کاربرد مایعات یونی در صنعت پایین دستی نفت و گاز
وجود هیدروکربن های گازی به خصوص دیاکسید کربن در گاز طبیعی موجب کاهش ارزش حرارتی گاز طبیعی شده و باعث مسمومیت کاتالیستهای موجود در فرآیندهای مختلف میشود. به همین دلیل حذف این مواد از گاز طبیعی حائز اهمیت است. حذف هیدروکربن های گازی از مخلوط گازها یک گام تجاری مهم در تصفیه گاز طبیعی است.
در‌این راستا میزان حلالیت هیدروکربن ها در مایعات یونی به دلیل خواص منحصربه‌فردشان موردتوجه فراوانی قرارگرفته است. گاز طبیعی همواره حاوی ناخالصی های زیادی نظیر بخار آب، گازهای اسیدی دی‌‌اکسید‌کربن و سولفید هیدروژن می باشد. جهت بهبود کیفیت سوخت و قیمت گاز حذف ناخالصی ها كاملاً ضروری است. حذف دی اكسید كربن در گاز طبیعی باعث افزایش ارزش حرارتی گاز طبیعی شده و مانع مسمومیت كاتالیستهای موجود در فرایندهای مختلف میشود.
هرگاه میزان گازهای اسیدی در گاز طبیعی بالا باشد، گاز طبیعی را گاز ترش مینامند و فرایند حذف این ناخالصی ها را شیرین سازی گاز طبیعی میگویند. شیرین سازی گاز طبیعی توسط فرآیند جذب یکی از فرآیندهای مهم صنعتی میباشد که در آن از محلولهای آمینی نظیر محلولهای آبی آلكانول آمین بهعنوان حلال ناخالصی ها استفاده میشود.
امروزه مایعات یونی جایگزین مناسبی برای محلول های آمینی می باشند. مایعات یونی با توجه به ساختارشان از دو بخش کاتیون و آنیون تشکیل شده اند. بخش کاتیونی شامل مولکول زنجیرهای و آنیون شامل مولکول های کوچکتر میباشد. از این رو مایعات دارای خواص بی نظیری مانند فشار بخار پایین، مقاومت گرمایی و شیمیایی بالا، خوردگی کم و … می باشند. امروزه از این حلال های جدید با نام حلال های سبز یاد میشود.
در سال های اخیر، مطالعات زیادی جهت بررسی میزان حلالیت گازهای مختلف در مایعات یونی انجام شده است. همان گونه که اشاره شد مایعات یونی اخیرا به عنوان حلال هایی مناسب برای شیرین سازی گاز طبیعی شناخته شده اند که از جنبه های مختلف دارای جذابیت های فراوانی در مقایسه با سایر حلال های معمول مانند حلال های آمینی می باشند. این حلال ها باید گازهای اسیدی را به صورت گزینش پذیر جذب کنند و گازهای هیدروکربنی باید حلالیت کمی را در مایعات یونی داشته باشند.
با توجه به جدید بودن مایعات یونی رفتار حلالیت گازهای مختلف در این مایعات کمتر شناخته شده است. با توجه به اینکه بررسی خواص این مواد از طریق انجام آزمایش ها ممکن است پرهزینه و زمانبر باشد به کارگیری یک مدل ترمودینامیکی مناسب برای مطالعه رفتار این مایعات در حضور گازهای هیدروکربنی بسیار کاربردی خواهد بود. ساختار مولکولی مایعات یونی متشکل از کاتیون‌ها و آنیون‌های مختلف است.
معمولاً نقش کاتیون را یک ترکیب آلی حجیم (با بار مثبت) بازی می‌کند اما آنیون‌ها ازلحاظ حجم بسیار کوچکتر از کاتیون‌ها هستند (با بار منفی) و ساختار آن‌ها معدنی است. به دلیل تفاوت اندازه بین آنیون‌ها و کاتیون، پیوند میان دو جزء تشکیل‌دهنده مایعات یونی ضعیف است و این ترکیبات در دمای زیر 100 درجه سانتیگراد به‌صورت مایع هستند.
ساختار مایع یونی مانند ساختار نمک طعام است ولی نمک طعام به علت پیوند قوی بین کاتیون و آنیون آن (شباهت بالای آنیون و کاتیون ازنظر اندازه، بار و ماهیت) ساختار بلورین مستحکم دارد و در دمای 800 درجه سانتیگراد به‌صورت مذاب درمی‌آید. برای دسته‌بندی مایعات یونی دمای 100 درجه سانتیگراد در نظر گرفته‌شده است. به آن دسته که در دمایی بالاتر از 100 درجه سانتیگراد مایع هستند، مایعات مذاب و دسته‌ای که در پایین‌تر از این دما حالت مایع دارند، مایعات یونی گفته می شود.
دو گروه عمده از مایعات یونی شامل ترکیباتی می‌شوند که به ترتیب از مولکول‌های آلی ایمیدازولیم (کاتیون ترکیب ایمیدازول با فرمول (C3H4N2) و پیریدینیوم کاتیون ترکیب پیریدین با فرمول (C5H5N) بهعنوان کاتیون ساخته شده‌اند. کاتیون‌ها و آنیون‌های متنوعی برای تهیه مایعات یونی به کار می‌روند که با استفاده از این تنوع گسترده می‌توان مایعات یونی با کاربری‌های اختصاصی و یا خواص فیزیکی-شیمیایی تقویت شده ساخت. آنیون‌های متداول شامل BF4–، BF6–، Br–، Cl– و … هستند. مهم‌ترین مزیت‌های مایعات یونی شامل موارد زیر است:
- این ترکیبات فشار بخار پایینی دارند. درنتیجه برخلاف حلال‌های آلی معمول موادی غیر فرار هستند و مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمی‌کنند.
- تعداد مایعات یونی که امروزه می‌توان ساخت بالغ بر یک میلیون عدد است، درحالی‌که تعداد کل حلال‌های مولکولی از 500 عدد تجاوز نمی‌کند.
- مایعات یونی بسیار بیشتر از ترکیبات آلی، رسانا بوده (کاربردهای الکترونیکی و الکتروشیمیایی) و آنزیم‌های مختلف در آن‌ها به‌راحتی محلول هستند (کاربردهای بیوتکنولوژی).
- این مواد قادر به تشکیل یک سیستم دوفازی مناسب برای جداسازی هستند. در واکنش‌های دوفازی پس از اتمام واکنش با دو فاز شدن مخلوط واکنش، فاز آلی و فاز آبی حاوی مایع یونی (که معمولاً در نقش کاتالیست یا بستر کاتالیست عمل می‌کند) از هم جدا شده و عمل جداسازی با سهولت و با بازده بالا انجام میشود.