一种纳米拟薄水铝石的制备方法及微通道反应器技术

本发明专利技术涉及无机纳米材料及微通道反应器，具体地说是一种纳米拟薄水铝石的制备方法及微通道反应器，两股液相反应液由平流泵输送至微通道反应器，在微通道反应器内完成沉淀反应后，经过一系列后处理，得到高纯度的纳米材料。本发明专利技术采用了单通道和多通道两种微反应器。本发明专利技术的优点为过程可控、原料混合效果好、反应速度快、可进行高通量操作；反应过程连续、操作弹性大；时空收率高、产品纯度高、粒径尺度可控、窄粒径分布。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无机纳米材料及微通道反应器，具体地说是一种适用于利用液-液直接沉淀反应生产纳米材料的方法及实现该方法所采用的微通道反应器；其利用微通道反应器，以中和法来制备高纯度的纳米拟薄水铝石。
技术介绍
微通道反应器一般指反应通道宽度在1mm以下的反应器。90年代初，研究者开始尝试将微反应器应用于化学反应。在短短十几年的时间里，这项技术在世界各地已经取得了长足的发展。各种反应类型，如液-液反应，气-液反应，催化反应等，都可以在微通道反应器中进行。本世纪初开始，在微通道反应器中制备纳米材料引起了人们的广泛兴趣。很多科研机构和高校都开展了这方面的工作。微通道反应器的最大特点是尺寸小，因而能实现良好的微观混合。对于纳米材料的生产来说，微观混合程度是一项非常重要的工艺条件，它直接影响到所制备的纳米材料的品质。利用微反应器制备纳米材料具有明显优势。然而目前在微通道中制备纳米材料有几个共同特点：反应浓度低、流速慢、产量小(John deMello，Andrew deMello，LabChip，2004：11N；Jingxi Ju，Cangfeng Zeng，Lixiong Zhang，Nanping Xu，Chem.Eng.J.，2006，116：115)。这样的工艺特点当然是与微通道反应器本身的特点是分不开的，但是并不适用于工业上的大批量生产。因此在微通道中高流速，高浓度地生产纳米材料是具有挑战性，并具有重大现实意义的研究方向。拟薄水铝石是γ-Al2O3的重要前驱体，在工业中应用广泛。它的制备过程直接影响到最后产品的性能。利用偏铝酸钠与硫酸铝的中和反应以制备纳米拟薄水铝石是其中一种重要的方法。偏铝酸钠与硫酸铝的混合比例直接影响到混合溶液的pH值，从而影响到最后产物的晶型。在酸性条件下，得到的是凝胶状的氧化铝水合物，属于无定形材料。而pH值过高时，得到的是氢氧化铝晶体。只有控制适当的条件，才能得到拟薄水铝石晶体。而用大体积的反应器时，由于反应器内部微观混合不均匀，导致局部比例不均，所得到的拟薄水铝石晶体不纯，其中夹杂有氢氧化铝等其它晶型。这是传统法制备拟薄水铝石的一个主要缺陷。在微通道内制备拟薄水铝石尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能高效率地生产高纯度纳米拟薄水铝石的方法，以及这种方法所要用到的微反应器。-->为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种纳米拟薄水铝石的制备方法，利用液-液直接沉淀反应在带有至少两个进口和一个出口的微反应器中制备纳米材料，包括下列步骤：1)将0.1～1.0mol/l偏铝酸钠溶液和0.01～0.5mol/l硫酸铝溶液两股水相溶液分别经由能精确控制流速的平流泵(严格控制流速，使它们受到泵压处理，使平流泵中的物流以控制的速度排出泵的底部)输送至微通道反应器的两个入口；硫酸铝溶液输送至微通道反应器的流速范围在1～10ml/min；偏铝酸钠溶液与硫酸铝溶液的体积流量比为3～10；2)两股水相溶液在微通道反应器中接触并混合发生反应后，从反应器的出口处流出进入沉积槽；3)沉积槽中的产物进行陈化处理并干燥得目的产物。所述偏铝酸钠溶液浓度最好为0.3～0.7mol/l，硫酸铝溶液浓度最好为0.05～0.2mol/l，硫酸铝溶液输送至微通道反应器的流速最好为8～10ml/min，偏铝酸钠与硫酸铝的流量比控制在一定范围，以控制适当的pH值，体积流量比最好为6～8。陈化前可在反应产物中加入Na2CO3溶液，提高溶液的pH值至8.5～9.5；陈化温度需要加以控制，可以用水浴锅或油浴锅或是其它方式加以控制，温度范围在20℃～90℃；陈化时间为0.5h～72h；陈化温度最好为25℃～60℃，陈化时间最好为2h～48h；陈化完成后的样品用离心机洗涤，并放入烘箱中烘干。用于实现上述方法的微通道反应器，包括至少两块基板；位于其中任一基板中的至少三条微通道，即至少两条进口通道，和分别与进口通道相连的至少一条反应通道；及分别与进口通道连接的至少两个进口，与和反应通道连接的一个出口。进口微通道与反应微通道特征尺寸可以一致，也可以不同当进口通道比反应通道的内径小时，可以提高反应物撞击的强度，提高微观混合效果，微通道的水力半径范围应在1mm以下，优选在0.2mm-1.0mm。微通道长度范围在0.2cm～50cm，优选1cm～4cm。每条进口通道可以设置有一条或一条以上的分支；当进口通道设有一条以上的分支时，上级微通道与下级微通道之间以半圆弧形微通道相连，且微通道的当量直径尺寸逐级递减，递减幅度在20-80％。与反应通道相连的至少二条进口通道间的夹角可以是任意角度，优选为60～180°。所述基板之间以不锈钢螺栓连接密封或采用真空扩散焊接。两进口微通道之间有一定的角度，优选60～180°。进口通道可以是单通-->道也可以是多通道。当进口通道为多通道时，上级微通道与下级微通道之间以半圆弧形微通道相连，微通道尺寸逐级递减，递减幅度在20％-80％；本专利技术具有如下优点：由于采用微通道反应器，使得反应过程可控、原料混合效果好、反应速度快、可进行高通量操作；反应过程连续、操作弹性大；时空收率高、产品纯度高、粒径尺度可控、粒径分布窄。附图说明图1为反应流程装置框图；图2为多通道反应器实物图；图3为样品的XRD图；其中：1、工业品拟薄水铝石XRD图，2、实例1样品XRD图，3、实例3样品XRD图；图4为样品的TEM图。具体实施方式如图1所示，用于实现本方法的装置包括：1)两台液体平流泵；2)一个微通道反应器；包括两块基板；位于其中任一基板中的三条微通道，即两条进口通道，和分别与进口通道相连的一条反应通道；及分别与进口通道连接的两个进口，与和反应通道连接的一个出口。每条进口通道可以设置有一条或一条以上的分支；进口通道设三级分流，上级微通道与下级微通道之间以半圆弧形微通道相连，且微通道的当量直径尺寸逐级递减，递减幅度在20％，最末一级分流有8条分支。3)用于盛装原料及反应物的烧杯等辅助设备；4)减少流体波动的单向阀；5)连接各个设备的塑料管。实施例11)将9.84克铝酸钠溶解于200ml自来水中，配制成0.6mol/l的溶液，将6.84g硫酸铝溶解于200ml自来水中，配制成0.1mol/l的溶液。2)用两台平流泵向单通道反应器的两个进口分别输入铝酸钠和硫酸铝溶液，两股溶液在接口处撞击混合，并沿着反应通道继续进行反应。维持硫酸铝流速为9ml/min，调节铝酸钠溶液流速，在出口处测得产物pH值为7.5。3)收集出口处的铝盐溶液，加入少量Na2CO3溶液，调节pH值至9。放入45℃水浴中陈化24h。然后用离心机洗涤3次。放入烘箱中110℃加热10h，烘干，原料转化率100％；将烘干后的产物碾磨成粉，作XRD分析，得到纳米级目的产物—纯拟薄水铝石。TEM图显示所得材料为丝状纳米拟薄水铝石。-->实施例21)将4.92g铝酸钠溶解于200ml自来水中，配制成0.3mol/l的溶液，将3.42g硫酸铝溶解于200ml自来水中，配制成0.05mol/l的溶液。2)用两台平流泵向单通道反应器的两个进口分别输入铝酸钠和硫酸铝溶液，两股溶液在接口处撞击混合，并沿着反应通道反应。恒定硫酸铝流速为8ml/min，调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米拟薄水铝石的制备方法，利用液－液直接沉淀反应在带有至少两个进口和一个出口的微反应器中制备纳米材料，包括下列步骤：　１）将０．１～１．０ｍｏｌ／ｌ偏铝酸钠溶液和０．０１～０．５ｍｏｌ／ｌ硫酸铝溶液两股水相溶液分别经由能精确控制流 速的平流泵输送至微通道反应器的两个入口；　硫酸铝溶液输送至微通道反应器的流速范围在１～１０ｍｌ／ｍｉｎ；　偏铝酸钠溶液与硫酸铝溶液的体积流量比为３～１０；　２）两股水相溶液在微通道反应器中接触并混合发生反应后，从反应器的出 口处流出进入沉积槽；　３）沉积槽中的产物进行陈化处理并干燥得目的产物。

【技术特征摘要】
1.一种纳米拟薄水铝石的制备方法，利用液-液直接沉淀反应在带有至少两个进口和一个出口的微反应器中制备纳米材料，包括下列步骤：1)将0.1～1.0mol/l偏铝酸钠溶液和0.01～0.5mol/l硫酸铝溶液两股水相溶液分别经由能精确控制流速的平流泵输送至微通道反应器的两个入口；硫酸铝溶液输送至微通道反应器的流速范围在1～10ml/min；偏铝酸钠溶液与硫酸铝溶液的体积流量比为3～10；2)两股水相溶液在微通道反应器中接触并混合发生反应后，从反应器的出口处流出进入沉积槽；3)沉积槽中的产物进行陈化处理并干燥得目的产物。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述偏铝酸钠溶液浓度为0.3～0.7mol/l，硫酸铝溶液浓度为0.05～0.2mol/l，硫酸铝溶液输送至微通道反应器的流速为8～10ml/min，偏铝酸钠与硫酸铝的流量比为6～8。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：陈化前可在反应产物中加入Na2CO3溶液，提高溶液的pH值至8.5～9.5；陈化温度20℃～9...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈光文，应盈，赵玉潮，乐军，李淑莲，初建胜，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]