一种合成纳米流体的超声微化工系统以及煤基固废制备功能纳米流体的方法

本发明属于化工，具体涉及一种合成纳米流体的超声微化工系统以及煤基固废制备功能纳米流体的方法。

背景技术：

1、在煤炭开采和利用过程中，会产生各种不同的煤基固废，包括采煤洗煤过程中排放的固体废物煤矸石，煤燃烧后烟气捕获的粉煤灰废渣，以及煤气化技术在产生可燃煤气化气的同时残留的大量煤气化渣，这些固体废物占用了大量的土地面积，影响土地利用，其中包含的硫化物和产生的扬尘严重污染大气，同时流入水系中的固废污染水体，对水中生物造成巨大危害。这些煤基固废化学成分中富含大量二氧化硅以及氧化铝，然而目前煤基固废的主要利用形式仍停留在建筑建材、路基回填等中低值化利用阶段，经济效益不强且利用率低。若以煤气化灰渣为硅源和铝源，制备高附加值的二氧化硅、氧化铝纳米流体，则可为拓宽煤气化灰渣的利用途径提供新策略，在实现固废高效利用的同时产生更大的经济效益。在电子设备高速发展，热交换设备高传热负荷制约其微型化、集成化的背景下，纳米流体强化换热技术受到广泛关注。在基液中添加纳米量级的金属或金属氧化物及非金属颗粒形成的纳米流体悬浮液，可作为高效、高传热性能的新型能量输运工质，改善散热系统的换热性能。目前关于煤基固废高值化利用的研究基本处于实验室阶段，尚未实现大规模的应用，并且传统工艺体系需要大型工业设备，放大效应严重，无法实现反应环境精确控制。而微化工技术因其较小的反应体积，极短的反应时间和微量的试剂使用量得到了广泛的应用，已经在有机合成、生物技术、药品制造等领域得到广泛应用，具有广阔的应用前景和市场潜力。与传统大型釜式反应器相比，微化工反应器具有较大的表面积，反应混合效果优异，可以快速高通量合成产品，并且反应器本身结构多变，可根据实际生产条件进行特定调整，在保证质量、效率和成本的前提下实现差异化生产。

2、纳米流体中随着纳米颗粒尺寸的减小而表现出增加的热导率，但小尺寸纳米颗粒间的范德华力可能导致其在流体中聚集。由于纳米颗粒聚集体的存在，其分散稳定性可能会随着时间的推移而衰减，这将会影响其在各领域的应用。为了延长纳米流体的稳定寿命，超声波已被广泛应用于制备纳米流体研究中。高频超声波可在液体工质中产生正负压力波，从而实现纳米颗粒在连续液相中的均匀分布，经超声处理后可获得更好的颗粒分散以及更小的聚集体尺寸。同时，超声波在液相中的声空化现象引起的机械效应，可产生剪切力破坏反应器通道壁上的沉积物，从而克服微反应器的堵塞问题。另一方面，在矿物相浸出过程中，超声波在涉及外部和内部扩散控制的多相反应的许多方面发挥着加强作用。超声波的空化效应不仅可破坏团聚体、沉积物，而且能实现对反应体系的特殊搅拌作用，微气泡坍塌引起的湍流效应可以显著改善固液体系中的质量传递，从而有效提高矿物浸出效率。

3、目前在煤基固废资源化利用方面已有大量研究，cn102515221a提出了一种从粉煤灰或煤矸石中提取氧化铝和非晶态二氧化硅的方法，将粉煤灰或煤矸石煅烧后粉碎，与碱金属硫酸盐混合焙烧，反应生成物水浸固液分离后可得非晶态二氧化硅，混合溶液经除铁、蒸发浓缩、煅烧、水浸后固液分离得到氧化铝固体。cn110963518a提出了一种利用粉煤灰制备纳米氧化铝的方法，将磁选除铁后的滤饼置于反应釜中与酸加热反应，经过吸附除杂后滴入碳酸氢铵溶液长时间搅拌后高温煅烧生成纳米级氧化铝。

4、上述专利中采用的传统工艺中由煤基固废制备氧化铝、二氧化硅材料需要大型反应釜长时间加热反应，反应釜中返混、反应环境不均一、较长的反应时间导致粒径均一性难以控制，并且由于放大效应影响需要小试、中试、产业化逐级放大，耗费大量人力物力。

技术实现思路

1、为克服现有技术中的间歇反应器批次间重复性差、生产效率低的问题，本发明的目的是提供一种合成纳米流体的超声微化工系统以及煤基固废制备功能纳米流体的方法，该方法可实现对反应参数的精确控制，并有效提高生产效率，最终实现煤基固废的高值化利用。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种合成纳米流体的超声微化工系统，包括至少一个温控超声微反应器、超声浸出反应釜、反应物预热单元、过滤器和反应物储液罐；

4、超声浸出反应釜与过滤器相连，过滤器与反应物预热单元相连，反应物预热单元与温控超声微反应器相连，

5、反应物储液罐与反应物预热单元相连，温控超声微反应器相连。

6、本发明进一步的改进在于，反应物储液罐与反应物预热单元之间设置有第一流体输送装置，过滤器与反应物预热单元之间设置有第二流体输送装置。

7、本发明进一步的改进在于，所述反应物预热单元为置于恒温水浴中的盘管；温控超声微反应器的产物收集端设有背压阀；

8、所述温控超声微反应器包括相连的超声换能器和温控微反应器。

9、本发明进一步的改进在于，超声换能器为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器或倒喇叭型换能器，超声换能器频率为10～200khz，最高声强的反节点平面位于温控微反应器处。

10、本发明进一步的改进在于，所述温控微反应器内包括反应微通道及换热介质通道，反应微通道及换热介质通道的横截面为圆形、矩形、梯形、菱形、椭圆形、三角形或不规则形状；反应微通道及换热介质通道水力学直径为100μm～10mm；反应微通道及换热介质通道长度为0.1～2m；

11、所述温控微反应器的反应微通道及换热介质通道材质为聚合物、金属、玻璃或陶瓷；

12、反应微通道一端设置有反应物入口，另一端设置有产物出口，换热介质通道一端设置有换热工质入口，另一端设置有换热工质出口。

13、进一步的，聚合物为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯树脂、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯，金属为不锈钢、钛合金、锆合金或哈氏合金碳钢，陶瓷为碳化硅。

14、本发明进一步的改进在于，所述温控微反应器包括位于入口端的t形、y形、交叉、u形或并流连接的反应物混合段通道；

15、所述温控微反应器的通道结构为圆形螺旋、回字形螺旋或波浪形螺旋结构。

16、本发明进一步的改进在于，所述超声浸出反应釜为包括顶置叶轮、超声探头与温控反应罐组成；反应釜内顶部设置顶置叶轮，反应釜内设置超声探头；所述叶轮配备不锈钢叶片，工作速度为50-800rpm；所述超声探头工作频率为10-200khz。

17、一种煤基固废制备功能纳米流体的方法，包括以下步骤：

18、将煤基固废预处理后与酸通入超声浸出反应釜中，超声空化强化煤基固废中铝元素的浸出，反应后固液分离，得到富铝酸浸液及高硅酸浸渣；

19、将富铝酸浸液和碱液输入反应物预热单元中预热后进入温控超声微反应器，进行反应，得到氧化铝纳米流体；

20、将高硅酸浸渣洗涤至ph为6-7后干燥，与碱液置于超声浸出反应釜中，反应后经固液分离，得到脱硅浸出液及富碳废渣；

21、将脱硅浸出液与酸液/酸气经预热单元预热后进入温控超声微反应器)7内反应，20～120oc下反应，得到二氧化硅纳米流体。

22、本发明进一步的改进在于，所述煤基固废包括粉煤灰、煤矸石与煤气化灰渣；

23、所述酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸与醋酸中的一种，盐酸、硫酸、硝酸、磷酸浓度为0.1～12mol/l，醋酸浓度为0.1～6mol/l，煤基固废与酸的液固比为5-50ml/g，反应温度为20～100℃，反应时间为0.1～48h。

24、本发明进一步的改进在于，所述碱液为氢氧化钠溶液与氢氧化钾溶液中的一种或两种，碱液质量分数为1％～30％，液固比为5-50ml/g，设定温度为20～100℃，反应时间为0.1～48h；

25、所述碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液、氨水溶液中的一种或两种，碱液质量分数为1％～10％；

26、所述酸液为0.01～1mol/l的盐酸、硫酸、硝酸、磷酸与醋酸中的一种或几种组合；酸气为co2、hcl、so2、so3、no2、cl2、br2与h2s中的一种或几种。

27、与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

28、本发明中的温控微反应器采用联合调控反应器内微通道长度以及物料流速的方式，实现对物料停留时间和窄的停留时间分布的精确控制。所述温控超声微反应器可基于平行数目放大方法，通过微通道平行放置叠加，从而提高微反应单元物料处理量，实现微反应设备放大并走向工业化。并且所述微化工系统可依据制备工艺条件的需要多级串联、叠加，在多相反应的多功能性、反应放大的灵活性等方面具有优势。

29、进一步的，温控超声微反应器根据工艺需求，当反应器通道长度或通道尺寸增大，使得水平方向上温控微反应器面积大大增加时，可视需求并联多个超声换能器，从而保证反应通道内超声波空化效果。

30、进一步的，所述反应物预热单元为置于恒温水浴中的盘管，预热反应物，从而有效控制该反应单元的温度；温控超声微反应器的产物收集端设有背压阀，由背压阀调控该反应单元的压力。

31、相比利用煤基固废进行地底填充、制备建筑材料等传统利用方向，本发明中基于超声微化工系统的煤基固废制备功能纳米流体方法，可以实现煤气化灰渣更高经济效益的资源回收利用。针对传统间歇反应合成体系存在生产效率低、产品质量不稳定等缺陷，本发明提出的基于超声微反应器的连续合成工艺则可以利用微反应器大比表面积的微通道实现超高混合效率，快速高通量合成粒径分布均匀的氧化铝、二氧化硅纳米流体，并可以通过灵活控制不同配比和流速，最终实现材料的大规模、生产性能稳定的可控制备。由于传统反应釜存在严重放大效应，工艺需要在小试、中试、工业化阶段不断调整优化，此过程需要耗费大量时间成本和人力物力成本。而本发明中的微化工技术无放大效应，可以通过并行增加微反应器数量以及选择性设备尺寸放大实现产能的扩大，在强化传热传质、保证反应条件一致性的同时实现研发到生产的高效对接，大大减小工业化成本。本发明使用超声微反应器制备功能纳米流体，超声波在液体工质中产生的空化气泡可以实现多相混合传质强化、疏通固体颗粒堵塞、促进纳米颗粒在纳米流体中均匀分散。

32、进一步的，温控超声微反应器中微反应器结构采用结构紧凑的双通道螺旋结构，节省体积同时减少了多余声能消耗；相邻通道换热流体与反应物呈逆流流动，且传热面积大，大大增强了换热效果，实现了反应温度的精确调节。

33、进一步的，本发明中首先需要以煤基固废作为硅源和铝源，基于超声技术强化固液反应，并进一步经温控超声微反应器一步法制备得到二氧化硅和氧化铝纳米流体。