دانشگاه کاشان
پژوهشکده علوم و فناوری نانو
پایان نامه
جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
در رشته نانو مهندسی شیمی
عنوان:
بهینه سازی فرایند واجذب WF6 بر روی نانوجاذب NaF
استاد راهنما:
دکتر مرتضی اصغری
استاد مشاور:
مهندس محمد میری مزرعه شاهی
مهندس مرتضی افسری
به وسیله :
رحیم آقا ابراهیمیان
زمستان 1393
تقدیم به
پدر و مادر گرامی ام که در تمامی مراحل زندگی ام همراه و یاورم بودند.
با سپاس فراوان از استاد گرانقدر جناب آقای دکتر مرتضی اصغری که در تمامی مراحل پروژه عالمانه و صمیمانه راهنمای بنده و همچنین جناب آقای مهندس محمد میری مزرعه شاهی و جناب آقای مهندس مرتضی افسری که با مشورت های بی دریغشان چراغ راهم بودند و نیز آقای دکتر احمد اکبری که از نظراتشان کمال استفاده نمودم.
چکیده
در واحد غنی سازی اورانیوم بوسیله سانتریفیوژ، گاز UF6 پس از عبور از سانتریفیوژ و انجام فرایند غنی سازی، وارد تله سرد شده و در دمای پایین جامد و جمع آوری می گردد.
یکی از جاذب های مورد استفاده برای جذب هگزا فلورید اورانیوم، سدیم فلوراید می باشد. منحنی تعادلی جذب UF6 توسط جاذب سدیم فلوراید یکی از اطلاعات مهم برای طراحی برج های جذب می باشد. مزیت سدیم فلوراید نسبت به جاذب های دیگر UF6 امکان واجذب، احیاء دوباره جاذب و استفاده دوباره UF6 می باشد. در این پایان نامه ابتدا جذب سطحی UF6 بر روی سدیم فلوراید در فشار های 10،20،30و40 میلی بار انجام و بر اساس نمودار ایزوترم لانگمویر، میزان جذب اشباع در دمای محیط بدست می آید، سپس واجذب UF6 در دماها و فشار های مختلف بر اساس نیاز صنعت انجام گرفته همچنین عوامل موثر در واجذب بررسی و بهترین شرایط فرایندی ارائه شده است. در ادامه میزان از دست دادن ظرفیت جذب بعد از جذب و واجذب های متوالی در شرایط فرایندی یکسان بررسی و گزارش شده است. آنالیز کیفی UF6 در قبل و بعد از واجذب انجام و گزارش شده است. بر روی نحوه بدست آمدن سدیم فلوراید و ساختار حفرات آن مطالعاتی انجام و آنالیز های کیفی از آن گزارش شده است.
کلمات کلیدی: جذب سطحی، دفع سطحی، ایزوترم، سدیم فلوراید، هگزا فلورید اورانیوم
فهرست مطالب
1-فصل نخست:7
1-1-بخش اول : مقدمه8
1-1-1-جذب سطحي8
1-1-2-مقایسه کلی انواع جذب سطحی12
1-1-3-معيار انتخاب فرآيندهاي جذب سطحي12
1-1-4-پارامترهاي مؤثر بر جذب13
1-1-5-جاذب ها16
1-1-6-روشهاي احیاي جاذب18
1-1-7-تعادل : منحنی هم دماي جذب18
1-1-8-ایزوترم هاي جذب سطحی21
1-2-بخش دوم: بررسی ویژگی اورانیوم27
1-2-1-اورانیوم27
1-2-2-کاربردهای فلز اورانیوم28
1-2-3-تولید و توزیع29
1-2-4-هشدارها29
1-2-5-هگزافلوراید اورانیوم30
1-2-6-روش های تولید انرژی هسته ای31
1-2-7-غني سازي31
1-2-8- غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ33
1-2-9- غنی سازی اورانیوم از طریق میدان مغناطیسی بسیار قوی33
1-2-10-تله شیمیایی34
1-2-11- بررسی انواع جاذب مورد استفاده در سیستم غنی سازی اورانیوم35
1-2-12-کربن فعال36
1-2-13-فلورید سدیم41
1-3-بخش سوم: بررسی جاذب هاي مورد استفاده در صنایع غنی سازي42
1-3-1-جذب UF6 روی آلومینا و فلورید سدیم43
1-3-2-سرعت واکنش44
1-3-3-احیا و قابلیت هاي بازیافت46
1-3-4-تاثیر دیگر اجزاي خوراك گازي46
1-3-5-مطالعه افت فشار47
1-3-6- نمودار شکست و مدل سازی آن47
2-فصل دوم:49
2-1-بخش اول: مقدمه50
2-1-1-اثر ناپذيرسازى51
2-1-2-آزمایش جذب استاتيك52
2-1-3-نتايج تجربی55
2-2-بخش دوم: تغییرات فشار گاز UF6 نسبت به زمان در هنگام جذب سطحی56
2-3-بخش سوم:ایزوترم جذب UF6 توسط سدیم فلوراید62
2-4-بخش چهارم:آزمایش های واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلوراید64
2-4-1-واجذب:65
2-4-2-جذب:66
2-4-3-مراحل آزمایش:67
2-5-بخش پنجم: آزمایش های جذب و واجذب متوالی UF6 بر روی نانو جاذب سدیم فلوراید73
2-5-1-آزمایش اول جذب و واجذب73
2-5-2-آزمایش دوم جذب و واجذب75
2-5-3-آزمایش سوم جذب و واجذب77
2-5-4-آزمایش چهارم جذب و واجذب79
2-5-5-آزمایش پنجم جذب و واجذب81
2-5-6-نتایج آزمایشات جذب و واجذب متوالی82
2-5-7-جذب در دمای بالا:83
3-فصل سوم:85
3-1-نتایج جذب سطحی86
3-2-نتایج واجذب87
4-فصل چهارم:89
4-1-نتیجه گیری90
4-2-پیشنهادات91
منابع و مآخذ:92
پیوست الف : اورانیوم94
پیوست (ب) سدیم فلورید101
فهرست جدول ها
جدول ‏11میزان جذب UF6 روی چهار جاذب در آزمایش شولتز44
جدول ‏21داده های جذب در فشار های اولیه مختلف56
جدول ‏22تغییرات گرم جذب شده به گرم جاذب با فشار تعادلی برای جذب UF6 بر روی نانوجاذب سدیم فلورید62
جدول ‏23داده های جذب برای شروع فرایند واجذب66
جدول ‏24در صد واجذب در دماهای مختلف72
جدول ‏25 در صد واجذب در دماهای مختلف73
جدول ‏26نتایج واجذب UF6 بر روی نانوجاذب سدیم فلوریدError! Bookmark not defined.
جدول ‏27داده های جذب برای سدیم فلورید74
جدول ‏28داده های جذب برای سدیم فلوریدی که یکبار واجذب شده76
جدول ‏29داده های جذب برای سدیم فلوریدی که دوبار واجذب شده78
جدول ‏210 جذب برای سدیم فلوریدی که سه مرتبه واجذب شده80
جدول ‏211داده های جذب برای سدیم فلوریدی که چهار مرتبه واجذب شده82
جدول ‏212نتایج جذب و واجذب متوالی گاز UF6 بر روی نانوجاذب سدیم فلورید83
فهرست نمودارها
نمودار ‏11 )مقایسه تغییرات جذب هگزافلورید اورانیوم براي NaF و آلومینا H –15145
نمودار ‏21)سامانه مورد استفاده جهت انجام آزمایشات جذب و دفع استاتیکی53
نمودار ‏22) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 14.0357
نمودار ‏23) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 21.6257
نمودار ‏24) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 28.7058
نمودار ‏25) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 40.9658
نمودار ‏26) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 53.6859
نمودار ‏27) تغییرات فشار بر حسب زمان در فشارهای اولیه مختلف59
نمودار ‏28) تغییرات درصد جذب بر حسب فشار اولیه60
نمودار ‏29) تغییرات گرم جذب شده به گرم جاذب بر حسب فشار اولیه60
نمودار ‏210) تیءوری لانگمویر و فرندلیچ63
نمودار ‏211) نمودار تجربی ایزوترم جذب سطحی UF6 بر روی سدیم فلوراید63
نمودار ‏212) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای 100 درجه سانتی گراد68
نمودار ‏213) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای 180 درجه سانتی گراد69
نمودار ‏214) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای200 درجه سانتی گراد70
نمودار ‏215) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای250 درجه سانتی گراد71
نمودار ‏216) تغییرات فشار UF6 با زمان در دماهای مختلف72
نمودار ‏217) تغییرات فشار UF6 بر حسب زمان74
نمودار ‏218) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید75
نمودار ‏219) تغییرات فشارUF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلورایدی که یک مرتبه واجذب شده76
نمودار ‏220) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید در دمای 200 درجه سانتی گراد77
نمودار ‏221) تغییرات فشار UF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلوریدی که دوبار واجذب شده.78
نمودار ‏222) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید در دمای 200 درجه سانتی گراد79
نمودار ‏223 ) تغییرات فشار UF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلوریدی که سه مرتبه واجذب شده است.80
نمودار ‏224) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید در دمای 200 درجه سانتی گراد81
نمودار ‏225) تغییرات فشار UF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلوریدی که چهارمرتبه واجذب شده است.82
فصل نخست:
مطالعات کتابخانه ای
بخش اول : مقدمه
گاهی در صنعت لازم است که یک جزء و یا اجزاء مختلف را از یک مخلوط به وسیله روش های مناسب جدا کرد. نوع روش انتخاب شده برای جداسازی به عوامل مختلفی مانند ماهیت ماده و مخلوط، اندازه، غلظت، فاز ماده و … بستگی دارد. به طور كلي جداسازي بر اساس نيروي محركه شيميايي به پنج دسته كلي تقسيم ميشود كه هر مخلوط را مي توان با استفاده از يكي از اين روش ها و يا تركيبي از آنها جداسازي كرد.
روش هاي عمومي جداسازي عبارتند از :
1- جداسازي از طريق ايجاد يك فاز جديد ( تقطیر)
2- جداسازي از طريق افزودن يك فاز جديد (استفاده از حلال)
3- جداسازي از طريق ايجاد مانع ( استفاده از غشاء)
4- جداسازي با استفاده از ذرات جامد ( جذب سطحی)
5- جداسازي به وسيله ميدان مغناطيسي يا الكتريكي
جذب سطحي
جذب سطحي نوعي فرآيند جداسازي است كه در آن برخی از اجزاي يك فاز سيال به سطح جاذب منتقل مي شود. به طور كلي در مواد جامد، ساختار سطح با ساختمان توده جامد متفاوت است، به طوريكه سطح از لحاظ انرژي كاملاً اشباع نبوده و زمانيكه جامد در معرض يك گاز قرار مي گيرد، مولكولهاي گاز به مراكز موجود در سطوح متصل شده و جذب مي گردند، اين پديده جذب گاز توسط جامد1 ناميده مي شود.
يك دستگاه ساده جذب سطحي متشكل از يك سيلندر است كه جاذب در آن قرار گرفته، و جريان گاز و مايع بر روي آنها برقرار است. در حالت معمول، ذرات كوچك جامد در یک بستر، ثابت نگه داشته مي شوند و گاز به طور پيوسته از آن بستر عبور مي كند. در نهایت جامد تقريباً اشباع شده و جداسازي ديگر قابل انجام نیست. در اين هنگام، جريان به بستر دوم انتقال مي يابد تا اينكه جاذب اشباع شده، تعويض يا احيا شود.
جذب سطحي به عنوان مهمترين فرآيند در جداسازي براي غلظت هاي پايين مطرح ميشود. در جذب سطحي بر خلاف فرآيند جذب كه در آن جداسازي در توده ي سيال اتفاق ميافتد جداسازي در سطح جامد صورت مي پذيرد،.
نكته مهمي كه در جذب سطحي بايد مورد توجه قرار گيرد اين است كه اين شيوه جداسازي زماني به عنوان یک روش کارامد مورد استفاده قرار مي گيرد، كه جداسازي در غلظت هاي پايين مدنظر باشد. از آنجا كه ذراتي كه در جذب سطحي مورد استفاده قرار مي گيرند پس از مدتي اشباع شده و توانايي جذب اوليه را از دست مي دهند، بنابراين اين روش در غلظت هاي بالا كاربرد چنداني ندارد زيرا جاذب ها به سرعت اشباع شده و قابليت خود را از دست مي دهند. اکثر جاذب ها موادي بسیار متخلخل هستند و جذب سطحی عمدتاً روي دیواره حفره ها یا مکان هاي مشخص در داخل ذره صورت می گیرد. از آنجایی که حفره ها عموما بسیار کوچکند، مساحت سطح داخلی چندین مرتبه بزرگتر از مساحت سطح خارجی بوده و تقریبا بین 500 تا 1000 متر مربع بر گرم می رسد. اختلاف در جرم مولکولی، شکل و یا قطبیت، باعث می شود برخی مولکول ها محکمتر روي سطح حفظ شوند. همچنین ممکن است حفره ها کوچکتر از آن باشند که مولکول هاي درشت تر را بپذیرند، در نتیجه مواد از هم جدا می شوند. در بسیاري از موارد، جزء جذب شونده به اندازه کافی محکم نگه داشته شده و جدا سازي کامل آن جز از سیال همراه با جذب بسیار کم سایر اجزا ممکن می باشد. در این صورت می توان با احیا جاذب، ماده جذب شده را به صورت غلیظ یا تقریبا خالص فراوری کرد.
كاربردهاي جذب سطحي در فاز بخار شامل بازيافت حلال هاي آلي به كار رفته در رنگها، مركب چاپ و محلولهاي مورد مصرف براي چدن ريزي است.
از جذب سطحي روي كربن براي جدا كردن مواد آلوده كننده اي مانند CO2،N2O و ديگر تركيبات بدبو از هوا استفاده ميشود به طوریکه در اكثر اتومبيل هاي جديد از قوطي هاي زغالي استفاده مي شود تا مانع ورود بنزين به هواي داخل ماشين شود. خشك كردن گازها اغلب با جذب سطحي آب روي سيليكاژل، آلومينا يا ديگر جامدات متخلخل معدني صورت ميگيرد. زئوليت ها يا غربالهاي مولكولي، آلومينا و سيليكاتهاي طبيعي يا مصنوعي هستند كه در تهيه گازهاي با نقطه شبنم پايين مؤثرند. از جذب سطحي روي غربالهاي مولكولي براي تفكيك اكسيژن و نيتروژن، تهيه هيدروژن خالص به منظور تفكيك پارافين هاي معمولي از پارافين هاي شاخه دار و تركيبات آروماتيك نیز استفاده مي شود.
جهت انتقال جرم در اين فرآيند، از فاز سيال به فاز جامد است و عكس آن، به فرآيند دفع سطحي مشهور است. به منظور بازيابي برخي مواد ارزشمند (نظیر فلزات گرانقيمت) از سطوح جاذب، فرآيند دفع با راندمان مناسب كاربرد فراوان دارد.
سرعت جریان گاز و زمان مورد نیاز برای چرخه مطلوب، اندازه بستر جاذب را تعیین می کند. با استفاده از بسترهاي طویل تر، چرخه جذب را می توان به چند روز افزایش داد ولی افزایش افت فشار و سرمایه گذاري اولیه بالاتر ستون جذب، آن را غیر اقتصادي خواهند کرد.
فرایندهای جداسازي از طريق جذب سطحي تقريباً مشابه هستند، به اين ترتيب كه مخلوطي كه بايد جدا شود در تماس با يك فاز غيرقابل حل (جاذب) قرار گرفته و توزيع ناهماهنگي از اجزاء اصلي بين فاز جذب شده روي سطح جامد و تودة سيال اتفاق افتاده و جداسازي انجام مي شود. دو نوع جداسازي در جذب سطحي مطرح است:
-1 جذب سطحي فيزيكي يا واندروالس
-2 جذب سطحي شيميايي
جذب سطحي فيزيكي يا واندروالس
این نوع جذب مربوط به فرایند برگشت پذیری است که نتيجة جذب از طريق نيروهاي بين مولكولي بين جامد و مواد جذب سطحي شده حاصل می شود. به عنوان مثال، زمانيكه نيروهاي بين مولكولي بين يك جامد و يك گاز بزرگتر از نيروهاي بين مولكولي گاز به تنهايي باشد، حتي اگر فشار گاز پايين تر از فشار بخار در دماي جامد باشد، مولکول های گاز روي سطح جامد جذب مي شوند. اين جذب شدن معمولاً با گرما همراه بوده و کمی بزرگتر از گرماي نهان تبخير است. مادة جذب شده در ساختمان كريستالي جامد جايگزين نشده و در آن حل نمي شود بلکه به طور كامل روي سطح جامد باقي مي ماند.
در بيشتر مواقع در حالت تعادل، فشار جزئي ماده جذب شده مساوي با فشار فاز گاز در حال تماس بوده و با پايين آوردن فشار گاز يا با افزايش دما، گاز جذب شده به راحتي دفع ميشود. جذب فیزیکی اختصاصی نمیباشد و مانند چگالش بطور کلی با هر سامانه گاز جامد اتفاق می افتد و به نوع جاذب یا جذب شونده بستگی ندارد به شرطی که ترکیب دما و فشار مناسب باشد. جذب سطحی برگشت پذیر (فیزیکی)، به گازها محدود نمی شود بلکه در مایعات نیز مشاهده شده است.
جذب شيميايي
جذب سطحي شيميايي يا جذب سطحي فعال شده، نتيجه پيوند شيميايي بين جامد و مادة جذب شده است. قدرت پيوندهای شيميايي متفاوت بوده و ممکن است تركيبات شيميايي تشكيل نشوند، اما در هر صورت نيروي چسبندگي در اين نوع جذب از جذب فيزيكي بيشتر است. به دليل واكنش شيميايي، گرماي آزاد شده در طي جذب شيميايي معمولاً بزرگتر از جذب فيزيكي است. اين فرآيند غالباً برگشت ناپذير بوده و در مرحله دفع، مواد اصلي اغلب دچار تغيير شيميايي مي شوند. جذب شيميايي بيشتر در كاتاليزورها مشاهده مي شود.
مقدار گرماي جذب فیزیکی با مقدار گرما براي مایع شدن گاز جذب شده برابر است در حالی که گرماي جذب شیمیایی تقریبا با گرماي واکنش شیمیایی برابر است. از سوي دیگر فرایند جذب شیمیایی معمولا توسط مقاومت واکنش سطحی کنترل می شود و سرعت جذب با افزایش درجه حرارت افزایش می یابد.
در جداسازي و خالص سازي مواد، جزء مورد نظر توسط جاذب، جذب می گردد و در نزدیکی نقطه اشباع بستر دیگر کارایی لازم را جهت جداسازي مطلوب نخواهد داشت در این مرحله بستر بایستی توسط روشهاي دفع سطحی احیاء گردیده و سپس جاذب مورد استفاده قرار گیرد.
مقایسه کلی انواع جذب سطحی
مقایسه خصوصیات جذب فیزیکی و شیمیایی ما را به تفاوت های زیر بین این دو نوع سازوکار رهنمون می سازد.
جذب فیزیکی پدیده اي برگشت پذیر است در صورتی که جذب شیمیایی برگشت پذیر نمیباشد.
در جذب فیزیکی تمام سطوح جامد در عمل جذب دخالت می کنند.
گرماي جذب فیزیکی کمتر از گرماي جذب شیمیایی است.
جذب فیزیکی می تواند در دماهاي پایین صورت گیرد زیرا انرژي فعالسازي جذب فیزیکی کم می باشد.
جذب فیزیکی به نوع جاذب و نوع جذب شونده بستگی ندارد و در هر حالتی ممکن است انفاق بیافتد ولی جذب شیمیایی هم به نوع ماده و هم به نوع جاذب بستگی دارد. در جذب فیزیکی همیشه می توان جاذب را بازیابی کرده و دوباره استفاده کرد.
معيار انتخاب فرآيندهاي جذب سطحي
مقايسه بين فرآيندهاي مختلف جداسازي در جهت انتخاب مناسب ترين فرآيند، از اهميت خاصي برخوردار است. سهولت جداسازي توسط تقطير بوسيله ضريب فراريت α مشخص مي شود كه براي يك مخلوط دوتايي ايده آل نسبت بين فشار بخارهاي دو جزء مي باشد. علي رغم فوايد تقطير، اساساً اين فرآيند انرژي زيادي مصرف مي كند.
مواردی که فرآيند جذب نسبت به تقطير دارای ارجحیت است مشتمل بر موارد زیر می باشد:
1- جداسازی ترکیباتی که ضريب فراريت اجزاي كليدي آنها در حدود 5/1 يا كمتر باشد. مانند جداسازي ايزومرهاي مختلف يك تركيب.
2- در صورتی که جريان خوراك ارزش كمي داشته باشد. در اين موارد مقدار جزء غيرفرار بالا بوده و غلظت محصول موردنظر نسبتاً كم است، بنابراین جريان برگشتي از نسبت بالايي برخوردار است و در نتيجه نياز به انرژي زياد خواهد بود.
3- براي جداسازي دو گروه از اجزاء كه محدودة جوش آنها داراي محدودة هم پوشاني باشد. در اين موقع حتي اگر ضريب فراريت نيز بزرگ باشد به چندين ستون تقطير نياز داريم.
4- جداسازي در دماي پايين و فشار بالا كه در عمليات تبديل گاز به مايع مورد نياز است.
5- موارد خاص جداسازي كه در آنها هزينه فرآيند جذب به مراتب كمتر از هزينه فرآيند تقطير خواهد بود.
پارامترهاي مؤثر بر جذب
بر طبق تئوريهاي موجود، ظرفيت جذب تعادلي به عوامل زير بستگي دارد:
نوع جاذب
نوع جذب شونده
شرايط فرآيند
تأثير نوع جاذب
جاذبها مواد جامد خلل و فرج داري هستند كه بدليل خاصيت جذبي كه روي سطح خود دارند اجازه مي دهند مولكولهاي برخي مواد روي آنها مجتمع شده و جذب گردند. اين خلل و فرج به شكل ها و اندازه هاي متفاوتي بوده و به شدت در ميزان جذب و نوع ماده اي كه مي تواند جذب كند تاثير دارد.
نوع جاذب به دو صورت بر ظرفيت جذب مؤثر است:
1-حجم كل حفره جاذب
هرچه حجم حفره بيشتر باشد جذب شونده بيشتر جذب مي شود و اگر جريان گاز (يا هوا) به طور كامل با جذب شونده اشباع باشد، ظرفيت جذب تعادلي ماكزيمم حاصل مي شود.
2-توزيع اندازه حفره
مطابق تقسيم بندي IUPAC كه بر اساس سايز حفره ها مي باشد حفره ها را براساس قطر به سه گروه زير تقسيم كرده اند:
– میکروپور: حفره هاي ريز با قطر كمتر از 2 نانو متر
– مزوپور: حفره هاي متوسط با قطر بين 2 تا 50 نانو متر
– ماکروپور: حفره هاي بزرگ با قطر بيشتر از 50 نانو متر
جذب واقعي تقريباً فقط در حفره هاي ريز اتفاق مي افتد. حفره هاي متوسط وظیفه انتقال جذب شونده را از فاز گاز به حفره هاي ريز بر عهده داشته و حفره هاي بزرگ قابليت دسترسي جاذب را تعيين مي كنند. در غلظتهاي پايين جذب شونده، جذب تقريباً فقط در كوچكترين حفره هاي ريز اتفاق مي افتد كه بالاترين انرژي جذب را دارا هستند.
جامدهاي جاذب معمولا به شكل گرانول مصرف مي شوند و قطر آنها از ۱۲ميلي متر تا ۵۰ ميكرومتر متغير است. جاذب ها بر اساس كاربرد و موقعيت مصرف داراي ویژگی متفاوتی مي باشند. مثلا اگر از آنها در يك بستر ثابت با جريان گاز يا مايع استفاده مي شود، نبايد اختلاف فشار زيادي ايجاد كنند و همچنين نبايد توسط جريان سيال به خارج حمل شوند. آنها بايد از مقاومت و سختي خوبي برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنين در اثر وزن خود در بستر خرد نشوند. در صورتي كه بخواهيم آنها را از ظروف نگهداري به داخل و خارج انتقال دهيم بايد به راحتي جريان پيدا كنند. اين ویزگی به راحتي قابل شناسايي هستند.
جذب يك پديده عمومي است و تمام جامدها مقداري از گازها و بخارات را جذب مي كنند ولي در اهداف صنعتي تنها بعضي جامدات ظرفيت جذب لازم را دارند. در جامداتي كه داراي خاصيت جذب بسيار ويژه اي هستند و به مقدار زياد جذب انجام مي دهند، طبيعت شيميايي آنها با ویژگی جذب رابطه دارد ولي صرف شناسايي شيميايي براي بیان مفيد بودن آنها كافي نيست. وجود سطح زياد در واحد جرم، براي جاذب هاي مفيد ضروري است. در جذب گازي، سطح واقعي، سطح ذرات گرانول نيست بلكه سطح بزرگتري است كه داخل سوراخها و شكافها را شامل مي شود. سوراخها خيلي كوچك بوده و معمولا در حدود چند مولكول قطر دارند ولي تعداد زياد آنها باعث توليد سطح بزرگتري براي جذب ميشود. ویژگی ديگري وجود دارد كه از اهميت زيادي برخوردار می باشد ولي همه آنها شناخته شده نيستند و براي بررسي قابليت جذب بايد به مشاهده و تجربه اتكا كرد.
فشار بخار يك مايع يا گاز در حفره هاي موئينه با فشار بخار آن در شرايط عادي متفاوت است. اگر لوله موئينه داشته باشيم فشار بخار كمتر از فشار بخار در سطح آزاد است. به عبارت ديگر نقطه جوش آن در فشار ثابت بالاتر است. يعني اينكه در لوله هاي موئينه بخار زودتر ميعان می شود. هر چه سوراخهاي يك جاذب ريزتر باشد فشار بخار در آن كمتر بوده و عمل ميعان زودتر صورت مي گيرد بنابراين در جاذبهاي ميكروپور و مزوپور علاوه بر اينكه روي سطح جامد عمل جذب صورت مي گيرد، بدليل وجود خلل و فرج ريزتر، كندانس شدن گاز نيز صورت مي گيرد. هرچند در جاذبهاي ميكروپور عمل دفع نيز سخت صورت مي گيرد.
تأثير نوع جذب شونده
روشن است كه جذب شونده بايد به اندازه كافي كوچك باشد تا در حفره هاي جاذب جاي گيرد و دانسيته نيز روي ماكزيمم جرم جذب شونده مؤثر است. دو پارامتر اول روي ميزان جذب شده مؤثرند، در حاليكه نقطه جوش و ساختار جذب شونده روي توان جذب مؤثر هستند. اساساً يك جذب شونده با نقطه جوش بالاتر بيشتر از يك جذب شونده با نقطه جوش پائين تر جذب مي شود. شكل جذب شونده نيز تأثير زيادي دارد. مثلاً بنزن نسبت به هگزان بهتر به درون حفره ها نفوذ مي كند.
اثر شرايط فرآيند
شرايط موثر بر ظرفيت جذب تعادلي عبارتند از:
1-غلظت جذب شونده
2- دماي جذب
در غلظتهاي پايين، جذب فقط در كوچكترين حفره هاي ريز اتفاق مي افتد در حاليكه در غلظتهاي بالا، حفره هاي بزرگتر نيز در جذب شركت مي كنند كه در نتيجه ظرفيت جذب تعادلي بالاتر مي رود.
دماي جذب روي مقدار انرژي جذب شونده موثراست. به عبارت ديگر دماي جذب بالاتر، معادل ظرفيت جذب پائين تري است. پارامترها و شرايط ديگر فرآيند روي ظرفيت جذب اثري نداشته و روي زمان مورد نياز براي رسيدن به تعادل موثرند.
جاذب ها
جاذب ها داراي خاصیت جذب انتخابی هستند به این معنی که بسته به ساختمان و نوع جاذب میتوانند برخی از موادي را بیشتر از سایر مواد موجود در سامانه جذب کنند. به طور كلي براي هر فرايند جذب، انتخاب جاذب مهمترين قسمت طراحي مي باشد در نتيجه بايد مواردي نظير ظرفيت، گزينش پذيري، قابليت احيا، سينتيك، سازگاري، قيمت و … مورد توجه قرار گيرد که در اینجا به صورت مختصر شرح می دهیم:
ظرفيت
ظرفيت جذب مهمترين ویژگی هر جاذب است و برابر است با مقدار ماده اي كه در واحد جرم (يا حجم)جاذب، جذب مي شود. اين خاصيت به غلظت فاز سيال، دما و ديگر شرايط، به ويژه شرايط اوليه جاذب، بستگي دارد. معمولاً اطلاعات مربوط به ظرفيت جذب، در دماي ثابت و غلظتهاي مختلف ماده جذب شونده يا فشار جزئي بخار و يا گاز اندازه گيري مي شود و داده هاي بدست آمده در يك منحني بنام منحني همدما رسم مي شوند. ظرفيت جذب اصلي ترين فاكتور در تعيين قيمت جاذب مي باشد زيرا اين فاكتور مقدار جاذب مورد نياز براي فرايند را مشخص کرده، و همچنين اندازه بستر جذب را تعيين مي نمايد.
گزينش پذيري
اين فاكتور به ظرفيت جذب مرتبط است، ولي تعاريف مشخص ديگري براي اين فاكتور نيز وجود دارد. ساده ترين تعريف براي گزينش پذيري عبارتست از نسبت ظرفيت جذب يك جزء به ديگر جزء در غلظت مشخص سيال. اين نسبت معمولاً با كاهش غلظت و نزديك شدن به صفر، به يك مقدار ثابت نزديك مي شود.
قابليت احيا
تمام فرايندهاي جذب سيكلي، بر اساس خاصيت احياي جاذب استوار هستند و همين فاكتور سبب كاركرد يكنواخت جاذبها در فرايندهاي سيكلي مي شود. در حقيقت قابليت احيا به اين معناست كه هر جزء جذب شونده فقط بايد به شكل فيزيكي جذب جاذب شود و يا مي توان گفت جذب آن بر روي جاذب ضعيف باشد. گرماي جذب، مقدار انرژي لازم براي احياي جاذب را تعيين مي كند.
سينتيك
سينتيك انتقال جرم يك واژه كلي است كه با مقاومت انتقال جرم درون ذره اي ارتباط دارد. اين فاكتور به علت كنترل زمان سيكل فرايندهاي جذب با بستر ثابت، داراي اهميت ويژه اي است.
سازگاري
اين فاكتور، اتفاقات شيميايي و فيزيكي مختلف را كه سبب كاهش عمر مفيد جاذب مي شوند مانند رسوب بيولوژيكي و يا سائيدگي را پوشش مي دهد. براي مثال يك جاذب نبايد به شكل بازگشت ناپذير با مواد جذب شونده واكنش دهد. همچنين شرايط عملياتي مثل سرعت، دما، فشار و لرزش ها نبايد سبب تجزيه ناخواسته ذرات جاذب شوند.
قيمت
قيمت، ظريف ترين فاكتور براي انتخاب يك جاذب مي باشد زيرا حتي براي يك جاذب مشخص، قيمت داراي تغييرات زيادي از يك كمپاني به كمپاني ديگر مي باشد. به ندرت يك جاذب تمام شرايط لازم را داراست. براي اينكه يك جاذب به شرايط مورد نظر نزديك شود، لازم است تا ویژگی آن بهبود يابد.
جاذب مورد استفاده در هر فرايند بايد داراي قابليت بالايي براي جداسازي جزء مورد نظر باشد، همچنين لازم است سرعت دفع و جذب جزء مورد نظر بالا باشد. مبناي علمي و اصلي براي انتخاب جاذب، هم دماهاي تعادلي هستند. از اين رو به همدماهاي تعادلي همه عناصر و سازنده ها در فشار و دماي عملياتي و در مخلوط گازي بايد توجه كرد.
طول استفاده نشده از بستر (LUB)
طول استفاده نشده از بستر توسط هم دماي تعادلي مشخص مي شود و اين طول معمولاً نيمي از منطقه انتقال جرم است. هر چه اين طول كمتر باشد ميزان بهره وري از جاذب و خلوص محصول بالا مي رود. توزيع اندازه ذره نيز مي تواند در LUB تأثير داشته باشد ولي اهميت آن به میزان اهميت ايزوترم های تعادلي نمي رسد. علاوه بر اينها براي انتخاب جاذب به فاكتورهاي ديگري نيز بايد توجه كرد. مثلاً براي جريانهاي گازي حاوي رطوبت، كربن فعال تنها جاذب تجاري مناسب است زيرا جاذبهاي ديگر به يك مرحله خشك كردن مقدماتي نياز دارند.
روشهاي احیاي جاذب
بسیاري از فرایند هاي تجاري براي خالص کردن و جداکردن گازها از دو یا چند بستر پرشده جاذب استفاده میکنند. ساده ترین ساختار، دو برج پرشده است که یکی به عنوان جذب کننده عمل میکند درحالی که دیگري، که توسط جریان گاز اشباع شده است، به عنوان یک احیاء کننده عمل میکند. پس از آن نقش دو بستر معکوس می شود و جذب کننده، احیاء کننده می شود در حالیکه بستري که به تازگی احیاء شده است، جذب کننده میشود. سپس چرخه در بازه زمانی، که از قبل مشخص شده است، تکرار می شود. بنابراین در حالی که هر یک از بسترها به صورت ناپیوسته عمل میکنند، جریان پیوسته خوراك و محصول به صورت پایا در سامانه وجود خواهد داشت. مدت زمان چرخه، در درجه اول بستگی به روش احیاء بستر بوسیله تغییر فشار یا تغییر دما دارد.
در بسیاري از کاربردها، احیاء و استفاده دوباره از جاذب از نظر اقتصادي ضروري است. همانگونه که قبلا بیان شد روش هاي عملی احیاء شامل یک یا ترکیبی از این موارد است:
1- تناوب دما (TSA)
2- تناوب فشار (PSA)
3- خارج کردن با گاز خنثی
4- جایگزینی با یک جزء قوي تر از نظر قدرت جذب سطحی
انتخاب روش نهایی احیاء بستگی به شرایط تکنیکی و محدودیتهاي اقتصادي دارد.
تعادل: منحنی هم دماي جذب
منحنی هم دماي جذب، رابطه تعادلی بین غلظت در فاز سیال و غلظت در ذرات جاذب در دماي مشخص است. غلظت مایعات اغلب بر حسب واحد هاي جرم، مانند قسمت در میلیون است، در حالی که غلظت در گازها بر حسب جزء مولی بیان میشود. غلظت ماده جذب شده روي جامد به صورت جرم جذب شده به واحد جرم جاذب اولیه مشخص می شود. به منظور اینکه بتوانیم ظرفیت جذب دینامیکی یا عملی را تخمین بزنیم بایستی ابتدا اطلاعاتی را نسبت به تعادل جذب سطحی در حالت استاتیک داشته باشیم. سپس تحلیل سینتیکی بر اساس فرآیند هاي سرعت که بستگی به نوع فرآیند هاي تماس دارد انجام می شود.
برخی اشکال منحنی هاي هم دما به صورت نمودارهاي حسابی شکل 1-1 نشان داده شده اند. منحنی هم دماي خطی از مبدا می گذرد و در آن، مقدار ماده جذب شده متناسب با غلظت آن در سیال است. منحنی هم دمایی که انحناء آن ها رو به بالاست، مطلوب خوانده می شود چرا که می توان بار نسبتا زیادي را از سیالی با غلظت کم به دست آورد. حالت حدي یک منحنی هم دماي بسیار مطلوب جذب، برگشت ناپذیر است که در آن مقدار ماده جذب شده تا غلظت هاي بسیار پایین مستقل از غلظت است. با افزایش دما مقدار ماده جذب شده در تمام سامانه ها کاهش می یابد، در نتیجه می توان با بالا بردن دما، ماده جذب شده را حتی از سامانه هاي برگشت ناپذیر هم جدا کرد. اما وقتی که جذب بسیار مطلوب یا برگشت ناپذیر است در مقایسه با منحنی هاي هم دماي خطی، واجذبی به دماي بسیار بیشتر نیاز دارد. منحنی هم دمایی که انحناي آن رو به پایین است نا مطلوب خوانده می شود، چرا که بار نسبتا کمی از ماده جذب شده بر روي جامد می نشیند و منجر به ایجاد منطقه انتقال جرم بسیار طولانی می شود. این نوع منحنی هاي هم دما نادرند ولی به منظور کمک به درك فرآیند احیاء ارزش مطالعه دارند. اگر منحنی هم دماي جذب مطلوب باشد مشخصات انتقال جرم از جامد به فاز سیال(فرایند دفع) به مشخصات جذب در منحنی هم دماي نا مطلوب شباهت دارد.
شکل 1-1: منحنی هم دمای جذب سطحی
در حالت تعادل بين غلظت در فاز جاذب و غلظت (يا فشار) در فاز سيال و دما رابطه اي به صورت زیر برقراراست q = f (C, T)
كه C غلظت تعادلي سيال، T دماي مطلق و q غلظت تعادلي در فاز جاذب است. مي توان براي بيان رفتار تعادلي جذب، معادله فوق را در سه حالت مختلف بررسي كرد.
در حالت اول رابطه بین مقدار جذب شده qو غلظت در فاز سیال C در دماي T ایزوترم جذب سطحی نامیده می شود.
q = f(C)دما ثابت
در حالت دوم رابطه بین غلظت و دما که مقدار ماده جذب شده مشخص q را نتیجه می دهد ایزومتر جذب سطحی می نامند.
C = f (T)میزان جذب ثابت
حالت سوم حالتی است که جذب در فشار ثابت انجام میگیرد و به آن ايزوبار میگویند. در اين حالت با تغيير دما، غلظت در فاز جامد تغيير مي كند در حالي كه فشار سيال ثابت است:
q = f (T)فشار ثابت
براي بيان رفتار تعادلي سيستم هاي جذب حالت اول يعني ايزوترم جذب متداولتر است و كاربرد بيشتري دارد.
ایزوترم هاي جذب سطحی در شکل هاي مختلف ریاضی بیان می شوند، که بعضی از آن ها بر اساس شکل فیزیکی ساده شده جذب سطحی و دفع هستند در حالیکه سایر روابط، کاملا تجربی هستند و هدف آن است که داده آزمایشگاهی را به صورت معادلات ساده با دو یا سه پارامتر تجربی بیان کنیم. هر چه تعداد پارامترهاي تجربی بیشتر باشد، برازش بهتري بین داده آزمایشگاهی و معادله تجربی وجود خواهد داشت ولی معادلات تجربی که به فاکتورهاي فیزیکی ربط نداشته باشد، اهمیت عملی خاصی ندارد.
ایزوترم هاي جذب سطحی
مهمترين ايزوترمهايي كه تاكنون مشاهده شده اند به پنج نوع طبقه بندي مي شوند در شكل 1-2 اين پنج نوع، نشان داده شده اند.
نوع I ساده ترين نوع ايزوترم است که ايزوترم لانگموير نامیده می شود و يك ايزوترم ايده آل ميباشد که براي فشارهاي پايين و لحظه هاي اوليه جذب مناسب است. مولكولها با گذشت زمان سطح را ميپوشانند و جذب به راحتي انجام پذير نخواهد بود. این ایزوترم غالباً براي جاذبهاي ميكروپور ( مانند كربن اكتيوها و زئوليتها) بكار برده مي شوند.
ايزوترم نوع II به ايزوترم BET معروف است. این نوع ايزوترم براي مواد غير متخلخل با پيوند هاي قوي سیال و سطح ارائه مي گردند.
ايزوترم هاي نوع III نشان دهنده جذب مولكولها به صورت چند لايه اي هستند. اما در اين حالت قبل از آنكه لايه اول تشكيل شود، لايه هاي متعدد جذب ميشوند. اين رفتار هنگامي اتفاق ميافتد كه نيروي جذب بين سطح جاذب و گاز كمتر از نيروي جاذبه بين مولكولهاي جذب شده باشد. ايزوترمهاي نوع II و III معمولا تنها در جاذب هايي كه در آنها يك دامنه وسيع از اندازه حفره ها وجود دارد، مشاهده مي شوند. در چنين سيستم هايي با افزایش فشار يك افزايش پيوسته از جذب تك لايه اي به جذب چند لايه اي و سپس به ميعان مويينه وجود دارد. افزايش در ظرفيت در فشار بالا به دليل ميعان مويينه در حفره هايي است كه با افزايش فشار قطرشان افزايش مي يابد. ايزوترمهاي نوع IVو V نشان گر معادلاتي اند كه اثر خاصيت مويينگي جذب در آنها ديده مي شود. در اين نوع ايزوترمها، دفع و جذب داراي نمودارهای متفاوتي اند. (اين دو نوع، لوپHystersis را نشان مي دهند).
شکل 1-2: پنج نوع ایزوترم های جذب ( P0 فشار بخار اشباع است)
از ميان ايزوترمهاي فوق، نوع I وII از رايج ترين ايزوترمها در فرآيندهاي جداسازي به شمار مي روند.
جذب در پوشش كم، قانون هنري
اين قانون براي جذب فيزيكي كه هيچ تغييري در حالت مولكولي روي جاذب وجود نداشته باشد، معتبر است. بر طبق اين قانون، براي جذب به روي يك سطح يكنواخت در غلظت هايي به اندازه كافي پايين، به قدري كه تمام مولكول ها از نزديكترين مولكول مجاورشان نيز ايزوله باشند، رابطه تعادلي بين فاز سيال و غلظت فاز جذب شده، خطي مي باشد. اين رابطه خطي، به دليل تشابه با رفتار حدي محلولها و گازها در مايعات و ثابت بودن ضريب تناسب به قانوني هنري شناخته مي شود و به ثابت تعادل جذب نيز ثابت هنري گفته مي شود. ثابت هنري ممكن است تابع فشار يا غلظت باشد:
q = KC یا q = K´p
q و C به ترتيب غلظت برحسب مول بر واحد حجم در فاز جذب شده و سيال است.
مدل تعادلي لانگموير
ساده ترين و مفيدترين مدل تئوري جذب تك لايه اي در فرآيندهاي جداسازي در سال 1918 توسط لانگموير ارائه شد. مدل لانگمویر در اصل براي بيان جذب شيميايي در يك مجموعه متمركز مشخص روي یک سطح یکنواخت حرارتی در محل هاي جذب، ايجاد شده است.
فرضيات اصلي مدل لانگموير :
مولكول ها در محل هاي متمركز تعريف شده جذب ميشوند.
هر محل ميتواند تنها يك مولكول جذب شده را نگهداري كند.
تمام محل ها از لحاظ انرژي یکسان مي باشند.
هيچ برخوردي بين مولكولهاي جذب شده در محل هاي همجوار وجود ندارد.
پوشش سطح یا پر شدن کسري منافذ ریز برابر است با θ=q/q_s که qs تعداد كل محل ها در واحد وزن يا حجم جاذب مي باشد و فشار جزیی در فاز گازP میباشد که وقتی غلظت داخل فاز سیال استفاده شود با C(=P/RT) جایگزین می شود. سرعت جذب سطحی با فرض سرعت واکنش درجه اول، به صورتKaP(1- θ) می باشد. در این صورت سرعت دفع برابر خواهد بود با Kd θ.
در حالت تعادل سرعتهاي جذب و دفع برابرند. دراینصورت خواهيم داشت:
(1-2)θ/(1-θ)=K_a/K_d .P=bP
كه در آن b=K_a/K_d ثابت تعادل جذب ميباشد.
معادله بالا به صورت زير بازنويسي ميشود :
(1-3)θ=q/q_s =bp/(1+bp)
در حالت اشباع، میزان جذب شده به میزان تعادلی میرسد و فشار به بی نهایت نزدیک می شود. در غلظتهاي پايين مقدار q نزدیک به صفر است و داریم:
(1-4)
در نتیجه: θ/(1-θ)→q/q_s
(1-5)〖lim〗_(p→0) (q/p)=〖bq〗_s=K’
که بیانگر اینست که معادله لانگمویر به معادله نوع هنري تغییر می یابد.
روش مقايسه نتايج تئوري مدل لانگموير با داده هاي تجربي معمولاً عبارتست از رسم p/q برحسب p و يا 1 /q برحسب 1/p. بدين ترتيب معادلات به اين شكل مرتب مي شوند:
(1-6)p/q=1/〖bq〗_s +p/q_s
بنابراين بديهي است كه پارامترهاي مدل qs و b به سادگي از روي شيب و عرض از مبدأ بدست مي آيند. رسم p/q برحسب p به انحرافات كوچك حساستر است زيرا متغير p در هر دو وجود دارد. مدل لانگموير زماني از لحاظ كيفي صحيح است كه ايزوترم نوع I نشان داده شود و انطباق مناسبي روي محدودة وسيعي از غلظت با انتخاب معقول qs و b در اين حالت قابل حصول است.
ايزوترم لانگموير با احتساب اثر متقابل مولكولها
يكي از اصلاحات صورت گرفته روي ايزوترم لانگموير، در نظر گرفتن اثر متقابل مولكولهاي جذب شده مجاور است. اين اثر به نيروهاي واندروالس مربوط بوده و بنابراين با جذب فيزيكي که بیشتر مربوط به نیروی واندروالس است افزايش مي يابد.
ايزوترم لانگموير روي سطوح ناهمگن؛ ايزوترم فرندليچ
یک نمونه واقعی ایزوترم ها که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد معادله فرندليچ است. در بحث اصلي لانگموير، مقدار جذب شده در اصل مجموعي است از جذبی كه به روي تمام مراكز فعال انجام گرفته است. هر كدام از اين مراكز مقدار b مخصوص به خود داشته و مقدار حرارت نيز متوسط گيري شده است. Zeldowitch يك تابع نمايي كاهشي از دانسيته مراكز فعال نسبت به q فرض كرد و يك ايزوترم تجربي كلاسيك به دست آورد كه به ايزوترم فرندليچ معروف است.
(1-7)q=k_f C^(1/n_F )
این معادله اغلب به عنوان معادله تجربی بررسی می شود. تفسیر این معادله از لحاظ تئوري به صورت جذب روي سطح نا همگن انرژي ممکن می باشد.
ايزوترم لانگموير روي سطوح ناهمگن، معادله لانگموير- فرندليچ:
به دليل محدوديت مدل لانگموير در پيش بيني تعادل مخلوط، افراد مختلفي معادلات را با استفاده از رابطه تواني با شكل فرندليچ اصلاح كردند. لانگموير جذبي را در نظر گرفته بود كه هر مولكول دو مركز را اشغال كند. در اين حالت دو مركز فعال براي جذب و دفع احتياج است و از اينرو سرعتهاي دفع و جذب با θ و 2θ متناسبند. ايزوترم حاصل عبارتست از:
(1-8)θ=(bP)^(1/2)/(1+(〖bP)〗^(1/2) )
و در جائيكه n سايت اشغال شود خواهيم داشت:
(1-9)θ=(bP)^(1/n)/(1+(〖bP)〗^(1/n) )
بر طبق ايزوترم فرندليچ، مقدار جذب شده به طور معيني با فشار افزايش مي يابد. هر دو ايزوترمهاي لانگموير و فرندليچ داراي دو پارامتر هستند. ايزوترمهاي حاصل روابط مناسبي براي پوشاندن مقادير آزمايشي در محدوده وسيعي از فشار و دما هستند.
هر چند مفهوم ترموديناميكي كاملي براي اين مدل وجود ندارد، عبارت فوق تطبيق خوبي باروابط تجربي تعادل دوجزئي براي يك تعداد از گازهاي ساده روي جاذبهاي غربال مولكولي نشان داده اند و بطور وسيعي براي اهداف طراحي مورد استفاده قرار ميگيرند. با اين حال به دليل عدم وجود پايه تئوري مناسب براي اين معادلات در استفاده از آنها بايد احتياط نمود.
بخش دوم: بررسی ویژگی اورانیوم
اورانیوم
یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن، 2U و عدد اتمی آن 92 می‌باشد. اورانیوم که یک عنصر سنگین، سمی، فلزی، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقره‌ای می‌باشد، به گروه آکتیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هسته‌ای و سلاح های هسته‌ای استفاده می‌شود. معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز در صخره‌ ها، خاک، آب، گیاهان و جانوران از جمله انسان یافت می‌شود. اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره‌ای و با خاصیت رادیواکتیوی می‌باشد که کمی از فولاد نرم‌تر است.
این فلز چکش‌خوار، رسانای جریان الکتریسیته و کمی پارا مغناطیس3 می‌باشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالی سرب می‌باشد. اگر اورانیوم به‌خوبی جدا شود، به شدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معادن، می‌تواند به‌صورت شیمیایی به دی‌اکسید اورانیوم و دیگر گونه‌های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.اورانیوم در صنعت سه نوع دارد:
آلفا4 که تا دمای 7/667 درجه پایدار است.
بتا5 که از دمای 7/667 تا 8/774 درجه پایدار است.
گاما6 که از دمای 8/774 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. (این رساناترین و چکش‌خوارترین نوع اورانیوم می‌باشد. )
اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-235 ,U-234 و U-238 تشکیل شده است که U-238 فراوانترین آنها می باشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر 235U برابر است با 4/5×109 سال که پایدارترین ایزوتوپ می باشد. دو ایزوتوپ مهم آن U-238 و U-235 می‌باشند که U-235 مهمترین ایزوتوپ برای راکتورها و سلاحهای هسته‌ای است چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که در طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته می‌شود.
ایزوتوپ U-238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ 239Pu پلوتونیوم تجزیه می‌کند. اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که می‌توانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ 235U آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U-236 تبدیل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم می‌شود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید می‌کند. اگر این



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید