صنایع سلولزی

فراوان ترین بیوپلیمر طبیعی روی زمین، فیبر سلولزی، ممکن است گزینه ای بسیار کارآمد، کم هزینه و بدون مواد شیمیایی برای تصفیه فاضلاب ارائه دهد.
سلولز به طور گسترده در گیاهان و چندین حیوان دریایی توزیع می شود.
این یک پلیمر کربوهیدراتی است که از واحدهای انیدرو-D-گلوکز متصل به β-1،4 با سه گروه هیدروکسیل در واحد انیدرگلوکز (AGU) تشکیل شده است.
مواد مبتنی بر سلولزی به دلیل هزینه کم، تجدیدپذیری، زیست تخریب پذیری و غیر سمی بودن در صنایع غذایی، صنعتی، دارویی، کاغذ، تولید نساجی
و در کاربردهای تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار گرفته اند.
برای تصفیه آب در صنعت نفت و گاز، مواد مبتنی بر سلولز را می توان به عنوان جاذب، لخته ساز و غشاهای جداسازی روغن/آب استفاده کرد.
در این بررسی، استفاده از مواد مبتنی بر سلولز برای تصفیه فاضلاب در صنعت نفت و گاز خلاصه می‌شود
و پیشرفت تحقیقات اخیر در جنبه‌های زیر برجسته می‌شود:
تمیز کردن نشت نفت خام، لخته‌سازی مواد معلق جامد در حفاری یا بازیافت نفت در صنعت نفت بالادست
جذب فلزات سنگین یا مواد شیمیایی
و جداسازی نفت/آب توسط غشای سلولزی در تصفیه آب پایین دست.

مواد مبتنی بر سلولزی به دلیل هزینه کم، تجدیدپذیری، زیست تخریب پذیری و غیر سمی بودن در تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار گرفته اند.
این بررسی به طور خلاصه استفاده از مواد مبتنی بر سلولز برای تمیز کردن نشت نفت خام و سایر کاربردها در صنعت نفت و گاز را نشان می‌دهد.

معرفی

تولیدکنندگان نفت و گاز به افزایش تقاضا برای انرژی پاسخ می دهند.
بیش از 65000 میدان نفتی و گازی درون ساحلی و فراساحلی در جهان وجود دارد.
سالانه میلیاردها گالن آب تولیدی و آب فرآیندی به عنوان ضایعات در صنعت نفت و گاز تولید می شود.
آب می تواند در هر مرحله از تولید نفت آلوده شود، مانند نشت نفت در اکتشاف نفت در دریا و در حین حمل و نقل نفت.
آلودگی آب تولید شده که مخلوطی از آب سازند، آب تزریقی مجدد و مواد شیمیایی تصفیه مورد استفاده برای حفاری یا بازیافت نفت است.
و آلودگی آب فرآیند تولید شده در طی پالایش نفت.
آب تولیدی حاوی اجزای مختلف آلی و معدنی است و تخلیه آن می تواند خاک و آب های سطحی/زیرزمینی را آلوده کند.
چالش صنعت نفت، اتخاذ فناوری هایی برای تصفیه آب های آلوده است که از نظر اقتصادی امکان پذیر است.

استفاده از مواد تجدیدپذیر از کشاورزی و مواد اولیه زیست توده در تصفیه فاضلاب نه تنها انتشار کربن را کاهش می دهد،
بلکه ممکن است هزینه تصفیه فاضلاب را نیز کاهش دهد.
سلولز یک پلیمر پلی ساکارید خطی بلند است که از واحدهای گلوکز پیونددار β-1،4 (C5H8O4)m تشکیل شده است.
انواع طبیعی و اصلاح شده مواد سلولزی برای حذف آلاینده های آلی و معدنی از فاضلاب،
مانند حذف فلزات سنگین با استفاده از مواد سلولزی به عنوان جاذب، و غشاهای سلولزی برای تصفیه آب استفاده می شود .

آلاینده های فاضلاب صنعت نفت را می توان از طریق روش های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مانند جذب، لخته سازی، تبخیر، رسوب شیمیایی، اکسیداسیون شیمیایی، میکروفیلتراسیون غشایی یا اولترافیلتراسیون حذف کرد.
این بررسی بر روی استفاده از مواد سلولزی، از جمله پاکسازی نشت نفت، حذف ذرات جامد، و حذف مواد آلی یا معدنی تمرکز خواهد کرد.

سلولز و مشتقات آن

سلولز اولین بار توسط شیمیدان فرانسوی Anselme Payen در سال 1839 از مواد گیاهی جدا شد.
تولید سلولز در سراسر جهان حدوداً تخمین زده می شود.
1000 تن در سال و می توان آن را از چوب، گیاه، جلبک، تونیکات و باکتری استخراج کرد.
از یک زنجیره خطی از چند صد تا هزار واحد گلوکز متصل تشکیل شده است
و درجه پلیمریزاسیون (DP) برای زنجیره های سلولزی موجود در طبیعت تقریباً 10000 و برای پنبه سلولزی بومی 15000 است،
و شکل 1 نشان می دهد که ساختار شیمیایی سلولز سلولز دارای بسیاری از خواص فیزیکی جذاب است،
مانند مدول یانگ بالا (تا 114 گیگا پاسکال) برای یک فیبریل، درجه بلورینگی بالا (89%) ، درجه پلیمریزاسیون بالا (14400) ، و سطح ویژه بالا (37 m2 g-1).

ساختار سلولز

مواد طبیعی حاوی سلولز شامل گیاهان، جلبک ها و باکتری ها هستند.
سلولز استخراج شده از باکتری ها عاری از موم، لیگنین، پکتین و همی سلولز است که معمولاً در سلولز تهیه شده از گیاهان یافت می شود.

جداسازی سلولز از مواد خام سلولزی به دو مرحله نیاز دارد:

پیش تصفیه مواد خام برای یکنواخت تر کردن واکنش های تصفیه بعدی.
مواد خام پیش تصفیه شده را با استفاده از عملیات مکانیکی، هیدرولیز اسیدی و هیدرولیز آنزیمی به میکروالیاف یا کریستال ها جدا کنید.
با این حال، هزینه سلولز تهیه شده از باکتری ها نسبتاً بالا است. بنابراین سلولز گیاهی به دلیل هزینه کمتر برای تولید انبوه ترجیح داده می شود.
مواد سلولزی را می‌توان در الیاف گیاهی، چوب‌ها، ساقه‌ها، ساقه‌ها، پوسته‌ها، کاه و علف‌ها یافت، ترکیب سلولز توسط مالک و همکاران خلاصه شده است.

عامل دار شدن سلولز از طریق گروه های هیدروکسیل می تواند کاربردهای آن را تا حد زیادی گسترش دهد.
به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی امیدوارکننده آن، تلاش قابل توجهی برای ترجمه این ماده از آزمایشگاه های تحقیقاتی دانشگاهی به کاربردهای صنعتی انجام شده است.

به طور کلی، روش های عامل دار کردن سطح سلولز را می توان به دو دسته عمده تقسیم کرد:

1) اصلاح شیمیایی، مانند اکسیداسیون TEMPO، پیوند پلیمر، و غیره.

2) جذب فیزیکی، به عنوان مثال، جذب سطحی الکترواستاتیک سورفکتانت ها، و غیره.
به غیر از الیاف سلولزی اصلی، سلولز میکروفیبریل شده (MFC) که 10-100 نانومتر قطر و 0.5-10 میلی متر طول دارد
یا سلولز نانوفیبریل شده (NFC)، که 4-20 نانومتر قطر و 500-2000 نانومتر طول دارد،
می توان با استفاده از تیمارهای مکانیکی مانند همگن سازی و آسیاب تهیه کرد.
در فرآیند همگن سازی یا آسیاب کردن، فشار بالایی بر روی الیاف سلولزی اعمال می شود و آنها را به الیاف کوچکتر تجزیه می کند.
MFC یا NFC حاصل شامل نواحی آمورف و کریستالی است. عملیات مکانیکی بسیار انرژی بر است.
بنابراین، پیش تیمارها مانند آنزیمی ، اکسیداسیون با واسطه TEMPO، کربوکسی متیلاسیون، و استیلاسیون برای تسهیل استفاده می‌شوند.

تجزیه الیاف سلولزی

نانوبلورهای سلولز (CNC) با هیدرولیز اسیدی سلولز بومی تهیه می‌شوند.
بسته به شرایط منشأ و هیدرولیز، می توان CNC هایی با مورفولوژی های مختلف به دست آورد.
اسید قوی مانند اسید کلریدریک یا اسید سولفوریک برای تجزیه نواحی آمورف استفاده می شود و در نتیجه نانوذرات سلولز بسیار کریستالی ایجاد می شود.
ابعاد نانوبلورهای حاصل به شدت به منبع بستگی دارد.
طول می تواند از کمتر از 100 نانومتر تا بیش از 1000 نانومتر و عرض آن از چند نانومتر تا 50 نانومتر متغیر باشد.

آلودگی آب در صنعت نفت

آب می تواند در هر مرحله از فرآوری نفت، از جمله استخراج، حمل و نقل و پالایش، آلوده یا تولید شود.
در این بررسی، ما در مورد تصفیه آب آلوده به نشت نفت، آب تولید شده در حین استخراج نفت و آب فرآیند در عملیات پالایشگاه نفت بحث خواهیم کرد.

آلودگی آب ناشی از نشت نفت

در سال 2014، 40.7 درصد از مصرف انرژی جهانی به انرژی تولید شده توسط نفت و محصولات تصفیه شده آن نسبت داده می شود
و از این رو رایج ترین منبع انرژی در جهان است (Key World Energy Statistics، 2014).
تولید فراساحلی، جایی که احتمال وقوع حوادث نشت وجود دارد، 30 درصد نفت جهان را تشکیل می دهد.
از آنجایی که منابع نفتی کمیاب‌تر می‌شوند و ذخایر کمتر در دسترس قرار می‌گیرند، نشت تصادفی در حال حاضر خطر بیشتری نسبت به گذشته دارد.
تجزیه و تحلیل تجربی نشان داده است که با حرکت سکوهای نفتی به سمت آب های عمیق تر، عمق آب با احتمال نشت نفت ارتباط دارد.
هر 30 متر عمق اضافه شده این احتمال را 8.5 درصد افزایش می دهد.
جالب توجه است که این تنها 10 درصد از تخلیه هیدروکربن را تشکیل می دهد.
90 درصد باقیمانده از تخلیه های معمولی کوچک از سکوهای دریایی، خطوط لوله و حمل و نقل نفت حاصل می شود.
روغن ریخته شده باعث اثرات منفی کوتاه مدت و بلندمدت بر اکوسیستم های اطراف می شود.
بنابراین، توسعه تکنیک های کارآمد برای حذف روغن های ریخته شده توجه بخش های دانشگاهی و صنعتی را به خود جلب کرده است.

آب تولید شده/آب فرآیند در تولید نفت

آب تولید شده در نتیجه عملیات استخراج نفت تولید می شود.
و یک جزء ذاتی در پالایش نفت صنایع پایین دستی نفت است و شکل 2 شکل گیری آب تولیدی و فرآوری شده در صنعت نفت/گاز را نشان می دهد.

شکل 2. (الف). نمایش شماتیک کلی چاه نفت و گاز با تشکیل (تولید شده) آب در مخزن و (ب). فرآیند پالایشگاهی که فاضلاب فرآیندی را تولید می کند.

آب تولید شده حاوی روغن های پراکنده، مواد معدنی، مواد شیمیایی تولیدی، جامدات و گازهای محلول است.
آب تولیدی جهانی حدود 250 میلیون بشکه در روز برای حدود 80 میلیون بشکه در روز نفت تولید شده تخمین زده می شود.
بنابراین، یافتن راه‌های کارآمد برای تصفیه فاضلاب حفاری یک وظیفه مهم در صنعت نفت و گاز است.

آب تولید شده حاوی یون های معدنی محلول بیشتری نسبت به آب فرآیندی است.
از سوی دیگر، آب فرآیند حاوی ترکیبات شیمیایی بیشتری مانند فنل ها، آمونیاک، H2S و BTEX (بنزن، تولوئن، اتیل بنزن و زایلن ها) نسبت به آب تولید شده است. به طور کلی، آب تولیدی دارای نمک بالایی است، در حالی که آب فرآیند تصفیه دارای مقادیر زیادی ترکیبات آلی است.

آلاینده های موجود در آب تولیدی/فرآوری

آلاینده های موجود در آب تولیدی/فرایندی را می توان به سه دسته تقسیم کرد: مواد آلی، مواد معدنی و ذرات جامد معلق.

مواد آلی

ماده آلی که TOC (کربن آلی کل) نامیده می شود، مخلوطی از هیدروکربن ها از جمله BTEX، نفتالین، فنانترن، دی بنزوتیوفن (NPD)،
هیدروکربن های پلی آروماتیک (PAHs)، فنل ها، اسید کربوکسیلیک و ترکیبات معطر با وزن مولکولی کم است.
حلالیت برخی از هیدروکربن ها در آب بسیار کم است، بنابراین آنها قطرات کوچک روغن را در آب تشکیل می دهند.

مواد معدنی

ترکیبات معدنی محلول در آب تولیدی شامل کاتیون‌های Na+، K+، Ca2+، Mg2+، Ba2+، Sr2+، Fe2+ می‌باشد.
آنیون ها مانند Cl-، SO42-، CO32-، HCO3-. و فلزات سنگین مانند کادمیوم، کروم، مس، سرب، جیوه، نیکل، نقره و روی.
غلظت فلزات سنگین در آب تولیدی به سن چاه ها و زمین شناسی سازند بستگی دارد.
گاهی اوقات، مواد رادیواکتیو مانند رادیوم 226، 228 را می توان در آب تولید شده نیز یافت.

مواد جامد معلق

جامدات تولیدی که TSS (کل مواد جامد معلق) نشان داده می شود،
طیف وسیعی از مواد از جمله جامدات تشکیل، خاک رس، ماسه، محصولات خوردگی و رسوب، باکتری ها، موم ها و آسفالتین ها را شامل می شود.
آلاینده های موجود در آب تولید شده و فرآیند توسط Munirasua و همکاران خلاصه شده است.