化學化工論文參考
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篇1
淺談磁場在化學化工中的應用
摘要：簡述了磁場特性及其對化學反應影響機理，介紹了磁場效應在無機合成、有機化學、環境保護等方面的應用，展望了其在化學化工中的應用前景。
關鍵詞：磁化學;無機合成;有機化學;環境保護
磁現象普遍存在於物質世界。20世紀初，電磁學奠基者法拉第就發現磁場與化學之間有著密切的聯絡，並首先提出了磁化學的概念。經過數十年的努力，磁化學在實驗技術上有了很大進步，靈敏度高、解析度強，大型儀器核磁、順磁、磁天平等的廣泛應用，直流、交流、脈動磁場的實施，超高磁場40T以上的建立，開闢了控制化學過程的新途徑，促進了磁化學的基礎理論研究和在化工領域的應用研究。
1磁場的特性及其對化學反應影響機理
1.1 磁場的特性
1磁場的能量較低。在化學化工中應用的場強一般都在1T以內，其能量一般只是粒子熱運動能量的萬分之一到百萬分之一，與化學鍵的鍵能相比，也差2~3個數量級。
2磁場能對任何置於其中的磁極或電流施加作用力。物質的本質是電性的，無論原子、分子，都是由帶負電的電子在某種原子核的正的庫侖場中運動，所以從微觀機理上看，磁場必然要對置於其中的運動的帶電微觀粒子電子、質子、各種離子等產生不同程度的影響，產生影響的作用力是洛侖茲力。洛侖茲力的計算公式見式1：
F的大小與磁感應強度B成正比，但方向總是與帶電粒子運動方向垂直，說明它不能改變帶電粒子的運動速率和動能。
1.2 磁場影響化學反應的機理
洛侖茲力本身的特性決定不能賦予體系能量，因而不能直接以能量因素影響化學反應，但它可以改變粒子的運動方向。化學反應是伴隨著電子運動狀態的改變而發生的化學鍵的斷裂和形成過程，每一舊鍵的斷裂和新鍵的形成都是軌道間的分裂和疊加的結果，軌道狀態及變化趨勢直接關係著鍵交換的可能性和形成的鍵的穩定性，若變形發生在有利於軌道疊加的方向，則可以加強對反應體系至關重要的離域效果，加速化學反應或降低活化能，若變形不利於反應需要的疊加方向，也可能對化學反應起負作用。磁場除了對前線軌道伸展狀態施加影響外，還可能由於變形產生極化效應，影響其解離的快慢和程度，從而影響化學反應速度。
參加化學反應的物質，根據組成物質分子在分子軌道中的電子配對或未配對，它在磁場中產生的效應不同，可把物質分為順磁性、反磁性和鐵磁性三類物質。
具有磁矩的分子表現為順磁性，外磁場會影響磁性分子的取向，亦即影響反應體系的熵。對於磁矩為零的分子或原子，其反磁性總是存在的，磁場亦可在一定程度上影響其取向;另一方面，類似於非極性分子的“瞬時偶極矩”一樣，磁矩為零的分子也有可能存在“瞬時磁矩”，從而使磁場對其取向施加影響。根據化學反應的過渡狀態理論，反應速率常數k的大小見式2：
可見，除了濃度、溫度影響反應速率外，還有兩個結構因素：活化焓在液、固態反應時，約等於活化能和活化熵能影響化學反應，即一個能量因素、一個熵因素。由於磁場對反應體系能量的影響一般較小，主要是影響分子、原子及電子的自旋方式和自旋取向，即影響反應體系的熵，從而影響反應速率。
除了上述基於量子化學基礎上的影響反應速率的過渡態機理外，磁場影響化學反應的機理還有多種，如自由基對機理，三重態-三重態機理，三重態-偶極子對機理和三重態機理等。
2 磁場在化學化工中的應用
磁化學分為無機磁化學、有機磁化學、生物磁化學和醫療磁化學等。本文僅介紹應用磁效應較多的一些具體的化工過程。
2.1無機磁化學合成
2.1.1合成氨
朱傳徵等進行了常壓下磁場對合成氨催化反應的影響研究，結果發現，當控制N2與H2流速比為1∶3，預還原合成氨催化劑A體積為3.538mL，磁場能提高合成氨反應的反應速率和轉化率，這種關係並非線性，在低磁場下有一個最佳的磁場強度範圍150~300mT，最大轉化率可達0.356%。上述效應的產生，主要是在磁場影響下，還原態的α-Fe晶體Weiss磁疇最小，導致順磁性的FeO超飽和，磁滯損失增大，飽和磁化減小，致使催化劑活性增加，從而提高轉化率。
2.1.2 合成無機功能材料
人工晶體是非常重要的電子、光子材料，而生長大尺寸及高質量的晶體材料一直是各類晶體材料製備的關鍵技術。1966年Chedzey 和Vecch各自獨立地通過磁場阻抑湍流實驗表明，外加磁場可提高晶體的微觀均勻性。上世紀70年代末，人們發現磁場對Si單晶生長中引入晶體的氧濃度影響很大。1982年，Hoshikawa在0.1T的磁場下，從熔體中生長的矽單晶的溶質條紋減少，同時Suzuk與其合作者也報道了在側向磁場下生長出無位錯5cm直徑的摻硼Si單晶。樑歆桉、金蔚青等通過實時觀察的方法研究了磁場對KNbO3晶體的生長邊界層及形貌的影響，發現磁場可部分抑制KNbO3熔體中的浮力與運動對流效應，使得隨磁場強度的增大熔體中溫度梯度減小，有利於氧化物晶體的生長。
2.1.3 合成效能優異的金屬材料
磁場能顯著影響鐵基合金的相變過程，馮光巨集等進行的磁場處理對微合金鋼的相變過程研究表明，磁場處理對微合金鋼由奧氏體向鐵素體的轉變過程產生影響，一是增加了鐵素體的形核率，二是提高了晶粒的長大速度。由於磁場對鐵素體形核率的影響效果顯著，縮短了相變時間，最終得到細晶組織。穩恆磁場還可使低碳鋼的晶粒細化，使材料組織的均勻度提高。脈衝磁場處理則是一種新的非熱處理型降低焊接結構中殘餘應力的方法。低頻磁處理能大大提高各種刀具和汽車輪機的使用壽命，這也是由於磁處理降低了工具中殘餘應力所帶來的結果。
2.2 有機磁化學
2.2.1 酯化反應
外磁場對乙酸乙酯的合成有催化作用：
CH3COOH+CH3CH2OH→CH3COOCH2CH3+H2O 3
酯化反應③經0.35T的磁場處理後，乙醇的NMR化學位移發生了變化，乙酸的電導率增加了0.201μs・cm-1，酯淨增率超過50%，反應速度加快。
根據此原理，可用磁場催化白酒的老熟。酒在磁場作用下，酒中的極性分子鍵受磁場影響，加速了極性分子的定向排列，使得各成分之間的化學反應容易進行，促進了酒中的酯化、氧化和締合，使酒中的高階醇、醛類的含量降低，酸、酯的含量增加，減少了自由乙醇分子數，使酒迅速達到穩定狀態，變得醇和香且雜味減小，從而達到催陳老熟的效果。經過一次磁化處理的酒，其自然老熟期可縮短3~4個月，使釀酒費用大為降低。當然，磁化老熟與自然老熟效果還是有一定的區別。
2.2.2 蔗糖轉化
蔗糖轉化為D-葡萄糖和D-果糖的反應一般需要在酸或酶的催化下進行。金增瑗等研究了磁場對蔗糖轉化的影響。結果發現，不同濃度HCl催化，未經磁化與經過磁化B=0.30T的蔗糖在轉化反應中旋光度到達零的時間不同，其中以2mol・L-1的HCl效果最好，磁化後到達旋光度為零的時間比未經磁化時間縮短18.25%。B=0.30T以下，隨場強增加，反應速率常數增加，說明磁場從動力學上影響了反應的程序，但高於0.30T以後反應速率常數趨於一定值。
蔗糖分子的構象見圖1：
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圖1 蔗糖分子的構象
蔗糖轉化反應的速率常數在適當的磁感應強度下有所增加，原因是1個半縮醛氧原子在磁場的作用下接受H+的能力變強，變強的原因應歸結於洛淪茲力改變了電子的運動狀態，促使分子磁矩發生旋進，造成1個半縮醛醚氧的軌道伸展狀態發生了有利於接受H+變形，促進過渡態半椅式糖苷陽離子的形成，從而加快了反應的進行。
2.2.3基本有機合成
磁場主要用來控制反應的路徑，從而有選擇地獲取所需的產物。如丁基鋰與苄基氯在溶液中進行的熱化學反應，可按式4進行：
式4中， A，B分別代表丁基和苄基;M為鹼金屬原子;X為鹵素原子;A・、B・為兩個自由基，兩個自由基上方的橫線代表籠，表示兩個自由基處於籠中。此反應進一步進行有兩種可能：若發生籠內的重合，則產生化學結構不對稱的產物AB，若從籠中逸出，進行籠外反應，則會生成對稱產物AA，BB並按一定比例生成AB，在上述反應中施加磁場，就可用磁場來控制籠內與籠外產物的比例。
2.2.4 合成有機高分子材料
磁場對聚合反應的作用主要表現在影響聚合物的平均分子量、聚合產率、反應速率和立體構型等方面。黃駿廉等研究了磁場作用下異戊二烯在四氟乙烯-丙烯共聚物表面的光引發接枝反應。四丙共聚物是一種具有良好的化學穩定性和熱穩定性的含氟聚合物。將異戊二烯接枝於四丙共聚物表面，可將四丙共聚物的優良效能與含雙鍵聚合物的可反應性結合起來，開發出具有特殊功能的含氟高分子材料，但常規方法接枝，接枝率低，當相同體系的反應在外磁場中進行時，異戊二烯的接枝率提高得很快，且接枝鏈中3,4-聚合的產物大大增加。
蔡林濤等研究了外加磁場對苯胺電聚合過程的影響，發現當磁場方向垂直電極表面時，在0.58T處聚合速度約為無磁場時的2倍，當磁場方向平行電極表面時，隨磁場強度增大至0.7T時，聚合速度約為無磁場影響下的2.4倍。此外一些液晶型聚合物通過磁場取向拉伸法能使一種聚合物在某一方向上的電導率增加約100倍，且能改變聚合物的光學和機械效能。
2.3 環境磁化學
2.3.1 防垢與除垢
磁場對水的表面張力和活性、對水溶液中陽離子和陰離子、對水溶液體系中的各種微粒以及溶解結晶平衡等均有不同的影響。Grutsch J F等研究發現，利用磁處理能成功地控制CaCO3和CaSO4垢的沉積，將磁技術用於供暖系統等許多裝置的冷凝器，發現不再形成汙垢，早先形成的鍋垢，則會溶解而被排出。
Dcren的研究表明，磁處理後的晶核增長受到抑制，成核速率卻大大增加，從而能生成更多的不規則的晶體。Donadson J D等的研究表明，在CaCO3溶液蒸發沉澱過程中，磁處理能使方解石和文石的比例由無磁場作用時的80:20變為20:80，文石結晶較疏鬆，不易結垢。
2.3.2磁分離技術
磁分離技術是利用水中雜質顆粒的磁性進行分離的，對於水中非磁性或弱磁性的顆粒，則可利用磁性接種技術使它們具有磁性而將其分離除去。如含Cr6+、Ni2+、Zn2+、Co2+、Cu2+、Sn4+、Hg2+、Mn2+、V4+、Ti3+等重金屬離子的工業廢水，不易分解和自然氧化，可用磁凝聚分離法去除。先加硫化物使重金屬離子與S2-反應生成沉澱，加Fe3+，調節溶液pH，再新增磁種，通過FeOH3膠體的橋連作用與磁種結合，使磁種間靜電作用力減少，易於絮凝而形成較大的絮團，最後通過磁濾讓重金屬組分隨磁種濾出。
高梯度磁分離器則以高飽和磁密不鏽鋼聚磁鋼毛或帶銳背的薄鋼板作為聚磁介質，當水中汙染物對鋼毛的磁力作用大於其粘性阻力和重力作用時，汙染物被截留在鋼毛介質上，在切斷磁路後，磁力消失，被鋼毛介質捕集到的汙染物用水或氣水反衝洗下來，從而達到從廢水中去除汙染物的目的。
2.3.3防治大氣汙染
汽車尾氣中有害氣體排放物對環境的汙染日益嚴重。俞明等進行了燃油磁化對發動機排放與節能影響的試驗研究，對裝夾於化油器處和懸浮於油箱中兩種型別的燃油磁化方式與無磁化狀況分別進行了對比試驗，結果表明：兩種磁化方法均使CO減少，懸浮油液的磁化方式對HC的排放效果沒有明顯影響，燃油經濟性隨狀況的變化而變化;而將磁化器裝夾於化油器處時，HC排放量和燃油經濟性均有一定的改善，可見，燃油磁化作用可以通過改變燃油特性，影響燃燒過程，進而降低發動機有害氣體的排放量。
3結語
磁化學作為一門新興的學科，有著廣泛的應用前景。目前，磁化學作用機理研究的較深入的領域主要在有機磁化學方面，如建立在自由基對理論之上的磁動力學理論。而有關磁場對水溶液體系的無機化學反應或結晶化學平衡等影響的機理，爭議較多且不夠深入。磁化學的應用研究還較多停留在實驗室階段和經驗性階段，應加強其基礎理論和開發應用的研究，以便設計出特殊的反應途徑，開拓新的反應通道，合成出用其他手段難以奏效的功能產物，從而使磁化學在化工領域發揮更大的作用。
參考文獻：
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篇2
試論化學化工工藝應用技術改進
摘 要：我國社會經濟正處於高速發展的階段，化工工業在社會生產中起到一個關鍵性的作用。其工業化的核心力就在於化學化工工藝應用技術的推廣與應用。但是，由於我國經濟的快速發展與現有的化學化工工藝技術發展速度的不平穩性，這就迫使我國的化學化工工藝應用技術進行改進，確保我國化工工業的穩定發展。
關鍵詞：化學化工工藝;技術應用;技術改進
前言
在科學技術發展的今天，化學化工工藝技術的廣泛應用與發展。化工業不斷地將我國的工業生產帶向一個更高的發展水平。並且化學化工工藝自身的應用也不斷地向更廣泛的領域地區發展。比如建築業，國防建設和生物化工方面，都有其深入性的發展。但是在這一過程中，還是需要化學化工工藝技術的不斷革新，只有這樣才能將整個化工相關產業帶動起來，從而在我國的國民經濟中發揮重要的作用。
1.化學化工工藝應用技術的概況與現狀
化學化工工藝技術是在工業生產中最為常見的技術領域。其技術最為廣泛的應用是在普通物質的原料上的提取與加工[1]。在這一過程中，其化學化工工藝就會影響到物質原料結構，通過化學的轉化進行工業提取，例如工業中對氯乙烯的生產與提煉，工業酒精――甲醇的合成與生產流程，工業應用的硫酸等高腐蝕的原料生產分解與回收，能源中煤氣化的生產與濃縮等技術，這些都需要化學工藝的技術的應用與支援。正是因為這一點的原因，化學工業具有其個別生產的特殊性。在我國現階段的化學化工工藝技術的應用主要的內容涉及的是工業原材料的生產與提取的流程選擇，生產中不同原料之間的合成與分解。其生產過程中所應用到的裝置反應器、分離器、熱交換器等之間的作用，生產與工業化提取的技術結構與操作性，生產過程中催化劑的使用以及其他物質之間的相互作用與影響，化工生產的操作性以及條件化的確定、生產控制、產品規格及副產品的分離和利用，以及安全技術和技術經濟等問題。
對於我國化學化工工藝應用的現狀而言，其主要的趨勢在於基礎化學工業的大型化與專業化，原料與相關的衍生物質的利用，新原料物質和新的催化劑的運用、新能源的開發與應用、綠色化工業方式、生產技術的最優化。
2化學化工工藝應用技術在不同的領域中技術的改進
2.1工業產品的技術改進
我國是一個能源大國，但是在相對的人均擁有量面前就顯得缺乏，所以對工業原料的提取就要求充分的利用[2]。在這一過程中涉及到石油化工，煤鐵冶煉等工業化技術的應用與改進。這些工業部門是我國重工業的基礎，所以在其技術的改進過程中將影響深遠。其中對於石油化工而言，主要包括石油的開採與石油的提煉。在原油傳統的開採中，重點的是以物理的方法將原油進行過濾，並且通過石油不同的沸點進行蒸餾提取，將原油提煉出汽油、柴油、及其他的工業用品。雖然長時間的工藝加工中逐步的完善了開採及提煉過程，但是還存在著一定的技術缺陷。例如，原油中的鹽分雜質的去除。其傳統的方式是將水份直接蒸發，但是這樣依舊會將鹽分殘留在儲存裝置壁上，從而影響到裝置的使用壽命。但是，經過化學化工工藝應用技術的改進，其做法是兩級脫鹽脫水，將淡水與破乳膠放入原油中在標準溫度下，進行電脫鹽，在此脫鹽率是在90%以上，然後進行二次注入淡水溶解脫鹽。所以在不斷地實踐中將化學化工工藝應用到石油化工中，使其不斷地改進與發展。對於煤鐵冶煉而言，著重表現在鋼鐵鍛鍊中其分子密度的加大和產品表面抗腐蝕與抗氧化的作用。在這一過程，需要化學化工工藝應用技術的改進，例如，在鋼鐵的鍛鍊中，增加氧化量的比重，使其鋼鐵的碳化的硬度達到一個適度的範圍。對於化學化工工藝應用技術改進，在工業原料的提取中是一項重要的舉措，這直接的影響其產品的生產效率與生產質量。
2.2綠色化的化學化工技術的改進
化工產業對環境的影響直接的關係到整個產業的可持續發展[3]。所以對化學化工技術的應用更多的要求是改進生產過程，努力的將化工產業發展為無害化的綠色工業。在這裡突出的一點是，生產技術中催化劑製備的綠色化與新型催化技術的改進與使用。這是由於催化劑不僅可以改變化學變化中的熱力變化，同時還會在催化的過程中產生一定範圍內的物質變化。在當今的化工生產中，催化劑的應用又十分的普遍，所以綠色無公害的製劑就非常的重要。同時將催化劑回收或者充分的利用也是化學化工技術應用對環境改善的一項重要舉措，所以在現行的化學化工技術應用對環境的影響，還需要進一步的改善之中。
結語
對於我國而言，化學化工產業關係到我國重工業的生產與發展，同時在化學化工技術的應用方面依舊存在著漏洞。在其化工業，以及國防工業和鋼鐵製造業中都需要技術的革新，努力的將重工業產品的質量提升上去，從而更好的加快國民經濟的發展。同時處理好工業化生產與環境之間的關係，走可持續發展的道路，將我國的化工產業打造成為綠色環保型產業。但是在這一過程中，我國的化學化工技術還沒有達到一個先進的水平，所以我們還有很長的路要走，在這一探索發現的過程中，我們也可以積極的引進國外先進的化學化工技術，從而更好的為我國的化學化工技術的應用而服務。
參考文獻
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