در فرآیند استخراج نفت، تجمع رسوبات معدنی سخت در داخل لوله‌ها و تجهیزات می‌تواند منجر به آسیب‌های عملیاتی شدید، خطرات ایمنی مانند انفجار لوله‌ها و همچنین زیان‌های اقتصادی قابل توجهی شود. این مشکل در صنایع مختلفی مانند نفت و گاز وجود دارد، اما راهکارهای فعلی برای حذف این رسوبات اغلب آثار زیست محیطی مخربی دارند. با این حال، محققان دانشگاه پن استیت (دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا) موفق به توسعه نانوذراتی شده‌اند که می‌توانند از تجمع رسوبات جلوگیری کرده و در عین حال، از سیستم‌های نفتی-آبی حمایت کنند، بدون اینکه به محیط زیست آسیب وارد شود. در ادامه با دیجی رو همراه باشید تا نگاهی به این یافته جدید محققان داشته باشیم.
مشکل تجمع رسوبات در صنایع
تجمع رسوبات معدنی مانند کربنات کلسیم، که به آن اسکیلینگ (Scaling) نیز گفته می‌شود، یکی از مشکلات عمده در صنایع مختلف است. این مشکل به ویژه در صنایعی که با دو فاز غیر قابل ترکیب مانند آب و نفت سر و کار دارند، دیده می‌شود. در سیستم‌های دو فازی مانند آب و نفت، این رسوبات می‌توانند لوله‌ها را مسدود کرده و تجهیزات را تخریب کنند، که در نتیجه آن خطرات ایمنی و عملیاتی شدیدی ایجاد می‌شود.
امیر شیخی، دانشیار ایرانی الاصل دانشگاه پن استیت و استاد مهندسی شیمی که مسئولیت این پژوهش را بر عهده داشته می‌گوید:
راهکارهای موجود برای جلوگیری از تجمع رسوبات یا به محیط زیست آسیب می‌زنند یا تنها در محیط‌های آبی تک فاز قابل استفاده هستند. به همین دلیل، نیاز به یک راهکار دوستدار محیط زیست و مؤثر در سیستم‌های دو فازی مانند نفت و آب، احساس می‌شود.
توسعه نانوذرات جدید
برای حل این مشکل، محققان دانشگاه پن استیت یک نوع نانوذره مبتنی بر سلولز با نام «نانوکریستال‌های سلولز مویی آنیونی» (AHCNC) توسعه داده‌اند که قادر به جلوگیری از تشکیل رسوبات بود، اما در تثبیت امولسیون‌های آب در نفت عملکرد خوبی نداشت. سپس تیم تحقیقاتی به توسعه نوع جدیدی از نانوذرات چندمنظوره و زیست‌بنیان با نام «نانوکریستال‌های سلولز مویی آمفیفیلیک» (AmHCNC) پرداختند. این نانوذرات جدید دارای خواص شیمیایی و ساختاری منحصر به فردی هستند که نه تنها از تشکیل رسوبات جلوگیری می‌کنند، بلکه امولسیون‌های آب در نفت را که در فرآیند استخراج نفت رایج است، تثبیت می‌کنند.
آقای شیخی در توضیح این نوآوری می‌گوید:
نوآوری ما در نانومهندسی نوعی نانوذره به نام AmHCNC نهفته است که به طور همزمان از تشکیل رسوبات جلوگیری می‌کند و امولسیون‌های آب در نفت را از طریق مکانیزم پیکرینگ تثبیت می‌کند. این ترکیبی است که تاکنون به دست نیامده بود.
مکانیزم پیکرینگ (Pickering mechanism) به پدیده‌ای اشاره دارد که در آن ذرات جامد کوچک برای پایدار کردن امولسیون‌ها (مخلوط دو مایع غیرقابل حل در یکدیگر مانند آب و روغن) مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این نانوذرات نه تنها زیست‌بنیان و ایمن برای محیط زیست هستند، بلکه از نظر هزینه نیز به‌صرفه‌اند و راه‌حلی پایدار برای مشکل قدیمی تجمع رسوبات در صنایع مختلف ارائه می‌دهند.
کاربردهای بالقوه نانوذرات در صنایع دیگر
این نانوذرات جدید نه تنها در صنایع نفت و گاز کاربرد دارند، بلکه می‌توانند در سایر صنایعی که با سیستم‌های آبی-نفتی سروکار دارند نیز مورد استفاده قرار گیرند. به عنوان مثال، صنایعی مانند داروسازی، مواد غذایی و لوازم آرایشی نیز ممکن است از این فناوری بهره‌مند شوند.
امیر شیخی در ادامه می‌گوید:
این فناوری ممکن است فرصت‌های جدیدی را برای داشتن صنعتی پایدارتر و ایمن‌تر فراهم کند.
این نانوذرات می‌توانند به کاهش هزینه‌های عملیاتی و ایمنی در صنایعی که با امولسیون‌های آبی-نفتی سروکار دارند، کمک کنند و به این ترتیب، به کاهش تأثیرات زیست محیطی این صنایع منجر شوند.
آزمون‌های واقعی و آینده نانوذرات
تیم تحقیقاتی در حال حاضر به دنبال شرکایی برای آزمایش این فناوری در محیط‌های واقعی، مانند استخراج نفت بهبود یافته (Enhanced Oil Recovery) هستند تا عملکرد آن را در مقیاس بزرگ‌تر ارزیابی کنند. هدف این است که نتایج آزمایشگاهی به شرایط عملیاتی واقعی تعمیم داده شده و فناوری نانوذرات AmHCNC در مقیاس صنعتی به کار گرفته شود.
نتایج این پژوهش در ژورنال ACS Applied Materials & Interfaces منتشر شده است و همچنین در جلد مکمل این ژورنال نیز به نمایش درآمده است. این پژوهش با حمایت مالی از سوی American Chemical Society Petroleum Research Fund و همچنین سرمایه‌گذاری از پن استیت و دیگر منابع، امکان‌پذیر شده است.
نتیجه‌گیری
با توجه به چالش‌های موجود در صنعت نفت و گاز و همچنین تأثیرات زیست محیطی مخرب بسیاری از راهکارهای موجود، توسعه نانوذرات دوستدار محیط زیست مانند AmHCNC می‌تواند تحولی مهم در این صنایع به شمار آید. این نانوذرات، نه تنها قادر به جلوگیری از تشکیل رسوبات معدنی هستند که به تجهیزات آسیب می‌رسانند، بلکه از طریق تثبیت امولسیون‌های آب در نفت، به بهبود فرآیند استخراج نفت کمک می‌کنند. همچنین، این نانوذرات از نظر زیست محیطی ایمن و به صرفه بوده و می‌توانند به راه‌حلی پایدارتر و کارآمدتر برای مشکلات قدیمی صنایع تبدیل شوند.
در نهایت، این پژوهش نشان می‌دهد که نانومهندسی و توسعه مواد زیست‌بنیان می‌تواند در بهبود عملکرد و کاهش تأثیرات زیست محیطی فرآیندهای صنعتی نقشی کلیدی ایفا کند. محققان امید دارند که این فناوری در آینده‌ای نزدیک در مقیاس وسیع‌تری به کار گرفته شده و صنایع مختلف از مزایای آن بهره‌مند شوند.
