纳米技术在化工生产中的应用

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【摘 要】 纳米技术已经成为化工生产中的重要技术，本文介绍了纳米粒子的制备，及纳米技术在化工生产中的应用。

【关键词】 纳米技术 粒子 制备方法 化工生产

纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料性质和应用。由于纳米粒子的特性：表面效应，体积效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应。这4种效应使纳米粒子和固体呈现许多优异的物理性质，化学性质，出现特殊现象。随着科技进步的发展，纳米技术已经渗透到化学加工行业。

1 纳米粒子制备方法

纳米材料制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。

1.1 物理方法

1.1.1 真空冷凝法

等离子体经过真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化制取，最后骤冷。特点：晶体组织好，纯度高，可控粒度大小，较高水平的技术设备。

1.1.2 物理粉碎法

纳米粒子由机械粉碎、电火花爆炸等工艺制取。特点：成本低，过程简易，但颗粒不均匀分布，纯度低。

1.1.3 机械磨球法

机械磨球法，纳米粒子由一定控制条件下的纯元素，合金或复合材料制成，特点：成本低，操作简单，颗粒不均匀分布，但纯度较低。

1.2 化学法

1.2.1 气相沉积法

通过金属化合物蒸气的化学反应制成纳米材料。其特点：纯度高，粒度分布窄。

1.2.2 沉淀法

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点：简单易行，但颗粒半径大，纯度低，适合制备氧化物。

1.2.3 水热合成法

在高温高压下，在蒸汽等流体或水溶液中制取，经分离和热处理得到纳米粒子。特点：分散性好、纯度高、粒度易控制。

1.2.4 溶胶凝胶法

金属化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，经过低温热处理而合成纳米粒子。其特点反应物种多，过程易控制，颗粒均匀，适合氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物制备。

1.2.5 微乳液法

互不相容的两种溶剂，在表面活性剂的作用下生成乳液，在微泡中历经成核、聚核、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。

2 纳米材料在石油化工生产中的应用

2.1 纳米管在化工中应用

纳米管可制成高强度碳纤维材料，其作为增强填料可形成各种复合材料，还可制成贮氢材料。（碳纳米管储气能力极强，多壁碳纳米管储氢量可达4.2%可作为储氢材料用于料电池等领域）由纳米尺寸碳颗粒形成的碳纳米管可用作料电池电极的支撑材料。

导电纳米管衍生的增强氟聚合物，扩展了纳米管增强的塑料范围，其中包括乙烯一四氟乙烯和聚偏二氟乙烯，在汽车、电子和材料处理各个领域有广泛的应用，可控制静电、提高抗化学品性能、增强内在性。

2.2 在催化剂方面的应用

纳米粒子表面活性中心多，而且粒径变小，表面积增大，吸附性能和催化能力的增强，为它作催化剂提供了条件。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。由纳米微粒合成的催化剂比普通催化剂的反应速度提高10～15倍。半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面纳米微粒作为催化剂有较为广泛的应用。半导体颗粒分散在溶液中，可近似地看成是一个短路的微型电池，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，从而产生电子—空穴对，电子与空穴分离，分别移动到粒子表面的不同位置，与溶液中相近的成分，进行氧化反应和还原反应。

光催化反应包括许多反应类型。例如如醇与烃的氧化，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，其中多相催化难以实现的都靠光催化得以实现。水中的有机污染物会在半导体多相光催化剂作用下降解。

2.3 在过滤和分离方面的运用

在化学工业中，纳米过滤技术广泛应用于水、空气的纯化以及其它工业过程中，其中包括药物和酶的提纯，油水分离和废料清除等。纳米多孔材料的吸收和吸附性能，提供了在污染治理方面应用的可能性。在膜生物方面，其过滤分离功能尤为优异。

膜生物反应器，具备出水水质良好、装置结构合理、方便管理、水力停留时间和泥龄完全分离、剩余污泥量少和低能耗等突出特性。但膜生物污染使其难以广泛应用，探求新的解决办法：向一体式膜生物反应器中投加纳米材料从而改变料液性质，能有效提高膜生物反应器对污染物的去除效率和预防膜污染，扫描电镜分析中空纤维膜的表观结构的变化情况，用红外光谱分析活性污泥性质的变化。

实验结果表明：纳米材料的加入，对COD和NH3-N的清除并无明显影响，增高TP去除率，TP去除率达70%。投入纳米材料能改变生物膜和活性污泥的性质的表观结构，抑制膜污染。在MBR中加入碳化钨对COD和NH3-N的去除效果无影响，但对磷的去除有显著作用。纳米材料的加入，大大减少了膜孔堵塞的几率，减少了污染物质在膜面的阻滞、沉积，也能改善污泥的活性，为防治膜污染的一种有效手段。

2.4 在涂料方面的应用

表面涂层技术与纳米技术的结合本世纪关注的热点，使得涂层材料结构和功能性质的得到极大地改善。其中结构涂层：指涂层提高基体的某些性质和改性。特点：耐磨、超硬涂层，抗氧化、阻燃、耐热涂层，装饰、耐腐蚀涂层等；功能涂层：赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。特点：光反射、消光、光选择吸收等光学涂层。半导体、绝缘、导电功能的电学涂层

纳米材料应用于涂层材料中，能更加提高其防护能力，实现耐大气侵害和抗降解、防紫外线照射、变色等功效，实现在卫生用品上可起到杀菌保洁作用。在标牌上应用纳米材料涂层储存太阳能，达到节约能源的目的。在涂料、玻璃中加入合适的纳米材料，能减少光的透射和热传递效果，具有阻燃、隔热等效果。纳米二氧化硅，是抗紫外线辐射材料，把其加入到涂料中，可使涂料的光洁度、抗老化性能、强度较大提高。

2.5 在其它精细化工方面的应用

纳米材料的优越性会在精细化工得以体现。在橡胶、涂料、塑料等精细化工范畴，纳米材料都能起到重要作用。

如在橡胶中加入纳米SiO2，提高橡胶的红外反射和抗紫外辐射能力。纳米Al2O3 和SiO2，投入到普通橡胶中，有效提高橡胶的介电特性和耐磨性，并且弹性也明显提高。塑料中添加适量的纳米材料，能够提高塑料的韧性和强度，与此同时防水性和致密性也相应得以提高。纳米二氧化硅加入到密封胶和粘合剂中，使得其粘合特性和密封特性都大为提高。此外，纳米材料在有机玻璃制造、纤维改性方面也都有很好的利用。加入纳米SiO2，能够使有机玻璃抗紫外线辐射，从而达到抗老化的目的。添加纳米Al2O3，有利于提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型SiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且无毒无臭，质地细腻，可很好地提高化妆品的性能。

研究者研发了用于食品包装的SiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米SiO2，可吸收太阳光中强烈的紫外线而具有很强的光化学活性，用光催化来降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高、适用性广泛、无二次污染等优点。在环保水处理方面，有着广泛的应用前景。

2.6 在医药方面的应用

当代的健康科学对控制药物释放、提高药效、减少副作用、发展药物定向治疗提出更高要求。智能药物随纳米粒子进入人体主动搜索、攻击癌细胞或修补损伤组织；纳米技术应用于新型诊断仪器，仅仅检测少量血液从而诊断出各种疾病。研究人员已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，即“定向导弹”。该技术是蛋白质表面被磁性纳米微粒包覆而携带药物，注射到血液中，通过磁场制导，运送至病变部位释放药物。

纳粒和微粒作为给药系统，其合成材料的特性为稳定、无毒、与药物不发生化学反应并且有良好的生物性。纳米系统主要用于毒副作用大、易被生物酶降解的药物、生物半衰期短的给药。

纳米生物学，指研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表的聚合物后，能够固定大量蛋白质尤其是酶而控制生化反应。使纳米技术和生物学相结合，利用纳米传感器从获取生物信息，深化人们对生理及病理的解释。

3 结语

纳米技术已经逐步渗透到化工生产的方方面面，应该加大科研力度，不断创新，使之更好的适应社会时代的发展。

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