بخشی از مقاله
فیلترهای نانو ساختار عاملی برای رفع آلودگی بخش های مختلف در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
چکیده
امروزه ظهور فناوری نانو، سرآغاز تحولات و پیشرفت های بزرگی در زمینه ی علوم و صنایع گوناگون می باشد که صنایع نفت، گاز و پتروشیمی از این قائله مستثنی نبوده و در بخش مختلف آن آثار فناوری نانو به خوبی مشخص می باشد. فناوری نانو تأثیر چشمگیری بر روی تمامی بخش های صنعت نفت داشته و چشم انداز آینده این صنعت را بطور قابل ملاحضه ای تحت تاثیر قرار می دهد، بطوری که این گستره عظیم هر دو بخش صنایع بالادستی و پایین دستی را پوشش می دهد. از جمله این اثر بخشی مفید فناوری نانو می توان به کاربرد گسترده فیلترهای نانو ساختار اشاره کرد که در بخش های بالادستی و پایین دستی صنعت نفت کارایی خود را اثبات کرده است. در این مقاله به بررسی حوزه های مختلف کاربرد فیلترهای نانو ساختار پرداخته ایم و نتایج به دست آمده از این تحقیق حاکی از آن است که با به کارگیری نانو فیلتراسیون در صنعت نفت، علاوه بر کاهش چشمگیر آلودگی های حوزه های مختلف، می توان کارایی بخش هایی همانند واحد های نمک زدایی و فرآورش نفت را افزایش داد.
کلمات کلیدی: فیلترهای نانوساختار، صنعت نفت، حذف آلودگی، نمک زدایی
.1 مقدمه
معمولا منظور از مقیاس نانو، ذراتی با ابعادی در حدود1 تا 100 نانو متر اطلاق می باشد. اولین پیشرفت ها در فناوری نانو در سال 1959 ایجاد شد. در این سال ریچارد فاینمن با سخنرانی خود تحت عنوان" فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد" ایده فناوری نانو را مطرح کرد.[10] فناوری نانو، فناوری مقیاس ها و فضای اتمی و ملکولی، می رود تا با توانمندی ساخت اتم به اتم مواد و هوشمندی فرآیندهای تولید بر حوزه های وسیعی از علم و صنعت بشری مسلط شود. این فناوری که جدیدترین عضو خانواده فناوری های پیشرفته است تا آنجا موثر می باشد که منظور نکردن آن در برنامه ها و تصمیم گیری های آتی به یک تهدید ملی تبدیل گردد و ساختار اقتصادی و صنعتی کشور را بصورت کامل ناکارآمد سازد.[4] این فناوری تأثیر چشمگیری بر روی تمامی بخش های صنایع مختلف بخصوص صنعت نفت دارد و چشم انداز آینده این صنعت را
1
بطور قابل ملاحضه ای تحت تاثیر قرار می دهد، بطوری که این گستره عظیم هر دو بخش صنایع بالادستی و پایین دستی را پوشش می دهد. این فناوری می تواند، در افزایش توسعه منابع گاز ، نانو افزودنی ها در گل حفاری و سیمان کاری چاه های نفت، نانو مواد برای افزایش ضریب برداشت از مخازن، نانوکاتالیست ها در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، نانو پوششهای مقاوم در برابر گرما، خوردگی، جرم گرفتگی، سایش و اصطکاک، سیستم های نانو فیلتراسیون و جداسازی، نانو روانکارها، نانو کامپوزیت ها، ذخیره سازی انرژی در نانوساختارها، نانو سنسورها و نانو بیو سنسورها و تاثیرات زیاد و خارق العاده ای ایجاد کند.[7]
همانطور که در ادامه مقاله مشاهده خواهید کرد یکی از مهمترین اشکال کاربرد مواد نانو ساختار در صنایع نفت و گاز، فیلترهای نانو ساختار بوده که کارایی زیادی در این صنایع دارند . واژه نانوفیلتراسیون تا اواسط نیمه دوم دهه 80 هنوز به طور مشخص مورد استفاده قرار نگرفته بود. در حقیقت این غشاها از اوایل دهه 60 وجود داشتند و با عناوین غشاهای اسمز معکوس آزاد1، اسمز معکوس باز2، حد واسط غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون، غشاهای اسمز معکوس انتخابی3 و یا غشاهای اولترافیلتراسیون فشرده4 مورد استفاده قرار می گرفتند. بنابراین تولید نانوغشاها با تولید غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون همزمان بوده و به اواخر دهه 50 تا اول دهه 1960 بر می گردد. طی مدت زمان نزدیک به 15 سال، به موجب توسعه و پیشرفت فناوری در زمینه غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون و کشف پتانسیل های بالقوه کاربرد فرایندهای غشایی در صنایع مختلف، تحقیقات منجر به ایجاد غشاهای جدید از نوع نانو شد. به طور معمول جداسازی نمک های تک ظرفیتی، دو ظرفیتی و حل شده های غیر یونی با وزن مولکولی کمتر از 2000 گرم بر مول، عامل اصلی در انتخاب غشاهای جدید با خواص و ویژگی های فی مابین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می باشد. محدوده ویژگی ها و مشخصات فرایند جداسازی غشاهایی که از طریق این تعریف پوشش داده می شود به تازگی به عنوان غشاهای نانو ساختار مطرح شده است. امروزه نانوفیلتراسیون به صورت یک فرایند به طور کامل مجزا با خواص کاربردی ویژه به کار گرفته می شود و با دو فرآیند اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون اختلاف های اساسی دارد. به عبارتی غشاهای به کار رفته در فرایند نانوفیلتراسیون دارای ساختار متخلخل از نوع میکرو با قطر روزنه های کمتر از 2 نانومتر بوده و از مواد پلیمری، که در بیشتر حالت ها دارای بار یونی می باشند، ساخته شده اند. شهرت تجاری نانوفیلتراسیون از اوایل سال های 1980 آغاز شده و در سال 1988 اولین نانو غشا ها از جنس مواد سرامیکی به صورت تجاری و کاربردی مورد استفاده قرار گرفت. بعدها نانو غشاهایی از جنس مواد پلیمری آلی جهت کاربردهای خاص به بازار عرضه شد. [24 ]
اگر بخواهیم مهمترین ویژگی های فیلترهای نانو ساختار را بیان کنیم، می توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:[1]
❖ جرم مولکولی ذرات و مولکول های احتباس شده توسط این غشا بین 200 تا 2000 گرم بر مول (دالتون) قرار می گیرد.
❖ میزان احتباس ذرات باردار تابع بار یونی آن ها می باشد نه جرم مولکولی آن ها
❖ محدوده فشار اعمال شده در این فرایند در مقایسه با فرایند اسمز معکوس کمتر و بالعکس دبی جریان عبوری از غشا به مراتب بیشتر از دبی به دست آمده از فرایند اسمز معکوس در یک فشار ثابت می باشد.
2
❖ دبی جریان خروجی و عبوری از غشاهای نانو براساس آنالیز تئوری های دو پدیده نفوذ و جابجایی قابل توصیف است.
امروزه فیلترهای نانو ساختار مفیدی در صنایع نفت و گاز بکار گرفته شده که قادر به جداسازی آلودگی ها و حتی نمک از آب هستند و همچنین جرم گیر ها و صافی هایی نانو ساختار برای برطرف کردن آلودگی ها از دور ریز های صنعتی، افزایش بهره وری و نگهداری و تعمیرات صنعتی با مواد و انرژی کمتر و افزایش امکان بازیافت مطرح هستند. از دیگر کاربرد های فیلترهای نانو ساختار می توان به حذف هیدروژن سولفید که گازی بسیار خطرناک، سمی و خورنده است، اشاره کرد که می تواند در حین عملیات حفاری از درون سازند به داخل سیال حفاری نفوذ کرده و باعث آلودگی محیط زیست گردد[3]و.[28]
.2 نانو لوله کربنی و ساخت فیلتر های نانو ساختار
یکی از ساختار های مشهور نانویی، نانو لوله های کربنی می باشند که با توجه به خواص منحصر به فرد مکانیکی، الکترونیکی، حرارتی و نوری شان، می توان از آنها در صنایع مختلف بهره برد. نانو لوله های کربنی می توانند در رفع مشکلات و در پاسخ گویی به نیاز های اساسی صنایع نفت و پتروشیمی گره گشا باشند .
امروزه در سراسر جهان از فیلتراسیون غشایی در تصفیه ی آب و برای کاهش غلظت ذرات و مواد آلی خنثی موجود در آب استفاده می شود . غشا ها از مواد گوناگونی از جمله فلزات، سرامیک ها، و پلیمرها ساخته می شوند[25]و. [26 ] امروزه استفاده از غشا های پلیمری گسترش یافته است ولی این غشا ها شکننده بوده و با دوام نیستند. غشا های سرامیکی و فلزی محکم تر هستند ولی عملکرد پایینی دارند، از طرف دیگر این غشاها در برخی موارد قابل استفاده ی مجدد نیستند. صنعت نفت نیازمند فیلتر هایی می باشد که قابل استفاده ی مجدد بوده و دارای تخلخل کنترل شده ای باشند و علاوه بر این بتوانند به ساختار های میکروسکوپی با شکل هندسی، چگالی و ابعاد کنترل شده در آیند .[ 29 ] در بین فرایند های غشایی، نانو فیلتراسیون(NF) 1 جدیدترین تکنولوژی می باشد که کاربرد های بسیاری در تصفیه ی آب و پساب های صنعتی دارد. از نانو لوله های کربنی می توان نانو فیلتر هایی ساخت که این ویژگی ها را داشته باشند.[ 30] روش های ساخت این نانو لوله ها هم متفاوت بوده که روش تولید نانولوله از طریق رسوب شیمیایی مزایایی بر روش های دیگر تولید دارد که یکی از این مزایا خلوص بالای آنست که نیاز به انجام عملیات اضافی مرتفع می سازد همچنین حرارت و دمای پایین به کار برده شده در این روش در مقایسه با روشه های قوس و لیزر منجر به تولید نانولوله هایی با ساختار گرافیتی کمتر می باشد.[8]
.3پالایش آب تولیدی از چاه های نفتی توسط فیلترهای نانو ساختار
همانند بسیاری از فعالیت های تولیدی،فرآیند تولید نفت و گاز نیز حجم زیادی مواد زائد مایع تولید می کند که آب تولیدی 2 نامیده می شود. آب تولیدی همواره به همراه نفت و گاز در مخازن یافت می شود که اندکی اسیدی بوده و در محیط متخلخل مخزن، در زیر هیدروکربن ها قرار می گیرد.[20] آب تولیدی ترکیب پیچیده ای دارد اما اجزای اصلی
3
سازنده آن را می توان به دو دسته کلی ترکیبات آلی و معدنی تقسیم بندی نمود که شامل مواد نفتی حل شده و پخش شده، گریس ها، فلزات سنگین، مواد پرتوزا، مواد شیمیایی افزودنی، نمک ها، گازهای حل شده، واکس ها، میکروارگانیزم ها و اکسیژن حل شده می باشد. در سطح جهانی، نسبت تولید آب تولیدی به نفت تولیدی 3 به 1 می باشد بنابراین برش آب 75درصد می باشد. بیش از 40 درصد از این آب به محیط زیست تخلیه شده که موجب آلودگی آب های سطحی و زیر زمینی و خاک می گردد. با توجه به حجم بالای آب تولیدی، بسیاری از کشورهای دارای میادین نفت و گاز که با محدودیت های منابع آبی نیز مواجه اند به صورت فزاینده ای در صدد یافتن روش های موثر و کم هزینه به منظور تصفیه آلودگی های آب تولیدی و تبدیل آن به منبعی به منظور استفاده در کشاورزی، صنعت وسایر کاربرد ها می باشند.[17]
غشاهای نانو فیلتراسیون به دلیل کم حجم بودن، مصرف انرژی پایین، عدم استفاده از ترکیبات شیمیایی و توانایی بالا در بازگرداندن یون های چند ظرفیتی به یکی از فناوری های جذاب به منظور تصفیه آب تولیدی و بازیابی آن به منظور استفاده مجدد، تبدیل گشته است. نانوفیلتراسیون فناوری قدرتمندی برای از بین بردن سختی آب، حذف فلزات سنگین و حذف ذرات در ابعادP0/001 می باشد و توانایی حذف ترکیبات آلی در غلظت های مختلف را داراست. همچنین گستره مناسبی برای تصفیه پساب حاوی ترکیبات آلی، DST 1 بین 1000تا ppm 35000 داشته و میزان بازیابی آب توسط آن بین 75 تا 90 درصد گزارش شده است. همچنین انرژی مورد نیاز به منظور جداسازی در شرایط یکسان با نانوفیلتراسیون کمتر از اسمز معکوس بوده و این در حالی است که هزینه های تعمیر و نگهداری، اطمینان بخش بودن، انعطاف پذیری، قابلیت مدول شدن و حجم اشغال شده توسط آن تقریبا با اسمز معکوس برابر است.[13]
در برخی از نانو فلیتر های ویژه رفع این مشکل، از ذره های زئولیت استفاده شده که خاصیت های مفید آن در تصفیه آب بر کسی پوشیده نیست. ذرات زئولیت با فرآیند Ion exchange می توانند بعضی از ترکیبات یونی ، فلزات سنگین، آمونیاک و رادیو ایزوتوپ هایی نظیر سزیم و استرانسیم را به خود جذب کنند.[ 18 ] اما در این فیلتر بجای زئولیت از نانو ذرات زئولیت استفاده شده است و هدف استفاده از خاصیت Ion exchange نیست بلکه تمرکز بر جذب هیدروکربن های سبک توسط این ذرات است. این ذرات بر روی بستری ارزان و متخلخل و تراوا نسبت به آب قرار گرفته است(شکل.(1 این بستر پلی یورتان است که شاید متداول ترین و آشناترین شکل پلی یورتان، اسفنج باشد. از دیگر خاصیت های این نوع زئولیت جذب سطحی کاتیون هاست. نتایج گزارش شده از جذب سطحی کاتیون ها توسط میکرو زئولیت ها نشان دهنده ی آن است که این مواد جاذب خوبی برای کاتیون ها هستند. با این تفاسیر اگر از این مواد در مقیاس نانو برای جذب سطحی کاتیون ها استفاده شود انتظار می رود که به مراتب بازده بهتری مشاهده شود[6]و.[21]
شکل:1 عکس میکروسکوپ الکترونی SEM از نانو ذرات زئولیت بر روی پلی یورتان
4
.4فیلتر های نانو ساختار و تصفیه آب ناخالص تولیدی از تجهیزات فرآورش نفت
در واقع برج های خنک کننده با ایجاد سطح تماس وسیع بین دو جریان آب و هوای گرم، شرایطی را برای تبخیر آب و مبادله حرارتی فراهم می کنند. لزوم نظارت پیوسته و سنجش پارامترهای کیفی آب در برج های خنک کننده از نقطه نظر مدیریت هزینه ها و توسعه توان برای بازدهی بیشتر امری غیر قابل انکار می باشد. یکی از راهکارهای اصلی برای صرفه جویی اقتصادی و نیز کاهش میزان آب هدر رفت از برج خنک کننده، فرایند تصفیه آب می باشد. به دلیل متعادل نبودن میزان نمک ها در آب خروجی برج خنک کننده، فرآیندهای الکترودیالیز و نانوفیلتراسیون جهت کنترل نمک پیشنهاد می شوند. البته در این بین استفاده از نانوفیلترها بدلیل داشتن خاصیت جذب انتخابی مواد بر سایر روش های تصفیه ترجیح داده می شود[15]و.[27] در این روش مکانیزم به اینصورت است که آب شور داغ را روی ورقه از ماده ای به نام غشاء که سوراخ های ریزی به نام نانو حفره دارد می ریزند. این حفر ه ها آنقدر کوچک هستند که تنها بخار می تواند از آنها عبور کند و آب، مایع، نمک ها و موارد معدنی دیگر در پشت این غشاء می مانند. در طرف دیگر این غشاء محفظه ای از آب سرد قرار دار د که بخار با عبور از این محفظه آب سرد، متراکم شده و دوباره به مایع تبدیل می شود.ابزاری که درا ین روش به کار برده شده است، دستگاهی مستطیل شکل است که مجموعه ای از غشاء های الیاف مانند توخالی دارد و مایع به طور عرضی در آن جریان می یابد. این غشاءها به صورت هزاران لوله به شکل تار مو در آمده، سپس آنها را به صورت بسته هایی داخل یک جعبه قرار می دهند. البته اصول اولیه طرز کار این دستگاه همانند جداسازی های غشایی معمولی است که بخار آب داغ با عبور از محفظه های آب سرد دوباره به صورت آب خالص در می آید. در قسمت وسط دستگاه، دسته ای از هزاران لوله توخالی شبیه تار مو قرار دارد که جداره این لوله ها را هم غشاء هایی با نانو حفره های کوچک تشیکل می دهد کر فقط اجازه عبور قطرات بخار آب داده می شود.[12]
.5حذف امولسیون های مختلف در صنعت نفت با فیلترهای نانو ساختار
حضور مواد هیدروکربنی در پساب های صنایع نفت و پتروشیمی بروز مشکلات عدیده ای را برای انسان ها و موجودات زنده آبزی به همراه دارد. تحقیقات پیشین نشان داده است که جداسازی در فازهای یک امولسیون زمانی که اندازه قطرات فاز پراکنده کمتر از 100 میکرومتر باشد (امولسیون ثانویه) بسیار زمان بر بوده و به کارگیری روش های شیمیایی و فیزیکی برای جداسازی آن ها بازدهی پایینی دارد.
در این مورد از فیلتر های حاوی نانو الیاف پلیمری استفاده شده که این نانو الیاف از طریق الکترو ریسندگی بافته شده اند که امروزه نانو الیاف تولید شده به روش الکتروریسی به واسطه خواص منحصر به فرد، از جمله نسبت سطح به حجم بسیار بزرگی که دارا می باشند(شکل (2، کاربردهای فراوانی را در صنایع مختلف از جمله در زمینه فیلتراسیون و حذف امولسیون در مایعات و گازها، به خود اختصاص داده اند[22]و.[19]
