装有搅拌器(2);流量计(3-1)和膜组件(5)一侧进口(33)之间管线(40-1)上装有压力表(4-1),膜组件(5)一侧出口(34)和泵(7-1)之间管线(40-2)上装有压力表(4-2);膜组件(5)另一侧进口(36)有一与流量计(3-2)、阀(6-2)、釜(1-2)出口(38)连接的管线(40-3);膜组件(5)一侧进口(36)和流量计(3-2)之间管线(40-3)上装有压力表(4-3);釜(1-2)进口(37)有一与气阀(10)、气源(9)连接的管线(40-4);釜(1-2)进口(37)和气阀(10)之间管线(40-4)上装有压力表(4-4);
或:釜(1-1)出口(30)有一与泵(7-1)、阀(6-1)、流量计(3-1)、膜组件(5)一侧进口(33)采用管线(40-1)连接;膜组件(5)一侧出口(34)、釜(1-1)进口(31)采用管线(40-2)连接;釜(1-1)内装有搅拌器(2);流量计(3-1)和膜组件(5)一侧进口(33)之间管线(40-1)上装有压力表(4-1),膜组件(5)一侧出口(34)和釜(1-1)进口(31)之间管线(40-2)上装有压力表(4-2);膜组件(5)另侧进口(36)和流量计(3-2)之间管线(40-3)上装有压力表(4 3),釜(1-2)进口(37)、气阀(10)、气源(9)之间采用管线(40-4)连接;釜(1-2)进口(37)和气阀(10)之间管线(40-4)上装有压力表(4-4);
四.利用气源在膜两侧形成压力差,用于气-液或气-液固反应体系的设备:
釜(1-1)出口(30)有一与阀(6-1)、流量计(3-1)、膜组件(5)一侧进口(33)连接的管线(40-1);膜组件(5)一侧出口(34)有一与泵(7-1)、釜(1-1)进口(31)连接的管线(40-2);釜(1-1)内装有搅拌器(2);流量计(3-1)和膜组件(5)一侧进口(33)之间管线(40-1)上装有压力表(4-1),膜组件(5)一侧出口(34)和泵(7-1)之间管线(40-2)上装有压力表(4-2);膜组件(5)另一侧进口(36)有一与流量计(3-2)、阀(6-2)、气阀(10)、气源(9)连接的管线(40-3);膜组件(5)一侧进口(36)和流量计(3-2)之间管线(40-3)上装有压力表(4-3);
或:釜(1-1)出口(30)有一与泵(7-1)、阀(6-1)、流量计(3-1)、膜组件(5)一侧进口(33)连接的管线(40-1);膜组件(5)一侧出口(34)有一与釜(1-1)进口(31)连接的管线(40-2);釜(1-1)内装有搅拌器(2);流量计(3-1)和膜组件(5)一侧进口(33)之间管线(40-1)上装有压力表(4-1),膜组件(5)一侧出口(34)和釜(1-1)进口(31)之间管线(40-2)上装有压力表(4-2);膜组件(5)另一侧进口(36)有一与流量计(3-2)、阀(6-2)、气阀(10)、气源(9)连接的管线(40-3);膜组件(5)一侧进口(36)和流量计(3-2)之间管线(40-3)上装有压力表(4-3)。
9.如权利要求8所述的利用膜反应器合成纳米粒子的设备,其特征在于所述的膜是超滤膜、微滤膜或纳滤膜。
10.如权利要求9所述的利用膜反应器合成纳米粒子的设备,其特征在于所述的超滤膜截留分子量在1000~100万道尔顿之间,微滤膜孔径在0.01~10μm之间。
11.如权利要求8或9所述的利用膜反应器合成纳米粒子的设备,其特征在于所述的膜材料为无机膜、有机膜、无机/有机复合膜。
12.如权利要求8所述的利用膜反应器合成纳米粒子的设备,其特征在于所述的膜组件型式为管式膜、中空纤维膜、平板膜或卷式膜。
13.如权利要求8所述的利用膜反应器合成纳米粒子的设备,其特征在于所述的膜组件内可以设置湍流促进器和/或静态混合器、搅拌器。
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