噴霧干燥是同時具備造粒和干燥兩種過程的工藝，通過連續操作可控制粉末的特性保持穩定。噴霧干燥技術已有100多年的歷史，在工業上的應用也有近百年的歷史，開始只限于蛋粉、奶粉、洗滌劑等少數產品的生產，隨著研究的不斷深入，現已在多種工業超細粉體及納米粉體生產中廣泛應用。采用噴霧干燥技術可制備出質量均一、重復性良好的球形粉料，縮短粉料的制備過程，也有利于自動化、連續化生產，是大規模制備優良粉體的有效方法，已成為多種產品超微細化及干燥的最優方法之一。

1.噴霧干燥法的基本原理及特點

常用噴霧器有3種類型：壓力式噴霧器、氣流式噴霧器、離心式噴霧器。壓力式噴霧器應用較多，因此本文就壓力式噴霧干燥技術進行詳解。噴霧干燥技術是從料液中獲得超微干粉料的一種較好方法，料液的形式可以是溶液、懸浮液、乳濁液等泵可以輸送的液體。其基本原理是利用霧化器將一定濃度的料液噴射成霧狀液滴，落入一定流速的熱氣流中，使之迅速干燥，獲得粉狀產品，基本原理簡圖如圖1所示。

噴霧干燥法的具體過程為(圖2所示)：加熱器產生的熱氣(熱干燥介質)經熱風管道從干燥塔的頂部進入塔內，與此同時，進樣泵送來的料液經霧化噴嘴噴射成極細的球形霧滴，落于一定流速的熱氣流中進行熱交換，由于霧滴微細，比表面積很大，使溶劑迅速蒸發，干燥和成粒過程于瞬間完成。干燥后的成品料從塔體下錐形出料口進入旋風分離器，與干燥介質分離后收集于產品接收器，熱廢氣經引風機由排氣口排出。

一般噴霧干燥包括4個階段：①料液霧化；②霧群與熱干燥介質接觸混合；③霧滴的蒸發干燥；④干燥產品與干燥介質分離。干燥的產品可以是粉狀、顆粒狀或顆粒團聚體。

與其它一些粉體制備方法相比，噴霧干燥法具有如下優點：

(1)噴霧干燥可使造粒、干燥一步完成，生產過程簡單，操作控制方便，適用于連續化工業生產，易實現自動化。

(2)干燥速率高、時間短，對熱敏性成分影響較小，因而特別適用于熱敏性物料的干燥。

(3)噴霧干燥時，料液是在不斷攪拌狀態下噴成霧化分散體，瞬間完成干燥，因此均勻度較好。

(4)在噴霧干燥中，由于溶劑迅速氣化，成品為疏松的細小顆粒，在與溶劑接觸時，溶劑易進入顆粒內部，不需進一步處理也可以獲得好的分散和好的溶解性。

(5)由于噴霧干燥是一種連續的密閉式生產，使產品純度高，杜絕了在生產環境中暴露及與操作者接觸的機會，減少了環境污染。

2. 粉體顆粒度分布控制

大量生產實踐表明，影響粉體顆粒粒度分布的工藝參數有：料液濃度、進料速度、霧化壓力、溫度、噴嘴結構、干燥介質流量、氣液接觸方式以及溶劑和溶質的性質等。這些因素都從不同角度影響液體的霧化效果和干燥成粒機理。以下將分別對其中一些主要的影響因素進行討論和分析。

2.1 料液濃度的影響

研究顯示，高濃度料液所得微粒粒徑比低濃度料液要大。這是因為料液濃度是影響霧滴形成和大小的重要物性參數。濃度高，相應的固體含量高，粘度大，形成霧滴所需的能量也就高。因而高濃度液體形成的霧滴較大，使氣液接觸面積減少，傳質效果減弱，霧滴達到過飽和狀態的時間延長，瞬間成核數量減少，顆粒的沉積以生長為主要機理，所以形成的顆粒粒徑較大。另外，濃度高的溶液所得顆粒易出現團聚現象。但是料液濃度的增加存在一個上限，如果超過此上限則不能得到顆粒。

2.2 進料速率的影響

試驗結果表明，隨著進料速率的增加，粒度有逐漸增大的趨勢。這可能是由于在其它條件相同的情況下，進料速率增大時，被霧化的液滴直徑增大，較大霧滴包含較多的溶質，因此形成的粉體顆粒粒徑就相應較大。此外，進料速率增大的同時，未干燥的液滴數目增加，液滴之間相互碰撞而發生聚并，使產品團聚加重。而且進樣速度太快也不利于料液霧化，會影響干燥效果。

2.3 霧化壓力的影響

霧化壓力是噴霧干燥技術的關鍵參數，只有達到一定的壓力才能形成霧滴。隨著噴霧壓力的增加，微粒粒徑減小。這是因為在其它條件不變的情況下，當壓力增大時，液滴中溶劑的蒸發干燥速度增大。另一方面噴嘴處壓降增大，霧化液滴粒徑因氣流沖擊能量增加而變小，增大了氣液接觸面積，增強了氣液間傳質效果，使得液滴的干燥速度增大。兩者的共同作用使得液滴達到過飽和的時間縮短，瞬間成核速度加快，成核數量增多，微粒的沉積此時以均勻析出為主。因此，所得最終產品的粒徑隨之減小，粒徑分布隨之變窄。但壓力過大也會對微形狀產生負面影響，如破碎、孔洞、凹陷等形狀不規則等現象，影響產品性能。

2.4 溫度的影響

溫度可分為進口溫度和出口溫度，其中進口溫度較為重要，低溫時所得微粒的粒徑比高溫時大，粒徑分布也寬，即在其它條件不變的情況下，溫度較低時，溶液霧滴達到過飽和的時間延長，瞬間成核速度降低，成核數量減少，因此，所得微粒粒徑增大。而此時由于微粒的析出以生長為主，相應地形成最終產品的時間延長，微粒相互間的團聚和碰撞也導致產品的均勻性變差，故粒徑分布變寬。隨著溫度的升高，溶劑蒸發速度加快，液滴達到過飽和態的時間縮短，故形成的微粒粒徑相應減小，粒徑分布變窄。研究發現，溫度過高時，形成的顆粒容易團聚，這樣顆粒粒徑反而增大。

2.5 噴嘴出口直徑的影響

噴嘴又稱霧化器，是噴霧干燥設備的關鍵部件，其結構的不同直接影響液體霧化分散效果，進而影響微粒的粒徑和性能。在進樣速率相同的條件下，噴嘴出口直徑較大時所得粒徑普遍較直徑較小的小。這可能是由于當出口直徑較大時，所形成的液膜較薄，經氣流沖擊、摩擦后分散成的霧滴更小。同時，氣液間的傳質因霧滴總表面積的增大而加強，溶劑蒸發速度加快，霧滴更快達到過飽和狀態。所以在液體流量一定的情況下，微粒沉積以成核析出為主，瞬間成核數量增多，粒徑減小。由此可見，改變噴嘴的結構，可在一定范圍內控制粒徑及粒徑分布，并使之符合不同的制粒要求。

3 粉體顆粒的形態控制

噴霧干燥技術所得的產物一般為球形顆粒，但由于工藝參數控制不當往往會導致顆粒變形，如空心球、中空的環形或蘋果形。變形顆粒的形成受原料種類、原料濃度、霧滴大小、高溫區停留時間、氣流速度等多種因素的影響，變形過程如下圖所示。

原料濃度低是形成空心顆粒的主要原因。干燥過程中水分遷移到霧滴表面，并攜帶固體粒子，使顆粒內部形成部分中空；如果在霧滴外圍形成低滲透性的彈性薄膜，由于蒸發速度低，霧滴溫度升高，水分從內部蒸發，使霧滴產生隆起。這兩種情況均會破壞顆粒的球形，產生變形顆粒。此外，液滴停留在高溫區時，溶質在液滴表面迅速析出，并形成殼層，固體殼層的存在使溶液的氣化分子傳質受阻，而傳熱卻變化很小，于是殼層內溶液溫度持續上升，并可能達到沸騰狀態，殼層在內部氣壓作用下膨脹，中心溶質濃度降低。當內部氣壓大于殼層機械強度時，內部氣化分子便在殼層最薄弱處克服阻力而沖出殼層，使外殼產生孔洞或形成空心顆粒。霧滴在高溫下表面水分首先蒸發形成硬殼，殼內液體繼續蒸發，如果硬殼是不透氣的，殼層就被吹大形成空心球。某些情況下，空心球會被吹破，形成殼狀碎片。

4 噴霧干燥技術在鋰離子電池材料制備中的應用

李陽興等以乙酸鋰和乙酸鈷的混合溶液為前驅體，通過噴霧干燥法制備出的混合粉體經熱處理得到LiCo02超細粉。LiCo02粉末分布均勻，粒徑為200~700nm，通過組裝成試驗電池測試其充放電容量發現，此方法制得的LiCo02具有優良的電化學活性。Zhaoyin Wen等以Li2C03和金紅石型Ti02為前驅體，經噴霧干燥和熱處理過程，制得了球形多孔的Li4Ti5O12粉體，其粒徑為幾個微米，在比常用的機械混合物固態反應法低100～300℃的熱處理溫度下得到性能優良的電極材料。噴霧干燥法還可以由多組分前驅體得到包覆結構的超微粉體，如Huang Chen等制得了粒度為10μm以下的TiO2-Ce02、Ti02-Sn02、Ti02-ZnO包覆型超微粉體。

噴霧干燥法具有干燥過程迅速、生產效率高、產量大的特點，在大規模制備電極材料方面具有一定的優勢。但噴霧干燥法也存在著一些技術難點需要解決：保證獲得的材料具有高的球形度，合適的粒徑大小，提高產物振實密度及顆粒流動性；使制備得到的產物具有均勻的化學成分，元素比例符合需求，確保材料電化學性能穩定；確保這種方法具有普適性，能夠在不同電極材料制備中得到推廣。