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化學(xué)工業(yè)中的納米技術(shù)
（作者未知） 2010/5/26
化學(xué)工業(yè)中的納米技術(shù)
在高新技術(shù)中，納米技術(shù)、生物技術(shù)和信息技術(shù)對化學(xué)工業(yè)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響，對于材料科學(xué)而言，當(dāng)首推納米技術(shù)。它不僅能推動化學(xué)反應(yīng)、催化和許多單元操作的突破性的改進(jìn)，而且提供了納米多孔材料、納米粒子、納米復(fù)合材料、納米傳感器等新型材料以及化學(xué)機械拋光、藥物可控釋放、獨特的去污作用等功能應(yīng)用，為化工新材料發(fā)展及其應(yīng)用開辟了廣闊的前景。
納米技術(shù)正全力推動著化學(xué)工業(yè)未來的發(fā)展。隨著一些納米技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品問世以及所顯示出的誘人前景，現(xiàn)在“納米技術(shù)”已經(jīng)成為家喻戶曉的名詞。納米技術(shù)能在＜100nm的水平上合成、處理和表征物質(zhì)，這是一個涉及多門學(xué)科的廣闊領(lǐng)域，它包含有：納米材料(nanomaterials)、納米生物技術(shù) (nanobiotechn010gy)、納米電子學(xué)(nanoelechonics)和納米系統(tǒng)(nanosystem)，如納米電子機械系統(tǒng)NEMS和分子機械(m01ecular machine)等。而納米技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用，主要是新型催化劑、涂料、潤滑劑，過濾技術(shù)以及一些最終產(chǎn)品，諸如納米多孔材料制品和樹狀聚合物制品已成為化學(xué)工業(yè)的創(chuàng)新點。
一、化學(xué)反應(yīng)和催化方面應(yīng)用
化學(xué)工業(yè)及其相關(guān)工業(yè)，特別是一些化學(xué)反應(yīng)起著關(guān)鍵性作用的產(chǎn)業(yè)盛行用納米技術(shù)來改進(jìn)催化劑性能。納米多孔材料中的沸石在原油煉制中的應(yīng)用已有很長歷史，納米多孔結(jié)構(gòu)新型催化劑的發(fā)展，為許多化學(xué)合成工藝的創(chuàng)新提供了機會，或者使化學(xué)反應(yīng)能在較溫和條件下進(jìn)行，大幅度地降低工藝成本。例如用此類催化劑可以將甲烷有效地轉(zhuǎn)化為液體燃料，作為柴油代用品，而現(xiàn)用的方法比較昂貴。
納米粒子催化劑的優(yōu)異性能取決于它的容積比表面率很高，同時，負(fù)載催化劑的基質(zhì)對催化效率也有很大的影響，如果也由具有納米結(jié)構(gòu)材料組成，就可以進(jìn)一步提高催化劑的效率。如將Si02納米粒子作催化劑的基質(zhì)，可以提高催化劑性能10倍。在某些情況下，用Si02納米粒子作催化劑載體會因SiO2材料本身的脆性而受影響。為了解決此問題，可以將SiO2納米粒子通過聚合而形成交聯(lián)，將交聯(lián)的納米粒子用作催化劑載體。
在能源工業(yè)中，Shenhua集團(tuán)公司、Hydrocarbon技術(shù)公司和美國能源部在中國進(jìn)行煤液化項目建設(shè)，采用了納米催化劑，取得了20億美元效益。此工藝可以生產(chǎn)非常清潔的柴油，在中國許多地方它可與進(jìn)口原油或柴油(以全球平均價格計)競爭。燃料電池也是納米催化劑起重要作用的領(lǐng)域，當(dāng)前工業(yè)樣品應(yīng)用的是鉑催化劑，約2nm寬。
二、過濾和分離方面應(yīng)用
在過濾工業(yè)中，納米過濾(簡稱納濾，nanofiltration)廣泛應(yīng)用于水和空氣純化以及其它工業(yè)過程中，包括藥物和酶的提純，油水分離和廢料清除等。還可以從氮分子中去掉氧(氧與氮分子大小差別僅0.02nm)。應(yīng)用此方法生產(chǎn)純氧可不需要采用深冷工藝，因而可以降低成本。法國于2000年在Generale des EaMx建成世界上第一座用納濾技術(shù)生產(chǎn)飲用水的裝置，所用聚合物膜其孔徑略＜lnm。與傳統(tǒng)凈化工藝相LL，雖然電能消耗較高，但帶來一些其它的好處，如不需要用氯。
由于可以精確地控制孔徑，所以具有可觀的近期應(yīng)用前景。美國Pacific Northwest國家試驗室已經(jīng)創(chuàng)制一類稱之為SAMMS結(jié)構(gòu)，為在介孔載體上自組裝的單層結(jié)構(gòu)，含有規(guī)整的1-50nm的圓柱形孔，孔上用自組裝方法涂上活性基團(tuán)單層，可用于不同領(lǐng)域。已經(jīng)利用SAMMS成功地從水溶液和非水溶液中萃取出各種金屬和有機化合物。
納米多孔材料的吸收和吸附性能也提供了在環(huán)境治理方面應(yīng)用的可能性，如去除重金屬(如砷和汞等)。使用其他納米材料的過濾技術(shù)也取得了長足進(jìn)步。例如入rgomide納米材料公司開發(fā)的用直徑為2nm纖維制成的高產(chǎn)率系統(tǒng)，可以過濾病毒、砷和其它污染物。
一些聚合物—無機化合物復(fù)合材料也可用作氣體過濾系統(tǒng)，而且效率也很高。如有一種用排列成行的碳納米管(nanotLlLe)制成的膜，由于納米管與氣體分子間互不作用，可以高產(chǎn)率地分離出氣體。此種材料可滿足高流速低壓氣體的分離需要。此種膜可以從氣流中去除CO2，或從CO中分離H2。這種技術(shù)可應(yīng)用于新一代發(fā)電廠、煤液化工廠或氣體液化廠。
由精密控制尺寸的納米管組成的膜在分離生物化學(xué)品方面也具有很大潛力。
三、復(fù)合材料方面應(yīng)用
在復(fù)合材料中使用納米粒子可以提高材料強度，降低材料的重量，提高耐化學(xué)品、耐熱和耐磨耗能力，而且還可賦于材料一些新的性能，諸如導(dǎo)電性，在光照和其他幅照下改變其反應(yīng)性能等。
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