爆炸法納米氧化鈰生產(chǎn)工藝研究范文

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氧化鈰是稀土族中一種重要的化合物，納米氧化鈰更是一種用途廣泛的超細(xì)材料，在拋光、導(dǎo)電、涂料、催化劑、紫外線吸收、固體電池等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。近年來隨著拋光材料和催化材料的迅速發(fā)展，對納米氧化鈰的的合成機(jī)理、性質(zhì)表征和應(yīng)用的研究也在逐步深入。納米氧化鈰的制造方法因制造原理不同而異，有溶膠凝膠法、燃燒法、水熱合成法、爆炸法等。其中，納米氧化鈰的爆轟合成新技術(shù)相比于一些傳統(tǒng)的制備方法，具有工序簡單、反應(yīng)周期短、爆炸時(shí)易于生成納米顆粒的特點(diǎn)。采用納米氧化鈰前驅(qū)體硝酸鈰作為乳化炸藥的爆炸組分，利用炸藥爆轟瞬間產(chǎn)生的高溫（2000～3000K）、高壓（10～15GPa）使硝酸鈰迅速轉(zhuǎn)化為納米氧化鈰。雖然金屬氧化物爆炸合成技術(shù)的文獻(xiàn)資料較多，但都屬于理論研究方面，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中，還沒有見到利用爆炸法生產(chǎn)納米金屬氧化物粉體的實(shí)例。

1實(shí)驗(yàn)部分

六水硝酸鈰，99.9%；依照文獻(xiàn)制備硝酸鈰乳化炸藥，物理發(fā)泡，密度（實(shí)測）為1.15～1.30g/mL；氧平衡值（計(jì)算）-0.0028；爆速（實(shí)測）3500～4200m•s-1；乳化器及爆炸罐，自制。在爆炸罐內(nèi)，引爆硝酸鈰乳化炸藥，收集爆炸粉塵，即得到氧化鈰粉體。酸洗除雜過程：將爆炸獲得的氧化鈰粉體漿料與濃硝酸（市售）等化學(xué)物質(zhì)混合于100L反應(yīng)釜中，在一定溫度下反應(yīng)數(shù)小時(shí)，完成氧化鈰的酸洗除雜，經(jīng)測試納米氧化鈰的純度達(dá)到99.9%。利用馬爾文MS-3000型激光粒度儀進(jìn)行氧化鈰粒度測試，將精制的納米氧化鈰分散于水基中，測試氧化鈰粒度及粒度分布，每個樣品測試三次；利用ARL9800XP+型X射線熒光光譜儀檢測氧化鈰粉體的主要成分；將氧化鈰以濃硝酸溶解，并輔以過氧化氫助溶，得到氧化鈰水基溶液，利用賽默飛7200型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定氧化鈰水基溶液中的主要成分，以排除法得到氧化鈰的純度值；以乙醇分散氧化鈰粉體，將氧化鈰的乙醇分散液滴在銅網(wǎng)上，利用透射電子顯微鏡H—800觀察氧化鈰顆粒的微觀結(jié)構(gòu)。

2結(jié)果與討論

2.1納米氧化鈰生產(chǎn)工藝路線硝酸鈰乳化炸藥生產(chǎn)納米氧化鈰的工藝路線如圖1所示。在生產(chǎn)過程中，乳化炸藥的密度和溫度對炸藥的爆炸有一定影響，在試生產(chǎn)過程中，存在諸多乳化炸藥的拒爆、半爆現(xiàn)象。這些現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是乳化炸藥本征性質(zhì)的外在反映，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的外在宏觀表現(xiàn)。爆炸力學(xué)狀態(tài)的穩(wěn)定性決定了氧化鈰形成納米顆粒的大小及其分布。乳化基質(zhì)的均勻性、乳化炸藥結(jié)構(gòu)的均一性對爆炸產(chǎn)物即氧化鈰納米顆粒有著密切關(guān)系。本質(zhì)上，乳化基質(zhì)及乳化炸藥的性狀決定了氧化鈰顆粒處于納米粒度還是微米粒度。乳化炸藥的組成及其比例對爆炸結(jié)果即納米氧化鈰的顆粒形貌有著直接關(guān)系。李曉杰課題組在這方面做了大量研究，闡述了乳化炸藥的靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)性質(zhì)對爆炸產(chǎn)物的影響關(guān)系。在探索納米氧化鈰的乳化炸藥生產(chǎn)技術(shù)中，通常通過氧化鈰的微觀顆粒大小和分布來評價(jià)，如圖2所示。通過試驗(yàn)，氧化鈰微觀顆粒的大小及分布不斷得到改善。在爆炸產(chǎn)物的收集過程中，應(yīng)該使用過樣篩過濾，以保證收集的氧化鈰物料沒有明顯的雜質(zhì)、異物。有時(shí)也可使用超細(xì)過濾篩，保證亞毫米顆粒異物不得進(jìn)入氧化鈰物料系統(tǒng)。納米粉體的干燥是個系統(tǒng)工程。普通漿料的干燥有動態(tài)和靜態(tài)方式，如噴霧干燥和微波干燥；有熱干燥方式和冷干燥方式；有氣、固、液干燥方式。生產(chǎn)者針對物料屬性和應(yīng)用要求，綜合考慮和反復(fù)實(shí)踐，才能得到最佳的干燥方式。不同干燥條件下的氧化鈰粒徑大小及分布如圖3所示。圖3a顯然不是理想的干燥條件，而圖3b反映了氧化鈰處于納米級分布狀態(tài)，是理想的干燥方式和條件。

2.2納米氧化鈰的酸洗除雜作為爆炸法生產(chǎn)納米氧化鈰工藝的重要環(huán)節(jié)，酸洗除雜是必不可少的。硝酸鈰乳化炸藥因炸藥沖擊波的作用，導(dǎo)致爆炸罐鐵質(zhì)表面材料部分以氧化物形式隨著氧化鈰的形成而產(chǎn)生，成為氧化鈰的雜質(zhì)。本公司自制的爆轟罐，其內(nèi)表面是爆炸成形的，不應(yīng)該在實(shí)施爆轟生產(chǎn)納米氧化物時(shí)產(chǎn)生鐵氧化物，可是在后期處理時(shí)，仍然發(fā)現(xiàn)有一定量的氧化鐵存在，而且還存在氧化鋁雜質(zhì)。解一超、韓志偉報(bào)道過爆轟法納米氧化鈰中氧化鐵的去除方法，但因其除雜工藝繁瑣、不經(jīng)濟(jì)，存在不可實(shí)施的嚴(yán)重局限。有文獻(xiàn)報(bào)道，納米氧化鈰的提純可采用高溫高壓條件下酸洗氧化的方法，氧化過程主要采用高強(qiáng)酸（HClO4、H2SO4、HNO3等），此法雖然提純效果較明顯，但在高溫高壓下，高強(qiáng)度酸對設(shè)備腐蝕性較大，需要復(fù)雜的耐高溫耐高壓和抗腐蝕性的設(shè)備，投資成本較高，納米氧化鈰的損失較多，且提純過程中一些高腐蝕性的物質(zhì)（如HClO4）還有爆炸的危險(xiǎn)，因而探索出一種高效、低廉、安全的適合于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的提純新工藝，已成為納米氧化鈰純化的關(guān)鍵問題。采用某種電解質(zhì)MX（M代表陽離子，X代表陰離子）替代部分強(qiáng)酸作為酸洗助劑，使強(qiáng)酸濃度在反應(yīng)體系中顯著減少，高溫下經(jīng)過數(shù)個小時(shí)的反應(yīng)，氧化鈰中的鐵雜質(zhì)全部去除，而且還去除了來自于硝酸鈰原料的鋁雜質(zhì)，使得氧化鈰的純度達(dá)到99.9%。鐵與鋁等金屬離子可能在酸洗過程中吸附在氧化鈰顆粒表面，導(dǎo)致金屬離子難以去除。鐵鋁離子一旦形成金屬絡(luò)合物，不僅容易進(jìn)入水基中，而且因這種絡(luò)合離子電性改變而不能在氧化鈰顆粒表面吸附，從而達(dá)到去除鐵、鋁等金屬離子的目的。在實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)選擇的電解質(zhì)在氧化鈰酸洗過程中，氧化鈰顆粒的某些黃色現(xiàn)象會因電解質(zhì)離子的存在而轉(zhuǎn)移至水基中，促使氧化鈰顆粒白化；如果沒有電解質(zhì)離子的存在，則氧化鈰顆粒即使經(jīng)過酸洗仍然表現(xiàn)褐黃化現(xiàn)象。由圖4可見，酸洗前后，氧化鈰的XRD圖譜充分證明酸洗前后的純度變化，高純的氧化鈰各個衍射峰尖銳，近似一條直線，說明氧化鈰晶型完整，半峰窄，晶面距小。電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定檢測不同酸洗條件下氧化鈰中雜質(zhì)去除的情況，充分反映出酸洗條件對納米氧化鈰的純化效果。控制硝酸鈰原料的鋁雜質(zhì)含量，經(jīng)過酸洗除雜，能夠得到純度達(dá)到99.9%的納米氧化鈰。氧化鈰的電子能譜表明，沒有發(fā)現(xiàn)氧化鈰中通常存在的雜質(zhì)鐵和鋁，只有鈰能譜峰。依據(jù)電子能譜的檢測靈敏度，氧化鈰的純度達(dá)到99.9%（圖5）。

3存在的問題

納米材料在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中存在著諸多難以想象的困難。納米材料的產(chǎn)業(yè)化步履維艱。納米氧化鈰的生產(chǎn)不僅面臨納米化問題，而且面臨納米化氧化鈰的工藝技術(shù)問題；不僅存在氧化鈰的產(chǎn)率問題，而且存在著環(huán)境保護(hù)問題。淡黃色納米氧化鈰粉體產(chǎn)品，又面臨如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和商品成功轉(zhuǎn)換的市場問題。

4結(jié)束語

在生產(chǎn)單元操作的試驗(yàn)中，我們由六水硝酸鈰為主要原料經(jīng)爆炸和酸洗除雜，成功得到了純度達(dá)到99.9%的納米級氧化鈰產(chǎn)品。現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展，電氣自動化是保障生產(chǎn)線高效、連續(xù)和安全運(yùn)行的前提，應(yīng)不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)爆炸法納米氧化鈰生產(chǎn)線的建設(shè)。

作者：王自軍 徐國財(cái) 端家榮 夏禮穩(wěn) 吳同成 李林 單位：安徽江南化工股份有限公司 安徽江南晶盛新材料有限公司