新型纳米填料制备及流体力学性能研究

王卫东，李 伟，刘 放，曹 洋，刘建新，尹立鹏，张 鹏，

(1.吉林化工学院化工与生物技术学院，吉林吉林132022;2.中国石油吉林石化公司化肥厂生产科，吉林吉林132021;3.吉林工程技术师范学院食品工程学院，吉林长春130052)

填料塔具有效率高、压降低、持液量小、构造简单、安装容易、投资少等优点，是石油、化工、化纤、轻工、制药及原子能等工业中广泛应用的气液接触传质设备之一。近年来，由于新型填料、新型塔内件的开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料塔的放大效应取得了实质性的突破，填料塔在化工企业得到了很好的应用。1998年卢柯和吕坚提出了金属材料表面纳米化的概念。通过填料表面特征的改性(氧化处理、表面糙化等)来增强流体在填料表层的湍流逐渐引起了研究者的重视，有人称之为填料技术的“二次革命”。本研究采用铜阳极氧化法对自制铜θ环填料表面进行纳米改性处理，测定其表面性能，并在内径为Φ100mm填料塔中，以空气-水为工质进行流体力学性能测试。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

氯化钠(分析纯);苯并三氮唑(分析纯);氢氧化钠(分析纯;)十六烷基三甲基溴化铵(分析纯);无水乙醇(分析纯);丙酮(化学纯);三氯甲烷(分析纯)，金属钛网(网孔3 mm×6 mm，陕西宝鸡市隆盛有色金属有限公司)，JAM-Ⅱ-07阴离子交换膜(北京延润膜技术开发有限公司)，铜θ环填料(自制)。

HARS-X系列高精度十进制电阻箱(北京东英泰思特测试技术有限责任公司)，85C1-A指针式直流电流表(浙江乐清市伊莱科电气有限公司)，SLJ-40W精密定时电动搅拌器(山东招远正泰电器有限公司);12N7-3B型高性能摩托车用蓄电池(天津统一工业有限公司);HH-S型水浴锅(河南巩义予华仪器有限责任公司);FA2204B精密电子天平(上海精密仪器有限公司;DHG-9070A电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)，TY-82型接触角测定仪(河北承德实验机总厂)。

1.2 纳米铜质θ环填料的制备

利用溶胶凝胶法、热氧化法、化学及电化学沉积法、反应溅射法和多元醇法等可制备不同形貌结构的Cu2O纳米薄膜。本文采用铜阳极氧化法，在自制电解槽中，以自制铜θ环填料为阳极，金属钛网(3 mm×6 mm)为阴极，阳极室中加入1000 ml NaC1(150 g/L)和十六烷基三甲基溴化铵(2 g/L)的混合溶液，阴极室中加入1000mL NaOH(1 g/L)溶液，阳极液搅拌下，加热至70℃，电解10 min，在铜θ环填料表面上生长纳米Cu2O列阵。取出填料，用蒸馏水洗涤，干燥后，放入含0.1%(w/w)苯丙三唑的乙醇中浸泡2h后，干燥，制得纳米铜θ环填料。

1.3 流体力学性能测定实验

本实验是在一内径为100 mm的冷模实验装置中进行的，流体力学实验时塔内装填0.8 m高的填料。该实验的详细描述见文献，本文不再赘述。

流体力学性能的研究是以空气-水系统为研究对象，研究铜纳米θ环填料在不同喷淋密度下的最大通量(即泛点气速)和气速与压力降的变化关系。

2 结果与讨论

2.1 填料的表面性能测定

本研究对表面纳米化处理前后的铜θ环填料进行了扫描电镜分析，如图1所示。b较a的表面形貌特征发生了很大程度的改变，表明普通金属铜填料经过纳米化处理后在其表面生成纳米Cu2O列阵。

图1 铜θ环填料表面的SEM图

2.2 填料的表面润湿性测定

填料表面的润湿状况可通过测定表面与液体的接触角，即通过接触相的界面张力相互关系来确定，接触角的测定方法一般分为角度法、长度法和重量法。本文采用角度法，在氧气-水物系条件下，对水滴作切线，量其角度值，用TY-82型接触角测定仪测定。纳米铜θ环填料(表面经纳米化处理)与普通铜θ环填料(表面未经纳米化处理)的接触角测量值分别为61.0°和29.0°，表明填料表面经纳米化处理后，接触角明显减小，从而使其润湿性能得到较大提高。

2.3 填料的几何特性数据

纳米铜θ环填料与普通铜θ环填料的几何特性数据见表1。

表1 实验用填料的几何特征数据

2.4 填料的流体力学性能

采用文献的实验方法，在不同喷淋密度L下，分别对纳米化前后两种铜θ环填料进行了水力学性能测定。两种θ环填料的空塔气体动能因子F与填料层压降ΔP/Z呈线性关系，且ΔP/Z随F增大而增大;对不同L，气速在载点以下，上升气流对液膜的曳力很小，液体流动受气流影响小，当气速超过载点时，上升气流对液膜的曳力较大，对液膜流动产生阻滞作用如图2、图3所示。

图2 普通铜θ环填料压降图

图3 纳米铜θ环填料压降图

ΔP/Z与空塔气速u的关系，通常可用下式关联表示:

式中:ΔP—填料层压降，Pa;

Z—填料层高度，m;

A—关联式系数;

B—关联式系数;

ρG—气体密度，kg/m3。

采用最小二乘法对实验数据进行关联和回归，可获得压降关联式见表2。

表2 纳米化处理前后的铜θ环填料的压降关联式

依据不同L下的ΔP/Z～F关系曲线上的折点确定泛点气速uf。从uf与L的关系可以看出，随L的增大，在相同L下，纳米铜θ环填料的uf较普通铜θ环填料高5%以上。这是由于铜θ环填料经表面纳米化处理后，其表面形貌特征发生较大变化(图1)，使其比表面积和空隙率均增大(增大率分别为23%和5%)，提高其润湿性能，有利于液体在填料表面成膜，促进流体表面的不断更新。

3 结论

普通铜θ环填料经表面纳米化处理后，表面形貌特征发生较大改变，润湿性能得到较大提高;

普通铜θ环填料经表面纳米化处理后，其比表面积和空隙率较处理前分别增大23%和6%;

随喷淋密度的增大，在相同条件下，纳米铜θ环填料的泛点气速较普通铜θ环填料高5%以上，有效提高了填料塔的操作弹性。

［1］晏 莱，周三平.现代填料塔技术发展现状与展望［J］.化工装备技术，2007，(3).

［2］刘 放，王卫东，计海峰，等.塑料花环填料液相总传质模型的估测［J］.吉林化工学院学报，2013，(1).

［3］袁孝竞，余国琮.填料塔技术的现状与展望［J］.化学工程，1995，(3).

［4］赵静妮.填料塔技术的现状与发展趋势［J］.兰州石化职业技术学院学报，2002，(3).

［5］K.Lu，J.Lu.Surface nanocrystallization(SNC)of metallic materials-presentation of the concept behind a new approach［J］.J.Mater.Sci.Technol.1999，(3).

［6］李 曦，孙江勤，张超灿.溶胶-凝胶法制备有机-无机杂化纳米级功能材料［J］.湖北化工，2000，(3).

［7］李志杰，张 旭.气相沉积法制备单分散Cu纳米颗粒模板［J］. 沈阳工业大学学报，2009，(1).

［8］贾绍义，高 红，吴松海等.金属网波纹填料表面处理对其性能的影响［J］.化学工程，2001，(1).

［9］张 进，王 黎.聚乙烯孔板波纹填料表面改性研究［J］.化学工程，1999，(1).

［10］程 江，许振苗，伏 琳等.共轭环翘填料的流体力学与传质性能［J］.化学工程，2005，(5).

［11］蔡 羽，仝俊利，张宏斌等.直流溅射沉积纳米晶氧化镍薄膜及电化学性能［J］.金属热处理，2008，(8).

［12］熊天英，刘志文，李智超等.超音速微粒轰击金属表面纳米化新技术［J］. 材料导报，2003，(3).

［13］范景莲，黄伯云，曲选辉，等.高能球磨合成W-Ni-Fe纳米复合粉末特性［J］.稀有金属材料与工程，2001，(3).

［14］汪形艳，王先友，胡传跃，等.电沉积法制备超级电容器电极材料纳米MnO2［J］.湘潭大学自然科学学报，2009，(4).

［15］闫丽丽，王 艳，熊良斌等.Cu2O纳米阵列的铜阳极氧化法制备及其光催化杀菌性能研究［J］.无机化学学报，2009，(11).

［16］贾绍义，李锡源，王恩祥.金属填料表面处理对润湿及传质性能的影响［J］.化工学报，1995，(1).

［17］栾国颜，叶永恒.金属斜孔板波纹填料流体力学与传质性能研究［J］.化工机械，2005，(4).

［18］吴松海，贾绍义，孙永利，等.DN50塑料异型矩鞍填料的流体力学与传质性能［J］.天津大学学报，2006，(10).