编号：NMJS09527
篇名： 超重力—微界面传质强化碳化法制备纳米碳酸钙及其在中空碳材料合成中的应用
作者： 王伟超
关键词： 纳米碳酸钙; 立方形; 棒状; 超重力; 微界面; 中空碳材料; 可行性分析;
机构：广西大学
摘要： 纳米碳酸钙是一种重要的无机非金属材料,广泛应用于塑料、造纸、涂料、医药等行业。纳米碳酸钙可通过碳化和复分解制备,碳化通常采用外场强化技术,如喷雾和超重力等。本文将超重力与微界面技术复合在一起,采用超重力-微界面传质强化碳化技术,使二氧化碳气泡粒径达到微米级,强化了气液微观传质过程,极大地提高了碳化反应速率。应用超重力-微界面传质强化碳化技术制备了立方形和棒状纳米碳酸钙,并以立方形纳米碳酸钙为模板制备氮掺杂中空多孔碳材料,且对年产1000吨超重力-微界面传质强化法生产纳米碳酸钙进行可行性分析。对所制备碳酸钙样品,采用扫描电子显微镜（SEM）、X-射线粉末衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）等对形貌、结构、性能等进行了表征。主要研究结果如下: （1）超重力-微界面传质强化碳化技术利用高速旋转的离心泵产生强大的离心力,与由丝网填料构成的微界面装置复合,使二氧化碳气泡粒径分散为微米级,采用高速摄像机在线拍摄二氧化碳气泡分布状态。结果表明,当液流量为4 m3·h-1,气流量为3～6 L·min-1时,超重力-微界面反应器中气泡尺寸为70～300μm。二氧化碳气泡尺寸的大幅度缩小,有效地提高了反应场气含率,增加了气液反应相界面积,强化了气液微观混合,缩短碳化反应时间到20 min。 （2）以所制备碳酸钙形貌的规整性、均一性为主要考核指标,分别考察并确定了超重力-微界面传质强化碳化法制备立方形、棒状纳米碳酸钙的最优工艺条件,并探讨了相应形成机理。结果表明,立方形纳米碳酸钙:碳化起始温度20℃、葡萄糖添加量为理论生成碳酸钙质量的2%、氢氧化钙浓度4 wt%,在碳化反应前期,葡萄糖分子中的羟基与碳酸钙各个晶面产生了物理吸附,降低了晶面的表面能促进了方解石的生成,立方形纳米碳酸钙的生长过程为碳酸钙晶核生长为线性中间体,再逐渐断裂生长为立方形纳米碳酸钙;棒状纳米碳酸钙:碳化起始温度40℃、柠檬酸添加量为理论生成碳酸钙质量的2%、二氧化碳气流量3 L·min-1,在碳化反应过程中柠檬酸与碳酸钙作用生成了柠檬酸钙,促进了棒状纳米碳酸钙的生成,棒状纳米碳酸钙的生长过程为碳酸钙晶核生长为线性中间体,线性中间体逐渐断裂为小颗粒,随着碳化反应的进行,小颗粒重新组装为棒状纳米碳酸钙。 （3）以所制备立方形纳米碳酸钙为模板,盐酸多巴胺作为碳源与氮源制备氮掺杂中空多孔碳材料（NHPC）。结果表明,所制备氮掺杂中空多孔碳材料（NHPC）呈立方形纳米中空多孔结构,粒径约为50 nm,形貌规整,粒径均一。中空多孔碳材料（NHPC）表面C元素、N元素、O元素分布均匀,比表面积为497.7 m2·g-1。 （4）纳米碳酸钙在我国拥有广阔的应用前景和市场,超重力-微界面传质强化碳化法制备纳米碳酸钙技术有着良好的技术优势。以超重力-微界面传质强化碳化法制备纳米碳酸钙技术为基础,对年产1000吨超重力-微界面传质强化法生产纳米碳酸钙进行物料衡算、热量衡算和经济技术可行性初步分析。结果表明,年产1000吨超重力-微界面传质强化法生产纳米碳酸钙项目,每年需消耗氧化钙560吨、二氧化碳440吨、电133500度、水2496吨、改性剂30吨;需要提供冷量为3.73×10～3千卡/时;三年预计投入为854.68万元,第三年可盈利87.66万元,表明该项目具有较好的市场前景。