碳化法制备纳米碳酸钙的工业合成方法

　　纳米碳酸钙的制备方法按制备过程中是否发生化学反应分为化学方法和物理方法，其中化学方法包括碳化法、乳液法、夹套反应釜法、复分解法。碳化法是生产纳米级轻质碳酸钙的主要方法。首先，将精选的石灰石煅烧，得到氧化钙和窖气。然后，使氧化钙消化，并将生成的氢氧化钙悬浊液在高剪切力作用下粉碎、多级悬液分离除去颗粒及杂质，得到一定浓度的精制氢氧化钙悬浊液。然后通入二氧化碳气体，加入适当的晶形控制剂，碳化至终点，得到要求晶形的碳酸钙浆液。再进行脱水、干燥、表面处理，得到纳米碳酸钙产品。碳化是整个生产工艺的核心，根据碳化反应过程二氧化碳气体与氢氧化钙悬浮液接触方式的不同，纳米碳酸钙的工业合成方法可分为间歇鼓泡法、喷雾碳化法、喷射吸收法和超重力碳化法。

间歇鼓泡法
        间歇鼓泡碳化法是目前国内外大多采用的方法。间歇鼓泡碳化法，也称釜式碳化法，是将石灰乳通过冷冻机降温到 25℃以下，泵入碳化塔，通入CO₂混合气，在搅拌下进行碳化反应。通过控制反应温度、浓度、搅拌速度、添加剂等工艺条件间歇制备纳米碳酸钙。该法可以生产普通微细碳酸钙，但对于生产纳米级碳酸钙就需要严格控制一些工艺条件，如碳化反应温度、石灰乳浓度等，而且也相应地需对鼓泡塔做一些改进，比如加搅拌器、挡板或通过气体分布器控制等，但也存在着粒度分布不均匀，而且不易控制、粒度不够细化、批次间产品质量重现差、工业放大困难等缺点。陈先勇等人采用间歇鼓泡碳化法，通过对碳化反应温度、灰乳密度、添加剂等因素的严格控制，成功制得粒度分布均匀、平均粒径为40nm 左右的单分散球形纳米碳酸钙产品。

多级喷雾碳化法
        制备纳米碳酸钙的基本步骤为：按工艺要求的浓度配制精制的石灰乳悬浮液，然后加入适量的添加剂，充分混匀后泵入喷雾碳化塔顶部的雾化器中，在高速旋转产生的巨大离心力作用下，乳液被雾化成微细粒径的雾滴；把干燥的含有适量 CO₂的混合气体从塔底部通入，经气体分布器均匀分散在塔中，雾滴在塔内和气体进行瞬时逆向接触发生化学反应产生 CaCO₃。经过多级喷雾碳化法制备的 CaCO₃产品的粒度细小且均匀，平均粒径在30~40nm 范围内，微粒晶型可以调节控制。此法生产能力大，产品质量稳定，能耗低，投资较小。

喷射吸收法
        喷射吸收法是由中南工业大学满瑞林等研究的一种工艺， 这工艺是将窖气通过降温降尘后，经风机送入喷射碳化器中，再用浆液泵把石灰乳送入喷射碳化器中，在碳化器狭窄的喉管处，窖气与石灰乳高度分散，相互剪切混合，因此具有很大的气液接触面积。该工艺具有投资少、设备简单、碳化效率高、维修方便、能耗低等优点。

超重力法
        超重力法是利用离心力使气-液、液-液、液-固两相，在比地球重力场大数百倍甚至上千倍的超重力场条件下的多孔介质中产生流动接触，巨大的剪切力把液体撕裂成极薄的膜和极细小的丝和滴，产生了巨大的和快速的相界面，使相间传质的体积传质速率比塔器中的大 1~3个数量级，使微观混合速率得到了极大的强化。超重力结晶法从根本上强化反应器内的传递过程和微观混合过程，而且CaCO₃成核过程和生长过程分别在两个反应器中进行，即将反应成核区置于高度强化的微观混合区，宏观流动型式为平推流，无返混(超重力反应器)；晶体反应器置于宏观全混流区(带搅拌的釜式反应器)。与传统的碳化法所采用的工艺相比较，这种组合工艺确保结晶过程满足较高的产物过饱和度、产物浓度空间分布均匀、所有晶核具有相同的生长时间等要求。在超重力反应结晶法制备立方形纳米CaCO₃过程中，因为CO₂吸收传质过程为整个碳化过程的关键步骤，所以强化CO₂在液相中的传质速率是提高整个过程速率的有效途径。同时，由于溶液中CO₃^2- 的浓度是由化学吸收而生成的，因此控制CO₂的吸收速率也是控制体系中过饱和度高低的有效手段之一。超重力加速度 g、液体循环量、气体流量、Ca(OH)₂初始浓度等操作条件对碳化反应过程均有影响。运用超重力反应结晶法可以制备出平均粒度为 15-40nm、分布较窄的CaCO₃，碳化反应时间比传统方法大大缩短。立方形纳米CaCO₃的晶体结构为方解石晶型，属六方晶系。该晶体结构和普通碳化法合成的产物相同，立方形纳米 CaCO₃颗粒因表面效应显著，其热分解温度下降了195℃。