طراحی نانومواد مغناطیسی برگشت‌پذیر برای تفکیک آب از نفت

به گزارش شفقنا، پژوهشگران دانشگاه زنجان و پژوهشکده علوم پایه (IASBS) در یک همکاری تحقیقاتی، موفق به توسعه نسل جدیدی از دی‌امولسیفایرهای نانومغناطیسی سازگار با محیط‌زیست شدند که می‌تواند مشکل دیرینه شکستن امولسیون‌های پایدار «آب در نفت» را با راندمان بالا و مصرف کمتر مواد شیمیایی برطرف کند. امولسیون‌های W/O یکی از چالش‌های شناخته‌شده در صنایع نفت، انتقال و فرآورش محسوب می‌شوند؛ ساختارهایی پایدار که جداسازی آنها معمولاً به مصرف فراوان مواد شیمیایی، انرژی و زمان نیاز دارد. در این طرح، پژوهشگران با تکیه بر نانومواد مغناطیسی و مایعات یونی بر پایه ایمیدازول، رویکردی متفاوت و «سبز» برای حل این مشکل ارائه کرده‌اند.

در گام نخست، نانوذرات مغناطیسی Fe₃O₄ سنتز و با β-سیکلودکسترین پوشش داده شد تا ساختار پایه Fe₃O₄@β-CD شکل گیرد. این ساختار، بستری مناسب برای تثبیت مایعات یونی مختلف فراهم می‌کند و امکان ایجاد یک دی‌امولسیفایر قابل‌بازیافت را می‌دهد. سپس پژوهشگران، مایعات یونی ایمیدازولی را با واکنش ایمیدازول با ۱-برموهگزان و ۱-برمودکان تهیه کردند و دو مادهه [Im-C۶][Br] و [Im-C۱۰][Br] را به‌عنوان پیش‌ماده‌های اصلی ساخت ILها به‌دست آوردند. در ادامه، این مواد با N-پروپیل‌تری‌اتوکسی‌سیلان واکنش داده شد تا دو مایع یونی سیلان‌دار جدید، یعنی [ImSi-C۶][Br] و [ImSi-C۱۰][Br] تولید شود.

پس از ساخت پیش‌ماده‌های سیلان‌دار، این ترکیبات روی سطح Fe₃O₄@β-CD تثبیت شد تا نانودی‌امولسیفایر نهایی شکل گیرد. بررسی‌های ساختاری شامل FT-IR، طیف‌سنجی NMR و آنالیز عنصری، صحت سنتز و حضور گروه‌های عاملی موردنظر را تأیید کرد. همچنین آزمون‌های TGA و VSM نشان دادند که نانومواد ساخته‌شده از نظر حرارتی پایدار بوده و خواص مغناطیسی لازم را برای بازیابی سریع در میدان مغناطیسی حفظ کرده‌اند. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد نمونه Fe₃O₄@β-CD دارای اندازه ذره‌ای حدود ۴۰ تا ۷۰ نانومتر و نمونه دارای مایع یونی با زنجیره بلند (C۱۰) حدود ۵۰ تا ۸۰ نانومتر است. کاهش اندک میزان مغناطش پس از تثبیت مایع یونی نیز تأیید شد و از ۲۵.۶ به ۲۴.۹ emu/g رسید؛ رقمی که همچنان برای جمع‌آوری آسان ماده کافی است.

برای ارزیابی عملکرد این نانودی‌امولسیفایر، پژوهشگران از امولسیون‌های آب در نفت با نسبت‌های ۱۰:۹۰ و ۳۰:۷۰ استفاده کردند. آزمایش‌ها در گستره غلظتی ۱۰۰۰ تا ۵۰۰۰ ppm انجام شد. نتیجه‌ها نشان داد که نمونه دارای زنجیره آلکیلی بلندتر، یعنی Fe₃O₄@β-CD@[ImSi-C۱۰][Br]، کارایی بیشتری در شکستن امولسیون ارائه می‌دهد و توانسته است راندمانی معادل ۹۲ درصد در امولسیون ۳۰:۷۰ در مدت ۲۴ ساعت به‌دست آورد. همچنین با افزایش راندمان جداسازی، کاهش قابل‌توجهی در مقدار کشش‌سطحی بین دو فاز مشاهده شد که نشانه اثرگذاری مستقیم مایع یونی تثبیت‌شده در سطح نانوذره است.

یکی از مهمترین مزایای این فناوری، «بازیافت‌پذیری» آن است. دی‌امولسیفایر ساخته‌شده پس از انجام فرآیند جداسازی، با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی جمع‌آوری شد و پس از شستشو، در چرخه جدید مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد این نانوماده حداقل در پنج چرخه متوالی، عملکرد قابل‌قبولی را حفظ کرده است و این ویژگی، امکان استفاده صنعتی و کاهش هزینه‌ها را تقویت می‌کند. پژوهشگران تأکید کرده‌اند میزان مایع یونی تثبیت‌شده روی نانوذره نسبتاً کم است و همین موضوع باعث کاهش هزینه تمام‌شده نسبت به دی‌امولسیفایرهای سنتی بر پایه مایع یونی خالص می‌شود. در نتیجه، این رویکرد هم از منظر اقتصادی و هم از نظر زیست‌محیطی، مزیت رقابتی به همراه دارد.

با وجود این، تیم تحقیقاتی به محدودیت‌هایی نیز اشاره کرده است. به‌طور خاص، نیاز به غلظت‌های بالاتر برای دستیابی به راندمان مطلوب در برخی شرایط صنعتی مطرح شده است. با این حال، به‌دلیل مصرف اندک مایع یونی، این موضوع مشکلات اقتصادی چندانی ایجاد نمی‌کند. پژوهشگران پیشنهاد داده‌اند در ادامه مسیر، امکان ساخت مایعات یونی جدید با زنجیره‌های مختلف یا تغییر آنیون‌ها بررسی شود تا کارایی بیشتری حاصل شود.

به نقل از ستاد نانو و میکرو، نتایج این پروژه در نشریه Carbohydrate Polymers به چاپ رسیده است.