پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

همه چیز درمورد اصول تصفیه آب شهری

 

 

مقدمه

آب مهم‌ترین ماده غذایی در رژیم غذایی انسان‌هاست. یک انسان بالغ به نوشیدن ۲ لیتر (۸ لیوان) آب در طول روز نیاز دارد تا آب ازدست‌رفته بدن خود از طریق تعرق، دستگاه تنفسی و ادرار را جبران کند؛ اما استفاده از بسیاری از منابع آبی برای تأمین این نیاز به‌سادگی امکان‌پذیر نیست. ٪۹۹٫۷ منابع آب روی کره زمین برای انسان قابل‌استفاده نیست. این آب‌ها شامل آب دریا، یخچال‌های طبیعی و رطوبت موجود در هوا می‌شود. تنها آب شیرین موجود در رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و آب‌های زیرزمینی می‌تواند به مصرف انسان برسد؛ اما بسیاری از منابع آب شیرین نیز برای نوشیدن انسان مناسب نیست. بسیاری از بیماری‌های خطرناک مانند وبا در اثر استفاده از آب شربی که حاوی بیماری‌های انگلی است، به وجود می‌آید. منابع آب شیرین می‌توانند حاوی مقادیر زیادی از پساب‌های صنعتی و نیز مواد شیمیایی استفاده‌شده در کشاورزی باشند که این مواد نیز ممکن است سمی بوده و بر سلامت آب آشامیدنی تأثیرگذارند؛ بنابراین انسان‌ها نیازی ضروری به دسترسی به یک منبع آب شیرین سالم برای آشامیدن دارند.

علاوه بر نیاز به آب شرب، انسان‌ها حجم بیشتری از آب را نیز برای کاربردهای دیگر استفاده می‌کنند. این استفاده‌ها می‌تواند برای کاربردهای خانگی (مانند آشپزی، شست‌وشو و …)، صنعتی، کشاورزی و مقاصد تفریحی باشد؛ بنابراین کیفیت منابع آب شیرین برای هر بخش از زندگی روزمره از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

بنابراین دولت‌ها و سازمان‌ها، قوانین مختلفی را برای بررسی، تصفیه و محافظت از منابع آب شیرین تصویب کرده‌اند.

منابع آب شیرین

آب شور برای مصرف انسان مناسب نیست و آب موجود در یخچال‌های طبیعی و بخار هوا برای مصرف انسان به‌سادگی در دسترس نیست. با این حساب تنها ٪۰٫۳ از آب کره زمین به شکل آب شیرین وجود دارد. حجم عظیمی از این آب (در حدود ٪۹۸٫۵) نیز در زیر زمین و به شکل آب‌های زیرزمینی وجود دارد. منابع باقیمانده آب مانند رودخانه‌ها و دریاچه‌ها با نام آب‌های سطحی شناخته می‌شوند. استفاده از آب‌های سطحی یا زیرزمینی، منطقه به منطقه متفاوت است. به‌صورت کلی، آب‌های زیرزمینی تمیزتر بوده و به تصفیه کمتری نیاز دارند؛ اما آب‌های سطحی در دسترس‌اند.

آلودگی‌های آب شیرین

واضح است که منابع آب شیرین تنها از آب خالص تشکیل نشده‌اند و بررسی ترکیبات شیمیایی این منابع نشان می‌دهد که آب شیرین به‌صورت محلولی از آب و ذرات حل‌شده در دسترس‌اند. محلول آب شیرین می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

1. یون‌ها (مانند Na⁺، Ca²⁺، F^– و HSO₄^–)

2. گازهای محلول (مانند O₂ و CO₂)

3. سایر مولکول‌های حل‌شده طبیعی (مانند محصولات جانبی آلی)

4. مولکول‌های حل‌شده ناشی از فعالیت‌های بشری (مانند پساب‌های صنعتی و کشاورزی)

علاوه بر ذراتی که در آب شیرین حل شده‌اند، ذرات زیادی نیز به‌صورت معلق در این آب وجود دارند. برخی از این ذرات عبارت‌اند از:

1. باکتری‌ها

2. بقایای شناور (مانند شاخ و برگ درختان، زباله‌ها و …)

3. شن و ماسه و خاک

نوع و میزان این آلودگی‌ها در یک نمونه آب، به منبع آن و روش تصفیه آب بستگی دارد. برخی از ذرات محلول مانند اکسیژن، اجتناب‌ناپذیرند. برخی دیگر مانند یون F^–، ذراتی مفیدند که حتی ممکن است در مراحل تصفیه آب به آن اضافه شوند؛ اما بیشتر این ذرات حل‌شده برای سلامت آب آشامیدنی خطرناک هستند و یا موجب می‌شوند که آب شیرین، قابل‌شرب نباشد (مانند Ca²⁺ که به‌عنوان عامل سختی آب شناخته شده و می‌تواند موجب بروز رسوب شود). این ذرات بایستی با تصفیه آب از آبی که قرار است به مصارف شهری و آشامیدنی برسد، حذف شوند.

تصفیه آب شهری با غربالگری

آب سطحی (آب رودها و دریاچه‌ها) معمولاً حاوی ذرات بزرگی مانند شاخ و برگ درختان، ماهی‌ها و آبزیان و زباله‌هاست که در آب شناورند. این ذرات می‌توانند موجب انسداد سیستم تصفیه آب شهری شده و بایستی پیش از ورود آب به واحد تصفیه، از آن جدا شوند. تجهیزات تصفیه آب قابل شرب شهری معمولاً دارای تورهای غربال بزرگی هستند که ناحیه ورود آب شیرین را پوشش داده‌اند. ذرات باقیمانده به دلیل اندازه ابعاد خود نمی‌توانند از این غربال‌ها عبور کرده و بدین ترتیب از آب حذف می‌شوند. این تورهای غربال بایستی به‌صورت دوره‌ای تمیز شده تا ذرات چسبیده به آن از بین رفته و موجب کاهش دبی آب ورودی نشوند. همچنین ممکن است برخی آبزیان در این نواحی شروع به رشد و تکثیر کرده و موجب انسداد این تورها شوند که برای از بین بردن آنها از پتاسیم پرمنگنات (KMnO₄) استفاده می‌شود.

لای‌گیری آب شهری

سایر ذرات معلق و انحلال ناپذیر مانند شن و خاک آن‌قدر کوچک هستند که بتوانند به‌آسانی از تورهای غربال عبور کنند. این ذرات به کمک روش دیگری که لای‌گیری نامیده می‌شود از آب جدا می‌شوند. وقتی آب به حالت راکد درمی‌آید، با گذشت زمان ذرات معلق در کف آب ته‌نشین می‌شوند؛ چون چگالی بیشتری نسبت به آب دارند. سپس آب فاقد ناخالصی‌های معلق می‌تواند بدون ایجاد آشفتگی در لایه پایین حاوی گل‌ولای، از لایه بالا جمع‌آوری شود.

برخی اوقات ذرات نامحلول بسیار کوچک‌اند و به‌سرعت ته‌نشین نمی‌شوند. در این مواقع از دو فرآیند منعقد سازی و لخته سازی استفاده می‌شود. با استفاده از این فرآیندها، ذرات بزرگ‌تری ایجاد شده که سریع‌تر ته‌نشین می‌شوند. در لخته سازی با هم زدن آب، ذرات کوچک بدون سطوح سفت‌وسخت در کنار هم انباشته می‌شوند. وقتی‌که انباشتگی ذرات به اندازه کافی بزرگ شد، توده ایجادشده می‌تواند ته‌نشین شود. سایر ذرات معلق به‌خوبی با لخته سازی متراکم نمی‌شوند. برای حذف آنها از آب باید از انعقاد استفاده شود. انعقاد، فرآیند جمع‌آوری ذرات در یک دسته یا توده است که عموماً با افزودن برخی مواد شیمیایی به نام منعقد کننده‌ها صورت می‌گیرد. مهم‌ترین منعقد کننده‌هایی که در تصفیه آب شهری و آب شرب مورداستفاده قرار می‌گیرند، آلومینیوم سولفات (Al₂(SO4)₃) و سایر نمک‌های آلومینیوم و آهن (مانند آلومینیوم کلرید، آهن کلرید، آهن سولفات و …) هستند. این نمک‌ها با یون‌های طبیعی موجود در آب برای تولید رسوب جامد، واکنش می‌دهند. وقتی این رسوب تشکیل شد، سایر ذرات معلق موجود در آب در آن به دام افتاده و توده ایجادشده در کف آب ته‌نشین می‌شود.

رسوب‌گیری آب شهری

مراحلی که تا اینجا بیان شد برای حذف و تصفیه ذرات نامحلول در آب شهری به کار رفت. پیش‌ازاین نیز بیان شد که علاوه بر این ذرات، ذرات محلولی به شکل مولکول و یون نیز در آب حضور دارند. بخش زیادی از این یون‌ها می‌توانند توسط رسوب‌گیری از آب حذف شوند. رسوب‌گیری عبارت است از واکنش یون‌های محلول در آب با سایر یون‌ها برای تولید جامدات نامحلول که می‌توانند توسط لای‌گیری یا فیلتراسیون از آب جدا شوند. تفاوت رسوب‌گیری با لای‌گیری در این است که در رسوب‌گیری، ذراتی که حذف می‌شوند به‌عنوان بخشی از یک واکنش شیمیایی، رسوب را تشکیل می‌دهند اما در انعقاد، ذرات حذف‌شده بخشی از واکنش شیمیایی نبوده و تنها در رسوبی که توسط افزودن مواد شیمیایی به آب تشکیل می‌شود، به دام می‌افتند.

دو دسته عمده از یون‌ها عموماً با رسوب‌گیری از آب حذف می‌شوند:

1. یون‌های کلسیم (Ca²⁺) و منیزیم (Mg²⁺) که از مواد معدنی به آب افزوده شده و به‌عنوان سختی آب شناخته می‌شوند. این یون‌ها به‌طور مستقیم برای سلامتی انسان مشکل‌ساز نیستند اما می‌توانند در واکنش‌هایی شرکت کنند که موجب رسوب مواد معدنی نامحلول می‌شود؛ مانند حلقه‌های سفیدی ایجادشده بر روی شیرهای حمام و یا ظروف آشپزی و یا رسوب ایجادشده در دیگ‌های بخار که باعث کاهش عملکرد آنها می‌شود. رسوب می‌تواند از کارایی آب برای مصارف مختلف بکاهد.

2. یون آهن (Fe²⁺) و یون منگنز (Mn²⁺) که می‌توانند موجب تغییر رنگ تأسیسات لوله‌کشی و لکه‌دار شدن لباس‌ها حین شست‌وشو شوند. این یون‌ها همچنین می‌توانند موجب تسریع رشد باکتری‌هایی شوند که بر بو و مزه آب تأثیر می‌گذارند.

3. فرآیند حذف یون‌های کلسیم و منیزیم با نام سختی گیری آب شناخته می‌شود. دو ماده معدنی آهک (Ca(OH)₂) و سدیم کربنات (Na₂CO₃) عموماً در سختی گیری از آب شهری به کار می‌روند. برای حذف یون‌های آهن و منگنز نیز علاوه بر مواد بیان‌شده، از واکنش اکسایش به کمک مولکول‌های اکسیژن (O₂) و یا پتاسیم پرمنگنات (KMnO₄) استفاده می‌شود.

فیلتراسیون آب شهری

معمولاً ذرات ایجادشده توسط واکنش‌های رسوب‌گیری آن‌قدر کوچک بوده که با لای‌گیری از آب جدا نشوند. یک راهکار برای حذف سریع این جامدات، استفاده از فیلترهای گرانشی است. در این فرآیند آب حاوی ناخالصی‌های جامد از یک بستر متخلخل عبور می‌کند. این بستر عموماً از شن و ماسه تشکیل‌شده است. از نیروی جاذبه برای عبور آب از این بستر استفاده می‌شود. مولکول‌های آب می‌توانند از حفرات موجود میان شن و ماسه عبور کرده اما ناخالصی‌های جامد در این بستر باقی می‌مانند. آب خارج‌شده از این فیلتر دیگر حاوی ناخالصی‌های جامد نیست.

برای شست‌وشوی فیلترهای شنی در واحدهای تصفیه آب شهری و آب شرب، از عملیات شست‌وشوی معکوس و عبور معکوس جریان آب استفاده می‌شود.

جذب سطحی در تصفیه آب شرب شهری

ترکیبات آلی محلول در آب (مانند آفت‌کش‌ها و یا پساب‌های صنعتی) می‌توانند موجب مشکلات جدی برای سلامت انسان شوند و همچنین بر بو و مزه آب شرب اثرگذار باشند. برای حذف آنها از فرآیند جذب سطحی استفاده می‌شود. جذب سطحی فرآیندی است که در آن یک ماده به سطح ماده‌ای دیگر می‌چسبد. از فیلتر کربن اکتیو پودری (PAC) برای این عملیات استفاده می‌شود. وقتی‌که این ماده به آب افزوده می‌شود، ترکیبات آلی به دانه‌های گرانول این ماده می‌چسبند. دانه‌های گرانول کربن اکتیو شکل‌های نامنظمی دارند که موجب می‌شود این ماده مساحت سطح زیادی در یک حجم کوچک داشته باشد. کربن اکتیو سپس می‌تواند توسط فرآیند فیلتراسیون از آب خارج شده و مواد آلی چسبیده به خود را نیز از آب جدا کند و باعث تصفیه آب شرب شود.

گندزدایی آب شهری

در بسیاری از منابع آب شیرین برای تأمین آب شرب، بیشتر مشکلات ایجادشده ناشی از مواد شیمیایی نیست بلکه ارگانیزم‌های عفونی (باکتری‌ها) سبب بروز چنین مشکلاتی می‌شوند. کلر (Cl₂) به‌عنوان مهم‌ترین و ارزان‌ترین ضدعفونی‌کننده که می‌تواند بیشتر باکتری‌های عامل بیماری‌های سخت را از بین ببرد، شناخته می‌شود؛ هرچند استفاده از کلر موجب ایجاد محصولات جانبی متعددی می‌شود. یک دسته از محصولات جانبی کلر، تری هالو متان‌ها (THMs) هستند که می‌توانند موجب بروز سرطان شوند. به دلیل وجود نگرانی ناشی از تولید محصولات جانبی کلر، امروزه از کلر در کمترین مقدار ممکن استفاده می‌شود و از سایر روش‌های گندزدایی و ضدعفونی کردن آب شهری و آب شرب نیز در کنار کلر استفاده می‌شود. کلر آمین‌ها گندزداهایی پایدارتر از کلر بوده و محصولات جانبی کم‌خطرتری ایجاد می‌کنند اما هزینه استفاده از آنها بیشتر است. از سایر روش‌ها نظیر استفاده از اشعه فرابنفش (UV)، ازون‌زنی و یا فیلتراسیون پیشرفته نیز می‌توان برای حذف میکرو ارگانیزم‌ها استفاده کرد.

افزودن مواد شیمیایی به آب شهری

مهم‌ترین وظیفه سیستم‌ها و تجهیزات تصفیه آب شهری، حذف مواد خطرناک از آب است؛ اما یکی از مهم‌ترین مراحل در تصفیه آب شرب می‌تواند افزودن مواد شیمیایی به آب برای بهبود کارایی آن در مصرف انسان باشد. برای مثال، فلوئورید (F^–) معمولاً برای محافظت از دندان‌ها، در مراحل تصفیه آب شرب به آن اضافه می‌شود.

تصفیه آب شهری در محل استفاده

پس از تصفیه آب شهری در واحدهای تصفیه آب، این آب در مخازنی ذخیره شده و سپس در بین مصرف‌کنندگان خانگی، صنعتی و تجاری توزیع می‌شود. در بیشتر جوامع، آبی که به خانه‌ها و کارخانجات صنعتی می‌رسد آبی تمیز و فاقد ناخالصی‌هایی است که بر سلامتی انسان اثرگذارند؛ گرچه تجهیزات تصفیه آب شهری و آب شرب ممکن است به‌گونه‌ای عمل کنند که درنهایت آب خروجی از آنها به‌خوبی تصفیه نشده و یا در مسیر لوله‌کشی آن، مجدداً آلودگی‌هایی وارد آب شود. همچنین برخی کاربران شبکه لوله‌کشی آب شهری نیاز به کیفیت متفاوتی از آب شرب دارند. در این شرایط استفاده از تجهیزات و دستگاه‌های تصفیه آب در محل استفاده ضروری است. دستگاه تصفیه آب در محل استفاده آب را به‌گونه‌ای تصفیه می‌کند که کیفیت آن برای استفاده در همان محل، مناسب باشد (مانند تصفیه آب زیر سینکی یا رومیزی آشپزخانه برای شرب، تصفیه آب پکیج و آبگرم کن، تصفیه آب ماشین‌های لباسشویی و ظرف‌شویی، تصفیه آب حمام و …). امروزه دستگاه‌های زیادی برای تصفیه آب در محل استفاده در بازار وجود دارد که دو دسته عمده آنها سختی ‌گیرهای رزینی و دستگاه‌های تصفیه آب حاوی مراحل فیلتراسیون اضافی مانند فیلتر اسمز معکوس (RO) یا فیلتر اولترافیلتراسیون (UF) هستند.

جمع بندی

تصفیه آب شهری و دست‌یابی به آب شرب چه از سوی سازمان‌های دولتی و به‌صورت عمومی صورت بگیرد و چه توسط مصرف‌کننده خانگی انجام شود، نیازمند تجهیزاتی کارآمد است تا موجب افزایش سلامت عمومی جامعه، کاهش میزان هدر رفت آب و همچنین افزایش سطح دسترسی به آب سالم قابل شرب شود. بهتا از نیازهای این حوزه به تصفیه آب آگاهی کامل داشته و آماده است تا با ارائه تجهیزات و خدماتی نوین، پاسخگوی نیاز مصرف‌کننده باشد. برخی فناوری‌های به‌کاررفته در خدمات و محصولات بهتا برای تصفیه آب شهری و آب شرب عبارت‌اند از:

1. فیلترهای شنی

2. فیلترهای جذب سطحی

3. منعقد کننده‌ها

4. گندزدایی

5. اسمز معکوس (RO)، نانوفیلتراسیون (NF) و اولترافیلتراسیون (UF)

---

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

همه چیز درباره ماهیت نفت خام و فرآیند استخراج آن

 

مقدمه

امروزه نفت خام یا پترولیوم (Petroleum)، در میدان‌های نفتی بزرگی پیدا می‌شود که این میادین در میلیون‌ها سال پیش،‌ اقیانوس‌های بزرگی بوده‌اند. استخراج نفت خام از خشکی یا زیر دریا با استفاده از تکنولوژی‌های جدید روز به روز در حال پیشرفت است. نفت خام معمولا سیاه یا قهوه‌ای تیره است اما در برخی موارد به رنگ‌های زرد، قرمز یا سبز هم یافت می‌شود. تغییرات رنگ نفت خام نشان از ترکیبات این ماده‌ پرارزش دارد. نفت‌های با مقادیر کم از گوگرد و فلزات، رنگ‌های روشن‌تری دارند. از این ماده در تهیه سوخت‌های مهم همچون گازوئیل و محصولات دیگر مانند تایر خودروها، جلیقه‌های نجات و حتی داروهای بیهوشی نیز استفاده می‌شود. سوختن محصولات مشتق از نفت خام مانند گازوئیل، علت آزاد شدن گازهای گلخانه‌ای است که افزایش این گازها در نهایت سبب از بین رفتن تعادل طبیعی و بروز اثرات مخرب بر محیط زیست می‌شود. نفت خام و دیگر منابع فسیلی مثل زغال‌سنگ، منابع تجدیدناپذیر محسوب می‌شوند؛ زیرا برای تشکیل این منابع، میلیون‌ها سال زمان صرف شده است. این منابع روزی تمام خواهند شد و باید به فکر جایگزینی برای آن‌ها بود.

شکل گیری نفت

شرایط زمین‌شناسی که در نهایت سبب تشکیل نفت شده است، از میلیون‌ها سال پیش و در زمان حیات پلانکتون‌ها و جلبکها نشأت می‌گیرد. این موجودات،‌ پس از مرگ، در کف دریا و زیر میلیون‌ها تن رسوبات دفن شدند. با خشک شدن دریاها، رسوبات باقیمانده آنها تشکیل حوضه‌های رسوبی دادند و این مواد آلی در اعماق زمین، تحت فشار و دمای زیاد لایه‌های بالایی قرار گرفتند. در نبود اکسیژن، این مواد آلی تبدیل به موادی مومی شکل با نام «کروژن» (Kerogen) شدند. کروژن‌ها با گذشت از سه مرحله دیاژنز،‌ کاتاژنز و متاژنز که حاصل زمان، فشار و دمای زیاد بود به هیدروکربن و گاز تبدیل شدند.

طبقه‌بندی نفت خام

نفت خام از هیدروکربن‌های متعددی تشکیل شده است. علاوه بر هیدروژن و کربن، عنصرهای دیگری مثل نیتروژن،‌ گوگرد، اکسیژن و فلزاتی همچون آهن، نیکل و مس در ترکیبات نفت خام یافت می‌شوند. ساختار مولکولی نفت خام برگرفته از ساختار جلبک‌ها، پلانکتون‌ها و گیاهانی است که آن را تشکیل داده‌اند. تغییراتی که در ساختار مولکولی نفت خام نیز مشاهده می‌شود به دلیل شرایط فشار و دمای بالا در فرآیند تشکیل شدن نفت خام است. به سبب این تغییرات در ساختار مولکولی، نفت خامی که به سطح زمین می‌رسد شامل صدها ترکیب نفتی دیگر است. نفت سبک، نفت سنگین و قیرها از جمله ترکیبات اصلی بدست آمده در استخراج نفت خام است. لازم به ذکر است که تمامی محصولات مشتق شده از نفت خام،‌ برای استفاده در صنعت نیاز به پالایش دارند.

طبقه‌بندی

نفت خام شامل سه طبقه‌بندی کلی است:

1. طبقه‌بندی بر اساس موقعیت جغرافیایی

2. طبقه‌بندی بر اساس میزان گوگرد در آن

3. طبقه‌بندی بر اساس درجه API

طبقه‌بندی بر اساس موقعیت جغرافیایی

به طور کلی سه نوع نفت خام مرجع برای قیمت‌گذاری وجود دارد: نفت برنت، نفت تگزاس و نفت عمان. نفت برنت مخلوطی از 15 نوع نفتِ دریای شمال، از میادین اسکاتلند تا نروژ است. بیشتر اروپا از این میادین تغدیه می‌شود. نفت تگزاس، نفت مرغوب و سبکی است که بیشتر در ایالت تگزاس آمریکا تولید می‌شود که تامین نفت شمال آمریکا را بر عهده دارد. نفت عمان که در مواردی نفت دبی هم نامیده می‌شود به عنوان مرجع قیمت‌گذاری نفت در خلیج فارس شناخته می‌شود.

نفت اوپک هم مرجع دیگری از منابع نفتی است. اعضای سازمان کشورهای صادرکننده نفت (اوپک) شامل: الجزایر، آنگولا،‌ اکوادور، ایران، عراق، گینه استوایی، گابن، کویت، لیبی،‌ نیجریه، قطر، عربستان، امارات، اندونزی، کنگو ونزوئلا است.

طبقه‌بندی بر اساس میزان گوگرد

گوگرد به عنوان ناخالصی در نفت خام وجود دارد. گوگرد موجود در نفت خام سبب خوردگی فلزات در پالایشگاه‌ها و آلودگی هوا می‌شود. نفت خام با بیش از 0/5 درصد گوگرد، به نام «نفت ترش» (Sour Oil) و کمتر از آن به نام «نفت شیرین» (Sweet Oil)، شناخته می‌شود. نفت شیرین به خاطر ضرر کمتری که به محیط زیست وارد می‌کند و همچنین درجه خلوص بالاتر، ارزش بیشتری دارد.

طبقه‌بندی بر اساس درجه API

استاندارد API، یک شاخص پذیرفته شده در بین محصولات نفت و گاز است. درجه API نفت، واحدی برای مقایسه چگالی نفت خام با آب است. طبقه‌بندی‌های مختلفی برای نفت خام بر اساس درجه API توصیه شده است؛ ولی به طور معمول نفت‌‌های خام زیر پانزده درجه API، به عنوان نفت سنگین و بالاتر از آن به عنوان نفت سبک در نظر گرفته می‌شوند. نفت‌های سنگین به دلیل داشتن گوگرد و فلزات،‌ نیاز به مراحل بیشتری برای پالایش دارند و از این‌رو، نفت‌های سبک محبوبیت بیشتری دارند. نحوه محاسبه درجه API در زیر آورده شده است:

APIGravity=141.5SG−131.5

به طور مثال،‌ برای محاسبه درجه API نفت سنگین با «چگالی ویژه» (Specific Gravity) برابر با 1 (در شرایط 60 درجه فارنهایت)،‌ به صورت زیر عمل می‌کنیم:

141.51.0−131.5=10.0∘API

مخازن نفتی

نفت خام در مخازن زیرزمینی یافت می‌شود. در زیر زمین و در فشار و دمای بالا،‌ این نفت شروع به حرکت به طرف لایه‌های بالاتر می‌کند تا به یک لایه‌ نفوذناپذیر برسد و در تله‌های نفتی به دام بیافتد. این تله‌های نفتی ممکن است بر اثر گسل یا تنش در لایه‌های زیر زمین بوجود بیایند. همچنین در «تله‌های چینه‌شناسی» (Stratigraphic Traps)، به دلیل وجود «تخلخل» (Porosity) متفاوت بین لایه‌ها و تغییر «نفوذپذیری سنگ» (Rock Permeability)، نفت در زیر لایه‌های نفوذناپذیر به دام می‌افتد. نفت خام از میان لایه‌های ماسه‌سنگی عبور می‌کند اما در زیر «لایه‌های شیلی» (Shale Layers)، به دام می‌افتد.

استخراج نفت خام

میزان نفت موجود در یک مخزن نفتی، «نفت درجای مخزن» (Oil in Place)، نام دارد. تمامی نفت درجای مخرن قابل استخراج نیست. برای استخراج نفت از یک مخزن نفتی نیاز به حفاری لایه‌های زمین است. این حفاری می‌تواند توسعه‌ای یا اکتشافی باشد. چاه‌های توسعه‌ای به منظور توسعه بیشتر یک میدان نفتی حفر می‌شوند اما چاه‌های اکتشافی که در برخی موارد به عنوان چاه‌های Wild Cat هم شناخته می‌شوند، در ابتدای حفاری از یک میدان نفتی حفر می‌شوند.

زمانی که به صورت مستقیم امکان دسترسی به مخزن نفتی وجود نداشته باشد از «حفاری انحرافی» (Directional Drilling) استفاده می‌شود. استفاده از حفاری انحرافی در سال 1991 سبب بروز جنگ در خلیج فارس شد. عراق، کویت را به استفاده غیرقانونی از نفت خود با استفاده از حفاری انحرافی متهم کرد.

سکوهای نفتی

سکوهای نفتی به دو دسته سکوهای خشکی و دریایی تقسیم می‌شوند. سکوهای خشکی به Drilling Rig و سکوهای دریایی به Platform موسوم‌اند.

در تولید اولیه نفت از سکوها، مته حفاری و خدمه به صورت 24 ساعته در حفاری شرکت می‌کنند. قطر این مته‌ها تا 36 سانتیمتر هم می‌رسد. با حفاری مناسب مخازن، برخی از مخازن نفتی تا دهه‌ها امکان تولید نفت دارند.

با حفر چاه و تولید از مخزن، تا بیش از 90 درصد از حجم نفت مخزن همچنان در زیر زمین باقی می‌ماند. برای استخراج این منابع از روش‌های متعددی استفاده می‌شود که به «روش‌های ازیاد برداشت از مخازن» (ٍEnhanced Oil Recovery) موسوم‌اند. روش «سیلابزنی» (Water Flooding)، از جمله این روش‌ها است. این روش به طور تصادفی در سال 1870 در پنسیلوانیا کشف شد. زمانی که چاه‌های نفت ترک شده در پنسیلوانیا، آب باران را در خود جمع کردند، با انباشته شدن این آب‌ها و افزایش وزن، اعمال فشار ایجاد شده سبب افزایش برداشت در چاه‌های نفت اطراف آن شد. روش‌های مختلف دیگر همچون «تزریق متناوب آب و گاز» (Water Alternating Gas) هم به مرور به این روش‌ها اضافه شد که به عنوان ازدیاد برداشت ثانویه نام‌گذاری شدند. از معمول ترین روش‌های ازدیاد برداشت ثانویه، تزریق گاز است. در این روش، تزریق گاز مانعی برای افت فشار بیش از حد مخزن نفتی به هنگام تولید است. دسته‌بندی دقیقی بین ازدیاد برداشت ثانویه و ازدیاد برداشت ثالثیه که هر دو نیز شامل تزریق گاز است نمی‌توان انجام داد. لازم به ذکر است که استفاده از روش‌های ازدیاد برداشت از مخازن در همان ابتدای تولید مخزن، بین مهندسان بسیار توصیه شده است.

ترکیب نفت

نفت خام شام هیدروکربن‌های جامد، مایع و گاز است. در فشار و دمای سطح زمین، هیدروکربن‌های سبک شامل متان، اتان، پروپان و بوتان به حالت گاز، درحالیکه هیدروکربن‌های سنگین‌تر به صورت مایع یا جامد وجود دارند. در زیر زمین، حالت‌های جامد، مایع یا گاز هیدروکربن‌ها به نمودار فازی آن‌ها مربوط است.

یک چاه نفت در هنگام تولید نفت خام، مقادیری گاز حل شده در نفت خام هم تولید می‌کند که زمانی که به سطح زمین می‌رسد، به علت فشار کمتر،‌ این گاز از حالت محلول خارج می‌شود. این نوع از گاز به «گاز همراه » (Associated Gas) موسوم است. لازم به ذکر است که در چاه‌های گازی، محصول اصلی، گاز طبیعی است. در زیر زمین و تحت فشار و دمای بالا، گاز طبیعی شامل هیدروکربن‌های سنگین‌تر مانند پنتان، هگزان و هپتان است. در سطح زمین، این ترکیبات سنگین به صورت مایع از گاز جدا و گاز «میعانی» (Condensate) نام‌گذاری می‌شوند.

نسبت هیدروکربن‌های سبک در نفت خام در میدان‌های نفتی مختلف، متفاوت است. این میزان در مخازن نفت سبک، حدود 97 درصد و در مخازن نفت سنگین به 50 درصد و کمتر می‌رسد. نفت خام بیشتر شامل آلکان‌ها، سیکلوآلکان‌ها و ترکیبات آروماتیک است. اجزای دیگری در ترکیبات نفت شامل نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و فلزات وجود دارد که در هر «سازند» (formation)، این میزان متفاوت است.

ترکیبات نفت خام در پالایشگاه‌ها توسط فرآیند «تقطیر جزء به جزء» (Fractional Distillation) به محصولات مختلفی از جلمه گازوئیل، سوخت هواپیما، کروژن و دیگر ترکیبات تبدیل می‌شود. تعداد مولکول‌های نفت در یک نمونه نفت خام در آزمایشگاه تعیین می‌شود. با استفاده از روش‌های کروماتوگرافی گاز،‌ «آشکار ساز یونیزاسیون شعله‌» (Flame Ionization Detector) یا اسپکترومتر جرمی می‌توان این میزان را تعیین کرد. البته با استفاده از روش‌های بالا هم تمامی ترکیبات نفت شناسایی نمی‌شوند.

نفت در صنعت

صنعت نفت شامل فرآیند‌های اکتشاف،‌ حفاری و استخراج، بهره‌برداری، پالایش و انتقال است که در مجموع به صنایع «بالادستی» (Up-Stream)،‌ «میان‌دستی» (Mid-Stream) و «پایین‌دستی» (Down-Stream) نفت خام موسوم‌اند. بنزین و گازوئیل بیشترین حجم از محصولات نفتی را شامل می‌شوند. نفت خام همچنین ماده اولیه بسیاری از محصولات در صنایع شیمیایی همچون داروسازی،‌ حلال‌ها، کودهای شیمیایی، حشره‌کش‌ها و پلاستیک‌ها است. نفت خام در صنعت نقش بسیار حیاتی ایفا می‌کند و درصد بالایی از مصرف انرژی در دنیا را به خود اختصاص داده است که سالانه حدود 30 میلیارد بشکه از آن در دنیا مصرف می‌شود. لازم به ذکر است که در سال 2004 حدود 24 درصد کل نفت مصرف شده به آمریکا اختصاص یافت؛ اما در سال 2007 این میزان به 21 درصد کاهش یافت. با توجه به استفاده روزافزون از این منابع تجدیدناپذیر، باید منابع جایگزین دیگری را در صورت مصرف و تمام شدن این ذخایر پیش‌بینی کرد؛ منابعی که بتوانند جایگزین سوخت‌های فسیلی، پلاستیک‌ها و البته سوخت‌های هواپیماها باشند.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

معرفی رشته شیمی تجزیه و کاربرد آن

معرفی شیمی تجزیه :

شیمی تجزیه (Analytical Chemistry) یکی از زیر شاخه های مهم و کاربردی علوم پایه شیمی است که به مطالعه تشخیص ، جداسازی و تعیین یک یا چند گونه شیمیایی میپردازد.

انواع آنالیز:

1.تجزیه کمی :

در تجزیه کمی مقدار یا غلظت دقیق مواد تعیین میشود.

2.تجزیه کیفی :

در تجزیه کیفی هدف شناسایی مواد و نوع اجزای ماده است.

“به طور کلی تجزیه کیفی بر تجزیه کمی مقدم است یعنی ابتدا نوع اجزای یک نمونه و بعد مقدار کمی آنها تعیین میشود.”

روش های آنالیز :

1. تجزیه کلاسیک :

مهم ترین روش های تجزیه کلاسیک روش های وزن سنجی و روش های تیتراسیون هستند که از ابزار های چنان پیشرفته ای استفاده نمی شود.به عنوان مثال روش وزن سنجی رسوبی که دقیق ترین روش تجزیه کمی ماکرو است که در این روش جسم مورد تجزیه به صورت انتخابی به رسوبی کم محلول تبدیل شده و پس از صاف کردن و شست و شو با حلال مناسب برای خارج کردن ناخالصی ها ، خشک یا سوزانده شده و در کوره به محصولی پایدار و ثابت تبدیل میشود و پس از سرد کردن در خشکانه نمونه توزین شده  و مقدار آن تعیین میشوند مانند اندازه گیری آهن به صورت آهن (III) اکسید (Fe₂O₃) یا اندازه گیری یون نیکل (ΙΙ) با استفاده از شناساگر دی متیل گلی اکسیم(DMG) ,… .

2.تجزیه دستگاهی :

در این روش از ابزار ها و دستگاه های پیشرفته تر استفاده میشود که از جمله این روش ها میتوان روش های کروماتوگرافی ، روش های طیف سنجی و روش های الکتروشیمی را نام برد.

تاریخچه شیمی تجزیه :

شیمی تجزیه از همان آغاز پیدایش علم شیمی مهم بوده است، و شامل روش هایی برای تعیین اینکه کدام عناصر و مواد شیمیایی در نمونه ماده مورد نظر وجود دارد، است. در طول این دوره، کمک های مهم در شیمی تجزیه شامل تجزیه و تحلیل عناصر سیستماتیک توسط جاستیوس وون لیبیگ (Justus von Liebig) ارائه شد.

اولین تجزیه و تحلیل ابزاری ، طیف سنجی انتشار شعله ای بود که توسط دو دانشمند معروف رابرت بونزن (Robert Bunsen) و گوستاوکیرشووف (Gustav Kirchhoff) صورت گرفت و باعث کشف روبیدیوم (Rb)و سزیم (Cs) در سال1860  شد.

بیشتر تحولات عمده در شیمی تجزیه پس ازسال 1900 اتفاق افتاد . در طول این دوره، تجزیه و تحلیل ابزاری به طور مداوم در این زمینه گسترش یافت . به ویژه، بسیاری از تکنیک های اولیه اسپکتروسکوپی و اسپکترومتریک در اوائل قرن بیستم کشف شده و در اواخر قرن بیستم تصحیح شد.

مفاهیم پایه شیمی تجزیه :

– نمونه : قسمتی از ماده که عمل تجزیه تحلیل وآنالیز بر روی آن انجام میگیرد.

-آنالیت : بخشی از نمونه است که بررسی و اندازه گیری کمی بر روی آن انجام میشود.

معرفی روش های کلاسیک :

1.روش های وزن سنجی (Gravimetric Methods)

– روش های تجزیه الکتریکی

– روش های رسوبی

– روش های استخراج یا تبخیر

– روش های فیزیکی متفرقه

2.روش ها حجم سنجی (Volumetric Methods)

– تیتراسیون های خنثی شدن اسید و باز

– تیتراسیون های اکسایش کاهش

– تیتراسیون های رسوبی

– تیتراسیون های کمپلکس سنجی

3.روش های الکترو شیمیایی (Electrochemical Methods)

– اندازه گیری شدت جریان

– اندازه گیری تغیرات ولتاژ

– اندازه گیری رسانایی الکتریکی

– اندازه گیری تغییرات مقاومت

4.روش های طیف سنجی (Spectroscopic Methods)

– طیف سنجی جذب مولکولی

– طیف سنجی جذب اتمی

– طیف سنجی نشری

– طیف سنجی فلوئورسانس مولکولی

کاربرد های شیمی تجزیه :

1. کنترل کیفیت محصول:

اکثر صنایع تولیدی باید دارای استاندارد و کیفیت یکنواخت باشند. برای اطمینان از استاندارد و کیفیت مواد اولیه و محصول نهایی تولید شده آزمایش های تجزیه شیمیایی گسترده ای انجام می شود.

2.نمایش و کنترل کننده آلوده کننده ها :

بیشتر محصولات شیمیایی نیاز به کنترل و تعیین آلودگی که ایجاد میکنند دارند مانند حشره کش های آلی کلر دار و فلزات سنگین پسماندهای صنعتی به این منظور به یک روش حساس و صحیح نیاز است که تجزیه شیمیایی این کار را ممکن ساخته است.

3.مطالعات پزشکی و بالینی :

اندازه گیری کمی و کیفی عناصر و ترکیبات مختلف مایعات بدن و خون توسط تجزیه های شیمیایی صورت میگیرد که در آزمایشگاه ها بسیار حائز اهمیت است. مانند اندازه گیری قندخون ، اندازه گیری فلزات سنگین مانند (جیوه ، آرسنیک ، کروم، کادمیم ، نیکل ، سرب ، آلومینیم ، مس ، روی و…)

4.عیار سنجی :

در برخورد با سنگ های خام تعیین ارزش سنگ های قیمتی درون آن در تجارت بسیار مهم است به طوری که تغییرات خیلی کم غلظت در ارزش تجاری آنها تاثیر گذار است. بنابراین انتخاب یک روش دقیق و صحیح تجزیه ای در تعیین عیار این سنگ ها بسیار مهم است.

5. صنایع داروسازی :

شیمی تجزیه یکی از مهمترین عوامل در تولید داروهای مورد نیاز می باشد.

6. اندازه گیری سختی موقت و دائم آب :

در این روش مقدار کلسیم موجود در آب را اندازه میگیرند. اساس اندازه گیری کلسیم در حضور منیزیم پایدار تر بودن کمپلکس(Ca(EDTA نسب به (Mg(EDTA است. EDTA ابتدا با Ca²⁺ وسپس باMg²⁺کمپلکس تشکیل میدهد.

هدف شیمیدان های تجزیه :

بسیاری از متخصصان شیمی تجزیه بر روی یک نوع ماده و ابزار تمرکز می کنند. دانشگاهیان تمایل دارند تا برنامه های جدید و اکتشافات و یا روش های جدید تجزیه و تحلیل تمرکز کنند. کشف یک ماده شیمیایی موجود در خون که خطر ابتلا به سرطان را افزایش می دهد، کشفی است که ممکن است یک شیمیدان تجزیه درگیر آن  باشد.

بطور کل شیمی تجزیه یکی از اساسی ترین زیر شاخه های شیمی است که در تمام صنایع قابل مشاهده است و یک شیمیدان تجزیه به دنبال روش های جدید اندازه گیری ، جداسازی و شناسایی مواد شیمیایی است تا بتواند روش های سریع و ارزان برای اندازه گیری آنالیت موجود در نمونه ها و مواد شیمیایی ارائه دهد.