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制备微细颗粒碳酸钙存在的问题和不足，提供一种在电磁场的磁化、极化和超声场空化效应协同作用条件下，强化碳酸钙碳化反应过程，生成超微细颗粒碳酸钙的方法。该方法能使产品粒度超细化、粒级分布更窄；分散性、稳定性和返碱性都得到改善；碳化反应时间短；耗能少、成本低，可连续生产纳米级碳酸钙的方法和设备。
一.项目名称：
一种电磁场、超声场协同作用下强化碳化反应过程制备纳米碳酸钙的方法和设备。
发明专利：微细碳酸钙的制备方法。专利号：200510045329.0
实用新型：微细碳酸钙合成反应装置。专利号：200520125621.9
二．.技术应用领域（技术的成熟程度、适用范围）
本发明的专利方法已经小试。不仅可应用于反应－沉淀法制取超细粉体（如纳米碳酸钙的合成），而且还广泛应用于传质控制的气、液、固或液、液、固反应的轻工、石化和医药等领域。
三．背景技术
我国是世界上碳酸钙资源大国和生产大国。碳酸钙是重要的无机粉体材料，广泛应用于塑料、橡胶、造纸、涂料、油墨、轿车漆和医药等行业。近年来，随着碳酸钙微细化及表面处理技术的进步，使碳酸钙产品由单一填充型向专业化、精细化、功能化方向发展，这进一步拓展了碳酸钙的应用领域，创造了新的市场机遇，人们对纳米级颗粒碳酸钙的需求量越来越大。但在我国碳酸钙行业中，具有一定技术附加值的沉淀碳酸钙，在产品结构中仅占7.7%，其中具有高附加值的品种更是凤毛麟角，不足总产能的0.5%。而我国目前使用的高档纳米级活性碳酸钙95%左右依赖进口
目前，国内外沉淀碳酸钙的工业化生产工艺主要有:间歇鼓泡碳化法、连续喷雾多段碳化法和超重力反应结晶法。其中的“鼓泡碳化法”被普遍采用来制备微细颗粒碳酸钙，它是将含CO2的气体通入装有Ca(OH)2浆液的带或不带搅拌器的鼓泡塔或反应罐中完成碳化反应，通过制冷控制反应温度和加入分散剂、晶型控制剂等添加剂实现微细碳酸钙的制备。由于气相分布的不均匀性，导致气、液、固相间的界面接触面积小，传质速度慢，微观混合差。用该合成方法和设备制备微细颗粒碳酸钙存在以下的问题和不足。
（1）生产的产品颗粒不够细，一般在0.1µm～几个µm，粒径分布较宽。
（2）分散性和稳定性差，不同批次间产品重现性差。
（3）反应过程中容易产生包裹现象最终导致产品返碱影响产品质量。
（4）传统的间歇鼓泡碳化是一种全混流反应器受工艺和设备的限制，成核和晶体生长这两个过程难以分开，欲得到大小均匀一致的固相颗粒，工艺条件较难控制。
（5）生产过程需低温操作（一般低于25℃）能耗较高。
（6）碳化反应时间长达数小时，间歇生产效率低，规模小。
以上这些直接阻碍了碳酸钙产品品位和质量的提高及工业化应用，一般不能制备出小于50nm的碳酸钙，更难以制备出30nm的高档纳米级产品。
本项目针对以上“鼓泡碳化法”
制备微细颗粒碳酸钙存在的问题和不足，提供一种能使产品粒度超细化、粒级分布更窄；分散性、稳定性和返碱性都得到改善；碳化反应时间短；耗能少、成本低，可连续生产纳米级碳酸钙的方法和设备。
四．技术创新特点（技术原理）
4.1利用电磁场的极化、磁化效应强化碳化反应过程。
含有CO2的气体以及含有Ca(OH)2的浆液为原料，上述两种原料生成碳酸钙的碳化反应过程在电磁场的磁化、极化和超声场空化效应协同作用条件下进行。含有Ca（OH）2的浆液中的各种离子（Ca2+、CO32-、OH-、H+、HCO3-）和各类带电粒子流经电磁场时将受到磁场洛伦兹力的作用产生运动（磁泳），受电场力的作用产生运动（电泳），极性分子在交变电磁场中产生旋转运动，这些运动都具有分子搅拌效应，它能够极大地强化气、液、固相间基于离子、分子尺度上的微观扩散、混合和传质过程，加快了反应物Ca（OH）2和CO2的溶解、电离、扩散的速率和反应产物CaCO3离开液膜的速度，克服了液膜阻力对碳化反应的制约。使Ca2+和CO32-的过饱和度增加，加大了饱和溶液中晶核自发形成及二次成核速率，形成很多反应中心，促成大量晶核的形成，结晶速率大幅度提高。
4.2电磁场的极化、磁化效应强化碳化反应过程使结晶粒径微细化、均一化。
电磁场的磁化、极化和超声场空化效应协同作用还直接影响晶核的形成和晶体的生长过程，使得晶核的形成速率可大幅提高，又能不使晶核长成大晶体。且由于这种效应均匀、瞬时发生在液相的各个空间使得各晶核的成长、长大速度几近相同，对加速碳酸钙晶核的均一化生成和颗粒微细化、为控制最终产品粒径在100nm以内创造了条件。这在纳米碳酸钙生产中是十分关键的技术措施。同时也有效地加快了碳化反应的速率，缩短了碳化时间。
4.3采用电磁场与超声场协同作用强化碳化反应过程。
超声空化效应伴随产生的强烈冲击波、（1500m/s）和时速达400Km微射流、微声流，使局部微小区域的液体受到强烈搅拌，高速流动等机械效应，使液体运动横向切割在时间、空间上变化的磁场时的速度υ加大，从而磁场作用于运动电荷上的洛伦兹力F=qυ×B也越大,
显然在超声空化效应的协同作用下电磁场对碳化反应施加影响的磁场效应将得到极大强化。
4.4碳化前期成核阶段和碳化中、后期晶体成长阶段采用即分开又连续进行的工艺。
碳化前期成核阶段和碳化中、后期晶体成长阶段采用即分开又连续进行的工艺。技术方案为前期碳化反应采用电磁场、超声撞击流雾化工艺，中、后期碳化反应采用电磁场、超声场鼓泡碳化工艺。可得到一个窄的粒度分布，并在生长过程中抑制新的晶核形成，因而产品颗粒微细化，粒径可控制在20~100nm，且分布窄，均一化程度高。
五..技术实施方案
5.1如图-1所示为电磁场、气流超声雾化碳化工序在上，电磁场、超声场鼓泡碳化工序在下的整体式合成碳化装置。（该方案适合新建厂。）
位于装置上部的电磁场、气流超声雾化碳化工序可使前期碳化成核阶段几乎瞬间形成大量晶核。未完全碳化的Ca(OH)2雾流靠重力下降流入位于装置下部的电磁场、超声场鼓泡碳化工序，进入后期碳化即核的生长阶段。该方案适合新建厂。
5.2如图-2所示为电磁场、气流超声雾化碳化工序和电磁场、超声场鼓泡碳化工序分置式的合成碳化装置。（该方案适合于对现有鼓泡碳化装置进行技术改造）
该方案适合于对现有鼓泡碳化装置进行技术改造，只须在现鼓泡碳化塔上加装电磁场和超声场发生机构即可。和新增的电磁场、气流超声雾化碳化装置用泵、管道连接构成一个连续的生产流程。
图中：1—精浆贮槽；2—精浆泵；3—熟浆出料管；4—气体分布器；5—鼓泡碳化进气管；6—2#内电极引线管；7—2#外电极接线柱；8—2#内电极；9—2#内电极支架；10—超声波换能器；11—溢流口；12—液面控制线；13—除雾器；14—鼓泡碳化尾气出口；15—CO2气中转管道；16—高压气泵；17—气阀；18—CO2气总管；19—气流超声雾化器进气管；20—1#外电极接线柱；21—1#内电极；22—1#内电极支架；23—除雾器；24—雾化碳化尾气出口；25—1#内电极引线管；26—气流超声雾化器；27—气流超声雾化器进液管；28—精浆管道；29—隔离罩；30—鼓泡碳化进液管；31—液浆中转管道；32—雾化碳化出料管；33—液浆中转泵；34—液浆中转贮槽。
Y—液面控制计接口，T—温度计接口，D—电导率仪接口。
六.技术创新所产生的主要效果（技术创造性与先进性）
6.1保证碳化反应初期以较快的反应速度瞬时生成大量CaCO3晶核，从而为控制最终颗粒微细化,粒径在20~100nm以内创造了条件。
6.2晶体成长过程尽量均匀化、粒径分布窄，达到要求粒径和晶型。
6.3可防止晶体团聚，以保证宏观粒径均匀，达到纳米级。
6.4加快碳化反应速率，尤其是后期碳化反应速率，大幅度缩短碳化时间（1/3~1/5），即可间歇式生产也可连续式生产，设备利用率高，生产成本低。
6.5由于电磁场的效应和超声场的空化效应均可有效地减轻或消除碳酸钙产品的包裹返碱现象。产品的返碱性得到明显的改善，提高了产品品质。
6.6消除设备内结垢。
消除了设备内结垢现象，因此也就避免了因垢层脱落，而造成粗大颗粒进入产品，影响产品品质的难题。
6.7可不加或少加分散剂，即可生产纳米碳酸钙，降低生产成本。
6.8碳化反应温度范围大，因无需制冷或只需较少的制冷量，因而能耗小。
电磁场、气流超声雾化碳化工序的碳化反应温度可控制在10~70℃，电磁场、超声场鼓泡碳化反应工序的碳化反应温度可控制在10~50℃。和传统的鼓泡碳化工艺温度（一般低于25℃）相比，碳化反应温度范围大，因而无需制冷或只需较少的制冷量，因而能耗小。
6.9.工艺操作简便,易于实现自动化生产控制。
通过调整气液比、气体流速、氢氧化钙浓度、反应温度、电磁波的频率和电磁场量、超声波的频率和声强、控制精浆在电磁场、超声鼓泡碳化装置内的停留时间或者适量添加分散剂、晶型控制剂等即可达到控制碳酸钙晶体的粒径和形状的目的。
在本发明的合成碳化装置在适宜位置，安装液面控制计接口Y、温度计接口T、电导率仪接口D，通过它们连接仪表传感器，可实现在线电脑自动控制，是大规模工业化生产纳米碳酸钙粉体材料的理想加工技术设备。
七.经济效益测算（投资效益与社会效益预测）
对现年产万吨微米级（0.1µm～几个µm）碳酸钙的企业，实施上述图-2所示的技术改造方案。
7.1技改费用
合计150万元
7.2技改后产品种类
技改后由原普通轻质碳酸钙（0.5~15µm）产品，改为以下两种主要产品：
普通纳米级碳酸钙（80~120nm）。
专用纳米级碳酸钙（40~80nm）。
7.3技改后产量、产值和净收益
普通纳米级碳酸钙（80~120nm）产品7000t，1500~2000元/t×7000t=1050~1400万元。
专用纳米级碳酸钙（40~80nm）产品3000t，2000~2500元/t×3000t=600~750万元。
年产值1650~2150万元，年可增收1150~1500万元。[原产品普通轻质碳酸钙（0.5~15µm）平均价500~650元/t，年产值500~650万元]净收益(税后利润)300~500万元。
采用该专利技术对原年产量1万t的活性普通轻质碳酸钙厂家技改后，碳化速率加快，因而碳化合成反应设备生产能力可成倍提高，若充分挖掘其它工序现有设备生产能力的情况下，其年产量可扩大一倍，即年产量达到2万t。
普通纳米级碳酸钙（80~120nm）产品14000t。
专用纳米级碳酸钙（40~80nm）产品6000t。
并按新产品平均价为2000元/t。年产值达4000万元。
净收益(税后利润)为1300~1500万元。
扩产后效益：年产量扩大一倍达到2万t；年产值达4000万元，是原年产值的６～８倍；净收益(税后利润)达到1300~1500万元，是原净收益的１０～１５倍。
八.国内外市场价格
8.1国内普通轻质碳酸钙（0.5~15µm）平均价500~650元/t，活性普通轻质碳酸钙平均价800~1200元/t。
纳米级轻质碳酸钙(10~100nm)：
超细轻质碳酸钙（20~100nm）平均价1800~2000元/t；（40~80nm）价格可达2500元/t。国内工业产品粒径大多在80~120nm范围。
超微细轻质碳酸钙（<20nm）高档轿车漆用售价高达1万元/t。
胶黏剂行业中硅酮胶专用高档纳米碳酸钙价格为6000~6500元/t。
油墨行业中树脂型亮光胶印油墨专用高档纳米碳酸钙（20~40nm）价格为8000~8500元/t
8.2美国市场：（国际市场保持在目前价位上）
中粗碳酸钙价格70~135美元/t
微细轻质碳酸钙（0.1~1µm）价格150~275美元/t
超细轻质碳酸钙价格275~485美元/t
8.3日本市场：
超细轻质碳酸钙价格434美元/t
九.市场需求
9.1国内需求概况
2005年国内市场纳米碳酸钙需求量高达35万t，国内生产能力不足15万t，超细轻质碳酸钙（20~100nm）是碳酸钙中的精品仍依赖进口（每年6~10万t），其用量以每年15%的速度递增。目前国内市场低档产品销售顺畅，高档产品需求殷切，市场前景十分看好。
9.2国内生产概况
国内轻质碳酸钙生产厂家有300余家，一般生产规模为3000~10000t/a，年总产量300万吨。各种轻质超细碳酸钙的生产尚未形成规模，年总产量仅有3万t，仅占总生产能力的1.0%，各种微细轻质碳酸钙生产能力，仅占总生产能力的1.7%，而10~50
nm高档纳米碳酸钙主要依靠进口。国内万吨/年规模的纳米碳酸钙企业的年产值仅为1800万元（每吨平均价1800元），生产成本一般在1000元/t以上，存在规模小、成本高、产品档次低、竞争力差，市场空间越来越小，急需采用新技术使产品升级。本发明技术特点是只须对企业现有“鼓泡碳化”设备进行技术改造，即可达到产品升级和扩产的效果，可谓针对性强、投资少、见效快。推广应用前景非常广阔。
十．国际市场需求概况
轻质碳酸钙（PCC）世界生产与应用主要集中在美国、、日本和西欧，国外发达国家1999年纳米碳酸钙的消费量约为40万t，预计未来几年纳米碳酸钙在发达国家的消费量将以年均10%以上的速度增长，2005年的消费量可达到70万t。
随着纳米碳酸钙产品质量的提高，生产成本不断下降，新的应用领域的开拓，纳米碳酸钙将具有更为广阔的市场前景。因此开发科技含量更高的节能高效，易于工业推广的纳米碳酸钙制备新方法和设备，具有重要意义。
专利简介（①技术原理及背景②技术创造性与先进性③技术的成熟程度、适用范围和安全性
④应用情况及存在问题⑤转化推广前景）
