一種采用吸附隔離劑制備納米氧化鈰的方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種制備納米氧化鈰的方法，其特征在于，配制可溶性鈰溶液，在鈰溶液中加入沉淀劑和隔離分散劑，使溶液發(fā)生化學反應，形成不溶性的鈰沉淀，并且從溶液中析出、分散；在沉淀過程中添加吸附隔離劑，以吸附沉淀生成的鈰化合物粒子；將溶劑和溶液中原有的陰離子洗去，對沉淀中間體進行過濾、干燥、煅燒，從而制備出最終產(chǎn)品。沉淀劑是碳酸氫銨、草酸、氨水、尿素等。煅燒為高溫焙燒。根據(jù)本發(fā)明的工藝，鈰回收率高、產(chǎn)品粒徑均勻，分布窄，分散性好、高能效、低成本。
【專利說明】一種采用吸附隔離劑制備納米氧化鈰的方法與系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用吸附隔離劑制備納米氧化鈰的方法與系統(tǒng)，是綠色新工藝，環(huán)境友好性強，屬于冶金【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]納米粒子以其獨特的光、聲、電、磁、熱、催化、力學、化學活性等性質(zhì)及潛在的應用前景，成為材料科學研究的熱點之一。納米氧化鈰(￠6(?)作為稀土材料家族中的重要一員，在拋光材料、蓄光材料、電子材料、催化劑、紫外吸收、特種玻璃、精密陶瓷、氧泵、燃料電池等方面有著許多應用。納米0602是一種高附加值的稀土深加工產(chǎn)品，具有許多新性質(zhì)、新用途，已廣泛應用于陶瓷、發(fā)光材料、催化劑、燃料電池和拋光等領(lǐng)域。
[0003]高新技術(shù)的發(fā)展對納米0602的要求越來越高，其中最基本的要求是粒度細、純度高、比表面積大、活性高以及顆粒的外形和均勻性，而它們與合成方法和制備過程密切相關(guān)。
[0004]但是，關(guān)于納米仏02制備方法和技術(shù)，目前都不成熟，都沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，大都處于實驗室階段，這就在很大程度上限制了納米仏02的生產(chǎn)、應用及發(fā)展。納米仏02的制備方法有很多種，一般根據(jù)合成產(chǎn)品的條件不同，可大致將制備方法分為氣相法、固相法和液相法二大類。
[0005]液相法具備反應條件溫和，易于控制等優(yōu)點，同時又比固相法制備的粉體純凈、團聚少，很容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是目前制備納米粒子最常用的方法。
[0006]但是，液相法普遍存在的顆粒團聚現(xiàn)象、單分散性差、粒度不均勻以及性能不穩(wěn)定等問題，仍然影響納米氧化鈰的使用性能。
[0007]因此，研發(fā)一種成本低、工藝簡單、且能夠獲得性能優(yōu)異的納米二氧化鈰的制備方法，解決納米氧化鈰干燥、焙燒團聚的技術(shù)瓶頸，成為決定氧化鈰產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的是提供一種采用吸附隔離劑制備納米氧化鈰的方法與系統(tǒng)，其可解決納米氧化鈰制備工藝在干燥、焙燒易團聚的技術(shù)瓶頸，該工藝鈰回收率高、產(chǎn)品粒徑均勻，分布窄，分散性好、高能效、低成本。
[0009]為此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種制備納米氧化鈰的方法，其特征在于，吸附沉淀過程中的鈰化合物粒子，增大懸浮粒子的粒徑，加快鈰化合物的沉降速度，提高可過濾性，減少鈰沉淀的相互接觸面，阻止了鈰化合物粒子間的附聚、長大，降低氫鍵的數(shù)量，從而抑制納米氧化鈰制備過程中的干燥、焙燒團聚。
[0010]優(yōu)選地，在鈰溶液加堿沉淀過程中，加入一種吸附能力強且盡可能地燃燒完全的物質(zhì)或充分燃燒后剩余的少量灰粉可溶于酸且有一定吸附能力的粉體，以吸附沉淀過程中的鈰化合物粒子。
[0011]優(yōu)選地，所述物質(zhì)是分散劑，采用吸附隔離劑。優(yōu)選地，所述吸附隔離劑是固體粉體，和丨或所述吸附隔離劑是碳黑、碳粉和丨或淀粉。
[0012]優(yōu)選地，采用吸附隔離劑將鈰化合物吸附在表面上。
[0013]優(yōu)選地，在硝酸鋪或氯化鋪溶液中加入碳黑，硝酸鋪或氯化鋪與碳黑質(zhì)量之比為1:0.10-0.30 (優(yōu)選1:0.15-0.25)，通過攪拌使碳黑浸潤與硝酸鈰或氯化鈰溶液充分混合；將氨水(優(yōu)選濃度為25?28%)稀釋3-5倍(優(yōu)選4倍)，將氨水均勻地加入至碳黑與硝酸鈰或氯化鈰的混合液中，保持攪拌速度，待1)?值為9?10時，停止加入氨水，再持續(xù)攪拌0.5-1.5小時(1小時)；將固體混合物洗至中性，過濾后于75-851 (優(yōu)選801 )下烘干，將干燥后的前驅(qū)體在700-8001 (優(yōu)選7501 )條件下焙燒3.5-4.5小時(4小時)，確保碳黑反應完全，所得產(chǎn)品粒徑均勻(大都為45-6511111左右)。
[0014]優(yōu)選地，在硝酸鋪溶液中加入碳黑，硝酸鋪與碳黑質(zhì)量之比為1:0.25，使碳黑浸潤與硝酸鈰溶液充分混合；將25?28%的氨水稀釋4倍，將氨水均勻地加入至碳黑與硝酸鈰混合液中，保持攪拌速度，待邱值為9?10時，停止氨水的加入，再持續(xù)攪拌1小時；將固體混合物洗至中性，過濾后于801下烘干，將干燥后的前驅(qū)體在7501條件下焙燒4小時，確保碳黑反應完全，所得產(chǎn)品粒徑均勻(大都為45=0左右)。
[0015]優(yōu)選地，在硝酸鋪溶液中加入碳黑，硝酸鋪與碳黑質(zhì)量之比為1:0.15，使碳黑浸潤與硝酸鈰溶液充分混合；將25?28%的氨水稀釋4倍，將氨水均勻地加入至碳黑與硝酸鈰混合液中，保持攪拌速度，待邱值為9?10時，停止氨水的加入，再持續(xù)攪拌1小時；將固體混合物洗至中性，過濾后于801下烘干，將干燥后的前驅(qū)體在7501條件下焙燒4小時，確保碳黑反應完全，所得產(chǎn)品粒徑均勻(都為65=0左右)。
[0016]優(yōu)選地，在氯化鈰溶液中加入碳黑，氯化鈰與碳黑質(zhì)量之比為1:0.25，使碳黑浸潤與氯化鈰溶液充分混合；將25?28%的氨水稀釋4倍，將氨水均勻地加入至碳黑與氯化鈰混合液中，保持攪拌速度，待邱值為9?10時，停止氨水的加入，再持續(xù)攪拌1小時；將固體混合物洗至中性，過濾后于801下烘干，將干燥后的前驅(qū)體在7501條件下焙燒4小時，確保碳黑反應完全，所得產(chǎn)品粒徑均勻(都為50=0左右)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種制備納米氧化鈰的系統(tǒng)，其特征在于，包括:鈰溶液配制裝置，其具有溶液化學反應溫度控制器、沉淀劑添加器和隔離分散劑添加器；鈰溶液配制裝置之后，依次設(shè)有沉淀中間體過濾裝置、干燥裝置、高溫焙燒裝置、以及產(chǎn)品容納和包裝裝置。
[0018]優(yōu)選地，還包括硝酸鈰或氯化鈰與吸附隔離劑的比例控制器、充分混合攪拌器。
[0019]優(yōu)選地，還包括沉淀劑稀釋控制器、邱值控制器、持續(xù)攪拌時間控制器、烘干溫度控制器、焙燒溫度控制器、焙燒時間控制器、用于檢測產(chǎn)品粒徑的掃描電鏡。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，在鈰溶液加沉淀劑過程中，加入一種吸附能力強且盡可能地燃燒完全的吸附隔離劑，如碳黑、碳粉、淀粉等固體粉體，吸附隔離劑能將鈰沉淀吸附在表面上，既能加快沉降的速度，又能有效減少鈰化合物的相互接觸面，大幅降低了氫鍵的數(shù)量，從而解決了納米氧化鈰干燥團聚的技術(shù)瓶頸。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，利用吸附隔離劑吸附沉淀過程中的鈰化合物粒子的效果是顯而易見的，而且產(chǎn)生了預料不到的技術(shù)效果，例如，增大了懸浮粒子的粒徑，加快了鈰化合物的沉降速度，解決了常規(guī)納米氧化鈰制備工藝中過濾難的問題；吸附隔離劑又能有效減少鈰化合物的相互接觸面，大幅降低了氫鍵的數(shù)量，從而解決了納米氧化鈰制備過程中干燥、焙燒團聚的技術(shù)瓶頸。
[0022]根據(jù)本發(fā)明制備的產(chǎn)品，形貌呈球形、粒徑均勻、分布窄、團聚常數(shù)小。通過調(diào)整吸附隔離劑加入量的比例，納米氧化鈰粒徑在20?8011111之間可控。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是采用吸附隔離劑制備納米氧化鈰的工藝原理圖。
[0024]圖2是采用吸附隔離劑制備納米氧化鈰的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。

【具體實施方式】
[0025]液相法主要是在液相體系中通過控制液相化學反應的條件，如反應物濃度、反應溫度與時間、攪拌速度、水解速度、共沉淀等形成前驅(qū)體的方法。
[0026]液相法介于氣相法和固相法之間，與氣相法相比，液相法具有設(shè)備簡單、無需高真空等苛刻物理條件、易放大等優(yōu)點，同時又比固相法制備的粉體純凈、團聚少，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是目前制備納米粒子最常用的方法。
[0027]液相法主要有沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法、電化學法等。
[0028]本發(fā)明以沉淀法為基礎(chǔ)，在可溶性鈰溶液中加入沉淀劑(碳酸氫銨、草酸、氨水、尿素等)，在一定的溫度下使溶液發(fā)生化學反應，形成不溶性的鈰化合物從溶液中析出，將溶劑和溶液中原有的陰離子洗去，再將沉淀中間體經(jīng)過干燥、煅燒，從而制備出納米粉體。
[0029]由于沉淀法可制備出粒徑小、分布窄、純度高的納米粉，且產(chǎn)品綜合成本低、工藝簡單，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。但是，該法不穩(wěn)定，產(chǎn)品團聚現(xiàn)象嚴重，制備工藝中，在沉淀反應、干燥、煅燒三個階段會導致不同程度的團聚。
[0030]本發(fā)明沉淀過程中添加了吸附隔離劑，以吸附鈰沉淀粒子，從而增大懸浮粒子的粒徑，加快鈰化合物的沉降速度，提高可過濾性，減少鈰化合物的相互接觸面，阻止了鈰化合物粒子間的附聚、長大，降低氫鍵的數(shù)量，從而抑制納米氧化鈰制備過程中的干燥、焙燒團聚。簡易流程如下:鈰溶液配制隔離分散劑分散沉淀過濾與干燥高溫焙燒-?納米氧化鋪產(chǎn)品。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明的基本原理是，利用吸附好又可充分燃燒的吸附劑將沉淀過程中產(chǎn)生的鈰化合物吸附在其表面上，有效減緩了沉淀法中鈰化合物的相互接觸，大大降低了鈰化合物間的接觸面，減少了氫鍵的數(shù)量，從而抑制納米氧化鈰制備過程中的沉淀、干燥團聚。另外，在焙燒過程中，鈰化合物分解溫度較低(不大于3000，吸附隔離劑充分燃燒溫度大于6001，在升溫過程中(吸附劑燃燒前)，鈰化合物在吸附劑表面分解生成納米氧化鈰粒子，當吸附隔離劑充分燃燒時將形成空位，致使生成納米氧化鈰產(chǎn)品分散性好，且粒徑均勻、分布窄。
[0032]本發(fā)明借助液相法制備的粉體純凈、易于實現(xiàn)工業(yè)化的優(yōu)點，進一步改進傳統(tǒng)沉淀過程，采用加分散劑的做法，研發(fā)出加入少量吸附隔離劑制備納米氧化鈰的新工藝，攻克了傳統(tǒng)液相法納米氧化鈰制備工藝在干燥、焙燒易團聚的技術(shù)瓶頸。
[0033]通過加入吸附隔離劑，吸附沉淀過程中生成的鈰化合物粒子，大幅減少了鈰化合物粒子之間的接觸面，進而有效阻止了鈰化合物粒子間的附聚、長大，使獲得的納米氧化鈰前驅(qū)體粒子粒徑小而均勻、分布窄小、干燥不團聚。
[0034]焙燒生成時，吸附隔離劑氧化生成(^和!!#氣體，吸附隔離劑燃燒完全后，產(chǎn)生空位缺失，納米仏02前驅(qū)體與吸附隔離劑之間吸附鍵消失，前驅(qū)體間接觸面又小，故生成粉體疏松，另外鋪化合物氧化成￠6(?時粒徑進一步減小，致使?^602粒子間接觸面持續(xù)減少，有效解決了前驅(qū)體焙燒時仏02粒子易團聚問題，使得生成納米仏02產(chǎn)品蓬松、粒徑均勻、分散性好、比表面大。
[0035]通過計量加入吸附隔離劑的比例、焙燒條件，可控制納米氧化鈰產(chǎn)品的粒徑。
[0036]本發(fā)明解決了液相法制備納米氧化鈰易團聚的問題，開發(fā)出了粒徑可控，單分散性好、粒度均勻的納米氧化鈰制備新工藝。
[0037]該工藝資源綜合利用率高、無大氣污染、無水體污染、環(huán)境友好。前驅(qū)體生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的前驅(qū)體洗水可回收其中的硝酸銨后達標排放；焙燒過程產(chǎn)生的(?廢氣經(jīng)酸性廢氣吸收塔用石灰乳吸收處理后即可達標排放；工藝無固體廢棄物產(chǎn)生。
[0038]吸附隔離劑應選擇能完全燃燒或充分燃燒后剩余的少量灰粉可溶于酸且有一定吸附能力的粉體，示例選擇能完全燃燒的優(yōu)質(zhì)碳黑作吸附隔離劑。
[0039]如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的制備納米氧化鈰的系統(tǒng)包括:鈰溶液配制裝置10，其具有溶液化學反應溫度控制器12、沉淀劑添加器11和隔離分散劑添加器12 ；鈰溶液配制裝置10之后，依次設(shè)有沉淀中間體過濾裝置20、干燥裝置30、高溫焙燒裝置40、以及產(chǎn)品容納和包裝裝置50。
[0040]優(yōu)選地，還包括硝酸鈰或氯化鈰與吸附隔離劑的比例控制器14、充分混合攪拌器18。優(yōu)選地，還包括沉淀劑稀釋控制器15、？??！值控制器16、持續(xù)攪拌時間控制器17、烘干溫度控制器31、焙燒溫度控制器41、焙燒時間控制器42、用于檢測產(chǎn)品粒徑的掃描電鏡51。
[0041]實施例1
[0042]取0.511101/1硝酸鈰溶液5000匕加入碳黑24.258作吸附隔離劑，硝酸鈰與碳黑質(zhì)量之比為(1:0.25)，中速攪拌300111，使碳黑浸潤與硝酸鈰溶液充分混合。將25?28%的氨水稀釋4倍，用蠕動泵將氨水均勻地加入至碳黑與硝酸鈰混合液中，保持攪拌速度，待值為9?10時，停止氨水的加入，再持續(xù)攪拌1小時。將固體混合物洗至中性，過濾后于801下烘干，將干燥后的前驅(qū)體放置馬弗爐中在7501條件下焙燒4小時，確保碳黑反應完全，冷卻后用掃描電鏡檢測產(chǎn)品，所得產(chǎn)品粒徑均勻，大都為45=0左右。
[0043]實施例2
[0044]取0.511101/1硝酸鈰溶液5000匕加入碳黑14.558作吸附隔離劑，硝酸鈰與碳黑質(zhì)量之比為(1:0.15)，中速攪拌300111，使碳黑浸潤與硝酸鈰溶液充分混合。將25?28%的氨水稀釋4倍，用蠕動泵將氨水均勻地加入至碳黑與硝酸鈰混合液中，保持攪拌速度，待值為9?10時，停止氨水的加入，再持續(xù)攪拌1小時。將固體混合物洗至中性，過濾后于801下烘干，將干燥后的前驅(qū)體放置馬弗爐中在7501條件下焙燒4小時，確保碳黑反應完全，冷卻后用掃描電鏡檢測產(chǎn)品，所得產(chǎn)品粒徑均勻，大都為65=0左右。
[0045]實施例3
[0046]取0.511101/1氯化鋪溶液500111匕加入碳黑15.40^作吸附隔離劑，氯化鋪與碳黑質(zhì)量之比為(1:0.25)，中速攪拌300111，使碳黑浸潤與氯化鈰溶液充分混合。將25?28%的氨水稀釋4倍，用蠕動泵將氨水均勻地加入至碳黑與氯化鈰混合液中，保持攪拌速度，待值為9?10時，停止氨水的加入，再持續(xù)攪拌1小時。將固體混合物洗至中性，過濾后于801下烘干，將干燥后的前驅(qū)體放置馬弗爐中在7501條件下焙燒4小時，確保碳黑反應完全，冷卻后用掃描電鏡檢測產(chǎn)品，所得產(chǎn)品粒徑均勻，大都為50=0左右。
[0047]實施例3采用氯化鈰，主要是說明選擇不同的鈰溶液，同樣可獲得納米氧化鈰產(chǎn)品。
[0048]實施例4
[0049]取0.511101/1氯化鋪溶液500111匕加入碳黑15.40^作吸附隔離劑，氯化鋪與碳黑質(zhì)量之比為(1:0.25)，中速攪拌30-1使碳黑浸潤與氯化鈰溶液充分混合。按計量比1.1倍精確稱量沉淀劑草酸銨(39.10，溶于適量的去離子水，用蠕動泵將草酸銨溶液均勻地加入至碳黑與氯化鈰混合液中，保持攪拌速度，待反應完全后，再持續(xù)攪拌1小時。將固體混合物中游離物洗盡，過濾后于801下烘干，將干燥后的前驅(qū)體放置馬弗爐中在7501條件下焙燒4小時，確保碳黑反應完全，冷卻后用掃描電鏡檢測產(chǎn)品，所得產(chǎn)品粒徑均勻，為80！^左右。
[0050]在納米氧化鈰制備過程中，淀粉用量及效果跟碳黑相比是次要的，在本發(fā)明其他的實施例中，可以不用淀粉。
【權(quán)利要求】
1.一種制備納米氧化鈰的方法，其特征在于，配制可溶性鈰溶液，在鈰溶液中加入沉淀劑(碳酸氫銨、草酸、氨水、尿素等)和隔離分散劑，使溶液發(fā)生化學反應，形成不溶性的鈰沉淀，并從溶液中析出、分散；在沉淀過程中添加吸附隔離劑，以吸附沉淀生成的鈰化合物粒子；將溶劑和溶液中原有的陰離子洗去，對沉淀中間體進行過濾、干燥、煅燒(高溫焙燒)，從而制備出最終產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用吸附好又可充分燃燒的吸附隔離劑，將沉淀過程中產(chǎn)生的鈰化合物吸附在其表面上；和/或，在焙燒過程中，鈰化合物分解溫度較低(不大于3000，吸附隔離劑充分燃燒溫度大于6001，在升溫過程中(吸附劑燃燒前)，鈰化合物在吸附劑表面分解生成納米氧化鈰粒子，當吸附隔離劑充分燃燒時將形成空位，致使生成納米氧化鈰產(chǎn)品分散性好，且粒徑均勻、分布窄。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在鈰溶液加沉淀劑過程中，加入吸附能力強且盡可能地燃燒完全的物質(zhì)或充分燃燒后剩余的少量灰粉可溶于酸且有一定吸附能力的粉體，以吸附沉淀過程中的鈰化合物粒子。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述物質(zhì)是分散劑，采用吸附隔離劑。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述吸附隔離劑是固體粉體，和/或，所述吸附隔離劑是碳黑、碳粉和/或淀粉(優(yōu)選地，不用淀粉)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在硝酸鈰或氯化鈰溶液中加入碳黑，硝酸鈰或氯化鈰與碳黑質(zhì)量之比為1:0.10-0.30(優(yōu)選1:0.15-0.25)，通過攪拌使碳黑浸潤與硝酸鈰或氯化鈰溶液充分混合；將氨水(優(yōu)選濃度為25?28% )稀釋3-5倍(優(yōu)選4倍)，將氨水均勻地加入至碳黑與硝酸鈰或氯化鈰的混合液中，保持攪拌速度，待1)?值為9?10時，停止加入氨水，再持續(xù)攪拌0.5-1.5小時(1小時)；將固體混合物洗至中性，過濾后于75-851 (優(yōu)選801 )下烘干，將干燥后的前驅(qū)體在700-8001 (優(yōu)選7501 )條件下焙燒3.5-4.5小時(4小時)，確保碳黑反應完全，所得產(chǎn)品粒徑均勻(大都為45-65110左右)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，以碳黑作吸附隔離劑，以草酸銨作沉淀劑，冷卻后用掃描電鏡檢測產(chǎn)品，所得產(chǎn)品粒徑均勻，為80=0左右。
8.一種制備納米氧化鈰的系統(tǒng)，其特征在于，包括:鈰溶液配制裝置，其具有溶液化學反應溫度控制器、沉淀劑添加器和隔離分散劑添加器；鈰溶液配制裝置之后，依次設(shè)有沉淀中間體過濾裝置、干燥裝置、高溫焙燒裝置、以及產(chǎn)品容納和包裝裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括硝酸鈰或氯化鈰與吸附隔離劑的比例控制器、充分混合攪拌器。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括沉淀劑稀釋控制器、值控制器、持續(xù)攪拌時間控制器、烘干溫度控制器、焙燒溫度控制器、焙燒時間控制器、用于檢測產(chǎn)品粒徑的掃描電鏡。
【文檔編號】B82Y30/00GK104386732SQ201410653252
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】郭春平, 周健, 文小強, 袁德林, 王玉香, 普建, 周新華, 陳佩琳 申請人:贛州有色冶金研究所