صنایع شیمیایی JAM . BGR


موسسه آموزش عالی جامی دلیجان

;
 

بهبود ذخیره‌سازی هیدروژن

 پ‍‍ژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف با سنتز نوعی نانوهیدرید فلزی، گامی مهم در ذخیره‌سازی هیدروژن برداشتند.

 

مهندس حامد سیم‌چی، دانشجوی دکتری رشته مهندسی مواد دانشگاه دلاور امریکا در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو ابراز داشت: «یک راه ممکن برای مقابله با گرم‌شدن جهانی و حفظ منابع مطلوب انرژی، تبدیل جامعه بر پایه سوخت فسیلی امروزی به یک جامعه بر پایه هیدروژن است. ذخیره‌کردن هیدروژن به‌عنوان یکی از موانع اصلی برای رسیدن به جامعه هیدروژنی قابل تحقق، مطرح است.

 

روشی که امروزه توجه زیادی را به خود جلب کرده، ذخیره‌سازی در هیدریدهای فلزی و هیدریدهای ترکیبات بین فلزی است. اما دما و فشار کارکرد این هیدریدها بالاست ( 350°C). بنابراین در چند سال اخیر تلاش‌های گسترده‌ای برای کاهش دما و فشار کاری این هیدریدها از طریق کامپوزیت‌سازی و آلیاژسازی انجام شده است. استفاده از هیدرید فلزات نانوساختار می‌تواند راه‌حل مناسبی برای ذخیره‌سازی هیدروژن باشد. لذا هدف ما از انجام این پژوهش بررسی نحوه تأثیر کاتالیست‌های مطرح بر سینتیک دفع هیدروژن هیدرید منیزیم نانوساختار و کاهش دما و فشار دفع هیدروژن آن بود».

 

مهندس سیم‌چی در مورد چگونگی سنتز نانوهیدرید منیزیم و بهبود سینتیک دفع هیدروژن گفت: «در این پژوهش، نانوکامپوزیت نانوبلورین Mg-Ni/Nb2O5به روش آسیاب‌کاری مکانیکی سنتز شد. اثر شرایط آسیاب‌کاری به همراه افزودن Ni و Nb2O5 بر ساختار و سینتیک دفع هیدروژن بررسی گردید. مشخص گردید که افزایش کرنش شبکه در اثر آسیاب‌کاری مکانیکی در کنار افزودن مقدار مناسب کاتالیست تاثیر زیادی در بهبود خواص دفع هیدروژن MgH2 دارد. پس از یک ساعت آسیاب‌کاری، فاز فشار بالای γ-MgH2 در ساختار ظاهر شد. پس از 4 ساعت آسیاب‌کاری دمای دفع هیدروژن از426 °C به 327 کاهش یافت. مهم‌ترین عامل در کاهش دمای دفع هیدروژن میزان کرنش انباشته شده در داخل شبکه در اثر آسیاب‌کاری مکانیکی بود که پس از 4 ساعت آسیاب‌کاری به حدود 94/0 رسید. همچنین مشخص شد که در محدوده اندازه ذرات مورد بررسی (20-50μm)، اندازه ذرات، تأثیر چندانی در سینتیک دفع هیدروژن ندارند. با افزودن Ni و Nb2O5، سینتیک دفع هیدروژن به مقدار قابل ملاحظه‌ای بهبود یافت و دمای دفع هیدروژن در حدود 50 درصد نسبت به نمونه MgH2 خالص آسیاب نشده تقلیل یافت. این شرایط منجر به کاهشی در حدود 100°C در دمای دفع هیدروژن نانوکامپوزیت نسبت به MgH2 خالص آسیاب‌کاری شده گردید و دمای دفع هیدروژن به محدوده 230-200 °C رسید».

 

به گفته پژوهشگر این طرح، دمای دفع هیدروژن پودرهای سنتز شده، حدود 200°C کمتر از هیدرید منیزیم خالص است و در شرایط بهینه، دمای دفع هیدروژن از 426°C به محدوده 230-200°C کاهش یافته است.

 

جزئیات این پژوهش که با راهنمایی دکتر عبدالرضا سیم‌چی (استاد دانشگاه صنعتی شریف) و دکتر علی کفلو (استادیار سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران)، در مرکز تحقیقات مواد پیشرفته و نانومتری دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی شریف و با همکاری و حمایت سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران انجام شده، در مجله International Journal of Hydrogen Energy (جلد 34، صفحات 7724-30، سال2009) منتشر شده است.

 

پایدارسازی مخلوطهای پلیمری

5 سپتامبر 2002- تولید پلاستیک‌ها کار بزرگی است اما محدودیت‌هایی دارد. در صنعت، تحقیقات زیادی برای ترکیب خصوصیات مطلوب چندین پلیمر به منظور دسترسی به خواص جدید صورت می‌گیرد. فراگیر بودن، قیمت پایین و استراتژی ساده برای تهیه مخلوط پلیمرها می‌تواند به رفع مشکلات این عرصه کمک نماید.

 

پلاستیکها از بازار بزرگی برخوردارند، اما مقدار اندک پلیمرهای اصلی نمی‌تواند پاسخگوی درخواست روزافزون برای پلاستیکهای ارزان و فراگیر باشد. بیش از 30 سال است که دانشمندان سعی کرده‌اند ویژگیهای پلی‌اتیلن را توسط مخلوط کردن آن با پلی‌آمیدهایی با دمای ذوب خیلی بالا بهبود بخشند. اما برخلاف فلزات که به راحتی تشکیل آلیاژ می‌دهند، مخلوط پلیمرها تمایل به جدا شدن به صورت دو لایه دارند؛ مثل آب و روغن.

 

 اکنون لودویک لیبلر و همکارانش، روش جدیدی را برای پایدارسازی مخلوطهای پلیمری ارائه کرده‌اند که در آن پلیمرها به گونه‌ای با هم مخلوط می‌شوند که مخلوطی پایدار و و نانوساختاری از پلی‌اتیلن و پلی‌آمید بوجود آید. خواص مکانیکی و گرمایی این مخلوط حتی وقتی که پلی‌اتیلن جزء غالب در مخلوط باشد نسبت به حالات قبل بهبود می‌یابد.

 

مخلوطهای پلیمری تا کنون به صورت دو فاز در کنار یکدیگر تشکیل می‌شدند، بطوریکه یک فاز در فاز دیگر بصورت پراکنده قرار می‌گرفت. یکی از اهداف اصلی تحقیقات پلیمری، تشکیل مخلوطهای پلیمری پایدار و تک فاز است.

 

همچنین کنترل مورفولوژی پلیمرها برای دسترسی به موادی با کارکرد مشخص، ضروری است اما حفظ ساختار آنها همواره ممکن نیست. تا به حال ساختارهای بهم پیوسته بوسیله مخلوط مکانیکی ترکیبات پلیمری فراهم می‌شده است اما در بیشتر حالات، همینکه ورود انرژی به مخلوط متوقف می‌شود مواد به سرعت به سمت تعادل حرکت می‌کنند و پیوستگی آنها کم می‌شود. یک راه‌حل برای این مسأله این است که برای افزایش سازگاری بین دو پلیمر ناهمسان، یک سازگارکننده به سیستم اضافه شود. اما برای بسیاری از جفت پلیمرها مثل پلی‌اتیلن و پلی‌آمید ثابت شده است که دسترسی به مخلوط پلیمری غیر ممکن است.

 

محققین برای حل این مشکلات کوپلیمرهای دوجزئی را با کوپلیمرهای پیوندی که از مخلوط شدن واکنشی پلی‌اتیلن و پلی‌آمید بدست آمده‌اند جایگزین کرده‌اند. در این فرآیند پلیمرها با گروههای فعال و مکمل مخلوط شده و در دمای بالا در طول ذوب واکنش می‌دهند.

 

 این روش به منظور بهبود توزیع کوپلیمرها و افزایش پایداری ترمودینامیکی مخلوطهای پلیمری و نیز جلوگیری از کشش زنجیره‌های پلیمری در فصل مشترک اجزاء بکار می‌رود. کوپلیمرهای تولید شده با این روش دارای خزش کمتر و مقاومت حرارتی بالاتری هستند.

 

 همچنین این مخلوطهای پلیمری در دماهای خیلی بالاتر پایدار می‌مانند و خصوصیات مکانیکی بهتری نسبت به ترکیبات کلاسیک دارند. فراگیر بودن، هزینة پایین و سادگی این روش، استفاده از آنرا برای دسـتة وسیعی از پلیمرها مناسب می‌سازد.

 

توان فوق‌العادة نانوکاتالیزورها

 7 فوریه 2002- کاتالیزورها که از اجزای کوچکی از فلزات همانند پلاتین ساخته می‌شوند, بطور گسترده در صنایع شیمیایی و پالایش نفت و نیز بصورت مبدلهای کاتالیزوری در اگزوز خودروها بکار گرفته می‌شوند.

 

محققین در  دانشگاه دیویس کالیفرنیا با مطالعة کاتالیزورهای ایریدیوم (فقط با ابعاد4 اتم) رفتارهای غیرقابل انتظاری را کشف کردند که می‌تواند راه را برای نسل جدیدی از نانوکاتالیزورها باز کند.

 

بروس گیتس، مهندس شیمی این دانشگاه که سرپرستی این تحقیقات را بر عهده دارد، می‌گوید: "محققین با مشاهدة مستقیم واکنشهای شیمیایی، دریافتند که اصلاح مواد پایة کاتالیستهای نانوذره‌ای، تأثیر فوق‌العاده‌ای در عملکرد آنها خواهد داشت. درحالیکه پیش از این به پایة کاتالیستها بیش از یک نگهدارنده نگریسته نمی‌شد."

 

گیتس به کمک دانشجویانش, نانوخوشه‌های یکنواختی از ایریدیوم 4 اتمی (که در آن یک اتم بر روی 3 اتم دیگر در یک هرم کوچک می‌نشیند) را بر روی پایه‌های مختلف ساختند. این نانوخوشه‌ها برای تولید گاز پروپان از واکنش پروپن و هیدروژن بکار گرفته شدند.

 

موضوع جالب توجه این است که آنها دریافتند که تغییر (اصلاح) مواد پایة کاتالیست، کارآیی کاتالیزورها را تا 10 برابر افزایش می‌دهد. آنها همچنین دریافتند که خوشه‌های کاتالیزوری و پایه، از نظر شیمیایی با همدیگر مرتبط بوده و پایة کاتالیست، اثر قابل توجهی بر روی کاتالیزورها دارد.

 

گیتس می‌گوید: "درک عملکرد کاتالیزورهای جامد، یکی از چالشهای فراروی شیمیدانان بوده است، اما دانشمندان و مهندسان با بکارگیری تئوری جدید و استفاده از آرایشهای مختلف نانوخوشه‌های کاتالیزوری و مواد پایه، قادر به طراحی کاتالیزورهای جدید برای عملکردهای معین خواهندبود .

 

ساخت نانوحسگری دقیق جهت آنالیزهای شیمیایی

 ژانویه 2003 - حسگر مجهز به نانوپوسته‌، راه را برای روشهای جدید آزمایش مولکولهای منفرد باز می‌کند‌.

 

محققین نانوتکنولوژی در دانشگاه رایس موفق به کنترل دقیق میدان الکترومغناطیسی موجود در اطراف نانوذرات شدند‌.این امر راه را برای مشاهدة واکنشهای شیمیایی باز می‌کند‌ و امکان آنالیز نمونه‌هایی به کوچکی یک مولکول را برای پزشکان‌، دانشمندان علوم زیستی و شیمیدانها فراهم می‌سازد‌.

 

این تحقیق در شماره ژانویة  مجله Applied Physics Letters   بطور کامل شرح داده شده است‌. این مطلب بر اساس روش متداول آنالیز مولکولی به نام طیف نگاری رامان  انجام می‌شود و مبتنی بر ویژگیهای نوری قابل تنظیم نانوپوسته‌های فلزی ساخته شده در این دانشگاه می‌باشد.

 

بنا بر اظهارات هالاس، مخترع این نانو پوسته و مور، استاد مهندسی برق و رایانه‌‌ دانشگاه رایس: "نتایج بدست آمده بسیار مهم می‌باشند چراکه این اولین باری است که نانوحسگری جهت کسب اطلاعات شیمیایی به طور دقیق طراحی و مهندسی می‌شود‌. این فناوری کاربردهای فراوانی در علم محیط زیست‌، شیمی ‌و حسگرهای زیستی دارد و ممکن است در تشخیص سرطان نیز کاربردهایی داشته باشد‌."

 

استفاده از طیف نگاری توسط دانشمندان جهت دستیابی به اطلاعات جزئی در باره هر مقوله‌، از کهکشانهای دور تا مولکول‌‌ها، بسیار رایج و متداول است‌. دانشمندان می‌توانند با مطالعه طیف نور ساطع شده از هر شیء‌، عناصر موجود در یک نمونه را تشخیص داده و در برخی موارد ارتباط آنها با یکدیگر را کشف کنند‌. بطور کلی طیف نگاری  رامان دانشمندان را قادر به مشاهده وضعیت ارتعاشی مولکولها می‌سازد و برای مثال اطلاعاتی در باره محل و میزان خمیدگی مولکولها بدست می‌دهد و همانند " اثر انگشت" برای تشخیص مولکولهای خاص مورد نظر مانند آلاینده‌های محیطی و یا شیمیایی و سموم زیستی بکار می‌رود.

 

سالهاست که دانشمندان می‌دانند که می‌توان طیف نوری  رامان  یک نمونه را با قراردادن آن در کنار ذرات فلزی کوچک بنام کلوئید‌ها افزایش داد‌. همچنین دانشمندان با استفاده از این روش مولکولهای منفردی را مشاهده نموده‌اند، اما از آنجا که هیچ‌گاه قادر به کنترل دقیق وضعیت الکترومغناطیسی کلوئیدهای فلزی نبوده‌اند‌، نتایج و تفسیرهای بدست آمده از چنین مطالعاتی بسیار متفاوت است‌.

 

تحقیقات دانشگاه  رایس شانس کنترل دقیق "طیف نگاری رامان پیشرفتة سطحی" را برای دانشمندان فراهم می‌سازد. گروه هالاس توانست اثر SERS را افزایش داده و در برخی موارد قدرت آنرا تا یک میلیارد برابر بالا ببرد‌.

 

نانوپوسته‌ها مانند ساختار شیرینی شکلاتی با پوسته سخت‌، کولوئیدهای لایه‌لایه‌ای هستند که از هسته‌ای به جنس ماده عایق تشکیل شده‌اند و این هسته توسط پوسته فلزی نازکی پوشیده شده است‌. دانشمندان گروه هالاس با تغییر ضخامت پوسته‌هادی موفق به تنظیم دقیق خواص الکتریکی و نوری این نانوپوسته‌ها شدند‌.

 

نانوپوسته‌ها بدلیل اندازه و ساختار دقیق، برای افزایش SERS و سایر کاربردها بسیار مناسب و مفید می‌باشند‌. نانوپوسته‌ها تنها اندکی از اندازه مولکولها بزرگتر بوده و قطر آنها به حدود چند ده نانومتر و یا چند میلیاردم متر می‌رسد‌. تنظیم خواص نانوپوسته‌ها‌، گروه هالاس را قادر به بکار گیری شکل جدیدی از کنترل دقیق در سطح مولکولی می‌سازد‌.

 

تحقیق SERS در شماره 13 ژانویه مجله Applied Physics Letters در مقاله‌ای با عنوان "طیف نگاری رامان به کمک سطح از طریق هندسه نانوپوسته"  منتشر شده است‌.

 

هزینة این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم‌، بنیاد رابرت ولک و دفتر پیشگامی ‌تحقیقات دانشگاهی چند رشته‌ای ارتش آمریکا پرداخت شده است.

 

سیمان کاری نانو مواد بالادستی نفت

 

 

خلاصه نانو فناوری جنبه‌های فراوانی دارد، در کل هر نوع فرآیندی که بر روی اتم‌ها، مولکول‌ها، نیمه‌هادی‌ها، جامدات و مایعات در مقیاس زیر صد نانومتر صورت بگیرد، نانو فناوری نام دارد. با این‌که ابعاد مقیاس نانو به مراتب کوچک‌تر از میلیمتر و میکرو است، ولی به دلیل نزدیک بودن ابعاد نانو به ابعاد طبیعت کارکردن در این مقیاس نیز راحت‌تر است. نانو تکنولوژی هم اکنون در حال متحول کردن زندگی بشر است و در صنایع تحول زیادی ایجاد نموده و پیش بینی می شود این روال با سرعت بیشتری طی سالهای آتی ادامه یابد . از جمله حوزه هایی که نانو تکنولوژی در آن وارد شده است ، صنایع بالادستی نفت است که مطابق تعریف از اکتشاف تا قبل از پالایشگاه را شامل می شود. در این مقاله استفاده از نانوذرات و نانوافزودنیها در سیمان کاری چاههای نفت مورد بررسی قرار میگیرد.

 

مقدمه

در حین حفاری چاهها ، به منظور پایدارسازی دیواره چاه و جلوگیری از ریزش دیواره ، در فواصل معین ،لوله  هایی(لوله  های جداری) درون چاه رانده میشوند و پشت آنها سیمان می  شو  د   ولوله  های جداری توسط سیمان به جدارة چاه می چسبند و محکم می شوند. این فرآیند به این صورت انجام می شود که ابتدا لوله های جداری به یکدیگر وصل میشوند و تا انتهای چاه رانده می شوند. سپس سیمان از ته چاه به پشت لوله های جداری (فضای بین لوله های جداری و دهانه چاه) پمپ می شود و تا سطح زمین بالا می آید. نهایتاً زمان لازم برای خشک شدن سیمان در نظر گرفته می شود تا لوله های جداری به دیواره چاه متصل شوند. از لحظة تزریق سیمان تا خشک شدن کامل آن، لوله های جداری توسط کابل به دکل متصلند. سیمان‌های مورد استفاده می‌بایستی خواص بندش ،پمپ شوندگی، ویسکوزیته و سختی نهایی قابل کنترلی داشته باشند.شکلهای زیر مراحل سیمان کاری را نمایش میدهند.

 

 

کاربرد نانو مواد در سیمان کاری

کاربرد نانوذرات در سیمان کاری فرایندهای بالادستی نفت

سیمان مورد استفاده در این فرآیند باید خصوصیات ویسکوزیته، استحکام و زمان گیرش مناسبی داشته باشد و با استفاده از نانوافزودنی‌ها می‌توان این خصوصیات را برآورده ساخت.

نانوذرات با اضافه شدن به این سیمان به خاطر خواص میان خواص کوانتومی و خواص توده مواد، باعث به وجود آمدن خواص مناسب گردند. یکی از خصوصیات بارز این ذرات پس ازاضافه شدن هموژنیته یکسان تمام مخلوط می باشد که باعث هموژن شدن خواص سیمان میشود.

شرکت Nano Product Corp. از نانوذرات سیلیکات کلسیم در سیمان استفاده نموده است و سیمان حاصل قابلیت کاربری در دماهای بالا را دارد ؛ لذا می‌تواند گزینه مناسبی برای چاه‌های عمیق نفتی و چاه‌های ژئوترمال، باشد.

کاربرد نانوافزودنی ها در سیمان کاری

محصول نانوافزودنی combiner w که از سیلیکای آمورف در ساختن آن استفاده شده است ، بواسطة ‌دانه ریز بودن ذرات تشکیل‌دهنده‌اش، خواص ویژه‌ای از لحاظ پایداری، کیفیت و قابلیت استفاده شدن، به سیمان چاه‌ها می‌دهد.

همچنین دوغاب سیمان حاصل، کاملاً پایدار می‌شود و آب اضافی حذف می‌شود. با توجه به داشتن وزن مخصوص مناسب ، combiner w در دوغاب‌های سبک، بسیار عالی عمل می‌کند.

در حفاری آب‌های عمیق و بسیار عمیق که دمای سطح زمین پائین است، combiner w خواص مطلوبی من جمله تراکم‌پذیری اولیه و زمان‌بند‌ش مناسب به سیمان می‌دهد.با توجه به اینکه زمان‌بندش سیمان حاصل کاهش می‌یابد، Weight on Cement کمتر شده و حفاری با سرعت بیشتری ادامه پیدا می‌کند.