مقالات XRD

پراش پرتو ایکس

تفاوت XRD و XRF

کاربردهای XRD

نمونه تحلیل XRD آزمایشگاه تحقیقاتی حسگر مواد صبا

تعیین فازهای سیمان

تعیین درصد بلورینگی و اندازه ذرات الیاف سلولزی با استفاده از دستگاه XRD

بررسی پیگمنت ها یا رنگدانه ها

بررسی کانی های رسی با استفاده از XRD

تعیین کریستالیته زئولیت ها با استفاده از XRD

آزبست

تفرق پرتوی ایکس

 

 

پراش پرتو ایکس

X-Ray Diffraction

برای فهم بهتر اصول بنیادی و واژه‌های تخصصی پراش پرتو ایکس یا X-Ray Diffraction اجازه دهید تا نگاه مختصری در مورد تئوری که در پس این تکنیک نهفته است،بیاندازیم.

یک ماده جامد می‌تواند به یکی از صورت های زیر باشد:

1-    آمورف: اتم های تشکیل دهنده به صورت تصادفی در کنار یک دیگر قرار می گیرند، شبیه چیزی که در مایعات مشاهده می شود و نظم ندارند(دامنه نظم آنها بسیار کوتاه است)

2-    کریستال: اتم های تشکیل دهنده در یک الگوی منظم قرار گرفته اند. این الگو در سه جهت فضایی، تکرار می شود. کریستال یا بلور را می توان به دیوار آجری تشبیه کرد که هر آجر، یک واحد کوچک از اتم های منظم تشکیل یافته است. هر رج از دیوار، به عنوان یک صفحه تعریف می شود. هر واحد از نظم شکل گرفته ( یا همان آجر دیوار آجری) Unit Cell نام دارد. ابعاد Unit Cell توسط سه محور a، b و c تعریف می شود و زوایه های بین آنها آلفا، بتا و گاما نام دارد.

زمانی که یک الکترون در یک میدان متناوب الکترومغناطیسی قرار می گیرد، شروع به نوسان می کند. فرکانس نوسان الکترون برابر فرکانس نوسان میدان خواهد بود. برخورد اشعه X به اتم، سبب می شود الکترون های اطراف اتم، برابر با فرکانس پرتو تابیده شده، شروع به نوسان کنند. پرتو های عبورکرده از اتم، تقریبا در تمام جهات، تداخلات غیر سازنده دارند و موج های ترکیب شده در یک فاز نیستند و هیچ تصویری از نمونه جامد نخواهند داد. قرار گرفتن اتم ها در یک ساختار کریستالی که دارای ساختاری منظم است، سبب می شود تا در تعداد کمی از جهات، تداخلات سازنده بوجود بیاید. بدین ترتیب پرتو هایی که از نمونه کریستالی عبور می کنند، هم فاز هستند  و با ایجاد تصویری مناسب، نمونه را در چندین جهت، ترک می‌‌کنند. از این رو یک پرتو پراش یافته را می توان به این صورت توصیف کرد که چندین اشعه پراش یافته هستند که متقابلا، همدیگر را تقویت می کنند.

حال دو صفحه موازی در یک شبکه بلوری به نام های P1 و P2، با فاصله ی میان صفحه ای d را در نظر بگیرید. دو پرتو 1 و 2 با زوایه مشخص TETHAبه صفحات یاد شده تابیده می شوند. پرتوی پراش یافته در صورتی که دو پرتو 1’ و 2’ هم فاز باشند، بیشترین شدت را خواهد داشت. زاویه تتا، وابسته به فاصله صفحه های کریستالی ویا فاصله اتمی آنها می باشد. با این روش می توان باتوجه به زاویه حداکثر بازتابش پرتو انعکاس یافته از شبکه بلورین، فاصله اتم جسم و یا فاصله صفحات کریستالی را بدست آورد.

 

پراش پرتو ایکس

 

از طرفی می توان با مشخص بودن فاصله صفحات کریستالی جسم، زاویه تابش و زاویه حداکثر بازتابش طول موج تابش الکترومغناطیسی را بدست آورد که از فرمول براگ تبعیت می‌کند.

nλ = 2d sin(θ)                n = 1, 2, 3

در این فرمول:

:n مرتبه بازتاب است و می‌تواند اعداد صحیح کوچکی باشد(تعداد صفحه های کریستالی)،

 طول موج پرتو ایکس است که الکترون یا نوترون را جابجا نموده است

:d  فضای خالی میان اتم ها یا فاصله بین صفحات کریستالی است

 زاویه‌ای که پرتوهای بازتابیده شده بیشترین دامنه را با راستای تابش پرتو های اولیه دارند

--------------------------------------------------------------------------------------

 

 

تفاوت XRD و XRF

آنالیز XRD یا X-Ray Diffraction یا همان پراش پرتو ایکس، روشی برای تعیین فازها و ساختار کریستالی مواد است. از این روش برای مطالعات و شناسایی فازها، کانی شناسی و کریستالوگرافی استفاده می شود.

xrd sample

اما آنالیز xrf یا X-Ray Fluorescence یا همان طیف سنجی فلوئورسانس پرتو ایکس، یکی از روشهای آنالیز عنصری است.

طیف xrf

این دو دستگاه، هر دو از پرتو ایکس برای شناسایی استفاده میکنند؛ ولی تفاوت XRD و xrf در این است که XRD، جهت شناسایی فازها به کار میرود و میتواند تعیین کند که هر عنصر در ماده، در چه ترکیبی وجود دارد؛ در حالی که xrf آنالیز عنصری انجام میدهد و تنها میتواند تشخیص دهد چه درصدی از عناصر در ماده موجود است.

--------------------------------------------------------------------------------------

 

 

کاربردهای XRD

طیف ­سنجی پراش پرتو ایکس، یک تکنیک سریع آنالیزی است که برای تشخیص نوع مواد و همچنین فاز و خصوصیات کریستالی آن به کار می رود. برای انجام این آنالیز، مواد باید به خوبی پودر و همگن شده باشند یا فیلمی یکنواخت از آنها تهیه شده باشد. آنالیز XRD درشناخت مواد در زمینه­ های مختلف، مانند زمین­ شناسی، محیط زیست، علم مواد، مهندسی و زیست شناسی کاربرد شایانی دارد.

کاربردهای دقیق­تر این روش عبارت است از:

• تعیین خصوصیات کریستالی مواد

• شناسایی مواد معدنی که با روش­ های نوری قابل تشخیص نیستند

• تعیین اندازه unit cellهای تشکیل­ دهنده ماده

• اندازه­ گیری میزان خلوص ماده

• اندازه ­گيري ضخامت فيلم ­هاي نازك و چندلايه

• تعیین مشخصات ساختاري شامل پارامتر شبكه، اندازه و شكل دانه، كرنش، تركيب فاز و تنش داخلي مناطق كريستالي كوچك

• تعیین ساختار سوم پروتئین­ ها

--------------------------------------------------------------------------------------

 

 

 

نمونه تحلیل XRD آزمایشگاه تحقیقاتی حسگر مواد صبا

طیف سنجی پرتو x، یکی از انواع روش های آنالیز مواد می باشد که در زیر، یک نمونه تحلیل دستگاه XRD را با جزئیات کامل آورده ایم.لازم به ذکر است که تصویر دوم مقایسه طیف به دست آمده در این آزمایشگاه و طیف موجود در لایبراری می باشد

Graphics

xrd spectrum

Peak List

Pos.[°2Th.]  Height[cts]  FWHM[°2Th.]  d-spacing[?]  Rel.Int.[%]  Tipwidth[°2Th.]  Matched by

     10.4864        16.41        0.9446       8.43629         1.75            1.1336                   

     23.9593       293.84        0.1771       3.71421        31.38            0.2125

  01-084-0307;00.. 

     32.9544       936.46        0.1574       2.71807       100.00            0.1889

  01-084-0307;00.. 

     35.4241       690.52        0.1574       2.53403        73.74            0.1889

  01-084-0307;00.. 

     39.0997        15.94        0.2362       2.30387         1.70            0.2834

  01-084-0307      

     40.6431       205.75        0.0984       2.21988        21.97            0.1181

  01-084-0307;00.. 

     43.3080        16.60        0.2362       2.08926         1.77            0.2834

  01-084-0307      

     49.2577       328.22        0.1574       1.84993        35.05            0.1889

  01-084-0307;00.. 

     53.8794       392.83        0.1378       1.70165        41.95            0.1653

  01-084-0307;00.. 

     57.3813        83.75        0.1574       1.60585         8.94            0.1889

  01-084-0307;00.. 

     62.2587       258.81        0.1181       1.49125        27.64            0.1417

  01-084-0307;00.. 

     63.8080       248.54        0.1181       1.45873        26.54            0.1417

  01-084-0307;00.. 

     69.4135        22.67        0.3149       1.35400         2.42            0.3779

  01-084-0307      

     71.7632        84.53        0.1574       1.31534         9.03            0.1889

  01-084-0307      

     75.3100        55.61        0.1574       1.26196         5.94            0.1889

  01-084-0307;00.. 

     77.6451        13.92        0.5760       1.22872         1.49            0.6912

  01-084-0307      

Pattern List

Visible  Ref.Code     Score    Compound Name         Displ.[°2Th]  Scale Fac.  Chem. Formula        

*        01-084-0307       90  Iron Oxide                   -0.306       0.881  Fe2 O3               

         00-003-0812       27  Hematite                     -0.511       0.190  Fe2 O3               

         00-005-0637       59  Iron Oxide                   -0.222       0.505  Fe2 O3                

comparison xrd spectrum

--------------------------------------------------------------------------------------

 

 

تعیین فازهای سیمان

استفاده از روش های مدرن آنالیز، همانند پراش پرتوی ایکس و Rietveld امکان تشخیص سریع و کنترل مناسب تغییرات در ترکیب کلینگر(دانه‌های حرارت دیده‌ای است، که معمولا ۳-۲۵ میلی متر(قطر) دارند و از حرارت دادن به سنگ آهک و آلومینیوم سیلیکات (خاک رس) در طی مرحله کوره سیمان بوجود می‌آیند) سیمان را فراهم میکند. این روش به ما اطمینان میدهد که میتوان سیمانی با کیفیت یکنواخت علی رغم تغییر در شرایط تولید به مشتری تحویل دهیم.استفاده از تکنیک آنالیز XRD که یک ابزار تکمیلی در تعیین خصوصيات كمي وكيفي مواد مورد استفاده در توليد سيمان (شامل مواد خام، سوخت كوره، كلينگر، سيمان، غبار كوره،افزودنی هائی مانند پوزولان - سرباره - گچ - سنگ آهن و عيب زدايي از عمليات توليد سيمان) را با دقت قابل قبول فراهم میسازد. در واقع آنالیز XRD  یا همان پراش اشعه ایکس روشی غیرمخرب برای تعیین ترکیب و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مواد کریستالین در صنعت سیمان و بسیاری از صنایع دیگر می باشد

در بین تکنیک های متفاوت، روش تعیین فاز(Phase identification)  که کاربرد فراوانی در صنعت دارد، اساسی ترین کابرد XRD می‌باشد. در این روش مکان (زاویه پیکها) و شدت آنها هرکدام به نوبهی خود حاوی اطلاعاتی از نمونه می‌ باشد که با استفاده از آن می‌توان ساختار اتمی و فاز صفحات پراش کننده را تعیین کرد و از این طریق به جنس و ساختار نمونه پی‌برد. این کار از طریق مقایسه نمودار حاصل با نمودارهای استاندارد‌ انجام می‌شود.

تغییر در فاز کیلینگر و علاوه بر این تغییر در ساختمان طبیعی فازها با روش Rietveld  قابل تشخیص است.

در فرايند پخت كلينگر اكسيد هايSiO2وAl2O3وFe2O3وCaOو...با يكديگر تركيب  شده و فاز هاي كريستالي متفاوتي را تشكيل مي‌دهند .

سيمان پرتلند از چهار كريستال ‌اصلي تشكيل شده است:

1.تری‌کلسیم سیلیکات آلیت C3Se ) ۲۰-۷۵ درصد

2.دی‌کلسیم سیلیکات (  بلیت C2S ) ۱۵-۴۶ درصد

3.تری‌کلسیم آلومینات ( C3) ۴-۱۳ درصد

4.تتراکلسیم آلومینوفریت (  C4AF ) ۸-۱۲ درصد است

هرکدام از این فازها اثر متفاوتی روی خواص سیمان از جمله بروی مقاومت سيمان در ابتدا و یا  در دراز مدت وگيرش اوليه و نهائي دارند.

بطور مثال تشخیص در تغییر ساختار مکعبی C3A  و C2S امکان پذیر است. این دو فاز تفاوت های قابل ملاحظه ای در واکنش پذیری  با یکدیگر دارد. در نتیجه از نظر کارپذیری و میزان سولفات و خواص گیرش سیمان متفاوت هستند.

خواص شیمیائی و مینرالوژی کلینگر است که بستکی به ترکیبات شیمیائی و فاز تشکیل کلینگر در هنگام پخت و خنک شدن دارد. پس از تولید سیمان، خواص شیمیائی آن را می‌توان به سرعت با استفاده از آنالیزهای شیمیائی یا تجهیزاتی نظیر XRF یا XRD تعیین کرد. همچنین خواص فیزیکی اصلی سیمان را نیز می‌توان اندازه‌گیری کرد.

نمایی از فازهای سیمان

یک نمونه آنالیز توسط دستگاه XRD

کارخانه سیمان

فازهای سیمان

--------------------------------------------------------------------------------------

 

 

تعیین درصد بلورینگی و اندازه ذرات الیاف سلولزی با استفاده از دستگاه XRD

 

سلولز

سلولز با فرمول شیمیایی C6H10O5)n( و با چگالی 1.5 گرم بر سانتیمتر مکعب یکی از مهم ترین پلیمرهای طبیعی است و به عنوان یک ماده خام پایان ناپذیر، مادهای زیست سازگار و در مقیاس صنعتی است.  این ماده سال هاست که در قالب چوب و الیاف گیاهی به عنوان یک منبع انرژی، مصالح ساختمانی و پوشاک به کار برده می شود.

الیاف سلولزی دسته جاتی از میکروفیبریل ها هستند که در آنها ملکول های سلولز همیشه به صورت فیبریل های در اندازه نانو توسط گیاه تولید می شوند. بالغ بر 100 زنجیره گلوکان به یکدیگر ملحق می شوند تا به صورت یک فیبریل مقدماتی در آیند، و فیبریل ها نیز به یکدیگر ملحق شده و به صورت میکروفیبریل های سلولزی در اندازه نانو و یا نانوفیبر در می آیند .

الیاف سلولزی

الیاف سلولزی با داشتن عرضی در محدوده نانومتر، موادی مبتنی بر طبیعت با ویژگی های مفید و منحصر به فرد هستند. مهم تر از همه، نانو سلولز های جدید که از الیاف سلولزی نانوساختار با یک بعد نسبتاً وسیع (نسبت طول به عرض) و با خواص معین تهیه می شوند، کاربردهای متعددی پیدا کرده اند. ترکیبات الیاف نانوساختار در فشار بالا، دمای بالا و شتاب بالا مجزا شده ومنجر به ایجاد یک سطح وسیع می شوند و از این رو بر هم کنش های قوی با گونه های اطراف مانند آب، مواد پلیمری، مواد آلی، نانو ذرات و سلول های زنده ایجاد می کنند. روش هایی از قبیل میکروسکوپ الکترونی عبوری،  و میکروسکوپ الکترونی روبشی، پراش پرتوی ایکس و ... برای شناسایی ساختار سلولز  بکار می روند.

نانو الیاف سلولزی از دو بخش آمورف و کریستالی تشکیل شده اند:

بررسی ساختار کریستالیته و نیز درجه کریستالیته الیاف  و بررسی نسبت سلولز موجود در الیاف که  نسبت مستقیم با خواص کریستالیته الیاف دارد با دستگاه XRD  قابل اندازه گیری میباشد.

روش سگال

میزان اندازه ذرات و درجه کریستالیته الیاف تاثیر مستقیم بر خصوصیات الیاف سلولزی دارد ، براساس روش سگال الیاف موجود در زاویه 2 theta  برابر با   18 مناطق آمورف  و  2theta  برابر 22.7  نشان دهنده مناطق سلولز  بصورت کریستالی میباشد که با این روش میتوان درجه کریستالیته مناظق کریستالی را محاسبه کرد.

6

7

--------------------------------------------------------------------------------------

 

 

بررسی پیگمنت ها یا رنگدانه ها

 

معمولا مواد رنگی را به دو دسته پیگمانها ( رنگدانه‌ها ) و رنگها طبقه ‌بندی می‌کنند. رنگدانه با رنگ متفاوت می‌باشد. تفاوت آنها در این است که رنگ بایستی توسط ماده مورد رنگرزی جذب شود در حالیکه رنگدانه فقط سطح جسم را رنگی می‌کند. رنگدانه‌ها در آب نامحلول هستند.

رنگدانه‌ها یا پیگمانها ، مواد جامد تزئینی هستند که در شکل و اندازه‌های مختلف در حلالهای مربوط به حالت معلق تهیه و بکار می‌روند و مشتمل بر مواد سیاه – سفید و رنگی بوده ، موارد استفاده زیادی در رویه زدن ، رنگرزی انبوه و دیسپرسیون در هوا دارند.

انواع رنگدانه‌ها

معمولاً رنگدانه‌ها را براساس انواع  شیمیایی به رنگدانه‌های معدنی یا آلی طبقه‌بندی می‌کنند، اما این رنگدانه‌های آلی یا معدنی می‌توانند طبیعی یا سنتزی باشند.

رنگدانه‌های طبیعی و مصنوعی

رنگدانه‌های معدنی طبیعی از پوسته زمین استخراج می‌شوند، خرد شده ، شسته شده ، از لحاظ اندازه درجه‌بندی می‌شوند. غالباً برای این رنگدانه‌های طبیعی ، معادل مصنوعی هم وجود دارد، یعنی رنگدانه از اجزاء دیگری در اثر یک فرآیند شیمیایی ساخته می‌شود. ظاهراً از نظر شیمیایی با نمونه طبیعی یکسان است، ولی اغلب خواص متفاوتی دارد و معمولاً به خاطر شکل بلوری مطلوبتر ، خلوص بیشتر و دانه‌بندی مطلوبتر ، مرغوبتر از نوع طبیعی می باشد.

رنگدانه‌های آلی

امروزه رنگدانه‌های آلی به مراتب بیشتر از رنگدانه‌های معدنی می‌باشند. بعضی از جدیدترین رنگدانه‌ها ساختمان آلی فلزی دارند. بیشتر رنگدانه‌های آلی ، مواد شیمیایی آلی هستند که روی یک هسته معدنی هیدروکسید آلومینیوم رسوب داده شده‌اند. از مهمترین رنگدانه‌های آلی می‌توان به گروه فتالوسیانین‌ها اشاره کرد که طیف رنگهای آبی و سبز را در بر می‌گیرند و فتالوسیانین مس ، رنگدانه آبی می‌باشد که به علت خواص مقاومتی خوب در برابر عوامل مختلف ، یک رنگدانه با ارزش به شمار می‌رود.

کاربرد عمده پیگمانها

موارد استعمال عمده پیگمانها در لاکها ، رنگهای روغنی ، ورنی‌ها ، رنگهای سلولزی ، رنگهای پلاستیکی ، مرکبهای چاپ و رنگرزی کاغذ و تاسیسات آهنی می‌باشد. صنایع پوششی عمده‌ ترین موارد استعمال پیگمانها می‌باشد. امروزه پوشش سطح وسایل فلزی و چوبی بناها ، وسایل نقلیه و … اهمیت فراوانی دارد زیرا این وسایل توسط رنگ از عوامل مختلف مثل هوا ،رطوبت و ترکیبات شیمیایی محافظت می‌شوند. در رنگ زدن اشیا به زیباتر شدن آنها کمک می‌کند.

 

ويژگي هاي پيگمنت

1.  طبيعت شيميايي

2.  ساختار کريستالی

3.  شکل ذرات                                                                                                                                

4.ابعاد ذرات و توزيع

5.ضريب شکست

6.  مشخصات پخش شدگي

7.رنگ بندي و ساير مشخصات فيلم رنگ

8.مقاومت دربرابر شرايط مختلف جوي و نوري

9.  مقاومت در برابر اسيدها و بازها

10.مقاومت در برابر حرارت

و ساير فاکتورهاي مهمي که در بخش ماندگاري و مقاومتي مد نظر هستند.

اندازه ذرات يك رنگدانه به نوع رنگدانه بستگي دارد. اندازه ذرات يك رنگدانه تأثير زيادي در ويژگيهاي رنگ مانند قدرت پوشش، جلوگيري از ته نشين شدن، درخشندگي و براقيت رنگ دارد. رنگدانه ها نه تنها در اندازه ذراتشان بلكه در شكل ذرات هم متفاوتند. اين اشكال ممكن است مكعبي، كروي، گره گره، سوزني يا ورقه اي باشد.

به عنوان مثال ذرات رنگدانه كربن كروي شكل هستند. رنگدانه آلومينيوم و ميكا ورقه اي هستند. پاره اي از رنگدانه يارها شكل تيغ هاي يا سوزني دارند. استفاده از اين رنگدانه يارها براي لايه هاي زيرين رنگ مفيد است زيرا به قدرت چسبندگي لايه هاي بعدي كمك مي كند. وزن مخصوص رنگدانه نیز مهم است، وقتي يك رنگ را فرموله ميكنيم از ميان رنگدانه هایي كه در اختيار داريم بايد رنگدانه اي را انتخاب كنيم كه وزن مخصوص كمتري دارد زيرا اين رنگدانه حجم بيشتري را اشغال مي كند و رنگ ساخته شده از نظر قيمت اقتصادي تر خواهد بود.

در روش پراش‌ پرتو ایکس ، پهن شدن پیک یک ماده به کاهش اندازه ذرات آن وابسته بوده که به رابطه شرر معروف است. بنابراین می‌ توان اندازه ذرات یک ماده را با این روش مشخص کرد.

8

 

9

--------------------------------------------------------------------------------------

 

 

بررسی کانی های رسی با استفاده از XRD

 

کانی های رسی

کانی های رسی

 

شناسایی کانی ها یکی از راههای شناخت بهتر خصوصیات خاک میباشد. بسیاری از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک تحت تاثیر نوع و مقدار کانی ها، خصوصا کانی های رسی است. تعیین نوع کانی های رسی با استفاده ازXRD  به آسانی امکان پذیر است و برآورد هریک از آنها با استفاده از دیفراکتوگرام های XRD،به دلیل فاکتور های مهم و موثر در شدت پیک های حاصل از کانی ها نسبتا پیچیده است.تعداد زیادی از کانی های رسی با درصد بالایی وجود دارند که اینگونه کانی ها  به دلیل جذب بالای مقدار آب، مشکلات زیادی در حفاری و بخصوص برای محاسبات پتروفیزیکی ایجاد مینمایند و همچنین رس ها بعنوان یکی از اجزای تشکیل دهنده مهم در اکثر خاک ها در پوسته زمین، به عنوان مصالح مورد نیاز در پروژه های عمرانی حضور دارد که در این حالت شناسایی آن ها به دلیل رفتار متفاوتشان، حائز اهمیت است زیرا حضور یا عدم حضور آنها می تواند در عملکرد پروژه نقش داشته باشد. یکی از روش های مهم برای شناسایی کانی ها استفاده از روش پراش پرتو ایکس میباشد.

برای شناسایی رس ها بعنوان یکی از اجزا خاک باید ابتدا نمونه آماده سازی شود؛ آماده سازی یکی از مهمترین مراحل است. در آنالیز با XRD لازم است ذرات بسیار ریز باشند؛ چیزی در حدود 1 تا 5 میکرون. برای بهبود پراش نمونه و شناسایی کانی و حذف ترکیبات مزاحم به آماده سازی خاصی نیاز میباشد.

مراحل آماده سازی نمونه رسی برای آنالیز XRD

1. جدایش کانی رسی از سنگ های تخریبی

100 گرم نمونه با آب دوبار تقطیرترکیب نموده و یک سوسپانسیون یکنواخت حاصل میکنیم و جدایش به دو صورت انجام خواهد شد.

الف) ته نشینی ثقلی

در این روش ذرات براساس وزن مخصوص جدا میشوند  و زمان ته نشینی با درجه حرارت متغییر است .پس از ته نشینی مواد مزاحم بخش بالایی برای نمونه گیری حاضر است.

ب) استفاده از روش سانتریوفیوژ

براساس نیروی گریز از مرکز ذرات سنگین تر و غیر کلوئیدی از ذرات رس جدا میشوند .

 آماده سازی نمونه های رسی برای آنالیز XRD

آماده سازی نمونه های رسی برای آنالیز XRD

 

آماده سازی کانی های رسی با ته نشینی به روش ثقلی

آماده سازی کانی های رسی با ته نشینی به روش ثقلی

 

2. جداسازی از سنگهای کربناته

برای حذف ترکیبات کربناته که بعنوان پیک های مزاحم ظاهر میشوند باید سوسپانسیون را اسیدشویی کنیم  و کربنات آن را حذف کنیم .از اسید استیک رقیق استفاده میشود تا صدمه ای به کانی نرسد.

3. جدایش از سنگ های سولفاته

به کمک نمک سدیم EDTA  میتوان سولفات را حذف کرد از این روش برای حذف کربنات هم میتوان استفاده کرد.

 

4. حذف مواد آلی

حضور مواد آلی باعث ایجاد یک برآمدگی پهن در پیک و افزایش خط زمینه میشود و محلول های لازم برای حذف این عامل اکسیدکننده های قوی است و باید احتمال تغییراتی در کانی های رسی را در نظر گرفت.

بعد از مراحل خالص سازی کانی های رسی و حذف مواد غیر رسی، نمونه برای آنالیز حاضر است.

 

روش های آنالیز کانی رسی با استفاده از XRD

1.اشباع کانی های رسی با کاتیون ها ی متفاوت

در طبیعت رس ها و خاک ها با انواع مختلف کاتیون ها اشباع میشوند که شامل Na+ Ca+    Mg+    K+   

کانی های رسی آنیون ها و کاتیون ها را جذب میکنند و آن ها را در حالت قابل تبادل نگه میدارند.فاصله صفحات کریستالی  در یک رس به نوع کاتیون های موجود  در بین لایه ها بستگی دارد.  میتوان با ورود کاتیون ها بصورت مصنوعی به داخل کریستال  فاصله صفحات را کنترل کنیم که نتیجه آن در نمودار نهایی با جابجایی پیک اصلی نمودار به سمت زوایای پایین تر در اثر نزدیک شدن صفحات و افزایش فاصله سطوح، ابجایی به سمت زوایای بالاتر میرود.

2.مایعات ارگانیک (عمدتا اتیلن گلیکول و گلیسرول )

بعنوان کمکی برای منبسط کردن رس هایی که متورم شده است  بکار میرود.  هدف از بکار بردن این مایعات بررسی میزان انبساط و بدست آوردن اطلاعات پایه برای شناسایی کانی ها میباشد.  رس های متورم شده شامل اسمکیت ها  ،مونتموریلونتیت ها ، نانترونیت  میباشند.

3.بررسی تاثیر حرارت

درجات گوناگون حرارت باعث تغییرات مشخصی در فضای ساختاری کریستال ها و یا از دست دادن ساختار میشود و در نتیجه به شناسایی رس ها کمک میشود .

طبقه بندی رس ها

الف)بر اساس ترکیب شیمیایی

1. گروه کائولینیت

Al2O3,2SiO2,2H2O

2. گروه مونت موریلونیت

(Mg,Ca)O,Al2O3,5SiO2,nH2O [ Al4(Si4O10)2(OH)4,xH2O]

3. گروه ایلیت

KAl2(OH)2AlSi3(OOH)10

4. گروه کلریت

Mg10Al2(Si6Al2)O22(OH)16

ب) طبقه بندی کانی ها براساس ساختار کریستالی

 طبقه بندی کانی ها براساس ساختار کریستالی

طبقه بندی کانی ها براساس ساختار کریستالی

 

برای تعیین ساختار کانی نمونه آماده است ،نمونه هایی که اختلاف واضحی در آنالیز دارند کاملا قابل مشاهده هستند اما در بسیاری از گروه ها و زیر گروه ها بدلیل نزدیک بود پیک های اصلی به یکدیگر لازم است تا مراحل گوناگونی بروی آنها انجام گیرد.

 

یک نمونه از آنالیز کانی رسی با دستگاه  XRD

یک نمونه از آنالیز کانی رسی با دستگاه  XRD

 

یک نمونه از آنالیز کانی رسی با دستگاه XRD با انجام آماده سازی  نمونه

یک نمونه از آنالیز کانی رسی با دستگاه XRD با انجام آماده سازی  نمونه

--------------------------------------------------------------------------------------

 

 

تعیین کریستالیته زئولیت ها با استفاده از XRD

 

زئولیت‌ها بلورهای آلومینوسیلیکاتی هستند که به دلیل داشتن خاصیت کاتالیستی، تعویض یونی و غربال مولکولی کاربرد گسترده‌ای در صنایع شیمیایی دارند. در سال‌های اخیر سنتز زئولیت با اندازه‌ی بلوری کوچکتر به دلیل بهبود خواص اشاره شده، اهمیت زیادی پیدا کرده است.

کلمه زئولیت(zeolite) مشتق از دو کلمه یونانی است که با هم به معنای سنگ جوشان می باشد (ریشه یونایی "زین " به معنای جوشیدن و "لیتوس" به معنای سنگ است )و این نام مبتنی بر این واقعیت است که در هنگام حرارت دادن زئولیت ، مقدار زیادی آب، به صورت بخار خارج می شود. زئولیت ها جامدات بلورین با منافذ ریزند، پیوند مولکولهای آب در شبکه این کانی ها ضعیف است و در اثر دما بدون آنکه ساختمان شبکه فرو ریزد، آب خود را از دست می دهند و این عمل به صورت برگشت پذیر انجام می شود. زئولیت ها به صورت شبکه کریستالی شامل اکسیژن و آلومینیوم یا سیلیس هستند که به صورت ساختمانی سه بعدی درآمده اند.

زئوليت‌ها در اصل مواد آلومينوسيليکاتي هستند که با فرمول کلي زير مشخص مي‌ گردند:

[(M+, M2+0.5) AlO2] x. [SiO2] y. [H2O] z

M+ کاتيون‌هاي فلز قليايي

M+2 کاتيون‌هاي قليايي خاکي

زئولیت ها متشکل از عناصر گروه اول و دوم مانند سدیم، کلسیم، تاسیم، منیزیم و... و از لحاظ ساختاری مانند پلیمرهای غیر آلی، کریستالی و بسیار پیچیده هستند.

دو پارامتر سینتیکی که اندازه ی ذرات و زمان تبلور را تحت تأثیر قرار می ‌دهد، نرخ هسته‌زایی و نرخ رشد بلور می‌باشند. افزایش نرخ هسته‌زایی موجب کاهش اندازه‌ی ذرات و افزایش نرخ تبلور می‌شود؛ اما افزایش نرخ رشد بلور موجب افزایش اندازه‌ی ذرات و افزایش نرخ تبلور می‌شود.

ابعاد و کانال های هر زئولیت از مشخصه هایی میباشد که باعث ایجاد پدیده جذب گزینشی آن ها خواهد شد. فراوان ترین انواع زئولیت های سنتزی شاملZMS-5، Y، X و A میباشد و از زئولیت های طبیعی میتوان موردنیت ،شابازیت ، آنالیسم ،فاجالیست و ... را نام برد.

مهمترین کاربرد زئولیت ها

ü     صنايع شوينده به عنوان سازنده جهت جايگزيني فسفات ها

ü     جداسازي اكسيژن ونيتروژن هوا

ü     صنايع دارويي و پتروشيمي به عنوان كاتاليزور

ü     صنايع كاغذ سازي به عنوان پركننده

ü     صنايع آتش نشاني

ü      صنايع سراميك

ü     صنايع هسته اي به عنوان جاذب فلزات سنگين و راديوايزو توپهاي كاربرد پيدا كرده اند.

دسته بندی ساختاری زئولیت ها

بر اساس یک دسته بندی ابتدایی زئولیت ها به چهار گروه تقسیم میشوند:

زنولیت با سیلیس کم، متوسط، بالا و غربال مولکولی سیلیس.

با افزایش نسبت Si به Al در شبکه زئولیت، خواص آن ها نیز تغییر میکند و پایداری گرمایی با افزایش سیلیس تغییر خواهد کرد. خاصیت اسیدی این مواد با افزایش نسبت سیلیس به آلومینیوم در شبکه تقویت میگردد در واقع غلظت کاتیون و ظرفیت تبادلی یونی براساس نسبت Al  کاهش میابد.

ساختار زئولیت با سلیس کم در اکثر موارد از حلقه های تتراهدرال چهارتایی، شش تایی، هشت تایی تشکیل شده است. زئولیت با سیلیس کم دارای Al اشباع شده است و دارای بالاترین میزان غلظت کاتیون که از خود خواص جذبی بهینه ای را نشان می دهد.

زئولیت های غربال مولکولی معمولا در دمای کمتر از 200 درجه سانتگراد بصورت هیدروترمال سنتز می شوند. در فرایند سنتز، ابتدا هسته زایی فاز کریستالی رخ میدهد و بعد از آن کریستال رشد خواهد کرد، در این فرایند متغییرهایی مانند اجزای واکنش دهنده، مواد شروع کننده، میزان آب، سرعت هم زدن و دما تاثیر گذار است و می تواند روی فاز کریستالی تشکیل شده، خواص فاز، توزیع، اندازه محصول و زمان سنتز اثر بگذارد.

در ابتدا یک ژل غیر بلوری و بصورت آمورف تشکیل می شود. سپس محلول واسط به سطح کریستال در حال رشد نفوذ می کند. رشد کریستال ها مجموعه ای از فرایندهایی است که در آن، یک اتم یا مولکول به سطح یک کریستال متصل شده و باعث افزایش اندازه آن میشود.

 

زئولیت های ZMS-5

گروهی از آلومینا سیلیکات ها هستند که ساختاری براساس چهارچوب تتراهدرال TO4 تشکیل می دهند (T غالبا Si و Al) و پلیمرهای کریستالی معدنی به حساب می آیند. سنتز زئولیت ها در توسعه و بکارگیری کاتالیست های مهم در صنعت نقش مهمی دارند. از جمله می توان ساخت کاتالیست های فیشر تروپیش در تبدیل  گاز طبیعی به سوخت مایع اشاره کرد. کاربردهایی در کاهش NOو اکسیداسیون فتوکاتالیتیکی ترکیبات آلی دارد. این نوع زئولیت همچنین به طور تجاری برای حذف مواد آلی فرار از پساب یا هوا مورد استفاده قرار میگیرد.

زئولیت نوع A

زئولیت A  دارای دو نوع حفره است. 1- حفره‌های کوچک (واقع در فضاهای آلفا و قابل دسترس فقط برای مولکول‌های کوچک آب) و 2- حفره‌های بزگ (واقع در فضاهای بتا و قابل دسترس برای گازهایی مثل آرگون، اکسیژن و ازت). این زئولیت ساختاری سه بعدی داشته و نسبت SI/Alآن 1 است. این زئولیت با تغییر فرم کاتیونی اش خواص مختلفی پیدا می کند. این زئولیت یک molecular sieve خوب با ساختارهای متفاوت برای جذب و خالص سازی مواد مختلف است. مهمترین کاربرد زئولیت A در صنایع شیمایی به عنوان جایگزین فسفر در پودر شوینده است. کاربردهای دیگر آن خالص سازی اکسیژن، خالص سازی اتانول، کراکینگ پارافین و غیره است. کاربردهای فراوان دیگری نیز در صنایع مختلف برای این زئولیت وجود دارد.

پراش پرتو ایکس

با توجه به موثر بودن اندازه ذرات و میزان بلورینگی و کریستالیته با خواص زئولیت ها، با بررسی زئولیت ها توسط دستگاه پراش پرتو ایکس، می توان میزان بلورینگی و فاز را با توجه به پیک های شاخص برسی کرد.

 

زئولیت نوع a

زئولیت نوع A

 

 

قديمي‌ترين گزارش زئوليت‌ها از سنگ‌هاي رسوبي در سال 1876 توسط «لو» منتشر شده است

           قديمي‌ترين گزارش زئوليت‌ها از سنگ‌هاي رسوبي در سال 1876 توسط «لو» منتشر شده است

 

کانی زئولیت

کانی زئولیت

 

zeolite xrd

نمونه ای از آنالیز زئولیت با دستگاه XRD

 

زئولیت  ZMS-5

زئولیت  ZMS-5

 

--------------------------------------------------------------------------------------

 

 

آزبست

آزبست نام گروهی از ترکیب‌های معدنی منیزیم و سیلیسیوم است که اغلب در طبیعت به صورت الیاف معدنی و سنگ یافت می‌شود. این مواد به خاطر مقاومت زیادی که در برابر گرما و آتش دارند به عنوان مواد نسوز بکار می‌روند.نخستین بار در ۳۰۰ سال قبل از میلاد، تئوفراستوس که از شاگردان ارسطو بود در کتاب خود به نام “درباره سنگ‌ها” به ماده بدون نامی، شبیه چوب پوسیده که در اثر اختلاط با نفت می‌سوزد، بدون آنکه آسیبی ببیند اشاره کرده‌است که بعدها این ماده آزبست نام گرفت. در ساختمان آزبست، پنبه کوهی یا پنبه نسوز، عناصری مانند سیلیس، منیزیم و آهن وجود دارد. آزبست در طبیعت به رنگهای سفید، قهوه‌ای و آبی به چشم می‌خورد.

طبقه بندی آزبست ها

طبقه بندی آزبست ها

 

 

کاربردهای آزبست

هم اکنون در صنعت، از آزبست برای مصارف زیر استفاده می‌شود:

1.عامل افزایش مقاومت سیمان در لوله‌های سیمانی و قطعات پوششی سقفی

2.عامل افزایش دهنده نقطه اشتعال در منسوجات و محصولات کاغذی

3.عامل افزایش مقاوت لنت‌های ترمز و کلاچ در برابر سایش

 

مهم‌ترین فرآورده های آزبستی

1. محصولات آزبستی سیمانی: شامل لوله‌های آزبست سیمانی، ناودانی و صفحات ایرانیت، که در صنایع گوناگون بکار می‌روند.

2. جامه‌های نسوز: لباس، جلیقه، نمدها و دیگر مواد نسوز.

3.کاغذهای آزبستی: از این نوع کاغذها به عنوان پوشش لوله‌ها و عایقهای الکتریکی استفاده می‌کنند.

4. مواد مالشی و حرارتی: صفحه کلاچ، لنت ترمز، انواع واشر و غیره.

5. به‌عنوان ماده پرکننده: در آسفالت، رنگ شیمیایی، کاشی، پلاستیک.

در کشورهای در حال توسعه، به طور گسترده‌ای از لوله‌های آزبست سیمان استفاده می‌شود، بطوری که سی درصد لوله‌های انتقال رسانی آب شهری در هندوستان را شامل می‌شود و ۱۹ درصد از شبکه آبرسانی کانادا نیز از جنس آزبست سیمان است.

 

علت ممنوعیت آزبست

آزبست موجود در لنت ترمز اتومبیل، عامل اصلی در ابتلاء به نوعی سرطان خطرناک است و به واقع با هر بار ترمز کردن و انتشار آزبست در فضا به این نوع سرطان مهلک نزدیک می شویم. کارشناسان محیط زیست بر ضرورت خاموش کردن سیگار در کنار خاموش کردن خودروها برای جلوگیری از تردد غیرضروری و امکان ادامه زندگی فردی و زیست جمعی شهروندان در کلان شهرها تاکید و تصریح می کنند.

خارج ساختن آزبست ها از ساختمانهايي كه در آنها آزبست به كار رفته ممكن است 100 بيليون دلار هزينه داشته باشد برخي مطالعات اخير نشان مي دهند هواي داخل چنين ساختمان هايي، داراي مقداري از رشته هاي آزبستي هستند كه به همان مقدار در هواي خارج از ساختمان وجود دارد. بعلاوه خارج ساختن نامناسب ميزان رشته هاي آزبستي كه مي توانند آلودگي ايجاد كند، در بيشتر موارد در اثر اين خارج كردن هاي نامناسب ميزان رشته هاي آزبستي كه مي توانند توسط هوا جابجا شوند ، مقدارش به مراتب بيشتر از مواقعي مي شود كه آزبست ها به همان صورت در محل باقي مي ماند..

هرترکیبی، پراش پرتو ایکس منحصر به فرد خودش را دارد و میتوان از این عامل برای تفاوت قائل شدن بین ترکیبات استفاده کرد. اشعه پرتو ایکس در کانی شناسی هم مورد استفاده قرار می گیرد. دستگاه XRD میزان درصد وجود ترکیبات آزبست و درصد وزنی این ترکیبات  را تعیین می کند و با میزان استاندارد مقایسه خواهد شد و میزان مجاز و ممنوعیت آن مشخص خواهد شد.

ازبست

ازبست , عامل افزایش مقاومت سیمان در لوله‌های سیمانی و قطعات پوششی سقفی

 

آزبست ها

 

 --------------------------------------------------------------------------------------

 

 

تفرق پرتوی ایکس

اجسام اطراف خود را ما میتوانیم ببینیم زیرا نور توسط اجسام متفرق  می گردد و به چشم ما وارد می شود. بطور مشابه, پرتوهای ایکس تفرق یافته توسط اتمها سبب میشود که ما آرایش اتم ها در جامدات بدانیم.

درسال 1912 دانشمندی بنام وان لاوه فرض کرد که اگر پرتوهای ایکس بصورت امواج باشند و فواصل بین اتم ها در جامدات قابل مقایسه با طول موج پرتو ایکس باشد , پس این امواج باید توسط اتم ها در جامدات متفرق شوند. یک اصل مهم تداخل پرتوهای تفرق یافته است اگر پرتوهای تفرق یافته همفاز یا ناهمفاز  باشد ,فراوانی آنها با هم جمع میشوند و یا اثر یکدیگر را از بین میبرند حتی اگر هیچ رابطه فازی بین اتم ها وجود نداشته باشد شدت ها بسادگی با هم جمع میشوند .

بعنوان مثال یک مجموعه ای از N  اتم گازی را در یک ظرف بسته در نظر بگیرید این مجموعه بدلیل حرکت پیوسته گاز هیچ آرایش منظمی ندارد. شدت پراکنده شده توسط یک اتم متناسب با مربع بزرگی پرتوهاست. اگر A بزرگی پرتوهای برخوردی باشد , پس شدت پراکندگی توسط هر پرتو A 2  خواهد بود. از طرف دیگر اگر رابطه ای بین فازهای N  اتم , که هریک موجی به بزرگی A  را پراکنده می کند, وجود داشته باشد , پس بزرگیها با هم جمع خواهند شد تا بزرگی کل NA  را بدهند. شدت توسط N2A2  بدست می آید.

لاوه و همکارانش در سال 1912  در مقابل یک تک بلور cuso4  یک صفحه عکاسی قرار دادند و اجازه دادند پرتوهایی از اشعه ایکس از داخل بلور عبور کند و لکه های پراش بروی صفحه عکاسی قابل مشاهده شد از طرف دیگر براگ و پسرش نیز ساختار تعدادی از بلورهای NaCl, KCl, KBr  را مطالعه کردند .این روش ها همچنان برای مطالعه بلورها مورد استفاده قرار میگیرد.

توضیح قانون تفرق براگ

براگ فرض کرد که پرتوهای موازی از اشعه X  روی صفحه های بلور در نقاط برخوردی θ میتابد در واقع زمانیکه منبع به فاصله بسیار دوری در مقایسه با فاصله بین پرتوهای تداخل کننده برده می شود میتوان تصور کرد که اشعه ها بصورت اشعه های موازی خواهند بود . همانطور که در شکل مشاهده میکنید اشعه های موازی ایکس شامل پرتوهای AO , BP  میباشد و به ترتیب به اتم های  O ,P  برخورد میکنند و زاویه θ را تشکیل میدهند و سپس بصورت OA`  و PB`  متفرق میشوند .فاصله بین O, P فاصله بین صفحات متوالی میباشد که با d  نشان میدهند.

اختلاف مسیر =MP+PN=2OP sinθ =2d sinθ

11

توضیح هندسی تفرق توسط اشغه ایکس

اگر λ یا چند λ اختلاف فاصله بین پرتوهای AOA` و  BPB`  باشد میتواند تقویت شود و یا با هم تداخل کنند.بنابراین

N= 1,2 ,3 …..            nλ=2dsinθ

N مرتبه تفرق است

حالا پرتوهای موازی  AO  و Al   را که روی اولین ردیف از اتمها در زاویه برخوردی θ    می تابند و پرتوهای متفرق شده OA`  و La`  در شکل مشخص است را درنظر بگیرید .پرتوهای  OA`  و La`  نیز با یکدیگر موازی هستند و میتوانند یکدیگر را تقویت کنند .بنابراین تمام اتم های سطح که  تابش را با زاویه θ دریافت میکنند بصورت سازنده تداخل میکنند.

اختلاف مسیر =ML-ON =OL cos θ –OL cos θ =0

 22

نمای تفرق از اتم ها

حال پرتوهای AOA` , CQC`  را در نظر بگیرید

که از اولین و سومین صفحه متفرق میشوند.

= MQ`+QN`=2dsin θ+2d sinθ= 4d sinθ                                                     اختلاف مسیر       

برای اینکه اشعه ها بطور سازنده تقویت شوند آنها باید مضرب هایی از طول موج باشند و اگر اختلاف مسیر باشد پس میتوان گفت    

    2λ= 4d sinθ                     λ=2dsinθ

برای اینکه اشعه هایAOA` ,DRD`  در یک جهت تداخل کنند باید اختلاف مسیرشان λ3 باشد و به همین ترتیب ادامه میابد.بنابراین پرتوهای تفرق یافته در یک جهت توسط اشعه هایی که در صفحات مختلف هستند همگی تقویت میشوند تا تداخل سازنده ای را ایجاد کنند.

333 

اشعه های پراکنده شده از صفحات مختلف در یک جهت تداخل سازنده

آدرس تهران:

              طرشت، میدان شهید تیموری، خیابان لطفعلی خانی

              انتهای خیابان پارس، خیابان ذوقی، پلاک 22، واحد 2

  کد پستی:

                                                       1459873176                        

تلفن تماس:

                                                       02166519666

                                                       09309146009

فکس:

                                                     02166553834