一、 納米碳酸鈣的生產原理
納米碳酸鈣的粒徑很小，用物理方法生產很困難，特別是物理方法不能制備高活性晶形，因此國內外都在研究化學方法，其中碳化法是生產納米碳酸鈣的主要方法。碳化法是將精選的石灰石礦石煅燒，得到氧化鈣和窯氣，使氧化鈣消化，并將生成的懸浮氫氧化鈣在高剪切力作用下粉碎，多級旋液分離除去顆粒及雜質，得到一定濃度的精制的氫氧化鈣懸浮液；通入二氧化碳氣體，加入適當的晶形控制創，碳化至終點，得到要求晶形的碳酸鈣漿液；進行脫水、干燥、表面外理，得到所要求的碳酸鈣產品。
Juverkar等人用氫氧化鈣懸濁液，在Ψ50mm、Ψ200mm的鼓泡塔和Ψ125mm機械攪拌槽內，進行了吸收低濃度C02氣體的動力學研究。作者認為，Ca(oH)：懸油液吸收Co2制造碳酸鈣，為一伴有化學反應的氣—液—因多相反應過程，其中涉及到Ca(oH) 2固體的溶解、C02氣體的吸收、CaCo2的沉淀以及CaC02粒子成核生長過程。所涉及的主要反應過程有：
①Ca(oH) 2 (液)＝Ca2+(液)十20H-(液)；
②C02(氣)＝C02(液)；
②C02 (液)十oH—(液)＝HC03 -(液)；
④HC03-十oH-＝H20十C032-；
⑤Ca2+十C032-＝CaCo3(固)。
其中4和5兩步是瞬間進行的碳化過程的速度控制步驟；為伴有化學反應的C02的吸收。在有情性氣體存在時，氣膜阻力對于C02從氣流主體到氣液界面的擴散也有一定影響。按照JuverLar等人的觀點，整個反應的控制步驟，是通過液膜的Ca(0H)2溶解反應或C0z的傳質吸收過程。
二、 納米碳酸鈣的生產方法
碳化反應過程技二氧化碳氣體與氫氧化鈣懸浮液接觸方式不同，又分為間歇鼓泡碳化法、連續噴霧多段碳化法和超重力法。
1 間歇鼓泡碳化法
目前，在濕法碳酸鈣的生產中，大多數采用傳統的間歇鼓泡碳化法(圖1)。生產納米碳酸鈣是在生產輕質碳酸鈣的基礎上，改變碳化工藝(加入添加劑，即結晶控制劑)控制品形和粒徑，經沉淀(加沉淀劑)，再經分離、干燥、粉碎、包裝，制得不同晶形、大小均勻的納米碳酸鈣。
石灰、水——化灰池——熟漿池——碳化塔——漿池——脫水——干燥——過篩——成品
圖1 間歇鼓泡碳化法工藝流程因
此種方法生產效率低，氣液接觸差，碳化時間長，工藝上對碳酸鈣晶體不易控制。產品一次成形顆粒大，粒徑粗且不均勻，還易在反應中產生包裹現象，最終導致產品返堿，影響產品的質量。實驗研究表明：在碳化反應過程中，隨著添加利用量的增加，生成的碳酸鈣粒徑逐漸減小，當減小到一定程度時，又會隨用量的增加而增大；添加劑的加入時間以反應開始時加人為最佳，此時可得到平均粒徑最小的碳酸鈣顆粒；在其它操作條件不變的情況下，隨C02質量分數的提高，生成的碳酸鈣顆粒粒徑增大；隨Ca(0H)2初始濃度增加，產物粒度變大；提高攪拌速度，可以得到粒徑較小的碳酸鈣粒子；在望合劑存在的情況下，當氫氧化鈣懸浮液碳化成粘稠的膠狀乳濁液時，加入水溶性金屬鹽或堿金屬的硫酸鹽和磷酸鹽，可以得到的鏈鎖狀碳酸鈣。
2 連續噴霧多段碳化法
與間歇鼓泡碳化法相比，連續噴霧多段碳化法適合于連續大規模生產，生產能力大，且生產效率高，碳化時間短，產品晶形、粒度易控制，可制得優質穩定的納米碳酸鈣。連續噴霧多段碳化法是氣液反應，制備方法大致如下：把m[Ca(0H)2：m[A12(S04) 3(或ZnS04)]＝100：2—10，質量分數為0.5％—5.0％的混合漿液，調節在5—200C，將該懸浮液以霧滴(直徑為0.1—1.0mm)的形式由塔頂噴入第一碳化塔，將C02氣體(體積分數為20％—40％，溫度為20—40℃)，以0．01—0.5m／s空塔速度由塔底上升，發生碳化反應，使懸浮液中氫氧化鈣5％—10％(質量分數)被反應，然后將第一段碳化液以1．0—2．5mm的霧滴直徑，由塔頂噴入第二碳化塔，控制Co 2氣體(體積分數為20％—40％，溫度為20—400C)以0.5—3.0m／s的空塔速度上升，產生第二段碳化反應，制得平均粒徑2—20nm的納米碳酸鈣產品。控制不同碳化工藝條件，加入不同的結晶控制劑，制得的納米碳酸鈣晶形也不一樣。
1)鎖鏈形 在整合劑的存在下，于0—300C，當氫氧化鈣懸浮液碳化成粘稠的膠狀乳濁液時停止第一段碳化，然后分別加入水溶性金屬鹽和堿金屬的硫酸鹽、磷酸鹽，再進行第二段碳化。
2)立方形 在碳化過程中控制氫氧化鈣質量分數為0.1％—10％，溫度1—30℃，一定的液滴直徑及二氧化碳體積分數為10％—40％，以及一定的空塔速度，加入的結晶控制劑為多聚磷酸鈉鹽、鉀鹽。
3)紡錘形 在碳化前先將氫氧化鈣懸浮液進行濕式磨碎活化處理，再進行碳化反應，加入的結晶控制劑為H202和整合劑等。
4)球形 將鈣鹽與碳酸鹽在濃堿性溶液中，經低溫反應制得，加入的結晶控制劑為鎂鹽和多聚磷酸鈉鹽、鉀鹽等。
3 超重力法
超重力法合成納米碳酸鈣足北京化工大學發明的專利技術。該技術據棄了傳統的碳化工藝與設備，進行了革命性的創新，發明了超重力碳化工藝與設備，具有世界領先水平。北京化工大學超重力工程技術研究中心基于分子混合反應理論，在國際上率先原創性地提出了超重力反應沉淀法(簡稱超重力法)合成納米粉體的新方法，利用旋轉產生的比地球重力加速度高得多的超重力環境，在分子尺度上有效地控制化學反應與結晶過程，從而獲得粒度小、分布均勻的高質量納米粉體產品，克服了常規反應沉淀法固有的技術缺點。經過課題組全體同志的艱苦奮斗，以納米碳酸鈣粉體合成為應用體系，順利地完成了從小試、中試到工業化放大的技術開發，建成了國際上首條3000噸／年超重力法合成納米碳酸鈣粉體工業生產線。該新技術已分別轉讓給廣東廣平化工實業有限公司、內蒙古蒙西高新材料股份有限公司、新加坡納米材料科技公司等國內外企業，并吸引了美國陶氏、德國巴斯夫等國際著名跨國公司的利技合作。
納米碳酸鈣的粒徑很小，用物理方法生產很困難，特別是物理方法不能制備高活性晶形，因此國內外都在研究化學方法，其中碳化法是生產納米碳酸鈣的主要方法。碳化法是將精選的石灰石礦石煅燒，得到氧化鈣和窯氣，使氧化鈣消化，并將生成的懸浮氫氧化鈣在高剪切力作用下粉碎，多級旋液分離除去顆粒及雜質，得到一定濃度的精制的氫氧化鈣懸浮液；通入二氧化碳氣體，加入適當的晶形控制創，碳化至終點，得到要求晶形的碳酸鈣漿液；進行脫水、干燥、表面外理，得到所要求的碳酸鈣產品。
Juverkar等人用氫氧化鈣懸濁液，在Ψ50mm、Ψ200mm的鼓泡塔和Ψ125mm機械攪拌槽內，進行了吸收低濃度C02氣體的動力學研究。作者認為，Ca(oH)：懸油液吸收Co2制造碳酸鈣，為一伴有化學反應的氣—液—因多相反應過程，其中涉及到Ca(oH) 2固體的溶解、C02氣體的吸收、CaCo2的沉淀以及CaC02粒子成核生長過程。所涉及的主要反應過程有：
①Ca(oH) 2 (液)＝Ca2+(液)十20H-(液)；
②C02(氣)＝C02(液)；
②C02 (液)十oH—(液)＝HC03 -(液)；
④HC03-十oH-＝H20十C032-；
⑤Ca2+十C032-＝CaCo3(固)。
其中4和5兩步是瞬間進行的碳化過程的速度控制步驟；為伴有化學反應的C02的吸收。在有情性氣體存在時，氣膜阻力對于C02從氣流主體到氣液界面的擴散也有一定影響。按照JuverLar等人的觀點，整個反應的控制步驟，是通過液膜的Ca(0H)2溶解反應或C0z的傳質吸收過程。
二、 納米碳酸鈣的生產方法
碳化反應過程技二氧化碳氣體與氫氧化鈣懸浮液接觸方式不同，又分為間歇鼓泡碳化法、連續噴霧多段碳化法和超重力法。
1 間歇鼓泡碳化法
目前，在濕法碳酸鈣的生產中，大多數采用傳統的間歇鼓泡碳化法(圖1)。生產納米碳酸鈣是在生產輕質碳酸鈣的基礎上，改變碳化工藝(加入添加劑，即結晶控制劑)控制品形和粒徑，經沉淀(加沉淀劑)，再經分離、干燥、粉碎、包裝，制得不同晶形、大小均勻的納米碳酸鈣。
石灰、水——化灰池——熟漿池——碳化塔——漿池——脫水——干燥——過篩——成品
圖1 間歇鼓泡碳化法工藝流程因
此種方法生產效率低，氣液接觸差，碳化時間長，工藝上對碳酸鈣晶體不易控制。產品一次成形顆粒大，粒徑粗且不均勻，還易在反應中產生包裹現象，最終導致產品返堿，影響產品的質量。實驗研究表明：在碳化反應過程中，隨著添加利用量的增加，生成的碳酸鈣粒徑逐漸減小，當減小到一定程度時，又會隨用量的增加而增大；添加劑的加入時間以反應開始時加人為最佳，此時可得到平均粒徑最小的碳酸鈣顆粒；在其它操作條件不變的情況下，隨C02質量分數的提高，生成的碳酸鈣顆粒粒徑增大；隨Ca(0H)2初始濃度增加，產物粒度變大；提高攪拌速度，可以得到粒徑較小的碳酸鈣粒子；在望合劑存在的情況下，當氫氧化鈣懸浮液碳化成粘稠的膠狀乳濁液時，加入水溶性金屬鹽或堿金屬的硫酸鹽和磷酸鹽，可以得到的鏈鎖狀碳酸鈣。
2 連續噴霧多段碳化法
與間歇鼓泡碳化法相比，連續噴霧多段碳化法適合于連續大規模生產，生產能力大，且生產效率高，碳化時間短，產品晶形、粒度易控制，可制得優質穩定的納米碳酸鈣。連續噴霧多段碳化法是氣液反應，制備方法大致如下：把m[Ca(0H)2：m[A12(S04) 3(或ZnS04)]＝100：2—10，質量分數為0.5％—5.0％的混合漿液，調節在5—200C，將該懸浮液以霧滴(直徑為0.1—1.0mm)的形式由塔頂噴入第一碳化塔，將C02氣體(體積分數為20％—40％，溫度為20—40℃)，以0．01—0.5m／s空塔速度由塔底上升，發生碳化反應，使懸浮液中氫氧化鈣5％—10％(質量分數)被反應，然后將第一段碳化液以1．0—2．5mm的霧滴直徑，由塔頂噴入第二碳化塔，控制Co 2氣體(體積分數為20％—40％，溫度為20—400C)以0.5—3.0m／s的空塔速度上升，產生第二段碳化反應，制得平均粒徑2—20nm的納米碳酸鈣產品。控制不同碳化工藝條件，加入不同的結晶控制劑，制得的納米碳酸鈣晶形也不一樣。
1)鎖鏈形 在整合劑的存在下，于0—300C，當氫氧化鈣懸浮液碳化成粘稠的膠狀乳濁液時停止第一段碳化，然后分別加入水溶性金屬鹽和堿金屬的硫酸鹽、磷酸鹽，再進行第二段碳化。
2)立方形 在碳化過程中控制氫氧化鈣質量分數為0.1％—10％，溫度1—30℃，一定的液滴直徑及二氧化碳體積分數為10％—40％，以及一定的空塔速度，加入的結晶控制劑為多聚磷酸鈉鹽、鉀鹽。
3)紡錘形 在碳化前先將氫氧化鈣懸浮液進行濕式磨碎活化處理，再進行碳化反應，加入的結晶控制劑為H202和整合劑等。
4)球形 將鈣鹽與碳酸鹽在濃堿性溶液中，經低溫反應制得，加入的結晶控制劑為鎂鹽和多聚磷酸鈉鹽、鉀鹽等。
3 超重力法
超重力法合成納米碳酸鈣足北京化工大學發明的專利技術。該技術據棄了傳統的碳化工藝與設備，進行了革命性的創新，發明了超重力碳化工藝與設備，具有世界領先水平。北京化工大學超重力工程技術研究中心基于分子混合反應理論，在國際上率先原創性地提出了超重力反應沉淀法(簡稱超重力法)合成納米粉體的新方法，利用旋轉產生的比地球重力加速度高得多的超重力環境，在分子尺度上有效地控制化學反應與結晶過程，從而獲得粒度小、分布均勻的高質量納米粉體產品，克服了常規反應沉淀法固有的技術缺點。經過課題組全體同志的艱苦奮斗，以納米碳酸鈣粉體合成為應用體系，順利地完成了從小試、中試到工業化放大的技術開發，建成了國際上首條3000噸／年超重力法合成納米碳酸鈣粉體工業生產線。該新技術已分別轉讓給廣東廣平化工實業有限公司、內蒙古蒙西高新材料股份有限公司、新加坡納米材料科技公司等國內外企業，并吸引了美國陶氏、德國巴斯夫等國際著名跨國公司的利技合作。
