Физикохимия нефтяных дисперсных систем. Нефтяные дисперсные системы. Конспект лекций для студентов бакалавриата по направлению подготовки 18.03.01 «Хи

чем вокруг ядер парафинов, в связи с чем содержание масла даже

вглубокоочищенных церезинах составляет более 1 мас. %.

Впроцессе переработки нефти возможно получение углеводо- родов не только кристаллической структуры (парафинов, церезинов), но и аморфной, например асфальта процесса деасфальтизации гудрона бензином, на 70…80 мас. % состоящего из асфальтенов.

5. Примеры физико-химических способов получения нефтяных дисперсных структур

При высоких температурах нефтяное сырье может превратиться в разновидности нефтяного углерода необратимой структуры: техни- ческий углерод, нефтяной кокс аморфной и кристаллической струк- туры и пр.

Технический углерод чаще всего получают из концентратов жидких ароматических углеводородов (тяжелого газойля каталитиче- ского крекинга) при температурах 1 200…1 500 °С. Нефтяные коксы рядовой и игольчатой структуры являются широко распространенными продуктами и используются чаще всего в качестве наполнителей в уг- леродонаполненных системах (анодах и электродах для алюминиевой

исталеплавильной промышленности). Для этого нефтяной дисперсный кокс проходит стадию прокаливания при температурах 1 100…1 400 °С

иможет подвергаться графитизации при температурах до 2 800 °С. При этом из него удаляются различные включения и формируется кристал- лическая структура.

Наиболее важными перспективными продуктами переработки нефтяного сырья являются игольчатые коксы и углеродные наново- локна.

Игольчатые коксы, как и нановолокна, представляют собой ани- зотропный материал с ярко выраженной волокнистой структурой (рис. 14). Их получают методом модернизированного замедленного коксования. Высококачественные электроды для сталелитейной про- мышленности производят только на основе игольчатого кокса. Обычно игольчатый кокс хорошего качества представляет собой плотную массу со структурой углеродных нитей или иголок, ориентированных в одном направлении. Ярко выраженная кристаллическая структура игольча- того кокса обеспечивает такие свойства, необходимые для производ- ства графитизированных электродов, как низкий коэффициент терми- ческого расширения и низкое электрическое сопротивление.

51

Углеродные нановолокна в научно-технической литературе часто обозначают как Vapor-Grown Carbon Fibers, Carbon Nanotubes, Carbon Filaments, Carbon Fibrils, волокнистый углерод, каталитический фила- ментарный углерод, волокнистый пироуглерод. Наиболее точными и классическим и являются термины «углеродные нанотрубки» и «угле- родные нановолокна».

Рис. 14. Структурные фрагменты игольчатого кокса

Углеродные нановолокна образуются в результате протекания реакций при пиролизе углеродсодержащих газов (СН4, С2Н4, СО, паров бензола и пр.) на каталитически активных поверхностях металлов VIII группы Периодической системы Д. И. Менделеева (Fe, Co, Ni и др.) при температурах от 300 до 1 500 °С. В зависимости от используемого газа получаются графитирующиеся и неграфитирующиеся формы углерода, а в зависимости от природы катализатора образуются непо- лые и трубчатые формы: например на железосодержащем катализаторе образуются волокна почти без внутренних полостей, на никеле – труб- чатые формы, на кобальтсодержащем катализаторе формируются как пористые, так и непористые структуры.

По литературным данным, диаметр нановолокон варьируется в пределах от 0,4 до 500 нм, длина может быть от одного до несколь- ких десятков микрометров, при синтезе длинных волокон их размер может достигать нескольких десятков сантиметров.

В зависимости от состава катализатора и исходного сырья, тем- пературы и других факторов нанотрубки могут принимать самые раз- нообразные формы – от простых прямолинейных или скрученных волокон (в том числе в виде разных спиралей) до весьма причудливых форм, похожих на елочки, праздничные фейерверки и т. п.

52

Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанот- рубки оказались на редкость прочным материалом как на растяжение, так и на изгиб. Модуль упругости вдоль продольной оси нанотрубки превышает 600 ГПа, тогда как у легированной стали и наиболее упру- гого металла иттрия составляет 200 и 520 ГПа соответственно.

Благодаря комплексу свойств нанотрубки и нановолокна уже используются в качестве сорбентов, армирующих добавок в компози- ционных материалах для достижения высокой прочности, добавок в полимерных материалах для получения электропроводящих компо- зитных полимеров, компонентов холодных полевых катодов в дисплеях и источниках света нового поколения и, наконец, в углерод-литиевых батареях и суперконденсаторах. В перспективе они могут найти самое широкое применение и в других областях науки и техники, например как добавки в металлы для получения сверхпроводящих элементов, компоненты для увеличения тепло- и электропроводности материалов, полупроводниковые транзисторы, носители катализаторов.

Контрольные вопросы и задания

1.Приведите разделение дисперсных структур согласно класси- фикации П. А. Ребиндера.

2.Дайте определение понятия «фрактал».

4.Охарактеризуйте пену как дисперсную структуру.

5.Какие способы используются для получения нефтяных дис- персных структур?

6.Какие типы ССЕ образуются в нефтяном сырье при высоких температурах?

7.Приведите примеры физических способов получения нефтя- ных дисперсных структур.

8.Назовите физико-химические способы получения нефтяных дисперсных структур.

53

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основной

1.Полежаева, Н. И. Физикохимия нефтяных дисперсных систем [Электронный ресурс] : [учеб. метод. комплекс] / Н. И. Полежаева ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Электрон. дан. – Красноярск, 2017. –

Режим доступа: https://pallada.sibsau.ru/page/umo – Загл. с экрана.

2.Полежаева, Н. И. Физикохимия нефтяных дисперсных систем. Термодинамика и кинетика фазовых переходов в нефтяных дисперсных системах : учеб. пособие / Н. И. Полежаева ; СибГУ им. М. Ф. Решетне- ва. – Красноярск, 2019. – 80 с.

3.Сюняев, З. И. Нефтяные дисперсные системы / З. И. Сюняев, Р. З. Сафина, Р. З. Сюняев. – М. : Химия, 1990. – 226 с.

4.Сюняев, З. И. Прикладная физико-химическая механика нефтяных дисперсных систем / З. И. Сюняев ; МИНХ и ГП. – М.,

1982. – 100 с.

5. Сюняев, З. И. Физико-химическая механика нефтяных дис- персных систем / З. И. Сюняев ; МИНХ и ГП. – М., 1981. – 92 с.

Дополнительный

1.Ибрагимов, Н. Г. Коллоидно-химические основы возникнове- ния и удаления асфальтосмолопарафиновых отложений при разработ- ке нефтяных месторождений [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Н. Г. Ибрагимов, С. В. Крупин ; КГТУ. – Электрон. дан. – Казань, 2008. – Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page= book&id=258963. – Загл. с экрана.

2.Круглицкий, Н. Н. Основы физико-химической механики / Н. Н. Круглицкий. – М. : Высш. шк., 1997. – 144 с.

3.Практикум по технологии переработке нефти и газа / под ред. Е. В. Смидович. – М. : Химия, 1978. – 286 с.

54

Учебно-теоретическое издание

Полежаева Наталья Ивановна

ФИЗИКОХИМИЯ НЕФТЯНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ. НЕФТЯНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Конспект лекций

55