مهندسی شیمی-موازنه مواد و انرژی

پترونت: توليد نفت از زباله هاي گياهي و ميكروبي پژوهشگران شركت هاي بيوتكنولوژي در "دره سيليكون" كه منطقه اي در جنوب شرقي سانفرانسيسكو است, درصدند با استفاده از زباله هاي گياهي و تغيير ساختار ژنتيكي باكتري ها و مخمرهاي آبجو از طريق فناوري ژنتيك، بنزين و نفت توليد كنند. "دره سيليكون" 80 كيلومتر بين سانفرانسيسكو و سان خوزه و 20 كيلومتر بين اقيانوس آرام و خليج سافرانسيسكو وسعت دارد. انقلاب ديجيتالي از اين منطقه آغاز شد و بالغ بر 7 هزار كنسرسيوم بزرگ الكترونيكي، نرم افزاري و اينترنتي از جمله اينتل، آپل، هولت پاكارد، ابي، ياهو، گوگل جهان را از اين منطقه متحول كردند. هم اكنون اين احتمال وجود دارد كه در سال هاي آينده انقلاب بعدي نيز از دره سيليكون آغاز شود. سرمايه داران "دره سيليكون" اين بار روياي توليد نفت و بنزين در سر مي پرورانند و شركت هاي بيوتكنولوژي در صددند با استفاده از زباله هاي گياهي و تغيير ساختار ژنتيكي باكتري ها و مخمرهاي آبجو از طريق فناوري ژنتيك بنزين و نفت توليد كنند. از آنجا كه در حال حاضر هيچكس نمي داند كه ذخاير نفت جهان با چه سرعتي پايان خواهند يافت و اطلاعات دقيقي در مورد ذخاير واقعي نفت در كره زمين نيز وجود ندارد و كشورهاي صادركننده نفت (اوپك) نيز دقيقا ميزان ذخاير خود را اعلام نمي كنند، جهان به دنبال جايگزيني براي نفت و بنزين است. اين در حاليست كه تلاش براي توليد و عرضه انرژي هايي چون "سوخت هيدروژني"، "اتانول"، "سلول هاي سوختي" و برق نيز هنوز پايان نيافته است و از سوي ديگر اينگونه انرژي ها نيز عيوب و نواقص خاص خود را نيز دارند. از يك طرف حمل و ذخيره سوخت هيدروژني سخت است، از طرف ديگر توليد اتانول نيز در رقابت با كشت مواد غذايي قرار دارد و خودروهاي برقي نيز هنوز از يك دستگاه شارژ برخودار نيستند كه راندمان مورد نظر را داشته باشد. از سوي ديگر مشكل اصلي در اينگونه انرژي ها اين است كه براي مصرف و عرضه آن به يك ساختار زيربنايي كاملا جديد از جمله لوله ها و خطوط انتقال جديد، پايگاههاي جديد عرضه و موتورهاي جديد خودرو نياز است. بدين خاطر شركت هاي بيوتكنولوژي چون "آميريس" و "ال.اس.9" معتقدند كه در برابر نفت ماده سوختي ايده آل تري وجود ندارد. نفت به آساني قابل حمل و ميزان انرژي آن بسيار بالاست و قرن هاي متمادي در اختيار انسان بوده است اما چنانچه اين ماده در حد بي نهايت در اختيار بود و بعلاوه مصرف آن همراه با ضرر براي محيط زيست انسان نبود، ايده آل ترين ماده سوختي بود. موسسات" آميريس" و "ا ل.اس.9" ميكروب ها را به گونه اي تغيير دادند تا بتوانند با استفاده از شكر، مواد سوختي و انرژي زا براي سوخت خودرو توليد كنند. در حاليكه "ا ل.اس.9" به ويژه از باكتري هاي "اشريشيا كولي" كه تغيير ژنتيكي داده شده اند به عنوان توليد كنندگان مواد سوختي استفاده مي كند، "آميريس" مخمر آبجو را براي توليد چنين موادي در اختيار گرفته است. " اووه زاور" ميكروب شناس كه در دانشگاه فني زوريخ بر روي سيستم متابوليسم ميكروب ها تحقيق مي كند مي گويد، كيفيت روغن توليد شده از طريق ميكروبي بسيار مطلوب است. " زاور" كه مشاور علمي موسسه "ال.اس.9" نيز است افزود، اين نوع "روغن سينتيك" حتي بهتر از روغن و نفت خام معمولي است. به گفته اين كارشناس، در حاليكه نفت خامي كه از زمين استخراج مي شود، كيفيت هاي متفاوتي دارد، اما در روش توليد ميكروبي نفت و ماده سوختي مي توان نوع مورد نظر ماده سوختي را در شكل خالص آن توليد و عرضه كرد. از آنجا كه توليد اتانول از چغندر قند و يا ذرت باعث گراني قيمت مواد غذايي و در نتيجه اعتراضات در برخي از كشورهاي در حال توسعه و در آستانه توسعه شده است، " آميريس" و " ال.اس.9" تلاش دارند تا به جاي تغذيه ميكروب هاي مورد نظر با شكر و تبديل اين ماده خوراكي به سوخت و انرژي، در آينده از سلولز و زباله هاي گياهي بخش كشاورزي به عنوان خوراك ميكروب ها استفاده كنند. از سوي ديگر به گفته زاور، زباله اي گياهي كه در حد بالايي سلولز دارند، تنها ماده خامي هستند كه به اندازه كافي و مورد نياز براي توليد سوخت و انرژي از طريق ميكروب ها وجود دارند. سلولز يك مولكول بزرگ از پلي ساخاريد است كه از تعداد بيشماري از واحدهاي قند تشكيل شده است. قبل از اينكه باكتري هاي توليد كننده نفت بتوانند از سلولز تغذيه كنند، سلولز بايد به عناصر تك قندي تبديل شود. به گفته زاور هم اكنون نيز راه حل هاي مطلوبي نيز براي اين تبديل وجود دارد اما اين روش در مقايسه با استخراج و توليد نفت معمولي از زمين، پرهزينه است. بدين خاطر امكان تبديل ارزان و بهينه سلولز و زباله هاي گياهي به تك قندي ها نقش مهمي در تعيين قيمت يك بشكه "نفت سينتيك" ايفاء مي كند. " آلكساندر اشتاين بوشل" ميكروب شناس موسسه ميكوب شناسي مولكولي و بيوتكنولوژي دانشگاه مونستر مي گويد، ما بر روي توليد باكتري هايي كار مي كنيم كه از زباله هاي گياهي تغذيه كرده و بنزين توليد كنند. اشتاين بوشل افزود، هر كس بتواند چنين باكتري توليد كند، تحولي ايجاد كرده است كه براي وي ميلياردها نفع و سود همراه خواهد داشت. اين كارشناس دانشگاه مونستر با ابراز اميدواري از اينكه اين امر در 5 سال آينده رخ خواهد داد مي گويد، اين امر به ميزان سرمايه گذاري در اين تحقيقات و پژوهش ها بستگي دارد. از ديدگاه اشتاين بوشل، تحقيقات و پژوهش در اين بخش، در آمريكا و چين كه تقاضاي بنزين آن رو به افزاش است، بيشتر از آلمان مي باشد. شركت " ال.اس.9" در حال حاضر يك راكتور و تانك 1000 ليتري دارد كه هر هفته به اندازه يك بشكه نفت معمولي توليد مي كند. با توجه به اينكه اين راكتور در 7/3 متر مربع مستقر است، براي تامين نفت مورد نياز آلمان از طريق ميكروبي و سينتيك ( حدود 747 ميليون بشكه در سال 2007 ميلادي)، بالغ بر 53 كيلومتر مربع زمين جهت استقرار راكتورها، مورد نياز است. شركت "آميريس" قصد دارد تا 2010 ميلادي يك نوع سوخت ديزلي توليد كند كه نسبت به ديزل معمولي با ثبات تر است و 80 درصد كمتر گاز گلخانه اي دارد. طبق ادعاي اين شركت، اين نوع ديزل و بنزين را مي توان در تاسيسات كنوني توليد بيواتانول، توليد كرد. آميريس قصد دارد بدين خاطر يك قرارداد با شركت برزيلي "كريستالسو" كه يكي از بزرگترين شركت هاي توليد كننده بيواتانول در اين كشور است منعقد كند. به گفته زاور، توليد ديزل از قند صرفا يك گام موقت است و شركت ها قصد داشتند از اين طريق در حد امكان سريع نشان دهند كه فناوري آنها موفق و قابل استفاده است. زاور افزود، از آنجا كه برزيل تصميم سياسي براي پايان وابستگي نفتي خود و رويكرد كامل به توليد بيواتانول با استفاده از قند و شكر را اتخاذ كرده است، اين كشور از مشخصه هاي مطلوبي برخوردار است اما هدف اصلي همچنان توليد نفت از زباله هاي گياهي است. شركت " ال.اس.9" نيز اهداف بلندپروازانه اي دارد و قصد دارد در سه تا پنج سال آينده يك ماده سوختي توليد كند و آن را با قيمت رقابتي هر بشكه 40 تا 50 دلار به بازار عرضه كند. با توجه به قيمت هر بشكه نفت خام كه به سمت 140 دلار رو به افزايش است، زمان به نفع شركت هايي چون "آميريس" و "ال.اس.9" پيش مي رود. موسسه فرانسوي "آي.پي.پي." پيش بيني مي كند كه قيمت هر بشكه نفت خام تا سال 2015 ميلادي حتي تا 300 دلار افزايش يابد، اما اين امكان وجود دارد كه تا آن زمان شركت هاي مستقر در "دره سيليكون" نفت سينتيك خود را به بازار عرضه كنند.

منبع : مجله اشپيگل

پترونت: با فرآيند جديد توسعه داده شده توسط محققين  موسسه مكس- پلانك (Max-Planck-Institut für Kohlenforschung)  در آلمان تحقيق و جستجو روي كاتاليست هاي موثر اكنون 100 برابر سريع تر از زمان مورد نياز در چند سال گذشته انجام مي شود.  براي اين نوآوري اين دانشمندان موفق به اخذ نشان "Deutscher Zukunftspreis” ، جايزه رياست جمهوري براي فناوري و خلاقيت شده اند. كاتاليست ها به افزايش سرعت واكنش و كاهش مصرف انرژي و استخراج بيشتر محصولات مفيد از مواد خام كمك مي كند و امكان پذيري اقتصادي منابع جديد انرژي را همچون هيدروژن و سوخت هاي مرتبط با مواد زائد گياهي را بيشتر مي كند.

به گفته فردي اسچت (Ferdi Schüth) مدير موسسه مكس – پلانك مبتكر اصلي توربو تست "  پاسخ اوليه بسيار شك برانگيز بود. مردم شك كردند كه آيا خروجي سيستم ما مي تواند در برگيرنده نتايجي مفيدي در مقياس صنعتي باشد." اگرچه صنايع داروسازي چندين سال است كه مواد فعال پزشكي دارو هاي جديد را بر اساس اين تئوري ساخته است اما ابهام در اين كه آيا اين روش مي تواند در شرايط سخت تر كه در پالايشگاه ها و توليد مواد خام شيميايي است ، عمل كند ، يا خير وجود دارد. اين روش توسط گروهي از دانشمندان بنام و تيم hte انجام شده كه براساس ديدگاه موازي و خودكار قرار گرفته و تست همزمان بيش از 100 كاتاليست شيميايي را امكانپذير مي كند. در نتيجه باعث مي شود تا تحقيقات براي كاتاليست ها كارآمد تر و جديد، تا 100 برابر سريع تر انجام شوند.

درك دموت (Dirk Demuth) مدير اجرايي شركت hte AG كه يكي از سهامداران عمده آن شركت بسف BASF است در اين باره گفت "امروزه تقريباً اكثر شركت ها پتروشيمي كه از تكنولوژي ما استفاده مي كنند بدنبال كاتاليست هاي سفارشي هستند."

اين فرآيند تست براي بسياري از كاربردها نتنها در بخش پتروشيمي بلكه در بسياري از زمينه ها نيز اثبات شده است. براي مثال : در تست كاتاليست هاي تبديل بايومس يا مواد زائد گياهي به سوخت،  كاتاليست هايي كه مواد خام را تبديل مي كند و نيز در كاهش حجم كاتاليست گران قيمت پلاتين در گازهاي خروجي خودروها. مواد مورد نياز براي باتري هاي قدرت مندتر كه براي خودرو هاي الكتريكي توليد الكتريسيته مي كنند نيز از اين روش قابل شناسايي اند.

منبع: Omnexus

پترونت: كامپوزيت هاي زمينه سراميكي يا CMC ها در اواسط دهه هشتاد ميلادي براي كاربردهاي هوافضايي گسترش يافتند و تا به امروز در كاربردهاي محدود ديگري نيز به كارگرفته شده اند. اما به دو دليل مهم يعني هزينه بالاي توليد و نبود يك بانك اطلاعاتي طراحي و ويژگي ها، جايگزيني كامپوزيت هاي زمينه سراميكي به جاي ابر آلياژها به طور فراگير و گسترده انجام نشده است.

هزينه بالاي توليد كامپوزيت هاي زمينه سراميكي مانع توليد صفحات و نمونه هاي آزمايشي مورد نياز براي تهيه بانك اطلاعاتي طراحي شده است. از آنجايي كه هزينه بالاي توليد، موفقيت تجاري آن ها را محدود كرده است، سازمان هاي غير دولتي بسيار كمي توانايي پرداخت هزينه هاي سنگين تحقيقات در زمينه توليد و آزمايش نمونه ها را براي تدوين يك بانك اطلاعاتي طراحي مناسب دارند. در نتيجه استفاده از كامپوزيت هاي زمينه سراميكي به برخي كاربردهاي خاص هوافضايي و نظامي مثل حفاظ حرارتي، دريچه اگزوز هواپيما و نازل موشك محدود شده است.

شركت هاي نظير استار فايبر سيستمز به تازگي روشي را به نام Polymers Ceramic Forming ارايه كرده و توانسته اند از اين طريق زمان و هزينه توليد كامپوزيت هاي زمينه سراميكي با كيفيت بالا را كاهش دهند. هزينه برخي از اين مواد تا حد اقتصادي شدن كاهش يافته است، به طوري كه مي توان انها را در كاربردهاي غير هوافضايي به كارگرفت. هم چنين، بانك اطلاعاتي طراحي اين مواد نيز در مراكزي مثل ناسا در حال آماده سازي است و اين امر مي تواند توسعه اين مواد را تسهيل كند.

كامپوزيت هاي زمينه سراميكي، مشابه ديكر كامپوزيت هاي متداول مثل كربن/ اپوكسي هستند، با اين تفاوت كه در اين كامپوزيت ها، اليافي با پوشش هاي متفاوت و زمينه هاي دما بالا به كار گرفته مي شوند. در يك CMC سه جزء مهم وجود دارد:

تقويت كننده: استحكام و پايه سازه اي كامپوزيت را تامين مي كند و معمولا به صورت پيش شكلي از الياف بافته يا خرد شده است. اما مي تواند به صورت نمد دوخته، ويسكر يا ذره نيز باشد. اغلب، پيش شكل ها به شكل نهايي قطعه مورد نظر طراحي مي شوند.

پوشش فصل مشترك: پوششي نازك است كه بر روي الياف اعمال مي شود و فصل مشتركي كم استحكام بين زمينه سراميكي سخت و الياف سراميكي يا كربني با استحكام بالا ايجاد مي كند. وجود فصل مشترك كم استحكام براي تامين چقرمگي ماده ضروري است. ويژگي هاي فصل مشترك در CMCها، با سايزينگ هاي مورد استفاده در كامپوزيت هاي متداول متفاوت است. سايزينگ ها به اين منظور طراحي شده اند كه بتوانند زمينه ضعيف اپوكسي را به الياف قوي متصل كنند، در حالي كه پوشش فصل مشترك در CMCها بايد از اتصال قوي بين الياف و سراميك جلوگيري كند و در بسياري موارد نيز الياف را از فرايند شكل دهي زمينه، محافظت كنند.

زمينه سراميكي: پايه زمينه سراميكي نوعي رزين اپوكسي دما بالا است و عمده حجم كامپوزيت را در بر مي گيرد. زمينه بار را به الياف منتقل مي كند و سهم زيادي در ويژگي هاي ترموفيزيكي ماده دارد. زمينه ها غالبا عبارتند از: كاربيد سيليسيم، كاربيد سيليسيم با سيليسيم باقيمانده، اكسي كاربيد سيليسم  و اكسيد آلومينيوم. الياف تقويت كننده عموما كربن/ گرافيت، Sic و يا اكسيدي است كه در دماهاي بالا پايدار باشد. معمولا ارزان ترين آنها الياف كربن است (10 دلار در هر كيلو گرم) و پس از آن، الياف گرافيتي  و اكسيدي قرار ميگيرند. الياف Si-C-O شركت نيكالون و الياف Sic بلوري شركت هاي سيلراميك و تيرانو گران ترين نوع الياف سراميكي هستند (چند هزار دلار در هر كيلوگرم). پوشش هاي الياف،  ضعيف ترين جزء CMC ها هستند. اين جزء عمدتا به راحتي در دماهاي متوسط توسط آب و يا اكسيژن تخريب مي شوند و اثر بخشي خود را از دست مي دهند. برخي از اين پوشش هاي متداول عبارتند از كربن، نيتريدبور و Sic متخلخل. به تازگي نيز از مخلوط اكسيدها و فسفات ها به عنوان پوشش استفاده مي شود.

پوشش هاي كربني، BNو Sic متخلخل معمولا با استفاده از روش CVD اعمال مي شوند كه بسيار وقت گير و پر هزينه است و مواد خطرناكي در آن مورد استفاده قرار مي گيرد.

روش هاي مختلفي مثل in-situ BN، به سرعت روند توسعه را در نور ديده اند، اما اين پوشش ها نيز به يك لايه محافظ Sic  نياز دارند كه به روش CVD اعمال مي شوند. اين مساله كه قيمت اين پوشش ها صدها برابر قيمت الياف كربن و گرافيت است، غير عادي به نظر نمي رسد.

اختلاف ضخامت پوشش هاي سطوح گسترده كه به روش CVD  اعمال مي شوند نيز يك مساله دايمي است.

تا پيش از پيدايش Ceramic Forming Polymers، روش ساخت زمينه هاي سراميكي غير اكسيدي، درون تراوي بخار شيميايي يا درون تراي مذاب بود. روش هايي چون زينتر پودر به علت نياز به دماي بالا، امكان پذير نيستند.

منبع: موسسه كامپوزيت ايران- نشريه كامپوزيت