صاعقه گیر با تکنولوژی پدیده پیزو الکتریک (اثر فشاربرقی)

یکی از ویژگی‌های غیرمعمولی که برخی سرامیک‌ها از خود بروز می‌دهند، پدیدهٔ پیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی‌های این سرامیک‌ها تحریک می‌شوند و میدان الکتریکی ایجاد می‌شود. وارون کردن اثر نیرو (مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می‌کند.

از مواد پیزوالکتریک در مبدل‌ها و وسایلی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند یا برعکس استفاده می‌شود. کاربردهای نام‌آشنایی از جمله پیکاپ گرامافون، میکروفون‌ها، مولدهای ماوراء صوت و حسگرهای سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده می‌کنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم شیارهای رکورد را می‌پیماید یک اختلاف فشار به مادهٔ پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد می‌شود که نهایتاً به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. این سیگنال قبل از ورود به بلندگو تقویت می‌شود. خاصیت پیزوالکتریک یک ویژگی مواد کریستالی دارای ساختار پیچیدهٔ بدون تقارن است. رفتار پیزوالکتریک یک پلی‌کریستال بوسیلهٔ گرم کردن بالاتر از دمای کوری و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود می‌یابد.

اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد می‌باشد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. این اثر را برادران کوری، پی‌یر و ژاک کوری، در دههٔ ۱۸۸۰ کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می‌دهند مواد پیزوالکتریک نامیده می‌شوند. اثر پیزوالکتریک در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیک‌ها، بسپارها و مواد مرکب دیده می‌شود. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار معکوس هم‌اند و هر چه میزان فشار یا کشش بیش‌تر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیش‌تر است. اثر پیزوالکتریک معکوس به معنی تغییر شکل آن‌ها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی است. اگر دو وجه روبرویی در هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکتریکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می‌دهد و به ارتعاش در می‌آید.

 

پیزوالکتریک بار الکتریکی‌ای است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (به ویژه در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و مواد آلی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌های مختلف). واژه پیزوالکتریک یعنی الکتریسیتهٔ ناشی از فشار که از لغت یونانی پیزو به معنای فشردن و الکترون به معنی کهرباگرفته شده است.

اثر پیزوالکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می‌شود.

اثر پیزوالکتریک یک فرایند برگشت‌پذیر است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک (تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس (تولید داخلی نیروی مکانیکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند.

به عنوان مثال سرامیک‌های ‎PZT (Pb[ZrxTi1-x]O۳ ۰≤x≤۱)‎ اگر به اندازه ۰٫۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن‌ها اعمال شود به اندازه ۰٫۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده‌های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، میکروبالانس‌ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن پرتوهای نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک‌های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA SNOM و… همچنین استفاده‌های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار.

تاریخچه

اکتشاف و پژوهش‌های اولیه

اثر پیروالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط کارل لینائوس^{[و ۱]} و فرنز آپینوس^{[و ۲]} مطالعه شد و با الهام از این موضوع رنه جاست هاووی^{[و ۳]} و آنتونی سزار بکورل^{[و ۴]} ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه‌ای وجود دارد گرچه آزمایش‌های آن‌ها نتیجهٔ قاطعی نداد.

اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران پیری کیوری^{[و ۵]} و جکوئیز کیوری^{[و ۶]} انجام شد. آن‌ها دانششان را از پیروالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها شد و اثبات کردند کریستال‌های ترمالین، کوارتز، زبرجد هندی، نیشکر و پتاسیم سدیم تارترات (نمک راشل) خاصیت پیزوالکتریک دارند. کوارتز و نمک راشل بیش‌ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می‌کنند. کیوری‌ها اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکردند، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط گابریل لیپمان^{[و ۷]} در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. کیوری‌ها بلافاصله وجود اثر معکوس را تأیید کردند و به تحقیقات خود ادامه دادند تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی-الاستیکی-مکانیکی سرامیک‌های پیزوالکتریک را بدست آورد.

در چند دهٔ بعد، پیزوالکتریک یک پدیدهٔ کمیاب آزمایشگاهی باقی ماند. کارهای بیش‌تری برای تعریف ساختار کریستال‌هایی که پیزوالکتریک را در خود ذخیره می‌کنند انجام شد که در سال ۱۹۱۰ با انتشار کتابی با موضوع فیزیک کریستال‌ها^{[و ۸]} به اوج خود رسید که ۲۰ دستهٔ کریستال طبیعی را که قابلیت ذخیرهٔ پیزوالکتریک داشتند، شرح داد و ثابت‌های پیزوالکتریک را با دقت زیاد توسط تحلیل‌ها و آمارهای کششی بدست آورد.

جنگ جهانی اول و پس از آن

اولین استفادهٔ عملی از دستگاه‌های پیزوالکتریک، سونار (دستگاه کاشف زیردریایی بوسیله امواج صوتی) بود که در جنگ جهانی اول توسعه پیدا کرد. در سال ۱۹۱۷ در فرانسه پائول لانگ وین و همکارانش روی یک آشکارگر ماوراء صوت کار کردند. دستگاه از یک مبدل ساخته شده بود که از کریستال‌های نازک کوارتز که با دقت بین دو صفحهٔ نازک فولاد متصل شده بودند و یک هیدروفن (دستگاهی که اصوات زیر آب را ثبت می‌کند) برای شناسایی و بازگرداندن انعکاس صوت، تشکیل شده‌بود. با فرستادن صوت فرکانس بالا از مبدل و اندازه‌گیری مدت زمان رفت و برگشت صدا می‌توان فاصله تا شیء مورد نظر را اندازه‌گیری کرد.

استفادهٔ موفقیت‌آمیز پیزوالکتریک در سونار موجب شد علاقهٔ فزاینده‌ای در توسعهٔ دستگاه‌های پیزوالکتریک ایجاد شود. در چند دههٔ بعد، مواد و کاربردهایی جدیدی از پیزوالکتریک کشف شد.

دستگاه‌های پیزوالکتریک در بسیاری از زمینه‌ها جا باز کردند. دستگاه ضبط صدای سرامیکی هم ارزان و هم دقیق بود و آسان‌تر ساخته می‌شد. پیشرفت مبدل‌های ماوراء صوت موجب شد سنجش گران‌روی (ویسکوزیته) و کشسانی در مایعات و جامدات آسان‌تر شود که نتیجهٔ آن پیشرفتی عظیم در مطالعه بر روی مواد بود. بازتاب سنج‌های ماوراء صوت می‌توانستند ترک‌های فلزات را در ریخته‌گری بیابند که موجب افزایش ایمنی ساختار شد.

جنگ جهانی دوم و پس از آن

در جریان جنگ جهانی دوم گروه‌های غیر مستقل پژوهش در ایالات متحدهٔ آمریکا، روسیه و ژاپن دستهٔ جدیدی از مواد ساخت بشر را کشف کردند که فروالکتریک نام گذاری شد و خیلی بیش‌تر از مواد طبیعی پیزوالکتریک را ذخیره می‌کردند و موجب علاقه‌ای وافر در توسعهٔ تیتانات باریم و بعدها ZrTiO3 با ویژگی‌هایی منحصربفرد شد.

یک نمونهٔ مهم کاربرد پیزوالکتریک توسط آزمایشگاه‌های تلفن بل توسعه یافت. به دنبال جنگ جهانی اول فردریک بر روی تلفن بیسیم در دانشکدهٔ مهندسی مشغول به کار بود که باعث توسعهٔ کریستال “AT cut” شد. کریستالی که در محدودهٔ دمایی وسیعی مورد استفاده قرار می‌گرفت. این به لوازم فرعی سنگینی که کریستال قبلی نیاز داشت، نیاز نداشت. نتیجهٔ آن تسهیل استفاده در صنایع هوایی بود. با استفاده از رادیو در صنعت، هواپیماها می‌توانستند حملات دسته جمعی هماهنگ انجام دهند.

پیشرفت دستگاه‌های پیزوالکتریک و علم مواد منحصراً در داخل کمپانی‌های توسعه دهنده نگهداری شد که بیش از همه به علت شروع جنگ همچنین برای محفوظ داشتن حق امتیاز بود. کریستال‌های کوارتز اولین موادی بودند که از آن‌ها بهره‌برداری شد، اما دانشمندان به دنبال موادی با کارایی عالی بودند. با وجود پیشرفت در علم مواد و کامل شدن فرایند تولید، بازار ایالات متحده به آن سرعت رشد نکرد. بدون بازار مصرف جدید، پیشرفت صنعت پیزوالکتریک ایالات متحده با مشکل جدی مواجه بود.

در مقابل تولیدکننده‌های ژاپنی اطلاعاتشان را به اشتراک گذاشتند و به سرعت، هم از نظر فنی و هم از نظر تولیدی در مسابقه پیروز شدند و بازارهای جدیدی برای محصولات خود به وجود آوردند. تلاش‌های ژاپنی‌ها در علم مواد موجب ساخت مواد پیزوالکتریک جدیدی شد که با ایالات متحده رقابت می‌کرد، اما بدون محدودیت گران حق امتیاز. بیش‌تر پیشرفت‌های ژاپنی‌ها در علم پیزوالکتریک شامل طراحی‌های جدید در صافی‌های پیزوسرامیک برای رادیوها، تلویزیون‌ها، پیزوبوزر‌ها (تولید صدای تیز و تند)، مبدل‌های صدا که می‌توانند مستقیماً به مدارهای الکتریکی متصل شوند و چاشنی‌های پیزوالکتریک که برای سیستم موتورهای کوچک (و بریان‌کن‌ها) جرقه تولید می‌کنند، بود. مبدل‌های ماوراء صوت که امواج را به هوا می‌فرستند مدت زیادی وجود داشتند اما اولین استفادهٔ تجاری در کنترل‌های تلویزیون بود. امروزه این مبدل‌ها بر روی انواع مختلف ماشین‌ها به عنوان ردیاب کاربرد دارند و به راننده کمک می‌کنند فاصلهٔ عقب ماشین تا اجسامی که در سر راه آن قرار دارد را بفهمد.

سازوکار و ساختمان

ذات اثر پیزوالکتریک به دوقطبی‌های الکتریکی لحظه‌ای در جامدات مربوط می‌شود. سطح خارجی ممکن است در شبکهٔ کریستالی با بار نامتقارن محیطی تحریک شده باشد (از جمله درBaTiO۳ و PZTها) یا ممکن است مستقیماً توسط گروه‌های مولکولی حمل شود (به عنوان مثال در نیشکر). چگالی دوقطبی یا پلاریزاسیون [Cm/m۳] به سادگی با نتیجه‌گیری از دوقطبی‌های لحظه‌ای در واحد حجم سلول واحد برای کریستال‌ها محاسبه می‌شود. همچنان‌که هر دوقطبی یک بردار است، چگالی دوقطبی نیز بردار است (یک کمیت برداری است). دوقطبی‌های نزدیک هم در مناطقی به نام قلمرو ویس جهت‌گیری می‌کنند. این قلمروها معمولاً تصادفی جهت‌دار می‌شوند اما می‌توانند توسط فرایند قطبی‌سازی (با قطبی‌سازی مغناطیسی متفاوت است) هم‌جهت شوند، فرایندی که یک میدان الکتریکی قوی (معمولاً در دماهای بالا) به جسم اعمال می‌شود. تمام مواد پیزوالکتریک قطبی نمی‌شوند.

نکتهٔ قطعی در مورد اثر پیزوالکتریک تغییر قطبش هنگام اعمال فشار مکانیکی است که ممکن است به علت ایجاد آرایش فضایی جدید دوقطبی‌ها یا به علت جهت‌گیری مولکول‌های قطبی لحظه‌ای تحت اثر نیروی خارجی باشد سپس خاصیت پیزوالکتریک در اثر تنوع در قدرت دوقطبی‌ها یا جهت آن‌ها یا هر دو به وجود آید. این اثر بستگی دارد به:

1. جهت گیری دوقطبی‌ها درون کریستال
2. تقارن کریستال
3. فشار مکانیکی اعمالی

تغییر در قطبش در تغییر چگالی سطحی بار در سطوح کریستالی ظاهر می‌شود یعنی تنوع میدان الکتریکی در سطوح، چون که واحد چگالی بار سطحی و قطبش یکسان است ‎[C/m۲] = [Cm/m۳]‎. اگرچه خاصیت پیزوالکتریک بر اثر تغییر در چگالی بار سطحی سبب نمی‌شود، اما به علت چگالی دو قطبی در سطح سبب می‌شود. به عنوان مثال اگر به یک سانتی‌متر مکعب کواتز ۲ کیلونیوتن نیرو وارد شود ۱۲۵۰۰ ولت اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کند.

خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شدهٔ رفتار الکتریکی ماده است.

طبقه‌بندی کریستال‌ها

از ۳۲ گروه کریستال، ۲۱ گروه تقارن مرکزی ندارند و از این‌ها ۲۰ گروه خاصیت پیزوالکتریک دارند (گروه ۲۱ام کلاس مکعب ۴۳۲ است) که ۱۰ تا از آن‌ها کلاس کریستال قطبی را نشان می‌دهند که قطبش خودبه‌خودی بدون فشار مکانیکی را دارا هستند و خاصیت پیروالکتریک را ذخیره می‌کنند. اگر دوقطبی لحظه‌ای توسط میدان الکتریکی معکوس شود به آن ماده فروالکتریک گویند.

کلاس‌های کریستالی قطبی: ۱، ۲، m، mm۲، ۴، ۴ mm، ۳، ۳m، ۶، ۶ mm.

کلاس‌های کریستالی پیزوالکتریک: ۱، ۲، m، ۲۲۲، mm۲، ۴، ۴، ۴۲۲، ۴ mm، ۴۲m، ۳، ۳۲، ۳m، ۶، ۶، ۶۲۲، ۶ mm، ۶۲m، ۲۳، ۴۳m.

کریستال‌های قطبی بدون اعمال فشار مکانیکی نیز قطبی هستند. اثر پیزوالکتریک خود به خود بر اثر قدرت یا جهت قطبش یا هر دو آشکار می‌شود. از طرف دیگر کریستال‌های پیزوالکتریک غیرقطبی در اثر ایجاد دو قطبی فقط بر اثر اعمال فشار مکانیکی به وجود می‌آید. در این کریستال‌ها، تنش کریستال را از گروه غیرقطبی به گروه قطبی تبدیل می‌کند.

مواد

بسیاری مواد چه طبیعی چه ساختهٔ دست بشر پیزوالکتریک را ذخیره می‌کنند.

کریستال‌های ذاتی

• برلینیت^{[و ۹]} (AlPO۴) یک فسفات معدنی کمیاب که از نظر ساختمانی مشابه کوارتز است
• نیشکر
• کوارتز
• نمک راشل
• زبرجد هندی
• مواد معدنی گروه تورمالین
• 

سایر مواد طبیعی

• استخوان: استخوان بی‌آب بعضی خواص پیزوالکتریک را ذخیره می‌کند. مطالعات فوکادا و بقیه نشان داد این‌ها به خاطر کریستال‌های آپاتایت که متقارن مرکزی هستند نیست بلکه به خاطر کلاژن است. کلاژن در ساختارش جهت‌گیری محوری قطبی مولکول‌های دوقطبی را ذخیره می‌کند و می‌توان آن‌ها را بیوالکترت محسوب کرد، یک نوع مادهٔ دی‌الکتریک که فضای بار شبه ثابت و بار دوقطبی را ذخیره می‌کند. وقتی تعدادی از مولکول‌های کلاژن در یک جهت تحت فشار قرار می‌گیرند مقدار بار زیادی از داخل به سطح نمونه حمل می‌شود که انتظار می‌رود دلیل به وجود آمدن پتانسیل باشد.

اثر پیزوالکتریک عموماً به عنوان یک حسگر نیروی بیولوژیکی عمل می‌کند. این اثر در تحقیقات انجام شده در دانشگاه پنسیلوانیا در اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل ۱۹۸۰ به کار گرفته شد که در نتیجه مشخص گردید استفادهٔ پیوسته از پتانسیل الکتریکی می‌تواند هم تخریب استخوان‌ها و هم رشد استخوانها را (بسته به پلاریته یا قطبیت آنها) باعث شود. مطالعات بیش‌تر انجام گرفته در دههٔ ۱۹۹۰ معادلهٔ ریاضی را فراهم نمود که شباهت انتشار موج استخوان‌های بلند را همانند کریستال‌های شش گوشه (کلاس ۶) تأیید می‌کرد.

• تاندون
• ابریشم
• چوب (به علت تار و پود پیزوالکتریک آن)
• مینای دندان
• عاج دندان

کریستال‌های دست‌ساز

• گالیم ارتوفسفاته (GaPO۴) کرستالی مشابه کوارتز
• لانگاسیت (La3Ga5SiO۱۴)، کرستالی مشابه کوارتز

سرامیک‌های دست‌ساز

خانوادهٔ سرامیک‌های دارای ساختارهای پروسکایت و یا تنگستن– برنز، خواص پیزوالکتریک از خود نشان می‌دهند:

• تیتانات باریم (BaTiO۳)—(اولین سرامیک پیزوالکتریک کشف شده)
• سرب تیتانات (PbTiO۳)
• تیتانات زیرکونات سرب (Pb[ZrxTi۱−x]O۳ ۰≤x≤۱
• نیوبات پتاسیوم (KNbO۳)
• نیوبات لیتیم (LiNbO۳)
• لیتیم تانتالات (LiTaO۳)
• سدیم تنگستات (Na2WO۳)
• Ba2NaNb5O۵
• Pb2KNb5O۱۵

پیزوسرامیک‌های بدون سرب

اخیراً نگرانی‌ها در خصوص سمی بودن دستگاه‌ها و اجزای حاوی سرب افزایش یافته و در این خصوص استفاده از قوانین و مقررات محدودکننده مواد خطرناک را مطرح ساخته است. افزایش این نگرانی‌ها تأکید بر توسعهٔ کامپوزیتی مواد پیزوالکتریک بدون سرب می‌باشد.

• نیوبات پتاسیوم سدیم (NaKNb)
• بیسموت فریت (BiFeO۳)
• نیوبات سدیم NaNbO۳

تاکنون، نه اثر محیطی این مواد تأیید شده و نه پایداری این مواد به هنگام تهیهٔ آن‌ها.

 

پلیمرها

PVDF خاصیت پیزوالکتریک را چندین بار بیش‌تر از کوارتز نشان می‌دهد. بر خلاف سرامیک‌ها، که در آن ساختار کریستالی ماده به وجود آورندهٔ اثر پیزوالکتریک است، در پلیمرها مولکول‌های زنجیرهٔ بلند مزدوج هنگامی که در محدودهٔ یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند یکدیگر را جذب و دفع می‌کنند.

کاربردها

امروزه کریستال‌های پیزوالکتریک کاربردهای متعدد و بسیاری دارند از جمله:

منابع با ولتاژ و توان بالا

همان‌گونه که پیش از این اشاره گردید، پیزوالکتریسیتهٔ مستقیم برخی مواد مانند کوارتزها می‌توان تفاوت‌های فراوانی را در میزان ولتاژ ایجاد نماید.

شناخته‌شده‌ترین کاربرد موجود فندک الکتریکی می‌باشد: فشار شستی باعث می‌گردد چکش فنری به کریستال پیزوالکتریک ضربه وارد کند و جریان الکتریکی با ولتاژ کافی ایجاد گردد و جرقه جاری می‌گردد، و در نتیجه گاز را گرم و مشتعل می‌نماید. در حال حاضر بسیاری از جرقه‌زن‌های قابل حمل مبتنی بر این فناوری ساخته می‌شوند.

تحقیقات مشابهی نیز توسط دارپا در ایالات متحده صورت گرفته که پروژهٔ آن زراعت انرژی نام گرفته است. این پروژه شامل بر فعالیت‌هایی بود که تجهیزات زمین جنگ از طریق ژنراتور‌های پیزوالکتریک جای گرفته در چکمهٔ سربازان باردار شود. با این حال، این منابع زراعت انرژی در مجموع آثاری بر روی بدن سربازان دارند. تلاش‌های دارپا در جهت به دست آوردن ۱ تا ۲ وات از اثر برخورد مستمر پوتین سربازان با زمین به هنگام راه رفتن، به واسطه عدم کاربردی بودن و به خاطر ناراحتی‌های ناشی از انرژی ایجاد شده توسط فردی که پوتین‌ها را به پا کرده است، متوقف گشت.

مبدل پیزوالکتریک نوعی چندراهه با ولتاژ متناوب می‌باشد. برخلاف یک مبدل معمولی که از جفت‌شدن مغناطیسی بین ورودی و خروجی بهره می‌گیرد، مبدل پیزوالکتریک از جفت‌شدن صوتی استفاده می‌کند. این ابزارها می‌توانند در تبدیل‌های ای‌سی-دی‌سی برای به کار انداختن لامپ‌های فلورسنت با کاتود سرد به کار گرفته شوند.

حسگرها

اصل مورد بحث در به کارگیری حسگرهای پیزوالکتریک این است که یک بعد فیزیکی که به یک نیرو تبدیل شده در دو جنبه متضاد از عنصر حسگر بودن عمل می‌کند. بسته به طراحی یک حسگر، گونه‌های مختلفی می‌تواند برای بارگذاری پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد.

تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول‌ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن‌های پیزوالکتریک امواج صوتی ماده پیزوالکتریک را مرتعش ساخته و باعث تغییر ولتاژ می‌شوند، و یا گیرنده‌های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنهٔ یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می‌خوانند.

حسگرهای پیزوالکتریک به طور ویژه توأم با صداهای با فرکانس بالا در مبدل‌های مافوق صوت جهت عکسبرداری‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پیزوالکتریک در نانو

بنا به تحقیقی منتشرشده در آوریل و مارس سال ۲۰۰۹ میلادی در دانشگاه ام‌آی‌تی، ژونگ لینگ ونگ فکر می‌کند که سیم‌های پیزوالکتریک نانو می‌توانند به وسایل پزشکی گذاشته شده در بدن نیرو برساند و به عنوان حسگرهای کوچک عمل کنند.

نانو حسگرها به شدت حساس، کم مصرف و البته بسیار کوچکند. آن‌ها می‌توانند در شناسایی علائم مولکولی بیماری در خون، مقادیر جزیی گازهای سمی در جو و آلودگی‌ها در غذا مورد استفاده قرار گیرند. اما منابع انرژی و مدارهای لازم برای فعال سازی این وسایل کوچک ساخته شدن آن‌ها را دشوار می‌کند. هدف ونگ، نیرو بخشیدن به دنیای نانو توسط مولدهای کوچکی که از پیزوالکتریک بهره می‌برند است. اگر او موفق شود، نانو حسگرهای زیستی و شیمیایی قادر خواهند بود به خودشان نیرو ببخشند.

ونگ برای اولین بار در سال ۲۰۰۵ این پدیده را در مقیاس نانو با خم کردن اکسید روی توسط پایهٔ میکروسکوپ اتمی نشان داد. هنگامی که سیم خم می‌شود و به حالت اولیه برمی‌گردد پتانسیل تولید شده توسط یون‌های اکسیژن و روی جریان الکتریکی به وجود می‌آورند. جریانی که او از نخستین آزمایش بدست آورد اندک بود. پتانسیل الکتریکی حداکثر به چند میلی ولت می‌رسید. اما ونگ مطمئن بود که با علم مهندسی و با مهارکردن لرزه‌های کوچک اطرافمان یک نانو منبع انرژی طراحی کند از جمله امواج صدا، باد و تلاطم گردش خون بر روی وسیلهٔ کار گذاشته شده در بدن. این حرکات کوچک موجب خم شدن نانو سیم‌ها می‌شود که به تولید جریان الکتریکی می‌انجامد.

ونگ نانو سیم اکسید روی را در یک لایه پلیمر جاسازی کرد. هنگامی که ورقه خم شد mv۵۰ اختلاف پتانسیل تولید شد. این گامی بزرگ در راستای نیرو بخشیدن به نانو حسگرهاست. او امیدوار است نهایتاً این مولدها در تار و پود لباس بافته شود. در این صورت یک پیراهن می‌تواند انرژی لازم را برای شارژ شدن باتری وسایلی مثل آی‌پاد تأمین کند.

برخلاف اجزای الکترونیکی قدیمی، نانوپیزوترونیک‌ها به منبع جریان خارجی نیاز ندارند و وقتی در معرض نیروی مکانیکی قرار می‌گیرند به خودشان نیرو وارد می‌کنند.

یک سمعک نانو پیزوالکترونیک ترکیب شده با نانو مولد از رشته‌ای از نانو سیم‌ها استفاده می‌کند که هر کدام تنظیم شده است در محدودهٔ عظیمی از صداها با فرکانس متفاوت به ارتعاش درآید. نانو سیم‌ها صداها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل و آن‌ها را پردازش می‌کنند به همین جهت آن‌ها مستقیماً می‌توانند به نرون‌های مغز فرستاده شوند. سمعک‌ها نه فقط متراکم‌تر و حساس‌تر می‌شوند بلکه باتری‌های آن‌ها قابل تعویض خواهد بود. حسگرهای نانوپیزوالکترونیک همچنین برای تشخیص فشار مکانیکی در موتور هواپیما استفاده می‌شوند؛ فقط چند ترکیب کوچک نانو سیم فشار را برصفحه نمایش می‌آورد؛ اطلاعات را پردازش می‌کند و به کابین خلبان منتقل می‌کند.

ونگ pH و حسگرهای اشعهٔ UV را با این وسایل ملحق کرد و نشان داد که وقتی تحت فشار قرار بگیرند می‌توانند به حسگر نیرو بدهند.

وسایلی که انرژی هدر رفته را ذخیره می‌کنند و امکانات جدیدی را به ارمغان می‌آورند مثل لباس‌هایی که با حرکات بدن وسایل الکترونیکی را شارژ می‌کنند از مواردی است که در شاخهٔ نانوپیزوالکتریک دنبال می‌شود. هم اکنون محققان اولین مولدها را که بر پایهٔ نانو سیم‌ها کار می‌کنند تولید کرده‌اند که انرژی مکانیکی لازم را برای نیرو رساندن به وسایل الکترونیکی کوچک مثل دیودها و صفحهٔ نمایش کریستال مایع ذخیره می‌کنند.

پیزوالکتریک‌ها قبلاً در میکروفن‌ها، حسگرها، ساعت‌ها و… استفاده شده‌اند اما تلاش برای ذخیرهٔ انرژی بیومکانیکی توسط آن‌ها بی‌نتیجه مانده است زیرا آن‌ها بیش از اندازه سفت‌اند. پلیمرهای پیزوالکتریک موجودند اما استفاده از آن‌ها به صرفه نیست.

صاعقه گیر–صاعقه گیر پسیو- صاعقه گیر اکتیو

منبع:ویکی پدیا

ژنراتور القایی

یک موتور القایی از نوع روتور قفس سنجابی است که با یک محرک اولیه در مافوق سرعت سنکرون گردانده و برای تولید نیروی برق استفاده می‌شود و ساختار و مشخصه‌های آن عیناً مثل روتور القایی است.

ساختارهای روتور و یاتاقانهای آن برای تحمل سرعت فرار توربین طراحی شده است.

مشخصه‌های الکتریکی

وقتی یک موتور القایی با ولتاژ نامی و در حالت بی‌باری مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد، با سرعتی می‌چرخد که فقط برای تولید گشتاور لازم برای غلبه بر افت ناشی از اصطکاک و افت ناشی از مقاومت هوا کافی باشد.

اگر یک نیروی مکانیکی خارجی برابر با این افت‌ها به موتور القایی در همان جهت چرخش اعمال شود،‌روتور آن به سرعت سنکرون خواهد رسید.

هنگامی که روتور در سرعت سنکرون می‌چرخد، روتور با همان سرعت میدان مغناطیسی ناشی از ولتاژ تغذیه می‌‌چرخد وولتاژ ثانویه‌ای القاء نمی‌شود .

زیرا فلوی مغناطیسی هیچیک از هادیهای ثانویه را قطع نمی‌کند و هیچ جریانی از سیم‌پیچهای روتور نمی‌گذرد و فقط جریان تحریک در سیم‌پیچهای اولیه جریان می‌یابد.

در صورتی که روتور بواسطه یک نیروی خارجی در سرعتی بالاتر از سرعت سنکرون خود، چرخش کند، جهت ولتاژ القایی ثانویه خلاف موقعی خواهد بود که بعنوان موتور القایی چرخش می‌کرد.

زیرا سرعت چرخش‌ هادی روتور فراتر از سرعت چرخش میدان مغناطیسی می‌شود و گشتاوری که چرخش روتور را کند می‌کند بین جریان ثانویه ناشی از این ولتاژ القایی و میدان مغناطیسی ایجاد شده و واحد مثل یک ژنراتور کار می‌کند.

یعنی، توان مکانیکی خارجی اعمال شده به توان الکتریکی تبدیل می‌شود که در سیم‌پیچهای اولیه تولید شده‌اند.

همانطوری که قبلاً توضیح داده شده، ژنراتور القایی یک موتور القایی است که مافوق سرعت سنکرون کار می‌کند.

مزایا و معایب آن در مقایسه با ژنراتور سنکرون بشرح زیر است:

مزایای ژنراتور القایی

۱- چون به سیستم تحریک احتیاج ندارد و ساختمان آن ساده است در نتیجه تعمیر و نگهداری آن آسان است

۲- راه‌اندازی و بهره‌برداری از آن آسان است، زیرا نیازی به سنکرونیزاسیون یا تنظیم تحریک ندارد.

۳- جریان اتصال کوتاه آن کم است و زمان کاهش آن در مقایسه با ماشینهای سنکرون کوتاهتر است.

زیرا در هنگام اتصال کوتاه، تحریک قطع می‌شود و جریان اتصال کوتاه فقط در یک مدت فوق‌العاده کوتاه جریان می‌یابد تا اینکه فلوی مغناطیسی ناپدید شود.

۴- چون همیشه بطور موازی با ژنراتور سنکرون کار می‌کند و هرگز مستقلاً مورد بهره‌برداری قرار نمی‌گیرد، به ژنراتور سرعت نیازی ندارد.

۵- وقتی بار پس زده می‌شود، جریان تحریک قطع می‌شود و ولتاژ ناپدید می‌شود.

و لذا هیچگونه صدمه و خسارتی به بخشهای عایقی دستگاه از جانب ولتاژ اضافی صرفنظر از میزان افزایش سرعت رخ نمی‌دهد.

۶- وقتی ولتاژ سیستم افت می‌کند، جریان تحریک خودبه‌خود کاهش می‌یابد.

۷- جون گاورنر سرعت مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، لذا تا حدی که سرعت آن از سرعت مجاز توربین هیدرولیکی بیشتر نشود به تولید انرژی ادامه می‌دهد.

۸- در مواقعی که سیستم دچار اختلال می‌شود، این دستگاه می‌تواند به صورت پایدار و بدون قطع شدن به کار خود ادامه دهد.

صاعقه گیر آذرخش

---

معایب ژنراتور القایی:

۱- فقط وقتی مثل یک ژنراتور کار می‌کند که با ماشین سنکرون موازی شده باشد و نمی‌تواند مستقلاً تولید برق کند.

۲- چون جریان اولیه ژنراتور در ارتباط با ولتاژ خروجی در پیش‌فاز است. (یعنی با ضریب قدرت پیش فاز ژنراتور سنکرون مطابقت می‌کند)

۳- ضریب قدرت جریان بار بوسیله ضریب قدرت بار تعیین نمی‌شود، بلکه بوسیله ضریب قدرت ذاتی خود ژنراتور تعیین می‌شود.

این بدان معنی است که ضریب قدرت بوسیله ظرفیت تعیین می‌شود و قابل کنترل نیست.

ژنراتور سنکرونی که بطور موازی به ژنراتور القایی متصل شده است.

باید علاوه بر جریان تاخیر فاز مورد نیاز بار جریان تحریک مورد نیاز ژنراتور القایی را هم تامین کند.

بنابراین، ضریب قدرت ژنراتور سنکرون بدتر شده و ظرفیت قابل حصول آن نیز کاهش می‌یابد.

این امر هم‌چنین باعث افزایش تلفات در خطوط انتقال می‌شود.

برای جبران این تلفات لازم است از کندانسورها استفاده شود.

۴- در بهره‌برداری موازی، جریان هجومی بالایی جریان می‌یابد و ولتاژ سیستم راتحت تاثیر قرار می‌دهد.

۵- – به طور کلی، ماشینهای القایی با سرعتهای پایین و قطبهای زیاد، نسبت به ماشینهای سنکرون از لحاظ ضریب قدرت و ابعاد ماشین نامرغوبتر هستند.

صاعقه گیر آذرخش

---

ناپایداری ژنراتورهای القایی:

جریان هجومی در بهره‌برداری موازی

جریان اتصال ژنراتورهای القایی به شبکه، با باز کردن پره‌های هادی توربین، سرعت ژنراتور بتدریج افزایش داده می‌شود و پس از آنکه رله سرعت نشان داد که لغزش ژنراتور از مقدار معینی کمتر شده است، ژنراتور به شبکه متصل خواهد شد.

جریان هجومی در لغزشهای کوچک نیز وجود دارد، حتی اگر ژنراتور درهنگام اتصال به شبکه کاملاً سنکرون شده باشد.

این جریان از نظر تئوری دو برابر جریان حالت روتور قفل شده است.

به هر حال این جریان گذرا در یک زمان خیلی کوتاه و حداکثر پس از ۱۰ سیکل از بین می‌رود.

صاعقه گیر آذرخش

---

اتصال کوتاه سه‌فاز ناگهانی

وقتی اتصال کوتاهی در ژنراتور القایی حین بهره برداری بروز می‌کند، جریانهای تحریک بسیار منابع از بین می‌روند.

بهر‌حال، فلوی مغناطیسی هسته آهنی آن به نقطه صفر کاهش نمی‌یابد.

بنابراین یک جریان اتصال کوتاه در مدت فوق‌العاده کوتاه جریان می‌یابد تا اینکه به نقطه صفر برسد.

حداکثر مقدار این جریان حدوداً برابر با مقدار جریان هجومی است.

این جریان معمولاً چند با حداکثر ۱۰ سیکل و به مقدار بسیار ناچیزی کاهش می‌یابد، لذا سبب بروز جریان اتصال کوتاه پایدار و بادوام نمی‌شود.

صاعقه گیر آذرخش

---

اتصال کوتاه تک‌فاز

وقتی اتصال کوتاه بین دو خط بروز می‌کند، حداکثر جریان اتصال کوتاه حدوداً ۳√ برابر جریان روتور قفل شده خواهد بود.

پدیده خود تحریکی

خود تحریکی هنگامی بروز می‌کند که ژنراتور و کندانسورها با هم از سیستم قطع شوند که در نتیجه عایق ژنراتور یا کندانسورها ممکن است با افزایش ولتاژ آسیب ببیند.

خودتحریکی در حالتی بوجود می‌آید که ژنراتور توسط جریان پیش‌فازی که به کندانسور (خازن) تحویل می‌دهد تحریک شود.

مقدار این ولتاژ با استفاده از منحنی اشباع بی‌باری ژنراتور و مشخصه‌های ولتاژ و جریان کندانسور تعیین می‌شود.

در ناحیه ولتاژهای زیر نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور تمایل به افزایش دارد زیرا جریان تحریک تامین شده زیر «Ve» در مقایسه با جریان تحریک مورد نیاز بیشتر است.

در ناحیه ولتاژهای بالا نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور به دلیل رابطه معکوس کاهش پیدا می‌کند.

بنابراین، در این مثال ولتاژ خود تحریکی نقطه «Ve» خواهد بود که دو منحنی همدیگر را قطع کرده‌اند.

اگر ظرفیت کندانسور کم باشد، شیب خط مشخصه ولتاژ جریان افزازیش خواهد یافت و «Ve» به تدریج پایین می‌افتد و وقتی از نقطه‌ای مشخص پایین‌تر بیاید، با منحنی اشباع در حالت بی‌باری ژنراتور تقاطع نخواهد کرد وپدیده خودتحریکی به وجود نخواهد آمد.

افزایش سرعت در ژنراتور القایی نیاز به توجه ویژه دارد.

با افزایش سرعت، منحنی اشباع در حالت بی‌باری و ولتاژ کندانسور و منحنی مشخصه‌های جریان به سمت منحنی‌های دیگری انتقال می‌یابد.

تحت این شرایط، ولتاژهای خودتحریکی قوی ممکن است بوجود آیند.

صاعقه گیر آذرخش

---

سیستم بهره‌برداری و کنترل

همانطوری که قبلاً توضیح داده شده، سنکرونیزاسیون برای بهره برداری از ژنراتورهای القایی در حالت موازی الزامی نیست.

همچنین گاورنر سرعت توربین را می‌توان حذف کرد، زیرا این ژنراتورها هیچگاه مستقلاً مورد بهره‌برداری قرار نمی‌گیرند.

صاعقه گیر آذرخش

---

راه‌اندازی:

وقتی شرایط راه‌اندازی توربین هیدرولیک (آبی) فراهم باشد، فرمان راه‌اندازی صادر می‌شود و پره‌های هادی بتدریج باز می‌شوند و توربین هیدرولیکی شروع به چرخش می‌کند.

پره‌های هادی موقتاً در وضعیت مربوط به راه‌اندازی متوقف می‌شوند.

سپس، توربین هیدرولیکی به تدریج شتاب می‌گیرد و در ‎آغاز از سرعت سنکرون پیشی گرفته و سپس به آن برمی‌گردد.

صاعقه گیر آذرخش

---

بهره‌برداری موازی

چنانچه تنظیم مقدار بازشدگی دریچه‌های متناظر با حالت بی‌باری قبلاً به دست آمده باشد، در فاصله زمانی‌ای که سرعت توربین در هنگام راه‌اندازی از سرعت سنکرون بیشتر می‌شود و مجدداً به سرعت سنکرون برمی‌گردد، تفاضل حداکثر سرعت توربین و سرعت سنکرون به کمترین مقدار کاهش داده خواهد شد.

موازی کردن ژنراتور، در فاصله زمانی فوق‌الذکر باید انجام شود.

هنگامی‌که رله سرعت، لغزش ژنراتور را کمتر از ۳ درصد تشخیص داد بریگر مربوط به موازی کردن، فرمان وصل دریافت خواهد کرد.

صاعقه گیر آذرخش

---

بارگذاری

پس از کامل شدن عملیات راه‌اندازی، میزان بار واحد توسط گاورنر تراز آب کنترل خواهد شد.

دریچه‌های هادی، متناسب با سطح آب مخزن بالادست گشوده خواهند شد و ژنراتور القایی بار لازم را با افزایش لغزش تولید خواهد کرد.

صاعقه گیر آذرخش

---

توقف آهسته

پره‌های هادی را به طرف موقعیت بازشدگی مربوط به حالت بی‌باری بتدریج ببندید و دژنکتور موازی را نزدیک وضعیت لغزش صفر باز کنید.

پس از اینکه پره‌های هادی کاملاً بسته شد و بعد از آنکه سرعت ژنراتور به زیر ۳۰ درصد کاهش یافت، ترمز مکانیکی اعمال شده و سرعت را به صفر می‌رساند.

صاعقه گیر آذرخش

---

از کار افتادن(SHUT DOWN)

اگر در حین کار ژنراتور القایی بطور ناگهانی قطع بار روی دهد، چنانچه باز شدگی پره‌های هادی بدون تغییر بماند، بدیهی است که سرعت توربین افزایش خواهد یافت.

معمولاً توربینها به گاورنرهایی مجهز هستند که اضافه سرعت را حس کرده و فوراً اقدام به بستن پره‌های هادی می‌‌کند.

بهرحال توربینهای ژنراتورهای القایی به اینگونه گاورنرها مجهز نیستند.

پره‌های هادی باید سریعاً با استفاده از سیگنال کنتاکت کمکی دژنکتور و یا عملکرد رله اضافه سرعت بسته شوند.

بهرحال توربینهای ژنراتورهای القایی به اینگونه گاورنرهای مجهز نیستند.

پره‌های هادی باید سریعاً با استفاده از سیگنال کنتاکت کمکی دژنکتور و یا عملکرد رله اضافه سرعت بسته شوند.

لذا چنانچه دژنکتور نیروگاه دچار «تریپ» شود مشکلی بوجود نخواهد آمد و از کنتاکت کمکی آن می‌توان استفاده کرد.

هنگامی که دژنکتور انتهای خط ارتباطی قطع شود، پره‌های هادی پس از آنکه رله اضافه سرعت عمل کرد، بسته خواهند شد.

به هر حال رله اضافه سرعت به نحوی تنظیم شده است که در سرعتهای ۱۰۵ درصد تا ۱۱۰ درصد سرعت نامی عمل می‌کند.

بدلیل اینکه مدتی طول می‌کشد تا اینکه پره‌های هادی شروع به تغییر وضعیت بدهند، افزایش سرعت اجتناب‌ناپذیر است.

در ژنراتورهای القایی، قطع بار به معنی فرو نشستن ولتاژ تحریک در چند سیکل است.

این پدیده از بروز صدمات به عایق در اثر ولتاژ اضافی جلوگیری می‌کند.

بعلاوه، هیچ افزایش در فرکانس، با توجه به فرونشستن سریع ولتاژ، بوجود نخواهد آمد.

و بنابراین جای هیچ نگرانی از سرعتهای اضافی در موتورهای کمکی که به شبکه داخلی نیروگاه متصل هستند وجود نخواهد داشت.

منبع :firuzpayervandi.blogfa.com

روشهای ذخیره سازی برق در ایستگاههای قدرت

دفتر مطالعات اقتصادی و ارتقاء بازار برق شرکت مدیریت شبکه برق ایران

مهندس سیدمحمدجعفر طباطبایی- مهندس محمدحسین عسکری

ذخیره سازی انرژی برق یکی از مباحث مهم صنعت برق کشور به شمار می آید. از آن گذشته استفاده مداوم از انرژی برق

به دلیل کم باری در برخی از ساعات و درمدار قرارداشتن همه نیروگاهها امکان پذیر نیست. در مقاله پژوهشی زیر که به

وسیله دفتر مطالعات اقتصادی و ارتقاء بازار برق شرکت مدیریت شبکه برق ایران با همکاری مهندس سیدمحمدجعفر

طباطبایی و مهندس محمدحسین عسگری تهیه شده به روشهای ذخیره سازی برق در ایستگاههای قدرت اشاره شده است.

یکی از مسائلی که امروزه در سیستم های قدرت به ویژه شبکه قدرت ایران – بسیار مورد توجه برنامه ریزان و بهره برداران سیستم قرار دارد، تغییرات

زیاد و عدم یکنواخت بودن منحنی بار در ساعات مختلف شبانه روز است. این موضوع منجر شده است تا تنها در ساعات پیک بار از تمامی ظرفیت نصب

شده تولید کشور استفاده شود و در ساعات کم باری و میان باری مقدار زیادی از ظرفیت نصب شده خارج از مدار باشد که این مطلب به معنای خواب

سرمایه است. این مشکل کمابیش در شبکه های قدرت دنیا که دارای منحنی های بار با تغییرات زیاد هستند مشاهده م یشود . این موضوع محققان را

برآن داشته است تا با نگاهی به تجربیات بشر و پیش زمینه ذخیره سازی از دیرباز، در اندیشه ذخیره کردن انرژی الکتریکی باشند.

از آنجا که هزینه تولید برق و قیمت فروش آن در ساعات مختلف شبانه روز با توجه به را هافتادن بازار برق، تفاوتهای چشمگیری دارد، بنابراین ایده

ذخیره سازی برق در ساعات غیر پیک (برق ارزان) و استفاده از آن در ساعات پیک (برق گران) مطرح شد. روشهای مورد مطالعه ذخیره سازی برق به

شرح زیر هستند: ذخیره ساز هوای فشرده، ذخیره سازی چرخ طیار، ذخیره ساز حرارتی، ذخیره ساز مغناطیسی ابر رسانا و ذخیره ساز ابرخازن.

Compressed Air Energy Storage (CAES) ذخیره سازی هوای فشرده

شامل: موتور، کمپرسور، محفظه ذخیره هوا، محفظه احتراق، توربین و ژنراتور است. CAES اجزای اصلی یک سیستم

نحوه عملکرد این سیستم به این صورت است که در ساعات غیر پیک برق را از شبکه م یگیرد و به وسیله بک کمپرسور که به وسیله ی موتوری

چرخانده می شود، هوا را فشرده ساخته و در داخل محفظه ای زیرزمینی می دمد. محفظه زیرزمینی نگهداری هوا را می توان به طور مصنوعی ساخت که

هزینه بسیار زیادی دربر خواهد داشت و می توان از سفره های آب زیرزمینی و یا محفظه معادن مختلف برای این منظور بهره گرفت. هوای فشرده را می

توان با تلفات بسیار اندک در محفظه نگاهداری کرد. در مواقع لزوم، هوای فشرده از محفظه خارج شده، در یک اتاق احتراق با مقداری سوخت مخلوط

می شود و پس از احتراق وارد یک توربین گازی می شود و در نهایت با استفاده از ژنراتور ، تولید برق صورت می گیرد. این ذخیره ساز در عمل کار کمپرسور

در نیروگاه گازی را به انجام می رساند. از آنجا که بیش از نیمی از ظرفیت تولید توربین های گازی برای چرخاندن کمپرسور مورد استفاده قرار م ی گیرد،

و همچنین توجیه پذیرتر بودن استفاده از محفظه های طبیعی از نظر اقتصادی، ایده ساخت نیروگاههای گازی در CAES لذا با توجه به روش

محل هایی که امکان استفاده از محفظه های زیرزمینی وجود دارد، آشکار می شود. در این صورت می توان در ساعات غیر پیک، کار کمپرسور نیروگاه را با

انجام داد و در ساعات پیک کمپرسور نیروگاه را از مدار خارج کرده، قابلیت تولید تقریباً دوبرابر را به دست آورد. هوا پیش از تزریق CAES استفاده از

۷۵ انجام م یشود. بعد از روش تلمبه ذخیره ای، bar به داخل حفره خنک می شود تا از فضا بهترین استفاده صورت گیرد. فشرده سازی تا فشار در حدود

در حدود ۵۰ تا ۳۰۰ مگاوات است و به CAES دارای بزرگترین ظرفیت بین دخیره سازها است. ظرفیت های معمول سیستم های CAES سیستم

در حد ۱۰ دقیقه است که نسبت CAES دلیل کمی تلفات این سیستم، طول دوره ذخیره تا یک سال هم به طول می انجامد. زمان راه اندازی سیستم

۲۰ دقیقه) کمتر است. چگالی انرژی معمول هوای فشرده در حدود ۱۰۸۶ ژول بر گرم است . نمونه های – به زمان مشابه برای نیروگاههای گازی ( ۳۰

شامل یک واحد ۲۹۰ مگاواتی در کشور آلمان و یک واحد ۱۱۰ مگاواتی در کشور آمریکا است. ،CAES سیستم

Flywheel Energy Storage (FES) ذخیره ساز چرخ طیار

اجزای اصلی سیستم ذخیر هساز چرخ طیار موتور/ ژنراتور، چرخ طیار، یاتاقان ها، محفظه خلا و سیستم کنترل است.

طریقه عملکرد این سیستم به این گونه است که در ساعات غیر پیک انرژی را از شبکه گرفته و با استفاده از موتور خود، جرم چرخ طیار را به

گردش در می آورد. سرعت گردش برای روتورهای معمول فلزی در حدود ۴ هزار دور در دقیقه و برای روتورهای جدید ساخته شده از رشته های کربن –

کامپوزیت در محدوده ۲۰ هزار تا ۱۰ هزار دور در دقیقه است.

با توجه به فرمولها و محاسبات به عمل آمده هرچه ممان اینرسی و یا سرعت چرخش روتور افزایش یابد انرژی جنبشی بیشتری در چرخ طیار

ذخیره می شود. از این انرژی جنبشی می توان در ساعات پیک استفاده کرد. مطلبی که در اینجا مطرح می شود اینست که انرژی موجود پس از مدتی به

نمی شود. چاره این مشکل اینگونه پیدا شده است که با استفاده FES صورت اصطکاک تلف می شود روتور از حرکت باز می ایستد و عملاً استفاده ای از

از محفظه خلا و یاتاقان های مغناطیسی، اصطکاک به حداقل رسانده می شود و تلفات تقریباً ناچیز می شود. یاتاقانهای مغناطیسی روتور را با استفاده از

میدان مغناطیسی نگاه می دارند و لذا از تماسهای مکانیکی که در یاتاقانهای معمولی موجب تلفات زیاد می شود جلوگیری م یکنند. همچنین وجود خلا

مانع از تلفات اصطکاک با هوا می شود. سیستم مزبور برای بهبود کیفیت توان مورد استفاده قرار م یگیرد و تا حدودی قابلیت پی کزدایی را داراست. یکی

تنش زیاد وارد شده بر روتور در سرعت های زیاد و احتمال از هم پاشیدن آن به صورت انفجاری است. FES از معایب

Electric Thermal Storage (ETS) ذخیره ساز حرارتی برق

افزایش روزافزون سیستم های تهویه مطبوع جهت گرمایش و سرمایش باعث شیفت پیک بار الکتریکی به مدت چند دقیقه تا چند ساعت می شود .

ذخیره انرژی به صورت حرارت یا سرما که بتواند در ساعات اوج مصرف به عنوان سیستم تهویه مورد استفاده قرار گیرد، در جهت کاهش این شی فت

راه گشا خواهد بود. به عبارت دیگر در ساعات غیر پیک انرژی الکتریکی به فرم حرارتی ذخیره م یشود و در ساعات پیک مورد بهره برداری قرار م یگیرد .

این سیستم م یتواند برای هر دو منظور سرمایش و گرمایش مورد استفاده قرار گیرد. در ساعات غیر پیک انرژی برق از شبکه گرفته شده و با توجه به

هدف گرمایش یا سرمایش، ماده واسط گرم و یا سرد می شود و در ساعت پیک تنها با دمیدن هوا از روی ماده واسط، گرما یا سرمای مطلوب به دست

می آید.

وجود دارد. نوع اول ETS براساس نوع ماد ه ای که به عنوان واسط ذخیر ه ساز انرژی حرارتی به کار می رود، دو نوع کلی

نامیده می شوند، از آب ذخیره شده در تانک، لایه های زیرزمینی و یا فونداسیون بتنی ساختمان ها به عنوان واسط استفاده Sensible ها که ETS

ها اینست که دارای دمای ETS دارای چگالی حجمی انرژی به میزان ۲۵ کیلووات ساعت بر متر مکعب هستند. عیب این ETS می کنند. این نوع

نام دارند، از ماده واسطی استفاده می کنند که در هنگام شارژ و دشارژ قابلیت تغییر فاز Latent ها که ETS متغیر در هنگام دشارژ هستند. نوع دوم

دارد. به عنوان مثال اگر از آب به عنوان ماده واسط استفاده شود، چگالی انرژی ۱۰۰ کیلووات ساعت بر متر مکعب و اگر از پارافین استفاده شود تا

حدود ۳۰۰ کیلووات ساعت بر متر مکعب قابل دسترسی است. با توجه به اینکه در حال تغییر فاز اختلاف دمایی در ماده واسط به وجود نم یآید، لذا دمای

نوع دوم است. این سیستم برای مناطقی پیشنهاد می شود که روند تهویه مطبوع گرمایش آنها نیز مانند تهویه ETS ثابت در هنگام دشارژ از مزایای

سرمایش با استفاده از انرژی الکتریکی صورت می گیرد.

Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) ذخیره ساز مغناطیسی ابر رسانا

سیستم ذخیره ساز مغناطیسی ابررسانا از سه بخش اساسی: سیم پیچ ابررسانا، سیستم اصلاح و بهبود توان و سیستم خن ککننده تشکیل می شود .

به صورت انرژی (DC) سیم پیچ ابررسانا به صورت یک سلف به کار می رود و در ساعات غیر پیک انرژی الکتریکی از طریق یک جریان مستقیم

مغناطیسی در میدان سلف مذکور ذخیره می شود. سیستم خنک کننده وظیفه کاهش دمای ابررسانا را به منظور حفظ خاصیت ابررسانایی داراست .

ابررسانابودن سیسم پیچ منجر خواهد شد که تلفات سیستم بسیار ناچیز باشد و جریان آن تقریباً بدون تغییر باقی بماند. سیستم اصلاح توان به منظور

استفاده می شود که این تبدیلات باعث تلفاتی در حدود SMES تبدیل جریان متناوب به مستقیم و مستقیم به متناوب به ترتیب در روال شارژ و دشارژ

۲ تا ۳ درصد می شود.

ها در حال حاضر تنها برای ذخیره کوتاه مدت انرژی و SMES ، با توجه به انرژی زیاد مورد نیاز برای خنک سازی و هزینه زیاد سیم های ابررسانا

بهبود کیفیت توان مورد استفاده قرار م یگیرند.

براساس فرمول و محاسبه انجام شده انرژی ذخیر هشده به جریان عبوری از سیم پیچ ابررسانا و همچنین اندوکتانس سلف مورد نظر بستگی دارد . از

آنجا که اندوکتانس سلف تابع مشخصات ساختمانی آن است، برای ذخیره انرژی زیاد، ابعاد سلف مورد استفاده افزایش چشمگیری خواهد داشت و هزینه

آن نیز متقابلاً بسیار زیاد خواهد شد.

(Super Capacitor) ذخیره ساز ابر خازن

ابرخازن ها به عنوان باتری استفاده می شوند و در مقایسه با خازن های معمولی دارای چگالی انرژی بیشتری هستند. زمان شارژ ابرخازن ها (در حدود

چند ثانیه) نسبت به باتری های قابل شارژ سنتی (در حدود چند ساعت) بسیار کمتر است. همچنین تعداد چرخه های قابل شارژ و دشارژ ابرخازن میلیونها

بار است و نسبت به باتری های معمولی که تا ۱۰۰۰ بار قابلیت شارژ دارند، عمری طولانی تر دارند. مقاومت داخلی بسیار کم و راندمان زیاد این ابر

خازن ها از دیگر مزایای آنهاست. ابرخازن ها در مقیاس های کوچک برای ذخیره انرژی بهره برداری می شوند و در صورت پیشرفت د ر افزایش چگالی

انرژی آنها م یتوان انتظار داشت جای باتری های الکتروشیمیایی را بگیرند. در حال حاضر چگالی انرژی ابر خازن ها در حدود چند وات ساعت بر کیلوگرم

است. در پایان باید خاطرنشان کرد دلایل عمده عدم استفاده گسترده از وسایل ذخیره ساز انرژی اینست که اولاً رقیب اقتصادی تولیدکنندگان استفاده

کننده از سوخت فسیلی نیستند (به عبارت دیگر احداث نیروگاه فسیلی هزینه ای کمتر از برخی ذخیره کننده ها دربر دارد) و ثانیاً قابلیت اطمینان بالای آنها

در دوره های طولانی بهره برداری به اثبات نرسیده است.

 

مقدمه:

حفاظت کاتدی اولین بار توسط همفری دیوی ، در سال۱۸۲۴ میلادی، در شهر لندن و در میان سلسله مقالاتی که ایشان به انجمن سلطنتی ارائه می‌کردند مطرح گردید.

بعد از یک سری آزمایشات موفق، اولین استفاده عملی از این فناوری جدید در همان سال و در رزم ناو اچ ام اس سمرینگ به وقوع پیوست.

ساختار اولیه این سیستم عبارت بود از یک آند فداشونده که از آهن ساخته شده بود که اطراف آن غلافی از جنس فلز مس (همجنس بدنه اصلی کشتی) قرار داده بودند و به بدنه کشتی در زیر آب متصل کرده بودند.

در این حالت واکنش شیمیایی که بین آهن و مس انجام می‌شد، از سرعت خورده شدن فلز مس در اطراف میله آهنی می کاست و آن را حفاظت می‌کرد.

این دانشمند پیشنهاد نمود که برای حفاظت کاتدی کشتیهای با بدنه مسی قطعاتی از آهن به عنوان آندهای از بین رونده روی بدنه کشتی ها نصب شود به طوری که نسبت سطحی آهن به مس۱ به۱۰۰ باشد.

به هر ترتیب یکی از نتایجی که حفاظت کاتدی به همراه داشت، رشد و توسعه دریانوردی بود. به دلیل اینکه این تکنولوژی جدید می‌توانست رشد دریانوردی را تسریع ببخشد و این امر نیز منجر به تحولاتی بنیادین و ساختار شکنانه در استفاده از کشتی های ساخته شده در آن زمان می‌شد.

نیروی دریایی سلطنتی بریتانیا در اقدامی پیشگیرانه و محافظه کارانه، تصمیم به کنار گذاشتن این تکنولوژی و ترجیح دادن به تعمیر بدنه‌های مسی پوسیده کشتی ها گرفت.

بعد از او ادموند دیوی دستگاهها و وسائل آهنی شناور در دریا را با نصب قطعاتی از فلز روی حفاظت کاتدی نمود.

روبرت مالت در سال۱۸۴۰ آلیاژی از فلز روی ساخت که به عنوان آندهای از بین رونده مورد استفاده قرار گرفت.

کاربرد آندهای از بین رونده ادامه داشت تا اینکه به تدریج رنگهای ضد زنگ ساخته شد و استفاده از آنها به منظور حفاظت کاتدی و نیز صرفه جوئی در هزینه تعمیرات رواج بیشتری یافت.

استفاده از پوششهای روی در روی فولاد از زمانهای قدیم (قبل از ۱۷۴۲) معمول بوده است، ولی کاربرد اعمال جریان الکتریکی جهت حفاظت کاتدی لوله‌ها و تاسیسات زیر زمینی از حدود سال۱۹۱۰ آغاز شد و با سرعت زیاد گسترش پیدا نمود.

به طوری که امروزه تقریباً در تمام خطوط لوله و کابل های زیر زمینی از آن استفاده می‌شود.

حفاظت کاتدی همچنین در موارد متعدد دیگر از قبیل:

دریچه ها،

کانال ها،

خنک کننده‌های آبی،

زیر دریائیها،

مخازن آب،

اسلکه‌ها و تاسیسات دریائی،

دستگا هها و وسایل مختلفی که در تماس با مواد شیمیایی می‌باشند بکار برده می‌شود.

حفاظت کاتدی به عنوان موثر ترین روش حفاظتی به منظور جلوگیری از خوردگی سازه‌های مدفون در خاک شناخته شده است که به طور گسترده در حفاظت از خوردگی لوله‌های توزیع و انتقال گاز، مواد نفتی و آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

حفاظت کاتدی عبارت است از جلو گیری یا کاهش سرعت خوردگی فلزات به طوری که توسط اعمال یک جریان الکتریکی خارجی( یکسو) و یا تماس آن با یک آند از بین رونده، روی سطح فلز مورد نظر که دارای مناطق کاتدی و هم آندی می‌باشد( که در مناطق آندی خوردگی صورت می‌گیرد).

در این حال مناطق آندی تبدیل به کاتد شده و در نتیجه دستگاه یا شبکه مورد نظر کلاً کاتدی شود.

حفاظت کاتدی از مهمترین و موثرترین طرق کنترل خوردگی می‌باشد، به طوریکه با اجرای این روش می‌توان فلزات را بدون اینکه خورده شوند به مدتی طولانی در محیطهای خورنده نگهداری نمود.

مکانیزم حفاظت کاتدی مربوط به جریان خارجی است که در نتیجه آن عناصر کاتدی پیل های موضعی به پتانسیل مدار باز آندها پلاریزاسیون می‌شوند، یعنی در این حالت تمام سطح فلز هم پتانسیل گشته ( پتانسیل های آند و کاتد معادل هم می‌شوند) و جریانهای خوردگی متوقف می‌گردند.

همچنین می‌توان چنین بیان کرد که به علت ایجاد یک شدت جریان خارجی شبکه‌ای از جریان مثبت در کلیه مناطق سطح فلز وارد شده و بدین ترتیب از ورود یون های فلز به محلول یا محیط اطراف جلوگیری بعمل می‌آید.

عملیات حفاظت کاتدی را می‌توان در مورد خوردگی فلزاتی از قبیل فولاد، مس، سرب، و برنج در زمین ( خاک) و محلولهای مختلف آبی بکار برد.

به کمک حفاظت کاتدی می‌توان از خوردگی حفره‌ای فلزات روئین از جمله فولادهای ضدزنگ جلوگیری نمود.

همچنین جهت تقلیل ترک خوردگی تنشی در فلزاتی مانند برنج ها، فولادها، فولادهای ضد زنگ، منیزیم، آلومینیوم و غیره و نیز خوردگی خستگی در اغلب فلزات، خوردگی بین دانه‌ای در فلزاتی مانند دورآلومین، فولادهای ضدزنگ آستنیتی و یا زدایش روی برنجها می‌توان از حفاظت کاتدی استفاده نمود.

با اعمال حفاظت کاتدی نمی‌توان از خوردگی در قسمتهای بالائی مخازن که در تماس با آب نیستند، جلوگیری نمود، زیرا جریان اعمال شده نمی‌تواند در مناطقی از فلز که در تماس با الکترولیت نیست وارد شود ( مانند سطح داخلی لوله ها) که در این صورت بایستی آندهای کمکی داخل لوله‌ها کار گذاشته شوند.

صاعقه گیر اکتیو آذرخش(ساخت ایران)

---

اجرای عملی حفاظت کاتدی:

برای اجرای سیستم حفاظت کاتدی دو روش کلی وجود دارد:

الف) با استفاده از آندهای از بین رونده که در آن فلزات فعالی مانند منیزیم یا روی را به عنوان آند به کار می‌برند.

ب) با استفاده از اعمل جریان خارجی یکسو که در این روش از منبع جریانی مانند ژنراتور، رکتیفایر ( یکسو کننده) و یا باطری همراه با یک آند کمکی که معمولاً از جنس آهن یا گرافیت است استفاده می‌شود.

سیستم آندهای فداشونده:

در صورتی که آند کمکی نسبت به فلزی که باید حفاظت شود بر طبق جدول سری گالوانیکی فعالتر باشد پیل گالوانیکی به وجود می‌آید.

در صورت استفاده از این نوع آندها که آنها را آندهای از بین رونده می نامند و دیگر نیازی به منبع جریان خارجی یا یکسو کننده نمی‌باشد.

اختلاف پتانسیل بین آندهای از بین رونده و فلز مورد حفاظت سبب تخلیه جریانی از طرف محیط به سمت فلز وجود داشته می‌گردد.

فلزات از بین رونده که برای حفاظت کاتدی به کار می‌روند اغلب منیزیم و آلیاژهای آن و در برخی موارد روی و آلومینیوم می‌باشند.

اصولاً آندهای از بین رونده به عنوان منابع انرژی الکتریکی عمل می نمایند، اهمیت آنها مخصوصاً در مواردی است که امکان دسترسی به نیروی برق وجود نداشته ویا در نقاطی که نصب خطوط نیرو با صرفه نباشد.

در این روش یک الکترود که آند نامیده می‌شود در مخزن آب در نزدیکی فلز تحت حفاظت قرار گرفته است.

آند مذکور از موادی ساخته شده است که نسبت به آهن فعالتر می‌باشد.

این بدان معنا است که در الکترولیت آب دریا آند نسبت به آهن منفی تر می‌شود.

معمولترین ماده‌ای که مورد استفاده قرار می‌گیرد روی است که به صورت یک سلسله صفحات در نزدیکی تحت حفاظت سازه و در تمام طول آن پخش می‌شود.

روی ها توسط اتصالات مکانیکی و یا باندینگ بصورت موضعی در بسیاری از نقاط به فولاد متصل می‌شوند.

روی و آهن به همراه آب دریا که بصورت یک الکترولیت عمل می‌کند تشکیل یک سل آب دریا را می‌دهند که در آن آهن مثبت و روی منفی می‌باشد.

جریان از آهن مثبت از طریق اتصال با مقاومت کم، به سمت روی منفی رفته و سپس از طریق آب دریا به آهن باز می‌گردد، شبیه یک باطری اتصال کوتاه شده.

از آنجائیکه جریان از آندهای روی با از بین رفتن تدریجی روی همراه است، پس از مدتی فلز روی کوچک شده و اثر و راندمان خود را از دست می‌دهد و باید جایگزین شود.

به همین دلیل به آنها آند فناشونده اطلاق می‌شود.

تاثیر آنها بشکل مداوم پیگیری شود تا زمان لزوم جایگزینی مشخص گردد.

این عمر معمولاً ۱۰ سال می‌باشد.

باید توجه داشت که سیستم آندهای فداشونده به هیچ منبع انرژی خارجی نیاز ندارندو جریان الکتریکی از انرژی شیمیایی ماده آند تامین می‌شود.

حفاظت کاتدی به روش جریان اعمالی:

برخلاف روش آندهای فداشونده در روش جریان اعمالی به یک منبع خارجی جهت تامین جریان مورد نیاز برای حفاظت نیاز می‌باشد.

جنس آندهای استفاده در این روش به دلیل عدم تجزیه آنها مهم نمی‌باشد.

در این روش آندها نسبت به سازه مثبت نگه داشته شده که این عمل توسط یک منبع جریان مستقیم انجام می‌گیرد.

لذا در این روش بر خلاف روش آندهای فداشونده که آندها منفی بودند، آندها از سازه مثبت تر هستند.

منبع جریان یکسو را به این ترتیب در سیستم قرار می‌دهند که قطب مثبت آن متصل به آند کمکی و قطب منفی آن به فلز دستگاه مورد نظر وصل شود.

به طوریکه جریان در داخل الکترولیت از آند به سمت فلز مورد نظر برقرار می‌گردد.

ولتاژ اعمال شده باید به مقداری تنظیم شود که بتواند شدت جریان کافی برای تمام نقاط دستگاهی که تحت حفاظت کاتدی قرار گرفته است تامین نماید.

در مورد خاکها یا آبهای با مقاومت زیاد ولتاژ اعمال شده باید بیشتر از محیط هایی با مقاومت کم باشد.

همچنین هنگامی که طول زیادی از یک خط لوله فقط به وسیله یک آند حفاظت شود به ولتاژ اعمال شده بیشتری نیاز دارد.

اجرای سیستم حفاظت کاتدی اغلب در مورد لوله‌ها و پوشش کابل های زیر زمینی بکار می‌رود.

در شبکه‌های لوله کشی شهرها و خطوط لوله طویل و سرتاسری و کابل کشی های مخابرات و نیرو(برق) اغلب از سیستمهای با اعمل جریان خارجی استفاده می‌گردد.

وقتی که در مورد تاسیسات طویل زیر زمینی نظیر لوله‌ها و کابل های پتانسیلی جریان برق اعمال می‌شود، جریان معمولاً در تمام طول آن تاسیسات وارد شده و به طرف محل اتصال می‌رود، و چون این قبیل تاسیسات از نظر الکتریکی متصل است لذا جریانهای طولی مسئله‌ای را به وجود نمی‌آورند.

ولی در بعضی لوله کشی ها ممکن است نقاط اتصالی وجود داشته باشد که دارای مقاومت الکتریکی زیادی بوده و در نتیجه جریانهای طولی، مناطق آندی در یک طرف نقاط اتصال ایجاد می‌گردد.

به همین منظور و قبل از اجرای عملیات حفاظت کاتدی لازم است که در این قبیل موارد اتصال الکتریکی مناسب تامین شود.

شبکه‌های لوله کشی گاز شهرها در منازل مخصوصاً در دستگاههای حرارتی بصورت تصادفی به هم مربوطند.

همچنین فاز خنثی مدارهای الکتریکی اغلب به لوله‌های آب وصل می‌شود که در نتیجه، متصل به پوششهای کابل های نیرو می‌گردند.

لذا در صورت اطمینان کامل از این اتصالات کلیه شبکه‌های زیر زمینی را می‌توان به صورت یک واحد حفاظت نمود.

تست پوشش:

این تست شامل اندازه گیری عایقی( مقاومت الکتریکی ) پوشش می‌باشد.

قسمت تحت آزمایش توسط یک ایستگاه حفاظت کاتدی( موقت یا دائم ) با سیستم جریان اعمالی بطور مجزا تحت حفاظت واقع می‌گردد.

قبل از این تست، پیمانکار از سلامت کلیه اتصالات عایقی که قسمت مورد آزمایش را از شبکه‌های دیگر مجزا نموده اطمینان کافی کسب کند.

دستگاهها و وسایل مورد نیاز برای تست پوشش:

۱٫       ترانس رکتیفایر ترجیحاً با ظرفیت های پایین

۲٫       ولت متر با امپدانس بالا

۳٫       هافسل ( مس/ سولفات مس )

۴٫       بستر آندی ( موقت یا دائم)

۵٫       کابلهای ارتباطی

بستر آندی موقت:

این بستر متشکل از یک شاخه لوله قراضه که ترجیحاً سندبلاست شده و عاری از خوردگی باشد ( عموماً یک سایز بالاتر از سایز خط ) بوده که آن را در عمق حداقل برابر عمق لوله مدفون و به فاصله حداقل۵۰ متر از خط اصلی قرار می‌دهند.

بطوریکه در هنگام دفن جهت تقویت و آمپردهی بهتر، از مقداری نمک، ذغال کک و آب استفاده می‌شود.

مراحل اندازه گیری تست پوشش:

الف)اندازه گیری پتانسیل طبیعی لوله نسبت به زمین از نقاط اندازه گیری پتانسیل:

قبل از روشن کردن ایستگاه حفاظت کاتدی با اعمال جریان، اپراتور باید توسط یک هافسل از جنس مس/ سولفات، ولتاژ طبیعی خط لوله را از طریق کلیه نقاط اندازه گیری پتانسیل نسبت به زمین قرائت نماید.

این ولتاژ جهت اندازه گیری مقاومت عایقی پوشش مفید نیست، لیکن به منظور پیدا کردن شرایط نامتعارف( در صورت وجود) باید اندازه گیری صورت پذیرد.

ب)اندازه گیری جریان الکتریک حفاظت کاتدی:

جهت اندازه گیری جریان مستقیم، باید سیستم حفاظت کاتدی با جریان اعمالی، را روشن نموده و تنظیم کرد.

پس از تنظیم ولتاژ تزریق، به منظور تثبیت پتانسیل و همچنین اطمینان از پلاریزاسیون، خط مورد تست باید به مدت۷۲ ساعت تحت جریان تزریقی قرار بگیرد.

جهت پلاریزاسیون می‌توان ولتاژ نقطه تزریق را در کمتر از مقدار حد بالایی تنظیم نموده و پس از اتمام مدت زمان پلاریزاسیون، ولتاژ در حد بالایی تنظیم و مراحل بعدی تست انجام پذیرد.

یادآوری می‌گردد در خصوص ولتاژ های تزریقی در نظر گرفتن حد بالایی این ولتاژ الزامیست.

در خصوص پوشش های اناملی ( انامل پایه نفتی و انامف پایه ذغال سنگی ) حداکثر ولتاژ تزریقی ۲٫۱– ولت و در خصوص پوشش های بیتوسیل، نوار سرد و پلی اتیلن سه لایه حداکثر ولتاژ تزریقی ۱٫۵- ولت می باشد.

پس از اتمام مدت زمان پلاریزاسیون و تنظیم ولتاژ تزریقی در حد بالایی، مقدار جریان در این ولتاژ اندازه گیری و ثبت گردد.

ج) اندازه گیری پتانسیل لوله نسبت به زمین:

با استفاده از یک تایمر اتوماتیک، که به صورت خودکار جریان تزریقی را قطع و وصل می‌کند که عموماً در مدار ترانس های رکتیفایر تعبیه شده است، عمل خاموش و روشن شدن سیستم حفاظت کاتدی صورت می پذیرد.

تنظیم مدت زمان قطع و وصل باید بر اساس زمان های پیشنهادی زیر صورت پذیرد:

مدت زمان روشن بودن سیستم:۲۰ ثانیه

مدت زمان خاموش بودن سیستم:۱۰ ثانیه

پس از اطمینان از برقراری حالت خاموش و روشن سیستم، قرائت از کلیه نقاط اندازه گیری پتانسیل باید انجام گرفته و یادداشت ‌گردد.

لازم به ذکر است اولین عدد تثبیت شده در زمان خاموشی سیستم، به عنوان ولتاژ حالت خاموش مد نظر می‌باشد.

خوردگی کف مخازن را می توان با به کارگیری همزمان حفاظت کاتدی و ممانعت کننده خوردگی از نوع فاز بخار و یا تنها با به کارگیری وی سی آی (VCI) تحت کنترل قرار داد.

خوردگی کف مخازن نفتی یکی از مشکلات مهم ذخیره سازی نفت خام و مایعات گازی است.

نشست مخازن بزرگ نفتی موجب آلودگی آب های زیرزمینی و وارد آمدن خسارت های جبران ناپذیر به محیط زیست می شود.

در گذشته کف مخازن (قسمت بیرونی مخزن که با زمین در ارتباط است) با به کارگیری حفاظت کاتدی نتوانسته است به طور کامل مانع از نشت و جلوگیری از خوردگی کف مخازن ذخیره نفت شود.

در این مقاله دلایل ناتوانی سیستم حفاظت کاتدی در جلوگیری از خوردگی کف مخازن نفتی و آخرین روشهای مورد استفاده برای حفاظت کف مخازن بررسی می شود.

به کارگیری سیستم حفاظت کاتدی، بازدارنده های خوردگی از نوع فاز بخار و به کارگیری همزمان حفاظت کاتدی و بازدارنده های خوردگی فاز بخار از جمله روش های حفاظت از خوردگی کف مخازن است.

مشکلات روش های حفاظت کاتدی:

نتایج تجربی نشان می دهد سیستم حفاظت کاتدی به تنهایی قادر به حفاظت خوردگی کف مخازن نیست و در موارد متعدد دچار نشت شده است.

این درحالی است که کف مخازن در پتانسیل حفاظت کاتدی قرار دارد.

یکی از روش های توزیع مناسب پتانسیل حفاظت کاتدی در کف مخازن به کارگیری بستر آندی است.

به گونه ای که موجب توزیع پتانسیل حفاظت کاتدی در کف مخازن شود.

که شامل، به کارگیری آندهای کم عمق در اطراف مخزن، آندهای افقی و سیمی در زیر کف مخزن است.

در روش اول به علت تخلیه جریان حفاظت کاتدی در لایه سطحی زمین، باعث افزایش ضریب حفاظتی (Over protection) در خطوط لوله مدفون در خاک و مجاور مخازن می شود.

بنابراین از این روش نمی توان در پالایشگاه ها استفاده کرد.

در روش دوم آندهای سیمی به صورت مارپیچ در فونداسیون کف مخزن قرار می گیرد و این روش برای مخازن موجود قابل استفاده نیست.

یکی دیگر از روش های توزیع پتانسیل حفاظت کاتدی در کف مخزن عایق سازی الکتریکی هر یک از مخازن از یکدیگر است.

در این روش هر یک از مخازن توسط فلنچ عایقی به همراه مقاومت الکتریکی از یکدیگر جدا می شوند.

به کارگیری پوشش در کف مخزن ها نیز یکی دیگر از روش هایی است که در توزیع حفاظت کاتدی در کف مخزن استفاده می شود.

به دلیل مشکلات اجرایی اعمال پوشش بر روی ورق فولادی کف مخازن نفتی و گازی امکان پذیز نمی باشد.

حرارت ناشی از جوشکاری صفحات کف مخزن، باعث از بین رفتن پوشش آنها می شود، در نتیجه پوشش مناسبی برای حفاظت از این نواحی نیست.

بنابراین به جای پوشش دادن ورق فولادی کف مخزن، محل نصب مخزن به خوبی پوشش داده می شود و اطراف مخزن را به خوبی آب بند می کنند. 

پوشش مزبور چسبندگی به کف مخزن ندارد، در چنین شرایطی این پوشش در حکم سپر برای جریان حفاظت کاتدی عمل می کند و اگر به دلایلی الکترولیک به ناحیه بین پوشش و کف مخزن نفوذ کند، حفاظت کاتدی قادر به مقابله با خوردگی آن نخواهد بود.

به دلیل آن که پوشش مزبور حالت سپر الکتریکی دارد، اندازه گیری پتانسیل کف مخزن چنین حالتی را نشان نمی دهد و  کف مخزن در محدوده پتانسیل حفاظت کاتدی قرار دارد ولی خوردگی در کف آن اتفاق می افتد.

از طرف دیگر اگر کف مخزن مستقیما بر روی فونداسیون بتنی قرار گیرد، کلیه نواحی کف مخزن قادر به ایجاد ارتباط الکتریکی مناسب با فونداسیون بتنی نخواهد بود و بنابراین حفاظت کاتدی نمی تواند به خوبی کف مخزن را تحت حفاظت خود قرار دهد.

نتایج تجربی موجود نشان می دهد مخازن نفتی با وجود حفاظت کاتدی کف آنها دچار خوردگی می شود و نشت مواد نفتی به آبهای زیر زمینی موجب ایجاد خسارت های زیادی به آب های زیر زمینی شده است.

روش های جدید حفاظت خوردگی کف مخازن:

امروزه می توان خوردگی کف مخازن را با به کارگیری همزمان حفاظت کاتدی و ممانعت کننده خوردگی از نوع فاز بخار و یا تنها با به کارگیری وی سی آی (VCI) تحت کنترل قرار داد.

مواد وی سی آی، ممانعت کننده فاز بخار، می توانند در محیط بسته سطح فلز را در برابر عوامل خورنده مثل آب، بخار، کلریدها، سولفید هیدروژن و مواد خورنده دیگر در محیط های صنعتی حفاظت کنند.

فشار بخار مواد مذکور کم است، بنابراین در فشار اتمسفر و دمای محیط بخار می شوند.

در محیط بسته بخارهای ایجاد شده بر روی سطح میعان کرده و توسط مولکول های سطح قطعات جذب شده و منجر به توقف یا تاخیر در انجام واکنش های خوردگی می شوند.

روش مذکور به عنوان یکی از روش های استاندارد محافظت کف مخازن نفتی مطرح شده است.

روش دیگر تزریق مداوم وی سی آی از طریق شبکه ای از لوله های سوراخ دار است.

این لوله ها در زیر مخزن و در داخل فندانسیون بتنی کف قرار می گیرند.

مواد بازدارنده خوردگی از طریق لوله های مزبور در کف مخزن تزریق می شود.

بدین ترتیب با توزیع وی سی آی در کف مخزن، از خوردگی آن جلوگیری می شود.

برای جلوگیری از ایجاد جرقه در نتیجه تمرکز الکتریسیته ساکن، باید مقاومت سطح پوشش درونی مخزن کمتر از ۱۰۸ اهم باشد.

سیستم های پوشش دهنده درون مخازن ذخیره نفت:

جهت دیواره و کف از پوشش اپوکسی فنولیک با هاردنر آمین و با خاصیت آنتی استاتیک استفاده شود.

که این پوشش به دلیل ایجاد کراس لینک (Cross-linK) بالا، منجر به ایجاد پوشش سخت و مقاوم خواهد شد.

روش دیگر استفاده از پوشش پلی اورتان با خاصیت آنتی استاتیک که برای دیواره مخازن استفاده می شود.

چنانچه کف مخزن توسط کامپوزیت کلاس اپاکسی (Glass-Epoxy) یا کلاس پلی استر (Glass-Polyester) روکش شده است، لازم است ژل کت سطحی آن دارای خاصیت آنتی استاتیک باشد.

مقاومت پوشش ها در حدود ۱۰ اهم است و چنین مقاومتی تنها مانع از بروز جرقه توسط انباشته شدن الکتریسیته ساکن می شود و از لحاظ الکتریکی چنین موادی تقریبا در ردیف مواد نیمه رسانا قرار دارند.

آندهای فدا شونده که در داخل مخازن به کار می روند علاوه بر جلوگیری از خوردگی، عامل تخلیه بارهای الکتریسته ساکن نیز محسوب می شود.

به طور کلی مخازن نفتی زیادی در کشور دچار نشت شده است.

این موضوع ضررهای اقتصادی جبران ناپذیری به محیط زیست وارد کرده است.

با توجه به اهمیت بالای حفظ محیط زیست و نیز جلوگیری از هدر رفتن نفت خام و مایعات گازی لازم است روش های جدید مقابله با خوردگی کف مخازن نفتی مورد توجه قرار گیرد.

تخریب فلزات با عوامل غیر خوردگی:

فلزات در اثر اصطکاک ، سایش و نیروهای وارده دچار تخریب می‌‌شوند که تحت عنوان خوردگی مورد نظر ما نیست.

فرایند خودبه‌خودی و فرایند غیرخودبه‌خودی

خوردگی یک فرایند خودبخودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی در جهتی پیش می‌‌رود که به حالت پایدار برسد.

البته M⁺ⁿ می‌‌تواند به حالتهای مختلف گونه‌های فلزی با اجزای مختلف ظاهر شود.

اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهیم، زنگ می‌‌زند که یک نوع خوردگی و پدیده‌ای خودبه‌خودی است.

انواع مواد هیدروکسیدی و اکسیدی نیز می‌‌توانند محصولات جامد خوردگی باشند که همگی گونه فلزی هستند.

پس در اثر خوردگی فلزات در یک محیط که پدیده‌ای خودبه‌خودی است، اشکال مختلف آن ظاهر می‌‌شود.

بندرت می‌‌توان فلز را بصورت فلزی و عنصری در محیط پیدا کرد و اغلب بصورت ترکیب در کانیهاو بصورت کلریدها و سولفیدها و غیره یافت می‌‌شوند و ما آنها را بازیابی می‌‌کنیم.

به عبارت دیگر ، با استفاده ‌از روشهای مختلف ، فلزات را از آن ترکیبات خارج می‌‌کنند.

یکی از این روشها ، روش احیای فلزات است.

بعنوان مثال ، برای بازیابی مس از ترکیبات آن ، فلز را بصورت سولفات مس از ترکیبات آن خارج می‌‌کنیم یا اینکه آلومینیوم موجود در طبیعت را با روشهای شیمیایی تبدیل به ‌اکسید آلومینیوم می‌‌کنند و سپس با روشهای الکترولیز می‌‌توانند آن را احیا کنند.

برای تمام این روشها ، نیاز به صرف انرژی است که یک روش و فرایند غیرخودبه‌خودی است و یک فرایند غیرخودبه‌خودی هزینه و مواد ویژه‌ای نیاز دارد.

از طرف دیگر ، هر فرایند غیر خودبه‌خودی درصدد است که به حالت اولیه خود بازگردد، چرا که بازگشت به حالت اولیه یک مسیر خودبه‌خودی است.

پس فلزات استخراج شده میل دارند به ذات اصلی خود باز گردند.

در جامعه منابع فلزات محدود است و مسیر برگشت طوری نیست که دوباره آنها را بازگرداند.

وقتی فلزی را در اسید حل می‌‌کنیم و یا در و پنجره دچار خوردگی می‌‌شوند، دیگر قابل بازیابی نیستند.

پس خوردگی یک پدیده مضر و ضربه زننده به ‌اقتصاد است.

 

---

جنبه‌های اقتصادی فرایند خوردگی:

برآوردی که در مورد ضررهای خوردگی انجام گرفته، نشان می‌‌دهد سالانه هزینه تحمیل شده از سوی خوردگی ، بالغ بر ۵ میلیارد دلار است.

بیشترین ضررهای خوردگی ، هزینه‌هایی است که برای جلوگیری از خوردگی تحمیل می‌‌شود.

پوششهای رنگها و جلاها:

ساده‌ترین راه مبارزه با خوردگی ، اعمال یک لایه رنگ است.

با استفاده ‌از رنگها بصورت آستر و رویه ، می‌‌توان ارتباط فلزات را با محیط تا اندازه‌ای قطع کرد و در نتیجه موجب محافظت تاسیسات فلزی شد.

به روشهای ساده‌ای می‌‌توان رنگها را بروی فلزات ثابت کرد که می‌‌توان روش پاششی را نام برد.

به کمک روشهای رنگ‌دهی ، می‌‌توان ضخامت معینی از رنگها را روی تاسیسات فلزی قرار داد.

آخرین پدیده در صنایع رنگسازی ساخت رنگهای الکتروستاتیک است که به میدان الکتریکی پاسخ می‌‌دهند و به ‌این ترتیب می‌توان از پراکندگی و تلف شدن رنگ جلوگیری کرد.

پوششهای فسفاتی و کروماتی:

این پوششها که پوششهای تبدیلی نامیده می‌‌شوند، پوششهایی هستند که ‌از خود فلز ایجاد می‌‌شوند.

فسفاتها و کروماتها نامحلول‌اند. با استفاده ‌از محلولهای معینی مثل اسید سولفوریک با مقدار معینی از نمکهای فسفات ، قسمت سطحی قطعات فلزی را تبدیل به فسفات یا کرومات آن فلز می‌‌کنند.

و در نتیجه ، به سطح قطعه فلز چسبیده و بعنوان پوششهای محافظ در محیط‌های خنثی می‌‌توانند کارایی داشته باشند.

این پوششها بیشتر به ‌این دلیل فراهم می‌‌شوند که ‌از روی آنها بتوان پوششهای رنگ را بر روی قطعات فلزی بکار برد.

پس پوششهای فسفاتی ، کروماتی ، بعنوان آستر نیز در قطعات صنعتی می‌‌توانند عمل کنند؛ چرا که وجود این پوشش ، ارتباط رنگ با قطعه را محکم‌تر می‌‌سازد.

رنگ کم و بیش دارای تحلخل است و اگر خوب فراهم نشود، نمی‌‌تواند از خوردگی جلوگیری کند.

پوششهای اکسید فلزات:

اکسید برخی فلزات بر روی خود فلزات ، از خوردگی جلوگیری می‌‌کند.

بعنوان مثال ، می‌‌توان تحت عوامل کنترل شده ، لایه‌ای از اکسید آلومینیوم بر روی آلومینیوم نشاند.

اکسید آلومینیوم رنگ خوبی دارد و اکسید آن به سطح فلز می‌‌چسبد و باعث می‌‌شود که ‌اتمسفر به‌ آن اثر نکرده و مقاومت خوبی در مقابل خوردگی داشته باشد.

همچنین اکسید آلومینیوم رنگ‌پذیر است و می‌‌توان با الکترولیز و غوطه‌وری ، آن را رنگ کرد.

اکسید آلومینیوم دارای تخلخل و حفره‌های شش وجهی است که با الکترولیز ، رنگ در این حفره‌ها قرار می‌‌گیرد.

همچنین با پدیده ‌الکترولیز ،آهن را به اکسید آهن سیاه رنگ (البته بصورت کنترل شده) تبدیل می‌‌کنند که مقاوم در برابر خوردگی است که به آن “سیاه‌کاری آهن یا فولاد” می‌‌گویند که در قطعات یدکی ماشین دیده می‌‌شود.

پوششهای گالوانیزه:

گالوانیزه کردن (Galvanizing) ، پوشش دادن آهن و فولاد با روی است.

گالوانیزه ، بطرق مختلف انجام می‌‌گیرد که یکی از این طرق ، آبکاری با برق است.

در آبکاری با برق ، قطعه‌ای که می‌‌خواهیم گالوانیزه کنیم،کاتد الکترولیز را تشکیل می‌‌دهد و فلز روی در آند قرار می‌‌گیرد.

یکی دیگر از روشهای گالوانیزه ، استفاده ‌از فلز مذاب یا روی مذاب است.

روی دارای نقطه ذوب پایینی است.

در گالوانیزه با روی مذاب آن را بصورت مذاب در حمام مورد استفاده قرار می‌‌دهند و با استفاده ‌از غوطه‌ور سازی فلز در روی مذاب ، لایه‌ای از روی در سطح فلز تشکیل می‌‌شود که به ‌این پدیده ، غوطه‌وری داغ (Hot dip galvanizing) می‌گویند.

لوله‌های گالوانیزه در ساخت قطعات مختلف ، در لوله کشی منازل و آبرسانی و … مورد استفاده قرار می‌‌گیرند.

پوششهای قلع:

قلع از فلزاتی است که ذاتا براحتی اکسید می‌‌شود و از طریق ایجاد اکسید در مقابل اتمسفر مقاوم می‌‌شود و در محیطهای بسیار خورنده مثل اسیدها و نمکها و … بخوبی پایداری می‌‌کند.

به همین دلیل در موارد حساس که خوردگی قابل کنترل نیست، از قطعات قلع یا پوششهای قلع استفاده می‌‌شود.

مصرف زیاد این نوع پوششها ، در صنعت کنسروسازی می‌‌باشد که بر روی ظروف آهنی این پوششها را قرار می‌‌دهند.

پوششهای کادمیم:

این پوششها بر روی فولاد از طریق آبگیری انجام می‌‌گیرد. معمولا پیچ و مهره‌های فولادی با این فلز ، روکش داده می‌‌شوند.

فولاد زنگ‌نزن:

این نوع فولاد ، جزو فلزات بسیار مقاوم در برابر خوردگی است و در صنایع شیر آلات مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این نوع فولاد ، آلیاژ فولاد با کروم می‌‌باشد و گاهی نیکل نیز به ‌این آلیاژ اضافه می‌‌شود.

 

---

حفاظت کاتدی:

دید کلی

بطور کلی ، فلزات سه دسته‌اند. یک دسته ، آنهایی که مثلا طلاو پلاتین ، در مجاورت هوا اکسید نمی‌شوند و نیازی به محافظت ندارند.

دسته دوم ، آنهایی که وقتی در مجاورت هوا قرار می‌گیرند، اتمهای سطحشان اکسید می‌شوند، ولی اکسید آنها مقاوم است و چسبیده به فلز باقی می‌ماند و خود لایه محافظی برای فلز می‌شود.

این گونه فلزات هم نیازی به محافظت ندارند. مثل Zn ، Al ، CO ، Ni ، Sn ، Cr و نظیر آنها.

دسته سوم فلزاتی که وقتی سطح آنها در مجاورت هوا اکسید می‌گردد، اکسید آنها متخلخل است و به فلز نمی‌چسبد و از بدنه فلز کنده می‌شود که فلز به تدریج فاسد شده ، از بین می‌رود؛ مثل آهن.

اینگونه فلزات را به روشهای متفاوت از زنگ زدن محافظت می‌نمایند، روشهایی مثل رنگ زدن ، زدن ضد زنگ ، چرب کردن سطح فلز بوسیله یک ماده روغنی مانند گریس ، لعاب دادن ، آب فلز کاری و حفاظت کاتدی.

اصول حفاظت کاتدی:

در کنار فلز فاسد شدنی ، یک فلز با پتانسیل احیاء کمتر قرار می‌دهند تا اگر این دو فلز باهم یک پیل الکتروشیمیایی تشکیل دادند، فلز دارای E احیای بیشتر، در نقش کاتد پیل قرار گیرد و خورده نشود.

در این پیل ، فلز دارای E کمتر خورده می‌شود و فلز مقابلش را ازخطر زنگ زدن می‌رهاند. این طریقه حفاظت را حفاظت کاتدی می‌نامند.

امروزه ، بدنه کشتیها ، پایه‌های اسکله‌ها و لوله‌های انتقال نفت و گاز را که در زیر زمین کار می‌گذارند، با همین روش حفاظت می‌نمایند.

مثلا در کنار آهن ، فلز منیزیم  قرار می‌دهند که منیزیم ، الکترون می‌دهد و خورده می‌شود.

---

آب فلز کاری:

آب کاری فلزات به دو روش صورت می‌گیرد:

گالوانیزاسیون:

در این روش ، فلز فاسد شدنی را در مذاب یک فلز فاسد نشدنی فرو می‌برند و بیرون می‌آورند تا سطح آن از یک لایه فلز فاسد نشدنی پوشیده شود.

مثلا ورقه‌های نازک آهنی را در مذاب فلز روی فرو می‌برند و بیرون می‌آورند تا سطح آنها از فلز روی پوشیده شود و به این طریق ورقه‌های آهن سفید یا آهن گالوانیزه تهیه می‌نمایند.

که در ساختن لوازمی مثلا لوله بخاری ، کانال کولر ، شیروانی منازل و از این قبیل بکار می‌رود.

لوله‌های آب هم ، آهن سفید هستند.

اگر ورقه‌های آهنی را در قلع مذاب بزنیم و بیرون آوریم و سطح آنها را قلع اندود کنیم، حلبی بدست می‌آید که از آن در ساختن قوطی مواد غذایی ، نظیر کنسروها استفاده می‌گردد.

تفاوت آهن گالوانیزه و حلبی:

اگر سطح آهن سفید خراش بردارد، آهن و روی باهم پیل الکتروشیمیایی تشکیل می‌دهند.

در این پیل ، روی خرده می‌شود، زیرا پتانسیل احیاء روی از پتانسیل احیاء آهن کمتر است.

اما اگر سطح حلبی خراش بردارد، قلع و آهن باهم پیل الکتروشیمیایی تشکیل می‌دهند.

در این پیل ، آهن خورده می‌شود، زیرا پتانسیل احیاء قلع از پتانسیل احیاء آهن بیشتر است و آهن در نقش آند پیل عمل می‌کند و از بین می‌رود که این طریقه زنگ زدن را زنگ زدن الکتروشیمیایی می‌نامند.

استانداردها:

• ۴۹ CFR 192.451-491 – Requirements for Corrosion Control – TRANSPORTATION OF NATURAL AND OTHER GAS BY PIPELINE: MINIMUM FEDERAL SAFETY STANDARDS

• ASME B31Q 0001-0191

• DNV-RP-B401 – Cathodic Protection Design – Det Norske Veritas

• EN 12068:1999 – Cathodic protection. External organic coatings for the corrosion protection of buried or immersed steel pipelines used in conjunction with cathodic protection. Tapes and shrinkable materials

• EN 12473:2000 – General principles of cathodic protection in sea water

• EN 12474:2001 – Cathodic protection for submarine pipelines

• EN 12495:2000 – Cathodic protection for fixed steel offshore structures

• EN 12499:2003 – Internal cathodic protection of metallic structures

• EN 12696:2000 – Cathodic protection of steel in concrete

• EN 12954:2001 – Cathodic protection of buried or immersed metallic structures. General principles and application for pipelines

• EN 13173:2001 – Cathodic protection for steel offshore floating structures

• EN 13174:2001 – Cathodic protection for harbour installations

• EN 13509:2003 – Cathodic protection measurement techniques

• EN 13636:2004 – Cathodic protection of buried metallic tanks and related piping

• EN 14505:2005 – Cathodic protection of complex structures

• EN 15112:2006 – External cathodic protection of well casing

• EN 50162:2004 – Protection against corrosion by stray current from direct current systems

• BS 7361-1:1991 – Cathodic Protection

• NACE SP0169:2007 – Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems

• NACE TM 0497 – Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Piping Systems

• منبع:/firuzpayervandi.blogfa.com

مقدمه:

واژه بنتونیت را نخستین بار در سال ١٨٩٨ دانشمندی به نام نایت، به کار برده است. این واژه از اصطلاح محلی به نام شیل های بنتون واقع در ایالات وایومینگ آمریکا گرفته شده است.

استفاده از بنتونیت به زمان های ما قبل تاریخ بر می گردد.

این کانی ها دارای اثرات شفا بخش در برخی بیماری های گوارشی و زخم ها بوده است.

همچنین قابلیت جذب فلزات سنگین، باکتری ها و مواد ضد تغذیه ای را دارا می باشد.

ایرانیان از قدیم بنتونیت را با عناوین خاک رنگبر، گل سرشو، خاک شیره و رس صابونی می شناختند و با بعضی خواص آن از جمله، شستشوی لباس و به عنوان ماده تمیز کننده آشنا بودند.

ابن سینا نیز از این ماده معدنی به عنوان ماده ای زود شکن یاد کرده که در آب به خوبی حل می شود.

در گذشته در بعضی نقاط ایران از این ماده، استفاده خوراکی می کردند که این امر هنوز هم در بعضی از روستاها به صورت خیلی نادر مرسوم است .

از دیدگاه پزشکی این افراد به جهت کمبود کلسیم عادت به گل خواری دارند.

در فرهنگ غرب آن را به نام های رس صابونی و تیلوریت و بالاخره بنتونیت می شناسند.

تعریف بنتونیت:

بنتونیت ماده ای است معدنی از دسته رس ها یا شبه رس ها و از کانی های متورم شونده تشکیل شده است، که عموما حاوی مونتموریلونیت و به مقدار کم بیدلیت هستند.

به همین دلیل، منظور از بنتونیت، رسی است که ۸۵-۹۰ درصد کانی مونتموریلونیت داشته باشد.

نام مونتموریلونیت نیز از نام محلی در جنوب فرانسه به نام مونتموریلون گرفته شده که دارای منابع بسیار زیادی بنتونیت است.

ساختمان بنتونیت:

بنتونیت یک فیلوسیلیکات آلومینیوم دار با فرمول زیر می باشد :

Na,Ca)0.33 (Al,Mg)2Si 4O10 (OH)2. nH2o)

که اساسا از مونتموریلونیت یا کانی های گروه اسمکتیت تشکیل شده است.

کانی های گروه اسمکتیت شامل سری های دی اکتاهدرال و تری اکتاهدرال است.

کانی های سری دی اکتاهدرال عبارتند از :

مونتموریلونیت، بیدلیت و نانترونیت. انواع تری اکتاهدرال شامل کانی های هکتوریت و ساپونیت است.

از خواص مهم کانی های خانواده اسمکتیت ، جانشینی یونی، خاصیت شکل پذیری ، انبساط و انقباض یونی آن ها را می توان نام برد.

بر اثر هوازدگی در آب و هوای خشک اسمکتیت تشکیل می شود.

در محیط های رسوبی رودخانه ای و دریاچه ای غالباً کائولینیت پایدار است ، در صورتی که در محیط های دریایی کائولینیت و اسمکتیت گاهی به ایلیت تبدیل می شوند .

اسمکتیت از تریاس تا عهد حاضر یافت می شود و با افزایش عمق ابتدا به رس های بین لایه ای و سپس می تواند به ایلیت تبدیل شود.

اسمکتیت ها یکی از انواع خاک های رسی١:٢ هستند که به طور گسترده ای برای اهداف جذبی استفاده شده اند. (منظور از خاک های رسی١:٢، یک لایه آلومینیوم و دو لایه سیلیس می باشد).

مشخصات شیمیایی بنتونیت:

بنتونیت در خانواده سیلیکات های صفحه ای و گروه اسمکتیت بوده و از نظر ساختمانی دارای ساختمان سه لایه ای هستند که یک لایه آلومینیوم هشت وجهی بین دو لایه سیلیس چهار وجهی قرار می گیرد.

صفحات چهاروجهی از SiO4 تشکیل شده است و هر چهاروجهی آن توسط ۳ اتم اکسیژن با چهار وجهی های مجاور خود پیوند می یابد.

بنتونیت حاوی هیدروکسیل (OH) اند که در مرکز حلقه شش تایی قرار می گیرند .

صفحات چهار وجهی توسط صفحات هشت وجهی به یکدیگر متصل می شوند .

صفحات هشت وجهی از کاتیون های دو و سه ظرفیتی تشکیل شده اند .

نحوه قرار گرفتن صفحات چهار وجهی و هشت وجهی به حالت T-O-T است .

فاصله بنیادی در این گروه ۱۴ آنگستروم است ولی بعلت توانایی جذب مولکول های آب توسط اسمکتیت این فاصله می‌تواند از ۶/۹ تا ۴/۲۱ آنگستروم تغییر کند.

بنتونیت عمدتاً بر دو نوع است:

بنتونیت های متورم Swelling bentonite یا بنتونیت های سدیم دار.

بنتونیت های غیرمتورم Non-swelling bentonite یا بنتونیت های کلسیم دار.

خواص کانیهای خانواده اسمکتیت به ترکیب شیمیایی و ساختمان آنها بستگی دارد .

در کانی بنتونیت سدیم دار میزان جذب یونی ، شکل پذیری ، انبساط و انقباض از نوع کلسیم دار آن بیشتر است .

ابعاد شبکه بنتونیت سدیم و کلسیم دار از ۶/۹ آنگستروم در حالت معمولی به ۲۰ آنگستروم در صورتی که رطوبت محیط صد درصد باشد ، افزایش خواهد یافت.

بنتونیت های متورم یا بنتونیت های سدیم دار می توانند چندین برابر حجم معمولی خود آب جذب کند و منبسط شود ، به طوری که حالت ژله ای ، پلاستیکی و چسبندگی به خود بگیرد .

این نوع بنتونیت معمولاً در سیالات حفاری و دوغاب ( گل آب ) دیواره ها استفاده می شود.

انواع بنتونیت ها از دیدگاه صنعتی:

بنتونیت های سدیم دار

بنتونیت های جانشینی توسط سدیم

بنتونیت های کلسیم دار

بنتونیت های ارگانوفیل

بنتونیت های فعال شده توسط اسید

کاربردهای عمومی بنتونیت:

بنتونیت به دلیل داشتن خواص:

نرم بودن،

تورم پذیری،

قابلیت نسبتا خوب در مخلوط شدن با آب،

خمیری شدن،

پلاستیک بودن،

چسبندگی،

جاذب بودن و غیره مصارف پرشماری دارد.

که از آن جمله می توان به:

تولید گل حفاری،

تهیه ی ماسه ی ریخته گری،

عامل جلوگیری کننده از نشت آب در سدها و کانال های آبرسانی،

عامل شفاف کننده ی مایعات مثل آبمیوه ها و شراب،

زلال کننده ی آب و صاف کننده ی مایعاتی نظیر پارافین،

گندوله کردن مواد معدنی مثل سنگ آهن،

پلت کردن خوراک دام،

عامل ناقل در رنگ ها و سایر مواد اسپری شدنی،

تهیه ی سموم گیاهی و حیوانی،

پرکننده در صنایعی مثل کاغذسازی،

تولید پاک کننده ها و شوینده ها

و تهیه ی انواع سرامیک و رنگ بری

و تصفیه انواع روغن ها

و در چاه ارت اشاره کرد.

هر نوع بنتونیت معمولا در یک سری از فعالیت های فوق کاربرد پیدا می کند.

مثلا بنتونیت کلسیم دار در ماسه ی ریخته گری، به عنوان جذب کننده روغن و گریس، فیلتر کردن و تصفیه کردن و تهیه ی خوراک دام و طیور به کار می رود.

بنتونیت سدیم دار عموما در گل های حفاری، گندوله سازی، نیازهای مهندسی و تهیه ی خوراک دام و طیور به کار گرفته می شود و بنتونیت هایی که با اسید فعال شده اند در تهیه ی خاک مخصوص فضولات حیوانی، جاذب گریس و روغن و نظایر آن کاربرد دارد.

منبع: firuzpayervandi.blogfa.com