一种超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统与方法转让专利
申请号 : CN202010626012.0
文献号 : CN111774580B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 王树众 , 张宝权 , 徐甜甜 , 王玉珍 , 杨健乔
申请人 : 西安交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统,其特征在于,包括:产物分离‑清洗模块,实现超临界水热合成产物的三相分离和固相清洗,包括三相分离器(1),三相分离器(1)的固液相出口接第一离心分离装置(2),第一离心分离装置(2)的固相出口接真空手套箱(7),真空手套箱(7)的出口分为三路,第一路接第一缓冲清洗罐(3),第二路接第二缓冲清洗罐(4),第一缓冲清洗罐(3)和第二缓冲清洗罐(4)的出口均连接第二离心分离装置(8),第二离心分离装置(8)的固相出口接真空手套箱(7);
产物包覆‑干燥处理模块,实现产物的包覆和干燥处理,包括包覆处理罐(9),包覆处理罐(9)的固相入口连接真空手套箱(7)出口的第三路,包覆处理罐(9)的液相入口接包覆剂溶液调配罐(10)的出口,包覆处理罐(9)的出口接第三离心分离装置(11),第三离心分离装置(11)的液相出口接包覆剂溶液调配罐(10)的入口,固相出口接干燥装置(14);
气相产物回收模块,回收气相产物,包括连接三相分离器(1)气相出口的变压吸附装置(12)以及与变压吸附装置(12)连接的气瓶(13)。
2.根据权利要求1所述超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统,其特征在于,所述产物分离‑清洗模块还包括清洗液储罐(5),清洗液储罐(5)的出口分为三路,分别连接第一缓冲清洗罐(3)、第二缓冲清洗罐(4)和真空手套箱(7)。
3.根据权利要求1所述超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统,其特征在于,所述产物包覆‑干燥处理模块还包括包覆剂溶剂储罐(6),包覆剂溶剂储罐(6)的出口接包覆剂溶液调配罐(10),所述干燥装置(14)的气相出口接冷凝器(15),冷凝器(15)的液相出口接包覆剂溶剂储罐(6)。
4.根据权利要求1所述超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统,其特征在于,所述第一缓冲清洗罐(3)和第二缓冲清洗罐(4)并联设置,交替搅拌、排料,保持第二离心分离装置(8)入口流量稳定。
5.根据权利要求1所述超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统,其特征在于,所述包覆处理罐(9)、包覆剂溶液调配罐(10)中均设置有搅拌装置。
6.根据权利要求1所述超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统的连续式后处理方法,其特征在于,包括:
产物分离‑清洗流程,超临界水热合成产物在三相分离器(1)中进行分离,固液相产物经过3次分离与2次清洗:第一次分离在第一离心分离装置(2)中进行,第一次分离产物从真空手套箱(7)转鼓中取出后进入第一缓冲清洗罐(3),与清洗液搅拌进行第一次清洗,之后进入第二离心分离装置(8)进行第二次分离,分离产物再次进入真空手套箱(7);第二次分离产物从真空手套箱(7)转鼓中取出后进入第二缓冲清洗罐(4),与清洗液搅拌进行第二次清洗,之后进入第二离心分离装置(8)进行第三次分离,最后从转鼓中取出进入产物包覆‑干燥处理流程;
产物包覆‑干燥处理流程,经过3次分离与2次清洗得到的纳米粉体产物在包覆处理罐(9)中实现包覆,包覆剂溶液在包覆剂溶液调配罐(10)中实现浓度可调的调配,第三离心分离装置(11)离心分离后剩余包覆剂溶液重新回到包覆剂溶液调配罐(10)中,而离心分离所得纳米产物经由干燥装置(14)实现干燥,并通过包覆剂溶剂冷凝器(15)实现包覆剂溶剂的回收,所述纳米产物包括金属及金属氧化物纳米颗粒、磷酸铁锂,所述清洗液为去离子水或乙醇,所述包覆剂为抗氧化包覆剂或导电包覆剂;
气相产物回收流程,三相分离器(1)分离得到的气体经由变压吸附装置(12)获得指定气体,并储存于气瓶(13)中。
说明书 :
一种超临界水热合成制备纳米材料的连续式后处理系统与
方法
技术领域
背景技术
端制造、新能源、绿色化工、生命医学、军工科技等领域的应用,引发了所在领域的革命性技
术突破,具有极其光明的应用前景。纳米材料的制备是纳米技术广泛应用的根本基础,只有
掌握高端纳米材料的制备技术才能抢占纳米技术制高点。
制备方法会添加有机溶剂或剧毒的添加剂成分,在生产中造成严重污染。传统纳米制造方
法所面临的诸多问题使得纳米材料的价格相当高,如50nm左右的纳米二氧化钛的价格为30
~40万/吨,严重制约了纳米材料的规模化应用,同时也限制了相关产业的发展。
水中只有少量的氢键存在,介电常数近似于有机溶剂,具有极高的扩散系数和极低的粘度。
超临界水热合成技术是一种用于纳米金属粉体制备的绿色合成技术。超临界水热合成技术
的基本原理为密闭高压容器中采用超临界水为反应介质,以超临界水作为反应介质,使金
属盐在水热介质中发生水解、脱水反应,进而成核、生长、最终形成具有一定粒度和结晶形
态的纳米粉体。
水热合成制备纳米金属颗粒的技术优势主要包括以下几个方面:
的包裹,以提高纳米产品的保存寿命、抑制颗粒团聚。这一过程极其复杂,严重限制了液相
法制备纳米材料的产量。
通常损失大量包覆剂及其溶剂,造成大量的浪费。另一方面,超临界水热合成的产物一般含
有气液固三相,其中气相产物通常被人们忽略。以甲酸铜反应物体系制备纳米铜为例,产物
中除纳米颗粒的悬浮液,还包括大量的氢气、二氧化碳等气体,根据估算,回收产物中氢气
可实现较大的经济效益。
对于提升超临界水热合成技术的经济性具有十分重要的意义。
发明内容
理模块,设置包覆剂及其溶剂的回收系统,并设置变压吸附装置回收气体,可实现纳米产物
多次分离清洗与包覆处理的连续进行、包覆剂与包覆剂溶剂的完全利用、反应产气中气体
的回收利用。
口接真空手套箱7,真空手套箱7的出口分为三路,第一路接第一缓冲清洗罐3,第二路接第
二缓冲清洗罐4,第一缓冲清洗罐3和第二缓冲清洗罐4的出口均连接第二离心分离装置8,
第二离心分离装置8的固相出口接真空手套箱7;
调配罐10的出口,包覆处理罐9的出口接第三离心分离装置11,第三离心分离装置11的液相
出口接包覆剂溶液调配罐10的入口,固相出口接干燥装置14;
包覆剂溶剂储罐6。
8进行第二次分离,分离产物再次进入真空手套箱7;
产物包覆‑干燥处理流程。
离心分离后剩余包覆剂溶液重新回到包覆剂溶液调配罐10中,而离心分离所得纳米产物经
由干燥装置14实现干燥,并通过包覆剂溶剂冷凝器15实现包覆剂溶剂的回收。
三次离心的同时进行,避免离心机间歇运行的情况下,减少了设备的数量;两个并联设置的
缓冲清洗罐也具有一备一用的作用,可提高系统运行稳定性。
及包覆剂溶剂的回收利用,可实现包覆剂及其溶剂的完全利用,提高系统经济性。
附图说明
覆处理罐,10为包覆剂溶液调配罐,11为第三离心分离装置,12为变压吸附装置,13为气瓶,
14为干燥装置,15为包覆剂溶剂冷凝器。
具体实施方式
本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范
围。
的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆
盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于
清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品
或设备固有的其他步骤或单元。
以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可
以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,
可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
口接真空手套箱7,真空手套箱7的出口分为三路,第一路接第一缓冲清洗罐3,第二路接第
二缓冲清洗罐4,第一缓冲清洗罐3和第二缓冲清洗罐4的出口均连接第二离心分离装置8,
第二离心分离装置8的固相出口接真空手套箱7;第一缓冲清洗罐3和第二缓冲清洗罐4并联
设置,交替搅拌、排料,保持第二离心分离装置8入口流量稳定。
调配罐10的出口,包覆处理罐9、包覆剂溶液调配罐10中均设置有搅拌装置;包覆处理罐9的
出口接第三离心分离装置11,第三离心分离装置11的液相出口接包覆剂溶液调配罐10的入
口,固相出口接干燥装置14。
清洗罐3、第二缓冲清洗罐4和真空手套箱7;包覆剂溶剂储罐6的出口接包覆剂溶液调配罐
10,干燥装置14的气相出口接冷凝器15,冷凝器15的液相出口接包覆剂溶剂储罐6。
空手套箱7转鼓中取出后进入第一缓冲清洗罐3,与清洗液搅拌进行第一次清洗,之后进入
第二离心分离装置8进行第二次分离,分离产物再次进入真空手套箱7;第二次分离产物从
真空手套箱7转鼓中取出后进入第二缓冲清洗罐4,与清洗液搅拌进行第二次清洗,之后进
入第二离心分离装置8进行第三次分离,最后从转鼓中取出进入产物包覆‑干燥处理流程。
配,第三离心分离装置11离心分离后剩余包覆剂溶液重新回到包覆剂溶液调配罐10中,而
离心分离所得纳米产物经由干燥装置14实现干燥,并通过包覆剂溶剂冷凝器15实现包覆剂
溶剂的回收
产物经由三相分离器1获得气相产物与分散于液相中的固相纳米产物,前者进入变压吸附
装置12,收集价值较高的氢气,并将其储存在气瓶13中,后期可出售氢气以获得额外经济效
益。
中,而来自清洗液储罐5的去离子水也进入第一缓冲清洗罐3中,通过搅拌实现对纳米铜的
第一次清洗。之后纳米铜悬液经过第二离心分离装置8进行第二次分离,所得固相经由真空
手套箱7进入第二缓冲清洗罐4中,同样通入去离子水进行搅拌,排入第二离心分离装置8进
行第三次分离。第一缓冲清洗罐3和第二缓冲清洗罐4的排料是交替进行的。
溶液,并加入包覆处理罐9中,与纳米产物混合搅拌实现包覆。包覆处理罐9出口连接第三离
心分离装置11,分离出的硬脂酸乙醇溶液重新回到包覆剂溶液调配罐10中继续利用,而分
离所得固相纳米铜进入干燥装置14(真空干燥机),干燥得到最终产品。
纳米铜进行硬脂酸包覆处理,防止纳米铜氧化,所用包覆剂溶液为含5~10%硬脂酸的乙醇
溶液。
连续运行,有效提高了生产效率,减少了设备数量。通过设置包覆剂及其溶剂的回收系统,
可实现包覆剂与包覆剂溶剂的完全回收利用,显著提高系统运行经济性。通过设置三相分
离器与气体变压吸附装置,可分离出反应产物中的气相产物,并吸附收集其中有价值的气
体,带来较大的经济效益。
突的情况下可以进行自由组合,从而在解决本发明的技术问题。
举示例性实施例的实施方式。