纳米材料在石油化工中的应用进展

刁润丽

河南质量工程职业学院，河南平顶山 467001

在21世纪，随着科学技术的飞速发展，纳米技术与生物技术和信息技术一起被称为伟大的三项发明，自20世纪80年代开发出纳米材料，便成为各国关注的热点和焦点。纳米技术是主要研究在0.1～100 nm结构范围内，用单个的分子、原子来制备产物的技术[1-2]。石油化工是随石油炼制工业的发展而出现的新兴产业，随着科技的发展与进步，石油化工产业逐渐成为不可或缺的重要支柱产业及经济发展的重要推动力。石油化工产业技术密集，经济总量大，产业关联度高，产品广泛应用于人民生活、国民经济、国防科技等各个领域。随着纳米技术在石油化工领域的应用，推动石油化工研究取得了巨大的成效，因此，加强对纳米技术在石油化工领域中发展的研究具有非常重要的现实意义[3-5]。

1 纳米材料的结构与性质

1.1 纳米材料的结构

纳米材料是处于亚稳态的物质，粒径极小，比表面积大，表面原子比例高，具有独特的电子运动状态、表面效应和体积效应，表现出宏观量子隧道效应和量子尺寸效应，这些结构上的特点使纳米材料具有很多优良的特性[6]。

1.2 纳米材料的性质

1)化学反应性质：纳米材料的粒径为纳米级，性质非常活泼，有很强的化学反应性质。如在空气中纳米级的金属材料可以发生氧化反应，剧烈的伴随有发光燃烧现象；45 nm的TiN晶粒在空气中受热可燃烧得TiO2晶粒。

2)催化性质：纳米粒子比表面积大、表面原子配位不足等性质致使其表面的活性中心增多，从而使纳米粒子具有催化活性。纳米粒子催化剂没有孔隙，可直接加入反应体系，不必外加载体。另外，纳米粒子催化剂的表面比较粗糙，可以扩大反应面积。

3)光催化性质：纳米材料可以吸收光能，使其氧化还原能力增强，从而有利于催化反应。粒径越小，光催化性越强，反应速度越快。

此外，纳米材料还具有高比热、高塑性、高硬度、高导电率和高磁化率等优异的物理化学特性。随着对纳米材料的进一步深入研究，相信还会有更多优异的性能呈现出来[7]。

2 纳米材料在石油化工中的应用

2.1 催化剂

在石油提炼、化工原料生产及合成材料开发使用中，都需要加入催化剂来提高生产效率及经济效益，催化材料也是石油化工生产的核心。随着经济的高速发展，石油化工领域的催化材料也在不断发展与创新，并推动石油化工领域的生产效率大幅度提高[8-9]。

纳米粒子对大多数反应，如氧化反应、裂解反应、还原反应都有较高的选择性和活性。纳米催化剂自身的性质决定其选择性和活性比传统催化剂要高得多，因此它在石油化工领域有着广阔的应用前景。纳米镍和铜锌合金颗粒(小于0.3 nm)的催化效果是常规镍催化剂的10倍还多；二氧化碳氧化乙烷制乙烯的纳米颗粒催化剂，以纳米稀土氧化物(质量分数10%～80%)为活性组分，纳米ZnO(5～80 nm)为载体，反应乙烷转化率达到60%，乙烯收率达到90%[10]。

2.2 润滑油添加剂

纳米润滑油是运用纳米技术使原润滑油分子结构发生改变的纯石油产品，以原润滑油作为载体把新的小油分子带到金属表面发挥其优良作用。纳米润滑油的分子直径10 nm，金属表面的正电荷和烃类分子的负电荷相吸附，以有机单分子膜的形式完全填充金属表面的微孔，从而将金属与其微孔间的摩擦降到最低。使用纳米润滑油后，磨损面减少16倍，极压增大3～4倍，既可减少摩擦磨损，又能降低能耗，从而使机械寿命实现了成倍的增长[11]。张泽抚等[12]用水溶性稀土无机盐、表面活性剂、分散剂、基础油、促进剂、氟化钠组成的纳米氟化稀土材料(粒径10～50 nm)作为润滑油的添加剂，纳米氟化稀土在润滑油达到均匀分散，制备了性能优异的抗磨、极压润滑油添加剂。

2.3 塑料

塑料是典型的石油化工产品，在国民经济各个领域的应用十分广泛，但是普通的塑料产品不耐高温，且抗剪、抗压及耐磨性差。将纳米CaCO3和ZnO添加到塑料产品中，可使产品的强度和致密性明显得到改善，还可使产品具有抗老化、杀菌的特性。中科院化学所将由蒙脱土-天然黏土制备的纳米材料添加到聚合物中，均匀分散后形成纳米塑料。结果显示，该纳米塑料的耐热性和强度大大提高，耐磨性达到了黄铜的27倍、钢铁的7倍之高[11]。尼龙6纳米塑料比普通尼龙6塑料各方面的性能都有所提高。添加纳米颗粒到改性聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)塑料中，在不减少刚性的前提下，可使塑料的韧性(抗冲强度)得到极大提高[13]。

2.4 橡胶

添加纳米材料生产的高速耐磨橡胶产品，高级轿车用子午线胎、飞机轮胎等，与未添加纳米材料的相比具有很多优良的性能。添加纳米ZnO的高速耐磨橡胶产品，使用寿命、抗老化、耐磨性、侧面抗皱性能大大提高，只需添加普通ZnO量30%～50%的纳米ZnO，可将抗皱性能由原来的10万次提高到50万次。祖庸等在印刷胶辊的原料中添加纳米ZnO作交联剂和活性剂，与添加普通活性ZnO的胶料相比，抗溶剂性提高了1%，室温下在亚麻仁油中浸泡24 h，重量变化率由原来的1.6%降为0.3%，达到了塑印和彩印的使用要求，提高了产品的质量[14]。添加纳米材料生产的橡胶手套，具有良好的杀菌功能，在医院和家庭中广泛应用。

2.5 油田污水处理

油田污水中含有大量的重金属离子和有机物，如果直接排放，会严重污染环境。纳米TiO2具有良好的光催化降解和吸附絮凝能力，在油田的污水处理中广泛采用，一方面可快速将表面的有机物分解，另一方面将悬浮物吸附并沉淀下来，还可以通过对纳米TiO2进行掺杂改性来增强其降解性能，扩大应用范围[15-16]。PDPT-16纳米聚硅铝絮凝剂是一种具有强吸附能力的环保高效无机絮凝剂，对油田污水的处理效果良好，长庆油田、大庆油田南八站等现场应用的除浊率均超过85%[17]。

3 展望

随着纳米材料和纳米技术在石油化工中的应用及其潜力的展示，纳米材料和纳米技术的研究越来越受到人们的重视。尽管在石油化工领域的应用前景非常好，但实际应用过程中还有许多问题需要解决。

1)添加纳米材料后成本大幅提高，在实际过程中要么尽可能少量添加纳米材料，要么降低纳米材料的价格来提高经济效益。

2)纳米复合催化剂的制备方法很多，但大多仅限于实验室阶段，未来应尽快解决工业化生产的问题，扩大生产规模，实现批量生产。

3)更深层次地认识纳米材料，在理论上进一步研究探索其与石油化工的作用机理，解决两者结合过程中的问题，尽快实现实际应用。