چالشهای تحقیقات کشور در زمینه فناوری جداسازی غشایی گاز ها
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 فرآیند های 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، فرآیند های 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 گاز های 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.