共軸乳化攪拌機在納米級碳酸鈣合成中的應用

1、引言

碳酸鈣是重要的無機粉體產品，廣泛用于塑料、橡膠、造紙、涂料、密封膠、油漆、油墨等行業。近年來，隨著國內微細化及表面處理技術的進步，使碳酸鈣產品向專用化、精細化、功能化方向發展，特別是納米碳酸鈣產品，因為其獨特的功能性特性，應用于諸多領域。

納米級碳酸鈣的生產過程較為復雜，并不是像某些人想象的幾個方程式那么簡單。經常有人跟我說，輕質碳酸鈣的生產很簡單嘛，就那么幾步工序，比做水泥的工序還簡單呢。如果從物理的角度來看化學，是很簡單的。不過，當你一旦入門，研究到輕質碳酸鈣生產過程的每一個化工單元的時候，你才會感覺到原來是復雜的：石灰石燒制的好壞直接影響著石灰的活性度和燒成率，影響著產品的游離堿、流動性、吸油量、稠度等應用性能；石灰消化反應的好壞直接影響著漿液的細膩程度、PH值、游離堿、晶體的均勻性等產品質量；特別是碳化過程，存在Ca(OH)2-CO2-H2O等固液氣的多相體系，其反應過程包含有氣、液、固的相互作用，存在著物理、化學的變化。反應物的濃度、體系的溫度和攪拌速度等都直接或間接地影響到CaCO₃粒徑大小和晶體的形狀；改性過程的好壞及干燥、解聚等每一道工序都會影響到產品的應用性能。

2、合成機理簡述

精石灰乳與窯氣的反應稱為精石灰乳的碳化反應。在精石灰乳的碳化反應中主要是精石灰乳中氫氧化鈣[Ca(OH)2]與窯氣中的二氧化碳[CO2]之間的反應，其次還有精石灰乳中氫氧化鎂[Mg(OH)2]與窯氣中的二氧化碳[CO2]之間的反應。另外，在碳化反應終點時還伴有所生產的碳酸鈣[CaCO₃]與窯氣中的二氧化碳[CO2]之間的反應。

石灰乳碳化過程中，溶解的氫氧化鈣與二氧化碳溶于水生成碳酸的過程屬多相反應。多相反應是在相界面上進行的，反應速度與反應物離開界面的過程密切相關。

由于氣、液、固三相的存在，根據雙膜理論，反應中的傳質阻力有：氣膜阻力；氣－液界面上的液膜阻力；固－液界面上的液膜阻力。

一般認為氣膜阻力小，所以整個反應的控制步驟是：通過液膜的氫氧化鈣的溶解，或是通過液膜的二氧化碳的吸收。所以液膜阻力制約著碳化過程的速率。

反應界面的位置根據氫氧化鈣的溶解度與二氧化碳的吸收速率之差而變化，或者根據溶液中氫氧化鈣濃度和二氧化碳流量的相對供給量之差而異。若前者快則反應界面位置在氣－液界面上的液膜之內；若后者快時，將在固－液界面的液膜之內，結晶的析出是在反應界面上發生。

石灰乳碳化過程中，其反應是一個放熱反應，主反應平衡時的平衡常數很大，是一個不可逆反應。由熱力學中的范特荷夫方程可知，

lnKΘ＝－ΔHΘ/RT2＋C

方程中C為常數，由于主反應是一個放熱反應，ΔH＜0，所以溫度升高時，平衡常數KΘ減小，平衡向左移動。

另外，由于主反應是一個體積縮小的反應，所以總壓增大時其平衡向右移動。

從CaCO₃晶核生成機理可以看出，晶核基本上是在瞬間生成，且只發生一次，不多次反復是生成均勻粒子的條件，如果僅僅是生成的晶核長大，就能得到均勻的粒子。為此，要在高度飽和狀態下讓晶核一下子生成，在過飽和度盡可能低的狀態下讓晶體成長。

Ca(OH)2碳化合成納米CaCO₃是一個極其復雜的過程，其中涉及氣—液—固三相的質量傳遞、界面離子的吸附和化學反應、晶體的成核、生長與凝并等過程。Ca(OH)2懸浮液碳化反應的物理化學環境，決定著反應的過程特征和合成納米CaCO₃的形態和粒徑。

影響石灰乳碳化的因素是多方面的。石灰乳碳酸化反應的多相過程，除受濃度、溫度、壓力、添加劑等因素影響外、還與相界面及固體的表面狀況，表面積大小，形狀等因素有關；多相反應過程既然發生于相界面，反應速度也就同反應物移向界面以及產物離開界面的擴散過程相關。

因此，影響碳化反應的條件很多，諸如反應物質的濃度與溫度、流量、添加劑的影響等等，這些不在本文的討論范圍。本文就碳化反應過程的攪拌展開討論。

攪拌是高傳質系數、加速固體溶解、阻止懸浮粒子沉淀的重要方法。石灰乳碳化反應時，作用是在氣－液、固－液界面上進行的，二氧化碳的傳質速率受制于液膜阻力；當反應界面在固－液界面的液膜之內、生成物是難溶物質時，溶液中的微小固體將起晶核作用。生成物將沉積粘附在氫氧化鈣表面上，阻礙其溶解；氫氧化鈣粒子粘滯性大，在水中易沉淀凝聚；碳酸鈣的結晶具有不穩定性，易生成重晶孿晶，凝結成大粒子影響粒子的大小和分散性。因此，必須使用攪拌手段以克服界面阻力，提高傳質速率，也使固相粒子懸浮，促進界面溶解擴散，同時破壞碳酸鈣結晶粒子凝聚。

攪拌設備在工業生產過程中應用廣泛，尤其是化學工業，其作用有：1）使物料混合均勻，2）使氣體在液相中很好的分散，3）使固體粒子在液相中均勻的懸浮，4）使不相溶的另一液項均勻懸浮或充分乳化，5）強化相間的傳質，6）強化傳熱。攪拌物料的種類主要指流體，本文研究的流體主要是非牛頓型流體，如低濃度漿液為賓漢性流體，高濃度漿液為漲塑性流體，也涉及一些助劑為牛頓型流體。攪拌的種類很多，有槳葉式、旋槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、布魯馬金式、分散式、花板孔槳式、框錨式、螺帶螺桿式、消泡式等等。不同的用途采用不同的攪拌器。

3 、共軸乳化攪拌機

在攪拌機領域我們經常聽到單軸攪拌機，但隨著技術的不斷發展以及科技的不斷進步，共軸攪拌機也應運而生。共軸攪拌機是由兩個獨立的攪拌器組成，適合不同物質的攪拌，較單軸攪拌機而言，有著顯著變化。共軸攪拌機的進步主要體現在：1) 在攪拌的全過程無死角，攪拌質量優越，效率高；2) 傳熱能力更好，較以往攪拌機有著大幅度的提高；3) 攪拌更具靈活性：攪拌機內部的各個攪拌機配件（攪拌葉、槳葉等）能夠實行變速；4) 能夠滿足多種材質的混合攪拌要求；5) 可以通過夾套、半圓盤管等物質進行傳熱，傳熱性能得到進一步提高。

共軸乳化攪拌機將內層設置高剪切乳化頭，以適合具有強烈分散和乳化要求的納米級碳酸鈣反應體系，乳化頭將氫氧化鈣漿液及二氧化碳混合氣體從上下兩端吸入，反應完成經研磨后從側面拋出，實現快速反應及破壞碳酸鈣結晶粒子凝聚；外部框式攪拌器是一個低速、近壁的推動器，它通過空心軸傳動機構與電機相連，攪拌器上設置多層旋槳式攪拌葉片，適合漿液的宏觀混合，并起到強化傳熱的作用。如下圖所示：

共軸乳化攪拌機示意圖

這種攪拌組合中的高剪切乳化頭能高效、快速、均勻地將固相、氣相進入到液相中。當外部能量輸入時，氫氧化鈣及二氧化碳兩種物料重組成為均一相，由于轉子高速旋轉所產生的高切線速度和高頻機械效應帶來的強勁動能，使物料在狹窄的間隙中受到強烈的機械及液力剪切、離心擠壓、液層摩擦、撞擊撕裂和湍流等綜合作用，形成懸浮液。從而使微溶的固相、液相、氣相在相應成熟工藝和適量添加劑的共同作用下，瞬間均勻精細的剪切分散乳化；而框式攪拌上的旋槳葉片將漿液重新混合，然后引入到乳化頭的吸入口，經過高頻的循環往復，最終得到穩定的高品質納米級碳酸鈣產品。

4、結語

近期，筆者遇到一做硅酮膠客戶，據他講國內的納米級碳酸鈣只做低端膠，高端膠用的納米級碳酸鈣都是從國外進口的，比表面積65-70m2/g，吸油值36左右。這說明了國內產品與國外的差距，我們應該下更多的功夫研究高端的納米級碳酸鈣。筆者拋出此共軸乳化攪拌機只是拋磚引玉，希望更多的人來研究我們的裝備，更要研究我們的工藝、助劑，助劑的研發尤為重要。資源是有限的，希望用有限的資源做更好的產品，來服務我們的客戶，這樣才能適應“新常態”！