شیوه‌های جدید جهت کنترل هدر رفت متان

گاز طبیعی متان یک نوع گاز گلخانه‌ای قوی می‌باشد. مطالعات اخیر نشان می‌دهد که نیاز به یک نوع کاتالیزور با عملکرد بالا برای تبدیل متان به فرمالدهید وجود دارد. گاز متان در سال 1778 توسط فیزیکدان ایتالیایی آلساندرو ولتا کشف شد. این گاز در طبیعت از تجزیه و پوسیده شدن مواد آلی به ویژه فساد گیاهان در مرداب‌ها حاصل می‌شود، به همین جهت متان را گاز مرداب‌ نیز می‌نامند. گاز متان که ساده‌ترین هیدروکربن اشباع شده به شمار می‌رود ، در شرایط استاندارد دما و فشار، بی بو و بی‌رنگ و نافذتر و سبک‌تر از هوا است.
تعداد کلمات: 1024 / تخمین زمان مطالعه: 5 دقیقه

مترجم: سهیلا حاجی زاده

شیوه‌های جدید جهت کنترل هدر رفت متان
گاز طبیعی متان یک نوع گاز گلخانه‌ای قوی می‌باشد. مطالعات اخیر نشان می‌دهد که نیاز به یک نوع کاتالیزور با عملکرد بالا برای تبدیل متان به فرمالدهید وجود دارد.

گاز متان در سال 1778 توسط فیزیکدان ایتالیایی آلساندرو ولتا کشف شد. این گاز در طبیعت از تجزیه و پوسیده شدن مواد آلی به ویژه فساد گیاهان در مرداب‌ها حاصل می‌شود، به همین جهت متان را گاز مرداب‌ نیز می‌نامند. گاز متان که ساده‌ترین هیدروکربن اشباع شده به شمار می‌رود ، در شرایط استاندارد دما و فشار، بی بو و بی‌رنگ و نافذتر و سبک‌تر از هوا است.

جهت تهیه گاز متان نیاز به باقیمانده نباتی یا حیوانی و یا نیاز به زغال سنگ می‌باشد . گاز متان فرآورده پایانی تجزیه غیر هوازی گیاهان می‌باشد. گاز متان همان گاز قابل احتراق و منفجر شونده در معادن زغال سنگ است. با تقطیر جزء به جزء گاز طبیعی که برا اساس اختلاف نقطه ی جوش صورت می گیرد می توان متان خالص تهیه کرد. شایان ذکر است که از گاز طبیعی بیشتر بعنوان سوخت استفاده می‌شود تا برای تهیه‌ی گاز متان. گاز متان همچنین از تجزیه ی بی‌هوازی ( بدون هوا ) مواد آلی مانند کود شیمیائی، آب پسماند، پسماندهای جامد شهری و هر ماده‌ی قابل زیست تجزیه شدنی بوجود می آید. گاز متان را می‌توان برای مصارف صنعتی بوسیله پاره‌ای از واکنش‌های شیمیایی از گازهای موجود در جو و هیدروژن بدست آورد.

فرمالدهید که نام علمی آن متانال است، گازی با بوی تند و زننده‌است و کوچک‌ترین آلدهید به‌شمار می‌آید.

فرمالدهید به آسانی از سوخت ناقص ترکیب‌های کربن‌دار به دست می‌آید و در دود حاصل از آتش سوزی جنگل‌ها و دود خودروها نیز یافت می‌شود. فرمالدهید از اکسایش متانول در دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد با استفاده از نقره به عنوان کاتالیزگر بدست می‌آید. مقادیر اندک فرمالدهید در فرآیندهای متابولیک پسماندها در بسیاری از جانوران زنده نیز ساخته می‌شود. از فرمالدهید برای نگهداری نمونه‌های جانوری استفاده می‌شود.
فرمالدهید دارای مولکول‌های قطبی است، بنابراین جاذبه‌های دوقطبی- دوقطبی بین این مولکول‌ها و همین‌طور بین مولکول‌های متانال با دیگر مواد می‌تواند برقرار شود. در اثر جاذبه‌های بین مولکولی، فرمالدهید در فاز مایع به شکل سه‌پار هم یافت می‌شود. این جاذبه‌های دوقطبی موجب می‌شود تا متانال در حلال‌های قطبی نظیر آب و اتانول حل شود.

پیشرفت در این زمینه توسط پروفسور کاوانگ جین و تیم تحقیقاتی او در دانشکده‌ی انرژی و طراحی مواد شیمیایی با همکاری پروفسور جا هانک کاوا، پروفسور ایون داک پارک از دانشگاه ایجو و پروفسور سوک جونگ از دانشگاه هانیانگ حاصل شد.

در این مطالعه، این گروه محقق یک کاتالیزور عالی متان اکسیداز متشکل از مواد نانو را ارائه دادند. این مواد دارای ساختار پایدار و واکنش پذیری بالا در دماهای بالا بوده و کارایی تبدیل متان به فرمالدهید را به میزان دو برابر قبل افزایش می‌دهد. متان همانند نفت می‌تواند از طریق واکنش‌های شیمیایی به منابع مفیدی تبدیل شود. جزء اصلی گاز شیل که در سال‌های اخیر توجه زیادی را در آمریکا به خود جلب کرده، متان بوده و تکنولوژی‌های به کار گرفته جهت ساخت منابع با ارزش افزوده بالا با این مواد نیز بسیار مهم می‌باشد. مشکلی که در این زمینه وجود دارد این است که ساختار شیمیایی متان به قدری پایدار بوده که به راحتی با مواد دیگر واکنش نمی‌دهد. تاکنون، متان عمدتا به عنوان سوخت برای گرمایش و حمل و نقل مورد استفاده قرار گرفته است. 
جزء اصلی گاز شیل که در سال‌های اخیر توجه زیادی را در آمریکا به خود جلب کرده، متان بوده و تکنولوژی‌های به کار گرفته جهت ساخت منابع با ارزش افزوده بالا با این مواد نیز بسیار مهم می‌باشد.
در دمای بالاتر از 600 درجه سانتی‌گراد، نیاز به ایجاد واکنشی بوده که ساختار شیمیایی متان را تغییر دهد. بنابراین، نیاز به کاتالیزور دارای ساختار پایدار و حفظ واکنش پذیری در این محیط وجود دارد. قبلا، وانادیم اکسید و مولیبدن اکسید به عنوان بهترین کاتالیزور در این زمینه در نظر گرفته شدند. هنگامی‌که این کاتالیزورها مورد استفاده قرار گرفت، تبدیل متان به فرمالدهید کمتر از 10 درصد حاصل شد.

پروفسور آهِن کاتالیزوری ساخت که می‌تواند متان را با استفاده از مواد نانو به فرمالدهید تبدیل کند. فرمالدهید منبع مفیدی بوده که به طور گسترده به عنوان یک ماده خام برای کشت باکتری‌ها، به عنوان نگهدارنده غذا، پلیمرهای کاربردی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کاتالیزور دارای ساختار هسته – پوسته متشکل از نانوذرات وانادیوم اکسید بوده که توسط یک فیلم نازک آلومینیومی احاطه شده و پوسته آلومینیومی اطراف ذرات وانادیوم اکسید قرار دارد. این پوسته از دانه حفاظت کرده و باعث حفظ ثبات کاتالیزور با واکنش پذیری بالا حتی در دماهای بالا می‌گردد. در واقع، هنگامی‌که واکنش کاتالیزوری با این ماده مورد تست قرار گرفت، نانوذرات وانادیوم اکسید بدون پوسته‌های آلومینیومی دارای تلفات ساختاری در دمای 600 درجه سانتی‌گراد و همچنین کاهش فعالیت کاتالیزوری بودند. با این‌حال، نانوذرات ساخته شده از ساختارهای هسته – پوسته حتی در دماهای بالا نیز پایدار می‌مانند. در نتیجه، کارایی تبدیل متان به فرمالدهید تا بیش از 22 درصد افزایش می‌یابد. این متان تغییر یافته، منبع مفید با کارایی بیش از دو برابر می‌باشد.
فرمالدهید منبع مفیدی بوده که به طور گسترده به عنوان یک ماده خام برای کشت باکتری‌ها، به عنوان نگهدارنده غذا، پلیمرهای کاربردی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نانوذرات کاتالیزوری وانادیوم اکسید توسط یک فیلم نازک آلومینیومی احاطه شده که به طور موثری از آگلومراسیون و تغییر شکل ساختاری ذرات داخلی جلوگیری می‌کند. محققی به نام یانگ از بخش مهندسی مواد شیمیایی اولین فردی بود که در این زمینه مطالعاتی را انجام داد و بیان کرد که از طریق ساختار جدید پوشش لایه اتمی با نانوذرات، همزمان ثبات حرارتی و واکنش پذیری افزایش پیدا می‌کند.

این تحقیقات امروزه از نظر پیشرفت در حوزه‌ی کاتالیزورها بسیار مورد توجه قرار گرفته و در طی 30 سال پیشرفت چندان قابل توجهی نداشته است. فناوری کاتالیزور به منظور تولید فرمالدهید با استفاده از متان نیز پیشرفت قابل توجهی نشان نداده است، چون این فناوری تنها در سال 1987 در آمریکا به ثبت رسیده است.

پروفسور آهِن بیان می‌کند که فناوری کاتالیزوری با راندمان بالا فراتر از محدودیت‌های فناوری توسعه یافته است. ارزش این فناوری به عنوان یک فناوری انرژی نسل بعدی که از منابع طبیعی فراوان استفاده می‌کند، بسیار بالا می‌باشد.

این محقق بیان کرد که ما قصد داریم که فناوری تولید کاتالیزور و فرایند پردازش کاتالیزور را به گونه‌ای توسعه دهیم که بتوانیم دستاوردهای آزمایشگاهی خود را در سطح صنعتی گسترش دهیم. فناوری کاتالیزوری دارای تاثیر قابل توجهی بر صنعت شیمی بوده و به صنایع شیمیایی ملی نیز کمک قابل توجهی می‌کند. آهِن عنوان کرد که من به دنبال توسعه‌ی یک فناوری خاص هستم که بتوانم به راحتی ایده‌های خود را اجراء کنم.
 
 برگرفته از سایت Science Daily