納米材料處理含油污泥的研究進(jìn)展

摘要： 隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，含油污泥的產(chǎn)生及其處理已成為一大環(huán)境難題。傳統(tǒng)的處理方法，如機(jī)械脫水、焚燒、填埋等，存處理效率低下、成本高昂、易引發(fā)二次污染等問題。納米材料以其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、高反應(yīng)活性和優(yōu)良的吸附能力，在含油污泥處理領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。本文綜述了納米材料在污泥處理中的應(yīng)用，包括納米材料的特性、處理機(jī)制，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：納米材料；污泥處理；復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TQ31；TE99文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2025）02-0320-04

在石油的開采、集輸、煉制及含油污水處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量含油的黑色固體、半固體廢物，被稱為油泥[1]。含油污泥[2]是油井開采過程中產(chǎn)生的固體污染物。它是一種含有大量的油類、酚類、重金屬、各種聚合物及消泡劑、乳化劑等的復(fù)雜多相體系，若未經(jīng)處理就排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利的影響。含油污泥如不進(jìn)行合理有效的處理，不僅會(huì)浪費(fèi)石油資源，也會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

目前含油污泥的處理技術(shù)多種多樣。已有的處理技術(shù)包括：熱裂解技術(shù)、有機(jī)溶劑萃取技術(shù)、表面活性劑分離技術(shù)等。熱裂解技術(shù)能耗較高、設(shè)備投資較大；有機(jī)溶劑萃取技術(shù)在處理過程中溶劑揮發(fā)對(duì)環(huán)境和操作者毒害較大，且存在易燃易爆等安全隱患；表面活性劑清洗技術(shù)尚不完善，清洗效率低下。目前環(huán)保壓力越來越大，如何有效地?zé)o害化處理含油污泥將成為未來發(fā)展的趨勢(shì)。通過納米技術(shù)[3]，可以提高處理效率，降低處理成本，實(shí)現(xiàn)含油污泥的高效資源化和無害化處理。

1納米材料的特性

納米材料作為一種新型的材料科學(xué)分支，其研究主要集中在尺寸在納米級(jí)別（1～100 nm）的材料上。由于其獨(dú)特的尺寸和結(jié)構(gòu)，納米材料展現(xiàn)出許多傳統(tǒng)材料所不具備的特性。

1.1表面效應(yīng)

表面效應(yīng)是指當(dāng)材料的尺寸減小到納米尺度時(shí)，其表面原子與體內(nèi)原子的性質(zhì)發(fā)生顯著差異，從而導(dǎo)致材料宏觀性質(zhì)變化的現(xiàn)象。這種效應(yīng)在納米材料的研究和應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)殡S著材料尺寸的減小，其表面積與體積的比值會(huì)顯著增加，使得表面原子所占的比例越來越大，從而影響了材料的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)等方面的性能。納米材料的表面積與體積之比遠(yuǎn)高于宏觀材料，使得表面原子占比達(dá)到50%。這導(dǎo)致納米材料具有較高的表面活性、催化性能和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

1.2小尺寸效應(yīng)

小尺寸效應(yīng)是指當(dāng)超微細(xì)顆粒或納米尺寸材料的尺寸減小到一定程度時(shí)，其在宏觀上的物理和化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯的變化。這種變化通常發(fā)生在顆粒尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)、超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或磁場(chǎng)的穿透深度相匹配或更小的情況下。

小尺寸效應(yīng)還可以引起特征光譜的移動(dòng)、磁有序的改變、超導(dǎo)相的破壞以及結(jié)構(gòu)相變等現(xiàn)象。這些變化超出了傳統(tǒng)熱力學(xué)量的范疇，因此在納米材料的研究和應(yīng)用中具有重要的意義。

總體而言，小尺寸效應(yīng)是指當(dāng)材料的尺寸減小到與某些基本物理量相當(dāng)時(shí)，其宏觀性質(zhì)發(fā)生的顯著變化。這種效應(yīng)在納米材料科學(xué)和工程領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，因?yàn)樗鼈冊(cè)谛滦筒牧显O(shè)計(jì)和應(yīng)用中具有巨大的潛力。

1.3生態(tài)環(huán)境應(yīng)用

納米材料由于其獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以下是納米材料在生態(tài)環(huán)境應(yīng)用中的幾個(gè)方面。

1.3.1水處理中的應(yīng)用

納米材料因其大的比表面積和獨(dú)特的表面性質(zhì)，可以用于水處理[4]中的吸附、催化、消毒等過程。例如，納米零價(jià)鐵[5]（nZVI）可以用于去除水中的重金屬離子和有機(jī)污染物。而納米光催化劑如二氧化鈦[6]（TiO2）可以用于水的消毒和降解有機(jī)污染物。

1.3.2空氣凈化中的應(yīng)用

納米材料也可用于空氣凈化[7]，如納米活性炭具有高效的吸附性能，可以用于去除空氣中的有害氣體和顆粒物。同時(shí)，納米金屬氧化物，如二氧化硅（SiO2）[8]和二氧化鈦（TiO2）[9]可以作為催化劑，用于分解有害氣體。

1.3.3污染物檢測(cè)中的應(yīng)用

納米材料可用于環(huán)境污染物的快速檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。例如，納米傳感器可以用于檢測(cè)空氣和水質(zhì)中的有害物質(zhì)，提供快速、靈敏的檢測(cè)結(jié)果。

1.3.4土壤修復(fù)中的應(yīng)用

納米材料可以用于土壤的修復(fù)[10]和改良。例如，納米材料可以作為土壤改良劑，提高土壤的肥力和水分保持能力；或者用于吸附和降解土壤中的有機(jī)污染物和重金屬[11-12]。

1.3.5催化和環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

納米材料因其高的比表面積和活性位點(diǎn)密度，可以作為高效的催化劑用于環(huán)境修復(fù)過程，如汽車尾氣的凈化、工業(yè)廢水的處理等。

1.3.6生態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)中的應(yīng)用

納米技術(shù)可以用于生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)[13]。例如，通過納米衛(wèi)星可以追蹤野生動(dòng)物的遷徙和棲息地變化；或者通過納米傳感器監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)。

納米材料在生態(tài)環(huán)境應(yīng)用中的潛力巨大，但也需要注意其潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，如納米材料的生物降解性、毒性和長(zhǎng)期環(huán)境影響等問題，需要通過科學(xué)評(píng)估和管理來確保其可持續(xù)和環(huán)境友好地應(yīng)用。

2含油污泥納米復(fù)合材料

含油污泥納米復(fù)合材料是指利用含油污泥作為原料，通過納米技術(shù)制備的具有特定功能的復(fù)合材料。這些材料通常具有較大的比表面積、良好的吸附性能和特定的表面功能，能夠在環(huán)保、工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，如用于油水分離、去除有害物質(zhì)等。此外，一些納米復(fù)合材料還顯示出智能識(shí)別油水界面的能力，這歸功于其特殊的表面修飾或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如使用特定的表面活性劑或者合成方法來賦予材料這種智能識(shí)別能力。目前主要集中在以下幾個(gè)方面。

2.1熱解含油污泥制備活性炭負(fù)載納米氧化鋁

熱解含油污泥[14]是指通過熱解技術(shù)將含油污泥轉(zhuǎn)化為其他有用物質(zhì)的過程。熱解含油污泥主要包括預(yù)處理、熱解、后續(xù)處理等。熱解含油污泥可以制備活性炭，這是一種廣泛應(yīng)用于環(huán)保、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域的材料?；钚蕴縖15]具有多孔結(jié)構(gòu)和較大的表面積，因此具有很強(qiáng)的吸附能力，可以用于吸附有害物質(zhì)，凈化環(huán)境和水質(zhì)。

張璇等[16]以鋁渣和含油污泥兩種固體工業(yè)廢料，經(jīng)過焚燒、酸洗、調(diào)節(jié)pH、干燥、煅燒等工藝手段制備出活性炭負(fù)載納米氧化鋁，用單因素實(shí)驗(yàn)來確定不同工藝參數(shù)對(duì)吸附材料吸附性能的影響，并采取XRD、SEM和氮?dú)馕椒治龇▽?duì)復(fù)合材料的比表面積、孔徑、孔體積等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，制備活性炭負(fù)載納米氧化鋁的最佳工藝路線為：含油污泥與鋁渣與氫氧化鈉的原料比為1：1：2，煅燒時(shí)間為120 min，煅燒溫度為800 ℃，并制備出了比表面積為291.804 m2·g-1、平均孔徑大小為6.098 nm、孔容為0.326 cm3·g-1的復(fù)合材料樣品。該種材料是一種多孔徑、高比表面積、高吸附性能的復(fù)合材料。

2.2導(dǎo)電碳黏土納米復(fù)合材料

導(dǎo)電碳黏土納米復(fù)合材料是一種新型的材料，它結(jié)合了導(dǎo)電碳材料和黏土納米材料的特性。這種材料通常是通過將導(dǎo)電碳材料（如碳納米管或石墨烯）與黏土納米材料（如蒙脫石或膨潤土）相結(jié)合來制備的。這種組合可以產(chǎn)生一種具有高導(dǎo)電性和良好機(jī)械穩(wěn)定性的復(fù)合材料，適用于各種應(yīng)用，包括傳感器、電極、儲(chǔ)能設(shè)備和環(huán)境治理等。

在ANDRADE等[17]2009年的研究中，他們收集從石油工業(yè)中收集在水油分離罐中形成的含油污泥樣品，對(duì)其進(jìn)行表征并在不同溫度下進(jìn)行熱處理，以獲得碳-黏土復(fù)合材料。EDX微觀分析、XRD和FTIR數(shù)據(jù)表明，碳化前含油污泥主要由石英、蒙脫石、方解石、重晶石和油渣組成。根據(jù)XRD、Raman和TEM測(cè)試，碳化后的礦物相主要為石英、鈣長(zhǎng)石和鈣鋁黃長(zhǎng)石。此外，還有石墨相和無序碳域。通過阻抗譜對(duì)電導(dǎo)率的初步評(píng)估發(fā)現(xiàn)，與前驅(qū)體材料相比，所形成的復(fù)合材料具有導(dǎo)電性，表現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體的電導(dǎo)率值。

2.3復(fù)合納米催化劑

復(fù)合納米催化劑是一類新型的催化劑[18]，它由兩種或多種不同的納米材料組合而成，這些材料可以是金屬納米粒子、金屬氧化物納米粒子、碳納米材料等。復(fù)合納米催化劑因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能特性，在催化反應(yīng)中顯示出優(yōu)異的活性和選擇性。

在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合納米催化劑的性能受到很多因素的影響，如催化劑的類型、催化劑的濃度、反應(yīng)的溫度和時(shí)間等。范曉慧等[19]采用堿洗法對(duì)含油污泥進(jìn)行行分離處理，并將分離所得的鐵組元制備成復(fù)合納米催化劑。堿洗脫油研究表明，當(dāng)溫度為80 ℃、堿溶液：含油污泥為1：2（質(zhì)量比）、堿濃度為15%、反應(yīng)時(shí)間為1 h時(shí)，含油污泥的脫油率達(dá)到94.14%，并得到鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.49%的固相。將脫油后的含鐵固相通過共沉淀方法，得到粒徑為8 nm的磁性納米Fe304，并與硅藻土通過溶劑熱法制備了復(fù)合納米催化劑，應(yīng)用于羅丹明B催化降解，其降解率達(dá)到99.53%。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)含油污泥的無害化處理和資源化利用。

3含油污泥納米技術(shù)

含油污泥的處理和資源化是石油工業(yè)中一個(gè)重要的環(huán)境問題。近年來，納米技術(shù)在含油污泥的處理中顯示出了顯著的應(yīng)用潛力。含油污泥納米技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠顯著提高污水處理的效果和效率，并且可以回收部分原油，實(shí)現(xiàn)含油污泥的無害化和資源化處理。

3.1磁性納米粒子在微波熱解含油污泥中的應(yīng)用

磁性納米粒子[20]是一種具有特殊磁性的納米級(jí)材料，它們?cè)诖艌?chǎng)中能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的磁響應(yīng)行為。由于它們的尺寸非常小，所以它們?cè)诟鞣N應(yīng)用中都表現(xiàn)出了出色的性能，特別是在催化、傳感、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境工程等領(lǐng)域。

在含油污泥的處理中，磁性納米粒子被用作新型微波吸收劑。研究表明，磁性納米粒子的種類和質(zhì)量濃度對(duì)微波熱解含油污泥的效果有顯著影響。例如，蔣華義等[21]在6種磁性納米粒子（ZnFe204、Fe304、Ni、NiFe204、Y-Fe2O3和Co3O4）中，添加ZnFe2O4的實(shí)驗(yàn)組熱解終溫最高為284 ℃，氣、液相產(chǎn)物最多，分別為382 mL和10.5 mL。此外，當(dāng)微波功率為800 W、微波加熱時(shí)間為20 min時(shí)，添加納米ZnFe2O4實(shí)驗(yàn)組的熱解終溫在質(zhì)量濃度5.0 mg·g-1時(shí)最高。隨著納米ZnFe2O4質(zhì)量濃度的增加，氣相熱解產(chǎn)物中H2、CH4和C2H6的含量（體積分?jǐn)?shù)）不同程度增加，CO2的含量不同程度降低，CxHy的含量在ZnFe2O4質(zhì)量濃度范圍為0～5.0 m·g-1和5.0～15.0 mg·g-1均先增加后降低，變化幅度較小。油相產(chǎn)物中C4～C12組分含量逐漸增加，C18+組分含量逐漸降低，C13～C18組分含量隨著ZnFe2O4質(zhì)量濃度的增加先增加后降低，再小幅增加。這些磁性納米粒子能顯著改善熱解產(chǎn)物的組成，提高油品的回收率。

3.2含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系

含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系是一種用于油田開發(fā)的驅(qū)油技術(shù)，它涉及將含油污泥經(jīng)過特殊處理，使其顆粒尺寸達(dá)到微納米級(jí)別，然后與特定的表面活性劑混合，形成一個(gè)穩(wěn)定的驅(qū)油體系。

研究表明，這種體系的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效地提高油田的采收率，并且可以實(shí)現(xiàn)含油污泥的高效再利用，降低處理成本，減輕環(huán)境壓力。楊佳旺等[22]將含油污泥顆粒經(jīng)球磨處理至微納米尺度，并添加石油磺酸鹽類表面活性劑，通過攪拌、超聲、離心形成穩(wěn)定的驅(qū)油體系，研究了含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的粒徑分布、乳化能力和驅(qū)油性能。結(jié)果表明，驅(qū)油體系中含油污泥微納米顆粒的粒徑中值為158 nm。該體系在室溫（25 ℃）下靜置4 d后，仍能保持較好的是懸浮性。油水完全分離的時(shí)間≥5 min，在60 ℃下與煤油的界面張力為7.4×10-3mN·m-1，乳化能力較強(qiáng)。由于乳化與封堵的雙重作用，含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的注入能力和驅(qū)油效果好于表面活性劑驅(qū)。這種方法適用于中低滲透油藏。在60 ℃、注入量為0.5 PV、注入速度為1 mL·min-1的條件下，其驅(qū)油效率較水驅(qū)提高20百分點(diǎn)，較表面活性劑驅(qū)提高8百分點(diǎn)。含油污泥微納米顆粒驅(qū)油體系的制備方法可完全處理含油污泥，實(shí)現(xiàn)含油污泥的高效再利用。

4結(jié) 論

納米材料在污泥處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前仍存在一些問題需要解決，如納米材料的制備成本高、回收困難等。未來的研究方向應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注納米材料的制備工藝優(yōu)化、回收利用以及與其他處理技術(shù)的協(xié)同作用等方面，為納米材料在污泥處理中的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。

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Research Progress of Nanomaterial Treatment of Oily Sludge

YANG Hongli， YAN Xingyu， WU Shixin， CHANG Anning， YAN Ru

（Yan’an Vocational amp; Technical College， Yan’an Shaanxi 716000， China）

Abstract：With the continuous development of petrochemical industry， the generation and treatment of oily sludge has become a major environmental problem.Traditional treatment methods have problems such as low treatment efficiency， high cost， and easy to cause secondary pollution because of the limitation of mechanical dehydration， incineration and landfill.Nanomaterials have shown great potential in the field of oily sludge treatment due to their unique physical and chemical properties， such as high specific surface area， high reactivity and excellent adsorption capacity.In this paper， the application of nanomaterials in sludge treatment is reviewed， including the characteristics and treatment mechanism of nanomaterials.

Key words： Nanomaterials; Sludge treatment; Composite material