العودة   منتدى لغة الروح > لغة الفيزياء > الفيزياء العامة


علم المعادن: إنتــاج الحــديـد بالكهــربـاء

كل ما يخص الفيزياء العامة


إضافة رد
 
أدوات الموضوع انواع عرض الموضوع
#1  
قديم 04-18-2016, 09:19 PM
mo7med غير متواجد حالياً
لوني المفضل Cadetblue
 رقم العضوية : 647
 تاريخ التسجيل : Apr 2016
 فترة الأقامة : 1685 يوم
 أخر زيارة : 11-09-2017 (06:56 PM)
 المشاركات : 101 [ + ]
 التقييم : 30
 معدل التقييم : mo7med is on a distinguished road
بيانات اضافيه [ + ]
Post علم المعادن: إنتــاج الحــديـد بالكهــربـاء



علم المعادن: إنتــاج الحــديـد بالكهــربـاء

لا يزال العلماء يراودهم اليوم حلمُ تحويل سائل أكسيد الحديد إلى حديد وأكسجين باستخدام الكهرباء. والتوصل إلى مِصْعَد (قطب موجب) تتحمل مادته درجات الحرارة المرتفعة والكيماويات المسببة للتآكل يجعل الحلمَ أقرب إلى الواقع.


في عام 2011، أنتج العالم حوالي مليار طن من الحديد1. لكن مع الأسف، ما يصاحب هذا من إنتاج لثاني أكسيد الكربون أسهم بحوالي 5% في ارتفاع كمية هذا الغاز بالجو عالميًا في العام نفسه (المرجع 1).
السبب في ذلك لا يعود إلى كمية ثاني أكسيد الكربون التي يتم إنتاجها مقابل كل طن حديد ـ ففي حقيقة الأمر ثاني أكسيد الكربون الذي ينتجه الحديد أقل من معظم المعادن ـ لكن السبب يكمن في كمية الحديد الكبيرة التي يتم إنتاجها سنويًا. ومؤخرًا، نشر ألانور وزملاؤه2 اكتشافًا قد يجعل إنتاج الحديد أكثر صداقة للبيئة: اختزال خام الحديد باستخدام تيار كهربائي في عملية تُعرَف بالتحليل الكهربي.

الشائع في إنتاج الحديد هو اختزال خام الحديد بالكربون في أفران الصهر عند درجة حرارة 1600 مئوية، وهو ما ينتج حديد سائل مُشبَّع بالكربون إضافة إلى خليط من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون3. في العادة، يتم حرق أول أكسيد الكربون منتجًا حرارة ومزيدًا من ثاني أكسيد الكربون.
رُغم ذلك، فالحديد المُنتج من أفران الصهر ليست له استخدامات كثيرة نظرًا لطبيعته الهشة. فالحصول على منتجات صلبة مفيدة يحتاج إلى نزع معظم الكربون، مما ينتج مزيد من ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون، وكذلك نزع الشوائب الأخرى التي تُدخل مع الكربون.

أحد البدائل هو اختزال أكاسيد الحديد مباشرة باستخدام الهيدروجين. لكن الهيدروجين نفسه يتم إنتاجه عبر تفاعل الميثان مع المياه، أو عبر التحليل الكهربي للمياه3. كلتا الحالتين تتطلبان
خطوتين ضروريتين لإنتاج الحديد: إنتاج الهيدروجين ثم اختزال أكاسيد الحديد. يبدو منطقيًا إذن أن يتم استخدام الكهرباء لتجاوز خطوة إنتاج الهيدروجين لأجل اختزال خام الحديد مباشرةً دون الحاجة إلى خطوة إنتاج الهيدروجين (الشكل1).
كذلك، يُفضَّل أن يكون المنتج المعدني والكهرُل electrolyte—وهو المادة التي يتم تذويب أكاسيد الحديد فيها— سائلين، لأن السوائل عمومًا أسهل تناولًا من المواد الصلبة. سبب آخر لكي يكون المنتج سائلًا هو أن الحديد إذا ترسّب كصلب عبر الكهرُل المنصهر (السائل)، يأخذ شكل مسحوق سهل الأكسدة، مما يعكس التفاعل المطلوب. التحدي الأساسي إذن هو ابتكار عملية كهرُلية تنتج حديدًا سائلًا خاليًا من الكربون والأكسجين.




المعادن: إنتــاج الحــديـد بالكهــربـاء
الشكل 1 | استخلاص المعادن بالتحليل الكهربائي. صورة من داخل مصهر ألمونيوم توضح لنا الظروف القاسية التي يجب أن تتحملها مكونات الخلاليا الكهرُلية. أورد ألانور وزملاؤه2 مواد يمكن استخدامها كمصاعد (أقطاب موجبة) في إنتاج الحديد كهربائيًّا.





أكاسيد الحديد تذوب بسهولة في أكاسيد المعادن الذائبة لتشكّل خليطًا موصلًا للأيونات بشكل كبير، ويتخذ الحديد فيه هيئة أيونات الحديد الثنائية والثلاثية. ترسيب الحديد السائل من هذا الخليط لا يُعَد مشكلة، ويصبح التحدي إذن، لإنتاج الحديد باستخدام العملية الكهرُلية، هو البحث عن مصعد (أنود) مناسب يكون موصلًا جيدًا، ولا يتأثر سلبًا بالخليط الذائب أو بالأكسجين الذي تنتجه العملية عند درجة حرارة 1600 مئوية. هناك ثلاثة مواد قد تكون مناسبة لذلك: المعادن، وهي موصلة جيدة لكنها قد تتأكسد؛ والخزف الموصّل، وهو قد يذوب في الخليط وليس مرنًا؛ والخزف المعدني أو السِرمِت (cermet)، وهو خليط من المعادن والخزف4.

يركز ألانور وزملاؤه اهتمامهم على السبائك المعدنية التي تشكل أغشية الأكاسيد على سطحها أثناء التحليل الكهربي— دون أن تذوب تلك الأغشية في الكهرُل السائل. وقد ذكرت نفس المجموعة5 أن عنصر الإريديوم قد يكون جيدًا كمصعد إذ أن أكسيده لا يتشكل عند درجات حرارة فوق 1200 درجة مئوية؛ وهو ما يعني أن المعدن سيظل كما هو أثناء عملية التحليل الكهربي بدلًا من التآكل بسبب الأكسدة. لكن، الإريديوم أكثر كلفة وندرة من أن يُستخدم في إنتاج الحديد صناعيًا.

بالنظر في سبائك الحديد والكروم الأرخص، وجد المؤلفون أنها مقاومة للأكسدة تحت الظروف الضرورية نفسها لاختزال الحديد في الكهرُل الذائب. ووجدوا لهذه السبائك ميزة أخرى، وهي أن أي ذوبان مصعدي (anodic dissolution) قد يحدث لن يلوّث الحديد بشوائب غير مرغوبة. بل إن أي شوائب من الكروم ستكون مفيدة لأن الكروم عادةً ما يضاف إلى الحديد ليقلل مستوى أكسدته.

حينما تتأكسد سبيكة ما، فإن مكونات الغشاء الذي يتكون على سطحها تكون غالبًا أكاسيد العناصر التي تُكوّن السبيكة، إلا أن طبقة الأكسيد التي تشكلت على المصعد خلال التحليل الكهربي، أثناء دراسة ألانور وزملائه، كانت بمثابة محلول صلب من أكسيد الكروم وأكسيد الألومنيوم.
والأخير كان مصدره الكهرُل الذي تكوّن من أكسيد الحديد الثلاثي وأكسيد الألومنيوم وأكسيد المجنيزيوم وأكسيد الكالسيوم. وبعكس التوقعات، حين غُمِر مصعد من الحديد والكروم في الكهرُل بدون تطبيق أي جهد كهربي، لاحظ الباحثون تكون طبقة إضافية خليط من أكسيد الكالسيوم وأكسيد الألومنيوم فوق طبقة أكسيد الكروم وأكسيد الألومنيوم المتوقعة. تُعد ملاحظة الباحثين مُناقضة لنظرية الأكسدة التقليدية.
وتفسير ذلك قد يكون أنه لدى تطبيق جهد كهربي، يتم صد أيونات الكالسيوم موجبة الشحنة بواسطة المصعد الموجَب، مما يمنع تكون طبقة الكالسيوم حينئذ.

ستحفز دراسات ألانور وزملائه تطويرًا أكثر لسبائك قليلة التكلفة للاستخدام في التحليل الكهربي لأكاسيد الحديد، وستدفع الباحثين نحو تصميم مفاعل تجريبي لتلك العملية. لكن قدرًا معتبرًا من التطوير التقني سيكون مطلوبًا ليتسنى استخدام اكتشاف الباحثين تجاريًا.
فمثلاً، تحدث تفاعلات التحليل الكهربي بشكل ثابت في بعدين اثنين على الأقطاب، بينما تتم التفاعلات الكيميائية أثناء صناعة الحديد في ثلاثة أبعاد، وبالتالي سيكون صعبًا أن يضاهي المفاعل الكهرُلي التجريبي مكانيًّا وزمانيًّا المصاهر التقليدية.
فالخلايا الكهرُلية يجب أن تصمَّم بحيث تكون المسافة بين المصعد (الأنود) والمهبط (الكاثود) قصيرة بما لا يسمح بتبديد الجهد الكهربي في الكهرُل، لكن ليس لدرجة القصر التي تتيح للحديد والأكسجين المتكونَين عند كل قطب كهربي أن يتصلا ببعضهما ويتفاعلا لاستعادة أكاسيد الحديد. كثافة التيارات الكهربائية المستخدمة في النظام يجب أن تستمر عالية لتضمن معدل إنتاج عالي.

لا يزال هناك الكثير المطلوب من العمل، فيمكن تطوير تقنية أقل تلويثًا لإنتاج الحديد. وتلك الطريقة قد يتم تعميمها لاستخلاص جميع أنواع المعادن من أكاسيدها.
وهناك أيضًا تطبيق مثير للاهتمام: إنتاج الأكسجين من أكاسيد المعادن، وذلك سيكون ثمينًا جدًّا لعمليات استكشاف الفضاء. فإذا تمت العملية على سطح القمر، مثلا، قد يُستخدم الأكسجين في خليط الوقود والأكسجين الضروري لتشغيل الصواريخ، واستدامة الحياة هناك6.7، مما يجعل هذا استيطان البشر للمجموعة الشمسية فكرة أكثر جدوى.




References

  • [عزيزى الزائر لايمكنك مشاهده الروابط الا بعد التسجيلللتسجيل اضغط هنا]
  • Allanore, A., Yin, L. & Sadoway, D. R. Nature 497, 353–356 (2013).
  • Habashi, F. Handbook of Extractive Metallurgy (Wiley-VCH, 1997).
  • Sadoway, D. R. J. Metals 53, 34–35 (2001).
  • Kim, H., Paramore, J., Allanore, A. & Sadoway, D. R. J. Electrochem. Soc. 158, 101–105 (2011).
  • Sanderson, K. Nature [عزيزى الزائر لايمكنك مشاهده الروابط الا بعد التسجيلللتسجيل اضغط هنا] (2009).
  • Schwandt, C., Hamilton, J. A., Fray, D. J. & Crawford, I. A. Planet. Space Sci. 74, 49–56 (2011).
من مجلة Nature

ساعد في نشر والارتقاء بنا عبر مشاركة رأيك في الفيس بوك



كلمات البحث

العاب ، برامج ، سيارات ، هاكات ، استايلات








رد مع اقتباس
إضافة رد

مواقع النشر (المفضلة)

الكلمات الدلالية (Tags)
المعادن:, الحــديـد, بالكهــربـاء, إنتــاج

أدوات الموضوع
انواع عرض الموضوع

تعليمات المشاركة
لا تستطيع إضافة مواضيع جديدة
لا تستطيع الرد على المواضيع
لا تستطيع إرفاق ملفات
لا تستطيع تعديل مشاركاتك

BB code is متاحة
كود [IMG] متاحة
كود HTML معطلة

الانتقال السريع

Facebook Comments by: ABDU_GO - شركة الإبداع الرقمية

Bookmark and Share


الساعة الآن 07:04 PM.

أقسام المنتدى

لغة الفيزياء | الفيزياء العامة | الفيزياء الحديثة | الفيزياء النووية | المحاضرات عن بعد | تكنو فيز | الوسائط التعليمية | الفيديو العلمي | طرق وأساليب التدريس | الأجهزة التعليمية | البرامج والمواد التعليمية | فيزياء المرحلة الثانوية (نظام المقررات ) | الترجمة | الأخبار العلمية والتكنولوجيا | لغة الأدب | الأدب العربي | الأدب النبطي | لغتنا العربية | الركن الهادئ | لغة الذات | دورات وقراءات | الميديا التنموية | الروحانيات | اسأل طبيبك | استراحة المنتدى | لقاء العائلة | شاركنا أخبارك | التعارف والترحيب بين الأعضاء | منتدى الإدارة | القرارات الإدارية | تواصل مع الإدارة | منتدى الاقتراحات والملاحظات | ريشة فنان | منتدى المواضيع المحذوفة والمكررة | الفيزياء الطبية | مسار محاضرات الفيزياء | مسار محاضرات الفيزياء الجزء الأول (1و2و3) | مسار محاضرات الفيزياء الجزء الثاني (4و5و6) |



Powered by vbulletin
Copyright ©2000 - 2020.


HêĽм √ 3.1 BY: ! ωαнαм ! © 2010

أن المنتدى غير مسئول عما يطرح فيه أفكار وهي تعبر عن آراء كاتبها

This Forum used Arshfny Mod by islam servant

هذا الموقع يستعمل منتجات MARCO1

جميع الحقوق محفوظة لموقع لغة الروح |تصميم المتحدة لخدمات الانترنت