1,、引言

碳酸鈣是重要的無機粉體產(chǎn)品，廣泛用于塑料,、橡膠,、造紙、涂料,、密封膠,、油漆、油墨等行業(yè),。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(chǎn)品向專用化,、精細化,、功能化方向發(fā)展,，特別是納米碳酸鈣產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)常有人跟我說，輕質碳酸鈣的生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(jù)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(jù)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(fā)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(shù)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(shù)，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(shù)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(fā)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(tài)下讓晶核一下子生成，在過飽和度盡可能低的狀態(tài)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(huán)境,，決定著反應的過程特征和合成納米CaCO₃的形態(tài)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(fā)生于相界面,，反應速度也就同反應物移向界面以及產(chǎn)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(shù),、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(wěn)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(yè)生產(chǎn)過程中應用廣泛,，尤其是化學工業(yè)，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(jīng)常聽到單軸攪拌機,，但隨著技術的不斷發(fā)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(xiàn)在：1) 在攪拌的全過程無死角,，攪拌質量優(yōu)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(jīng)研磨后從側面拋出,，實現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)過高頻的循環(huán)往復,，最終得到穩(wěn)定的高品質納米級碳酸鈣產(chǎn)品。

4,、結語

近期,，筆者遇到一做硅酮膠客戶，據(jù)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(chǎn)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(fā)尤為重要,。資源是有限的，希望用有限的資源做更好的產(chǎn)品,，來服務我們的客戶,，這樣才能適應“新常態(tài)”！