راکتور هیدروترمال (اتوکلاو تفلنی)

راکتور هیدروترمال ، یکی از بهترین و ارزان ترین تجهیزات آزمایشگاهی است که زمانی که در سنتز مواد به بن بست می خوریم از آن استفاده میکنیم. “هیدروترمال” یک فناوری پیشرفته و کاربردی برای گستره‌ی وسیعی از صنایع شیمیایی است. این فرآیند دارای ریشه زمین شناختی است و شرایط حاکم بر سطوح درونی پوسته زمین را جهت اهداف صنعتی شبیه‌سازی و کنترل می‌نماید. فناوری هیدروترمال می‌تواند در زمینه سنتز، رشد، دگرگونی و تبدیل مواد شیمیایی کاربرد داشته باشد. همچنین بسیاری از فرآیندهای دهیدراسیون، تخریب شیمیایی، استخراج و فرآیندهای سونوشیمیایی، مکانوشیمیایی و الکتروشیمیایی، زینترینگ و غیره می‌توانند تحت این فرایند انجام شوند. امروزه بیش از ۹۰ میلیون تن سنگ معدن بوکسیت (حاوی نمک‌های آلومنیوم) با بهره‌گیری از این فناوری مورد استخراج قرار می‌گیرد.

راکتو هیدروترمال تقریباً می‌توانند در سنتز تمامی ترکیبات معدنی با ساختارهای عنصری، اکسید، سیلیکات، ژرمانات، فسفات، کلکوژناید، نیترید، کربنات و غیره بکار گرفته شود. در زمینه سنتز مواد پیشرفته، بزرگترین ترکیبات تک بلوری کوارتز (Single-Crystalline Quartz) و زئولیت (Zeolite) تاکنون بصورت مصنوعی با تکنولوژی هیدروترمال ساخته شده‌اند. روش هیدروترمال می‌تواند برای سنتز مواد کاربردی نظیر مواد مغناطیسی، اپتیکی پیزوالکتریک، سرامیک و غیره در مقیاس بالا (تجاری) به صورت تک بلوری و چند بلوری (Poly-Crystalline) به کار گرفته شود. تک بلورهای ایجاد شده با این روش بسیار خالص و بزرگ هستند. پودرهای تهیه شده با فرآیند هیدروترمال دارای مزایایی همچون: ذرات مجزا، خلوص بسیار بالا (فاقد آلودگی)، غیرکلوخه‌ای، با مورفولوژی و ترکیب بلوری مشخص (معمولاً تک بلوری) و بصورت تک پخش (Monodisperse) می‌باشند و به راحتی در حلال بازپخش می شوند.

 با توجه به طیف گسترده ای از واکنش هایی که در راکتور های آزمایشگاهی انجام می شوند مانند سنتز انواع نانو مواد ، نانو سرامیک ، گرافن ، زئولیت ، مزوپور و ترکیبات کئوردیناسیونی ، سنسور ها و نانو سنسورها ، بیومواد و شیمی پلیمر معدنی و … و عدم وجود و تولید اینگونه راکتور ها در کشور و هزینه بالای وارد کردن این محصول عملا باعث کاهش سرعت رشد در زمینه های تحقیقاتی مذکور و بسیاری از زمینه ای تحقیقاتی روز دنیا در کشور شده است . بنابراین این شرکت سعی کرده تا انواع راکتور های آزمایشگاهی مخصوصا راکتور های هیدروترمال را طراحی و از بهترین مواد در ساخت آن استفاده نماید تا از نظر کارایی و کیفیت چیزی کمتر از نمونه خارجی نداشته باشد و پس از آزمایشات متعدد توانسته با موفقیت طراحی و ساخت اولین راکتور را با موفقیت به پایان برساند . این راکتور ها باید درای یک شل بیرونی از جنس فلزی باشند که چند ویژگی مهم داشته باشد که عبارت اند از : مقاوم بودن به مواد شیمیایی ، اسید ها ، باز ها ، اکسیژن و آب و … ، عدم خاصیت مغناطیسی برای برخی از واکنش های خاص ، قابلیت تحمل فشار بالا ،قابلیت تحمل دماهای بالا،  ظریب انبساط پایین و … و همچنین دارای یک شل درونی از جنس تفلون یا پلیمری خاص باشند که علاوه بر عدم واکنش باید تحمل دماها و فشار های بالا را داشته باشد . پس از مطالعات توانستیم بهترین جنس را برای شل بیرونی و شل درونی انتخاب نماییم و راکتور را طوری طراحی کنیم که مشابه جدید ترین راکتور نمونه خارجی بوده ولی با کارایی بیشتر و دارای برخی از نواقص نمونه های خارجی نمی باشد .انتخاب نوع فلز و تفلون با توجه به مطالعات SEM انواع فلزات و تفلون ها در محیط های RFNA و سایر اسید ها موادخوردنده و باز ها و … و میزان انبساط دمایی ، تحمل فشار و حرارت طی آزمایشات گوناگون متخصصین شرکت ، صورت گرفته است. پس از انتخاب مواد اولیه و طراحی قطعه با استفاده از دستگاه های CNC و فرز با دقت بالا این راکتور ها تراش داده می شوند .

راکتور هیدرورترمال و سولوترمال در شیمی کاتالیست ، کریستال ، پلیمر ، نانو ، کئوردیناسیون ، الکتروشیمی و همچنین در سنتز های بیوشیمی و سایر واکنش ها مورد استفاده قرار می گیرد. راکتور های هیدروترمال برای سنتز های شیمیایی تحت فشار و دمای معین نیز مورد استفاده قرار میگیرد. راکتور هیدروترمال در مهندسی محیط ، مهندسی انرژی ، مهندسی مواد و همچنین سایر رشته های علمی ، پژوهشی و آزمایشگاهی جهت پژوهش ، مطالعه و آموزش مورد استفاده قرار میگیرد.

ویژگی های راکتور هیدروترمال سکویا شیمی

1. ساختار منطقی ، بدون مواد سازنده خطرناک ، بدون آلودگی با تضمین ایمنی

2. بدنه استیل ضد زنگ ، ضد اسید ، ضد خوردگی ، بدون خاصیت مغناطیسی

3. بدنه داخلی PTFE ، ضد زنگ ، ضد اسید ، ضد باز ، ضد مواد شیمیایی ، ضد خوردگی

4. طول عمر بسیار بالا ، قیمت پایین (یک سوم نمونه خارجی با همان کیفیت)

5. گارنتی ۱۲ ماهه محصولات از تاریخ خرید

 

پارامتر های راکتور هیدروترمال سکویا شیمی
دمای ایمنی : ۲۴۰ درجه سانتی گراد

فشار ایمنی : ۳ مگا پاسگال

سرعت سرد و گرم شدن : ۵ درجه سانتی گراد بر دقیقه

سایز : ۲۵ ، ۵۰ ، ۱۰۰ ، ۲۰۰میلی لیتر و …

 

نکات ایمنی راکتور هیدروترمال

۱- از حلال های انفجاری استفاده نشود.

۲- از حلال های با قابلیت اشتعال استفاده نشود.

۳- موادی که دارای قابلیت انفجار هستند یا ترکیبشان قابلیت انفجاری دارد نظیر N3 اجتناب شود.

۴- بهترین حلال آب است سعی شود از ان استفاده شود و در حد امکان حلال سمی استفاده نشود.

انتقال به صفحه خرید راکتور هیدروترمال

 

Hydrothermal reactor, Polymerization reactors, digestion tank, pressure vessel, experiment reflects the kettle.

Hydrothermal and solvothermal synthesis reactor is used in catalysis, crystal, polymer, Nano, Coordination, Electrochemical and Sensor Chemistry, also used in Biochemistry synthesis and other experiments.

Hydrothermal synthesis reactor is used to make new synthetic chemicals under a certain temperature and pressure. It is widely used in new materials, energy, environmental engineering and other fields of scientific research and experiments, it is a small commonly used reactor used in teaching and scientific research.

1. Reasonable structure, non-spill of hazardous substances, pollution reduction, safety guarantee.
2. Hydrothermal synthesis reactor using high quality Cr-Ni-Ti nonmagnetic stainless steel and refined processing.
3. Lining uses complete PTFE material, it has the excellent acid resistance and alkali resistance.
4. Stainless still shell, special PTFE liner, good corrosion resistance.

(۱) Safe Temp: ≤۲۴۰°C

(۲) Safe Pressure: ≤۳MPa

(۳) Heating and Cooling Rate: ≤۵°C/min

(۴) Specification: ۲۵ml 50ml 100ml 150ml 200ml 

we can offer customized size according to user’s needs.

فهرست مطالب مقاله کامل راکتور هیدروترمال (hydrothermal reactor)

۱- فصل اول : مقدمه ۸

۱-۱-۱ نکات ایمنی راکتور هیدروترمال ۱۰

۲- فصل دوم : مروری بر منابع ۱۲

۲-۱ رآکتور شیمیایی ۱۲

۲-۱-۱ مفاهیم واکنش‌های شیمیایی ۱۳

۲-۱-۲ سینتیک واکنش ۱۳

۲-۱-۳ ترمودینامیک واکنش ۱۴

۲-۱-۴ اثر کاتالیزورها و بازدارنده‌ها بر واکنش ۱۵

۲-۱-۵ کاتالیزورها انواع واکنش‌ها ۱۶

۲-۱-۶ مفاهیم بنیادی راکتورها ۱۷

۲-۱-۷ معادله رآکتور ۱۸

۲-۱-۸ زمان اقامت، زمان نیمه‌عمر و زمان پایان واکنش ۱۸

۲-۱-۹ انتقال حرارت در رآکتور ۲۰

۲-۱-۱۰ میکسینگ و انتقال جرم در رآکتور ۲۱

۲-۱-۱۱ انواع راکتورهای شیمیایی ۲۲

۲-۱-۱۲ انواع رآکتور ازنظر فازهای درگیر در واکنش ۲۲

۲-۱-۱۳ رآکتور بسته و نیمه بسته ۲۴

۲-۱-۱۴ رآکتورهای پیوسته ۲۶

۲-۱-۱۵ رآکتور پلاگ ۲۷

۲-۱-۱۶رآکتورهای مخزنی باهمزن ۲۸

۲-۱-۱۷ رآکتورهای ثابت بستر و سیال بستر ۲۹

۲-۲ سنتز و پایداری نانوذرات مغناطیسی ۳۰

۲-۲-۱ مقدمه ۳۰

۲-۳ سنتز نانوذرات مغناطیسی ۳۱

۲-۳-۱ سنتز در فاز مایع ۳۱

۲-۳-۲ هم رسوبی (Co-precipitation) 32

۲-۳-۳ میکرو امولسیون (Microemulsion) 34

۲-۳-۴ تجزیه حرارتی (Thermal Decomposition) 35

۲-۳-۵ روش‌های دیگر ۳۶

۲-۳-۶ سنتز در فاز گاز ۳۶

۲-۳-۷ سنتز در فاز جامد ۳۸

۲-۴روش‌های محافظت (Protection Methods) 38

۲-۴-۱ قرار دادن پوشاننده‌های آلی ‌هایا معدنی بر روی سطح نانوذرات مغناطیسی. ۳۹

۲-۴-۲ پوشش‌های معدنی (Inorganic Coatings) 40

۲-۵ عامل‌دار کردن نانوذرات مغناطیسی (Functionalization of Magnetic Nanoparticles) 41

۲-۵-۱ ‌نتیجه گیری ۴۱

۲-۶ فرایند هیدروترمال برای تولید مواد؛ گذشته، حال و آینده ۴۲

۲-۶-۱ مقدمه ۴۲

۲-۶-۲ روندهای رایج در فناوری هیدروترمال ۴۴

۲-۶-۳ مفاهیم جدید در فناوری هیدروترمال ۴۵

۲-۶-۴ فراورش هیدروترمال ذرات ریز ۴۸

۲-۶-۵ فناوری هیدروترمال برای فناوری نانو ۵۰

۲-۶-۶ روندهای آینده تحقیقات هیدروترمال ۵۲

۲-۶-۷ نتیجه گیری ۵۳

۲-۷ واکنش‌های سولوترمال: مسیری اصلی برای سنتز مواد جدید ۵۴

۲-۷-۱ مقدمه ۵۵

۲-۷-۲ شاخص‌های اصلی حاکم بر واکنش‌های سولوترمال ۵۶

۲-۷-۳ شاخص‌های تومودینامیکی ۶۰

۲-۷-۴ انواع واکنش‌های درگیر در فوایند سولوترمال ۶۰

۲-۷-۵ کاربردهای اصلی فرایند سولوتومال ۶۱

۲-۷-۶ توسعه فرایندهای جدید در تهیه نانوبلورهای عاملی ۶۱

۲-۷-۷ نتیجه گیری ۶۲

۲-۸ کنترلر دما ۶۳

۲-۸-۱ حس‌گر RTD : 63

۲-۸-۲ ترموکوپل: ۶۴

۲-۸-۳ انواع کنترلر دما ۶۴

۲-۸-۴ انواع کنترلر ازنظر ظاهر ۶۴

۲-۸-۵ کنترل کننده PID Controller” PID”: 65

۲-۸-۶ انواع خروجی کنترلر( ترموستات): ۶۶

۲-۸-۷ کاربرد کنترلر(ترموستات): ۶۷

۲-۹ مواد پیزوالکتریک ۶۷

۲-۹-۱ تعریف و تاریخچه ۶۸

۲-۹-۲ فرآیند تولید سرامیک های پیزوالکتریک ۷۰

۲-۹-۳ روابط ساختاری و خواص مواد ۷۳

۲-۹-۴ کاربرد مواد پیزوالکتریک ۷۴

۳- فصل سوم : نحوه ساخت و طراحی ۷۵

۳-۱ مزیت های راکتور طراحی شده : ۸۳

۳-۲ مزیت نسبت به نمونه خارجی ۸۳

۳-۳ مشخصات راکتور تولیدی ۸۴

۳-۴ مواد مورد نیاز برای تولید راکتور ۱۰۰ سی سی ۱۰۰

۳-۵ ابعاد راکتور هیدروترمال تولیدشده ۱۰۱

۳-۶ محصول نهایی ۱۰۷

۳-۷ نحوه سنتز پودر پیزوالکتریک PZT به روش هیدروترمال ۱۱۳

مقدمه ۱۱۳

۳-۷-۱ شرایط ونحوه انجام آزمایش سنتز ۱۱۳

۴- فصل چهارم : نتیجه گیری ۱۱۵

۴-۱ نتایج کلی ۱۱۸

۵ مراجع ۱۱۹

فهرست اشکال

شکل ‏۲‑۱: طرحی از یک فرایند کاتالیزوری سیال بستر. در سمت راست رآکتور شیمیایی و در سمت چپ واحد بازیابی کاتالیست قرار دارد ۱۵

شکل ‏۲‑۲: یک راکتور شیمیایی در ابعاد بزرگ برای تولید صنعتی ۱۷

شکل ‏۲‑۳: یک رآکتور شیمیایی در ابعاد کوچک جهت تحقیقات آزمایشگاهی ۱۷

شکل ‏۲‑۴: تصویر شماتیک یک رآکتور به همراه کویل‌های گرمایشی و سرمایشی در اطراف آن ۲۰

شکل ‏۲‑۵: برشی از یک رآکتور مخزنی به همراه سیستم خنک‌کننده جاکتی که شفت و پروانه همزن در وسط آن دیده می‌شود ۲۱

شکل ‏۲‑۶:: نماد رآکتور بسته ۲۴

شکل ‏۲‑۷: : نماد رآکتور سی اس تی آر ۲۶

شکل ‏۲‑۸: طرح شماتیک از مقطع فرضی یک رآکتور پلاگ ۲۷

شکل ‏۲‑۹: داخل یک نوع رآکتور سی اس تی آر که در آن همزن و شفت آن به همراه بافل‌ها (پایین تصویر) دیده می‌شوند ۲۸

شکل ‏۲‑۱۰ : نمودار LaMer 32

شکل ‏۲‑۱۱: شماتیک سنتز نانوذرات مغناطیسی Fe_۳O_۴ با استفاده از روش هم رسوبی؛ ابتدا محلولی از یون‌های آهن در اسیدکلریدریک تهیه‌شده و سپس این محلول بر روی محلولی از دی ایزوپروپیل آمین (DIPA) ریخته می‌شود که نتیجه آن ایجاد رسوبی از نانوذرات اکسید آهن خواهد بود. ۳۳

شکل ‏۲‑۱۲: شماتیکی از مایسل نرمال و معکوس ۳۵

شکل ‏۲‑۱۳: برخی از پوشش های آلی مورداستفاده جهت تضمین پایداری نانوذرات مغناطیسی ۳۹

شکل ‏۲‑۱۴: تصویر TEM از نانوذرات مغناطیسی پوشیده شده با سیلیکا ۴۰

شکل ‏۲‑۱۵ : انرژی در مقایسه با کارایی / تنوع در فرایندهای زیستی و دست ساز بشر ۴۷

شکل ‏۲‑۱۶: شماتیک مقایسه تولید تک‌مرحله‌ای و چند مرحله‌ای مواد پیشرفته ۴۷

شکل ‏۲‑۱۷: نقش‌های مایع هیدروترمال بر روی نمونه جامد حلال می‌تواند به‌عنوان جاذب، واکنش‌گر و یا حلال عمل کند ۴۸

شکل ‏۲‑۱۸: مقایسه تولید مواد با روش هیدروترمال با سایر روش‌های مرسوم ۵۰

شکل ‏۲‑۱۹: . نانوساختارهای کربن به‌دست‌آمده از واپاشی کاربید فلزات تحت شرایط هیدروترمال فوق بحرانی ۵۲

شکل ‏۲‑۲۰: ساختارهای گل مانند اکسید روی. الف) عکس با بزرگ نمایی پایین؛ ب) خوشه گل‌های ZnOج) گل‌هایی با پدال‌های چندگانه؛ د) گل مجزا با پدال‌های تک لایه. ۵۸

شکل ‏۳‑۱ : راکتور هیدروترمال با بدنه استیل مقاوم تا دمای ۲۸۰ درجه سانتی پایه و شل داخلی PTFE 76

شکل ‏۳‑۲: کوره ی افقی جهت قرار گیری راکتورهای هیدروترمال بدون سیستم گرمایشی ۷۶

شکل ‏۳‑۳: سیستم کنترل دما همراه باهمزن مغناطیسی برای راکتورهای هیدروترمال ۷۷

شکل ‏۳‑۴: محفظه ضد انفجار برای راکتورهای هیدروترمال با فشار بالا ۷۸

شکل ‏۳‑۵: راکتور هیدروترمال دارای فشارسنج آنالوگ ۷۹

شکل ‏۳‑۶:راکتور هیدروترمال با سیستم کنترل دما و فشار و کوره مخصوص جهت گرامادهی ۸۰

شکل ‏۳‑۷:نمایی از راکتور هیدروترمال بدون شل داخلی PTFE 81

شکل ‏۳‑۸ : نمایی از راکتور هیدروترمال با شل داخلی ppp مقاوم تا ۳۵۰ درجه سانتی پایه ۸۲

شکل ‏۳‑۹: معرفی قسمت های مختلف از راکتور هیدروترمال ۸۲

شکل ‏۳‑۱۰: راکتور هیدرومال تولیدی با کنترل دما ۸۷

شکل ‏۳‑۱۱:معرفی قسمت های مختلف راکتورهای هیدروترمال دارای کنترل دما و فشار باقابلیت اتصال به کامیوتر ۸۸

شکل ‏۳‑۱۲: نمونه ای از راکتور هیدروترمال غیر استاندارد منفجر شده ۸۹

شکل ‏۳‑۱۳: نمونه ای از کوره ای که یک عدد راکتور هیدروترمال غیر استاندارد و بی کیفیت در آن منفجر شده است ۸۹

شکل ‏۳‑۱۴: تصویری از مواد اولیه استیل ۳۱۶ جه تولید راکتور هیدورترمال ۱۰۲

شکل ‏۳‑۱۵: نمای شماتیک از مراحل تولید راکتور هیدروترمال و ماشین کاری ۱۰۳

شکل ‏۳‑۱۶ : تصویر کنترلر مورداستفاده ۱۰۴

شکل ‏۳‑۱۷: شماتیکی از معرفی مدل کنترلر دما ۱۰۵

شکل ‏۳‑۱۸: ابعادکنترلر آتونیکس TC4S-24R 105

شکل ‏۳‑۱۹: مدار معادل کنترلر دما بر اساس نوع خروجی رله یاSSR 106

شکل ‏۳‑۲۰: تصاویری از راکتور تولیدشده ۱۱۳

شکل ‏۴‑۱: الگوی پراش اشعه x پودر سنتز شده در سه زمان مختلف ۱،۳،۲۴ ساعت ۱۱۷

شکل ‏۴‑۲: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) از پودر PZT سنتز شده در ۱۵۰ درجه سانتیگراد وبه مدت ۳ساعت ۱۱۸

فهرست جداول

جدول ‏۲‑۱: انواع راکتورهای شیمیایی ازنظر فازهای درگیر در واکنش ۲۲

جدول ‏۲‑۲: پیشرفت هیدروترمال تولید مواد پیشرفته ۴۵

جدول ‏۲‑۳: مقایسه روش‌های سنتز پودرهای گوناگون ۴۹

جدول ‏۲‑۴: شاخص‌های کلیدی موثر در واکنش‌های سولوترمال ۵۶

جدول ‏۳‑۱: جدول مقاومت انواع پیش‌ماده ها جهت ساخت راکتور نسبت به مواد شیمایی مختلف ۹۰

۱- فصل اول : مقدمه

راکتور هیدروترمال ، یکی از بهترین و ارزان‌ترین تجهیزات آزمایشگاهی است که زمانی که در سنتز مواد به بن‌بست می‌خوریم از آن استفاده می‌کنیم. “هیدروترمال” یک فناوری پیشرفته و کاربردی برای گستره‌ی وسیعی از صنایع شیمیایی است. این فرآیند دارای ریشه زمین‌شناختی است و شرایط حاکم بر سطوح درونی پوسته زمین را جهت اهداف صنعتی شبیه‌سازی و کنترل می‌نماید. فناوری هیدروترمال می‌تواند درزمینهٔ سنتز، رشد، دگرگونی و تبدیل مواد شیمیایی کاربرد داشته باشد. همچنین بسیاری از فرآیندهای دهیدراسیون، تخریب شیمیایی، استخراج و فرآیندهای سونوشیمیایی، مکانوشیمیایی و الکتروشیمیایی، زینترینگ و غیره می‌توانند تحت این فرایند انجام شوند. امروزه بیش از ۹۰ میلیون تن سنگ معدن بوکسیت (حاوی نمک‌های آلومینیوم) با بهره‌گیری از این فناوری مورد استخراج قرار می‌گیرد.[۱]

سنتز هیدروترمال روشی است که به‌طور گسترده برای تولید پودرهای کوچک و ذرات در درجه حرارت بالا، اغلب بالاتر از نقطه‌جوش مایع، استفاده می‌شود.. در چند سال اخیر گروه‌های تحقیقاتی زیادی یا شرکت‌های متعددی تولید نانولوله‌های کربنی را به‌وسیله این روش گزارش کرده‌اند[۲-۵].

این روش بر اساس حرارت دادن واکنشگرها، اغلب نمک‌های فلزی، اکسید، هیدروکسید یا پودر فلز به‌عنوان محلول یا سوسپانسیون درون مایع (معمولاً نه لزوماً آب) در دما و فشار بالا ، تا حدود ۳۰۰ درجه‌ی سانتی گراد و حدود MPa‌۱۰۰ (۱۰۰ برابر فشار سطح دریا) می‌باشد. هسته گذاری و رشد ذرات تحت این شرایط اتفاق می‌افتد که باعث ایجاد نانو اکسیدها ،‌ ذرات فلزی یا غیر اکسیدی با شکل و اندازه‌ی کنترل‌شده می‌شود.

در این روش، به‌طور مستقیم پودرها و ذرات در مقیاس نانو یا زیر میکرو (شامل نانولوله‌های کربنی و کوانتوم دات‌های کلوئیدی) تولید می‌شود و همچنین به‌وسیله‌ی کاهش آلودگی و دمای کم سنتز مشخصه سازی می‌شود.

در سنتز هیدروترمال، تبدیل مواد تحت دما و فشار بالا اتفاق می‌افتد. این روش عمدتاً برای تولید نانو پودرهای با کیفیت بالا استفاده می‌شود[۶-۸].

راکتور هیدروترمال تقریباً می‌توانند در سنتز تمامی ترکیبات معدنی با ساختارهای عنصری، اکسید، سیلیکات، ژرمانات، فسفات، کلکوژناید، نیترید، کربنات و غیره بکار گرفته شود. درزمینهٔ سنتز مواد پیشرفته، بزرگ‌ترین ترکیبات تک بلوری کوارتز [۹](Single-Crystalline Quartz) و زئولیت[۱۰] (Zeolite) تاکنون به‌صورت مصنوعی با فنّاوری هیدروترمال ساخته‌شده‌اند. روش هیدروترمال می‌تواند برای سنتز مواد کاربردی نظیر مواد مغناطیسی، اپتیکی پیزوالکتریک، سرامیک و غیره در مقیاس بالا (تجاری) به‌صورت تک بلوری و چند بلوری (Poly-Crystalline) به کار گرفته شود. تک‌بلورهای ایجادشده با این روش بسیار خالص و بزرگ هستند. پودرهای تهیه‌شده با فرآیند هیدروترمال دارای مزایایی همچون: ذرات مجزا، خلوص بسیار بالا (فاقد آلودگی)، غیر کلوخه‌ای، با مورفولوژی و ترکیب بلوری مشخص (معمولاً تک بلوری) و به‌صورت تک‌پخش (Monodisperse) می‌باشند و به‌راحتی در حلال بازپخش می‌شوند.

با توجه به طیف گسترده‌ای از واکنش‌هایی که در راکتورهای آزمایشگاهی انجام می‌شوند مانند سنتز انواع نانومواد ، نانو سرامیک ، گرافن ، زئولیت ، مزوپور و ترکیبات کئوردیناسیون ، حس‌گرها و نانو حس‌گرها ، بیو مواد و شیمی پلیمر معدنی و … و عدم وجود و تولید این‌گونه راکتورها در کشور و هزینه بالای واردکردن این محصول عملاً باعث کاهش سرعت رشد درزمینهٔ های تحقیقاتی مذکور و بسیاری از زمینه‌ای تحقیقاتی روز دنیا در کشور شده است . بنابراین ما سعی کرده‌ایم تا ا راکتورهای هیدروترمال را طراحی و از بهترین مواد در ساخت آن استفاده نماییم تا ازنظر کارایی و کیفیت چیزی کمتر از نمونه خارجی نداشته باشد و پس از آزمایش‌ها متعدد توانسته با موفقیت طراحی و ساخت اولین راکتور را با موفقیت به پایان برساند . این راکتورها باید دارای یک شل بیرونی از جنس فلزی باشند که چند ویژگی مهم داشته باشد که عبارت‌اند از : مقاوم بودن به مواد شیمیایی ، اسیدها ، بازها ، اکسیژن و آب و … ، عدم خاصیت مغناطیسی برای برخی از واکنش‌های خاص ، قابلیت تحمل فشار بالا ،قابلیت تحمل دماهای بالا،  ضریب انبساط پایین و … و همچنین دارای یک شل درونی از جنس تفلون یا پلیمری خاص باشند که علاوه بر عدم واکنش باید تحمل دماها و فشارهای بالا را داشته باشد . پس از مطالعات توانستیم بهترین جنس را برای شل بیرونی و شل درونی انتخاب نماییم و راکتور را طوری طراحی کنیم که مشابه جدیدترین راکتور نمونه خارجی بوده ولی با کارایی بیشتر و دارای برخی از نواقص نمونه‌های خارجی نیست .انتخاب نوع فلز و تفلون با توجه به مطالعات SEM انواع فلزات و تفلون‌ها در محیط‌های RFNA و سایر اسیدها موادخوردنده و بازها و … و میزان انبساط دمایی ، تحمل فشار و حرارت طی آزمایش‌ها گوناگون متخصصین شرکت ، صورت گرفته است. پس از انتخاب مواد اولیه و طراحی قطعه با استفاده از دستگاه‌های CNC و فرز با دقت بالا این راکتورها تراش داده می‌شوند .

راکتور هیدروترمال و سولوترمال در شیمی کاتالیست ، کریستال ، پلیمر ، نانو ، کئوردیناسیون ، الکتروشیمی و همچنین در سنتزهای بیوشیمی و سایر واکنش‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد. راکتورهای هیدروترمال برای سنتزهای شیمیایی تحت‌فشار و دمای معین نیز مورداستفاده قرار می‌گیرد. راکتور هیدروترمال در مهندسی محیط ، مهندسی انرژی ، مهندسی مواد و همچنین سایر رشته‌های علمی ، پژوهشی و آزمایشگاهی جهت پژوهش ، مطالعه و آموزش مورداستفاده قرار می‌گیرد.

 نکات ایمنی راکتور هیدروترمال

۱- از حلال‌های انفجاری استفاده نشود.

۲- از حلال‌های باقابلیت اشتعال استفاده نشود.

۳- موادی که دارای قابلیت انفجار هستند یا ترکیبشان قابلیت انفجاری دارد نظیر N3 اجتناب شود.

۴- بهترین حلال آب است سعی شود از آن استفاده شود و در حد امکان حلال سمی استفاده نشود.

۲- فصل دوم : مروری بر منابع

رآکتور شیمیایی

رآکتور شیمیایی یا واکنشگاه شیمیایی وسیله‌ای است که در آن واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شود و طی آن مواد اولیه خام به محصولات تبدیل می‌شوند.

طراحی و بهره‌برداری از رآکتورهای شیمیایی ازجمله مهم‌ترین وظایف متخصصین صنایع شیمیایی ازجمله مهندسین شیمی است. طراحی رآکتور شیمیایی نیازمند شناخت درست از واکنش شیمیایی انجام‌گرفته در رآکتور است و برای این منظور تسلط بر علومی چون ترمودینامیک شیمیایی،سینتیک شیمیایی و ریاضیات ضروری است.

رآکتورهای شیمیایی می‌توانند در ابعاد بزرگ و برای مصارف صنعتی یا در ابعاد کوچک جهت کاربردهای آزمایشگاهی و تحقیقاتی ساخته و تولید شوند. همچنین جنبه‌های اقتصادی نیز بر طراحی بهینهٔ رآکتور تأثیرگذار است. ازجمله صرف هزینهٔ کمتر برای طراحی رآکتور کاراتر و کوچک‌تر، صرف انرژی کمتر برای تولید محصول بیشتر، رساندن مواد اولیه به بیشترین درصد تبدیل و بالا بردن راندمان فرایند و … .

در طراحی رآکتورها پارامترهای زیادی ازجمله:زمان اقامت( )، حجم(V)، دما(T)، فشار(P)، غلظت گونه‌های شیمیایی(C۱,C۲,C۳,… ,Cn)، ضریب انتقال حرارت (U, h)، سرعت واکنش (r) و … ، دخالت دارند. رآکتورهای شیمیایی‌بر اساس نوع واکنش و موارد کاربرد در اشکال مختلف و با جزئیات خاص طراحی می‌شوند که پیچیدگی آن‌ها را زیاد می‌کند. اما می‌توان رآکتورها را در چند دستهٔ بزرگ و کلی ازجمله رآکتورهای پیوسته و ناپیوسته، رآکتورها سیال بستر یا ثابت بستر، رآکتورهای لوله‌ای و مخزنی یا رآکتورهای همگن و ناهمگن، طبقه‌بندی کرد. رفتار رآکتورها معمولاً با معادلاتی موسوم به معادلهٔ رآکتور مطرح می‌شود که برای گونه‌های مختلف رآکتور متفاوت بوده و رابطهٔ ریاضیاتی بین پارامترهای مؤثر در رآکتور را بیان می‌کند.

مفاهیم واکنش‌های شیمیایی

واکنش شیمیایی فرآیندی است که طی آن‌یک یا چند ماده به مواد دیگر تبدیل می‌شوند. مواد اولیه موادی با ارزش اقتصادی کمتر می‌باشند و در عوض محصولات موادی با ارزش بالاتر است. درک سینتیک و سازوکار واکنش یکی از نکات مهم در طراحی رآکتورهای صنعتی است. معادله سرعت، تعادلی بودن یا نبودن، فاز مواد درگیر در واکنش (جامد، مایع، گاز)، گرماگیر یا گرماده بودن و همچنین اثر کاتالیزور بر واکنش، ازجمله مهم‌ترین نکاتی است که در طراحی رآکتور حائز اهمیت است

سینتیک واکنش

سینتیک واکنش شیمیایی عبارت است از بررسی سازوکار انجام یک واکنش شیمیایی. علم سینتیک شیمیایی به‌طور کامل به نحوه انجام واکنش، واکنش‌های جانبی، مواد واسط تولیدی و بسیاری از جزئیات یک واکنش می‌پردازد. سرعت واکنش و بستگی آن به غلظت گونه‌های درگیر در واکنش با استفاده از رابطه‌ای به نام معادله سرعت بیان می‌شود. به‌طورکلی تغییر غلظت گونه‌ای موجود در واکنش در واحد زمان را سرعت واکنش نسبت به آن ماده تعریف می‌کنند مثلاً برای واکنش ساده A → B معادله سرعت به‌صورت زیر است:

معادله سرعت واکنش را می‌توان به شکل زیر هم بازنویسی کرد. باید توجه داشت که در معادله زیر علامت منفی به‌طور قراردادی نشان‌دهنده مصرف گونه است. به همین ترتیب برای تولید گونه از علامت مثبت استفاده می‌شود.

در این معادله عددی ثابت است که به «ثابت سرعت واکنش» معروف است و عدد بزرگ‌تر نشان‌دهنده واکنش سریع‌تر است. همچنین میزان بستگی سرعت واکنش به غلظت را نشان می‌دهد که به درجه واکنش نسبت به گونه معروف است. این پارامتر معمولاً عددی بین صفر تا ۳ است. همچنین اگر گونه‌های واکنش‌دهنده بیش از یکی باشد، از جمع توان‌های واکنش‌دهنده‌ها، درجه کلی واکنش حاصل می‌شود. روش‌های گوناگونی برای به دست آوردن این معادلات وجود دارد؛ اعم از روش‌های تئوری یا استفاده از داده‌های آزمایشگاهی.

ترمودینامیک واکنش

بررسی واکنش‌ها ازنظر انرژی، در حوزه مباحث ترمودینامیک شیمیایی است. گرماگیر یا گرماده بودن واکنش و میزان انرژی تبادل شده در واکنش از نکات مهم در این علم است. اهمیت این مسئله ازآن‌جهت است که برای رآکتورها می‌باید دستگاه‌های گرمایش یا سرمایش طراحی شود تا تبادل انرژی به‌خوبی انجام شود. وجود هر نوع اشکال یا محاسبات نادرست در سیستم تبادل انرژی موجب اخلال در انجام واکنش، کیفیت محصول، مقدار محصول و حتی خطر جانی و مالی می‌شود. به‌عنوان نمونه در واکنش‌های گرماده شدید، درصورتی‌که گرمای تولیدشده در واکنش به‌خوبی تبادل نشود، افزایش بی‌رویه دما داخل رآکتور می‌تواند منجر به افزایش حجم و بالا رفتن فشار شود، همچنین در واکنش‌هایی که با تولید گاز شدید انجام می‌شوند، ممکن است موجب انفجار شود[۱۱].

اثر کاتالیزورها و بازدارنده‌ها بر واکنش

شکل ‏۲‑۱: طرحی از یک فرایند کاتالیزوری سیال بستر. در سمت راست رآکتور شیمیایی و در سمت چپ واحد بازیابی کاتالیست قرار دارد

موادی هستند که با دخالت در واکنش و تغییر مسیر واکنش، سرعت واکنش را بالا می‌برند. از کاتالیزورها در واکنش‌هایی که در شرایط معمول با سرعت پایین انجام می‌شوند استفاده می‌شود. در نقطه مقابل مواد دیگری به نام بازدارنده‌ها وجود دارند که مانند کاتالیست هستند با این تفاوت که افزودن آن به واکنش موجب کندی و حتی توقف واکنش می‌شود. بازدارنده‌ها به‌طور ویژه در صنایع پلیمر و برای کنترل فرآیندهای پلیمراسیون در رآکتور شیمیایی کاربرد دارد. کاتالیزورها و بازدارنده‌ها می‌توانند به‌صورت همگن با فاز مواد درگیر در واکنش مصرف شوند که به واکنش‌های کاتالیستی همگن معروف هستند. واکنش‌هایی که کاتالیست و مواد درگیر در واکنش در یک‌فاز قرار ندارند به واکنش‌های کاتالیستی ناهمگن معروف هستند.

این مواد معمولاً با درصد بسیار پایین و به اشکال مختلف در فرایند مورداستفاده قرار می‌گیرند. ممکن است کاتالیزور یا بازدارنده به‌صورت ثابت در رآکتور شیمیایی قرار داشته باشد و مواد واکنش‌دهنده پس از تماس با آن خارج شوند. در نقطه مقابل ممکن است این مواد به‌صورت پودر یا اشکال دیگر به داخل رآکتور تزریق و سپس از آن خارج شوند. به‌عنوان نمونه در فرایند کراکینگ کاتالیزوری سیال بستر، کاتالیست زئولیت به‌صورت پودر به داخل رآکتور تزریق می‌شود. پس از اشباع شدن کاتالیزور، همراه با فرآورده‌ها از فرایند خارج و پس از جداسازی و بازیابی مجدداً به داخل رآکتور تزریق می‌شود. به‌این‌ترتیب این چرخه دائماً ادامه پیدا می‌کند و کاتالیزور در فرایند مرتباً در گردش است.

کاتالیزورها انواع واکنش‌ها

توجه به ماهیت و نوع واکنش نیز در طراحی رآکتور از اهمیت بالایی برخوردار است. مثلاً در واکنش‌های یک‌طرفه تقریباً تمام مواد واکنش‌دهنده با نسبت‌های استوکیومتری مشخص مصرف می‌شوند. اما در واکنش‌های تعادلی در یک سیستم بسته، در دما و فشار مشخص، مواد اولیه و مواد تولیدی پس از مدتی با یکدیگر به تعادل می‌رسند، یعنی باگذشت زمان، غلظت مواد دچار تغییر نشده و مقداری از مواد اولیه به‌صورت واکنش نداده در سیستم باقی می‌ماند. رفتار واکنش‌های تعادلی با اصلی به نام اصل لوشاتلیه بررسی می‌شود.

در واکنش‌های رقابتی یک یا چند واکنش جانبی، که منجر به تولید مواد بلااستفاده می‌شود، در کنار واکنش اصلی رخ می‌دهد. در این نوع واکنش‌ها باید پارامترهای فرایند طوری طراحی شود که بیشترین مقدار ممکن از ماده مطلوب تولید شود.

همچنین در واکنش‌های سری چند واکنش پشت سر هم انجام می‌شود تا محصول نهایی تولید شود. به عبارتی واکنش کلی از ترکیب چند واکنش به وجود می‌آید. در این نوع واکنش‌ها، سرعت کلی واکنش به‌سرعت کندترین واکنش بستگی دارد.

مفاهیم بنیادی راکتورها

شکل ‏۲‑۲: یک راکتور شیمیایی در ابعاد بزرگ برای تولید صنعتی

شکل ‏۲‑۳: یک رآکتور شیمیایی در ابعاد کوچک جهت تحقیقات آزمایشگاهی

رآکتورهای شیمیایی محلی برای انجام یک واکنش شیمیایی هستند. رآکتورها می‌توانند جهت تولید انبوه مواد شیمیایی، دارویی و مواد پتروشیمی و در واحدهای صنعتی بزرگ به کار گرفته شوند یا جهت انجام مطالعات و تحقیقات و در ابعاد کوچک به کار بروند.

طراحی رآکتورها با توجه به مکانیسم واکنش و همچنین نوع واکنش و فاز مواد درگیر در واکنش متفاوت است. در طراحی رآکتورهای شیمیایی برخی از پارامترها مانند دما، فشار و دبی مواد ورودی و خروجی، توسط طراح قابل‌تغییر است. اما برخی پارامترها مانند ماهیت واکنش، گرماگیر یا گرماده بودن، ایجاد گاز یا تغییر در حجم مواد، ازجمله مواردی است که به طبیعت واکنش مربوط بوده و در اختیار طراح قرار ندارد. از مجموع این موارد می‌توان نتیجه گرفت که رآکتورها در اشکال پیوسته یا بسته، بستر ثابت یا بستر متلاطم، تحت‌فشار یا در فشار اتمسفری یا با اثر کاتالیست یا بدون اثر کاتالیست طراحی می‌شوند. برخی از پارامترهایی که تقریباً در تمام راکتورها مطرح بوده و حائز اهمیت به جهت شناخت راکتور و عملکرد آن است، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

معادله رآکتور

معادله رآکتور رابطه ریاضیاتی است که پارامترهای مربوط به رآکتور مانند زمان اقامت و حجم رآکتور را به‌سرعت واکنش، نشان می‌دهند. این معادلات می‌توانند به‌صورت عمومی برای دسته‌ای خاصی رآکتورها مطرح شوند یا به‌صورت تجربی برای گونه خاصی از رآکتور به دست بیایند.

زمان اقامت، زمان نیمه‌عمر و زمان پایان واکنش

در رآکتورهای پیوسته که به‌طور مداوم مواد خام وارد و محصولات خارج می‌شوند، نمی‌توان زمان مشخصی برای انجام واکنش و تبدیل مواد اولیه به محصول بیان کرد. درنتیجه از کمیتی به نام زمان اقامت استفاده می‌شود. زمان اقامت متوسط زمانی است که یک‌ذره وارد رآکتور شده و تا زمان خروج در آنجا در حال واکنش است. این کمیت به‌صورت زیر نشان داده می‌شود:

در این معادله، V نشان‌دهنده حجم رآکتور، q دبی حجمی ورودی و خروجی از رآکتور و زمان اقامت است. زمان اقامت یکی از پارامترهای مورداستفاده در معادله رآکتور است

زمان نیمه‌عمر مدت‌زمانی است که نیمی از غلظت ماده اولیه تزریق‌شده در رآکتور، به محصولات تبدیل می‌شوند. به‌عنوان‌مثال در واکنش سادهA → B نیمه‌عمر واکنش به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

از این رابطه با در نظر گرفتن شرایط مرزی زیر انتگرال می‌گیریم:

همچنین زمان پایان واکنش به شیوه مشابه به‌صورت زیر به دست می‌آید. باید توجه داشت که تنها واکنش‌هایی پایان‌پذیر هستند که در آن‌ها باشد، در غیر این صورت همواره مقداری از مواد اولیه در رآکتور به‌صورت واکنش نداده باقی می‌ماند.

از این رابطه با در نظر گرفتن شرایط مرزی زیر انتگرال می‌گیریم:

انتقال حرارت در رآکتور

شکل ‏۲‑۴: تصویر شماتیک یک رآکتور به همراه کویل‌های گرمایشی و سرمایشی در اطراف آن

فرایند چه ازنظر عملیاتی و چه ازنظر ایمنی از اهمیت بالایی برخوردار است. عمده واکنش‌های شیمیایی یا گرماده هستند یا گرماگیر. درنتیجه در حین انجام واکنش ممکن است محتویات درون رآکتور گرم شده یا سرد شوند. بالا رفتن بیش‌ازحد دما در رآکتور می‌تواند موجب اختلال در عملکرد رآکتور و تجهیزات کنترلی آن شود و از همه مهم‌تر، ریسک خطر انفجار و نشت مواد را بالا می‌برد. همچنین درصورتی‌که واکنش گرماگیر باشد، با پیشرفت واکنش محتویات رآکتور سردتر می‌شود و ممکن است موجب کندی سرعت واکنش یا انجماد در رآکتور و تجهیزات آن شود. درنتیجه می‌بایست در رآکتورها، همواره دما را در حد مناسب و ایمن نگه داشت. برای این منظور از مبدل‌ها و تجهیزات انتقال حرارت استفاده می‌شود. یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای کنترل دمای رآکتورها استفاده از جاکت یا کویل‌های تبادل حرارت است. در جاکت‌ها، یک لایه از سیال با دمای بالاتر یا پایین‌تر برای تنظیم دما، در اطراف رآکتور و بدون تماس جرمی با محتویات رآکتور، مرتباً در چرخش است. در روش کویل نیز لوله‌هایی که حاوی سیال سردتر یا گرم‌تر است به‌صورت مارپیچ یا اشکال دیگر در اطراف رآکتور قرار داده می‌شود تا تبادل حرارت با رآکتور انجام شود.

میکسینگ و انتقال جرم در رآکتور

شکل ‏۲‑۵: برشی از یک رآکتور مخزنی به همراه سیستم خنک‌کننده جاکتی که شفت و پروانه همزن در وسط آن دیده می‌شود

فرایند هم زدن و انتقال جرم در رآکتورها از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا درصورتی‌که محتویات داخل رآکتور به‌خوبی ترکیب نشوند، امکان واکنش ندادن بخشی از مواد و درنتیجه پایین آمدن کیفیت محصول می‌شود. عمل هم زدن در رآکتورهای مخزنی شکل، با استفاده از همزن‌های دوار که به شفت و الکتروموتور متصل است انجام می‌شود. در رآکتورهای لوله‌ای (پلاگ) نیز به دلیل شکل رآکتور، عمل اختلاط در طول لوله با حرکت سیال اتفاق می‌افتد. شکل، نحوه قرارگیری و سرعت چرخش همزن بستگی به عواملی چون، حجم مخزن، شکل مخزن، ویسکوزیته سیال و … دارد. همچنین انتخاب جنس همزن و بدنه رآکتور به مواد داخل رآکتور بستگی دارد. مثلاً اگر مواد داخل رآکتور خورنده باشند، استفاده از فولاد و موادی که امکان خورده شدن در آن وجود دارد، غیرمنطقی است. در این‌گونه موارد انتخاب مواد جایگزین یا پوشش دهی تجهیزات با لعاب‌های سرامیکی یا پوشش‌های پلیمری روش مناسبی در جلوگیری از خوردگی و واکنش‌های ناخواسته است.

انواع راکتورهای شیمیایی

رآکتورهای شیمیایی طراحی‌های پیچیده‌ای دارند که گاه طی سالیان متمادی برای یک فرایند خاص به تکامل رسیده است. پارامترهای بسیار بر طراحی و شکل رآکتور مؤثر هستند که موجب تنوع انواع رآکتورها می‌شوند. اما می‌توان بر اساس برخی پارامترهای اساسی، رآکتورها را به دسته‌های عمده تقسیم کرد که در زیر به آن می‌پردازیم.

انواع رآکتور ازنظر فازهای درگیر در واکنش

واکنش‌ها در رآکتور ممکن است به‌صورت همگن (تمامی مواد در یک‌فاز هستند) یا ناهمگن (مواد درگیر در واکنش در فازهای مختلف قرار دارند) انجام شود. این امر موجب می‌شود تا در طراحی رآکتور محدودیت‌هایی ایجاد شود. واکنش‌های گازی نمونه‌ای از واکنش‌های همگن هستند که معمولاً در رآکتورهای لوله‌ای انجام می‌شوند. رآکتورهای ناهمگن بر اساس فازهای درگیر در واکنش شکل‌های مختلفی دارند اما نکته مهم در این رآکتورها ایجاد انتقال جرم و تماس مناسب بین فازها برای انجام واکنش است. در جدول زیر انواع راکتورهای شیمیایی ازنظر فازهای درگیر در واکنش و نمونه‌های صنعتی آن نشان داده‌شده‌اند

جدول ‏۲‑۱: انواع راکتورهای شیمیایی ازنظر فازهای درگیر در واکنش

نوع فرایند	نمونه صنعتی
فرایند گاز–جامد	واکنش گاز کلر با اکسید اورانیوم برای تولید اورانیوم کلرید فرار • زدایش ناخالصی اکسید آهن از اکسید تیتانیوم با استفاده از گاز کلر • سوختن زغال‌سنگ • تولید گاز از زغال‌سنگ • تولید گاز هیدروژن از واکنش بخار آب و آهن • تولید کاربید سینامید از واکنش نیتروژن هوا با کلسیم کاربید • واکنش سوختن سنگ معدن سولفید آهن در هوا
فرایند مایع-جامد	فرایند انتقال یون • تولید استیلن از واکنش آب و کلسیم کاربید • لیچینگ سنگ معدن اورانیوم با اسیدسولفوریک • واکنش اسیدسولفوریک و سدیم کلرید جامد با سدیم فسفات یاسدیم نیترات
فرایند گاز-مایع	تولید سدیم تیوسولفات از واکنش گوگرد دی اکسید و محلول آبی سدیم کربنات و سدیم سولفید • تولید سدیم نیتریت از واکنش نیتریک اکسید و اکسیژن با محلول سدیم کربنات • تولیدسدیم هیپوکلریت از واکنش کلر با سدیم هیدروکسید • تولید آلومینیوم نیترات از واکنش آمونیاک و اسید نیتریک محلول • تولید اسید نیتریک از جذب نیتریک اکسید در آب • استخراج ید از واکنش گوگرد دی اکسید با محلول سدیم یدات • واکنش هیدروژنه کردن روغن‌های گیاهی با گاز هیدروژن
فرایند مایع-مایع	تولید سود سوزآور از واکنش آمالگام سدیم و آب • نیتروژن دار کردن ترکیبات آلی با محلول آبی نیتریک اسید • تولید صابون از واکنش محلول‌های قلیایی و چربی‌ها یا اسیدهای چرب • زدایش گوگرد از مشتقات نفتی با اتانول آمین‌ها • واکنش محصولات پتروشیمی با اسیدسولفوریک
فرایند جامد-جامد	تولید سیمان • تولید کاربید بور از واکنش اکسید بور و کربن • تولید سیلیکات کلسیم از آهک و سیلیکا • تولید کلسیم کاربید از واکنش آهک و کربن • فرایند لبلانک
فرایند جامد-مایع-گاز	مایع‌سازی یا هیدروژنه کردن زغال‌سنگ در دوغاب نفتی

رآکتور بسته و نیمه بسته

شکل ‏۲‑۶:: نماد رآکتور بسته

رآکتور بسته گونه ساده‌ای از رآکتورهای شیمیایی هستند که به‌صورت مخزنی همراه باهمزن و سیستم تبادل حرارت است. در این رآکتورها مواد اولیه داخل رآکتور پر می‌شود و سپس واکنش انجام می‌گیرد. پس از تکمیل واکنش و تولید محصول، درب رآکتور بازشده و محصولات تخلیه می‌شوند. این فرایند بارها و بارها قابل تکرار است. رآکتورهای نیمه بسته نیز به همین صورت است با این تفاوت که در این نوع از رآکتورها، مواد اولیه به‌آرامی به مخزن افزوده می‌شود اما خروجی از رآکتور وجود ندارد. از رآکتورهای بسته عمدتاً در تولید محصول در ابعاد کم و محصولاتی که متقاضی مقطعی یا فصلی دارند استفاده می‌شود. موادی مانند مواد دارویی ازجمله موادی هستند که در دستگاه‌های بسته تولید می‌شود. تغییر در شکل فرایند با استفاده از رآکتورهای بسته به‌مراتب آسان‌تر و به‌صرفه‌تر از فرآیندهای پیوسته است. دانستن سینتیک و سازوکار فرایند در رآکتورهای بسته کم‌اهمیت‌تر است به همین سبب است که سینتیک عمده فرآیندهای داروسازی ناشناخته است معادله عمومی رآکتورهای بسته به شکل زیر تعریف می‌شود.

با انتگرال‌گیری از معادله دیفرانسیل بالا در شرایط مرزی زیر به معادله عمومی رآکتور بسته برحسب غلظت خواهیم رسید.

رآکتورهای پیوسته 

رآکتورهای پیوسته

شکل ‏۲‑۷: : نماد رآکتور سی اس تی آر

رآکتورهای پیوسته گونه‌ای متداول از رآکتورها هستند که در آن‌ها یک یا چند جریان ورودی به سیستم، مواد واکنش‌دهنده را به داخل رآکتور می‌آورد و پس از واکنش، از خروجی یا خروجی‌های رآکتور محصولات خارج می‌شوند. به‌طورمعمول دبی ورودی و خروجی از این رآکتورها ثابت است. در غیر این صورت امکان سرریز یا تخلیه سریع مخزن رآکتور وجود دارد. در زیر معادله کلی موازنه رآکتور پیوسته نوشته‌شده است.

این نوع رآکتورها عمدتاً برای تولید محصولات با حجم بالا و محصولاتی که میزان تقاضای آن‌ها به‌صورت ثابت در بازار وجود دارد استفاده می‌شود. مواد سوختی، محصولات پتروشیمی و مواد شوینده و بهداشتی ازجمله این مواد هستند. ایجاد تغییرات در رآکتورهای پیوسته به دلیل این‌که در فرآیندهای پیوسته باید همه فرایندها با یکدیگر هماهنگ کار کنند به‌مراتب سخت‌تر از رآکتورهای بسته است. به همین دلیل از این نوع از رآکتورها در تولید یک محصول یا محصولاتی که تولید آن شباهت زیادی به هم دارند استفاده می‌شود. دو نوع متداول از رآکتورهای پیوسته، رآکتورهای مخزنی باهمزن و رآکتورهای پلاگ (یا لوله‌ای) هستند:

رآکتور پلاگ

شکل ‏۲‑۸: طرح شماتیک از مقطع فرضی یک رآکتور پلاگ

رآکتورهای پلاگ گونه‌ای از رآکتورهای پیوسته هستند که در آن‌ها به‌جای یک مخزن یا تانک، از یک لوله برای انجام واکنش استفاده می‌شود. این نوع رآکتورها نسبت به شکل مخزنی آن، فضای کمتری اشغال می‌کنند. درعین‌حال به دلیل ساختار لوله‌ای، سطح تماس بیشتری با محیط اطراف داشته و تبادل گرما راحت‌تر انجام می‌شود. جریان پلاگ گونه‌ای از جریان سیال در داخل لوله است که در آن سرعت حرکت سیال در نزدیکی دیواره لوله و در مرکز لوله یکنواخت است. این امر موجب می‌شود مواد واکنش‌دهنده به‌طور یکنواخت با یکدیگر تماس یافته و واکنش انجام شود. این نوع از جریان با لوله‌های بلند و باریک ایجاد می‌شود. همچنین مارپیچ کردن لوله نیز می‌تواند به این امر کمک کند. معادله عمومی رآکتورهای پلاگ به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

همچنین رابطه زمان اقامت در این نوع رآکتور پیوسته به‌صورت زیر است:

رآکتورهای مخزنی باهمزن

شکل ‏۲‑۹: داخل یک نوع رآکتور سی اس تی آر که در آن همزن و شفت آن به همراه بافل‌ها (پایین تصویر) دیده می‌شوند

رآکتورهای مخزنی باهمزن که به‌اختصار رآکتورهای سی اس تی آر نیز شناخته می‌شوند. این رآکتورها به‌صورت مخازنی همراه با ورودی‌ها و خروجی‌ها هستند که عمل اختلاط و هم زدن مواد توسط شفت و پروانه صورت می‌گیرد. این نوع رآکتورهای پیوسته در مقایسه با رآکتورهای پلاگ حجم بیشتری نیاز دارند اما حجم تولید در آن‌ها بالاتر است. معادله عمومی رآکتور برای این نوع از رآکتور برحسب غلظت به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

زمان اقامت در این نوع رآکتور نیز مشابه راکتور پلاگ به‌صورت زیر قابل‌تعریف است:

رآکتورهای ثابت بستر و سیال بستر

گونه دیگری از رآکتورها، رآکتورهای ثابت بستر و سیال بستر هستند. در رآکتورهای ثابت بستر ماده جامد که معمولاً کاتالیست می‌باشد، به‌طور ثابت داخل رآکتور قرار دارد و مواد واکنش‌دهنده پس از عبور از روی این مواد، واکنش داده و از رآکتور خارج می‌شوند. رآکتورهای آکنده نمونه‌ای از این نوع رآکتورها هستند. نمونه‌ای از کاربرد این نوع رآکتورها برای تصفیه گازهای خروجی از نیروگاه‌های سوخت فسیلی است. در این نوع نیروگاه‌ها، پس از فرایند احتراق، گازهای حاوی ترکیبات مضر نیتروژن از داخل رآکتور حاوی کاتالیست عبور می‌کند تا ترکیبات مضر آن به مواد کم‌خطرتر تبدیل شوند. در رآکتورهای سیال بستر مواد جامد با جریانی از سیال در داخل رآکتور به‌صورت معلق درمی‌آیند. این مواد جامد می‌توانند واکنش‌دهنده‌ها، کاتالیست ها یا بازدارنده‌ها باشند. این فرایند موجب افزایش انتقال جرم و حرارت در رآکتور و اختلاط کامل‌تر اجزا می‌شود. از دیگر مزایای این نوع رآکتور امکان خارج کردن جامد از رآکتور به‌صورت پیوسته و انتقال به واحد دیگر است. به‌عنوان نمونه هنگامی‌که احیا دوباره بازدارنده‌ها و کاتالیست ها نیاز باشد، می‌توان آن‌ها را به‌این‌ترتیب از رآکتور خارج و به واحد بازیابی منتقل کرد.

سنتز و پایداری نانوذرات مغناطیسی

تمرکز این مقاله بر روش‌های مختلف سنتز، محافظت از نانوذرات سنتز شده و درنهایت عامل‌دار کردن این نانوذرات برای کاربردهای گوناگون است. تاکنون پیشرفت گسترده‌ای در کنترل اندازه و شکل نانوذرات مغناطیسی با روش‌هایی مانند هم رسوبی، تجزیه حرارتی و روش هیدروترمال انجام پذیرفته است. بااین‌حال چالش اصلی، محافظت و جلوگیری از تخریب نانوذرات است که برای غلبه بر آن روش‌هایی مانند پوشش دهی با پلیمر، سیلیکا و کربن و یا قرار دادن آن‌ها در یک ماتریکس به‌کاربرده می‌شوند. درنهایت جهت به‌کارگیری این نانوذرات درزمینهٔ های مختلف، سطح آن‌ها را به‌وسیله عامل‌دار کردن اصلاح نموده و بهبود می‌بخشند.

مقدمه

در سال‌های اخیر، تلاش‌های زیادی برای تهیه و سنتز نانوذرات مغناطیسی جهت کاربرد آن‌ها درزمینهٔ های متنوعی مانند بیوتکنولوژی، دارورسانی، کامپیوتر و … انجام‌شده است. به‌طورکلی عملکرد و کاربرد این نانوذرات تحت تأثیر طراحی و سنتز مناسب آن‌ها است. تاکنون نانوذرات مغناطیسی مختلفی سنتز شده‌اند که از آن جمله می‌توان به نانوذرات فلزی خالص (Fe, Co , Ni)، اکسیدهای فلزی (Fe_۳O_۴ , γ-Fе_۲О_۳)، فریت‌ها (MFe_۲O_۴ ,M = Cu, Ni, Mn, Mg, etc.) و آلیاژهای فلزی (FePt, CoPt) اشاره کرد.

در هنگام سنتز این نانوذرات بایستی برخی شرایط کلیدی مانند خواص مغناطیسی ذاتی ، اندازه و شکل نانوذرات، پوشش سطحی و بار سطحی نانوذرات، پایداری در محیط آبی و همچنین غیرسمی‌بودن آن‌ها موردتوجه قرار گیرند. با انتخاب یک روش سنتز مناسب می‌توان اندازه، شکل، پوشش سطحی و پایداری کلوئیدی نانوذرات مغناطیسی را به‌صورت مطلوب کنترل کرد. در انتخاب ماده مغناطیسی، اکسیدهای آهن معمولاً حرف اول را می‌زنند. از یک‌سو این اکسیدها نسبت به دیگر نانوذرات مغناطیسی خواص مغناطیسی خوبی دارند و از سوی دیگر پایداری بالایی در برابر تخریب از خود نشان می‌دهند. همچنین این نانوذرات سمیت پایین‌تری را نیز دارند. تا به امروز روش‌های گوناگونی جهت سنتز نانوذرات مغناطیسی ارائه و بهبود داده‌شده‌اند. در این مقاله به توضیح برخی از آن‌ها پرداخته خواهد شد.

سنتز نانوذرات مغناطیسی

سنتز در فاز مایع

از روش‌های سنتز نانوذرات مغناطیسی در فاز مایع می‌توان به هم رسوبی (Coprecipitation)، میکرو امولسیون (Microemulsion)، سنتز با استفاده از فراصوت و … اشاره نمود. تهیه و رسوب‌دهی همگن ذرات با یکنواختی بالا (Monodispersity) را می‌توان با اصول و نمودار LaMer (شکل ‏۲‑۱۰) توجیه نمود. رشد ذرات از دو راه نفوذ ذرات بر سطح هسته‌های از پیش تشکیل‌شده و تجمع برگشت‌ناپذیر هسته‌ها انجام می‌شود.

شکل ‏۲‑۱۰ : نمودار LaMer

هم رسوبی (Co-precipitation)

روش هم رسوبی ساده‌ترین و کارآمدترین روش شیمیایی ‌برای سنتز نانوذرات مغناطیسی (اکسیدهای فلزی و فریت‌ها) است. مزیت اصلی هم رسوبی، توانایی آن در سنتز تعداد زیادی از نانوذرات است. هرچند، کنترل توزیع اندازه ذرات در این روش محدود ‌است و فاکتورهای سینتیکی رشد ذرات را کنترل می‌کنند.

فرآیند هم رسوبی (شکل ‏۲‑۱۱) شامل دو مرحله است: زمانی که غلظت گونه‌ها به یک حد فوق اشباع می‌رسد مقدار کمی ‌هسته‌زایی رخ می‌دهد و سپس رشد تدریجی هسته‌ها (با نفوذ حل شونده‌ها بر روی سطح ذرات) صورت می‌پذیرد.

شکل ‏۲‑۱۱: شماتیک سنتز نانوذرات مغناطیسی Fe_۳O_۴ با استفاده از روش هم رسوبی؛ ابتدا محلولی از یون‌های آهن در اسیدکلریدریک تهیه‌شده و سپس این محلول بر روی محلولی از دی ایزوپروپیل آمین (DIPA) ریخته می‌شود که نتیجه آن ایجاد رسوبی از نانوذرات اکسید آهن خواهد بود.

اخیراً استفاده از برخی ترکیبات آلی مانند پلی-وینیل الکل (PVA) که هم نقش کاهنده و هم نقش پایدارکننده را ایفا می‌کنند، باعث سنتز نانوذرات با یکنواختی بیشتری شده است.
معمولاً سنتز نانوذرات اکسید آهن (Fe_۳O_۴ , γ-Fе_۲О_۳) و فریت‌ها در محیط آبی و به روش هم رسوبی از طریق واکنش زیر صورت می‌گیرد‌:

که در آن M^+۲ می‌تواند عناصر متفاوتی ازجمله Fe^۲+, Mn^۲+, Co^۲+, Cu^۲+, Mg^۲+, Zn^۲+ ,Ni^+۲ باشند[۱۲].

میکرو امولسیون (Microemulsion)

میکرو امولسیون مجموعه‌ای غیرقابل اختلاط از حلال آبی، حلال آلی است که به‌وسیله سورفاکتانت (Surfactant) پایدار می‌شوند. در این حالت قطراتی از حلال آبی که توسط لایه‌ای از سورفاکتانت پوشیده شده‌اند در بین حلال آلی به وجود می‌آید و به مجموعه آن‌ها مایسل (Micelle) گفته می‌شود. همان‌طور که در شکل ‏۲‑۱۲، مشاهده می‌گردد، اگر قسمت آب‌گریز مولکول (به‌اصطلاح قسمت هیدروکربنی) سورفاکتانت به سمت بیرون و حلال آلی باشد به آن‌ها مایسل معکوس (Reverse Micelle) می‌گویند. اندازه مایسل به‌دست‌آمده با نسبت مولی آب به سورفاکتانت تعیین می‌شود. از میکرو امولسیون آب در روغن (Water-in-Oil، W/O) به‌طور وسیعی برای سنتز یکنواخت نانوذرات استفاده می‌شود. با مخلوط کردن آب، روغن و مواد واکنش‌دهنده، به‌صورت مداوم قطراتی تشکیل‌شده، باهم برخورد کرده، ادغام می‌شوند و مجدداً شکسته می‌شوند که درنهایت منجر به تشکیل رسوب خواهد شد.‌ با افزودن حلال‌هایی مانند استون و یا اتانول، می‌توان رسوب‌ها را ‌لخته نمود و سپس با فیلتر کردن و یا سانتریفیوژ، آن‌ها را از میکرو امولسیون جدا نمود. ازجمله معایبی که کارآمدی این فرآیند را کم می‌کند، استفاده زیاد از حلال می‌باشد[۱۳].

شکل ‏۲‑۱۲: شماتیکی از مایسل نرمال و معکوس

تجزیه حرارتی (Thermal Decomposition)

با تجزیه حرارتی برخی مواد اولیه آلی-فلزی در دمای بالا، مانند کمپلکس‌های فلزی با لیگاندهای آلی، کربونیل فلزات (مانند Fe(CO)_۵) یا برخی ترکیبات دیگر همراه با استفاده از حلال‌های آلی و سورفاکتانت‌های مانند اسیدهای چرب، اولئیک اسید و هگزا دسیل آمین (Hexadecylamine)، می‌توان نانوذراتی با یکنواختی و اندازه بسیار کنترل‌شده را سنتز نمود.
در این نوع سنتزها، نسبت ‌مواد اولیه یعنی ترکیبات آلی– فلزی، سورفاکتانت و حلال پارامترهای اصلی برای کنترل اندازه و ریخت‌شناسی سطح (Morphology) نانوذرات مغناطیسی به شمار می‌آیند. دما و زمان واکنش و همچنین دوره هضم رسوب (Aging) نیز ممکن است برای کنترل دقیق اندازه و مورفولوژی بسیار مهم باشند[۱۳] .

تجزیه حرارتی مواد اولیه با فلز مرکزی کاتیونی، مستقیماً منجر به تولید نانوذرات اکسید فلزی می‌شود. از سوی دیگر، اگر از پیش‌ماده‌های صفر ظرفیتی مانند کربونیل ها استفاده شود، تجزیه حرارتی در ابتدا سبب تولید نانوذرات فلزی می‌شود و می‌توان پس‌ازاین مرحله با استفاده از هوا و یا اکسیدکننده‌ها نانوذرات اکسید فلزی را تولید کرد .

روش‌های دیگر

علاوه بر روش‌های گفته‌شده روش‌های متعدد دیگری مانند هیدروترمال و استفاده از امواج فراصوت نیز استفاده می‌شود. هیدروترمال (Hydrothermal)، ‌روشی سنتزی است که در محیط آبی و دمای بالا انجام می‌شود. این دمای بالا سبب تسریع در هسته‌زایی و رشد نانوذرات و درنهایت به وجود آمدن نانوذرات بسیار ریز (Ultrafine) می‌شود[۱۴].

روش دیگر، سنتز با استفاده از امواج فراصوت (سنتز نانومواد با استفاده از روش‌های سونوشیمیایی) است.‌‌‌ مبنای استفاده از این روش، بر پایه فرایندی به نام حفره‌زایی (Cavitation) استوار است که براثر تشکیل، رشد و انفجار حباب‌ها در داخل مایع صورت می‌پذیرد. در اثر انفجار درونی این حباب‌ها، گرمای موضعی زیادی به وجود می‌آید که می‌توان ازآن‌جهت انجام واکنش‌های مختلف بهره برد.

سنتز در فاز گاز

در فاز گازی نیز مانند فاز مایع، روش‌های مختلف برای سنتز نانوذرات استفاده می‌شود. روش‌های مورداستفاده در این فاز رسوب‌دهی شیمیایی بخار (Chemical Vapour Deposition)، تخلیه با قوس الکتریکی (Arc Discharge) و پیرولیز با لیزر (Laser Pyrolysis) ‌هستند.

رسوب‌دهی شیمیایی بخار (Chemical Vapour Deposition)

در فرایند رسوب‌دهی شیمیایی بخار (CVD) مقادیر کمی از پیش‌ماده‌ها توسط جریان گاز وارد یک محفظه داغ می‌شوند و رسوب‌دهی تحت خلأ در دمای بالا (>900 °C) انجام می‌گیرد. رشد و تجمع (Agglomeration) ذرات توسط جریان سریع گاز در خروجی محفظه کاسته می‌شود. فرایندهای حرارتی (Thermal Treatment) پس از سنتز نانو پودرهای به‌دست‌آمده اجازه می‌دهد تا تغییرات ساختاری شامل خلوص ذرات و تبلور، و همچنین تغییر به‌اندازه و ساختار و مورفولوژی دلخواه به‌خوبی انجام پذیرد[۱۴].

تخلیه با قوس الکتریکی (Arc Discharge)

این روش عموماً برای سنتز نانوذرات مغناطیسی محصورشده با یک لایه کربنی (Carbon-Encapsulated) یا نانوذرات مغناطیسی از جنس کاربید فلزات مورداستفاده قرار می‌گیرد. طی این روش، پیش‌ماده فلزی درون حفره‌ای بر روی یک الکترود گرافیتی قرار گرفته و در اثر تخلیه الکتریکی به‌صورت قوس، تبخیر می‌شود. از این روش همچنین می‌توان برای پوشاندن سطح نانوذرات فلزی با نیترید بور (Boron Nitride) استفاده نمود. متأسفانه به دلیل محدودیت‌هایی همچون بازده پایین و دشواری در کنترل اندازه و ضخامت نانوذرات سنتز شده، نمی‌توان این روش را در مقیاس صنعتی به کار برد ‌.

در کنار این روش‌ها ‌از نور لیزر نیز می‌توان برای سنتز نانوذراتی با توزیع اندازه کمتر از ۱۰ نانومتر استفاده نمود [۱۴].

سنتز در فاز جامد

برای سنتز نانوذرات مغناطیسی در فاز جامد (به‌خصوص نانوذرات محصورشده با یک لایه کربنی) عموماً ‌از روشی تحت عنوان Annealing استفاده می‌شود که در اصل به معنای حرارت دادن در دمای بسیار بالا و سپس سرد کردن است. مزیت استفاده از این روش، کنترل خوب اندازه و خاصیت سوپر پارامغناطیسی نانوذرات و همچنین کاهش ناخالصی‌ها و سنتز مناسب در مقیاس بالا است.

روش‌های محافظت (Protection Methods)

هر چند تا به حال، روش‌های متعددی در جهت پیشرفت و بهبود روش‌های سنتز نانوذرات مغناطیسی ارائه شده است، پایدار ماندن این نانوذرات برای مدت طولانی در برابر انباشته شدن و رسوب دادن آن‌ها موضوعی مهم و قابل توجه است. چرا که پایداری این نانوذرات امری مهم در به کارگیری آن‌ها است.

نانوذرات مغناطیسی به دلیل سطح ویژه بزرگی که دارند در برابر اکسیداسیون و انباشتگی بسیار حساس و همچنین از لحاظ شیمیایی بسیار واکنش پذیر هستند. در دما و فشار معمولی، سطح نانوذرات به‌سرعت اکسید شده و درنتیجه لایه‌ای نازک از اکسید بر روی آن تشکیل می‌شود که به شدت خواص آن‌ها را تغییر می‌دهد. انباشتگی طبیعی نانوذرات مشکل دیگری است که کاربرد گسترده نانوذرات مغناطیسی را با محدودیت مواجه می‌کند‌[۱۴].

1. از روش‌های زیر می‌توان جهت پایداری نانوذرات مغناطیسی استفاده کرد:
   تعادل بین نیروهای دافعه و جاذبه بین نانوذرات.

قرار دادن پوشاننده‌های آلی ‌هایا معدنی بر روی سطح نانوذرات مغناطیسی.

پوشش‌های آلی(Organic Coating) : تا به امروز اغلب مطالعات بر روی توسعه پوشش با سورفاکتانت‌ها متمرکز شده بود، اما امروزه بیشتر توجهات بدلیل ایجاد دافعه بیشتر به سمت پوشش دهی با پلیمرها معطوف شده است. روش‌های متعددی برای پایداری نانوذرات مغناطیسی با استفاده از سورفاکتانت‌ها و پلیمرها چه در حین سنتز و چه بعد از سنتز نانوذرات ارائه شده است. همان‌طور که در شکل ‏۲‑۱۳، نشان داده شده است، با ایجاد یک یا دو لایه بر روی آن سبب ایجاد دافعه و پراکنده (Disperse) ماندن نانوذرات مغناطیسی می‌شوند.

شکل ‏۲‑۱۳: برخی از پوشش های آلی مورداستفاده جهت تضمین پایداری نانوذرات مغناطیسی

جهت جلوگیری از اکسید شدن نانوذرات مغناطیسی، بایستی پوشش دهی به‌صورت متراکم باشد، زیرا یک یا دولایه نازک در محیط اسیدی به‌راحتی از سطح نانوذرات جدا می‌شوند و سبب از دست رفتن خاصیت مغناطیسی می‌گردد.

پوشش‌های معدنی (Inorganic Coatings)

‌‌سطح نانوذرات مغناطیسی را می‌توان با پوشش‌های معدنی (شکل ۵) همچون اکسیدهای فلزی، سیلیکا، فلزات گرانبها و کربن پوشاند.یک راه بسیار ساده برای محافظت نانوذرات مغناطیسی، استفاده از اکسیدهای فلزی متفاوت از هسته اصلی به‌عنوان پوشش آن‌ها است.