بسم الله الرحمن الرحیم

نام محقق:سید محسن قوامی

رشته: نفت اکتشاف

نام استاد:سرکار خانم رومینا شکیبا زاده

 تحقیق اول

تعریف بسپار (پلیمر)

واژه بسپار یک واژه فارسی است که از دو بخش بس (بسیار) و پار (پاره، قطعه) تشکیل شده است. این واژه به جای پلیمر که از دو بخش یونانی (پلی) به معنای بسیار و(مر) به معنی قسمت، پاره یا قطعه گرفته شده است.بسپار یا پلیمر polymer ماده‌ای شامل ملکول های بزرگی است که از واحد های کوچک تکرار‌شونده که تکپار یا منومر نامیده می‌شود ساخته شده است .

قسمت عمده خوراک بسپار‌ها از موتد پایه پتروشمی مانند اتیلن، پروپیلن، بنزن و زایلین‌ها تامین میگردد که تنها 5 درصد از مصرف انرژی فسیلی جهان (نفت ، گاز و ...) را به خود اختصاص داده است. تولید کنندگان بسپار، سازنده هزاران هزار محصول با ارزش قبیل لاستیک‌ها، پلاستیک‌ها، الیاف، چسب‌ها و پوشش ها و ... می‌باشند که نه تنها از ارزش افزوده بسیار بالاتری نسبت به مواد اولیه بر خوردارند، بلکه توسعه صنایع پایین دستی را نیز به همراه می آورد .

  انواع بسپار

تعداد واحد‌های تکرار شونده در یک مولکول بزرگ، درجه بسپارش یا درجه پلیمریزاسیون نامیده می‌شود. بسپارهایی که فقط از یک نوع واحد تکرار شونده تشکیل شده اند، همگون بسپار (Homopolymer) و آنهایی که از دو نوع واحد تکرار شونده تشکیل شده‌اند، هم بسپار (copolymer) نامیده می‌شوند. گاهی لفظ‌ ترپلیمر (Terpolymer) نیز برای محصولات حاصل از بسپارش سه تک پار (منومر) به کار می‌رود. در عین حال، در مورد محصولاتی که با بیش از سه تک پار بسپارش شده‌اند، لفظ ناهمگون بسپار  (Hetrerpolymer) رایج است. بیشتر مواد اساسی همچون پروتئین، چوب، کتان، مو، پشم، لاستیک خام (کائوچو) و رزین ها که در موجودات زنده یافت میشود، بسپار هستند .

بسپارها را می توان از دیدگاه های مختلف طبقه بندی نمود مانند: صنایع، منبع، اساسی یا مهندسی، عبور نور، واکنش حرارتی، واکنش‌های پلیمریزاسیون‌، ساختمان مولکولی و ساختمان کریستالی .

بسپار‌ها از لحاظ منبع به سه گروه اصلی تقسیم بندی می‌شوند که عبارتند از: بسپار های طبیعی، طبیعی اطلاح شده و مصنوعی. بسپارها از نظر اثرپذیری در برابر حرارت به دو دسته گرما نرم‌ها (ترموپلاستیک‌ها ) و گرما سخت‌ها (ترموست ها) تقسیم می‌شوند. گرما نرم یا ترمو پلاستیک (Thermoplastic) به بسپارهایی گفته می‌شود که با افزایش دما بدون تغییر شیمیایی، ذوب می‌شوند. این پلیمرها را می توان به دفعات ذوب و دوباره جامد نمود. چنین بسپارهایی در حالت مذاب مانند مایعات جاری می‌شوند و از این لحاظ با بسپار‌های دارای اتصالات عرضی متمایزند .

گرما سخت یا ترموست (Thermoset) به بسپارهایی گفته می‌شود که در اثر اعمال حرارت در آنها  پیوند‌های عرضی با واکنش‌های شیمیایی ایجاد می‌شود و در نتیجه وزن مولکولی متوسط آنها بالا رفته و به حالت یکپارچه صلب درمی‌آیند. این بسپارها هنگام حرارت دهی ذوب نشده، بلکه در دماهای بسیار بالا به صورت برگشت ناپذیری تجزیه می‌شوند.ازنظر صنایع مادر، بسپارها به چهار گروه صنعتی لاستیک، پلاستیک، الیاف، پوششی و چسب تقسیم بندی می شوند که صنایع بسیاری به آنها وابسته است .

تاریخچه بسپار

بشر نخستین آموخته بود چگونه الیاف پروتئینی پشم و ابریشم و الیاف سلولزی پنبه و کتان را عمل آورد، رنگرزی کند و ببافد. از بسپارهای طبیعی مانند قیر، پوشش خارجی لاک پشت، شاخ حیوانات و صمغ درختان (که در ساخت کهربا و لاستیک استفاده می شده است) با استفاده از حرارت دادن و اعمال فشار وسائل تزئینی بسازد. بومیان آمریکای مرکزی از لاستیک طبیعی، برای ساختن اشیاء کشسان و پارچه‌های ضد آب استفاده می‌کردند. اولین کاربرد تجاری بسپارها در سال 1843 با کشف کائوچو آغازگردید. باکلیت (Bakelite) اولین بسپار مصنوعی بود که در سل 1909 ساخته و پس از آن الیاف نیمه مصنوعی ریون (Rayon) در سال 1911 ساخته شد.

با شروع جنگ موادی مانند نایلون، آکریلیک، نئوپرن، لاستیک بوتا دین استایرن (SBR)، پلی‌اتیلن و سایر بسپارها جایگزین مواد طبیعی کمیاب گردیدند. از آن زمان، سیر رشد صنایع بسپار ادامه یافت.

80 درصد مواد پایه پتروشیمی تا سال 1980 در کشورهای ایالات متحده آمریکا، اروپای غربی و ژاپن تولید میگردید که ضمن تامین نیاز داخل به دیگر مناطق نیز صادر می‌شد. از آن پس ساختار جهانی صنعت پتروشیمی تغییرات قابل توجهی پیدا کرد. کشورهای که از منابع عظیم نفت خام و گاز طبیعی بهره‌مند بودند مانند کشورهای خاورمیانه و کانادا، به منظور افزایش ارزش افزوده منابع خود شروع به تاسیس واحدهای پتروشیمی نمودند.

از طرفی کشورهای سنگاپور، کره جنوبی و تایوان به منظور تامین نیاز صنایع داخلی خود و نیز صادرات به کشورهایی نظیر چین، ظرفیت‌های زیادی برای تولید مواد پایه پتروشیمی ایجاد کرده‌اند. رشد مصرف بالای ناشی از رشد سریع جمعیت برخی کشورها نظیر چین و هند،‌ تقاضای مواد پایه این کشورها را افزایش داد. راه‌اندازی واحد‌های پتروشیمی در مناطق دیگر جهان که یا دسترسی به خوراک این صنعت داشته‌اند مانند عربستان سعودی و یا خود بازار هدف این محصولات بوده اند مانند چین ، الگوی تولید و تجارت جهانی را تغیییر داد. به طوریکه سهم ظرفیت مناطق صنعتی جهان (ایالات متحده آمریکا، اروپای غربی و ژاپن ) از تولید مواد پایه پتروشیمی از 81 درصد در دهه 1970 به 64 درصد در دهه 1980 و 63 درصد در دهه 1990 رسیده که پیش بینی می گردد این رقم در سال 2012 میلادی به 35 درصد کاهش یابد. در حال حاضر، ظرفیت جهانی مواد پایه پتروشیمی از قبیل اتیلن، پروپیلن، بنزن، متانول، زایلین‌ها،تولوئن و بوتادین بالغ بر 379 میلیون تن است .

الاستومر یا لاستیک

الاستومر، بسپاری است که قابلیت ارتجاعی زیادی داشته و می‌توان آنرا تراکم ناپذیر فرض کرد. نام الاستومر از دو قسمت الاستو" (برگرفته از "الاستیک" و به معنای ارتجاعی) و "مر"(بر گرفته از "پلیمر") تشکیل شده است .

هر چند قدمت تاریخی صنایع لاستیک دقیقاً مشخص نیست، اما اعتقاد بر این است که بومیان آمریکای مرکزی از برخی درختان، شیرابه هایی استخراج می‌کردند که بعد ها نام (لاتکس) را به خود گرفت که اولین مواد لاستیکی را تشکیل می‌دادند. مشکل اساسی این لاستیک سفت شدن در زمستان و چسبنده بودن در تابستان بود. تا اینکه در سال 1839 چارلز گودیر متوجه شد که در اثر مخلوط کردن لاتکس طبیعی با گوگرد و حرارت دادن آن، ماده ای قابل ذوب و قابل شکل دادن ایجاد می‌شود که مشکلات قبلی آن برطرف شده و کاملا مقاوم و مستحکم است و میتوان از آن، محصولات مختلفی از قبیل لاستیک های توپر، پوتین، چرخ اربه، توپ و... تهیه کرد. این پدیده ولکانیزاسیون ولاستیک حاصله را"کائوچوی ولکانیزه" نامیدند.

بعدها خواص مکانیکی لاستیک‌ها با استفاده از دوده صنعتی (کربن بلک) به عنوان یک ماده پرکننده افزودنی استحکام دهنده، بهبود یافت و در نتیجه، لاستیک های بادی و( تیوپ) تهیه شد. بعد از آن، لاستیک‌های سننتزی مانند ایزوپرن، بوتادی‌ان، کلروپرن و ...بعد‌ها لاستیک‌های سنتزی مثل کوپلیمرهای استایرن و بوتادی‌ان تهیه و به بازار عرضه گردید. تولید انواع لاستیک مصنوعی، انقلابی در صنایع دیگر ایجاد نمود .

   کاربرد لاستیک‌ها

مهمترین کاربرد لاستیک‌های سنتزی، در ساخت انواع تایر اتومبیل سواری، کامیون و هواپیما، ساخت کفش، تسمه و نوارهای نقاله، مصنوعات ابر شکل، روکش کابل و سیم، لوله ها و وسائل لاستیکی است. همچنین از این ماده ارزشمند در صنایع پالایش، شیمیایی، رنگسازی، چرم مصنوعی، پوشش نخ و پارچه، نوارهای لاستیکی، پوشش مخازن و لوله ها، لاستیک های ضربه گیر و صدا گیر، ساخت قطعات مکانیکی، واشرها و ... استفاده می‌گردد.

الیاف مصنوعی

از آغاز پیدایش انسان، همواره چگونگی پوشش و نجات او از سرما مطرح بوده است. مصریها نزدیک به 5500 سال پیش، هنر ریسندگی و بافندگی پنبه را آموختند و چینیها با پرورش کرم ابریشم در حدود 3600 سال پیش، مشکلات پوشش خود را حل کردند. درسده هفدهم، دانشمند انگلیسی بنام رابرت هوک Robert- Hooke پیشنهاد کرد که می توان الیاف را با توجه به شیوه ای که کرم ابریشم عمل می‌کند ، تولید نمود. پس از آن، یک بافنده انگلیسی به نام لویزشواب Lois-Schwabe توانست الیاف بسیار ظریف شیشه را با عبور شیشه مذاب از منافذ بسیار ریز تهیه نماید. پس از چندی، سایر دانشمندان موفق به استخراج سلولز چوب و در نتیجه تولید الیاف شدند در سده های هجده و نوزده، همراه با انقلاب صنعتی، ریسندگی و بافندگی، مبدل به تکنولوژی تهیه پارچه از الیاف گوناگون طبیعی و مصنوعی گردید .

انواع الیاف

در صنعت نساجی، الیاف به سه دسته تقسیم می شوند که عبارتند از :

الیاف طبیعی Natural fibres شامل دو بخش الیاف نباتی مانند : پنبه، کتان، کنف و الیاف حیوانی مانند پشم و ابریشم می‌باشند .

الیاف کانیMineral fibres الیافی هستند که مواد اولیه آنها از کانی ها به دست می‌آیند مانند الیاف شیشه ای و الیاف فلزی.الیاف مصنوعی به گروهی از الیاف نساجی گفته می‌شود که توسط روش‌های خاص تولید و بصورت مصنوعی تولید می‌گردند که خود بر دو دسته اند .

- الیافی که منشا طبیعی دارند ،ولی توسط انسان دوباره تهیه می شوند مانند ویسکوز ، استات و تری استات که هر یک ریشه سلولزی دارند .

- الیاف سینتتیک یا مصنوعی که از مشتقات نفتی تولید می‌گردند ، مانند: نایلون، داکرون، ارلون یا بطور کلی پلی‌آمیدها، پلی‌استر ها‌، پلی اورتانها‌، پلی آکریل و نیتریل، پلی وینیل کلراید و ...

ویژگی الیاف مصنوعی

الیاف مصنوعی در تولید انواع لباس های مردانه، زنانه، جوراب و دستکش، کمربند و مچ بند، لباس‌های ورزشی، انواع فرشهای ماشینی و موکت، کاموا و پتو، رویه مبلمان، پرده، تورهای ماهیگیری، بالن‌ها، چتر نجات، چتر و بارانی، کیف، نخ بخیه، رویه‌کفش، عروسک‌سازی، عایق‌های الکتریکی، وسائل ورزشی، پوشش‌های ضد رطوبت،‌ ضد حرارت، لباس فضا نوردان و ... مورد استفاده قرار می گیرد .

گریدهای مختلف بسپارهای اساسی 

    عمده بسپارهای پرمصرف تولیدی در صنعت پتروشیمی، شامل پلی‌اتیلن، پلی‌اتیلن‌ترفتالات، پلی پروپیلن، پلی وینیل کراید، پلی‌استایرن و اکریلونیتریل بوتادین استایرن است. پلی‌اتیلن که عمدتا در سه گروه پلی اتیلن سنگین، سبک و سبک خطی تولید می‌گردد پر مصرف ترین بسپار جهان است. رشد سریع مصرف پلی اتیلن ترفتالات و پلی پروپیلن نسبت به پلی وینیل کلراید باعث گردید که این بسپار از مقام دومین بسپار پر مصرف جهان به مقام چهارم پس از پلی اتیلن تر فتالات و پلی پروپیلن نزول نماید. پلی استایرن و اکریل و نیتریل بوتادین استایرن نیز در مراتب بعدی پس از پلی وینیل کلراید قرار دارند .

پلی اتیلن

اتیلن، سبکترین الفین است که گازی بی رنگ، قابل اشتعال و با بویی تقریبا شیرین است. پلی اتیلن بسپاری است که از اتیلن درست می شود. رزین های پلی اتیلن به دلیل برخورداری از ویژگی‌هایی نظیر انعطاف پذیری بالا، مقاومت خوب در مقا بل اسیدها، بازها و نمک‌ها (به استثنا مواد اکسید کننده قوی) و آب، در محصولات بیشماری بکار رفته و به همین دلیل، امروزه بیشترین تولید بسپار جهان را به خود اختصاص داده است . در حال حاضر ، مصرف جهانی این بسپار بالغ بر 69 میلیون تن ، معادل 31 درصد کل مصرف بسپارهای پر مصرف جهان است. سه گروه اصلی این بسپار، پلی اتیلن سنگین، پلی اتیلن سبک و پلی اتیلن سبک خطی می‌باشد .

پلی اتیلن سنگین HDPE

فشردگی زنجیره مولکولی در این نوع بسپار باعث افزایش دانسیته و کاهش شدید انعطاف پذیری آن می‌گردد . این بسپار اگرچه نسبت به پلی اتیلن سبک از مقاومت ضربه ای کمتری بر‌خوردار است، اما مقاومت آن در برابر مواد شیمیایی تنش‌های شکننده محیطی خوب است. لذا در ساخت انواع محصولات تجاری مانند ظروف نگاه دارنده سوخت، صندلی های مورد استفاده در فضای باز، اسباب بازی‌ها، جامه دان‌ها، لوله‌ها، روکش کابل و سیم و ... بکار می رود.

پلی اتیلن سبک LDPE

پلی اتیلن سبک به لحاظ فشردگی کم مولکولی از دانسیته پایین و در نتیجه انعطاف پذیری خوبی برخوردار است، چنین ویژگی باعث گردیده که این محصول در ساخت فیلم و ورق جهت مصرف در روکش‌های طلقی شفاف، آستر‌های بسته بندی ، کاورها، ظروف تحت فشار، روکش کابل و سیم و... مصرف می‌گردد.

پلی اتیلن سبک خطی

این بسپار از دانسیته کمتری نسبت به پلی اتیلن سبک برخوردار است، در مقابل پارگی و سوراخ شدن مقاومت، استحکام و کشش بهتری از خود نشان می‌دهد. این بسپار، جهت تولید فیلم بسته بندی، روکش کابل و سیم، بطری و ظرف، اسباب بازی، ورقه، لوله و... بکار می رود. آسیا، آمریکای شمالی و اروپای غربی به ترتیب، بزرگترین تولید کنندگان پلی اتیلن جهان می باشند.

      تولید پلی اتیلن سبک خطی در سال 2002 بالغ بر 9/14 میلیون تن بوده است که با رشد 7/5 درصدی به 6/19 میلیون تن در سال 2007 رسید. پیش بینی می‌گردد که تولید این بسپار به حدود 26 میلیون تن در سال 2012 افزایش یابد. این بسپار به دلیل ویژگی های منحصر به فرد، از رشد مصرف بالاتری نسبت به پلی اتیلن‌‌های سبک و سنگین برخوردار است. بطوریکه پیش بینی می‌گردد تا سال 2017 مصرف این پلیمر با متوسط رشد مصرف سالانه 4/5 درصد به حدود 34 میلیون تن (34 درصد مصرف کل پلی اتیلن ها ) با لغو گردد . همچنین پیش بینی می‌گردد که در سال 2017، پلی اتیلن سنگین با مصرف حدود 46 میلیون تن حدود 46 درصد مصرف کل پلی اتیلن ها را به خود اختصاص دهد . هر چند به ظاهر، بازار مصرف پلی اتیلن سبک اشباع گردیده است، اما پیش بینی می‌گردد که مصرف این بسپار از حدود 7/17 میلیون تن کنونی به حدود 7/20 میلیون تن در سال 2017 افزایش یابد.

پلی اتیلن ترفتالات

این پلاستیک گرما نرم که تحول عظیمی در نگهداری مواد غذایی (مایعات) ایجاد کرده، به علت بر خورداری از استحکام بالا و تحمل فشار بیش از PSI100 و مقاومت در برابر عبور گاز دی اکسید کربن ، کاربرد بسیار وسیعی در نگهداری انواع نوشابه های گاز کربنیک دار یافته است. این بسپار که عمدتاٌ در دو گرید بطری و الیاف تولید می گردد. دومین بسپار پر مصرف جهان است.

گرید بطری

همانطور که از اسم این گرید پیداست، از این گرید در نگهداری انواع نوشیدنی‌های گاز کربنیک دار استفاده می‌شود. در حال حاضر، مصرف جهانی آن 2/14 میلیون تن است که معادل 7/6 درصد بسپارهای پرصرف جهان می باشد و پیش بینی می‌گردد تا سال 2017 به حدود 8/26 میلیون تن افزایش یابد.

گرید الیاف

این گرید در تولید انواع پارچه و پوشاک بکار می رود بهترین تشابه را با پنبه طبیعی دارد. در حال حاضر، مصرف جهانی گرید الیاف، 29 میلیون تن می‌باشد که حدود 6/13 درصد مصرف بسپارهای پر‌مصرف جهان است. پیش بینی می‌گردد که میزان مصرف این بسپار به حدود 3/41 میلیون تن در سال 2017 بالغ گردد. داکرون و ترویرا، نام تجاری برخی از الیاف پلی اتیلن تر فتالات می‌باشد.

پلی پروپیلن

پلی پروپیلن، بسپاری گرما نرم است که ابتدا در سال 1951 توسط دکتر کارل رهن بدون پی بردن به اهمیت آن، درهوخست آلمان بدست آمد. اهمیت این بسپار با کشف مجدد آن توسط جولیوناتا در سال 1954 آشکار گردید .

پلی پروپیلن با مصرف سالانه 6/45 میلیون تن و اختصاص 20 درصد از مصرف بسپار های اساسی، سومین بسپار پر مصرف جهان است. قابلیت افزایش پرکننده، تقویت کننده و دیگر اصلاح کننده‌ها، پلی پروپیلن را تبدیل به بسپاری پر مصرف و پر طرفدار نموده است. ظرفیت جهانی تولید این بسپار در سال 2002 حدود 4/39 میلیون تن بوده است که با رشد 5/4 درصدی به حدود 49 میلیون تن در سال 2007 رسیده است . پیش بینی می گردد مصرف جهانی پلی پروپیلن تا سال 2017 به 5/69 میلیون تن افزایش یابد .

پلی پروپیلن در صنعت اتومبیل در ساخت تزئینات داخلی، پروانه‌ها، کف‌پوش اتومبیل و جعبه باطری و همچنین در ساخت بدنه رادیو و تلویزیون، اجزای ماشین ظرف شویی، همزن‌های شست و شوگر، لوله، ساخت فیلم‌های بسته بندی برای صنایع غذایی و ساخت الیاف جهت تولید فرش، پشتی و گونی مورد استفاده قرار می‌گیرد. زیلو‌ها، چمن‌های مصنوعی، طناب های مقاوم در برابر پوسیدگی، تورهای ماهیگیری و قلم موها از کاربرد های دیگر پلی پروپیلن می‌باشد .

قابل توجه دانشجویان غیبت کرده!

دوستان عزیز که اسامی ان ها در زیر نوشته شده است بیشتر از 6 جلسه غیبت داشته اند. نمره پایانی ان ها از 15 محاسبه خواهد شد.

در غیر این صورت لطفا اعلام فرمایید یا به عنوان حذف بعلت غیبت اعلام شوند. حد اکثر تا تاریخ 21 / 3 / 91

فرصت برای تصمیم گیری خواهید داشت.

موفق باشید.

اسامی:

1- محمدیان عرفان

2- مروی مظاهر

3- یعقوبی محمد حسین

4- یکه فلاح علیرضا

5- بابایی غلامرضا

6- شهبازاده قره چشمه شایان

7- احمدی فرد نادر

8- اردستانی محمد جواد

9- اورنگ محمد

10- صالحی مهدی

11- داوطلب علی

12- صادقیان افشین

13- عنابستانی احسان

14- مفتخری اولنگی نژاد امیر حسین

15- میری سید محمد جواد

16- نامجو محمد

17- صادقیان لیلان علی

اوربیتال مولکولی (ناصر همامی 890170371 مهندسی نفت -شیمی عمومی)

الکترون‌های اتم‌های تشکیل دهنده یک مولکول در اوربیتال‌های مولکولی آن قرار می‌گیرند. اوربیتال مولکولی حاصل ادغام و یا تفاضل توابع موج دو یا چند اوربیتال اتمی است.

اوربیتال‌های مولکولی را به دو نوع پیوندی و ضدّ پیوندی تقسیم‌بندی می‌کنند.

اربیتال مولکولی پیوندی 

اگر برهم‌کنش بین اوربیتال‌های اتمی از نوع برهم کنش سازنده باشد در این صورت توابع موجی مربوط به اتمها با همدیگر جمع می‌شود و اوربیتال مولکولی حاصل شده از نوع پیوندی است.

اوربیتال مولکولی ضدّ پیوندی 

اگر برهم‌کنش بین اوربیتال‌های اتمی از نوع برهم کنش غیر سازنده یا مخرّب باشد در این صورت تفاضل توابع موجی مربوط به اتمها از همدیگر در نظر گرفته می‌شود و اوربیتال مولکولی حاصل شده از نوع ضدّ پیوندی است.

در شیمی بر حسب سطح انرژی اوربیتال‌های مولکولی بالاترین اوربیتال مولکولی دارای الکترون را HOMO و پایین‌ترین اوربیتال مولکولی فاقد الکترون را LUMO می‌نامند. کلمه HOMO مخفف Highest occupied molecular orbital است و کلمه LUMO مخفف Lowest unoccupied molecular orbital است.

از نمادهای σ ،π، و ... برای اوربیتال‌های مولکولی پیوندی و از نمادهای *σ* ،π، و ... برای اوربیتال‌های مولکولی ضدّ پیوندی استفاده می‌شود.

اوربیتال مولکولی σ زمانی تشکیل می‌شود که دو اوربیتال اتمی s که تقارن کروی دارند به همدیگر نزدیک شوند و یا دو اوربیتال اتمی p در امتداد یکدیگر به همدیگر نزدیک شوند. در این حالت هم‌پوشانی این اوربیتال‌ها اوربیتال مولکولی σ را می‌دهد.

اوربیتال مولکولی π زمانی تشکیل می‌شود که دو اوربیتال اتمی p به صورت موازی به همدیگر نزدیک شوند. در این حالت هم‌پوشانی این اوربیتال‌ها اوربیتال مولکولی π را می‌دهد.

بنام خدا

محمد حسینی

اوربیتال مولکولی:

نگاه اجمالی :

اوربیتال‌های مولکولی را با توجه به این که از همپوشانی کدام اوربیتال اتمی پدید آمده باشند، باحروف یونانی σ (سیگما) و π (پی) نمایش می‌دهند. موقع تشکیل یک پیوند دو اوربیتال مولکولی حاصل می‌شود که با توجه به سطح انرژی نسبت به اوربیتال‌های اتمی به اوربیتال‌های مولکولی پیوندی و ضد پیوندی شهرت دارند. به همان اندازه که اوربیتال مولکولی پیوندی ، مولکول را پایدار می‌کند، اوربیتال مولکولی ضد پیوندی باعث ناپایداری پیوندی می‌شود. با توجه به نارساییهای نظریه پیوند ظرفیت ، هوندا در سال 1928 و مولیکن در سال 1931 نظریه دیگری بر اساس مدل موج اتم در مورد چگونگی تشکیل پیوند کووالانسی ارائه دادند که نظریه اوربیتال مولکولی نام گرفته است و به کمک آن بسیاری از خواص مغناطیسی ، ترازهای انرژی ، خواص طیفی و ... را به روشنی می‌توان توجیه کرد. در این نظریه برعکس نظریه پیوند (که فقط دخالت لایه ظرفیت اتمها را در تشکیل پیوند در نظر می‌گیرد) بر اساس این نظریه ، تمام اوربیتالهای اتم می‌تواند در تشکیل اوربیتالهای مولکولی شرکت داشته باشد و این اوربیتالها بین چندین اتم و حتی در سراسر مولکول گسترده یا غیر مستقرند. برای مولکول نیز مانند اتم ، ترازهای انرژی در نظر گرفته می‌شود که الکترونهای مولکول آنها را مطابق اصل آفبا ، اصل طرد پائولی و قاعده هوند (همانند ترازهای انرژی در اتمها) اشغال می‌کنند. علاوه بر اوربیتالهای پیوندی و غیر پیوندی ، اوربیتالهای ضد پیوندی نیز در تشکیل پیوند و توجیه پایداری و یا ناپایداری مولکول در نظر گرفته می‌شود و به تعداد اوربیتالهای اتمی شرکت کننده ، اوربیتالهای مولکول تشکیل می‌شود.

شرایط همپوشانی اوربیتالها:

برای اینکه اوربیتالهای اتمی بتوانند در حد تشکیل پیوند یکدیگر همپوشانی کنند باید دو شرط زیر درباره آنها برقرار باشد: شرط انرژی فقط اوربیتالهایی می‌توانند با یکدیگر همپوشانی کنند که دریک سطح انرژی قرار داشته و یا سطوح انرژی آنها به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک باشد. مثلا اوربیتال 3p یک اتم کلر میتواند فقط با اوربیتال 3p اتم دیگر کلر همپوشانی کند. اوربیتال S اتم H نمی‌تواند با اوربیتال 1S یا 2S و … اتم کلر همپوشانی کند، زیرا در سطح انرژی بالاتری نسبت به آنها قرار دارد. شرط تقارن فقط اوربیتالهایی می‌توانند با یکدیگر همپوشانی کنند که نسبت به محور اصلی مولکول تقارن یکسانی داشته باشند. از اینرو ، مثلا اوربیتال S که تقارن کروی دارد، در تشکیل مولکولهای خطی می‌تواند با اوربیتال 2P که نسبت به محور اصلی مولکولی (محور Z) تقارن کامل دارد همپوشانی داشته باشد.

انواع اوربیتالهای مولکولی اوربیتال:

مولکولی پیوندی:

اوربیتال مولکولی که در آن چگالی در ناحیه بین هسته‌ها زیاد است. انرژی دو الکترون که در اوربیتال مولکولی پیوندی قرار می‌گیرند کمتر از هنگامی است که در اوربیتالهای اتمی بوجود آورنده آن قرار گرفته باشند.

اوربیتال مولکولی ضد پیوندی :

اوربیتال مولکولی که در آن چگالی الکترونی در ناحیه بین هسته‌ها کم است. انرژی دو الکترون که در اوربیتال مولکولی ضد پیوندی قرار می‌گیرند بیشتر از هنگامی است که در اوربیتالهای اتمی بوجود آورنده آن قرار گرفته باشند. اوربیتال

مولکولی غیر پیوندی:

 هر گاه دو اتم نتوانند به طریقی بهم نزدیک شوند که امکان همپوشانی اوربیتالهای آنها بوجود آید، همپوشانی اوربیتالها صورت نمی‌گیرد و در نتیجه ، اوربیتالهای اتمی به صورت غیر پیوندی در مولکول باقی خواهند ماند. اوربیتالهای مولکولی را نیز با حروف یونانی δ (سیگما) ، π (پی) و ... نشانه گذاری می‌کنند.

اوربیتالهای مولکولی سیگما:

اگر تشکیل یک مولکول دو اتمی را از طریق نزدیک شدن اتمها در امتداد یکی از محورها مثلا x به صورت خطی در نظر بگیریم، دو اوربیتال اتمی (مثلا 1S) به یکدیگر نزدیک می‌شوند و در نتیجه همپوشانی ، دو اوربیتال مولکولی پیوندی سیگما و ضد پیوندی سیگما را به وجود می‌آورند. تمام اوربیتالهای سیگما ، نسبت به محور بین دو هسته کاملا متقارنند و چرخش مولکول به دور این محور ، تغییر قابل مشاهده‌ای در شکل اوربیتال بوجود نمی‌آورد. اوربیتال مولکولی پیوندی نشان دهنده کاهش انرژی سیستم و اوربیتال مولکولی ضد پیوندی نشان دهنده افزایش انرژی سیستم است. هر اوربیتال مولکولی می‌تواند دو الکترون با اسپین مخالف را در خود جای دهد. در مولکول هیدروژن ، دو الکترون (با اسپینهای جفت شده) اوربیتال 1S δ را که اوربیتالی در دسترس با حداقل انرژی است اشغال می‌کنند. اوربیتال δ*1S اشغال نشده است. تعداد پیوند (مرتبه پیوند) ، در هر مولکول عبارت است از نصف تفاضل الکترونهای ضد پیوندی از الکترونهای پیوندی. در مورد ترکیب دو اتم هلیوم ، باید مجموع چهار الکترون در دو اوربیتال مولکولی جای داده شوند. با جای دادن دو الکترون در اوربیتال δ 1S دو الکترون دیگر ناگزیر δ* 1s را اشغال می‌کنند. از این رو مرتبه پیوند مولکول فرضی عبارتست از: 0=(2-2)2/1=مرتبه پیوند لذا هلیوم به صورت مولکولی نمی‌تواند وجود داشته باشد. اثر جدا کننده الکترونهای ضد پیوندی ، اثر اتصال دهنده الکترونهای پیوندی را خنثی میکند. شواهدی در دست است که نشان میدهد یونهای مولکولی و میتوانند در شرایط ویژهای وجود داشته باشند. ترکیب دو اوربیتال 2S ، اوربیتالهای مولکولی 2S δ و *2S δ را بوجود می‌آورند که با اوربیتالهای δ و *δ ناشی از ترکیب دو اوربیتال 1S مشابهند. اما اوربیتالهای مولکولی حاصل از ترکیب اوربیتالهای اتمی 2P کمی پیچیده‌ترند. سه اوربیتال 2P هر اتم ، در محورهای مختصات دکارتی z ، y ، x قرار دارند. اگر تشکیل یک مولکول دو اتمی از طریق نزدیک شدن سر به سر دو اوربیتال اتمی ( و یا ) صورت گیرد، در نتیجه همپوشانی ، دو اوربیتال مولکولی 2P δ و *2P δ را بوجود می‌آورند.

اوربیتالهای مولکولی پی (π) :

گر در تشکیل یک مولکول دو اتمی ، دو اوربیتال اتمی (مثلا ) از پهلو بهم نزدیک شوند، دو اوربیتال مولکولی ، یکی اوربیتال مولکولی پیوندی پی (π) و دیگری اوربیتال مولکولی ضد پیوندی پی ستاره (*π) را بوجود می‌آورند. اوربیتالهای π نسبت به محور بین دو هسته ، تقارن استوانه‌ای ندارند. نزدیک شدن دو اوربیتال P از پهلو ، به تشکیل اوربیتال π می‌انجامد که متشکل از دو ناحیه تراکم بار الکترونی است. این تراکم بار الکترونی در ناحیه بالا و پایین محور بین دو هسته قرار دارند. در هر حال اثر نهایی اوربیتال π ، بهم نگهداشتن مولکول است. اوربیتال *π ، در ناحیه بین دو هسته ، چگالی الکترونی کمی دارد. اثر نهایی مولکول *π جدا کردن دو اتم از یکدیگر است.

سطح انرژی اوربیتال‌های مولکولی

انرژی یک اوربیتال مولکولی به انرژی اوربیتال‌های اتمی تشکیل دهنده آن و همچنین به میزان و نوع همپوشانی اوربیتال‌های اتمی که در تشکیل آن صورت می‌گیرد، بستگی دارد. به این ترتیب ، انرژی هر دو اوربیتال مولکولی σ 2s و σ* 2s پایین تر از انرژی هر اوربیتال مولکولی است که اوربیتال‌های اتمی 2p حاصل می‌شود. انرژی اوربیتال‌های σ 2p و σ* 2p پایین تر از انرژی هر یک از دو اوربیتال π 2p می‌باشد. زیرا میزان همپوشانی اوربیتال‌های 2Px بیشتر از میزان همپوشانی 2Py یا 2Pz می‌باشد. در مولکول‌هایی که اوربیتال‌های مولکولی σ از همپوشانی بین یک اوربیتال Px و s حاصل می‌شود (تاثیر متقابل s-p) ، این همپوشانی اضافی پیوند σ s به ازای تضعیف پیوند σ p ، تقویت می‌شود و همچنین تاثیر متقابل s-p باعث کاهش انرژی اوربیتال σ*s و افزایش انرژی σ* p می‌شود. بنابراین سطح انرژی σ 2p برای مولکول‌های جور هسته متشکل از عناصر گروه دوم (به جز و ) پایین تر از سطح انرژی π 2p می‌باشد. البته تاثیر متقابل s-p به میزان نزدیکتر انرژی اوربیتال‌های p , s بستگی دارد. اگر تفاوت انرژی این دو اوربیتال خیلی زیاد باشد (مثل و ) این تاثیر اضافی مساله بوجود نمی‌آورد.

پالایش نفت خام

ناخالصي هاي موجود در آب :

آب خالص در طبيعت به دليل ويژگيهاي حلاليت بالاي آن ، وجود ندارد و داراي ناخالصي هاي گوناگون مي باشد ناخالصي هاي آب را به سه دسته كلي مواد جامد محلول ، مواد جامد معلق و كلوئيدي و گازها دسته بندي مي نمايند.
مواد غير محلول و معلق :
ذرات ريز و درشت مواد غير محلول و معلق در آب داراي اهميت بسيار متنوع مي باشند اين مواد معلق سبب كدورت آب مي شوند. برخي از اين ذرات كه درشت تر هستند داراي قابليت ته نشيني مي باشند و با حذف آنها آب شفاف تر مي گردد و برخي ديگر از اين ذرات معلق قابليت ته نشيني بسيار كمي دارند و براي ته نشيني نياز به زمان طولاني دارند و يا اينكه به طور كلي غير قابل ته نشيني هستند برخي از اين مواد معلق عبارتند از :
1) ذرات ريز خاك و سنگ و مواد تشكيل دهنده بستر رودخانه ها كه در اثر فرسايش زمين ايجاد شده اند.
2) موجودات ريز زنده ( ميكروارگانيزم ها) مانند باكتري ها
3) سيليس كلوئيدي ، كلوئيدها ، سوسپانسون ها و امولسيون ها
در اينجا به دليل اهميت موضوع ، اشاره اي به محلول هاي حقيقي ، سوسپانسيون ، امولسيون و كلوئيدي مي گردد.
هرگاه ذرات بسيار ريز يك جسم در بين ذرات جسم يا اجسام ديگر پراكنده گردد ، مجموعه حاصل سيستم پراكنده ناميده مي شود در بين اين سيستم بيشتر سيستم يا دستگاهي مورد بررسي مي باشد كه در آن حلال ، مايع مي باشد زيرا اين سيستم در تصفيه آب اهميت بيشتري دارند كه معمولا به آنها محلول گفته مي شود . خواص چنين محلول هايي در درجه اول به بزرگي ذرات حل شده يا پراكنده شده بستگي دارد كه بزرگي ذرات ميزان پايداري آنها را تعيين مي كند. اگر اندازه اين ذرات بزرگتر از اندازه مولكول ها باشد ، سيستم ناپايدار بوده و ذرات پراكنده مي شوند و به سهولت جدا و بنابر چگالي خود دربالا يا پايين دستگاه جمع مي شوند اينگونه سيستم ها يا دستگاهها را سيستم هاي معلق مي گويند كه ممكن است از نوع سوسپانسيون يا امولسيون باشند ولي اگر كاملا پايدار يا مدت طولاني پايدار باشند به محلول هاي واقعي معروف مي باشند . ذرات جامد معلق در مايع را سوسپانسيون و مايع معلق در مايع را امولسيون مي گويند اين ذرات داراي ويژگيهاي زير مي باشند :
1) كم كم در سطح حلال و يا ته ظرف يعني زير حلال جمع مي شوند.
2) از پرده اسمزي عبور نمي كنند و اكثرا از كاغذ صافي هم عبور نمي كنند.
3) اين ذرات با چشم ديده نمي شوند ولي با ميكروسكوپ هاي معمولي قابل مشاهده مي باشند.
محلول هاي حقيقي مانند محلول نمك در آب داراي ويژگيهاي زير مي باشند :
1) نه در سطح حلال و نه در زير حلال جمع مي شوند.
2) از هر نوع كاغذ صافي عبور مي كنند.
3) از پرده هاي اسمزي عبور مي كنند.
4) با الكتروميكروسكوپ ها هم قابل مشاهده نمي باشند.
مواد كلوئيدي ، حد واسطي بين سوسپانسيون ها ، امولسيون ها و محلول هاي واقعي مي باشند كه داراي ويژگيهاي زير مي باشند :
1) از كاغذ صافي عبور مي كنند ولي از صافي هاي خيلي ريز ( اولترافيلتر) عبور نمي كنند.
2) از پرده هاي اسمزي عبور مي كنند.
3) ته نشين نمي شوند ولي به هم مي پيوندند و توده نيمه جامدي به نام لخته تشكيل مي دهند.
مواد جامد محلول : دسته اي از ناخالصي هاي تشكيل دهنده آب موادي هستند كه به صورت محلول مي باشند . به طور كلي همه مواد در آب حل مي شوند ولي ميزان حلاليت آنها متناسب است.
انحلال در آب به سه صورت مولكولي ، قطبي ، يوني مي باشد . مواد جامد در محلول به دو گروه كلي مواد يوني و مواد غير يوني تقسيم ميشوند.

گازها :

اين مواد با مقادير مختلف در آب ها حل مي شوند .مقدار گاز حل شده به فشار گاز و نوع گاز از يك سو و از سوي ديگر به دماي آب ،مواد موجود در آب و PH آن بستگي دارد. برخي از گازهايي كه وجودشان در آب تصفيه مطرح است عبارتند از :

خواص آب با توجه به نوع و ميزان ناخالي هاي آن :
با در نظر گرفتن مواد جامد در آب مي توان خواص آب را به دودسته فيزيكي و شيميايي تقسيم كرد :
خواص فيزيكي آب : مواد موجود در آب موجب ايجاد تغييراتي در رنگ ، بو ، مزه و كدورت آب مي شوند اين خواص كه تحت تاثير شرايط محيطي واقع مي شوند و خصوصيات ظاهري آب را نشان مي دهند به همراه دما خواص فيزيكي آب هستند.
رنگ (Coloure) : آب خالص بدون رنگ است ولي آب ناخالص با توجه به ميزان و نوع مواد محلول و يا معلق در آن ممكن است داراي رنگ باشد به عنوان مثال آب زرد رنگ مي تواند نشان دهنده وجود اسيدهاي آلي باشد و رنگ قهوه اي آب نشانگر يون هاي آهن مي باشد. رنگ را مي توان در اثر جذب سطحي يا فرايند منعقدسازي و يا اكسيداسيون از بين برد.
كدورت (Turbidity) : كدري يا كمبود شفافيت به دليل وجود مواد معلق و يا كلوئيدي در آب است. كدورت آب موجب پراكنده شدن و يا جذب نور تابيده به آن مي شود. براي اندازه گيري ميزان كدورت آب از محلول شاهد استفاده مي شود كه به صورت واحد استاندارد اندازه گيري كدري مطرح است و هر واحد آن برابر كدري آبي است كه شامل يك قسمت در ميليون سيليس است. كدورت آب آشاميدني بايد از 5 واحد كمتر باشد.
بو و مزه (Odor and Taste) : آب خالص بدون بو و مزه است وجود مواد مختلف در آب مي تواند به آب بو و مزه هاي ويژه بدهد كه برخي از آنها نامطبوع هستند. به عنوان مثال آب درياچه هاي راكد بوي لجن مي گيرد و يا در اثر وجود يون هاي سديم كلريد ، شور مزه مي شود و در اثر وجود نمك هاي منيزيم و پتاسيم تلخ مزه مي شود. همچنين آبي با PH بالا داراي مزه ناخوشايند صابوني مي باشد و در اثر وجود پرتون كه به دليل وجود اسيد است ترش مزه مي شود. آبي كه محتوي مقداري گاز اكسيژن است داراي مزه مطلوب تري مي باشد. وجود برخي از گازها مانند هيدروژن سولفايد (H2S) موجب تغيير بوي آب مي شود.
خواص شيميايي آب : خواص شيميايي معمولا به ويژگيهايي از آب گفته مي شود كه در اثر ميزان و نوع ماده حل شده در آن تغيير مي كند از جمله اين خواص مي توان به اسيديته ، قليائيت ، هدايت الكتريكي ، سختي آب اشاره كرد.
هدايت الكتريكي (electrical conductivity) : قابليت انتقال جريان برق نشانگر ميزان هدايت الكتريكي است هدايت يك محلول را به صورت عكس مقاومت تعريف مي كنند و واحد آن (mho) است . بنابراين واحد هدايت الكتريكي ,mho,1/mho (مو) و واحد هدايت ويژه mho/cm يا S/cm (زيمنس بر سانتي متر) مي باشد.
به دليل اينكه مقادير هدايت ويژه كوچك است معمولا آن را در 6 10 ضرب كرده و بر حسب Ms/cm (ميكروزيمنس بر سانتي متر) گزارش مي كنند.
مقدار هدايت الكتريكي ويژه آب نشان دهنده ميزان وجود املاح در آب است دليل كاهش مقدار مقاومت الكتريكي در اين است كه با افزايش املاح حركت يون ها روي يكديگر اثر منفي مي گذارند و هدايت الكتريكي محلول همانند محلول هاي رقيق با تعداد يون ها متناسب نمي باشد.
كل مواد جامد محلول در آب (Total disolved solids) : مقدار كل مواد غير فرار حل شده در آب را كه شامل يون هاي مختلف مي باشد به نام كل مواد جامد محلول در آب مي خوانند و با علامت T.D.S نشان مي دهند.
مواد جامد معلق (Suspended solids-s.s) : وقتي آب از فيلتر عبور مي كند مواد جامد معلق روي فيلتر باقي مي ماند و مواد جامد محلول و مواد كلوئيدي موجود در آب از فيلتر عبور مي كند. با خشك كردن مواد جامد باقي مانده روي فيلتر و وزن كردن آن مقدار مواد جامد معلق (s.s) بدست مي آيد.
از مجموع مواد جامد محلول در آب و مواد جامد معلق ، كل مواد جامد بدست مي آيد.
كل مواد جامد معلق (s.s) + كل مواد جامد محلول (T.D.S) = كل مواد جامد (T.S)
به دليل آنكه يون ها عامل انتقال جريان برق در محلول ها هستند و ميزان هدايت الكتريكي را مشخص مي كنند رابطه نزديكي بين هدايت الكتريكي (E.C) و كل مواد جامد محلول در آب (T.D.S) وجود دارد كه به صورت زير مي باشد :
E.C × ضريب = T.D.S
كه با توجه به محدوده هدايت الكتريكي ، ضريب موجود در فرمول فوق (2/1-5/0) تغيير مي كند.
سختي آب (hardness) : آب سخت واژه اي است كه به آب حاوي كاتيون هاي كلسيم و منيزيم ، آهن و منگنز و ... گفته مي شود با توجه به اينكه ميزان آهن و منگنز در آب بسيار كم است بنابراين كاتيون هاي كلسيم و منيزيم عامل اصلي ايجاد سختي آب به حساب مي آيند. سختي آب بر حسب واحدهايي مثل ميلي گرم ، يون در ليتر يا بر حسب معادل كلسيم كربنات حل شده در آب بيان مي شود.
انوع سختي :
1) سختي كل (Total hardness-T.H)
كل املاح كلسيم و منيزيم موجود درآب سختي كل ناميده مي شود و شامل دو قسمت است : الف) سختي كل كلسيم : نشان دهنده مقدار يون كلسيم در آب است. ب) سختي كل منيزيم : كل منيزيم محلول در آب را شامل مي شود.
2) سختي دائم (Permanent hardness)
شامل كليه املاح كلسيم و منيزيم به جز بي كربنات ها مي باشد به عنوان مثال ، سولفات ها ، كلريد ها و نيتراتهاي كلسيم و منيزيم محلول در آب را در بر مي گيرد و سختي دايم در اثر جوشاندن حذف نمي شود.
3) سختي موقت (Temporary hardness)
كلسيم و منيزيم بي كربنات محلول در آب را مي گويند كه در اثر جوشاندن آب طبق واكنش زير تجزيه مي شوند و رسوب مي كنند .
سختي موقت + سختي دائم = سختي كل
- اسيديته (Acidity) :
آب خالص به مقدار خوبي يونيزه مي شود و مقادير مساوي از يون هاي OH-,H+ توليد مي كند . غلظت يون هاي توليد شده تابعي از دماست .
- قليائيت (Alkalinity) :
از نظر شيميايي ، قليائيت آب نشانگر مقدار ظرفيت خنثي شدن آن به وسيله اسيد مي باشد . خنثي شدن آب به معني رسيدن به PH آب به حدود 5/4 است.
قليائيت آب هاي طبيعي به سبب وجود هيدروكسيدها ، كربنات ها و بي كربنات ها مي باشد البته يون هاي ديگري مانند فسفات ها ، سيليكات ها و بورات ها نيز مي توانند موجب قليائيت شوند ولي به دليل غلظت بسيار كم آنها در مقايسه با يون هاي سري اول مي توان از قليائيت ناشي از آنها صرفه نظر كرد.
- اهميت قليائيت و رابطه آن با PH :
قليائيت عامل موثر بر خوردگي و رسوب گذاري آب است . براي نمونه مي توان گفت ، قليائيت آب مورد استفاده در ديگ هاي بخار بايد به اندازه كافي بالا باشد تا از خورده شدن ديواره ديگ ها جلوگيري شود همچنين قليائيت نبايد به حدي باشد كه سبب انتقال مواد جامد به وسيله بخار شود و يا سبب شكنندگي قليايي (Constic embri Hlement) شود و در ديواره ديگ ها ايجاد ترك نمايد . قليائيت با PH رابطه نزديكي دارد به گونه اي كه هر چه قليائيت بيشتر باشد نشانگر بالاتر بودن غلظت هيدروكسيدها و كربنات ها است بنابراين PH بالاتر مي رود و محلول قليايي تر مي شود.
حلاليت آب (Solubility) :
يكي از خواص بي نظير آب قدرت حلاليت آن است ، آب مي تواند تمام موادي را كه با آن در تماس هستند در مقادير متفاوت بسته به ثابت حلاليت و دما در خود حل كند به همين دليل به آب حلال جهاني مي گويند . به اين دليل كه ساختمان خود آب قطبي است و مواد قطبي و نيز آن دسته از موادي كه در آب يونيزه مي شوند را بهتر حل مي كند همچنين دما ، فشار و PH و غلظت از جمله عواملي هستند كه بر ميزان حلاليت در آب تاثير مي گذارند . وجود بعضي مواد در آب موجب تقويت انحلال مواد ديگر مي شود و برعكس بعضي از مواد قابليت حل شوندگي مواد ديگر را كاهش مي دهند براي مثال وجود CO2 در آب موجب افزايش انحلال سنگ هايي مثل كلسيم و منيزيم مي شود.
سنجش مقدار مواد آلي (Measurement of organic component)
براي اندازه گيري مقدار مواد آلي موجود در آب روش هاي مختلفي وجود دارد از جمله اين روش ها اندازه گيري بخش مواد فرار ، اندازه گيري كل مواد جامد ، COD,BOD مي باشد . چون اندازه گيري بخش مواد فرار و سنجش كل مواد جامد داراي خطاي نسبتا زيادي است. بيشتر از اندازه گيري اكسيژن مورد نياز بيوشيميايي (BOD) و اكسيژن مورد نياز شيميايي (COD) و اندازه گيري كل كربن آلي (TOC) براي بدست آوردن مقدار مواد آلي موجود در آب استفاده مي شود.
- اكسيژن مورد نياز بيوشيميايي (Biochemical oxygen demand)
آن دسته از موادي كه توسط باكتريها تخمير مي شوند توسط اين شاخص سنجيده مي شود. در اين اندازه گيري به جاي اينكه مقدار موادي را كه مورد اكسايش قرار ميگيرند تعيين كنند مقدار اكسيژني را كه ميكروارگانيسم هاي تجزيه كننده هوازي لازم دارند تا آن مقدار از ماده را اكسايش دهند اندازه گيري مي كنند. در اين روش استاندارد 5 روزه اي بكار مي رود كه با 5(BOD) نمايش داده مي شود و عبارت است از اندازه گيري اكسيژني كه طي 5 روز در دماي 20 درجه سانتي گراد توسط باكتري هاي موجود در آب مصرف مي شود تا بتواند مواد آلي موجود در آب را اكسايش دهند.
بنابراين براي اندازه گيري BOD بايد اختلاف اكسيژن حل شده در زمان نمونه گيري و پس از 5 روز را در نمونه بدست آورد.
BOD5=DO0-DO5
- اكسيژن مورد نياز شيميايي (Chemical oxygen Demand)
با كمك اين شاخص مي توان مقدار مواد آلي را كه در آب موجودند و مي شود آنها را به كمك اكسيد كننده قوي نظير اسيد كروميك يا پرمنگنات در محيط اسيدي اكسيد كرد ، بدست آورد ، COD عبارت است از كل اكسيژن مورد نياز شيميايي كه در واكنش هاي اكسيداسيون و تجزيه مواد آلي در محيط اسيدي و در مجاورت يك ماده قوي اكسيد كننده مصرف مي شود.
از محاسن اين روش نسبت به BOD اين است كه آسان تر انجام مي شود و وقت گير نيست و كل عمليات اندازه گيري در مدت چند ساعت انجام مي شود و همچنين مي توان هم مواد آلي قابل تجزيه و هم مواد آلي غير قابل تجزيه توسط باكتري ها را اندازه گيري كرد.
واكنش اصلي كه بادي كرومات به عنوان يك اكسيد كننده قوي انجام مي شود به صورت زير است :

- مجموع اكسيژن مورد نياز (Total oygen Demand)
روش مفيد ديگري كه براي تعيين مواد آلي به كار مي رود روش TOC است در اين روش مقداري از نمونه را در يك كوره در مجاورت كاتاليزور پلاتين به محصولات پايدار نهايي تبديل مي كند سپس اكسيژن موجود در گاز حامل نيتروژن محاسبه مي شود و نتايج با روش COD وفق داده مي شود.


فرايند نرم سازي به شيوه ته نشيني
(Softening process by sedimentation Method)
فرايند نرم سازي به منظور كاهش سختي آب بكار مي رود. با استفاده از مواد شيميايي ، سختي آب تحت واكنش هاي شيمايي قرار مي گيرد و رسوب مي نمايد كه در نتيجه سختي آب كاهش مي يابد. سختي آب به دليل وجود كربنات ها ، بي كربنات ها ، سولفات ها ،كلريدها و نيترات هاي فلزات كلسيم و منيزيم و آهن و آلومينيوم است. از آنجا كه سه فلز آهن ، آلومينيوم به مقدار كم در آب وجود دارد ، قسمت عمده سختي آب مربوط به يون هاي كلسيم و منيزيم است . ميزان سختي آب هاي خام تا حد زيادي به شرايط زميني كه آب در آن جاري است بستگي دارد و به همين دليل مقدار يون ها در آب هاي سطحي و زير زميني متفاوت است . سختي آب به صورت دائم و يا سختي غير كربناتي موقت يا سختي كربناتي بيان مي شود.
حذف سختي موقت (Temporary hardness removal) :
استفاده از آب آهك روش عمومي براي كاهش سختي موقت آب است. آب آهك (كلسيم هيدروكسيد) با كلسيم بي كربنات و منيزيم بي كربنات واكنش مي دهد و رسوب كلسيم كربنات و منيزيم هيدروكسيد توليد مي كند .
با توجه به واكنش هاي بالا آب آهك لازم براي كاهش سختي منيزيمي دو برابر مقدار آب آهك لازم براي كاهش سختي كلسيم است.
حذف سختي دائم (Permanent hardness Removal) :
براي كاهش سختي غير كربناتي آب از آهك / سود استفاده مي شود. در سختي موقت با اضافه كردن يك ماده قليايي مثل آهك يا سود ، بي كربنات موجود در محيط به كربنات تبديل مي شود و كربنات توليد شده باعث رسوب كردن كلسيم و كاهش سختي كلسيمي مي شود.
روش ديگر در نرم سازي آب ،استفاده از سود سوزآور است كه درمواد خالص به كار مي رود . برتري استفاده از سود سوزآور اين است كه با كلسيم بي كربنات توليد سديم كربنات مي كند كه خود اين ماده در حذف سختي دائم موثر است.
تبادل يوني (Ion-exchange) :
رزين هاي تعويض يوني جامدات نامحلول در آب مي باشند كه به وسيله تبادل يون مي توانند جهت جذب كاتيون ها و آنيون ها به كار گرفته شوند. پديده تعويض يون تركيبي از پديده جذب سطحي و فرايند نفوذ مي باشد و سرعت واكنش را عمليات انتقال جرم كه يون ها را از سيال به سطح رزين و يا از سطح رزين به سيال مي رساند مشخص مي كند. پديده تبادل يون يك تعادل شيميايي است و از اصول حاكم بر تعادل ها پيروي مي كند. در الكتروليت ها نيز پديده تعويض يون وجود دارد ولي به دليل همگن بود يون ها كه در آن مبادله كننده هاي يون هر دو مايع مي باشند عامل موثر سينتيك شيمايي است در حاليكه در تعويض يوني به دليل جامد بودن رزين ها نفوذ يون ها مورد توجه مي باشد در واقع پديده تبادل يون به دليل وجود نيروهاي الكترواستاتيك مي باشد و قدرت تبادل به اين نيروها بستگي دارد و به شيوه اي است كه مواد قبل و بعد از تبادل يون هر دو از نظر الكتريكي خنثي خواهند بود.
رزين هاي تبادل يوني ويژه بستر مختلط
(Mixed bed colums ion-exchange resins)
حذف كاتيون ها و آنيون هاي موجود در آب ، به طور همزمان به وسيله مخلوطي از رزين هاي تبادل يوني كاتيوني و آنيوني انجام ميگيرد. در اين فرايند مخلوط رزين ها در يك ستون قرار مي گيرند و آب از بستر رزين عبور مي كند و آب خروجي داراي T.D.S بسيار پاييني خواهد بود. احياي رزين هاي كاتيوني و آنيوني در چند مرحله انجام مي پذيرد . در نخستين مرحله رزين ها به شيوه مكانيكي از هم جدا مي شوند ، سپس رزين ها احيا مي گردند و در مرحله نهايي دو رزين كاتيوني و آنيوني مخلوط مي شوند و مورد استفاده قرار مي گيرند.
مقايسه رزين هاي ضعيف و قوي :
رزين هاي تبادل يوني كاتيوني ، انيوني از دو نوع ضعيف و قوي در ويژگيهاي برجسته زير متمايز هستند :
1) رزين هاي ضعيف توانايي يوني محدودي دارند در حاليكه رزين هاي قوي از توانايي تبادل يوني بالايي برخوردار هستند.
2) رزين هاي ضعيف داراي ظرفيت بالاتري نسبت به نوع قوي مي باشند و در برخي موارد ظرفيت تبادل يوني رزين هاي ضعيف بيشتر از دو برابر نوع قوي مي باشد.
3) جهت احياي رزين هاي ضعيف به ميزان كمتري از ماده شيمايي نياز مي باشد.
4) هزينه آب بي يون توليد شده به كمك استفاده توام رزين هاي ضعيف و قوي كمتر مي باشد.
5) رزين هاي ضعيف به درصد كمتري از ماده شيميايي جهت احيا نياز دارند بنابراين در سيستم هاي چند مرحله اي كه از ستون هاي رزين هاي ضعيف و قوي استفاده مي گردد، مواد احيا كننده خروجي از رزين هاي قوي جهت استفاده رزين هاي ضعيف بسيار مفيد مي باشند.
6) احياي رزين هاي كاتيوني بطور معمول توسط سولفوريك اسيد انجام مي گردد. جهت جلوگيري از رسوب كلسيم سولفات بر روي رزين ها ، ابتدا از سولفوريك اسيد يك و نيم درصد و در مرحله بعد از سولفوريك اسيد چهار الي پنج درصد استفاده مي گردد. غلظت اسيد مورد استفاده براي احياي رزين هاي كاتيوني ضعيف حدود يك الي يك و نيم درصد مي باشد.
7) جهت احياي رزين هاي آنيوني معمولا از سديم هيدروكسيد چهار الي پنج درصد براي رزين هاي قوي استفاده مي شود و پساب خروجي براي احياي رزين هاي آنيوني ضعيف استفاده مي شود.
فرايند بي يون سازي (Demineralisation Process)
همواره فرايند بي يون سازي براي محلول هاي با غلظت هاي نسبتا بالا امكان پذير است ولي از لحاظ اقتصادي هرگاه T.D.S آب خام كمتر از ppm 700 باشد فرايند تعويض يوني مطرح مي شود . از لحاظ اقتصادي براي كاهش T.D.S تا رسيدن به حد مطلوب و جهت فرايند بي يون سازي شيوه هاي گوناگوني مطرح مي باشد. براي مثال مي توان در يك يا تركيبي از روش هاي زير آب خام ورودي به سيستم تبادل يوني را مهيا ساخت .
الف) الكترودياليز
ب) اسمز معكوس
پ) تقطير
ت) انرژي خورشيدي
ث) فرايند آب آهك زني
ج) پمپهاي حرارتي
انتخاب فرآيند بي يون سازي بر اساس موارد زير است :
الف) كيفيت آب خام
ب) كيفيت آب مورد نياز
پ ) هزينه سرمايه گذاري
ت) هزينه بهره برداري
خواص رزين هاي مبادله كننده يوني :
رزين هاي تبادل يوني بايستي از ويژگيهاي خاصي برخوردار باشند . مهم ترين اين ويژگيها عبارتنداز :
الف) بزرگ بودن سطوح تبادل يوني
ب) دارا بودن ظرفيت بالا
پ) بالا بودن ضريب انتخاب
ت) مقاومت در برابر مواد شيمايي
ث) مقاومت در برابر تغييرات PH
ج) مقرون به صرفه بودن
چ) ارزان بودن مواد به كار گرفته شده در فرايند احياي رزين ها
ح) سمي نبودن
خ) دارا بودن مقاومت مكانيكي بالا
مزيت هاي روش تبادل يوني :
الف) سهولت در نصب و بهره برداري
ب) بالابودن عمر مفيد رزين ها ( در شرايط بهره برداري مناسب عمر رزين ها بيشتر از 15 سال است)
پ) قابليت اجرا در ظرفيت هاي مختلف
ت) عدم وجود فاضلاب آلوده براي محيط زيست
محدوديت هاي روش تبادل يوني :
الف) در محدوده T.D.S>700ppm مقرون به صرفه نيست
ب ) اين روش براي واحدهاي صنعتي متداول مي باشد و معمولا براي آب آشاميدني مورد استفاده قرار نمي گيرد.
پ ) مواد شيميايي مصرفي از همه روش ها بيشتر و آب توليدي پرهزينه تر است.
ت ) بر اساس نوع رزين و پوشش ستون هاي تبادل يوني ماكزيمم دماي فرايند تبادل يوني محدوديت دارد.
ج ) اجسام غير يونيزه قابليت تبادل يوني ندارند.
چ ) حد مجاز آهن ، منگنز و فلزات سنگين در مجموع بايد كمتر از ppm 1/0 باشد.
ح ) آب عبوري از رزين هاي تبادل يوني بايد فاقد املاح معلق ، اجسام كلوئيدي ،چربي و مواد آلي باشد.
فرايند تبادل يوني با بستر ثابت (Fixed bed process)
استفاده از بستر ثابت رزين ها با جريان آب از بالا به پايين (Down flow) يكي از روش هاي مرسوم در تصفيه آب به كمك رزين هاست . كاهش درجه خلوص آب خروجي از ستون تبادل يون ، نشان دهنده اين است كه رزين ها اشباع شده اند و بايد احيا گردند . عمل احياء رزين در چهار مرحله انجام مي پذيرد.
1) شست و شوي معكوس به منظور شكوفا شدن رزين ها
2) عبور از ماده احيا كننده از بستر به منظور احياي رزين ها
3) آبكشي آهسته براي بيرون راندن آرام ماده احيا كننده از ستون تبادل يوني
4) آبكشي سريع براي بيرون راندن آخرين ذرات ماده احيا كننده از بستر تبادل يوني
اطلاعات تكميلي (Supplimentary information)
1) از محلول هاي سولفوريك اسيد و سود سوز آور براي احياي رزين ها استفاده مي شود.
2) در طراحي سيستم بي يون سازي با استفاده از رزين هاي تبادل يوني ، تركيبي از رزين هاي مختلف و ستون هاي گوناگون به كار گرفته مي شود . از لحاظ اقتصادي ، طراحي به گونه اي انجام مي پذيرد كه با اشباع شدن رزين هاي آنيوني ضعيف كل سيستم در فاز احيا قرار گيرد.
3) ميزان اسيد و قلياي مورد استفاده جهت احياي رزين ها همواره بيشتر از مقدار استوكيومتري مي باشد.
4) در اثر مخلوط شدن رزين هاي كاتيوني ضعيف و قوي ، بهره برداري و و احياي سيستم دچار مشكل مي گردد.
5) هرگاه به هر دليلي رزين هاي ستون كاتيوني با رزين هاي ستون آنيوني ضعيف مخلوط شوند، راندمان سيستم تبادل يوني به شدت كاهش مي يابد.
6) مناسب ترين دما جهت توليد آب بدون يون حدود 35 درجه سانتي گراد و جهت احياي رزين ها حدود 40 درجه سانتي گراد درنظر گرفته مي شود.
7) بروز توقف در خط توليد آب بي يون موجب برقراري تعادل بين يون هاي محلول و رزين تبادل يوني مي شود و پس از راه اندازي مجدد آب توليدي از كيفيت مناسبي برخوردار نمي باشد بنابراين لازم است تا رسيدن به آب با كيفيت مطلوب آب توليدي سيركوله شود و در غير اين صورت كل سيستم احيا گردد.
8) به دليل اسيدي و يا قليايي بودن آب درون ستون ها و جلوگيري از خوردگي ، لازم مي شود كه درون ستون ها با موادي از جنس لاستيك ، فايبر گلاس و يا مواد پلاستيكي پوشش مناسب داده شود.
9) چنانچه پيش از استفاده از سيستم تبادل يوني از سيستم كلاريفاير و آهك زني به منظور حذف كلسيم بي كربنات و منيزيم بي كربنات استفاده شود ، مي توان ستون رزين كاتيوني را حذف نمود و تنها از رزين هاي كاتيوني قوي استفاده كرد.
10) آب تقطير شده ، آب عبوري از دستگاه اسمز معمولي و يا الكترودياليز ، داراي يون مي باشند. براي تهيه آب بدون يون لازم است يك سيستم تبادل يوني به دنبال سيستم هاي مطرح شده مورد استفاده قرار گيرد.
11) هدايت الكتريكي آب خروجي از ستون هاي كاتيوني در مرحله بهره برداري در مقايسه با آب ورودي افزايش مي يابد. در صورت كاهش ، سيستم به حالت اشباع رسيده است.
12) هدايت الكتريكي آب خروجي از ستون هاي آنيوني ، در زمان بهره برداري كاهش مي يابد. افزايش هدايت الكتريكي آب خروجي از ستون آنيوني ، معرف اشباع شدن ستون است.
13) به دليل كاربرد بيشتر و راندمان بالاتر رزين هاي ضعيف در مقايسه با نوع قوي ، گران قيمت تر مي باشند .
14) بهاي رزين هاي آنيوني ، به دليل پيچيده بودن فرآيند توليد آنها خيلي بيشتر از رزين هاي كاتيوني مي باشد.
15) در صورت طراحي و بهره برداري مناسب گاز زدا ، ميزان گاز كربنيك باقي مانده در آب به حدود ppm 5 مي رسد كه گاز كربنيك باقي مانده به همراه سيليكا توسط رزين هاي آنيوني قوي حذف مي گردد.
16) به منظور بهبود بهره برداري از ستون هاي تبادل يوني به شيوه جريان بالا به پايين مي توان روي نازل ها در كف ستون تبادل يون را لايه اي از آنتراسيت قرار داد تا زمينه براي عبور بهتر آب بوجود آيد.
17) در بهره برداري از ستون هاي تبادل يون به شيوه جريان از پايين به بالا مي توان از مقداري مواد پلي مري به نام رزين خنثي با دانه بندي درشت تر از رزين استفاده كرد تا آب بهتر از ميان خلال و فرج عبور نمايد و افت فشار كمتري در سيستم ايجاد شود.
18) رنگ رزين ها به طور معمول شفاف مي باشند. در اثر آلودگي رزين ها به مواد آلي رنگشان به تيره و يا سياه تغيير مي كند. جهت رفع اين مشكل رزين ها را با مخلوط آب نمك 10% و حدود 3-2% سود سوزآور در دماي حدود 40 درجه سانتي گراد براي مدت 3 ساعت شست و شو مي دهند.
19) جهت نگهداري رزين ها و جلوگيري از فساد آنها در توقف هاي طولاني مدت ، مي توان رزين ها را توسط سديم كلريد اشباع كرد و سپس ستون تبادل يون را توسط محلول نيم درصد فرمالين پر نمود.
20) رعايت سرعت خطي آب در ستون ها و فشار درون فيلتر ها بر روي راندمان خط تصفيه اثر مي گذارد ، لذا لازم است اين موضوع براي طراحي و بهره برداري در نظر گرفته شود.
21) به طور معمول براي جلوگيري از رشد باكتري ها بر روي رزين ها ، آب را توسط كلرين ضد عفوني مي كنند. اگر ميزان كلرين كمتر از ppm 1/0 باشد براي رزين ها مشكلي بوجود نمي آورد. افزايش غلظت كلرين ، بيشتر از حد مجاز تخريب رزين ها را به همراه خواهد داشت.
22) آب عبوري از ستون هاي تبادل يوني همواره بايد بدون مواد كلوئيدي و معلق باشد . مواد ريز معلق موجب مسدود شدن خلل و فرج رزين ها مي شود.
23) هيچگاه نبايد در خط تصفيه آب ، رزين هاي آنيوني پيش از كاتيوني قرار گيرند. زيرا PH آب به طور شديد قليايي مي شود و برخي از كاتيون ها روي آنيون ها رسوب كرده و موجب تخريب رزين ها مي شود.

الكترو دياليز (Electrodialysis) :
الكترو دياليز با علامت مخفف ED نشان داده مي شود. يك فرايند جداسازي غشايي مي باشد كه درآن از اختلاف پتانسيل الكتريكي به عنوان نيروي محركه جهت انتقال يون ها استفاده مي شود .
در اين سيستم از غشاهاي پليمري حاوي رزين هاي تبادل يوني استفاده مي گردد. اين رزين ها بر روي پارچه هايي پليمري مانند پلي اتيلن پوشش داده شده اند . پرده هاي كاتيوني نسبت به كاتيون ها تراوا مي باشند و آنيون ها فقط مي توانند از غشاهاي آنيوني عبور نمايند.
فضاي بين دو غشاي غير همنام سل ناميده مي شود . در سيستم هاي پيشرفته دستگاه الكترودياليز به شيوه اي طراحي و بهره برداري مي گردد كه در حدود هر 15 دقيقه يك مرتبه قطب كاتد و آند جابجا مي شوند و به طور اتوماتيك از رسوب روي الكترودها و گرفتگي غشاها كاسته مي شود .غشاها توسط جدا كننده هاي پليمري از يكديگر مجزا مي شوند به طور معمول ضخامت اين توري ها در فضاي بين غشاء ها نيم ميلي متر و در كنار الكترودها يك ميلي متر مي باشد.
نكات مهم در طراحي و بهره برداري از سيستم هاي الكترودياليز :
1) كيفيت آب ورودي بيشترين اهميت را در ثابت نگه داشتن مشخصات آب خروجي دارد . يون هاي مهم در تصفيه آب شامل سديم ، كلسيم ، منيزيم ، آهن ، سيليس ، كلريد و بي كربنات مي باشند. هر چند تغيير در مشخصات آب ورودي موجب تغيير در كيفيت آب خروجي مي گردد.
2) دماي آب ورودي اثر فوق العاده مهمي بر روي بازده دستگاه و كيفيت محصول دارد. به طور معمول دماي آب نبايد از 10 درجه سانتي گراد كمتر و از 45 درجه سانتي گراد بيشتر باشد.
3) حد مجاز آهن در آب وروي به طور معمول حدود ppm 2/0 مي باشد زيرا بيشتر از اين مقدار موجب اشكال در فرايند مي گردد. يكي از اثرهاي منفي يون هاي آهن و يا آهن معلق ، افزايش مقاومت الكتريكي غشاها مي باشد كه در اثر رسوب بر روي غشاها يك لايه نارنجي رنگ بوجود مي آورند و موجب كاهش كيفيت توليد آب و تغيير در ولتاژ و آمپر مورد استفاده مي شود.
4) وجود كلرين در آب ورودي موجب آسيب ديدگي سيستم مي شود لذا نبايد سيستم راه اندازي شود.
5) وجود هيدروژن سولفايد در آب ورودي مانند حالت بالا موجب آسيب رسيدن به غشا ميشود و لذا نبايد سيستم راه اندازي شود.
6) حد مجاز آهن و منگنز بر روي هم درآب ورودي ppm 2/0 مي باشد.
7) به طور اساسي يكي از عوامل وجود آهن در لوله هاي انتقال و مخازن سرچاهي خوردگي مي باشد و يكي از رايج ترين عوامل خوردگي در آب هاي زير زميني باكتري هاي احيا كننده سولفات (SRB) مي باشد كه مي توانند به دليل بي هوازي بودن در چاههاي آب وجود داشته باشند و همچنين با استفاده از اكسيژن مي توان سولفات موجود درآب را احيا و توليد H2S نمود كه در نهايت سولفيت آهن توليد مي گردد. بهترين شيوه مبارزه تزريق كلر در سر چاه به ميزان باقي مانده در حدود ppm 1 مي باشد ولي چون كلرين آزاد براي سيستم زيان بخش است ، بايد آب را قبل از ورود به سيستم توسط كربن فعال و يا هر شيوه ديگر كلرين زدايي گردد.
8) در سيستم هاي الكترو دياليز اتوماتيك ، هر پانزده دقيقه يك مرتبه پلاريته الكتريكي و مسيرهاي الكتريكي تعويض مي شوند و اين عمل با تعويض قطب كاتد و آند انجام ميگيرد كه هيچ يك از قطب ها با آب نمك غليظ براي مدت بيش از پانزده دقيقه در تماس نباشند و نمك انباشته شده را به سرعت حل مي نمايند و از سيستم خارج مي سازند.
9) محيط آند هميشه در اثر تجمع H+ اسيدي مي باشد ، لذا مناسب است كه آب در اطراف قطب آند ، حالت سكون داشته باشد تا رسوباتي كه در اين قطب به وجود آمده است حل و در زمان تخليه خارج شوند و يا به عبارت ديگر عمل شست و شوي اسيدي در قطب آند انجام شود. به دليل تعويض قطب ها در هر پانزده دقيقه يك مرتبه اين روش كمك فراواني به تميز شدن الكترودها مي نمايد.
10) به طور معمول حداقل فشار سيستم الكترودياليز atm 15/0 و حداكثر atm 5/1 طراحي مي شود.
11) دستگاه نشان دهنده اختلاف فشار بين آب رقيق و غليظ در ورودي و خروجي مجموعه غشاها به شيوه اي است كه اختلاف فشار آب تصفيه شده و آب نمك را نشان مي دهد زيرا هميشه بايد فشار آب تصفيه در حدود نيم الي يك و نيم اتمسفر بيشتر از فشار آب نمك باشد.
12) جهت كنترل كيفيت آب توليدي دستگاه اندازه گيري هدايت الكتريكي در قسمت خروجي آب تصفيه شده نصب مي شود.
13) در صورت توقف بيش از سي دقيقه در سيستم هاي الكترودياليز كه به شيوه هاي دستي يا اتوماتيك عمل مي نمايند لازم است در حدود چهار الي هشت دقيقه آبكشي شوند تا نمك هاي باقي مانده تخليه شوند و از ايجاد رسوب بر روي غشاها جلوگيري گردد.
14) در صورت افزايش T.D.S آب و كاهش آمپر مصرفي لازم است موارد زير مورد بررسي قرار گيرند : الف) دماي آب : كاهش يك درجه فارنهايت از دماي آب باعث كاهش يك درصد از آمپر مصرفي مي شود ب) كثيف بودن غشاها ج) پوشش سطح الكترودها د) پارگي و يا سوختگي غشاها.
15) در صورت كاهش ميزان آب توليدي ، موارد زير بايد بررسي شود : الف ) گرفتگي صافي ها ، ب ) وضعيت ساير تجهيزات مانند شيرها و پمپ ها ، ج) اختلاف فشار جريان هاي ورودي و خروجي
16) هرگاه جريان مصرفي بين الكترود كاهش يابد بايد بررسي زير انجام گيرد
الف) اطمينان از بسته نبودن لوله هاي آب تغذيه الكترودها يا لوله هاي خروجي الكترودها
ب) اطمينان از برابر بودن فشار ورودي آب الكترودها و فشار ورودي مجموعه غشاها
ج) اطمينان از عدم رسوب روي غشاها ، صفحه هاي جدا كننده و الكترودها.

فرآيند تقطيري :
تبخير و ميعان آب يكي از روشهاي تصفيه آب است . دماي تبخير املاح موجود در آب بالاست لذا با حرارت دادن محلول آب مي توان اجزاء آب را بخار و از سنگ هاي محلول در آن جدا نمود.
اين شيوه تصفيه آب را روش تقطيري مي نامند . آب داراي املاح بالا در سه مرحله تبديل به آب مناسب مي گردد.
1) توليد بخار با حرارت دادن به آب و رسانيدن دماي آب به نقطه جوش
2) جمع آوري بخار
3) ميعان بخار و بازيافت حرارت
سيستم تقطير چند مرحله اي (Multistage Distillation) :
افزايش راندمان سيستم تقطير با بكارگيري مجموعه اي از سيستم هاي تقطير ساده به طور متوالي امكان پذير است . در چنين سيستمي يكي از تبخير كننده هاي به وسيله بخار تغذيه مي شود . دماي بخار در اين تبخير كننده بيش از دماي جوش آب داخل پوسته است. بخار ايجاد شده در محفظه اول داخل لوله هاي سيستم دوم مي شود و در نتيجه آن ، مقداري از آب درون پوسته اين سيستم تبخير مي شود . براي تبخير اين مرحله بايد دماي بخار ورودي به لوله ها از دماي آب موجود در پوسته در حد مناسبي بيشتر باشد به همين ترتيب بخار خارج شده از مرحله دوم وارد لوله هاي مرحله سوم مي شود و در اثرميعان مقداري از آب در درون پوسته مرحله سوم تبخير مي گردد. به طور كلي در اين گونه سيستم ها ، طراحي به گونه اي انجام مي شود كه به ازاي هر كيلوگرم بخار داده شده به سيستم حدود سه كيلوگرم آب مقطر توليد مي شود. براي تامين خلاء به منظور جمع آوري گازهاي خارج شده از آب تاسيسات جانبي تقطير ، پمپ خلاء نياز مي باشد. بر اساس قوانين ترموديناميك با كاهش فشار ، دماي نقطه جوش كاسته مي شود ، لذا ايجاد خلا در اين گونه سيستم ها آب را در دماي كمتري به بخار تبديل مي كند . به طور كلي در اين سيستم ها با افزايش تعداد مراحل ، راندمان كلي توليد آب شيرين افزايش مي يابد ولي از لحاظ اقتصادي ، تعداد مراحل بهينه وجود دارد.
سيستم هاي تقطيري چند مرحله اي داراي انواع گوناگوني مي باشند كه عبارتند از :
1) تقطير كننده با لوله هاي درون آب
2) تبخير كننده با لوله هاي بلند عمودي
3) تبخير كننده هاي عمودي بالايه پايين رونده
4) تبخير كننده هاي عمودي بالايه بالا رونده
5) تبخير كننده هاي افقي
كاربرد پمپ حرارتي در تصفيه آب :
پمپ هاي حرارتي ، دستگاههايي مي باشند كه با انجام كار مكانيكي ، حرارت را از سيستم سرد به سيستم گرم منتقل مي كنند. پمپ حرارتي در واقع يك ماشين حرارتي معكوس است .كار مكانيكي به طور معمول توسط يك پمپ يا كمپرسور ( با توجه به نوع پمپ حرارتي) انجام مي گيرد به همين دليل نام اين سيستم را پمپ حرارتي گذارده اند. در سيستم هاي تقطير به كمك پمپ حرارتي ، گرماي محصول كه كمتر از گرماي درون برج (خوراك ورودي) است از طريق يك سيال كاري به خوراك ورودي يا جوشاننده برج انتقال مي يابد واين موضوع اساس كاهش انرژي حرارتي مصرفي است. سيال كاري كه جهت انتقال انرژي استفاده مي شود به طور معمول بخار آب است.
اجزاء اصلي يك پمپ حرارتي عبارتند از :
1) كمپرسور براي افزايش فشار سيال كاري
2) شير انبساط به منظور كاهش و افت فشار سيال كاري
3) چگالنده به منظور دفع انرژي سيال كاري به محيط گرم
4) تبخير كننده براي جذب انرژي از محيط سرد به سيال كاري
سيال كار در فشار پايين گرما را جذب و در فشار بالا گرما را به محيط مي دهد. در اين چرخه ،كمپرسور مقداري كار و انرژي مصرف مي نمايد كه موجب افزايش فشار و دماي سيال كاري مي شود.
گاز زدايي (Degasification) :
گازهاي مختلف زيادي مي توانند در آب به صورت محلول وجود داشته باشند . هيدروژن سولفيد ، كربن دي اكسيد ، اكسيژن ، آمونياك ،كلرين و نيتروژن از جمله گازهايي هستند كه بيشتر از بقيه گازها در آب وجود دارند. نوع و ميزان گازهاي محلول در آب به شرايط محيطي ،منبع آب ،مسير عبور آب ، دما و فشار و جنس گاز بستگي دارد. گازهاي موجود در آب به دو صورت مي توانند وجود داشته باشند ، يك دسته مثل اكسيژن و نيتروژن همواره ، به صورت گاز در آب موجودند ، ولي گازهايي چون دي اكسيد كربن ،هيدروژن ، سولفيد و آمونياك با توجه به PH آب مي توانند هم به صورت تركيب نشده (گاز) در آب موجود باشند و هم مي توانند با آب تركيب شده و توليد يون كنند كه در اين صورت براي حذف آنها بايد عملياتي را كه براي حذف يون ها بكار برده ميشود ،مورد استفاده قرار داد.
اثرات ناخالصي هاي گازي آب :
اكسيژن ونيتروژن از جمله گازهاي محلول در آب هستند كه در اثر تماس آب با هوا در آب حل مي شوند.
نيتروژن : اين گاز حلاليت كمي در آب دارد و نيز به دليل ميل تركيبي خيلي كم ، مشكل چنداني ايجاد نمي كند.
اكسيژن : اكسيژن به همراه PH كم خاصيت خورندگي شديدي دارد . يكي از جدي ترين مسائلي كه اكسيژن مي تواند ايجاد كند ،خوردگي حفره اي است. البته حلاليت اكسيژن در دما و فشارهاي مختلف ، تغيير مي كند.
دي اكسيد كربن : اين گاز در اثر حل شدن در آب به آن خاصيت خورندگي مي دهد ، ضمن اينكه خورندگي اكسيژن را نيز تشديد مي كند.
كلر : گازي است كه به صورت طبيعي در آب وجود ندارد و معمولا در مرحله كلر زني به منظور ضدعفوني كردن ، وارد آب مي شود.
هيدروژن سولفيد : اين گاز در آب موجب خوردگي جداره لوله هاي فولادي مي شود و با تشكيل رسوب سولفور آهن و ته نشيني آن روي رزين هاي تعويض يوني موجب تخريب رزين ها مي شود.
روش هاي حذف گازها :
به طور كلي براي حذف ناخالصي هاي گازي آب دو شيوه عمده وجود دارد :
الف) روش هاي فيزيكي حذف گازها
ب) روش هاي شيمايي حذف گازها
در موارديكه حجم آب مورد تصفيه زياد و غلظت گازهاي محلول بالا باشد از روش فيزيكي استفاده مي شود چون اين روش از نظر اقتصادي مقرون به صرفه خواهد بود. هزينه هاي سرمايه گذاري ، تجهيزات و دستگاههاي مورد استفاده در اين شيوه بالاست ولي در مجموع با صرفه تر از روش هاي شيميايي خواهد بود.
مزيت روش شيميايي نسبت به فيزيكي در آن است كه در روش شيميايي مي توان گفت كه حذف گازها از آب به طور كامل انجام مي شود در حاليكه در روش فيزيكي هيچ گاه حذف گازها صد درصد نيست و احتياج به عمليات شيميايي به صورت تكميل كننده خواهد بود.
برخي از روشهاي فيزيكي حذف گاز عبارتند از :
1) افزايش دماي آب : با اين عمل ، فشار بخار آب افزايش مي يابد و بر طبق قانون دالتون ، چون فشار كل گازها برابر با مجموع فشارهاي جوي گازها مي باشد لذا با افزايش بخار آب ، فشار جزئي گازهاي ناخالص كاهش مي يابد و مقداري از گاز محلول در آب خارج مي شود.
2) گاززدايي تحت فشار : با تحت فشار قرار دادن سطح آب توسط يك گاز بي اثر مي توان گازهاي محلول در آب را خارج نمود. معمولا در صنعت به جاي استفاده از يك گاز بي اثر نظير ازت ، از بخار آب براي تغيير فشار كمك مي گيرند ضمن اينكه دماي آب افزايش يافته و به گاز زدايي كمك خوهد شد.
3) هوادهي (Aeration) : هوادهي فرآيندي است كه درآن آب و هوا در تماس نزديك با هم قرار داده مي شوند. از هوادهي براي حذف ساير گازها به جز اكسيژن استفاده مي شود. در اثر هوادهي ميزان اكسيژن محلول در آب افزايش مي يابد و در نتيجه فشار جزيي اكسيژن افزايش يافته و فشار جزئي ساير گازها كم شده و از آب خارج مي شوند. هوادهي براي موارد مختلفي بكارگرفته مي شوند كه عبارتند از :
1)حذف گاز هيدروژن سولفوره و تركيبات آلي
2) حذف گاز كربنيك
3) حذف گازهايي مانند متان كه تجمع اين گاز در يك محيط بسته مي تواند سبب انفجار شود.
در روش هوادهي آب زائد توسط افشانك هايي به صورت قطرات ريز از بالا به پايين پاشيده مي شود و هوا از پايين به بالا جريان مي يابد و تماس بين دو فاز برقرار مي شود كه اين كار توسط دستگاهي به نام (Degasor) انجام مي شود.
4) هوازدائي سرد (Cold dearation) :
هوازدايي سرد به گونه اي است كه هيچ هوايي به داخل آب دميده نمي شود بلكه با خلائي كه توسط يك مولد خلا ايجاد مي شود ، فشار روي سطح آب كاهش مي يابد و درجه حرارت آب به دماي اشباع مي رسد و با اين كار بخار آب توليد مي شود كه وجود آن باعث كاهش زياد فشار جزئي همه گازها مي شود در دماي اشباع از نظر تئوري همه گازهاي محلول در آب از آن خارج مي شوند. در روش هوادهي سرد ، با صرفه ترين روش ، ايجاد خلا توسط جت بخار مي باشد. يكي از مشكلات اين روش كه سبب عدم استفاده از آن به طور وسيع در صنايع ميشود ، كنترل خلا در برج هاي هوازدايي سرد مي باشد . از جمله مزاياي روش هوازدايي سرد اين است كه به دليل نبودن اكسيژن در آب از اكسيداسيون رزين هاي آنيوني جلوگيري مي شود و در نتيجه عمر رزين كاهش نمي يابد.
5) هوازدايي گرم (Hot Dearation) :
در هوازدايي گرم ، دماي آب را تا دماي اشباع در فشار داخل هوازدا مي رسانند تا اكسيژن و ديگر گازها از آب خارج شوند. چون هدف حذف گازهايي مانند اكسيژن و كربن دي اكسيد است از دميدن هوا استفاده نمي شود بلكه از بخار آب استفاده مي شود. در اين صورت بخار آب ورودي ، دماي آب را تا دماي اشباع افزايش مي دهد و از نظر تئوري انتظار مي رود كه همه گازهاي محلول در آب از آن خارج مي شوند.
تصفيه بيولوژيكي :
تصفيه بيولوژيكي ،موثرترين روش براي كاهش مواد آلي موجود در آب ها و پساب ها است. اين نوع تصفيه بر اساس نوع ميكروارگانيزم هاي فعال در آن به دو دسته زير تقسيم بندي مي شوند :
1) تصفيه بيولوژيكي هوازي
2) تصفيه بيولوژيكي غير هوازي
تصفيه بيولوژيكي هوازي :
سيستم هاي تصفيه بيولوژيكي هوازي شامل هوادهي ، لجن فعال و صافي هاي بيولوژيكي استخرهاي اكسيداسيون و سيستم هاي چرخان مي باشند. در اين روش ميكروارگانيسم ها عامل اصلي واكنش هاي تجزيه مواد آلي هستند و انرژي حاصل از اين سوخت و ساز براي ادامه حيات اعمال زيستي آنها بكار مي رود. و محصولات حاصل از اين سوخت و ساز مواد پايداري نظير CO2 ، آب و آمونياك مي باشند. قسمتي از مواد آلي نيز براي ساخت و سنتز سلول هاي جديد مورد استفاده قرار ميگيرند.

سلولهاي جديد پروتوپلاسم® سنتز
® آنزيم حاصل از ميكرو ارگانيزم ها ¾ + ماده آلي
مواد حاصل از واكنش® انرژي


هوادهي و توليد لجن فعال :
پسابي كه وارد مخزن مي شود ، داراي مواد آلي است كه منبع تغذيه باكتري ها مي باشد. باكتريها ، مواد آلي و اكسيژن موجود در پساب را مصرف كرده و CO2 توليد مي كنند . ساير ميكروارگانيزم ها نيز از باكتري ها تغذيه مي كنند. بنابراين بعد از مرگ باكتري ها مقداري از مواد مصرف شده به سيستم برگردانده مي شود ولي ميكروب ها براي سنتز از مواد آلي استفاده مي كنند و به رشد خود ادامه ميدهند. بنابراين وارد كردن مقدار زيادي از ميكروارگانيزم ها به يك مخزن پساب و دميدن هوا در آن براي چند ساعت مواد آلي موجود در آب به مصرف ميكروارگانيزم ها مي رسد. سپس همين موجودات ذره بيني به صورت لخته هايي ته نشين مي شوند و آب خروجي كه مواد آلي خود را از دست داده به صورت شفاف از مخزن خارج مي شود ، لخته هاي ته نشين شده به مخزن هوادهي بازگشت داده مي شوند تا فرايند تكرار شود. باكتري ها و ذرات معلق را كه قابليت ته نشيني دارند به مخزن هوادهي وارد مي سازند كه به آن لجن فعال گفته ميشود. هواي دميده شده به داخل مخزن هوادهي دو كار انجام ميدهد :
1) تامين اكسيژن كافي براي ميكروارگانيزم ها
2) همزدن و مخلوط كردن پساب با لجن فعال و ايجاد سطح تماس بيشتر

تصفيه بيولوژيكي غير هوازي :
سيستم هاي تصفيه بيولوژيكي هوازي ، سيستم هاي بسيار مناسبي براي حذف آلودگي هاي مواد آلي موجود در پساب هستند ولي مشكلاتي را نيز در بر دارند كه يكي از آنها موضوع دفع لجن توليد شده مي باشد كه در حد بالايي از هزينه ها و فضاي ت

دانشجويان گروه يكشنبه ساعت 10:15 تا 13:30 لطفا روز 5شنبه ساعت 10:20 سر كلاس جبارني حضور داشته باشيد

حضور دراين كلاس الزاميست

دانشجو های عزیز نفت:

کلاستون شنبه ساعت 4 تشکیل نمیشود

روز یکشنبه سر ساعت خودتون در کلاس حضور داشته باشید

نگاه اجمالی

در ترمودینامیک فقط با متغیرهای ماکروسکوپیک ، مانند فشار و دما و حجم سر و کار داریم. قوانین اصلی ترمودینامیکها بر حسب چنین کمیتهایی بیان میشوند. ابدا درباره این امر که ماده از اتمها ساخته شده است صحبتی نمیکنند. لیکن مکانیک آماری ، که با همان حیطهای از علم سر و کار دارد که ترمودینامیک از آن بحث میکند و وجود اتمها را از پیش مفروض میداند. قوانین اصلی مکانیک آماری حامی قوانین مکانیکاند که در حدود اتمهای تشکیل دهنده سیسنم بکار میروند.

تاریخچه

نظریه جنبشی توسط رابرت بویل (Rabert Boyle) (1627 – 1691) ، دانیل برنولی (1700 – 1782) ، جیمز ژول (1818 – 1889) ، کرونیگ (1822 – 1874) ، رودولف کلاوسیوس (1822 – 1888) و کلرک ماکسول ( 1831 – 1879 ) و عدهای دیگر تکوین یافته است. در اینجا نظریه جنبشی را فقط در مورد گازها بکار میبریم، زیرا برهم کنشهای بین اتمها ، در گازها به مراتب متغیرترند تا در مایعات. و این امر مشکلات ریاضی را خیلی آسانتر میکند.

در سطح دیگر میتوان قوانین مکانیک را بطور آماری و با استفاده از روشهایی که صوریتر و انتزاعیتر از روشهای نظریه جنبشی هستند بکار برد. این رهیافت که توسط جی ویلارد گیبس (J.willard Gibbs) و لودویگ بولتز مانی (Ludwig Boltz manni) (1844 – 1906) و دیگران تکامل یافته است، مکانیک آماری نامیده میشود، که نظریه جنبشی را به عنوان یکی از شاخههای فرعی در بر میگیرد. با استفاده از این روشها میتوان قوانین ترمودینامیک را به دست آورد. بدین ترتیب معلوم میشود که ترمودینامیک شاخهای از علم مکانیک است.





محاسبه فشار بر پایه نظریه جنبشی

فشار یک گاز ایدهآل را با استفاده از نظریه جنبشی محاسبه میکنند. برای ساده کردن مطلب ، گازی را در یک ظرف مکعب شکل با دیوارههای کاملا کشسان در نظر میگیریم. فرض میکنیم طول هر ضلع مکعب L باشد. سطحهای عمود بر محور X را که مساحت هر کدام e2 است. A1 و A2 مینامیم. مولکولی را در نظر میگیریم که دارای سرعت V باشد. سرعت V را میتوان در راستای یالهای مولفههای Vx و Vy و Vz تجزیه کرد.

اگر این ذره با A1 برخورد کند در بازگشت مولفه X سرعت آن معکوس می شود. این برخورد اثری رو ی مولفه Vy و یا Vy ندارد در نتیجه متغیر اندازه حرکت عبارت خواهد بود :

که بر A1 عمود است. بنابراین اندازه حرکتی e به A1 داده میشود برابر با m Vx2 خواهد بود زیرا اندازه حرکت کل پایسته است.

زمان لازم برای طی کردن مکعب برابر خواهد بود با Vx/L. در A2 دوباره مولفه y سرعت معکوس میشود و ذره به طرف A1 باز میگردد. با این فرض که در این میان برخوردی صورت نمیگیرد مدت رفت و برگشت برابر با 2 e Vx خواهد بود. به طوری که آهنگ انتقال اندازه حرکت از ذره به A1 عبارت است:


mVx2/e = Vx/2e . 2 mVx ، برای به دست آوردن نیروی کل وارد بر سطح A1 ، یعنی آهنگ انتقال اندازه حرکتی از طرف تمام مولکولهای گاز به A1 داده میشود.

تعبیر دما از دیدگاه نظریه جنبشی

با توجه به فرمول RT 2/3 = 1/2 MV2 یعنی انرژی کل انتقال هر مول از مولکولهای یک گاز ایدهآل ، با دما متناسب است. میتوان گفت که این نتیجه با توجه به معادله بالا برای جور در آمدن نظریه جنبشی با معادله حالت یک گاز ایدهآل لازم است. و یا اینکه میتوان معادله بالا را به عنوان تعریفی از دما بر پایه نظریه جنبشی یا بر مبنای میکروسکوبیک در نظر گرفت. هر دو مورد بینشی از مفهوم دمای گاز به ما میدهد. دمای یک گاز مربوط است به انرژی جنبشی انتقال کل نسبت به مرکز جرم گاز اندازه گیری میشود. انرژی جنبشی مربوط به حرکت مرکز جرم گاز ربطی به دمای گاز ندارد.

حرکت کاتورهای را به عنوان بخشی از تعریف آماری یک گاز ایدهآل در نظر گرفت. V2 را بر این اساس میتوان محاسبه کرد. در یک توزیع کاتورهای سرعتهای مولکولی ، مرکز جرم در حال سکون خواهد بود. بنابراین ما باید چارچوب مرجعی را بکار ببریم که در آن مرکز جرم گاز در حال سکون باشد. در چارچوبهای دیگر ، سرعت هر یک از مولکولها به اندازه U (سرعت مرکز جرم در آن چارچوب) از سرعت آنها در چارچوب مرکز جرم بیشتر است. در اینصورت حرکتها دیگر کترهای نخواهد بود و برای V2 مقادیر متفاوتی بدست میآید. پس دمای گاز داخل یک ظرف در یک قطار متحرک افزایش مییابد. میدانیم که M V2 1/2 میانگین انرژی جنبشی انتقالی هر مولکول است. این کمیت در یک دمای معین که در این مورد صفر درجه سلسیوس است، برای همه گازها مقدار تقریبا یکسانی دارد. پس نتیجه میگیریم که در دمای T ، نسبت جذر میانگین مربعی سرعتهای مولکولهای دو گاز مختلف مساوی است با ریشه دمای عکس نسبت به مربعهای آنها.

مسافت آزاد میانگین

در فاصله برخوردهای پیدرپی ، هر مولکول از گاز با سرعت ثابتی در طول یک خط راست حرکت میکند. فاصله متوسط بین این برخوردهای پیدرپی را مسافت آزاد میانگین مینامند. اگر مولکولها به شکل نقطه بودند، اصلا با هم برخورد نمیکردند. و مسافت آزاد میانگین بینهایت میشد. اما مولکولها نقطهای نیستند و بدین جهت برخوردهایی روی میدهد. اگر تعداد مولکولها آنقدر زیاد بود که میتوانستند فضایی را که در اختیار دارند کاملا پر کنند و دیگر جایی برای حرکت انتقالی آنها باقی نمیماند. آن وقت مسافت آزاد میانگین صفر میشد.

بنابراین مسافت آزاد میانگین بستگی دارد به اندازه مولکولها و تعداد واحد آنها در واحد حجم. و به قطر d و مولکولهای گاز به صورت کروی هستند در این صورت مقطع برای برخورد برابر با лd2 خواهد بود.

مولکولی با قطر 2d را در نظر میگیریم که با سرعت V در داخل گازی از ذرات نقطهای هم ارز حرکت میکند. این مولکول در مدت t استوانهای با سطح مقطع лd2 و طول Vt را میروبد. اگر nv تعداد مولکولها در واحد حجم باشد استوانه شامل (лd2 Vt ) nv ذره خواهد بود. مسافت آزاد میانگین ، L ، فاصله متوسط بین دو برخورد پیدرپی است بنابراین ، L ، عبارت است از کل مسافتی که مولکول در مدت t میپیماید. (Vt) تقسیم بر تعداد برخوردهایی که در این مدت انجام میدهد. یعنی:

این میانگین بر مبنای تصویری است که در آن یک مولکول با هدفهای ساکن برخورد میکند. در واقع ، برخوردهای مولکول با هدف دمای متحرک انجام میگیرد در نتیجه تعداد برخورد دما از این مقدار بیشتر است.

توزیع سرعتهای مولکولی

با توجه به سرعت جذر میانگین مربعی مولکولهای گاز ، اما گستره سرعتهای تکتک مولکولها بسیار وسیع است. بطوری که برای هر گازی منحنیای از سرعتها مولکولی وجود دارد که به دما وابسته است. اگر سرعتهای تمام مولکولهای یک گاز یکسان باشند این وضعیت نمیتواند مدت زیاد دوام بیاورد. زیرا سرعتهای مولکولی به علت برخوردها تغییر خواهند کرد. با وجود این انتظار نداریم که سرعت تعداد زیادی از مولکولها بسیار کمتر از Vrms (یعنی نزدیک صفر) یا بسیار بیشتر از Vrms ، زیرا وجود چنین سرعتهایی مستلزم آن است که یک رشته برخوردهایی نامحتمل و موجی صورت بگیرد. مسئله محتملترین توزیع سرعتها در مورد تعداد زیادی از مولکولهای یک گاز را ابتدا کلوک ماکسول حل کرد. قانونی که او ارائه کرد در مورد نمونهای از گاز که N مولکول را شامل میشد چنین است :

در این معادله N(V)dV تعداد مولکولهایی است که سرعت بین V و V+3v است، T دمای مطلق ، K ثابت بولتزمن ، m جرم هر مولکول است. تعداد کل مولکولهای گاز (N) را ، با جمع کردن (یعنی انتگرالگیری) تعداد موجود در هر بازه دیفرانسیلی سرعت از صفر تا بینهایت به دست میآید. واحد (N(V میتواند مثلا مولکول برا سانتیمتر بر ثانیه باشد.

توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات

توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات شبیه گاز است. اما بعضی از مولکولهای مایع (آنهایی که سریعترند) میتوانند در دماهایی کاملا پایینتر از نقطه جوش عادی از سطح مایع بگریزند. (یعنی تبخیر شوند). فقط این مولکولها هستند که میتوانند بر جاذبه مولکولهای سطح فائق آیند. و در اثر تبخیر فرار کنند. بنابراین انرژی جنبشی میانگین مولکولهای باقیمانده نیز کاهش مییابد در نتیجه دمای مایع پایین میآید. این امر روشن میکند که چرا تبخیر فرایند سرمایشی است.

مثال واقعی در مورد توزیع سرعتهای مولکولی

با توجه به فرمول N(V) = Σ410N(M/2πkT)3/2 توزیع سرعتهای مولکولی هم به جرم مولکول و هم به دما بستگی دارد هرچه جرم کمتر باشد نسبت مولکولهای سریع در یک دمای معین بیشتر است. بنابراین احتمال اینکه هیدروژن در ارتفاعات زیاد از جو فرار کند بیشتر است، تا اکسیژن و ازت. کره ماه دارای جو رقیقی است. برای آنکه مولکولهای این جو احتمال زیادی برای فرار از کشش گرانشی ضعیف ماه ، حتی در دماهای پایین آنجا نداشته باشند، انتظار میرود که این مولکولها یا اتمها متعلق به عناصر سنگینتر باشند. طبق شواهدی ، در این جو گازهای بی اثر سنگین مانند کریپتون و گزنون وجود دارند که براثر واپاشی پرتوزا در تاریخ گذشته ماه تولید شدهاند. فشار جو ماه در حدود 10 برابر فشار جو زمین است.





توزیع ماکسولی

ماکسول قانون توزیع سرعتهای مولکولی را در سال 1859 میلادی به دست آورد. در آن زمان بررسی این قانون به کمک اندازه گیری مستقیم ممکن نبود و در حقیقت تا سال 1920 که اولین کوشش جدی در این راه توسط اشترن (Stern) به عمل آمد، هیچ اقدامی صورت نگرفته بود. افراد مختلفی تکنیکهای این کار را به سرعت بهبود بخشیدند. تا اینکه در سال 1955 یک بررسی تجربی بسیار دقیق در تائید این قانون (در مورد مولکولهای گاز توسط میلر (Miller) و کاش (Kusch) از دانشگاه کلمبیا صورت گرفت.

اسبابی که این دو نفر بکار بردند در مجموعهای از آزمایشها مقداری تالیوم در کوره قرار میدادند و دیوارههای کوره O را تا دمای یکنواخت 80±4K گرم کردند. در این دما تالیوم بخار میشود و با فشار 3.2x10-3 میلیمتر جیوه ، کوره را پر میکند. بعضی از مولکولهای بخار تالیوم از شکاف s به فضای کاملا تخلیه شده خارج کوره فرار میکند و روی استوانه چرخان R میافتند در این صورت استوانه که طولش L است تعدادی شیار به صورت مورب تعبیه شده که فقط یکی از آنها را میتوان دید. به ازای یک سرعت زاویهای معین استوانه (W) فقط مولکولهایی که دارای سرعت کاملا مشخص V هستند میتوانند بدون برخورد با دیوارهها از شیارها عبور کنند. سرعت V را میتوان از رابطه زیر بدست آورد:

φ: تغییر مکان زاویهای بین ورودی و خروجی یک شیار مورب است. استوانه چرخان یک سرعت گزین است، سرعت انتخاب شده با سرعت زاویهای (قابل کنترل) W متناسب است.

نقص توزیع سرعت ماکسولی با نظریه جنبشی

اگرچه توزیع ماکسولی سرعت برای گازها در شرایط عادی سازگاری بسیار خوبی با مشاهدات دارد. ولی در چگالیهای بالا ، که فرضهای اساسی نظریه جنبشی کلاسیک صادق نیستند. این سازگاری نیز به هم میخورد. در این شرایط باید از توزیعهای سرعت مبتنی بر اصول مکانیک کوانتومی ، یعنی توزیع فرمی - دیراک (Fermi Dirac) بوز – انیشتین (Bose Einstein) استفاده کرد. این توزیعهای کوانتمی در ناحیه کلاسیک (چگالی کم) با توزیع ماکسولی توافق نزدیک دارند و در جایی که توزیع کلاسیک با شکست مواجه میشود با نتایج تجربی سازگارند. بنابراین در کاربرد توزیع ماکسولی محدودیتهایی وجود دارد. همانگونه که در واقع برای هر نظریهای چنین است.