آنالیز SEM یکی از خدمات آنالیز بسیار پر کاربرد در خانواده روش های میکروسکوپی می باشد. مهمترین کاربرد آنالیز SEM بررسی و مطالعه مورفولوژی و سطح مواد می باشد. دلیل اصلی ابداع میکروسکوپ SEM قدرت تفکیک کم میکروسکوپ های نوری به دلیل طول موج بالای نور مرئی مورد استفاده در آنها بود. قدرت تفکیک کم باعث می شود جزییات ریز و نانومتری قابل مشاهده نباشد.
درآنالیز SEM به جای نور از الکترون ها برای تشکیل تصویر استفاده می شود. مزیت دیگری که SEM دارد این است که برخلاف نور که طول موج ثابتی دارد، طول موج الکترون ها با تغییر شتاب و سرعت آنها قابل تغییر است به این مفهوم که اپراتور بر حسب نوع نمونه و ویژگی های آن می تواند با تغییر شتاب الکترون، قدرت تفکیک های متفاوتی را برای دستیابی به جزییات بیشتر ایجاد کند. الکترون ها در تفنگ الکترونی گسیل حرارتی (Thermal emission) تولید می شوند.
در این نوع تفنگ الکترونی از یک سیم داغ تنگستنی به عنوان منبع تولید الکترون استفاده میشود. زمانی که فلزات تا دمای بالایی داغ میشوند از خود الکترون ساطع میکنند. در تفنگ الکترونی مورد استفاده در این میکروسکوپ الکترونی، الکترونهای خارج شده از فیلامان (سیم نازک) تنگستنی با استفاده از میدان الکترونی جمع آوری میشود و با میدان الکتریکی دیگری به آن شتاب داده میشود تا سرعت الکترونها افزایش یابد.
از آنجاییکه سرعت الکترون ها طبق رابطه دوبروی نسبت عکس با طول موج آنها دارد، شتاب دهی به الکترون ها منجر به کاهش طول موج و همانطور که قبلا توضیح کاهش طول موج باعث بهبود قدرت تقکیک میکروسکوپ و مشاهده جزییات بیشتر در نمونه می شود. در آزمون SEM بیم الکترونی پس از تشکیل در تفنگ الکترونی، از لنزهای مختلف عبور می کنند و در نهایت به نمونه برخورد می کنند.
در اثر این برخورد و انرژی که منتفل می شود، سیگنال هایی به شکل الکترون و امواج الکترومغناطیس از داخل ماده گسیل می شود که مبنای تشکیل تصویر و اطلاعات مختلفی است که در آنالیز SEM قابل استخراج می باشد. بر خلاف میکروسکوپ نوری که جنس عدسی ها شیشه ای است و وظیفه آنها بزرگنمایی می باشد، جنس عدسی ها در میکروسکوپ SEM، سیم پیچ های الکترومغناطیسی است و وظیفه آن نتظیم باریکه الکترونی روی سطح نمونه می باشد. معمولا دو سری عدسی های متمرکز کننده و شیئی در میکروسکوپ های الکترونی استفاده می شود. میکروسکوپ های الکترونی عموما در خلا کار می کنند و وظیفه تشکیل خلا به عهده پمپ های خلا روتاری و نفوذی هست که به سیستم میکروسکوپ متصل هستند.
علاوه بر تصویربرداری، قابلیت دیگر SEM، آنالیز عنصری می باشد. با استفاده از این قابلیت می توان عناصر موجود در نمونه را به صورت نقطه ای، خطی و ناحیه ای شناسایی کرد. مبنای شناسایی عناصر امواج ایکس مشخصه ای است که از داخل ماده گسیل می شود. امواج ایکس مشخصه به دلیل برخورد الکترون ها با نمونه و ایجاد حفره در نمونه، ایجاد می شوند. جای خالی الکترونها، با الکترون هایی از ترازهای بالاتر پر می شوند و تفاوت انرژی ترازهای مختلف، بصورت امواج ایکس مشخصه گسیل می شود.
از آنجایی که فاصله بین ترازهای انرژی در عناصر مختلف منحصر به فرد می باشد، با اندازه گیری انرژی امواج می توان عناصر را شناسایی کرد. به طور کلی آنالیز SEM نسبت به میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی، قدرت تفکیک کمتری دارد. دلیل این امر گسترده تر بودن سطحی که الکترون از آن خارج می‌شودنسبت به میکروسکوپ‌های الکترونی است که از مکانیزم گسیل میدانی استفاده میکنند، است. اما بطور کلی قدرت بزرگنمایی و قدرت تفکیک یک میکروسکوپ الکترونی به عوامل مختلفی مانند مهارت اپراتور، کیفیت لنز‌ها، نوع نمونه و نرم افزار دستگاه وابسته است. معمولا آزمون SEM برای نمونه ها و ذراتی که از ابعاد حدود ۴۰ نانومتر بزرگتر هستند، بسیار مناسب است.
نمونه هایی که برای تصویر برداری در آنالیز SEM استفاده می شوند می بایست رسانای جریان الکتریکی باشند. برای نمونه هایی که رسانا نیستند، معمولا یک لایه از مواد رسانا (معمولا طلا) با استفاده از دستگاه اسپاترینگ (کند و پاش یونی) پوشش داده می شوند. در صورتی که نمونه رسانا نباشد، بیم الکترونی فرودی روی نمونه تجمع پیدا می کند. از آنجایی که بارهای هم نام به یکدیگر نیروی دافعه وارد می کنند، تجمع الکترون ها روی سطح نمونه باعث انحراف بیم الکترونی فرودی در اثر نیروی الگترومغناطیسی دافعه بین الکترون ها می شود. مرحله دیگر در آماده سازی نمونه های SEM، صاف و صیقلی کردن سطح آن به منظور تصویربرداری با کیفیت بهتر می باشد. این کار با استفاده از سمباده های مختلف انجام می شود.
در ادامه مشخصات دستگاه SEM مورد استفاده در سامانه مهامکس ذکر شده است. این میکروسکوپ هرچند از تفنگ گسیل حرارتی استفاده میکند ولی بخاطر کیفیت ساخت خوب و مهارت اپراتور، توانایی تصویر برداری خوبی دارد. ضمن اینکه مجهز به میز کار (صفحه‌ای که نمونه‌های روی آن قرار میگیرند) با ۵ درجه آزادی (در سه راستا قابلیت حرکت و در دو راستا قابلیت چرخش دارد) است. ضمن اینکه این دستگاه مجهر به آشکارساز EDS می باشد که قابلیت آنالیز عنصری را علاوه بر تصویربرداری فراهم می کند.
مشخصات فنی آنالیز SEM
مدل دستگاه: SEM FEI Quanta 200
محدوده ی بزرگنمایی: ۱۰ تا ۱۰۰۰۰۰ برابر
مجهز به EDX, WDX.
محدوده ی وسیعی از محفظه ها و پایه های نمونه
تفنگ الکترون: کاتد گرم شده ی تنگستن
تصویربرداری/نقشه برداری: بله
حالتهای تغییر وضعیت نمونه: ۵ حالت شامل: جهت (X (50mm، جهت(Y (70mm، جهت (Z(40mm، کج شدن نمونه (Tilt) (˚۵-˚۹۰) و چرخش (˚۳۶۰)
عمق نفوذ الکترونها بسته به ولتاژ انتخابی متغیر است و برای حالتهای مختلف عبارت است از : الکترونهای ثانویه (۱-۱۰nm)، الکترونهای برگشتی ((۰.۱-۱µm و اشعه X (1-10 µm)
مجهز به دوربین عکاسی دیجیتال
طیف سنج اشعه X
مجهز به میکروسکوپ نوری با قدرت تفکیک ۱µm، بزرگنمایی حداکثر ۳۰۰ برابر و محدوده ی دیدی به قطر ۰.۶۵mm
توانایی ها آنالیز SEM
رزولوشن: ۳nm at 30 kV
بررسی ساختارهای میکروسکوپی در بزرگنمایی بالا به روشهای B.S و SE
تعیین جنس و ضخامت انواع پوششها
تهبه آنالیز تصویری از سطح نمونه(X-Ray Image)
تهیه آنالیز خطی(Line Scan) (عدم استفاده)
تنها عنصر سنگین تر از آلومینیوم قابل شناسایی می باشند عناصر غیر قابل شناسایی عبارتند از: H-He-Li-Be-B-C-N-O-F-Ne-Na-Mg-Al
این آنالیز یکی از پر کابرد ترین آنالیز ها برای بررسی کاتالیست ها می باشد که بر مبنای عبور گاز احیا کننده ( هیدروژن یا منواکسید کربن ) از روی نمونه و واکنش آن با اکسیژن های ساختاری آن در حین عملیات حرارت دهی به نمونه می باشد. در نهایت میزان هیدروژن (یا CO) مصرف شده به صورت نموداری بر حسب دما قابل ارائه می باشد.
قابلیت های این آنالیز:
ارائه نمودار کیفی میزان مصرف هیدروژن (یا CO) بر حسب دما
بررسی مراحل احیا پذیری نمونه ها
ارائه میزان کمی مصرف هیدروژن (یا CO)
تفکیک پیک ها و ارائه سطح زیر نمودار برای هر پیک
پارامتر های انجام آنالیز:
انجام عملیات گاز زدایی برای خالص سازی نمونه ها
نرخ حرارت دهی: 1 تا 100 درجه بر دقیقه
گاز احیا کننده: H2 یا CO
حداکثر دمای عملیاتی: 1000 درجه سانتیگراد
فشار عملیاتی: 1 اتمسفر
نمونه ایی از آنالیز انجام شده توسط دستگاه را در زیر مشاهده می نمایید.
برای ارائه درخواست انجام این آنالیز بر روی اینجا کلیک نمایید.
آنالیز دفع با برنامه دمایی (TPD)
این آنالیز نیز از پر کابرد ترین آنالیز ها برای بررسی کاتالیست ها می باشد که بر مبنای جذب گاز مورد نظر ( برای مثال آمونیاک) بر روی نمونه در دمای خاص و سپس دفع آن در محیط گاز هلیم در حین عملیات حرارت دهی به نمونه می باشد. در نهایت میزان گاز دفع شده از روی نمونه به صورت نموداری بر حسب دما قابل ارائه می باشد. رایج ترین گازها برای انجام این تست آمونیاک، مونواکسید کربن، دی اکسیدکربن و هیدروژن می باشد.
قابلیت های این آنالیز:
ارائه نمودار کیفی میزان مصرف گاز بر حسب دما
بررسی کمی و کیفی سایت های اسیدی و بازی نمونه ها توسط گاز آمونیاک و مونواکیسد کربن
تفکیک پیک ها و ارائه سطح زیر نمودار برای هر پیک
پارامتر های انجام آنالیز:
انجام عملیات گاز زدایی برای خالص سازی نمونه ها
نرخ حرارت دهی: 1 تا 100 درجه بر دقیقه
گاز مورد استفاده: NH3, CO, CO2, H2
حداکثر دمای عملیاتی: 1000 درجه سانتیگراد
فشار عملیاتی: 1 اتمسفر
نمونه ایی از آنالیز انجام شده توسط دستگاه را در زیر مشاهده می نمایید.
برای ارائه درخواست انجام این آنالیز بر روی اینجا کلیک نمایید.
آنالیز اکسیداسیون با برنامه دمایی (TPO)
این آنالیز برای بررسی میزان سوختن نمونه در محیط اکسیژن می باشد. در نهایت میزان مصرف اکسیژن توسط نمونه به صورت نموداری بر حسب دما قابل ارائه می باشد. گازهای اکسیژن و هوا برای انجام این تست مورد استقاده قرار می گیرند.
طیف سنج فلورسانس اتمی(AFS) مانند جذب اتمی و نشر اتمی از تکنیک های آنالیز عناصر در حالت اتمی می باشد. آنالیز عناصر توسط دستگاه فلورسانس اتمی براساس اندازه گیری میزان شدت نور منتشر شده توسط عنصر صورت می گیرد. فلورسانس اتمی معمولاً برای مواردی که نیاز به حساسیت و دقت بالایی باشد، به کار برده می شود. در واقع مزیت آن نسبت به جذب اتمی همین حساسیت بالاتر در اندازه گیری آنالیت می باشد. از اسپکتروسکوپی فلورسانس اتمی اصطلاحاً برای عناصر Trace که قابلیت نشر اتمی دارند استفاده می کنند. این دستگاه را می توان به طور ویژه ای در آنالیز عناصر فلزی آب، نفت و نمونه های بیولوژیکی در آزمایشگاه بکار برد.
انواع طیف سنج فلورسانس اتمی
دستگاه فلوئورسانس اتمی دارای انواع مختلفی می باشد که در حال حاضر فلورسانس اتمی رزونانسی به دلیل ایجاد برانگیختگی انتخابی در الکترون ها و کمترین میزان تداخل بیشترین کاربرد را دارد. سایر مدل های فلورسانس اتمی عبارتند از:
فلورسانس خط مستقیم
فلورسانس پله ای
فلورسانس حساس
فلورسانس چند فتونی
نمای داخلی از دستگاه فلورسانس اتمی و نحوه نمونه سازی آن
بخش های مهم فلورسانس اتمی
یک دستگاه فلورسانس اتمی از چندین بخش تشکیل شده است که با هماهنگی دیگر بخش ها کار می کنند. این بخش ها عبارتند از:
منبع نور دستگاه فلوئورسانس اتمی
منبع تابش نور در دستگاه فلورسانس اتمی (AFS) همانند دستگاه جذب اتمی معمولاً یک لامپ هالوکاتد HCL می باشد. این لامپ باید قابلیت برانگیخته کردن اتم های آن عنصر را با ایجاد یک طول موج خاص داشته باشد. منبع نور در فلورسانس اتمی برخلاف سایر تجهیزات نوری در زاویه قرار می گیرد. دلیل آن هم این است که دتکتور تنها بایست نور منتشر یافته توسط عنصر را اندازه گیری کند و نوری که از منبع منتشر می شود نباید در مسیر اندازه گیری دتکتور باشد. از دیگر مزایای این کار امکان افزایش شدت نور لامپ می باشد که مستقیماً در میزان برانگیختگی اتم و در نهایت تعیین غلظت دقیقتر موثر است.
نمونه
در دستگاه فلوئورسانس اتمی نمونه آنالیت همیشه باید در فاز گازی باشد. این کار با استفاده از یک اتمایزر، نبولایزر و یا تولید هیدرید با یک عامل کاهنده قوی انجام می گیرد. برای جیوه نیز از بخار سرد استفاده می شود. در دستگاه هایی مثل مدل Lumina 3400 از کمپانی آرورا در واقع نمونه در داخل سیستم ژنراتور هیدرید بخار HVG بصورت هیدرید در می آید.
آشکار ساز یا دتکتور
دتکتور (Detector) بخشی از دستگاه اتمیک فلورسانس می باشد که وظیفه اندازه گیری شدت نور منتشر شده را به عهده دارد. به طور کلی دتکتور ها با تبدیل نور دریافتی به انرژی الکتریکی و اندازه گیری سیگنال آن این کار را انجام می دهد.
مکانیسم فلوئورسانس اتمی
در دستگاه AFS هم مانند دستگاه جذب اتمی، حالت اتمی عنصر مطلوب، توسط یک شعله ایجاد می شود. برای دستگاه هائی که فقط برای آنالیز عناصر در حالت هیدرید است از یک کوره کوچک الکتریکی برای تولید دما تا 1100 درجه نیز استفاده می شود. پس از آن نور از یک منبع که معمولاً لامپ هالوکاتد عنصر مورد نظر می باشد، منتشر می گردد. در اثر برخورد نور لامپ با اتم های ماده مورد نظر، الکترون های لایه ظرفیت انرژی آن را دریافت کرده و برانگیخته می شوند و به لایه بالاتر منتقل می شوند. انتقال الکترون ها به لایه بالاتر یک حالت ناپایدار است. بنابراین الکترون ها تمایل دارند به سرعت به حالت اول باز گردند. این عمل باعث از دست دادن انرژی به صورت نور با طول موج خاصی می شود. شدت این نور منتشر شده توسط آشکارساز یا Detector اندازه گیری می شود. با اندازه گیری شدت نور انتشار یافته توسط دتکتور، کمیت عنصر مورد نظر تخمین زده می شود. هر چه شدت نور انتشار یافته بیشتر باشد غلظت عنصر مورد نظر بیشتر می باشد.
کاربردهای فلورسانس اتمی
طیف سنجی فلورسانس اتمی یا Atomic Fluorescence Spectroscopy یک روش ایده ال برای اندازه گیری غلظت جیوه و عناصر هیدراته (مانند کادمیوم، آرسنیک، سلنیوم، سرب، قلع، بیسموت، آنتیمون، تلوریم، روی و ژرمانیم) می باشد. امکان تشخیص در محدوده های غلظت پایین تا ppt این دستگاه را متمایز از دیگر دستگاه های آنالیز می سازد. اسپکتروفتومتر فلورسانس اتمی در زمینه های مختلف علمی، تحقیقاتی و تشخیصی مانند بیوشیمی، بهداشت محیط، زمین شناسی، داروسازی، شیمی، پزشکی به کار برده می شود.
دستگاه XRD یا دستگاه پراش اشعه ایکس X-Ray Diffraction یکی از تجهیزات منحصر بفرد برای آنالیز و تعیین مشخصات کریستال ها در آزمایشگاه می باشد. اصول طراحی دستگاه XRD بر پایه تابش پرتو X به نمونه در زوایای مختلف و تحلیل الگوی پراش یا بازتابش آن می باشد. از جمله مواردی که می توان در آنالیز با دستگاه XRD تعیین کرد تشخیص فاز کریستال، اندازه و شکل دانه کریستال، فاصله بین لایه های کریستال، تعیین جهت گیری و موقعیت بلور، اندازه گیری درصد کریستالیته نمونه، ترکیب اتم ها های کریستال و ساختار آن می باشد. الگوی پراش اشعه X برای هر ماده، یکتا و منحصر به فردی می باشد. تاکنون الگوی پراش تعداد زیادی از مواد کریستالی توسط تجهیز ایکس آر دی جمع آوری شده است. در حالت کلی با مقایسه الگوی پراش اشعه ایکس بدست آمده با الگوی پراش استاندارد ترکیب کریستالی شناسایی می شود.
بخش های اصلی دستگاه XRD
منبع x-ray
نگهدارنده نمونه
دتکتور
اساس کار با دستگاه XRD
دستگاه XRD به طور گسترده در شناسایی نمونه های مجهول جامد کریستالی مورد استفاده قرار می گیرد. نمونه آنالیز XRD معمولاً به صورت پودری و در حدود 3-5 گرم می باشد. دستگاه XRD دارای یک دایره فلزی می باشد که منبع پرتو X و دتکتور روی جداره داخلی آن و نمونه در مرکز آن قرار می گیرد. عملکرد دستگاه XRD بدین صورت است که پرتو X در زوایای مختلف(θ) به بلور کریستال تابیده می شود. در اثر این تابش و برخورد پرتو به اتم ها، اشعه بازتابیده می شود و یا اصطلاحاً پراش می یابد. بازتابش پرتو در XRD از اصل پراکندگی رایلی یا Rayleigh scattering پیروی می کند. یعنی فرکانس پرتو تابیده و پراش یافته یکی می باشد و فتونی در حین برخورد به اتم جذب نمی شود (در XRD تابش فلورسانس نیز وجود دارد و بخشی از فتون ها توسط اتم ها جذب می شود که پرتو بازتابش توسط فیلتر های اپتیکی حذف می شوند، در واقع تابش فلورسانس اساس کار با دستگاه XRF می باشند).
بلور کریستال به این صورت است که دارای صفحاتی به فاصله d و روی هم می باشد. بازتابش پرتو از اتم های بلور در لایه های مختلف می تواند با هم تداخل داشته باشند. این تداخل می تواند تداخل سازنده و یا تداخل ویرانگر باشد. هنگامی که اشعه پراش یافته و بازتابیده از نمونه کریستالی توسط دتکتور دریافت می گردد به سیگنال تبدیل شده و در نهایت به صورت یک نمودار گزارش می شود. نمودار خروجی فرآیند، الگوی پراش نامیده می شود و نمایشگر شدت پرتو بازتابیده بر حسب زاویه 2θ می باشد. 2θ در واقع زاویه بین امتداد پرتو تابش و پرتو بازتابش می باشد که معمولاً از 0-160 درجه گزارش می شود. هنگامی که پرتوهای بازتابش با هم تداخل سازنده داشته باشند، نمودار درآن زاویه 2θ دارای قله ماکزیمم می باشد و در سایر زوایا به دلیل تداخل ویرانگر شدت ناچیزی دارد. اطلاعات مهمی که از نمودار پراش ایکس جهت تحلیل نتایج استخراج می شود، شامل زاویه قله بیشینه، شدت نسبی هر قله و پهنای قله ها می باشد.
نمای داخلی از دستگاه پراش اشعه ایکس XRD
تحلیل الگوی نمودار XRD
اگر بخواهیم یک تحلیل کلی از نمودار خروجی دستگاه XRD داشته باشیم باید به این نکته اشاره کنیم که زاویه قله ماکزیمم نشان دهنده فاصله بین صفحات کریستالی و شدت هر قله حاوی اطلاعاتی از نحوه آرایش اتم ها می باشد. علت تداخل سازنده و ماکزیمم شدن قله توسط قانون براگ توضیح داده می شود. طبق این قانون هنگامی که پرتو به اتم در لایه های مختلف برخورد می کند پرتو بازتابش لایه های زیرین دارای یک اختلاف راه با لایه قبل از خود دارد این اختلاف راه به صورت زیر تعریف می شود.
ΔX=2dsinθ
در این معادله d فاصله بین صفحات کریستالی می باشد. این اختلاف راه مضربی از طول موج (λ) اشعه می باشد و به صورت زیر تعریف می شود:
nλ=2dsinθ
در این معادله معمولاً n=1 می باشد.
اختلاف فاز بین پرتوهای بازتابش لایه ها بر حسب اختلاف راه به صورت زیر تعریف می شود:
ΔΦ=2π ΔX / λ
در صورتی که اختلاف فاز دو اشعه بازتابش مضرب صحیحی از 2π باشد دو اشعه تداخل سازنده ایجاد می کنند و قله ماکزیمم ایجاد می شود.
هنگامی که قانون براگ برقرار باشد با استفاده از اطلاعات موجود در الگوی پراش ایکس می توان فاصله متوسط بین صفحه های کریستالی را بدست آورد. همچنین، با در نظر گرفتن شدت قله های ماکزیمم و مقایسه آن با الگوهای استاندارد میتوان ساختار اتم ها و فاز کریستالی تعیین کرد.
نقاط قوت آنالیز دستگاه XRD
تکنیکی سریع و قدرتمند در تشخیص مواد معدنی ناشناخته (کمتر از 20 دقیقه) می باشد.
در بیشتر موارد تشخیصی کاملاً دقیق و واضح دارد.
آماده سازی نمونه بسیار ساده می باشد.
تفسیر داده ها امری نسبتاً ساده می باشد.
نقاط ضعف آنالیز دستگاه XRD
نمونه تشخیصی مجهول ترجیحاً باید تک فاز و همگن باشد.
دسترسی به یک منبع الگو های پراش استاندارد الزامی است.
ترجیحاً نمونه باید کاملاً در حالت پودری باشد.
در نمونه های مخلوط حد تشخیص 2% نمونه می باشد.
پیک ها ممکن است همدیگر را پوشش دهند، که احتمال این اتفاق در زوایای بالاتر بیشتر می شود.
کاربردهای مختلف دستگاه XRD
دستگاه XRD در صنایع مختلفی ازجمله علم مواد و کانی شناسی، شیمی، فیزیک، زمین شناسی، صنایع دارویی و … کاربرد دارد. برای مثال از پراش اشعه ایکس در شناسایی ساختار نانومواد سنتزی، تشخیص فاز کریستالی سیمان و آنالیز مواد معدنی استفاده می شود.
از برترین برندهای ارئه دهنده دستگاه پراش اشعه X می توان برند شیمادزو (Shimadzu)، بروکر (Bruker)، ترموفیشر (Thermo Fisher)، پنالیتیکال (PANalytical) و فیلیپس (Philips) را نام برد. شرکت ری نور آزما با سال ها تجربه در زمینه تجهیزات آزمایشگاهی و کادری مجرب آماده ارائه کلیه خدمات مشاوره، فروش و سرویس دهی دستگاه های XRD می باشد.
پیل های سوختی یا سلول های سوختی وسیله ای هستند که انرژی پتانسیل شیمیایی (انرژی ذخیره شده در پیوندهای مولکولی) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.
در حال حاضر معروف ترین نوع، پیل سوختی هیدروژنی است که از گاز هیدروژن (H2) و گاز اکسیژن (O2) به عنوان سوخت استفاده می کند.
سلول های سوختی برای تبدیل انرژی از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن در سلول های آب استفاده کرده و برق و گرما تولید می کنند.
پیل ها یا سلول های سوختی یک فناوری جدید برای تولید انرژی بدون ایجاد آلودگی های صوتی و زیست محیطی هستند.
در این سلول ها سوخت و اکسید کننده به صورت مستقیم ترکیب شده و انرژی الکتریکی با بازدهی بالایی تولید می شود.
دلیل بازدهی بالا در پیل های سوختی به خاطر نحوه تبدیل انرژی است.
تبدیل انرژی شیمیایی به حرارت و پس از آن به انرژی مکانیکی و در نهایت الکتریسیته باعث می شود که اتلاف انرژی را به حداقل مقدار ممکن برسد.
انواع پیل های سوختی
پیل های سوختی در درجه اول با توجه به نوع الکترولیت مورد استفاده در آن ها طبقه بندی می شوند.
این طبقه بندی عوامل متعددی مثل موارد زیر را تعیین می کند:
نوع واکنش های الکتروشیمیایی موجود در سلول
نوع کاتالیزور مورد نیاز
محدوده دمایی که سلول در آن فعالیت می کند
سوخت مورد نیاز
در حال حاضر انواع مختلفی از سلول های سوختی تولید می شوند که هر کدام مزایا، محدودیت ها و کاربردهای خاص خود را دارند.
در ادامه برخی از آن ها را مشاهده می نمایید:
پیل سوختی الکترولیت پلیمر یا غشا مبادله کننده پروتون (PEMFC)
پیل سوختی اسید فرمیک (FFC)
پیل سوختی قلیایی (AFC)
پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)
پیل سوختی میکروبی (MFC)
پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)
پیل سوختی هوا-روی (Zn-Air FC)
پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
پیل سوختی سرامیکی
نحوه کارکرد پیل های سوختی
هر پیل سوختی دو الکترود دارد که به ترتیب آند و کاتد نامیده می شوند.
در حقیقت واکنش هایی که در پیل های سوختی تولید برق می کنند در الکترودها اتفاق می افتد.
علاوه بر این در هر پیل سوختی یک الکترولیت وجود دارد که ذرات دارای بار الکتریکی را از یک الکترود به دیگری حمل می کند.
همچنین به وسیله یک کاتالیزور سرعت واکنش در الکترودها را افزایش می دهد.
الکترولیت در تبدیل انرژی پیل سوختی نقش اساسی دارد.
الکترولیت تنها باید به یون های مناسب بین آند و کاتد اجازه عبور دهد چرا که اگر الکترون های آزاد یا مواد دیگر بتوانند از طریق الکترولیت عبور کنند، واکنش شیمیایی را مختل می کنند.
برای تبدیل انرژی، اتم های هیدروژن وارد یک آند در پیل سوختی می شوند.
یک واکنش شیمیایی آن ها را از الکترون های خود جدا می کند.
اکنون اتم های هیدروژن یونیزه شده و بار الکتریکی مثبت دارند.
الکترون های دارای بار منفی جریان را از طریق سیم برای انجام کار فراهم می کنند.
در کنار هیدروژن به عنوان سوخت، پیل های سوختی به اکسیژن نیز احتیاج دارند.
اکسیژن وارد کاتد می شود و در بعضی از انواع پیل های سوختی با الکترون هایی که از مدار الکتریکی و یون های هیدروژن که از طریق آند از طریق الکترولیت عبور کرده اند، ترکیب می شود.
در نوع دیگری از پیل ها، اکسیژن الکترون ها را جمع کرده و سپس از طریق الکترولیت به آند می رود و در آنجا با یون های هیدروژن ترکیب می شود.
در نتیجه انرژی مورد نیاز برای تولید الکتریسیته فراهم می شود.
جریان تولید شده توسط این فناوری DC است.
در صورت نیاز به جریان متناوب یا AC، باید خروجی DC از طریق دستگاه اینورتر تبدیل و هدایت شود.
پیل سوختی دستگاهی است که از طریق یک واکنش شیمیایی برق تولید میکند. همه پیل‌‌های سوختی دو قطب الکتریکی (الکترود) به نام آند و کاتد دارند. در واقع، واکنشهای شیمیایی در این الکترودها صورت میگیرد و منجر به تولید الکتریسیته میشود. علاوه بر این، هر پیل سوختی الکترولیت و کاتالیست نیز دارد؛ نقش الکترولیت جابه‌جایی ذرات باردار بین الکترودها است، در حالی که کاتالیست سرعت واکنش‌‌ها را در الکترودها افزایش میدهد.
با اینکه هیدروژن سوخت اصلی ورودی پیل محسوب میشود، برای شکل گرفتن واکنش، به اکسیژن نیز نیاز است. یکی از بزرگترین جذابیت‌‌های پیل سوختی این است که الکتریسیته با کمترین میزان آلودگی تولید میشود. در واقع، بیشترین میزان از اکسیژن و هیدروژن ورودی به پیل، در نهایت به شکل یک محصول فرعی بی‌‌خطر، یعنی آب، ترکیب خارج میشود. عملاً، هر پیل سوختی مقدار خیلی کمی جریان مستقیم برق تولید میکند و به همین دلیل تعداد زیادی پیل در دسته‌‌های بزرگی که پشته یا استک (Stack) نامیده میشوند برای تولید برق مورد استفاده قرار میگیرند.
تاریخچه پیل سوختی
علی‌رغم اینکه پیل سوختی از فناوری‌‌های نوین محسوب میشود، اما بیش از 150 سال موضوع آشنایی برای پژهشگران بوده است. ویلیام رابرت گروو (William Robert Grove) در سال 1838 «پیل گروو» را ساخت که الکترودهای پلاتینی غوطه‌‌ور در سولفات روی داشت و ۱۲ آمپر جریان با ولتاژ ۱٫۳ ولت تولید می‌‌کرد. پیش از این نیز، ویلیام نیکلسون (William Nicholson) و آنتونی کارلیسل (Anthony Carlisle) فرایند استفاده از برق را برای جداسازی اکسیژن و هیدروژن شرح داده بودند، اما به گفته خود گروو، «ترکیب گازها برای تولید برق گامی بسیار دورتر از آنچه تا آن زمان پیموده بودند به نظر می‌رسید.»
کریستین شوباین (Christian Schönbein)، دوست گروو، که مکاتبات وی را نیز انجام می‌‌داد، به همراه گروو، نظریه شیمیایی را مورد بحث قرار دادند و پاگندروف نیز نظریه برخورد را مورد بررسی قرار داد تا در نهایت بخش‌‌هایی از عملکرد و تئوری واکاوی شد. گروو با استفاده از نتایج این تحقیقات شاهکار خود را به اتمام رساند و اولین پیل سوختی را ساخت که «باتری گازی» نام گرفت.
فردریش ولیهلم اوستوالد (Friedrich Wilhelm Ostwald) یکی از بنیانگذاران شیمی‌‌فیزیک، درک زیادی از نحوه عملکرد پیل‌‌های سوختی فراهم کرد. در سال 1893 او به صورت تجربی ارتباط اجزای مختلف پیل را تشریح کرد: الکترودها، الکترولیت، عوامل اکسیداسیون و کاهش، آنیون‌‌ها و کاتون‌‌ها. در واقع، اوستوالد در امتداد حرفه و تخصص خود که شرح ارتباط خواص فیزیکی و واکنشهای شیمیایی بود، معمای باتری گازی گروو را حل کرد. توضیحات او در مورد اصول شیمی نهفته در پیل سوختی، زمینه را برای کار محققان بعدی روی پیل سوختی فراهم کرد.
پیل سوختی چگونه کار میکند؟
هدف از ساخت پیل سوختی تولید جریان برق به گونه‌ای است که با جریان خروجی از پیل، مثلاً بتوان یک موتور الکتریکی را راه‌اندازی و یا چراغی روشن کرد. به دلیل ماهیت عملکردی الکتریسیته، جریان تولیدی در پیل سوختی در نهایت به آن باز می‌‌گردد تا یک مدار را کامل کند. در واقع، این واکنشهای شیمیایی هستند که جریان را تولید میکنند و اصل عملکرد پیل سوختی را شکل میدهند.
انواع مختلفی پیل سوختی وجود دارد که تا حدی متفاوت از یکدیگر عمل میکنند، اما به طور کلی، اتمهای هیدروژن به آند پیل وارد و در آنجا در یک واکنش شیمیایی یونیزه شده و دارای بار مثبت میشوند. جریان الکترونهای جدا شده از هیدروژن، جریان داخل سیم را شکل میدهد. اگر جریان متناوب (AC) نیاز باشد، جریان مستقیم خروجی از پیل وارد دستگاه به نام اینورتر میشود تا به جریان متناوب مطلوب تبدیل شود.
در پیل سوختی، اکسیژن به کاتد وارد شده و در بعضی انواع پیل سوختی در آنجا با الکترون‌‌هایی که از مدار بر می‌‌گردند و یونهای هیدروژن که از طریق الکترولیت از آند عبور کرده‌‌اند، واکنش میدهد. در انواع دیگر، اکسیژن به همراه الکترونها از الکترولیت گذشته و در آند با یون هیدروژن واکنش میدهد.
الکترولیت نقشی کلیدی در پیل سوختی ایفا میکند، زیرا باید به یونهای مشخصی اجازه عبور بین کاتد و آند را بدهد. اگر الکترونهای آزاد یا ذرات دیگر بتوانند از الکترولیت عبور کنند، واکنش شیمیایی را دچار اختلال خواهند کرد.
ترکیب هیدروژن و اکسیژن چه در آند اتفاق بیفتد و چه در کاتد، ماحصل آن آب خواهد بود که از پیل خارج میشود. میتوان گفت تا وقتی که ورودی اکسیژن و هیدروژن پیل تأمین شود، برق نیز تولید خواهد شد.
مزیت دیگر پیل سوختی در مقایسه با دیگر منابع این است که پیل سوختی به صورت شیمیایی برق تولید میکند و نه با واکنش احتراق؛ بنابراین محدودیتهای قوانین ترمودینامیکی مانند محدودیت کارنو را ندارد و در نتیجه، پیل سوختی در استخراج انرژی از یک سوخت، بهینه‌‌تر و کارآمدتر عمل میکند. علاوه بر این، حرارت اتلافی پیل را نیز میتوان کنترل و از آن برای افزایش کارایی سیستم استفاده کرد.
اما چرا نمیتوان پیل سوختی را به راحتی تهیه کرد؟ با اینکه تشریح طرز کار پیل سوختی دشوار نیست، اما ساخت یک پیل سوختیِ کم‌‌هزینه، کارآمد و قابل اطمینان کار بسیار دشواری است.
محققان و مخترعان برای دستیابی به کارآمدی بیشتر، مدل‌‌های مختلفی از پیل را طراحی کرده‌‌اند که جزئیات فنی هر کدام متفاوت از دیگری است. در ساخت پیل، مسئله‌ای که بیشترین محدودیت را برای سازندگان ایجاد میکند، انتخاب الکترولیت است. برای مثال، طراحی الکترودها و انتخاب مواد سازنده آنها به الکترولیت بستگی دارد. امروزه انواع الکترولیت‌‌های متداول عبارتند از: آلکالی، کربنات مذاب، اسید فسفریک، غشاء تبادل پروتون (PEM) و اکسید جامد. سه نوع اول الکترولیت مایع دارند و دو مدل آخر الکترولیت جامد.
1- مقدمه اندازه‌گیری مساحت سطح، حجم و توزیع منافذ، دارای کاربردهای متعددی در مطالعه کاتالیستها، کربن فعال، مواد دارویی، سرامیک‌ها، پلیمرها، رنگ‌ها، پوششها و نانولوله‌ها است. از این‌رو روشهای مختلفی جهت اندازه‌گیری مساحت سطح و تخلخل، مورد توجه قرار گرفته است که میتوان به روشهای میکروسکوپی و روشهای مبتنی بر جذب اشاره کرد. اگر یک ماده جامد غیرقابل نفوذ بوده و شکل کاملاً پایداری داشته باشد، مساحت سطح کل آن به صورت تقریبی قابل اندازه‌گیری است. اما در مورد نمونه‌هایی با ساختار متخلخل، جهت تعیین میزان تخلخل و همچنین مساحت سطح کل آن دشواری‌هایی وجود دارد. یکی از مهمترین روش‌ها جهت اندازه‌گیری دقیق مساحت کل نمونه‌های متخلخل روش BET است که بر اساس جذب برخی گونه‌های مولکولی خاص در حالت گاز روی سطح آنها استوار است. با توجه به اهمیت تعیین میزان مساحت کل و تخلخل در نانومواد، ابتدا لازم است تا با مفاهیم اولیه نظیر تخلخل، اندازه تخلخل، سطح ویژه و حجم ویژه تخلخل آشنا شد.
1-1- مفهوم تخلخل اکثر مواد جامد در داخل ساختار خود دارای حفراتی هستند که تحت عنوان تخلخل شناخته شده و بر اساس اندازه، نوع و شکل خود تقسیم‌بندی میشوند.
اندازه تخلخل براساس دسته‌بندی که توسط آیوپاک (IUPAC) صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، میتواند حاوی حفره‌هایی کوچک‌تر از 2 نانومتر با نام میکروحفره، حفره‌هایی بین 2 تا 50 نانومتر با نام مزوحفره و حفره‌هایی بزرگتر از 50 نانومتر با نام ماکروحفره باشد [1].
شکل 1- دسته‌بندی آیوپاک بر اساس اندازه حفره [1].
نوع تخلخل بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته زیر تقسیم میشوند: حفره‌های راه به در (passing pores)، حفره‌های کور (dead end pores)، حفره‌های بسته (closed pores)، حفره‌های متصل به هم (inter-connected pores). در شکل زیر به صورت شماتیک این حفره‌ها نشان داده شده‌اند.
شکل 2- نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [2].
شکل تخلخل شکل تخلخل براساس هندسه آن به 6 دسته استوانه‌ای، مخروط ناقص، لایه‌ای، قطره‌ای و چاهکی شکل طبقه‌بندی میشود که در شکل زیر به صورت شماتیک نشان داده شده است.
شکل 3- شکل تخلخل براساس هندسه [2].
2-1- اندازه‌گیری تخلخل در تعریف و بررسی تخلخل سه پارامتر سطح ویژه، حجم ویژه تخلخل و درصد تخلخل مطرح میشود که به صورت زیر تعریف میشوند:
سطح ویژه عبارت است از مساحت کل جسم متخلخل تقسیم بر جرم آن:
درصد تخلخل عبارت است از درصد حجم مجموع حفرات تقسیم بر حجم کل جسم:
2- روشهای اندازه‌گیری مبتنی بر تصویر پس از آشنایی با مفاهیم اولیه، به معرفی روشهای مورد نظر جهت تعیین سطح ویژه و تخلخل پرداخته میشود. روشهای مختلفی جهت تعیین میزان تخلخل و سطح ویژه وجود دارد که هر یک بر اساس یک خاصیت فیزیکی خاص استوار است. در این میان میتوان به روشهای مبتنی بر جذب، تفرق و روشهای تصویری اشاره کرد. در ادامه به معرفی مختصر هر یک از این روش‌ها پرداخته میشود.
1-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electrons Microscope) میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری نانو است که با کمک پرتوهای الکترونی تصاویر اجسامی به کوچکی 10 نانومتر را برای مطالعه تهیه میکند. SEM اطلاعاتی از جمله توپوگرافی نمونه شامل خصوصیات سطح؛ مورفولوژی شامل شکل، اندازه و نحوه قرارگیری ذرات در سطح جسم؛ و ترکیب شامل اجزایی که نمونه را می‌سازند در خصوص نمونه در اختیار می‌گذارد. با توجه به موارد اشاره شده، مشاهده سطح به وسیله میکروسکوپ یک روش وقت‌گیر محسوب میشود. اگر یک ماده جامد، غیرقابل نفوذ باشد، شکل پایداری دارد و مساحت سطح آن به صورت تقریبی قابل اندازه‌گیری است، ولی بسیاری از نمونه‌ها دارای ساختار متخلخل هستند و تعیین دقیق سطح و میزان تخلخل در آنها با این روش ممکن نیست [3].
2-2- میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscope) این روش به ندرت جهت اندازه‌گیری تخلخل مورد استفاده قرار میگیرد و در اندازه‌گیری تخلخل‌های متصل به هم محدودیت دارد. این روش تنها در مورد تعیین میزان تخلخل مواد با حفرات منظم و همجهت، کارایی دارد [2].
3- روشهای اندازه‌گیری مبتنی بر پراش تفرق نوترون زاویه کوچک (Small Angle Neutron Scattering) و تفرق پرتو X زاویه کوچک (Small Angle X-ray Scattering) از جمله آنالیزهای غیرمخربی هستند که اطلاعاتی پیرامون پارامترهای ساختاری نظیر توزیع اندازه دانه (یا تخلخل)، سطح ویژه و درجه پراکندگی (degree of dispersion) در نانوپودرها، نانوکامپوزیت‌ها و سیستم‌های متخلخل در محدوده nm 100-1 ارائه میدهند. چون این روش‌ها قادر به آنالیز حفرات باز و حفرات بسته هستند، اندازه‌گیری تخلخل مواد با نفوذپذیری ضعیف هم از جمله کاربردهای آنها به حساب می‌آید. البته وقتی SAXS جهت مواد نانومتخلخل به کار رود، دقت پایینی خواهد داشت. از جمله محدودیتهای این دو روش میتوان به قیمت بالا و همچنین دشواری تحلیل نتایج اشاره کرد که استفاده از آنها جهت تعیین میزان تخلخل را محدود ساخته است [2].
4- تخلخل‌سنجی جیوه‌ای (Mercury Porosimetry) این تکنیک یک روش بررسی تخلخل مواد مانند اندازه تخلخل‌ها، حجم تخلخل در سطح و حجم ماده و چگالی مطلق ماده است. اساس اندازه‌گیری تخلخل با این روش به این صورت است که جیوه با فشار بالا وارد تخلخل‌های نمونه شده و با اندازه‌گیری میزان فشار لازم برای مقابله با کشش سطحی مایع و ورود آن به تخلخل میتوان اندازه تخلخل را محاسبه کرد. به کمک این روش نه تنها میزان تخلخل بلکه توزیع خلل و فرج‌ها را نیز میتوان تعیین کرد [4-5].
5- روشهای مبتنی بر جذب اساس کار اندازه‌گیری تخلخل و سطح در این روش‌ها بر پایه جذب سطحی ماده جذب شده است. اگر شرایط به گونه‌ای اتخاذ شود که در آن یک لایه کامل از مولکولهای ماده جذب‌شونده روی سطح به وجود آید، با تعیین ضخامت متوسط یک مولکول، میتوان سطحی که یک مولکول اشغال میکند را محاسبه کرد و بنابراین براساس میزان ماده جذب‌شده، میتوان مساحت سطح کل نمونه را اندازه‌گیری کرد. مناسب‌ترین مواد برای این منظور، گازها یا بخار برخی از مواد هستند که ابعاد مولکولی کوچک دارند و می‌توانند به داخل منافذی با ابعاد چند ده نانومتر نفوذ کنند. از مزایای این روش‌ها میتوان به اندازه‌گیری تخلخل‌های باز در اندازه 0.4-50nm و همچنین سهولت اندازه‌گیری و قیمت پایین آن اشاره کرد [6]. جذب (Adsorption) بنا به تعریف عبارت است از چسبیدن اتم، یون یا مولکولهای گاز، مایع یا جامد حل شده به سطح یک جامد که در اثر آن یک لایه از ماده جذب‌شونده (Adsorbate) بر روی سطح ماده جاذب (Adsorbent) شکل میگیرد. این واژه اولین بار توسط Heinrich Kayser فیزیکدان آلمانی و در سال 1881 بیان شد [7]. مشابه تنش سطحی، جذب نیز ناشی از انرژی سطحی است. به طور کلی در یک حجم از جسم، اتمهای سازنده به وسیله پیوندهای مختلف به یکدیگر مربوط هستند. اما اتمهای واقع در سطح از آنجا که به طور کامل با اتمهای دیگر احاطه نشده‌اند، قادرند تا مواد جذب‌شونده را جذب کنند. ماهیت دقیق این پیوند بستگی به مواد جاذب و جذب‌شونده دارد، ولی به طور کلی فرآیند جذب به دو دسته کلی جذب فیزیکی (physisorption) و جذب شیمیایی (chemisorption) تقسیم میشود. نیروی پیوند در جذب فیزیکی از نوع واندروالس و در جذب شیمیایی از نوع پیوند قوی کووالانسی است [7]. با توجه به کاربرد و مزایای بالای روشهای مبتنی بر جذب در تعیین میزان تخلخل، در ادامه به معرفی بیشتر این روش‌ها و همچنین اصول حاکم بر آن پرداخته میشود.
6- تئوری جذب لانگمیر تئوری لانگمیر توسط Irvin Langmuir در سال 1916 در ارتباط با جذب تک لایه‌ای مولکولهای گاز بر روی سطح یک جامد بیان شده است که به نام خود او شناخته میشود [8-9]. این تئوری از قانون جذب فیزیکی مولکول گاز روی سطح جامد به دست آمده است که فرضیات زیر در رابطه با آن لحاظ شده است:
1- سطح جسم جامد یک سطح کاملاً یکنواخت و همگن است، یعنی از یک نوع ماده تشکیل شده و مکان ترجیحی برای جذب در سطح آن وجود نداشته و تمام مکان‌ها اولویت یکسان برای جذب دارند. 2- هر مکان بیشتر از یک مولکول جذب نمی‌کند، در چنین شرایطی یک تک لایه از مولکول‌ها بر روی سطح جسم جامد جذب خواهد شد. 3- مولکولهای گاز جذب شده در فاز بخار یک رفتار ایده‌آل دارند، یعنی هیچ برهمکنشی بین مولکولهای گاز باهم و با سطح جاذب وجود ندارد. 4- تمام مولکول‌ها با مکانیزمی مشابه هم جذب سطح میشوند.
باید توجه داشت که در عمل این چهار شرط به ندرت عملی شده و در واقع سطحی که جذب در آن رخ میدهد پر از نقایص و غیریکنواختی است، دیگر اینکه مولکولهای جذب‌شونده خنثی نبوده و با یکدیگر و با سطح واکنش میدهند، مکانیزم جذب برای مولکول‌هایی که در ابتدای فرآیند جذب سطح میشوند با مولکول‌هایی که در انتها جذب میشوند متفاوت هستند؛ و در نهایت اینکه در عمل شرایط تشکیل تک لایه از اتمهای جذب شده مشکل بوده و معمولاً جذب به صورت چند لایه صورت میگیرد. از این‌رو تئوری جذب BET برای شرایط جذب چند لایه جهت رفع نقص تئوری لانگمیر ارائه شد که در ادامه توضیح داده میشود. لانگمیر در تئوری جذب خود پیشنهاد کرد که جذب از طریق واکنش زیر انجام میشود:
که در آن Ag مولکولهای گاز و S مکان‌های جذب هستند. ثابت تعادل مربوط به واکنش رفتوبرگشت نیز به صورت K و K-1 بیان میشود. اگر میزان سطح پر شده با θ نشان داده شود که بیانگر درصد مکان‌های جذب پرشده است، در آن صورت:
که در این رابطه P بیانگر فشار جزئی گاز است. محاسبه و اندازه‌گیری در شرایط آزمایشگاهی مشکل است و در عمل برای فشار گاز بسیار کم θ≈KP و برای فشار گاز بالا θ≈1 است. اگر میزان حجم گاز مصرفی برای تشکیل یک لایه در شرایط استاندارد از لحاظ دما و فشار (STP) را با Vmon، و حجم گاز جذب شده در فشار P با V نشان داده شود، میزان سطح پر شده θ برابر است با:
که در این حالت رابطه خطی لانگمیر به صورت زیر بیان میشود:
از طریق مقادیر مربوط به شیب و عرض از مبدأ خط حاصل از رابطه فوق میتوان K و Vmon را به دست آورد. مقدار محاسبه شده Vmon مربوط به میزان مکان‌های پر شده توسط گاز است. به این صورت که با دانستن تعداد مولکولهای جذب شده و دانستن سطح اشغال شده توسط هر مولکول میتوان به راحتی سطح کل را محاسبه کرد [8-9].
شکل 4- جذب تک لایه [10].
7- تئوری جذب BET BET از حرف اول نام سه دانشمند به نام هایبرونر (StephenBrunauer)، امت (Paul Hug Emmett) و تلر (Edward Teller) که این تئوری را در سال 1938 ارائه کرده بودند، گرفته شده است. این تئوری که گسترده شده تئوری لانگمیر است، بر اساس جذب چندلایه‌ای مولکولهای گاز توسط ماده استوار است. سیستم BET بر اساس سنجش حجم گاز نیتروژن جذب و واجذب شده توسط سطح ماده در دمای ثابت نیتروژن مایع (77 درجه کلوین) کار میکند. پس از قرار گرفتن سلول حاوی نمونه موردنظر در مخزن نیتروژن مایع، با افزایش تدریجی فشار گاز نیتروژن در هر مرحله میزان حجم گاز جذب شده توسط ماده محاسبه میشود. سپس با کاهش تدریجی فشار گاز، میزان واجذب ماده اندازه‌گیری میشود و در نهایت نمودار حجم گاز نیتروژن جذب و واجذب شده توسط ماده براساس فشار نسبی در دمای ثابت رسم میشود. نمودار BET که نمودارجذب و واجذب همدما (Adsorption/Desorption Isotherm) نیز نامیده میشود یک نمودار خطی است که میزان سطح مؤثر ماده از آن استخراج میشود.
شکل 5- نمودار BET ا[11].
معادله BET به صورت زیر به دست می‌آید:
P = فشار جزئی گاز جذب شده در حالت تعادل در دمای 4/77k بر حسب پاسکال
Po = فشار جزئی گاز جذب شده بر حسب پاسکال Va = حجم گاز جذب شده در شرایط استاندارد (T=273.15K, P=1.013×105) بر حسب میلی لیتر Vm = حجم گاز جذب شده در حالت استاندارد برای تولید یک تک لایه روی سطح نمونه بر حسب میلی لیتر C = مقداری ثابت که به آنتالپی جذب گاز جذب شده روی نمونه پودری بستگی دارد
مقدار پارامتر C بر اساس رابطه زیر محاسبه میشود:
در این رابطه E1 گرمای جذب برای تشکیل تک لایه اول و EL گرمای جذب برای ایجاد لایه دوم و لایه‌های بالاتر است و معادل گرمای مایع شدن گاز جذب‌شونده، در دیگر لایهها است. مقدار ثابت C برای گاز نیتروژن بین 200-100 قرار دارد. رابطه BET در بازه 0.05 برای به دست آوردن حجم گاز نیتروژن که به صورت تک مولکولی در شرایط استاندارد جذب سطحی شده است، از معادله زیر استفاده میشود:
I= عرض از مبدأ نمودار BET A= شیب نمودار BET Vm به دست آمده از رابطه بالا را روش چند نقطه‌ای (Multi Point BET) می‌نامند. میتوان طبق معادله زیر به شیوه‌ای ساده‌تر که روش تک نقطه‌ای (Single Point BET) نامیده میشود، Vm را به دست آورد اما دقت کمی کاهش می‌یابد.
اگر فشار نسبی 0/3 باشد، نتیجه به دست آمده از روش تک نقطه‌ای و روش چند نقطه‌ای تطابق خوبی خواهند داشت. سطح ویژه ماده (SBET) توسط معادله زیر تعریف میشود [12]:
N= عدد آووگادرو a= سطح مقطع مؤثر یک مولکول جذب شده بر حسب میلی‌متر مربع m= جرم نمونه تست شده بر حسب گرم 22400= حجم اشغال شده توسط 1 مول گاز جذب شده در حالت استاندارد بر حسب میلی لیتر مقدار a برای گازهای مختلف در جدول زیر آمده است:
جدول 1- گازهای مختلف در فرایند جذب [2].
1-7- ایزوترم جذب جذب معمولاً از طریق ایزوترم‌هایی بیان میشود که معادل میزان ماده جذب‌شونده بر روی سطح جاذب است که تابعی از میزان فشار (در مورد گازها) یا غلظت (در مورد مایعات) ماده جذب‌شونده در شرایط دمای ثابت است. بالعکس ایزوترم واجذب به وسیله اندازه‌گیری مقدار گاز واجذب شده حاصل میشود. در شکل زیر به صورت شماتیک یک نمودار ایزوترم نشان داده شده است.
شکل 6- ایزوترم جذب و واجذب [13].
ایزوترم‌های جذب را میتوان به شش گروه طبقه‌بندی کرد. در همه انواع ایزوترم‌های جذب، با افزایش فشار جزئی بخار ماده جذب‌شونده، مقدار ماده‌ای که جذب میشود افزایش می‌یابد تا زمانی که یک تک لایه روی سطح به وجود آید. افزایش فشار پس از این نقطه باعث به وجود آمدن بیش از یک لایه روی سطح میشود.
2-7- ایزوترم جذب نوع Ι این نوع ایزوترم که اغلب با نام لانگمیر خوانده میشود، به ندرت در مواد غیرمتخلخل دیده میشود و برای ترکیباتی که دارای حفره‌های بسیار ریزی هستند (2nm >)، مناسب است.
شکل 7- ایزوترم ایزوترم جذب نوع Ι [13].
3-7- ایزوترم جذب نوع ΙΙ این نوع ایزوترم برای ترکیبات غیرمتخلخل قابل استفاده است. در نقطه‌ای که با حرف B مشخص شده است، تشکیل تک لایه روی سطح، کامل میشود.
شکل 8- ایزوترم جذب نوع ΙΙ[13]
4-7- ایزوترم جذب نوعΙΙΙ
نوع نمایش داده شده در شکل زیر همواره یک خمیدگی رو به بیرون دارد و نقطه‌ای نظیر B در آن دیده نمی‌شود. این نوع ایزوترم بسیار کم مشاهده میشود و متعلق به سامانه‌هایی است که متخلخل نبوده و نیروی جذب در آنها خیلی ضعیف است. هنگامی که سطح جذب با ماده جذب شونده مرطوب نمی‌شود، این نوع ایزوترم را میتوان مشاهده کرد.
شکل 9- ایزوترم جذب نوع ΙΙΙ[13].
5-7- ایزوترم جذب نوع IV این نوع ایزوترم برای مواد متخلخل به کار برده میشود. در صورت کم بودن نسبت P/P0، شبیه ایزوترم نوع ΙΙ است ولی هنگامی که این نسبت خیلی بزرگ باشد، ماده دارای منافذ بسیار باریک و به صورت مویین است که در این حالت میزان جذب به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد و ماده جذب‌شونده روی سطح متراکم میشود. این نوع ایزوترم اغلب برای کاتالیست‌های صنعتی مشاهده میشود و منحنی مربوط برای تعیین توزیع اندازه منافذ استفاده میشود.
شکل 10- ایزوترم جذب نوع IV[13].
6-7- ایزوترم جذب نوع V این نوع ایزوترم بسیار شبیه نوع ΙΙΙ است، با این تفاوت که در مواد متخلخل حاوی مزوحفره دیده میشود و جهش منحنی در مقادیر P/P0 بسیار بالاتر روی میدهد. این حالت به ندرت مشاهده میشود.
شکل 11- ایزوترم جذب نوع V[13].
7-7- ایزوترم جذب نوع VΙ این نوع ایزوترم پله‌ای است که در مواد غیرمتخلخل با سطح کاملاً یکنواخت دیده میشود و شکل منحنی نشان‌دهنده جذب چندلایه روی سطح است.
شکل 12- ایزوترم جذب نوع VΙ[13].
8-7- هیسترسیس جذب و واجذب ایزوترم‌های نوع Ι ،ΙΙ و ΙΙΙ معمولاً برگشت‌پذیر هستند اما نوع Ι میتواند یک هیسترسیس داشته باشد. در نوع VΙ و V نیز هیسترسیس دیده میشود.
شکل 13- هیسترسیس جذب و واجذب [13].
هیسترسیس نشان‌دهنده حضور مزوحفره در ماده است و با استفاده از آن میتوان اطلاعاتی در رابطه با هندسه حفره‌ها به دست آورد. در شکل زیر 5 نوع هیسترسیس با توجه به شکل حفره نشان داده شده است.
شکل 14- انواع هیسترسییس با توجه به هندسه حفره [2].
8- آماده‌سازی نمونه نمونه‌ها جهت آنالیز معمولاً به صورت پودر با ابعاد نانومتری بوده و این روش قادر به اندازه‌گیری ابعاد حفره 200-0/5 نانومتر و سطوح ویژه حداقل 1 مترمربع برگرم است. مقدار ماده مورد نیاز به اندازه‌ای است که سطح کل آن بیش از 1 متر مربع شود. به طور معمول 0/1 گرم از ماده جهت آنالیز استفاده شده و برای نمونه‌های با سطح کم در حدود 0/2 گرم از ماده مورد نیاز است. آماده‌سازی نمونه‌ها شامل خشک‌کردن و گاززدایی بوده که برای این منظور می‌بایست نمونه‌ها در دمای ℃190-℃180 و به مدت 10 تا 15 دقیقه در خلأ حرارت داده شوند تا بخارآب، دی‌اکسید کربن یا سایر مولکول‌هایی که ممکن است حجم حفره‌های ماده را اشغال کرده باشند، حذف شوند. سپس نمونه‌ها تا دمای مایع شدن گاز نیتروژن خنک میشوند. البته میزان دما و زمان لازم جهت آماده‌سازی، به نوع و مشخصات نمونه بستگی دارد. در مرحله بعد، نمونه در معرض مقدار مشخصی از گاز نیتروژن قرار میگیرد و فرصت برقراری تعادل ایجاد میشود. با توجه به فشار گاز به هنگام تعادل و با استفاده از رابطه گازها، مقدار گاز جذب شده محاسبه میشود. این فرایند چندین بار تکرار میشود تا مجموعه‌ای از داده‌های مربوط به حجم گاز جذب شده در فشارهای تعادلی مختلف به دست آید. سطح مقطع مولکول گاز جذب شده (Am) را میتوان از چگالی مایع آن گاز تخمین زد. با شروع آزمایش، در مرحله اول، ابتدا گاز بر روی ماده جامد به صورت تک لایه می‌نشیند که در این مرحله ماده به 30% حالت اشباع میرسد. در مرحله دوم گازها به صورت چند لایه بر روی هم رسوب میکنند. همچنین بعضی از تخلخل‌ها در این مرحله شروع به پر شدن میکنند که در این حالت 70% حجم ماده پر شده است. در مرحله آخر گاز به طور کامل سطح ماده را پوشانده و همچنین تمامی تخلخل‌ها پر میشوند. در اینجا 100% ماده به حالت اشباع رسیده و پر میشود.
شکل 15- شماتیکی از فرایند جذب با افزایش فشار گاز [14].
در مرحله آماده‌سازی نمونه، برای محاسبه سطح ویژه جسم لازم است وزن نمونه اندازه‌گیری شود. به این منظور مراحل زیر انجام میگیرد: – یکی از لوله‌های آزمایش را همراه با قفسه و چوب پنبه آن وزن کرده و وزن آن یادداشت میشود (WT). – مقداری پودر به لوله آزمایش اضافه میشود و لوله آزمایش حاوی پودر وزن میشود (WB). – لوله آزمایش بعد از گاززُدایی و خنک شدن دوباره وزن میشود (WC). وزن پودر وارد شده به سیستم از رابطه زیر محاسبه میشود:
WP=WC-WT
9- روش انجام آنالیز ابتدا سه لوله آزمایش به مدت 1 ساعت تحت گاز نیتروژن قرار داده میشوند تا خشک شوند. سپس لوله‌های آزمایش از آون خارج شده و به مدت 5 دقیقه در هوای آزاد قرار داده میشوند. یکی از لولهها برای آنالیز و دو لوله دیگر برای کالیبره کردن فشار P0 به کار برده میشوند. لوله آزمایش حاوی نمونه در محفظه گاززدایی قرار داده میشود. سپس با گذشت 5 دقیقه و خنک شدن، نمونه از محفظه خارج میشود. دو لوله آزمایش دیگر با قرارگیری در دستگاه تحت گاز P0 قرار میگیرند. محفظه‌ای که عایق شده است، از گاز نیتروژن پر میشود و لوله آزمایش حاوی نمونه و لوله دیگر در آن قرار داده میشود. سطح نیتروژن باید به طور مرتب چک شود و در صورت نیاز نیتروژن مایع اضافه شود. قبل از شروع آزمایش لازم است نوع ماده، فشار اشباع (mmHg 738.52) ونرخ خلأ به دستگاه داده شود. بعد از اتمام تست، پودر داخل لوله آزمایش خارج میشود. سپس لوله با آب و حمام اولتراسونیک شستشو داده شده و در آون با دمای ℃60 خشک میشود. در شکل زیر دستگاه نشان داده شده است.
شکل 16- دستگاه آنالیز تخلخل [6].
در روش BET میتوان از هر نوع گاز خنثی که قابلیت متراکم شدن دارد، استفاده کرد ولی برای انجام یک اندازه‌گیری قابل اطمینان، باید از گازهایی استفاده کرد که اندازه مولکولهای آن کوچک و کروی شکل باشد و در دمای آزمایش به راحتی کنترل شود [6]. گازهای کریپتون، آرگون و نیتروژن انتخابهای مناسبی برای این منظور هستند. گاز نیتروژن متداول‌ترین گاز مورد استفاده است زیرا دسترسی به آن معمولاً راحت است، در صورتی که آرگون و کریپتون گرانقیمت هستند، همچنین میزان خلوص نیتروژن بیشتر از آرگون و کریپتون است [6]. در مواردی که ماده حفرات ریزتری دارد از گاز آرگون استفاده میشود زیرا نفوذ آن بهتر است و دقت اندازه‌گیری میکروحفره‌ها افزایش می‌یابد. اگر ماده مورد آزمایش کربن فعال باشد، از گاز دی اکسید کربن استفاده میشود. آنالیز توسط گاز دی اکسید کربن زمان کمتری می‌برد و محدود به میکروحفره است.
10- محدودیتهای روش BET روش BET یک روش تخمینی است و از این جهت که در آن فرض میشود جذب در لایه nام، هنگامی روی میدهد که لایه n-1 کاملاً پر شده باشد، مورد انتقاد جدی است. از این‌رو برای رفع این ایراد، لازم است ثابت C با توجه به برخی از پارامترهای تجربی، تصحیح شود. البته انجام این اصلاحات، میزان مساحت سطح محاسبه شده را چندان دچار تغییر نمی‌کند، زیرا هنگامی که نسبت p⁄p0 در محدوده 0.05 و 0.3 قرار دارد، در بیشتر موارد، جذب چند لایه‌ای اتفاق نمی‌افتد. هنگامی که فشار نسبی p⁄p0 بین 0.05 و 0.3 است، داده‌های جذب، تطابق خوبی با معادله BET نشان میدهند و در این هنگام معمولاً میتوان اندازه‌گیری مساحت سطح را با دقت انجام داد. ولی هنگامی که مقدار p⁄p0 بالاتر از حد فوق باشد، پیچیدگی‌هایی ناشی از انجام جذب در بیش از یک لایه یا انجام تراکم مشاهده میشود. هنگامی که نسبت p⁄p0 کمتر از حد فوق باشد، در بیشتر موارد، مقدار جذب آنقدر کم میشود که نمیتوان اندازه‌گیری را با دقت انجام داد [6].
در مواد متخلخل فقط حفره‌های راه به در اجازه عبور گاز را میدهند. اما روش BET سطح حفره‌های راه به در و حفره‌های بسته را اندازه‌گیری میکند. اگر نمونه حاوی مقادیر قابل توجهی حفره بسته باشد، روش BET مقدار سطح بیشتری اندازه‌گیری میکند که عملاً از مقداری از آن گاز عبور نمی‌کند. پس خطای اندازه‌گیری در این روش بالا است [15].همچنین این روش، یک روش زمان بر است و به اندازه کافی برای اندازه‌گیری سطوح کم، دقیق نیست و این تکنیک برای نمونه‌های پودری با سایز ذره میکرومتری مناسب نیست.
نتیجهگیری از بین روشهای مورد استفاده در تعیین میزان تخلخل و سطح، روشهای مبتنی بر جذب به‌ویژه روش BET قابلیت اندازه‌گیری تخلخل‌های باز در اندازه 0/4 تا 50 نانومتر را داشته و همچنین سهولت اندازه‌گیری و قیمت پایین آن از مزایای آن محسوب میشود. همچنین این روش این امکان را میدهد که از روی نوع ایزوترم جذب حاصل، به نوع، میزان و شکل تخلخل موجود در ماده پی برد. از محدودیتهای این روش میتوان به زمانبر بودن، دقت پایین این روش برای سطوح کم و نیاز به نمونه‌های پودری اشاره کرد.
کاتالیست ماده ای است كه سرعت واكنش هاي شيميايي را از طریق کاهش انرژی فعال سازی، افزايش میدهد بدون اينكه خود در آنها شركت كند. یکی از موارد استفاده کاتالیستها، مبدلهای کاتالیستی می باشد.
مبدلهای کاتالیستی از دهۀ 70 میلادی با هدف کاهش آلودگی هوا، بر سر راه خروجی موتورهای بنزینی نصب شده اند. جدیدترین و مرسوم ترین نوع آنها، مبدلهای سه راهه هستند که اولین نوع آنها سال 1976 در آمریکا برای موتورهای بنزینی اجباری شد. در ایران نیز از سال 1383 نصب کاتالیست روی خودروهای سواری و وانت تولیدی اجباری شده است.
همانگونه که در شکل زیر نشان داده شده است علت انتخاب نام سه راهه برای این مبدلها آن است که برای کاهش همزمان سه نوع گاز سمی و آلایندۀ هوا شامل: مونوکسیدکربن(CO) ، هیدروکربنهای حاصل از احتراق ناقص (HC) و اکسید نیتروژن (NOX) و تبدیل آنها به گازهای غیرسمی ، بخار آب(H2O)، نیتروژن (N2) و دی اکسید کربن (CO2) مورداستفاده قرار می گیرند.
کاتالیست های سه منظوره زمانی حداکثر تبدیل هر سه آلاینده را خواهند داشت که در جریان گازهای خروجی از موتور، نسبت CO به NOX در محدودۀ استوکیومتری باشد. نمودار زیر نشان دهندۀ محدودۀ استوکیومتری می باشد:
گازهای آلایندۀ خروجی از موتور
اصولاً گازهای خروجی از اگزوز شامل: پارافین ها، اولفینها، ترکیبات آروماتیک (که هرسه به عنوان هیدروکربن های نسوخته شناخته می شوند)، بخار آب، منو اکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن، اکسیدهای گوگرد، نیتروژن، اکسیژن و دی اکسید کربن میباشد که از میان آنها سه آلاینده اصلی زیانبار و خطرناک : منواکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن و هیدرو کربن های نسوخته هستند.
به طور مثال: منو اکسید کربن که گازی است بیرنگ و بی بو، با میل ترکیـبی زیاد که از احتراق ناقـص سوخت های فسیـلی به وجود می آید میتواند تا 250 بار سریعتر از اکسیژن با هموگلوبین خون ترکیب شود که اثرات آن از سردرد تا مرگ می باشد. از دیگر زیانهای گازهای خروجی از اگزوز میتوان به تولد نوزادهای ناقص یا انواع سرطانهای ریه و… اشاره کرد.
واکنشهای اکسایش و کاهش
با توجه به آلایندههای موجود در گازهای خروجی از موتور، هدف تبدیل گازها از طریق واکنش اکسایش و کاهش در کاتالیستها به مواد کم ضرر و یا به طور عمده بی ضرر برای محیط زیست و موجودات زنده می باشد.
شرایط موثر بر عملکرد کاتالیست
به دلیل آنکه ECU خودروها با وجود کاتالیست کالیبره می شود، هر گونه تغییر در کاتالیست و یا حذف آن، اگر چه ممکن است در ابتدا موجبات شتاب بیشتر خودرو را فراهم سازد اما در نهایت منجر به کارکرد نامناسب موتور و افزایش مصرف سوخت خواهد گردید.
علاوه بر این از کاربراتور یا انژکتور در موتور انتظار می رود سوخت و هوا را به نسبت درستی مخلوط کند. هرگونه خطا در عملکرد کاربراتور یا انژکتور می تواند به طور مستقیم بر استوکیومتری واکنش در سیلندرها تأثیر گذاشته و در نتیجه سبب افزایش میزان آلاینده ها گردد.
مواد موجود در سوخت نیز می تواند به طور مستقیم بر روی میزان آلاینده ها و عملکرد کاتالیست تأثیر گذار باشد. به عنوان مثال گوگرد موجب مسمومیت پایدار در کاتالیست می گردد، بدین صورت که با واکنش با سطح فعال کاتالیست، مانع ایجاد واکنش تصفیه شده و کاتالیست را از کار می اندازد.
با توجه به استانداردهای اروپا (98/69/EC و 8/2002/EC) غلظت گوگرد و سرب برای سوخت بنزین مطابق جدول زیر می باشد:
غشاها نقشی اساسی در زندگی روزمره ما دارند.در باب اهمیت غشاها همین کافی که ،ریچارد بورن میگوید که :اگر از غشاها خسته شدید از زندگی خسته شده اید.
امروزه فناوری غشایی به دلیل دارا بودن مزایای فراوان نسبت به دیگر فناوری های جداسازی ،جایگاه ویژه ای در صنایع مختلف پیدا کرده است.کاربرد روزافزون این فناوری در صنایع مختلف ،خصوصا در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی گواه بر این مدعاست.
غشا چیست؟
غشا همچون سدی هست که دارای نفوذپذیری انتخابی است.غشاها برای جداسازی محلول‌ها یا مخلوط گازها کاربرد دارند، که بسته به خواص غشا، اعم از استحکام، محافظ تکیه‌گاه، مواد تشکیل‌دهنده میتواند کاربردهای گوناگونی داشته باشد.غشا می تواند ضخیم یا نازک باشد .ساختار آن می تواند همگن یا غیر همگن باشد و انتقال آن می تواند فعال یا غیر فعال در نظر گرفته شود.
تاریخچه غشا
نخستین آثار مطالعات درباره غشا به اوایل قرن 18 میرسد.به عنوان مثال در سال 1748،اب نولت واژه ی اسمز را برای توصیف تراوش آب از میان یک دیافراگم به کار می برد.
تا قرن نوزدهم و اویل قرن بیستم تقریبا غشاها هیچ گونه مصرف صنعتی نداشتند و تنها جنبه آزمایشگاهی برای توسعه تئوری های فیزیکی و شیمیایی داشتند.یکی از این موارد ،اندازه گیری فشار اسمز محلول، توسط غشایی بود که تراب و پففر طراحی کرده بودند یا وانت هوف درسال 1887 که از آن برای توسعه تئوری حد خود استفاده کرد که در نهایت منجر به شکل گیری تئوری وانت هوف شد.
در سال 1907،بچهولد به منظور تهیه ی غشاهاي نیتروسلولز با اندازه حفرات درجه بندی شده روشی ارایه داد کـه بـه وسـیله ي آزمـایش حبـاب تعریـف مـی شـد که بعد ها دانشمندانی چون الفورد،بچمن و …این روش را بهبود دادند.
در اوایل دهه 1930 غشاهاي میکرومتخلخل کلودیون به صورت تجاري به بـازار عرضـه شد؛در طول 20 سال، فناوري غشاهاي میکروفیلتراسیون به پلیمرهاي دیگـر و بـه خصـوص سـلولز استات نیز تعمیم یافت.
نخستین کاربرد عملی غشاها پس از جنگ جهانی دوم همزمان با نیاز جوامع اروپایی همچون آلمان به آب آشامیدنی بود که از غشاها به عنوان یک فیلتر برای آب استفاده شد.
در سال 1960،علم مدرن غشا ایجاد شد؛هر چند در این برحه نیز همچنان غشاها به دلایلی همچون هزینه بالا ،قابلیت اطمینان پایین،سرعت پایین و … در تعداد و موارد محدود در آزمایشگاه ها و صنایع خاص به کار میرفت.
کشف اولیه اي که جداسازي غشایی را از آزمایشگاه به یک فرایند صنعتی تبدیل کرد، مربـوط بـه تحولاتی بود که در اوایل دههي 1960 توسط فرایند لوئب و سـوریراجان بـراي سـاخت غشـاهاي اسمز معکوس بدون نقص، بـا فلاکـس بـالا و ناهمسـانگرد ایجـاد شـد ایـن غشـاها از یـک فـیلم فوق العاده نازک و گزینش پذیر روي یک پایه ي بسیار ضخیم و میکرومتخلخـل کـه بسیار تراواتـر از لایه ي بالایی است و مقاومت مکانیکی را ایجاد میکند، تشکیل شده است. فلاکس اولین غشـا ي اسـمز معکوس لوئب- سوریراجان، 10 برابر بیشتر از غشاهاي پیش از آن بود و این موضوع، روش اسـمز معکوس را به یک روش بسیار کاربردي براي نمکزدایی آب تبدیل کرد.
همزمان با توسعه صنعتی غشا ، تحقیقات در رابطه با کاربرد غشا در زمینه های پزشکی همچون تولید کلیه مصنوعی به صورت مستقل و جداگانه شروع شد ؛ تا این که در سال 1945 میلادی در کشور هلند نخستین کلیه مصنوعی تولید شدو گسترش این فرآیند در مقیاس بزرگ بیش از بیست سال طول کشید تا این که در سال 1960 بطور کامل تحقق یافت.سپس به تدریج از غشاها برای تولید اندام های مصنوعی دیگر استفاده شد.
ایجاد صنعت مدرن غشا را می توان به چهار بخش تقسیم کرد:
بخش اول: براسـاس رو ش لوئـب – سـوریراجان، دیگـر فراینـدهاي تشـکیل غشـا از قبیـل پلیمریزاسیون بین سطحی، پوشش دهی و ریخته گري کامپوزیت چندلایه براي تهیه ی غشاهاي با بازدهبالا مطرح شدند
بخش دوم: در ابتداي 1970 این پیشـرفت هـادر واحــدهاي غشــایی صــنعتی نمود پیــدا کردنــد . در ســال 1980 روشهــاي میکروفیلتراســیون، اولترافی لتراسیون، اسمز معکوس و الکترودیالیز فرایندهایی بودند که در مقیـاس صـنعتی در سراسـر دنیا مورد استفاده گرفتند.
بخش سوم:در دههي1980 آغاز شـد ، صـنعتی شـدن فراینـدهاي جداسـازي گـاز بـا غشـا بـود. نخستین پیشرفت عمده در این زمینه مربوط به غشا مونسانتو پریسم براي جداسازي هیدروژن بود که بسیار مورد استقبال قرار گرفت.
بخش چهارم:آخرین بخش مربوط به میانه ي سال 1990، توسعه ي سیستم هـاي اقتصـادي و قابـل اطمینــان میکروفیلتراسیون/اولترافیلتراســیون بــراي تصــفیه ي منــابع آب شــهري و اســتفاده در بیوراکتورهاي غشایی در واحدهاي تصفیهي پساب است. این کاربردهـا اهـدافی بودنـد کـه در سـال 1960 ترسیم شده بود
انواع اصلی غشا
الف) غشاهای همسانگرد
1)غشاهای میکرو متخلخل
2)غشاهای غیر میکرو متخلخل متراکم
3)غشاهای باردار الکتریکی
ب)غشاهای نا همسانگرد
ج)غشاهای سرامیکی فلزی و مایع
انواع فرآیندهای غشایی
فرآیند های جداسازی با استفاده از غشا با توجه به نوع جداسازی متفاوت است:
-بازیافت هیدروژن از گاز های خروجی واحد تولید آمونیاک
-شیرین سازی گاز
-تصفیه آب
-تولید اندام های مصنوعی مثله کلیه در پزشکی
…
گروه 360 پروژه آمادگی کامل جهت انجام پروژه های مهندسی شیمی در حوزه غشا به صورت تخصصی و با توجه به اطلاعات، زمان و میزان هزینه مد نظر شما را دارد. تنها کافیست درخواست انجام پروژه خود را از طریق بخش ثبت سفارش ما ارسال نمایید. در 360 پروژه انجام پروژه هی مهندسی توسط کارشناسان مجرب به صورت رقابتی انجام می پذیرد و این امر انتخاب بهترین مجری و برخورداری از مناسب ترین قیمت را تضمین می نماید.
کارشناسان تیم انجام پروژه 360 پروژه پس از بررسی پروژه، اقدام به ارائه پیشنهاد فنی و مالی با توجه به خواسته های شما می نمایند. لذا خواهشمند است اطلاعات پروژه خود را با توضیحات کامل در بخش سفارش پروژه بیان نمایید. همچنین می توانید در صورت فوری بودن سفارش با آی دی تلگرام مندرج در سایت در ارتباط باشید.
انرژی یکی از عوامل مهم در زندگی بشر و توسعه پایدار آن می باشد.سوخت های فسیلی عمده ترین منبع برای تامین انرژی در زمان حال محسوب می شود ؛اما با توجه به محدودیت سوخت های فسیلی و آلودگی های ناشی از آن ،یافتن منابع انرژی جایگزین برای آن ضروری به نظر می رسد . در چند سال گذشته تحقیقات بر روی یافتن منابع انرژی تجدید پذیر و پاک همچون انرژی خورشیدی،انرژی بادی وسوخت هایی هم چون بیودیزل افزایش یافته و به نتایج مفید و موثری هم دست یافته شده است . در این مطلب در پی این هستیم که بیودیزل به عنوان یک سوخت پاک و تجدیدپذیر را معرفی کنیم .
بیودیزل چیست؟
بیودیزل را می توان با ترکیب شیمیایی هر روغن طبیعی یا چربی با الکل مانند متانول یا اتانول تولید کرد.اغلب در تولید تجاری بیودیزل از متانول به عنوان الکل استفاده می شود.از لحاظ ویژگی فیزیکی بیو دیزل یک مایع روشن تا زرد تیره است که عملاً غیرقابل مخلوط با آب بوده و نقطه جوش بالا و فشار بخار پایینی دارد.بزرگترین و مناسب ترین منابع روغن برای تولید بیودیزل از روغن محصولاتی همچون سویا و پالم به دست می آید.در مناطق مختلف جهان بسته به شرایط اقلیمی و خاک به روغن های گیاهی خاصی جهت تولید بیودیزل توجه شده است. گیاهان روغنی قابل کشت در اقلیم ایران چهار دانه روغنی سویا، گلرنگ، کلرا و بزرک که امکان گسترش کشت آن در مناطق مختلف کشور وجود دارد مناسب است.
مزایای بیودیزل
به علت دارا بودن نقطه اشتعال 150 درجه سانتیگرادی نسبتاً غیرقابل اشتعال و بسیار ایمن‌تر از دیزل می باشد.
بیودیزل را می توان با هر نسبتی حتی در نسبت پایین با سوخت های دیزل ترکیب کرد؛این کار موجب افزایش روان شدگی(سایش کمتر موتور) تا 65 درصد می شود .
سوخت های بیودیزل تقریبا همان قدرت اسب بخار ی که سوخت های دیزلی تامین می کند را فراهم می کند .
مصرف سوخت های بیودیزل در موتور های دیزلی نسبت به سوخت های دیزلی ،هیدروکربن های نسوخته ،ذرات معلق و مونواکسید کمتری تولید می کند.
معایب بیودیزل
عدم صرفه اقتصادی
مشکلات فرآیندی تولید بیود دیزل
تولید NOx بیشتر نسبت به سوخت دیزل به دلیل محتوای بالاتر اکسیژن بیودیزل
اکسید شدن بیودیزل در معرض هوا
فرآیندهای تولید بیودیزل
همانطور که اشاره کردیم از ترکیب شیمیایی هر روغن گیاهی یا چربی با الکل سوخت بیودیزل تولید کرد ؛ برای تولید بیودیزل سه فرآیند اساسی متداول است:
ترنس استری فیکشن کاتالیست بازی روغن
ترنس استری فیکشن مستقیم اسیدی روغن
تبدیل روغن به اسیدهای چرب و سپس به بیودیزل
تقریبا تمام بیودیزل از روش ترنس استری فیکشن کاتالیست بازی روغن تولید می شود؛ زیرا این فرآیند هم از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه بوده و هم دما و فشار این واکنش پایین و دارای بازدهی تولید 98٪ است. مشکل اصلی این روش، حساسیت کاتالیزورهای قلیایی با خلوص ماده خام است. حضور اسید های چرب آزاد و آب در مواد خام تاثیر قابل توجهی بر واکنش پرتوزیسیون دارند.
فرآیند زیر ترنس استری فیکشن کاتالیست بازی روغن را بیان می کند:
تولید بیودیزل
به طور معمول تولید بیودیزل از طریق مراحل زیر صورت می گیرد:
1)مخلوط کردن الکل با کاتالیست
به طور عمده از هیدروکسیدسدیم (سود سوزآور) یا هیدروکسید پتانسیم(پتاس) به عنوان کاتالیست استفاده می شود؛ابتدا مخلوط الکل / کاتالیست به یک ظرف واکنش بسته و روغن یا چربی اضافه می شود.در این مرحله سیستم به منظور جلوگیری از هدررفت الکل طور کامل ایزوله است.
به منظور انجام واکنش و افزایش سرعت آن ، واکنش را در دمایی بالاتر از نقطه جوش الکل (حدود 160 درجه فارنهایت) انجام می دهند .
زمان توصیه شده برای واکنش 1 تا 8 ساعت می باشد، و در برخی از سیستم ها توصیه می شود که واکنش در دمای اتاق انجام می شود.
معمولا از الکل اضافی بمنظور اطمینان از تبدیل کل چربی یا روغن به استر های آن استفاده می شود. باید نسبت آب و اسید های چرب آزادی که در روغن یا چربی وجود دارد کنترل کرد؛ در صورتی که سطح آب یا سطح اسید چرب آزاد بیش از حد بالا باشد، ممکن است با تشکیل صابون و جداسازی محصولات جانبی گلیسیرین در پایین دست، مشکل ساز شود.
همین که واکنش کامل شد دو محصول مهم خواهیم داشت که عبارتند از گلیسیرین و بیودیزل که هر یک دارای مقادیر اساسی از الکل اضافی بوده که در واکنش مورد استفاده قرار گرفته است.
2)حذف الکل
هنگامی که فازهای گلیسیرین و بیودیزل جدا شده اند، الکل اضافی موجود در هر فاز از طریق فرآیند تبخیر فلاش یا تقطیر حذف می شود. در سیستم های دیگر، الکل حذف می شود و مخلوط قبل ازاین که گلیسیرین و استرها جدا شوند خنثی می شود. در هر دو حالت الکل با استفاده از تجهیزات تقطیر بازیافت می شود و دوباره استفاده می شود.
لازم به ذکر است که باید از جمع شدن آب بر جریان الکل بازیافتی اطمینان حاصل شود
3)خنثی سازی گلیسیرین
گلیسیرین حاصل از ترکیب کاتالیست و صابون مصرف نشده ،توسط اسید خنثی می شود و به عنوان گلیسیرین خام ذخیره می شود.در برخی موارد نمک تشکیل شده در این فاز برای استفاده به عنوان کود بازیافت و مورد استفاده قرار می گیرد. در بیشتر موارد نمک در گلیسیرین باقی می ماند. آب و الکل برای تولید گلیسیرین خام 80-88 درصد حذف می شود تا آماده عرضه به عنوان گلیسیرین خام شود. در فرآیند های پیشرفته ، گلیسیرین به میزان 99٪ و حتیبالاتر تقطیر شده و به بازار لوازم آرایشی و دارویی فروخته می شود.
4)شستشوی متیل استر
گاها پس از جداسازی بیودیزل از گلیسیرین ،میتوان با شست و شوی آرام با آب گرم کاتالیست و صابون باقی مانده خشکانده و برای انباشت ارسال می شود.در برخی از فرآیند ها وجود این مرحله ضرورتی ندارد.
به طور معمول در انتهای فرآیند تولید ،مایعی زرد کهربایی رنگ با چسبندگی شبیه به گازوئیل حاصل می شود .
5)کیفیت وثبت محصول
پس از تولید محصول نهایی ، باید کیفیت آن را از ابعاد مختلف مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار داد از جمله :
