علمی، پژوهشی و فناوری

نقش نانوکاتالیست‌های هوشمند در آینده صنعت انرژی و محیط‌ زیست

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : اصطلاح نانوکاتالیست یا نانوکاتالیزگری به صورت یک فرآیند کاتالیستی شامل نانوذرات فلزی، خوشه‌های آن‌ها و اکسیدها یا ترکیبات دیگر که در ابتدا در محیط واکنش قرار داده شده یا در نتیجه‌ محصولات واکنش تشکیل شده‌اند، تعریف می‌شود.

با رشد صنایع، استفاده از کاتالیست‌های مؤثرتر در صنایع شیمیایی و محیط زیست برای کاهش آلودگی محیط و هزینه تولید اهمیت روزافزون یافته‌ است. نانوکاتالیزگری ترکیبی از دو زمینه رشد یافته کاتالیزگری و نانوفناوری جدید است و کاتالیست‌ها در واقع جزو نخستین کاربردهای نانو فناوری در مقیاس صنعتی بوده‌اند.

ناهید خندان عضو هیات علمی و دانشیار گروه فناوری‌های شیمیایی سبز پژوهشکده صنایع شیمیایی سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران است که به بیان مزایای نانوکاتالیست‌ها نسبت به کاتالیست‌های سنتی و کاربردهای نانوذرات در تصفیه پساب‌ها و محیط‌زیست پرداخته است.

او در مشروح گفت‌وگوی خود به مزایای نانوکاتالیست‌ها درمقایسه با کاتالیست‌های سنتی پرداخت و گفت: این فناوری‌ها می‌توانند به بهبود فرآیندهای صنعتی و کاهش اثرات زیست‌محیطی کمک کنند و فناوری‌های سبز در تصفیه پساب و راهکارهای عملی برای کاهش اثرات زیست‌محیطی فرآیندهای صنعتی است. در عین حال نانوکاتالیست‌ها چندین مزیت شاخص نسبت به کاتالیست‌های سنتی دارند که باعث جذابیت فزاینده‌ آنها برای کاربردهای مختلف صنعتی می‌شوند.

وی افزود: نانوکاتالیست‌ها نسبت سطح به حجم بسیار بالاتری نسبت به کاتالیست‌های سنتی دارند و همین مساحت سطح افزایش یافته، اجازه می‌دهد تا مکان‌های فعال بیشتری برای واکنش‌های شیمیایی در دسترس باشد که به فعالیت کاتالیستی بالاتر و بهبود نرخ واکنش منجر می‌شود.

دانشیار گروه فناوری‌های شیمیایی سبز پژوهشکده صنایع شیمیایی معتقد است که در دسترس بودن بیشتر سایت‌های فعال، کارایی فرآیندهای کاتالیستی را افزایش می‌دهد و واکنش‌های سریع‌تر و بازدهی بالاتر را ممکن می‌سازد. خواص نانوکاتالیست ها وابسته به اندازه است بنابراین امکان کنترل دقیق ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی آنها را فراهم می‌کند. این تنظیم‌پذیری، بهینه‌سازی مسیرهای واکنش و گزینش‌پذیری را امکان‌پذیر می‌کند که به ویژه در صنایعی که به خلوص و بازده محصول بالا نیاز دارند، مانند داروسازی، سودمند است.

وی افزود: بر اساس همین ویژگی‌ها نانوکاتالیست‌ها اغلب می‌توانند تحت شرایط عملیاتی ملایم‌تر در مقایسه با کاتالیست‌های سنتی عمل کنند که به کاهش مصرف انرژی و به حداقل رسیدن اثرات زیست محیطی منجر می‌شود و با اصول شیمی سبز همسو است.

خندان ادامه داد: علاوه بر این نانوکاتالیست‌ها عموماً پایداری و دوام بیشتری از خود نشان می‌دهند که به طول عمر طولانی‌تر و کاهش نیاز به تعویض مکرر منجر می‌شود و صرفه‌جویی در هزینه‌ها را به دنبال دارد. استحکام مکانیکی و مقاومت بیشتر آنها در برابر نوسانات دما و حلال‌ها، به افزایش طول عمر آنها کمک می‌کند. بر این اساس، نانوکاتالیست‌ها را می‌توان در طیف وسیعی از صنایع از جمله پتروشیمی، فرایندهای محیط زیستی و تولید انرژی به کار برد. علاوه بر این، نانوکاتالیست‌ها به دلیل نامحلول بودن در حلال‌های مختلف، راحت‌تر از کاتالیست‌های سنتی، از مخلوط‌های واکنش جدا می‌شوند. این ویژگی فرآیندهای بازیابی و بازیافت کاتالیست را ساده کرده و آنها را در کاربردهای صنعتی کارآمدتر می‌کند.

به گفته وی فناوری‌های نوظهور در حال بررسی نانوکاتالیست‌های چند منظوره یا «هوشمند» هستند که می‌توانند چندین واکنش کاتالیستی را انجام دهند یا فعالیت خود را بر اساس شرایط محیطی (مانند تغییرات دما) تنظیم کنند. این سازگاری می‌تواند فرآیندهای صنعتی را ساده‌تر کند و تولید پسماند را کاهش دهد. به طور خلاصه، نانوکاتالیست‌ها مزایای متعددی نسبت به کاتالیست‌های سنتی از جمله افزایش کارایی، پایداری، انتخاب‌پذیری و انعطاف‌پذیری عملیاتی دارند.

کاربردهای نانوذرات در تصفیه پساب‌ها و محیط‌زیست

عضو هیات علمی پژوهشکده صنایع شیمیایی درباره کاربردهای نانوذرات در تصفیه پساب‌ها و محیط‌زیست گفت: نانوذرات می‌توانند نقش مهمی در حل مشکلات زیست ‌محیطی، به‌ویژه در تصفیه پساب داشته باشند. نانوذرات به دلیل نسبت سطح به حجم بالا، قابلیت جذب بهتری از خود نشان می‌دهند و این قابلیت را دارند که به طور موثری طیف وسیعی از آلاینده‌هایی مانند فلزات سنگین، ترکیبات آلی و عوامل بیماری‌زا را از فاضلاب حذف کنند. به عنوان مثال نانوذرات نقره به دلیل خواص ضد باکتریایی قوی خود می‌تواند به طور موثری میکروارگانیسم‌های مضر مانند E. coli موجود در آب را از بین ببرد. به همین ترتیب نانوذرات اکسید آهن می‌توانند فلزات سنگین سمی مانند سرب و کادمیوم را جذب کنند و غلظت آنها را در پساب‌ها به میزان قابل توجهی کاهش دهند.

خندان می‌گوید: برخی از این نانوذرات به صورت نانوکاتالیست عمل کرده و به واکنش‌های شیمیایی که مواد مضر موجود در فاضلاب را تجزیه می‌کنند، سرعت می‌بخشند و این‌ می‌تواند به فرآیندهای تصفیه کارآمدتر و سریعتر منجر شود.

وی یادآور شد: نانوذرات را می‌توان برای کاربردهای خاص مهندسی کرد به طوری‌که امکان شناسایی و حذف سریع آلاینده‌های نوظهور مانند داروها و محصولات مراقبت شخصی از جریان‌های فاضلاب را فراهم ‌کند. استفاده از نانوذرات می‌تواند وابستگی به مواد شیمیایی مضر را که به طور سنتی در فرآیندهای تصفیه فاضلاب استفاده می‌شود، کاهش دهد. به عنوان مثال، استفاده از نانوذرات به جای کلر برای گندزدایی، می‌تواند از تولید محصولات جانبی و سمی مضر، جلوگیری کند. نانوذرات اغلب به انرژی کمتر و مواد شیمیایی کمتری برای تصفیه موثر نیاز دارند، که فرآیند کلی را اقتصادی‌تر می‌کند. علاوه بر این، توانایی کار در شرایط عملیاتی ملایم‌تر، مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. به این ترتیب ادغام فناوری نانو در فرآیندهای تصفیه پساب، می‌تواند به کاهش هزینه‌های عملیاتی در مقایسه با روش‌های سنتی منجر شود. 
با استفاده از این ویژگی‌ها، نانوذرات می‌توانند به طور قابل توجهی اثربخشی و کارایی تصفیه پساب را افزایش داده و به محیطی پاک‌تر و سالم‌تر کمک کنند.

راهکارهای پیشنهادی در کاهش اثرات زیست‌محیطی فرآیندهای صنعتی

وی برای کاهش اثرات زیست‌محیطی فرآیندهای صنعتی راهکارهای متعددی مطرح کرد و گفت: برای کاهش اثرات زیست محیطی فرآیندهای صنعتی، پذیرش فناوری‌های شیمیایی سبز ضروری است. استراتژی‌های مختلفی برای این منظور وجود دارد. یکی از آنها پیشگیری از تشکیل زباله است، یعنی اجرای فرآیندهایی که تولید زباله در منبع را به حداقل می‌رساند و محصول جانبی کمتری تولید می‌کنند یا طراحی محصولاتی که پس از استفاده به مواد غیر سمی تجزیه می‌شوند و اثرات زیست محیطی طولانی مدت را کاهش می‌دهند. با استفاده از کاتالیست و انجام واکنش کاتالیستی به جای فرایند استوکیومتری، می‌توان ضایعات را به میزان قابل توجهی کاهش داد. کاتالیست‌ها راندمان واکنش را افزایش می‌دهند که به بازده بالاتر و تولید ضایعات کمتر منجر می‌شود. اجرای سیستم های بازیافت و استفاده مجدد از مواد در فرآیندهای صنعتی نیز می‌تواند کاهش ضایعات و مصرف منابع را به همراه داشته باشد.

خندان راه‌حل دیگر را استفاده از مواد اولیه تجدیدپذیر مانند مواد اولیه گیاهی به جای مواد نفتی که وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد عنوان کرد و گفت: این تغییر نه تنها انتشار کربن را کاهش بلکه پایداری در منابع را نیز ارتقا می‌دهد. استفاده از مواد شیمیایی که خطرات کمتری برای سلامتی انسان و محیط زیست دارند مثل جایگزینی حلال‌های آلی فرار با گزینه‌های سبزتر (مانند آب یا مایعات یونی) می‌تواند انتشار مواد سمی را کاهش دهد و ایمنی را در محیط‌های صنعتی بهبود بخشد. بهینه‌سازی فرآیندها برای مصرف انرژی کمتر، مثل اجرای فرآیندهایی که تحت شرایط عملیاتی ملایم تر عمل می‌کنند (مانند دما و فشار کمتر) نیز می‌تواند به صرفه‌جویی قابل توجهی در مصرف انرژی منجر شود. برای مثال، نانوکاتالیست‌ها می‌توانند واکنش‌ها را تحت شرایط عملیاتی ملایم‌تر تسهیل کنند و در عین حال راندمان بالا را حفظ کنند.

وی این را هم اضافه کرد که با توسعه نانوکاتالیست‌های چند منظوره می‌توان فرآیندها را ساده‌سازی کرده و مصرف اضافی مواد را کاهش داد. استفاده از آنزیم‌ها به جای کاتالیزورهای شیمیایی سنتی می‌تواند به واکنش‌های کارآمدتر و دوستدار محیط زیست منجر شود. بیوکاتالیست‌ها بیشتر به شرایط ملایم‌تری نیاز دارد و محصولات جانبی کمتری تولید می‌کند که آنها را به یک جایگزین پایدار در صنایع مختلف تبدیل می‌کند که با ادغام این راه‌حل‌ها در صنعت و با اتخاذ این فناوری‌های شیمیایی سبز، صنایع می‌توانند اثرات زیست محیطی خود را به میزان قابل توجهی کاهش دهند و در عین حال کارایی و سودآوری خود را حفظ یا حتی بهبود بخشند. انتقال به فناوری‌های شیمیایی سبز نه تنها به نفع محیط‌زیست است، بلکه صنایع را در بازاری که به طور فزاینده‌ای بر پایداری متمرکز شده است، در موقعیت مطلوبی قرار می‌دهد.

فناوری‌هایی که بیشترین تأثیر را بر صنعت انرژی دارند

خندان درباره اینکه چه فناوری‌هایی در دهه آینده بیشترین تأثیر را بر صنعت انرژی خواهند گذاشت، توضیح داد: صنعت انرژی برای دگرگونی قابل توجهی در دهه آینده آماده است که توسط چندین فناوری نوظهور و روند کلیدی هدایت می‌شود. اولین فرایند، تولید هیدروژن سبز است. انتظار می‌رود هیدروژن تولید شده با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نقش مهمی در کربن‌زدایی بخش‌های مختلف از جمله حمل و نقل و فرآیندهای صنعتی ایفا کند. فناوری‌های پیشرفته باتری نیز از دیگر تکنولوژی‌های پیشرو است که تاثیر قابل توجهی بر صنعت انرژی خواهد داشت. پیش‌بینی می‌شود تقاضا برای ذخیره انرژی، به ویژه برای وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) افزایش یابد و انتظار می‌رود تعداد خودروهای برقی در جاده‌ها به طور چشمگیری افزایش یابد، این تغییر به پیشرفت‌های قابل توجهی در زیرساخت شارژ و فناوری باتری نیاز دارد.

وی در تکمیل پاسخ به این پرسش گفت: نوآوری‌ها در ذخیره‌سازی باتری، مانند باتری‌های حالت جامد و باتری‌های قابل شارژ جریانی، قابلیت‌های ذخیره‌سازی انرژی را افزایش می‌دهند و منابع انرژی تجدیدپذیر را قابل اعتمادتر و کارآمدتر می‌کنند. تحول بعدی در زمینه هوش مصنوعی است، هوش مصنوعی تولید، توزیع و مصرف انرژی را بهینه می‌کند و به سیستم‌های انرژی کارآمدتر و پایدار منجر می‌شود. فناوری‌هایی که ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه را بهبود می‌بخشد، مانند شبکه‌های هوشمند و سیستم‌های مدیریت انرژی، نیز به تعادل عرضه و تقاضا به طور موثرتر کمک می‌کند.

دانشیار گروه فناوری های شیمیایی سبز پژوهشکده صنایع شیمیایی در بخش دیگری گفت: از آنجا که صنایع قصد دارند آلایندگی کربن خود را کاهش دهند، فناوری‌های CCS در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از استفاده از سوخت‌های فسیلی اهمیت فزاینده‌ای خواهند یافت. فناوری‌های CCS انتشار دی اکسید کربن از فرآیندهای صنعتی و نیروگاه‌ها را جذب می‌کند و اثرات زیست محیطی آنها را کاهش می‌دهد. پیشرفت در انرژی زیستی از جمله سوخت‌های زیستی و بیوگاز نیز جایگزین‌های پایداری برای سوخت‌های فسیلی ارائه خواهد کرد.

وی درباره جایگاه ایران در پیل‌های سوختی و نانوکاتالیست‌ها در مقایسه با دیگر کشورها گفت: ایران در زمینه پیل‌های سوختی و نانوکاتالیست‌ها پیشرفت‌هایی داشته است اما همچنان به دلیل محدودیت‌های اقتصادی، اتکا به سوخت‌های فسیلی و زیرساخت‌های تحقیقاتی محدود و همکاری نا کافی بین دانشگاه، صنعت و دولت، در این زمینه‌ها از کشورهای پیشرو و توسعه‌یافته عقب است. کشور ما با وجود داشتن ذخایر قابل توجه گاز طبیعی که می‌تواند تولید هیدروژن را تسهیل کند، جایگاه قابل توجهی در بازار جهانی هیدروژن و پیل سوختی ندارد. ایران اکنون از رقبای منطقه‌ای مانند ترکیه و عربستان سعودی که سرمایه‌گذاری‌های قابل توجه‌تری در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر و فناوری‌های هیدروژن انجام داده‌اند، عقب است.

خندان ادامه داد: هر چند دولت برنامه‌هایی از جمله تهیه پیش‌نویس سند ملی هیدروژن، را برای توسعه هیدروژن و هدایت تلاش‌های آینده آغاز کرده است، با این حال، بودجه ناکافی و سرعت کُند اجرای طرح مانع پیشرفت آن شده است. یک مانع مهم، فقدان بودجه کافی برای تحقیق و توسعه هم در زمینه پیل‌های سوختی و هم در فناوری نانو است. این امر مانع نوآوری و افزایش مقیاس پروژه‌ها می‌شود.

وی تصریح کرد: زیرساخت کافی برای تولید و توزیع هیدروژن نیز وجود ندارد که برای ایجاد یک بازار مناسب بسیار مهم است.، علاوه بر اینها یک سیاست ملی شفاف که از فناوری های انرژی پاک حمایت می‌کند نیز به چشم نمی‌خورد.

خندان معتقد است با این حال، راه‌هایی برای بهبود وجود دارد که می‌تواند توانایی‌های ایران را در این زمینه‌ها افزایش دهد. مهم‌ترین آن تأمین بودجه بیشتر از هر دو بخش دولتی و خصوصی برای حمایت از تحقیق و توسعه در این زمینه‌ها و تقویت زیرساخت‌های تحقیقاتی و سرمایه‌گذاری در آزمایشگاه‌ها و تجهیزات پیشرفته برای تسهیل تحقیقات پیشرفته است. علاوه بر آن تدوین یک استراتژی ملی جامع که اهداف روشنی را برای تولید هیدروژن و استقرار فناوری پیل سوختی را مشخص می‌کند، می‌تواند بسیار راهگشا باشد.

وی یکی از راهکارهای ارتقای ایران در حوزه پیل‌های سوختی را در کنار تقویت همکاری قوی‌تر بین دانشگاه‌ها، مؤسسات تحقیقاتی و صنعت برای هدایت نوآوری و انتقال فناوری، جذب استعدادها و تشویق به بازگشت دانشمندان و مهندسان ایرانی شاغل در خارج از کشور عنوان کرد و افزود: با ارائه حقوق رقابتی و فرصت‌های تحقیقاتی و ایجاد مشارکت‌های بین‌المللی با کشورها و موسسات پیشرو برای دستیابی به فناوری‌ها و تخصص‌های پیشرفته، کشور ما نیز می‌تواند موقعیت خود را در زمینه پیل‌های سوختی و نانوکاتالیست‌ها بهبود بخشد و در نهایت به آینده انرژی پایدارتر کمک کند.