納米材料在石油化工中的應用進展

刁潤麗

河南質量工程職業學院，河南平頂山 467001

在21世紀，隨著科學技術的飛速發展，納米技術與生物技術和信息技術一起被稱為偉大的三項發明，自20世紀80年代開發出納米材料，便成為各國關注的熱點和焦點。納米技術是主要研究在0.1～100 nm結構范圍內，用單個的分子、原子來制備產物的技術[1-2]。石油化工是隨石油煉制工業的發展而出現的新興產業，隨著科技的發展與進步，石油化工產業逐漸成為不可或缺的重要支柱產業及經濟發展的重要推動力。石油化工產業技術密集，經濟總量大，產業關聯度高，產品廣泛應用于人民生活、國民經濟、國防科技等各個領域。隨著納米技術在石油化工領域的應用，推動石油化工研究取得了巨大的成效，因此，加強對納米技術在石油化工領域中發展的研究具有非常重要的現實意義[3-5]。

1 納米材料的結構與性質

1.1 納米材料的結構

納米材料是處于亞穩態的物質，粒徑極小，比表面積大，表面原子比例高，具有獨特的電子運動狀態、表面效應和體積效應，表現出宏觀量子隧道效應和量子尺寸效應，這些結構上的特點使納米材料具有很多優良的特性[6]。

1.2 納米材料的性質

1)化學反應性質：納米材料的粒徑為納米級，性質非常活潑，有很強的化學反應性質。如在空氣中納米級的金屬材料可以發生氧化反應，劇烈的伴隨有發光燃燒現象；45 nm的TiN晶粒在空氣中受熱可燃燒得TiO2晶粒。

2)催化性質：納米粒子比表面積大、表面原子配位不足等性質致使其表面的活性中心增多，從而使納米粒子具有催化活性。納米粒子催化劑沒有孔隙，可直接加入反應體系，不必外加載體。另外，納米粒子催化劑的表面比較粗糙，可以擴大反應面積。

3)光催化性質：納米材料可以吸收光能，使其氧化還原能力增強，從而有利于催化反應。粒徑越小，光催化性越強，反應速度越快。

此外，納米材料還具有高比熱、高塑性、高硬度、高導電率和高磁化率等優異的物理化學特性。隨著對納米材料的進一步深入研究，相信還會有更多優異的性能呈現出來[7]。

2 納米材料在石油化工中的應用

2.1 催化劑

在石油提煉、化工原料生產及合成材料開發使用中，都需要加入催化劑來提高生產效率及經濟效益，催化材料也是石油化工生產的核心。隨著經濟的高速發展，石油化工領域的催化材料也在不斷發展與創新，并推動石油化工領域的生產效率大幅度提高[8-9]。

納米粒子對大多數反應，如氧化反應、裂解反應、還原反應都有較高的選擇性和活性。納米催化劑自身的性質決定其選擇性和活性比傳統催化劑要高得多，因此它在石油化工領域有著廣闊的應用前景。納米鎳和銅鋅合金顆粒(小于0.3 nm)的催化效果是常規鎳催化劑的10倍還多；二氧化碳氧化乙烷制乙烯的納米顆粒催化劑，以納米稀土氧化物(質量分數10%～80%)為活性組分，納米ZnO(5～80 nm)為載體，反應乙烷轉化率達到60%，乙烯收率達到90%[10]。

2.2 潤滑油添加劑

納米潤滑油是運用納米技術使原潤滑油分子結構發生改變的純石油產品，以原潤滑油作為載體把新的小油分子帶到金屬表面發揮其優良作用。納米潤滑油的分子直徑10 nm，金屬表面的正電荷和烴類分子的負電荷相吸附，以有機單分子膜的形式完全填充金屬表面的微孔，從而將金屬與其微孔間的摩擦降到最低。使用納米潤滑油后，磨損面減少16倍，極壓增大3～4倍，既可減少摩擦磨損，又能降低能耗，從而使機械壽命實現了成倍的增長[11]。張澤撫等[12]用水溶性稀土無機鹽、表面活性劑、分散劑、基礎油、促進劑、氟化鈉組成的納米氟化稀土材料(粒徑10～50 nm)作為潤滑油的添加劑，納米氟化稀土在潤滑油達到均勻分散，制備了性能優異的抗磨、極壓潤滑油添加劑。

2.3 塑料

塑料是典型的石油化工產品，在國民經濟各個領域的應用十分廣泛，但是普通的塑料產品不耐高溫，且抗剪、抗壓及耐磨性差。將納米CaCO3和ZnO添加到塑料產品中，可使產品的強度和致密性明顯得到改善，還可使產品具有抗老化、殺菌的特性。中科院化學所將由蒙脫土-天然黏土制備的納米材料添加到聚合物中，均勻分散后形成納米塑料。結果顯示，該納米塑料的耐熱性和強度大大提高，耐磨性達到了黃銅的27倍、鋼鐵的7倍之高[11]。尼龍6納米塑料比普通尼龍6塑料各方面的性能都有所提高。添加納米顆粒到改性聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)塑料中，在不減少剛性的前提下，可使塑料的韌性(抗沖強度)得到極大提高[13]。

2.4 橡膠

添加納米材料生產的高速耐磨橡膠產品，高級轎車用子午線胎、飛機輪胎等，與未添加納米材料的相比具有很多優良的性能。添加納米ZnO的高速耐磨橡膠產品，使用壽命、抗老化、耐磨性、側面抗皺性能大大提高，只需添加普通ZnO量30%～50%的納米ZnO，可將抗皺性能由原來的10萬次提高到50萬次。祖庸等在印刷膠輥的原料中添加納米ZnO作交聯劑和活性劑，與添加普通活性ZnO的膠料相比，抗溶劑性提高了1%，室溫下在亞麻仁油中浸泡24 h，重量變化率由原來的1.6%降為0.3%，達到了塑印和彩印的使用要求，提高了產品的質量[14]。添加納米材料生產的橡膠手套，具有良好的殺菌功能，在醫院和家庭中廣泛應用。

2.5 油田污水處理

油田污水中含有大量的重金屬離子和有機物，如果直接排放，會嚴重污染環境。納米TiO2具有良好的光催化降解和吸附絮凝能力，在油田的污水處理中廣泛采用，一方面可快速將表面的有機物分解，另一方面將懸浮物吸附并沉淀下來，還可以通過對納米TiO2進行摻雜改性來增強其降解性能，擴大應用范圍[15-16]。PDPT-16納米聚硅鋁絮凝劑是一種具有強吸附能力的環保高效無機絮凝劑，對油田污水的處理效果良好，長慶油田、大慶油田南八站等現場應用的除濁率均超過85%[17]。

3 展望

隨著納米材料和納米技術在石油化工中的應用及其潛力的展示，納米材料和納米技術的研究越來越受到人們的重視。盡管在石油化工領域的應用前景非常好，但實際應用過程中還有許多問題需要解決。

1)添加納米材料后成本大幅提高，在實際過程中要么盡可能少量添加納米材料，要么降低納米材料的價格來提高經濟效益。

2)納米復合催化劑的制備方法很多，但大多僅限于實驗室階段，未來應盡快解決工業化生產的問題，擴大生產規模，實現批量生產。

3)更深層次地認識納米材料，在理論上進一步研究探索其與石油化工的作用機理，解決兩者結合過程中的問題，盡快實現實際應用。