噴霧干燥法制備材料論文的指導方案*

毛武濤，張子祥，倪 萍，張少杰，馬 超，李茂龍，丁一鳴， 鮑克燕

(江蘇理工學院化學與環境工程學院，江蘇 常州 213001)

噴霧干燥技術主要是利用噴霧器離心或者壓力的作用，將流體狀物料噴灑成極細的霧狀滴，在干燥介質中能夠瞬間汽化，形成粉狀或顆粒狀干燥固體的一種方法[1]。噴霧干燥技術制備材料有三個步驟：一是物料霧化即利用高速旋轉技術或者高壓氣流將混合物霧化成微小的小液滴；二是小液滴和高溫空氣流接觸，瞬間汽化即干燥過程；三是干燥產品與熱空氣分離后收集[2-3]。鈮酸鈦是一種能夠替代傳統石墨的新型動力鋰離子電池負極材料，其本身具有較高的理論比容量，但由于其本身的導電率較低，通常使用碳包覆的方法來提升其導電率，主要包覆方法有溶膠凝膠法、水熱法和噴霧干燥法[4-6]。本文主要內容為本人在指導本科生畢業論文寫作“使用噴霧干燥法對鈮酸鈦顆粒進行碳包覆”實驗中所出現的問題與相應解決辦法的探討，以期為以后進行相似實驗提供部分參考。

1 噴霧干燥機使用的注意事項

噴霧干燥設備主要由塔體、攪拌罐、自動振打裝置等全部采用不銹鋼材料制作，物料收集使用的是旋風除塵裝置，進風溫度自動控制。設備運行前要做相關的檢查：(1)管道連接處是否裝好密封膠圈，連接完成后保證管路系統各處密閉不漏風；(2)艙門是否關緊，并檢查螺絲把手是否旋緊；(3)塔頂部和旋風分離器底部排料器在安裝前應檢查密封圈是否脫落；(4)檢查離心機方向是否正確；(5)進料泵管道要求穩固接好，電機旋轉方向要求與泵一致；(6)干燥室頂部放置噴霧頭處是否密封以免漏氣，安裝霧化器之前應將噴霧頭調至與銘牌方向一致等。使用噴霧干燥法制備材料時，對參數設置極其嚴格，個中細節需要認真把控。

噴霧干燥機的日常操作：(1)首先打開引風按鈕，引風機開始工作后再打開電加熱開關，并檢查設備各處是否存在有漏氣情況，如設備運轉正常則對機器進行預熱，因為噴霧干燥機的蒸發能力取決于引風機預熱的程度，所以應在保證物料性能不會受到影響的前提下，盡可能的提高引風溫度來保證實驗效率；(2)在預熱過程中，干燥室的頂端與底部的閥門必須關好，以防止冷風的進入，從而影響預熱效率；(3)當干燥室的溫度示數達到200 ℃左右時，天氣冷的話保持30分鐘，天氣熱的話無需保持即可打開離心噴頭的冷卻水開關保證噴頭內部元件因高溫而產生損壞，然后打開離心噴頭控制開關，當離心噴頭轉速達到指定數值時，打開蠕動進料泵，初始進料流量應設置小一點，確保情況正常后再緩慢增大，如一開始流量過大會造成物料粘壁甚至形成液流；(4)出風口的溫度決定著干燥樣品的溫度和濕度，即在噴霧實驗的過程中，保持出風口溫度恒定或有輕微上下浮動十分重要，這個參數取決于進料流量大小，且出風口溫度受進料量與引風溫度影響，出風口溫度過低需要減小進料量，適當調高引風溫度，反之增大進料量，降低引風溫度，具體操作視實際情況而定。

2 實驗過程中的注意事項

噴霧干燥過程中常見問題：(1)噴霧頭被樣品或者雜質堵塞、(2)制備樣品濕度較大且凝結成塊、(3)收集的實際樣品數量與計算不符、(4)實驗結束后機器的清洗等。這些問題對樣品制備的效率和成功率產生很大的影響，因此需要具備一定的耐心與思考能力來應對隨時產生的問題。

2.1 噴霧干燥機預熱的問題

由于噴霧干燥設備一般是容積式干燥器，干燥強度低，需要較大的體積，所以物料輸入前需要保證機器內溫度高于溶液溶劑的汽化溫度，以水為溶劑的溶液為例，噴霧干燥機需要將引風溫度升至200 ℃左右，并根據溶液含水比例適當升高一定溫度，實際預熱操作過程中，由于噴霧干燥機的干燥器主體機身較厚，需要足夠的熱量才能較為快速將其預熱完成，且由于其機器本身需要密閉環境才能進行實驗，開機前各方面密閉開關的檢查尤為重要，必須保證管道連接處、機器艙門等位置密閉性良好不漏氣，為了提高工作效率，預熱引風溫度一般要求達到200 ℃以上，并且機器達到指定溫度后需要保持該溫度30分鐘以上，保證腔體內溫度足夠高，待到輸入物料溶液前可把溫度調至合適溫度以免溫度過高影響材料性能。

2.2 噴霧頭堵塞的問題

噴霧頭噴嘴直徑一般在1 mm左右，細微的固體都會導致噴霧頭堵塞，因此要求所制備的樣品溶液必須均勻且無懸濁顆粒，因此，樣品球磨時間一般要求超過6個小時，球磨轉速不低于300 rpm，并且物料需要翻倒保證溶液均勻球磨以防止有固體下沉而導致上下分層，球磨結束后需使用200目左右的篩網過濾物料溶液將溶液中的固體顆粒雜質去除，隨后將物料溶液移入噴霧干燥機的溶液盛放容器中，噴霧干燥機的各部分使用前要求清洗干凈，盛放樣品溶液的容器保證無雜質固體殘留以免隨樣品溶液輸送到噴頭造成堵塞，其余配件如腔體內壁，連接管道等同樣要求干凈，不然噴干得到的材料樣品中混入其他物質將很有可能影響材料發揮應有的性能；輸入物料前需打開空氣壓縮機保證氣源輸入穩定，并使用純水清洗噴霧干燥器噴頭與輸入裝置的乳膠管，防止噴頭與乳膠管內存有雜質固體而導致堵塞；

由于噴霧過程時間較長，制備好的均勻溶液在輸入噴霧干燥機過程中需要在溶液盛放容器中設置持續攪拌裝置以防止溶液沉降分層，如果溶液內發生沉降，溶液將會變得十分粘稠而導致堵塞噴頭；另一方面，隨著噴霧過程的進行，容器內溶液液面的下降，容器內壁會有殘余的液珠干燥成固體顆粒掉入溶液中，隨著溶液通過乳膠管輸向噴頭而導致堵塞。因此需要在盛放溶液的容器輸出口添加100～200目的過濾網篩去這些固體顆粒，保證輸入到噴頭的溶液均勻無雜質。以上問題為實驗過程中常見且重要的現象，每個細節都需要認真把控，才能夠保證噴霧干燥過稱的順利進行。

2.3 收集原料不干的問題

以本科畢業論文實驗碳包覆鈮酸鈦材料的制備為例，溶液計算含水量為50%，因此需要較高的溫度，將機器引風溫度升至200 ℃后保持30 min，機器本身溫度達到所需溫度后輸入物料，蠕動泵輸入物料頻率根據實際情況隨時調整，物料溶液在進入的瞬間其中的水分發生汽化，所需要的材料成為干燥固體后大部分隨引風輸送到物料收集設備容器中，很小部分會粘在噴霧干燥劑腔體內壁上。開始噴霧時，進料流量要小，觀察腔體內是否有大量物料粘壁的情況，如果腔體內壁有結塊甚至液體沿壁成股流下，適當升高引風溫度并減小流量；如果一切正常，適當增加引鳳溫度與進料量來提高實驗效率；如果引風溫度低于150 ℃，物料水分無法全部汽化，將會發生大量的物料結塊而導致粘壁現象，此時應該調高引風溫度，適當減少進料量因此在做實驗的過程中需要考慮諸多因素以保證實驗的成功率。

2.4 實驗結束后的清洗整理

噴霧干燥機在持續工作過程中，系統各部分工作情況需要定時查看，如收料罐體積較小需要定時收集，設備運行情況也要定時關注，記錄機器設備產生變化的實時工藝參數，結束后應先關閉加熱裝置，加入純水清洗進料管中殘留物料，清洗結束后關閉進料泵，等到引風溫度降至60 ℃以下后關閉引風裝置，打開機器脈沖開關，將布袋中吸附的干燥物料吹至收集罐中，之后將收集到的所有干燥物料放入可密閉儲存的容器中并置于80 ℃鼓風干燥箱保存。最后清洗噴霧干燥機干燥塔、各連接管道等可清洗設備，并將噴霧干燥頭拆下放入純水中清洗，清水洗不掉使用超聲波清洗殘留物質，保證下次使用時設備能夠干凈順暢。清洗結束后選擇正確的方式存放以免損壞機器中的工作元件。正常情況下機器每次使用過后都需要清洗管道與干燥塔部分，3個月清洗一次除塵器內的布袋，布袋如果較長時間不清洗會導致除塵效果弱，甚至樣品腐蝕布袋的情況。因此同學們在實驗過程中對所使用的實驗設備要具備一定的維護意識。

3 結 語

本文論述了提高學生在實驗過程中對機器認知能力、遇到問題解決問題的思維能力、實驗設備的相關維護能力等。噴霧干燥技術具有可直接將溶液或懸浮體轉化為成分均勻粉體的特點，噴霧干燥技術的核心即為流化技術，能夠將材料從流體狀態一瞬間干燥成固體粉末或顆粒。我們課題組在指導本科生畢業論文中采用了噴霧干燥法制備碳包覆鈮酸鈦納米材料的實驗，在實驗過程中發現了一些問題，如噴霧干燥機需要適當預熱、噴頭容易堵賽和收集原料不干，我們就以上問題進提出了相應的注意事項和解決方案，在實驗過程中觀察思考最佳的制備工藝條件，這樣不僅培養了學生面對問題獨立思考與解決問題的能力，同時加深對實驗過程的印象，舉一反三，為之后的學習與工作提供了很好的經驗。