纳米ATH的悬浮液流变特征与制备研究

论文摘要

对纳米材料以及纳米材料的制备做了简单回顾,从热力学、动力学、团聚和添加剂等多方面对碳分制备纳米氢氧化铝（ATH）的影响做了总结和分析。碳分制备纳米ATH的过程中,悬浮液粘度随ATH固含量增加和粒度减小而显著增长,成为高粘度的非牛顿流体。研究了碳分悬浮液的流变行为,在低和高剪切速率下分别表现为胀流型非牛顿流体和假塑性非牛顿流体,同时低剪切下为时变性胀流型流体,而高剪切下触变性不明显。研究表明悬浮液内ATH存在稳定的网络结构,并可以在一定的温度和剪切破坏后保持并恢复,粘度在切应力接近结构破坏强度时发生震荡。通过流变分析,表明网络结构是悬浮液复杂流变行为的成因,也是碳分氢氧化铝粒子生成和稳定存在的根本原因。在对非牛顿流体的微观混合和传质研究成果总结的基础上,认为ATH悬浮液高粘度显著影响了碳分过程‘三传一反’,导致碳分反应产率低,产物团聚,甚至出现副产物。与传统方法相比,减低粘度是更为有效的强化传质方法。研究了不同固含量,温度,离子浓度、pH和分散剂下的纳米ATH水悬浮液粘度。结果表明粘度随固含量增加而升高,特别在9.4wt%后显著增大,悬浮液极限浓度为33wt%；温度升高,高剪切粘度下降,电解质浓度对粘度影响不大,但ATH网络结构强度提高。在不同pH值下,粘度和网络结构有较大变化,但都没有显著改善流体性质。由于分散剂已广泛用于悬浮液的稳定和降粘,且在不少反应体系中采用,在分散理论的基础上提出分散剂降粘强化传质的方法。采用流变等方法筛选了；一系列分散剂,结果表明小分子试剂对ATH水悬浮液流变没有显著作用,而聚电解质等对纳米ATH有良好的分散和稀化作用。12.9wt%的水悬浮液粘度在添加优化分散剂后降低三个数量级以上,成为牛顿流体,粘度与改进的Einstein公式计算结果吻合,并获得固含量达64wt%的高浓度悬浮液。在pH>12,[Na+]=2.7mol· L-1的苛性条件下,实验分散剂降粘效果不同程度下降,但其中一种仍有良好的分散和稀化作用,使ATH苛性悬浮液粘度下降一个数量级以上,并获得流动性良好的固含量达40wt%的苛性悬浮液。由于碱性条件下分散剂低亲和,用量提高。在碳分反应中使用分散剂,分析了分散剂参与的反应过程,分散剂使反应液粘度下降,界面传质得到强化,碳分时间缩短,产率提高。并对产品特征进行了研究。滤饼含水率降低到41.3%,而空白滤饼含水率达66.7%。得到纳米ATH为均匀六角片状,粒度100nm×10nm,BET比表面积超过80m2/g,分散性好。DTA和FTIR表征说明ATH表面吸附了4.8wt%的分散剂。分散剂在粒子周围起空间位阻的作用,阻止粒子间的聚集和成键,明显降低了二次颗粒的形成速率,减少了粒度由于胶结而发生的增长。同时静电斥力增大,提高了粒子间的排斥力,有利于粒度的均化和提高粉体分散性。研究结果使碳分反应浓度提高到10mol·L-1（理论极限浓度）,显著提高了反应器效率,并为实现粒度控制提供了手段和方法。添加分散剂极大改善了纳米ATH悬浮液的后加工/处理状态,并节省了设备和能源投入。在对目前团聚动力学和粘度模型的分析基础上,依据实验结果提出新的粘度模型和团聚动力学模型,并利用它们对碳分反应过程的粘度、传质、反应动力学和团聚动力学变化进行了分析,结果与实际非常吻合。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料与纳米ATH
• 1.1.1 纳米材料
• 1.1.2 纳米材料的制备
• 1.1.3 晶体成核理论
• 1.1.3.1 结晶的热力学条件
• 1.1.3.2 结晶的结构条件
• 1.1.3.3 成核速率与线性生长速率
• 1.1.4 纳米粒子的团聚
• 1.1.5 反团聚
• 1.1.5.1 后处理反团聚
• 1.1.5.2 反应中反团聚
• 1.1.6 纳米ATH的制备
• 1.1.6.1 制备工艺
• 1.1.6.2 拜耳工艺与碳分法研究进展
• 1.1.6.3 铝酸钠溶液
• 1.1.6.4 影响铝酸钠溶液的稳定性的因素
• 1.1.6.5 热力学和动力学
• 1.1.6.6 ATH晶体生长的理论研究
• 1.1.6.7 碳分过程的团聚
• 1.1.6.8 添加剂等对反应的影响
• 1.1.6.9 碳分过程的其它认识
• 1.1.7 小结
• 1.2 非牛顿流体微观混合与传质
• 1.2.1 宏观混合
• 1.2.1.1 混合时间的定义
• 1.2.1.2 混合时间的实验研究
• 1.2.2 微观混合
• 1.2.2.1 微观混合的实验研究
• 1.2.3 搅拌槽内非牛顿流体的微观混合特性
• 1.2.4 粘度对微观混合、反应和传质的影响
• 1.2.5 传质强化
• 1.2.5.1 提高搅拌强度
• 1.2.5.2 优化桨型和反应器
• 1.2.5.3 填料
• 1.2.5.4 新型反应器
• 1.2.5.5 表面活性物质与表面活性剂在传质控制方面的应用
• 1.2.5.6 浆料体系
• 1.2.6 小结
• 1.3 表面活性剂
• 1.3.1 分散剂类型
• 1.3.2 分散原理
• 1.3.2.1 DLVO理论
• 1.3.2.2 影响粒子稳定性的因素
• 1.3.2.3 粒子分散的一些新观点
• 1.3.3 小结
• 第二章 碳分反应制备纳米ATH与流变
• 2.1 设备与药品
• 2.2 表征方法
• 2.3 实验过程
• 2.4 表征结果与分析
• 2.4.1 工艺条件对粒度和分散性影响
• 2.4.2 碳分悬浮液流变
• 2.4.2.1 非牛顿流体
• 2.4.2.2 时变性流体
• 2.4.2.3 震荡
• 0/η_min分析'>2.4.2.4 η₀/η_min分析
• 2.4.2.5 温度对流体粘度的影响
• 2.4.2.6 固含量对流体粘度影响
• 2.4.2.7 流变行为与反应和沉降过程
• 2.5 碳分过程分析
• 2.5.1 反应与传质过程分析
• 2.5.2 碳分过程流变分析
• 2.5.3 传质与粘度
• 2.6 小结
• 2.7 研究思路及手段
• 第三章 表面活性剂筛选与流变
• 3.1 激光粒度仪法
• 3.2 流变方法
• 3.3 流变研究
• 3.3.1 ATH水悬浮液流变
• 3.3.2 添加分散剂的ATH水悬浮液流变
• 3.3.3 苛性悬浮液流变
• 3.3.4 高浓度ATH碳分悬浮液
• 3.3.5 分散剂用量与流变
• 3.3.6 分散剂筛选方法比较
• 3.4 小结
• 第四章 表面活性剂参与的碳分反应
• 4.1 表征仪器
• 4.2 结果与表征分析
• 4.2.1 收率与反应时间
• 4.2.2 形貌与分散性
• 4.2.3 分散剂吸附
• 4.2.4 吸附状态
• 4.3 理论探讨
• 4.3.1 离子浓度与流变
• 4.3.2 粘度模型
• 4.3.3 团聚动力学模型
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介