جمعه 7 اردیبهشت 1403

اثرات بکارگیری فناوری نانو در عملکرد کاتالیست‌های پایه آلومینا و کاهش هزینه‌های ناشی از آن

کاتالیست[1]ها یکی از مهم‌ترین موادی هستند که در فرآیندهای مختلف صنعتی و به‌ویژه در پتروشیمی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در تعریف کاتالیست به ماده‌ای گفته می‌شود که در واکنش‌های شیمیایی مصرف نمی‌شوند و پس از واکنش دست‌نخورده باقی خواهند ماند. وظیفه کاتالیست‌ها، کمک به انجام واکنش و افزایش سرعت انجام واکنش‌های شیمیایی است.

برای به وقوع پیوستن بسیاری از واکنش‌های شیمیایی، معمولاً نیاز به مقداری انرژی است که منجر به شروع واکنش شود. از معروف‌ترین آن‌ها می‌توان به سوختن اشاره کرد که برای شروع واکنش نیاز است که به آن انرژی حرارتی اعمال شود و پس از آن، واکنش ادامه پیدا خواهد کرد. عمدتاً کاری که کاتالیست‌ها در این فرآیند انجام می‌دهند، این است که انرژی لازم برای انجام واکنش را کاهش می‌دهند و در نتیجه آن، واکنش با سرعت بیشتری انجام خواهد شد. این موضوع در تصویر نشان داده شده است.

تصویر: افزایش سرعت انجام واکنش توسط کاتالیست با کاهش انرژی واکنش

از آنجایی که ایران یک کشور نفتی است، پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها در این کشور از اهمیت بالایی برخوردارند. یکی از مهم‌ترین موارد مصرف کاتالیست‌ها در صنایع پتروشیمی است و با توجه به وضعیت ایران، کاتالیست به نوعی یک کالای استراتژیک برای این کشور به حساب می‌آید.

اگرچه که گفته می‌شود کاتالیست‌ها در واکنش‌های شیمیایی مصرف نمی‌شوند، اما واقعیت متفاوت از این است و کاتالیست‌ها بعد از مدتی آلوده شده و عملکرد خود را از دست خواهند داد. به همین دلیل است که در بسیاری موارد، لازم است که کاتالیست‌ها مورد تعویض قرار بگیرند. در نتیجه همین موضوع، کاتالیست‌ها یکی از مواد مصرفی پتروشیمی‌ها به حساب می‌آیند.

تصویر: شماتیکی از کاتالیست که پایه کاتالیست و جزء فعال به خوبی روی آن دیده می‌شود. واکنش‌ها در سطح کاتالیست و نواحی که جزء فعال وجود دارد اتفاق می‌افتد.[2]

———————

[1] Catalyst

آلومینا[1]

آلومینا در واقع همان اکسید آلومینیوم است که با فرمول شیمیایی Al₂O₃ شناخته می‌شود. این ماده یک سرامیک بسیار پایدار است که دلیل استفاده از آن در بسیاری از صنایع نیز همین پایداری آلومینا است. آلومینا به طور کلی در دو فاز مختلف با نام‌های آلفا و گاما شناخته می‌شود. بررسی خواص هرکدام از این فازها در حوصله این گزارش نمی‌گنجد اما با توجه به خواص مورد نیاز، لازم است که در انتخاب آن توجه شود. البته لازم به ذکر است که آلومینای گاما کاربرد مستقیم در زمینه کاتالیست‌ها و پایه کاتالیست[2]ها دارد [3] و به همین دلیل نیز در طول این گزارش زمانی که به آلومینا اشاره می‌شود، بیشتر منظور آلومینا گاما است.

آلومینا یکی از مهم‌ترین مواد مورد استفاده در ساخت بسیاری از کاتالیست‌های صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، داروسازی و خودروسازی است. این ماده ممکن است به دو صورت در ساخت کاتالیست‌ها مورد استفاده قرار بگیرد. یکی آنکه خود آلومینا نقش ماده فعال کاتالیست را داشته باشد و دیگری اینکه آلومینا نقشه پایه کاتالیست را داشته باشد. اهمیت پایه کاتالیست به حدی است که حدود 90 درصد ارزش کاتالیست، مربوط به پایه کاتالیست است.[4]

آلومینا به عنوان پایه کاتالیست در صنایع مختلفی کاربرد دارد. این ماده هرچه دارای ساختار متخلخل‌تری[3] باشد، بستر مناسب‌تری برای انجام واکنش و همچنین مولکول‌های فعال فراهم می‌سازد. جلوتر به اهمیت تخلخل این پایه کاتالیست‌ها بیشتر پرداخته خواهد شد. به طور کلی ویژگی‌هایی که روی عملکرد کاتالیستی آلومینا تأثیر دارند عبارت‌اند از سطح ویژه، حجم تخلخل‌ها، ابعاد و توزیع تخلخل‌ها و خصوصیات اسید/بازی این ماده. البته لازم به ذکر است که بدون شک پایداری شیمیایی و حرارتی این سرامیک نیز تأثیر زیادی روی استفاده از آن در کاتالیست‌ها دارد.[5]

فناوری نانو در ساخت کاتالیست‌ها

به طور کلی چند عامل روی عملکرد کاتالیست‌ها تأثیر زیادی دارند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به سطح قابل دسترس آن برای واکنش‌دهنده‌ها و همچنین دما اشاره کرد. نقش اصلی که فناوری نانو می‌تواند در زمینه ساخت کاتالیست‌ها و بهبود عملکرد آن‌ها ایفا کند، با کاهش ابعاد ذرات و در نتیجه افزایش نسبت سطح به حجم آن‌ها است. از آنجایی که واکنش‌ها در سطح رخ می‌دهند، همین افزایش نسبت سطح به حجم می‌تواند باعث افزایش سطح در دسترس و در نتیجه افزایش بیشتر سرعت واکنش شود. به همین دلیل به وزن کمتری از کاتالیست برای انجام واکنش نیاز خواهد بود.

در زمینه پایه کاتالیست‌ها نیز موضوعی مشابه وجود دارد. آلومینا به طور کلی می‌تواند ساختاری متخلخل داشته باشد که با قرارگیری کاتالیست فعال روی سطح آن، سطح زیادی را برای انجام واکنش در اختیار واکنش‌دهنده‌ها و کاتالیست قرار خواهد داد. آلومینای گامای نانوساختار به دلیل داشتن تخلخل بسیار بیشتر، می‌تواند سطح بیشتری را برای انجام واکنش‌های شیمیایی فراهم کند که در نتیجه آن، بازدهی این پایه کاتالیست‌ها به مقدار بسیار زیادی افزایش خواهد داشت.[3]

افزایش مساحت سطح با کاهش ابعاد ذرات به خوبی در تصویر قابل مشاهده است. هرچه ذرات ریزتر شوند، سطح بیشتری در دسترس قرار خواهد گرفت و سطح میان آن‌ها که تا پیش از این برای انجام واکنش در دسترس نبود، حالا در دسترس قرار گرفته و واکنش‌دهنده‌ها می‌توانند برای انجام واکنش خودشان را به آن نقاط برسانند.

تصویر: تأثیر کاهش اندازه ذرات روی افزایش مساحت سطح در دسترس.[6]

وضعیت تولید کاتالیست‌های پایه آلومینا در ایران

چند سالی است که این محصول به صورت کاملاً بومی شده توسط چندین شرکت ایرانی در داخل تولید می‌شود. در حال حاضر خود آلومینای گاما نانوساختار یا کاتالیست‌های نهایی مشتق شده از آن توسط چند شرکت ایرانی به فروش می‌رسند که موفق به دریافت گواهی نانوساختار نیز شده‌اند.

شرکت دانش‌بنیان نانوپارس اسپادانا یکی از این شرکت‌ها است که پودر آلومینا نانوساختار را با فاز غالب گاما برای تأمین نیاز بازار داخل کشور تولید کرده است. این شرکت هم این پودر را به صورت خالص به فروش می‌رساند و هم با استفاده از آن کاتالیست‌های مختلفی را تولید و روانه بازار می‌کند. این شرکت با استفاده از روش SHOJ که ثبت اختراع همین شرکت است، اقدام به تولید نانوذرات اکسید می‌کند که با تغییر پارامترها در این روش، توانسته‌اند به مورفولوژی دلخواه برای کاربردهای کاتالیستی دست پیدا کنند. از دیگر تولیدات کاتالیستی این شرکت می‌توان به نانوکاتالیست دهیدروژناسیون، نانوکاتالیست اکسی کلراسیون و نانوکاتالیست گوگردزدا اشاره کرد. کاتالیست‌های فرآیند گوگردزدایی نیز بر پایه آلومینا هستند.[7]

کاتالیست گوگردزدا که تولیدی شرکت نانوپارس اسپادانا است، در حذف گوگرد از بسیاری برش‌های نفتی مورد استفاده قرار می‌گیرد که در نهایت منجر به بهبود کیفیت مواد پالایش شده خروجی می‌شود. همچنین این گوگرد می‌تواند باعث خوردگی لوله‌ها و مخازن پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها نیز بشود.[4]

این شرکت در سال 1386 در اصفهان شروع به فعالیت کرده است و در حال حاضر تمام مواد اولیه و دانش فنی ساخت این کاتالیست‌ها را به صورت بومی در اختیار دارد.

تصویر: محصولات شرکت نانوپارس اسپادانا

شرکت توسعه دانش و فناوری ایلیا نیز شرکت دیگری است که در زمینه ساخت و توسعه محصولات نانوساختار فعالیت می‌کند. این شرکت موفق به تولید کاتالیست نفتا ریفورمینگ شده است. کاتالیست ریفرمینگ نفتا برای تولید بنزین در پالایشگاه‌ها، یکی از مواد اصلی است. این کاتالیست برپایه آلومینا بوده و دارای نانوذرات است که برای تشکیل ترکیبات آروماتیک و همچنین بنزین، کاتالیستی بسیار تأثیرگذار هستند. معمولاً واکنش‌های اسیدی در فرآیند ریفرمینگ بر عهده آلومینا و واکنش‌های هیدروژن زدایی توسط برخی فلزات که روی کاتالیست قرار گرفته‌اند انجام می‌شود.[4]

شرکت سرامیک‌‌های صنعتی اردکان یک شرکت دانش‌بنیان است که در زمینه ساخت سرامیک‌ها و به‌ویژه سرامیک‌های آلومینایی فعالیت می‌کند. این شرکت در حال حاضر اقدام به تولید آلومینای فعال[4] کرده است که با سطح ویژه بالا امکان استفاده در کاربردهایی مانند کاتالیست، جذب رطوبت و روغن‌ها و همچنین جذب مواد زائد (فیلتراسیون) را دارد. آلومینای فعال با سطح ویژه بالای 300 مترمربع بر گرم، می‌تواند به عنوان کاتالیست در بازیابی گوگرد[5]، دهیدراسیون الکل‌ها و ایزومریزاسیون الفین‌ها مورد استفاده قرار بگیرد. همچنین این شرکت برای پایه کاتالیست‌ها، امکان تولید آلومینای گاما را نیز دارا است. آلومینای فعال این شرکت در دو گرید جاذب و کاتالیست تولید می‌شود که گرید کاتالیست از تخلخل بیشتری برخوردار است.[8]

از کاتالیست‌های تولیدی این شرکت که تأییدیه نانومقیاس را نیز از ستاد توسعه فناوری نانو دریافت کرده است، می‌توان به کاتالیست بازیابی گوگرد اشاره کرد. این دسته از کاتالیست‌ها که در هردو پالایشگاه‌های گاز و نفت یافت می‌شوند، به کاتالیست Claus معروف هستند؛ زیرا فرآیند Claus فرآیندی است که برای گوگردزدایی در پالایش استفاده می‌شود.[4]

تصویر: کاتالیست بازیابی گوگرد شرکت سرامیک‌های صنعتی اردکان

گوگرد یا سولفور یکی از موادی است که در نفت یا گاز خام یافت می‌شود. هرچه غلظت این گوگرد بیشتر باشد، بیشتر می‌تواند منجر به خوردگی لوله آلات شود. به نفت‌هایی که غلظت‌های بالایی از گوگرد دارند، اصطلاحاً “نفت‌ترش”[6] گفته می‌شود. پس از پالایش و کاهش غلظت گوگرد، به آن نفت شیرین گفته خواهد شد. از آنجایی که این گوگرد می‌تواند منجر به خوردگی تجهیزات پالایشگاهی شود، یکی از اولین اقداماتی که روی نفت خام صورت می‌گیرد، گوگردزدایی است. در حال حاضر عمده گوگرد مورد نیاز جهان از این طریق تهیه می‌شود. همچنین خارج کردن گوگرد از نفت، از نظر زیست‌محیطی نیز اهمیت بسیار زیادی دارد؛ زیرا با این کار از ورود گاز سمی سولفید هیدروژن به اتمسفر جلوگیری خواهد شد.[9]

فرصت‌های شغلی موجود در زمینه نانوکاتالیست‌های پایه آلومینایی

از آنجایی که بخش عمده‌ای از این کاتالیست‌ها از خارج ایران و با هزینه‌های گزاف وارد می‌شدند، وجود واحدهای صنعتی تولیدکننده این مواد در داخل کشور می‌تواند مستقیماً ایجاد اشتغال کند. همچنین از آنجایی که رقبای آن عمدتاً خارجی هستند، نه تنها باعث آسیب به دیگر صنایع نخواهد شد، بلکه به دلیل قیمت کمتر نسبت به نمونه‌های خارجی می‌تواند باعث افزایش سوددهی پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها شود. ممکن به دلیل تحریم‌ها نیز امکان واردات برخی از این کاتالیست‌ها نباشد و در نتیجه این موضوع آن‌ها را به کالایی استراتژیک تبدیل کرده است.

از طرفی با افزایش بازدهی این کاتالیست‌ها، کیفیت محصولات خروجی پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها افزایش خواهد یافت. همچنین هزینه‌های ناشی از خوردگی تجهیزات آن‌ها و نگهداری نیز کاهش پیدا خواهد کرد که در نهایت می‌تواند به صرفه‌جویی ارزی بسیار بالایی شود.

به گفته مسئولان پالایشگاه آبادان که یکی از واحدهای صنعتی است که مشتری شرکت‌های ایرانی برای کاتالیست‌ها است، کیفیت محصولات آن‌ها با استفاده از نانوکاتالیست‌های شرکت پارس اسپادانا بیش از حد انتظار افزایش یافته است.[10] شرکت‌های تولیدکننده کاتالیست‌های پایه آلومینایی آمادگی خود را برای تولیدات بیشتر اعلام کرده‌اند و در صورتی که دیگر واحدهای صنعتی نیز به محصولات ایرانی اعتماد کرده و از آن‌ها استفاده کنند، ظرفیت بالایی برای این تولیدات در داخل کشور وجود دارد.

با وجود همه‌گیری ویروس کرونا و وقفه‌ای که در تولیدات برخی از شرکت‌های ایرانی ایجاد شد، به نظر می‌رسد که روند استفاده از کاتالیست های ایرانی بین پتروشیمی‌های مختلف در حال افزایش است. شرکت نانو پارس اسپادانا در شرایط کرونایی و در 4 ماه اول سال 1399 تنها 100 تن پودر آلومینا تولید کرده است اما به گفته مسئولین شرکت، این شرکت توان تولید 500 تن در ماه را نیز (در صورت وجود مشتری) دارد.[11]

در سال 1398 پنج تن کاتالیست تبدیل NOx به ازت از طرف شرکت نانو پارس اسپادانا برای تست به پتروشیمی کارون داده شد و به توجه به نتایج خوب به دست آمده، پتروشیمی کارون کاتالیست توری پلاتین را با همکاری شرکت نانو پارس اسپادانا تولید کرده است که طبق گفته این پتروشیمی، استفاده از این کاتالیست نه تنها کیفیت محصول خروجی را کاهش نداده، بلکه منجر به صرفه‌جویی ارزی 90 درصدی نیز شده است. در اثر این همکاری، خط تولید اسید نیتریک کاملاً بومی‌سازی شده است و دیگر کاملاً در این زمینه از کشورهای خارجی بی‌نیاز شده‌ایم.[12], [13]

به دنبال برخی تحریم‌ها، پتروشیمی آبادان با مشکل تأمین کاتالیست مواجه شد و برای مدت زیادی ظرفیت تولید این پتروشیمی کاهش پیدا کرده بود. این موضوع تا جایی پیش رفت که در خردادماه سال 1392 موجودی کاتالیست این شرکت به صفر رسید. این شرکت ماهیانه حدود 870 کیلوگرم کاتالیست نیاز دارد که این کاتالیست پیش از این تماماً از اروپا تأمین می‌شد. پس از ارتباط‌گیری شرکت نانو پارس اسپادانا با پتروشیمی آبادان، این پتروشیمی مقدار کمی کاتالیست به صورت امتحانی از نانوپارس اسپادانا خریداری کرد. طبق گفته مسئولین این پتروشیمی، از زمانی که از نانوکاتالیست ایرانی استفاده می‌کنند، خلوص محصول خروجی آن‌ها افزایش پیدا کرده است و دیگر نیز نیازی به واردات این محصول نخواهد بود.[14]

تصویر: پالایشگاه، یکی از مشتری‌های بالقوه نانوکاتالیست‌های پایه آلومینا

ایران کشوری نفتی است که پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌های فراوانی در آن فعالیت کرده و می‌توانند از این محصولات استفاده کنند. همچنین صنایع داروسازی و خودرویی کشور نیز می‌توانند از این پتانسیل بهره برده و محصول خروجی را با قیمتی پایین‌تر در اختیار مشتری نهایی قرار دهند.

بر اساس گزارش گروه IMARC، بازار جهانی کاتالیست‌های صنعتی در سال 2020 نزدیک به 21 میلیارد دلار بوده است که انتظار می‌رود تا سال 2026 به حدود 26 میلیارد دلار نیز برسد.[15] همچنین بر اساس گزارش MarketsandMarkets™^[7] تنها کاتالیست‌های پالایشگاهی در سال 2019 بازاری در حدود 4 میلیارد دلار داشته‌اند. مقایسه آمار بالا نشان می‌دهد که کاتالیست‌های پالایشگاهی بخش بزرگی از این بازار را تشکیل می‌دهند.[16] که احتمالاً بخش بزرگ دیگری نیز مربوط به صنعت پتروشیمی باشد. روی هم رفته می‌توان از داده‌های بالا این نتیجه‌گیری را کرد که ایران، به دلیل ماهیت نفتی و پالایشگاهی، کشوری است که نیاز زیادی به این قبیل کاتالیست‌ها دارد.

نتیجه‌گیری و خلاصه مدیریتی

کاتالیست‌های پایه آلومینا در زمینه صنایع پالایشگاهی، پتروشیمی و خودرویی کاربرد زیادی دارند. بازدهی این کاتالیست‌ها با نانوساختار شدن و افزایش تخلخل، بهبود زیادی پیدا خواهد کرد. در حال حاضر چندین شرکت ایرانی در زمینه تولید کاتالیست‌های پایه آلومینا فعالیت می‌کنند که با توجه به تحریم‌ها و قیمت بالای نمونه‌های خارجی، گزینه‌ای مناسب برای صنایع داخل هستند. همچنین این واحدهای تولیدی با دریافت سفارش از مشتریان داخلی و خارجی امکان افزایش ظرفیت تولید و ایجاد اشتغال بالایی را خواهند داشت که به خودکفایی هرچه بیشتر ایران در این زمینه نیز منجر می‌شود. با توجه به بازخوردهای مناسبی که این محصولات از معدود خریداران صنعتی گرفته‌اند، پیش‌بینی می‌شود که طی سال‌های آینده استفاده از این کاتالیست‌های تولید داخل گسترش زیادی پیدا کند و همچنین خطوط صادرات این محصول نیز راه‌اندازی شود.

——————–

منابع

[1] S. I. Sinar Mashuri et al., “Photocatalysis for Organic Wastewater Treatment: From the Basis to Current Challenges for Society,” Catalysts, vol. 10, p. 1260, Oct. 2020, doi: 10.3390/catal10111260.

[2] C. Liu, H. Wang, Z. Zhang, and Q. Liu, “The Latest Research Progress of NH3-SCR in the SO2 Resistance of the Catalyst in Low Temperatures for Selective Catalytic Reduction of NOx,” Catalysts, vol. 10, no. 9, p. 1034, Sep. 2020, doi: 10.3390/catal10091034.

[3] M. Trueba and S. P. Trasatti, “γ‐Alumina as a Support for Catalysts: A Review of Fundamental Aspects,” Eur. J. Inorg. Chem., vol. 2005, no. 17, pp. 3393–3403, Sep. 2005, doi: 10.1002/ejic.200500348.

[4] م. کدخدائی, محصولات و تجهیزات فناوری نانوی ساخت ایران, ششم., vol. 3. ستاد ویژه توسعه فناوری نانو, 2020.

[5] A. Ruys, “Introduction to alumina ceramics,” in Alumina Ceramics, Elsevier, 2019, pp. 1–37.

[6] “Rate of digestion,” Science Learning Hub, 2011. https://www.sciencelearn.org.nz/resources/1834-rate-of-digestion (accessed Dec. 14, 2021).

[7] “Gamma Alumina Supports of Catalyst,” Nano Pars Spadana. https://nanops.co/product/17-product (accessed Dec. 14, 2021).

[8] “آلومینای فعال شده (Activated Alumina),” سایت شرکت سرامیک‌های صنعتی اردکان. http://aic.ir/fa/محصولات/آلومینای-فعال-شده/ (accessed Dec. 14, 2021).

[9] K. Andrews, “Types of Crude Oil: Heavy vs Light, Sweet vs Sour, and TAN count.” https://kimray.com/training/types-crude-oil-heavy-vs-light-sweet-vs-sour-and-tan-count (accessed Dec. 14, 2021).

[10] “افزایش کیفیت محصولات پتروشیمی با نانوکاتالیست ایرانی,” پایگاه خبری فناوری نانو ایران.

[11] “تولید و عرضه پودر آلومینا نانوساختار توسط شرکت نانو پارس اسپادانا,” ایران‌کالا, 2020. https://www.iktv.ir/newsdetail/دانش-بنیان/44393/تولید-و-عرضه-پودر-آلومینا-نانوساختار-توسط-شرکت-نانو-پارس-اسپادانا (accessed Jan. 05, 2022).

[12] “پتروشیمی کارون از کاتالیست توری پلاتین رونمایی کرد,” ایران اکونومیست, 2021. https://iraneconomist.com/fa/news/375366/پتروشیمی-کارون-از-کاتالیست-توری-پلاتین-رونمایی-کرد (accessed Jan. 05, 2021).

[13] “استفاده از نانوکاتالیست تولید ازت در پتروشیمی کارون,” پایگاه اطلاع‌رسانی محصولات فناوری نانو, 2019. https://nanoproduct.ir/news/66264/w (accessed Jan. 05, 2022).

[14] “ویدیوی نانوکاتالیست‌های ایرانی در صنایع پتروشیمی کشور,” نانووصنعت, 2021. http://indnano.ir/post/5967/ویدیو-کاتالیست-ایرانی-در-پتروشیمی (accessed Jan. 05, 2022).

[15] IMARC Group, “Industrial Catalyst Market: Global Industry Trends, Share, Size, Growth, Opportunity and Forecast 2021-2026,” 2020. [Online]. Available: https://www.imarcgroup.com/industrial-catalyst-market.

[16] MarketsandMarkets^TM, “Refinery Catalysts Market by Type (FCC Catalysts, Hydrotreating Catalysts, Hydrocracking Catalysts, and Catalytic Reforming Catalysts), Ingredient (Zeolites, Metal, and Chemical Compounds), Region – Global Forecast to 2025,” 2019. [Online]. Available: https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/refinery-catalyst-advanced-technologies-and-global-market-84.html.

—————————————

[1] Alumina

[2] Catalyst Support

[3] Porous

[4] Active Alumina

[5] Sulforecovery

[6] Sour Crude Oil

[7] MarketsandMarkets™ Research Private Ltd.

————————————————————-

نویسنده: امید الهی، شرکت توسعه مهندسی الماسواره دانش

گروه رصد و تولید محتوای بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

========================================