刁潤麗

河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南平頂山 467001

在21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，納米技術(shù)與生物技術(shù)和信息技術(shù)一起被稱為偉大的三項發(fā)明，自20世紀(jì)80年代開發(fā)出納米材料，便成為各國關(guān)注的熱點和焦點。納米技術(shù)是主要研究在0.1～100 nm結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，用單個的分子、原子來制備產(chǎn)物的技術(shù)[1-2]。石油化工是隨石油煉制工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的新興產(chǎn)業(yè)，隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，石油化工產(chǎn)業(yè)逐漸成為不可或缺的重要支柱產(chǎn)業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動力。石油化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)密集，經(jīng)濟(jì)總量大，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于人民生活、國民經(jīng)濟(jì)、國防科技等各個領(lǐng)域。隨著納米技術(shù)在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用，推動石油化工研究取得了巨大的成效，因此，加強(qiáng)對納米技術(shù)在石油化工領(lǐng)域中發(fā)展的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義[3-5]。

1 納米材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1.1 納米材料的結(jié)構(gòu)

納米材料是處于亞穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)，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(tài)、表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，表現(xiàn)出宏觀量子隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，這些結(jié)構(gòu)上的特點使納米材料具有很多優(yōu)良的特性[6]。

1.2 納米材料的性質(zhì)

1)化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)：納米材料的粒徑為納米級，性質(zhì)非?；顫?，有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)。如在空氣中納米級的金屬材料可以發(fā)生氧化反應(yīng)，劇烈的伴隨有發(fā)光燃燒現(xiàn)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(zhì)：納米粒子比表面積大、表面原子配位不足等性質(zhì)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(yīng)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(kuò)大反應(yīng)面積。

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

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

2 納米材料在石油化工中的應(yīng)用

2.1 催化劑

在石油提煉、化工原料生產(chǎn)及合成材料開發(fā)使用中，都需要加入催化劑來提高生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益，催化材料也是石油化工生產(chǎn)的核心。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，石油化工領(lǐng)域的催化材料也在不斷發(fā)展與創(chuàng)新，并推動石油化工領(lǐng)域的生產(chǎn)效率大幅度提高[8-9]。

納米粒子對大多數(shù)反應(yīng)，如氧化反應(yīng)、裂解反應(yīng)、還原反應(yīng)都有較高的選擇性和活性。納米催化劑自身的性質(zhì)決定其選擇性和活性比傳統(tǒng)催化劑要高得多，因此它在石油化工領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)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(guī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～80%)為活性組分，納米ZnO(5～80 nm)為載體，反應(yīng)乙烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%，乙烯收率達(dá)到90%[10]。

2.2 潤滑油添加劑

納米潤滑油是運用納米技術(shù)使原潤滑油分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的純石油產(chǎn)品，以原潤滑油作為載體把新的小油分子帶到金屬表面發(fā)揮其優(yōu)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(fù)電荷相吸附，以有機(jī)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(jī)械壽命實現(xiàn)了成倍的增長[11]。張澤撫等[12]用水溶性稀土無機(jī)鹽、表面活性劑、分散劑、基礎(chǔ)油、促進(jìn)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(dá)到均勻分散，制備了性能優(yōu)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(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，但是普通的塑料產(chǎn)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(chǎn)品中，可使產(chǎn)品的強(qiáng)度和致密性明顯得到改善，還可使產(chǎn)品具有抗老化、殺菌的特性。中科院化學(xué)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(jié)果顯示，該納米塑料的耐熱性和強(qiáng)度大大提高，耐磨性達(dá)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(qiáng)度)得到極大提高[13]。

2.4 橡膠

添加納米材料生產(chǎn)的高速耐磨橡膠產(chǎn)品，高級轎車用子午線胎、飛機(jī)輪胎等，與未添加納米材料的相比具有很多優(yōu)良的性能。添加納米ZnO的高速耐磨橡膠產(chǎn)品，使用壽命、抗老化、耐磨性、側(cè)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(lián)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(dá)到了塑印和彩印的使用要求，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量[14]。添加納米材料生產(chǎn)的橡膠手套，具有良好的殺菌功能，在醫(yī)院和家庭中廣泛應(yīng)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(jī)物，如果直接排放，會嚴(yán)重污染環(huán)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(jī)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(jìn)行摻雜改性來增強(qiáng)其降解性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍[15-16]。PDPT-16納米聚硅鋁絮凝劑是一種具有強(qiáng)吸附能力的環(huán)保高效無機(jī)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(xiàn)場應(yīng)用的除濁率均超過85%[17]。

3 展望

隨著納米材料和納米技術(shù)在石油化工中的應(yīng)用及其潛力的展示，納米材料和納米技術(shù)的研究越來越受到人們的重視。盡管在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常好，但實際應(yīng)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(jīng)濟(jì)效益。

2)納米復(fù)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(yīng)盡快解決工業(yè)化生產(chǎn)的問題，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

3)更深層次地認(rèn)識納米材料，在理論上進(jìn)一步研究探索其與石油化工的作用機(jī)理，解決兩者結(jié)合過程中的問題，盡快實現(xiàn)實際應(yīng)用。