به گزارش نیپنا ، در جهانی که صنعت پتروشیمی به‌عنوان یکی از ارکان حیاتی اقتصاد انرژی و تولید جهانی شناخته می‌شود، هرگونه تحول فناورانه می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای در زنجیره‌های تأمین، تولید، قیمت‌گذاری و حتی مناسبات ژئوپلیتیک داشته باشد. یکی از این تحولات، ورود قدرتمند فناوری نانو به بطن فرآیندها، مواد و تجهیزات پتروشیمی است؛ تحولی که در سال‌های اخیر از مرز تئوری عبور کرده و وارد فازهای آزمایشگاهی، نیمه‌صنعتی و حتی تجاری‌سازی شده است.
تحقیقات منتشرشده در بازه ۲۰۲۳ تا اوایل ۲۰۲۴ در ژورنال‌های معتبر بین‌المللی از جمله Nature Nanotechnology، Advanced Materials، Chemical Engineering Journal و Journal of Petroleum Science and Engineering نشان می‌دهند که نانوفناوری نه‌تنها ظرفیت ارتقاء عملکرد فنی و اقتصادی پتروشیمی را دارد، بلکه می‌تواند چالش‌های زیست‌محیطی و ایمنی این صنعت را نیز به‌صورت ریشه‌ای کاهش دهد.
در ادامه، نگاهی جامع و تحلیلی به مهم‌ترین حوزه‌های استفاده از فناوری نانو در صنعت پتروشیمی در سطح جهانی و ظرفیت‌های بالقوه ایران خواهیم داشت.
نانوکاتالیست‌ها؛ قلب تحول در واکنش‌های پیچیده
کاتالیست‌ها همواره به‌عنوان قلب فرآیندهای پتروشیمی شناخته شده‌اند. اما با ورود نانوفناوری، مفهومی تازه از «نانوکاتالیست‌های مهندسی‌شده» شکل گرفت؛ کاتالیست‌هایی با ساختارهای خاص هسته-پوسته، نانوذرات دوگانه، نانولوله‌ها و مواد مزوپور که سطح فعال بیشتری در اختیار واکنش‌گر قرار می‌دهند، مسیر واکنش را کوتاه‌تر می‌کنند و راندمان را افزایش می‌دهند.
در سال ۲۰۲۳، پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک آلمان موفق به طراحی نانوکاتالیست دوفلزی پلاتین-کبالت شدند که در فرآیند هیدروژناسیون آروماتیک‌ها، ضمن کاهش ۳۰ درصدی مصرف انرژی، محصولی با خلوص ۹۸٪ ارائه دادند. این دستاورد برای واحدهای تولید بنزن، تولوئن و زایلن (BTX) اهمیت راهبردی دارد.
در کشور چین، پژوهش‌های انجام‌شده روی نانوکاتالیست‌های پایه‌ی CeO₂ در واکنش کراکینگ نشان داد که با مهندسی سطح نانوذرات، می‌توان پایداری حرارتی و مقاومت به رسوب کربن را به‌شکل قابل‌توجهی افزایش داد.
در ایران نیز، پژوهشگاه صنعت نفت با همکاری یکی از شرکت‌های دانش‌بنیان فعال در حوزه نانو، نمونه اولیه‌ای از کاتالیست‌های نانویی حاوی نیکل و مولیبدن را برای فرآیند گوگردزدایی طراحی کرده که در آزمایش‌های نیمه‌صنعتی عملکرد قابل‌قبولی داشته است.
نانوجاذب‌ها؛ حذف هوشمند آلاینده‌های صنعتی
یکی از مهم‌ترین نقاط تمرکز پژوهش‌های نانویی در صنعت پتروشیمی، طراحی نانوجاذب‌هایی برای حذف ترکیبات خطرناک از جریان‌های گازی و مایع است. ترکیبات گوگردی، نیتروژنی، ترکیبات آروماتیک سنگین، فلزات سنگین و حتی ذرات میکروپلاستیک از جمله اهداف این فناوری هستند.
در یک مطالعه جامع از دانشگاه MIT (۲۰۲۴)، نانوذرات مغناطیسی آهن اصلاح‌شده با پلی‌مرهای زیست‌سازگار موفق به جذب بیش از ۹۰٪ تری‌کلرواتیلن از جریان‌های پساب واحدهای تولید PVC شدند. این نانوذرات با میدان مغناطیسی قابل بازیافت‌اند و چرخه چندباره دارند.
از طرفی، تیم تحقیقاتی دانشگاه صنعتی شریف با استفاده از نانوکامپوزیت‌های زئولیتی موفق به طراحی جاذبی شدند که می‌تواند ترکیبات نفتی را از آب با راندمان بیش از ۸۵٪ جذب کند؛ اقدامی که در مدیریت بحران‌های زیست‌محیطی نشت نفت نیز کاربرد دارد.
نانوفیلترها و غشاهای هوشمند در تصفیه آب و پساب
یکی از معضلات همیشگی صنعت پتروشیمی، تولید حجم بالایی از پساب صنعتی با ترکیبات مقاوم به تجزیه است. فناوری غشاهای نانوساختار توانسته تحول بزرگی در این حوزه ایجاد کند. غشاهایی از جنس گرافن، نانوفیبرهای پلی‌آمید، نانوکامپوزیت‌های اکسید فلزی و غشاهای مبتنی بر MOFها، دقت و کارایی تصفیه را در سطح نانومتر فراهم می‌کنند.
در مطالعه‌ای منتشرشده در Desalination، غشای دولایه‌ای شامل گرافن‌اکسید و نانوذرات TiO₂ به‌عنوان فیلتر اصلی برای حذف ترکیبات آلی فرار در پساب واحدهای الفین استفاده شد. این غشا با بازده ۹۲٪، در حذف آلاینده‌هایی نظیر فنول، تولوئن و بنزن عملکردی فراتر از روش‌های معمول نشان داد.
در ایران، دانشگاه تهران پروژه‌ای مشترک با یکی از پالایشگاه‌های عسلویه انجام داده که در آن از غشاهای نانوساختار برای تصفیه پساب حاوی آلاینده‌های نفتی استفاده شده و امکان بازچرخانی آب تا ۶۵٪ فراهم شده است.
نانوپوشش‌ها؛ سدی در برابر خوردگی، سایش و دمای بالا
یکی از هزینه‌برترین بخش‌های صنعت پتروشیمی، تعمیر و نگهداری تجهیزات فلزی در معرض دمای بالا، مواد خورنده، بخار و فشار است. فناوری نانوپوشش‌ها با هدف محافظت از فلزات، افزایش عمر تجهیزات و کاهش توقف‌های تعمیراتی، وارد عمل شده است.
پوشش‌هایی بر پایه نانوذرات اکسید تیتانیوم، نیترید کروم، زیرکونیوم و حتی کامپوزیت‌های نانوساختار سرامیکی، در سال ۲۰۲۳ به‌صورت گسترده در صنایع پتروشیمی اروپا به کار گرفته شدند. این پوشش‌ها علاوه‌بر محافظت، ویژگی‌هایی چون خودتمیزشوندگی، ضد رسوب و مقاوم در برابر UV دارند.
در پالایشگاه بوعلی سینا، با استفاده از نانوپوشش‌های پایه‌ی سیلیکا بر روی مخازن ذخیره اسید، عمر مفید این تجهیزات از ۳ سال به ۷ سال افزایش یافت. این پوشش‌ها مانع تماس مستقیم مواد شیمیایی با سطح فلز شده و به‌شکل مؤثری مانع خوردگی می‌شوند.
نانوحسگرها؛ پایش بلادرنگ شرایط خطرناک
در محیط‌های پیچیده صنعتی مانند پتروشیمی، پایش بلادرنگ دما، فشار، ترکیبات سمی و نشتی‌ها می‌تواند نقش حیاتی در ایمنی ایفا کند. نانوحسگرها با دقت بسیار بالا، اندازه کوچک، و مصرف انرژی پایین، اکنون جایگاه ویژه‌ای در سامانه‌های کنترل پیشرفته پیدا کرده‌اند.
برخی نانوحسگرهای نسل جدید قادرند حضور مقادیر بسیار اندک گازهای H₂S یا CO را در محیط تشخیص داده و بلافاصله به سامانه کنترل مرکزی هشدار دهند. نانوحسگرهای مبتنی بر نانوذرات ZnO یا SnO₂ به‌طور خاص در تشخیص گازهای سمی عملکرد درخشانی داشته‌اند.
در پروژه‌ای اجراشده توسط شرکت نفت هند (ONGC)، شبکه‌ای از نانوحسگرهای بی‌سیم در واحدهای جداسازی هوا نصب شد که قادر به پایش هم‌زمان دما، رطوبت، لرزش و گازهای خطرناک بود. این شبکه با سامانه هوش مصنوعی برای پیش‌بینی نشت یا خرابی قطعات نیز یکپارچه شده بود.
نانوساختارها در ذخیره‌سازی و جداسازی گازها
در فرآیندهایی نظیر شیرین‌سازی گاز طبیعی، بازیافت CO₂، یا تولید هیدروژن، جداسازی گازهای مخلوط با راندمان بالا امری ضروری است. فناوری MOFها و نانومواد متخلخل، رویکردی پیشرفته برای جذب انتخابی گازها ارائه داده‌اند.
در سال ۲۰۲۴، دانشگاه استنفورد نمونه‌ای از MOF اصلاح‌شده با یون‌های نیکل را معرفی کرد که توانست در دمای محیط بیش از ۷۵٪ CO₂ را از مخلوط CH₄/CO₂ جذب کند. این فناوری به‌طور بالقوه می‌تواند هزینه‌ی جداسازی گازها را به‌شدت کاهش دهد.
شرکت ملی گاز ایران نیز در همکاری با دانشگاه شیراز، در حال بررسی عملکرد نانوجاذب‌های بومی برای حذف مرکاپتان‌ها و H₂S در واحدهای پالایش گاز جنوب است.
آینده نانو در پتروشیمی؛ رقابت‌پذیری فناورانه یا عقب‌ماندگی استراتژیک؟
نکته کلیدی در مسیر آینده نانوفناوری در پتروشیمی، عبور از مرز تحقیقات آزمایشگاهی به مرحله پایلوت و سپس بهره‌برداری صنعتی است. کشورهایی مانند چین، کره جنوبی، آلمان و آمریکا، سرمایه‌گذاری‌های سنگینی روی زیرساخت‌های تجاری‌سازی فناوری نانو انجام داده‌اند؛ از کارخانه‌های تولید نانومواد گرفته تا خطوط ساخت نانوکاتالیست و غشاهای صنعتی.
ایران نیز با داشتن رتبه‌های بالای علمی در حوزه نانو و ظرفیت بالای صنعتی در حوزه نفت و گاز، می‌تواند با برنامه‌ریزی دقیق، نقشی کلیدی در این عرصه ایفا کند. شرط اصلی، سیاست‌گذاری شفاف، تأمین مالی پروژه‌های نیمه‌صنعتی، توسعه آزمایشگاه‌های صنعتی نانو، و مهم‌تر از همه، جلب اعتماد مدیران صنعت به کاربردپذیری فناوری نانوست.