纳米材料在化工生产中的应用 毕业论文.doc

毕业设计（论文） 2010 级 * 专业题 目： 纳米材料在化工生产中的应用 毕业时间： 2012年6月 学生姓名： *&* 指导教师： * 班 级： * 二一二年六月二十日纳米材料在化工生产中的应用摘 要：纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。关键词： 纳米材料，化工生产一、纳米材料纳米材料（又称超细微粒、超细粉未）是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。二、纳米材料在化工生产中的应用（一）在催化领域的应用1石化工催化领域由于纳米材料颗粒的大小可以人工控制，又由于尺寸小,比表面积大，表面的键态和颗粒内部不同及表面原子配位不全等，从而导致表面的活性部位增加。另外，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶,这样就增加了化学反应的接触面。利用纳米微粒的高比表面积和高活性这些特性，可以显著提高催化效率。例如，纳米ni粉可将有机化学加氢和脱氢反应速度提高15倍；超细pt粉、碳化钨粉是高效的加氢催化剂；在甲醛氧化制甲醇反应中，使用纳米sio2，选择性可提高5倍，利用纳米pt催化剂，放在纳米tio2担体上，通过光照，使甲醇水溶液制氢产率提高几十倍。在石油化工工业采用纳米催化材料，可提高反应器的效率，改善产品结构，提高产品附加值、产率和质量。纳米稀土氧化物，如la2o3、ceo2、sm2o3、pr6o11等，可作为二氧化碳选择性氧化乙烷制乙烯的催化剂；纳米碳管用于合成氨催化剂有着潜在的前景，林敬东等用ni-mgo催化甲烷法制得的纳米碳管作催化剂载体，嵌入钾催化剂，经脱氧、净化处理后，用于n2-3h2合成nh3的催化反应中，产物中合成氨的产率为5.32ml(stp)氨/hgcat，大大高于同条件常用催化剂的产率，而且纳米碳管表面更趋于碱性，有利于生成的氨脱附。2石油化工添加剂的应用纳米材料在石油化工添加剂中的应用纳米材料可以作润滑油添加剂，用脂肪酸修饰的zro2及mos2的纳米微粒具有非常好的润滑性及抗磨性；用分散型的氧化锑纳米微粒做成水溶胶作催化裂化金属钝化剂，挂锑效率提高20%，稳定性、磨蚀性能均得到增强。催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高1015倍。 纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，非凡是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米tio2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的tiosio2负载型光催化剂。ni或cu一zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。（二）在高分子材料改性中的应用1纳米粒子的特性（1）表面与界面效应纳米微粒比表面积大,位于表面的原子占相当大的比例,表面能高。由于表面原子缺少邻近配位的原子和具有高的表面能,使得表面原子具有很大的化学活性,从而使纳米粒子表现出强烈的表面效应。利用纳米材料的这种特点,能与某些大分子发生键合作用,提高分子间的键合力,从而使添加纳米材料的复合材料的强度、韧性大幅度提高。（2）小尺寸效应当超细微粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,导致其磁性、光吸收、热、化学活性、催化性及熔点等发生变化。如银的熔点为900,而纳米银粉的熔点仅为100(一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%50%)。应用于高分子材料改性,利用纳米材料的高流动性和小尺寸效应,可使纳米复合材料的延展性提高,摩擦系数减小,材料表面光洁度大大改善。（3）量子尺寸效应即纳米材料颗粒尺寸小到定值时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象。其结果使纳米材料具有高度光学非线性、特异性催化和光催化性质等。2纳米材料的表面改性纳米材料粒径小,表面能大,易于团聚,在制备纳米材料/聚合物复合材料时,用通常的共混法难以得到纳米结构的复合材料。为了增加纳米材料与聚合物的界面结合力,提高纳米微粒的分散能力,需对纳米材料的表面进行改性。主要是降低粒子的表面能态,消除粒子的表面电荷,提高纳米粒子有机相的亲和力,减弱纳米粒子的表面极性等。一般来说,纳米材料的表面改性可大致分为以下几点。（1）表面覆盖改性利用表面活性剂覆盖于纳米粒子表面,赋予粒子表面新的性质。常用的表面改性剂有硅烷偶联剂、钛酸酯类偶联剂、硬脂酸、有机硅等。（2）机械化学改性运用粉碎、摩擦等方法,利用机械应力作用对纳米粒子表面进行激活,以改变表面晶体结构和物理化学结构。这种方法使分子晶格发生位移,内能增大,在外力的作用下活性的粉末表面与其它物质发生反应、附着,达到表面改性的目的。（3）外膜层改性在纳米粒子表面均匀地包覆一层其它物质的膜,使粒子表面性质发生变化。（4）局部活性改性利用化学反应在纳米粒子表面接枝带有不同功能基团的聚合物,使之具有新的功能。（5）高能量表面改性利用高能电晕放电、紫外线、等离子射线等对纳米粒子表面改性。（6）利用沉淀反应进行表面改性利用有机物或无机物在纳米粒子表面沉淀一层包覆物以改变其表面性质。在以上方法中,最简单和最常用的方法是添加界面改性剂,即分散剂、偶联剂等。分散剂能降低填料粒子的表面能,改善填料的分散状况,但不能改善填料粒子和基体的界面结合。偶联剂则可和基体有强的相互作用。总之,纳米材料能在低温下继续保持顺磁性,对光有强烈的吸收能力,能大量的吸收紫外线,对红外线亦有强烈的吸收能力;在高温下,仍具有高强、高韧性、优良的稳定性等,其应用前景十分广阔,在高分子材料改性中的研究也将出现一个新的发展。利用纳米粒子的特性对高分子材料进行改性，可以得到具有特殊性能的高分子材料或使高分子材料的性能更加优异，同时也拓宽了高分子材料改性理论在橡胶改性中的应用，炭黑纳米粒子加入到橡胶中后可显著提高橡胶的强度、耐磨性、抗老化性，这一技术早已在橡胶工业中运用。纳米技术在制造彩色橡胶中也发挥了独特的作用，以往的橡胶制品一般为黑色(纳米级的炭黑较易得到)。若要制造彩色橡胶可选用白色纳米级的粒子(加白炭黑)作补强剂和使用纳米粒子级着色剂，此时橡胶制品的性能优异。 （三）在塑料改性中的应用1对塑料的增韧作用 （1）塑料功能化塑料在家用电器及日用品中的应用非常广泛，在塑料中添加具有抗菌性的纳米粒子，可使塑料具有抗菌性且抗菌保持持久。应用此技术现已生产出了抗菌冰箱，实际上就是在制造冰箱塑件时使用的塑料原料中添加了某种纳米粒子，利用该纳米粒子的抗菌特性使塑料具有抗菌杀菌的功能。2在化学纤维中的应用近年来出现了各种新型的功能化学纤维，不少情况是应用了纳米技术，如日本帝人公司将纳米zn0和纳米si02，混入化学纤维，得到的化学纤维具有除臭及静化空气的功能，这种化学纤维被广泛用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、睡衣等；日本仓螺公司将纳米zn0加入到聚酯纤维中，制得了防紫外线纤维，该纤维除了具有防紫外线功能外，还具有抗菌、消毒、除臭的功能。与对塑料的改性相似，将金属纳米粒子添加到化学纤维中可以起到抗静电的作用，将银的纳米粒子添加到化学纤维中还有除臭灭菌的作用。（三）在其它精细化工方面的应用精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米sio2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米al2o3，和sio2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米sio2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的sio2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入a12o3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型tio2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细tio2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的tio2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米tio2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。1在橡胶加工中替代炭黑作为补强剂、增剂和抗老化剂，以生产出性能优异的彩色橡胶品。我国自行开发的纳米510:已经用于橡胶制品的加工中。浙江舟山明日纳米材料有限公司使纳米5102，成功地生产了彩色防水卷材，各项能指标均达到或优于三元乙丙防水卷材;用其性首都师范大学的场地材料，各项性能指标也大幅度提高;用其代替炭黑改性轮胎侧面胶，生出的彩色侧面胶与传统黑色轮胎侧面胶相比，项性能均有很大提高，如抗曲挠次数由10万次高到50万次以上。2在化妆品加工中作为新型的防晒剂和抗剂代今天，人们已逐渐摒弃“以晒黑皮肤作为和健康标志”的观点，认识到过度的日晒实为皮保健的大敌。因此，防止紫外线伤害的防晒产品已经越来越受到人们的关注。多年来，防晒剂主要为有机化合物。但近年，随着纳米材料研究的日益深人，一批无机纳米子防晒剂被开发出来，如纳米氧化锌、氧化钦及化铁红等等。这些纳米材料与有机防晒剂相比，有无毒、无味、无刺激、热稳定、光稳定和化学稳等优越性，而且易着色，价格合理。以zno为，它有很强的紫外线吸收能力，对波长为320400nm的uva和波长为280320nm的uvb均有很好的屏蔽作用。另外，一些纳米材料在阳光，特别是紫外线的照射下，在水和空气中可以自行分解，产生自由电子和空穴。其中的空穴能激活空气中的氧而成为活性氧。利用这种氧可以同多种有机物(包括细菌内的有机物)反应的特性，达到杀菌和消毒的目的。西北大学在这方面所做的试验表明，当氧化锌浓度为1%时，smin内杀菌率分别为:大肠杆菌99.93%，金黄色葡萄球菌98.86%。三、未来化工行业的发展方向提起化工等重工业生产，很多人的印象里还是高高的烟囱，四处弥漫的烟尘，黄黄绿绿的废水，难闻的气味。但据笔者近年来到化工生产厂区的实地考察，我国化工设备已逐渐抛弃了传统的运转模式，越来越多的企业生产车间已逐渐变得干净、整洁。笔者曾到烟台万华、神化宁煤烯烃厂区、中国轻工业部太阳能电池厂区进行考察，发现这些企业生产车间更多的采用自动化设备，厂区干净、明亮，几乎没有任何异味。这令笔者对生产技术进步感慨的同时，对我国化工等高能耗、高污染产业未来发展方向进行了思考。现将初步思考结果与相关企业和个人分享。由于化工生产具有高投入、高技术标准的要求。我国化工生产水平进过了多年的发展，基础化工产品方面已能够满足国内市场的需求，升值部分产品在国外占有很大的市场份额。但可以看到，我国化工生产设备大多较落后，设备生产效率较低，能耗较大，对环境造成的污染较大。随着我国改革开放三十周年的成果清查，2008年以来，中央明显地加大了对国内经济真实情况的的考察力度。7月3日至5日，国务院副总理王岐山在山东调研；7月4日至6日，温家宝总理在江苏、上海进行调研；7月4日至5日，国家副主席习近平在广东调研；7月6日至8日，国务院副总理李克强在浙江调研； 7月20日，胡锦涛主席在山东青岛调研企业生产经营情况。从如此高规格、高密度的调研，在以往是不常见的。从政府的动态中，我们看到，政府正在加强对经济实际发展状况的摸底。通过此次调研，我国政府正在想办法解决以往存在的地方政府单纯为完成经济增长指标，不顾及生产环境及经济指标虚高的问题。我国改革开放以来，吸引了大量的外资。但很多外资是把国外高污染、高能耗的企业搬到了中国。但近年来我国加大了对高能耗、高污染产业的管理，招商引资正逐渐向“绿色招商”模式发展2007年10月国家发布了电石行业准人条件(2007年修订)规定了新建电石厂总产能不得低于20万吨年，单炉产能不得低于5万吨年；对生产工艺的要求也更为严格； 08年1月，我国又颁布了电石单位产品能源消耗限额gb21343-2008对电石生产设备的能耗指标也进行了严格的要求。我国纳米技术研究起步较早， 世纪 80 年代末就开始开展纳米技术的研究， 20 近 3 年国家出资数亿元支持了 500 多项纳米技术的研究， 对传统产业的改造升级 也已展开，特别是在纳米涂料、纳米抗茵材料、纳米粉体加工技术方面取得了不 少成果。 1996-2000 年间美国科学引文索引系统收录的关于纳米研究论文的统 据 计分析表明，我国在这一领域发表的论文数量仅次于美国和日本，居世界第三， 论文数占总论文数 9 ，其中在从事纳米技术研发的 73 个国家和地区的 27 万多个机构中， 中国有 8 个机构进入了发表论文数量的前 50 名。全国建成的 30 多条纳米材料生产线中，产品大多集中于纳米氧化物、纳米金属粉末、纳米 复合粉体等。我国纳米技术产业化尚缺乏力度较大的实用技术，科技成果转化还 有待加快。以纳米粉体材料为例，现已有 30 多条 20t 以上的纳米材料生产线， 产品种类也很多，但缺乏市场目标，大多停留在找市场阶段，难以将技术优势转 化为市场优势。纳米科技是当今引导产业化革命的重要技术，纳米技术的发展将 对石油化工领域催化材料的革新、三大合成材料的改性产生重要影响。我们应从 国家战略需求出发，从 gdp 增长出发，全面部署纳米技术向各个产业的渗透， 包括能源、化工、材料等传统产业，也包括微电子、it 等高科技产业。这一系列的动作，说明我国政府正着手把追求经济指标的增长转移到科学、合理、可持续的发展道路上来。以山东淄博为例，山东淄博是以重型化工产业发展起来的化工城市。由于企业技术仍大多使用70年代设备，生产效率低，能耗大，运行成本高，企业经营状况日益下降。同时由于多年来企业不注重节能、减排项目建设，到2000年，山东淄博环境承受能力已十分脆弱。2000年，山东淄博空气良好天数已退化至147天，给当地居民生活及生态环境造成了极大危害。在此情况下，山东淄博市政府通过调整产业结构、集中供电、供水、集中处理排放物，强制关闭陈旧、落后、高污染企业的方法，实现了由旧产业向新型产业发展的转变。在沈阳铁西区也存在此现象，铁西区是我国东北老工业基地重要城市。在那里有上千家重型机床制造厂及有色金属冶炼厂。众多的冶炼企业导致空气中粉尘、so2含量严重超标，水污染指标已达到国家标准10倍以上，2000年铁西区空气良好天数只有105天，严重危害了当地居民的生活水平。同时，由于我国经济体制的改革，国有经济主导地位下降，市场化运作加强。铁西区大部分企业属于国有经济，设备工艺落后，重复建设较多，规划不合理。2000年左右铁西区大部分企业运营困难，大量职工下岗，为个人和社会带来了较大负担。鉴于此情况，铁西区政府制定相关政策，促进企业体制改革。同时通过划分新的生产区，通过工业区迁移的同时进行技术改革及统一规划的方式，实现了铁西区企业的起死回生。目前，铁西区企业都搬迁到了新的开发区，进行了统一规划，对产业链各个环境实行集中管理，对污水、废气排放实行严格要求，降低了企业污染；在企业搬迁过程中试用国内外先进的技术、装备，降低了企业能耗，提高了企业生产效率，使众多企业又恢复了盈利。逐步解决了在以往发展遗留的人员工作问题及环境污染问题。铁西区空气良好天数已恢复到346天，人民生活水平有较大提高，很多家庭配有私家车。可见，铁西区节能减排取得了较好的成果。通过山东淄博及沈阳铁西区对高能耗、高污染企业的治理及企业的发展可看出，我国政府正在加强对生产型企业节能减排工作的力度，政府对环境成本的关注力度正在加大，预计未来几年内企业节能减排工作将是工作的重点。此次节能减排工程，将是会实施到实地的大动作，与前几年单纯倡导环保意识，但行动较少的做法将有很大不同。因此，相关化工等重型生产企业只有提早采取相应应对措施，提早改变生产思路，采取新技术、新设备，提高企业利用率，降低能