بررسی اثر حرارت استخوان گاو به عنوان یک کاتالیزور مقدمه: استفاده از کاتالیزورها ...
در طبیعت به صورت تابش نور خورشید به ذرات هوا و یا برخورد صاعقه با ملکولهای اکسیژن، ازن تولید می شود. روش های تولید ازن در اوزون ساز و ازن ژنراتور های صنعتی شامل موارد زیر است.
پلاسما سرد به عنوان گازی تعریف می شود که به صورت جزئی یونیزه شده باشد (چند درصد) در دمای اتاق یا پایین تر ایجاد می شود. یونیزاسیون گاز ، در این حالت اکسیژن خالص بین دو الکترود صورت می گیرد که توسط یک سد عایق (سد دی الکتریک) از هم جدا می شوند. هنگامی که پلاسما تشکیل می شود ، مولکول های اکسیژن به اتم های اکسیژن منفرد تقسیم می شوند که سپس با O2 نوترکیب می شوند و ازن را تشکیل می دهند (O3).
ژنراتور ازن پلاسما سرد از اکسیژن به عنوان منبع ورودی استفاده می کند و برای تولید ازن با غلظت حدود ۵-۷٪ استفاده می شود. پیشرفت های فن آوری اخیراً تولید ازن با غلظت حداکثر ۲۰٪ یا بیشتر از اکسیژن تولید شده در سایت را ممکن می سازند.
پلاسما یک مخلوط شبه خنثی از ذرات خنثی و بار دار است و دارای خصوصیات جمعی است. این را می توان از چندین دیدگاه طبقه بندی کرد. یکی از این دیدگاه ها به تعادل بین دمای یون ها و الکترون ها می پردازد. وقتی دمای الکترون ها و یون ها یکسان باشد ، به آن پلاسما حرارتی می گویند. از طرف دیگر، اگر دمای الکترون ها بالاتر از دمای یون ها باشد، به آن پلاسما غیرحرارتی یا پلاسمای سرد می گویند. مهمترین مزیت پلاسما غیر حرارتی مصرف انرژی “مستقیم” است.
به طور کلی پلاسما، به عنوان حالت چهارم ماده شناخته می شود. هنگامی که دما افزایش مییابد، انرژی مولکول ها زیاد می شود و حالت ماده را تغییر می دهد. انرژی زیاد مولکول ها که ناشی از انرژی گرمایی، الکتریکی و یا نور است منجر به جداسازی اتم های گازی و درنهایت آزادسازی ذرات باردار، الکترون ها و یونهای باردار مثبت می شود. ناحیه ای که شامل الکترون، یون های مثبت، اتمهای خنثی گازی، رادیکال آزاد و … در حال تعادل است پلاسما گفته می شود
پلاسما به دو دستهی پلاسمای سرد و پلاسمای گرم تقسیم بندی میشود.
پلاسما پر انرژی‌ترین شکلِ ماده محسوب میشود. ساختار پلاسما از ذرات متحرکِ مثبت، منفی و خنثی تشکیل شده. البته این حالت بسیار مشابه به حالت گازی است. مهمترین تفاوت‌های میان این دو شکل از ماده به ترتیب زیر هستند.
پلاسما دارای هدایت الکتریکی بسیار بالایی است.
پلاسما به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نسبت به میدان گرانشی حساس‌تر است.
حرکت ذرات باردار در پلاسما، منجر به تولید میدان مغناطیسی و الکتریکی میشود.
به دلیل بی‌نظمی شدید و سطح انرژی بالا در پلاسما، این حالت، تابش الکترومغناطیسی مختص به خود را ایجاد می‌کند.
به‌منظور نگه داشتن انرژی بالا در پلاسما، تزریق پیوسته انرژی به ماده بایستی برقرار باشد.
به منظور ایجاد حالتِ پلاسما، بایستی به اتمهای یک ماده انرژی تزریق شود. این انرژی می‌تواند به شکل‌های مختلفی از جمله گرمایی، الکتریکی یا نور باشد. اگر انرژی وارد شده به ماده به اندازه کافی زیاد نباشد، پلاسما به حالت خنثی اولیه باز خواهد گشت. عمدتا پلاسما به صورت طبیعی ایجاد میشود. البته در آزمایشگاه نیز این حالت از ماده را میتوان ایجاد می‌کنند. معمولا از پلاسمای مصنوعی در فرآیندهای تولید سطح و لایه نشانی استفاده می‌کنند.
پلاسمای مصنوعی – سرد و گرم
پلاسمای گرم:
در روش پلاسمای گرم دمای الکترونها و دمای یون با هم به تعادل میرسد. به منظور تامین انرژی از روش تخلیه الکتریکی استفاده میگردد. تخلیه الکتریکی خود انواع گوناگونی دارد که میتوان به کرونا، آرک، اسپارک و میکرو دیسشارژ اشاره نمود.
پلاسمای گرمایی یا پلاسمای داغ، در قوس‌های الکتریکی، جرقه‌ها یا شعله‌ها ایجاد می‌شوند. در این نوع از پلاسما یونهای داغِ مثبت و منفی با انرژی بالا در حرکت‌اند. این نوع از پلاسماها در لیزر‌های قطع‌کننده کاربرد دارند. دمای کاری این لیزر‌ها بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است.
پلاسمای سرد یا غیر گرمایی پلاسمایی است که به نسبت کمتر یونیزه شده باشد. در این پلاسما الکترونها در دمای بالا و یونهای مثبت و خنثی در دمای پایین قرار دارند. زمانی که یک لامپ فلوئورسنت در دمای اتاق روشن میشود، پلاسمایی سرد در لامپ شکل می‌گیرد.
پلاسمای سرد یا کرونا:
در روش پلاسمای سرد دمای الکترون به مراتب بیشتر از دمای یون و اتمهای گازی میباشد بنابراین نیازمند منابعی است که دمای الکترون را بالا نگه دارد تا تعادل اتفاق نیفتد. این کار نیازمند شتابدهی الکترون و افزایش انرژی الکترون است. هزینه ی تولید ازن به این روش بسیار بالا میباشد
دو روش اصلی برای تولید پلاسما سرد وجود دارد:
_ شتاب الکترون ها توسط یک میدان الکتریکی.
_ تزریق الکترون ها از خارج.
گروه اول روشها انواع مختلفی از تخلیه های الکتریکی را شامل می شوند و روش دوم شامل استفاده از پرتو الکترونی است.
تفاوت بین تولید ازن پلاسما سرد و روش تولید ازن تخلیه الکتریکی در وسیله ای است که برای ایجاد پلاسما و گاز خوراک استفاده می شود
مهمترین تفاوت‌های میان این دو شکل از ماده به ترتیب زیر هستند.
به‌منظور نگه داشتن انرژی بالا در پلاسما، تزریق پیوسته انرژی به ماده بایستی برقرار باشد.
در پلاسمای سرد انرژی داده شده برای تخلیه عمدتا برای تولید الکترونهای بسیار پرانرژی استفاده می شود و انرژی کمی برای گرم کردن حجم گاز مصرف می شود. در نتیجه ، فناوری های مبتنی بر پلاسما سرد می توانند در افزایش اکسیداسیون، تقویت تفکیک مولکولی یا تولید رادیکال های آزاد برای تحریک واکنش های پلاسمای شیمیایی بسیار مؤثر باشند، که می تواند برای تولید ازن یا سایر کاربردهای اکولوژیکی مانند تجزیه آلاینده ها در جریان هوا مورد استفاده قرار گیرد.
با توجه به اینکه فرآیندهای تولید ازن در فشار اتمسفر انجام می شود، فقط روی تخلیه های الکتریکی در فشار اتمسفر متمرکز می شود. نوع اصلی تخلیه الکتریکی که می تواند برای اهداف فوق مورد استفاده قرار گیرد تخلیه سد دی الکتریک و تخلیه کرونا است. تخلیه سد دی الکتریک یک اصطلاح کلی برای تخلیه است که از ماده دی الکتریک به عنوان تثبیت کننده پلاسما استفاده می کند. انواع اصلی عبارتند از:
_ تخلیه خاموش.
_ تخلیه سطح.
ویژگی اصلی تخلیه خاموش، لایه دی الکتریک است که حداقل یکی از الکترودها را پوشش می دهد ، گاهی اوقات هر دو. به طور معمول از موادی با ثابت دی الکتریک بالا (سرامیک یا شیشه) استفاده می شود. بیشترین استفاده از تنظیمات الکترود تخلیه خاموش در حال حاضر انواع صفحه موازی یا نوع سیم لوله است. پیکربندی الکترود صفحه موازی مشترک برای تخلیه خاموش در شکل ۱ نشان داده شده است.[۲]
تولید ازن با روش تخلیه کرونا برای کاربردهای صنعتی بسیار رایج است. با هدایت هوا به داخل لوله تخلیه تاج ، ازن تولید می کند ، که در آن پلاسما با اعمال یک میدان الکتریکی قوی ایجاد می شود. پلاسما ایجاد شده اتمهای منفرد اکسیژن را از هم جدا می کند و سپس می تواند مجدداً با مولکول های اکسیژن ترکیب شود و ازن ایجاد کند. تفاوت بین تولید ازن پلاسما سرد و روش تولید ازن تخلیه تاج در وسیله ای است که برای ایجاد پلاسما و گاز خوراک مورد استفاده استفاده می شود. ژنراتورهای تخلیه Corona همچنین اکسیدهای نیتروژن (NOx) ایجاد می کنند که در صورت وجود آب واکنش نشان می دهند و اسید نیتریک خورنده (HNO3) تولید می کنند.[۱]
شکل۱: پیکربندی الکترود کرونا
روش تخلیه کرونا:
تخلیه کرونا تخلیه الکتریکی است که توسط یونیزه کردن سیالات مانند هوای اطراف یک هادی که دارای شارژ الکتریکی است ایجاد می شود. تخلیه خودبخودی تاج به طور طبیعی در سیستمهای دارای ولتاژ بالا اتفاق می افتد ، مگر اینکه برای محدود کردن قدرت میدان الکتریکی دقت شود. تاج وقتی اتفاق می افتد که قدرت میدان الکتریکی در اطراف یک هادی به اندازه کافی زیاد باشد تا یک منطقه رسانا ایجاد شود، اما به اندازه کافی زیاد نباشد که باعث شکست الکتریکی یا قوس الکتریکی در اشیاء مجاور شود. تخلیه کرونا غالباً به عنوان درخشش مایل به آبی در هوای مجاور رساناهای فلزی که در معرض تخلیه قرار دارند دیده می شود.[۳]
تخلیه Corona با ایجاد یک تخلیه الکتریکی – با ولتاژ بالا و فرکانس بالا – در یک شکاف هوای محدود (۱ یا ۲ میلی متر) ، بصورت خطی و یکنواخت ، بین الکترود شارژ شده به ولتاژ بالا و الکترود مخالف پوشیده با مواد عایق (معمولاً یک غلتک) که به زمین وصل شده است، ایجاد می شود.
تکنولوژی تولید ازن به روش کرونا متفاوت است. اما اساسا همه روش ها به وسیله عبور گاز اکسیژن خشک در مسیر جریان الکتریکی عمل می کند.همانطور که در قسمت اشعه توضیح داده شد، جریان برق باعث شکاف مولکول های اکسیژن می شود. به جز این ویژگی مشترک، این دو روش تفاوت های زیادی دارند. اما تکنولوژی های تاییدشده به سه گروه تقسیم می شوند.فرکانس پایین(۵۰تا ۱۰۰هرتز) فرکانس متوسط(۱۰۰تا ۱۰۰۰هرتز)و فرکانس بالا(بیش از ۱۰۰۰هرتز).از انجایی که ۸۵تا ۹۵درصد انرژی الکتریکی تامین شده در روش کرونا ازن ژنراتور به گرما تبدیل می شود، بعضی از روش ها جهت حذف گرما نیاز است. همچنین نوع روش خنک کاری به طور چشمگیری در میزان ازن تولیدی در ازن ژنراتور موثر است، بنابراین اغلب سیستم های تولید ازن با یکی از روش های آب یا هوا خنک می شوند
در قلب یک سیستم ازن تخلیه دی الکتریک است. بار الکتریکی در سطح دی الکتریک پخش می شود و میدان الکتریکی ایجاد می کند.
امر مهم در روش تخلیه الکتریکی، تامین هوای ورودی است. گاز ورودی ازن ژنراتور باید کاملا خشک باشد، زیرا درصد کمی از رطوبت در تولید ازن تاثیر می گذارد و منجر به تولید اسید نیتریک می شود. اسید نیتریک بسیار خورنده است و بر روی قسمت های داخل سیستم تولید ازن تاثیر می گذارد که این امر بر روی فرکانس نگهداری ازن تاثیر می گذارد. نمودار زیر تاثیر میزان رطوبت بر خروجی ازن را نشان می دهد.
نقطه ب
یانگر دمایی میباشد که درهوای فشرده اولین شبنم شروع به پدیدار شدن می‌کند. این ردیف در انتخاب خشک کن مناسب در پکیج هوای فشرده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بر طبق نمودار بالا هرچه نقطه شبنم بالاتر می رود میزان تولید ازن کاهش می یابد.
شکل۲: تولید ازن در ازن ساز های تخلیه کرونا
تخلیه الکتریکی در اثر برخورد باعث یونیزاسیون می شود: برخی از یون ها در هوا توسط میدان الکتریکی اعمال شده تسریع می شوند و با برخی مولکول های خنثی برخورد می کنند و باعث یونیزه شدن آنها می شوند. به همین ترتیب، ذرات باردار جدید از این طریق به مولکول های دیگر برخورد کرده و آنها را یونیزه می کنند و ادامه این روند باعث شکست دی الکتریک هوا می شود.
تخلیه کرونا به بهترین وجه در مواد انعطاف پذیر (فیلم پلاستیکی ، فیلم متالیزه ، فویل آلومینیومی ، کاغذ) با چند استثنا برای مواد نیمه سفت و سخت استفاده می شود (ورق های پلاستیکی مانند PE ، PP ، PVC یا ورق های ضخیم تر از ۱۰-۱۵ میلی متر). [۴]
این تخلیه الکتریکی (تخلیه تاج) بر روی مولکول اکسیژن باعث می شود تا مولکول های اکسیژن به دو اتم اکسیژن منفرد تقسیم شوند. اتمهای اکسیژن ناپایدار حاصل با سایر مولکولهای اکسیژن ترکیب می شوند. این ترکیب مولکول های ازن را تشکیل می دهد.
المانی که اوزون را تولید می کند الکترودهای تخلیه کرونا هستند که با استفاده از ولتاژ بالا (۳ کیلو ولت و بالاتر) اکسیژن موجود در هوا را به اوزون تبدیل می کنند.
لذا ژنراتورهای ازن به هیچ مخزنی احتیاج ندارند و تنها اتصال آنها به برق کافی است. الکترودها همچنین بسیار بادوام هستند و می توانند در رطوبت حدود ۴۰٪، ۶۰۰۰ ساعت مقاومت کنند (معادل حدود ۴ سال کار ۴ ساعت در روز). [۵]
در فاصله مشخصی از الکترود ، میدان الکتریکی به اندازه کافی کم می شود که دیگر انرژی کافی به الکترون ها منتقل نمی شود تا هنگام برخورد بقیه اتم ها را یونیزه کنند. این لبه بیرونی تاج است. در خارج از این ، یون ها بدون ایجاد یون های جدید با جریان هوا حرکت می کنند. یونهای متحرک بیرونی به الکترود مخالف جذب می شوند و در نهایت به آن می رسند و با الکترونهای موجود در الکترود ترکیب می شوند تا دوباره اتمهای خنثی شوند و مدار را کامل کنند.
از نظر ترمودینامیکی، تخلیه کرونا پروسه ای بسیار نامتعادل است و یک پلاسما غیر حرارتی ایجاد می کند. مکانیسم بهمن (برخورد پشت سرهم مولکول ها و یونیزه شدن آنها) انرژی کافی را برای گرم کردن گاز در ناحیه تاج به طور کلی و یونیزه کردن آن، مانند یک قوس الکتریکی یا جرقه، آزاد نمی کند. فقط تعداد کمی از مولکول های گازی در بهمن های الکترون شرکت می کنند و یونیزه می شوند، با داشتن انرژی های نزدیک به انرژی یونیزاسیون ۱-۳ الکترون ولت، بقیه گازهای اطراف آن نزدیک به دمای محیط است.
لامپ های ماوراء بنفش ده ها سال است که برای تولید ازن استفاده می شود. این لامپ تابش اشعه ماوراء بنفش را در ۱۸۵ نانومتر (نانومتر) نشان می دهد. نور در مقیاس طیف الکترومغناطیسی اندازه گیری می شود. شکل ۱ مقیاس الکترومغناطیسی را نشان می دهد. توجه داشته باشید که محل نور ماوراء بنفش با فرکانس بالاتر نسبت به نور مرئی (طیف وسیعی از نور قابل مشاهده توسط چشم انسان) است.
هوایی که از لامپ های uv عبور می کند مولکول های اکسیژن را می شکند و اتم اکسیژن باقی مانده (O–) به دلیل تمایل به ثبات به سایر مولکول های اکسیژن (O۲) می چسبد و مولکول ۳ اتمی ازن را ایجاد می کند و ازن در آب یا بخار هوا حل می شود
یکی از روشهای جدید ازن سازها در سال ۲۰۲۴، استفاده از الکترولیز ملکوهای آب در مایع و تولید اوزون یا اکسیژن نوزاد به صورت محلول در آب است که اخیرا تولید اینگونه ازن ژنراتورها رو به رشد است.
از مزایای این روش تولید ازن به صورت محلول در آب می باشد.
صفحات مرتبط: ازن ساز چیست، کاربرد ازن در تصفیه آب، کاربرد ازون در تصفیه فاضلاب، بوبری