479بازدید
1: مقدمه نانولوله‌های کربنی، لوله‌های استوانه‌ای شامل شبکه ششضلعی از اتم‌های خالص کربن هستند. در دو انتهای لوله‌ها نیز سرپوش‌هایی از حلقه‌های کربن پنجضلعی وجود دارند. آرایش اتم‌های کربن در دیواره این ساختار استوانه‌ای دقیقاً مشابه ساختار کربن در صفحات گرافیت است. در گرافیت ششضلعیهای منتظم کربنی در کنار یک‌دیگر صفحات گرافیت را می‌سازند. این صفحات کربنی روی یک‌دیگر با پیوندهای ضعیف واندروالس انباشته می‌شوند و هنگامی که صفحات گرافیت در هم میپیچیدند، نانولوله‌های کربنی شکل می‌گیرند [1]. نانولوله‌های کربنی می‌توانند به صورت تک دیواره، دو دیواره و یا چند دیواره باشند. آنها استوانه‌هایی با انتهای باز یا بسته هستند. حالت رسانایی و نیمه رسانایی نانولوله‌ها به شکل هندسی آنها و نحوه رول شدن صفحات گرافیتی و زاویه پیچش نانولوله بستگی دارد. از طرفی نحوه رول شدن ورقه گرافیتی ممکن است بر اندازه شعاع نانولوله اثر بگذارد. در این بین، ساختار لوله، قطر و اندازه آن دو مشخصه اساسی هستند. نانولوله‌های کربنی از مهم‌ترین و پرکاربردترین ساختارهای کربنی هستند که اخیراً کشف شده‌اند. آنها خواص و ویژگی‌هایی منحصربه‌فرد و مدول یانگ بالا، استحکام بسیار بالا و انعطاف و پیچش‌پذیری خوبی دارند. مهم‌ترین خاصیت نانولوله‌ها هدایت الکتریکی آنهاست که بسته به میزان نظم قرار گرفتن اتم‌ها قابل تغییر است. آنها همچنین هدایت حرارتی بسیار بالایی دارند. علت استحکام و مقاومت بالا و مدول الاستیک بسیار خوب نانولوله‌های کربنی، پیوند محکم بین اتم‌هایشان می‌باشد. استحکام نانولوله‌های کربنی ناشی از پیوندهای sp2 بین اتم‌های کربن است که باعث شده نانولوله‌ها قوی‌ترین و سفت‌ترین مواد شناختهشده در استحکام کششی و مدول الاستیک باشند. تحت فشار بیش از حد کشش، نانولوله‌ها تغییر شکل می‌دهند که این تغییر شکل دائمی است و در فشار تقریباً 5 درصد شروع می‌شود و تا حداکثر فشار ایجاد شده روی نانولوله، تا قبل از ایجاد ترک، افزایش می‌یابد. استحکام نانولوله‌های کربنی تکدیواره بسیار بالاست، اما استحکام نانولوله‌های کربنی چنددیواره، بهعلت فعل و انفعالات برشی ضعیف لایه‌های مجاور و لوله‌ها، کاهش می‌یابد. نانولوله‌های کربنی بسیار مرتجعاند و مقاومت خوبی در مقابل تغییر شکل از خود نشان می‌دهند و با حذف فشار از روی آنها، بدون تخریب ساختارشان، به حالت اولیه بر می‌گردند، زیرا عیوب کمی در ساختار دیواره‌شان دارند. همچنین هنگام خم شدن آنها، ساختار حلقه‌های ششضلعی در دیواره تغییر می‌کند اما نمی‌شکند[2]. مهم‌ترین خاصیت فیزیکی نانولوله‌ها هدایت الکتریکی و گرمایی آنهاست. هر اتم در جایگاه خود درحال ارتعاش است و وقتی که یک الکترون (یا بار الکتریکی) به مجموعه‌ای از اتم‌ها وارد می‌شود، ارتعاش اتم‌ها بیشتر می‌شود و در اثر برخورد با یک‌دیگر بار الکتریکی واردشده را منتقل می‌کنند. هر چه نظم اتم‌ها بیشتر باشد، هدایت الکتریکی آن دسته از نانولوله‌ها بیشتر خواهد بود. بنابراین نانولوله‌ها می‌توانند به‌عنوان رسانای یک‌بعدی در پدیده‌های گوناگون که در دماهای پایین اتفاق می‌افتند عمل کنند. گرمای ویژه و هدایت حرارتی نانولوله‌های کربنی به فوتون‌ها و دما وابسته می‌باشد. نانولوله‌های کربنی، به علت پیوندهای کربن- کربن قوی گرافن، در دمای زیر 20 کلوین خواص فوقهادی نشان می‌دهند. آنها هادی گرمایی خوبی در جهت محور هستند، اما هم‌زمان عایق‌هایی خوب در جهت عمود بر محور نانولوله‌های کربنی هستند. نانولوله‌های کربنی، به‌دلیل هدایت گرمایی بالا، خواص مواد کامپوزیت و خواص گرمایی مواد ترمومکانیک را بسیار بهبود میبخشند. واکنش‌پذیری شیمیایی یک نانولوله نسبت به مواد دیگر قابل توجه است که مستقیماً با خمیده شدن نانولوله کربنی افزایش می‌یابد. این انحنا باعث اختلاط اوربیتال π و σ می‌شود که به هیبریداسیون بین اوربیتال‌ها می‌انجامد. از این رو واکنش‌پذیری نانولوله‌ها مستقیماً به اوربیتال π بستگی دارد و با انحنا افزایش می‌یابد. بنابراین یک نانولوله با قطر کوچکتر واکنش‌پذیری بیشتری دارد[3]. شکل 1 تعدادی از خواص و کاربردهای نانولوله کربنی در صنعت نفت و گاز نشان می‌دهد. نانولوله‌های کربنی به علت شکل هندسی خاص دارای خواص گوناگونی هستند که منجر شده است کاربردهای مختلفی را در صنایع مختلف به خصوص نفت و گاز از خود نشان بدهند. استفاده از این نانوساختارها به صورت نانوسیالات در حفاری و ازدیاد و برداشت نفت خام، نانوکامپوزیت‌ها، نانوکاتالیست‌ها، نانوجاذب‌ها و نانوپوشش‌های ضد خوردگی بسیار مورد توجه است. با توجه به اهمیت بالای این نانومواد، هدف این مقاله بررسی کاربردهای صنعتی نانولوله‌های کربنی در صنعت نفت و گاز می‌باشد. 2: کاربردهای صنعتی نانولوله‌های کربنی در صنعت نفت و گاز 1.2: نانوسیالات در حفاری و ازدیاد برداشت انتقال حرارت در سیالات قدیمی، مانند روان‌سازها، خنککنندههای موتور و آب، ذاتاً پایین است. با افزایش رقابت، صنایع به بهبود بازده انرژی سیالات منتقلکننده حرارت، با هدایت حرارتی بالاتر از سیالات در دسترس کنونی، نیاز دارند. نانوسیالات انواع جدید سیالات انتقال حرارت هستند که دارای مقادیر بسیار کمی نانوذره (ترجیحاً کمتر از 10 نانومتر) می‌باشند که بهشکلی یکنواخت و پایدار در مایع معلق شده‌اند تا بتوان به بالاترین مقدار ممکن هدایت حرارتی دست یافت. افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال، یکی از عوامل مؤثر در افزایش راندمان انتقال حرارت می‌باشد. چون ضریب هدایت حرارتی جامدات بزرگتر از مایعات است، افزودن ذرات جامد، بهویژه در مقیاس نانو، به سیالات متداول انتقال حرارت (مانند آب، اتیلنگلیکول و روغن موتور) ، ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات بهدستآمده را بسیار افزایش می‌دهد. یکی از این نانومواد که توجه بسیاری را به خود جلب کرده است نانولوله‌های کربنی می‌باشد. از مزایای نانوسیالات می‌توان عدمافت فشار، عدمگرفتگی مجاری عبور سیال و متعاقباً کاهش سایش و خوردگی تجهیزات، بهبود انتقال حرارت و افزایش راندمان تجهیزات سرمایش و گرمایش، کاهش اندازه تجهیزات تبادل گرما، کاهش مصرف انرژی و هزینه‌ها و افزایش راندمان دستگاه‌های تبدیل انرژی و کاهش مصرف سوخت که منجر به کاهش انتشار آلاینده‌های زیستمحیطی می‌شود، اشاره کرد. از طرفی، فعالیت و انرژی بالای اتم‌های سطحی نانوذرات و نیروهای واندروالس قوی بین آنها باعث چسبیدن ذرات به یک‌دیگر و کلوخه شدن آنها در سیال پایه می‌شود که به ناپایداری و تغییر غلظت نانوسیال می‌انجامد که گذشته از رسوب و انسداد مسیر عبور جریان، هدایت حرارتی نانوسیال را بهشدت کاهش می‌دهد. برای جلوگیری از کلوخه شدن و رسوب ذرات و دستیابی به نانوسیالات پایدار از روش‌هایی مثل افزودن مواد فعال سطحی به سیال پایه، استفاده از ارتعاشات حاصل از دستگاه اولتراسونیک و کنترل اسیدیته نانوسیالات به کمک پتانسیل زتا استفاده می‌شود که هر سه به خواص سطحی نانوذرات معلقشده و توقف تشکیل رسوب و خوشه‌های نانوذرات در سیال پایه کمک می‌کنند. یکی از کاربردهای مهم نانوسیالات در بخش‌های مختلف حفاری نفت خام، کنترل دانسیته گل حفاری، پایدارسازی دیواره چاه، کاهش ضخامت کیک گل برای جلوگیری از چسبندگی لوله حفاری، کاهش اثرات مخرب زیستمحیطی، بهبود خاصیت روان‌کنندگی گل و جلوگیری از تخریب سازند‌های رسی می‌باشد. معمولاً هنگام استفاده از سیمان‌های سنگین در حفاری طبقات پرفشار، مشکلاتی در زمینه اختلاط، پمپ کردن و نیز رسوب ذرات جامد سنگین و ته‌نشست آنها رخ می‌دهند. مقاومت فشاری اولیه دوغاب‌های سنگین با مقادیر زیاد مایع کم است. بنابراین استفاده از افزودنی‌های شیمیایی برای اجرای موفق سیمان‌کاری مؤثر است، اما مهم‌ترین عامل تعیینکننده در دوغاب‌ها نسبت آب به سیمان است. کاربرد نانومواد در تولید سیمان و بتن می‌تواند زیرساخت صنعت عمران را بهبود بخشد، زیرا مقاومت مکانیکی و عمر بتن به ساختار میکروی آن و انتقال جرم در ابعاد نانو بستگی دارد. با تنوع سازند‌های حفاری و افزایش عمق، دانسیته سیال حفاری باید دائم تنظیم شود تا سیستم در حالتی مناسب باقی بماند[4]. در یک تحقیق نانولوله‌های کربنی چند دیواره بر روی نانوکامپوزیت اپوکسی/ شیشه دوپ شدند و برای بررسی میزان هدایت گرمایی و ویژگی‌های انتقال حرارتی مواد بر روی لیزر حفاری مورد بررسی قرار داده شد. نتایج نشان داد که استفاده از نانولوله‌های کربنی چند دیواره در نانوکامپوزیت باعث بهبود زیادی در خواص حرارتی نسبت به کامپوزیت عاری از نانولوله کربنی داشته است[5]. در یک تحقیق غلظت‌های مختلف نانولوله کربنی که به روش رسوب بخارشیمیایی سنتز شده بود به گل حفاری اضافه شد و خواص رئولوژیکی گل حفاری در صورت افزودن نانولوله کربنی مورد بررسی قرار داده شد. بهترین نتیجه زمانی به دست آمد که از نانولوله کربنی با غلظت 1/0 درصد حجمی استفاده شد[6]. همچنین در یک مطالعه اثر نانوذرات مختلف از جمله ننولوله کربنی و هیبرید آن با سیلیکا در غلطت‌های مختلف تهیه و به گل حفاری اضافه شد و بررسی خواص رئولوژیکی و انتقال حرارت، بهبود قابل توجهی در این خصوصیات را نشان داد[7]. در تحقیقی دیگر از نانولوله‌های کربنی به همراه نانوسیم‌های اکسید روی برای بررسی ویسکوزیته گل حفاری استفاده شد و نتایج نشان داد که استفاده از 1% نانولوله کربنی در ترکیب با 2 گرم اکسید روی منجر به کاهش 50 درصد اتلاف آب و افزایش 24% ویسکوزیته می‌گردد[8]. یکی دیگر از کاربردهای نانولوله‌های کربنی در ازدیاد برداشت نفت خام می‌باشد. فرایند ازدیاد برداشت نفت خام شامل تزریق گاز، مواد شیمیایی و روش حرارتی است. در روش تزریق گاز به طور معمول از ترکیبات گازی مانند دی اکسید کربن، نیتروژن و هیدروکربن‌های سبک نفتی استفاده می‌شود [9]. به دلیل اینکه حدود %70- 60 نفت مخازن به وسیله روش‌های مرسوم و سنتی نمی‌تواند بازیافت شود، بنابراین استفاده از نانو ذرات و به خصوص نانولوله‌های کربنی در فرایند ازدیاد برداشت نفت مورد توجه قرار گرفته است[10]. از طرفی نانومواد کربنی نظیر نانولوله‌های کربنی، گرافن و فولرن‌ها نیز در فرایند ازدیاد برداشت بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. از بین نانو مواد کربنی، نانولوله‌های کربنی به علت استحکام کششی بالا، هدایت گرمایی و خواص مقاومت در برابر خوردگی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. در فرایند بازیافت نفت، تزریق نانولوله‌های کربنی به عنوان یک نانوسیال به علت اعمال نیروی الکترومغناطیسی قوی، منجر به افزایش استخراج تا بیش از 70 درصد می‌شود نظیر بهبود زیادی که در فرایندهای حفاری از خود نشان می‌دهند[11]. رویز و رسسکو بر روی نانوهیبرید‌های نانولوله کربنی تک دیواره و چند دیواره (بخش آب‌گریز) ترکیب شده با ذرات اکسید فلزی آلومینا (بخش آبدوست) به عنوان تثبیت‌کننده‌های امولسیون آب/نفت تحقیق کردند. همچنین آنها نمونه‌های امولسیونی را تهیه کردند و تصاویر میکروسکوپی آنها را، 5 روز بعد از سونیک کردن مورد بررسی قرار دادند. قطرات امولسیون کروی بوده و اندازه‌ای بین چند میکرون تا هزار میکرون داشتند. به طور کلی مشاهده شد که قطرات کوچکتر با غلظت‌های بالاتر نانوذرات، به ویژه هنگامی که غلظت نانوذرات از wt%1/0 به wt% 5/0 افزایش یابد، تولید شده است. هنگامی که غلظت نانوذرات کمتر wt% 5/0در فاز آبی باشد، قطرات امولسیون یک توزیع اندازه ذره دوتایی در حدود 10 میکرون و 1000 میکرون را نشان می‌دهند. در امولسیون با غلظت نانوذرات بالاتر از wt% 5/0، قطرات توزیع یکتایی در محدوده 2-10 میکرون را نشان می‌دهند و در امولسیون با غلظت wt% 5/0، با افزایش شوری اندازه قطرات امولسیون کاهش می‌یابد[12]. در تحقیقی دیگر، اثر نانولوله‌های کربنی بر پایه نانوسیالات بر روی کشش سطحی و ازدیاد برداشت نفت خام بررسی شد. نانولوله‌های کربنی به روش رسوب بخار شیمیایی سنتز شدند و اثر غلظت‌های مختلف نانولوله کربنی بر روی کشش سطحی و EOR مورد بررسی قرار داده شد. نتایج نشان داد که استفاده از نانولوله کربنی منجر به افزایش کشش سطحی شده و غلظت بهینه 3/0 درصد وزنی از نانولوله کربنی دارای بیشترین کشش سطحی برابر با mN/m 46/33 و فاکتور بازیافت نفت 57/18% بود[13]. در یک تحقیق از غلظت‌های مختلف نانولوله کربنی (01/0،05/0 و 1/0درصد وزنی) به عنوان نانوسیال در بررسی خصوصیات ازدیادبرداشت نفت خام استفاده شد. بر اساس نتایج استفاده از نانولوله‌های کربنی در فرایند EOR بسیار مناسب می‌باشد و بهترین راندمان بازیافت برابر با 8/31% برای غلظت 05/0درصد وزنی نانولوله کربنی به دست آمد[14]. آجیستا و همکارانش اخیراً به مروری بر انواع نانوذرات و به خصوص نانولوله‌های کربنی و کاربردشان در صنعت با تاکید بر فرایند ازدیادبرداشت نفت خام پرداخته اند[15]. 2-2: پوشش‌های ضد خوردگی محیط‌هایی فراوانی هستند که شرایط آنها به لحاظ خوردگی بسیار مورد توجه می‌باشد. سازه‌ها و تجهیزات مختلفی که در مناطق ساحلی و در اقیانوس‌ها قرار دارند، تجهیزاتی که برای استخراج و فرآوری نفت شیل مورد استفاده قرار می‌گیرند، پمپ‌ها، مخازن، خطوط لوله، ماشین‌آلات و مواردی از این قبیل که از جنس فولاد هستند و در این صنایع استفاده می‌شوند، در معرض خوردگی قرار دارند. بنابراین می‌توان در تمام این موارد از نانوپوشش‌های ضد خوردگی شامل نانولوله کربنی برای محافظت از خوردگی و کاهش خطرات ناشی از آن استفاده کرد. این نانوپوشش‌ها به علت فراهم کردن مسیر طولانی در برابر اکسیژن و رطوبت، مانع از دسترسی عوامل ایجاد خوردگی در محیط، به بستر فلزی می‌شوند (شکل 2). بنابراین با توجه به کارایی و عمر بالاتر و نیاز به اعمال لایه نازک‌تر برای نانوپوشش ضدخوردگی حاوی نانولوله کربنی، می‌توان مقابله ارزان‌تر و موثرتری با خوردگی داشت. فولادهای به‌کاررفته در عملیات موجود در صنعت نفت و گاز باید بتوانند در برابر آب شور، سیالات تولیدشده در هر مرحله از فرآیند، ضربه و سایش و عوامل مختلف دیگری که خوردگی را تشدید می‌کنند، مقاومت کند. نانوپوشش ضدخوردگی حاوی نانولوله کربنی، کارایی بسیار بالایی در این‌گونه محیط‌ها دارد[16]. با استفاده از روش‌های توزیع، عامل‌دار کردن و لایه‌نشانی سطوح بزرگ، می‌توان از نانولوله‌های کربنی به‌عنوان مواد پوششی استفاده کرد. افزودن نانولوله‌های کربنی به رنگ‌های ضدخوردگی فلزات می‌تواند سختی پوشش و استحکام را افزایش دهد و در عین حال یک مسیر الکتریکی را برای محافظت کاتدی فراهم کند. در میان نانوساختارهای مختلف، پوشش‌های حاوی نانولوله‌های کربنی، مقاومت بیشتری در برابر خوردگی نشان می‌دهند و بهطور کلی، استفاده از نانومواد کربنی در رنگ‌ها و پوشش‌های آلی موجب بهبود چسبندگی پوشش آلی به زیرلایه فلزی، افزایش سختی، ارتقای خواص مکانیکی و بهبود رفتار حفاظتی پوشش می‌شود، زیرا نانوساختارهای کربنی ویژگی‌هایی منحصربه‌فرد چون سطح ویژه زیاد، استحکام مکانیکی بالا، وزن کم و توان مقاومت در برابر خراش دارند. این ویژگی‌ها باعث شده‌اند که نانوساختارهای کربنی ماده مناسبی برای بسیاری از کاربردها باشد[16]. گوپاکومار و همکارانش خواص پوشش رنگ‌های آکریلیکی پایهآبی حاوی (5 و 10 درصد وزنی) نانوذرات رس مونت‌موریلونیت (MMT-Na) و هیدروتالسیت (HT) ، نانولوله‌های کربنی تکدیواره (SWCNT) و فولرن (Ful) را بررسی کردند. نتایج بررسی نشان دادند که سرعت انتقال بخار آب از درون نانوپوشش‌های حاوی مونت‌موریلونیت (MMT) ، نانولوله‌های کربنی تکدیواره و فولرن کاهش یافت. بنابراین نانوساختارهای کربنی عملکردی بهتر در افزایش مقاومت به خوردگی پوشش‌های آلی دارند[17]. دنیس و همکارانش نیز سه نوع پوشش پلی‌اتریمید حاوی گرافن غیرعامل‌دار (UFG/PEI) ، پلی‌اتریمید حاوی گرافن و نانولوله‌های کربنی (UFG/MWCNT/PEI) و پلی‌اتریمید حاوی نانولوله‌های کربنی (MWCNT/PEI) را مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان دادند که پس از 3144 ساعت غوطه‌وری در محلول NaCl، فقط دو نمونه UFG/MWCNT/PEI حاوی 2 درصد وزنی از نانوذرات و UFG/PEI حاوی 20 درصد وزنی نانوذرات دچار خوردگی نشدند. همچنین، پوشش UFG/MWCNT/PEI حاوی 2 درصد وزنی نانوذرات کمترین سرعت خوردگی را دارد.]18[. در تحقیق آشکار شد که وجود ترک‌ها، نقص‌ها و حفره‌های در اندازه میکرو و مکان‌های فعال،می‌توانند منجر به ایجاد خوردگی در تجهیزات شوند. آنها نشان دادند که استفاده از نانو لوله‌کربنی در ترکیب با استیل منجر می‌شود که حفره‌ها و ترک‌ها پر شده و باعث ایجاد مقاومت و ممانعت در مقابل خوردگی می‌گردد[16]. در تحقیقی، سرعت خوردگی کربن استیل در نانوسوسپانسیونی شامل نانولوله‌های کربنی بررسی و مشاهده شد که، در مقایسه با آب مقطر، افزودن مواد فعال سطحی مانند سدیم دودسیل سولفات (SDS) و سدیم دودسیل بنزن سولفونات (SDBS) به محلول آب، جریان خوردگی را افزایش می‌دهد اما عامل‌دار کردن نانولوله‌های کربنی از خوردگی کربن استیل جلوگیری می‌کند. علت این افزایش خوردگی در استفاده از مواد فعال سطحی، افزایش انتقال جرم گونه‌ها به فلز و از فلز است. با افزودن گروه‌های ممانعتکننده بازی CSI (برپایه نیتریت) ، سرعت خوردگی از 538/0 به mpy 499/0 کاهش می‌یابد، در حالی که افزودن گروه‌های اسیدی و بازی ممانعتکننده تجاری به نمونه عامل‌دار سرعت خوردگی را از 538/0 به 26/4 میرساند[19]. در تحقیق خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی لوله استیل در شرایط اسیدی با کمک نانولوله‌های کربنی مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق نانولوله‌های کربنی به روش رسوب بخار شیمیایی و به کمک کاتالیست‌های آهن و نیکل سنتز شدند. لوله استیل در ترکیب با نانولوله کربنی هم مقاومت مکانیکی بالاتر و هم مقاومت به خوردگی بیشتری را در محیط اسیدی نسبت به استیل معمولی از خود نشان داد[20]. در یک تحقیق نانولوله‌های کربنی بر روی اکسید آلومینیوم پوشش داده شدند و برای بررسی مقاومت ضدخوردگی مورد بررسی قرار داده شدند. در ابتدا نانولوله‌های کربنی عامل‌دار شدند و سپس برای سنتز هیبرید CNT-Al2O3 از روش سل ژل استفاده گردید. نتایج نشان داد که استفاده از نانولوله‌های کربنی منجر به بهبود خواص مکانیکی و خواص ضدخوردگی گشته بود[21]. در تحقیقی دیگر به منظور بررسی اثر ضد خوردگی پلی متیل متااکریلات (PMMA) - سیلوکسان – سیلیکا، از گرافن اکسید و نانولوله کربنی به عنوان مواد تقویت کننده کامپوزیت و پوشش ضد خوردگی استفاده شد. گرافن اکسید و نانولوله کربنی به ترتیب به محلول آب / اتانول و مواد فعال سطحی اضافه شده و در نهایت با نسبت مولی 05/0% به کامپوزیت اضافه شدند. نتایج تحقیقات نشان داد که هم گرافن اکسید و هم نانولوله کربنی خواص مکانیکی و ضد خوردگی بالاتری را نسبت به کامپوزیت از خود نشان داده‌اند[22]. 3.2: نانوکامپوزیت‌ها در پروژه‌های فراوانی برای بهبود خواص مکانیکی، الکتریکی و گرمایی، نانولوله‌های کربنی به ساختار کامپوزیت‌ها وارد شدند. در موارد مختلف، استفاده از نانولوله‌های کربنی به‌عنوان پرکننده به تشکیل مواد نانوکامپوزیت منجر می‌شود. ایده اصلی ساخت نانوکامپوزیت‌ها، ادغام نانولوله‌های کربنی در مواد پلیمری یا مواد دیگر است تا خواص مواد بهبود یابند. بسیاری مواقع، نانولوله‌های کربنی به‌عنوان یک پرکننده هادی در پلیمرها استفاده شده‌اند که، بهعلت داشتن نسبت ظاهری بالا، بسیار موثر بودهاند. اثر افزایش نانولوله‌های کربنی بر خواص الکتریکی و رئولوژی کامپوزیت پروپیلن تقویتشده با نانولوله کربنی بررسی شده و نتایج نشان داده‌اند که با افزایش مقدار نانولوله کربنی، مقاومت حجمی کامپوزیت‌ها کاهش می‌یابد همچنین با افزودن نانولوله کربنی، ویسکوزیته کامپوزیت‌ها افزایش می‌یابد[23]. نانوکامپوزیت‌های پلیایمید/ نانولوله کربنی با فرآیند درجا سنتز شده و استحکام خمشی و سختی و رفتار اصطکاک و سایش نانوکامپوزیت پلی ایمید/ نانولوله کربنی (PI/CNT) بررسی شد. نتایج نشان دادند که استحکام خمشی و سختی نانوکامپوزیت PI/CNT با افزایش درصد نانولوله‌های کربنی افزایش و اصطکاک و ایجاد خاصیت ضدسایش در نانوکامپوزیت‌ها کاهش می‌یابد، زیرا ظرفیت و استحکام مکانیکی با افزودن نانولوله‌های کربنی افزایش می‌یابد. گارسیا و همکارانش، با فرآیند ذوب کردن، نانوکامپوزیت پلیمر پلیبوتیلترفتالات (PBT) را با WCNTها ساختند و نشان دادند که SWCNTها بر جهتگیری پلیمر در طول فرآیند تنش تأثیر دارند[24]. در تحقیقی دیگر باتاچایا مخلوط استایرن مالئیک بدون آب و SWCNTها را با شبکه پلیآمید 12 (PA12) مخلوط و خواص مکانیکی آنها را بررسی کرد[25]. نتایج نشان دادند که SWCNTها بهخوبی در کوپلیمر توزیع و در نتیجه خواص مکانیکی معمول بهبود می‌یابد. در تحقیقی نانوکامپوزیت نایلون/ MWCNT با فرآیند پلیمریزاسیون درجا تولید شد[26]. برای این منظور از دو نوع MWCNT خام و اسیدشوییشده به‌عنوان مواد تقویتکننده استفاده شد و خواص مکانیکی، گرمایی، الکتریکی و رئولوژی را در دماهای مختلف بلوری شدن و ریختشناسیهای متفاوت برای هر دو حالت نانولوله کربنی خام و اسیدشوییشده بررسی کردند. نتایج نشان دادند که نانولوله‌های کربنی خام بهخوبی در پلیمر نایلون توزیع شدند، اما در نانولوله کربنی اسیدشوییشده، بهعلت وجود گروه‌های عاملی، توزیع خوبی مشاهده نشد و دمای بلوری شدن با افزایش نسبت MWCNTها در نایلون افزایش یافت. در تحقیقی دیگر، با افزودن نانولوله کربنی تکدیواره خواص مکانیکی نانوکامپوزیت اپوکسی/ SWCNTها بسیار بهتر شد و مدول کشسانی 8/50 درصد افزایش یافت[27]. نانوکامپوزیت پلیمتیلمتااکریلات با نانولوله کربنی (PMMA/MWCNT) در فرآیند ذوب اختلاطی با مقدار نانوالیاف 5 تا 10 درصد وزنی، تولید شد. با 5 درصد وزنی نانوالیاف کربنی، مدول کشسانی محوری کامپوزیت میله‌ای شکل، در مقایسه با PMMA بهتنهایی، بیش از 50 درصد بهبود یافت. همچنین این نانوکامپوزیت پایداری گرمایی از خود نشان دادند. می‌توان با افزودن نانولوله کربنی بر رئولوژی یک سیستم پلیمری تأثیر گذاشت. در تحقیقی در غلظت‌های کم نانولوله کربنی، چون هیچ نانولولهای با پلیمر در تماس نیست، رئولوژی سیستم پلیمری مشابه غیاب نانولوله کربنی است، اما در غلظت‌های بالاتر، چون نانولوله کربنی می‌تواند به شبکه زنجیره پلیمری اتصال یابد، رفتار رئولوژیکی تغییر می‌کند [28]. در سال‌های اخیر تعداد زیادی از پلیمرها مانند اپوکسی، پلیمتیلمتااکریلات، پلیوینیلالکل، پلیوینیلکلرید، پلیاتیلن و پلیاستایرن به‌عنوان زمینه‌هایی برای آماده‌سازی کامپوزیت‌های پلیمر/ نانولوله کربنی استفاده شده‌اند. افزودن نانولوله کربنی به افزایش هدایت الکتریکی از 001/0 در غلظت 005/0 درصد وزنی تا بیش از sm-12 در غلظت 1/0 درصد وزنی منجر می‌شود[29]. همچنین حسگرهای تشکیلشده از نانوکامپوزیت پلیمر/ نانولوله کربنی با حسگرهای نانولوله کربنی قابلمقایسه و در مقایسه با حسگرهای نانولوله کربنی خالص دارای حساسیت بالا و سرعت پاسخ سریع هستند[30]. سیستم‌های سیمان و بتن قابلیت خوبی برای افزودن نانولوله‌های کربنی دارند. انتظار می‌رود فواید استفاده از نانولوله‌های کربنی از الیاف میکرو بیشتر باشند. مقاومت نانولوله‌های کربنی از دیگر الیاف بیشتر است و می‌توانند رویهمرفته رفتار مکانیکی را بهبود بخشند. نانولوله‌های کربنی نسبت طول به قطر بالایی دارند، بنابراین برای انتشار ترک در اطراف خود به انرژی بیشتر از دیگر الیاف نیاز خواهند داشت. همچنین قطر کمتر آنها به معنی امکان توزیع بالا با فواصل کم در خمیر سیمان است. نانولوله‌های کربنی عملکرد یکپارچه دارند؛ می‌توانند مقاومت را افزایش دهند و بهشکلی موثر مانع انتشار ترک در کامپوزیت‌های سیمانی شوند. آمیختن بتن با نانولوله‌ها، اگر از تشکیل ترک‌های بزرگتر جلوگیری کند، می‌تواند به تولید بتن‌هایی چقرمه‌تر منجر شود. در تحقیقی حسنی و همکارانش نانولوله‌های کربنی چنددیواره را برای به تاخیر انداختن گسترش و رشد ترک‌ها در سیمان مرده در مقیاس نانو به کار بردند. برای بهبود توزیع نانولوله‌های کربنی چنددیواره در مخلوط سیمان، از پلیکربوکسیلاتسوپرپلاستیسایزر استفاده شده است. استحکام مکانیکی نانوکامپوزیت نانولوله‌های کربنی چنددیواره- سیمان با 1/0 تا 2 درصد وزنی نانولوله کربنی و 5/0 درصد وزنی سوپرپلاستیسایزر اندازهگیری و با نمونه نانوکامپوزیت بدون نانولوله کربنی مقایسه شد. نتایج نشان دادند که استحکام کششی نمونه‌های نانوکامپوزیت با 3/0 درصد وزنی نانولوله کربنی 70 درصد افزایش داشته و با افزایش بیشتر نانولوله‌های کربنی کم شده است[31]. در تحقیقی دیگر، نانولوله کربنی به سیمان اضافه شد و ویژگی‌هایی مثل تغییرات نانوساختاری، مقاومت خمشی، مدول یانگ، جمع‌شدگی و توزیع نانولوله کربنی در سیمان مورد تحقیق قرار داده شدند. بر اساس نتایج، نانوالیاف مقاومت خمشی و ظرفیت کرنشی کامپوزیت سیمانی را بهبود می‌دهند در نتیجه نانوکامپوزیت با عملکرد بالا تولید می‌شود[32]. در مطالعه‌ای دیگر، تخلخل و میکروساختار کامپوزیت متشکل از سیمان پرتلند و نانولوله کربنی چنددیواره (1 درصد وزنی سیمان و نسبت آب به سیمان 5/0) بررسی شد. نتایج نشان دادند که هنگامی که MWCNTها بهصورت پرکننده عمل کنند، میکروساختاری چگالتر از خمیر سیمان، در مقایسه با مخلوط اولیه، تولید می‌شود. بنابراین، با افزایش مقدار نانولوله کربنی تخلخل کلی مخلوط کاهش می‌یابد [33]. 4.2: نانوجاذب‌ها جذب سطحی فرآیند جذب اتم‌ها یا مولکول‌های موجود در یک مایع یا گاز در تماس با سطح یک جامد است. وقتی سطح جامد (جاذب) در تماس با مایع یا گاز قرار می‌گیرد، تمایل دارد مولکول‌ها، اتم‌ها یا یون‌های گاز یا مایع را به وسیله برهمکنشی بین نیروهای سطح جامد و مایع یا گاز ، روی سطح خود نگه دارد. یک جاذب خوب باید سطحی وسیع در واحد جرم داشته باشد. افزایش ظرفیت جذب جاذب‌ها، هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، لذا جاذب‌ها را از مواد ریز متخلخل می‌سازند. تحقیقات بسیاری برای استفاده از نانومواد کربنی به‌عنوان جاذب انجام شده‌اند. نانولوله‌های کربنی بهعلت داشتن مساحت سطح بالا، شکل لوله‌ای و شیمی سطح به‌عنوان جاذب در جذب ترکیبات گوگردی و به خصوص هیدروژن سولفید استفاده شده‌اند (شکل 3). در تحقیقی غشاهای آلومینیوم اکسید آندی/ نانولوله کربنی عامل‌دارشده (CNTs/AAO) و غیرعامل‌دار برای جداسازی گاز هیدروژن سولفید از مخلوط دوتایی متان/ هیدروژن سولفید بررسی شدند. در غشاهای CNTs/AAO انتخاب‌پذیری غشا با نانولوله‌هایی با قطر درونی 8 نانومتر 5/1 تا 8/1 برابر غشای نانولوله کربنی با قطر درونی 23 نانومتر بود. بر اساس نتایج، عامل‌دار کردن نانولوله کربنی باعث افزایش جذب فیزیکی و شیمیایی مولکول‌های هیدروژن سولفید روی دیواره نانولوله‌ها شده و متعاقباً نفوذپذیری و انتخاب‌پذیری غشای CNTs/AAO افزایش می‌یابد[34]. در تحقیقی دیگر، نانولوله‌های کربنی چنددیواره بهروش رسوب‌دهی شیمیایی بخار بهکمک منبع کربنی متان و نانوکاتالیست‌های Co-Mo/MgO در دمای C°1000 تولید و با دو روش اصلاح شدند: ابتدا پتاسیم هیدروکسید با نسبت 3: 1 از KOH: MWCNT در آتمسفر هلیوم (A-MWCNT) و سپس با 3: 1H2SO4: HNO3= اصلاح شد (F-MWCNT) و هر دو در جذب هیدروژن بررسی شد. جذب هیدروژن در نانولوله کربنی چنددیواره خالص، A-MWCNT و F-MWCNT به‌ترتیب 67/0، 24/1 و 4/0 درصد وزنی در دمای اتاق و فشار 0 تا 34 بار بود. نتایج نشان دادند که نانولوله های کربنی که به کمک پتاسیم هیدروکسید اصلاح شده بودند بیشترین ظرفیت جذب (85 درصد) را داشتند که دلیل آن مساحت سطح بالا و نقص‌های ایجادشده روی سطح آن است[35]. در یک کار تحقیقاتی، کربن فعال، با فعال‌سازی با H3PO4 و ZnCl2 در نسبت‌های آغشته‌سازی مختلف، از چوب اکالیپتوس تهیه و این فرآیند با روش فعال‌سازی با KOH مقایسه شد. برای نسبت‌های متفاوت H3PO4/biomass از 5/1 تا 5/2، مساحت سطح کربن فعال تهیهشده 1875 تا m2/g2117 با 69 تا 97 درصد میکروحفره بود. برای مجموعه کربن فعال با ZnCl2 مساحت سطح BET از 1274 تا m2/g2107، با 93 تا 100 درصد میکروحفره با نسبت آغشته‌سازی 75/0 تا 2 به دست آمد. کربن‌های فعال بهدستآمده با KOH بیشترین مساحت سطح BET، حدود m2/g2594، و بیشترین مقدار میکروحفره‌ها، حدود 98 درصد، را داشتند. نتایج جذب روی کربن دی‌اکسید نشان دادند که جذب کربن‌های فعال آمادهشده با KOH (بیش از mmol/g1/4) در فشار یک بار و دمای 303 کلوین، در مقایسه با کربن فعال تجاری (mmol/g 5/1) در همین شرایط، تقریباً حدود 63 درصد افزایش داشته است[36]. در تحقیقی دیگر، با پوسته نارگیل و در شرایط ملایم، با فرآیند کربونیزه کردن و فعال‌سازی با KOH، کربن متخلخل برای جذب کربن دی‌اکسید به دست آمد. کربن‌های متخلخل آمادهشده در نسبت KOH به پیشماده 3 و دمای C°600 به‌ترتیب افزایش ظرفیت جذب کربن دی‌اکسید 23/4 و 04/6 را در دو دمای صفر و C°25 تحت فشار یک بار نشان دادند[37]. در تحقیقی دیگر، جذب پیوسته در یک ستون جذب برای بررسی بازده نانولوله‌های کربنی در حذف مواد آلی طبیعی (NOMs) از محول‌های آبی مطالعه شد. ظرفیت جذب نانولوله‌های کربنی چنددیواره و تکدیواره به‌ترتیب 46/53 و mg/g24/66 بود. با بررسی اثر مقدار نانولوله کربنی بر منحنی رخنه و حجم آب تصفیهشده مشخص شد که با افزایش جرم نانولوله کربنی، میزان جذب افزایش می‌یابد[38]. در تحقیقی دیگر از روش جذبMWCNT ها، که بهشیوه اسیدی اصلاح شده بودند، برای حذف جیوه از فاز مایع استفاده شد و عوامل مؤثر در این فرآیند شامل زمان تماس،pH ، غلظت اولیه محلول جیوه و مقدار جاذب مطالعه شدند. سرعت جذب جیوه با این روش بسیار بالا بود و بعد از 15 دقیقه تغییری قابلملاحظه در مقدار حذف جیوه (حدود 96 درصد) مشاهده نشد. بعد از افزایش pH تا حدود 7، مقدار جذب چندان تغییر نکرد. همچنین با افزایش غلظت اولیه محلول جیوه، ظرفیت جذب افزایش یافت. با کاهش مقدار جاذب، تا حدود 01/0 گرم در 20 میلی‌لیتر محلول جیوه برای بررسی کارایی جذب، نیز مقدار جذب تغییری نکرد. [39]. 5.2: نانوکاتالیست‌ها کاتالیست ماده‌ای است که در صورت افزودن به مخلوط واکنش، بدون آن که خود دستخوش تغییر شیمیایی شود، باعث تغییر سرعت رسیدن ماده به حالت تعادل ، شده معمولاً آن را افزایش می‌دهد. نانولوله‌های کربنی بهعلت داشتن فعالیت زیاد و خواص خارقالعاده، برای استفاده به‌عنوان کاتالیست در فرآیندهای مختلف، توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. در گزارشی اثر N-CNTها بر اکسیداسیون هیدروژن سولفید در دماهای بالاتر از C°180 مطالعه شد. نتایج نشان دادند که با افزایش غلظت نیتروژن، تبدیل هیدروژن سولفید افزایش می‌یابد. تبدیل هیدروژن سولفید در این روش 8/99 درصد و گزینش‌پذیری گوگرد 10 درصد گزارش شد. نتایج نشان دادند که حذف بالای گوگرد در شرایط واکنشی مثل دمای کم، سرعت فضایی بالا و نسبت مولی کم O2/H2S رخ داده است[39]. در تحقیقی دیگر، فرآیند مرکاپتان‌زدایی از جریان گازی با استفاده از کاتالیست برپایه نانوساختار کربنی و حذف مرکاپتان از مخلوط گازی با استفاده از نانوکاتالیست برپایه نانولوله‌های کربنی چنددیواره و گرافن اکسید بررسی شد[40]. برای ساخت این کاتالیست از نانولوله‌های کربنی عامل‌دار و گرافن اکسید به عنوان پایه استفاده شد و سپس ترکیبات آلی فلزی کبالت فتالوسیانین، پورفیرین آهن و سدیم فسفات روی آنها بارگذاری شدند. بر اساس نتایج با دمای C°200 و مقدار فلز 20 درصد وزنی می‌توان به بیشترین حذف مرکاپتان با 99/99 درصد دست یافت. نانوکاتالیست مونولیتی با بهره‌گیری از ساختار مونولیتی و نانولوله‌های کربنی، با هدف تولید کاتالیستی با فعالیت بالا در فرآیند گوگردزدایی، ساخته شد. سپس برای افزایش مساحت ویژه، اصلاح با نیتریک اسید انجام گرفت و بعد از آن، نانولوله‌های کربنی بهروش رسوب بخار شیمیایی رشد داده و در نهایت خالص شدند. پایه‌های بهدستآمده با فلزات کبالت و مولیبدن تلقیح و به‌عنوان کاتالیست در فرآیند گوگردزدایی نفتا ارزیابی شدند. با توجه به نتایج آنالیز مساحت سطح، پس از اصلاح با اسید افزایش قابلتوجه مساحت سطح و حجم حفرات مشاهده شد. بر اساس نتایج، نانوکاتالیست‌ها با پایه‌های پوششدادهشده با نانولوله‌های کربنی فعالتر از پایه‌های مونولیتی اصلاحشده هستند. در تحقیقی با استفاده از نانولوله‌های کربنی به عنوان نانوکاتالیست، فرایند حذف ترکیبات تیوفنی به عنوان مقاومترین ترکیبات گوگرددار در روش گوگردزدایی از نفتا بهروش اکسیداسیون (ODS) ، مورد بررسی قرار گرفت. نانولوله‌های کربنی با محلول منگنز اکسید تلقیح شدند و اثر مشخصههای مختلف مانند دما، زمان، مقدار نانوکاتالیست، مقدار منگنز اکسید بر پایه نانولوله کربنی و غلظت اکسیدکننده بر مقدار درصد تبدیل ترکیبات گوگردی بررسی شد. فلز پالادیوم با 1/0 درصد وزنی روی نانولوله کربنی عامل‌دار قرار گرفت و آزمایش با سه کاتالیست Pd/Al2O3، Pd/ZrO2 و Pd/MgO-Al2O3مقایسه شد. واکنش سولفورزدایی اکسیداسیونی در دمای C°25 در فشار اتمسفری انجام شد. راندمان حذف سولفور با استفاده از کاتالیست شامل نانولوله کربنی در فرآیند سولفورزدایی از نفتا، با ppm870، بیش از 90 درصد و از سه کاتالیست دیگر بهتر است[41]. در تحقیقی دیگر، نانوکاتالیست منگنز اکسید برپایه نانولوله‌های کربنی برای حذف آلاینده نیتروژن اکسید حاصل از پالایشگاه‌ها و نیروگاه‌ها ساخته و بهینه‌سازی شد. نتایج آزمایشگاهی نشان دادند که ایجاد گروه‌های اکسیژن‌دار بر سطح پایه به پراکندگی بیشتر اکسید فلز در پایه و در نتیجه افزایش فعالیت کاتالیستی منجر می‌شود. کاتالیست با 12 درصد وزنی منگنز اکسید به‌ترتیب تبدیل و گزینش‌پذیری 97 و 5/99 درصد را با خوراک شامل ppm 900 از NOو NH3و 5 درصد حجمی O2 در دمای C°200، نشان داد و این نمونه به‌عنوان کاتالیست بهینه معرفی شد. فعالیت کاتالیست در دمای C°200، پس از گذشت 6 ساعت در حضور ppm 100 گوگرد دی‌اکسید بههمراه 2/5 درصد حجمی بخار آب و به‌دلیل تشکیل نمک‌های آمونیم سولفات بر سطح مراکز فعال، از 97 درصد به 92 درصد کاهش یافت. با دو ساعت حرارت دادن کاتالیست در اتمسفر خنثی در دمای C°350، فعالیت آن به مقدار اولیه خود بازگشت و احیا شد. مقایسه دیگر ساختارهای کربنی مانند نانولوله‌های کربنی تکدیواره و کربن فعال، به‌عنوان پایه کاتالیست، نشان داد که کاتالیست برپایه نانولوله‌ها کربنی تکدیواره، با داشتن مساحت سطح بالا و بیشترین حجم حفرات در ابعاد مزو و تشکیل منگنز اکسید بهشکل MnO2 به عنوان فاز غالب، بالاترین بازده را دارد[42]. در تحقیقی نانوکاتالیست هیبرید نانولوله کربنی/دی اکسید تیتانیوم تهیه شد و عملکرد آن برای اکسیداسیون مستقیم سولفید هیدروژن به سولفور در دمای بالای نقطه شبنم سولفور مورد بررسی قرار داده شد. نتایج نشان داد که دمای C°200 و نسبت سولفید هیدروژن به اکسیژن 5/0 بهترین نتیجه را را از نظر راندمان حذف سولفید هیدروژن و تبدیل آن به سولفور دارد[43]. 3: نتیجه گیری این تحقیق به بررسی نانولوله‌های کربنی و کاربردهای آن در صنعت نفت و گاز پرداخته است. درسال‌های اخیر با استفاده از نانولوله‌های کربنی، مزایای فراوانی در صنعت نفت و گاز به دست آمده است. نانولوله‌های کربنی در فرایندهای مختلف مانند حفاری و ازدیادبرداشت، پوشش‌های ضدخوردگی، نانوکامپوزیت‌ها، نانوجاذب‌ها و نانوکاتالیست‌ها مورد بررسی قرار داده شدند. مطابق تحقیق، استفاده از نانولوله‌های کربنی به علت شکل لوله‌ای، حجم منافذ و مساحت سطح ویژه بالا و خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد، منجر به تغییر شگرف در کاهش هزینه‌ها در صنعت نفت و گاز شده است. هرچند به علت گستردگی نانوساختارهای کربنی و خواص منحصر به فرد آنها، تحقیقات در این راستا توسط محققین همچنان ادامه خواهد داشت.