14超细微粉及湿凝胶的干燥

举例：制备Y2O3-ZrO2超细微粉
方法 共沉淀法制得Y2O3-ZrO2凝胶，正丁醇为溶剂，
共沸蒸馏脱水，制得Y2O3-ZrO2超细微粉。
结果 无团聚、分散良好、烧结性能优良； 烧结密度=96-97.5%理论密度。
共沸蒸馏脱水的优越性
共沸蒸馏脱水所用溶剂不必是无水溶剂，溶剂所含 的水在共沸蒸馏中脱除； 共沸蒸馏蒸出的含水有机溶剂蒸汽，冷凝分层后， 溶剂相可循环使用，不需添加大量溶剂； 分离出的水相易通过精馏回收，不造成溶剂的大量 损失和环境污染； 共沸脱水和回收水相溶剂的能耗<有机溶剂置换法
料液→过滤→加压
旋风分离→尾气
喷雾干燥法的基本过程（三个阶段） A、将浓缩液分散成细小的微滴； B、将细小微滴与热气流混合，使水分迅速蒸发； C、将干燥的粉粒体颗粒从干燥空气中分离出来
14.5.3 浆液的雾化
喷雾干燥系统的组成 ❖空气加热系统 ❖原料液供给系统 ❖雾Байду номын сангаас干燥系统 ❖废气排放及微粉回收系统 ❖系统控制装置及废热回收 装置
部
共
分
冷
沸
凝 器
蒸
共
馏
沸 精
馏
脱
含水微粉
塔
冷
冷
凝
凝
器
器
相
相
分 离
分 离 器
器
水相 精馏塔
水
正丁醇
流
共 沸
蒸
程
馏
釜
无水微粉浆
废水
含水 正丁醇储槽
14.4 冷冻干燥
14.4.1 冷冻干燥法 将配制好的阳离子盐溶液喷入到低温有机液
体中（用干冰或丙酮冷却的乙烷浴内），使液体 进行瞬间冷冻和沉淀在玻璃器皿的底部，将冷冻 球状液滴和乙烷筛选分离后放入冷冻干燥器，在 维持低温减压条件下，溶剂升华、脱水，再在煅 烧炉内将盐分解，可制得超细粉体。
雾化器分类和特点 （1）旋转式雾化器
操作简便、适用 范围广；料液通道 大，不易堵塞；动 力消耗少；不适用 粘度大的浆液；不 需高压泵。 加工制造要求高， 检修不便。
（2）压力式雾化器
操作压强3-20MPa； 结构简单、操作及检修 方便、省动力； 喷嘴孔较小，易堵塞且 磨损大； 不适用于高粘度液体及 悬浮液； 需要高压浆液泵。
14.4.2 冷冻干燥原理及过程 1、纯物质的p-T图
P Pc
3液
压缩流 C 体区
1-2线
升华线
固
升华 凝华
气
相
固
相
2 气相
2-C线 汽化线
液
蒸发 冷凝
汽
1 汽体 气体
Tc T
2-3线
熔化线
固
溶化 凝固
液
2、冷冻干燥过程
P
2
1
34
升华 Tc T
1→2：常温常压，急冷， 固体；
2→3：等温降压，固体； 3→4：等压升温，冰升华
c. 操作简单，特别适合于高纯陶瓷材料用超微粉体的
制备。
14.5 喷雾干燥
14.5.1 概述
喷雾干燥是采用雾化器将原料液分散为雾滴，并以 热气流(空气、氮或过热蒸汽)干燥雾滴而获得粉状或 粒状物料的一种干燥方法。
原料液可以是溶液、乳浊液或悬浮液，也可以是熔 融液或膏糊状稠浆。
干燥产品可根据生产要求制成粉状、颗粒状、空心 球或圆粒状
14.1.2 超细微粉的团聚
软团聚 团 聚
硬团聚
范德华力和库伦力 溶剂分散或研磨、超声
化学键力 研磨、超声和压实，也不 易被破坏
1、团聚过程
伴随着成核和生长过程有聚结过程同时发生； 在固－液分离过程中形成团聚结构； 在粉体焙烧过程中可使已形成的团聚体因发生 局部烧结而结合得更牢固。
2、团聚机理
化学键的形成：微粉颗粒之间形成氢键，干燥灼 烧脱水形成-O-化学键-硬团聚 晶桥或晶颈的形成：物质的内聚力把微粉颗粒连 接起来形成
1、凝胶种类与收缩 粉体性凝胶：收缩小 胶态性凝胶：收缩大 聚合凝胶：粘弹性变形，因收缩使粘性增加
2、凝胶收缩的推动力 液-固界面张力：含液体的湿区收缩，可能自发脱水 收缩 固-气界面张力：干区收缩 重新分配压力：固-气界面张力>液-固界面张力，驱 使湿区液体流向干区，使湿区有更大的收缩推动力。
3、干燥过程 蒸发→固相的粘性变形→微孔中流体(液体和蒸汽)的 流动
第14章 超细微粉及湿凝胶的干燥
14.1 干燥原理
干燥对微分的粒径分布、后续加工的难易，对 于凝胶的结构等都有重要的影响。
14.1.1 干燥过程的收缩 微粒形成的颗粒及凝胶在干燥过程中会发生收
缩和变形。变形收缩的推动力：毛细管应力。变形 收缩的程度取决于被干燥物质的本性和干燥过程的 阶段性及快慢。
3、团聚的根本原因
液-固、液-气界面张力的存在是干燥过程引起 凝胶变形和颗粒聚集的原因。水的存在是干燥过 程中形成硬团聚的根源。
4、消除团聚的方法 控制反应条件，选择合适的沉淀剂； 充分洗涤，去除固液混合态里液相中残存的各 种盐类杂质离子； 用表面张力比水低的醇、丙酮等有机溶剂洗涤 以取代剩留在颗粒间的水。
14.3 共沸蒸馏脱水干燥法
原理 把制成的微粉悬浮液或凝胶，用水洗尽无机杂质
后，再加入到与水部分互溶或不互溶、沸点比水高的 有机溶剂中，在搅拌下共沸蒸馏，使水与有机溶剂以 最低恒沸物的形式蒸馏除尽。
有机溶剂经冷凝分层后循环使用。脱尽水分的 悬浮物，分离去大量有机溶剂后，热力干燥，得到无 团聚的疏松微粉。
5、消除团聚的干燥技术 ➢有机溶剂置换法 ➢共沸蒸馏脱水干燥法 ➢冷冻脱水干燥法 ➢超临界流体干燥法 ➢喷雾干燥法
14.2 有机溶剂置换法
原理 用有机溶剂，例如乙醇和丙酮，进行多次洗涤、
置换出水，然后再进行干燥，即可消除硬团聚，制得 疏松易碎、有良好烧结活性的微粉。
特点 防止硬团聚； 多次洗涤脱水，有机溶剂耗量大； 回收用过的溶剂成为无水溶剂，能耗和成本更高
喷雾干燥的特点
干燥速度快，物料受热时间短。 干燥条件和产品的质量指标易于调节。 生产效率高，操作人员少。 生产过程简化，后续工序少。 设备较庞大，投资费用、动力和热能消耗均较大。 回收被废气夹带的成品粉未的装置复杂。
14.5.2 喷雾干燥工艺流程
工艺流程
空气→过滤→风机→加热
干料
喷雾
成水蒸气逸出，留 下粒间有空隙的疏 松微粉
3、冷冻干燥法的突出优点
a. 在溶液状态下均匀混合，适合于极微量组分的添加，
有效地合成复杂的陶瓷功能粉体材料并精确控制其最 终组成； b. 制备的超微粉体粒度分布范围窄，在10-500 nm范
围内，冷冻干燥物在煅烧时内含气体极易逸出，容易 获得易烧结的陶瓷超微粉体，由此制得的大规模集成 电路基片平整度好，用来制备催化剂，则其表面积和 反应活性均较一般过程高；