نانوتکنولوژی در خدمت پیشرفت صنعت نفت

فناوری نانو می­تواند اثرات قابل توجهی در صنعت نفت داشته باشد، در مطلب زیر بعد از اشاره به برخی از این تأثیرات، تعدادی از كاربردهای فناوری نانو در صنعت نفت بویژه در بحث آلودگی محیط زیست و نیز سنسورهای نانو به طور مختصر معرفی گردیده است:
مقدمه
هنگامی كه ریچارد اسملی ( Richard Smally ) برندة جایزة نوبل، بالك مینسترفلورسنس را در سال ۱۹۸۵ در دانشگاه رایس كشف نمود،‌ انتظار اندكی داشت كه تحقیق او بتواند صنعت نفت را متأثر سازد. سازمان انرژی آمریكا ( DOE ) سرمایه‌گذاری خود را در قسمت فناوری نانو با ۶۲ درصد افزایش داد تا مطالعات لازم در زمینة‌ موادی با نام‌های باكی‌بال‌ها ( Bulky Balls ) و باكی‌تیوب‌ها ( Bulky Tubes )‌ استوانه‌های كربنی كه دارای قطر متر می‌باشند صورت گیرد. نانولوله‌های كربنی با وزنی در حدود وزن فولاد، صد برابر مستحكم ­ تر از آن بوده، دارای رسانش الكتریكی معادل با مس و رسانی گرمایی هم ارز با الماس می‌باشند. نانوفیلترها می‌توانند به جداسازی مواد در میدان‌های نفتی كمك كنند و كاتالیست‌های نانو می‌توانند تأثیر چندین میلیارد دلاری در فرآیند پالایش به‌دنبال داشته باشند. از سایر مزایای نانولوله‌های كربنی می‌توان به كاربرد آن‌ها در تكنولوژی اطلاعات (‌ IT ) نظیر ساخت پوشش‌های مقاوم در مقابل تداخل‌های الكترومغناطیسی، صفحه‌های نمایش مسطح، مواد مركب جدید و تجهیزات الكترونیكی با كارآیی زیاد اشاره نمود.
علم نانو یك تحول بزرگ در مقیاس بسیار كوچك
بسیاری از محققان و سیاستمداران جهان معتقدند كه علم نانو می‌تواند تحولات اساسی در صنعت جهانی ایجاد نماید صنعت نفت نیز از پیشرفت این تكنولوژی بهره‌مند خواهد گشت. علم نانو می‌تواند به بهبود تولید نفت و گاز با تسهیل جدایش نفت وگاز در داخل مخزن كمك نماید. این كار با درك بهتر فرآیندها در سطوح مولكولی امكانپذیر می‌باشد. با توجه به اینكه نانو مربوط به ابعادی در حدود متر می‌باشد، نانوتكنولوژی به مفهوم ساخت مواد و ساختارهای جدید توسط مولكول‌ها و اتم‌ها در این مقیاس می‌باشد. خوشبختانه كاربردهای عملی نانو در صنعت نفت جایگاه‌ ویژه‌ای دارند. نانوتكنولوژی دیدگاه‌های جدید جهت استخراج بهبودیافتة نفت فراهم كرده است. این تكنولوژی به جدایش موثرتر نفت و آب كمك می‌كند . با افزودن موادی در مقیاس نانو به مخزن می‌توان نفت بیشتری آزاد نمود. همچنین می‌توان با گسترش تكنیك‌های اندازه‌گیری توسط سنسورهای كوچك،‌ اطلاعات بهتری دربارة مخزن بدست آورد.
مواد نانو
صنعت نفت تقریباً در تمام فرآیندها احتیاج به موادی مستحكم و مطمئن دارد. با ساخت موادی در مقیاس نانو می‌توان تجهیزاتی سبكتر، مقاومتر و محكم‌تر از محصولات امروزی تولید نمود. شركت نانوتكنولوژی GP در هنگ‌كنگ یكی از پیشگامان توسعة كربید سیلیكون، یك پودر سرامیكی در ابعاد نانو می‌باشد. با استفاده از این پودرها می‌توان مواد بسیار سختی تولید نمود. این شركت در حال حاضر مشغول مطالعه و تحقیق بر روی سایر مواد مركب می‌باشد و معتقد است كه می‌توان با نانوكریستال‌ها تجهیزات حفاری بادوامتر و مستحكم‌تری تولید كرد. همچنین متخصصان این شركت یك سیال جدید حاوی ذرات و نانوپودرهای بسیار ریز تولید نموده‌اند كه به‌طور قابل توجهی سرعت حفاری را بهبود می‌بخشد. این مخلوط آسیب‌های وارده به دیوارة مخزن در چاه را حذف نموده و قابلیت استخراج نفت را افزایش می‌بخشد.
آلودگی
آلودگی توسط مواد شیمیایی و یا گازهای آلاینده یك مبحث بسیار دشوار در تولید نفت و گاز می‌باشد. نتایج بدست‌آمده از تحقیقات دانشمندان حاكی از آن است كه نانوتكنولوژی می‌تواند تا حد مطلوبی به كاهش آلودگی كمك كند. در حال حاضر فیلترها و ذراتی با ساختار نانو در حال توسعه می‌باشند كه می‌توانند تركیبات آلی را از بخار نفت جدا سازند. این نمونه‌ها علیرغم اینكه اندازه‌ای در حدود چند نانومتر دارند، دارای سطح بیرونی وسیعی بوده و قادر به كنترل نوع سیال گذرنده از خود می‌باشند. همچنین كاتالیست‌هایی با ساختار نانو جهت تسهیل در جداسازی سولفید هیدروژن، آب، مونوكسیدكربن، و دی‌اكسید كربن از گاز‌طبیعی در صنعت نفت بكار گرفته می‌شوند. در حال حاضر مطالعاتی بر روی نمونه‌هایی از خاك رس در ابعاد نانو و جهت تركیب با پلیمرهایی صورت می‌پذیرد كه بتوانند هیدروكربن‌ها را جذب نمایند. بنابراین می‌توان باقیمانده‌های نفت را از گل حفاری جدا نمود.
سنسورهای هیدروژن خود تمیز كننده
خواص فوتوكاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا در مقایسه با هر فرمی از تیتانیا بارزتر می‌باشد، بطوری‌كه آلودگی‌های ایجادشده تحت تابش اشعة ماوراء بنفش به‌طور قابل توجهی از بین می‌روند. تا اینكه سنسورها بتوانند حساسیت اصلی خود نسبت به هیدروژن را حفظ نماید. تحقیقات انجام‌گرفته در این زمینه حاكی از آن است كه نانوتیوب‌های تیتانیا دارای یك مقاومت الكتریكی برگشت‌پذیر می‌باشند، بطوری‌كه اگر هزار قطعه از آن‌ها در مقابل یك میلیون‌ اتم هیدروژن قرار بگیرند، مقاومت الكتریكی آن در حدود یكصد میلیون درصد افزایش می‌یابد. سنسورهای هیدروژن بطور گسترده‌ای در صنایع شیمیایی، نفت و نیمه‌رساناها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنها جهت شناسایی انواع خاصی از باكتری‌های عفونت‌زا استفاده می‌گردد. به‌ هر حال محیط‌هایی نظیر تأسیسات و پالایشگاه‌های نفتی كه سنسورهای هیدروژن از كاربردهای ویژه‌ای برخوردار می‌باشند، می‌توانند بسیار آلوده و كثیف باشند این سنسورهای هیدروژن نانوتیوب‌های تیتانیا هستند كه توسط یك لایة غیرپیوسته‌ای از پالادیم پوشانده شده‌اند. محققان این سنسورها را به مواد مختلفی نظیر اسید استریك ( یك نوع اسید چرب )‌، دود سیگار و روغن‌های مختلفی آلوده نمودند و سپس مشاهده كردند كه تمام این آلوده‌كننده‌ها در اثر خاصیت فوتوكاتالیستی نانوتیوب‌ها از بین می‌روند. حد نهایی آلودگی‌ها زمانی بود كه دانشمندان این سنسورها را در روغن‌های مختلفی غوطه‌ور ساخته و سنسورها توانستند خواص خود را بازیابند. محققان سنسورها را در دمای اتاق به مقدار هزار قطعه در مقابل یك میلیون ‌اتم هیدروژن در معرض این گاز قرار دادند و مشاهده نمودند كه در طرح‌های اولیة سنسور مقاومت الكتریكی آن به میزان ۱۷۵۰۰۰ درصد تغییر می‌كند. سپس سنسورها را توسط لایه‌ای به ضخامت چندین میكرون از روغن موتور پوشاندند تا بطور كلی حساسیت آن‌ها نسبت به هیدروژن از بین برود. سپس این سنسورها را در هوای عادی به ‌مدت ۱۰ ساعت در معرض نور ماوراء بنفش قرار دادند و پس از یك ساعت مشاهده نمودند كه سنسورها مقدار قابل توجهی از حساسیت خود را بدست آورده‌ و پس از گذشت ۱۰ ساعت تقریباً بطور كامل به وضعیت عادی خود بازگشتند. علیرغم قابلیت بازگشتی بسیار مناسب این سنسورها نمی‌توانند پس از آلودگی به انواع خاصی از آلوده‌كننده‌ها حساسیت خود را باز یابند برای مثال روغن WQ -۴۰ به علت دارابودن مقداری نمك خاصیت فوتوكاتالسیتی نانوتیوب‌ها را تا حد زیادی از بین می‌برد. با افزودن مقدار اندكی از فلزات مختلف نظیر قلع، طلا، نقره، مس و نایوبیم، یك گروه متنوعی از سنسورهای شیمیایی بدست می‌آیند. این فلزات خاصیت فوتوكاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا را تغییر می‌دهند. به هر حال سنسورها در یك محیط غیرقابل كنترل در دنیای واقعی توسط مواد گوناگونی نظیر بخار‌های آلی فرار، دودة كربن و بخارهای نفت و همچنین گرد و غبار آلوده می‌گردند. قابلیت خودپاك‌كنندگی این سنسورها طول عمر آن‌ها را افزایش و از همه مهمتر خطای آنها را كاهش می‌دهد.
سنسورهای جدید در خدمت بهبود استخراج نفت
براساس آخرین اطلاعات چاپ شده توسط سازمان انرژی آمریكا، استخراج نفت در حدود دو سوم از چاه‌های نفت آمریكا اقتصادی نمی‌باشد. با توجه به دما و فشار زیاد در محیط‌های سخت زیرزمینی، سنسورهای قدیمی الكتریكی و الكترونیكی و سایر لوازم اندازه‌گیری قابل اعتماد نمی‌باشند و در نتیجه شركت‌های استخراج‌ كنندة‌ نفت در تهیة ‌اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج كامل و مؤثر نفت از مخازن با برخی مشكلات مواجه می‌باشند.
در حال حاضر محققان در آزمایشگاه فوتونیك دانشگاه صنعتی ویرجینیا در حال توسعة یك‌سری سنسورهای قابل اعتماد و ارزان از فیبرهای نوری جهت اندازه‌گیری فشار، دما، جریان نفت و امواج آكوستیك در چاه‌های نفت می‌باشند. این سنسورها به‌علت مزایایی نظیر اندازة كوچك ،‌ایمنی در قبال تداخل الكترومغناطیسی ، قابلیت كارآیی در فشار و دمای بالا و همچنین محیط‌های دشوار، مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند. از همه مهم‌تر اینكه امكان جایگزینی و تعویض این سنسورها بدون دخالت در فرآیند تولید نفت و باهزینة‌ مناسب فراهم می‌باشد. در حال حاضر عمل جایگزینی و تعویض سنسورهای قدیمی در چاه‌های نفت میلیون‌ها دلار هزینه در پی دارد. سنسورهای جدید از نظر تولید بسیار مقرون ‌به صرفه بوده و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری ارائه می‌دهند.
انتظار می‌رود كه تكنولوژی این سنسورها تولید نفت را با ارائه اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اعتماد و كاهش ریسك‌های همراه با اكتشاف و حفاری نفت بهبود بخشد. همچنین سنسورهای جدید به‌علت برخی كاربردهای ویژه نظیر استخراج دریایی و افقی نفت، جایی كه بكاربستن سنسورهای قدیمی در چنین شرایطی بسیار مشكل می‌باشد، از توجه ویژه‌ای برخوردارند.

منبع: http://www.iee.org
نویسنده : سعید بشاش

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو