纳米催化剂在炼油和石油化工中的应用研究进展

刁润丽， 赵世伟

(1.河南质量工程职业学院，河南 平顶山 467001；2.国家电投集团河南电力有限公司平顶山发电分公司，河南 平顶山 467312)

引 言

纳米技术是21世纪的三项伟大发明之一，它研究的物质结构尺寸在0.1 nm～100 nm[1-3]。纳米材料是一类超细材料，具有小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等一些特殊性能。因此，成为多领域关注的热点，纳米技术的进步可以为化学、材料、物理及生物等学科提供新的发展空间[4-5]。

纳米催化剂已被列为第四代催化剂，纳米催化技术是当前研究的热点，很多领域如石油化工、物理化学、化学合成等都在纳米催化剂方面作了广泛而深入的研究[6]。纳米催化剂结构尺寸为1 nm～100 nm，与传统催化剂相比，它的选择性更大、催化活性更高，在催化剂领域彰显了巨大的发展前景，在化学合成、石油化工、环保、生物和能源等领域取得了非常好的收益[7]。

1 纳米催化剂的性质

1.1 化学反应性质

纳米催化剂的粒径为纳米级，性质非常活泼，有很强的化学反应性质。纳米金属催化剂在空气中能氧化，并燃烧发光，如，纳米TiN晶粒(45 nm)受热后在空气中就能燃烧得到TiO2晶粒[8]。

1.2 催化性质

纳米催化剂由于表面活性中心的增多而具有催化活性。纳米催化剂不需外加载体就能加入反应体系。由于粗糙的表面，纳米催化剂的反应面积比较大。

1.3 光催化性质

纳米催化剂还具有光催化性，其光催化性和反应速度随着粒径的减小而增强。

纳米催化剂还具有很多优异的性能，如高比热、高导电率和高磁化率等。随着技术的进步，相信纳米催化剂还会有更多优异的性能呈现出来[9]。

2 纳米催化剂在炼油和石油化工中的应用

2.1 驱油

随着油气的发展，人们越来越重视对稠油的开采，因此如何有效地开采稠油也越来越重要。将纳米颗粒用于提高采收率是指与孔喉尺寸相比，纳米颗粒的尺寸较小，它们可以很容易地进入多孔岩石而不会对渗透率产生严重影响。对于添加纳米颗粒提高采收率，其纳米颗粒的驱油机理是使分离压力增加，通过降低乳液黏度从而增加岩石的润湿性，延长沥青沉淀时间，降低颗粒运移等，有利于提高剩余油采收率。

最近提出了一种新型采油方法——纳米催化原位采油技术(ISUT)，该方法是将从采出油中回收的减压渣油与纳米催化剂和H2一起注入储层，在储层进行升级反应。在稠油和特稠油油藏中，ISUT 通过永久性地提高采出原油的质量，使采出的原油不需要添加稀释剂等额外的处理就能满足输送管道的输送要求。SuarezR.G.S.等[10]采用实验分析了纳米催化剂原位提升技术对碳酸盐岩稠油藏采收率的影响，结果表明，纳米催化剂的使用提升了裂缝和基质中油的质量，可以提高碳酸盐岩稠油藏的采收率。通过将纳米催化剂和聚表剂混合，让二者同时发挥优势，从而将原油的采收率大幅度提高。

2.2 炼油废气处理

炼油的时候会产生很多有毒有害气体，这些气体对环境及人体的危害很大。随着经济的发展，人们在提高生活质量的同时也愈加关注环境。炼油废气的妥善处理也就成了一个值得关注的问题[11]。随着技术的进步，纳米催化剂的应用也越来越多，炼油废气的处理也愈加受到关注。添加纳米催化剂，可以将废气处理的效率和质量大幅提高。首先，炼油时纳米催化剂可以对废气进行吸收这个预处理，以便气体能更均匀地分配到分配器，分配器中的纳米催化剂可以将炼油废气转化为无害气体。其次，纳米催化剂可以降解危害大的有机污染物，将它们转化为污染非常小甚至无污染的一些物质。尤其是那些难降解的有机污染物，纳米催化剂的优势更明显。载体选用Fe3O4，将SiO2包裹在TiO2与Fe3O4之间得到的纳米复合催化剂，其催化效率高而且能再次回收利用[12]。

2.3 水热裂解降黏

近年来，石化能源的需求量直线上升，而且劣质化、重质化趋势严重。目前，世界石油70%的储量为固态重质油，因此很多国家在稠油开采与应用研究方面投入了大量的资金。稠油固体必须先降低黏度，然后才能应用于实际中。稠油水热裂解降黏是比较成熟的技术手段，该技术有很好的工业大范围推广前景。其机理主要是过渡金属活性中心攻击稠油胶质和沥青质组分中键能较弱的C-S、C-N、C-O以及少量C-C键，实现稠油大分子长链断裂，黏度降低。稠油水热裂解降黏的关键在于催化剂的设计和制备，其中纳米催化剂比表面积大、体积小、化学性质稳定的特性，使其广泛应用于稠油水热裂解降黏反应中[13]。

纳米Fe3O4催化剂同时含有Fe2+和Fe3+，是一种反式尖晶石结构，比表面积大，表面原子数占比高，催化活性强。利用两种不同的方法制得4种纳米Fe3O4催化剂，粒径不同，在辽河油田的水热裂解降黏中应用，效果显著[14]。Olvera等[15]混合并研磨金属前体Mo、Ni、Co和W等，得到纳米碳化物(10 nm～125 nm)，在200 ℃、等量的海水的条件下对稠油样品(1.13 Pa·s)降黏。结果显示，纳米碳化物的催化性能良好，在240 h内，随研磨时间增加，降黏率可从80%增至97%。

2.4 催化脱硫

随着经济的发展，一方面石油资源需求量急剧增加，另一方面，未开采的石油资源黏度高、成分复杂，常规催化剂很多时候满足不了需要。在外加磁场条件下，将具有磁性与催化性能的纳米粒子用作磁性纳米催化剂，它的活性高又能将催化剂回收，生产效率高又可连续生产。

运输燃料中的硫化物危害非常大，因为它们能转化为硫氧化物(SOx)，毒性很大。同时，使用磁性载体与脱硫催化剂，可以使生产成本降低，催化剂使用时间延长并得到回收。Zheng等[16]通过两种表面活性剂制得磁性纳米催化剂MoS2/SiO2/Fe3O4，平均粒径约50 nm，核-壳结构，在300 K条件下实验发现其催化性能良好。

3 结语

随着对纳米材料研究的不断进步，纳米催化剂的应用也越加广泛，尤其是在炼油和石化方面，其效果更加突出。随着研究的不断深入，纳米催化剂更多的作用会逐渐被开发，促使其在催化领域的地位和作用进一步提高。