کد خبر:
385218
| تاریخ مخابره:
۱۴۰۳ چهارشنبه ۹ آبان -
09:13
نقش نانوکاتالیست‌های هوشمند در آینده صنعت انرژی و محیط‌زیست
ناهید خندان؛ عضو هیئت‌علمی و دانشیار گروه فناوری شیمیایی سبز پژوهشکده صنایع شیمیایی سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران به بیان مزایای نانوکاتالیست‌ها نسبت به کاتالیست‌های سنتی و کاربردهای نانوذرات در تصفیه پساب‌ها و محیط‌زیست پرداخت. او به مزایای نانوکاتالیست‌ها درمقایسه‌با کاتالیست‌های سنتی پرداخت و توضیح داد: 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 صنعتی‌ست. درعین‌حال 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 بسیاربالاتری نسبت به کاتالیست‌های سنتی دارند و مساحت سطح افزایش‌یافته، اجازه می‌دهد مکان‌های فعال بیشتری برای واکنش‌های شیمیایی دردسترس باشد که به فعالیت کاتالیستی بالاتر و بهبود نرخ واکنش منجر می‌شود. وی معتقد است؛ دردسترس‌بودن بیشتر سایت‌های فعال، کارایی فرآیندهای کاتالیستی را افزایش می‌دهد و واکنش‌های سریع‌تر و بازدهی بالاتر را ممکن می‌سازد. خواص نانوکاتالیست‌ها وابسته به اندازه است؛ پس امکان کنترل دقیق ویژگی شیمیایی و فیزیکی آن‌ها را فراهم می‌کند. این تنظیم‌پذیری، بهینه‌سازی مسیرهای واکنش و گزینش‌پذیری را امکان‌پذیر می‌کند که به‌ویژه در صنایعی که به خلوص و بازده محصول بالا نیاز دارند، مانند داروسازی، سودمند است. وی افزود: طبق همین ویژگی‌ها نانوکاتالیست‌ها اغلب می‌توانند تحت شرایط عملیاتی ملایم‌تر درمقایسه‌با کاتالیست‌های سنتی عمل کنند که به کاهش مصرف انرژی و به‌حداقل‌رسیدن اثرات زیست‌محیطی منجر می‌شود و با اصول شیمی سبز همسوست. خندان ادامه داد: علاوه‌براین 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 به‌دنبال دارد. استحکام مکانیکی و مقاومت بیشتر آن‌ها در برابر نوسانات دما و حلال‌ها، به افزایش طول عمر آن‌ها کمک می‌کند. براین‌مبنا؛ نانوکاتالیست‌ها را می‌توان در طیف وسیعی از صنایع ازجمله پتروشیمی، فرایندهای محیط‌زیستی و تولید انرژی به‌کار برد. علاوه‌براین؛ نانوکاتالیست‌ها به‌دلیل نامحلول‌بودن در حلال‌های مختلف، راحت‌تر از کاتالیست‌های سنتی، از مخلوط واکنش جدا می‌شوند. این ویژگی فرآیندهای بازیابی و بازیافت کاتالیست را ساده کرده و آن‌ها را در کاربردهای صنعتی کارآمدتر می‌کند. به‌گفته وی؛ فناوری‌های نوظهور درحال‌بررسی نانوکاتالیست‌های چندمنظوره یا «هوشمند» هستند که می‌توانند چندین واکنش کاتالیستی را انجام دهند یا فعالیت خود را براساس شرایط محیطی (مانند تغییرات دما) تنظیم کنند. این سازگاری می‌تواند فرآیندهای صنعتی را ساده‌تر کند و تولید پسماند را کاهش دهد. به‌طورخلاصه، نانوکاتالیست‌ها مزایای متعددی نسبت به کاتالیست‌های سنتی ازجمله افزایش کارایی، پایداری، انتخاب‌پذیری و انعطاف‌پذیری عملیاتی دارند. عضو هیئت‌علمی پژوهشکده صنایع شیمیایی درباره کاربردهای نانوذرات در تصفیه پساب‌ها و محیط‌زیست گفت: نانوذرات می‌توانند نقش مهمی در حل مشکلات زیست‌محیطی، به‌ویژه در تصفیه پساب داشته باشند. نانوذرات به‌دلیل نسبت سطح به حجم بالا، قابلیت جذب بهتری از خود نشان داده و این قابلیت را دارند که به‌طور مؤثری طیف وسیعی از آلاینده‌هایی مانند فلزات سنگین، ترکیبات آلی و عوامل بیماری‌زا را از فاضلاب حذف کنند؛ مثلاً نانوذرات نقره به‌دلیل خواص ضدباکتریایی قوی می‌تواند مؤثراً میکروارگانیسم‌های مضر مانند E. coli موجود در آب را از بین ببرد. به‌‌این‌ترتیب نانوذرات اکسید آهن می‌توانند فلزات سنگین سمی مانند سرب و کادمیوم را جذب کنند و غلظت آن‌ها را در پساب‌ها به‌میزان قابل‌توجه کاهش دهند. وی می‌گوید: برخی از نانوذرات به‌صورت 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 به‌طوری‌که 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 به‌طورسنتی در فرآیندهای تصفیه فاضلاب استفاده می‌شود، کاهش دهد. به‌عنوان‌مثال، استفاده از نانوذرات به‌جای کلر برای گندزدایی، می‌تواند از تولید محصولات جانبی و سمی مضر، جلوگیری کند. نانوذرات اغلب به انرژی کمتر و مواد شیمیایی کمتری برای تصفیه مؤثر نیاز دارند که فرآیند کلی را اقتصادی‌تر می‌کند. علاوه‌براین، توانایی کار در شرایط عملیاتی ملایم‌تر، مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. ادغام فناوری نانو در فرآیندهای تصفیه پساب، به کاهش هزینه عملیاتی درمقایسه‌با روش‌های سنتی منجر می‌شود. بااستفاده‌از این ویژگی‌ها، نانوذرات می‌توانند به‌طور قابل‌توجه اثربخشی و کارایی تصفیه پساب را افزایش داده و به محیطی پاک‌تر و سالم‌تر کمک کنند. وی برای کاهش آثار زیست‌محیطی فرآیند صنعتی راهکارهای متعددی مطرح کرد و گفت: برای کاهش اثرات زیست‌محیطی فرآیندهای صنعتی، پذیرش فناوری‌های شیمیایی سبز ضروری‌ست. استراتژی‌های مختلفی برای این‌منظور وجود دارد. یکی‌ازآن‌ها پیشگیری از تشکیل زباله است یعنی اجرای فرآیندهایی که تولید زباله در منبع را به‌حداقل می‌رساند و محصول جانبی کمتری تولید می‌کنند یا طراحی محصولاتی که پس از استفاده به مواد غیرسمی تجزیه شده و آثار زیست‌محیطی طولانی‌مدت را کاهش می‌دهند. بااستفاده‌از کاتالیست و انجام واکنش کاتالیستی به‌جای فرایند استوکیومتری، می‌توان ضایعات را به‌میزان قابل‌توجهی کاهش داد. کاتالیست‌ها راندمان واکنش را افزایش می‌دهند که به بازده بالاتر و تولید ضایعات کمتر منجر می‌شود. اجرای سیستم‌های 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 مواداولیه تجدیدپذیر مانند مواداولیه گیاهی به‌جای مواد نفتی که وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد عنوان کرد و گفت: این تغییر نه‌تنها انتشار کربن را کاهش بلکه پایداری در منابع را نیز ارتقا می‌دهد. استفاده از مواد شیمیایی که خطرات کمتری برای سلامتی انسان و محیط‌زیست دارند مثل جایگزینی حلال 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 ملایم‌تر عمل می‌کنند (مانند دما و فشار کمتر) می‌تواند به صرفه‌جویی قابل‌توجهی در مصرف انرژی منجر شود. برای مثال: نانوکاتالیست‌ها می‌توانند واکنش‌ها را تحت شرایط عملیاتی ملایم‌تر تسهیل و البته راندمان بالا را حفظ کنند. وی افزود: با توسعه نانوکاتالیست‌های چندمنظوره می‌توان فرآیندها را ساده‌سازی کرده و مصرف اضافی مواد را کاهش داد. استفاده از آنزیم‌ها به‌جای کاتالیزورهای شیمیایی سنتی می‌تواند به واکنش‌های کارآمدتر و دوستدار محیط‌زیست 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 زیست‌محیطی خود را به‌میزان قابل‌توجهی کاهش دهند و درعین‌حال کارایی و سودآوری خود را حفظ یا حتی بهبود بخشند. انتقال به فناوری‌های شیمیایی سبز نه‌تنها به‌نفع محیط‌زیست است، بلکه صنایع را در بازاری که به‌طور فزاینده‌ای بر پایداری متمرکز شده است، در موقعیت مطلوبی قرار می‌دهد. خندان درباره‌اینکه چه فناوری‌هایی در دهه آینده بیشترین تأثیر را بر صنعت انرژی خواهند گذاشت، توضیح داد: صنعت انرژی برای دگرگونی قابل‌توجهی در دهه آینده آماده است که توسط چندین فناوری نوظهور و روند کلیدی هدایت می‌شود. اولین فرایند، تولید هیدروژن سبز است. انتظار می‌رود هیدروژن تولیدشده بااستفاده‌از منابع انرژی تجدیدپذیر نقش مهمی در کربن‌زدایی بخش‌های مختلف ازجمله حمل‌ونقل و فرآیندهای صنعتی ایفا کند. فناوری‌های پیشرفته باتری نیز از دیگر تکنولوژی‌های پیشروست که تأثیر قابل‌توجهی بر صنعت انرژی خواهد داشت. پیش‌بینی می‌شود تقاضا برای ذخیره انرژی، به‌ویژه برای وسایل‌نقلیه الکتریکی (EVs) افزایش یابد و انتظار می‌رود تعداد خودروهای برقی در جاده‌ها به‌طور چشمگیری افزایش یابد، این تغییر به پیشرفت‌های قابل‌توجهی در زیرساخت شارژ و فناوری باتری نیاز دارد. وی در تکمیل پاسخ به این سؤال گفت: نوآوری‌ها در ذخیره‌سازی باتری، مانند باتری‌های حالت‌جامد و باتری‌های قابل‌شارژ جریانی، قابلیت‌های ذخیره‌سازی انرژی را افزایش می‌دهند و منابع انرژی تجدیدپذیر را قابل‌اعتمادتر و کارآمدتر می‌کنند. تحول بعدی درزمینه هوش مصنوعی‌ست، 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 عرضه‌وتقاضا به‌طور مؤثرتر کمک می‌کند. دانشیار گروه فناوری‌های شیمیایی سبز پژوهشکده صنایع شیمیایی در بخش دیگری گفت: ازآنجاکه 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 دی‌اکسید کربن از فرآیندهای صنعتی و نیروگاه‌ها را جذب می‌کند و اثرات زیست‌محیطی آن‌ها را کاهش می‌دهد. پیشرفت در انرژی زیستی ازجمله سوخت‌های زیستی و بیوگاز نیز جایگزین‌های پایداری برای سوخت‌های فسیلی ارائه خواهد کرد. وی درباره جایگاه ایران در پیل‌های سوختی و نانوکاتالیست‌ها درمقایسه‌با دیگر کشورها گفت: ایران درزمینه پیل‌های سوختی و نانوکاتالیست‌ها پیشرفت‌هایی داشته اما همچنان به‌دلیل محدودیت‌های اقتصادی، اتکا به سوخت‌های فسیلی و زیرساخت‌های تحقیقاتی محدود و همکاری ناکافی بین دانشگاه، صنعت و دولت، دراین‌زمینه‌ها از کشورهای پیشرو و توسعه‌یافته عقب است. کشور ما با وجود داشتن ذخایر قابل‌توجه گاز طبیعی که می‌تواند تولید هیدروژن را تسهیل کند، جایگاه قابل‌توجهی در بازار جهانی هیدروژن و پیل سوختی ندارد. ایران اکنون از رقبای منطقه‌ای مانند ترکیه و عربستان سعودی که سرمایه‌گذاری‌های قابل‌توجه‌تری درزمینه انرژی‌های تجدیدپذیر و فناوری‌های هیدروژن انجام داده‌اند، عقب است. خندان گفت: هرچند دولت برنامه‌هایی ازجمله تهیه پیش‌نویس سند ملی هیدروژن را برای توسعه هیدروژن و هدایت تلاش‌های آینده آغاز کرده است، بااین‌حال، بودجه ناکافی و سرعت کُند اجرای طرح مانع پیشرفت آن شده. یک مانع مهم، فقدان بودجه کافی برای تحقیق و توسعه هم درزمینه پیل‌های سوختی و هم در فناوری نانوست. این‌امر مانع نوآوری و افزایش مقیاس پروژه‌ها می‌شود. وی گفت: زیرساخت کافی برای تولید و توزیع هیدروژن نیز وجود ندارد که برای ایجاد یک بازار مناسب بسیارمهم است. علاوه‌براین‌ها یک سیاست ملی شفاف که از فناوری‌های انرژی پاک حمایت می‌کند نیز به‌چشم نمی‌خورد. خندان معتقد است؛ بااین‌حال، راه‌هایی برای بهبود وجود دارد که می‌تواند توانایی‌های ایران را دراین‌زمینه‌ها افزایش دهد. مهم‌ترین آن تأمین بودجه بیشتر از هردوبخش دولتی و خصوصی برای حمایت از تحقیق و توسعه دراین‌زمینه‌ها و تقویت زیرساخت‌های تحقیقاتی و سرمایه‌گذاری در آزمایشگاه‌ها و تجهیزات پیشرفته برای تسهیل تحقیقات پیشرفته است. علاوه‌برآن تدوین یک استراتژی ملی جامع که اهداف روشنی را برای تولید هیدروژن و استقرار فناوری پیل سوختی را مشخص می‌کند، می‌تواند 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 خارج‌ازکشور عنوان کرد و افزود: با ارائه حقوق رقابتی و فرصت‌های تحقیقاتی و ایجاد مشارکت‌های بین‌المللی با کشورها و مؤسسات پیشرو برای دستیابی به فناوری‌ها و تخصص‌های پیشرفته، کشور ما نیز می‌تواند موقعیت خود را درزمینه پیل‌های سوختی و نانوکاتالیست‌ها بهبود بخشد و درنهایت به آینده انرژی پایدارتر کمک کند.