بخشی از مقاله

مطالعه و بررسی روشهاي تولید پتاسیم سوپراکسید

چکیده

انسان براي آنکه در مدت زمان معینی در فضاي بسته بتواند زندگی کند به وسایلی نیازمند است که تامین کننده نیازهاي اولیه او باشد. به عنوان مثال این موقعیت هنگامی پیش می آید که انسان قرار است مدتی را در زیر دریایا در فضا بگذراند. در اثر تنفس انسان در محیط بسته گازاکسیژن موجود در آن مصرف شده و گازدي اکسید کربن و رطوبت تولید می شود. پتاسیم سوپراکسید منبع مهمی براي تولید اکسیژن براي دستگاههاي بازیابی هوا و محیطهاي با اتمسفر محدود مانند زیردریاییها و فضاپیماها است. این ترکیبات می توانند به صورت جامد در دستگاههاي بازیابی هوا ذخیره سازي شوند. پتاسیم سوپراکسید با جذب رطوبت هوا، اکسیژن و هیدروکسید تولید می نماید که هیدروکسید ایجاد شده توانایی جذب گاز دي اکسید کربن را دارد. علاوه بر این پتاسیم سوپراکسید به علت خاصیت اکسیدکنندگی قوي، باکتريهاي هوایی (که عامل اصلی مشکلات تنفسی انسانها مانند آلرژي، تنگی نفس و غیره هستند) و مواد سمی یا مضر در اتمسفر را نابود می کند؛ بنابراین می تواند ماده مناسبی براي دستگاه هاي بازیابی هوا باشد.پتاسیم سوپراکسید در ابتدا از طریق سوزاندن فلز پتاسیم در یک محفظه حاوي مقدار زیادي اکسیژن ساخته می شد. اجراي این پروسه نیازمندفلز پتاسیم خالص است. از طرفی هزینهي اجراي فرآیند نیز بالا می باشد. ذخیره سازي و کار کردن با مواد نیز در این روش خطرناك است. با گذشت زمان روشهاي مناسب تري ارائه شد.در این مقاله به بررسی روشهاي مختلف ساخت پتاسیم سوپراکسید می پردازیم.

کلمات کلیدي

پتاسیم سوپراکسید، دستگاههاي بازیابی هوا


.1 مقدمه

در دهههاي گذشته تکنولوژيهاي تهویه هواي متفاوتی در مسیر توسعه قرار گرفته اند. می توان از روش بطنی، اکسیژن مایع، مخازن اکسیژن تحت فشار، روشهاي الکتروشیمی و ... نام برد. بسته به نوع نیاز هریک از این روشها به صورت مجزایا به صورت ترکیبی به کار برده می شوند. همچنین هریک مزایا و معایب خود را دارند. سه فاکتور وزن، حجم (فضایی که اشغال می کنند) و انرژي مورد نیاز باید در طراحی سیستم لحاظ شوند. سایر ملاكها از جمله قابلیت شارژ در سیستمهایی با کنترل پیچیده باید مورد لحاظ قرار بگیرند.

یک سیستم تهویهي کامل هوا باید اکسیژن را براي عمل دم تولید و کربن دي اکسید و رطوبت ناشی از عمل بازدم راجذب نماید.میزان تولید و جذب توسط انسان و مادهي شیمیایی با دو پارامتر )1MRQنسبت حجمی کربن دي اکسید آزاد شده به اکسیژن مورد نیاز براي انسان) و )2SRQنسبت حجمی کربن دي اکسید جذب شده به اکسیژن تولید شده ناشی از مادهي شیمیایی) نشان داده می شود. با توجه به محیط و فعالیت فیزیکی که انسان انجام می دهد MRQعددي متغیر بین 0.76 تا 1 است. مقدار نرمالی که بیشتر وجود دارد عدد 0.82 می باشد. سوپراکسیدها را می توان به گونهاي کنترل کرد که MRQآنها را روي عدد 0.82 بماند.

واکنش زیر که مربوط به سوپراکسید فلزات قلیایی است را در نظر بگیرید M) فلز قلیایی است):


طبق واکنش بالا به صورت تئوري SRQبرابر با 0.67 است. SRQاین سیستم از رقابت بین واکنش کربن دي اکسید در بالا و واکنش کربن دي اکسید با هیدروکسید براي تشکیل بی کربنات به صورت زیر به دست می آید:

با توجه به این واکنش SRQبرابر با 1.33 می شود. بنابراین براي جذب کربن دي اکسید SRQمی تواند 0.67یا 1.33یا عددي بین این دو باشد. SRQمطلوب براي سیستم ما 0.82 است. کاملا منطقی است که از واکنشهاي بالا کهیکی از آنها منجر به تشکیل بی کربنات و دیگري به تشکیل کربنات می شود، شرایط را به گونه اي ایجاد کنیم که SRQبرابر 0.82 شود. در واقع اگر واکنش با استوکیومتري زیر انجام شود مطلوب ترین حالت براي ما است:[5]

.2 کاربردهاي پتاسیم سوپراکسید:

پتاسیم سوپر اکسیدیک جامد پارامغناطیس زرد رنگ و بدون بو است که به هوا و رطوبت حساسیت دارد. نام دیگر این ماده پتاسیم دي اکسید است. فرمول شیمیایی آن KO2می باشد که پتاسیم بار +1 و سوپراکسید بار -1 دارد. اگر این ماده در تماس با کربن دي اکسیدیا رطوبت موجود در هوا قرار گیرد به سرعت بهیک نمک سفید رنگ تجزیه می شود. پتاسیم سوپراکسید پارامغناطیس است.[5]

پتاسیم سوپراکسید به عنوانیک عامل اکسید کننده قوي در صنایع شیمیایی، تصفیه کنندهي CO2، جاذب H2Oو تولید کنندهي اکسیژن در سیستمهاي اکسیژن مدار بسته، فضاپیما، زیر دریایی و لباسهاي فضانوردان مورد استفاده قرار می گیرد. همچنینKO2در حضور 18-crown-6اتریک کاتالیست فعال براي هیدروسیلیشن1آلدهیدهاي آروماتیک است و واکنش تیشچنکو2 را بهبود می بخشد.Et3SiHدر حضور کاتالیست گفته شده آلدهیدهاي آروماتیک متفاوتی (مانند (1 به ترکیبی از محصولات 2 و 3 تبدیل می شود. مادهي 2 محصول هیدروسیلیشن است درحالی که مادهي 3 تشکیل شده از آلدهید از واکنش تیشچنکو است. واکنش در زیر به نمایش گذاشته شده است:[1]


.3 روشهاي ساخت پتاسیمسوپراکسید

-1 -3 سوزاندن فلز پتاسیم در محفظه اکسیژن

یکی از راههاي تولید پتاسیم سوپراکسید سوزاندن فلز پتاسیم دریک محفظهي حاوي مقدار زیادي اکسیژن است. از مشکلات این روش این است که براي انجام این پروسه نیازمند داشتن فلز خالص پتاسیم هستیم و همچنین هزینهي اجراي فرآیند بالا می باشد. ذخیره سازي و کار کردن با مواد نیز در این روش خطرناك است .[5]

-2 -3 اسپري کردن فلز به همراه هوا

این روش براي اکسید کردن فلزات قلیایی همچون پتاسیم و سدیم نیز سازگار است.با مراجعه به شکل 1، دستگاه وسیلهاي براي اسپري سیال است و از آن براي تشکیل جریان باریکی از فلز مذاب استفاده می شود که این
جریان به وسیلهیک تنظیم کننده، کنترل می گردد. این جریان مذاب از فلز به سمت هوا منحرف و در نتیجه آن فلز اتمیزه می شود.دستگاه از فلزي تشکیل شده است که به خاطر دماي بالاي فرآیند مورد نظر تحت تاثیر قرار نمی گیرد.

اجزاي دستگاه عبارتند از:

محفظه (1) که داراي دو معبر (3) و (4) است. این معبرها بوسیله لولههاي مناسبی بهیک منبع اکسید کننده سیال و یک منبع فلز مذاب متصل شده اند.یک ظرف تنظیم کننده (5) شامل فلز مذاب ویک لوله (4a) وصل شده به معبر 4 قرار داده شده است.یک منفذ (7) در داخلمحفظه (1) قرار داده شده ویک منفذ((6 ردیف شده به وسیله منفذ 7 براي معبر 3 فراهم گردید است.

فلز اکسید کننده تحت فشار که در داخلمحفظه (1) است از داخل معابر عبور می کند و به طور کامل از معبر 4 که شامل فلز مذاب است، عبور می نماید و در منفذ 6 وسپس منفذ 7 با سرعت بالایی تخلیه می شود و از این طریق فلز مذاب را به معابر و سوراخ تنظیم کننده (9) می کشاند. این سوراخ، تخلیه فلز از دستگاه را کنترل می کند. به این ترتیب فلز از دستگاه به صورتیک جریان باریک از فلز مذاب جدا می شود. در حالی که به صورتیک جریان
مستقیم حرکت می کند، عملیاتی در آن صورت می گیرد که از آن به عنوان اتمیزه شدنیاد می شود. براي جمع آوري فلز اکسید شدهیک ظرف دریافت کننده (8) به صورت مستقیم به دستگاه اتمیزه کننده متصل شده است که داراي دریچه اي (8a) متصل به اتمسفر است تایک شرایط اتمسفریک معمولی در ظرف و دریچه 8b برقرار کند.

قطعات فلز مذاب از نزدیک با سیال اکسید کننده ترکیب می شوند. به این ترتیب واکنشی خودبخودي و گرمازا بین فلز و سیال روي می دهد. از آنجایی که واکنش قطعات مذاب فلز در سیال اکسیدکننده خود بخودي است، هیچ وسیله و ابزاري براي شروع این واکنش نیاز نیست. همچنین گرماي تولید شده در واکنش به فرآیند شتاب می دهد.

در انجام این فرآیند دما و فشار هواي مورد استفاده و حالت فیزیکی و دماي فلز و سیال اکسیدکننده مهم است. به عنوان مثال ثابت شده است که برايیک کاربرد تجاري دماي حدود 75 درجه سلسیوس مناسب است. فلز پتاسیم گرما داده می شود تا بهیک حالت مذاب برسد و در طول فرآیند در این حالت و ترجیحا در دمایی چند درجه بالاتر از دماي ذوبش باقی می ماند. در هر مرحله از این روش نباید کاهش دما به حدي برسد که باعث جامد شدنیا غلیظ شدن فلز مذاب شود زیرا این پدیده بر اتمیزه شدن کارآمد فلز اثر منفی می گذارد.[1]

-3 -3 اکسیداسیون مستقیم بخار فلز

فرآیند اکسیداسیون مستقیم بخار فلز در مقایسه با سایر روشهاي قبلی اقتصادي تر است. گران ترین قسمت این فرآیند گرما دادن به فلز است. باید توجه داشت از وسایلی استفاده کرد که در مقابل خوردگی حتی در دماهاي بالا نیز مقاوم باشند.
در شکل 2 فلز پتاسیم دریک منبع (10) گرما داده می شود و به صورت مذاب در می آید و فلز مایع از مجرا (11)، کنترل شده توسطیک شیر (12)، به سمت کوره (13) جریان مییابد. کوره شاملیک محفظه آهنی (14) است و به صورت الکتریکی توسطیک کویل (15) گرما داده می شود. کوره همچنین عایق حرارتی (16) شده است. در کوره (13) پتاسیم تبخیر می شود و بخار توسط عبور نیتروژن از طریق لوله 17 درون محفظه 14 جابه جا می شود. نیتروژن در لوله 17 توسطیک کویل (18) پیش گرمادهی می شود تا از سردسازي بخار پتاسیم جابه جا شده به منظور سوخته شدن جلوگیري نماید. مخلوط نیتروژن و بخار پتاسیم از طریقیک لوله خروجی (19) که توسطیک کویل (20) حرارت داده می شود، عبور می کند. کویل 20 نیز می خواهد از سرد شدن پتاسیم جلوگیري نماید. از لوله خروجی 19 بخار نیتروژن و پتاسیم وارد محفظه سوختن (21) می شود. در این محفظه (21) هوا نیز از طریقیک لوله (22) وارد می شود. هنگامی که هوا و بخار پتاسیم بهیکدیگر می رسند به سرعت محترق می شوند و پودر نرم سوپراکسید تولید می شود. بسیاري از این پودر به آرامی هنگامی که نیتروژن و هواي بدون مصرف بیرون می روند در محفظه 21 ته نشین می شود. برخی از سوپراکسیدها به همراه گاز خروجی از محفظه 21 خارج می شوند که توسط ته نشین کننده مرسوم


کترل(23) 1 در مجراي جمع کننده (24) جمع می شوند. هواي بدون مصرف و نیتروژن نیز از سیستم توسط دریچه 25 خارج می شوند. به غیر از کترل می توان از جمع کنندههاي دیگر نیز استفاده کرد.

لازم است تا حد امکان اکسیژن و نیتروژن مصرفی خالی از رطوبت باشند چون ممکن است پتاسیم هیدروکسیدیا اکسیدهاي با درجه پایین تر تشکیل گردد. در ضمن نبود کربن دي اکسید به منظور عدم تشکیل کربنات به همراه محصول پایانی ضروري است. سایر گازهاي خنثی مانند هلیم را نیز می توان به جاي نیتروژن استفاده نمود اما استفاده از نیتروژن عملی تر است. توجه داشته باشید که این فرآیند براي تولید سایر سوپراکسیدها تنها براي تهیه سدیم سوپراکسید امکان پذیر است. براي لیتیم و کلسیم استفاده از این روش به جاي سوپراکسید منجر به تولید پراکسید می شود.[6]

-4 -3 تبدیل فلز قلیایی به مونوکسید و سپس تبدیل مونوکسید به سوپراکسید

در این روش در ابتدا فلز خالص به ترکیبی که تقریبا از مونوکسید فلز است تبدیل می شود. این کار با قرار دادن سطح فلز خالص و مذاب در برابر اتمسفري اکسیدکننده انجام می گیرد. مقدار اکسیژن این اتمسفر کمتر از %10 است زیرا هر مقدار بیشتر می توانست شرایطی قابل انفجار را به علت افزایش جرم شرکت کننده در واکنش و فشار بخار فلز به وجود بیاورد. اکسیدهاي با درجه بالاتر، مانند سدیم و پتاسیم سوپراکسید، از قرار گرفتن سطح مونوکسید فلز مذاب در برابر سیال اکسیدکننده تشکیل می شوند. اما این قسمت از واکنش به اندازه کافی گرمازا نیست تا واکنش ادامهیابد و باید گرماي آن را به صورت پیوسته فراهم نماییم.یکی از مشکلات این روش آرام انجام گرفتن واکنش و غیریکنواخت بودن محصول تولیدي است. علت غیریکنواختی حرکت باریک و ظریف مواد است و به ظاهر کنترل آن دشوار می باشد. این روش به وضوح براي تجاري شدن بسیار گران است زیرا به دستگاههاي عریضی به منظور قرار دادن سطح مواد در برابر اتمسفر اکسید کننده در دو مرحله نیاز دارد و همچنین براي اجراي مرحله دوم از پروسه، به اضافه کردن مقدار زیادي گرما به صورت پیوسته نیاز دارد. به منظور سرعت بخشیدن به این نوع رویه، پیشنهاد شده است که فلز مذاب به صورت لایههاي نازکی در برابر اتمسفر اکسیدکننده باشند. اینچنین رویهاي بدون شکیکنواختی را بهبود می بخشد؛ اما به زمان زیادي براي اجراي کامل واکنش نیاز داریم. محصولات تولیدي از این روش چگال و سخت هستند و به منظور استفاده در دستگاههاي بازیابی هوا مناسب نیستند. در برخی موارد حتی محصول به سختی در آب حل می شود.[1]

-5 -3 تولید پراکسی هیدرات و سوپراکسید از پراکسید فلزات قلیایی

در اینجا ابتدا به تولید پراکسی هیدرات فلزات قلیایی می پردازیم و سپس می توان با تجزیه این پروکسی هیدرات به سوپراکسید مورد نظر برسیم. هنگامی که H2O2وارد شبکه کریستالی نمک مورد نظر بشود پروکسی

هیدرات این نمک تشکیل می شود. یکی از روشهاي تولید این پروکسی هیدرات اضافه کردن نمک مورد نظر به محلول با غلظت بالاي هیدروژن پراکسید زیاد و غلظت پایین آب است. اما در عمل هیدروژن پراکسید ماده اي گران
است و به دلیل حضور آب در کنار آن ممکن است به جاي پروکسی هیدرات، هیدرات ویا مخلوطی از هیدرات و پراکسی هیدرات تشکیل شود.
در گذشته با اکسیداسیون هیدرازوبنزن (C6H5NHNHC6H5) در حضور سدیم متیلات (CH3ONa)، سدیم

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید