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超重力技術在納米材料制備中的應用

時間：2025-12-03 瀏覽：1052次

過程強化技術是化學工程學科的研究前沿和熱點方向之一，是采用新技術或新設備等，提升傳質、傳熱或反應過程速率，在生產能力不變的情況下減小設備體積、節能減排、提質增效的可持續綠色化工新技術。而作為化工過程強化技術中的一種有力技術手段，超重力技術擁有設備體積小、強化微混合等優勢，在納微顆粒的制備方面受到廣泛關注

超重力技術在納米材料制備中的應用

超重力技術

超重力是指在高于地球重力加速度（g=9.8m/s²）的環境下物質所受到的合力，基于超重力環境下物質物理化學變化過程的原理而創立的應用技術稱為超重力技術。

超重力技術誕生于1979年，來自英國的Ramshaw博士提出了“Higee（high gravity），譯為超重力”的概念。超重力簡而言之就是要比常規重力場要大的一個環境，一般是比常規重力大100到1000倍。超重力技術是一種可以增強氣液傳質和改善化學反應的過程，其傳質系數要比傳統重力場大很多。

超重力反應器設備及特點

通常超重力環境可以通過高速旋轉產生離心力來模擬實現。這種旋轉的設備之一是旋轉填充床（Rotating Packed Bed，簡稱RPB)，又被稱為超重力反應器。

RPB反應器主要由轉子、填料、外殼、氣體和液體進出口等組成，其中轉子是固定并帶動填料層旋轉提供模擬超重力環境的主要部件。氣相物質經氣體入口進入超重力機空腔內，由于腔內氣體存在壓差，內部氣體會由轉子外緣處進入填料區。液體物料在通過由轉子帶動的高速旋轉的填料時，會被填料內穩定的多孔道結構切割并破碎形成不斷更新的微元流體。液體在這種高分散、高湍動、強混合以及界面急速更新的環境下進行氣液兩相甚至氣液固多相逆向接觸，有效地強化了傳質過程和分子混合過程。

超重力技術在納米材料制備中的應用
旋轉填料床結構簡圖

RPB具有很多優點：

（1）傳質單元高度低，僅有1.2cm，遠小于傳統固定床的傳質單元高度；

（2）相間傳質和微觀混合效率高，比傳統固定床高1-3個數量級；

（3）器內液體的停留時間很短，約為0.1-1s；

（4）設備壓降小，液泛點高，能耗小，使其在氣液比比較高的體系中發揮巨大的優勢；

（5）設備體積遠小于傳統固定床，可有效減少設備的投資成本，降低設備運輸、安裝、拆卸和維修的難度；

（6）可用于震動性和移動性較強的環境。

超重力技術制備納米材料研究進展

在誕生之初，超重力技術主要應用于分離過程的強化，核心技術也掌握在英國和美國的部分企業和學校中，我國關于這方面的研究相對較少。80年代末，北京化工大學與美國凱斯西儲大學合作，正式開始了超重力技術的基礎和應用技術研究。

作為一種過程強化技術，超重力技術已經被廣泛應用于許多工業應用。目前為止，RPB已被廣泛應用于吸收、蒸餾、吸附、分離、乳化、反應沉淀等過程，在化工分離、新材料制備、氣體凈化處理、海洋工程等領域被廣泛采用。

在納米材料制備方面，超重力法具有明顯的優勢：制備的納米顆粒尺寸更小，粒徑分布更窄，分散性更好。同時，超重力技術工程放大較容易，生產效率可顯著提高（生產能力可提高4-20倍），有利于納米材料的規模化生產。在常規水性介質中，納米顆粒的成核特征時間大約為1ms級。在RPB反應器中，分子混合特征時間估算為0.4－0.04ms或更小，明顯小于成核特征時間。而在傳統攪拌式反應器中，分子混合特征時間約為5-50ms，明顯大于成核特征時間。因此，在RPB反應器中，納米顆粒的成核過程是在微觀均勻的環境中進行的，從而使得成核過程可控，得到的納米顆粒粒徑更小且粒度分布更窄。

基于超重力法制備納米材料的優勢，近年來北化超重力團隊提出了超重力法制備納米材料的新工藝，成功制備了納米銀、零價鐵等納米金屬，氧化鋅、四氧化三鐵、二氧化硅等納米氧化物，氫氧化鎂、氫氧化鋁等納米氫氧化物及一些納米復合材料，并且實現了部分納米材料的工業化生產，如納米碳酸鈣。

超重力技術在納米材料制備中的應用

除此之外，近年來超重力法也成功用于熒光納米材料、鋰電等材料的制備過程。Leng等采用旋轉填充床反應器，結合水熱和煅燒過程制備納米熒光粉Gd₂O₃:Yb³⁺/Er³⁺，利用超重力環境強化顆粒沉淀過程的混合效果，制備的熒光粉納米顆粒粒徑<100nm，比常規路線制備的顆粒粒徑(~350nm)小。經表面改性后與聚氨酯均勻混合，形成柔性透明的復合材料。黃新武等人采用RBHC得到了平均粒徑為60nm的鎳錳酸鋰以及申請了有關納米粉體材料等方面。段紹君等利用環形轉盤的超重力旋轉填料床制備超細粉體，并與傳統的夾套反應器進行對比。結果表明，超重力旋轉填料床制備出的產品形貌較好，無雜相，產出的粉體粒徑更加均一。He等對比了旋轉填充床反應器和攪拌反應器制備的二氧化鋯納米分散體，并初步應用于LED的封裝。結果顯示，超重力制備的納米分散體顆粒更小，更有利于在有機溶劑或聚合物主體溶液之中實現高分散，從而進行改性處理。

小結

在納米顆粒制備方面，超重力技術可極大地強化微觀混合效果，使成核過程可控。近年來，在工業化制備和理論研究方面不斷取得進展，納米碳酸鈣已形成商業化生產線。實現了多相流、多步驟的納米顆粒合成路徑，可制備高分散、粒徑更小的顆粒，應用于醫藥、電子、航天等眾多領域，陸續開發出了旋轉填充床反應器平臺用于系列化納米顆粒的制備，成為了納米材料制備的平臺性技術之一。