التقطير التجزيئي: كيفية استخلاص الغازات النادرة من الهواء

يحتوي الهواء الذي تنفسته للتو على حوالي 0.93% أرغون و0.0005% نيون و0.000008% زينون.

هذه ليست مجرد عناصر ضئيلة. إنها العناصر الخفية للتكنولوجيا الحديثة - من أشعة الليزر التي تحفر رقائق الكمبيوتر إلى عوامل التصوير التي تضيء الأعضاء البشرية لإجراء الفحوصات الطبية. لكن التقاطها يتطلب واحدة من أكثر عمليات الفصل كثافة في استهلاك الطاقة في الهندسة الصناعية: التقطير التجزيئي.

تشرح هذه المقالة كيفية استخلاص الغازات النادرة وسبب أهميتها.

1. ما هي الغازات النادرة؟

تحتل الغازات النادرة - وتسمى أيضًا الغازات النبيلة - المجموعة 18 من الجدول الدوري. وهي عديمة اللون والرائحة وخاملة كيميائيًا في معظم الظروف. خصائصها تجعلها عديمة الفائدة في الكيمياء ولكن لا غنى عنها في الفيزياء.

الهيليوم (He): ثاني أخف عنصر. درجة الغليان: -269 درجة مئوية. يوجد في رواسب الغاز الطبيعي، وليس في الهواء الجوي. يُستخدم في تبريد الرنين المغناطيسي والكشف عن التسريبات وكغاز ناقل في الفصل اللوني.

نيون (ني): درجة الغليان: -246 درجة مئوية. التركيز في الهواء: 18 جزء في المليون. عند تكهربه، يتوهج باللون البرتقالي والأحمر. يستخدم في إشارات النيون، والمؤشرات عالية الجهد، وليزر الإكسيمر للطباعة الحجرية لأشباه الموصلات.

الأرجون (Ar): الغاز النادر الأكثر وفرة في الهواء (0.93%). درجة الغليان: -186 درجة مئوية. يُستخدم كغاز تدريع في لحام التيتانيوم والألومنيوم، وكغاز غطاء في إنتاج التيتانيوم والسيليكون.

الكريبتون (Kr): نقطة الغليان: -153 درجة مئوية. التركيز في الهواء: 1 جزء في المليون. يستخدم في النوافذ الموفرة للطاقة (يملأ الفجوة بين الألواح)، والإضاءة عالية الأداء، وأبحاث الاندماج بالليزر.

الزينون (Xe): نقطة الغليان: -108 درجة مئوية. التركيز في الهواء: 0.087 جزء في المليون. أثقل الغازات النادرة غير المشعة. يُستخدم كمخدر، وفي الدافعات الأيونية للأقمار الصناعية، وفي المصابيح الوامضة للتصوير الفوتوغرافي عالي السرعة.

2. الاستخلاص بالتقطير التجزيئي: كيف يعمل

المبدأ

يستغل التقطير التجزيئي الاختلافات في درجات الغليان. حيث يتم تسخين الهواء السائل ببطء، وعندما يصل كل مكون إلى درجة غليانه، يتبخر ويتم تجميعه بشكل منفصل. العملية بسيطة من الناحية النظرية ولكنها معقدة من الناحية التشغيلية.

العملية خطوة بخطوة

الخطوة 1: ضغط الهواء وتنقيته

يتم ضغط الهواء الجوي إلى حوالي 5-10 بار. تتم إزالة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والهيدروكربونات - إذا تجمدت في وقت لاحق في العملية، فإنها ستسد المعدات.

الخطوة 2: التبريد والتسييل

يتم تبريد الهواء المضغوط من خلال مبادلات حرارية متتالية، ثم يتم توسيعه من خلال صمام (تأثير جول-تومسون) لتحقيق درجة حرارة التسييل. والنتيجة هي هواء سائل عند حوالي -192 درجة مئوية.

الخطوة 3: التقطير في العمود المزدوج

يدخل الهواء السائل إلى قاع عمود التقطير عالي الضغط (يعمل عند 5-6 بار). وينفصل إلى نيتروجين (أعلى) وسائل غني بالأكسجين (أسفل). يتم تغذية السائل الغني بالأكسجين إلى عمود منخفض الضغط (1.3 بار) لمزيد من الفصل.

الخطوة 4: تركيز الكريبتون والزينون

يتمتع الكريبتون والزينون بنقاط غليان أعلى من الأكسجين، لذلك يتراكمان في تيار الأكسجين في عمود الضغط المنخفض. يتم سحب تيار جانبي غني بالكريبتون والزينون وإرساله إلى عمود إثراء مخصص.

الخطوة 5: مزيد من التنقية

يمر المركز من خلال التحويل التحفيزي لإزالة الهيدروكربونات. وهذا من أجل السلامة، لأن الهيدروكربونات مع الأكسجين السائل يمكن أن تنفجر. ثم يخضع بعد ذلك للتقطير النهائي لفصل الكريبتون عن الزينون. تحقق الأنظمة الحديثة درجة نقاء أعلى من 99.9995%.

3. طرق الاستخلاص البديلة

يهيمن التقطير بالتبريد على الإنتاج الصناعي، ولكن توجد طرق أخرى للتطبيقات المتخصصة.

الامتزاز

يمكن للزيوليت والأطر المعدنية العضوية (MOFs) امتصاص الزينون والكريبتون بشكل انتقائي في درجة حرارة الغرفة. يُظهر الكربون المنشط، على سبيل المثال، امتصاصًا للزينون بنسبة 54% تقريبًا بالوزن عند الضغط الجوي. ويتمثل التحدي في انخفاض نقاء المنتج مقارنة بالتقطير، والحاجة إلى الضغط أو التأرجح الحراري لتجديد المادة الممتزة.

فصل الأغشية

يمكن لأغشية البوليمر فصل الغازات على أساس الحجم الجزيئي والنفاذية. بالنسبة للغازات النادرة، فإن الانتقائية هي العامل المحدد - فالأغشية التي تمرر الأكسجين بسهولة قد تمرر الكريبتون أيضًا، مما يجعل الفصل عالي النقاء صعبًا.

تكوين هيدرات الغاز

تحت الضغط العالي ودرجة الحرارة المنخفضة، يشكل الماء أقفاصًا تشبه الجليد تحبس جزيئات الغاز. يشكل الزينون هيدرات بسهولة أكبر من الكريبتون أو الأرجون، مما يتيح الفصل الانتقائي. تُظهر الأبحاث إمكانية توفير الطاقة بنسبة 30-35% مقارنةً بالتقطير التقليدي، ولكن هذه التكنولوجيا لا تزال في طور النشوء.

4. التطبيقات حسب الغاز

الهيليوم

• مغناطيسات التصوير بالرنين المغناطيسي: يبرد الهيليوم السائل مغناطيسات فائقة التوصيل إلى 4 كلفن (-269 درجة مئوية). يحتوي نظام التصوير بالرنين المغناطيسي النموذجي على 1,500 إلى 2,000 لتر من الهيليوم السائل.
• تصنيع أشباه الموصلات: يوفر الهيليوم جواً خاملًا لنمو البلورات ويعمل كغاز ناقل في عمليات الترسيب.
• كشف التسرب: صغر الحجم الجزيئي للهيليوم يجعله غاز التتبع القياسي لأنظمة التفريغ.

النيون

• ليزر الإكسيمر: يعدالنيون جزءًا من خليط الغاز الذي ينتج ضوء الأشعة فوق البنفسجية العميقة للطباعة الحجرية لأشباه الموصلات. تحفر هذه الليزرات ميزات تقاس بالنانومتر.
• علامات النيون: يأتي التوهج البرتقالي والأحمر الكلاسيكي من تفريغ النيون.
• التبريد بالتبريد: إن نقطة غليان النيون المنخفضة تجعله مفيداً في الثلاجات ذات الدورة المغلقة التي تصل إلى 30-40 كلفن.

الأرجون

• اللحام: يحمي الأرجون لحامات التيتانيوم والألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ من التلوث الجوي.
• إنتاج التيتانيوم والسيليكون: يتفاعلكلا المعدنين مع الأكسجين والنيتروجين عند درجة حرارة عالية. يوفر الأرجون غطاءً خاملًا طوال فترة المعالجة.
• النوافذ ذات الألواح المزدوجة: يملأ الأرجون الفجوة بين الألواح، مما يقلل من انتقال الحرارة بشكل أفضل من الهواء.

الكريبتون

• نوافذ موفرة للطاقة: يتميز الكريبتون بتوصيل حراري أقل من الأرجون، مما يسمح بوحدات نوافذ أرق مع نفس الأداء العازل.
• إضاءة عالية الكثافة: تعمل المصابيح المتوهجة المملوءة بالكريبتون بشكل أكثر سخونة وإشراقاً من المصابيح المملوءة بالأرجون.
• الاندماج بالليزر: ليزر الكريبتون-فلوريد الكريبتون مرشحة لأبحاث الاندماج المحصور بالقصور الذاتي.

الزينون

• التخدير الطبي: يعتبر الزينون مخدرًا مثاليًا - فهو سريع المفعول وآثاره الجانبية ضئيلة للغاية ولا يتخلص منه الجسم دون تغيير. العامل المقيد هو التكلفة.
• دفع الأقمار الصناعية: تستخدم الدافعاتالأيونية الزينون لأنه ثقيل وسهل التأين وخامل كيميائياً.
• التصوير الطبي: تُستخدم نظائر الزينون كعوامل تباين للتصوير المقطعي المحوسب للرئة.
• تصنيع أشباه الموصلات: يُستخدم الزينون في زرع الأيونات والطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية العميقة.

5. مواد لتطبيقات الغازات النادرة

غالباً ما تتطلب التقنيات التي تستخدم الغازات النادرة مواد متخصصة - من المعادن التي تحتوي عليها إلى المكونات التي تتفاعل معها. وتوفر شركة Stanford Advanced Materials (SAM) مواد عالية النقاء لهذه التطبيقات:

لتصنيع أشباه الموصلات

• أهداف الاخرق ( Ti، Ta، Cu، Al) لترسيب الأغشية الرقيقة
• مواد التبخير لطبقات التمعدن
• معادن عالية النقاء لمكونات الغرف

للأغراض الطبية والتصوير

• بلورات التلألؤ لكاشفات الإشعاع
• معادن عالية النقاء لمكونات أنظمة التصوير
• ركائز السيراميك للأجهزة الطبية

للإضاءة والعرض

• مواد الفوسفور للإضاءة المتخصصة
• مواد التبخير لطلاء شاشات العرض
• معادن عالية النقاء لتصنيع الأقطاب الكهربائية

للفضاء والدفع

• المعادن المقاومة للحرارة (W، Mo، Ta) للتطبيقات عالية الحرارة
• معادن أرضية نادرة للسبائك المتخصصة
• مركبات السيراميك للحماية الحرارية

للبحث والتطوير

• عناصر عالية النقاء بأشكال مختلفة (مساحيق، أسلاك، رقائق، قضبان)
• سبائك ومركبات للعمل التجريبي
• المواد النانوية للأبحاث المتقدمة

جميع المواد متاحة مع شهادة تحليل وإمكانية التتبع الكامل.

6. الأسئلة الشائعة: النقاء والمناولة

س: ما أهمية النقاء في هذه التطبيقات؟
ج: في تصنيع أشباه الموصلات، يمكن أن تتسبب الشوائب النزرة في إفساد دفعات الإنتاج بأكملها. في التطبيقات الطبية، يؤثر النقاء على سلامة المرضى. في الأبحاث، تعتمد قابلية التكرار على التركيب المعروف.

س: ما هي الأشكال التي تأتي بها المواد؟
ج: توفر SAM المواد في أشكال متعددة: المساحيق والأسلاك والألواح والرقائق والرقائق والقضبان والأهداف الاخرقية، والأشكال المخصصة حسب متطلبات التطبيق.

س: هل تقدمون مواصفات مخصصة؟
ج: نعم. نعمل مع العملاء لتلبية متطلبات النقاء والشكل والتعبئة والتغليف المحددة، بدءًا من كميات البحث والتطوير الصغيرة وحتى الإنتاج بكميات كبيرة الحجم.

س: ما هي الوثائق التي تأتي مع المواد؟
ج: تتضمن كل شحنة شهادة تحليل. يتم الحفاظ على إمكانية التتبع الخاص بالدفعة من أجل تدقيق الجودة والامتثال التنظيمي.

حول Stanford Advanced Materials (SAM)

تقوم شركة Stanford Advanced Materials (SAM) بتوريد أكثر من 10 آلاف مادة متطورة إلى صناعات الطيران والطب وأشباه الموصلات والأبحاث في جميع أنحاء العالم. وتأسست الشركة في عام 1994 وتتخذ من سانتا آنا بكاليفورنيا مقراً لها، وتقدم معادن عالية النقاء، وسبائك وسيراميك وأهداف رشاشة، ومواد أرضية نادرة بأشكال مختلفة - بدءاً من كميات البحث والتطوير وصولاً إلى الإنتاج على نطاق واسع. من خلال مستودعاتنا في الولايات المتحدة وكندا وأوروبا وآسيا والمحيط الهادئ، نقوم بالتوصيل بشكل موثوق في أي مكان.

المراجع

Häussinger, P., Glatthaar, R., Rhode, W., et al. (2001). الغازات النبيلة. موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية. Wiley-VCH.

Kerry, F.G. (2007). دليل الغازات الصناعية: فصل الغازات وتنقيتها. مطبعة CRC.

Smith, A.R., & Klosek, J. (2001). مراجعة لتقنيات فصل الهواء وتكاملها مع عمليات تحويل الطاقة. تكنولوجيا معالجة الوقود، 70(2)، 115-134.

ثلام ثاتاي، أ. وآخرون (2016). تحقيق تجريبي في تكوين هيدرات الغاز لاستخلاص الزينون. مجلة الهندسة الكيميائية، 302، 74-82.

بانيرجي، ر. وآخرون (2008). الأطر المعدنية العضوية لفصل الزينون والكريبتون. Science, 319(5865)، 939-943.

بيكر، ر.و. (2002). الاتجاهات المستقبلية لتكنولوجيا فصل الغازات الغشائية. أبحاث الكيمياء الصناعية والهندسية، 41(6)، 1393-1411.

هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية. (2023). ملخصات السلع المعدنية: الهيليوم والأرجون والنيون والكريبتون والزينون.