CN111230137A - 一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置及其使用方法，该装置包含：真空腔体；反应室；与真空腔体连通的真空组件，包含：真空泵、排气管道；升降式搅拌机构；分别密封穿过真空腔体壁并与反应室连通的进料管、无氧水输入管及排水管；加热机构；产品输出组件，其包含：设置在真空腔体内且与反应室下部连通的电磁感应管道、电磁感应机构；及，封装组件；其中，进料管、无氧水输入管、排水管和电磁感应管道分别设有控制阀门。本发明提供的一体化反应装置，从反应、分离、冲洗、干燥到封装，全程无氧化操作，制备和保存一体化，操作简便，安全性高，产品无污染，为纳米零价铁连续高效批量生产建立了基础。

Description

一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置及其使用方法

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置及其使用方法。

背景技术

纳米零价铁(Nanoscaled Zerovalent Iron，NZVI)是一种易制得还原性高的金属材料，其具有尺寸小、比表面积大、表面反应活性高等特点，在环境治理领域有很大的应用潜力。主要应用范围包括：(1)有机物废水降解；它能够降低废水厌氧过程中的氧化还原电位(ORP)，在一定程度上能够促进厌氧反应的效果，(2)重金属去除；例如地下水的铬Cr，镉Cd，汞Hg，镍Ni等。

纳米零价铁的本身活性很高。在实际制备纳米零价铁的过程中发现，虽然是在全氮气的保护环境下，但是还是会因为转移、保存过程中容易与大气接触，导致制备的纳米零价铁很容易被氧化，使得纳米零价铁表面被一层惰性的铁的氢氧化物或氧化物所覆盖。这不仅导致其在实际应用中没有较好的活性和处理效果，也对纳米零价铁的分析测试造成了很大影响。很多对材料的分析测试工作中，为了获得材料准确的信息，需要进行高真空状态的原位在线测试。而由于高活性物质制备和检测往往在不同的实验室甚至不同的城市间进行，这就使得原位在线测试难以实现。所以尽管最后得到分析数据，由于纳米零价铁已经被氧化，得到的数据也不是准确的。

目前研究者们的研究主要集中在，将纳米零价铁与其它载体进行负载，以适当减小其活性，间接减轻被氧化的现象。其中，常用的载体包括壳聚糖、淀粉、接枝高聚物、活性炭、石墨烯等(CN104609531A；CN104722279A)。但上述制备过程或负载过程均存在步骤繁杂，条件苛刻，且在干燥及保存的过程中还是不可避免部分纳米粒子被氧化失活。

还有的研究者们通过将纳米零价铁保存在铁还原微生物中以减轻纳米零价铁钝化(CN106830267A)，可是铁还原微生物培养条件比较苛刻，难以培养。

因此，如何实现防止纳米零价铁在制备和保存过程中被氧化，就成了现阶段研究亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是解决极易氧化、失活的纳米零价铁制备和保存的技术问题，提供一种一体化制备和封装装置，全程无氧化操作，从而方便地获取活性很好、未被氧化的纳米零价铁颗粒。

为了达到上述目的，本发明提供了一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置，其包含：

真空腔体；

设置在真空腔体内用于制备纳米零价铁的反应室；

与真空腔体连通的真空组件，用于为真空腔体提供真空环境，包含：真空泵、排气管道；

固定在真空腔体顶部的升降式搅拌机构，其位于反应室的正上方；该搅拌机构是由搅拌电机、搅拌棒和旋转叶片组成，其中，搅拌棒是可升降式，可调节其在反应室内的高度；

分别密封穿过真空腔体壁并与反应室连通的进料管、无氧水输入管及排水管；

用于对真空腔加热的加热机构；

产品输出组件，其包含：设置在真空腔体内且与反应室下部连通的电磁感应管道、用于形成磁场的电磁感应机构；及

封装组件，其包含：与该电磁感应管道出口端连通的封装台，用于收集纳米零价铁并封装；

其中，所述的进料管、无氧水输入管、排水管和电磁感应管道分别设有控制阀门，优选电磁阀，用于控制各自与反应室的连通。

较佳地，该装置还包含：

设置在真空腔体内底部的基座，反应室固定在基座上；

设置在真空腔体外壳上的观测口、总控组件，该总控组件用于操控真空组件、升降式搅拌机构、进料管、无氧水输入管、排水管、加热机构、产品输出组件及封装组件地运行。

较佳地，所述的真空组件还包含：控制排气管道的单向阀、及气压检测件。该单向阀可防止大气逆流进入真空腔。该气压检测件安装在真空泵的抽气口端上游，用来实时检测和反馈真空腔的真空度。

较佳地，所述的真空组件还包含设置在抽气口端的可拆卸保护罩。

较佳地，所述的保护罩内设置有向内凹进的球面状滤网，以防止颗粒杂质进入真空泵内影响其使用寿命。

较佳地，所述的无氧水输入管上设立了止回阀，防止液体倒流；所述的排水管上安装了截止阀，用于手动控制排水。

较佳地，所述的电磁感应机构包含：电磁铁组及电磁感应控制模块，电磁铁组由电磁感应控制模块控制其产生磁场。

较佳地，封装台包含：设有特制包装袋的放置室和封装件，在放置室与电磁感应管道出口端之间还设置有电磁阀，用于控制放置室与电磁感应管道的连通。

本发明还提供了一种采用上述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置制备纳米零价铁的方法，其包含：

S1，将可溶性亚铁盐溶液加到反应室，在保证无氧水输入管、进料管、排水管和电磁感应管道与反应室的阀门关闭的情况下，启动真空泵将真空腔体里的空气排出，保持真空腔一直处于无氧环境；

S2，打开进料管的阀门，同时开启搅拌机构使得进料管逐滴加入的强还原剂(硼氢化钾，硼氢化钾等)与亚铁盐溶液充分混合，反应制备纳米零价铁；

S3，打开排水管排出反应完成后的溶液，使其与纳米零价铁分离，然后打开无氧水输入管对反应室里的纳米零价铁进行清洗；

S4，清洗结束后，接着打开加热装置，对制备的纳米零价铁进行加热干燥；

S5，干燥后，待真空腔冷却至室温后，打开电磁感应管道的阀门，启动电磁感应机构，干燥后的纳米零价铁颗粒会在磁场的吸引力作用下被吸引到电磁感应管道的出口端；这时，关掉电磁感应机构，由于重力作用，纳米零价铁颗粒自由落入封装区的特制包装袋中并封装，得到纳米零价铁颗粒。

较佳地，步骤S3包含：

S3.1，打开排水管与反应室之间的阀门和排水管上的截止阀，将反应剩余液排出后关闭排水管与反应室之间的阀门；

S3.2，打开无氧水输入管与反应室的阀门，向反应室里输入无氧水，然后开排水管与反应室之间的阀门，把清洗液排出，重复清洗3～5遍。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.使用本发明的一体化反应装置，全程在无氧环境中操作直至封装完毕，可有效的避免两步法或多步法制备及保存纳米零价铁工艺中纳米零价铁可能与空气接触而被氧化。

2.本发明实现了易氧化纳米零价铁的制备和保存一体化，为纳米零价铁连续高效批量生产建立了基础。

3.本发明安装有气压检测件，可通过控制反应室内气流量来实现控制纳米零价铁的粒度。

4.本发明的一体化反应装置结构紧密，操作简便，一体化控制，安全性高，所得的产品无污染。

附图说明

图1为本发明的一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置的左剖视图。

图2为本发明的一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置的正剖视图。

图3为本发明的一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置的的立体图。

图4为本发明的一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置的操作流程图。

附图标记说明：

反应室1

搅拌棒2

搅拌电机3

旋转叶片4

无氧水输入管5

止回阀6

排水管7

截止阀8

电磁阀9

进料管10

气压检测件11

排气管道12

保护罩13

真空泵14

单向阀15

支架16

真空腔17

基座18

电磁感应管道19

电磁铁组20

封装台21

加热装置22

气压显示器23

温度控制模块24

真空泵控制模块25

搅拌机构控制模块26

电磁铁组控制模块27

阀门控制模块28

观察窗口29

手套口30

取样口31。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文所述的“真空腔体”是包含真空腔的壳体。

如图1～图2所示，本发明提供的一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置包括：基座18和真空腔17，其中基座18起支撑整个真空腔内部构件的作用。真空腔17包括反应室1、可升降搅拌机构(搅拌电机3、搅拌棒2、旋转叶片4)、进料管10、无氧水输入管5、排水管7、加热装置22、电磁感应机构(电磁铁组20、电磁感应管道19)、封装台21(用于纳米材料的封装，采用特制包装袋包装纳米材料，方便纳米材料的转移和保存，同时起到防氧化的作用。)和真空组件(真空泵14、排气管道12、气压检测件11、单向阀15和保护罩13)，其中真空组件通过支架16固定在真空腔上壁。由图1可见，进料管10、无氧水输入管5、排水管7和电磁感应管道19均与反应室1之间设置了电磁阀9，以控制管路的开启和关闭。此外，在无氧水输入管5上串联了一个止回阀6，防止液体倒流；排水管7嵌套一个截止阀8，以便于手动控制废液排放。

如图3所示，本发明的一体式反应装置中，真空腔17上盖还设置了1个观察窗口29及一个手套口30，观察口29便于工作人员观察反应室内部反应现象，手套口30是方便工作人员往反应室加制备纳米零价铁反应物(可溶性亚铁盐溶液)。

本发明的一些较佳的实施例中，本发明的一体式反应装置还设有：总控组件，用于操控真空组件、升降式搅拌机构、进料管、无氧水输入管、排水管、加热机构、产品输出组件及封装组件地运行。如图3所示，所示的总控组件包含：

气压显示器23，工作人员通过气压显示器23的反馈来调节真空泵控制模块25以控制真空腔17的真空度，保证装置内部处于无氧环境；

温度控制模块24，其在加热阶段中启动并用来控制真空腔17的加热温度，以加快纳米零价铁的干燥速度；

搅拌机构控制模块26，用来控制搅拌电机3的开启与关闭，同时可以调节搅拌棒2的高度和搅拌叶片4的旋转速度以获得最佳的搅拌作用；

控制界面上的电磁铁组控制模块27，用于启动(关闭)电磁体组，电磁铁组控制模块27启动时电磁铁组在电场的磁感应作用下产生磁场，可以通过电磁感应管道19将干燥的纳米零价铁颗粒吸到磁感应区，以达到收集纳米零价铁的目的；

阀门控制模块28，用于控制进料管10、无氧水输入管5、排水管7、电磁感应管道19上的电磁阀9开启与关闭，保证反应装置的连续性工作。最后封装的纳米零价铁材料从取样口31取出。

如图4所示，本发明提供的一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置的使用方法包含：

准备工作1：启动前，检查真空腔17内的进料管10、无氧水输入管5、排水管7、电磁感应管道19上与反应室连接的电磁阀门9以及截止阀8是否关闭，保证真空腔处于气密性很好的状态；通电后检查气压显示器23等控制模块是否正常。

准备工作2：工作人员通过手套口30将一定浓度的可溶性亚铁盐溶液加到反应室1，然后关闭手套口30并打开真空控制模板25，启动真空泵14，把真空腔17内部的空气排除，通过气压检测件11反馈到气压显示器23的度数来实时控制真空腔17的真空度，以维持真空腔17内部的无氧环境。

气压检测件可以反映内部的真空度，本发明通过设置气压检测件可以实现有目的的准确控制调节内部气流。因为纳米零价铁的粒度和气流有一定关系，从而可以根据所需粒径的要求，通过控制反应室内部真空度(即内部气压)控制反应室内部气流，从而更好地达到控制纳米零价铁的粒度的目的。

反应阶段：完成准备工作1、2后，打开可升降搅拌机构控制模块26以启动搅拌电机3，使得搅拌棒2伸进反应室1一定高度，旋转叶片4在反应液中均速搅拌。然后打开进料管10与反应室1之间的电磁阀9，让进料管10输入的强还原剂(如硼氢化钠，硼氢化钾等)以一定的速度逐滴加入反应室1内。在旋转叶片4的搅拌作用下强还原剂与亚铁盐溶液均匀混合并反应，一定反应时间后制备得到纳米零价铁。随后先关掉进料管10上的电磁阀9，以停止继续往反应室1加强还原剂；跟着通过控制搅拌电机3，使搅拌棒2上升，旋转叶片4悬空。整个反应阶段结束。

清洗阶段：待搅拌机构控制模块26关闭后，打开排水管7和反应室1之间的电磁阀门9并打开截止阀8，将反应室1的反应剩液排出。然后关闭排水管7的电磁阀门9和截止阀8，同时打开无氧水输入管5和反应室1之间的电磁阀9，无氧水对纳米零价铁颗粒进行清洗。然后关闭无氧水输入管5和反应室1之间的电磁阀9，打开排水管7和反应室1之间的电磁阀门9并打开截止阀8，将反应室1的清洗液排出。依次清洗3遍，清洗完成，关闭无氧水输入管5、排水管7与反应室1之间的电磁阀9以及排水管7上的截止阀8。

加热干燥阶段：待清洗阶段结束，打开温度控制模块24，加热装置22将根据工作人员设置好的温度和升温程序进行工作，对反应室1里的制备好的纳米零价铁进行干燥。加热一定时间后，关闭加热装置22，待真空腔17温度降至室温。

收集材料阶段：加热干燥结束后，打开电磁铁组控制模块27，电磁铁组20会产生磁场，接着打开电磁感应管道19与反应室1之间的电磁阀9。此时在电磁感应区的磁力作用下，纳米零价铁颗粒被吸收到电磁感应管道19另一端。待纳米零价铁颗粒被全部吸到电磁感应管道19后，关闭电磁铁组控制模块27。然后打开电磁感应管道19和封装台21之间的电磁阀9，纳米零价铁颗粒自由落进封装台19进行包装。

综上所述，本发明提供的一体化反应装置，包含全部设置在真空腔体内的真空组件、反应室、升降式搅拌机构、进料管、冲洗组件(无氧水输入管及排水管)、加热机构、产品输出组件、封装组件，从反应、分离、冲洗、干燥到封装，全程无氧化操作，成功制备了活性好、未氧化的纳米零价铁颗粒，制备和保存一体化，为纳米零价铁连续高效批量生产建立了基础。该装置操作简便，一体化控制，安全性高，所得的产品无污染。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置，其特征在于，该装置包含：

真空腔体；

设置在真空腔体内用于制备纳米零价铁的反应室；

与真空腔体连通的真空组件，用于为真空腔体提供真空环境，包含：真空泵、排气管道；

固定在真空腔体顶部的升降式搅拌机构；

分别密封穿过真空腔体壁并与反应室连通的进料管、无氧水输入管及排水管；

用于对真空腔加热的加热机构；

产品输出组件，其包含：设置在真空腔体内且与反应室下部连通的电磁感应管道、用于形成磁场的电磁感应机构；及

封装组件，其包含：与该电磁感应管道出口端连通的封装台，用于收集纳米零价铁并封装；

其中，所述的进料管、无氧水输入管、排水管和电磁感应管道分别设有控制阀门。

2.如权利要求1所述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置，其特征在于，该装置还包含：

设置在真空腔体内底部的基座，反应室固定在基座上；

设置在真空腔体外壳上的观测口、总控组件，该总控组件用于操控真空组件、升降式搅拌机构、进料管、无氧水输入管、排水管、加热机构、产品输出组件及封装组件地运行。

3.如权利要求1所述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置，其特征在于，所述的真空组件还包含：控制排气管道的单向阀、及气压检测件。

4.如权利要求1所述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置，其特征在于，所述的真空组件还包含设置在抽气口端的可拆卸保护罩。

5.如权利要求4所述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置，其特征在于，所述的保护罩内设置有向内凹进的球面状滤网。

6.如权利要求1所述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置，其特征在于，所述的无氧水输入管设置有止回阀，防止液体倒流；所述的排水管设置有截止阀，用于手动控制排水。

7.如权利要求1所述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置，其特征在于，所述的电磁感应机构包含：电磁铁组及电磁感应控制模块，电磁铁组由电磁感应控制模块控制产生磁场。

8.如权利要求1所述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置，其特征在于，所述的封装台包含：设有特制包装袋的放置室和封装件，在放置室与电磁感应管道出口端之间还设置有电磁阀，用于控制放置室与电磁感应管道的连通。

9.一种采用权利要求1所述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置的使用方法，其特征在于，该方法包含：

S1，将可溶性亚铁盐溶液加到反应室，在保证无氧水输入管、进料管、排水管和电磁感应管道与反应室的阀门关闭的情况下，启动真空泵将真空腔体里的空气排出，保持真空腔一直处于无氧环境；

S2，打开进料管的阀门，同时开启搅拌机构使得进料管逐滴加入的强还原剂与亚铁盐溶液充分混合，反应制备纳米零价铁；

S3，打开排水管排出反应完成后的溶液，使其与纳米零价铁分离，然后打开无氧水输入管对反应室里的纳米零价铁进行清洗；

S4，清洗结束后，接着打开加热装置，对制备的纳米零价铁进行加热干燥；

S5，干燥后，待真空腔冷却至室温后，打开电磁感应管道的阀门，启动电磁感应机构，干燥后的纳米零价铁颗粒会在磁场的吸引力作用下被吸引到电磁感应管道的出口端；这时，关掉电磁感应机构，由于重力作用，纳米零价铁颗粒自由落入封装区的特制包装袋中并封装，得到纳米零价铁颗粒。

10.如权利要求9所述的防止纳米零价铁氧化的一体式反应装置的使用方法，其特征在于，步骤S3包含：

S3.1，打开排水管与反应室之间的阀门和排水管上的截止阀，将反应剩余液排出后关闭排水管与反应室之间的阀门；

S3.2，打开无氧水输入管与反应室的阀门，向反应室里输入无氧水，然后开排水管与反应室之间的阀门，把清洗液排出，重复清洗3～5遍。

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