1,、引言

碳酸鈣是重要的無(wú)機(jī)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(lái),，隨著國(guó)內(nèi)微細(xì)化及表面處理技術(shù)的進(jìn)步，使碳酸鈣產(chǎn)品向?qū)Ｓ没?、精?xì)化,、功能化方向發(fā)展，特別是納米碳酸鈣產(chǎn)品,，因?yàn)槠洫?dú)特的功能性特性,，應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。

納米級(jí)碳酸鈣的生產(chǎn)過(guò)程較為復(fù)雜,，并不是像某些人想象的幾個(gè)方程式那么簡(jiǎn)單,。經(jīng)常有人跟我說(shuō)，輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)很簡(jiǎn)單嘛,，就那么幾步工序,，比做水泥的工序還簡(jiǎn)單呢。如果從物理的角度來(lái)看化學(xué),，是很簡(jiǎn)單的,。不過(guò)，當(dāng)你一旦入門,，研究到輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過(guò)程的每一個(gè)化工單元的時(shí)候,，你才會(huì)感覺(jué)到原來(lái)是復(fù)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(dòng)性,、吸油量、稠度等應(yīng)用性能,；石灰消化反應(yīng)的好壞直接影響著漿液的細(xì)膩程度,、PH值、游離堿,、晶體的均勻性等產(chǎn)品質(zhì)量,；特別是碳化過(guò)程,，存在Ca(OH)2-CO2-H2O等固液氣的多相體系，其反應(yīng)過(guò)程包含有氣,、液,、固的相互作用，存在著物理,、化學(xué)的變化,。反應(yīng)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(guò)程的好壞及干燥,、解聚等每一道工序都會(huì)影響到產(chǎn)品的應(yīng)用性能。

2,、合成機(jī)理簡(jiǎn)述

精石灰乳與窯氣的反應(yīng)稱為精石灰乳的碳化反應(yīng),。在精石灰乳的碳化反應(yīng)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(yīng)，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(yīng),。另外,，在碳化反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)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(yīng)。

石灰乳碳化過(guò)程中,，溶解的氫氧化鈣與二氧化碳溶于水生成碳酸的過(guò)程屬多相反應(yīng),。多相反應(yīng)是在相界面上進(jìn)行的，反應(yīng)速度與反應(yīng)物離開(kāi)界面的過(guò)程密切相關(guān),。

由于氣,、液、固三相的存在,，根據(jù)雙膜理論,，反應(yīng)中的傳質(zhì)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(rèn)為氣膜阻力小，所以整個(gè)反應(yīng)的控制步驟是：通過(guò)液膜的氫氧化鈣的溶解,，或是通過(guò)液膜的二氧化碳的吸收,。所以液膜阻力制約著碳化過(guò)程的速率。

反應(yīng)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(duì)供給量之差而異,。若前者快則反應(yīng)界面位置在氣－液界面上的液膜之內(nèi)；若后者快時(shí),，將在固－液界面的液膜之內(nèi),，結(jié)晶的析出是在反應(yīng)界面上發(fā)生。

石灰乳碳化過(guò)程中，其反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng),，主反應(yīng)平衡時(shí)的平衡常數(shù)很大,，是一個(gè)不可逆反應(yīng)。由熱力學(xué)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(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，ΔH＜0,，所以溫度升高時(shí),，平衡常數(shù)KΘ減小，平衡向左移動(dòng),。

另外,，由于主反應(yīng)是一個(gè)體積縮小的反應(yīng)，所以總壓增大時(shí)其平衡向右移動(dòng),。

從CaCO₃晶核生成機(jī)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(fù)是生成均勻粒子的條件,，如果僅僅是生成的晶核長(zhǎng)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(guò)飽和度盡可能低的狀態(tài)下讓晶體成長(zhǎng),。

Ca(OH)2碳化合成納米CaCO₃是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，其中涉及氣—液—固三相的質(zhì)量傳遞,、界面離子的吸附和化學(xué)反應(yīng),、晶體的成核、生長(zhǎng)與凝并等過(guò)程,。Ca(OH)2懸浮液碳化反應(yīng)的物理化學(xué)環(huán)境,，決定著反應(yīng)的過(guò)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(yīng)的多相過(guò)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(guān)；多相反應(yīng)過(guò)程既然發(fā)生于相界面，反應(yīng)速度也就同反應(yīng)物移向界面以及產(chǎn)物離開(kāi)界面的擴(kuò)散過(guò)程相關(guān),。

因此,，影響碳化反應(yīng)的條件很多，諸如反應(yīng)物質(zhì)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(yīng)過(guò)程的攪拌展開(kāi)討論,。

攪拌是高傳質(zhì)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(yīng)時(shí)，作用是在氣－液,、固－液界面上進(jìn)行的,，二氧化碳的傳質(zhì)速率受制于液膜阻力；當(dāng)反應(yīng)界面在固－液界面的液膜之內(nèi),、生成物是難溶物質(zhì)時(shí),，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(jié)晶具有不穩(wěn)定性,，易生成重晶孿晶，凝結(jié)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(zhì)速率,，也使固相粒子懸浮,，促進(jìn)界面溶解擴(kuò)散，同時(shí)破壞碳酸鈣結(jié)晶粒子凝聚,。

攪拌設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用廣泛,，尤其是化學(xué)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(xiàng)均勻懸浮或充分乳化,，5）強(qiáng)化相間的傳質(zhì),，6）強(qiáng)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(kāi)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(jī)

在攪拌機(jī)領(lǐng)域我們經(jīng)常聽(tīng)到單軸攪拌機(jī)，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及科技的不斷進(jìn)步,，共軸攪拌機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生,。共軸攪拌機(jī)是由兩個(gè)獨(dú)立的攪拌器組成，適合不同物質(zhì)的攪拌,，較單軸攪拌機(jī)而言,，有著顯著變化。共軸攪拌機(jī)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在：1) 在攪拌的全過(guò)程無(wú)死角,，攪拌質(zhì)量?jī)?yōu)越,，效率高,；2) 傳熱能力更好,，較以往攪拌機(jī)有著大幅度的提高；3) 攪拌更具靈活性：攪拌機(jī)內(nèi)部的各個(gè)攪拌機(jī)配件（攪拌葉,、槳葉等）能夠?qū)嵭凶兯伲?) 能夠滿足多種材質(zhì)的混合攪拌要求,；5) 可以通過(guò)夾套、半圓盤管等物質(zhì)進(jìn)行傳熱,，傳熱性能得到進(jìn)一步提高,。

共軸乳化攪拌機(jī)將內(nèi)層設(shè)置高剪切乳化頭，以適合具有強(qiáng)烈分散和乳化要求的納米級(jí)碳酸鈣反應(yīng)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(yīng)完成經(jīng)研磨后從側(cè)面拋出，實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)及破壞碳酸鈣結(jié)晶粒子凝聚；外部框式攪拌器是一個(gè)低速,、近壁的推動(dòng)器,，它通過(guò)空心軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與電機(jī)相連，攪拌器上設(shè)置多層旋槳式攪拌葉片,，適合漿液的宏觀混合,，并起到強(qiáng)化傳熱的作用。如下圖所示：

共軸乳化攪拌機(jī)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(jìn)入到液相中,。當(dāng)外部能量輸入時(shí),，氫氧化鈣及二氧化碳兩種物料重組成為均一相，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高切線速度和高頻機(jī)械效應(yīng)帶來(lái)的強(qiáng)勁動(dòng)能,，使物料在狹窄的間隙中受到強(qiáng)烈的機(jī)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(yīng)成熟工藝和適量添加劑的共同作用下，瞬間均勻精細(xì)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(guò)高頻的循環(huán)往復(fù),，最終得到穩(wěn)定的高品質(zhì)納米級(jí)碳酸鈣產(chǎn)品,。

4、結(jié)語(yǔ)

近期,，筆者遇到一做硅酮膠客戶,，據(jù)他講國(guó)內(nèi)的納米級(jí)碳酸鈣只做低端膠，高端膠用的納米級(jí)碳酸鈣都是從國(guó)外進(jìn)口的,，比表面積65-70m2/g,，吸油值36左右。這說(shuō)明了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外的差距,，我們應(yīng)該下更多的功夫研究高端的納米級(jí)碳酸鈣,。筆者拋出此共軸乳化攪拌機(jī)只是拋磚引玉，希望更多的人來(lái)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(lái)服務(wù)我們的客戶，這樣才能適應(yīng)“新常態(tài)”,！