دستگاه پلاسمای سرد ازن ژنراتور

می‌دانید که ماده می‌تواند در سه حالت جامد، مایع یا گاز وجود داشته باشد. واقعیت این است که می‌توان حالت‌های دیگری را نیز برای ماده قائل شد. در این مطلب قصد داریم تا مفاهیم مربوط به حالت پلاسما را توضیح دهیم.

ما در سیاره‌ای زندگی می‌کنیم که در لایه‌ای از گاز قرار گرفته است. این گاز، ترکیبی از اکسیژن و نیتروژن محسوب می‌شود. اگر از سطح زمین فاصله بگیریم، شرایط جوی بسیار متفاوت خواهد بود. در فاصله‌ای حدود ۸۰ کیلومتر بالاتر از جو زمین، ترکیب اصلی اتمسفر به صورت مخلوطی از بار‌های مثبت و منفی است. در حقیقت در این فاصله از زمین ساختار جو، به صورت یونیزه در آمده.
ساختار یونیزه به ترکیبی اشاره دارد که در آن، ذرات باردارِ مثبت، منفی و خنثی به صورت مخلوط کنار هم قرار گرفته باشند. به این حالت از ماده،‌ «پلاسما» (Plasma) گفته می‌شود. معمولا پلاسما را به عنوان حالت چهارم ماده می‌شناسند. بسیاری از ستاره‌شناسان معتقدند پس از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ، در ابتدا این حالت از ماده تشکیل شده‌ است.

نحوه ایجاد و انواع مختلف پلاسما:

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.
اگر به ارتفاع بیشتری برویم، بخش بسیاری از اتمسفر را ترکیبات یونی تشکیل می‌دهند. جالب است بدانید که ۹۹ درصد از مواد تشکیل دهنده کیهان به صورت پلاسما است.

 ۴ حالت شناخته شده برای مواد

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. در حالت کلی سه نوع پلاسمای زمینی، ستاره‌ای و مصنوعی وجود دارد. در ادامه نمونه‌هایی برای هریک از این پلاسماها ذکر شده است.

 پلاسمای مصنوعی

نمایشگر‌های پلاسما

لامپ فلوئورسنت

پلاسمای استفاده شده در لایه نشانی

لیزر پلاسما

پلاسمای زمینی

رعد و برق

شفق قطبی

لایه یونوسفر

شعله‌های بسیار داغ

پلاسمای ستاره‌‌ای

ستاره‌ها

طوفان‌های خورشیدی

سحابی بین ستاره‌ای

فضای بین سیاره‌ها، ستاره‌ها و کهکشان‌ها

ویژگی‌های پلاسما

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.

پلاسمای مصنوعی – سرد و گرم

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.

کاربرد‌های پلاسمای مصنوعی

از پلاسمای گرمایی در صنایع مختلف خصوصا در صنعت لایه‌نشانی، خالص‌سازی مواد و تولید سطح استفاده می‌شود. نمونه‌هایی از کاربرد‌های پلاسمای گرم در ادامه ذکر شده‌اند:

تولید قوس الکتریکی در نور‌افکن‌ها

فرآیند پوشش پلاسمایی

تولید جرقه به منظور بریدن و جوش دادن فات

تولید انرژی در فرآیند همجوشی هسته‌ای

اگرچه دانشمندان به دنبال درک عمیق‌تر ساختار‌ و ویژگی‌های پلاسما هستند، با این حال استفاده از پلاسمای سرد یا غیرگرمایی در تکنولوژی‌های جدید رو به رشد است. برای نمونه در تولید اجزاء سخت کامپیوتر، از فرآیند رسوب‌دهی شیمیایی بخار مبتنی بر پلاسما، به منظور تولید مدار مجتمع استفاده می‌شود. در ادامه نمونه‌هایی از کابرد‌های پلاسمای سرد ارائه شده است.

لامپ‌های فلوئورسنت

نمایشگر‌های پلاسما

کنترل‌کننده‌های محیطی

لوازم تزیینی

نمایشگر‌های پلاسما

صفحه نمایش‌های پلاسما،‌ از دو لایه شیشه‌ای تشکیل شده، که لایه‌ای نازک از پیکسل بین آن‌ها قرار گرفته است. هریک از پیکسل‌ها از سه سلول گازی تشکیل شده. گاز موجود در سلول‌ها ترکیبی از نئون و زئون است. هریک از این سلول‌ها به نحوی با فسفر رنگ‌آمیزی شده‌اند که هنگام تابش نور آبی، سبز یا قرمز را ساطع می‌کنند.
شبکه‌ای از الکترود‌ها جریان الکتریکی را بین منبع و سلول‌ها برقرار می‌کنند. زمانی که جریان الکتریکی برقرار شود، گاز درون سلول‌ها به صورت پلاسما در آمده (یونیزه می‌شوند) و نور فرابنفش ساطع می‌کنند. فسفر درون سلول‌ها این تابش را دریافت کرده و نور‌های سبز، قرمز یا آبی ساطع می‌کنند.
این‌که یک نمایشگر چه تعداد پیکسل داشته باشد، وابسته به رزولوشن صفحه است. برای نمونه یک صفحه با رزولوشن 1280×7201280×720دارای 1280×720=921,6001280×720=921,600 پیکسل است. هر پیکسل دارای ۳ سلول است، بنابراین صفحه دارای 3×921,600=2,764,8003×921,600=2,764,800سلول خواهد بود.

کاربرد ازن در تصفیه آب آشامیدنی:

یکی از اساسی ترین اهداف تصفیه آب گند زدائی یا ضد عفونی نمودن آب جهت مناسب نمودن برای شرب می باشد. تاکنون برای گند زد ائی آب روشهای مختلفی ارائه گردیده است که مهمترین آنها کلرزنی ، ازن زنی واستفاده از دی اکسید کلر ، برم ، ید ونیز اشعهUV می باشد.

یکی از اساسی ترین اهداف تصفیه آب گند زدائی یا ضد عفونی نمودن آب جهت مناسب نمودن برای شرب می باشد. تاکنون برای گند زد ائی آب روشهای مختلفی ارائه گردیده است که مهمترین آنها کلرزنی ، ازن زنی واستفاده از دی اکسید کلر ، برم ، ید ونیز اشعهUV می باشد.
عمومی ترین روش گند زدائی در جهان کلر زنی می باشد که از دلایل عمده استفاده از آن می توان موثر بودن در غلظت پائین ، ارزان ودر دسترس بودن ونیز داشتن باقیمانده در آب پس از عمل گند زدائی را نام برد. با توجه به تشکیل ترکیبات آلی کلرینه وسایر ترکیبات تری هالومتان[۱] در اثر گند زدایی با کلر که عوارض نامطلوبی را برای مصرف کنندگان به همراه دارد استفاده از گند زدا های جدید روز به روز ابعاد وسیع تری می یابد.
ازن از جمله ترکیباتی است که با توجه به خواص ویژه خود ، نزدیک به یک قرن است که بعنوان گند زدا در آب آشامیدنی توسط کشورهای اروپایی مورد استفاده قرار گرفته است . اولین کار برد ازن در سال ۱۸۹۳ در کشور هلند وبرای تصفیه خانه ای که از آب رودخانه راین تغذیه می نمود صورت پذیرفت . امروزه بیش از یک هزار تصفیه خانه آب از ازن بعنوان بخشی از تصفیه شیمیائی استفاده می کنند که اغلب آنها در کشورهای غربی بویژه فرانسه ، سوئیس وکانادا قرا دارند . بزرگترین تاسیسات گند زدائی با ازن در مناطق پاریس ومونترال بکار گرفته شده است .

● خواص فیزیکی وشیمیائی ازن:

ازن یکی از اشکال آلوتروپی[۲] اکسیژن بوده وگازی آبی رنگ با بوی تند وناپایدار می باشد . این ترکیب یک اکسید کننده قوی بوده وبسیار قوی تر از اسید هیپوکلرو( ماده موثر گند زدایی کلر در آب ) می باشد. حلالیت ازن در آب ۱۲ مرتبه کمتر از حلالیت کلر بوده ومحلول آبی آن نیز ناپایدار می باشد.
با توجه به ناپایداری گاز ازن ، باید درمحل مصرف ونیز زمان مصرف تولید شود ونمی توان آنرا مثل کلر ذخیره نمود. با توجه به حوادث زیادی که در خصوص ترکیدن سیستم های ذخیره ونگهداری کلر بوقوع پیوسته است این محدودیت وماً جزء معایب استفاده از گاز ازن محسوب نمی شود. لکن عدم امکان ذخیره آن در مواردی موجب توقف یا اشکال در امر استفاده از سیستم گند زدا می گردد.
● خصوصیات بیوشیمیائی ازن
نقش ازن در تصفیه آب وپساب بعنوان یک عامل اکسید کننده ویک ترکیب میکروب کش حائز اهمیت بوده و د رمحیط آبی خصوصیات مشابهی با کلر دارد . از اینرو این دو ماده بعنوان رقیب یکدیگر ودر مواردی مکمل یکدیگر مطرح می باشند. ازن دارای دو خاصیت بسیار مهم در ارتباط با محیط اطراف خود می باشد:

۱) قدرت گند زدائی بالا

خصوصیات میکروب کشی ازن بیانگر پتانسیل بالای اکسید اسیون آن می باشد. تحقیقات نشان می دهد که گند زدائی توسط ازن حاصل اثر مستقیم آن برباکتریها وتجزیه دیواره سلولی باکتریها می باشد . که از این نظر با مکانیسم عمل کلر در فرایند گند زدائی متفاوت است. با توجه به قدرت بالای گند زدائی ازن در مقایسه با کلر وسایر گناها ، زمان کمتری جهت تکمیل فرایند گند زدائی نیاز می باشد. بررسی ها همچنین بیانگر توانائی بیشتر ازن در از بین بردن ویروسها در مقایسه با کلر می باشد.

۲) ازن به عنوان یک اکسید کننده قوی

ازن مصارف زیادی در تصفیه آب آشامیدنی از قبیل کنترل طعم وبو کنترل رنگ وحذف آهن ومنگنز علاوه بر گند زدائی دارد . قدرت این اکسید کننده در شفاف سازی منابع آب با کیفیت پائین مانند آبهای بازیافتی مهم می باشد. ازن مواد معدنی را بطور کامل اکسید نموده وموجب ته نشینی وحذف آنها می گردد. اهمیت عمده ازن در قابلیت شکستن ترکیبات آلی همراه با آهن ومنگنز می باشد.
ازن در برطرف نمودن ترکیبات آلی مولد رنگ ، قوی وموثر نشان می دهد بطوریکه بعنوان یک عامل جلا دهنده خوب برای فاضلاب وحذف کننده رنگ در آب شرب کا ربردهای فراوانی یا فته است . ازن همچنین قادر است ترکیبات فنولیک ودیگر ترکیبات مولد طعم را در آب شرب از بین ببرد. تحقیقات نشان داده است که ازن می تواند آفت کشهای مالاتیون وپاراتیون را که ترکیباتی سرطان زا وخطرناک هستند به اسید فسفریک ( بی خطر) تبدیل نماید.

اخیراً در خصوص استفاده از ازن به منظور کنترل وحذف کدورت ومواد آلی در مقررات E PA [۳]رهنمود هایی ارائه گردیده است .
● کنترل کدورت
در یک تصفیه خانه متعارف که از آب سطحی بعنوان ورودی استفاده می نماید اولین مرحله تصفیه حذف کدورت می باشد که براساس کیفیت آب خام ورودی باید تعیین نمود که مقدار پیش ازن زنی با مقادیر کم مناسب است یا خیر؟ برای آبهای با کدورت زیاد مصرف مقدار کمی ازن باعث کاهش کدورت می شود در حالیکه مصرف مقدارزیاد ازن باعث افزایش کدورت میگردد.

اگر پیش ازن زنی در مقادیر کم صورت پذیرد نیاز به دو مرحله ازن زنی در سیستم متداول تصفیه آب می باشد درازن زنی با مقادیر کم همواره اولین مرحله مربوط به کنترل کدورت وحذف آهن ومنگنز می باشد. در مرحله دوم ازن زنی ، مواد آلی مولد طعم وبو ورنگ وDOC [۴] با استفاده از مقادیر بیشترازن وتماس زیاد اکسید می شوند.

اگر پیش ازن زنی برای آبهای با کدورت کم در نظر گرفته شود اغلب مقادیر کم ازن کفایت می نماید ودر نتیجه تمام مراحل اکسید اسیون به منظور انجام گند زدائی اولیه در یک نقطه صورت می پذیرد. در این گونه موارد معمولاً از فیلتراسیون مستقیم جهت عملیات صاف سازی استفاده می شود وازن از طریق ناپایدارکردن ذرات معلق وخنثی سازی بار ذرات کلوئیدی موجبات حذف کدورت را فراهم می نماید. این امر موجب انجام مناسب تر فرایند انعقاد وصرفه جوئی در مصرف مواد شیمیائی مورد نیاز می گردد به گونه ای که صرفه جویی حاصل از مصرف مواد با افزایش هزینه های مربوط به نصب سیستم ازن زنی مطابقت می نماید.

● محصولات جانبی حاصل از گند زدائی با ازن

در غیاب یون برمید در آب ، محصولات جانبی حاصل از ازن زنی شامل اسید هایی با وزن ملکولی کم وغیرها لوژن دار ، آلدهید ها، کتون ها [۵]و الکل ها می باشند که این ترکیبات اغلب توسط میکرو ارگانیسم های موجود در آب قابل تجزیه بیولوژیکی می باشند ومعمولاً برای مصرف کنندگان بی خطر هستند . بطور معمول در آبهای سطحی مقدار کمی یون برمید یافت می شود که در اثر ازن زنی به یون برمات ) ۳BrO ) ومحصولات جانبی دیگر تبدیل می شود . این محصول همانند محصولات حاصل از کلر زنی خطراتی جدی برای سلامتی ایجاد می نماید.

پیش ازن زنی باعث تغییر شکل مواد آلی موجود در آب خام می گردد ازن ، مواد آلی دارای زنجیره طولانی و با تعداد ملکول زیاد را به مواد غیر قابل تجزیه بیولوژیکی ونیز برخی ترکیبات کوچکتر قابل تجزیه تبدیل می نماید. این امر بطور همزمان موجب افزایش اکسیژن محلول آب می گردد وشرایط برای رشد باکتریها ی هوازی مهیا می شود. در صورت استفاده از فیلترهای کربن فعال گرانولی (GAC ) در بخش فیلتر اسیون ، مواد آلی بر روی منافذ وسطح کربن فعال گرانولی جذب می شوند ولذا فیلتر بعنوان منبع تغذیه ورشد باکتریها ایفای نقش می نماید . در این صورت آبی که از چنین فیلتر هایی عبور می نماید مواد آلی را در سطح فیلتر باقی گذاشته واز رشد باکتریها درآب پس از فیلتر جلوگیری بعمل می آورد.