纳米技术在水处理方面的应用

第一篇：纳米技术在水处理方面的应用

纳米技术在水处理方面的应用

[摘要]纳米技术包括纳米结构和纳米材料。通过简要阐述纳米科技的理念，介绍了纳米科技在水处理方面的应用，指出了在当今时代水资源缺乏的情况下，纳米科技必将为水处理工艺的发展带来巨大的影响。

[关键词]纳米材料；纳米TiO2,纳滤膜，水处理 [正文]

1、引言

纳米技术是指在1—100尺度上研究和应用院子、分子现象，由此发展气啦的多学科、基础研究与应用研究紧密联系的新的科学技术。它是现代物理和先进工程技术结合的产物。而当今世界面临着人口、资源与环境三大问题，水资源是各种资源中不可替代的一种重要资源。水资源与环境密切相关，也与人口简介有关，据预测，到2015年，全球将有2/3的人口生活在严重缺乏安全饮用水、工业用水或农业用水的地区。为了缓解这一状况，早在上个世纪70年代，全球就开始了对水质净化方法的研究，研究发现，纳米技术在水处理方面有特别的应用。

2、几种纳米技术在水处理方面的研究情况。

一、纳米TiO2氧化技术 纳米TiO2氧化作用原理是，在紫外光照射下，纳米TiO2表面会产生氧化能力极强的羟基自由基(·OH)，使水中的有机污染物氧化降解为无害的CO2和水。纳米TiO2光催化氧化技术的优点是：降解速度快，一般只需几十分钟到几小时即可取得良好的废水处理效果；降解无选择性，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；氧化反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或暴露在阳光下即可发生光催化氧化反应：无二次污染，有机物彻底被氧化降解为CO2和H2O；应用范围广，几乎所有的污水都可以采用。现有国内外的几种试验研究情况如下：

1．有机磷农药废水处理。有机磷农药占我国农药产量的80％以上，其生产过程中有大量的有毒废水产生。据报道，采用纳米TiO2·SiO2负载型复合光催化剂，利用其光催化活性及高效吸附性，能使有机磷农药在其表面迅速富集，随光照时间的延长，有机磷农药的光解率逐渐升高，光照80min，试验用敌百虫已完全降解。

2．毛纺染废水处理。把表面涂覆有纳米TiO2膜的玻璃填料填充于玻璃反应器内，通过潜水泵使废水在反应器内循环进行光催化氧化处理。由于纳米TiO2具有巨大的比表面积，与废水中的有机物接触更为充分，可将它们最大限度地吸附在其表面，并迅速将有机物分解成CO2和H2O，处理效果优于生物处理和悬浮光催化氧化处理，cod去除率和脱色率均较高。

3．氯代有机物废水处理。在模拟废水处理的试验中，以16mg／l3-氯一酚的水溶液为模拟废水，分别采用纳米TiO2光催化剂与臭氧联合、单独用光催化剂纳米TiO2和单独用纳米琴价铁三种方法对其进行处理。用内表面涂覆纳米TiO2光催化剂的陶瓷圆管处理5．5mg／l苯酚和三氯乙烯水溶液的试验表明，苯酚在1．5 h后完全分解，三氯乙烯也在2 h内完全分解。引自《苯酚的tioz薄膜光电催化降解及反应产物的分布》

4．含油废水处理。含油废水中所含的脂肪烃、多环芳烃、有机酸类、酚类等有机物很难降解，使用纳米TiO2，利用其光催化降解功能，可以迅速地降解这些有机物。

上述研究情况表明，纳米TiO2光催化氧化技术在彻底降解水中的有机污染物和可以利用太阳能等方面有着突出的优点，特别是当水中的有机污染物浓度很高或用其他方法难以处理时，具有更明显的优势，是其他传统方法无`法比拟的。

二、纳米膜分离技术

膜分离技术是近年来发展迅速，应用广泛的高新技术。与传统的分离技术相比，具有分

离效率高、无相变、无化学反应、体积小、能耗低和操作方便等优点。纳滤作为膜分离技术中的一种，是介于超滤和反渗透之间的孔径接近于1 nm 的新型压力驱动膜技术。它既能截留透过超滤膜的小分子有机物和多价盐离子，又能透析被反渗透所截留的无机盐。造纸废水

造纸废水主要来之造纸过程中纸浆的大量冲洗，采用纳滤膜替代传统的吸收和电化学处理法能更有效地去除深色木质素和纸浆漂白过程中产生的氯化木质素。Nuortila-Jokinen等在实验室，用平板纳滤膜 NF45 处理经浮选和过滤预处理后的造纸废水。Manttarri 等开发了造纸厂水循环系统，发现与超滤法处理过程比较，采用纳滤技术处理后得到的水不但透明、无色、不含阴离子废物，而且将透过水的COD、总硫和无机盐含量的去除由超滤法的 50%-60%提高到 80 %以上。引自《纳滤技术在水处理领域的应用》 垃圾渗滤液

垃圾渗滤液的处理一直是世界性难题。目前，主要采用为厌氧好氧等生物处理法，但中后期渗滤液中含有很高浓度的溶解有机质，其中 75％为可生化性差的腐植酸和富里酸(平均分子量 1000Da)，导致生化法出水难以达标排放。与生化法相比，膜分离技术受原水水质的变化影响小，在这种难降解废水的处理中具有明显的优势。纺织印染废水

纺织印染厂在对织物进行煮漂和染色后，需使用大量的清水对织物进行冲洗，产生的废水中会含有大量的盐、染料、表面活性剂、洗涤剂等各种污染物，导致印染废水成为较难处理的工业废水之一。不过随着膜分离技术的发展，纳滤膜技术已在纺织印染工业中得到了成功的运用。C.Tang 等使用纳滤膜处理高无机盐含量的纺织染色废水，在操作压力为 500 kPa 条件下，通量可以达到很高，而且染料的截留率超过 98%，因此，可以实现废水的回收利用。引自《中国高新技术企业》

三、纳米膜技术

纳米膜技术是一种膜分离技术。膜孔径处于纳米级，适宜于分离分子量在200-1000，分子尺寸约为1的溶解组分的膜工艺被称为纳滤(nf)。nf膜分离需要的跨膜压差一般为0．5-2．0 mpa，比用反渗透膜达到同样的渗透能量所必需施加的压差低0．5-3mpa。nf分离是一种绿色水处理技术，特点是：能截留分子量大于10o的有机物以及多价离子，允许小分子有机物和单价离子透过：可在高温、酸、碱等苛刻条件下运行，耐污染：运行压力低，膜通量高，装置运行费用低；可以和其他污水处理过程相结合以进一步降低费用和提高处理效果。纳米膜技术在水处理试验研究成功应用于制糖、制浆造纸、电镀、机械加工以及化工反应催化剂的回收等行业的废水处理。

1． 日用化工废水处理。用nf膜处理日用化工废水的应用研究表明，nf膜耐酸碱，有优良的截留率，对重金属有很好的去除率，不存在膜污染问题。

2． 杀虫剂废水处理。一般的水处理方法不能除去污染水中的低分子有机农药。通过研究nf膜对不含酚杀虫剂的截留性能，发现除了二氯化物以外，其他杀虫剂的截留率均高于96．7％，所有杀虫剂在nf膜上的吸附能力均受其疏水性的影响

3． 化纤、印染工业废水处理。nf可以用于印染过程排水中染料及助剂的脱除和回用。处理染料聚合浆料时，由于大多数染料的分子量在几百到几千，nf膜可以让一些无机盐或小分子通过，而对较大的染料分子进行截取，粗染料浆液经nf系统后，染料可以富集，而无机盐的浓度下降，脱盐率大于98％，染料损失率小于o．1％，而且可以在高温下运行。引自《光电催化降解染料废水》

4． 生活污水处理。采用常用的生物降解和化学氧化相结合的方法处理生活污水时，增加一个nf系统，让能被微生物降解的小分子(分子量小于100)通过，不能生物降解的有机大分子(分子量大于10o)被截留下来经化学氧化后再生物降解，这样就可以充分发挥生物降解的作用，节省氧化剂或活性炭的用量，降低最终残留物的含量。引自《纳米TiO2与纳滤膜在水处理中的应用》

5． 造纸废水处理。采用nf膜技术替代传统的化学处理法能更有效地除去深色木质紊。木浆漂白过程产生的氯化木质紊是带负电的，容易被带负电性的nf膜截留，并且对膜不会产生污染。另外，因为整个处理过程中对阳离子(nal的脱除率并没有严格要求，采用反渗透技术就显得没有必要。采用超滤／纳滤处理牛皮纸制造废水有很好的效果。

四、纳米光催化剂

纳米光催化剂主要用于污水处理方面，主要成分是特殊工艺制备的纳米二氧化钛，粒径均匀，分散性好，光催化效果强，在可见光或紫外光的作用下具有很强的氧化还原能力，化学性能稳定，能将甲醛、甲苯、二甲苯、氨、氡、TVOC等有害有机物、污染物、臭气、细菌、病毒、微生物等有害有机物彻底分解成无害的CO2 和 H2O，并具有去除污染物、亲水性、自洁性等特性，性能持久，不产生二次污染。纳米光催化剂适合于各种空气污染治理的光触媒喷剂、纳米抗菌涂料、污水处理(可将造纸厂、印染厂、酒精厂和化工厂等废水中的大分子有机物进行降解，使之变成CO2、H2O。)、纳米抗菌自洁纤维、防晒化妆品、抗紫外线产品、电子材料等产品，产品比表面积大！光催化效率高！分解有害气体速度快！纳米光催化剂在废水处理的应用：强氧化还原能力，可以将污水中汞、铬、铅、以及氧化物等降解为无毒物质。绿色环保！添加0.1%的纳米光催化剂的印染废水中，COD的去除率可达86%。纳米二氧化钛对污水处理无残留，杀菌面广，效力强，无腐蚀，无刺激，无毒，不受有机污物，水质硬软，pH、温度等影响，而且是长效的。引自《光电催化降解染料废水》

五、纳米材料在重金属水处理方面的应用

纳米材料的基本构成决定了它超强的吸附能力。应用纳米材料的水处理技术当属纳米宏观应用研究范畴。因此纳米技术可以用在水处理产业中，用于提高水的质量。国外有研究者将纳米技术与资源、污染控制联系在一起，认为纳米技术可以在环境修复、低成本脱盐等领域发挥作用。美国莱海大学的环境工程学教授张伟贤领导的研究小组已经合成出了一种直径不到50纳米的铁微粒，这些微粒能以更快的速度使地下水恢复清洁；我国也有这方面的初步研究，吉林大学的韩炜教授及其研究小组也利用纳米铝粉制备出AlO（OH）纳米纤维，并将AlO（OH）纳米纤维与玻璃纤维、活性炭复合，去除含低浓度重金属Cd2+离子的待净化溶液效果很好，与传统的水源净化方法相比，该技术成本更低、效率更高。

六、纳米技术在水处理的应用前景

上世纪九十年代中期以来，纳米技术发展很快，尤其在水处理中的应用研究，前景十分广阔。

1．纳米技术对印染废水、农药废水的处理。纳米tio2颗粒用于对废水和空气中的有机污染物、重金属等有害特质进行催化氧化和还原，起到净化水体和空气的作用。传统上对印染废水、农药废水的处理难度大，效益不明显。以纳米tio2对印染废水、农药废水的处理具有特别重要的意义。

2．纳米tio2光催化作用。纳米tio2光催化材料本身具有良好的化学稳定性、光催化氧化和还原能力，可制成透明薄膜并且可掺杂材料多等优点，这种材料越来越受人青睐。tio2光催化研究发展方向将主要表现在：tio2材料性能进一步探讨；掺杂和光催化效率的研究：tio2光催化剂薄膜的探索；探寻新的光催化分解对象——有机生物体。

3．纳米技术的发展和应用将会给环境污染治理技术的发展开创新的领域。纳米科技是一门新兴的学科，其在水处理中的应用才刚开始，但已初显端倪。可以预见，随着研究工作的不断深入和实用化水平的提高，纳米水处理技术将在21世纪得到发展，并对解决全球性的水荒和水体污染问题起到十分重要的作用。引自《中国高新技术企业》

3、结语

随着国家“节能减排”发展策略的不断深入，以及人们环保意识的加强，废水资源再生利用已经成为包括我国在内的世界各国实现水资源可持续发展的重要战略之一。纳米科技是一门新兴的学科，其在水处理中的应用才刚开始，但已初显端倪。可以预见，随着研究

工作的不断深入和实用化水平的提高，纳米水处理技术 将在21世纪得到发展，并对解决全球性的水荒和水体污染问题起到十分重要的作用。参考文献：

1、中国高新技术企业 作者: 芦明霞 牟世娟

2、姚清照，刘正宝．光电催化降解染料废水．工业水处理1999(6)：15-16

3、樊彩海，孙彦平．苯酚的tioz薄膜光电催化降解及反应产物的分布．太原理工大学学报．2000，31(5)：20-23

4、纳滤技术在水处理领域的应用

曹晓兵，王晓

5、纳米TiO2与纳滤膜在水处理中的应用 作者：熊蓉春 雷晓东

第二篇：纳米技术及其应用作业

纳米技术及其应用的结课作业

学院：理工学院班级：机械L126班姓名：韩东学号：12L0551192

一、简述纳米技术的两种特性（表面效应与小尺寸效应），并且举例子（至少500字）

1、表面效应：

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。

超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金属超微颗粒（直径为 2*10^-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

例子：高效催化剂

2小尺寸效应：

随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。

例子：电脑的cpu

二、纳米技术在现实生活中的应用（至少500字）

1、超双疏纳米防污剂

超双疏纳米防污剂 型号：VK-F01 超双疏纳米防污剂 “二元协同纳米界面技术”理论是引入仿生学原理。研究荷叶“出淤泥而不染”“滴水成珠、拒水防污”的表面微观结构，对纺织面料的纤维表面在纳米尺度进行界面修饰、聚合和改性，使其表现出超常的纳米界面物性，并形成纳米 结构特有的四大效应。棉、毛、麻、丝、化纤等各种材质的纺织面料经过纳米防水防油防污剂界面技术处理，可赋于防水透气、拒污易洗新功能。如同荷叶效果，同时仍保持原面料的质地、手感、风格和牢度。精纺毛织面料经过纳米防水防油防污剂界面技术处理，可解决头疼的缩率； 处理后的棉、毛、蛋丝产品抗皱性能大幅提高，机可洗的实现解除您的洗衣愁。超双疏技术的纳米防水防油防污剂面料同时具有防油、防水、防尘、柔软、透气、环保、快干等功能； 纳米防水防油防污剂具有防水、防油、防污、抗菌、增强纤维的功能。经其整理后的织物可保持原有的手感、透气性、色泽、穿着舒适性等特点，并具有一般烃类及有机硅类、整理剂所不具备的防油性。此外，含还具有用量小、功效高、耐久性强且符合环保要求的优点，因此得到了迅速的普及和推广。纳米界面超双疏技术处理以后，由于其超双疏特性，使织物更具快干功能。面料具有环保无污染、无毒的特性。防水最高达到6级以上，防油最高达到6级（国家毛纺检测中心）。使用方法： 1.施涂前应使被涂面清洁、干燥。应清除灰尘，并用水冲洗干净，干燥备用。如为玻璃、瓷砖、金属表面，应用玻璃清洗剂或洗涤剂水溶液清洗干净。塑料表面可用洗涤剂清洗，必要时用有机溶剂（如醇类、酮类 等）清洗。2.建议使用高性能雾化良好之高品质喷头，喷涂距离30~40cm为宜，这样可喷涂均匀，并节省涂料，耗量约为50-100m2/L以上。3.一般喷涂一遍即可，如要提高效能可喷两遍，但间隔时间应在50min以上。4.喷涂后晾干即可。在150-180℃热处理30-50秒大大有利于提高涂层强度和效果。小型物品可用热吹风机。虽然本品无毒，但还是建议施工时穿戴好防护用品

2、在生物工程上的应用

虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍。在光电领域的应用纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。在化工领域的应用将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩。纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等。研究人员还发现，可以利用纳米碳管其独特的孔状结构，大的比表面（每克纳米碳管的表面积高达几百平方米）、较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。

三、谈谈你对纳米技术或者纳米材料的认识（至少300字）

从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。

纳米级结构材料简称为纳米材料，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。

纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。

第三篇：纳米技术及其应用论文

纳米技术及其在机械工业中的应用

摘要：主要介绍了纳米技术的内涵、主要内容及纳米技术在微机械和包装、食品

或总称为微型电动机械系统（MEMS），用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等。MEMS使用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。

（3）纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间相互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。

（4）纳米电子学包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光／电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。“更快”是指响应速度要快。“更冷”是指单个器件的功耗要小。但是“更小”并非没有限度。

3．纳米技术在机械工业中的应用

3．1纳米技术在微机械领域中的应用

随着纳米技术应用途径的不断拓宽，微机械的开发在全世界方兴未艾。例如，进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为两种：一是通过微加工和固态技术，不断将产品微型化；二是以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品。3．1．1采用微加工技术制造纳米机械

（1）微细加工。日本发那科公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型精密加工车床（FANUCROBO nano Ui 型），可实现5轴控制，数控系统最小设定单位是1nm（10－3μm）。该机床设有编码器半闭环控制，还有激光全息式直线移动的全闭环控制。编码器与电机直联，具有每周6 400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于坐标轴移动0．2 nm，编码器反馈单位为1／3 nm，故跟踪误差在±1／3 nm以内。直线分辨率为1 nm，跟踪误差在±3 nm以内。CNC装置采用FANUC－16i，实现AInano轮廓控制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服电机装上高分辨率检测装置及αi系列伺服放大器，实现了微细加工。

（2）微型机器人。在工业制造领域，微型机器人可以适应精密微细操作，尤其在电子元器件的制造方面。美国迈特公司的研究人员最近设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人，这种机器人的长度约为5mm。研究人员称，假设能利用纳米制造技术使这种机器人的体积不断缩小，其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本三菱公司也开发了一种微型工业机器人，该机器人采用了5节闭式连杆机构，以实现手臂的轻量化与高刚性，其动作速度及精度完全可以赶上专用机器人。往复上下方向25 mm，水平方向100 mm的拾取动作，所需时间缩短到0．28 s。另外，通过采用闭式连杆机构与高刚性减速机，实现了比以往机器人高10％的位置重复精度（±5 nm），可适用于精密微细操作。我国在微型机器人的研制方面也取得了可喜的成绩。据媒体报道，由哈尔滨工业大学研制的机器人，其操作精度达到了纳米级，可以应用于分子生物学基因操作，能够对细胞和染色体进行“手术”，并能在微电子、精密加工等精度要求较高的领域一显身手。（3）微型电机。美国俄亥俄州克利夫西

卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实验室，专门研究纳米技术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的微型电动机，小到只能在显微镜下才能看得见。德国汽车零件制造商博士公司正在研制纳米技术传感器，这种传感器将为人们提供关于汽车上每个零部件在三维空间中运动的精确信息。当微型传感器探测到速度骤减时，就会自动释放安全气囊。3．1．2采用自组装技术制造纳米机械

（1）生物器件。以分子自组装为基础制造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半导体为基础的电子器件。将一种蛋白质选作生物芯片，利用蛋白质可制成各种生物分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、传感器以及蛋白质集成电路等。美国密歇根韦思大学医学院生物分子信息小组，利用细菌视紫红质（简称BR蛋白质）和发光染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子集成膜，这是一种可使分子周围的势场得到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大学也利用BR蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。

（2）纳米分子电动机。美国IBM公司瑞士苏黎士实验室与瑞士巴塞尔大学的研究人员发现DNA能够被用来弯曲直径不及头发丝的五十分之一的硅原子构成的“悬臂”。上下弯曲，顶端则粘有单股DNA链。DNA自然形成双螺旋结构，双链被分开后，它们会力图重新组合。当研究人员将带有单股DNA链的“悬臂”置于含有与之对应的单股DNA链的溶液中，这两个链就会自动配对结合在一起，小“悬臂”在这种力的作用下开始弯曲。研究人员利用这种生物力学技术制造带有纳米级阀门的微型胶囊（纳米分子电动机）。通过控制这种驱动力来控制阀门的开合，可以将精确剂量的药物传送到身体的需要部位来达到治疗的目的。3．2纳米技术在包装机械领域中的应用

采用纳米材科技术对包装机关键零部件（如轴承、齿轮、弹簧等）进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高设备的耐磨性、硬度和寿命。碳纳米管还具有较高的机械强度和较高的热导率。由于具有非常大的长度—直径比，可以制造出任何复杂形状的零件，是复合材料理想的增强纤维。目前，用价格低廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已 走进企业，开始代替金属材料。现代胶印机上应用着很多传感器．如控制飞达纸堆的自动升降、气泵供气时间检测、合压时间检测、空张检测、墨量控制等。纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的强度及较强的韧性可用于制造刀具、包装和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐磨性和耐蚀性，也可用于制作输送机械和沸腾干燥床关健部件的表面涂层。3．3纳米技术在食品机械领域中的应用

纳米SiC、Si3N4在较宽的波长范围内对红外线有较强的吸收作用，可用作红外吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纤维。纳米Si3N4非晶块具有从黄光到近红外光的选择性吸收，也可用于特殊窗口材料，以纳米SiO2做成的光纤对600 nm以上波长光的传输损耗小于10 dB／km，以纳米SiO2和纳米TiO2制成的微米级厚的多层干涉膜，透光性好而反射红外线能力强，与传统的卤素灯相比，可节省15％的电能。经研究证明，将30～40 nm的TiO2分散到树脂中制成薄膜，成为对400 nm波长以下的光有强烈吸收能力的紫外线吸收材料，可作为食品杀菌袋和保鲜袋最佳原料。纳米SiO2光催化降解有机物水处理技术无二次污染，除净度高，其优点是：①具有很大的比表面积，可将有机物最大限度地吸附在其表面；②具有更强的紫外线吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力，可快速将吸附在其表面的有机物分解掉。这为污水处理量较大的食品企业提供了有力的技术支持。介孔固体和介孔复合体是近年来纳米材料科学领域较引人注目的研究对象，由于这种材料较高的孔隙率（孔洞尺寸为2～50 nm）和较高的比表面，因而在吸附、过滤和催化等方面有良好的应用前景。对纯净水、软饮料等膜过滤和杀菌设备又提供了一个广阔的发展空间。橡胶和塑料是包装和食品机械应用较多的原材料。但通常的橡胶是靠加入炭黑来提高其强度、耐磨性和抗老化性，制品为黑色，不适宜用在食品机械上。纳米材料的问世使这一问题迎刃而解。新的纳米改性橡胶各项指标均有大幅度提高，尤其抗老化性能提高3倍，使用寿命长达30年以上，且色彩艳丽，保色效果优异。普通塑料产量大、应用广、价格低，但性能逊于工程塑料，而工程塑料虽性能优越，但价格高，限制了它在包装和食品机械上的大范围应用。用纳米材料对普通塑料聚丙烯进行改性，达到工程塑料尼龙－6的性能指标，且工艺性能好、成本低，可大量采用。

4．纳米技术在机械行业中的发展前景

（1）机械及汽车工业的滑配原件如：轴承、滑轨上应用纳米陶瓷镀膜能产生超底的磨擦界面，大大减低磨损并能提高负载。（2）塑胶流道的低粘应用：例如T型模、拉丝模、套筒和热胶道，可有效减少积料碳化的产生几率。（3）射出成型时发生的粘模、包封短射、镜面雾化及拖痕均具有革命性的改善，尤其是在滑块及顶针上所展现的干式润滑，更是任何金属所无法表现的优异性。（4）IC封装胶、橡胶及发泡塑料由于具有极高的粘着性，因此必须借助大量脱模剂来帮助脱模，纳米陶瓷的荷叶效应可减少脱模剂的使用及模具清理时间。

（5）纳米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使塑胶在模具内的流动大幅提升，特别是高精度模具例如薄光板、塑胶镜片、汽车聚光灯罩等模具应用后对产品的不良率上均有明显的改善。

5．结语

综上所述，纳米技术是近十多年来逐步发展起来的一门前沿性与综合性交叉的新学科，是现代科学和现代技术相结合的产物，它的迅猛发展将引发21世纪新的工业革命。美国商业通讯公司研究报告称，未五年，用于橡胶产品和油墨生产的碳黑填充料将继续高居纳米材料需求榜首。今后几年，全球纳米材料的需求将以2．7％年增长速度增长，到2010年将达到1 030万t，所以纳米包装具有较大的市场发展潜力。过去，我国机械包装工业的一些先进设备、先进技术，大多是依靠进口。纳米技术的出现，将对我国机械包装行业的技术创新带来新的发展机遇。相信在不远的将来，纳米技术将广泛应用于机械工业的各个领域，它给机械业带来的变化将是巨大的。参考文献

1向春礼．纳米科技及其发展前景［J］．新材料产业，2001（4）2王新林．金属功能材料的几个最新发展动向［J］．新材料产业，2001（4）3唐苏亚．纳米技术在微机械领域中的应用［J］．微电机，2002 4万乃建．21世纪数控技术新面貌［J］．机械制造，2001（20）

第四篇：纳米技术在机械工程中的应用浅谈

纳米技术在机械工程中的应用浅谈

陈勇 新疆生产建设兵团第五建筑安装工程公司 832000

摘要：作为一项重大的科技突破,纳米枝术的研发已经应用到了社会的各个领域之中,在机械工程中,应用纳米技术已经成为了核心,其外在的表现存在于各个方面，本文从实际出发来对纳米技术应用于机械工程进行了展现，同时也就得出了应用了纳米技术的机械工程相对于传统的机械工程来说的改变。下面，笔者就对纳米技术在机械工程中的应用进行探讨。

关 键 词：纳米技术；纳米材料；机械工程

前言：纳米和技术就是借用单一的分子、原子制造物质的一种科学技术，纳米科学技术将很多现代的先进科学技术作为基础，并加以改进和升华，成为了现代科学和现代技术组合后的重要产物之一，其中，现代科学主要包括分子物理学、介观物理、量子力学和混沌物理，现代技术主要包括核分析技术、扫描隧道显微镜技术、微电子技术以及计算机技术，纳米技术是一系列的全新科学革命。纳米技术应用广泛，其中在机械工程中的作用是不可估量的，各国家都开始对这方面的研究，纳米技术在机械工程方面的应用有以下几方面:

一、纳米材料运用

合肥大学研制成功了纳米新型陶瓷刀具，这标志着利用纳米材料制作新型金属陶瓷刀具的问世。这项研究史载金属弹词中加入了纳米氧化钛从而细化品粒。因为对于品粒的细化可以增加材料的硬度和甚至断裂任性。同时，这种纳米技术的应用也大大优化了其力学性能，纳米材料加入到传统的金属陶瓷中对其力学性能来说是个很大的提供，刀具的寿命也提高到 2 倍以上。

二、微型纳米轴承

当前形势下，纳米技术不仅仅是一门单一的新型技术或者学科，他被广泛应用到各类学科之中，其中机械工程进行纳米技术的应用，已经对机械工程学科技术的变革产生了不可估量的重要作用。纳米技术在机械方面乃至微观机械技术的应用，成为了我们这个世纪的研究核心，在机械工程方面，纳米技术主要应用于微型轴承上面，传统的轴承，体积较大，摩擦力仅仅能靠润滑来进行，但仍不可避免纳米轴承主要包括以下两个特点：

1、微型：，微型纳米轴承的仅仅为一根头发直径的万分之一，其应用到机电系统微型的轴承是只有 1nm，为微型机械的千分之一大小。

2、摩擦力极小。如果轴承体积很小，那么，套在一起，管子之间摩擦力就会将微型轴承的弱点暴露出来，其产生的摩擦力很大的时候，会导致微型轴承无法使用。通常纳米轴承与这种微型机械轴承相比较，摩擦力仅仅是其最小值千分之一。

三、纳米技术马达

新一代的纳米技术马达是油美国一家公司生产，这种微型马达的体积只有一般电磁马达体积的二十分之一，它的长度比火柴杆还要短很多，但是竟然能够负荷4千克的重量，它的寿命可以达到100多万次。这种马达主要通过运用纳米技术制造智能材料来取代传统的铜线圈以及磁铁，所以它比传统马达重量更轻、噪音更低，可以说是世界上最轻便、最静音的马达，同时成本也比传统马达更加低。当前这种微信马达在机械中运用的并不多，主要用于汽车电动车窗。

四、纳米磁性液体在旋转轴中应用

通常情况下，静态密封都是采用金属、塑料或者橡胶等材料制作而成。在旋转条件加，动态密封一直没有对其问题进行解决，动态密封不能在高真空、高速的条件下进行动态的密封。此外磁性液体也对新型润滑剂的制造起了促进作用，由此可见，在机械工程中应用纳米技术对机械工程的不断发展有着深刻的影响。

1、磁性液体的尺寸效应：纳米技术领域中，其最显著的效果是将轴承的传统尺寸单位缩小，将毫米转化为纳米，将纳米技术应用到机械工程中，可降低机械体积，促使微型机械的形成和产生。这种产生是指可以进行成批制作的微传感器、微能源、微驱动、集合微结构、信号等等处置装置为一体的微型机电系统，此系统大部分将纳米技术成果进行了运用，是整个纳米技术的重要组成部分。

2、磁性液体在选择轴重应用材料的多元化：纳米技术使原材料更加微小的形态，其功能更加强大，不仅仅能对传统材料进行改良，同样能够使新材料源源不断的产生。磁性液体密封技术便是证明，利用磁性液体可以被磁场控制的特性，将纳米单位的液体置于磁场之内，从而达到密封的效果。同时在材料运用中可将微量的元素融入到基础材料中，达到更好的效果。纳米复合氧化锆是成功应用在工业上的纳米材料，这种材料提高了材料的耐高温性能和导氧及储氧功能，因此广泛运用于汽车发动机系统中。

3、纳米材料摩擦性能：纳米技术最显著的特性就是其擦性能，在机械中，各种轴承等都存在着摩擦，但是纳米材料的出现，使得各类机械结构尺寸便小，同时对于过小的零件，摩擦力便显的尤为重要，摩擦力如果相对较大，则零件便会造成磨损。但是纳米技术也同样克服了这一问题，现已出现纳米材料几乎无摩擦的状态。美国科学家研制的这种微型纳米轴承可在运动是无磨损和撕裂，达到了理想的效果。

4、纳米技术节能效果：纳米技术实现了“小材大用”，带来的又一优势便是节能和环保。在纳米技术的应用中，产生了很多新型材料，它们减少了很多不必要的消耗，使得传统的机械工程中需要的大量材料迅速降低，对于原材料的节约起到了惊人的效果。德国不莱梅应用物理所已研制成功并且申请了一项专利，即用纳米 Ag代替微米 Ag 制成导电胶，可节省 Ag 粉 50%，用这种导电胶焊接金属和陶瓷，涂层不需太厚，而且涂层表面平整，效果理想。纳米材料在机械工程中改变甚至颠覆了传统模式的运转，显示了其强大的科技含量，但是在其运用中，我们仍有很多方面亟待解决：如何准确表征纳米材料的各种精细结构；怎样从结构上分析、解释纳米材料的新特性；能否利用某种标准来预测微区尺寸减少到多大时，材料表现出特殊的性能等等。对于这些问题，我们仍需深入研究，以便纳米技术更好地服务于机械工程领域。

五、纳米技术发展前景 汽车工业以及机械润滑配件的应用；塑胶流道低粘的应用；射出成型时发生粘膜、包封短射、镜面雾化；橡胶IC封装胶和发泡塑料；纳米陶瓷的低沾粘、低摩擦特性在塑胶膜具等等各个方面的应用都极其的广泛。

结语：以上简单阐述了纳米技术在微型纳米轴承、纳米技术马达及纳米磁性液体饿的那个三个方面在机械工程中的应用进行了探讨，说明了纳米技术的重要性及发展前景。参考文献：

[1]佟鹏，高建强，王兵树，曹文亮.纳米技术的研究与应用.能源研究与信息，2012，（3）

[2]苑国良.纳米技术及其在机械中的应用.机械制造，2015，（9）

第五篇：纳米技术在化妆品中的应用

摘要:采用纳米技术对化妆品进行处理,可使活性物质功效得到充分的发挥,从而大大提高化妆品的性能。然而就纳米技术安全性而言，仍处于争议之中。因而，生产稳定、高效、安全的纳米化妆品将会是化妆品行业新的机遇和挑战。文章从正反两方面介绍了纳米技术在化妆品中的应用现状，多学科合作是解决问题的关键。

关键词：化妆品 纳米技术 优点 安全性

引言

在日常生活中,一般把胭脂、口红、润肤霜、乳液等统称为化妆品。化妆品种类繁多,如按产品用途来划分,可分成清洁、护肤、营养、药物、美容、美发等六大类。化妆品可用于清洁、保养皮肤;对问题性皮肤起治疗作用;遮盖皮肤瑕疵,调和肤色;修饰面部的五官及轮廓。

化妆品的这些作用取决于化妆品中的活性物质,而这些活性全部必须通过皮肤来吸收。采用传统工艺生产的化妆品,活性物质的功效往往难以充分发挥。纳米技术是上世纪末发展起来的一门高新技术,采用纳米技术对化妆品进行处理,可使活性物质功效得到充分的发挥,从而大大提高化妆品的性能。正因为如此,纳米技术迅速在化妆品工业中得到了广泛的应用。

一、纳米化妆品及其优点

当物质被分解成纳米微粒（1nm相当于一根头发直径的8万分之一）时，这些纳米微粒通常会展现出全新的活跃特性。近年来!随着科学技术的迅猛发展，化妆品的生产工艺也得到了长足的进步采用纳米技术对化妆品进行处理，可使活性物质功效得到充分的发挥，从而大大提高化妆品的性能。

目前,纳米技术在化妆品领域中的应用主要在于乳化技术、活性 物质传输技术、防晒剂等方面,并已开发出各种相 关产品,得到许多消费者的认同。

乳化技术是制备膏霜和乳液类化妆品的关键技术,传统工艺乳化得到的化妆品膏体内部结构为胶团状或胶束状,其直径为微米数量级,对皮肤的渗透能力较弱。皮肤一般只能通过表皮吸收和毛囊腺吸收这两条途径,皮肤最外层为疏水性角质层,因而水溶性物质和大分子量的物质通过这两条途径的吸收相当不易。因此,传统工艺生产的化妆品膏体不易被表皮细胞吸收。将纳米技术应用到化妆品制造业中,可以对传统工艺乳化得到的化妆品的缺陷进行很好的改进。采用纳米技术制备化妆品时,将化妆品中最具功效的成分进行特殊处理,得到的化妆品膏体微粒尺寸可以达到纳米数量级。这种纳米级膏体对皮肤的渗透性大大增加,皮肤选择吸收功能物质的利用率随之大大提高。欧莱雅公司的纳米乳化技术将非常细小的粒子乳化,液体形成时可以包囊更多水分,可用于多种喷雾类产品,细微的薄雾中将包含大量潮湿水分。此外,纳米乳液与普通乳液相比,由于粒径小而对皮肤渗透性更强,可使活性物质直接而均匀地作用于角质层,如与抗衰老、美白等活性剂复配使用,效果更好。纳米乳液不含或少含表面活性剂,十分适用于敏感皮肤。韩国AMOREPACIFIC公司从吸取大地能源的根茎植物那儿获得肌肤活力物,通过肌肤细胞1/1000的纳米技术将它快速吸收到肌肤深层,充分兼顾女性的肌肤、生活习惯和个人性格。此外,还有一种由汽巴公司开发的超微载体系统Nanotope,它对皮肤具有高覆盖率和强渗透性。比普通脂质体更耐表面活性剂,并具有良好的pH值和离子强度的适应性。是一种稳定且粒径分布均匀的纳胶体。这种Nanotope的平均直径仅为25nm,低于普通的脂质体。目前生产的两种包覆了D-泛醇和维生素E的Nanotope可广泛应用在抗衰老及保湿型护肤液、润肤霜、爽肤水、精华素、特殊眼部护理液、眼霜以及防晒及晒后产品等之中。

纳米化妆品的优势在于以下几点: 1.提高营养及药物利用率,长循环纳米技术是药物体结合研究热点。研究药物及化妆品在体内的吸收、分布及作用强度,发现表面电荷、粒径大小及表面亲水亲脂性,是影响药物及化妆品成分的吸收和疗效的主要因素。某些活性物质不能解决其存活时间及皮肤吸收问题,难以广泛应用或功效不理想。但使用纳米微粒技术,其主要作用是获得大量纳米级结构材料,将物质分子超微破碎、乳化、均质、分散成小分子。用该技术处理化妆品用的抗衰老剂SOD、氨基酸等物质,可为皮肤全部吸收。以其技术加工中草药,可达到常规草药难以取得的功效。以纳米破壁的花粉,可为皮肤全部吸收,且保健功效大为提高。

这一技术为中草药及营养素在化妆品中的应用提供了广阔的前景,并可使添加的活性物质保持鲜活和稳定。2.提高抑菌抗菌作用,纳米微粒在抗菌灭菌材料上应用广泛,可干扰细菌蛋白质的合成,从而有效抑制细菌繁殖。根据大部分细菌的细胞膜带有负电荷的特性,将阳离子正电荷接到其表面,利用电荷正负相吸作用,使细菌窒息、死亡,达到杀菌目的。这为化妆品质量的控制提供了新的思路。纳米级材料自身有抑菌作用,研制出的细胞体调理霜,对皮肤有很好的免疫调节、抗茵消炎及防敏脱敏功效。3.增强防晒剂功能,在防晒剂中,二氧化钛和氧化锌是很好的紫外线反射剂,但其亮白特性限制使用功能。使用纳米技术可将原料粒度减小到毫微米数量级,这样即从技术上解决了因其颜色特性难以用作化妆品原料成分的难题。现今,国外采用物理蒸汽合成法生产纳米二氧化钛这种防晒原料,而纳米原料用在化妆品中,最大的优点是其属于无机惰性原料,应用非常安全。此外,传统配方中使用防晒剂原料,涂抹在皮肤上会产生白色残留物,而使用纳米防晒原料残留物是无色的,阻隔紫外线功能也很强。

然而就纳米技术安全性而言，仍处于争议之中。因而，生产稳定、高效、安全的纳米化妆品将会是化妆品行业新的机遇和挑战。

二、纳米技术的缺点

2.1纳米微粒进入肺部造成的影响.杜邦公司(DuPon)t和约翰逊航天控制中心(NASA汀hononsSPaecCenter)的研究人员发现:就碳纳米管对老鼠肺的影响来说,比石英灰尘更有毒.NASA研究人员罗伯特·亨特博士(Dr.RobertHunet)r说:“消息是清楚的,人们应该采取措施.碳纳米管可能非常有毒”.吸人单层碳纳米管能导致实验动物肺部产生肉芽瘤,而肉芽瘤是肺结核病的典型特征.2.2纳米微粒自肺部移向脑部造成的影响。

美国南方卫理公会大学(乳uthemMeth记istUnivesrityinDallas)研究人员在美国化学学会的一个学术会议s[,“J上介绍说,他们在研究中将9条年幼的黑妒鱼放人容量10L的鱼缸内,让其接触水溶性C一60(巴克球).研究中黑妒所接触的C一60浓度为0.巧PPm.48h后对这些鱼脑组织样本的分析发现,它们脑部所受损伤比处于不含C-60的清水中的黑妒要严重17倍.损伤主要表现为脂质的过氧化反应,它能导致脂质分解,削弱细胞膜正常功能.研究中还发现,接触〔卜-60巴克球会改变黑妒肝脏部位一些基因的表达.2004年1月,冈特博士(Dr.Gunet)r的研究报告也指出〔`2〕,纳米微粒很容易从鼻腔向大脑移动.。2.3纳米微粒自肺部进入血液中造成的影响。

雷姆(Ne)等人]曾让自愿受试者暴露吸人微量99mTc的得纳米碳球(99mTehcnetium),而后立刻测量受试者血液中的放射性,结果发现沉积在肺部的纳米碳球的确有微量会进入血液中.而雷姆另一份研究仓鼠(h~t。)产生血栓的关联,结果发现仓鼠吸人聚苯乙烯粒的确可能导致血栓形成。2.4由皮肤吸收造成的影响。

使用纳米化妆品、纳米防晒乳液及纳米药物时,纳米微粒可能透过皮肤吸收而进人人体.欧盟所属化妆品与非食品科学委员会(以犯NFP)在对纳米防晒乳液所使用之Tiq作的说明是:要求工业界在使用纳米级的Tiq时要从事额外的试验以便规范它的安全问题

三、结语

纳米技术应用于化妆品的研究是一个大课题。单靠某一学科的力量是很难胜任的。多学科研究将是解决这一问题的重要手段和途径。总之，纳米科技的重大突破一定会到来。随着纳米科技的不断发展，纳米技术对于化妆品领域一定会起到越来越重要的作用，我们共同期待一个全新的美容时代的来临。

化妆品化学论文

题 目 纳米技术在化妆品中的应用 专 业 高分子材料与工程 班 级 学生姓名 学 号 日 期