-۱ مقدمه

اخیراً بسیاری از محققین شرایط تشکیل هیدراتهای متان را بهمنظور ذخیرهسازی و انتقال گاز طبیعی مورد مطالعه قرار دادهاند.[۱] نرخ پایین تشکیل هیدراتهای گازی بهعنوان مانع اساسی در صنعتی شدن استفاده از این فناوری مطرح است. بهعبارتی مساله فنی عمده در سامانههای ذخیره انرژی بهوسیله هیدراتهای گازی این است که چگونه میتوان میزان انتقال حرارت و انتقال جرم گاز- آب را افزایش داد.[۲]

نانو ساختارها بهعنوان موادی جدید با ابعاد زیر ۱۰۰nm، بهدلیل فراهم کردن سطوحی با مساحت ویژه و انرژیهای زیاد میتوانند عامل موثر در تشدید انتقال جرم و انتقال حرارت در سامانههای مختلف باشند. پدیده تشکیل هیدرات یک پدیده بین سطحی است و هر عاملی که بتواند انتقال جرم و حرارت را در بین فصل مشترک آب-گاز افزایش دهد، نرخ تشکیل هیدرات و انحلال گاز در آن را تسریع خواهد کرد. بهطور مثال هدایت حرارتی فلز مس در دمای اتاق ۷۰۰ برابر هدایت حرارتی آب است. حتی اکسیدهای فلزی نظیر اکسید آلومینیوم (Al2O3) که در مقایسه با فلزاتی نظیر مس عایق حرارتی بهشمار میآیند، هدایت حرارتی آن ده برابر هدایت آب در آن است. بنابراین این سیالات حاوی ذرات جامد فلزی یا غیرفلزی معلق که در اصطلاح نانو سیال (Nano-Fluids) نامیده میشوند، حرارت را بسیار بهتر از سیال پایه خود (Base Solution) منتقل میکنند.[۲] استفاده از نانوذرات بهعنوان تسهیل کننده برای تشکیل هیدراتهای گازی ایدهای جدید بهشمار میآید. برخی محققین از نانوذرات فلزی همچون مس برای تسهیل تشکیل هیدراتهای گازیHFC134a استفاده کردهاند.[۲] همچنین برخی دیگر از محققین اثر نانوذرات سه گانه TiO2-Ag-SiO2در تسهیل تشکیل هیدراتهای متان را مورد بررسی قرار دادهاند، در این حالت تعداد مولهای مصرف شده گاز حدود ۲۴ درصد افزایش یافته است و زمان القاء هیدرات متان به مقدار اندک، ۱۶/۷ درصد، کاهش یافته است.[۳] اثر نانو لولههای کربنی در تسهیل تشکیل هیدراتهای متان نیز مورد بررسی قرار گرفته است و حجم گاز ذخیره شده در هیدرات در این حالت ۳۰۰ درصد افزایش یافته است که بسیار قابل توجه میباشد و زمان القاء تشکیل هیدرات در این حالت ۵۲ درصد کاهش یافته است.[۴] از جمله تحقیقهایی که در ایران انجام شده است میتوان به تسهیل تشکیل هیدراتهای متان در حضور نانوسیال آبی حاوی نانوذرات نقره اشاره کرد. در آن تحقیق زمان القاء تشکیل هیدراتهای متان حدود ۸۷ درصد کاهش یافته است.[۵]

در این تحقیق مشاهده شده است که نانوذرات CNT, TiO2, ZnO, ZrO2 اثر تسهیل کنندگی قابل توجهای از خود نشان دادهاند. بهمنظور بررسی تاثیر این نانوذرات بر زمان القاء تشکیل هیدراتهای متان آزمایشها در حجم ۱۲۰ میلیلیتر انجام شده است. همچنین برای بررسی اثر غلظت نانوذره ZnO مورد استفاده قرار گرفته است.

-۲ تسهیل تشکیل هیدرات متان در حضور نانوذراتCNT, TiO2, ZnO, ZrO2

ابتدا روش سنتز نانوذرات و مشخصههای آن به کمک آزمونهای گرفته شده، عکسبرداری میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM و پراش پرتو ایکس XRD بررسی و ارائه میشود. سپس آزمایشهای انجام شده برای بررسی اثر نانوذرات بر تشکیل هیدرات متان ارائه و نتایج حاصل ارزیابی میشود.

-۱-۲ سنتز نانوذرات

در این تحقیق نانوذرات به روشهای احتراق در محیط قلیایی (نانوذرات اکسید روی)، سل ژل (نانوذرات اکسید تیتانیوم و اکسید زیرکونیوم) سنتز شدهاند. نانوذرات CNT از شرکت نوترینو خریداری شده است.

دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران ۲۵-۲۶ اردیبهشت ۱۳۹۲، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان

-۲-۲ مشخصه یابی و آنالیز نانوذرات سنتز شده

:SEM برای بررسی شکل نانوذرات و پراکندگی نانوذرات از آنالیز SEM استفاده شده است. تصاویر SEM در شکلهای۱ تا ۴ نشان داده شدهاند.

شکل(۱ نانوذرات مهرهای شکل .CNT

شکل(۲ نانوذرات کروی شکل .ZnO

شکل (۳ نانوذرات کروی شکل .ZrO2

اث اثر نانو ذرات در تسهیل تشکیل . . .

شکل (۴ نانوذرات کروی شکل .TiO2

:XRD از این آنالیز اطلاعات مربوط به جنس ماده، ساختار کریستالی، فاصله صفحات کریستال و . . . بهدست میآید. نمودارXRD مربوط به نانوذرات مورد استفاده در شکل۵ آورده شدهاست.

شکل (۵ نمودار XRD نانوذرات. CNT (a، TiO2 (b، ZnO (c، ZrO2 (d

از مقایسه پیکهای نمودارها با کارتهای استاندارد آنالیز XRD مشخص میشود که نانوذرات TiO2, ZrO2, ZnOو CNT بهتر تیب با کارتهای استاندارد ۰۱-۰۷۵-۰۵۷۸، ۰۱-۰۸۳-۰۹۴۱، ۰۱-۰۷۸-۱۵۱۰ و ۰۰-۰۰۸-۰۴۱۵ تطابق خوبی دارند که مربوط به ساختارهای هگزاگونال، مونوکلینیک، روتایل تتراگونال و هگزاگونال میباشد.

دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران ۲۵-۲۶ اردیبهشت ۱۳۹۲، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان

-۳-۲ آزمایشها و نتایج

بدیهی است که هیدراتهای گازی در فشارهای نسبتاً بالا و دماهای پایین تشکیل میشوند. از این رو در این تحقیق برای بررسی اثر نانوذرات در تسهیل تشکیل هیدرات متان فشار ۶۰ بار و دمای ۲ درجه سانتیگراد انتخاب شدند. در مرحله نخست ابتدا ۱۲۰ میلیلیتر از آب مقطر به درون راکتور تزریق شده است، سپس در راکتور خلاء ایجاد میشود. با تزریق گاز متان به درون راکتور فشار سامانه به ۶۰ بار رسانده میشود درجدول ۱ مشخصات گاز متان مورد استفاده آمده است) و دمای سیرکولاتور تنظیم میشود تا دمای راکتور را به دمای هدف ۲) درجه سانتیگراد) برساند. سامانه اختلاط بهصورت مغناطیس میباشد و الکتروموتور برروی جریان ۱۰ آمپر تنظیم شده است. دادههای دما و فشار درون راکتور هر ۲۰ ثانیه یک بار به کمک نرم افزار مناسب برروی رایانه ثبت میشود. پس از اتمام آزمایش اطلاعات دما و فشار سامانه به کمک نرم افزار اکسل رسم شدهاند که حاصل آن در شکلهای ۶ و ۷ مشاهده میشود.