Đang tải... (xem toàn văn)
Công nghệ và vật liệu nano được ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, trong đó có ngành công nghiệp dầu khí nhờ sự phát triển của các kỹ thuật monitoring sáng tạo và phát triển bộ cảm biến (sensor) nano thông minh. Công nghệ nano có thể được sử dụng để cải thiện quá trình khoan và khai thác dầu khí bằng cách cung cấp vật liệu khoan nhẹ, chống mài mòn và bền cơ học hơn; phát triển các loại chất lỏng thông minh mới để tăng hiệu suất thu hồi dầu (EOR) nhất là ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao; phân tách các tạp chất kim loại trong dầu hay khí dễ dàng hơn... Trong bài báo này, nhóm tác giả giới thiệu các ứng dụng của công nghệ và vật liệu nano trong lĩnh vực thăm dò, khai thác và chế biến dầu khí trên thế giới, đánh giá khả năng nghiên cứu, ứng dụng ngắn hạn và dài hạn của Việt Nam để khai thác hiệu quả tiềm năng công nghệ và vật liệu nano trong ngành công nghiệp dầu khí.
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG NGÀNH CƠNG NGHIỆP DẦU KHÍ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIỀM NĂNG Ở VIỆT NAM TS Võ Nguyễn Xuân Phương, TS Lê Phúc Nguyên Viện Dầu Khí Việt Nam Email: phuongvnx@pvpro.com.vn Tóm tắt Cơng nghệ vật liệu nano ứng dụng hiệu nhiều lĩnh vực, có ngành cơng nghiệp dầu khí nhờ phát triển kỹ thuật monitoring sáng tạo phát triển cảm biến (sensor) nano thơng minh Cơng nghệ nano sử dụng để cải thiện trình khoan khai thác dầu khí cách cung cấp vật liệu khoan nhẹ, chống mài mòn bền học hơn; phát triển loại chất lỏng thông minh để tăng hiệu suất thu hồi dầu (EOR) điều kiện nhiệt độ áp suất cao; phân tách tạp chất kim loại dầu hay khí dễ dàng Trong báo này, nhóm tác giả giới thiệu ứng dụng công nghệ vật liệu nano lĩnh vực thăm dò, khai thác chế biến dầu khí giới, đánh giá khả nghiên cứu, ứng dụng ngắn hạn dài hạn Việt Nam để khai thác hiệu tiềm công nghệ vật liệu nano ngành công nghiệp dầu khí Từ khóa: Cơng nghệ nano, ngành Dầu khí Việt Nam, ứng dụng lợi ích cơng nghệ nano, hướng triển khai, tiềm công nghệ nano Mở đầu Từ điển Nano Viện Nghiên cứu Tiên tiến Collegium Basilea (Thụy Sĩ) định nghĩa công nghệ nano “sự sáng tạo, miêu tả đặc trưng, sản xuất ứng dụng vật liệu, thiết bị hệ thống cách kiểm sốt hình dạng kích thước cấp độ nano” [1] Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO) làm rõ khái niệm công nghệ nano, là: (i) am hiểu, kiểm sốt vấn đề trình cấp độ nano (ii) sử dụng tính chất vật liệu kích thước nano hồn tồn khác với tính chất vật liệu với kích thước lớn hơn, để tạo vật liệu, thiết bị hệ thống cải tiến sở hữu đặc tính Cơng nghệ nano nhìn chung liên quan đến việc thực xây dựng quy mơ kích thước từ 0,1 - 100nm Việc thao tác vật chất quy mơ kích thước nano khơng giúp tạo thao tác vật liệu kích thước siêu nhỏ mà làm thay đổi chất vật liệu quy mơ ngun tử phân tử Kích thước hạt cấp độ nano làm tăng tỷ lệ diện tích bề mặt đơn vị thể tích vật liệu, xuất miền có hiệu ứng lượng tử chiếm ưu thế, đồng thời làm tăng số lượng nguyên tử hạt nano bề mặt Nhờ đó, vật liệu chế tạo cứng hơn, nhẹ hơn, bền hơn, hoạt hóa hơn, có độ dẫn điện và/hoặc dẫn nhiệt cao hơn, thân thiện với mơi trường có nhiều đặc tính mong đợi khác quang, điện từ tính Nếu làm chủ cơng nghệ nano, tạo thao tác vật liệu phù hợp với yêu cầu thay sử dụng vật liệu có đặc tính có sẵn định Vật liệu nano có tính chất khác biệt, có trọng lực lực ma sát hoàn toàn khác so với loại vật liệu có kích thước lớn, tạo tác động khác biệt Các yếu tố 66 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 quan trọng ảnh hưởng đến vật liệu nano gồm: lực nguyên tử, liên kết hóa học học lượng tử Có thể có khả chế tạo thiết bị chạy động với chức hoàn chỉnh dài vài mm, tạo thiết bị với kích thước vài nm (Hình 1), cần phải chế tạo phận thiết bị từ nguyên tử riêng rẽ Các chi tiết quan trọng phận đốt hay bánh truyền động làm công nghệ tương lai gần Cơng nghệ nano dự đốn trưởng thành nhanh chóng với móng kính hiển vi điện tử để quan sát vật chất kích cỡ 10 m Hình Đề án nghiên cứu giảm trở lực ma sát quy mô hệ thống điện cỡ micro/nano (MEMS/NEMS) TS Merlijin van Spengen, Khoa Kỹ thuật Vật liệu, Hàng hải Cơ khí, Đại học Cơng nghệ Delft, Hà Lan [2] PETROVIETNAM nm với thiết bị điều khiển thao tác phân tử Chúng ta thời kỳ nghiên cứu tạo vật liệu có cấu trúc tính chất đặc biệt, ống nano (nanotube) sợi nano (nanowire) Lớp phủ nano tiên tiến chống ăn mòn (Hình 2), chống mài mòn cho phận thiết bị khoan với mục đích tăng độ cứng, thời gian làm việc, chi phí vận hành thấp cho phận hoạt động thiết bị [3, 4] Ngồi ra, lớp phủ nano dùng để bảo vệ thiết bị giàn khoan khơi để tránh rỉ sét ăn mòn có khả gây vấn đề an toàn Lớp phủ nano bền, chi phí thấp thân thiện với mơi trường sử dụng cho đường ống ngầm biển để chống hàu, tránh tượng ăn mòn mơi trường nước biển Mặt khác, cơng nghệ nano dùng để cải thiện đặc tính sản phẩm ngành cơng nghiệp dầu khí hệ phân tán hạt nano dầu hay nước làm tăng cường tính chất nhiệt (truyền nhiệt cách nhiệt tốt hơn, làm việc tốt điều kiện nhiệt độ/áp suất cao) đặc tính chống mài mòn tốt hơn, giải pháp lý tưởng cho loại dầu bôi trơn thành phần dung dịch khoan Trong thời gian tới, nghiên cứu tập trung nghiên cứu ứng dụng, sản xuất thương mại hóa quy mơ cơng nghiệp Những ứng dụng tiên tiến có tiềm trang thiết bị thơng minh kích cỡ nano nanorobot khai thác dầu khí nhiều ứng dụng độc đáo khác Theo Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), có khoảng 60% lượng dầu giới nằm mỏ dầu Nanovate Metal Carbon Composite 30m m 10 Hình Lớp phủ NanovateTM (2012) tinh thể nano kim loại (nhỏ 20nm) Công ty Công nghệ Integran (Mỹ) [4] cung cấp lớp phủ đặc siêu cứng, bền chịu nhiệt thích hợp cho ngành khoan dầu tương lai Quá trình thu hồi dầu khí ngày khó khăn hiệu phải vận hành điều kiện khắc nghiệt, vùng cận đáy giếng sâu siêu sâu Việc mở rộng tìm kiếm, thăm dò khai thác dầu khí phi truyền thống (dầu nặng, dầu khí đá chặt sít, cát hắc ín…) khu vực nước sâu gặp nhiều khó khăn thiếu thơng tin chi phí đầu tư cao Cùng với quy định môi trường ngày nghiêm ngặt, ngành công nghiệp dầu khí giới nói chung Việt Nam nói riêng phải đối mặt với thách thức kỹ thuật quan trọng, đáp ứng việc ứng dụng nghiên cứu mang tính đột phá để thăm dò, khai thác chế biến dầu khí hiệu thân thiện mơi trường Trên sở phân tích đặc điểm tính chất ưu việt vật liệu nano, trang thiết bị hệ thống nano, nhóm tác giả giới thiệu giải pháp công nghệ vật liệu nano tiên tiến ngành cơng nghiệp dầu khí giới Từ đó, nhóm tác giả đề xuất hướng nghiên cứu, ứng dụng công nghiệp nano ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam sở phân tích hướng tiềm để giải thách thức kỹ thuật công nghệ Ứng dụng công nghệ nano ngành dầu khí 2.1 Thăm dò khai thác dầu khí Ngành cơng nghiệp thăm dò khai thác dầu khí dựa vào phương pháp hiển thị hình ảnh điện từ điện tử thiết bị đặt bên lỗ khoan để thu thập thông tin mỏ chứa [5] Tuy nhiên, cảm biến điện thông thường công cụ đo lường khác chưa cho hình ảnh có độ phân giải mong muốn, phạm vi hoạt động hạn chế, điều kiện nhiệt độ cao áp suất cao Hiện nay, nhà nghiên cứu phát triển cảm biến từ sợi quang học để đo nhiệt độ áp suất, tốc độ dòng chảy dầu sóng âm giếng dầu Các cảm biến có kích thước nhỏ, làm việc an toàn với diện trường điện từ, làm việc nhiệt độ áp lực cao thay với chi phí hợp lý mà khơng cần can thiệp vào quy trình thăm dò [6] Hiện thuật ngữ “phóng viên nano” (nanoreporter, nhóm nghiên cứu Đại học Rice, Mỹ) “robot nano” (nanorobot, Expec Advanced Research Center, Saudi Arabia) khơng lạ giới chun mơn Mỗi phóng viên nano có kích cỡ nhỏ sợi tóc khoảng 30.000 lần chứa hàng trăm triệu bó carbon, thiết kế để thay đổi thành phần tùy vào vật chất chúng gặp phải: nước, dầu hay H2S… Những phóng viên nano DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 67 GIỚI THIỆU CƠNG NGHỆ gắn mã vạch biết thời gian lòng đất, chí phân biệt dầu chua hay [7] Robot nano (hay gọi resbot) công nghệ nano khác trình nghiên cứu thử nghiệm Expec Advanced Research Center (Saudi Arabia), giúp ích cho ngành thăm dò khai thác dầu khí [10] Về kích thước robot nano, chuyên gia Mazen Kanj cho biết giọt dung dịch chứa 600 tỷ robot, mg chất khơ chứa nghìn tỷ robot Robot nano thiết kế với mục đích tương tự phóng viên nano chứa dầu khí, thu nhận, lưu trữ truyền tải thông tin giá trị môi trường lớp đá, dầu khí bên Từ đó, cung cấp thơng tin đặc điểm, địa hình tính chất phức tạp môi trường bên mỏ tác động đến dòng chảy nhiều pha, giúp lập kế hoạch khai thác phù hợp Trong tương lai, việc sử dụng cảm biến nano cho công tác tìm kiếm, thăm dò dầu khí hồn tồn trở thành thực Dầu khí thường nằm lớp đá sâu hàng nghìn mét lòng đất Lớp đá có cấu trúc sa thạch miếng bọt biển, có nhiều khe hở dao động từ 100 - 10.000nm cho lưu chất chảy qua Các cảm biến nano với kích thước siêu nhỏ bơm vào giếng khoan lưu chất, thâm nhập sâu vào khe hở đá Trong năm đầu khai thác mỏ dầu mới, dầu tự động chảy lên từ giếng khoan áp suất cao sẵn có mỏ Khi áp suất bị giảm ảnh hưởng tốc độ sản lượng khai thác dầu, cần cung cấp lượng từ bên để tăng áp suất mỏ, cụ thể bơm nước vào giếng bơm ép để quét đẩy dầu đến giếng khai thác (a) (b) Hình Nghiên cứu robot nano quặng mỏ Expec Advanced Research Center, Saudi Arabia [8] (a) phóng viên nano Đại học Rice, Mỹ [7] (b) 68 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 2.2 Tăng cường thu hồi dầu Ngoài ra, phương pháp tăng cường thu hồi dầu khác phương pháp hóa học bơm ép khí cân nhắc sử dụng, song bị hạn chế chi phí cao lượng dầu thu hồi chưa hiệu Trong phương pháp làm lụt nước hay khí, lưu chất làm lụt thường nhanh chóng chảy xói qua khối đá xốp/gãy nứt bên mỏ bỏ qua hầu hết lượng dầu có tỷ lệ lưu động (quyết định độ thẩm thấu độ nhớt lưu chất nước/khí so với dầu) khơng phù hợp Q trình thu hồi dầu hóa học, phương pháp làm lụt polymer hay chất hoạt động bề mặt phun chất kiềm hay acid bị hạn chế chi phí cao, khả ăn mòn khối đá ngăn túi dầu khí thất lưu chất bơm chảy qua mỏ chứa [5] Sau thực giải pháp tăng cường thu hồi dầu trên, từ 60 70% dầu lại mỏ thu hồi tiếp lực mao quản làm dính chặt phân tử dầu vào khe đá Các vật liệu nano (sợi nano, ống nano, dây nano, giọt nano) với kích thước nhỏ hoạt tính hóa học cao phân bố lưu chất hệ nước hệ dầu dễ dàng qua kẽ đá giảm lực liên kết gắn chặt phân tử hydrocarbon dầu Kết nghiên cứu Wasan Nikolov [9] phát hạt polystyrene với kích thước nano phân bố lưu chất hệ dầu hệ nước làm tăng hệ số thu hồi dầu Khi hạt PETROVIETNAM (a) (b) Hình Hình chiếu cạnh tượng trưng mơ hình hệ thống đa pha sét (clay)-dầu-nước-hạt nano: (a) cấu hình ban đầu, hạt nano dầu (màu đỏ) hạt nano nước (màu xanh) (b) cấu hình cân bằng, hai hạt nano di chuyển dính chặt vào thành dầu nằm mơi trường nước xung quanh [10] polystyrene gặp dầu tập trung quanh giọt dầu tạo thành lớp màng đệm mỏng bề mặt đá giọt dầu Hạt nano polystyrene khuếch tán vào lớp màng đệm, làm tăng nồng độ cục dẫn đến làm giảm sức căng mặt phân giới, tăng áp suất tách rời vùng lớp màng tách rời giọt dầu khỏi bề mặt hồn tồn Hình trình bày kết nghiên cứu Jianyang Wu [10] mô cân hệ đa pha sét (clay)-dầunước-hạt nano Hình 4a thể cấu hình ban đầu hệ có hạt nano dầu hạt nano nước Hình 4b thể cấu hình cân hệ sau có hai hạt nano di chuyển đến dính chặt vào dầu môi trường xung quanh nước Kết cho thấy diện hạt nano làm thay đổi tính chất bề mặt mơi trường lỏng sét (clay) nhờ tạo thành bề mặt hạt nano sét Kết nghiên cứu không giới hạn với hạt nano polystyrene mà làm sở cho nghiên cứu thay đổi cấu trúc hạt nano polystyrene [11] hay nhiều nghiên cứu tìm kiếm hạt nano khác [12, 13] Ví dụ hạt nano silica hình cầu với đường kính từ vài nm đến vài chục nm thời gian gần đối tượng nghiên cứu thường gặp nghiên cứu tăng cường thu hồi dầu [14] Mặc dù chế xảy bề mặt ranh giới xác chưa rõ ràng, giới chun mơn đánh giá hạt nano silica làm giảm sức căng bề mặt dầu đá làm tăng lượng dầu thu hồi từ môi trường xốp quặng mỏ Hiện nhiều vấn đề cần giải trước đưa hạt nano silica vào sử dụng rộng rãi, bao gồm phương thức thể đặc tính hạt nano silica bên mỏ đề xuất hạt nano silica phù hợp 2.3 Màng nano lọc tách tạp chất Sự phát triển thành cơng mạnh mẽ vật liệu zeolite có khả tách riêng khí có phân tử lượng nhỏ oxy nitơ đặt móng cho phát triển triển khai hệ vật liệu màng tách nano Các loại màng định hướng sử dụng việc loại khí tạp khí đá phiến, tách kim loại nặng, nước hay chất xâm lấn khác có dầu để có dầu tinh khiết cách hiệu Công nghệ nano dùng để tách hoàn toàn kim loại nặng thể lỏng trộn lẫn với dầu chất nhiễm (nếu có lẫn dầu) lượng nhỏ làm hỏng tồn làm giảm chất lượng dầu Dầu khai thác công nghệ bơm ép nước thường chứa nước Công nghệ nano tách nước giảm lượng nước cần xử lý, góp phần giảm chi phí sản xuất dầu Ngồi ra, công nghệ màng nano tiên tiến giúp cho q trình khai thác khí đá chặt sít hiệu cách loại bỏ khí tạp, tách dòng khí để tạo nguồn khí tinh khiết cao cung cấp cho q trình hóa lỏng khí (gas to liquid - GTL) Nhờ phát triển phương pháp tổng hợp nano xuống (top-down) lên (bottom-up) với việc khai thác phương pháp in mạch phổ biến ngành công nghiệp vi điện tử, khả sản xuất tái sản xuất màng nano nhẹ, bền có cấu trúc đồng quy mơ lớn với chi phí cạnh trạnh hồn tồn khả thi 2.4 Xúc tác dị thể nano công nghiệp lọc - hóa dầu Xúc tác nano đáp ứng u cầu cơng nghệ q trình lọc dầu, hóa dầu sản xuất nhiên liệu tổng hợp tương lai, có hoạt tính cao hơn, độ chọn lọc DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 69 GIỚI THIỆU CƠNG NGHỆ tốt so với xúc tác truyền thống Mặc dù vậy, lượng thể tích nguyên liệu sử dụng lớn, việc tách riêng sản phẩm xúc tác dạng nano mối quan tâm Hiện nay, riêng ngành cơng nghệ lọc dầu có q trình quan trọng có sử dụng xúc tác nano: reforming naphtha, cracking xử lý hydro Xúc tác nano khẳng định vị ngành hóa dầu, đặc biệt q trình chủ chốt chuyển hóa khí tổng hợp: chuyển dịch khí - nước (WGS) tổng hợp Fisher-Tropsch 2.4.1 Reforming naphtha Ứng dụng xúc tác nano lĩnh vực sản xuất lượng xúc tác reforming naphtha để tạo xăng có số octane cao Thành công xúc tác Pt/ Al2O3 trình reforming naphtha điểm xuất phát mang tính cách mạng, đưa xúc tác nano vào quy mơ thương mại hóa rộng rãi Năm 1950, Vladimir Haensel cộng UOP phát triển xúc tác Pt khoảng vài nm phân bố chất mang alumina có tính acid [15] Sau năm, xúc tác sử dụng tất nhà máy lọc dầu toàn giới Xúc tác reforming naphtha Pt/Al2O3 tạo tiến đáng kể việc tìm hiểu sâu chế xúc tác, làm tiền đề cho Mills đưa khái niệm xúc tác lưỡng chức giải thích chế xúc tác [16] Chevron giới thiệu xúc tác reforming naphtha cải tiến vào cuối thập niên 60 kỷ XX, bổ sung rhenium (Re) vào xúc tác Pt/Al2O3 [17] Xúc tác Pt-Re/Al2O3 có thời gian hoạt động cao gấp lần xúc tác Pt/Al2O3 Đặc biệt hợp chất chứa lưu huỳnh chất gây đầu độc xúc tác Pt/Al2O3 lại chất tăng cường xúc tác Pt-Re/Al2O3 Xúc tác Pt-Sn/ Al2O3 đề xuất thời gian [18] dùng trình reforming áp suất thấp tái sinh liên tục Từ thập niên 80, quy chế môi trường hạn chế lượng chất thơm (aromatics) xăng, nghiên cứu tập trung vào sản phẩm isomer hóa vừa có số octane cao vừa thân thiện mơi trường Hướng nghiên cứu gần cải tiến hệ lưỡng kim loại Pt, PtRe, PtSn hay PtIr [19, 20] bổ sung thành phần thứ 3, thường Ge [21, 22], Sn [22, 23], Ga [24], hay In [25, 26] để kiểm soát chức kim loại chức acid theo hiệu ứng hình học hiệu ứng điện tử [27] nhằm vào mục tiêu cuối tăng cường hoạt tính độ chọn lọc xúc tác 2.4.2 Cracking Xúc tác cracking kích thước nano sử dụng rộng rãi tinh thể nano zeolite phân bố mạng lưới silica-alumina vơ định hình từ năm 1983 70 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 Những tinh thể nano-zeolite tổng hợp với đặc trưng đa dạng (thay đổi độ mở kênh mạng cách phân bố lỗ mao quản dọc theo kênh) chẳng hạn VPI-5 [28] MCM-41 [29] Vai trò xúc tác cracking nano-zeolite theo nghiên cứu Charlie Plank [30] làm tăng độ bền độ chọn lọc xúc tác bị cốc hóa Năm 1981, Charlie Plank ước tính năm tiết kiệm 180 triệu thùng dầu thô nhờ vào trình cracking xúc tác nano-zeolite làm tăng sản lượng xăng Trên thực tế, nhà máy lọc dầu Mỹ tiết kiệm lần số thùng dầu thô dự đoán, cho thấy hiệu kinh tế sử dụng xúc tác cracking nano trình cracking xúc tác 2.4.3 Xử lý hydro Xúc tác xử lý hydro từ lâu sử dụng trình xử lý lưu huỳnh (S) để cung cấp nguyên liệu naphtha gần khơng S cho q trình reforming Tuy nhiên, có kỹ thuật xác định đặc trưng xúc tác tinh vi giới chun mơn tiếp cận đặc tính nano xúc tác Có kim loại dùng kết hợp dạng oxide gần tất xúc tác xử lý hydro: Co với Mo W Ni với Mo W Đặc tính nano xúc tác Co-Mo quan tâm thời gian gần Haldor-Topsoe đầu việc mở rộng kiến thức tiềm công nghệ nano việc tổng hợp sử dụng xúc tác Haldor-Topsoe giới thiệu 100 hệ phản ứng thương mại gồm TK-558 BRIM (CoMo) TK-559 BRIM (NiMo) dùng để tiền xử lý dịch vụ FCC năm 2004, sau TK-576 BRIM (CoMo) dùng sản xuất diesel không lưu huỳnh [31] 2.4.4 Phản ứng chuyển dịch khí - nước (WGS) Q trình chuyển dịch khí - nước thường gồm giai đoạn, nhiệt độ cao nhiệt độ thấp, để tăng độ chuyển hóa CO sản lượng hydro tạo thành Xúc tác nano ảnh hưởng đến giai đoạn WGS nhiệt độ thấp Hiện nay, xu hướng nghiên cứu tập trung tìm kiếm hệ xúc tác hạ nhiệt độ xuống thấp so với yêu cầu xúc tác Cu-ZnO truyền thống Chất xúc tác nano gần thu hút quan tâm đáng kể phát triển sở vàng (Au) Quan điểm xem vàng chất trơ xúc tác bị đảo ngược hồn tồn Haruta [32] khám phá hoạt tính xúc tác cao không ngờ Au phản ứng oxy hóa CO nhiệt độ thấp Giới chun mơn xác định hạt xúc tác Au khoảng nhỏ 5nm ưu tiên phân bố chất mang oxide kim loại chuyển tiếp (chẳng hạn TiO2, a-Al2O3) để có hoạt tính cao PETROVIETNAM 2.4.5 Tổng hợp Fisher-Tropsch Nghiên cứu lĩnh vực xúc tác diện tích bề mặt thấp lò phản ứng tầng cố định Kích thước hạt xúc tác nhỏ dùng cho tổng hợp Fisher-Tropsch nhiệt độ cao tiến hành lò phản ứng tầng sơi cố định Brownsville, Texas lò phản ứng tầng sơi tuần hồn Sasolburg, Nam Mỹ xúc tác diện tích bề mặt thấp Chỉ đến giới thiệu trình tổng hợp Fisher-Tropsch nhiệt độ thấp dạng cột pha (dung dịch huyền phù, khí sủi, xúc tác), xúc tác nano dùng tổng hợp Fisher-Tropsch đem lại hiệu vượt trội Sasol giới thiệu lò phản ứng dạng cột pha để tổng hợp Fisher-Tropsch vào năm 1991, dùng xúc tác sắt (Fe) Hiện nay, Sasol vận hành nhà máy công suất 35.000 thùng/ngày Qatar, dùng xúc tác nano cobalt (Co) Xúc tác Fe Co tầng cố định huyền phù nhiệt độ thấp có bước tổng hợp đến kích cỡ nano tạo hình dạng viên đủ lớn để đảm bảo độ giảm áp ngang qua tầng xúc tác hợp lý xúc tác huyền phù xử lý để tạo hình cầu mini khoảng 30 - 70 micromet 2.4.6 Tổng hợp methanol từ CO2 Hướng nghiên cứu năm gần tập trung sử dụng chuyển hóa khí nhà kính CO2 chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng, chẳng hạn methanol, phương pháp an toàn, đơn giản kinh tế Nghiên cứu gần nhóm tác giả Ghazaleh Ghadimkhani Đại học Texas [33] dùng dây nano oxide đồng ánh sáng mặt trời để chuyển hóa CO2 thành methanol hiệu [33] Oxide đồng tồn dạng Cu2O CuO có tính bán dẫn, có hệ số hấp thu cao dải rộng quang phổ mặt trời, độc tính Vị trí biên vùng dẫn nằm điện âm (so với oxide titan oxide tungsten), thể đặc tính khử cao để tạo điện tử quang hóa, đồng thời Cu oxide thể hoạt tính xúc tác điện cao phản ứng khử CO2 [34] Các ưu điểm giúp nhà nghiên cứu xác định đối tượng xúc tác bó sợi nano oxide đồng tổng hợp cách phủ tinh thể Cu2O (vỏ - shell) lên nano CuO (nhân - core) phân tán dung dịch nước giàu CO2 Phản ứng khử quang điện hóa CO2 thành methanol xảy tiến hành chiếu xạ dung dịch ánh sáng mặt trời Công nghệ nano sử dụng nano oxide đồng ánh sáng mặt trời chứng tỏ cách thức tiên tiến chuyển hóa CO2 thành methanol với hiệu suất điện hóa 95% nhờ dạng lượng dư giảm đáng kể so với phương pháp chuyển hóa quang điện khác [33] Hướng nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ nano ngành Dầu khí Việt Nam Một số hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano có tính khả thi, mang lại hiệu cao, góp phần giải thách thức ngành Dầu khí Việt Nam 3.1 Chíp cảm biến cấu trúc nano Nguyên lý hoạt động chíp cảm biến cấu trúc nano giống nguyên lý phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân y học Điểm khác biệt cần thiết phải phóng đại cơng nghệ đến kích thước mỏ dầu sử dụng hạt nano có từ tính với nguồn phát nhận từ lớn Trong thu hồi thứ cấp, nước bơm ép vào mỏ để tăng áp suất bên mỏ cải thiện thu hồi dầu Nếu bơm ép nước hạt nano có từ tính vào mỏ dầu quan sát q trình di chuyển nước bên mỏ, từ điều chỉnh áp suất bơm khoan sâu thêm Ứng dụng nguyên lý tiêu diệt tế bào ung thư chỗ mà không gây hại đến tế bào mô bình thường xung quanh y học, đưa hóa chất trực tiếp vào mỏ dầu để giảm lực căng bề mặt giữ phân tử dầu vào bề mặt đá sau xác định cấu trúc mỏ Đây cách thu hồi dầu hiệu làm giảm đáng kể lượng hóa chất giai đoạn thu hồi dầu tam cấp 3.2 Vật liệu nano màng nano Hướng nghiên cứu vật liệu nano thiên tính ứng dụng rộng rãi, chiếm đa số vật liệu oxide kim loại, dùng để: chế tạo chip cảm biến, lớp phủ chống ăn mòn, chất lỏng thơng minh (thành phần chất bơi trơn, bùn khoan), phụ gia xăng dầu xúc tác Một số cơng nghệ phủ nano có tiềm thực Việt Nam phủ lớp sơn chống hàu giảm trở lực tàu dựa vật liệu composite silicon ống nano carbon (CNTs) phủ lớp chống ăn mòn dựa vật liệu graphene (graphene sheet) Việt Nam có số đơn vị nghiên cứu thành công vật liệu CNTs, xúc tiến nghiên cứu sản xuất CNTs giá rẻ, đồng với số lượng lớn tiến tới thương mại hóa sản phẩm Riêng hướng nghiên cứu vật liệu nano cho thành phần phụ gia xăng dầu, nhóm tác giả đề xuất pha thêm (doping) chất dẫn (như đồng), để đốt cháy nhiên liệu tốt hơn, nghiên cứu bao bọc nhân hạt nano lớp vỏ môi chất ưa dầu (core-shell) để giúp phân tán tốt hạt nano phụ gia mơi trường xăng dầu tốt DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 71 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ 3.3 Xúc tác lọc, hóa dầu Sự đời cơng nghệ nano làm thay đổi hoàn toàn diện mạo ngành cơng nghiệp lọc - hóa dầu mặt kinh tế lẫn mơi trường Trong lĩnh vực hydrotreating, chuyển hóa hydro cặn nặng (Heavy residue hydroconversion - HRH) phát triển thiết kế để chuyển hóa loại dầu/dầu thô cặn nặng Công nghệ dựa chất xúc tác nano giải vấn đề liên quan đến tắc nghẽn đường ống gia nhiệt asphaltene nghẽn lỗ rỗng chất xúc tác Cấu trúc hóa học chất xúc tác nano cho phép HRH tiêu thụ lượng S nào, giảm S 60% chuyển tất kim loại nặng thành sản phẩm phụ oxide kim loại Độ chuyển hóa q trình HRH cao đến 95% nâng cấp nguyên liệu từ thấp API đến 34 API với sản lượng thể tích 100% Mặc dù nghiên cứu khoa học bề mặt đóng góp đáng kể cho kiến thức tảng xúc tác, song đa số xúc tác thương mại sản xuất cách “trộn, lắc nung” hỗn hợp đa cấu tử Các cấu trúc quy mơ nano khơng kiểm sốt tốt kiến thức hiểu biết mối tương quan tổng hợp - cấu trúc - hoạt tính nghèo nàn Do tính chất hóa - lý phức tạp cấp độ nano, đánh giá đặc trưng nhiều vị trí hoạt hóa nhiều loại xúc tác thương mại chứng tỏ điểm chưa rõ ràng Giới nghiên cứu khoa học Việt Nam nên xây dựng phương pháp tiếp cận logic, phát triển phương pháp tổng hợp có khả kiểm sốt cấp độ nano (chẳng hạn hỗ trợ dendrimer micelle thuận) nhằm hiểu rõ đặc tính xúc tác nano, thay dựa giả thuyết có sẵn Có vậy, Việt Nam tiến sâu, rộng xa việc phát triển công nghệ nano ứng dụng hiệu lĩnh vực dầu khí ngành mũi nhọn khác Kết luận Không phủ nhận lợi ích tiềm có từ cơng nghệ nano ngành dầu khí to lớn Như phân tích bài, số ứng dụng cơng nghệ nano có mặt thị trường số lại đến từ việc chuyển vị giải pháp nano phát triển cho lĩnh vực y dược, hóa học Việt Nam có số kết nghiên cứu hứa hẹn thu từ phòng thí nghiệm mang tính cá nhân, thử nghiệm trường hạn chế Tiềm phát triển cơng nghệ nano Việt Nam 72 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 nói chung ngành Dầu khí Việt Nam nói riêng mảnh đất màu mỡ cần nghiên cứu, khai thác Chúng ta cần tiếp cận theo cách thức thu nhỏ kích thước tạo vật thể thông minh cách khai thác lực tự tổ chức chúng Tuy nhiên, muốn chuyển hội lớn thành thực, cần cân nhắc số vấn đề ủng hộ đa ngành, tránh tượng thổi phồng, cường điệu hóa nano phải xem xét khung thời gian đầu tư nghiên cứu dài hạn cho mục tiêu nano đắn Tài liệu tham khảo Collegium Basilea (Institute of Advanced Study) NanoDictionary Nanotechnology Perceptions 2005: p 147 - 160 W.Merlijn van Spengen MEMS on-chip tribometers and the relevance of N-UNCD APS/CNM/EMC Users Meeting 2013, CNM Workshop - Nanostructured Carbon Materials for MEMS/NEMS and Nanoelectronics - May, 2013 E.Noveiri, S.Torfi Nano coating application for corrosion reduction in oil and gas transmission pipe: A case study in South of Iran International Conference on Advanced Materials Engineering (ICAME) 2011; 5: p 56 - 63 Integran Technology Inc New metal coating to optimize composite tooling High Performance Composites www.compositesworld.com Xiangling Kong, Michael Ohadi Applications of micro and nano technologies in the oil and gas industry overview of the recent progress Proceedings of the Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference, Abu Dhabi, UAE - November, 2010 Mohammed N.Alaskar, Morgan F.Ames, Steve T.Connor, Chong Liu, Yi Cui, Kewen Li, Roland N.Horne Nanoparticle and microparticle flow in porous and fractured media: an experimental study SPE Journal 2012; 17(4): p 1160 - 1171 Chin-Chau Hwang, Gedeng Ruan, Lu Wang, Haiyan Zheng, Errol L.G.Samuel, Changsheng Xiang, Wei Lu, William Kasper, Kewei Huang, Zhiwei Peng, Zachary Schaefer, Amy T.Kan, Angel A.Marti, Michael S.Wong, Mason B.Tomson, James M.Tour Carbon-based nanoreporters designed for subsurface hydrogen sulfide detection ACS Applied Materials and Interfaces 2014: 6(10): p 7652 - 7658 PETROVIETNAM Stephen Rassenfoss Saudi Aramco seeking groundbreaking tools Journal of Petroleum Technology 2012: p 48 - 49 Darsh T.Wasan, Alex D.Nikolov Spreading of nanofluids on solids Nature 2003; 423: p 156 - 159 10 Jianyang Wu, Jianying He, Ole Torsæter, Zhiliang Zhang Effect of nanoparticles on oil-water flow in a confined nanochannel: A molecular dynamics study SPE 156995, Society of Petroleum Engineers 2012 11 Ayman M.Atta, Magda Akel, R.A.Elghazawy, Mohamed Alaa Characterization of modified styrene-co2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid magnetic nanoparticles Polymer Science Series A 2013; 55(5): p 327 - 335 12 Tormod Skauge, Kristine Spildo, Arne Skauge Nano-sized particles for EOR SPE Improved Oil Recovery Symposium, Tulsa, Oklahoma, USA 24 - 28 April, 2010 13 Tiantian Zhang, Drew Davidson, Steven Lawrence Bryant Chun Huh Nanoparticle-stabilized emulsions for applications in enhanced oil recovery SPE Improved Oil Recovery Symposium, Tulsa, Oklahoma, USA 24 - 28 April, 2010 14 Dingwei Zhu, Limin Wei, Biqing Wang, Yujun Feng Aqueous hybrids of silica nanoparticles and hydrophobically associating hydrolyzed polyacrylamide used for EOR in high temperature and high salinity reservoirs Energies 2014; 7: p 3858 - 3871 20 Petrisor Samoila, Marieme Boutzeloit, Viviana Benitez, Silvana A.D’Ippolito, Catherine Especel, Florence Epron, Carlos R.Vera, Patrice Marecot, Carlos L.Pieck Influence of the pretreatment method on the properties of trimetallic Pt-Ir-Ge/Al2O3 prepared by catalytic reduction Applied Catalysis A: General 2007; 332(1): p 37 - 45 21 Viviana Benitez, Carlos R.Vera, Maria C.Rangel, Juan C.Yori, Javier M.Grau, Carlos L.Pieck, Modification of multimetallic naphtha-reforming catalysts by indium addition Industrial & Engineering Chemistry Research 2009; 48(2): p 671 - 676 22 Silvana A.D’Ippolito, Catherine Especel, Florence Epron, Patrice Marecot, Carlos L.Pieck O2 and O3 regeneration of PtReSn/Al2O3 and PtReGe/Al2O3 naphtha reforming catalysts prepared by catalytic reduction Applied Catalysis A: General 2010; 388(1-2): p 272 - 277 23 Silvana A.D’Ippolito, Carlos R.Vera, Florence Epron, Petrisor Samoila, Catherine Especel, Patrice Marecot, Laura B.Gutierrez, Carlos L.Pieck Influence of tin addition by redox reaction in different media on the catalytic properties of Pt-Re/Al2O3 naphtha reforming catalysts Applied Catalysis A: General 2009; 370(1-2): p 34 - 41 24 María A.Vicerich, Catherine Especel, Viviana M.Benitez, Florence Epron, Carlos L.Pieck Influence of gallium on the properties of Pt-Re/Al2O3 naphtha reforming catalysts Applied Catalysis A: General 2011; 407(1-2): p 49 - 55 15 Haensel Vladimir Preparation of aluminaplatinum-halogen catalyst US.Patent 2623861 A 1952 25 Viviana Benitez, Carlos L.Pieck Influence of indium content on the properties of Pt-Re/Al2O3 naphtha reforming catalysts Catalysis Letters 2010; 136: p 45 - 51 16 G.A.Mills, H.Heinemann, T.H.Milliken, A.G.Oblad Naphtha reforming involves dual functional catalysts mechanism for reforming with these catalysts Industrial & Engineering Chemistry 1953; 45: p 134 - 137 26 Ali Jahel, Priscilla Avenier, Sylvie Lacombe, Josette Olivier-Fourcade, Jean-Claude Jumas Effects of Indium in trimetallic Pt/Al2O3SnIn-Cl naphtha reforming catalysts Journal of Catalysis 2010; 272(2): p 275 - 286 17 Harris E.Kluksdahl Reforming a sulfur-free naphtha with a platinum-rhenium catalyst U.S.Patent 3415737 1968 27 L.S.Carvalho, C.L.Pieck, M.C.Rangel, N.S.Fígoli, C.R.Vera, J.M.Parera Trimetallic naphtha reforming catalysts - II Properties of the acid function and influence of the order of addition of the metallic precursors on Pt-Re-Sn/gammaAl2O3-Cl Applied Catalysis A: General 2004; 269(1-2): p 105 - 116 18 B.H.Davis Bimetallic U.S.Patent 3840475 1974 catalyst preparation 19 Viviana Benitez, Marieme Boutzeloit, Vanina A.Mazzieri, Catherine Especel, Florence Epron, Carlos R.Vera, Patrice Marecot, Carlos L.Pieck Preparation of trimetallic Pt-Re-Ge/Al2O3 and Pt-Ir-Ge/Al2O3 naphtha reforming catalysts by surface redox reaction Applied Catalysis A: General 2007; 319: p 210 - 217 28 Mark E.Davis, Carlos Saldarriaga, Consuelo Montes, Juan Garces, Cyrus Croweder A molecular sieve with eighteen-membered rings Nature 1988; 331: p 698 - 699 29 C.T.Kresge, M.E.Leonowicz, W.J.Roth, J.C.Vartuli, DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 73 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ J.S.Beck Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism Nature 1992; 359: p 710 - 712 30 Charles J.Plank The invention of zeolite cracking catalysts - A personal viewpoint In “Heterogeneous catalysis: selected American histories” 1983; 222: p 253 - 271 31 Henrik Topsoe, Berit Hinnemann, Jens K.Norskov, Jeppe V.Lauritsen, Flemming Besenbacher, Poul L.Hansen, Glen Hytoft, Rasmus G.Egeberg, Kim G.Knudsen The role of reaction pathways and support interactions in the development of high activity hydrotreating catalysts Catalysis Today 2005; 107 - 108, p 12 - 22 32 M.Haruta, S.Tsubota, T.Kobayashi, H.Kageyama, M.J.Genet, B.Delmon Low temperature oxidation of CO over gold supported on TiO2, a-Fe2O3 and Co3O4 Journal of Catalysis 1993; 144(1): p 175 - 192 33 Ghazaleh Ghadimkhani, Norma R.de.Tacconi, Wilaiwan Chanmanee, Csaba Janaky, Krishnan.Rajeshwar Efficient solar photoelectrosynthesis of methanol from carbon dioxide using hybrid CuO-Cu2O semiconductor nanorod arrays Electronic Supplementary Material (ESI) for Chemical Communication 2013; 49: p 1297 - 1299 34 Y.Hori Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes Modern Aspects of Electrochemistry 2008; 42: p 89 - 189 Nanotechnology applications in oil and gas industry and potential research directions in Vietnam Vo Nguyen Xuan Phuong, Le Phuc Nguyen Vietnam Petroleum Institute Summary Nanotechnology and nanomaterials have been effectively applied in many areas, including the oil and gas industry Nanotechnology can be used to improve oil and gas drilling and production processes by providing lighter, stronger and more corrosion-resistant materials, developing new intelligent fluids for enhanced oil recovery (EOR), especially in high temperature and high pressure conditions, and allowing easy separation of metallic impurities In this paper, the authors focused on an overview of current applications of nanotechnology in petroleum exploration, production and processing in the world, as well as an evaluation of research possibilities and short-term and long-term applicable targets in order to efficiently exploit the high potential of nanotechnology and nanomaterials in Vietnam’s oil and gas industry Key words: Nanotechnology, Vietnam oil and gas, nanotech applications and benefits, implementation approach, nanotechnology potentials 74 DẦU KHÍ - SỐ 4/2015 ... [33] Hướng nghiên cứu, ứng dụng công nghệ nano ngành Dầu khí Việt Nam Một số hướng nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ nano có tính khả thi, mang lại hiệu cao, góp phần giải thách thức ngành Dầu khí Việt. .. ngành cơng nghiệp dầu khí giới Từ đó, nhóm tác giả đề xuất hướng nghiên cứu, ứng dụng công nghiệp nano ngành cơng nghiệp dầu khí Việt Nam sở phân tích hướng tiềm để giải thách thức kỹ thuật công. .. tiềm để giải thách thức kỹ thuật công nghệ Ứng dụng cơng nghệ nano ngành dầu khí 2.1 Thăm dò khai thác dầu khí Ngành cơng nghiệp thăm dò khai thác dầu khí dựa vào phương pháp hiển thị hình ảnh điện