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制備微細(xì)顆粒碳酸鈣存在的問題和不足，提供一種在電磁場的磁化、極化和超聲場空化效應(yīng)協(xié)同作用條件下，強(qiáng)化碳酸鈣碳化反應(yīng)過程，生成超微細(xì)顆粒碳酸鈣的方法。該方法能使產(chǎn)品粒度超細(xì)化、粒級分布更窄；分散性、穩(wěn)定性和返堿性都得到改善；碳化反應(yīng)時(shí)間短；耗能少、成本低，可連續(xù)生產(chǎn)納米級碳酸鈣的方法和設(shè)備。
一.項(xiàng)目名稱：
一種電磁場、超聲場協(xié)同作用下強(qiáng)化碳化反應(yīng)過程制備納米碳酸鈣的方法和設(shè)備。
發(fā)明專利：微細(xì)碳酸鈣的制備方法。專利號：200510045329.0
實(shí)用新型：微細(xì)碳酸鈣合成反應(yīng)裝置。專利號：200520125621.9
二．.技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（技術(shù)的成熟程度、適用范圍）
本發(fā)明的專利方法已經(jīng)小試。不僅可應(yīng)用于反應(yīng)－沉淀法制取超細(xì)粉體（如納米碳酸鈣的合成），而且還廣泛應(yīng)用于傳質(zhì)控制的氣、液、固或液、液、固反應(yīng)的輕工、石化和醫(yī)藥等領(lǐng)域。
三．背景技術(shù)
我國是世界上碳酸鈣資源大國和生產(chǎn)大國。碳酸鈣是重要的無機(jī)粉體材料，廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、造紙、涂料、油墨、轎車漆和醫(yī)藥等行業(yè)。近年來，隨著碳酸鈣微細(xì)化及表面處理技術(shù)的進(jìn)步，使碳酸鈣產(chǎn)品由單一填充型向?qū)I(yè)化、精細(xì)化、功能化方向發(fā)展，這進(jìn)一步拓展了碳酸鈣的應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)造了新的市場機(jī)遇，人們對納米級顆粒碳酸鈣的需求量越來越大。但在我國碳酸鈣行業(yè)中，具有一定技術(shù)附加值的沉淀碳酸鈣，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中僅占7.7%，其中具有高附加值的品種更是鳳毛麟角，不足總產(chǎn)能的0.5%。而我國目前使用的高檔納米級活性碳酸鈣95%左右依賴進(jìn)口
目前，國內(nèi)外沉淀碳酸鈣的工業(yè)化生產(chǎn)工藝主要有:間歇鼓泡碳化法、連續(xù)噴霧多段碳化法和超重力反應(yīng)結(jié)晶法。其中的“鼓泡碳化法”被普遍采用來制備微細(xì)顆粒碳酸鈣，它是將含CO2的氣體通入裝有Ca(OH)2漿液的帶或不帶攪拌器的鼓泡塔或反應(yīng)罐中完成碳化反應(yīng)，通過制冷控制反應(yīng)溫度和加入分散劑、晶型控制劑等添加劑實(shí)現(xiàn)微細(xì)碳酸鈣的制備。由于氣相分布的不均勻性，導(dǎo)致氣、液、固相間的界面接觸面積小，傳質(zhì)速度慢，微觀混合差。用該合成方法和設(shè)備制備微細(xì)顆粒碳酸鈣存在以下的問題和不足。
（1）生產(chǎn)的產(chǎn)品顆粒不夠細(xì)，一般在0.1µm～幾個(gè)µm，粒徑分布較寬。
（2）分散性和穩(wěn)定性差，不同批次間產(chǎn)品重現(xiàn)性差。
（3）反應(yīng)過程中容易產(chǎn)生包裹現(xiàn)象最終導(dǎo)致產(chǎn)品返堿影響產(chǎn)品質(zhì)量。
（4）傳統(tǒng)的間歇鼓泡碳化是一種全混流反應(yīng)器受工藝和設(shè)備的限制，成核和晶體生長這兩個(gè)過程難以分開，欲得到大小均勻一致的固相顆粒，工藝條件較難控制。
（5）生產(chǎn)過程需低溫操作（一般低于25℃）能耗較高。
（6）碳化反應(yīng)時(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí)，間歇生產(chǎn)效率低，規(guī)模小。
以上這些直接阻礙了碳酸鈣產(chǎn)品品位和質(zhì)量的提高及工業(yè)化應(yīng)用，一般不能制備出小于50nm的碳酸鈣，更難以制備出30nm的高檔納米級產(chǎn)品。
本項(xiàng)目針對以上“鼓泡碳化法”
制備微細(xì)顆粒碳酸鈣存在的問題和不足，提供一種能使產(chǎn)品粒度超細(xì)化、粒級分布更窄；分散性、穩(wěn)定性和返堿性都得到改善；碳化反應(yīng)時(shí)間短；耗能少、成本低，可連續(xù)生產(chǎn)納米級碳酸鈣的方法和設(shè)備。
四．技術(shù)創(chuàng)新特點(diǎn)（技術(shù)原理）
4.1利用電磁場的極化、磁化效應(yīng)強(qiáng)化碳化反應(yīng)過程。
含有CO2的氣體以及含有Ca(OH)2的漿液為原料，上述兩種原料生成碳酸鈣的碳化反應(yīng)過程在電磁場的磁化、極化和超聲場空化效應(yīng)協(xié)同作用條件下進(jìn)行。含有Ca（OH）2的漿液中的各種離子（Ca2+、CO32-、OH-、H+、HCO3-）和各類帶電粒子流經(jīng)電磁場時(shí)將受到磁場洛倫茲力的作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)（磁泳），受電場力的作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)（電泳），極性分子在交變電磁場中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)都具有分子攪拌效應(yīng)，它能夠極大地強(qiáng)化氣、液、固相間基于離子、分子尺度上的微觀擴(kuò)散、混合和傳質(zhì)過程，加快了反應(yīng)物Ca（OH）2和CO2的溶解、電離、擴(kuò)散的速率和反應(yīng)產(chǎn)物CaCO3離開液膜的速度，克服了液膜阻力對碳化反應(yīng)的制約。使Ca2+和CO32-的過飽和度增加，加大了飽和溶液中晶核自發(fā)形成及二次成核速率，形成很多反應(yīng)中心，促成大量晶核的形成，結(jié)晶速率大幅度提高。
4.2電磁場的極化、磁化效應(yīng)強(qiáng)化碳化反應(yīng)過程使結(jié)晶粒徑微細(xì)化、均一化。
電磁場的磁化、極化和超聲場空化效應(yīng)協(xié)同作用還直接影響晶核的形成和晶體的生長過程，使得晶核的形成速率可大幅提高，又能不使晶核長成大晶體。且由于這種效應(yīng)均勻、瞬時(shí)發(fā)生在液相的各個(gè)空間使得各晶核的成長、長大速度幾近相同，對加速碳酸鈣晶核的均一化生成和顆粒微細(xì)化、為控制最終產(chǎn)品粒徑在100nm以內(nèi)創(chuàng)造了條件。這在納米碳酸鈣生產(chǎn)中是十分關(guān)鍵的技術(shù)措施。同時(shí)也有效地加快了碳化反應(yīng)的速率，縮短了碳化時(shí)間。
4.3采用電磁場與超聲場協(xié)同作用強(qiáng)化碳化反應(yīng)過程。
超聲空化效應(yīng)伴隨產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波、（1500m/s）和時(shí)速達(dá)400Km微射流、微聲流，使局部微小區(qū)域的液體受到強(qiáng)烈攪拌，高速流動(dòng)等機(jī)械效應(yīng)，使液體運(yùn)動(dòng)橫向切割在時(shí)間、空間上變化的磁場時(shí)的速度υ加大，從而磁場作用于運(yùn)動(dòng)電荷上的洛倫茲力F=qυ×B也越大,
顯然在超聲空化效應(yīng)的協(xié)同作用下電磁場對碳化反應(yīng)施加影響的磁場效應(yīng)將得到極大強(qiáng)化。
4.4碳化前期成核階段和碳化中、后期晶體成長階段采用即分開又連續(xù)進(jìn)行的工藝。
碳化前期成核階段和碳化中、后期晶體成長階段采用即分開又連續(xù)進(jìn)行的工藝。技術(shù)方案為前期碳化反應(yīng)采用電磁場、超聲撞擊流霧化工藝，中、后期碳化反應(yīng)采用電磁場、超聲場鼓泡碳化工藝�？傻玫揭粋�(gè)窄的粒度分布，并在生長過程中抑制新的晶核形成，因而產(chǎn)品顆粒微細(xì)化，粒徑可控制在20~100nm，且分布窄，均一化程度高。
五..技術(shù)實(shí)施方案
5.1如圖-1所示為電磁場、氣流超聲霧化碳化工序在上，電磁場、超聲場鼓泡碳化工序在下的整體式合成碳化裝置。（該方案適合新建廠。）
位于裝置上部的電磁場、氣流超聲霧化碳化工序可使前期碳化成核階段幾乎瞬間形成大量晶核。未完全碳化的Ca(OH)2霧流靠重力下降流入位于裝置下部的電磁場、超聲場鼓泡碳化工序，進(jìn)入后期碳化即核的生長階段。該方案適合新建廠。
5.2如圖-2所示為電磁場、氣流超聲霧化碳化工序和電磁場、超聲場鼓泡碳化工序分置式的合成碳化裝置。（該方案適合于對現(xiàn)有鼓泡碳化裝置進(jìn)行技術(shù)改造）
該方案適合于對現(xiàn)有鼓泡碳化裝置進(jìn)行技術(shù)改造，只須在現(xiàn)鼓泡碳化塔上加裝電磁場和超聲場發(fā)生機(jī)構(gòu)即可。和新增的電磁場、氣流超聲霧化碳化裝置用泵、管道連接構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)流程。
圖中：1—精漿貯槽；2—精漿泵；3—熟漿出料管；4—氣體分布器；5—鼓泡碳化進(jìn)氣管；6—2#內(nèi)電極引線管；7—2#外電極接線柱；8—2#內(nèi)電極；9—2#內(nèi)電極支架；10—超聲波換能器；11—溢流口；12—液面控制線；13—除霧器；14—鼓泡碳化尾氣出口；15—CO2氣中轉(zhuǎn)管道；16—高壓氣泵；17—氣閥；18—CO2氣總管；19—氣流超聲霧化器進(jìn)氣管；20—1#外電極接線柱；21—1#內(nèi)電極；22—1#內(nèi)電極支架；23—除霧器；24—霧化碳化尾氣出口；25—1#內(nèi)電極引線管；26—氣流超聲霧化器；27—氣流超聲霧化器進(jìn)液管；28—精漿管道；29—隔離罩；30—鼓泡碳化進(jìn)液管；31—液漿中轉(zhuǎn)管道；32—霧化碳化出料管；33—液漿中轉(zhuǎn)泵；34—液漿中轉(zhuǎn)貯槽。
Y—液面控制計(jì)接口，T—溫度計(jì)接口，D—電導(dǎo)率儀接口。
六.技術(shù)創(chuàng)新所產(chǎn)生的主要效果（技術(shù)創(chuàng)造性與先進(jìn)性）
6.1保證碳化反應(yīng)初期以較快的反應(yīng)速度瞬時(shí)生成大量CaCO3晶核，從而為控制最終顆粒微細(xì)化,粒徑在20~100nm以內(nèi)創(chuàng)造了條件。
6.2晶體成長過程盡量均勻化、粒徑分布窄，達(dá)到要求粒徑和晶型。
6.3可防止晶體團(tuán)聚，以保證宏觀粒徑均勻，達(dá)到納米級。
6.4加快碳化反應(yīng)速率，尤其是后期碳化反應(yīng)速率，大幅度縮短碳化時(shí)間（1/3~1/5），即可間歇式生產(chǎn)也可連續(xù)式生產(chǎn)，設(shè)備利用率高，生產(chǎn)成本低。
6.5由于電磁場的效應(yīng)和超聲場的空化效應(yīng)均可有效地減輕或消除碳酸鈣產(chǎn)品的包裹返堿現(xiàn)象。產(chǎn)品的返堿性得到明顯的改善，提高了產(chǎn)品品質(zhì)。
6.6消除設(shè)備內(nèi)結(jié)垢。
消除了設(shè)備內(nèi)結(jié)垢現(xiàn)象，因此也就避免了因垢層脫落，而造成粗大顆粒進(jìn)入產(chǎn)品，影響產(chǎn)品品質(zhì)的難題。
6.7可不加或少加分散劑，即可生產(chǎn)納米碳酸鈣，降低生產(chǎn)成本。
6.8碳化反應(yīng)溫度范圍大，因無需制冷或只需較少的制冷量，因而能耗小。
電磁場、氣流超聲霧化碳化工序的碳化反應(yīng)溫度可控制在10~70℃，電磁場、超聲場鼓泡碳化反應(yīng)工序的碳化反應(yīng)溫度可控制在10~50℃。和傳統(tǒng)的鼓泡碳化工藝溫度（一般低于25℃）相比，碳化反應(yīng)溫度范圍大，因而無需制冷或只需較少的制冷量，因而能耗小。
6.9.工藝操作簡便,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)控制。
通過調(diào)整氣液比、氣體流速、氫氧化鈣濃度、反應(yīng)溫度、電磁波的頻率和電磁場量、超聲波的頻率和聲強(qiáng)、控制精漿在電磁場、超聲鼓泡碳化裝置內(nèi)的停留時(shí)間或者適量添加分散劑、晶型控制劑等即可達(dá)到控制碳酸鈣晶體的粒徑和形狀的目的。
在本發(fā)明的合成碳化裝置在適宜位置，安裝液面控制計(jì)接口Y、溫度計(jì)接口T、電導(dǎo)率儀接口D，通過它們連接儀表傳感器，可實(shí)現(xiàn)在線電腦自動(dòng)控制，是大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)納米碳酸鈣粉體材料的理想加工技術(shù)設(shè)備。
七.經(jīng)濟(jì)效益測算（投資效益與社會(huì)效益預(yù)測）
對現(xiàn)年產(chǎn)萬噸微米級（0.1µm～幾個(gè)µm）碳酸鈣的企業(yè)，實(shí)施上述圖-2所示的技術(shù)改造方案。
7.1技改費(fèi)用
合計(jì)150萬元
7.2技改后產(chǎn)品種類
技改后由原普通輕質(zhì)碳酸鈣（0.5~15µm）產(chǎn)品，改為以下兩種主要產(chǎn)品：
普通納米級碳酸鈣（80~120nm）。
專用納米級碳酸鈣（40~80nm）。
7.3技改后產(chǎn)量、產(chǎn)值和凈收益
普通納米級碳酸鈣（80~120nm）產(chǎn)品7000t，1500~2000元/t×7000t=1050~1400萬元。
專用納米級碳酸鈣（40~80nm）產(chǎn)品3000t，2000~2500元/t×3000t=600~750萬元。
年產(chǎn)值1650~2150萬元，年可增收1150~1500萬元。[原產(chǎn)品普通輕質(zhì)碳酸鈣（0.5~15µm）平均價(jià)500~650元/t，年產(chǎn)值500~650萬元]凈收益(稅后利潤)300~500萬元。
采用該專利技術(shù)對原年產(chǎn)量1萬t的活性普通輕質(zhì)碳酸鈣廠家技改后，碳化速率加快，因而碳化合成反應(yīng)設(shè)備生產(chǎn)能力可成倍提高，若充分挖掘其它工序現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)能力的情況下，其年產(chǎn)量可擴(kuò)大一倍，即年產(chǎn)量達(dá)到2萬t。
普通納米級碳酸鈣（80~120nm）產(chǎn)品14000t。
專用納米級碳酸鈣（40~80nm）產(chǎn)品6000t。
并按新產(chǎn)品平均價(jià)為2000元/t。年產(chǎn)值達(dá)4000萬元。
凈收益(稅后利潤)為1300~1500萬元。
擴(kuò)產(chǎn)后效益：年產(chǎn)量擴(kuò)大一倍達(dá)到2萬t；年產(chǎn)值達(dá)4000萬元，是原年產(chǎn)值的６～８倍；凈收益(稅后利潤)達(dá)到1300~1500萬元，是原凈收益的１０～１５倍。
八.國內(nèi)外市場價(jià)格
8.1國內(nèi)普通輕質(zhì)碳酸鈣（0.5~15µm）平均價(jià)500~650元/t，活性普通輕質(zhì)碳酸鈣平均價(jià)800~1200元/t。
納米級輕質(zhì)碳酸鈣(10~100nm)：
超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣（20~100nm）平均價(jià)1800~2000元/t；（40~80nm）價(jià)格可達(dá)2500元/t。國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)品粒徑大多在80~120nm范圍。
超微細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣（<20nm）高檔轎車漆用售價(jià)高達(dá)1萬元/t。
膠黏劑行業(yè)中硅酮膠專用高檔納米碳酸鈣價(jià)格為6000~6500元/t。
油墨行業(yè)中樹脂型亮光膠印油墨專用高檔納米碳酸鈣（20~40nm）價(jià)格為8000~8500元/t
8.2美國市場：（國際市場保持在目前價(jià)位上）
中粗碳酸鈣價(jià)格70~135美元/t
微細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣（0.1~1µm）價(jià)格150~275美元/t
超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣價(jià)格275~485美元/t
8.3日本市場：
超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣價(jià)格434美元/t
九.市場需求
9.1國內(nèi)需求概況
2005年國內(nèi)市場納米碳酸鈣需求量高達(dá)35萬t，國內(nèi)生產(chǎn)能力不足15萬t，超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣（20~100nm）是碳酸鈣中的精品仍依賴進(jìn)口（每年6~10萬t），其用量以每年15%的速度遞增。目前國內(nèi)市場低檔產(chǎn)品銷售順暢，高檔產(chǎn)品需求殷切，市場前景十分看好。
9.2國內(nèi)生產(chǎn)概況
國內(nèi)輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)廠家有300余家，一般生產(chǎn)規(guī)模為3000~10000t/a，年總產(chǎn)量300萬噸。各種輕質(zhì)超細(xì)碳酸鈣的生產(chǎn)尚未形成規(guī)模，年總產(chǎn)量僅有3萬t，僅占總生產(chǎn)能力的1.0%，各種微細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)能力，僅占總生產(chǎn)能力的1.7%，而10~50
nm高檔納米碳酸鈣主要依靠進(jìn)口。國內(nèi)萬噸/年規(guī)模的納米碳酸鈣企業(yè)的年產(chǎn)值僅為1800萬元（每噸平均價(jià)1800元），生產(chǎn)成本一般在1000元/t以上，存在規(guī)模小、成本高、產(chǎn)品檔次低、競爭力差，市場空間越來越小，急需采用新技術(shù)使產(chǎn)品升級。本發(fā)明技術(shù)特點(diǎn)是只須對企業(yè)現(xiàn)有“鼓泡碳化”設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，即可達(dá)到產(chǎn)品升級和擴(kuò)產(chǎn)的效果，可謂針對性強(qiáng)、投資少、見效快。推廣應(yīng)用前景非常廣闊。
十．國際市場需求概況
輕質(zhì)碳酸鈣（PCC）世界生產(chǎn)與應(yīng)用主要集中在美國、、日本和西歐，國外發(fā)達(dá)國家1999年納米碳酸鈣的消費(fèi)量約為40萬t，預(yù)計(jì)未來幾年納米碳酸鈣在發(fā)達(dá)國家的消費(fèi)量將以年均10%以上的速度增長，2005年的消費(fèi)量可達(dá)到70萬t。
隨著納米碳酸鈣產(chǎn)品質(zhì)量的提高，生產(chǎn)成本不斷下降，新的應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，納米碳酸鈣將具有更為廣闊的市場前景。因此開發(fā)科技含量更高的節(jié)能高效，易于工業(yè)推廣的納米碳酸鈣制備新方法和設(shè)備，具有重要意義。
專利簡介（①技術(shù)原理及背景②技術(shù)創(chuàng)造性與先進(jìn)性③技術(shù)的成熟程度、適用范圍和安全性
④應(yīng)用情況及存在問題⑤轉(zhuǎn)化推廣前景）
