纳米碳酸钙的制备技术与生产

纳米碳酸钙的制备技术与生产

摘要：重点对国内几种工业化的纳米碳酸钙制备技术：间歇式碳化法、超重力法、多级喷雾碳化法、非冷冻法和膜分散微结构反应器法的制备工艺、技术特点进行了评述。综述了国内纳米碳酸钙的生产现状，并对工业生产中存在问题和今后的发展方向进行了讨论。

关键词：纳米碳酸钙；制备技术；工业化生产

纳米技术是当今世界各国争先发展的科技热点，但纳米技术和材料的研究、生产及其应用在我国尚处于起步阶段，可以产业化的只有为数不多的几个品种，纳米碳酸钙便是其中最具代表性的品种之一。

我国于20世纪80年代初开始纳米碳酸钙制备技术的研究，80年代末实现工业化生产，已研制出多种制备技术，主要有：间歇式碳化法、超重力法、多级喷雾碳化法、非冷冻法、垂直筛板塔式碳化法、内循环碳化塔制备法、喷射吸收法、“双喷”新工艺、自吸式搅拌反应器制备法、管式反应碳化法、微乳法制备法、超声空化法等［1］，这些制备技术有些已成功地用于工业生产中，生产出不同晶型和不同用途的纳米碳酸钙产品，部分技术水平已达到甚至超过国际先进水平。目前，已实现工业化的主要有间歇式碳化法、超重力法、多级喷雾碳化法、非冷冻法和膜分散微结构反应器制备纳米碳酸钙技术。

1间歇式碳化法

1.1间歇鼓泡式碳化法

间歇鼓泡式碳化法是国内外较常用的生产方法，该法是将净化后的氢氧化钙乳液降温到25℃以下，泵入碳化塔并保持一定液位，由塔底通入含有二氧化碳的窑气鼓泡进行碳化反应，通过控制反应温度、浓度、气液比、添加剂等工艺条件制备纳米碳酸钙。此法投资小、工艺过程及操作简单，但能耗较高，工艺条件难以控制，粒度分布较宽。广东广平化工实业有限公司从日本白石公司引进的、广东恩平市嘉维化工实业有限公司、安徽铜陵集团碳酸钙厂以及广东省龙门县精细碳酸钙厂早期的纳米碳酸钙生产装置就是采用这种技术生产的。其工艺流程图见图1：

1.2间歇搅拌式碳化法

间歇搅拌式碳化法采用低温搅拌鼓泡釜式碳化反应器，通过加入晶形控制剂制备不同晶体结构和不同粒径的碳酸钙。该法是将25℃以下的氢氧化钙乳液泵

入碳化反应罐中，通入二氧化碳，在搅拌状态下，进行碳化反应，通过控制反应温度、浓度、搅拌速度、添加剂等工艺条件制备纳米碳酸钙。该法因搅拌气-液接触面积大，反应较均匀，产品粒径分布较窄等，已成为近几年纳米碳酸钙生产的主要方法。采用该技术建设的有上海卓越纳米新材料股份有限公司、山西兰花华明纳米材料有限公司、江西华明纳米碳酸钙有限公司、上海耀华纳米科技有限公司等。其制备技术主要有华东理工大学技术化学物理研究所和上海卓越纳米新材料股份有限公司拥有。其工艺流程图见图2［2］：

间歇搅拌式碳化法由于影响产品粒径的因素较多，在工业生产过程中控制困难，因此存在着重复性差，粒径分布不均匀等缺点；碳化反应器存在着放大试验负效应大，反应周期长，单台设备生产能力低等不利因素。针对以上不足，上海卓越纳米新材料股份有限公司通过在产业化过程中的实践，对碳化反应过程控制及碳酸钙粒子表面改性等方面作了重大改进，主要解决了粒子分布、表面处理优化、粒子二次团聚等问题，使产品质量有了进一步的提高，已形成了具有自主专利的制备技术，工艺技术已达国际先进水平，该制备技术具有下列特点［3］：

①达到和部分超过国外同类产品指标；②粒子性能（形貌、粒度、晶型）可控，形成了不同形态的纳米碳酸钙系列产品，适合各种不同用途对粒子形貌的要求；③产品性能稳定重复性强，0.1kt/a中试、3kt/a工业化试验和15kt/a生产线合成粒子与小试产品粒子性能相同，且批与批之间相当重复，消除了化工生产中的放大效应；④进行了纳米碳酸钙的表面改性处理，现已形成用于汽车底漆、涂料、密封胶、塑料、橡胶和油墨等不同用途的系列化纳米级碳酸钙产品。上海卓越纳米新材料股份有限公司的工程塑料、硅橡胶、涂料、油墨用等系列纳米活性碳酸钙已全部取代国外诸如日本白石公司、法国Solvay公司产品进入国内外知名独资公司、合资公司，并取得发明专利一项：高档胶印油墨用纳米透明碳酸钙的制备方法（专利号：ZL01 1 26404.7）。

2超重力法

北京化工大学超重力研究中心研制开发的超重力法合成纳米碳酸钙技术，成功地制备出粒径为15～30nm的纳米碳酸钙，并为合成纳米颗粒而设计了具有独特新型结构的超重力反应器。超重力反应器是一高速旋转的填料床，超重力碳化技术是指氢氧化钙乳液在超重力反应器中通过高速旋转的填料床时，获得较重力加速度大2～3个数量级的离心速度，在这种情况下，乳液被填料破碎成极小的液滴、液丝和极薄的液膜，极大地增加了气液接触面，强化了碳化速度；同时，由于乳液在旋转床中得到高度分散，限制了晶粒的长大，即使不添加晶形控制剂，也可制备出粒径为15～30nm的纳米级碳酸钙。其工艺流程图见图3［4］：

超重力法合成纳米碳酸钙技术与超重力反应装置具有如下特点［5］：①超重力反应法基于分子混合与反应结晶理论，合成纳米碳酸钙的方法和设备，属国际首创；②以氢氧化钙乳液和二氧化碳为原料，利用气-液-固超重力反应法，成功的合成出平均粒径15～30nm、比表面积在62～77m2/g范围内粒度可调、粒度分布均匀、品质高的纳米碳酸钙产品，其质量指标处于国际领先水平；③粒子性能（形貌、粒度、晶型）可控，形成了不同形态的纳米碳酸钙系列产品，毋需添加晶体生产抑制剂，即可生成各种不同用途对粒子形貌的要求，且产品纯度高；

④适用范围广，超重力法制备技术和装备不但适用于气-液-固三相反应，而且还适用于气-液和液-液反应体系制备纳米材料，已成功地制备出碳酸钙、氢氧化铝、碳酸锶、碳酸钡、白碳黑等纳米粉体材料，开发了相应的气-液-固超重力反应法、气-液超重力反应法和液-液超重力反应法制备技术，表明超重力法技术和装备具有很强的通用性，是一项平台性的高新技术；⑤工业化实验表明，超重力法技术和装置与传统的间歇鼓泡式、间歇搅拌式碳化法制备技术相比，具有设备体积小、生产效率高，产品质量稳定等特点，但设备投资高、单台设备生产能力小、二氧化碳利用率低是影响和制约其工业化生产的主要障碍。

目前，蒙西高新材料股份公司、山西芮城华新纳米材料有限公司、巢东纳米材料科技股份有限公司、山东盛大科技股份有限公司等单位利用该技术建设的工业化生产装置也已建成投产。

3多级喷雾碳化法

河北科技大学胡庆福等［6］研究的多级喷雾碳化技术，采用三段喷雾碳化塔，氢氧化钙乳液通过压力喷嘴喷成雾状与二氧化碳混合气体逆流接触，使氢氧化钙乳液为分散相，窑气为连续相，大大增加了气液接触表面，通过控制氢氧化钙乳液浓度、流量、液滴径、气液比等工艺条件，在常温下可制得粒径在40～80nm的碳酸钙。其制备技术具有下列特点：①连续生产效率高，生产能力大，操作稳定；②气液接触面积大，反应均匀，晶核生成和成长可分开控制，易于实现在不同碳化率下添加控制剂、表面处理剂等；③可制造立方形、链锁形等各种单一型产品，可制造超细（＜100nm）和超微细（＜20nm）产品，粒度均匀；④可以用少量活性物质制造出均匀的高活性产品。采用此法生产的有湖南大乘氮有限公司。

4非冷冻法

间歇式碳化法、超重力法和多级喷雾碳化法三种生产技术，因受温度变化的影响，粒径变化频率较大，且碳酸钙生产过程中的碳化过程是一种放热反应，要保证产品细度，就要严格要求控制温度，通过在碳化过程中的冷冻将浆液温度控制在25℃以下，方可使碳酸钙结晶粒子的形成在100nm以下。由于制冷设备的投入、维护费用和电能消耗，产品生产成本高，对企业的经济效益有较大的影响。

非冷冻法制备纳米碳酸钙技术与其它制备技术区别在于：采用间歇鼓泡式碳化法，在不改变装置设备的情况下，通过陆续加入配置的多种分散剂的方法，在碳化塔内与浆液一起反应，取消了冷冻系统，减少了能耗，降低了生产成本。非冷冻法制备纳米碳酸钙技术具有以下特点［7］：

①碳化是在常温常压下进行，能耗低、投资小、生产成本低。与超重力法、间歇式碳化法制备技术相比，对10kt/a的纳米碳酸钙项目，项目总投资分别为4000万元、2000万元和1800万元，吨产品成本分别为2000元、1250元和1000元；②产品粒径通过调整分散剂配方和使用量调控，操作容易。产品粒径可根据需要在10～100nm范围内调整，且粒度分布窄；③干燥前的表面处理，既可以防止纳米粒子在干燥阶段的吸附团聚，也提高了纳米碳酸钙的分散性能，通过添加