专利名称：全返混液膜反应器及其在制备超细阴离子层状材料中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全返混液膜反应器及其在制备超细阴离子层状材料中的应用。
阴离子层状材料的化学组成为[M2+1-xM3+x(OH)2]An-x/nmH2O，其中M2+和M3+为二价和三价金属离子，An-为n价负离子，近年来阴离子层状结构材料已成为国际上新兴的研究热点。当上述材料的晶粒尺寸小到一定尺寸成为超细(纳米级)阴离子层状材料时，可使材料的性能发生根本性的变化，以至突破，表现出许多与一般材料截然不同的性能，诸如高强度、高硬度和陶瓷超塑性等。正是由于这种材料具有的特殊性能使其在石油化工、复合材料、农业、军事等方面得到广泛应用。
作为阴离子层状材料最常用的制备方法—盐溶液与碱溶液共沉淀法(溶胶-凝胶法)，所采用设备也是常规的釜式反应器，由于盐与碱在反应釜中的混合通过搅拌的方式实现，混合很不充分，反应界面小、存在浓度梯度、反应速度和扩散速度慢，因此先沉淀的粒子上形成新沉淀粒子，新旧粒子的同时存在，导致粒子尺寸分布极不均匀。使合成材料的粒子尺寸和均分散性能受到很大影响，其晶体的尺寸也很难达到纳米量级，极大限制了此类材料的应用。
本发明的目的创制一种全返混液膜反应器，并将其用于制备超细阴离子层状材料中，从而提供一种制备超细阴离子层状材料的新方法。使共沉淀反应中反应物在瞬间充分混合，使其同步成核，达到成核粒子的均匀性，结合程序控温动态晶化，使晶粒达到纳米量级，且晶粒分布均匀。
本发明的要点一种用于液-液两相共沉淀反应的全返混液膜反应器，由一封闭的机壳作为定子，定子内有一可旋转的锥体状转子，转子的外表面和定子的内表面分别带有凹槽，定子上设有原料进液口和出料口，进液口位于转子横截面积小的一端，出料口位于转子横截面积大的一端，转子上横截面积小的一端带有液体分布器。定子内表面与转子外表面之间留有一个可调节大小的缝隙，缝隙尺寸可通过转子与定子相对位置的变化在1-20微米之间调变。
转子为锥体状，其锥度(纵向截面上斜边与底边的夹角)为50-70度，定子的内腔为与转子锥度相同的锥体状。转子的外表面和定子的内表面上的凹槽形状、个数相同，可以为径向、倾斜等多种排列，最好是定子内表面的凹槽呈螺旋状，转子外表面的凹槽呈相反方向的螺旋状。
上述反应器可以用于液-液共沉淀法制备超细阴离子层状材料，其具体步骤为A将可溶性二价无机金属盐和可溶性三价无机金属盐配制成混合盐溶液，二价金属离子与三价金属离子的摩尔比为1-4.5，二价金属离子的摩尔浓度为0.2-2.5M，三价金属离子的摩尔浓度为0.1-1.25M；B将步骤A中混合盐溶液与碱溶液分别同时加入权利要求1或2的反应器中，经液体分布器分散后，在转子与定子之间的缝隙处充分混合，经出料口排出到晶化釜；控制转子的转速为1000-8000rpm，出料口的流量为100-1000kg/h，碱溶液的用量以与盐溶液混合后pH在8.5-13为适宜；C晶化釜中的混合浆液在70-180℃下进行搅拌，晶化2-24h，将晶化后的物质经过滤、洗涤、干燥即得阴离子层状材料。
步骤A所述的可溶性二价金属盐为Mg2+Zn2+Cu2+Ni2+Fe2+Mn2+Ca2+与Cl-CO32-NO3-Bn2-F-Br-I-SO42-ClO3-OH-H2PO4-WO42-有机磺酸阴离子组成的可溶性盐中的任何一种；可溶性三价金属盐为Al3+Cr3+Fe3+V3+Co3+Ga3+Ti3+与Cl-CO32-NO3-Bn2-F-Br-I-SO42-ClO3-OH-H2PO4-WO42-有机磺酸阴离子组成的可溶性盐中的任何一种；步骤B中的碱溶液为氢氧化钠、氨水、碳酸钠、尿素中任何一种或它们的混合溶液。
本发明的效果本发明从共沉淀法制备阴离子层状材料的基本工艺出发，利用晶体化学原理，设计了一种全返混液膜反应器，采用强制微观混合技术，将成核与晶化分开，使反应物在反应器中迅速充分混合，反应后物质迅速脱离反应器，实现粒子的同时成核、同步生长，从而使材料具有粒子尺寸小和分布均匀的特性，粒子的尺寸可以达到10-100nm。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述
图1本发明全返混液膜反应器的结构示意2液体分布器剖面3转子平面展开示意1为本发明全返混液膜反应器的结构示意图，转子4为一安装在电机轴7上的锥体，锥度α为50-70度，图1中为60度，其外表面带有螺旋状凹槽，图1中凹槽截面为矩形，槽宽与槽深比为1-5∶1，图1中为4∶1；螺旋槽的个数与转子的大截面一端直径的厘米数之比为2-3∶1，图1中为3-1。定子3为一个内腔为锥体的圆柱体，其内表面带有与转子反方向的螺旋状凹槽，凹槽的个数、形状与转子的相同。从图1中可以看出定子3通过螺纹5调节与转子之间的缝隙，缝隙的可调节范围为1-20微米。从图2中可以看出液体分布器为带有4个矩形叶片8的圆盘，通过销钉9与转子连接。
在将上述反应器用于阴离子层状材料的制备时，可溶性二价无机金属盐和可溶性三价无机金属盐组成的混合盐溶液与碱溶液分别通过定子3上的两个进料口1经液体分布器2后，在转子4与定子3之间的缝隙处充分混合，经出料口6排出到晶化釜。实施例1镁铝-碳酸根阴离子层状材料的合成选取1.6摩尔氯化镁和0.4摩尔硫酸铝配成1升溶液，取3.8摩尔NaOH和1.6摩尔Na2CO3配成1升的溶液，将两溶液在全返混液膜反应器中混合，反应器缝隙11μm，转子转速为3000r/min，出料口处液体流量为500kg/h，混合浆液pH＝11.0，混合后浆液在100℃晶化6小时，过滤、洗涤、干燥。
产物晶相结构良好，均值粒径0.1μm，粒子分布D90(90％的粒子)小于0.12μm。实施例2锌铝-碳酸根阴离子层状材料的合成选取1.6摩尔硫酸锌和0.2摩尔硫酸铝，取4.2摩尔NaOH和1.6摩尔Na2CO3配成1升溶液，将两溶液在全返混液膜反应器中混合，反应器缝隙8μm，转子转速1500r/min，出料口处液体流量为200kg/h，混合浆液pH＝10.5，混合浆液在100℃晶化4小时，过滤，洗涤、干燥。
产物晶相结构良好，均值粒径0.08μm，粒子分布D90小于0.1μm。实施例3钴铝-硝酸根阴离子层状材料的合成选取1.6摩尔硝酸钴和0.4摩硝酸铝配成1升溶液，取5.0摩尔NaOH配成1升溶液，将两溶液在全返混液膜反应器中混合，反应器缝隙10μm，转子转速4000r/min，出料口处液体流量为700kg/h，混合浆液pH＝9.5，混合浆液在100℃晶化6小时，过滤，洗涤、干燥。
产物晶相结构良好，均值粒径0.13μm，粒子分布D90小于0.15μm。实施例4镍铝-碳酸根阴离子层状材料的合成选取1.6摩尔硝酸镍和0.4摩尔硝酸铝配成1升溶液，取3.5摩尔NaOH和1.6摩尔Na2CO3配成1升溶液，将两溶液在全返混液膜反应器中混合，反应器缝隙16μm，转子转速9000r/min，出料口处液体流量900kg/h，混合浆液pH＝9.0，混合浆液在100℃晶化8小时，过滤，洗涤、干燥。
产物晶相结构良好，均值粒径0.2μm，粒子分布D90小于0.25μm。实施例5锰铝-硝酸根阴离子层状材料的合成选取1.6摩尔硝酸锰和0.4摩尔硝酸铝配成1升溶液，取4.8摩尔NaOH配成1升溶液，将两溶液在全返混液膜反应器中混合，反应器缝隙5μm，转子转速2000r/min，出料口处液体流量为300kg/h，混合浆液pH＝10.0，混合浆液在100℃晶化6小时，过滤，洗涤、干燥。
产物晶相结构良好，均值粒径0.07μm，粒子分布D90小于0.11μm。实施例6锌镁铝-碳酸根阴离子层状材料的合成选取0.8摩尔硫酸镁和0.4摩尔硫酸锌及0.2摩尔硫酸铝配成1升溶液，取40.5摩尔NaOH和2.0摩尔Na2CO3配成1升溶液，将两溶液在全返混液膜反应器中混合，反应器缝隙12μm，转子转达速3500r/min，出料口处液体流量450kg/h，混合浆液pH＝10.5，混合浆液在100℃晶化5小时，过滤，洗涤、干燥。
产物晶相结构良好，均值粒径0.09μm，粒子分布D90小于0.11μm。
权利要求
1.一种用于液-液两相共沉淀反应的全返混液膜反应器，由一封闭的机壳作为定子，定子内有一可旋转的锥体状转子，转子的外表面和定子的内表面分别带有凹槽，转子横截面积小的一端带有液体分布器，定子上设有原料进液口和出料口，进液口位于转子横截面积小的一端，出料口位于转子横截面积大的一端，其特征是定子内表面与转子外表面之间留有一个可调节大小的缝隙，缝隙尺寸可通过转子与定子相对位置的变化在1-20微米之间调变。
2.根据权利要求1的反应器，其特征是转子的锥度为50-70度，定子的内腔为与转子锥度相同的锥体状，定子内表面的凹槽呈螺旋状，转子外表面的凹槽与定子的凹槽形状、个数相同，但呈相反方向的螺旋状，凹槽的槽宽与槽深比为1-5∶1，转子上凹槽的个数与转子的最大直径的厘米数之比为2-3∶1。
3.一种利用权利要求1或2的反应器制备超细阴离子层状材料的方法，采用共沉定法，具体步骤为A将可溶性二价无机金属盐和可溶性三价无机金属盐配制成混合盐溶液，二价金属离子与三价金属离子的摩尔比为1-4.5，二价金属离子的摩尔浓度为0.2-2.5M，三价金属离子的摩尔浓度为0.1-1.25M；B将步骤A中混合盐溶液与碱溶液分别同时加入权利要求1或2的反应器中，经液体分布器分散后，在转子与定子之间的缝隙处充分混合，经出料口排出到晶化釜；控制转子的转速为1000-8000rpm，出料口的流量为100-1000kg/h，碱溶液的用量以与盐溶液混合后pH在8.5-13为适宜；C晶化釜中的混合浆液在70-180℃下进行搅拌，晶化2-24h，将晶化后的物质经过滤、洗涤、干燥即得阴离子层状材料。
4.根据权利要求3的方法，其特征是步骤A所述的可溶性二价金属盐为Mg2+Zn2+Cu2+Ni2+Fe2+Mn2+Ca2+与Cl-CO32-NO3-Bn2-F-Br-I-SO42-ClO3-OH-H2PO4-WO42-有机磺酸阴离子组成的可溶性盐中的任何一种；可溶性三价金属盐为Al3+Cr3+Fe3+V3+Co3+Ga3+Ti3+与Cl-CO32-NO3-Bn2-F-Br-I-SO42-ClO3-OH-H2PO4-WO42-有机磺酸阴离子组成的可溶性盐中的任何一种；步骤B中的碱溶液为氢氧化钠、氨水、碳酸钠、尿素中任何一种或它们的混合溶液。
全文摘要
本发明涉及全返混液膜反应器及其在制备超细阴离子层状材料中的应用。本发明从共沉淀法制备阴离子层状材料的基本工艺出发,利用晶体化学原理,设计了一种全返混液膜反应器,采用强制微观混合技术,两种液体反应物在反应器转子与定子之间的缝隙处迅速充分混合接触,反应后物质迅速脱离反应器,实现粒子的同时成核、同步生长,从而使材料具有粒子尺寸小和分布均匀的特性,粒子的尺寸可以达到10－100nm。
文档编号C04B35/624GK1358691SQ0013214
公开日2002年7月17日 申请日期2000年12月14日 优先权日2000年12月14日
发明者段雪, 矫庆泽, 李峰, 何静, 郭灿雄 申请人:北京化工大学