超重力技术
超重力反应器设备及特点
超重力技术制备纳米材料研究进展
小结
过程强化技术是化学工程学科的研究前沿和热点方向之一，是采用新技术或新设备等，提升传质、传热或反应过程速率，在生产能力不变的情况下减小设备体积、节能减排、提质增效的可持续绿色化工新技术。而作为化工过程强化技术中的一种有力技术手段，超重力技术拥有设备体积小、强化微混合等优势，在纳微颗粒的制备方面受到广泛关注。
来源：pixabay
超重力是指在高于地球重力加速度（g=9.8m/s2）的环境下物质所受到的合力，基于超重力环境下物质物理化学变化过程的原理而创立的应用技术称为超重力技术。
超重力技术诞生于1979年，来自英国的Ramshaw博士首次提出了“Higee（high gravity），译为超重力”的概念。超重力简而言之就是要比常规重力场要大的一个环境，一般是比常规重力大100到1000倍。超重力技术是一种可以增强气液传质和改善化学反应的过程，其传质系数要比传统重力场大很多。
通常超重力环境可以通过高速旋转产生离心力来模拟实现。这种旋转的设备之一是旋转填充床（Rotating Packed Bed，简称RPB)，又被称为超重力反应器。
RPB反应器主要由转子、填料、外壳、气体和液体进出口等组成，其中转子是固定并带动填料层旋转提供模拟超重力环境的主要部件。气相物质经气体入口进入超重力机空腔内，由于腔内气体存在压差，内部气体会由转子外缘处进入填料区。液体物料在通过由转子带动的高速旋转的填料时，会被填料内稳定的多孔道结构切割并破碎形成不断更新的微元流体。液体在这种高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的环境下进行气液两相甚至气液固多相逆向接触，有效地强化了传质过程和分子混合过程。
旋转填料床结构简图
RPB具有很多优点：
（1）传质单元高度低，仅有1.2cm，远小于传统固定床的传质单元高度； （2）相间传质和微观混合效率高，比传统固定床高1-3个数量级； （3）器内液体的停留时间很短，约为0.1-1s； （4）设备压降小，液泛点高，能耗小，使其在气液比比较高的体系中发挥巨大的优势； （5）设备体积远小于传统固定床，可有效减少设备的投资成本，降低设备运输、安装、拆卸和维修的难度； （6）可用于震动性和移动性较强的环境。 
在诞生之初，超重力技术主要应用于分离过程的强化，核心技术也掌握在英国和美国的部分企业和学校中，我国关于这方面的研究相对较少。80年代末，北京化工大学与美国凯斯西储大学合作，正式开始了超重力技术的基础和应用技术研究。
作为一种过程强化技术，超重力技术已经被广泛应用于许多工业应用。目前为止，RPB已被广泛应用于吸收、蒸馏、吸附、分离、乳化、反应沉淀等过程，在化工分离、新材料制备、气体净化处理、海洋工程等领域被广泛采用。
在纳米材料制备方面，超重力法具有明显的优势：制备的纳米颗粒尺寸更小，粒径分布更窄，分散性更好。同时，超重力技术工程放大较容易，生产效率可显著提高（生产能力可提高4-20倍），有利于纳米材料的规模化生产。在常规水性介质中，纳米颗粒的成核特征时间大约为1ms级。在RPB反应器中，分子混合特征时间估算为0.4－0.04ms或更小，明显小于成核特征时间。而在传统搅拌式反应器中，分子混合特征时间约为5-50ms，明显大于成核特征时间。因此，在RPB反应器中，纳米颗粒的成核过程是在微观均匀的环境中进行的，从而使得成核过程可控，得到的纳米颗粒粒径更小且粒度分布更窄。
基于超重力法制备纳米材料的独特优势，近年来北化超重力团队率先提出了超重力法制备纳米材料的新工艺，成功制备了纳米银、零价铁等纳米金属，氧化锌、四氧化三铁、二氧化硅等纳米氧化物，氢氧化镁、氢氧化铝等纳米氢氧化物及一些纳米复合材料，并且实现了部分纳米材料的工业化生产，如纳米碳酸钙。
来源：天石纳米
除此之外，近年来超重力法也成功用于荧光纳米材料、锂电等材料的制备过程。Leng等采用旋转填充床反应器，结合水热和煅烧过程制备纳米荧光粉Gd2O3:Yb3+/Er3+，利用超重力环境强化颗粒沉淀过程的混合效果，制备的荧光粉纳米颗粒粒径<100nm，比常规路线制备的颗粒粒径(~350nm)小。经表面改性后与聚氨酯均匀混合，形成柔性透明的复合材料。黄新武等人采用RBHC得到了平均粒径为60nm的镍锰酸锂以及申请了有关纳米粉体材料等方面专利。段绍君等利用环形转盘的超重力旋转填料床制备超细碳酸锂粉体，并与传统的夹套反应器进行对比。结果表明，超重力旋转填料床制备出的产品形貌较好，无杂相，产出的粉体粒径更加均一。He等对比了旋转填充床反应器和搅拌反应器制备的二氧化锆纳米分散体，并初步应用于LED的封装。结果显示，超重力制备的纳米分散体颗粒更小，更有利于在有机溶剂或聚合物主体溶液之中实现高分散，从而进行改性处理。
在纳米颗粒制备方面，超重力技术可极大地强化微观混合效果，使成核过程可控。近年来，在工业化制备和理论研究方面不断取得进展，纳米碳酸钙已形成商业化生产线。实现了多相流、多步骤的纳米颗粒合成路径，可制备高分散、粒径更小的颗粒，应用于医药、电子、航天等众多领域，陆续开发出了旋转填充床反应器平台用于系列化纳米颗粒的制备，成为了纳米材料制备的平台性技术之一。
