آرگون مایع

مشخصات فیزیکی و شیمیایی

گاز آرگون عنصری بی اثر، بی رنگ و بی بو اولین بار توسط هنری کاوندیش 1785 شناخته شد كه با اعمال ولتاژ بالا، به رنگ متمايل به آبي روشن در مي آيد. بیش از یک قرن بعد در سال 1894 ویلیام رمزی ، شیمی دان اسکاتلندی با لرد ریلی (جان ویلیام اشتروت) دریافتند که نیتروژن تهیه شده با حذف اکسیژن هوا حدوداً 0.5 درصد چگالتر از نیتروژن حاصل از منابع شیمیایی مانند آمونیاک است. گاز سنگین باقیمانده پس از حذف اکسیژن و نیتروژن از هوا اولین گازهای نجیب بود که در زمین کشف شد و به دلیل بی اثر بودن شیمیایی آن را از کلمه یونانی “lazy”، “تنبل” نامگذاری کردند.

عنصر آرگون در جدول تناوبي با نشان Ar و عدد اتمی ۱۸ قرار گرفته است. آرگون كه سومين گاز بی اثر در گروه ۸ است تقريبا ۱% اتمسفر زمين را تشكيل مي‌دهد آرگون ۲,۵ مرتبه حل شدنیتر از نيتروژن در آب است و تقريبا قابليت حل شدن آن شبيه اكسيژن است.

جدول مشخصات فنی آرگون مایع

اين عنصر شيميايي ساكن، در هر دو حالت گاز و مايع خود بی اثر است. تاکنون هيچگونه تركيب واقعی كه شامل آرگون باشد، شناخته نشده است. از آنجایی که آرگون مایع با بخار شدن مقدار قابل توجهی گرما استفاده می کند یک سرد بسیار خوب محسوب می شود. از ویژگی های شیمیایی آن می توان به چگالی آن که ۱۳۹۴ کیلوگرم در متر مکعب است اشاره کرد. در واقع یعنی یک لیتر آرگون مایع برابر با ۱.۴ کیلوگرم است.

بیشتر بخوانید: کاربرد آرگون در صنایع فولاد

مراحل اصلی تولید آرگون مایع

 ۱. جداسازی هوا (Air Separation)

آرگون یکی از اجزای هواست و تقریباً 0.93 درصد از جو زمین را تشکیل می‌دهد. اولین گام برای تولید آرگون مایع، تبدیل هوای محیط به حالت مایع از طریق فشرده‌سازی و سردسازی (Cryogenic Distillation) است. در این فرآیند، هوا ابتدا فشرده شده و سپس تا دمایی نزدیک به -200 درجه سانتی‌گراد سرد می‌شود تا اجزای آن به مایع تبدیل شوند.

 ۲. تقطیر جزء به جزء برودتی (Cryogenic Fractional Distillation)

پس از مایع شدن هوا، از ستون‌های تقطیر برودتی استفاده می‌شود تا اجزای آن بر اساس نقطه جوش جدا شوند. چون نقطه جوش آرگون (-185.9°C) بین نقطه جوش نیتروژن (-196°C) و اکسیژن (-183°C) قرار دارد، جداسازی آن نیاز به دقت بالا و مرحله‌بندی دارد. در این مرحله:

• ابتدا نیتروژن و اکسیژن جدا می‌شوند
• سپس جریان آرگون خام با حدود ۵٪ اکسیژن به یک ستون تقطیر دوم هدایت می‌شود

 ۳. خالص‌سازی آرگون

برای رسیدن به خلوص تجاری بالا (حدود 99.999%)، آرگون خام نیاز به تصفیه و خالص‌سازی بیشتری دارد. در این مرحله از فناوری‌هایی مانند:

• راکتورهای جذب اکسیژن
• فیلترهای خاص (Catalytic Purifiers)
• و خشک‌کن‌های ویژه
  استفاده می‌شود.

در نهایت، گاز خالص آرگون تحت فشار مجدد سرد شده و به آرگون مایع با چگالی بالا تبدیل می‌شود.

منابع جایگزین برای تولید آرگون

در برخی موارد، آرگون به عنوان محصول جانبی از فرآیندهای شیمیایی نظیر:

• تولید آمونیاک
• یا تصفیه گازهای پتروشیمی نیز استخراج می‌شود، اما منبع اصلی، فرآیند تقطیر هوای مایع است.

چرا آرگون به صورت مایع تولید می‌شود؟

آرگون به دلیل نقطه جوش پایین و خاصیت برودتی بالا در بسیاری از صنایع نیاز به حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی در حالت مایع دارد. از جمله مزایای تولید آرگون به شکل مایع می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

✅ کاهش حجم (۱ لیتر آرگون مایع ≈ ۸۰۰ لیتر گاز)
✅ حمل‌ونقل آسان‌تر در مخازن کرایوژنیک
✅ کاربرد مستقیم در صنایع حساس مانند جوشکاری، پزشکی و الکترونیک

تجهیزات مورد نیاز در تولید آرگون مایع

• کمپرسور هوا با فشار بالا
• مبدل‌های حرارتی کرایوژنیک
• ستون‌های تقطیر جزء به جزء
• سیستم‌های خلأ دو جداره برای نگهداری
• راکتورهای خالص‌سازی گاز
• مخازن ذخیره کرایوژنیک

کابردهای آرگون مایع

1.  کاربرد آرگون مایع در صنعت جوشکاری و متالورژی

یکی از مهم‌ترین و رایج‌ترین کاربردهای آرگون مایع در جوشکاری با قوس الکتریکی (TIG و MIG) است. آرگون به عنوان گاز پوششی (Shielding Gas) استفاده می‌شود تا از واکنش فلز گداخته با اکسیژن و نیتروژن هوا جلوگیری کند.

صنایع هدف:

• خودروسازی
• ساخت تجهیزات پزشکی استیل
• تولید قطعات آلومینیومی و تیتانیومی
• جوشکاری فولادهای زنگ‌نزن

چرا آرگون؟ چون چگالی بالا و واکنش‌پذیری صفر دارد، پایداری قوس را تضمین می‌کند و کیفیت جوش را به حداکثر می‌رساند.

2. استفاده از آرگون مایع در سیستم‌های برودتی و کرایوژنیک

آرگون مایع به علت دمای بسیار پایین خود در فناوری‌های برودتی و آزمایشگاه‌های کرایوژنیک (Cryogenic) برای خنک‌سازی تجهیزات یا مواد به کار می‌رود.

نمونه کاربردها:

• خنک‌سازی آشکارسازهای ذرات در فیزیک (مانند آشکارسازهای LArTPC)
• استفاده در راکتورهای تحقیقاتی
• ذخیره و انتقال نمونه‌های زیستی در دمای بسیار پایین

3.  کاربرد آرگون مایع در تحقیقات و علوم پایه

در آزمایشگاه‌های پیشرفته، آرگون مایع به دلیل خلوص بالا و دمای پایین، در آزمایش‌های فیزیک هسته‌ای، شتاب‌دهنده‌ها و آنالیز طیف‌سنجی کاربرد دارد.

مثال:

• آزمایش‌های Dark Matter در فیزیک کوانتومی
• خنک‌سازی آشکارسازهای سیلیکونی در شتاب‌دهنده‌های ذرات
• محیط بی‌اثر برای واکنش‌های شیمیایی بسیار حساس

4. ذخیره و نگهداری مواد حساس

در صنایعی مانند داروسازی یا الکترونیک پیشرفته، آرگون مایع به عنوان محیط محافظ برای مواد حساس به اکسیژن یا رطوبت استفاده می‌شود.

مثال‌ها:

• نگهداری سلول‌های بنیادی و بافت‌های زیستی
• حمل‌ونقل ایمن مواد نانو و رادیواکتیو
• محیط ذخیره‌سازی قطعات میکروالکترونیک

5. کاربرد آرگون مایع به عنوان گاز بی‌اثر حفاظتی

در فرآیندهایی که ممانعت از اکسیداسیون یا واکنش ناخواسته ضروری است، آرگون مایع با تبخیر به آرگون گازی تبدیل شده و محیط بی‌اثر فراهم می‌آورد.

کاربردها:

• ریخته‌گری فلزات واکنش‌پذیر (مانند منیزیم یا آلومینیوم)
• فرآیند آنیلینگ در متالورژی
• پالایش و تخلیص فلزات کمیاب

خطرات و ایمنی

• نه آرگون گازی و نه مایع قابل اشتعال نیست و به خودی خود خطر آتش سوزی یا انفجار را ایجاد نمی کند. با این حال، آنها معمولاً تحت فشار ذخیره می شوند و مخازن ذخیره سازی، اعم از سیلندرهای گاز یا مخازن مایع، نباید در مناطقی قرار گیرند که خطر آتش سوزی زیاد وجود دارد یا معمولاً ممکن است در معرض گرمای بیش از حد قرار گیرند. ظروف آرگون گازی فشرده در صورت گرم شدن بیش از حد در اثر قرار گرفتن در معرض آتش ممکن است به شدت پاره شوند.

• کمپرسورهای روغن کاری شده که به طور مداوم در سرویس آرگون برای مدت طولانی کار می کنند، نباید بدون تمیز کردن کامل به سرویس هوا تبدیل شوند، در غیر این صورت این خطر وجود دارد که رسوبات پیروفوریک اکسید نشده ای که ممکن است در دستگاه ایجاد شده باشد در تماس با هوای فشرده به شدت منفجر شوند.
• اين عنصر شيميايي با تنفس توسط بدن انسان جذب مي شود. خطر تنفس در محيط هايي كه عمل تصفيه انجام نمي شود، مقدار گاز آرگون افزايش پيدا مي كند و به سرعت در هوا به حالت فوق اشباع رسيده و خطر اختناق و خفگي را به دنبال دارد.
  بر اثر تنفس گاز آرگون، سرگيجه، خستگي، سردرد و خفگي رخ مي دهد. مرگ در صورتي رخ مي دهد كه فرد در حالت بيهوشي قرار بگيرد و نتواند از خود در برابر اين گاز محافظت كند. زماني كه ميزان اكسيژن محيط پايين باشد، طي چند ثانيه مرگ اتفاق مي افتد.
• در محیط های صنعتی باید در نظر داشته باشید تا به هیچ عنوان آرگون مایع با کربن یا فولاد کم آلیاژ تماسی نداشته باشد.
• هیچ وقت آب را با آرگون مایع مخلوط نکنید. زیرا این کار باعث می شود مقدار زیادی از آن تبخیر گردد و آب نیز یخ بزند. اگر دست یا پوست شما به آرگون مایع برخورد کند آن ناحیه دچار سرمازدگی می شود و همواره با قرمز شدن یا تغییر رنگ پوست به خاکستری یا سفید همراه است. در این صورت باید محل برخورد را با آب ولرم خیس کرد و به هیچ وقت از آب داغ استفاده نکنید.
• تمامی افرادی که با آرگون مایع کار می کنند باید به عینک و محافظ، دستکش و غیره مجهز باشند.
• به هیچ عنوان نباید با پوست و چشم تماسی پیدا کند چون سبب یخ زدگی آن می شود.
• برای استفاده سیلندر آرگون مایع حتما از تجهیزات تقلیل فشار استفاده شود و بعد از هر استفاده شیر حتما بسته شود و همچنین بعد از خالی شدن کپسول و مخازن نگهداری آرگون باید در مکانی خنک و همچنین دارای تهویه مناسب و بدور از هرگونه مواد قلیایی و اسید قرار گیرد.
• مخازن حاوی آرگون مایع باید در مکانی با تهویه مناسب ذخیره گردد. از ذخیره مخازن آرگون مایع در فضای بسته و یا در مکانی که از تغییرات آب و هوایی حافظت نشده، خودداری کنید.
• مخازن حاوی مایعات برودتی با دستگاه های فشار جهت کنترل فشار داخلی تجهیز شده اند.
• مایعات برودتی باید به صورت عمودی ذخیره، جابجا و حمل و نقل شود.
• از شوک حرارتی و مکانیکی جلوگیری شود.
• به هیچ وجه هیچ قسمت محافظت نشده از بدن نباید در تماس با لوله ها و یا تجهیزات حاوی مایعات برودتی قرار گیرد.

————————————————–

منابع:

Linde Gas

Air Liquide

Chemicals Safety Facts