چالشهای تحقیقات کشور در زمینه فناوری جداسازی غشایی گازها
فرآیندهای جداسازی غشایی از دهه 1960 کاربردهای صنعتی یافتند و برخی از آنها مانند جداسازی گازها توسط غشاء، عمری کمتر و در حدود 25 سال دارند. در خلال این دوره زمانی، این فرآیندها کاربردهای متنوعی در صنایع یافته و رشد چشمگیری در بازار فروش بدست آورده اند. به عنوان مثال، متوسط رشد سالیانه بازار فروش فرآیندهای غشایی در فاصله زمانی سالهای 1997 تا 2001 در امریکا 8% بوده است. این روند که آینده روشنی را برای فرآیندهای این فناوری نوید می دهد، عمدتاً به دلیل مزایای ویژه فرآیندهای این فناوری در مقایسه با سایر روشهای کلاسیک نظیر جذب با حلال، جذب سطحی، فرآیندهای Cryogenic و ... می باشد. عمده ترین مزایای فرآیندهای غشایی را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:
مصرف انرژی کمتر برای انجام جداسازی§
امکان انجام عملیات جداسازی§ در دمای محیط
سهولت دستیابی به کلیه فازهای جداسازی شده§
انجام عملیات§ جداسازی توسط تجهیزاتی با وزن و حجم کم
نصب و عملیات ساده§
حداقل نیاز به§ کنترل، بازرسی، تعمیر و نگهداری
طبیعت مدولار بودن فرآیند و بنابراین انعطاف§ پذیری بالای فرآیند برای پاسخگویی به انواع نیازهای جداسازی
عدم نیاز به§ استفاده از مواد شیمیایی برای جداسازی و بنابراین عدم وجود مسائل زیست محیطی ناشی از مصرف مواد شیمیایی
ایده ال برای مناطق دوردست و موقعیتهایی که امکان فراهم§ آوردن تسهیلات جانبی فرآیندها موجود نباشد.فرآیندهای غشایی در خلال دو دهه گذشته کاربردهای متنوعی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی یافته اند. امروزه علاوه بر استفاده از این فناوری جهت تصفیه آب و پساب در این صنایع، در فرآیند تولید و پالایش مواد نیز جذابیت زیادی پیدا کرده و قابل رقابت با روشهای کلاسیک جداسازی می باشد. مهمترین زمینه های رقابت فناوری غشایی با فرآیندهای کلاسیک در صنعت نفت، عبارتند از:
شیرین سازی گاز ترش (حذف CO2 و H2S از گاز طبیعی)§
بازیافت و§ خالص سازی هیدروژن از جریانهای گازی نظیر بازیافت هیدروژن از گازهای خروجی واحدهای پالایشگاهی نظیر هیدرو کراکر، هیدرو تریتر، FCC و ...
بازیافت هیدروژن از§ گازهای خروجی واحدهای تولید آمونیاک
تنظیم نسبت H2/CO در گاز سنتز به منظور§ استفاده در انواع فرآیندهای تبدیلات گازی
حذف بخار آب از گاز طبیعی و سایر§ جریانهای گازی
بازیافت و جداسازی هیدروکربن های سنگین از جریان گاز طبیعی و§ سایر جریانهای گازی
تولید نیتروژن از هوا§
تولید هوای غنی از§ اکسیژن
یکی دیگر از زمینه هایی که در خلال سالهای اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است، راکتورهای غشایی هستند که با انجام همزمان واکنش شیمیایی و جداسازی، بسیاری از محدودیتهای فرآیندهای کلاسیک را مرتفع می کنند. بخش قابل توجهی از تحقیقات در زمینه راکتورهای غشایی، مرتبط با واکنش های تبدیلات گازی و نیز سایر تبدیلات شیمیایی در صنایع پتروشیمی و پالایش نفت می باشد. چنانچه این تحقیقات به نتایج مطمئنی جهت استفاده در مقیاس صنعتی دست یابد، آینده بسیاری از فرآیندها را در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی تحت تاثیر خود قرار خواهد داد. به این دلایل، لزوم همگامی بخش تحقیقات کشور ما با تحقیقات جاری در دنیا در این زمینه کاملاً محسوس است.
تحقیقات در زمینه فناوری جداسازی غشایی گازها در داخل کشور
آنچه از آن به عنوان فناوری غشایی یاد می شود، شامل مجموعه ای از فرایندها است که مهمترین آنها عبارتند از: میکرو فیلتراسیون، اولترا فیلتراسیون، نانو فیلتراسیون، اسمز معکوس، تراوش تبخیری، دیالیز، الکترو دیالیز، نفوذ گاز، تراوش گاز، غشاهای مایع ، تماس دهنده های غشایی و راکتورهای غشایی. در هر یک از این فرایندها می توان محورهای کلی ذیل را برای تحقیقات ملاحظه نمود:
توسعه غشاهای جدید (بکار بردن مواد جدید برای ساخت غشاء، بهبود§ غشاهای موجود)
توسعه کاربرد غشاهای موجود (طراحی فرآیند، پیش تصفیه، مطالعات§ امکان سنجی و بررسی های اقتصادی و ...)
بررسی های تئوری مکانیسم جداسازی توسط§ غشاء
مدلسازی و شبیه سازی فرآیند غشایی§
حل مسائل فرآیندی مرتبط (گرفتگی§ غشاها، روشهای شستشو و ...)
در ارتباط با ساخت غشاهای جدید، تحقیقات در هر یک از گروههای مواد پلیمری، فلزات و مواد سرامیکی صورت می گیرد. امروزه استفاده از فناوری نانو نیز برای ساخت غشاها توجه بسیاری را به خود معطوف نموده است.
در این حوزه وسیع از پژوهشهای غشایی، مهمترین چیزی که به تحقیقات جهت می دهد، بودجه پژوهش است که توسط متقاضیان پژوهش تأمین می شود. در حال حاضر در کشور ما فناوری غشایی برای جداسازی مایعات بکار گرفته شده است. شیرین سازی آب توسط فرآیند اسمز معکوس ، دیالیز خون توسط فرآیند دیالیز و تغلیظ شیر و تولید پنیر به کمک فرآیند اولترا فیلتراسیون، از جمله مهمترین مصارف این فناوری در کشور ما هستند. بنابراین متقاضیان تحقیقات در زمینه فناوری غشایی در حوزه جداسازی مایعات به نسبت متنوع بوده و شامل صنایع تصفیه آب و پساب، صنایع پزشکی، صنایع غذایی و لبنی، صنایع فلزی و خودرو و ... می شوند.
در حوزه جداسازی گازها توسط غشاء، روند دیگری حاکم است. از یک سو این فناوری در کشور ما به جز چند مورد محدود، تاکنون مورد استفاده قرار نگرفته است. از سوی دیگر مصرف کننده عمده این فناوری تقریباً به صنایع نفت، گاز و پتروشیمی محدود می شود. در این صنایع، فناوری غشایی پتانسیل های فراوانی برای کاربرد دارد. در صنعت پالایش نفت، از این فناوری برای بازیافت هیدروژن از جریانهای خروجی واحدهای شکست هیدروکربن های سنگین، بازیافت هیدروکربن های باارزش (نظیر LPG) از جریان های ارسالی به فلر استفاده شده است. در صنعت پالایش گاز، فناوری غشایی برای شیرین سازی گازهای ترش، نم زدایی، بازیافت هیدروکربنها و تنظیم نقطه شبنم گاز و همچنین جداسازی هلیوم استفاده شده است. همچنین صنعت پتروشیمی از این فناوری برای بازیافت هیدروژن خروجی از واحدهای آمونیاک، تنظیم نسبت هیدروژن به منوکسید کربن در گاز سنتز و بازیافت انواع مونومرها نظیر اتیلن، پروپیلن و کلرید وینیل از جریانهای خروجی واحدهای پلیمریزاسیون استفاده کرده است. تولید نیتروژن از هوا از جمله کاربردهای عمومی این فناوری در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی بوده و در تمامی مواردیکه به ایجاد محیط بی اثر توسط گاز نیتروژن نیاز است، این فناوری کاربرد خواهد داشت.
بنابراین، در ایران کارفرمایان پروژه های تحقیقاتی غشایی، شرکت ملی نفت، شرکت ملی پالایش و پخش، شرکت ملی گاز و شرکت ملی پتروشیمی خواهند بود که در قالب امور تحقیق و توسعه شرکت های فوق (اصلی و یا شرکتهای تابعه) و یا بخش های تحقیق و توسعه پالایشگاه ها و مجتمع ها متقاضی تحقیقات در این حوزه هستند.
مجریان پروژه های تحقیقاتی نیز دانشگاهها، مراکز تحقیقاتی (نظیر پژوهشگاه صنعت نفت) و شرکتهای خصوصی هستند. انجام پروژه های تحقیقاتی در این حوزه برای مجریان آنها دشواری های خاصی در بر دارد. معمولاً تحقیق در این حوزه نیاز به بودجه تحقیقاتی بالایی دارد، چرا که هزینه سیستم های آزمایشگاهی و آنالیز در این تحقیقات، به نسبت بالا است. آنالیز دقیق و مطمئن نمونه های گازها از جمله دشواری های این نوع تحقیقات به شمار می آید. همچنین با توجه به اینکه در این تحقیقات از گازهای قابل اشتعال (مانند هیدروژن و متان) و یا بسیار سمی (مانند سولفید هیدروژن) در فشار بالا استفاده می شود، خطرات تحقیقات تجربی در این حوزه را نیز باید به فهرست دشواری های مجریان افزود. برای تحقیقات در زمینه ساخت غشاء، به زمان زیادی برای حصول نتایج قابل قبول نیاز است و پژوهش در زمینه کاربرد غشاهای موجود با مشکل دسترسی به نمونه غشاهای تجاری مواجه می باشد. چرا که اغلب سازندگان غشاها، نمونه های غشای خود را در اختیار سایرین قرار نمی دهند. همچنین برای اجرای مطالعات امکان سنجی و بررسی های اقتصادی، دسترسی به اطلاعات فنی مرتبط با مدول های غشایی موجود و داده های اقتصادی به سهولت امکانپذیر نیست چرا که دارندگان این فناوری در جهان محدود بوده و تقریباً به صورت انحصاری فعالیت می نمایند. از اینرو اطلاعات مرتبط با سیستمهای خود را در اختیار سایرین قرار نمی دهند.
چنانچه پالایشگاه ها و مجتمع ها که از این پس صنعت نامیده می شوند به عنوان منابع تأمین بودجه تحقیقات در این حوزه در نظر بگیریم، انتخاب صحیحی نداشته ایم چرا که صنعت ما در حال حاضر متقاضی حقیقی تحقیقات دانشگاهی در این زمینه نیست. تجربه نشان داده است که تحقیقات برای این دسته از مخاطبین تنها در حد شناسایی سطحی پتانسیل های استفاده از این فناوری پیش خواهد رفت و در نهایت تمایل خواهند داشت پس از شناسایی پتانسیل ها، مستقیماً فناوری را از صاحب لیسانس آن خریداری نمایند.
مشتریان صنعتی تحقیقات، از محقق انتظاراتی دارند که از جمله آنها می توان به زمان کوتاه به نتیجه رسیدن تحقیقات، در نظر گرفتن کلیه جنبه ها در تحقیق و بررسی اثر موضوع تحقیق روی سایر فرایندهای جاری آن صنعت، تحویل محصول تحقیق به صورت یک محصول کلید در دست و در نهایت، پشتیبانی و گارانتی محصول اشاره کرد. این انتظارات از جانب یک مشتری، منطقی است و در همه جای دنیا حاکم است لیکن علت تفاوت رابطه محقق با صنعت در ایران و کشورهای پیشرفته در اینست که تحقیقات داخلی همواره رقیبی به نام صاحب لیسانس خارجی داشته است که قادر است بسیار بهتر از محققین داخلی نیازهای صنعت را برآورده نماید. اما در کشورهای پیشرفته، صنعت پیشتاز است و رقبای پیشتازی نیز دارد. لذا تنها راه، اتکا به تحقیقات وابسته به خود است.
در ایران نیز برخی از صنایع، متقاضی و حامی تحقیقات داخلی از جمله تحقیق در زمینه فناوری غشایی جداسازی گازها می باشند ولی این حمایت ناشی از دلایلی است که در نهایت به نفع رابطه بین بخش صنعت با بخش تحقیقات نخواهد بود. در برخی موارد، صنعت به مسیر طولانی بین یک ایده تا تحقق آن در بازار توجه ندارد و از اینرو تصور می نماید که با حمایت از ایده یک محقق می تواند در زمانی کوتاه و با هزینه کم، از مزایای آن در عمل استفاده نماید. در برخی موارد عدم شناخت صنعت از محدودیتهای فناوری جدید، منجر به حمایت صنعت از ایده ای مرتبط با این فناوری می گردد و محقق نیز ممکن است در ابتدا این محدودیتها را از صنعت پنهان نماید. در مواردی تنها عامل حمایت از تحقیقات، اجبار به فعال بودن بخشی به نام تحقیق و توسعه در صنایع وابسته به دولت است و در مواردی نیز صنعت تمایل دارد با حمایت مختصر از تحقیقات داخلی، با یک فناوری جدید آشنا شده تا بعد، آنرا از صاحب لیسانس خارجی آن خریداری نماید. اینها نمونه هایی از انگیزه های ارتباط صنعت با بخش تحقیقات هستند و همگی نشان می دهند که صنعت، متقاضی حقیقی تحقیقات داخلی نیست. در نهایت می توان نتیجه گرفت که با توجه به اینکه این تحقیقات هیچگاه نیاز واقعی صنعت را برآورده نمی سازد، در درازمدت شکاف بین صنعت و محققین گسترش خواهد یافت.
امور تحقیق و توسعه شرکتهای اصلی چهارگانه وزارت نفت و شرکتهای تابعه، بهترین مرجع برای حمایت از تحقیقات جداسازی گازها توسط غشاء هستند. این امور قادرند برای نیازهای صنعت نفت ایران برنامه ریزی بلند مدت پژوهشی نمایند همچنین از منابع مالی و پشتیبانی مناسبی برای حمایت از پژوهش های این حوزه برخوردارند. لیکن در حال حاضر از یک سو حمایت این مراکز از تحقیقات غشایی فاقد هدف و برنامه است و از سوی دیگر این مراکز با یکدیگر هماهنگ نیستند و به سهولت ممکن است پروژه هایی یکسان از جانب این مراکز حمایت شوند. نتیجه این شرایط، هرز روی بودجه و عدم دستیابی به فناوری بومی غشایی حتی در دراز مدت خواهد بود.
جمع بندی شرایط حاکم کنونی در تحقیقات غشایی به شرح ذیل است:
• هیچ مرجع کلانی برای برنامه ریزی و تعیین اولویت های تحقیق در زمینه فناوری غشایی جداسازی گازها وجود ندارد
• حمایت از تحقیقات در این حوزه با هماهنگی بین مراکز متولی صورت نمی گیرد
• هر یک از محققین، بسیار پراکنده و بسته به منابعی که بطور موقت او را تأمین می کنند، فعالیت می کند. بنابراین نتایج تحقیقات، همچنین امکانات و تجهیزات، به یکدیگر افزوده نمی شوند
• کیفیت تحقیقات به دلیل کمبود دانش، زمان و امکانات، پایین است
• صنعت در حال حاضر به این فناوری علاقمند است؛ اما این علاقمندی می تواند یک تهدید برای تحقیقات داخلی غشایی باشد
راهکار پیشنهادی
بهبود شرایط تحقیقات در این حوزه می تواند توسط تأسیس یک مرکز هماهنگ کننده برای تحقیقات غشایی حاصل شود. دفتر همکاری های فناوری ریاست جمهوری و یا مدیریت کل امور پژوهش وزارت نفت، متولیان مناسبی برای تأسیس این مرکز هستند. این مرکز همچنین می تواند خودجوش بوده و توسط علاقمندان و متخصصان این حوزه به عنوان مثال در قالب انجمن غشاء ایران تشکیل گردد.
وظایف اصلی این مرکز هماهنگ کننده به شرح زیر پیش بینی می شود:
• شناسایی به روز کلیه محققین و مراکز تحقیقاتی فعال در زمینه تحقیقات غشایی در سطح کشور و امکانات و توانمندی های خاص آنها
• ترغیب مراکز اصلی تحقیق و توسعه وزارت نفت برای ترسیم اهداف و برنامه تحقیقاتی خود در زمینه فناوری غشایی
• برقراری هماهنگی بین مراکز اصلی تحقیق و توسعه به منظور پیشگیری از دوباره کاری
• تلاش در جهت هدایت بودجه های تحقیقاتی متناسب با زمینه تخصصی هر یک از محققین یا مراکز تحقیقاتی و در راستای اهداف هر یک از بخشهای وزارت نفت
بدیهی است هدف کلان تحقیقات کشور در این حوزه باید در اختیار داشتن فناوری بومی جداسازی گازها با غشاء، اعم از فناوری ساخت غشاء و فناوری فرآیند غشایی باشد. استراتژی پیشنهادی برای تحقیقات در زمینه جداسازی غشایی گازها اینست که حرکت در هر دو مسیر و بصورت موازی صورت گیرد. در زمینه دستیابی به فناوری ساخت غشاء، با توجه به انحصاری بودن این فناوری در دست تعداد محدودی شرکت در دنیا، امکان انتقال این فناوری به داخل ایران وجود ندارد. بنابراین در این زمینه تنها راه، تکیه بر توان داخلی و تلاش برای دستیابی به فناوری بومی ساخت غشاهای جداسازی گازها می باشد. در زمینه دستیابی به فناوری فرآیند غشایی، شرایط متفاوت است چرا که امکان خرید این تکنولوژی وجود دارد و صنعت نفت ایران نیز تمایل به بهره گیری هر چه سریعتر از قابلیت های این فناوری دارد، بنابراین بهترین استراتژی در این زمینه، انتقال فناوری موجود در کاربرد غشاها (برمبنای غشاهای خارجی) به صنعت نفت به همراه هضم فناوری بکار گرفته شده می باشد. تلفیق دستاوردهای این دو مسیر می تواند منجر به تحقق هدف کلان گردد.
دستیابی به فناوری بومی ساخت غشاهای جداسازی گازها، مسیری است که
شامل مراحل ساخت غشاء در مقیاس آزمایشگاهی، ساخت غشاء در مقیاس پایلوت، ساخت مدول غشایی در مقیاس پایلوت و در نهایت ساخت غشاء و مدول در مقیاس صنعتی می باشد. بهترین مجری برای ساخت غشاء در مقیاس آزمایشگاهی، بخش دانشگاهی کشور است. در مراحل ساخت غشاء و ساخت مدول غشایی، بخش خصوصی نیز قادر است همپای دانشگاهها به فعالیت بپردازد. در تمامی این مراحل، حمایت مداوم مراکز تحقیق و توسعه وزارت نفت ضروری است. بخش خصوصی می تواند اجرای مرحله نهایی یعنی ساخت غشاء و مدول غشایی در مقیاس صنعتی را عهده دار شود. اگرچه در این مرحله نیز حمایت دولتی همچنان لازم است.
در مسیر تحقیقات برای ساخت غشاء، کنترل و نظارت عنصری ضروری است. دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی باید در قبال دریافت بودجه تحقیقاتی، پاسخگو باشند و این امر تنها به ارائه گزارش های پایان پروژه محدود نشود. حمایت مالی از دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی، باید با میزان امکانات و تجهیزات فراهم شده توسط مجری در راستای موضوع تحقیق، میزان به خدمت گرفتن دانشجویان و نیروی تحقیقاتی و دستاوردهای وی اعم از گزارشات، مقالات، سمینارها و البته محصول اصلی تحقیقات یعنی غشاء متناسب باشد. میزان موفقیت هر یک از محققین در تحقق هدف اصلی تحقیقات در بخش ساخت غشاء و ساخت مدول غشایی باید توسط یک مرجع معتبر تأیید شود و این تأیید باید به عنوان یک الزام در خاتمه هر مرحله از مسیر ساخت غشاء، در نظر گرفته شود. این مرجع باید دارای ویژگیهای زیر باشد:
• نسبت به فناوری غشایی شناخت کامل داشته باشد
• مجهز به تجهیزات اندازه گیری کیفیت غشا های ساخته شده باشد
• منافع خود را در گرو موفقیت بخش داخلی برای ساخت غشاء بداند
• نسبت به کلیه مراکز تحقیقاتی رقیب برای ساخت غشاء، بی طرف باشد