Нанотехнологии в нефтегазовом деле Введение Заворотный В Л

Нанотехнологии в нефтегазовом деле Введение Заворотный В. Л. Доц. Каф. Промышленная экология

Нанотехнологии совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба 1 перспективные направления в развитии науки и техники 1. «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» 2

Нанообъекты n n Перевод вещества в коллоидное (ультрадисперсное) состояние называется наноструктурированием, под которым следует понимать не только получение его в виде свободных наночастиц и нанослоев, но создание и формирование на поверхности вещества наноструктур и нанослоев, а в объеме физических и/или химических нанофаз, а также нанополостей, которые можно рассматривать как своеобразные нанообъекты, отделенные от остальной структуры поверхностями раздела. Вещества, материалы и среды в коллоидном состоянии с размерами фаз, частиц, структур и слоев в диапазоне 1, 0100 нм хотя бы по одной координате, принято называть наносистемами, а сами такие объекты - наночастицами, наноструктурами, нанослоями, (нанопленками), нанофазами и нанополостями, обычно обозначая их совокупность термином «нанообъекты» .

Диаметр атомов – от 0, 1 до 0, 3 нм Толщина нитей ДНК – около 2 нм Диаметр эритроцитов – 7000 нм Толщина человеческого волоса – 80 000 нм 4

Классификация состояния вещества по размерам

Объединенная классификация объектов в нанохимии

Трёхмерные (объёмные) наночастицы n . Трёхмерные (объёмные) наночастицы, у которых все три размера (d 1, d 2, d 3 ) находятся в наноинтервале. Следует отметить, что объёмные частицы имеют весьма малый радиус кривизны. К этому типу относятся коллоидные растворы (золи), микроэмульсии, зародышевые частицы, образующиеся в фазовых переходах 1 – го рода (кристаллы, капли, газовые пузырьки), сферические мицеллы поверхностно активных веществ (ПАВ) в водных и неводных средах (прямые и обратные мицеллы).

Двумерные наночастицы n Двумерные (тонкие плёнки и слои) наночастицы, у которых только один размер (толщина) находится в наноинтеравале, а два других (длина и ширина) могут быть сколь угодно велики. Это тонкие жидкие плёнки, адсорбционные моно- и полислои на поверхности раздела фаз (в том числе плёнки Ленгмюра-Блоджет), двумерные пластинчатые мицеллы ПАВ. Тонкие жидкие плёнки подразделяются на пенные (между двумя ячейками пены), эмульсионные (между каплями прямых и обратных эмульсий) и смачивающие (разделяющие твёрдую поверхность и газ или другую жидкость). Пенные и эмульсионнные плёнки относятся к симмет ричным плёнкам, а смачивающие – к несимметричным. Толщина симметричных пенных плёнок, стабилизирова- нных соответствующими ПАВ, составлять от нескольких нанометров (так называемые ньютоновские чёрные плёнки ) до

Одномерные наночастицы n Одномерные частицы, у которых поперечные размеры находятся в наноинтервале, а длина может быть сколь угодно велика. К одномерным ультрадисперсным частицам относятся тонкие волокна, очень тонкие капилляры и поры, цилиндрические мицеллы ПАВ и имеющие с ними достаточно большое сходство нанотрубки. В эту группу входит также линия смачивания (или линия трёхфазного контакта), разделяющая три фазы: твёрдое тело, жидкость и газ

Основные объекты нанохимических исследований

Наночастица из 16 атомов аргона (простейшие нанообъекты связанные силами Ван-дер Ваальса)

Квантовая точка

Квантовые нити

Графен

Фуллерены

Фуллерен

Слои Лизеганга в пробирках

Кольца Лизеганга (агат)

Кольца Лизеганга (агат)

Молекулы коллоидных ПАВ в растворе

Мицеллы сферические (а), дискообразные (б) и цилиндрические (в)

n n Нанотехнологии это способы контролируемого получения веществ, материалов и сред в наноструктурированном (коллоидном) состоянии с новыми физико химическими свойствами, сопровождающиеся исследованием этих свойств и измерением характеристик и последующим использованием в различных отраслях науки, техники и промышленности. Таким образом, в настоящее время установлено, что в основе нанотехнологий лежит контролируемое наноструктурирование веществ и материалов, приводящее к получению новых искусственных (отсутствующих в природе) внутренних структур этих веществ и материалов, определяющих их уникальные физико химические свойства. Практически, контролируя процессы наноструктурирования, можно получить неограниченные наборы искусственных аллотропных и полиморфных модификаций любых веществ и материалов, устойчивых в условиях получения и эксплуатации, и имеющих регулируемые новые (требуемые) физико химические свойства.

Нанотехнологии в нефтегазовом деле Конструкционные композитные материалы на основе нанотехнологий: üВысокопрочный бетон üВысокопрочная сталь üКонструкционные композиты üНанопокрытия üИнновационная пленка üНанокомпозитные трубы üСтеклопластиковая композитная арматура Бетон с наночастицами Карбон Нанопокрытие Европа, США, Япония, Китай Россия активное использование нанотехнологий не получило широкого распространения 23

Междисциплинарный характер нанотехнологии

Наноматериалы нанофазные материалы, наноструктурированные материалы, объемные наноматериалы материалы, содержащие более 10% по объему наноразмерных элементов 25

Наноматериалы нанофазные материалы, наноструктурированные материалы, объемные наноматериалы 26

Наномодифицированные материалы, содержащие менее 10% по объему наноразмерных элементов Поверхность полимерного композиционного материала (ПКМ) с нанесенной золотой нанопленкой Электронное изображение микронаполнителя из мелкодисперсного стекловолокна Наномодифицированный ПКМ - стеклолисты с астраленами 27

Структура наноматериалов 28

Физические причины повышения свойств наноматериалов 29

Нанобетон ряд специализированных бетонов легкие нанопенобетоны индивидуальное строительство создание перегородок в помещениях наноструктурированный бетон возведение мостов дорожное строительство создание аэродромных покрытий 30

Атомная структура нанобетона 31

Свойства Морозостоек, водонепроницаем, истираем, коррозийно стоек НАНОБЕТОН Доступен Механическая прочность на 150% выше, чем у обычного, морозостойкость - 50%. Вес конструкции снижается в 6 раз. Прочен, сейсмостоек, пластичен Дороже обычного 32

Наномодификаторы Микрокремнезем Размер коллоидных частиц 10 -5 м Хризолитовый асбест Серпентинит Фуллероиды Одно- и многослойные нанотрубки Вода 33

наномодификаторы Структурирующие добавки (наноразмерные гидросиликаты кальция) ускорение твердения до 50%, повышение прочности сцепления до 30%, повышение прочности при сжатии в 2 -3 раза, повышение трещиностойкости в 2 раза Наполнитель (модифицированный диатомит) ускорение твердения до 50%, повышение прочности сцепления в 2 раза, повышение прочности при сжатии в 2 -2, 5 раза, повышение трещиностойкости в 2 раза Наночастицы диоксида титана экономия цемента до 10%, снижение стоимости 1 м 2 изделий на 15… 20%. 34

наномодификаторы Наноразмерный диоксид кремния Органоглины (органофильно модифицированный монтмориллонит или каолинит) повышение скорости набора прочности (увеличение тепловыделения), увеличение прочности до 30% (при содержании 12%) вводится в количестве до 5%; повышает жесткость материалов (до 98%), стабильность и барьерные свойства (до 6 раз), токопроводимость. 35

Нанопокрытия теплозащитные и терморегулирующие свойства эрозионная и химическая устойчивость Наноструктурированное покрытие на основе твердого сплава Авиа- и ракетостроение Наноградиентное покрытие на основе нитридов титана и алюминия машиностроение Сверхгидрофобные поверхности 36

Нанопокрытия наноструктурированные материалы, суспензии, золь гнели Нанопокрытие + модифицирующие добавки Обычное покрытие Преимущества Ti Si N Ti N Повышение износостойкости в 2 раза Ti Si B N Ti N Стойкость режущего инструмента в 3 4 раза выше Ti Al C N Ti N Высокая стойкость в условиях абразивного воздействия Тi г В С N Коэффициент трения при 10 ат. % W Se X составлял 0, 2, что в 2, 5 раза ниже без W Se X Ti г В С N/W Sе Х 37

Нановолокна объект, два характеристических размера которого находятся в нанодиапазоне (~1 -100 нм) и существенно меньше третьего q нанотрубки, q нанопроволоки q нановискеры q наностержни углеродные цилиндрические наноструктуры, представляющие собой сложенные стопкой слои графена в виде конусов, «чашек» или пластин. 38

Нановолокна Особенность конструкции «подвешенная» сердцевина, которая формируется благодаря «перетягиванию» волокон. В результате перетяжки в центре образуется эллиптическая сердцевина, которая обеспечивает сохранение поляризации распространяющегося излучения и получение уникальных оптических характеристик. На основе нановолокон создаются композиционные материалы üИзготовление переходов ü Ремонт и усиление железобетонных конструкций: - усиление балок; - установка в стойках опор 39

Нановолокна Преимущества: ü негорючесть; ü нетоксичность; ü легкость и пластичность; ü долговечность; ü влагостойкость; ü химическая инертность; ü паропроницаемость; ü низкая тепло , звуко и вибропроводность; ü низкая стоимость. Применение: ØИсточники электронной автоэмиссии ØКомпозитные материалы ØИглы в сканирующей зондовой микроскопии ØНосители катализаторов ØПлатформа для транспорта генов ØМатериалы электродов ØУстранение разливов нефти 40

Низкоэммиссионное стекло • Энергосбережение В летнее время года теплосберегающее покрытие отражает солнечную тепловую энергию с внешней стороны, препятствуя проникновению тепла внутрь помещения. Покрытие обладает свойствами светового фильтра, прозрачно для человеческого глаза. В зимнее время покрытие из оксидов металлов свободно пропускает солнечную коротковолновую энергию в помещение, в то же время отражает длинноволновое тепловое излучение, например, от нагревательных приборов, внутрь помещения, не давая ему выйти наружу.

Низкоэммиссионное стекло • Солнцезащита При попадании на поверхность стекла, некоторая его часть отражается (прямое отражение наружу Rout), а остальное количество тепла проникает внутрь стеклопакета. Внутри стеклопакета тепловая энергия также проникает через второе стекло внутрь помещения (прямое пропускание энергии Те). Стеклопакеты с использованием солнцезащитных свойств стекол могут значительно снизить солнечный фактор (сумма прямого пропускания энергии и вторичной теплопередачи внутрь помещения), тем самым создавая наиболее комфортные условия для пребывания человека внутри помещения. • Потери тепла в здании уменьшаются на: стены ~ 30 %, кровля ~ 14%, пол ~ 12 % окна ~ 44%.

Наноматериалы МАТЕРИАЛ Высокопрочно и устойчиво эксплуатации к окислению Незначительно дороже Содержит более дешевые пигменты и стоит дешево, низкая адгезия Имеет очень резкий специфический запах при нанесении Повышает качество и срок службы покрытий. Обеспечивает равномерное нанесение краски. Обеспыливает поверхность. Содержит эффективный антисептик Уменьшает расход финишных красок В финишном состоянии экологична Содержит летучие органические соединения НАНОКЛЕЙ Доступен обеспечивает надежное сцепление покрытия с окрашиваемой поверхностью, обладает высокой адгезией НАНОГРУНТОВКА ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Подвержено окислению и разрушению НАНОВОЛОКНО ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКОЛОГИЧСЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Недорогой Экологически опасен Требуется в чрезвычайно малых количествах, выдерживает температуры до 700°С Недорогой (около 3$ за 100 г) Менее экологически опасен Безопасен при соблюдении правил эксплуататции 43

Наноматериалы МАТЕРИАЛ Недорогая Неэкологичен Нанокраски на основе оксида титана и ионов серебра обладают бактерицидным действием Чуть дороже обычной Менее экологически опасен Дешевый и доступный материал Незначительно влияет на человека В высшей степени устойчив. Является самоочищающейся поверхностью, бактерициден Незначительно дороже обычного Более экологичен Не «сопротивляется» выходу и входу тепла и света. Недолговечно НАНОСТЕКЛО ЭКОЛОГИЧСЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Легкоразрушим НАНОПЛАСТИК ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Огромнейший ассортимент. Разрушается под действием температуры НАНОКРАСКА ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Доступно Поглощает столько тепла, сколько нужно для комфортных условий в здании Экологически чистый материал Дороже обычного 44

Применение в топливно-энергетическом комплексе НАНОБЕТОН строительство нефтегазовых скважин модификаторы углеродсодержащие наноструктуры ФАЗОВЫЕ ПРООЦЕССЫ изменение состояния нанофаз улучшение реологических свойств изменение концентрации групп соединений НАНОФИЛЬТРЫ очистка воды закачка в пласт увеличение КИН из низкопроницаемого коллектора 45

Использованная литература 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Аналитический обзор «Функциональные наноматериалы для энергетики» // ЗАО “ЛЭКСИС”, Режим доступа: http: //85. 142. 23. 144/packages/mifi/99 D 45 A 84 -9 CFA-4 FC 0 -BDAE-ED 3 AA 436 DA 05/1. 0. 0. 0/analitich_obzor. pdf А. С. Рыжов. Наномодифицированный магнезиально-шунгитовый защитный бетон. // Инженерно-строительный журнал, 2, 2010. М. В. Цымбал, Л. С. Юшкевич. К вопросу использвоания наноматериалов в строительстве // Альманах современной науки и образования, № 12 (31) 2009, ч. 1 Войтович В. А. Нанонаука, нанотехнологии, строительные наноматериалы / Войтович В. А. – Режим доступа к журн. : http: //interlibrary. narod. ru/Gen. Cat. Scient. Dep/Gen. Cat. Arch) Ю. О. Михайлов, М. А. Плетнев, А. Я. Хавкин. Технологический трансфер нанотехнологий в топливноэнергетический комплекс Л. Патрикеев. Нанобетоны. // Наноиндустрия, 2, 2008 Твердосплавный осевой онструмент с наноструктурирвоанным осевым покрытием. // Печ. , Режим доступа: http: //rusnanonet. ru/download/documents/catalog_nir. pdf Углеродные нановолокна. // http: //ru. wikipedia. org/wiki/%D 0%A 3%D 0%BB%D 0%B 5%D 1%80%D 0%BE%D 0%B 4%D 0%BD%D 1%8 B%D 0% B 5_%D 0%BD%D 0%B 0%D 0%BD%D 0%BE%D 0%B 2%D 0%BE%D 0%BB%D 0%BE%D 0%BA%D 0%BD%D 0%B 0 Нановолокно // http: //portalnano. ru/read/tezaurus/definitions/nanofibers 10. Низкоэмиссионное стекло улучшает энергоэффективные показатели пластиковых окон // http: //www. okna-piter. ru/articles/nizkoemissionnoe. html 11. Низкоэмиссионное стекло // http: //www. wikipro. ru/index. php/%D 0%9 D%D 0%B 8%D 0%B 7%D 0%BA%D 0%BE%D 1%8 D%D 0%BC% D 0%B 8%D 1%81%D 0%B 8%D 0%BE%D 0%BD%D 0%BE%D 0%B 5_%D 1%81%D 1% 82%D 0%B 5%D 0%BA%D 0%BB%D 0%BE 46