一、項目的背景
輕質碳酸鈣是一種重要的無機填料，廣泛應用于建材、橡膠、塑料、造紙、涂料、油墨、日化、飼料、食品、醫藥等行業。目前，我國輕質碳酸鈣(CaCO3)的生產，多采用傳統的鼓泡碳化法。這種碳化法在工藝上對CaCO3晶型的生長不易控制，產品粒徑大，不均勻，只能作為普通的廉價填料使用。科技進步，產業發展，尤其是高級紙張、密封膠、涂料、油墨等產品，急需大量的超細CaCO3。由于我國目前還缺少高質量的超細CaCO3產品，國家每年要花大量的外匯從國外購買。
安徽銅陵化工集團合成氨廠自1995年始著手超細碳酸鈣研試，從實驗室到小試、中試裝置都做過大量試驗，1997年在工業裝置得到了良好的亞微米級產品，但產品在白度、粒徑方面不夠穩定。為了調整企業的產業結構，開發高新技術產品，1998年開始與中科院固體物理研究所合作開發納米級碳酸鈣。
納米材料是一種新型的功能材料，正受到國內外科學家和產業界的廣泛重視。納米級輕鈣既有普通輕鈣的作用，又具有高比表面、高活性、補強增韌等特殊性能，添加后能夠有效地提高產品性能。另一方面，生產納米碳酸鈣的主要原料是優質石灰石和二氧化碳(CO2)，銅陵及附近地區擁有豐富的優質石灰石礦產資源，CO2是銅化集團合成氨廠生產合成氨的副產品，CO2的含量在98％以上，以前作為廢氣排放。因此，開發高質量的納米CaCO3產品，實現納米CaCO3的產業化，不僅可以替代進口，提高相關產品的質量，而且有利于自然資源的高效開發利用，改善企業的經濟效益。因此，納米CaCO3的研制具有著重要的意義。
二、成果的主要內容
1． 合成納米CaCO3的主要影響因素
(1)反應機理
(2)原料選擇
根據低成本制備納米CaCO3的要求，納米CaCO3以CaO 、CO2和水為主要原材料。選用主要原料如下：
CaO 選用純度、活性較高的優質原料
CO2 合成氨廠副產品經廠家提純處理
H2O 去離子水，合成氨廠具有配套的制水設備
CaO(生石灰)是以石灰石為原料，通過高溫煅燒而成。CaO應經精制除雜處理。
CO2為合成氨副產品，含量較高，已經脫硫處理，可以直接使用。
原料水應經脫鹽處理，以防止對納米CaCO3晶形的干擾。
原料質量將影響最終CaCO3產品的質量。尤其對于食品級納米CaCO3產品的生產，要注意原料中重金屬的含量。
(3)晶形控制
納米CaCO3有立方、鏈狀、針狀、片狀、球形、無定形等多種晶形。其中以鏈狀、立方形、球形應用較為廣泛。如立方晶形控制劑有多種，以二價金屬硫酸鹽為主，使用簡單方便。
(4)溫度對粒度及晶形的影響
溫度的影響是多方面的，主要體現是生成CaCO3晶粒的成核速度與晶粒的生長速度競爭與平衡。
碳酸鈣的合成是一個放熱反應，保持適當的低溫有助于加快反應的速度和CO2的利用率。
(5)分散與包覆
納米材料由于粒徑小、表面活性高而具有易團聚的特點，因此，在生成的納米CaCO3晶粒沒有形成硬團聚之前，就必須進行分散包覆處理。
2.合成工藝簡介
納米CaCO3的制備以氧化鈣(CaO)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)為主要原料，通過原料精制?前處理?碳化?活化包覆?干燥五個主要階段完成合成工藝。在工藝的設計中，我們既引入了傳統鼓泡碳化法工藝設備簡單、操作方便的優點，同時又充分考慮了納米粒子比表面大、活性高，在生成和干燥階段易團聚的特點；另外，設計中還兼顧了當地礦產資源開發、合成氨廠副產物利用等客觀條件。
三、中試
在實驗室小試成功的基礎上，在合作雙方的科研和技術人員的共同努力下，經過工藝流程設計，設備調研選型，經半年多調試，成功生產出合格的中試產品--分散性能優良的納米CaCO3。目前，該中試設備已初步形成了年產10-20t活性納米CaCO3的生產能力。
中試主要工藝設備簡介
(1) 前處理
前處理在普通的反應釜中進行，在精制后的石灰漿料中加人2％~5％的添加劑后，用高剪切乳化機乳化，使反應漿料充分細化、均勻。
(2) 碳化
傳統的鼓泡碳化，一般在直徑1~1．2m、高lO~12m的碳化塔中進行．由于碳化條件難以控制，所以生成的CaCO3多為紡錘形的微米級產品，且產品的粒徑、晶形難以控制，粒徑分布寬。近年的研究表明：CaCO3的合成是一個氣-固-液三相反應，反應物間的接觸面小，反應速度受氣-液、液-固界面的影響較大。在碳化塔中設置攪拌器，提高傳質、傳熱速度和反應的均勻性；另外，該反應又是一個放熱反應，降低溫度，可以提高CO2在漿料中的溶解度，加快反應速度，還可以抑制CaCO3晶粒的生長速度。經過這些改進后，在相同條件下，碳化時間縮短近一倍，碳化效率得到了顯著的提高，生成的CaCO3晶形可控，粒徑較均勻，為30~70nm。
(3) 活化
活化在帶有加熱夾套的反應釜中進行，由于納米粒子顆粒小，比表面大，較易團聚，在納米CaCO3生成以及壓濾工序中難免形成團聚體。通過包覆處理，可以使產品具有親油性或兩親性。
(4) 干燥
一般的CaCO3生產中，千燥工序均是以濾餅形式經烘干，再進行機械粉碎處理。這樣的工藝對粗CaCO3粉體是適用的，但如果是納米CaCO3，由于形成的硬團聚體在普通的機械粉碎中是打不開的，因此，在應用時難以分散，使用效果較差。我們選用噴霧干燥法，由于活化工藝中納米CaCO3已經進行高剪切分散處理，又經過表面修飾，這種分散良好的漿液經噴霧干燥后，不會形成硬團聚體。實驗證明，這樣的干燥工藝雖然成本稍高，但產品的白度和流動性好，易分散。
四、新工藝的主要特點
(1)原料：利用了合成氨廠廢棄的副產品(高濃度CO2)，有利于納米CaCO3籽晶的形成。
(2)加強了對反應條件的控制，實現了粒度可控。
(3)干燥前的活化處理，既可以防止納米粒子在干燥階段的吸附團聚，也提高了納米CaCO3的分散性能，為產品應用創造了有利條件。
(4)采用了新的干燥工藝和設備，以防止晶粒間的吸附團聚。
五、成果的水平及應用前景
該項研究成果已于1999年11月通過了安徽省經貿委組織的"納米碳酸鈣中試生產及產品"鑒定。鑒定結論認為：納米碳酸鈣生產工藝設計思想明確，充分考慮了銅陵地區自然資源開發以及合成氨廠副產品的利用，不僅降低了納米碳酸鈣的生產成本，而且有利于環境保護。該產品粒徑均勻，晶形可控，表面經活化處理，分散性好。產品的主要技術指標達到了20世紀90年代同類產品的國際先進水平。
納米碳酸鈣是一種重要的無機填料，廣泛應用于橡膠、塑料、紙張、涂料、油漆、油墨、醫藥、食品、飼料、日化等行業。納米級碳酸鈣具有普通碳酸鈣的作用，但它又具有新的特殊功能，在改善產品質量、降低成本、補強增韌等方面具有廣泛的應用前景。
輕質碳酸鈣是一種重要的無機填料，廣泛應用于建材、橡膠、塑料、造紙、涂料、油墨、日化、飼料、食品、醫藥等行業。目前，我國輕質碳酸鈣(CaCO3)的生產，多采用傳統的鼓泡碳化法。這種碳化法在工藝上對CaCO3晶型的生長不易控制，產品粒徑大，不均勻，只能作為普通的廉價填料使用。科技進步，產業發展，尤其是高級紙張、密封膠、涂料、油墨等產品，急需大量的超細CaCO3。由于我國目前還缺少高質量的超細CaCO3產品，國家每年要花大量的外匯從國外購買。
安徽銅陵化工集團合成氨廠自1995年始著手超細碳酸鈣研試，從實驗室到小試、中試裝置都做過大量試驗，1997年在工業裝置得到了良好的亞微米級產品，但產品在白度、粒徑方面不夠穩定。為了調整企業的產業結構，開發高新技術產品，1998年開始與中科院固體物理研究所合作開發納米級碳酸鈣。
納米材料是一種新型的功能材料，正受到國內外科學家和產業界的廣泛重視。納米級輕鈣既有普通輕鈣的作用，又具有高比表面、高活性、補強增韌等特殊性能，添加后能夠有效地提高產品性能。另一方面，生產納米碳酸鈣的主要原料是優質石灰石和二氧化碳(CO2)，銅陵及附近地區擁有豐富的優質石灰石礦產資源，CO2是銅化集團合成氨廠生產合成氨的副產品，CO2的含量在98％以上，以前作為廢氣排放。因此，開發高質量的納米CaCO3產品，實現納米CaCO3的產業化，不僅可以替代進口，提高相關產品的質量，而且有利于自然資源的高效開發利用，改善企業的經濟效益。因此，納米CaCO3的研制具有著重要的意義。
二、成果的主要內容
1． 合成納米CaCO3的主要影響因素
(1)反應機理
(2)原料選擇
根據低成本制備納米CaCO3的要求，納米CaCO3以CaO 、CO2和水為主要原材料。選用主要原料如下：
CaO 選用純度、活性較高的優質原料
CO2 合成氨廠副產品經廠家提純處理
H2O 去離子水，合成氨廠具有配套的制水設備
CaO(生石灰)是以石灰石為原料，通過高溫煅燒而成。CaO應經精制除雜處理。
CO2為合成氨副產品，含量較高，已經脫硫處理，可以直接使用。
原料水應經脫鹽處理，以防止對納米CaCO3晶形的干擾。
原料質量將影響最終CaCO3產品的質量。尤其對于食品級納米CaCO3產品的生產，要注意原料中重金屬的含量。
(3)晶形控制
納米CaCO3有立方、鏈狀、針狀、片狀、球形、無定形等多種晶形。其中以鏈狀、立方形、球形應用較為廣泛。如立方晶形控制劑有多種，以二價金屬硫酸鹽為主，使用簡單方便。
(4)溫度對粒度及晶形的影響
溫度的影響是多方面的，主要體現是生成CaCO3晶粒的成核速度與晶粒的生長速度競爭與平衡。
碳酸鈣的合成是一個放熱反應，保持適當的低溫有助于加快反應的速度和CO2的利用率。
(5)分散與包覆
納米材料由于粒徑小、表面活性高而具有易團聚的特點，因此，在生成的納米CaCO3晶粒沒有形成硬團聚之前，就必須進行分散包覆處理。
2.合成工藝簡介
納米CaCO3的制備以氧化鈣(CaO)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)為主要原料，通過原料精制?前處理?碳化?活化包覆?干燥五個主要階段完成合成工藝。在工藝的設計中，我們既引入了傳統鼓泡碳化法工藝設備簡單、操作方便的優點，同時又充分考慮了納米粒子比表面大、活性高，在生成和干燥階段易團聚的特點；另外，設計中還兼顧了當地礦產資源開發、合成氨廠副產物利用等客觀條件。
三、中試
在實驗室小試成功的基礎上，在合作雙方的科研和技術人員的共同努力下，經過工藝流程設計，設備調研選型，經半年多調試，成功生產出合格的中試產品--分散性能優良的納米CaCO3。目前，該中試設備已初步形成了年產10-20t活性納米CaCO3的生產能力。
中試主要工藝設備簡介
(1) 前處理
前處理在普通的反應釜中進行，在精制后的石灰漿料中加人2％~5％的添加劑后，用高剪切乳化機乳化，使反應漿料充分細化、均勻。
(2) 碳化
傳統的鼓泡碳化，一般在直徑1~1．2m、高lO~12m的碳化塔中進行．由于碳化條件難以控制，所以生成的CaCO3多為紡錘形的微米級產品，且產品的粒徑、晶形難以控制，粒徑分布寬。近年的研究表明：CaCO3的合成是一個氣-固-液三相反應，反應物間的接觸面小，反應速度受氣-液、液-固界面的影響較大。在碳化塔中設置攪拌器，提高傳質、傳熱速度和反應的均勻性；另外，該反應又是一個放熱反應，降低溫度，可以提高CO2在漿料中的溶解度，加快反應速度，還可以抑制CaCO3晶粒的生長速度。經過這些改進后，在相同條件下，碳化時間縮短近一倍，碳化效率得到了顯著的提高，生成的CaCO3晶形可控，粒徑較均勻，為30~70nm。
(3) 活化
活化在帶有加熱夾套的反應釜中進行，由于納米粒子顆粒小，比表面大，較易團聚，在納米CaCO3生成以及壓濾工序中難免形成團聚體。通過包覆處理，可以使產品具有親油性或兩親性。
(4) 干燥
一般的CaCO3生產中，千燥工序均是以濾餅形式經烘干，再進行機械粉碎處理。這樣的工藝對粗CaCO3粉體是適用的，但如果是納米CaCO3，由于形成的硬團聚體在普通的機械粉碎中是打不開的，因此，在應用時難以分散，使用效果較差。我們選用噴霧干燥法，由于活化工藝中納米CaCO3已經進行高剪切分散處理，又經過表面修飾，這種分散良好的漿液經噴霧干燥后，不會形成硬團聚體。實驗證明，這樣的干燥工藝雖然成本稍高，但產品的白度和流動性好，易分散。
四、新工藝的主要特點
(1)原料：利用了合成氨廠廢棄的副產品(高濃度CO2)，有利于納米CaCO3籽晶的形成。
(2)加強了對反應條件的控制，實現了粒度可控。
(3)干燥前的活化處理，既可以防止納米粒子在干燥階段的吸附團聚，也提高了納米CaCO3的分散性能，為產品應用創造了有利條件。
(4)采用了新的干燥工藝和設備，以防止晶粒間的吸附團聚。
五、成果的水平及應用前景
該項研究成果已于1999年11月通過了安徽省經貿委組織的"納米碳酸鈣中試生產及產品"鑒定。鑒定結論認為：納米碳酸鈣生產工藝設計思想明確，充分考慮了銅陵地區自然資源開發以及合成氨廠副產品的利用，不僅降低了納米碳酸鈣的生產成本，而且有利于環境保護。該產品粒徑均勻，晶形可控，表面經活化處理，分散性好。產品的主要技術指標達到了20世紀90年代同類產品的國際先進水平。
納米碳酸鈣是一種重要的無機填料，廣泛應用于橡膠、塑料、紙張、涂料、油漆、油墨、醫藥、食品、飼料、日化等行業。納米級碳酸鈣具有普通碳酸鈣的作用，但它又具有新的特殊功能，在改善產品質量、降低成本、補強增韌等方面具有廣泛的應用前景。
