بررسی روش‌های استخراج به وسيله مايعات يوني
ميزان گوگرد موجود در نفت‌خام، بسته به نوع منبع متغير است که باید حذف شود. یکی از این روش‌های حذف گوگرد، استخراج با مایعات یونی است.
به طور کلی، ميزان گوگرد موجود در نفت خام، بسته به نوع منبع آن بين 25/0 بعضا تا حدود 89/7 درصد وزنی متغير است.برای مثال، نفت خام خاورميانه حدود 5/1- 3 درصد وزنی گوگرد دارد. گوگرد به طور کلی به دو صورت معدنی و آلی در نفت خام وجود دارد. علاوه بر گوگرد عنصری، سولفات، سولفيت، تيو سولفات و سولفيد، بيش از 200 ترکيب آلی گوگرددار نفت شناسايی شــده که سولفيدها، تيول‌ها، يا مرکاپتان‌ها و تيوفن‌ها را شامل می‌شود.
تيوفن و دیبنزوتيوفن‌ها مولکول‌های بسيار پيچيده‌تری دارند. روش‌های مختلفی برای گوگردزدايی از نفت‌خام و سيال پالايش شده، پيشنهاد شده است. اين استراتژی‌ها شامل گوگردزدايی هيدرو، گوگردزدايی استخراجی، گوگردزدايی اکسيداســيونی، گوگردزدايی بيو، گوگردزدايی مبتنی بر آلکيلاسيون، گوگردزدايی مبتنی بر کلرينوليزيز و گوگردزدايی با اســتفاده از آب فوق بحرانی اســت. بهترين روش با بهترين کارايی برای گوگردزدايی از نفت سنگين، اکسيداسيون خودبه‌خودی با تجزيه حرارتی است.
حذف ترکیبات گوگرد دار
غلظت و ماهيــت ترکيبات حاوی گوگــرد در بالای نقطه جوششــان تغيير می‌کند. با افزايــش در محدوده نقطه جوش ترکيبات گوگرددار، مقدار گوگرد در برش تقطير شــده افزايش مي‌يابد، يعنی سنگين‌ترين برش حاوی بيشترين مقدار ترکيبات گوگرد است. ترکيبات گوگرددار با افزايش نقطه جوش مقاوم‌تر می‌شــوند.
همان طوری که طبقه‌بندی ترکيبات مهم از تيول‌ها، سولفيدها و تيوفن در نفتا با جايگزينی ترکيبات بنزوتيوفن‌های تبخير شــده، تغيير می‌کنند. در گازوئيل و باقیمانده سيســتم خلأ، گوگرد به شــکل ترکيبات بنزوتيوفن اســت. خصوصيات شــيميايی گوگــرد با حذف آن در ارتباط اســت. گوگردزدايی از ترکيبات آليفاتيک، مثل تيول‌هــا و ســولفيدها به مراتب ســاده‌تر از گوگردزدايی ترکيبات آروماتيک مثل تيوفنيک‌ها است.
درحال حاضر،گوگردزدايی هيدرو در ترکيب با تکنيک‌هايی از قبيل زغال و شکســتن کاتاليتيکی سيال نفت، اصلی به کار گرفته شــده در صنعت بــرای حذف گوگرد از نفت خام اســت. اين فناوری‌ها قادرند گوگرد را از نفت سنگين کاملا حذف کننــد. اين فناوری‌ها که شــامل توليد هيدروژن مورد نياز برای HDS و فرآورش اند، دمای بالايی نياز دارند. هزينه پالايش نفت خام‌های ســنگين‌تر و دارای گوگرد بالا (از لحاظ مالی و محيط زيستی) بالاســت.
بنابراين، روش‌های جايگزين گوگردزدايی مورد توجه قرار گرفته است. معمولا گوگرد از برش‌های سبک‌تر پالايشگاه از قبيل نفتا، فرآورده تقطير و برش‌های نفت گاز سبک خلأ مطرح می‌شود. هدف اين نوشتار بررسی بيشتر روش‌های مورد استفاده برای گوگردزدايی از نفت خام سنگين به طور خاص است.
همان طوری که در ادامه خواهيد ديد، یکی از روش‌های گوگردزدايی، استخراج با مایعات یونی است.
چرا گوگرد در نفت خام باید حذف شود؟
گوگرد فراوان‌تريــن عنصر بعد از کربن و هيدروژن در نفت خام است. متوسط گوگرد در نفت خام از 03/0 درصد تا 89/7 درصد تغييــر می‌کند. ترکيبات گوگرد به دو صورت آلی و معدنی در نفت خام وجود دارند. گوگرد معدنی، از قبيل گوگرد عنصری، ســولفيد هيدروژن و پيريت (FeS) به صورت حل نشده يا معلق در نفت خام می‌تواند وجود داشته باشد.
منبع اصلی گوگرد را در نفــت خام ترکيبــات آلی از قبيل تيول‌ها، ســولفيدها و تيوفنيک‌ها تشکيل می‌دهند. طبقه‌بندی‌های مهم ترکيبات آلی گوگرددار در شکل زیر نشان داده شده است. نفت خام‌های با گرانروی و چگالی بالاتر، دارای مقادير زيــادی ترکيبات گوگرددار پيچيده هستند. ســولفيدهای غيرحلقوی آليفاتيک (تيواترها) و سولفيدهای حلقوی در فرايند گوگردزدايی هيدرو يا به وسيله حرارت به آسانی حذف می‌شوند.
به عبارت ديگــر، گوگرد موجود در حلقه‌هــای آروماتيکی (از قبيل بنزوتيوفن، دیبنزوتيوفن، بنزولوگ‌ها و نفتوتيوفن) مقاومت بيشــتری در فرآيند گوگردزدايی هيدرو و تبديل حرارتی از خود نشان می‌دهند. حذف گوگرد موجود در نفت خام يک مساله مهم در صنايع نفت و صنايع وابسته به آن است.
حذف گوگرد از نفت خام به دلايل ذيل انجام می‌شود:
۱. حذف گوگرد باعث کاهش يا محدود شدن خوردگی در طول عمليات پالايش، حمل و نقل و دستگاه‌های مصرف کننده از قبيل وسايل نقليه می‌شود.
۲. حذف گوگرد باعث حذف بوی بد محصولات نفتی خواهد شد.
۳. حذف گوگرد از ســوخت‌های سنگين باعث جلوگيری از آلودگی هوا و جلوگيری از انتشــار دی اکسيد گوگرد در محيط زيست در زمان سوختن می‌شود. 
استخراج به وسيله مايعات يوني
اســتفاده از مايعات يونی برای حذف گوگرد از سوخت‌هايی مثل سوخت ديزلی، جايگزين خوبی برای حلال‌های آلی مرسوم اســت. در منابع مايعات يونی بر پايه ايميدازوليوم، پيريدينيوم يا کينولينيوم با آنيون‌هايی از قبيل آلکيل ســولفات‌ها، آلکيل فسفات‌ها يا هالوژن‌ها، بيشترين مايعات يونی هستند که خواص اســتخراجی دارنــد. مايعات يونی ايــده‌آل خواصی مثل ضريــب پخش بالا برای ترکيبات گوگردي، حلاليت کمتر برای هيدروکربن‌ها، گرانروی کمتر، تسريع در جداسازی فازها بعد از مخلوط شدن و استخراج را دارند.
متأسفانه استفاده از مايعات يونی واقعی برای اســتخراج مايع-مايع کمتــر مورد توجه قرار گرفته اســت. همچنين مايعات يونی ضريب پخش بالايی برای ترکيبات گوگردی مــدل از قبيل دیبنزوتيوفن دارند ولی در مخلوط‌های مدل، ضريب توزيع در روش تقطير مستقيم نسبتا پايين اســت.
به عبارت ديگر، مايعات يونی حلال‌های ايده‌آلی برای اجرای گوگردزدايی استخراجی تقطير مستقيم نيستند. در نفت سنگين موقعيت بدتر است. اگر ترکيبات آلی گوگرددار قبلا به ترکيبات سولفوکسيد و سولفون‌ها اکسيد شده باشند، کارآيی فرايند اســتخراج با مايعات يونی افزايش مي‌يابد زيرا ترکيبات گوگــردی اکسيد شــده دارای ضريب توزيع بالاتری هســتند.
مايعات يونی حلال‌هايی با نقطه جوش بالا هستند و بازيابی ترکيبات گوگردی استخراج شــده از مايعات يونی در مقايسه با حلال‌های آلی، چالش‌برانگيزتر اســت.
بعضی از روش‌هايی که عده‌ای پیشنهاد داده‌اند، به شرح ذيل است:
الف) حذف مســتقيم ترکيبات گوگرددار از مايعات يونی با استفاده از تقطير انجام شود. نقطه جوش ترکيبات آلی گوگرددار سنگينتر، مثل دیبنزوتيوفن‌های آلکيله شــده، بالا ( ºC340) و نیازمند تقطير در خلأ است. پس اين روش برای گوگردزدايی برش‌های نفتی سبک‌تر مناسب است.
ب) ترکيبات گوگرددار به وسيله حلالی با نقطه جوش کمتر، دوباره مي‌توانند استخراج شوند که در اين صورت، يک مرحله جداسازی اضافی نياز است.
ج) بــا افزايش آب می‌توان ترکيبات گوگرددار را از مايعات يونی جداسازی کرد. اگر آب کافی به سيستم اضافه شود، ضريب توزيع ترکيبات گوگرددار در مايعات يونی تقريبا تا صفر کاهش مي‌يابد. ترکيبات گوگرددار با بعضی از هيدروکربن‌های ســبک استخراج شده مي‌توانند حل شوند يا فاز سومی را در آب تشکيل دهند.
ترکيبات گوگرددار حتی ممکن است رسوب کنند. قبل از بازيابی مايعات يونی، آب بايد حذف شــود. برای صرفه‌جويی در مصــرف انرژی، فرايند تبخير چنــد مرحله‌ای (چهار مرحله تبخير) در دماها و فشارهای مختلف پيشنهاد شده است. مصرف انرژی در تبخيــر چند مرحله‌ای با مصرف انرژی HDS مرســوم قابل مقايسه است.
گوگردزدايی با مايعات يونی مزايای زيادی نسبت به حلال‌های آلی دارد ولی موانعی مثل هزينه بالا و حســاس بودن بعضی از مايعات يونی نسبت به آب، از کاربرد صنعتی آنها مي‌کاهد. هيچ گزارشی از کاربرد مايعات يونی برای گوگردزدايی از نفت سنگين وجود ندارد. استفاده از مايعات يونی برای حذف گوگرد از نفت سنگين در حال حاضر عملی نيست.
منبع: برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترود گرافیتی