纳米材料在化工生产方面的应用毕业设计(论文).doc

沈阳化工大学成教院毕业设计（论文）论文题目：纳米材料在化工生产方面的应用函授专业： 专科 函授站：沈阳市化工学校学生姓名：明月指导教师： 吴茜 论文提交日期 2013 年 5月20 日 论文答辩日期 年 月 日 内容摘要：纳米材料在结构，光电和化学性质方面的诱人特征，引起了物理学家，科学家和化学家的浓厚兴趣。八十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了极大关注。它所其有的独特物理和化学性质，使人们意识到，它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医学等学科研究带来新的机遇。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 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子。二、纳米材料在化工生产的应用（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活性部位增加，另外，随着粒径减小，表面光滑程度变差，形成凹凸不平的原子台阶，这样就增加学反应的接触面，利用纳米微粒的高比表面积和高活性这些特征，可以显著提高催化效率。比如，纳米和粉可将有机化学加氧和脱氧反应提高十五倍，利用纳米P1粉。碳化钨粉是高效的加氧催化剂在甲醛氧化制甲醛中，用纳米SiO2,选择性可提高五倍，利用纳米P1催化剂放在纳米TiO2担体上，通过光照，使甲醇水溶液制氧产率提高几十倍。在石油化工工业采用纳米催化材料，可提高反应器的效率，改善产品的结构，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，林进东等用Ni MgO催化甲烷法制得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，而且纳米管表面更趋于碱性有利于生产氨脱附。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做华润添加剂，用纸防损修饰的ZrO2及MOs2的纳米微粒具有非常好的华润性和抗磨性；用分散性的氧化锑纳米微粒做成水溶胶作催化裂化金属钝化剂。，挂体效率提高20/100，稳定性，磨蚀性均得到增强。 催化剂在许多话学工领域中起着具足轻重的作用，他可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度，大多数传统催化剂不仅催化效率低，而且制备是凭经验进行，不仅造成生产材料巨大浪费，是经济效益难以提高，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。纳米粒作于催化剂比一般催化金的反应速度提高10-15倍。 纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，非凡是在有机物质被方面，分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似的看成是一个短路的微型电池，可用能量大于半导体能隙的光照舍半导体分散系，半导体纳米粒子吸收光产生电子-空穴对。在电厂作用下，电子与空穴分离，分别前移到离子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。（二）在高分子裁量改性中的应用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的的比例。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。了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，键性大幅度提高。（2）量子尺寸效应材料 当超细微粒的尺寸小到定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为高散能级的现象。其结果使纳米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，已于团聚，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材料的复合材料，为了增加纳米材料与聚合界面的结合力，提高纳米颗粒的分散能力，需对纳米材料的表面进行改进。主要是降低粒子表面能态，消除粒子表面负荷，提高粒子有机的亲和力，减弱纳米粒子的表面极性等。一般来说，纳米材料的表面可大致分为以下几点。（1） 表面覆盖性利用表面活性剂覆盖与纳米粒子表面，赋予粒子表面新的性质。常用表面改性剂有硅，烷偶联剂。钛酸酯类偶联剂。有机硅等。（2） 机械化学改性 运用粉碎。摩擦等方法，利用季节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，能增大，在外力作用下活性的粉末表面与其他物质发生反应、达到表面改性的目的。（3） 外膜层改变在纳米粒子表面，均匀地包覆一层其他物质的膜使离子表面性质发生变化。（4） 局部活性改变 利用化学反应在纳米粒子表面接受带有不同功能基因的聚合物，使之具有新的功能。（三）在塑料改性中的应用塑料在家用电器及日常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，可是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朔料原料中添加了某种纳米粒子，利用纳米粒子的抗菌特性是塑料具有抗菌杀菌的功能。 近年来出现了各种新型功能化纤维，不少情况使用了纳米技术，如日本帝人公司纳米ZnO和纳米SiO2,混入化学纤维，得到化学纤维具有除臭剂净化空气的功能，这种化学纤维被广泛制造长期卧床病人，和医院的消臭器材、绷带、睡衣等；日本仓螺公司将纳米ZnO加入到聚酯纤维中，制得了防紫外线纤维，该纤维除了具有防外线功能，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。 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魅力。在橡胶、塑料涂料等精细化工领域，纳米材料都会发挥重要作用。 （四）纳米技术在我国的发展 我国纳米技术比较早，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多项纳米技术研究，对传统产业改造升级也已展开，特别是在纳米涂料、纳米抗菌材料、纳米粉体加工技术方面取得了不少成果。19962000年间美国科学索引系统收录的关于关于纳米研究论文的统计分析表明，我国这一领域发表的论文数量仅次于美国、日本，居世界第三，论文数占总论文数9/100，其中在从事纳米技术研发的73个国家了和地区的2.7万多个机构中中国有8个机构进入了发表论文前50名。全国建构的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。 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制做更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。 20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。 纳米科技的迅速发展是在80年代末、90年代初。80年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。 1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦 福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 （五）结语 纳米科学是一门将基础科学和化工科学集于一体的新型科学，主要包括纳米电子学和纳米生物学等。21世纪将是纳米及时的时代，为此，国家科委，中科院将纳米级是定位于“21