ساخت غشای پلیمری شیرین‌سازی گاز طبیعی و حذف co ۲ از دودکش کارخانه‌ها

به گزارش مجله خبری نگاربا افزایش جمعیت انتظار می‌رود مصرف انرژی در جهان به بیش از TW ۴۰ (تریلیون وات) برسد، از طرفی مهمترین منبع تولید انرژی، احتراق سوخت‌های فسیلی است و در کشور‌های در حال توسعه، گاز CO ۲ حاصل از احتراق به اتمسفر وارد می‌شود؛ در نتیجه دنیا با چالش نشر گاز‌های گلخانه‌ای و تغییرات اتمسفری به دلیل وجود این مشکل روبه‌رو است.

تحقیقات نشان داده است که حدود ۶۰ درصد از تاثیر گاز‌های گلخانه‌ای بر تغییر اتمسفر به دلیل وجود گاز CO ۲ است که ناشی از احتراق سوخت‌های فسیلی و معدنی در بخش انرژی، کشاورزی و دامپروری و تولید زباله در کشور‌های صنعتی است. برای مثال، فقط در ایران، نشر گاز CO ۲ حاصل از صنعت پتروشیمی، ۱۵ میلیون تن در سال است؛ نشر CO ۲ در ایران بین سال‌های ۱۹۶۰ و ۲۰۱۴ یک پرش بزرگ داشته، به طوری که در این بازه این مقدار ۱۷ برابر شده است.

بزرگترین منبع تولید CO ۲ در ایران، گاز دودکش حاصل از فرایند پس از احتراق نیروگاه‌هاست. گاز‌های حاصل از این فرایند، به وسیله آتش زدن گاز طبیعی (شامل ۸-۴ درصد حجمی گاز CO ۲) و احتراق ذغال سنگ (۱۵-۱۲درصد حجمی گاز CO ۲) وارد اتمسفر می‌شوند. حجم بالایی از جریان‌های گاز دودکش، در فشار‌های معمولا کمتر از ۵/۱ بار و دما‌های حدود ۱۰۰-۵۰ درجه سانتیگراد، غالبا N ۲ مرطوب‌شده همراه با CO ۲ است.

علاوه بر تاثیر CO ۲ به عنوان یک گاز گلخانه ای، این گاز یکی از مهمترین آلاینده‌های هوا محسوب می‌شود. ازاین‌رو، همواره یافتن روشی مؤثر و اقتصادی در جلوگیری از ورود گاز گلخانه‌ای دی‌اکسید کربن به جو، از اهمیت ویژه‌ای در بین محققان برخوردار بوده است.

گاز طبیعی دارای ناخالصی‌هایی مانند دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن است. این گاز‌ها به عنوان گاز ترش شناخته می‌شوند، زیرا در تماس با بخار آب تولید اسید می‌نماید که خوردگی خطوط انتقال و همچنین تجهیزات فرآیندی را در بر دارد. گاز سولفید هیدروژن بسیار سمی و کشنده است. این ناخالصی‌ها باعث کاهش ارزش گرمایی گاز طبیعی و کاهش حجم برای انتقال در خط لوله می‌شود.

فرشته سادات مطهری دانش آموخته دکترای مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مجری طرح «ساخت و ارزیابی غشای پلی اتیلن اکسید شبکه‌ای‌شده به منظور جداسازی دی‌اکسیدکربن از نیتروژن و متان» است.

به گفته مطهری و به نقل از گزارش روز چهارشنبه دانشگاه صنعتی امیرکبیر، برای شیرین‌سازی گاز طبیعی روش‌های زیادی وجود دارد، تک مرحله‌ای بودن در مقابل فرآیند‌های پیچیده تصفیه گاز، طراحی ساده، تطبیق پذیر بودن در مقیاس‌های متفاوت و عدم استفاده از مواد شیمیایی منجر شده است فناوری غشایی مورد توجه پژوهشگران قرار گیرد. فرآیند جداسازی توسط غشا از لحاظ ذخیره انرژی بسیار موثر است.

مطهری در این خصوص توضیح داد: بر اساس ملاحظات اقتصادی و محیطی، تاکنون روش‌های مختلفی در دنیا برای جداسازی CO ۲ از گاز حاصل از دودکش طراحی و به‌کار گرفته شده‌است، با توجه به مشکلات اقتصادی کشور، روش مورد استفاده باید هزینه عملیاتی پایینی داشته و انرژی کمی مصرف کند.

وی خاطر نشان کرد: روش‌های متداول جذب، جذب سطحی، تقطیر برودتی و جداسازی غشایی هستند که از بینشان تکنولوژی غشایی به دلیل خصوصیات ذاتی، مثل توانایی ذخیره انرژی و عملیات به صورت پیوسته بسیار مورد توجه قرارگرفته‌است. علاوه بر این، در جداسازی به وسیله غشا نیاز به تغییر فاز نیست و عملیاتی تک مرحله‌ای با تعداد کمی از قسمت‌های متحرک مثل کمپرسور یا پمپ خلأ است.

مطهری با بیان اینکه کنترل فرایند غشایی بسیار ساده است و به راحتی قابلیت افزایش مقیاس را دارد، گفت: اخیرا، غشا‌های ساخته‌شده از پلیمر پلی اتیلن اکسید (PEO) بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند، زیرا فرایند حذف CO ۲ می‌تواند بوسیله حلالیت گاز‌های مختلف در غشا کنترل شود. پلی اتیلن اکسید بدلیل داشتن گروه‌های اتر اکسیژن قطبی، برهمکنش بالایی با CO ۲ دارد، بنابراین استفاده از غشا‌های ساخته شده از PEO در فرایند‌های پاکسازی گاز‌های دودکش و شیرین‌سازی گاز طبیعی بسیار موثر خواهد بود.

دانش آموخته دانشگاه صنعتی شریف گفت: هدف از این اختراع، ساخت غشای پلی اتیلن اکسید شبکه‌ای‌شده سازگار با محیط زیست و به صرفه از نظر اقتصادی به منظور بهبود عملکرد غشا با هدف حذف گاز CO ۲ از گاز دودکش (جداسازی CO ۲ از N ۲) و در نتیجه جلوگیری از ورود دی اکسید کربن به اتمسفر، و شیرین‌سازی گاز طبیعی (جداسازی CO ۲ از CH ۴) به منظور کاهش خوردگی خطوط انتقال گاز است.

وی تاکید کرد: در این پژوهش، به روش شبکه‌ای کردن و تغییر تعدادی از عوامل، بلورینگی پلیمر PEO با وزن مولکولی بالا کاهش یافته و سپس عملکرد غشای بدست آمده در حذف گاز CO ۲ از N ۲ و CH ۴ بهینه شده است.

مطهری با اشاره به اهداف این تحقیق و مزایای اجرای آن گفت: ساخت غشای پلیمری پلی اتیلن اکسید شبکه‌ای شده CO ۲ دوست سازگار با محیط زیست، با هزینه کم و بازدهی بالا، حذف گاز CO ۲ از خروجی دودکش کارخانجات سیمان، فولاد، آهن و صنایع پتروشیمی، با استفاده از فرایند غشایی، کاهش نشر این گاز گلخانه‌ای به اتمسفر و مقابله با گرم شدن کره زمین و دیگر تبعات وجود گاز‌های گلخانه‌ای، کاهش آلودگی هوا و درنتیجه مقابله با بالا رفتن شاخص آلودگی هوا و به تبع آن کاهش هزینه‌های پزشکی درمان بیماری‌های حاصل از آلودگی هوا از مزایای این پروژه است.

وی در خصوص کاربرد‌ها و مزیت‌های استفاده از این طرح گفت: کشور ایران دارای منابع گاز فراوان به خصوص در جنوب کشور و خلیج فارس است و در بسیاری از موارد مقادیر زیادی گاز همراه با نفت استحصال می‌شود که به دلیل به صرفه نبودن احداث پالایشگاه گاز، این گاز به فلر فرستاده شده و سوزانده می‌شود. این غشا می‌تواند درون مدول‌های غشایی جای گرفته و در صنایع گاز و پتروشیمی مورد استفاده قرار گیرد و بدلیل توانایی عملیات در فشار‌های بالا، قادر به تصفیه گاز بر سر چاه است. در بسیاری از موارد که سکوی استحصال در میان دریا قرار دارد می‌توان با تجهیزات بسیار کوچکی که سیستم‌های غشایی نسبت به سیستم‌های آمین موجود دارند، گاز را هنگام استحصال شیرین نمود و از خوردگی لوله‌های انتقال تا ساحل که تعمیرات آن‌ها سخت و بسیار هزینه بر می‌باشد، جلوگیری کرد.

مطهری افزود: در این تحقیق توانستیم با روشی جدید به غشایی با تراوش پذیری و انتخاب پذیری بسیار بالا نسبت به غشا‌های پیشین دست پیدا کنیم. از طرفی پلیمر اصلی جهت سنتز این غشا، پلی اتیلن اکسید است که یک پلیمر زیست تخریب پذیر بوده و بنابراین سازگار با محیط زیست است و برخلاف دیگر پلیمر‌ها به مجیط زیست آسیب نمی‌رساند.

وی تاکید کرد: در این اختراع از روشی جدید برای ساخت غشای پلی اتیلن اکسید شبکه‌ای شده استفاده می‌شود که روشی آسان و مقرون به صرفه بوده و بازدهی بالایی دارد.