نانو در صنعت نفت و گاز
صنعت نفت و گاز یکی از صنایع مهم کشور ما محسوب می‌شود که نقش پررنگی در اقتصاد کشورمان دارد. با وجود قدمت زیاد این صنعت در کشور ما، ارتقا و بهینه‌سازی آن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است که نیازن به کارگیری از روش‌ها و فناوری‌های نوین در این صنعت مهم است. یکی از مهمترین فناوری‌های نوین که پتانسیل فراوانی در ارتقا و بهبود عملکرد، تولید مواد، تجهیزات و رفع موانع مشکلات را دارد، فناوری نانو است. امروزه فناوری نانو در بخش‌های مختلف صنعت نفت و گاز از جمله در اکتشاف، حفاری، ازدیاد برداشت و پالایش و پخش کاربرد دارد. اما نقش فناوری نانو در صنایع پایین دستی به دلیل هزینه‌های پایین‌تر و حضور صنایع خصوصی در آن قسمت پررنگ‌تر است. در این مقاله به بیان کاربردهای فناوری نانو در نانوفیلترها، نانوپوششهای آنتیفولینگ، نانوکاتالیستها و نانوافزودنیهای روانکار در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی خواهیم پرداخت.
نانو و صنعت نفت و گاز
در کشور ایران نفت و گاز یکی از مهمترین ارکان اقتصاد به‌شمار می‌روند. همانند هر بخش دیگری در صنعت بخش نفت و گاز برای ارتقاء عملکرد و بهینه‌سازی تولید نیاز به استفاده از فناوری‌های جدید دارد. امروزه یکی از مهمترین فناوری مورد استفاده در دنیا در این صنایع، فناوری نانو است. فناوری نانو به معنای بهبود عملکرد یا تولید مواد، تجهیزات و سامانه‌ها در ابعاد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر می‌باشد. علم فناوری نانو مطالعه و استفاده از ابزارهای بسیار کوچک است و می‌تواند در تمام زمینه‌های علوم دیگر، مانند شیمی، زیست‌شناسی، فیزیک، علم مواد و مهندسی مورد استفاده قرار گیرد. نقش فناوری نانو در صنایع پایین دستی به دلیل هزینه‌های پایین‌تر و حضور صنایع خصوصی در آن قسمت پررنگ‌تر است درحالی که فناوری نانو در صنایع بالادستی کاربردهای فراوانی دارد.
کاربردهای فناوری نانو در صنایع نفت و گاز
همانطور که اشاره شد فناوری نانو در بخش‌های مختلف صنایع نفت و گاز کاربرد دارد در چارت زیر به‌طور کلی به برخی کاربردهای فناوری نانو در صنایع نفت و گاز اشاره شده است. در ادامه به بررسی اجمالی هریک از کاربردها خواهیم پرداخت.
برخی از کاربرد های نانو در صنعت نفت و گاز
کاربرد فناوری نانوفیلترها در صنایع نفت و گاز
هرگونه عملیات مکانیکی، فیزیکی یا زیستی که مواد جامد را از سیال‌ها (مایع‌ها یا گازها) جدا می‌کند، فیلتراسیون نامیده می‌شود. این فرایند به وسیله یک محیط متخلخل که در آن سیالات اجازه عبور از این محیط را دارند، صورت می‌پذیرد. فیلترمی‌تواند کاغذ، پارچه، پشم، پنبه نسوز، پشم‌شیشه، سفال بدون لعاب، ماسه یا سایر مواد متخلخل باشد.
برای هر توربین گاز، فیلتراسیون هوای ورودی امری ضروری است. سیستم‌های فیلتراسیون با توجه به افزایش حساسیت توربین گاز نسبت به ذراتی که همراه با هوا وارد می‌شوند پیشرفت زیادی داشته‌اند. از این‌رو ورود فناوری نانو به این حوزه موجب پیشرفت بالایی در جداسازی آلاینده‌های ورودی به توربین‌ها شده است. برخی از عواقب فیلتراسیون ضعیف عبارت است از رسوب، فرسایش، خوردگی و بسته شدن مجاری سرمایش که در نهایت منجر به کاهش توان و بازدهی توربین و زیان اقتصادی قابل ملاحظه می‌شود[۱،۲]. طراحی فیلترهای هوای ورودی به توربین‌های گاز می‌بایست به‌نحوی صورت پذیرد که دو اصل مهم راندمان فیلتراسیون و کمترین مقدار افت رعایت شود. توربین‌های گاز باید طوری طراحی شوند که کمترین انرژی برای مکیدن هوا از بیرون، توسط توربین گاز مصرف شود. بنابراین درحالیکه فیلترهای توربین گاز بیشترین ناخالصی‌های موجود در هوا را باید تصفیه کنند (راندمان بالای فیلتراسیون) کمترین افت فشار در مرحله مکش هوا باید وجود داشته باشد. کاهش در افت فشار سیستم فیلتر هوای ورودی باعث می‌شود که توربین گاز انرژی کمتری برای مکیدن هوا مصرف کند که نتیجه آن، انرژی زیادتر تولیدی خواهد بود. بنابراین برای طراحی فیلترها باید در دو جهت افزایش راندمان و کاهش افت فشار حرکت کرد .
ورود فناوری نانو به صنعت فیلتر تازه‌ترین تحول به این عرصه می‌باشد. یکی از اشکال کاربرد فناوری نانو در فیلترها پوشاندن سطح الیاف بزرگ سلولزی و یا مصنوعی (معمولاً با قطر ۱۰ تا ۳۰ میکرومتر) با لایه‌ای از الیاف بسیار ریز نانو (معمولاً با قطر ۵۰ تا ۴۰۰ نانومتر) می‌باشد. دراین طرح کاغذ قبل از شروع عملیات اولیه در تولید فیلتر، به وسیله‌ی جریان الکتریکی با لایه‌ای از الیاف پلیمری با قطر بین ۵۰ تا ۳۰۰ نانومتر لایه‌نشانی می‌شود. رشته‌های پلیمری با قطر نانومتری تحت تأثیر اختلاف پتانسیل بسیار زیاد تشکیل می‌شوند .
برخی مزایای نانوفیلتراسیون
فشار عملیاتی پایین
شار بالا
قابلیت بالای نگهداری نمک‌های آنیونی چند ظرفیتی
هزینه‌های عملیاتی و نگهداری نسبتا پایین
قابلیت انتخاب‌پذیری
جداسازی بهتر و با بازده بیشتر نسبت به فیلترهای معمولی
وزن کمتر
کاربرد نانوکاتالیستها در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی
کاتالیست‌های صنایع پایین دستی نفت و گاز با ورود فناوری نانو به تحقیقات این حوزه، پیشرفت بسیاری کرده است. در صنایع شیمیایی و پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها کاتالیست‌ها به‌عنوان یک ماده‌ی ضروری برای افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی به‌کار می‌رود. پیشرفت‌های صنعت کاتالیست بیشتر مربوط به بهینه‌کردن کارایی آن‌هاست تا اینکه یک کاتالیست با خواص و عملکرد بهتر یافت شود.
به کاتالیست‌های دارای نانوذرات نانوکاتالیست گفته می‌شود. این کاتالیست‌ها می‌بایست حداقل یک بعد در ابعاد نانو داشته باشند و در مواردی ساختار نانویی آن‌ها برای بهبود خواص کاتالیستی تصحیح شده است. نانوکاتالیستها سطح بزرگتری را برای انجام واکنش فراهم می‌کنند. کاتالیست‌ها برای افزایش یا کاهش سرعت واکنش‌های شیمیایی، بدون مصرف یا بدون تغییرات فیزیکی و شیمیایی دائمی استفاده می‌شوند. نانوکاتالیستها در صنایع مختلفی مانند صنایع مواد غذایی، داروسازی، نفت و گاز، پالایش و پتروشیمی به‌کار برده می‌شوند.
کاتالیست
کاتالیست مناسب، باید سطح فعال بالایی داشته و قابل جداسازی باشد. فناوری نانو، می‌تواند سطح فعال بسیار زیادی را برای کاتالیست فراهم آورد. با آن‌که سطح فعال نانوکاتالیستها از کاتالیست‌های معمولی بسیار بیشتر است، سطح فعال یک نانوکاتالیست از یک کاتالیزور همگن همواره پایین‌تر است (کاتالیزور همگن با انحلال خود در تماس کامل با محتویات واکنش قرار دارد). در مقابل، نانوذرات کاتالیستی به دلیل ابعاد بزرگ‌تر نسبت به ذرات کاتالیست همگن، در محلول واکنش حل نشده و به سادگی قابل جداسازی هستند. سطح فعال زیاد به همراه قابلیت جداسازی کاتالیست در پایان واکنش، از نانوکاتالیستها پلی میان کاتالیست‌های همگن و ناهمگن ساخته است. ممکن است فرآیند پیچیده تولید برخی از نانوکاتالیست ها هزینه‌بر به حساب بیاید، اما از آنجا که فناوری نانو مقدار کاتالیست، انرژی و زمان مورد نیاز برای انجام واکنش را تقلیل می‌دهد، این مورد قابل چشم‌پوشی است.
به‌طور کلی ابعاد نانو، شرایطی بی‌نظیر برای علم کاتالیست به‌وجودآورده است. سطح فعال بالا و گزینش‌پذیری مناسب در نانوکاتالیستها موجب افزایش سرعت و بازده واکنش شده است. نانوکاتالیست، مزیت‌های کاتالیست‌های همگن (سطح بالا) و ناهمگن (قابل جداسازی) را داراست. ساختارهای نانوکاتالیستی دارای تنوع زیادی هستند؛ هم‌چنین جداسازی و تغییر در عملکرد آن‌ها توسط اصلاح شیمیایی آسان است. تاثیر فناوری نانو بر روی کاتالیست‌ها به‌صورت خلاصه در شکل ۳ مشاهده می‌شود. هرچند روند تحقیقات در زمینه‌ی سازوکار واکنش‌های نانوکاتالیستها، کند و پراکنده بوده است، تحقیقات در سایر جنبه‌های این علم، به سرعت ادامه دارد و جذابیت آن روز به روز اضافه می‌شود
تاثیرات فناوری نانو تکنولوژی بر روی کاتالیست‌ها
