超臨界流體技術(shù)在超細粉體工業(yè)中的應(yīng)用
更新時間:2021-07-30 | 點擊率:1845
超臨界流體技術(shù)在超細粉體工業(yè)中的應(yīng)用
超細粉體,特別是納米級粉體的研制,在當前的高新技術(shù)中己成為一個熱門領(lǐng)域,在材料、化工、輕工、冶金、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。過去已發(fā)展形成了一些常規(guī)技術(shù)用于制備超細粒子,但這些方法由于各自存在的缺點而制約著其應(yīng)用。噴霧干燥、超細碾磨的主要缺點是形成的粒子尺寸分布寬,并且只有一小部分的粒子屬于納米范圍。超臨界流體技術(shù)為超細粉體,特別是熱敏性、具生物活性(如生物制品)或具催化活性粉末的制備提供了一條新途徑。
一、超臨界流體的形成與性質(zhì)
1.超臨界態(tài)與超臨界流體
純物質(zhì)在密閉容器中隨溫度與壓力的變化會呈現(xiàn)出液體、氣體、固體等狀態(tài)。當溫度和壓力達到特定的臨界點以上時,液體與氣體的界面會消失,液、氣合并為均勻的流體,這就被稱為“超臨界流體”(Supercriticalfluid,簡稱SCF)。臨界點時的溫度稱為臨界溫度,此時的壓力稱為臨界壓力(見圖1)。在臨界點附近,流體的物理化學(xué)性質(zhì),如密度、黏度、溶解度、熱容量、擴散系數(shù)、介電常數(shù)等會發(fā)生急劇的變化,如表2所示。
2.超臨界流體的特性
超臨界流體同時具備氣、液兩態(tài)的雙重性質(zhì)(二像性)。
像液體:密度、溶解能力和傳熱系數(shù)接近于液體,比氣體大數(shù)百倍。它是的溶劑,可溶解許多固體,包括難溶的樹脂、油污、農(nóng)藥、咖啡因、氮化硅、晶圓和線路板蝕刻后的殘渣等。
像氣體:黏度、表面張力和擴散系數(shù)接近于氣體,擴散速率比液體快約兩個數(shù)量級,傳遞速率遠高于液體。
超臨界流體可循環(huán)使用,從而節(jié)省資源與成本。其種類很多(見表2),常用的是二氧化碳和水。由表2的數(shù)據(jù)可見,在眾多的超臨界流體中,二氧化碳具有低的臨界溫度和臨界壓力,它節(jié)能環(huán)保、原料易得、價格低廉、溶解力強、無毒且阻燃、易于回收利用、產(chǎn)物易純化,適于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用,所以成為目前國內(nèi)外應(yīng)用*的超臨界流體。
二、超臨界流體技術(shù)制備超細粉體的方法及原理
1超臨界流體快速膨脹法
超臨界流體快速膨脹法(RapidExpansionofSupercriticalSolutions,RESS)利用了SCF在臨界點附近對溫度和壓力變化非常敏感的特性,其基本過程見圖2。先將溶質(zhì)溶解于一定溫度和壓力下的SCF中,然后讓超臨界溶液在非常短的時間(1×10-8-1×10-5s)內(nèi)通過一個特定的噴嘴進行減壓膨脹,由此產(chǎn)生一個以音速傳遞的強烈機械擾動和極大的過飽和比,導(dǎo)致溶質(zhì)在瞬間形成大量的晶核,并在較短的時間內(nèi)完成晶核的生長,從而生成大量微小、粒度分布均勻的超細微粒。
RESS過程中影響微粒形態(tài)、粒徑和粒徑分布范圍的因素主要有:噴嘴結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)濃度、SCF壓力、預(yù)膨脹溫度、膨脹后溫度、溶液的膨脹程度及速率等。
優(yōu)點:設(shè)備及過程簡單、操作容易且形成的粒子尺寸??;
缺點:只能處理可以較好溶于SCF的物料,且一般物料在SCF的溶解度極低,從而限制了RESS的應(yīng)用。
2超臨界流體反溶劑法
超臨界流體反溶劑法(SupercriticalAntisolventprocesses,SAS)就是將所要制備成納米微粒的物質(zhì)溶于有機溶劑中形成溶液,將該溶液迅速噴灑在SCF(通常是超臨界CO2)中,其基本過程見圖3、圖4。由于溶液中的溶質(zhì)不溶于SCF,而SCF在有機溶液中溶解度很大,并使溶液的體積膨脹,內(nèi)聚能降低,從而降低了溶液的溶解能力。因此,SCF將溶液中的溶劑反溶,有機溶液在很短的時間內(nèi)形成過飽和度,溶質(zhì)析出形成微小顆粒。
優(yōu)點:
1溶劑會被SCF*溶解,析出的溶質(zhì)是無污染的干燥粉體;
2控制SCF與溶液的混合速率可以控制溶質(zhì)的析出速率,從而控制微粒的粒徑與形狀;
3實現(xiàn)無有機溶劑殘留、所獲得的微粒粒徑小、粒徑分布范圍窄且產(chǎn)品純度高的目的;
4溶劑常規(guī)且?guī)缀蹩梢蕴幚硭械奈锪希瑧?yīng)用更廣。
3氣溶膠溶劑萃取法
氣溶膠溶劑萃取法(AerosolSolventExtract*tem)是對SAS的改進,如圖7所示。原理是在超臨界流體向液滴擴散的過程中,液滴的體積發(fā)生膨脹,降低了溶劑的溶解度,在極短的時間內(nèi)使液滴產(chǎn)生極大的過飽和度,形成了極細微的顆粒。在操作時,超臨界流體先由高壓泵從頂部泵入高壓容器(沉積器)中,當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時(溫度和壓力),溶液通過噴嘴泵入到高壓容器中,為了產(chǎn)生細小的霧滴,液體溶液的壓力通常要比高壓容器中的壓力高(2000MPa)。粒子在底部的一個過濾器上收集,當流體混合物從高壓容器中出來后,進入低壓的氣液分離器中。在收集到足夠的顆粒后,停止進溶液,繼續(xù)進超臨界二氧化碳以帶走粒子上殘留的溶劑。
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