中國粉體網(wǎng)訊 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(zhì),、傳熱或反應過程速率，在生產(chǎn)能力不變的情況下減小設備體積,、節(jié)能減排,、提質(zhì)增效的可持續(xù)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(yōu)勢，在納微顆粒的制備方面受到廣泛關注,。
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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(huán)境下物質(zhì)所受到的合力,，基于超重力環(huán)境下物質(zhì)物理化學變化過程的原理而創(chuàng)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博士首次提出了“Higee（high gravity）,，譯為超重力”的概念。超重力簡而言之就是要比常規(guī)重力場要大的一個環(huán)境,，一般是比常規(guī)重力大100到1000倍,。超重力技術是一種可以增強氣液傳質(zhì)和改善化學反應的過程，其傳質(zhì)系數(shù)要比傳統(tǒng)重力場大很多,。
超重力反應器設備及特點
通常超重力環(huán)境可以通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力來模擬實現(xiàn),。這種旋轉(zhuǎn)的設備之一是旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子、填料,、外殼,、氣體和液體進出口等組成,，其中轉(zhuǎn)子是固定并帶動填料層旋轉(zhuǎn)提供模擬超重力環(huán)境的主要部件。氣相物質(zhì)經(jīng)氣體入口進入超重力機空腔內(nèi),，由于腔內(nèi)氣體存在壓差,，內(nèi)部氣體會由轉(zhuǎn)子外緣處進入填料區(qū)。液體物料在通過由轉(zhuǎn)子帶動的高速旋轉(zhuǎn)的填料時,，會被填料內(nèi)穩(wěn)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(huán)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(zhì)過程和分子混合過程。
旋轉(zhuǎn)填料床結構簡圖
RPB具有很多優(yōu)點：（1）傳質(zhì)單元高度低,，僅有1.2cm,，遠小于傳統(tǒng)固定床的傳質(zhì)單元高度；（2）相間傳質(zhì)和微觀混合效率高,，比傳統(tǒng)固定床高1-3個數(shù)量級,；（3）器內(nèi)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(fā)揮巨大的優(yōu)勢,；（5）設備體積遠小于傳統(tǒng)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(huán)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(yè)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(jīng)被廣泛應用于許多工業(yè)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(yōu)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(chǎn)效率可顯著提高（生產(chǎn)能力可提高4-20倍）,，有利于納米材料的規(guī)模化生產(chǎn),。在常規(guī)水性介質(zhì)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(tǒng)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(huán)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獨特優(yōu)勢，近年來北化超重力團隊率先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(xiàn)了部分納米材料的工業(yè)化生產(chǎn),，如納米碳酸鈣。
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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(zhuǎn)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(huán)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(guī)路線制備的顆粒粒徑(~350nm)小,。經(jīng)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專利,。段紹君等利用環(huán)形轉(zhuǎn)盤的超重力旋轉(zhuǎn)填料床制備超細碳酸鋰粉體，并與傳統(tǒng)的夾套反應器進行對比,。結果表明,，超重力旋轉(zhuǎn)填料床制備出的產(chǎn)品形貌較好，無雜相,，產(chǎn)出的粉體粒徑更加均一,。He等對比了旋轉(zhuǎn)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(xiàn)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(yè)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(yè)化生產(chǎn)線。實現(xiàn)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(yī)藥,、電子、航天等眾多領域,，陸續(xù)開發(fā)出了旋轉(zhuǎn)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,。
參考資料：
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王志勇.碳基納米催化材料及超重力強化反應過程研究
鮑俊.超重力法制備納米銀及其復合材料研究
周念.超重力反應技術制備納米正極材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的研究
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呂文利等.超重力技術應用研究進展
宋春雨等.典型過程強化技術在納米材料制備中的應用進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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