بخشی از مقاله
چکیده -
در این پژوهش سعی به استفاده از متد جدید برای شناسائی ترکیبات یک ترکیب گازی می شود. در این روش ﲜای استفاده از خاصیت موبیلیتی گازها از خاصیت ضریب نفوذ گازها استفاده خواهد شد. متد بکار گرفته شده علاوه براینکه ﲤام ویژگیهای مثبت سیستم سابق را دارا می باشد، یک روش نوین با کارکرد بسیار ساده می باشد. ما برای رسیدن به چنین هدفی ابتدا با استفاده از ﲡزیه و ﲢلیل روابط ریاضی حاکم، و شبیه سازی نرم افزاری، امکان اﳒام چنین کاری را بررسی می کنیم و پس از اطمینان از مثبت بودن جواب، با استفاده از سیستمی آزمایشگاهی و با تزریق یک ترکیب گازی ثابت خواهیم کرد که عملی کردن چنین سیستمی نیز امکان پذیر است.
-1 مقدمه
گازها نوعی از مواد هستند که فاصله ي بین مولکول هاي آنان زیاد است و این به علت نیروي جاذبه بسیار کم بین مولکول هاي گاز است. آشناترین گازهاي هوا در واقع مخلوطی از چند گاز هستند. آزمایش نشان می دهد که از دو یا چند گاز می توان به هر نسبت مخلوطی کاملا همگن به دست آورد. فواصل زیاد مولکولهاي گازي، امکان نفوذ و جایگیري ملکولهاي گازي دیگر را در این فواصل میسر می سازد.
فرض کنید نمونه هایی از دو گازA وB در دو ظرف همانند، جدا از هم و در شرایط فشار و دماي یکسان، محبوس شده اند. طبق نظریه انرژي جنبشی مولکولهاي این دو گاز در دماي یکسان انرژي جنبشی متوسط یکسان دارند. بنابراین انرژي جنبشی متوسط مولکولهاي گاز - KEA - A برابر با انرژي جنبشی متوسط مولکولهاي گاز - KEB - B است:
که در آن vA و vB سرعت متوسط مولکولهاي گازهاي ظرف A و B است و mA و mB نیز جرم مولکولی این گازها می باشد.
حال اگر در هر دو ظرف، منفذي بسیار کوچک و یکسان تعبیه شود، مولکولها از آن منفذ فرار میکنند. این فرایند،
نفوذ مولکولی نامیده می شود. سرعت نفوذ - r - برابر با سرعتی است که مولکولها با آن سرعت به منفذ برخورد میکنند و این به نوبه خود متناسب با سرعت مولکولی - v - است. واضح است مولکولهایی که سریعتر حرکت می کنند، سرعت نفوذ آنها بیشتر از مولکولهایی است که آهسته تر حرکت می کنند. بنابراین داریم:
در نتیجه گازها با هر منفذي روبرو شوند با خاصیت ضریب نفوذ خود از منافذ فرار خواهند کرد. این قانون اساس کار در انجام این تحقیق میباشد. اساس کار سیستم هاي شناسایی گاز که هم اکنون در صنعت نفت استفاده میباشد بر مبناي ضریب موبیلیتی گازها میباشد که به کروماتوگرافی با Column معروف است.
شکل :1 شماتیک کروماتوگرافی گاز با Column
-2 تئوري کار Gas Chromatographها
-1-2 تئوري کار سیستم موجود
در سیستم کروماتوگرافی موجود ترکیب گازها از یک لوله باریک بنام Column گذرانده میشود؛ با توجه با اینکه سرعت حرکت اجزاي تشکیل دهنده ترکیب گازي در Column مختلف است - با توجه به عناصر دیواره داخلی لوله - ، در نتیجه مخلوط به اجزاي تشکیل دهنده تجزیه شده و هر جز جداگانه خارج میشود. در کروماتوگرافی دو فاز وجود دارد فاز ثابت وفاز متحرك، فاز ثابت در واقع اجزاي درون Column یا شبکه جداسازي را تشکیل می دهند و فاز متحرك مربوط به ماده اي است که باید مورد تجزیه قرار بگیرد.
در سیستم موجود Column در اجاقی جاي گرفته که حرارت آن بدقت کنترل می شود. اگر عامل بازدارنده اي در دیواره Column نباشد، ترکیبات با همان سرعت گاز حامل، از درون Column حرکت خواهند کرد. دیواره هاي داخلی Columnها با یک لایه از ماده پلیمري نازك پوشیده شده که فاز ثابت نامیده می شود. فاز ثابت باعث ایجادتأخیر در حرکت گازها در Column می شود که این رفتار را نگهداري - ابقا - می نامند.
طول و قطر Column، ساختار شیمیایی و میزان فاز ثابت و دماي Column، همگی بر زمان ابقاي ترکیب تأثیر می گذارند. اگر همه این عوامل بدرستی انتخاب شوند، هر ترکیب با سرعت خاصی که متفاوت از دیگر ترکیبات خواهد بود، از Column عبور میکند. این عوامل باعث می شوند که ترکیبات با زمانهاي متفاوتی از Column خارج شوند. زمانی که هر ترکیب Column را ترك می کند، نوع و مقدارش توسط آشکارساز اندازه گیري می شود.
هم اکنون تجزیه یک نمونه گاز به تک تک عناصر موجود در آن بوسیله Column، با یک راهکار بسیار ساده انجام میشود. یک نمونه آزمایش شامل ترکیبات مختلف، وارد Column می شود و در جلوي Column جمع می گردد - شکل - 2 الف - . سپس مولکولهاي هر ترکیب، دست جمعی و با سرعتهاي مختلف شروع به حرکت در Column می کنند - شکل -2ب - . مولکولهایی که سرعت حرکت بالا دارند، زودتر از بقیه به انتهاي Column رسیده و وارد آشکارساز می شوند، بنابراین، اولین پیک کروماتوگرام مربوط به این مولکولها می شود - شکل -2ج - . به همین ترتیب این فرایند ادامه می یابد و مولکولهاي با سرعت بالاتر، به انتهاي Column حرکت می کنند تا اینکه تمامی ترکیبات باقیمانده، Column را ترك کنند
شکل -3ب و -3ج. با گذشت زمان بیشتري از حرکت گازها و رسیدن به انتهاي طول محیط متخلخل، دیده می شود که گاز با ضریب نفوذ بیشتر از محیط متخلخل خارج شده است در حالیکه گاز با ضریب نفوذ کمتر کماکان درون محیط در حال حرکت میباشد. شکل -3د. و بدین ترتیب دو ترکیب گازي از یکدیگر تفکیک می گردند. لازم به ذکر است که در اینجا بصورت نوعی فقط ترکیب دو گاز بررسی شد اما این سیستم براي هر تعداد ترکیب گازي قابل اعمال و اجراست.
شکل :2 جداسازي سمپل در Column
-2-2 تئوري کار سیستم پیشنهادي
فعالیتی که در این پروژه انجام گرفته عبارتست از کروماتوگرافی با استفاده از محیط متخلخل بجاي استفاده از Column است. دلیل استفاده از ماده متخلخل وجود برخی مشکلات در سیستم کروماتوگرافی با Column است که در بخش هاي بعدي در این باره توضیح داده خواهد شد. همچنین دلیل دیگر انجام اینکار کار ایجاد ابتکار و ابداع روشی نوین در سیستم شناسایی گاز می باشد. در این روش که بر اساس ضریب نفوذها گازها انجام میگیرد از یک محیط متخلخل براي تجزیه گازها استفاده میگردد. در این فرایند ترکیبی از گازها از درون ماده متخلخل عبور داده می شوند و گازهاي مختلف به علت دارا بودن ضریب نفوذ متفاوتی می باشند هنگام عبور از درون ماده متخلخل با سرعتهاي متفاوتی از درون آن عبور کرده و در نتیجه عناصر این ترکیب گازي از یکدیگر تفکیک میشوند.
ما در این جا قصد داریم ترکیبی از دو گاز متفاوت را به محیط متخلخل –که به جاي Column استفاده شده و نقش جدا کننده گازها را بر عهده دارد- اعمال کنیم و بدین ترتیب دو گاز را از یکدیگر تفکیک کنیم. همانگونه که در شکل -3الف دیده می شود ابتدا دو گاز ترکیب شده درون محیط متخلخل تزریق می شوند، از آنجائیکه گازي که ضریب نفوذ بیشتري دارد سریعتر حرکت کرده و گاز با ضریب نفوذ کمتر با سرعت کمتري حرکت می کند بنابراین با عبور تدریجی این ترکیب گازي از میان محیط متخلخل، مولکولهاي این گازها از یکدیگر فاصله گرفته و هرچقدر که زمان بیشتري از حرکت گازها بگذرد
شکل :3 استفاده از محیط متخلخل جهت کروماتوگرافی. دیده میشود که ترکیب گازها هنگام عبور از درون ماده متخلخل به علت داشتن ضریب نفوذ متفاوت از یکدیگر تفکیک میشوند.
-3 فعالیت هاي عملی و آزمایشگاهی
-1-3 شبیه سازي
در این فصل قصد داریم با توجه به تئوري هاي فصل قبل اثبات کنیم که کروماتوگرافی با استفاده از محیط متخلخل امکان پذیر است. براي انجام اینکار از روابط حاکم بر اینگونه محیط ها و از حل عددي استفاده می کنیم. پس از اثبات تئوري این نظریه، با استفاده از آزمایش نیز آنرا اثبات می کنیم.
