آنالیز گاز اکسیژن با اندازه‌گیری دقیق ناخالصی‌های CO₂، CO، N₂، CH₄، رطوبت و OHC تضمین‌کننده خلوص، ایمنی و کیفیت در کاربردهای حساس صنعتی و آزمایشگاهی است.سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09120253891
گاز اکسیژن (O₂) یکی از پرکاربردترین گازهای صنعتی و آزمایشگاهی در جهان است و نقشی حیاتی در فرآیندهای شیمیایی، دارویی، پزشکی، متالورژی و نیمه‌هادی دارد. در بسیاری از کاربردهای حساس، به‌ویژه در صنایع الکترونیک و داروسازی، وجود هرگونه ناخالصی—even در سطح چند قسمت در میلیون (ppm)—می‌تواند موجب واکنش‌های ناخواسته، آلودگی محصولات یا افت کیفیت شود. ازاین‌رو، آنالیز گاز اکسیژن و اندازه‌گیری دقیق ناخالصی‌ها یکی از مهم‌ترین مراحل کنترل کیفیت محسوب می‌شود. ناخالصی‌های متداول در اکسیژن شامل گازهای دی‌اکسیدکربن (CO₂)، مونوکسیدکربن (CO)، نیتروژن (N₂)، متان (CH₄)، رطوبت (H₂O) و هیدروکربن‌های آلی (OHC) هستند که هرکدام اثرات خاصی بر عملکرد و ایمنی سیستم‌ها دارند.
ماهیت گاز اکسیژن و حساسیت آن به ناخالصی‌ها
اکسیژن خالص یک گاز بی‌رنگ، بی‌بو و بسیار واکنش‌پذیر است که در دمای اتاق به‌صورت دو اتمی (O₂) وجود دارد. این گاز در حضور ناخالصی‌های احیاکننده مانند CO یا CH₄ می‌تواند واکنش‌های شدید اکسیداسیونی ایجاد کند. در صنایع حساس، به‌ویژه در تولید نیمه‌هادی‌ها و پزشکی، خلوص اکسیژن باید بالاتر از 99.999% باشد (اصطلاحاً گرید ۵ یا 6N). وجود مقادیر بسیار ناچیز از CO₂ یا H₂O می‌تواند منجر به خوردگی تجهیزات، کاهش راندمان احتراق یا آلودگی محصولات شود. بنابراین، پایش مداوم ترکیب شیمیایی اکسیژن و تشخیص در حد ppb (قسمت در میلیارد) برای اطمینان از عملکرد ایمن و دقیق ضروری است.
ناخالصی‌های اصلی در گاز اکسیژن و اثرات آن‌ها
در فرآیندهای تولید و ذخیره‌سازی گاز اکسیژن، چند نوع ناخالصی اصلی مشاهده می‌شود که هرکدام منشأ و اثر متفاوتی دارند:
۱. دی‌اکسیدکربن (CO₂)
این گاز معمولاً از هوا یا فرآیند جداسازی غیردقیق وارد اکسیژن می‌شود. حضور CO₂ می‌تواند موجب آلودگی سیستم‌های نوری و کاهش کیفیت گاز در صنایع پزشکی شود. در سیستم‌های برودتی و لیزر، حتی چند ppm از CO₂ ممکن است باعث افت عملکرد شود.
۲. مونوکسیدکربن (CO)
این گاز بسیار سمی است و در اثر واکنش ناقص اکسیژن با مواد آلی یا سوخت‌های فسیلی ایجاد می‌شود. در اکسیژن با خلوص بالا، وجود CO نشان‌دهنده آلودگی از تجهیزات فولادی یا خطوط انتقال است. برای کاربردهای پزشکی و الکترونیک، مقدار مجاز آن معمولاً باید کمتر از 0.1 ppm باشد.
۳. نیتروژن (N₂)
نیتروژن معمولاً از هوای محیط در مرحله جداسازی گازها وارد سیستم می‌شود. اگرچه N₂ گازی بی‌اثر است، اما در فرآیندهایی که به اکسیژن بسیار خالص نیاز دارند (مانند تولید نیمه‌هادی‌ها یا فرآیندهای احتراق کنترل‌شده)، وجود آن باعث رقیق شدن اکسیژن و کاهش راندمان واکنش‌ها می‌شود.
۴. متان (CH₄) و هیدروکربن‌های آلی (OHC)
متان و سایر هیدروکربن‌ها از منابع هیدروکربنی یا نشتی از خطوط گاز طبیعی وارد سیستم می‌شوند. این ترکیبات به دلیل خاصیت احیاکنندگی، در تماس با اکسیژن می‌توانند انفجار یا احتراق ایجاد کنند. همچنین در صنایع الکترونیک و اپتیک، وجود آن‌ها موجب تشکیل لایه‌های کربنی و آلودگی سطحی می‌شود.
۵. رطوبت (H₂O)
رطوبت یکی از مهم‌ترین ناخالصی‌ها در اکسیژن است. ورود آب از شیرها، شیلنگ‌ها یا تانک‌های ذخیره موجب خوردگی، یخ‌زدگی و واکنش‌های جانبی در سیستم‌های برودتی می‌شود. در گاز اکسیژن گرید بالا، میزان مجاز رطوبت باید کمتر از 1 ppm باشد.
روش‌های آنالیز گاز اکسیژن و تشخیص ناخالصی‌ها
برای شناسایی و اندازه‌گیری دقیق ناخالصی‌ها در اکسیژن، از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که هرکدام بسته به نوع آلاینده، حساسیت و کاربرد متفاوت است.
۱. کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography - GC)
کروماتوگرافی گازی یکی از دقیق‌ترین و پرکاربردترین روش‌ها برای اندازه‌گیری ناخالصی‌های CO₂، CO، N₂، CH₄ و هیدروکربن‌ها است. در این روش، نمونه گاز از درون ستون‌های مخصوص عبور داده می‌شود و اجزای مختلف آن بر اساس زمان ماند جدا و شناسایی می‌شوند. برای اکسیژن، معمولاً از آشکارسازهایی مانند TCD (آشکارساز رسانش حرارتی) یا FID (آشکارساز شعله‌ی یونی) استفاده می‌شود.
برای مثال:
TCD مناسب برای تشخیص N₂ و CO₂ است.
FID برای اندازه‌گیری CH₄ و سایر OHCها کاربرد دارد.
در برخی موارد، از سیستم ترکیبی GC-FID/TCD برای افزایش دقت استفاده می‌شود.
۲. طیف‌سنجی مادون قرمز (FTIR)
روش FTIR بر پایه جذب نور مادون قرمز توسط مولکول‌های خاص است. هر گاز الگوی جذب منحصربه‌فردی دارد، بنابراین می‌توان CO₂، CO، CH₄ و H₂O را به طور هم‌زمان در یک اندازه‌گیری شناسایی کرد. FTIR برای اندازه‌گیری سریع، پیوسته و بدون تماس مستقیم با نمونه بسیار مفید است و در خطوط تولید گاز خالص به عنوان سیستم مانیتورینگ آنلاین استفاده می‌شود.
۳. طیف‌سنجی جرمی (Mass Spectrometry - MS)
در روش طیف‌سنجی جرمی، مولکول‌های گاز یونیزه و بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) جدا می‌شوند. این روش دقت بسیار بالایی در شناسایی مقادیر فوق‌العاده کم ناخالصی‌ها (در حد ppb) دارد. MS با منبع یونی سرد (Cold Cathode) به طور خاص برای گاز اکسیژن مناسب است زیرا از تخریب نمونه جلوگیری می‌کند.
۴. سنسورهای رطوبت و اکسیژن
برای اندازه‌گیری رطوبت در اکسیژن، از سنسورهای الکترولیتی، آلومینا یا لیزری استفاده می‌شود. این سنسورها قادرند مقدار H₂O را در محدوده 0.1 تا 1000 ppm با پاسخ سریع و دقت بالا اندازه‌گیری کنند.
همچنین برای کنترل خلوص کلی اکسیژن، سنسورهای زیرکونیا (ZrO₂) مورد استفاده قرار می‌گیرند که اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی بین دو محیط اکسیژن‌دار را اندازه‌گیری می‌کنند.
۵. کروماتوگرافی یونی و آنالیز جذب شیمیایی
در برخی آزمایشگاه‌ها، برای بررسی دقیق‌تر CO₂ و H₂O، از روش کروماتوگرافی یونی (IC) یا جذب شیمیایی (Chemical Absorption) استفاده می‌شود. در این روش‌ها، ناخالصی‌ها در مواد جاذب مخصوص به دام می‌افتند و سپس مقدار آن‌ها از طریق تغییر رسانایی یا رنگ محلول محاسبه می‌شود.
استانداردها و الزامات کالیبراسیون در آنالیز اکسیژن
برای اطمینان از صحت نتایج، تمام تجهیزات اندازه‌گیری باید بر اساس استانداردهای بین‌المللی مانند ISO 6142، ISO 6143 و ISO 17025 کالیبره شوند. استفاده از گازهای کالیبراسیون استاندارد با غلظت‌های دقیق CO₂، CO، N₂، CH₄، H₂O و OHC در اکسیژن پایه (O₂ Balance) الزامی است.
گازهای کالیبراسیون معمولاً در محدوده غلظتی 0.1 تا 100 ppm تولید می‌شوند و توسط شرکت‌های معتبر مانند سپهر گاز کاویان با گواهینامه‌های معتبر و قابلیت ردیابی بین‌المللی عرضه می‌شوند. کالیبراسیون منظم باعث می‌شود خطای اندازه‌گیری کمتر از ±2% باشد و نتایج آنالیز در گزارش‌های رسمی آزمایشگاه مورد تأیید قرار گیرد.
فرآیند نمونه‌برداری و آماده‌سازی برای آنالیز
نمونه‌برداری دقیق از گاز اکسیژن برای حفظ صحت نتایج بسیار حیاتی است. هرگونه تماس با هوا یا آلودگی سطحی می‌تواند باعث افزایش مصنوعی CO₂ یا H₂O در نمونه شود. برای این منظور:
از لوله‌ها و شیرهای استنلس استیل پولیش‌خورده استفاده می‌شود.
سیستم پیش‌خلأ (Vacuum System) پیش از ورود نمونه فعال می‌گردد.
دمای و فشار نمونه در محدوده استاندارد (معمولاً 20°C و 1 bar) تنظیم می‌شود.
زمان فلاشینگ (شست‌وشوی خطوط) به اندازه کافی رعایت می‌شود تا گاز قبلی کاملاً تخلیه گردد.
در صورت استفاده از سیستم‌های آنلاین، فیلترهای خشک‌کن و تله‌های جذب رطوبت به‌صورت دوره‌ای تعویض می‌شوند تا از ورود آلودگی جلوگیری شود.
کاربردهای صنعتی و آزمایشگاهی آنالیز اکسیژن
تحلیل خلوص اکسیژن و اندازه‌گیری ناخالصی‌ها در صنایع مختلف نقش کلیدی دارد، از جمله:
صنایع دارویی: جلوگیری از آلودگی محصولات تزریقی و استنشاقی.
صنایع نیمه‌هادی: تضمین کیفیت اکسیداسیون ویفرهای سیلیکون.
صنایع فولاد و جوشکاری: کنترل ترکیب گاز برای دستیابی به جوش تمیز و بدون حفره.
کارخانه‌های تولید گاز: پایش کیفیت در خطوط پرکردن سیلندر و تولید گازهای گرید بالا.
آزمایشگاه‌های تحقیقاتی: بررسی واکنش‌های شیمیایی در محیط کنترل‌شده با اکسیژن خالص.
تجهیزات مورد استفاده در آنالیز گاز اکسیژن
در آزمایشگاه‌های آنالیز گاز، معمولاً از تجهیزات زیر برای تشخیص ناخالصی‌ها استفاده می‌شود:
کروماتوگراف گازی دو کاناله (TCD/FID)
آنالایزر FTIR چندجزئی
آنالایزر رطوبت بر پایه لیزر دیودی
سنسورهای O₂ و CO بر پایه زیرکونیا یا مادون قرمز
سیستم‌های Mass Spectrometer با دقت بالا
سیلندرهای کالیبراسیون گازهای مرجع (Traceable Gas Standards)
تمامی این تجهیزات باید در محیط کنترل‌شده، با دمای ثابت و بدون لرزش مکانیکی کار کنند تا نتایج قابل تکرار به‌دست آید.
تفسیر نتایج و گزارش نهایی آنالیز
نتایج حاصل از آنالیز باید در قالب جدول و نمودار گزارش شوند. معمولاً برای هر ناخالصی، سه پارامتر مهم ثبت می‌شود:
میانگین غلظت اندازه‌گیری‌شده (ppm یا ppb)
انحراف معیار اندازه‌گیری‌ها (Precision)
محدوده قابل قبول طبق استاندارد صنعتی (Specification Limit)
در صورتی که مقدار ناخالصی‌ها از حدود مجاز بیشتر باشد، نمونه باید دوباره فیلتر، خشک یا خالص‌سازی گردد. همچنین، در گزارش‌های رسمی، باید نوع دستگاه، تاریخ کالیبراسیون، شرایط محیطی و مسئول فنی ثبت شود تا قابلیت ردیابی کامل وجود داشته باشد.