محققان دانشگاه ایالت واشنگتن آمریکا به‌تازگی در درک بهتر فرآیند فيشر-تروپش گام بزرگی برداشتند، فرآیندی که در واقع روش صنعتی مهمی برای تبدیل ذغال سنگ، گاز طبیعی و بیومس به سوخت‌های مایع است. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره این تحقیق با اِروتِک همراه باشید.
برخلاف بسیاری از واکنش‌های کاتالیزوری که معمولاً حالت ثابتی را حفظ می‌کنند، محققان دانشگاه ایالت واشنگتن دریافتند که فرآیند فیشر-تروپش نوسانات خودبه‌خودی را نشان می‌دهد که بین حالت‌های فعالیت بالا و پایین جابه‌جا می‌شود. این تحقیق که در مجله‌ی Science نیز به انتشار رسیده است، پنجره‌ای به فرصت‌هایی برای بهینه‌سازی نرخ واکنش و افزایش بازده‌ی محصولات موردنظر باز می‌کند که می‌تواند به طور بالقوه منجر به تولید سوخت کارآمدتر در آینده شود. نوربرت کروز، پروفسور مطرح دانشکده‌ی ژنتیک دانشگاه ایالت واشنگتن، همراه با لیندا ویلند از دانشکده‌ی مهندسی شیمی و زیستی درباره‌ی این تحقیق جدید در زمینه‌ی بهبود تولید سوخت خاطرنشان کردند:
«نوسانات سرعت با تغییرات زیاد دما معمولاً در صنایع شیمیایی به دلیل نگرانی‌های ایمنی طرفدار ندارند. در مورد فعلی [اما] نوسانات تحت کنترل هستند و از نظر مکانیکی به‌خوبی مشخص‌اند. با چنین مبنای درکی، چه از نظر تجربی و چه از لحاظ نظری، رویکرد تحقیق و توسعه می‌تواند کاملاً متفاوت شود. [در این حالت] واقعاً یک رویکرد مبتنی بر دانش در اختیار دارید و این به ما کمک بسیار زیادی خواهد کرد.»
تجدید نظر در طراحی کاتالیست
با وجود اینکه فرآیند فیشر تروپش معمولاً برای تولید سوخت و مواد شیمیایی مورداستفاده قرار می‌گیرد، محققان تا به حال اطلاعات اندک و درک کمی از نحوه‌ی عملکرد فرآیند پیچیده‌ی تبدیل کاتالیزوری داشته‌اند. این فرآیند از یک کاتالیزور برای تبدیل دو مولکول ساده (هیدروژن و مونوکسید کربن)، به زنجیره‌های بلند مولکول‌ها یا همان هیدروکربن‌هایی که به طور گسترده در زندگی روزمره استفاده می‌شوند، بهره می‌گیرد.
در حالی که رویکردهای مبتنی بر آزمون و خطا در تحقیقات و توسعه‌های صنایع سوخت و شیمیایی بیش از یک قرن است که مورداستفاده قرار می‌گیرند، محققان اکنون می‌توانند کاتالیزورها را با شیوه‌ی مدنظرشان طراحی کنند و واکنش‌ها را برای تحریک حالت‌های نوسانی به شکلی تنظیم نمایند که حالت‌های نوسانی را تحریک کرده و عملکرد کاتالیزوری را بهبود دهد.
محققان ابتدا به طور تصادفی و زمانی که دانشجویی به نام روئی ژانگ با مشکل جدیدی نزد پروفسور کروز رفت، متوجه‌ی وجود این نوسانات شدند. ژانگ قادر به تثبیت دمای واکنش شیمیایی‌اش نبود و وقتی او و پروفسور کروز مشاهدات بیشتری در این زمینه انجام دادند، توانستند نوسانات غافلگیرانه‌ای را کشف کنند.
محققان دانشگاه ایالت واشنگتن نه‌تنها متوجه شدند که این واکنش شیمیایی توانایی ایجاد حالت‌های واکنش نوسانی دیگری را دارد، که درباره‌ی نحوه‌ی وقوع چنین اتفاقی نیز اطلاعات بیشتری کسب کردند و چگونگی آن را فهمیدند؛ با بالا رفتن دمای واکنش به دلیل تولید حرارت، گازهای واکنش‌دهنده ارتباط خود را با سطح کاتالیزور از دست می‌دهند و واکنش آنها کندتر شده و سبب کاهش یافتن دما می‌شوند. هنگامی که دما به اندازه‌ی کافی پایین آمده است، غلظت گازهای واکنش‌دهنده در سطح کاتالیزور افزایش پیدا می‌کند و واکنش دوباره سرعت می‌گیرد. اتفاقی که در نهایت منجر به افزایش دما می‌شود تا به این چرخه پایان دهد.
هم‌گرایی دو رویکرد نظری و تجربی
محققان برای این مطالعه، واکنش شیمیایی ذکرشده را در آزمایشگاه با استفاده از کاتالیزور کبالت و افزودن اکسید سریم، تعدیل کردند و سپس به مدل‌سازی نحوه‌ی عملکرد آن پرداختند. پیئر گاسپارد از دانشگاه بروکسل بلژیک که در نگارش این مطالعه نیز نقش داشته است، سازوکار این واکنش را ترسیم کرد و با رویکردی نظری سعی داشت تا دماهای متغیر دوره‌ای را لحاظ کند و نرخ آزمایشی و گزیشنی بودن این واکنش را بازسازی نماید.
نوربرت کروز بیش از ۳۰ سال است که در زمینه‌ی واکنش‌های نوسانی مشغول به فعالیت است. از آن‌جایی هم که این واکنش از نظر مکانیکی بسیار پیچیده محسوب می‌شود، کشف این رفتار نوسانی با واکنش فیشر تروپش بسیار اتفاق مهیج و غافلگیرانه‌ای است و تأثیرات قابل توجهی بر درک ما از این فرآیند خواهد گذاشت. کروز در این رابطه بیان کرد:
«ما بعضی اوقات در تحقیقاتمان دچار نامیدی‌های زیادی می‌شویم، چرا که همه‌چیز دقیقاً همان‌طوری که انتظار دارید جلو نمی‌رود. اما [گاهی اوقات] لحظاتی را تجربه خواهید کرد که توان توصیف کردنشان را ندارید. [این لحظات] بسیار ارزشمند هستند اما «ارزشمند» واژه‌ی ضعیفی برای توصیف هیجان ناشی از رسیدن به چنین دستاورد و موفقیت شگفت‌انگیزی است.»
منبع: SciTechDaily
