一种三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统，还提供一种基于上述系统实现纳米颗粒超临界水热合成三废零排放的方法。将超临界水热合成主系统和超临界水氧化辅助系统有效耦合，通过超临界水热合成主系统和超临界水氧化辅助系统共用公共设施，有效降低设备投资；通过将超临界水热合成主系统生成的多种可燃气体通入超临界水氧化辅助系统的加热炉，为超临界水氧化辅助系统提供能量，同时解决了废气处理问题；通过超临界水氧化辅助系统将超临界水热合成主系统产生的废水彻底处理，处理后的水重新进入超临界水热合成主系统，实现废水零排放，同时降低运行成本。

A system and method of supercritical hydrothermal synthesis of nanoparticles with three wastes and zero emissions

【技术实现步骤摘要】
一种三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统及方法
本专利技术属于化工及环保
，特别涉及一种三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统及方法。
技术介绍
纳米技术在21世纪产业革命中具有重要战略地位，其迅猛发展几乎促使所有工业领域都产生了革命性变化，是21世纪最重要的、最具前景的前沿技术。与普通粉体相比，纳米材料具有优越的性能，如大的比表面积、界面效应、量子效应和量子隧道效应等，赋予了其独特性能以及特异的电学、热学、磁学、光学及力学性能，广泛应用于各个领域。传统的纳米粉体制备方法分为物理法和化学法两大类。但是传统方法工艺设备复杂，产量低，难以做到100nm以下，大规模生产难度较大；一般都要经过后续处理；同时有的制备方法会添加有机溶剂或剧毒的添加剂成分，在生产中造成严重污染。传统纳米制造方法所面临的诸多问题使得纳米材料的价格相当高，如50nm左右的纳米铜的价格为300～400万左右/吨，严重制约了纳米材料的规模化应用，同时也限制了相关产业的发展。超临界水热合成技术是一种用于纳米金属粉体制备的绿色合成技术。超临界水热合成技术的基本原理为密闭高压容器中采用超临界水为反应介质，形成具有极小粒度的纳米金属或金属氧化物粉体。超临界水热合成过程中制备出来的颗粒具有粒度分布较为均匀，晶粒发育完整，纯度高，颗粒团聚较轻，可适用较为廉价的原料，运行成本相较于传统制备方法低，超临界水热合成制备纳米金属颗粒的技术优势主要包括以下几个方面：1、成核率极高，有利于超细微粒(10nm-30nm)的形成。2、反应速率极快，比常规方法提高几个数量级。3、反应空间密闭，不带来二次污染，环境友好。以制备纳米氧化铜为例介绍，参与超临界水热合成反应的物质包括以下几种：①原料：一般采用目标金属阳离子与惰性酸根离子组成的无机盐作为原料，对于制备纳米铜，可以采用硫酸铜、甲酸铜等作为原料。②有机配体：一般采用大分子有机物作为配体。配体与正在生长的晶体表面相互作用，抑制晶体的进一步生长。对于制备纳米铜，可采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为有机配体。③反应溶剂：一般采用超临界水作为反应溶剂，也可以采用超临界醇类(以甲醇、乙醇居多)或者超临界二氧化碳作为反应溶剂。在超临界水热合成过程中，冷态的金属盐溶液与高温超临界水混合以及有机配体混合后迅速达到超临界状态，无机盐在低溶解度的超临界水中迅速形核、结晶、析出，形成纳米超细微粒。而有机配体一般启到包裹作用，不直接参与反应，但是在高温下有可能会分解成多种小分子有机物。反应后的高温高压流体与大量冷水混合，迅速降温，避免纳米粉体在高温下继续团聚而造成粒径增大。到此为止，反应过程结束。反应后流体需要进行气液固三相分离，分离出的固相即纳米金属粉体；液相成分中主要含有无机盐离子和有机配体以及有机配体分解后的产物，还有少量未参与反应的金属离子存在；气相为反应过程中有机配体分解产生的部分气体，以及金属盐水解反应可能也会形成部分气体。以甲酸铜作为反应原料为例，经过水热合成反应生成了氢气以及多种气态烷烃。在超临界水热合成技术推广应用过程中，发现了如下缺陷：为了抑制反应过程生成的纳米颗粒团聚，普遍在反应过程中添加大分子有机物作为配体，这些有机物一般并不参与金属盐的水解、形核反应，但是在还原性的高温高压水中有可能自身发生分解，分解成为小分子有机物，也有的有机物不发生任何反应，仍以原有机物形式存在。在超临界水热合成反应结束后，一般会将大量冷却水注入系统，将反应后流体迅速降温至一个较低值(例如，200℃以下)，抑制新生成的纳米颗粒发生进一步地团聚。这样一来，反应后的流体中除了含有目标产物纳米金属颗粒之外，还包括含有高浓度有机物的废水，另外还可能产生部分氢气以及可燃性烃类气体。这些废水及废气的处理分别要建设相应的废水处理、废气处理设备实现。对于废水，由于废水中含有大分子有机物，采用常规的生物处理技术难以处理，还需要采用高级氧化技术实现，如芬顿氧化、湿式氧化等。但是，对于高级氧化技术来讲，废水浓度又普遍偏低，还需要进行额外的浓缩处理后才能进行处理。废水处理设备的引入将显著增大了设备投资及运行成本，降低系统经济性。对于废气，由于气体成分复杂，既含有氢气，又含有可燃性烷烃气体，采用单一的废气处理装置难以将其完全处理，需要多套装置完成。废气处理设备的引入又将增大了设备投资及运行成本，降低系统经济性。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，低成本解决超临界水热合成过程的废水、废气产生，本专利技术的目的在于提供一种三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统及方法，核心是将超临界水氧化装置和超临界水热合成装置进行有效耦合。通过超临界水热合成系统和超临界水氧化系统共用公共设施，有效降低设备投资；通过将超临界水热合成装置生成的多种气体通入超临界水氧化系统的加热炉，为超临界水氧化系统提供能量，同时解决了废气处理问题；通过超临界水氧化装置将超临界水热合成系统产生的废水彻底处理，处理后的水重新进入超临界水热合成装置，实现废水零排放，同时降低运行成本。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统，包括：超临界水热合成主系统，包括调配水储罐1和反应器A16，在反应器A16中发生超临界水热合成反应，生成纳米粉体，反应器A16的出口接换热器A13的热流体入口，换热器A13的热流体出口接取热器A17的热流体入口，取热器A17的热流体出口连接降压器A18的入口，降压器A18的出口与气液分离器A19的入口相连，气液分离器A19的气相出口与燃气炉23相连，为燃气炉23提供燃料，气液分离器A19的液相出口与离心机20的入口相连，离心机20将纳米粉体有效分离，所得液相即水热合成过程产生的含有高浓度有机配体的废水；超临界水氧化辅助系统，包括换热器B22，换热器B22的冷流体入口连接离心机20的液相出口，换热器B22的冷流体出口连接燃气炉23的入口，燃气炉23的出口连接反应器B24的一个入口，反应器B24的另一个入口连接氧气缓冲罐31，反应器B24的出口连接换热器B22的热流体入口，换热器B22的热流体出口连接取热器B25的热流体入口，取热器B25的热流体出口连接降压器B26的入口，降压器B26的出口连接气液分离器B27的入口，气液分离器B27的气相直接对空排放，气液分离器B27的液相出口连接调配水储罐1；冷却水系统，包括空冷塔32，空冷塔32的出口连接集水池33的入口，集水池33的一个出口连接取热器B25的冷却水入口，另一个出口连接取热器A17的冷却水入口，取热器B25的冷却水出口和取热器A17的冷却水出口均连接空冷塔32的入口。所述调配水储罐1有三个出口，分别连接配体调配罐4、原料调配罐9以及原料缓冲罐10的一个入口，原料调配罐9的另一个入口连接原料输送机8，出口接原料缓冲罐10的另一个入口，配体调配罐4的另一个入口连接配体储罐2，出口连接换热器A13的冷流体入口，换热器A13的冷流体出口通过电加热器14连接混合器15的一个入口，原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统，其特征在于，包括：/n超临界水热合成主系统，包括调配水储罐(1)和反应器A(16)，在反应器A(16)中发生超临界水热合成反应，生成纳米粉体，反应器A(16)的出口接换热器A(13)的热流体入口，换热器A(13)的热流体出口接取热器A(17)的热流体入口，取热器A(17)的热流体出口连接降压器A(18)的入口，降压器A(18)的出口与气液分离器A(19)的入口相连，气液分离器A(19)的气相出口与燃气炉(23)相连，为燃气炉(23)提供燃料，气液分离器A(19)的液相出口与离心机(20)的入口相连，离心机(20)将纳米粉体有效分离，所得液相即水热合成过程产生的含有高浓度有机配体的废水；/n超临界水氧化辅助系统，包括换热器B(22)，换热器B(22)的冷流体入口连接离心机(20)的液相出口，换热器B(22)的冷流体出口连接燃气炉(23)的入口，燃气炉(23)的出口连接反应器B(24)的一个入口，反应器B(24)的另一个入口连接氧气缓冲罐(31)，反应器B(24)的出口连接换热器B(22)的热流体入口，换热器B(22)的热流体出口连接取热器B(25)的热流体入口，取热器B(25)的热流体出口连接降压器B(26)的入口，降压器B(26)的出口连接气液分离器B(27)的入口，气液分离器B(27)的气相直接对空排放，气液分离器B(27)的液相出口连接调配水储罐(1)；/n冷却水系统，包括空冷塔(32)，空冷塔(32)的出口连接集水池(33)的入口，集水池(33)的一个出口连接取热器B(25)的冷却水入口，另一个出口连接取热器A(17)的冷却水入口，取热器B(25)的冷却水出口和取热器A(17)的冷却水出口均连接空冷塔(32)的入口。/n...

【技术特征摘要】
1.一种三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统，其特征在于，包括：
超临界水热合成主系统，包括调配水储罐(1)和反应器A(16)，在反应器A(16)中发生超临界水热合成反应，生成纳米粉体，反应器A(16)的出口接换热器A(13)的热流体入口，换热器A(13)的热流体出口接取热器A(17)的热流体入口，取热器A(17)的热流体出口连接降压器A(18)的入口，降压器A(18)的出口与气液分离器A(19)的入口相连，气液分离器A(19)的气相出口与燃气炉(23)相连，为燃气炉(23)提供燃料，气液分离器A(19)的液相出口与离心机(20)的入口相连，离心机(20)将纳米粉体有效分离，所得液相即水热合成过程产生的含有高浓度有机配体的废水；
超临界水氧化辅助系统，包括换热器B(22)，换热器B(22)的冷流体入口连接离心机(20)的液相出口，换热器B(22)的冷流体出口连接燃气炉(23)的入口，燃气炉(23)的出口连接反应器B(24)的一个入口，反应器B(24)的另一个入口连接氧气缓冲罐(31)，反应器B(24)的出口连接换热器B(22)的热流体入口，换热器B(22)的热流体出口连接取热器B(25)的热流体入口，取热器B(25)的热流体出口连接降压器B(26)的入口，降压器B(26)的出口连接气液分离器B(27)的入口，气液分离器B(27)的气相直接对空排放，气液分离器B(27)的液相出口连接调配水储罐(1)；
冷却水系统，包括空冷塔(32)，空冷塔(32)的出口连接集水池(33)的入口，集水池(33)的一个出口连接取热器B(25)的冷却水入口，另一个出口连接取热器A(17)的冷却水入口，取热器B(25)的冷却水出口和取热器A(17)的冷却水出口均连接空冷塔(32)的入口。


2.根据权利要求1所述三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统，其特征在于，所述调配水储罐(1)有三个出口，分别连接配体调配罐(4)、原料调配罐(9)以及原料缓冲罐(10)的一个入口，原料调配罐(9)的另一个入口连接原料输送机(8)，出口接原料缓冲罐(10)的另一个入口，配体调配罐(4)的另一个入口连接配体储罐(2)，出口连接换热器A(13)的冷流体入口，换热器A(13)的冷流体出口通过电加热器(14)连接混合器(15)的一个入口，原料缓冲罐(10)的出口连接混合器(15)的另一个入口，混合器(15)的出口接反应器A(16)的入口。


3.根据权利要求2所述三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统，其特征在于，所述调配水储罐(1)的第一个出口通过调配水泵A(5)连接配体调配罐(4)的一个入口，第二个出口通过调配水泵B(6)连接原料调配罐(9)的一个入口，第三个出口通过调配水泵C(7)连接原料缓冲罐(10)的一个入口，所述配体调配罐(4)的另一个入口通过配体泵(3)连接配体储罐(2)，所述原料缓冲罐(10)的出口通过高压泵A(11)连接混合器(15)的另一个入口。


4.根据权利要求2或3所述三废零排放的纳米颗粒超临界水热合成系统，其特征在于，所述有机配体在配体调配罐(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树众，杨健乔，刘璐，张熠姝，张宝权，杨闯，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61