کاربرد مواد نانومتخلخل در پلیمریزاسیون و ایزومریزاسیون

علوم و فناوری نانو در دهه 1980 میلادی توسط فیزیکدان آمریکایی "ریچارد فاینمن" تشریح شد. در این فناوری خواص فیزیکی مواد نانوابعاد در حوزه‌ای بین اثرات کوانتومی و خواص توده قرار می‌گیرد. علوم نانو محصول مطالعات دانشمندان در رشته‌های مختلف بوده است که با راه‌حل‌ها و روش‌های گوناگون و خلاقانه به صورت علوم بین رشته‌ای درآمده است . محققان و سیاستگذاران سراسر جهان انتظار دارند که علوم نانو موجب تغییرات وسیعی در نحوه زندگی شود. در این نوشتار، ضمن بررسی فرایند کراکینگ / شکست کاتالیستی، انواع کاتالیست‌های مورد استفاده در این فرایند و تاثیر فناوری نانو بر آنها که منجر به ایجاد نسل جدیدی از کاتالیست‌ها با نام "نانوکاتالیست‌ها" شده، بررسی گردیده است. مقدمه پالایش نفت با تقطیر جزء به ‌جزء نفت‌خام به گروه‌های هیدروکربنی شروع شده و خواص محصولات مستقیماً متناسب با نحوه انجام فرآیند تبدیل نفت می‌باشد. فرآیندها و عملیات پالایش نفت به پنج بخش اصلی تقسیم می‌شود : الف) تفکیک (تقطیر) ب) فرآیندهای تبدیلی که اندازه و ساختار ملکولی هیدروکربن‌ها را تغییر می‌دهند این فرآیندها شامل: ب-1) تجزیه (تقسیم) ب-2) همسان‌سازی(ترکیب) ب-3) جایگزینی(نوآرائی) می‌باشند. ج) فرآیندهای عمل‌آوری د) تنظیم و اختلاط فرایند تجزیه که از زیر شاخه‌های فرایندهای تبدیلی محسوب می‌شود، شامل هیدروکراکینگ، شکست کاتالیستی و شکست گرمایی می‌شود. پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون در صنایع پتروشیمی، فرآیند تبدیل گازهای اولفین سبک، شامل اتیلن، پروپیلن و بوتیلن به هیدروکربن‌های با وزن مولکولی بیشتر و عدد اکتان بالاتر می‌باشد که به‌عنوان مخلوطهای سوختی مرغوب استفاده می‌شود. درطی این فرآیند 2 یا بیشتر مولکول‌های اولفین یکسان، تشکیل یک مولکول با عناصر یکسان و خواص یکسان به‌عنوان مولکول‌های جدید می‌دهند. پلیمریزاسیون می‌تواند بطور گرمایی یا در حضور کاتالیست دردمای پایین‌تر اتفاق بیفتد.

شکل 1 ) نمایه فرایند پلیمریزاسیون

ایزومریزاسیون در ایزومریزاسیون بوتان نرمال، پنتان نرمال و هگزان نرمال، به ایزوپارافین‌های مربوطه با عدد اکتان بالاتر تبدیل می‌شود. پارافین‌های با زنجیره مستقیم، به زنجیره‌های شاخه‌دار با همان تعداد اتم ولی با ساختار هندسی متفاوت تبدیل می‌شوند. محصولات ایزو بوتان این واحد، خوراک واحد آلکیلاسیون بوده و ایزوپنتان و ایزوهگزان برای مخلوط گازوئیل بکار می‌رود. کاربردهای فناوری نانو در پلیمریزاسیون و ایزومریزاسیون پلیمریزاسیون به‌علت اینکه پلیمر شدن در این‌جا به معنی واقعی کلمه اتفاق نمی‌افتد بلکه واکنش تا تشکیل دی‌مر‌ها و تری‌مرها خاتمه می‌یابد لذا باید طراحی فضای واکنش به گونه‌ای صورت گیرد که با تشکیل دی‌مرها واکنش ادامه نیابد لذا می‌توان از مواد نانومتخلخلی استفاده کرد که ابعاد کانال‌های آن برای تحقق این امر مناسب باشند.این مواد نانوتخلخل را می‌توان نانوراکتور نامید. در این زمینه به کار "سانو" و "اومی" اشاره کرد که از سیلیکا مزوپروس به عنوان نانو راکتور برای پلیمریزاسیون اولفین‌ها استفاده کرده‌اند.[1]

در این روش ماده متخلخل MCM-41 حاوی فلز توسط روش Post – Synthesis با ترکیبات ارگانومتالیک یا آلکوکسید آماده شد و به عنوان نانوراکتور برای فرآیند پلیمریزاسیون اولفین بکار رفت. در حقیقت MCM-41 حاوی فلز به عنوان کوکاتالیست غیرهمگن به‌ کار می‌رود. [1] ایزومریزاسیون به دلیل اینکه کانال‌های مواد متخلخل مکان مناسبی برای انجام واکنش‌های شیمیایی می‌باشد می‌توان از نانومواد متخلخل برای این منظور استفاده کرد. این کار در واکنش مشابه پتروشیمی مورد بررسی قرار گرفته است. به عنوان مثال بائر و همکاران زئولیت‌های نانوساختار HZSM – 5 را در ایزومریزاسیون زایلن بررسی کرده‌اند.[2] هیدروژن در جداکننده‌های با فشار عملیاتی بالا (Separator)، جدا شده و کلرید هیدروژن در ستون جداساز (Stripper) حذف می‌شود. حاصل آن که مخلوط بوتان بدست آمده می باشد وارد تفکیک‌کننده (Fractionator) شده، در آن بوتان از ایزوبوتان جدا می‌شود.در کلیه موارد بالا می‌توان از نانومواد متخلخل کربنی برای جداسازی گازها استفاده کرد. در فرایند ایزومریزاسیون می‌توان به کاربردن متنوعی از مواد نانوساختار اشاره کرد همچنان که در طی تحقیقاتی برای پیدا کردن نانومواد مناسب برای فرایند ایزومریزاسیون آنتونلی و همکاران از میکروقفس های توخالی زیرکونیا با استفاده از پایه های مالسیلی کروی استفاده کرده‌اند.[3‍‍]

مراجع  : 1Tsuneji Sano and Yasunori Oumi 2Catalysis Surveys from Asia Volume 8, Number 4 December 2004 295 - 304 Authors : Shim H.; Phillips J.1; Fonseca I.M.; Carabinerio S. Source : Applied Catalysis A: General, November 2002, vol. 237, no. 1, pp. 41-51(11)  : 3Antonelli D.M , Micro Porous & mesoporous Mat.vol 28

1Tsuneji Sano and Yasunori Oum 2Bauer , Frank et.al 3Antonelli D.M