حذف گوگرد و آلاینده های زیست محیطی از گاز طبیعی و سوخت با استفاده از کاتالیزورها و حلال های سبز

هدف و زمینه: در عصر حاضر و با تشدید بحران های زیست محیطی و تغییرات اقلیمی، توسعه ی فناوری های سبز برای کنترل و حذف ترکیبات گوگردی از جمله گوگرد آلی در نفت خام و هیدروژن سولفید (H₂S) در جریان های گازی به یک ضرورت صنعتی و زیست محیطی تبدیل شده است. انتشار ترکیبات گوگردی نه تنها منجر به آلودگی هوا و پدیده باران اسیدی می شود، بلکه در عملکرد تجهیزات پالایشگاهی و خطوط انتقال نیز خوردگی شدید ایجاد می کند. از این رو، استفاده از کاتالیزورهای نوین و پایدار برای حذف این ترکیبات، گامی کلیدی در جهت تحقق اهداف حکمرانی سبز و انرژی پایدار به شمار می رود. این مقاله مروری، به بررسی جامع کاتالیزورهای مورد استفاده در فرآیندهای حذف گوگرد از نفت و گاز می پردازد؛ از جمله کاتالیزورهای فلزی مانند نیکل(Ni)، کبالت(Co)، مولیبدن(Mo)، وانادیوم(V)، تنگستن(W) و کاتالیزورهای اکسیدی مانند تیتانیوم اکسید(TiO₂)، زینک اکسید(ZnO)، آلومینیوم اکسید(Al₂O₃)، اکسید سریوم(CeO₂)، همچنین نانوکاتالیزورهای دو یا چندفلزی که کارایی بالایی در فرایندهای هیدروگوگردزدایی (HDS)، گوگردزدایی اکسایشی (ODS) و اکسایش انتخابی H₂S به گوگرد عنصری از خود نشان داده اند. نتایج پژوهش های اخیر نشان می دهد که ترکیب نانوکاتالیزورهای اکسیدی با فلزات انتقالی و یا اصلاح ساختار آنها با کمک پشتیان های مزوحفره ای و حلال های سبز مانند(DES و ILs ها) می تواند به طور قابل توجهی بازده حذف ترکیبات گوگردی را در دماهای پایین افزایش دهد. در بخش گاز، حذف هیدروژن سولفید از جریان های اسیدی نیز با بهره گیری از کاتالیزورهای ZnO، Fe₂O₃، CuO، و TiO₂ اصلاح شده با فلزات نجیب مورد توجه قرار گرفته است. این ترکیبات قادرند H₂S را در حضور اکسیژن یا بخار آب به گوگرد عنصری یا سولفات های پایدار تبدیل کنند، که علاوه بر کاهش آلایندگی، ارزش افزوده ی اقتصادی نیز ایجاد می کند. روش کار: این پژوهش به صورت مروری نظام مند (Systematic Review) طراحی شده است. ابتدا با استفاده از پایگاه های علمی معتبر از جمله ScienceDirect، Scopus، Springer، و MDPI، مقالات منتشرشده در بازه ی زمانی ۲۰۱۵ تا ۲۰۲۵ مورد جست وجو قرار گرفتند. کلیدواژه هایی مانند Desulfurization, H₂S removal, catalysts, Ionic liquids, Green solvents, Hydrodesulfurization (HDS), Oxidative desulfurization (ODS), Nanocatalysts در جست وجو استفاده شد. سپس مقالات بر اساس سه معیار اصلی انتخاب شدند: نوع کاتالیزور: کاتالیزورهای فلزی Ni، Co، Mo، W، V، TiO₂، ZnO، CeO₂، Fe₂O₃، و نانوکامپوزیت های اصلاح شده با حلال های سبز. کاربرد صنعتی: گوگردزدایی از نفت خام، حذف H₂S از گاز طبیعی و جریان های پالایشگاهی. پایداری و بازده زیست محیطی: مصرف انرژی پایین، قابلیت بازیافت، و کاهش تولید پساب های آلاینده. داده های استخراج شده شامل شرایط عملیاتی (دما، فشار، زمان تماس)، درصد حذف گوگرد یا H₂S، پایداری کاتالیزور، و نوع مکانیزم واکنش بودند. سپس، اطلاعات به صورت مقایسه ای تحلیل و نقاط قوت و ضعف هر دسته از کاتالیزورها تعیین شد. یافته ها: نتایج مرور سیستماتیک نشان داد که: کاتالیزورهای فلزی سنتی نظیر Ni–Mo/Al₂O₃ و Co–Mo/Al₂O₃ هنوز هم در فرآیند HDS بیشترین کاربرد را دارند، اما به علت نیاز به دمای بالا و مصرف زیاد هیدروژن، با چالش های زیست محیطی مواجه اند. کاتالیزورهای اکسیدی نانوساختار مانند TiO₂، CeO₂ و ZnO با سطح ویژه ی بالا و پایداری حرارتی مناسب، قادر به انجام واکنش های ODS در دماهای پایین تر هستند. ترکیب TiO₂ با فلزات انتقالی V، Mo، Fe منجر به بهبود چشمگیر در جداسازی ترکیباتی چون DBT و ۴,۶-DMDBT شده است. در فرآیند حذف هیدروژن سولفید از گاز طبیعی، استفاده از ZnO به عنوان جاذب متداول، بازده بالایی در محدوده ی دمایی ۲۰۰–۴۰۰سانتی گراد دارد. در سال های اخیر، کاتالیزورهای Fe₂O₃–TiO₂ و CuO–CeO₂ به عنوان جایگزین های سبز با قابلیت احیای مجدد مطرح شده اند که می توانند H₂S را به گوگرد عنصری یا سولفات ها تبدیل کنند. حلال های پاک نظیر مایعات یونی و DES نقش دوگانه ای ایفا می کنند: هم به عنوان محیط واکنشی با پایداری بالا و تبخیرپذیری صفر، و هم به عنوان عامل کمکی در جداسازی انتخابی ترکیبات سولفوردار نتیجه گیری: تحلیل داده ها نشان می دهد که حذف ترکیبات گوگردی از نفت و گاز با تکیه بر فناوری های کاتالیزوری و حلال های سبز، یکی از موثرترین راهکارها برای تحقق حکمرانی سبز در صنعت انرژی است. پیشرفت های اخیر در مهندسی نانوکاتالیزورها موجب شده تا فرآیندهای ODS و H₂S oxidation در دما و فشار پایین تر و با بازده بالاتر انجام شوند. کاتالیزورهای اصلاح شده ی TiO₂، CeO₂ و ZnO در ترکیب با فلزات فعال و حلال های یونی، توانسته اند کارایی حذف گوگرد را تا بیش از ۹۵ درصد و تبدیل هیدروژن سولفید را تا ۹۰ درصد افزایش دهند. در عین حال، مصرف انرژی و میزان پساب آلاینده نیز به طور چشمگیری کاهش یافته است.

کلیدواژه ها:

کاتالیزور ، گوگردزدایی ، هیدروژن سولفید ، محیط زیست ، حلال های سبز