آشنایی با اجزای هوا و روش های جداسازی اجزای هوا

همه ما از نقش حیاتی که هوا در زندگی ما بازی می کند آگاه هستیم اما به راستی هوا چیست و از چه اجزایی تشکیل شده است؟ هوا که معمولا به عنوان اتمسفر توصیف می شود مخلوطی از گازهای مختلف است. اولین چیزی که در رابطه با اجزای هوا به فکر ما می رسد اکسیژن است که برای حضور حیات بر روی کره زمین ضروری است. اما اکسیژن تنها جزء تشکیل دهنده هوا نیست و گازهای دیگری هم در هوا هستند که نقش مهمی در زندگی ما و امکان حیات بر روی کره زمین دارند.

اگر می پرسید هوا ترکیب است یا مخلوط در جواب شما باید بگوییم که هوا مخلوطی همگن از گازها است. در واقع هوا از گازهایی مانند نیتروژن ، اکسیژن ، دی اکسید کربن ، آرگون و غیره به نسبت های مختلف تشکیل شده است. از آنجا که هوا یک مخلوط همگن است برای جداسازی اجزای هوا ما به تکنیک های جداسازی ویژه ای نیاز داریم. تقطیر جزء به جزء روشی است که برای بدست آوردن اجزای مختلف هوا استفاده می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

اجزای تشکیل دهنده هوا

ما اغلب هوا را به عنوان یک واحد در نظر می گیریم ولی هوا از چندین گاز تشکیل شده است. ترکیب هوا از چند جز کلیدی یعنی نیتروژن  ، اکسیژن ، آرگون ، کربن دی اکسید و بخار آب هوا تشکیل شده است. البته هوا حاوی گازهای دیگری هم هست اما درصد آنها بسیار کم است. ترکیب عمومی هوا به شکل زیر است:

• نیتروژن: ۷۸.۰۸۴
• اکسیژن: ۲۰.۹۴۷۶
• آرگون: ۰.۰۳۴
• دی‌اکسید کربن: ۰.۰۳۱۴
• نئون: ۰.۰۰۱۸۱۸
• متان: ‌ ۰.۰۰۰۲
• هلیوم: ۰.۰۰۰۵۲۴
• کریپتون: ۰.۰۰۰۱۱۴
• هیدروژن : ۰.۰۰۰۰۵
• زنون: ۰.۰۰۰۰۰۸۷
• اوزون:  ۰.۰۰۰۰۰۷
• دی ‌اکسید نیتروژن:‌ ۰.۰۰۰۰۰۲
• ید: ۰.۰۰۰۰۰۱
• مونو اکسید کربن: مقادیر بسیار کم
• آمونیاک : مقادیر بسیار کم

مقادیر ذکر شده بر اساس درصد فراوانی در حالت ایده آل ذکر شده و این درصدها در مناطق مختلف زمین متفاوت است. به عنوان مثال  در یک منطقه صنعتی  ترکیب هوا می تواند به شدت متفاوت باشد زیرا ممکن است مقدار زیادی گاز مضر از دودکش های صنعتی ساطع شده باشد که می تواند میزان دی اکسید کربن را در هوا افزایش دهد و این امر برای هر کسی که چنین هوایی را تنفس می کند مضر است.

ترتیب جدا شدن اجزای هوا

همانطور که گفتیم جهت آنالیز هوا از تقطیر جزء به جزء استفاده می شود که در آن از اختلاف نقاط جوش اجزای هوای مایع استفاده می شود. این فرآیند با مایع سازی هوا آغاز می شود. فرمول شیمیایی هوا از گازهای مختلفی تشکیل شده است که شامل  نیتروژن (۷۸٪)، اکسیژن (۲۱٪)، آرگون (۰٫۹٪) و کربن دی‌اکسید (۰٫۰۳٪) است. مبحث گازهای اصلی تشکیل دهنده هوا علوم هشتم بطور کامل به این مسئله پرداخته است.

مراحل تقطیر هوا به این شکل است که قبل از شروع ، هوا فیلتر می شود تا ذرات گرد و غبار گرفته شود. سپس هوای مایع از ستون تقطیر فرکشنال عبور داده می شود. در اینجا هوای مایع اجازه گرم شدن دارد. پایین ستون گرمتر از بالا است و هر گاز با توجه به نقطه جوش خود در دماهای مختلف شروع به جدا شدن می کند.

به عنوان مثال دمای جوش نیتروژن -۱۹۶ درجه سانتی گراد است و ابتدا جداسازی می شود ، سپس آرگون و بعد  اکسیژن با نقطه جوش -۱۸۳ درجه سانتی گراد جداسازی خواهد شد. نئون ، هلیوم و سایر اجزا نیز به همین ترتیب جداسازی می شوند.

نمودار ترکیب گازهای تشکیل دهنده هوا

در مبحث مهمترین اجزای تشکیل دهنده هوا علوم نهم به تفکیک به این گازها اشاره شده است. بر این اساس شما می توانید به فرمول هوا پی برده و با نمودارهای مختلف نیز این اجزاء را به نمایش بگذارید.

جداسازی هوا به روش کرایوژنیک

یکی از متداول ترین شیوه جداسازی هوا روش تقطیر کرایوژنیک یا تقطیر تبریدی است. روش های دیگری مانند جذب سطحی، فرایند شیمیایی، جداسازی غشایی را نیز می توان برای جداسازی یک جز از هوا مورد استفاده قرار داد. روش کرایوژنیک بیشتر برای جداسازی اکسیژن ، نیتروژن و آرگون مورد استفاده قرار می گیرند.

در این فرایند هوا تا زمان مایع شدن سرد می شود سپس این مایع وارد ستون تقطیر می شود. در فرایند جداسازی برودتی نیاز به مبدل های حرارتی خاص و ستون های جداساز با راندمان بالا است و یک روش پر هزینه محسوب می شود که نیاز به انرژی زیادی دارد.

فرایند کرایوژنیک کارامد ترین روش برای تولید اکسیژن، نیتروژن و گاز نجیب از هوا است . در این روش هوا اابتدا توسط فیلترهایی برای حذف آلاینده ها تصفیه شده و وارد کمپرسور می شود. در این فرآیند هوا تا دماهای بسیار پایین سرد می شود تا اکسیژن، نیتروژن و آرگون به فرم مقطر در آیند. در این روش نیتروژن خالص به عنوان یک محصول فرعی تولید می شود.

ویژگیهای اجزای هوای مایع

اکسیژن

مهمترین گاز موجود در هوا اکسیژن است. اکسیژن یک گاز مهم برای انسان و اتمسفر است. این گاز از تنفس موجودات زنده پشتیبانی می کند  اما در عین حال یک گاز قابل احتراق است به همین دلیل شما می توانید به راحتی شمع روشن کنید. اگر سعی کنید همین کار را در خلا انجام دهید و دیگر قادر به روشن کردن آن نخواهید بود. این بدان معناست که هوا از مواد قابل احتراق نیز تشکیل شده است. اکسیژن تقریباً ۲۱٪ هوا را تشکیل می دهد و فقط کافی است ریه های سالمی داشته باشید تا از این گاز استفاده کنید.

نیتروژن

برای ایجاد تعادل در اکسیژن هوا حاوی نیتروژن است. نیتروژن یک گاز غیر قابل احتراق است و بالاترین درصد هوا را اشغال می کند. به همین دلیل است که وقتی شمع را فوت می کنید به راحتی خاموش می شود. نیتروژن همچنین یکی از گازهای فراوان موجود در زمین است.

آرگون

حضور آرگون در هوا اولین بار توسط هنری کاوندیش در سال ۱۷۸۵ مطرح شد اما تا سال ۱۸۹۴ که لرد ریلی و سر ویلیام رامزی آن را تأیید کردند ، این موضوع تایید نشد. مشخص شده است که این گاز به طور طبیعی در محیط وجود دارد و به راحتی در فضای تهویه شده پخش می شود و استنشاق آن می تواند منجر به سرگیجه و حالت تهوع در فرد شود.

دی اکسید کربن

دی اکسید کربن از طریق تنفس وارد هوا نمی شود. موجودات زنده اکسیژن را استنشاق می کنند و دی اکسید کربن را دفع می کنند. روش های دیگری نیز وجود دارد که به وسیله آنها دی اکسید کربن به جو تزریق می شود و بسته به مکانی که در آن هستید مقدار آن تغییر می کند. این گاز به طور کلی  باید حدود ۰.۳۸٪ از کل جو زمین را اشغال کند.

ازن

ازن یکی از گازهای تشکیل دهنده هوا با درصد بسیار کم است که به عنوان محافظ زمین عمل می‌ کند. در واقع هوای موجود در اتمسفر یک عایق است که زمین و موجودات را از سرما و گرمای شدید و همچنین نور خورشید محفاظت می ‌کند. کار اصلی ازن محافظت زمین از UV خورشید است که سالهای اخیر با منع استفاده از کلروفلوئورو کربن‌ها (CFCs)، این لایه تا حدودی اصلاح و ترمیم شده است.

بخار آب

بخار آب یکی دیگر از اجزاء هوا است. وقتی آب موجود در سطح زمین در اثر گرما تبخیر می شود ، وارد هوا شده و با گازهای اتمسفر مخلوط می شود. با اندازه گیری سطح رطوبت می توانید وجود بخار آب در هوا را ارزیابی کنید. بطورکلی هرچه به دریا نزدیک می شویم ، سطح رطوبت افزایش می یابد. این بدان دلیل است که مقدار بخار آب بیشتر در نزدیک مناطق ساحلی است.

سایر اجزای تشکیل دهنده هوا

علاوه بر اجزاء ذکر شده هوا دوده و گرد و غبار سایر گازهای سمی حاصل از فعالیت های صنعتی در هوا وجود دارد که مقررات بسیاری برای  کاهش این مواد آلاینده در همه کشورها وضع شده است.