霧化碳化法制備超細針狀納米碳酸鋇粉體

劉 杰

(福建貝思科電子材料股份有限公司,福建 龍巖 364012)

引 言

碳酸鋇是重要的化工、電子陶瓷基礎原材料[1]。近年來，隨著電子元器件的高速發展，碳酸鋇在電子元器件行業中的使用逐步增加。中國是碳酸鋇最大的生產國[2]，而國內高端碳酸鋇需求目前還是依賴進口。國內高端精細化工BaCO3主要采用氯化鋇溶解后用碳銨沉淀[3]，此法雖然已經實現了工業化大規模生產，但是存在產品氯根偏高，難以控制。國內粉體粒度較難做到100 nm以下，同時，廢水中產生大量的氨氮和氯根，不利于環保及污水處理。相比于球型碳酸鋇，針棒狀碳酸鋇在使用過程中，更容易實施分散、粉碎。本文采用Ba(OH)2·8H2O作為原材料，溶解后通過高壓霧化進入到天然氣燃燒產生大量的高溫CO2反應室內生成BaCO3，尾氣的熱能和CO2回收重復使用，此法制備高分散、超細的針狀納米碳酸鋇[4-6]，整個過程無排放，無污染。實現綠色環保生產。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

實驗材料：分析純Ba(OH)2·8H2O；高純水；分析純乙醇；工業級天然氣。

實驗設備：500 L蒸汽加熱溶解槽；天然氣燃燒室；壓力式霧化反應室；粉體收集過濾系統；尾氣循環系統。

1.2 實驗裝置及工藝流程(見圖1)

反應流程：Ba(OH)2·8H2O溶解→加壓霧化→霧化水汽和高溫CO2反應生產碳酸鋇→過濾收集→納米碳酸鋇。

圖1 反應系統裝置圖

采用高純水溶解Ba(OH)2·8H2O，溶質溶劑比例為1∶6，溶解時水溫為60(±10) ℃，溶解時添加酒石酸作為抑制劑，水溫加熱方式采用蒸汽加熱。為了防止溶解的鋇離子和槽內空氣反應，生成大顆粒碳酸鋇，槽內通氮氣保護。完全溶解的鋇離子溶液通過增壓泵輸送、通過霧化噴頭形成霧化，霧化過程中和220 ℃的CO2快速反應生產碳酸鋇粉末。

2 結果及討論

實驗條件及樣品編號如第33頁表1。

2.1 XRD物相分析

各個編號樣品XRD圖譜如第33頁圖2所示。

對比碳酸鋇XRD標準數據，各個工藝條件合成的碳酸鋇均已成相，同時物相分析表明無其他雜相存在。

表1 樣品實驗條件

圖2 碳酸鋇XRD圖譜

2.2 SEM形貌及尺寸分析

各個編號樣品的掃描電鏡照片如圖3所示，分析表明各個合成條件碳酸鋇形貌均成為針棒狀，棒的直徑在10 nm～50 nm，長度均在500 nm左右。

圖3 碳酸鋇掃描電鏡圖片

測算各個樣品的長徑比如表2。

表2 顆粒長徑比

從數據中可以看出，隨著霧化壓力和抑制劑含量的增加，針狀顆粒軸向尺寸和徑向尺寸都呈現出減小趨勢，霧化壓力0.8 MPa，抑制劑含量3%時獲得比表面積為38.5 m2/g，軸向尺寸為165 nm，徑向尺寸為33 nm的針狀粉末。

2.3 分散性對比

采用相近比面積的碳酸鋇類球型粉末和針狀粉末做分散性對比實驗，采用0.5 L砂磨機，以氧化鋯磨球為介質，填充量1 140 g，水為溶劑，固含量為40%，線速度為7 m/s，分散劑添加量2%，砂磨時間120 min，測試粒度分布如圖4。

圖4 粒度分布圖

分散后的粒度分布結果表明，針狀形貌更有利于粉末的分散，針狀形貌能夠獲得分布窄、粒度集中、中心粒徑更小的粉末。

3 結論

采用高壓霧化后高溫碳化制備針狀超細納米碳酸鋇，通過調節霧化壓力和抑制劑含量，在霧化壓力0.8 MPa，抑制劑用量3%時，制備了比表面積為38.5 m2/g，軸向尺寸為165 nm，徑向尺寸為33 nm的針狀粉末。該制備工藝廢氣、廢水實現回收循環使用，實現綠色環保、零排放生產。通過對針狀粉體和類球狀分散性對比可知，針狀粉體有利于分散或粉碎，分散后可獲得相對集中的粉末粒度分布。