گاز اکسیژن یکی از پرکاربردترین گازهای فشرده در جهان است که در دو دسته‌ی اصلی اکسیژن صنعتی و اکسیژن پزشکی طبقه‌بندی می‌شود. تفاوت اصلی میان این دو نوع در میزان خلوص و کنترل دقیق ناخالصی‌هاست. در حالی که اکسیژن صنعتی برای فرآیندهایی مانند ذوب فلزات، برش با شعله، تولید شیشه یا واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود، اکسیژن پزشکی مستقیماً در تماس با بدن انسان بوده و برای تنفس بیماران، بیهوشی و درمان‌های تنفسی کاربرد دارد. از این رو، اندازه‌گیری دقیق خلوص اکسیژن و شناسایی ناخالصی‌ها نه‌تنها برای تضمین کیفیت محصول بلکه برای ایمنی بیماران و صحت فرآیندهای صنعتی حیاتی است.

در استانداردهای جهانی، اکسیژن پزشکی باید حداقل ۹۹٫۵٪ خلوص داشته باشد، در حالی که اکسیژن صنعتی معمولاً بین ۹۹٫۲٪ تا ۹۹٫۹٪ خالص است. تفاوت چند دهم درصدی در این مقادیر می‌تواند منجر به تغییرات عمده‌ای در عملکرد دستگاه‌ها، واکنش‌های شیمیایی یا اثر درمانی گاز شود. بنابراین، آزمایشگاه‌های گاز موظف‌اند با استفاده از روش‌های تحلیلی دقیق مانند کروماتوگرافی گازی (GC)، طیف‌سنجی جرمی (MS)، آنالیز نوری (NDIR) و سنسورهای الکتروشیمیایی میزان خلوص و نوع ناخالصی‌ها را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند.

تفاوت ماهوی بین اکسیژن صنعتی و اکسیژن پزشکی از منظر خلوص

در فرآیند تولید اکسیژن، معمولاً از روش تقطیر جزء به جزء هوا در واحدهای تولید گاز مایع (ASU) استفاده می‌شود. این فرآیند، هوای فشرده را تا دمای بسیار پایین خنک کرده و سپس اجزای مختلف آن مانند نیتروژن، آرگون و اکسیژن را بر اساس نقطه جوش جدا می‌کند. محصول نهایی بسته به شرایط پالایش و فیلترها، می‌تواند برای کاربرد صنعتی یا پزشکی آماده شود.

در اکسیژن صنعتی، وجود مقادیر جزئی از نیتروژن یا آرگون قابل‌قبول است، زیرا اثر مستقیمی بر فرآیندهای حرارتی یا واکنش‌های شیمیایی ندارد. اما در اکسیژن پزشکی، حتی ذراتی با غلظت چند پی‌پی‌ام از گازهای سمی مانند CO (منوکسید کربن)، CO₂ (دی‌اکسید کربن) یا بخار روغن، می‌تواند خطرناک باشد. از این‌رو، روش‌های اندازه‌گیری خلوص گاز پزشکی بسیار دقیق‌تر، مستمرتر و تحت نظارت استانداردهای بین‌المللی مانند USP، EP و ISO 2046 انجام می‌شوند.

روش‌های مرسوم برای اندازه‌گیری خلوص گاز اکسیژن

تعیین خلوص اکسیژن با هدف شناسایی و کمّی‌سازی ناخالصی‌ها انجام می‌شود. ناخالصی‌ها معمولاً شامل نیتروژن، آرگون، هیدروکربن‌ها، رطوبت، CO و CO₂ هستند. در ادامه، متداول‌ترین و دقیق‌ترین روش‌های آنالیز معرفی می‌شوند.

۱. کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography – GC)

کروماتوگرافی گازی یکی از دقیق‌ترین و پرکاربردترین روش‌ها برای اندازه‌گیری خلوص گاز اکسیژن است. در این روش، نمونه‌ی گاز از ستون کروماتوگرافی عبور می‌کند که در آن جداسازی اجزای مختلف بر اساس برهم‌کنش فیزیکی و شیمیایی با فاز ساکن انجام می‌شود. هر جزء در زمان متفاوتی از ستون خارج شده و توسط دتکتورهایی مانند TCD (Detector Conductivity Detector) یا FID (Flame Ionization Detector) شناسایی می‌شود.

برای اکسیژن، از دتکتور TCD استفاده می‌شود که قادر به اندازه‌گیری گازهای غیرقابل اشتعال و خنثی است. حساسیت این روش در محدوده ppm تا ppb بوده و می‌تواند ناخالصی‌هایی مانند نیتروژن یا آرگون را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری کند.

در آزمایشگاه‌های معتبر مانند سپهر گاز کاویان، کروماتوگرافی گازی به‌عنوان روش مرجع در تعیین خلوص اکسیژن صنعتی و پزشکی استفاده می‌شود و نتایج آن مبنای صدور گواهی آنالیز (Certificate of Analysis) است.

۲. طیف‌سنجی جرمی (Mass Spectrometry – MS)

روش طیف‌سنجی جرمی یا Mass Spectrometry از پیشرفته‌ترین فناوری‌ها برای تعیین ترکیب شیمیایی گازها محسوب می‌شود. در این تکنیک، مولکول‌های گاز یونیزه شده و بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) تفکیک می‌شوند. طیف حاصل، اطلاعات دقیقی از اجزای گاز و غلظت هرکدام ارائه می‌دهد.

در تحلیل اکسیژن، طیف‌سنجی جرمی می‌تواند ناخالصی‌هایی را تا حد ppb (قسمت در میلیارد) شناسایی کند، که این دقت برای گازهای پزشکی بسیار حیاتی است. علاوه بر این، این روش قادر به تشخیص گازهای غیرمعمول یا ترکیبات سمی است که ممکن است در فرآیند تولید یا ذخیره‌سازی ایجاد شوند.

۳. آنالیز با سنسورهای الکتروشیمیایی

در کاربردهای صنعتی و بیمارستانی که نیاز به اندازه‌گیری سریع و میدانی خلوص اکسیژن وجود دارد، از سنسورهای الکتروشیمیایی (Electrochemical Sensors) استفاده می‌شود. این سنسورها با واکنش الکتروشیمیایی بین اکسیژن و الکترودها، ولتاژی متناسب با غلظت اکسیژن تولید می‌کنند.

دقت آن‌ها معمولاً در حد ±۰٫۱٪ است و برای کنترل آنی خلوص در خطوط تولید، کپسول‌های پرشده یا سیستم‌های تنفسی بیمارستانی استفاده می‌شود. با وجود دقت کمتر نسبت به GC، مزیت بزرگ آن‌ها سرعت پاسخ بالا و قابلیت حمل است.

۴. طیف‌سنجی نوری (Optical Spectroscopy)

در روش‌های نوری مانند NDIR (Non-Dispersive Infrared) یا UV Absorption Spectroscopy، میزان جذب نور توسط مولکول‌های گاز در طول‌موج خاص اندازه‌گیری می‌شود. از آن‌جا که هر گاز دارای طیف جذب منحصر به فردی است، می‌توان با تحلیل آن میزان ناخالصی‌هایی مانند CO₂، H₂O یا NO را تعیین کرد.

طیف‌سنجی نوری در کارخانه‌های تولید اکسیژن و سیستم‌های نظارت پیوسته کاربرد دارد، زیرا بدون تماس مستقیم و با دقت بالا قادر به کنترل مداوم کیفیت گاز است.

کالیبراسیون و صحت‌سنجی تجهیزات اندازه‌گیری خلوص

یکی از مهم‌ترین عوامل در صحت نتایج اندازه‌گیری، کالیبراسیون تجهیزات با استفاده از گازهای مرجع استاندارد است. برای مثال، در کروماتوگرافی گازی باید از مخلوط‌های گازی استاندارد کالیبراسیون (Calibration Gas Mixtures) استفاده شود که غلظت دقیق اجزای آن توسط آزمایشگاه‌های دارای گواهی ISO/IEC 17025 تأیید شده است.

شرکت‌هایی مانند سپهر گاز کاویان به عنوان تولیدکننده گازهای کالیبراسیون با دقت بالا، مخلوط‌های مرجعی متناسب با نیاز دستگاه‌های GC، MS یا سنسورهای الکتروشیمیایی عرضه می‌کنند. کالیبراسیون منظم تضمین می‌کند که اندازه‌گیری‌ها در محدوده‌ی مجاز خطا باقی بمانند و تطابق با استانداردهای بین‌المللی حفظ شود.

شناسایی و کنترل ناخالصی‌های رایج در اکسیژن

ناخالصی‌های موجود در گاز اکسیژن معمولاً از فرآیند تولید، ذخیره‌سازی یا انتقال ناشی می‌شوند. مهم‌ترین ناخالصی‌های قابل اندازه‌گیری عبارتند از:

نیتروژن (N₂): شایع‌ترین ناخالصی، که در اثر جداسازی ناقص در واحد ASU ایجاد می‌شود.

آرگون (Ar): معمولاً در حد چند ده ppm حضور دارد و بی‌اثر است.

رطوبت (H₂O): باعث خوردگی تجهیزات و کاهش عملکرد دستگاه‌های پزشکی می‌شود.

CO و CO₂: وجود آن‌ها حتی در مقادیر کم در اکسیژن پزشکی خطرناک است و باید زیر ۵ ppm باشد.

هیدروکربن‌ها (CH₄ و سایر): ناشی از روغن کمپرسورها یا آلودگی در خطوط انتقال.

برای حذف این ناخالصی‌ها، فیلترهای جذب‌کننده (adsorber) و خشک‌کن‌های مولکولی در خطوط تولید نصب می‌شوند و خروجی آن‌ها به‌طور منظم توسط دستگاه‌های GC و NDIR کنترل می‌گردد.

استانداردهای بین‌المللی و الزامات آزمایشگاهی

استانداردهای بین‌المللی متعددی معیارهای دقیق برای اندازه‌گیری خلوص اکسیژن تعیین کرده‌اند، از جمله:

ISO 2046: استاندارد عمومی برای مشخصات اکسیژن صنعتی

European Pharmacopoeia (EP): مشخصات کیفی اکسیژن پزشکی

United States Pharmacopeia (USP): الزامات ترکیب و آزمون اکسیژن پزشکی

ISO/IEC 17025: الزامات صلاحیت آزمایشگاه‌های آزمون و کالیبراسیون

آزمایشگاه‌هایی که در زمینه‌ی آنالیز گاز فعالیت دارند، باید با رعایت این استانداردها نتایج قابل‌اعتماد، قابل‌ردیابی و دارای اعتبار بین‌المللی ارائه دهند. گواهی‌های صادرشده شامل جزئیات کامل درصد خلوص، نوع ناخالصی‌ها، روش اندازه‌گیری و تاریخ کالیبراسیون تجهیزات است.

نقش آزمایشگاه‌های تخصصی در پایش خلوص گاز اکسیژن

آزمایشگاه‌های تخصصی مانند آزمایشگاه سپهر گاز کاویان با بهره‌گیری از تجهیزات پیشرفته GC، MS و طیف‌سنجی نوری، خدمات جامع آنالیز گاز ارائه می‌دهند. این آزمایشگاه‌ها علاوه بر سنجش خلوص، خدمات نمونه‌برداری از سیلندرها، بررسی فشار، انجام تست نشتی و آزمون هیدرواستاتیک را نیز انجام می‌دهند.

نمونه‌برداری از سیلندر باید با دقت بالا و در شرایط ایمن انجام شود تا هیچگونه آلودگی محیطی در نمونه وارد نشود. سپس نمونه در شرایط استاندارد دما و فشار به آزمایشگاه منتقل و مورد آنالیز کمی قرار می‌گیرد. نتایج در قالب گزارش رسمی با ذکر روش آزمون، شماره سریال سیلندر و مشخصات تولیدکننده ارائه می‌شود.

اکسیژن (O₂) یکی از اساسی‌ترین عناصر در کره زمین است که نقش کلیدی در فرایندهای تنفسی، احتراق، تولید فلزات، صنایع دارویی و حتی فناوری‌های فضایی دارد. گاز اکسیژن در حالت خالص خود یک گاز بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است، اما در ترکیب با سایر عناصر می‌تواند خواص شیمیایی بسیار متنوعی از خود نشان دهد. در صنایع مختلف، میزان خلوص و ترکیب اکسیژن تأثیر مستقیم بر کیفیت محصول نهایی دارد. برای مثال در جوشکاری با اکسیژن، در تولید فولاد، یا در مصارف پزشکی، حتی درصدهای جزئی از ناخالصی‌ها مانند نیتروژن، کربن مونوکسید (CO)، دی‌اکسید کربن (CO₂) یا رطوبت می‌توانند باعث بروز نقص یا خطر شوند. از این رو آنالیز گاز اکسیژن و آزمون تعیین ماهیت آن یکی از خدمات حیاتی در آزمایشگاه‌های معتبر مانند آزمایشگاه سپهر گاز کاویان به شمار می‌رود.

تعریف آنالیز گاز اکسیژن و اهداف آن

آنالیز گاز اکسیژن فرآیندی علمی است که در آن ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اکسیژن بررسی می‌شود تا میزان خلوص، نوع ناخالصی‌ها و غلظت هر ترکیب موجود در نمونه مشخص گردد. هدف اصلی از انجام این آزمون‌ها، تعیین خلوص گاز، اطمینان از کیفیت تأمین‌کننده، تطبیق با استانداردهای بین‌المللی و حفظ ایمنی در مصرف‌کننده نهایی است.

در این فرآیند، نمونه‌برداری دقیق از سیلندر گاز انجام می‌شود و سپس با استفاده از دستگاه‌های آنالیز پیشرفته مانند کروماتوگرافی گازی (GC) ، طیف‌سنجی جرمی (MS) یا سنسورهای الکترونیکی اکسیژن، ترکیبات مورد بررسی قرار می‌گیرند. در صنایع حساس مانند داروسازی و پتروشیمی، آنالیز اکسیژن حتی در سطح ppm (یک میلیونیم) انجام می‌شود تا کوچک‌ترین میزان آلودگی قابل شناسایی باشد.

روش‌های نمونه‌برداری برای آنالیز گاز اکسیژن

نمونه‌برداری از اکسیژن مرحله‌ای بسیار حیاتی است که دقت آن مستقیماً بر صحت نتایج اثر دارد. در آزمایشگاه سپهر گاز کاویان، نمونه‌برداری تحت شرایط کنترل‌شده انجام می‌شود تا هیچ‌گونه آلودگی یا نشت وارد نمونه نشود.
مراحل کلی نمونه‌برداری شامل موارد زیر است:

تخلیه اولیه سیلندر: برای اطمینان از خروج بخارات یا گازهای باقی‌مانده از شارژ قبلی.

شست‌وشوی مسیر نمونه‌برداری با خود گاز اکسیژن: تا هرگونه آلودگی یا رطوبت حذف شود.

جمع‌آوری نمونه در محفظه استیل یا شیشه‌ای استاندارد: که از نظر شیمیایی خنثی باشد.

کنترل فشار و دما: جهت جلوگیری از تغییر فاز یا تراکم ناگهانی گاز.

در صورت آنالیز در محل (On-site Analysis)، تیم فنی با تجهیزات پرتابل مانند آنالایزر اکسیژن قابل‌حمل به محل استقرار سیلندرها اعزام می‌شود و نتایج به‌صورت فوری گزارش می‌گردد.

تجهیزات و دستگاه‌های مورد استفاده در آنالیز گاز اکسیژن

در فرآیند آزمون و تعیین ماهیت گاز اکسیژن از تجهیزات گوناگونی استفاده می‌شود که هر کدام برای نوع خاصی از آنالیز مناسب‌اند. در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌شود:

1. کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography - GC)

یکی از دقیق‌ترین روش‌های جداسازی و شناسایی اجزای گاز اکسیژن است. این روش بر اساس اختلاف در زمان عبور مولکول‌ها از ستون کروماتوگرافی عمل می‌کند. با استفاده از دتکتورهایی مانند TCD (Thermal Conductivity Detector) یا FID (Flame Ionization Detector) می‌توان مقدار ناخالصی‌هایی مانند CO₂، N₂، CH₄ و CO را در اکسیژن شناسایی کرد.

2. طیف‌سنجی جرمی (Mass Spectrometry - MS)

در این روش، مولکول‌های گاز یونیزه شده و سپس نسبت جرم به بار یون‌ها اندازه‌گیری می‌شود. این تکنیک در تعیین ماهیت مولکولی اکسیژن و تشخیص ترکیبات ناشناخته بسیار مؤثر است.

3. طیف‌سنجی مادون قرمز (FTIR)

از روش FTIR برای شناسایی پیوندهای شیمیایی موجود در ناخالصی‌های احتمالی استفاده می‌شود. اگر اکسیژن دارای ترکیباتی از جنس هیدروکربن یا رطوبت باشد، طیف FTIR به‌وضوح آن‌ها را آشکار می‌کند.

4. سنسورهای الکترونیکی اکسیژن

در کاربردهای میدانی یا خطوط تولید، از سنسورهای زیرکونیا (ZrO₂) برای اندازه‌گیری درصد اکسیژن استفاده می‌شود. این سنسورها دقت بالایی دارند و امکان مانیتورینگ پیوسته را فراهم می‌کنند.

پارامترهای اندازه‌گیری در آنالیز گاز اکسیژن

در هر آزمون آنالیز گاز، پارامترهای متعددی اندازه‌گیری می‌شود تا تصویر دقیقی از کیفیت گاز به‌دست آید. مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

درصد خلوص اکسیژن (O₂%)

درصد نیتروژن (N₂%)

غلظت دی‌اکسید کربن (CO₂)

غلظت منواکسید کربن (CO)

میزان رطوبت (H₂O ppm)

وجود ترکیبات آلی فرار (VOCs)

در آزمایشگاه‌های دارای گواهینامه ISO/IEC 17025، این پارامترها با حداقل خطا اندازه‌گیری می‌شوند و نتایج با گواهی کالیبراسیون مستند می‌گردند.

تعیین ماهیت اکسیژن و تأیید اصالت گاز

تعیین ماهیت اکسیژن به معنای بررسی خلوص و اصالت گاز از نظر منبع تولید و ترکیب واقعی آن است. در بازار، گاهی به دلیل هزینه پایین، گازهای مخلوط به جای اکسیژن خالص عرضه می‌شوند که می‌تواند خطرناک باشد. در اینجا آزمایشگاه سپهر گاز کاویان با استفاده از روش‌های GC و FTIR قادر است تشخیص دهد که گاز مورد نظر واقعاً اکسیژن خالص است یا مخلوطی از گازهای دیگر.

گزارش نهایی آزمون شامل موارد زیر است:

نام نمونه و کد سیلندر

درصد خلوص گاز

نوع ناخالصی‌های شناسایی‌شده

روش آنالیز مورد استفاده

نام کارشناس و تاریخ آزمون
این اطلاعات برای صنایع پزشکی، غذایی و جوشکاری اهمیت حیاتی دارد، زیرا هرگونه آلودگی در گاز می‌تواند خسارت‌زا یا خطرناک باشد.

کاربردهای نتایج آنالیز گاز اکسیژن در صنایع مختلف

نتایج آزمون و آنالیز اکسیژن در طیف گسترده‌ای از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد:

پزشکی: بررسی خلوص اکسیژن مورد استفاده در بیمارستان‌ها و مراکز درمانی برای اطمینان از عدم وجود ناخالصی‌های سمی.

جوشکاری و برش فلزات: کنترل درصد اکسیژن برای بهینه‌سازی شعله و جلوگیری از اکسید شدن بیش از حد فلز.

صنایع غذایی: در بسته‌بندی مواد غذایی برای کنترل تنفس سلولی محصولات.

تولید شیشه و فولاد: کنترل ترکیب اکسیژن در کوره‌ها برای بهبود کیفیت ذوب و کاهش مصرف انرژی.

صنایع هوافضا و الکترونیک: تأمین اکسیژن فوق خالص برای واکنش‌های شیمیایی دقیق.

استانداردها و الزامات بین‌المللی در آنالیز گاز اکسیژن

آزمایشگاه‌های معتبر باید آزمون‌های خود را مطابق با استانداردهای جهانی انجام دهند تا نتایج آن در سطح بین‌المللی قابل استناد باشد. برخی از استانداردهای مرجع عبارت‌اند از:

ASTM D1946: استاندارد تعیین ترکیب گازهای حاوی اکسیژن، نیتروژن و CO₂

ISO 8573-1: استاندارد کیفیت گازهای مورد استفاده در صنایع حساس

ISO/IEC 17025: استاندارد صلاحیت آزمایشگاه‌های آزمون و کالیبراسیون

EN 12021: استاندارد مربوط به کیفیت گاز تنفسی در تجهیزات غواصی و پزشکی

آزمایشگاه سپهر گاز کاویان با تکیه بر تجهیزات دقیق و انطباق با این استانداردها، خدمات آنالیز اکسیژن را با بالاترین دقت و اطمینان ارائه می‌دهد.

گزارش‌دهی و تفسیر نتایج آزمون اکسیژن

پس از انجام آزمون‌ها، نتایج به‌صورت جدول و نمودار گزارش می‌شوند. گزارش‌ها شامل درصد خلوص، منحنی‌های خروجی دستگاه GC، طیف FTIR و داده‌های آماری هستند. کارشناسان آزمایشگاه بر اساس مقایسه داده‌ها با حدود مجاز، کیفیت گاز را تأیید یا رد می‌کنند.

در صورت وجود ناخالصی بالاتر از حد مجاز، گزارش همراه با پیشنهاد اصلاحی (مانند فیلتراسیون مجدد یا شارژ دوباره سیلندر) صادر می‌شود. این فرآیند تضمین می‌کند که مشتری نهایی گازی مطابق با استاندارد جهانی دریافت کند.

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.

کروماتوگرافی گازی دقیق‌ترین روش برای تعیین درصد خلوص گاز اکسیژن است و با استفاده از ستون‌های غربال مولکولی و آشکارساز TCD، ناخالصی‌های گازی را با دقت در حد ppm شناسایی می‌کند.کروماتوگرافی گازی دقیق‌ترین روش برای تعیین درصد خلوص گاز اکسیژن است و با استفاده از ستون‌های غربال مولکولی و آشکارساز TCD، ناخالصی‌های گازی را با دقت در حد ppm شناسایی می‌کند. 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

در صنایع مختلف، از تولید فولاد و شیشه تا تجهیزات پزشکی و داروسازی، گاز اکسیژن نقشی حیاتی دارد. اما کیفیت و خلوص این گاز تأثیر مستقیم بر عملکرد فرایندها، ایمنی، و دقت نتایج دارد. برای نمونه در صنایع دارویی یا بیمارستانی، اکسیژن با خلوص پایین می‌تواند خطرناک باشد، و در کاربردهای صنعتی نیز ناخالصی‌های گازی ممکن است باعث خوردگی تجهیزات یا تغییر واکنش‌های شیمیایی شوند. ازاین‌رو، تشخیص دقیق درصد خلوص اکسیژن از اهمیت بالایی برخوردار است.
یکی از پیشرفته‌ترین روش‌ها برای تعیین خلوص گازها، استفاده از کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography - GC) است. این روش قادر است ترکیب گازی را با دقت بسیار بالا و تا حد PPM یا حتی PPB اندازه‌گیری کرده و اجزای ناچیز مخلوط را شناسایی کند.

در این مقاله، ساختار و اصول عملکرد دستگاه GC، نحوه آماده‌سازی نمونه اکسیژن، نوع ستون و آشکارساز، تفسیر نتایج و نحوه محاسبه درصد خلوص گاز اکسیژن به تفصیل بررسی می‌شود.

اصول کلی کروماتوگرافی گازی در آنالیز گاز اکسیژن

کروماتوگرافی گازی یکی از روش‌های جداسازی فیزیکی است که بر اساس تفاوت در ضریب توزیع اجزای مختلف بین فاز ساکن و فاز متحرک انجام می‌شود. در این روش، نمونه گازی به داخل دستگاه تزریق شده و همراه با گاز حامل (Carrier Gas) از درون ستونی حاوی فاز ساکن عبور می‌کند.
هر جزء از مخلوط بسته به میزان تمایل خود به فاز ساکن، با سرعت متفاوتی از ستون عبور می‌کند. نتیجه این فرآیند، جداسازی اجزای گاز و ثبت پیک‌های متمایز در آشکارساز است. برای گاز اکسیژن، معمولاً اجزای همراه مانند نیتروژن، آرگون، هیدروژن، دی‌اکسیدکربن، متان و رطوبت اندازه‌گیری می‌شوند تا میزان خلوص واقعی O₂ مشخص گردد.

اجزای اصلی دستگاه کروماتوگراف گازی برای تحلیل اکسیژن

یک سیستم GC استاندارد برای تحلیل اکسیژن از بخش‌های زیر تشکیل می‌شود:

منبع گاز حامل (Carrier Gas):
در آنالیز اکسیژن معمولاً از گازهای بی‌اثر مانند هلیوم، نیتروژن یا آرگون به‌عنوان گاز حامل استفاده می‌شود. انتخاب نوع گاز حامل تأثیر مستقیمی بر حساسیت و تفکیک پیک‌ها دارد. برای اکسیژن، هلیوم یکی از گزینه‌های ایده‌آل است.

سیستم تزریق (Injector):
نمونه گازی اکسیژن به کمک یک والو شش‌راهه یا سیستم تزریق خودکار وارد مسیر جریان می‌شود. این تزریق باید با دقت بالا و حجم کنترل‌شده انجام شود تا نتایج قابل تکرار حاصل گردد.

ستون کروماتوگرافی (Column):
مهم‌ترین بخش دستگاه است. ستون می‌تواند از نوع پرشده (Packed) یا مویین (Capillary) باشد. در آنالیز گازهای دائم مانند O₂، N₂، CO و CH₄، معمولاً از ستون‌های پرشده با مواد غربال مولکولی (Molecular Sieve 5A) یا Porapak Q استفاده می‌شود. این مواد قادرند مولکول‌ها را بر اساس اندازه و قطبیت جدا کنند.

آشکارساز (Detector):
برای شناسایی و اندازه‌گیری اکسیژن از آشکارسازهای خاصی مانند TCD (Thermal Conductivity Detector) استفاده می‌شود. این آشکارساز بر اساس تفاوت در رسانایی حرارتی اجزای گازی نسبت به گاز حامل عمل می‌کند. چون اکسیژن رسانایی حرارتی متفاوتی نسبت به نیتروژن یا آرگون دارد، پیک آن به‌وضوح قابل تشخیص است.

سیستم ثبت و پردازش داده‌ها:
خروجی آشکارساز به صورت کروماتوگرام نمایش داده می‌شود که در آن، محور X زمان عبور (Retention Time) و محور Y شدت سیگنال را نشان می‌دهد. با مقایسه زمان نگهداری هر پیک با مواد استاندارد، می‌توان نوع گاز را شناسایی و از مساحت زیر منحنی برای محاسبه غلظت استفاده کرد.

آماده‌سازی نمونه گاز اکسیژن

پیش از آنالیز، باید اطمینان حاصل شود که نمونه اکسیژن هیچ آلودگی خارجی از قبیل رطوبت، گردوغبار یا چربی ندارد. برای این منظور مراحل زیر انجام می‌شود:

شست‌وشوی مسیر نمونه‌گیری با خود اکسیژن:
قبل از تزریق نهایی، مسیر و والو تزریق چند بار با اکسیژن شست‌وشو داده می‌شود تا هوای محیط یا گازهای باقی‌مانده حذف شوند.

کنترل فشار و دما:
فشار گاز نمونه باید با فشار ورودی دستگاه GC سازگار باشد. در بسیاری از موارد از رگولاتورهای دقیق استیل‌استیل برای جلوگیری از نشت یا آلودگی استفاده می‌شود.

استفاده از فیلترهای خشک‌کن:
اگر نمونه احتمال وجود رطوبت داشته باشد، عبور از تله‌های خشک‌کن (مانند سیلیکاژل یا مولکولارسیو) توصیه می‌شود تا اثر آب بر نتایج کاهش یابد.

نحوه انجام آنالیز GC برای تعیین خلوص اکسیژن

پس از آماده‌سازی، نمونه از طریق والو تزریق وارد ستون می‌شود. گاز حامل، اجزای مختلف را از ستون عبور می‌دهد و در آشکارساز، اختلاف هدایت حرارتی بین اجزا و گاز حامل باعث تولید سیگنال می‌گردد.
در کروماتوگرام، هر جزء به‌صورت یک پیک مجزا ظاهر می‌شود. مثلاً:

پیک اول: نیتروژن

پیک دوم: اکسیژن

پیک سوم: آرگون یا CO₂

مساحت زیر پیک‌ها متناسب با غلظت هر جزء است. با استفاده از نمونه‌های استاندارد با ترکیب معلوم، می‌توان منحنی کالیبراسیون رسم کرد تا ارتباط بین مساحت پیک و درصد مولی دقیق شود.

محاسبه درصد خلوص گاز اکسیژن

برای تعیین خلوص، ابتدا باید مجموع کل اجزای موجود در نمونه محاسبه شود. فرض کنید پیک‌های اندازه‌گیری‌شده مربوط به گازهای زیر باشند:

در این حالت، درصد خلوص اکسیژن برابر است با 99.85%.
در دستگاه GC، این مقدار با محاسبه دقیق مساحت پیک اکسیژن نسبت به مجموع مساحت کل اجزا تعیین می‌شود:

$$\text{Purity (O₂)} = \frac{A_{O₂}}{\sum A_{i}} \times 100$$

که در آن $A_{O₂}$ مساحت پیک اکسیژن و $\sum A_i$ مجموع مساحت تمام اجزای گازی است.

استانداردهای بین‌المللی در اندازه‌گیری خلوص اکسیژن

برای اطمینان از صحت نتایج، آنالیز اکسیژن باید مطابق با استانداردهای بین‌المللی انجام گیرد. برخی از مهم‌ترین مراجع عبارت‌اند از:

ISO 8573-5: استاندارد عمومی برای اندازه‌گیری گازهای خالص در صنایع هوای فشرده.

ASTM D1946: روش استاندارد برای آنالیز گازهای دائم توسط GC.

ISO 6143: راهنمایی برای تعیین و کالیبراسیون ترکیب گازهای مرجع.

ISO 17025: الزام‌های عمومی برای صلاحیت آزمایشگاه‌های آزمون و کالیبراسیون.

استفاده از این استانداردها تضمین می‌کند که اندازه‌گیری خلوص اکسیژن در محدوده خطای کمتر از ۰٫۰۱٪ انجام گیرد و داده‌های به‌دست‌آمده قابل ردیابی و معتبر باشند.

خطاها و ملاحظات در تحلیل گاز اکسیژن

هرچند GC از دقیق‌ترین روش‌های اندازه‌گیری است، اما خطاهای احتمالی باید کنترل شوند:

نشتی در سیستم نمونه‌گیری:
حتی کوچک‌ترین نشتی می‌تواند باعث ورود نیتروژن محیط و کاهش خلوص اندازه‌گیری‌شده گردد.

دما و فشار ستون:
تغییرات جزئی در دما یا فشار گاز حامل باعث تغییر زمان نگهداری پیک‌ها می‌شود و ممکن است تفکیک ناقص رخ دهد.

آلودگی در ستون یا آشکارساز:
با گذشت زمان، ستون ممکن است با ذرات یا رطوبت آلوده شود که موجب کاهش حساسیت می‌گردد. بنابراین تمیزکاری و تعویض دوره‌ای لازم است.

کالیبراسیون نامناسب:
استفاده از گازهای استاندارد کالیبراسیون با خلوص پایین، می‌تواند خطای سیستماتیک در نتایج ایجاد کند. لذا باید از گازهای مرجع با گواهی ISO17025 استفاده شود.

کاربرد نتایج خلوص اکسیژن در صنایع مختلف

نتایج آنالیز خلوص اکسیژن تنها برای کنترل کیفیت نیست، بلکه در تصمیم‌گیری‌های کلیدی فرایندی نیز نقش دارد:

در پزشکی: اطمینان از خلوص بالای اکسیژن پزشکی (>99.5%) برای بیماران حیاتی است.

در جوشکاری: اکسیژن با ناخالصی بالا می‌تواند باعث تغییر رنگ یا نقص در جوش شود.

در صنایع شیمیایی: وجود CO₂ یا CH₄ حتی در مقادیر جزئی ممکن است واکنش‌ها را منحرف کند.

در تولید نیمه‌هادی‌ها: اکسیژن باید فوق‌خالص (99.999%) باشد تا آلودگی سطحی ایجاد نکند.

آنالیز مکمل با GC-MS و GC-TCD

در برخی موارد برای افزایش دقت یا شناسایی ناخالصی‌های خاص، از ترکیب GC با دیگر فناوری‌ها استفاده می‌شود:

GC-TCD: برای شناسایی گازهای دائم مانند O₂، N₂، H₂، CO، CH₄ بسیار مناسب است.

GC-MS (Mass Spectrometry): برای شناسایی جزئی‌ترین ترکیبات آلی یا ناخالصی‌های ناشناخته استفاده می‌شود.

GC-FID (Flame Ionization Detector): در صورتی که ترکیبات آلی در اکسیژن وجود داشته باشد، این آشکارساز مفید است.

ترکیب این سیستم‌ها موجب افزایش قدرت تفکیک و دقت محاسبه خلوص می‌شود، به‌ویژه در صنایع حساس مانند داروسازی و تولید تجهیزات پزشکی.

نقش آزمایشگاه‌های دارای گواهی ISO17025

تشخیص دقیق درصد خلوص اکسیژن تنها در صورتی معتبر است که آزمایشگاه انجام‌دهنده آزمون دارای گواهی ISO17025 باشد. این استاندارد تضمین می‌کند که تمامی تجهیزات، کالیبراسیون‌ها، شرایط محیطی و روش‌های آزمون تحت کنترل کیفیت دقیق انجام می‌گیرند.
شرکت‌هایی مانند سپهر گاز کاویان که دارای تجهیزات کروماتوگرافی گازی و مجوزهای رسمی هستند، خدمات آنالیز خلوص گاز اکسیژن را بر اساس استانداردهای بین‌المللی و با صدور گواهی آزمایشگاهی معتبر ارائه می‌دهند.