توسعه نانومواد مغناطیسی برگشتپذیر برای جداسازی آب از نفت
به گزارش بخش اقتصاد وبانگاه، محققان دانشگاه زنجان و پژوهشکده علوم پایه (IASBS) در یک پروژه تحقیقاتی مشترک، نسل جدیدی از دیامولسیفایرهای نانومغناطیسی سازگار با محیطزیست را توسعه دادهاند. این مواد قادرند مشکل دیرینه شکستن امولسیونهای پایدار «آب در نفت» را با راندمان بالا و مصرف کمتر مواد شیمیایی حل کنند.
امولسیونهای W/O از چالشهای مهم در صنایع نفت، انتقال و فرآورش هستند. این ساختارهای پایدار برای جداسازی نیازمند مصرف زیاد مواد شیمیایی، انرژی و زمان هستند. در این تحقیق، با استفاده از نانومواد مغناطیسی و مایعات یونی بر پایه ایمیدازول، رویکردی متفاوت و «سبز» برای رفع این مشکل ارائه شده است.
در ابتدا، نانوذرات مغناطیسی Fe₃O₄ سنتز شده و با β-سیکلودکسترین پوشش داده شدند تا ساختار پایه Fe₃O₄@β-CD شکل بگیرد. این ساختار بستر مناسبی برای تثبیت مایعات یونی مختلف و ایجاد یک دیامولسیفایر قابلبازیافت فراهم میکند. سپس مایعات یونی ایمیدازولی با واکنش ایمیدازول با ۱-برموهگزان و ۱-برمودکان تهیه شدند و دو ماده [Im-C۶][Br] و [Im-C۱۰][Br] به عنوان پیشمادههای اصلی ساخت ILها بهدست آمدند. در ادامه، این مواد با N-پروپیلتریاتوکسیسیلان واکنش داده شدند تا دو مایع یونی سیلاندار جدید، یعنی [ImSi-C۶][Br] و [ImSi-C۱۰][Br] تولید شوند.
پس از ساخت پیشمادههای سیلاندار، این ترکیبات روی سطح Fe₃O₄@β-CD تثبیت شدند تا نانودیامولسیفایر نهایی شکل گیرد. بررسیهای ساختاری شامل FT-IR، طیفسنجی NMR و آنالیز عنصری، صحت سنتز و حضور گروههای عاملی موردنظر را تأیید کرد. آزمونهای TGA و VSM نشان دادند که نانومواد ساختهشده از نظر حرارتی پایدار بوده و خواص مغناطیسی لازم را برای بازیابی سریع در میدان مغناطیسی حفظ کردهاند. اندازهگیریها نشان داد نمونه Fe₃O₄@β-CD دارای اندازه ذرهای حدود ۴۰ تا ۷۰ نانومتر و نمونه دارای مایع یونی با زنجیره بلند (C۱۰) حدود ۵۰ تا ۸۰ نانومتر است. کاهش اندک میزان مغناطش پس از تثبیت مایع یونی نیز تأیید شد و از ۲۵.۶ به ۲۴.۹ emu/g رسید؛ رقمی که همچنان برای جمعآوری آسان ماده کافی است.
برای ارزیابی عملکرد این نانودیامولسیفایر، از امولسیونهای آب در نفت با نسبتهای ۱۰:۹۰ و ۳۰:۷۰ استفاده شد. آزمایشها در گستره غلظتی ۱۰۰۰ تا ۵۰۰۰ ppm انجام شد. نتایج نشان داد نمونه دارای زنجیره آلکیلی بلندتر، یعنی Fe₃O₄@β-CD@[ImSi-C۱۰][Br]، کارایی بیشتری در شکستن امولسیون ارائه میدهد و توانسته است راندمانی معادل ۹۲ درصد در امولسیون ۳۰:۷۰ در مدت ۲۴ ساعت بهدست آورد. همچنین با افزایش راندمان جداسازی، کاهش قابلتوجهی در مقدار کششسطحی بین دو فاز مشاهده شد که نشانه اثرگذاری مستقیم مایع یونی تثبیتشده در سطح نانوذره است.
یکی از مهمترین مزایای این فناوری، «بازیافتپذیری» آن است. دیامولسیفایر ساختهشده پس از انجام فرآیند جداسازی، با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی جمعآوری شد و پس از شستشو، در چرخه جدید مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان میدهد این نانوماده حداقل در پنج چرخه متوالی، عملکرد قابلقبولی را حفظ کرده است و این ویژگی، امکان استفاده صنعتی و کاهش هزینهها را تقویت میکند. پژوهشگران تأکید کردهاند میزان مایع یونی تثبیتشده روی نانوذره نسبتاً کم است و همین موضوع باعث کاهش هزینه تمامشده نسبت به دیامولسیفایرهای سنتی بر پایه مایع یونی خالص میشود. در نتیجه، این رویکرد هم از منظر اقتصادی و هم از نظر زیستمحیطی مزیت رقابتی به همراه دارد.
تیم تحقیقاتی به محدودیتهایی نیز اشاره کرده است. نیاز به غلظتهای بالاتر برای دستیابی به راندمان مطلوب در برخی شرایط صنعتی مطرح شده است، اما به دلیل مصرف اندک مایع یونی، این موضوع مشکلات اقتصادی چندانی ایجاد نمیکند. پژوهشگران پیشنهاد دادهاند در ادامه مسیر، امکان ساخت مایعات یونی جدید با زنجیرههای مختلف یا تغییر آنیونها بررسی شود تا کارایی بیشتری حاصل شود.
این پروژه با حمایت ستاد نانو و میکرو انجام شده و نتایج آن در نشریه Carbohydrate Polymers به چاپ رسیده است.