CN209685321U - 一种节能高效制备多孔材料的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种节能高效制备多孔材料的装置，包括依次通过管道连接的储料容器、喷雾混合反应器、干燥箱和气氛烧结炉，所述喷雾混合反应器至少有两个进料口和一个出料口，所述喷雾混合反应器设有喷雾模块和储液模块，所述喷雾模块设有喷枪。本实用新型还公开了采用该装置制备多孔材料的方法，整个制备工艺流程简单、节能高效、可控性强，而且对不同材料的制备具有良好的适用性，在喷雾混合反应器中就可以完成喷雾、混合、过滤、洗涤和反应等过程，不仅能制备形貌尺寸可控的材料，也使制备工艺更加连续性，材料更加具有均一性和稳定性，更容易实现工业化放大生产。

Description

一种节能高效制备多孔材料的装置

技术领域

本实用新型涉及材料技术领域，特别涉及一种节能高效制备多孔材料的装置。

背景技术

由于气候的变化和石油的同益缩减，要求社会转向可持续和可再生资源的开发和利用。多孔材料是一类由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，相对于一般材料具有较高的比表面积，该性能使得其不仅能够作为分离介质、催化剂负载，细胞骨架等，还被广泛地应用于各类能量储存装置。丰富且优良的多孔结构，大大提高了材料的综合性能，对新能源领域的发展具有重要的意义。

目前制备多孔材料的主要方法有：水热合成法、起泡法、溶胶凝胶法、沉淀法和前驱体裂解法等。水热合成法虽属于液相反应，但主要针对过渡金属且只限于少量粉体的制备，对于工业化生产，尤其是大型的耐高温高压的反应器设计制造的难度较大。起泡法的关键是对气泡的控制，多孔材料的孔隙率、孔径、比表面积分别受气泡的大小、发泡浆料的稳定性和起泡剂的种类的影响。溶胶-凝胶法合成周期较长，而且在干燥时存在的应力使材料收缩，因此溶胶- 凝胶法制备的多孔材料的比表面积都不大。沉淀法制备多孔材料虽然已经投入工业生产，但通常需要精准控制原料配比和较长的反应时间，对装置的要求比较严格，能耗较大。前驱体裂解法主要针对陶瓷材料，使用范围单一，且原料很难充分混合，煅烧的时间和温度很高，能耗大，且制备的多孔材料孔径分布不均匀。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于：针对现有技术的不足，一种节能高效制备多孔材料的装置，其能够增强多孔材料制备的可控性，工艺流程简单，缩短制备周期，减少能耗，可实现批量连续生产，适用于工业制备多孔材料的实际应用。此外，本实用新型具有较好的适用性，通过改变不同原料，可获得不同类型的多孔材料，以满足不同的应用需求。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种节能高效制备多孔材料的装置，包括依次通过管道连接的储料容器、喷雾混合反应器、干燥箱和气氛烧结炉，所述喷雾混合反应器至少有两个进料口和一个出料口，所述喷雾混合反应器设有喷雾模块和储液模块，所述喷雾模块设有喷枪，所述喷枪与所述储液模块的液面夹角成30～90°。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，每个所述进料口的均通过高精度的恒流泵连接储料容器。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，所述储液模块中设有储液搅拌器，当喷雾工作时，通过搅拌作用将所述喷枪喷出的小液滴迅速带入储液模块的液体中，防止其在液面表层进行聚集，为产物提供更均一的生长环境，大大提高了产物微观形貌和粒径尺寸的一致性。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，所述进料口至少有一个喷雾进料口和一个储液进料口。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，所述喷雾混合反应器底部设有过滤模块，所述过滤模块包括过滤控制器和过滤板，开启过滤控制器后，所述储液模块的产物流经过滤板进行过滤处理，滤液从出料口流出，若进一步通过储液进料口加入其他物质，便可对产物进行进一步的洗涤、混合或反应等，实现喷雾、过滤、洗涤、混合或反应等工艺的连续性，减少能耗，可控性强，可以制备出一致性和稳定性好的产品，也更容易实现工业化放大生产。通过简单地拆卸过滤板，过滤洗涤后的产物便可直接转移到干燥箱中进行烘干，可以大大提高制备效率。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，所述过滤板为可拆卸过滤板，过滤洗涤后的产物可通过简单地拆卸过滤板，便可直接转移到所述干燥箱中进行烘干，操作简便，大大提高制备效率，适合工业化生产。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，所述喷雾模块还包括雾化压力表和喷幅压力表。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，所述储料容器中设有搅拌和超声装置，可以对浆料进行持续的搅拌和超声分散作用，使浆料达到全方位混合的效果，也对浆料的微观形貌和粒径尺寸产生有益的细化作用。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，所述出料口还连接有废水回收装置。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，所述喷枪采用外部混合式雾化，雾化过程由中心雾化孔和辅助雾化孔共同完成。通过中心雾化孔中的空气柱和物料流的相互配合作用，对物料产生第一级雾化；而辅助雾化孔可以使喷雾图形不至于扩展太快，同时有效地对高流速的物料产生第二级雾化。物料经过两次高效雾化后，变成均一且细小的雾滴喷射到储液模块的液体中，对提高混合反应的效果和产物的微观形貌产生有益的促进作用。

作为本实用新型节能高效制备多孔材料的装置的一种改进，所述喷雾反应器向所述喷枪输送物料的方式为重力式、虹吸式和压送式的一种。

本实用新型的优点是：采用了特有的喷雾混合反应器，通过喷雾的方式将物料喷射到液体中进行混合反应，喷雾形成的细小物料会迅速被储液模块中的液体所包裹，使物料在另一种液体中能够均匀分布。喷枪与液面形成一定的夹角，更有利于物料雾滴与液体之间的碰撞混合与充分反应。当喷雾工作时，通过储液搅拌器将喷枪喷出的细小物料迅速带入储液模块的液体中，防止其在液面表层进行聚集，为产物提供更均一的生长环境，大大提高了产物微观形貌和粒径尺寸的一致性。

喷雾混合反应器底部设有过滤模块，可以对产物进行过滤洗涤处理，若进一步通过储液进料口加入其他物质，便可对产物进行进一步的洗涤、混合或反应等，实现喷雾、过滤、洗涤、混合或反应等工艺的连续性，减少能耗，可控性强，可以制备出一致性和稳定性好的产品，也更容易实现工业化放大生产。通过简单地拆卸过滤板，过滤洗涤后的产物便可直接转移到干燥箱中进行烘干，可以大大提高制备效率。

储料容器中设有搅拌和超声装置，可以对浆料进行持续的搅拌和超声分散作用，使浆料达到全方位混合的效果，也对浆料的微观形貌和粒径尺寸产生有益的细化作用。

喷枪采用外部混合式雾化，雾化过程由中心雾化孔和辅助雾化孔共同完成。通过中心雾化孔中的空气柱和物料流的相互配合作用，对物料产生第一级雾化；而辅助雾化孔可以使喷雾图形不至于扩展太快，同时有效地对高流速的物料产生第二级雾化。物料经过两次高效雾化后，变成均一且细小的雾滴喷射到储液模块的液体中，对提高混合反应的效果和产物的微观形貌产生有益的促进作用。

整个制备过程工序简短、操作简便、节能高效，在喷雾混合反应器中就可以完成喷雾、混合、过滤、洗涤和反应等过程，不仅能制备形貌尺寸可控的材料，也使制备工艺更加连续性，材料更加具有均一性和稳定性，更容易实现工业化放大生产，另外，还有效避免了物料的挥发和浪费，净化了空气和工况条件。因为不同物质之间的相界面张力和溶解性不同，通过调节喷雾模块中的物料和储液模块中的液体的成分、配比、喷枪与液面夹角、喷枪压力等参数，便可以得到不同微观形貌的产物，对不同材料的制备与工业化生产具有良好的适用性。

本实用新型的另一目的是提供一种制备多孔材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)在一号储料容器中加入按一定比例称取的合成原料A和模板剂 B，并按产物固含量5～30wt％的比例添加溶剂C进行溶解,；

S2)在二号储料容器中加入储液模块所需液体D，并按一定进料速度比，通过高精度恒流泵将二号储料容器的物料输送到喷雾混合反应器的储液进料口中；喷枪与储液模块的液面之间的夹角为30～90°；

S3)一号储料容器的物料经过超声搅拌混合后,先按一定进料速度比，通过高精度恒流泵将一号储料容器的物料输送到喷雾混合反应器的喷雾进料口中，然后按一定压力，通过喷枪将物料变成雾滴，喷射到液体D中；

S4)几种物料在储液搅拌器的进一步作用下，高效混合、充分反应后，打开过滤控制器，通过过滤板将产物过滤，在储料进料口再次加入液体D，对产物进行洗涤和过滤处理，滤液由出料口排出或进一步回收，过滤后的产物进入到干燥箱中；

S5)干燥后的产物在通有惰性气体的气氛烧结炉中一次烧结，即得到多孔材料。

作为本实用新型制备多孔材料的方法的一种改进，所述的合成原料A为金属单质、金属氧化物、非金属单质、非金属氧化物的一种或两种的任意组合；所述的模板剂B为环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、氨基树脂的一种或任意两种的组合；

作为本实用新型制备多孔材料的方法的一种改进，所述的溶剂C 为二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮一种或任意两种的组合。

作为本实用新型制备多孔材料的方法的一种改进，所述的液体D 为水和无水乙醇中的一种或两种的组合。

作为本实用新型制备多孔材料的方法的一种改进，过滤洗涤后的产物先通过储液进料口加入包覆原料或掺杂原料对产物进行改性处理，混合充分并过滤后，产物进入到干燥箱中干燥处理。

作为本实用新型制备多孔材料的方法的一种改进，在气氛烧结炉中烧结的温度控制在400～900℃，烧结的时间控制在2～8h，所述的惰性气氛为氩气或氮气的一种。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：本实用新型通过喷雾的方式将物料喷射到一定溶液中，经过过滤、洗涤、干燥，最后通过一步烧结去除模板剂得到多孔材料。通过喷雾的方式，模板剂能更好地分布在合成原料中，而合成原料在喷雾和模板剂的作用下，颗粒间有序相互拼接不发生干扰，不仅不容易发生团聚现象，还使煅烧后的产物形貌可控、粒径分布均一，孔隙结构发达。

由喷雾形成细小而均一的雾滴，喷射到储液模块的液体中，由于喷雾物料中的溶剂能溶于储液模块中的液体，而合成原料和模板剂不溶，在几种物质的相界面张力下，以及空气流和物料流的相互作用下，模板剂均匀分布在合成原料表面或者内部，显著提高了不同物料之间的混合效果和使产物的微观形貌和粒径尺寸得到改变。

在过滤洗涤后，进一步加入其他物质，便可对产物进行进一步的洗涤、混合或反应等，实现喷雾、过滤、洗涤、混合或反应等工艺的连续性，减少能耗，可控性强，可以制备出一致性和稳定性好的产品，也更容易实现工业化放大生产。另外通过简单地拆卸过滤板，产物便可直接转移到干燥箱中进行烘干，可以大大提高制备效率。

附图说明

下面就根据附图和具体实施方式对本实用新型及其有益的技术效果作进一步详细的描述，其中：

图1是本实用新型结构示意图。

图2是实施例1的多孔材料制备流程示意图。

图3是实施例1制备的多孔材料的扫描电镜图片。

图4是实施例1制备的多孔材料的透射电镜图片。

图5以金属锂片为负极，本实用新型制备的多孔硅碳材料(实施例1)和硅材料(对比例1)的充放电性能比较图。

图6以金属锌片为负极，本实用新型制备的多孔二氧化锰/碳复合材料(实施例2)和二氧化锰材料(对比例2)的充放电性能比较图。

附图标记名称：1、一号储料容器 2、二号储料容器 3、喷雾混合反应器 4、干燥箱5、气氛烧结炉 6、喷枪 7、恒流泵 8、储液搅拌器 9、喷雾进料口 10、储液进料口 11、过滤控制器 12、过滤板 13、出料口 14、雾化压力表 15、喷幅压力表。

具体实施方式

下面就根据附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述，但本实用新型的实施方式不局限于此。

如图1所示，一种节能高效制备多孔材料的装置，包括依次通过管道连接的一号储料容器1、二号储料容器2、喷雾混合反应器3、干燥箱4和气氛烧结炉5，所述喷雾混合反应器3至少有两个进料口和一个出料口，所述喷雾混合反应器设有喷雾模块和储液模块，所述喷雾模块设有喷枪6，所述喷枪6与所述储液模块的液面夹角成 30～90°。

优选的，每个所述进料口的均通过高精度的恒流泵7连接储料容器。

优选的，所述储液模块中设有储液搅拌器8，当喷雾工作时，通过搅拌作用将所述喷枪6喷出的小液滴迅速带入储液模块的液体中，防止其在液面表层进行聚集，为产物提供更均一的生长环境，大大提高了产物微观形貌和粒径尺寸的一致性。

优选的，所述进料口至少有一个喷雾进料口9和一个储液进料口 10。

优选的，所述喷雾混合反应器3底部设有过滤模块，所述过滤模块包括过滤控制器11和过滤板12，开启过滤控制器11后，所述储液模块的产物流经过滤板12进行过滤处理，滤液从出料口13流出，若进一步通过储液进料口10加入其他物质，便可对产物进行进一步的洗涤、混合或反应等，实现喷雾、过滤、洗涤、混合或反应等工艺的连续性，减少能耗，可控性强，可以制备出一致性和稳定性好的产品，也更容易实现工业化放大生产。通过简单地拆卸过滤板12，过滤洗涤后的产物便可直接转移到干燥箱中进行烘干，可以大大提高制备效率。

优选的，所述过滤板12为可拆卸过滤板，过滤洗涤后的产物可通过简单地拆卸过滤板，便可直接转移到所述干燥箱中进行烘干，操作简便，大大提高制备效率，适合工业化生产。

优选的，所述喷雾模块还包括雾化压力表14和喷幅压力表15。

优选的，所述储料容器中设有搅拌和超声装置，可以对浆料进行持续的搅拌和超声分散作用，使浆料达到全方位混合的效果，也对浆料的微观形貌和粒径尺寸产生有益的细化作用。

优选的，所述出料口13还连接有废水回收装置。

优选的，所述喷枪6采用外部混合式雾化，雾化过程由中心雾化孔和辅助雾化孔共同完成。通过中心雾化孔中的空气柱和物料流的相互配合作用，对物料产生第一级雾化；而辅助雾化孔可以使喷雾图形不至于扩展太快，同时有效地对高流速的物料产生第二级雾化。物料经过两次高效雾化后，变成均一且细小的雾滴喷射到储液模块的液体中，对提高混合反应的效果和产物的微观形貌产生有益的促进作用。

优选的，所述喷雾反应器3向所述喷枪6输送物料的方式为重力式、虹吸式和压送式的一种。

实施例1

一种制备多孔材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)在一号储料容器中加入100g合成原料纳米硅颗粒和75g模板剂聚甲基丙烯酸甲酯，并按产物固含量8wt％的比例添加溶剂N,N- 二甲基甲酰胺进行溶解；

S2)在二号储料容器中加入储液模块所需纯水，并按一定进料速度比，通过高精度恒流泵将二号储料容器的纯水输送到喷雾混合反应器的储液进料口中；喷枪与储液模块的液面之间的夹角为90°；

S3)一号储料容器的物料经过超声搅拌混合后,通过高精度恒流泵将一号储料容器的物料输送到喷雾混合反应器的喷雾进料口中，然后设置雾化压力为0.1Mpa，喷幅压力为0.25Mpa，通过喷枪将物料变成雾滴，喷射到纯水中；

S4)几种物料在储液搅拌器的进一步作用下，高效混合、充分反应后，打开过滤控制器，通过过滤板将产物过滤，在储料进料口再次加入纯水，对产物进行洗涤和过滤处理，滤液由出料口排出或进一步回收；

S5)通过储液进料口加入纯水和30g碳源葡萄糖，利用储液搅拌器充分搅拌混合，过滤后的产物进入到干燥箱中；

S5)干燥后的产物在通有惰性气体的气氛烧结炉中一次烧结，升温速度5°/min，在850℃保温1h，经降温和粉碎即可得到多孔硅碳材料。

成品测试：对得到的多孔硅碳材料进行表征和电化学测试。发现制备的材料纯度高，杂质含量很少；具有良好的球形微观结构，颗粒尺寸细小均一。以金属锂片为负极，制备锂离子电池。在充放电电压为0.01～1.5V，电流密度为0.5A/g的进行充放电，测得本实用新型制备多孔硅碳材料的首次放电比容量在1822.4mAh/g，相比于对比样品硅材料，比容量提高了65.3％；经过100圈循环后，放电比容量仍保持在1316.8mAh/g，且充放电容量保持率在98.1％。

图2是实施例1的多孔材料制备流程示意图，工序短，操作简单，耗能小，可以高效节能地制备得到多孔材料。

图3是实施例1制备的多孔材料的扫描电镜图片，图4是实施例1制备的多孔材料的透射电镜图片，可见所制备的多孔硅碳材料颗粒尺寸较小，材料孔径大小分布均匀，孔隙结构发达。

实施例2

一种制备多孔材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)在一号储料容器中加入120g合成原料超细二氧化锰颗粒和 85g模板剂聚甲基丙烯酸甲酯，并按产物固含量10wt％的比例添加溶剂N-甲基吡咯烷酮进行溶解；

S2)在二号储料容器中加入储液模块所需纯水，并按一定进料速度比，通过高精度恒流泵将二号储料容器的纯水输送到喷雾混合反应器的储液进料口中；喷枪与储液模块的液面之间的夹角为60°；

S3)一号储料容器的物料经过超声搅拌混合后,通过高精度恒流泵将一号储料容器的物料输送到喷雾混合反应器的喷雾进料口中，然后设置雾化压力为0.15Mpa，喷幅压力为0.25Mpa，通过喷枪将物料变成雾滴，喷射到纯水中；

S4)几种物料在储液搅拌器的进一步作用下，高效混合、充分反应后，打开过滤控制器，通过过滤板将产物过滤，在储料进料口再次加入纯水，对产物进行洗涤和过滤处理，滤液由出料口排出或进一步回收；

S5)通过储液进料口加入纯水和50g碳源盐酸多巴胺，利用储液搅拌器充分搅拌混合，过滤后的产物进入到干燥箱中；

S5)干燥后的产物在通有惰性气体的气氛烧结炉中一次烧结，升温速度5°/min，在450℃保温3h，经降温和粉碎即可得到多孔二氧化锰/碳材料。

成品测试：对得到的多孔二氧化锰材料进行表征和电化学测试。以金属锌片为负极，硫酸锌和硫酸锰混合水溶液为电解液，制备水系锌离子电池。充放电电压为1.0～1.8V，1A/g电流密度进行充放电，测得多孔二氧化锰/碳复合材料放电比容量在123.3mAh/g，经过200 圈循环后，放电比容量仍保持在86.8mAh/g，相比于对比样品二氧化锰，具有更高的比容量和更优良的循环性能。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和结构的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (11)

1.一种节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于：包括依次通过管道连接的储料容器、喷雾混合反应器、干燥箱和气氛烧结炉，所述喷雾混合反应器至少有两个进料口和一个出料口，所述喷雾混合反应器设有喷雾模块和储液模块，所述喷雾模块设有喷枪，所述喷枪与所述储液模块的液面夹角成30～90°。

2.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，

每个所述进料口的均通过高精度的恒流泵连接储料容器。

3.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，所述储液模块中设有加快物料混合的储液搅拌器。

4.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，所述进料口至少有一个喷雾进料口和一个储液进料口。

5.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，

所述喷雾混合反应器底部设有过滤模块，所述过滤模块包括过滤控制器和过滤板。

6.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，

所述喷枪采用外部混合式雾化，雾化过程由中心雾化孔和辅助雾化孔共同完成。

7.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，所述喷雾混合反应器向所述喷枪输送物料的方式为重力式、虹吸式和压送式的一种。

8.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，所述储液模块中设有储液搅拌器。

9.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，所述喷雾模块还包括雾化压力表和喷幅压力表。

10.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，所述储料容器中设有搅拌和超声装置。

11.根据权利要求1所述的节能高效制备多孔材料的装置，其特征在于，所述出料口还连接有废水回收装置。