لایه های هواکره و دستگاه تبادلگر یونی

  لایه های هواکره و نقش آن ها

جو زمين عبارتست از لايه‌اي از گازها، كه اطراف اين سياره را احاطه كرده‌اند و به وسيله نيروي جاذبه زمين نگه داشته مي‌شوند . مجموعه اين گازها هوا‌ ناميده مي‌شود.

هواي اطراف سياره زمين، به لحاظ ويژگي‌ها و مشخصات خود در تمام كائنات بي‌نظير بوده و..........

يك استثنا به حساب مي‌آيد. در واقع وجود چنين جوّي است كه باعث شده تا شرايط براي پديده منحصر به فردي به نام «حيات» بر روي سياره زمين به وجود آيد. جو زمين با به وجود آوردن شرايط ذيل، زمينه را براي زندگي موجودات زنده پديدآورده است:

جلوگيري از نفوذ پرتوهاي زيان‌بار كيهاني مانند پرتوي فرابنفش خورشيد كه پديده حيات را در معرض نابودي قرار مي‌دهند؛

دربرداشتن گاز حياتي اكسيژن كه براي سوخت و ساز موجودات زنده ضروري است؛

تنظيم دماي سطح و جوّ سياره زمين و جلوگيري از ايجاد تفاوت زياد در دماي شب و روز 

ايجاد بستر لازم جهت چرخه آب و هوا در زيست‌كره‌ مادري بشر.

انسان با استفاده از خواص فيزيكي همين جو بود كه توانست با اختراع بالن، [هواسُر] و هواپيما بر نيروي جاذبه زمين غلبه كرده و پرواز كند.

اولين نياز انسان امروزي در سفرهاي فضايي ايجاد شرايطي مشابه جوّ زمين است كه بتواند در آن به عمل تنفس و در نتيجه حيات خود ادامه دهد. جوّ زمين در واقع نوعي مرز بين سياره زمين و فضا نيز به حساب مي‌آيد. جو از چندين لايه مختلف با خواص فيزيكي متفاوت تشكيل شده است. امروزه بشر ماهواره‌هاي بسيار زيادي را براي مطالعه بر روي لايه‌هاي مختلف جو به فضا فرستاده است. اين ماهواره‌ها اطلاعات بسيار با ارزشي را به دست آورده‌اند. با اين حال، همچنان بسياري از پديده‌هاي فيزيكي مربوط به جو مجهول باقي مانده است

زیر لایه ها ی اصلی :

تروپوسفر

تروپوسفر (به انگلیسی: Troposphere): دارای ضخامتی حدود 9 كيلومتر و در قطب‌ ها 16 تا 18 كيلومتر است. در مناطق استوايی از ویژگی عمده آن كاهش دما در جهت قائم حدود °6 سانتی‌گراد (°18 فارنهایت یا 279 کلوین)، در هر 1000 متر افزايش سرعتِ بادها با افزایش رطوبت (H2O) نسبت به سطوح پايين ‌تر قابل ملاحظه است، و به طور كلی مجموعه پديده‌های اتمسفری كه هوا ناميده ميشود در اين لايه قابل بررسی هستند. تروپوپوز (به انگلیسی: Tropopause) مرز میان تروپوسفر و لایهِ فوقانیِ آن یعنی استراتوسفر که مرز انتقال ویژگی های اتمسفری را در مقياس بزرگی از تلاطم و اختلاط را تشكيل میدهد. اين لايه كم‌ژرفا.در ناحیهِ استوا نسبتاً مشخص شده است، اين مرز فوقانی تروپوسفر نسبت به فصول سال تغيير ‌میکند.

استراتوسفر

استراتوسفر (به انگلیسی: Stratosphere): دومين لايه ی بزرگ اتمسفر كه بالای تروپوسفر و پايين مزوسفر قرار دارد، استراتوسفر ناميده ميشود. افزايش تدريجی دما از ويژگی آن است، يكی ديگر از ويژگی ‌های استراتوسفر ميزان نسبتاً زياد گاز اوزون (O3) به ویژه در اطراف لايه ی استراتوپوز است كه ضخامتی حدود 16 تا 30 كيلومتر دارد و لایه ی ازن (به انگلیسی: Ozone Layer) نیز در اين لايه را تشكيل ميشود، دما در بعضی نواحیِ این لایه به °60- سانتی‌گراد (°76- فارنهایت یا 213 کلوین) میرسد. اين لايه از نظر جلوگيری از اثرات مرگبارِ تابش‌های شديد ماوراء بنفش با وجود اوزون موجود در آن بسيار موثر است. از طرف ديگر گاز ازن (O3) توأم با کربن دی اکسید (CO2) اثر بسزای در پراكندگی عمودی دما دارد.

استراتوپوز

 استراتوپوز (به انگلیسی: Stratopause) مرز میان این لایه و لایهِ فوقانیِ آن یعنی مزوسفر، از ارتفاع حدود 51 كيلومتری شروع شده و ناحیه انتقالی بين استراتوسفر و مزوسفر را تشكيل میدهد.

مزوسفر

مزوسفر (به انگلیسی: Mesosphere): دارای ضخامتی حدود 30 تا 35 كيلومتر و در اين لايه درجه حرارت به سرعت كاهش می یابد به حالتی كه در ارتفاع 80 كيلومتری ميزان آن به حدود °85- سانتی‌گراد (°97- فارنهایت یا 188 کلوین) میرسد که سردترین مکان زمین است . فشار هوا در مزوسفر بسيار پايين است و ميزان آن از يک ميلی‌ بار در ارتفاع 50 كيلومتری به 1٪ در 90 كيلومتری كاهش می یابد. مزوپوز (به انگلیسی: Mesopause) مرز میان این لایه و لایهِ فوقانیِ آن یعنی ترموسفر است. مزوپوز در ارتفاع 80 تا 85 كيلومتری به وسيله حداقل دما °100- سانتی‌گراد (°112- فارنهایت یا 173 کلوین) و وارونگی پس از آن مشخص میشود. مزوپوز ناحیه انتقالی بين مزوسفر و ترموسفر را تشكيل میدهد.

ترموسفر

ترموسفر (به انگلیسی: Thermosphere): فاقد مرز فوقانی معين است. اصطلاح ترموسفر به سبب دمای بسیار زياد ترموديناميک (به انگلیسی: Thermodynamics) به اين لايه داده شده است كه اين ميزان ممكن است به °1227 سانتی‌گراد (°1239 فارنهایت یا 1500 كلوين) برسد، جلوه سرخی شفق يكی از پديده‌ های ترموسفر پايينی است قسمت پايينی ترموسفر به طور عمده ترکیبی از ازت (N2) و اكسيژن (O2) به صورت مولكولی یا اتمی است در حالی كه در كيلومترهای بالا اكسيژن (O2) به ازت (N2) غلبه میکند. دمای زياد در اين لايه به دلیل جذب تشعشع ماوراء بنفش بوسيله اكسيژن اتمی است، تربوپوز (به انگلیسی: Turbopause) ناحیه انتقالی بين ترموسفر و اگزوسفر را تشكيل میدهد.

اگزوسفر

اگزوسفر از زیر لایه ی دیگری به نام يونسفر نیز تشکیل شده است.

يونسفر

يونسفر (به انگلیسی: Magnetosphere): بخشی از اتمسفر زمين است كه از حدود بالا ی 60 كيلومتر به سبب يونيزاسيون، به صورت ناحیهِ (تمركز يون ‌ها و الكترون‌ های) آزادی در می ‌آيد كه سبب بازتاب امواج راديويی میشود. از طرف ديگر فجرهای قطبی شمالی و جنوبی نيز بوسيله نفوذ ذرات يونيزه، در درون اتمسفر از 30 تا 80 كيلومتری به ويژه در مناطق حدود °20 تا °25 از قطب ‌های مغناطيسی مشاهده میشوند. اين لايه فاقد گازهای سنگينی نظير بخارآب (H2O) ‌، اكسيژن‌ (O2) و ازت (N2) حالت مولكولی است. در اين لايه ناوه‌های كم‌ژرفا به صورت لايه‌های يونسفری E و F1 و F2 جداسازی میشوند. كه به ترتيب در حدود 110 ، 160 و 300 كيلومتری قرار دارند. بازتاب های راديويی گاهی در سطوحی به ارتفاع 65 تا 80 كيلومتری رخ میدهند كه به نام لايه D ناميده میشوند. اين لايه با حداكثر تمركز يونيزاسيون مشخص میشود

لايه‌های E و F1 تقريباً منظم و در ميزان ‌های حداكثر خود از نظر يون و چگالی، الكترون ‌ها دارای تغييرات منظم روزانه ‌یا فصلی و چرخه لک های خورشيدی میباشند. لايهِ F2 در ارتباط با كشنده ‌های خورشيدی ‌، قمری و اثر ميدانِ مغناطيسیِ زمين واکنش های غیر طبیعی بسياری را نشان میدهند. جابجایی های كوتاه مدت از پراكندگی و تمركز در اين لايه دقيقاً وابسته به طوفان‌ های مغناطيسی ای است كه به نام طوفان ‌های يونسفری ناميده میشوند.

اگزوسفر

اگزوسفر (به انگلیسی: Exosphere): در ارتفاع بيش از 300 كيلومتری از زمين و در ورای يونسفر، ناحیه‌ايی كه جاذبه زمين نيروی چندانی ندارد. در اينجا اتم های اكسيژن (O2) و هليوم (He) اتمسفر رقيقی را تشكيل میدهند. هليوم (He) خنثی و اتم های هيدروژن (H2) كه دارای جرمِ اتمی پايينی هستند میتوانند فرار كنند. هيدروژن با تجزيه بخار آب (H2O) و متان (CH4) از نزديكی مزوپوز جايگزين میشود. در حالی كه هليوم به روش عمل پرتو های كيهانی در ازت و از تجزیه ی آخشیج  های پرتوزا در پوسته ی سطحی زمين به طور آرام ولی مداوم توليد میشوند.

تبادلگر یونی

نگاه کلی

روشهای تبادل یونی ، براساس تبادل برگشت پذیر یونها بین محلول و یک فاز جامد استوار است. فاز جامد در آب ، غیر محلول بوده ، دارای گروههایی به‌صورت بنیان اسیدی یا بازی است. این بنیانها ، عوامل اصلی تبادل یون هستند. اجزا تشکیل دهنده فاز جامد ، ممکن است از ترکیبات معدنی شبیه زئولیتها باشند که اسکلت آنها از آلومینو سیلیکاتها تشکیل شده‌اند.

این ترکیبات چون در مقابل اسیدها و بازها مقاومت چندانی ندارند، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترکیبات معدنی جدید از مشتقات ZrO2 ساخته شده‌‌اند که زیرکونیوم فسفات ، زیرکونیوم تنگستات و زیرکونیوم مولیبدات از آن جمله هستند. برای جداسازی فلزات قلیایی و قلیایی خاکی از هم مفید هستند.

رزینهای تبادلگر یونی

رزین تبادلگر یونی ، منشاء آلی دارند و از پلیمرهای با وزن ملکولی زیاد تشکیل شده‌اند. تشکیل این رزین‌ها بر اساس پلیمریزاسیون پلی‌استایرن و دی‌وینیل بنزن پایه‌گذاری شده است که همراه با ترکیبات دیگر نظیر تری‌کلرو آنیلین یا اسید سولفوریک ترکیب تبادلگر یونی آنیونی و کاتیونی را می‌دهد. افزایش پیوندهای عرضی ، خصوصیات رزین را از نظر آبگیری و نفوذ یونها تغییر می‌دهد.

تقسیم بندی رزینها

تبادلگرهای یونی شامل دو گروه آنیونی و کاتیونی هستند. تبادلگرهای کاتیون شامل گروههای RCOOH یا R-SO3H هستند. تبادلگرهای یونی را می‌توان برحسب قدرت تبادلی و فعالیت گروههای فعالشان به دو دسته تقسیم می‌کنند.

تبادلگر بازی

تبادلگر بازی قوی با فرمول عمومی +(CH3)2Cl- RCH3N

تبادلگر بازی ضعیف با فرمول عمومی R-CH3NH3OH

تبادلگر اسیدی

تبادلگر اسیدی قوی به صورت R-SO3H

تبادلگر اسیدی ضعیف به صورت R-COOH

ستون تبادل یونی

آزمایشهای تبادل یون را می‌توان به‌صورت ناپیوسته یعنی عبور مقدار معینی محلول از ستون حاوی رزین یا به‌صورت جریان پیوسته محلول از بالا به پائین ستون انجام داد. ستون همیشه باید از آب مقطر پر باشد و حبابهای هوا در قسمت رزین وجود نداشته باشد. دانه‌های رزین ، آب را جذب کرده ، متورم می‌شوند.

اگر منظور ، جدا کردن و بدست آوردن یونهای موجود در یک محلول باشد، پس از عبور نمونه از ستون توسط جریان مداومی از محلول شستشو دهنده ، اجزای موردنظر از ستون خارج می‌شوند. بعد از خاتمه آزمایش باید ستون را با آب مقطر پر کرد. محلولی که وارد ستون می‌شود، جریان ورودی و محلولی که از ستون خارج می‌شود جریان خروجی نام دارد.

تعادل تبادل یونی

برای روشنتر شدن واکنشهای تبادل یونی رزینهای اسیدی و بازی را به‌صورت RH و ROH نشان می‌دهیم. طبق واکنشهای زیر:

R-H + NaCl -----> R-Na + HCl

R-OH + HCl -----> R-Cl + H2O

یونهای سدیم و کلرید با یونهای هیدروژن و یون هیدروکسیل تبادل می‌شوند. در صورتی که رزین تبادلگر یونی به‌صورت R-Na با محلول کلرید سدیم در تعادل باشد، می‌توان گفت که حاصلضرب فعالیت یونهای سدیم و کلرید در سطح رزین و محلول نمک در حال تعادل با رزین برابر است. این مفهوم از تعادل دانن نتیجه می‌شود.

ظرفیت تبادل یونی

ظرفیت تبادل یون ، عبارت است از وزن یونهایی که در واحد حجم یا واحد وزن رزین قابل تعویض است. بنابرین هر رزین ، دارای ظرفیت حجمی یا ظرفیت وزنی است. ظرفیت حجمی براساس حجم رزین آب گرفته تعیین می‌شود.

کاربرد رزینها

در صنعت برای گرفتن یا کاهش سختی آب و یون زدایی آن ، از تبادلگرهای یونی استفاده می‌شود. آب یون زدایی شده ، فاقد ناخالصی‌های دی‌اکسید کربن و سیلیس است و در آب مقطر وجود دارد. یکی دیگر از کاربردهای تبادلگرهای یونی رزینی ، شیرین کردن آب دریا با جداسازی نمکهای سدیم و پتاسیم و منیزیم ، بوسیله رزین‌ها می‌باشد و برای جدا کردن یونهای فلزی به‌صورت ترکیبات آنیونی هم از رزین‌ها استفاده می‌شود. یک مورد دیگر ، تعیین غلظت کل نمکهای محلول در آب است.

احیاء رزین

پس از مدتی ، ظرفیت رزینها از نظر تبادل یونی تکمیل می‌شود. در نتیجه ، باید تبادلگرهای کاتیونی و آنیونی را با افزایش اسید یا باز رقیق فعال کرد. این عمل را احیا یا بازسازی می‌نامند. در کارخانه‌هایی که فقط از زئولیت استفاده می‌شود، فعال کردن و بازسازی آن با افزایش محلول ده درصد کلرید سدیم انجام می‌شود.