中國粉體網(wǎng)訊 過程強化技術(shù)是化學(xué)工程學(xué)科的研究前沿和熱點方向之一,，是采用新技術(shù)或新設(shè)備等，提升傳質(zhì)、傳熱或反應(yīng)過程速率，在生產(chǎn)能力不變的情況下減小設(shè)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(shù),。而作為化工過程強化技術(shù)中的一種有力技術(shù)手段,，超重力技術(shù)擁有設(shè)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(guān)注,。
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超重力技術(shù)
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(xué)變化過程的原理而創(chuàng)立的應(yīng)用技術(shù)稱為超重力技術(shù)。
超重力技術(shù)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(shù)是一種可以增強氣液傳質(zhì)和改善化學(xué)反應(yīng)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(yīng)器設(shè)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(shè)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(yīng)器。
RPB反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)備體積遠小于傳統(tǒng)固定床,，可有效減少設(shè)備的投資成本,，降低設(shè)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(shù)制備納米材料研究進展
在誕生之初,，超重力技術(shù)主要應(yīng)用于分離過程的強化,，核心技術(shù)也掌握在英國和美國的部分企業(yè)和學(xué)校中，我國關(guān)于這方面的研究相對較少,。80年代末,，北京化工大學(xué)與美國凱斯西儲大學(xué)合作，正式開始了超重力技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究,。
作為一種過程強化技術(shù),，超重力技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)應(yīng)用。目前為止,，RPB已被廣泛應(yīng)用于吸收,、蒸餾、吸附,、分離,、乳化、反應(yīng)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(lǐng)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(shù)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)�,；a(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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)器，結(jié)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(fù)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(guān)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(yīng)器進行對比。結(jié)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(yīng)器和攪拌反應(yīng)器制備的二氧化鋯納米分散體,，并初步應(yīng)用于LED的封裝。結(jié)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(jié)
在納米顆粒制備方面,，超重力技術(shù)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(yīng)用于醫(yī)藥,、電子、航天等眾多領(lǐng)域,，陸續(xù)開發(fā)出了旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)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(shù)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(yīng)過程研究
鮑俊.超重力法制備納米銀及其復(fù)合材料研究
周念.超重力反應(yīng)技術(shù)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(shù)應(yīng)用研究進展
宋春雨等.典型過程強化技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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