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1、环境功能材料本讲稿第一页，共三十三页简介简介n磁性材料：古老而用途十分广泛的功能材料，而物质的磁磁性材料：古老而用途十分广泛的功能材料，而物质的磁性早在性早在3000年以前就被人们所认识和应用，例如中国古年以前就被人们所认识和应用，例如中国古代用天然磁铁作为指南针。现代磁性材料已经广泛的用在代用天然磁铁作为指南针。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘等。且随着人们对环境保护的重视，磁性材料在记录软盘
2、等。且随着人们对环境保护的重视，磁性材料在节能环保方面也有很多应用。节能环保方面也有很多应用。本讲稿第二页，共三十三页分类分类n磁性是物质的一种基本属性。磁性是物质的一种基本属性。n物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状分类：物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状分类：当有外磁场作用时，原当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出向的趋势，从而呈现出正的磁化率。正的磁化率。轨道电子加速运动引起的轨道电子加速运动引起的磁通与外磁场变化相反，磁通与外磁场变化相反，使磁化率是负的。使磁化率是负的。两个磁性原子成反平行耦合，两个磁性原子成反平行耦合，反铁磁的自旋排
3、列导致一个反铁磁的自旋排列导致一个自旋未能完全抵消的自发磁自旋未能完全抵消的自发磁化强度。化强度。近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而相近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而相互抵消。互抵消。本身具有磁矩，材料本身具有磁矩，材料中的磁矩都显示出比中的磁矩都显示出比较强的有序排列，从较强的有序排列，从而具有永磁性。而具有永磁性。亚铁磁性物质亚铁磁性物质反铁磁性物质反铁磁性物质铁磁性物质铁磁性物质顺磁性物质顺磁性物质抗磁性物质抗磁性物质物质物质本讲稿第三页，共三十三页分类分类n按使用分类：按使用分类：磁性材料磁性材料软磁材料软磁材料永磁材料永磁材料功能磁性材料功能磁性材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁记录材
4、料磁记录材料磁电阻材料磁电阻材料磁泡材料磁泡材料磁性纳米材料磁性纳米材料旋磁材料旋磁材料磁性薄膜材料磁性薄膜材料本讲稿第四页，共三十三页节约能源中的应用节约能源中的应用n节能磁性汽车部件节能磁性汽车部件n节能电气设备节能电气设备n节能磁性轴承节能磁性轴承n节能永磁电机节能永磁电机n磁流体发电技术磁流体发电技术本讲稿第五页，共三十三页节能磁性汽车部件节能磁性汽车部件2000kg1250kg1350kg本讲稿第六页，共三十三页节能磁性汽车部件节能磁性汽车部件n因此，对现代汽车部件来说，尺寸、重量和性能之间的协调至因此，对现代汽车部件来说，尺寸、重量和性能之间的协调至关重要。而采用高性能的磁性材料可
5、以满足此种要求。如把汽关重要。而采用高性能的磁性材料可以满足此种要求。如把汽车中的电机（数十个之多）改成永磁电机，重量可减轻车中的电机（数十个之多）改成永磁电机，重量可减轻4070，效率提高，效率提高50以上，还可节约铜材、节电。此外，以上，还可节约铜材、节电。此外，汽车中还大量使用了磁化节油器、减烟器、强力磁化器、汽车中还大量使用了磁化节油器、减烟器、强力磁化器、磁性传感器等多种节能产品，效果均非常明显。磁性传感器等多种节能产品，效果均非常明显。本讲稿第七页，共三十三页节能电气设备节能电气设备电磁开关电磁开关电磁阀电磁阀本讲稿第八页，共三十三页节能电气设备节能电气设备n这些电磁开关和电磁阀，
6、以前都用电磁铁，工作中要一直通电，这些电磁开关和电磁阀，以前都用电磁铁，工作中要一直通电，因此耗电很多，若把其中的电磁铁换成永磁体，只要在接通和因此耗电很多，若把其中的电磁铁换成永磁体，只要在接通和断开的瞬间通入一个脉冲电流即能完成，可节电断开的瞬间通入一个脉冲电流即能完成，可节电90以上。以上。由于电气设备中使用的电磁开关与电磁阀数量很多，所以由于电气设备中使用的电磁开关与电磁阀数量很多，所以采用永磁体的节能效果甚为可观。采用永磁体的节能效果甚为可观。本讲稿第九页，共三十三页节能电气设备节能电气设备n钢铁厂、造船厂经常提升和运送钢铁料块及钢板，以前都用电钢铁厂、造船厂经常提升和运送钢铁料块及
7、钢板，以前都用电磁铁，耗电过多。把电磁铁改成永磁体，只在吸物的瞬间通入磁铁，耗电过多。把电磁铁改成永磁体，只在吸物的瞬间通入一个脉冲大电流使磁体永磁，在卸物的瞬间再通入一个交变的一个脉冲大电流使磁体永磁，在卸物的瞬间再通入一个交变的逐渐衰减的电流使磁铁退磁，被吸物就能落到规定地点。整个逐渐衰减的电流使磁铁退磁，被吸物就能落到规定地点。整个提升和运输过程不用通电，这样不仅节电，还能避免电磁铁在提升和运输过程不用通电，这样不仅节电，还能避免电磁铁在停电与断电时运输物摔下，造成事故。停电与断电时运输物摔下，造成事故。本讲稿第十页，共三十三页节能磁性轴承节能磁性轴承 n任何机械装置的运动部件，由于相对
8、运动，无一不产生摩擦，任何机械装置的运动部件，由于相对运动，无一不产生摩擦，造成能量浪费。一种利用磁悬浮原理制成的新型无摩擦性轴承造成能量浪费。一种利用磁悬浮原理制成的新型无摩擦性轴承付诸实用。它的出现结束了轴承产品不能机电一体化的说法，付诸实用。它的出现结束了轴承产品不能机电一体化的说法，这是轴承产品的升级换代。其用途相当广泛，尤其对离心式气这是轴承产品的升级换代。其用途相当广泛，尤其对离心式气体压缩机和高速涡轮机，效果更明显。磁性轴承的能耗仅为传体压缩机和高速涡轮机，效果更明显。磁性轴承的能耗仅为传统轴承的统轴承的1/1001/10。本讲稿第十一页，共三十三页节能永磁电机节能永磁电机 n高
9、性能永磁用于电机的开发，是电机领域的一场深刻的革命。高性能永磁用于电机的开发，是电机领域的一场深刻的革命。除了能缩小体积、降低重量、提高效率外，永磁电机还有很除了能缩小体积、降低重量、提高效率外，永磁电机还有很好的节能效果。国外的一些专家在技术和经济上早就作过仔好的节能效果。国外的一些专家在技术和经济上早就作过仔细验证，指出永磁同步电机取代励磁电机不仅可行，而且十细验证，指出永磁同步电机取代励磁电机不仅可行，而且十分必要，二者之间的制造费用差额可在分必要，二者之间的制造费用差额可在2年内从节约的能源费年内从节约的能源费用中收回。用中收回。本讲稿第十二页，共三十三页磁流体发电技术磁流体发电技术n
10、磁流体发电技术，就是用燃料（石油、天然气、燃煤、核能磁流体发电技术，就是用燃料（石油、天然气、燃煤、核能等）直接加热成易于电离的气体，使之在等）直接加热成易于电离的气体，使之在2000的高温下电的高温下电离成导电的离子流，然后让其在磁场中高速流动时，切割磁离成导电的离子流，然后让其在磁场中高速流动时，切割磁力线，产生感应电动势，即由热能直接转换成电流，其燃料力线，产生感应电动势，即由热能直接转换成电流，其燃料利用率得到显著提高，这种技术也称为利用率得到显著提高，这种技术也称为等离子体发电技术等离子体发电技术。本讲稿第十三页，共三十三页磁流体发电技术磁流体发电技术 n传统的火力、水力和原子能发电
11、，效率仅为传统的火力、水力和原子能发电，效率仅为3040，采，采用磁流体发电，效率可提高用磁流体发电，效率可提高50左右，它是一种新型的热左右，它是一种新型的热能直接发电方式。如一个能直接发电方式。如一个10万千瓦的磁流体发电厂，年万千瓦的磁流体发电厂，年节约煤可达节约煤可达100万吨。磁流体发电无高速转动部件，从点火到万吨。磁流体发电无高速转动部件，从点火到满负荷运转只需几十秒，造价仅为火力发电厂的满负荷运转只需几十秒，造价仅为火力发电厂的1/4，这是一，这是一般发电系统无法比拟的。般发电系统无法比拟的。燃料化学能燃料化学能电能燃料化学能烟气热能燃料化学能燃料化学能机械动能燃料化学能烟气热能
12、燃料化学能发电机转子动能电能本讲稿第十四页，共三十三页环境保护中的应用环境保护中的应用 n大气环境污染中的作用大气环境污染中的作用n水环境污染中的作用水环境污染中的作用n环境监测中的应用环境监测中的应用本讲稿第十五页，共三十三页大气环境污染中的作用大气环境污染中的作用n工业生产的能源有工业生产的能源有90来自于煤、石油和天然气，使用这些能来自于煤、石油和天然气，使用这些能源燃料必然会带来大量的废气。而磁性节能技术的广泛应用和源燃料必然会带来大量的废气。而磁性节能技术的广泛应用和普及，将在一定程度上控制和缓解工业废气对大气的污染。普及，将在一定程度上控制和缓解工业废气对大气的污染。n如用高梯度磁
13、分离可有效除去煤粉、煤浆中的硫化物，大如用高梯度磁分离可有效除去煤粉、煤浆中的硫化物，大量减少量减少SO2气体的排放量，脱硫率达气体的排放量，脱硫率达8095，分离，分离后的灰末可除去后的灰末可除去3070，煤的回收率为，煤的回收率为8590。本讲稿第十六页，共三十三页大气环境污染中的作用大气环境污染中的作用n磁化节油减烟器或燃油增能器用于以油、气为燃料的燃烧磁化节油减烟器或燃油增能器用于以油、气为燃料的燃烧设备中，燃料在燃烧前进行磁化，促使油、气分子链断裂，设备中，燃料在燃烧前进行磁化，促使油、气分子链断裂，让其充分燃烧，提高燃烧效率，省油省气达让其充分燃烧，提高燃烧效率，省油省气达10左右
14、。左右。而且燃烧室温度升高，发动机（引擎）出力增加，可以而且燃烧室温度升高，发动机（引擎）出力增加，可以防止积垢，并将防止积垢，并将CO、NO等有害物的排放量降低等有害物的排放量降低2565,减烟率达减烟率达50以上。以上。本讲稿第十七页，共三十三页大气环境污染中的作用大气环境污染中的作用n一些家用电器因采用磁性材料抑制了环境污染而获得制造商及一些家用电器因采用磁性材料抑制了环境污染而获得制造商及消费者的青睐。如利用消费者的青睐。如利用“绝热去磁绝热去磁”即当给一种磁性材料施加即当给一种磁性材料施加磁场时就发热、去掉磁场就冷却，全新原理工作的磁冰箱、磁磁场时就发热、去掉磁场就冷却，全新原理工作
15、的磁冰箱、磁空调、磁冷冻室，无振动噪声和氟里昂，可保护臭氧层。空调、磁冷冻室，无振动噪声和氟里昂，可保护臭氧层。本讲稿第十八页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n磁纳米颗粒为一种处于纳米级磁纳米颗粒为一种处于纳米级(1100nm)的磁性材料的磁性材料(Fe的的氧化物为主氧化物为主)。因其处于纳米量级，。因其处于纳米量级，具备以下特性：具备以下特性：n1.量子尺寸效应量子尺寸效应n2.表面效应表面效应n3.小尺寸效应小尺寸效应n4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应本讲稿第十九页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n金属金属Fe、Co、Ni等纳米粒子。等纳米粒子。n金属氧
16、化物金属氧化物Fe3O4、-Fe2O3、Co3O4、Mn3O4。n各种铁氧体（各种铁氧体（CoFe2O4、BaFe12O19等）纳米粒子。等）纳米粒子。n金属合金金属合金Nd（铷）（铷）-Fe-B、Fe-M-B、Fe-M-C、Fe-M-N、Fe-M-O（M为为Zr（锆）、（锆）、Hf（铪）、（铪）、Nb（铌）、（铌）、Ta（钽）、（钽）、V（钒）等）等纳米粒子。（钒）等）等纳米粒子。本讲稿第二十页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用本讲稿第二十一页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n磁纳米颗粒的制备方法：磁纳米颗粒的制备方法：制备方法制备方法共沉淀法共沉淀法溶胶溶胶-
17、凝胶法凝胶法水热法水热法微乳液法微乳液法本讲稿第二十二页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n共沉淀法是制备铁氧体磁性颗粒的最为经典的方法之一，共沉淀法是制备铁氧体磁性颗粒的最为经典的方法之一，其原理是使二价和三价的铁离子在水溶液中同时水解来其原理是使二价和三价的铁离子在水溶液中同时水解来实现磁性实现磁性Fe3O4纳米粒子的制备，在实际制备过程中可以采纳米粒子的制备，在实际制备过程中可以采用以下三种反应方式。用以下三种反应方式。1只以Fe2为铁源的反应原料，同时采用加入不同种类的氧化剂使Fe2水解的同时部分氧化成Fe3，最后得到磁性Fe3O4纳米粒子。2以Fe3为原料，在Fe3水解
18、反应过程中，同时采用加入还原剂使Fe3水解的同时部分还原成Fe2，最 终 得 到Fe3O4磁性纳米粒子。3同时使二价铁离子和三价铁离子按一定比例混和后共同水解来制备Fe3O4磁性纳米粒子。本讲稿第二十三页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n溶胶溶胶-凝胶法是指通过水解和聚合反应将磁性前驱体和无机物质凝胶法是指通过水解和聚合反应将磁性前驱体和无机物质聚合，聚合后通过改变温度等方法制备磁性纳米颗粒的一种方聚合，聚合后通过改变温度等方法制备磁性纳米颗粒的一种方法。该方法有两个特点：一是反应一般在常温下聚合，二是通法。该方法有两个特点：一是反应一般在常温下聚合，二是通过加热等方法改变物相
19、得到磁性物质。影响该反应主要因素为过加热等方法改变物相得到磁性物质。影响该反应主要因素为溶剂类型、温度、铁盐浓度等。溶剂类型、温度、铁盐浓度等。本讲稿第二十四页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n水热法是高温、高压下在水水热法是高温、高压下在水(水溶液水溶液)或蒸气等流体中进行有或蒸气等流体中进行有关化学反应的总称。关化学反应的总称。n原理：高温、高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的原理：高温、高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度，于是氢氧化物溶于水，同时析出氧化氧化物在水中的溶解度，于是氢氧化物溶于水，同时析出氧化物；也可将制备好的氢氧化物通过化
20、学反应物；也可将制备好的氢氧化物通过化学反应(如水解反应如水解反应)在高在高温、高压下生成氧化物。温、高压下生成氧化物。本讲稿第二十五页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n微乳液是两种不互溶液体形成的热力学稳定、各向同性的分微乳液是两种不互溶液体形成的热力学稳定、各向同性的分散体系，是表面活性剂分子在油水界面形成的有序组合体。散体系，是表面活性剂分子在油水界面形成的有序组合体。此方法是将有序组合体作为纳米粒子形成的场所，来制备磁此方法是将有序组合体作为纳米粒子形成的场所，来制备磁性纳米粒子的。性纳米粒子的。本讲稿第二十六页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用工业废水处
21、理工业废水处理催化催化靶向药物靶向药物核酸分离和纯化核酸分离和纯化固定化酶固定化酶蛋白质分离与纯化蛋白质分离与纯化细胞分离细胞分离磁性纳米材料应用磁性纳米材料应用本讲稿第二十七页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n工厂、矿山、冶金企业等排出的废水含有铅、铬、镉、汞、工厂、矿山、冶金企业等排出的废水含有铅、铬、镉、汞、铝、砷、铁等有害物质。实践证明，应用铁氧体合成法（共铝、砷、铁等有害物质。实践证明，应用铁氧体合成法（共沉淀法）可以处理这些污水。沉淀法）可以处理这些污水。n如在含重金属离子的酸性废水中加入硫酸亚铁水溶液，再加入如在含重金属离子的酸性废水中加入硫酸亚铁水溶液，再加入碱
22、中和，通空气氧化，便沉积出碱中和，通空气氧化，便沉积出0.1m10m粒子的强磁性粒子的强磁性Fe3O4和含其它金属的铁氧体；如果废水中有锰、锌等离子，和含其它金属的铁氧体；如果废水中有锰、锌等离子，就沉淀出锰铁氧体、锌铁氧体等。就沉淀出锰铁氧体、锌铁氧体等。本讲稿第二十八页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n而要除去铅、铬、汞等重金属，需先加大量的硫酸亚铁，沉淀而要除去铅、铬、汞等重金属，需先加大量的硫酸亚铁，沉淀出大量的出大量的Fe3O4，这些重金属离子就被吸附在，这些重金属离子就被吸附在Fe3O4上，再用上，再用磁分离技术把它们与磁分离技术把它们与Fe3O4分开。分开。n而水
23、中含的硅、铝杂质会阻止铁氧体生成，故须先用脱硅中和而水中含的硅、铝杂质会阻止铁氧体生成，故须先用脱硅中和工艺除去。工艺除去。本讲稿第二十九页，共三十三页水环境污染中的作用水环境污染中的作用n此方法的特点：日处理量大，处理后的水可再利用；可使此方法的特点：日处理量大，处理后的水可再利用；可使废水中的很多重金属生成铁氧体，铁氧体极稳定，不会再废水中的很多重金属生成铁氧体，铁氧体极稳定，不会再溶于水，重金属被吸附在铁氧体上；铁氧体有磁性，可用溶于水，重金属被吸附在铁氧体上；铁氧体有磁性，可用磁分离技术将其分开；回收的铁氧体与树脂、橡胶等高分磁分离技术将其分开；回收的铁氧体与树脂、橡胶等高分子化合物混
24、合又能制成振动衰减大的复合防振材料，用于子化合物混合又能制成振动衰减大的复合防振材料，用于船舶引擎室、大型机械设备、显微镜、打印机等的除振防船舶引擎室、大型机械设备、显微镜、打印机等的除振防噪，从而在环境保护中发挥一系列的重要作用。噪，从而在环境保护中发挥一系列的重要作用。本讲稿第三十页，共三十三页环境监测中的应用环境监测中的应用n矿井瓦斯的监测、报警，对于矿井的开发和人身安全极为重要。矿井瓦斯的监测、报警，对于矿井的开发和人身安全极为重要。采用铁氧体软磁制作成的一氧化碳磁传感器，其电感（或电阻）采用铁氧体软磁制作成的一氧化碳磁传感器，其电感（或电阻）值的变化几乎能线性地反映出井下一氧化碳的浓
25、度，从而可方值的变化几乎能线性地反映出井下一氧化碳的浓度，从而可方便地达到监测和报警之目的。便地达到监测和报警之目的。本讲稿第三十一页，共三十三页环境监测中的应用环境监测中的应用n由于海上石油运输量的不断增加，海域油污现象日趋严重，如由于海上石油运输量的不断增加，海域油污现象日趋严重，如何有效防止油的污染，有两个问题必须引起注意：何有效防止油的污染，有两个问题必须引起注意：1.检测油船检测油船的漏油问题；的漏油问题；2.监视不法船只将废油倒入海洋。监视不法船只将废油倒入海洋。n为此，我们将具有特定记忆温度的感温磁性材料做成带固为此，我们将具有特定记忆温度的感温磁性材料做成带固定记忆功能的密码存储器，装在海洋环境监测船上，准确定记忆功能的密码存储器，装在海洋环境监测船上，准确测知漏油船只或不法放油船只，起到海洋环境监督作用。测知漏油船只或不法放油船只，起到海洋环境监督作用。本讲稿第三十二页，共三十三页最后最后本讲稿第三十三页，共三十三页