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1、纳米技术在石油化工中的应用摘要: 纳米技术与信息技术、生物技术一起被并列为当代三大技术。被专家们预测为 21世纪社会发展的三大支柱。纳米技术在石油工业中的应用纳米催化剂开采稠油稠油约占全球原油储量的 20，稠油已经成为油田开采的主要对象。从发展趋势看，纳米材料现已渗透到石油化工三大合成材料和化学加工领域。本文将从纳米催化剂、纳米管、纳米材料等几个方便综述纳米技术在石油化工领域的应用。关键词：纳米技术 催化剂 纳米管 纳米复合材料1 纳米技术在石油催化剂领域中的应用石化工业技术进展主要归功于催化剂的进步。催化剂技术的进步带动了相关装置的发展进程。纳米技术应用于催化剂领域，一是由于纳米晶粒。表面活
2、性中心多在适当的条件下可以催化断裂 cc 和 co 键，并使反应速度加快二是由于纳米晶粒催化剂没有孔隙避免了常规催化剂所引起的反应物向其内孔缓慢扩散带来某些副反应产物的生成：三是纳米催化剂不必要附着在载体上使用，可以直接加入液相反应体系中反应产生的热量能随反应物流动而不断向周围扩散从而保证不会因局部过热导致催化剂结构破坏而失去活性。纳米催化剂有两种类型：一是金属(或氧化物) 纳米粒子催化剂，主要以贵金属为主，例如铂、钯、铑、银。非贵金属还有镍、铁、钴等。第二种是以氧化物为载体(氧化铝、氧化硅分子筛等)把粒径为 110nm 的金属(或氧化物) 粒子，分散到这种多孔的衬底上，然后通过活性等手段，与
3、载体结合形成表面负载型催化剂，对于不同的化学反应历程用不同类型的纳米材料催化剂。用纳米催化剂提高催化反应的速度、活性、选择性的研究将是未来催化科学的重大课题。因此，系统地研究与开发纳米催化剂具有深远的意义。科研人员在纳米微粒催化剂的研究方面已取得一些进展。1.1 炼油催化领域。1） 、油加氢催化剂抚顺石化研究院和青岛化工学院纳米材料研究所合作，制备的纳米钯 120，催化剂，用于裂解汽油一段加氢催化过程。裂解汽油是吉林有机化工厂产品经重新蒸馏(150)后使用。与现在使用的工业催化剂相比具有活性组分粒子无杂质、活性中心多、颗粒小、节约活性组分用量(节省 40活性金属组分) 等优点，同时还能降低该类
4、催化剂的生产成本，制备过程中不存在三废，是一种不污染环境的新型催化剂。2） 、化剂 5570nm 为半径的钛酸钴作为催化活体，用多孔硅胶或 120，陶瓷作为载体制成催化剂其催化效率极高。经它催化的油中硫的含量小于 001。达到国际标准。还有一种纳米二硫化钼催化剂，其脱硫活性比常规催化剂高 10 倍。3） 、子筛粒径为 1100nm 的纳米分子筛，具有一般超微粒子所具有的特点，它的一些物理性质、化学性质如催化作用、热稳定性、化学活性和强度、耐磨性等均显著高于普通尺寸的分子筛。研究发现。具有更多外表面活性中心和外露晶胞的纳米分子筛，由于其短而规整的孔道和均匀的骨架组分径向分布，在催化应用中具有更强
5、的裂化大分子的能力。并能延缓孔堵塞，预计在催化裂化、加氢裂化、深度加氢脱硫和脱芳烃催化中国石油和化工科技经纬剂中都会得到应用。太原理工大学精细化工研究所采用分步合成法，在低碱度体系、无添加剂、常规操作条件下，合成了粒度小于 inm 的高结晶度的型分子筛。 乙炔聚合反应用制得的纳米铜、纳米镍催化乙炔聚合反应。纳米铜及纳米镍均显示出较高的催化活性，且生成的催化产物是一种纤维状弹性体本身具有导电性。 、石脑油转变为芳烃乙烯的氧化反应纳米铂催化剂可使乙烯的氧化反应温度从 6000 降至室温。一环己烯醇与叔丁基过氧化氢环氧化生产 2，3 一环氧化环己烯醇瑞士技术研究院开发了一种低费用、高效的纳米颗粒二氧
6、化钛一二氧化硅催化剂，可应用于环氧化反应。环氧化物是生产许多聚合物、表面活性剂和医药的关键中间体。与传统的环氧化催化剂相比这种催化剂可大大提高转化率。它们基于相同的材料，但产生副产物很少，同时更高效和更稳定。传统的环氧化催化剂选择性为 6580，而二氧化钛一二氧化硅纳米新催化剂的选择性约为 90。这种催化剂按连续气相过程生产。比制备常规环氧化催化剂要价廉。马来酸酐与双马来自来酰亚胺的聚合反应的氧化和 02 的还原尾气处理这是我国首次将纳米材料应用在催化领域中。02 的分解用纳米 e20，作催化剂可以在较低温度(2703000) 下分解 02 等。丙烯氢甲酰化反应张鸿斌等制备的铑膦络合物碳纳米管
7、催化剂用来催化丙烯氢甲酰化反应。他们还与其他方法制备的非纳米催化剂进行了对比，结果表明，铑膦络合物纳米碳管催化剂不仅丙烯氢甲酰转化率高，而且产物的区位选择性(丁醛正异构比) 也很高。合成氨反应林敬东等用 ig 催化甲烷法制得的碳纳米管作催化剂载体，嵌入钾催化剂，装入石英反应器中，先进行还原活化，然后通入经 40：脱氧剂和分子筛净化的 2 和 3：混合气，流速1800mlh 进入反应器，控制反应温度，产物中合成氨产率为 532ml 氨。文献报道纳米碳管的结合能较石墨的低，这意味着碳纳米管上的电子更加离域。这更有利于载体向铁提供电子，有利于 2 的活化。另外碳纳米管的表面更趋于碱性，有利于生成的氨
8、脱附嵌钾的碳纳米管有很大的贮氢量。这无疑都有利于氨的合成。小结在催化科学技术中，催化新材料的研究是开拓新催化剂的源泉。因为催化剂从本质上讲是一种具有特殊功能的材料，催化材料的发展历史经验告诉我们，一种新型催化剂和催化工业的出现往往是以新催化材料的研究开发为先导的。国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂。人们在纳米催化剂制备技术和开发应用方面进行了系统的研究，并开发出了一些产品，但一直较难实现工业化、商品化规模，主要问题是：现有的制备技术还不够成熟，已取得的成果还停留在实验室和小规模生产阶段，对生产规模扩大时涉及到的工程技术问题认识不够。能够工业化生产纳米催化剂的设备有待进一步研究和改进。以提
9、高产量并降低粉末的成本.纳米催化剂的性能稳定控制技术尚未掌握。粉末在空气中极易氧化、吸湿和团聚，性能很不稳定，因而给它们的应用带来了障碍，并且降低了其使用性能。这几个方面将是以后研究纳米催化剂的重要方向。世界各工业发达国家纷纷把它列为高科技发展项目。目前我国从事纳米材料生产的企业有 100 多家，并建立了几个纳米材料研究基地，有关科研部门和生产企业还对纳米复合塑料、纳米涂料、纳米橡胶和纤维的改性以及纳米材料在能源和环保等方面的应用进行了深入的研究和开发，并取得一定的成果。近年来一些重大的研究成果不断问世，如成功合成世界最长的碳纳米管。制成性能优良的纳米扫描显微镜，合成出高质量的储氢碳纳米材料等
10、具有国际领先水平。我国已能生产铁、镍、锌、银、铜、铝、钴等金属纳米粉和氧化物粉末以及陶瓷粉末等 30 多种。有些产品已达国际先进水平。1.2 氢化反应催化剂化合物的纳米颗粒能使芳香结构发生催化加氢脱硫和加氢饱和，对沥青有改质作用，从而降低稠油粘度。膜提高采收率分子沉积膜驱油技术是指膜以水为传递介质，依靠强的离子间静电相互作用，沉积在储层岩石表面形成牢固的单分子层超薄膜，降低原油与岩石表面的粘附力，降低吸附边界层。该体系降低油水界面张力不明显，也不增加溶液体系的粘度，从而改变油水流度比。成膜作用由近及远逐渐推进，在水的冲刷作用下，原油被剥离岩石表面，从而提高驱油效率和原油采收率。在传统的化学驱油
11、过程中，在室内表现出优异性能的表面活性剂，由于在地层中损失量很大，在储层中存在吸附、沉淀、滞留和溶液损失，影响了其现场驱替实验效果和产业化。而膜驱在室内同样表现出优异性能，但其在储层中吸附损失小(仅有单层吸附而无多层吸附 )和溶解损耗低 (油水分配系数一般小于01)，基于不存在沉淀，滞留损耗，加之膜驱适用油藏范围广等特点，所以只要区块选择合理，注入量适当，其现场驱替实验效果应该是很明显的，膜驱有望成为具有普适意义的新型采油技术。13 纳米聚硅材料在增注方面的应用近年来，我国大多数油田都进入注水开发阶段，但对于低渗透油田的注水开采存在着开采速度慢，最终采收率低等问题。为了解决这一难题，国内某些油
12、田在现场注水开采过程中采用了新型降压增注剂一纳米聚硅材料。纳米聚硅材料是一种以为主要成分，粒径在 10500nm，具有极强憎水亲油能力的白色粉末状物质。纳米聚硅材料具有极强憎水性，注入油层后，其降压增注作用的主要机理是能将吸附在孔隙内表面的水膜赶走，改变岩石的润湿性，有效地扩大孔径，并大幅度降低注入水在孔隙中的流动阻力，避免发生水化现象，起着降低注入压力，平衡注水井间差异的作用。该技术用于低渗透油藏注水井的解堵、降压、增注，可使注水井吸水能力增加2060，具有效果显著，施工简单，无污染等优点。纳米材料在调剖堵水中的应用现有的调堵材料，如水泥、碱一矿渣、水玻璃、树脂颗粒等调堵材料的凝胶具有较高的
13、强度，而且成本较低。但由于颗粒直径较大，对于孔隙直径在左右的低渗透油层，这类材料无法应用，且现有成熟应用的调剖堵水技术及相关配套技术大多不适宜温度在 120以上矿化度在 100000mg 以上的高温高盐深井 (4500 以上)油藏。因此国内新投入开发纳米堵剂，纳米堵剂主要由无机纳米材料，高效分散剂，反应速度控制等材料组成。无机纳米材料颗粒微细均匀，比表面积大，化学活性高，可在油藏温度下引发水化固化反应。生成以纳米材料为核心节点(网络节点)的三维网络结构，显著改善堵剂的抗压性能和化学溶解性能。陈渊等 m1 研制了一种纳米堵剂，其颗粒微细均匀，易进入低渗透油藏的微孔隙，堵剂耐高温，高压和高矿化度，
14、可根据井况调整，旋工安全性好。在河南安棚油田，新疆塔河油田等疑难井实施化学封堵 10 井次，措施井封堵段最深达 5100m，地层温度最高达 118，地层水矿化度最高达 2309，阶段累计增油 78365t ，增产天然气 464624m3，降水273622m。现场应用表明，纳米堵剂是一种较好的新型封堵剂。目前，许多纳米材料在石油工业中的应用还处于实验室开发阶段，离实际应用还有很长距离，需要解决许多存在的问题，如制得成本低，易工业化生产的纳米材料纳米材料在实验室条件下模拟采油虽然取得不少成果，但是采油是在地下复杂环境中进行，因此现场应用还存在许多问题。只要解决了以上问题，纳米材料才能在石油工业中得
15、到推广应用。随着纳米技术的发展，纳米技术将成为石油工业的重要应用领域。纳米科技的创新必将对石油工业带来新的突破。2 纳米管在石油化工中的应用纳米管可制成高强度碳纤维材料，用碳纳米管作为增强填料可以形成各种复合材料，用碳纳米管还可制成贮氢材料。碳纳米管储气能力极强，多壁碳纳米管储氢量可达 42，可作为储氢材料用于料电池等领域。由纳米尺寸碳颗粒组成的碳纳米管可用作料电池电极的支撑材料。但现生产工艺昂贵，因涉及在惰性气氛中采用二氧化碳激光使碳从石墨中蒸发。日本丰桥(oyohashl)技术科学大学与 okai 碳素公司和 utaba 公司联合开发的新方法，因在大气气氛中制取，可大大节减费用。新方法用电
16、弧喷射法合成碳纳米管。采用 200300的 20 直流电在两个石墨电极( 用绝缘板隔开) 间产生电弧。阳极不断消耗并在 400010000下快速蒸发，引起电弧喷射。将电弧喷射快速急冷至室温，将它吹到冷却板上，得到碳颗粒。约 70的产物由碳颗粒( 长 50150nm)凝聚体组成，约 30为长 310nm、直径15nm 纳米管。日本三井化学公司建成世界最大规模的碳纳米管生产装置，生产能力为120ta，碳纳米管价格稍低于 90 美元 kg，该产品己用于生产高性能塑料的增强材料、蓄电池、电子元件及料电池电极材料。日本昭和电工公司开发 34 葡衄料产业 20052 成功在纤维素纳米管(纤维直径 20nm)与气相法碳素纤维( 纤维直径 150nm)范围之间的 80nm 碳纳米纤维，建立了 10ta 的生产装置。德国由菲利浦斯大学和 axanck 微细结构学院组成的研究集团开发了生产均一聚合物纳米管的简易技术，生产的聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯功能
