نقش نیتروژن در حذف ترکیبات آلی فرّار

ترکیبات آلی فرّار (VOCs) یک دسته متنوع از مواد شیمیایی کربن‌دار هستند که با فشار بخار بالا و نقطه جوش پایین مشخص می‌شوند و به‌راحتی در شرایط محیطی یا فرآیندی تبخیر می‌شوند. حضور آن‌ها در جریان‌های فرآیندی صنعتی و فاضلاب، نگرانی‌های جدی زیست‌محیطی، بهداشتی و عملیاتی ایجاد می‌کند. بخش‌هایی مانند پتروشیمی، داروسازی، تولید لوازم الکترونیک و صنایع پوشش‌دهی، مقادیر قابل توجهی VOC تولید می‌کنند، چه به‌عنوان محصولات هدف و چه به‌عنوان محصولات جانبی فرآیند.
جداسازی و بازیافت VOCها نه‌تنها برای رعایت مقررات زیست‌محیطی، بلکه برای حفظ کیفیت محصول و ایمنی فرآیند حیاتی است. در میان فناوری‌های موجود، استفاده از گاز نیتروژن برای عملیات گاززنی (stripping) و تخلیه (purging) مزایای ویژه‌ای دارد، به‌ویژه در جایی که باید از اکسیداسیون جلوگیری شود یا از تشکیل مخلوط‌های قابل انفجار پرهیز گردد.

مقدمه
ترکیبات آلی فرّار تقریباً در تمام شاخه‌های صنایع شیمیایی تولید می‌شوند. فرّار بودن آن‌ها باعث می‌شود که به‌راحتی به فاز گازی منتقل شوند و در نتیجه به تشکیل اوزون سطحی، مه‌دود فتوشیمیایی و آلودگی هوای داخلی و خارجی کمک کنند. بسیاری از VOCها مانند بنزن، متیلن کلرید و کلروفرم، سمی یا سرطان‌زا هستند و مواجهه طولانی‌مدت با آن‌ها می‌تواند اثرات شدید سلامتی بر کارگران و جوامع اطراف داشته باشد.
از دید مهندسی فرآیند، وجود کنترل‌نشده VOCها می‌تواند خطرات ایمنی ایجاد کند، به‌ویژه هنگامی که غلظت بخارات آن‌ها در محدوده اشتعال‌پذیری باشد. علاوه بر این، برخی VOCها می‌توانند محصولات حساس را از طریق اکسیداسیون یا آلودگی، تخریب کنند. این مسئله کنترل آن‌ها را به یک اولویت دوگانه تبدیل می‌کند: حفاظت از سلامت انسان و محیط‌زیست، و حفظ کیفیت محصول.
گاز نیتروژن به دلیل بی‌اثری شیمیایی، حلالیت پایین در مایعات، و توانایی جابجایی اکسیژن، نقش مهمی به‌عنوان محیط گاززنی در حذف VOC ایفا می‌کند. این فناوری به‌ویژه در مواردی ارزشمند است که استفاده از هوا ممکن است خطرات ایمنی، واکنش‌های اکسیداسیون یا تغییرات نامطلوب محصول ایجاد کند.

ترکیبات آلی فرّار یا VOCها، گروه متنوعی از مواد شیمیایی مبتنی بر کربن هستند که به دلیل فشار بخار بالا و نقطه جوش پایین، به راحتی در شرایط محیطی یا فرآیندی تبخیر می‌شوند. وجود این ترکیبات در جریان‌های صنعتی و پساب‌ها علاوه بر ایجاد مشکلات زیست‌محیطی، نگرانی‌های جدی بهداشتی و عملیاتی نیز به همراه دارد. صنایع مختلفی از جمله پتروشیمی، داروسازی، تولید قطعات الکترونیکی و ساخت پوشش‌ها، حجم قابل توجهی از VOCها را به عنوان محصول یا جانبی فرآیند تولید می‌کنند. جداسازی و بازیافت این ترکیبات نه تنها برای رعایت مقررات زیست‌محیطی ضروری است، بلکه به حفظ کیفیت محصولات و ایمنی فرآیند نیز کمک می‌کند.
استفاده از گاز نیتروژن در عملیات گاززنی و پاکسازی، به دلیل خواص شیمیایی خنثی، حلالیت پایین در مایعات و توانایی جایگزینی اکسیژن، مزایای خاصی دارد؛ به ویژه در مواردی که باید از اکسیداسیون جلوگیری کرد یا مخلوط‌های انفجاری پیش نیاید. در این مقاله، مبانی نظری، ملاحظات مهندسی طراحی، و کاربردهای عملی گاز نیتروژن برای حذف VOCها از فرآیندهای شیمیایی و سیستم‌های تصفیه پساب مورد بررسی قرار گرفته و پیامدهای زیست‌محیطی، ایمنی و اقتصادی این فناوری ارزیابی شده است.

مبانی جداسازی ترکیبات آلی فرّار با گاززنی

گاززنی یک روش متداول برای انتقال ترکیبات فرار از فاز مایع به فاز گاز است که بر مبنای انتقال جرم بین این دو فاز استوار است. این فرآیند با بهره‌گیری از قانون هنری انجام می‌شود که رابطه مستقیم بین غلظت یک ماده در فاز مایع و فاز گاز را در دمای معین نشان می‌دهد. زمانی که مایع آلوده به VOC با گاز نیتروژن تماس پیدا می‌کند، به دلیل اختلاف غلظت، مولکول‌های VOC به سمت فاز گاز حرکت می‌کنند و غلظت آن‌ها در گاز افزایش می‌یابد.
برای بهبود راندمان گاززنی، چند عامل مؤثر است: افزایش نرخ جریان نیتروژن، بالا بردن دمای فرآیند برای افزایش فشار بخار VOCها، افزایش سطح تماس بین مایع و گاز از طریق تجهیزات مخصوص مانند برج‌های پرشده یا ستون‌های سینی‌دار، و در برخی موارد کاهش فشار سیستم که می‌تواند فراریت ترکیبات با نقطه جوش بالا را افزایش دهد. در طراحی فرآیند باید بین بهره‌وری جداسازی و هزینه‌های عملیاتی تعادل مناسبی برقرار شود.
اگرچه هوای معمولی به دلیل ارزان بودن معمولاً برای گاززنی استفاده می‌شود، وجود اکسیژن در هوا چالش‌های زیادی ایجاد می‌کند. اکسیژن می‌تواند باعث اکسیداسیون ترکیبات حساس، تولید محصولات جانبی ناخواسته، افزایش ریسک انفجار در حضور VOCهای قابل اشتعال و تسریع خوردگی تجهیزات فلزی شود. گاز نیتروژن با فراهم کردن یک محیط عاری از اکسیژن، این مشکلات را برطرف کرده و امکان حذف ایمن VOCها را فراهم می‌سازد.

کاربرد نیتروژن در فرآیندهای شیمیایی

در صنایع شیمیایی، به ویژه تولید دارو، رنگ و پلیمر، بسیاری از مواد میانی یا محصول نهایی نسبت به اکسیداسیون بسیار حساس هستند. وجود حتی مقادیر کم اکسیژن می‌تواند منجر به تخریب، کاهش خلوص و تغییر ویژگی‌های محصول شود. به عنوان مثال، در تولید داروهای با فعالیت زیستی بالا، حذف حلال‌های باقی‌مانده مانند دی‌کلرومتان تحت گاز نیتروژن انجام می‌شود تا از اکسیداسیون و کاهش کیفیت ماده فعال جلوگیری شود. در صنعت پلیمر، حذف مونومرهای باقیمانده به وسیله نیتروژن، از شکستن زنجیره‌های پلیمری و کاهش خواص مکانیکی جلوگیری می‌کند.
یکی از مزیت‌های مهم نیتروژن، امکان بازیافت VOCهای جداشده است. در بسیاری از صنایع، ترکیباتی مانند تولوئن، متیل اتیل کتون یا ایزوپروپانول پس از جداسازی با نیتروژن به کمک تجهیزات تقطیر یا جذب، بازیابی و به چرخه تولید بازگردانده می‌شوند. این امر هم هزینه‌های خرید مجدد حلال‌ها را کاهش می‌دهد و هم حجم زباله‌های خطرناک را کاهش داده و اثرات زیست‌محیطی را کم می‌کند.
از سوی دیگر، نیتروژن نقش کلیدی در کاهش ریسک انفجار ایفا می‌کند. با کاهش میزان اکسیژن در سیستم به زیر حد غلظت اکسیژن مجاز (LOC)، که برای بسیاری از VOCها بین ۸ تا ۱۵ درصد حجمی است، خطر وقوع انفجار به شدت کاهش می‌یابد. این ویژگی باعث می‌شود در صنایع پتروشیمی، پالایشگاه‌ها و سایر صنایع پرخطر، استفاده از نیتروژن به یک ضرورت ایمنی بدل شود.

کاربرد نیتروژن در تصفیه پساب صنعتی

صنایع مختلف معمولاً پساب‌هایی تولید می‌کنند که شامل ترکیبات آلی فرّار هستند. ورود این پساب‌ها به سیستم‌های تصفیه بیولوژیکی بدون پیش‌تصفیه می‌تواند باعث اختلال در فعالیت میکروارگانیسم‌ها، کاهش راندمان تصفیه و افزایش انتشار VOCها به محیط زیست شود. استفاده از گاز نیتروژن در مراحل پیش‌تصفیه پساب‌ها، مانند مخازن همگن‌سازی، باعث کاهش چشمگیر غلظت VOCها شده و عملکرد پایدار واحدهای بیولوژیکی را تضمین می‌کند.
اگرچه هوا به‌عنوان گاز گاززنی معمولاً ارزان‌تر است، اما در مواردی که VOCها بسیار سمی، قابل اشتعال یا حساس به اکسیداسیون هستند، نیتروژن انتخاب اول است. برای مثال، در تصفیه پساب پالایشگاه‌ها که بنزن یکی از آلاینده‌های اصلی است، گاززنی با نیتروژن قبل از ورود به بخش‌های بیولوژیکی، باعث کاهش خطرات انفجاری و همچنین امکان بازیافت بنزن از جریان‌های گازی می‌شود.
پس از گاززنی، مخلوط نیتروژن و VOCهای جداشده معمولاً به تجهیزات مختلفی منتقل می‌شوند تا VOCها بازیافت یا دفع شوند. این تجهیزات شامل کندانسورهای کریوژنیک برای ترکیبات سبک، بسترهای جذب کربن فعال و واحدهای فشرده‌سازی و تقطیر می‌باشند که می‌توانند بازده حذف VOCها را به بالای ۹۵ درصد برسانند و به دست‌یابی به استانداردهای زیست‌محیطی کمک کنند.

ملاحظات طراحی فرآیند

سیستم‌های گاززنی با نیتروژن در انواع مختلف تجهیزات قابل اجرا هستند که هرکدام مزایا و محدودیت‌هایی دارند. برج‌های پرشده به دلیل داشتن سطح تماس بالا برای عملیات پیوسته و جریان‌های بزرگ مناسبند. ستون‌های سینی‌دار نیز برای تماس مرحله‌ای و جریان‌های حجیم کاربرد دارند. مخازن جریانی با نیتروژن دمیده شده (Sparged tanks) در عملیات بچ یا دسته‌ای ساده‌تر و ارزان‌تر هستند اما از نظر راندمان انتقال جرم در سطح پایین‌تری قرار دارند.
در طراحی، پارامترهایی مانند نسبت گاز به مایع، دما، فشار و زمان تماس باید به دقت بهینه‌سازی شوند. افزایش نسبت گاز به مایع باعث افزایش راندمان انتقال جرم می‌شود اما مصرف نیتروژن را بالا می‌برد. دمای بالاتر فراریت ترکیبات را افزایش می‌دهد ولی هزینه‌های انرژی را بالا می‌برد. فشار پایین‌تر در برخی موارد می‌تواند فراریت ترکیبات سنگین را افزایش دهد. زمان تماس کافی برای رسیدن به تعادل بین دو فاز حیاتی است.
خلوص نیتروژن نیز بسته به کاربرد اهمیت دارد؛ برای حذف VOCهای حساس یا برای پیشگیری از انفجار، خلوص بالای ۹۹.۹ درصد مورد نیاز است، در حالی که برای مصارف کم‌حساس‌تر، خلوص ۹۵ درصد ممکن است کافی باشد.

پیامدهای زیست‌محیطی و ایمنی

استفاده از گاز نیتروژن در جداسازی VOCها می‌تواند به کاهش چشمگیر انتشار ترکیبات مضر به محیط زیست منجر شود و صنایع را در رعایت قوانین سختگیرانه زیست‌محیطی یاری دهد. راندمان حذف بالای ۹۵ درصد باعث کاهش آلودگی هوا و محافظت از سلامت جامعه می‌شود.
در عین حال، نیتروژن به عنوان یک گاز خنثی، با حذف اکسیژن ریسک انفجار و خوردگی تجهیزات را کاهش می‌دهد. با این وجود باید به خطرات ناشی از آزاد شدن ناخواسته نیتروژن توجه داشت؛ این گاز در فضاهای بسته می‌تواند جایگزین اکسیژن شده و موجب خفگی شود. به همین دلیل، استفاده از سیستم‌های تهویه مناسب، حسگرهای اندازه‌گیری اکسیژن و آموزش ایمنی برای کارکنان ضروری است.
بازیافت VOCها از جریان‌های گازی نیتروژن به کاهش حجم زباله‌های خطرناک و حفظ منابع طبیعی کمک می‌کند و گام مهمی در جهت تحقق تولید پایدار و اقتصاد چرخه‌ای محسوب می‌شود.

مطالعات موردی

در یک پالایشگاه بزرگ در خاورمیانه، استفاده از سیستم گاززنی نیتروژن برای حذف بنزن از پساب صنعتی باعث کاهش غلظت این آلاینده از ۴۵ میلی‌گرم بر لیتر به کمتر از ۱ میلی‌گرم بر لیتر شد. بنزن جداشده در کندانسورها بازیافت شده و به خط تولید بازگردانده شد که صرفه‌جویی سالانه بیش از ۲۵۰ هزار دلار برای پالایشگاه به همراه داشت و در عین حال استانداردهای زیست‌محیطی سخت‌گیرانه را نیز تامین کرد.
در صنعت داروسازی اروپا، برای جداسازی متیلن کلراید از پساب واکنش که در تولید یک ماده دارویی حساس به اکسیژن به کار می‌رود، از نیتروژن استفاده شد. بخارات جداسازی شده با نیتروژن به صورت کنترل شده جمع‌آوری، تصفیه و مجدداً در فرآیند استفاده شدند که باعث کاهش ۴۰ درصدی هزینه‌های حلال و جلوگیری از اکسیداسیون ماده فعال گردید.

ملاحظات اقتصادی

اگرچه تامین گاز نیتروژن به ویژه در خلوص‌های بالا هزینه‌هایی به همراه دارد، این هزینه‌ها با مزایای اقتصادی قابل توجهی جبران می‌شوند. ارزش بازیافت VOCها، جلوگیری از جریمه‌های زیست‌محیطی، کاهش هزینه‌های بیمه به دلیل بهبود ایمنی و افزایش طول عمر تجهیزات از مهم‌ترین این مزایا هستند. در بسیاری از واحدهای صنعتی که نیتروژن را برای هدف‌های دیگر تولید می‌کنند، هزینه جانبی استفاده از آن برای گاززنی تقریباً ناچیز است.

پیشرفت‌های آینده

تکنولوژی‌های نوظهوری مانند ممبرین‌های تماس‌دهنده (membrane contactors) امکان حذف VOCها با مصرف نیتروژن بسیار کمتر و طراحی فشرده‌تر را فراهم می‌کنند. همچنین سیستم‌های ترکیبی که گاززنی نیتروژن را با روش‌هایی مانند جذب پیشرفته یا اکسیداسیون کاتالیستی ترکیب می‌کنند، می‌توانند در آینده کنترل موثرتری بر VOCهای پیچیده و چندجزئی ارائه دهند.

گاز نیتروژن به عنوان یک ابزار ایمن، مؤثر و انعطاف‌پذیر، نقش مهمی در جداسازی ترکیبات آلی فرّار از جریان‌های صنعتی و پساب‌ها ایفا می‌کند. حذف اکسیژن از سیستم، علاوه بر افزایش ایمنی، از اکسیداسیون محصولات حساس جلوگیری کرده و کیفیت تولید را تضمین می‌کند. ترکیب این فناوری با سیستم‌های بازیافت VOC، جداسازی را به فرصت بازچرخانی منابع تبدیل می‌سازد. با تشدید مقررات زیست‌محیطی و توجه بیشتر به تولید پایدار، استفاده از نیتروژن در مدیریت VOCها روز به روز اهمیت بیشتری خواهد یافت و صنعتی ایمن‌تر، پاک‌تر و بهینه‌تر را به ارمغان خواهد آورد.

————————————————–

منابع

• Seader, J. D., Henley, E. J., & Roper, D. K. (2011). Separation Process Principles (3rd ed.). John Wiley & Sons.
• Perry, R. H., Green, D. W., & Maloney, J. O. (1997). Perry’s Chemical Engineers’ Handbook (7th ed.). McGraw-Hill.
• U.S. Environmental Protection Agency (EPA). (2020). Control Techniques for Volatile Organic Compound Emissions from Industrial Sources.
• Smith, R. (2005). Chemical Process: Design and Integration. John Wiley & Sons.
• Matsumura, M., & Tokumura, S. (2017). Nitrogen Stripping of Volatile Organic Compounds in Wastewater Treatment, Journal of Environmental Chemical Engineering, 5(3), 2445-2452.
• Joshi, A., & Satterfield, C. N. (2014). Gas Stripping and Absorption in Chemical Engineering, Separation and Purification Reviews, 43(1), 1-25.
• ASTM International. (2018). Standard Guide for Gas Stripping of Volatile Organic Compounds from Liquids (ASTM D6522