تحقیق مقاله تاثیر گوگرد بر روی سایر مواد شیمیایی

معرفی گوگرد

گوگرد ماده بی بو و بدون مزه است که در طبیعت بیشتر به صورت ماده جامد زرد رنگ است که البته کانی های سولفیدی و سولفاتی نیز به وفور دیده می شوند.

گوگرد یکی از عناصر اصلی در ساختمان سلول زنده است.گوگرد یک منبع غذایی شیمیایی برای برخی از ارگان ها می تواند باشد:بعضی از باکتری ها از سولفید هیدروژن بجای آب به عنوان الکترون ده در فرآیندهای شبیه فوتوسنتز استفاده می کنند.گوگرد غیرآلی بخشی از کلاسترهای آهن-گوگرد را تشکیل می دهد و گوگرد یک لیگاند(Ligand) اتصالی در محل CuA در اکسیدایز سیتوکروم سی می باشد که این آخری ماده اصلی در استفاده از اکسیژن درتمام زندگی هوازی می باشد.

در نباتات و حیوانات،سیستئن (cysteine) آمینو اسید و متونین(Methionine) شامل گوگرد می باشند.هوموسیستئن و تاورین(Taurine) از انواع اسیدهای گوگرد داری هستند که ساختار مشابهی داشته ولی به وسیله DNA کد گذاری نمی شوند و بخشی از ساختار اولیه پروتئین محسوب نمی شوند.

پیوندهای دی سولفیدی (S-S) که بین اجزای سیستئن در زنجیرهای پپتید تشکیل می شوند،در ساختار پروتئین بسیار مهم هستند.این پیوندهای کووالانت قوی بین زنجیرهای پپتید باعث می شوند که پروتئین ها از چقرمگی و جهندگی بالایی برخوردار باشد.به عنوان مثال،استحکام بالای پرها و مو به دلیل مقدار بالای اتصال S-S و هم چنین مقدار زیاد سیستئن و گوگرد است.

گوگرد از زمانهای قدیم مورد استفاده بوده و در کتب عهد قدیم به کرات بدان اشاره شده است.احتمالا گوگرد از کلمه عربی sufra به معنی زرد گرفته شده است که ناشی از رنگ درخشانی است که در طبیعت از خود نشان می دهد،با این وجود نام سانسکریت گوگرد بنام sulvari است که به معنای دشمن مس می باشد.

ترجمه های انگلیسی از کتب عهد قدیم،از گوگرد بنام Brimstone یادکرده است که نشات گرفته از خطابه آتش و گوگرد (Fire and brimstone)  بوده که در آن مستمعان به حالت لعن جاوید و ازلی باقی می ماندند بطوریکه منتظر بی اعتقادی و عدم پشیمانی بودند.در این بخش از کتب عهد قدیم،Hell به بوی گوگرد اشاره می کند،که در بالا گفته شد گوگرد بی بو است.بوی  گوگرد معمولا مشابه بوی سولفید هیدروژنی است که از تخم مرغ گندیده به دماغ می رسد.سوختن گوگرد دی اکسید گوگرد تولید می نماید که بویی شبیه سوختن کبریت دارد.

هومر در قرن هشتم قبل از میلاد و نیز 424 م ق از گوگرد عامل جلوگیری از طاعون نام می برد و بوئیتا (Boeotia)  دیواره های شهر را با به آتش کشیدن مخلوطی از زغال سنگ،گوگرد و قیرخراب نمود.در قرن دوازدهم،چینی ها تفنگی را اختراع کردند که نیروی پرتابی آن از مخلوط نیتزات پتاسیم (KNO3) ،کربن و گوگرد تامین می شد.در اواخر سال 1770 میلادی ، آنتوین لاوزیه (Antoine Lavoisier) موفق شد که گوگرد را به عنوان یک عنصر به جامعه علمی معرفی نماید.در 1867 میلادی،گوگرد در رسوبات زیرزمینی در لویزیانا و تگزاس کشف شد.

گوگرد عنصری معمولا در نواحی آتش فشانی یافت می شود.هم چنین رسوبات گوگرد عنصری در خلیج مکزیک،اروپای شرقی و آسیای غربی وجوددارد.اعتقاد بر این است که گوگرد موجوددر این رسوبات از واکنش باکتریایی بی هوازی بر روی کانی های سولفاتی بالاخص سنگ گچ بدست آمده است.

تاثیرگوگردوسلنیم بربعضی از مواد

سلنیم عنصر شیمیایی بوده که در طبیعت به شکل آزاد پیدا نمی شود و معمولا در مقادیر زیادش سمی بوده ولی مقدار کم آن در در برخی از آنزیم ها بسیار موثر است.

سلنیم از واژه یونانی selene به معنی ماه گرفته شده است و در سال 1817 توسط جونز یاکوب برزیلیوس (Jons Jakob Berzelius) کشف شد.رشد استفاده از سلنیم به لحاظ تاریخی حالت یکنواخت و متناسب با کاربردهای جدید بوده که می توان به ترکیبات کائوچو،عناصر آلیاژی در فولاد و یکسوکننده های سلنیم اشاره نمود.در سال 1970،سلنیم در یکسوکننده ها جایگزین سیلیس شدند ولی کاربرد اصلی آن در هادی های حساس به نور در صفحات ساده کپی است.در طی سال 1980، استفاده از سلنیم به عنوان هادی حساس به نور در این صفحات نیز رو به کاهش رفت.در حال حاضر،استفاده گسترده از سلنیم در صنایع شیشه سازی و رنگ دانه ها می باشد.

در سال 1996،تحقیقات ادامه دار نشان داد که رابطه مستقیمی بین مکمل های سلنیم و جلوگیری از حمله قلبی وجود دارد.در اواخر سال 1990،استفاده از سلنیم به عنوان یک نوع افزودنی به لوله های برنجی برای برآورده ساختن استانداردهای زیست محیطی بدون سرب از اهمیت قابل توجهی برخوردار شد.

با وجود اینکه مقادیر زیاد سلنیم سمی است،ولی یکی از ریزمغذی های اصلی در حالت های مختلف حیات است.سلنیم یکی از اجزای اصلی آمینو اسیدهای کمیاب سلنوسیستئن (selenocysteine) و سلنومتوئین(selenomethionine) است.در انسانها،سلنیم ماده ریزمغذی است که به عنوان کوفاکتور برای احیای آنزیم های آنتی اکسیدان مثل پروکسیدازهای گلوتاتئیون (Glutathione peroxidases)  یا ردوکتازتیرودوکسین(Thioredoxin reductase) عمل می کند.هم چنین سلنیم در عملکرد غده تیروئید به عنوان  یک کوفاکتور برای هورمون تیروئید نقش اصلی ایفاء می کند.

همانطوریکه در بالا بدان اشاره شد،مقدار زیاد سلنیم سمی است. مقدار بیش از حد بالایی پذیرش مجاز بیشتر از 400 میکروگرم در هر روز می تواند موجب سلنوسیس (Selenosis)  شود.علایم این بیماری شامل بوی سیر در دم بیمار،اختلالات معده ای،ریزش مو،پوسته پوسته شدن ناخن ها،خستگی، کج خلقی و  حملات عصبی می باشد.مقدار خیلی زیادی آن می تواند منجر به تسمع جگر و ورم ریوی و در نهایت مرگ می شود.

آنچه که در مورد سلنیم جالب است که بدان اشاره شود، رابطه آن با گسترش بیماری HIV است.تحقیقات زمین شناسی در مناطقی که بیماری ایدز در آن گسترش یافته است، و مقایسه آن با مناطقی که بیماری ایدز در آنها دیده نشده است،نشان دهنده این مطلب مهم است که در خاک مناطقی که ایدز در آنجا شیوع یافته است،حاوی مقادیر کمتری از عنصر سلنیم است.به عنوان مثال،درصد شیوع بیماری ایدز در مناطق پایین تر از آفریقای شمالی که سلنیم کمتری در خاک آن اندازه گیری شده است،بالا است در حالیکه در سنگال این درصد خیلی پایین تر است .خاک سنگال درصد بالاتری از عنصر سلنیم را دارد.

اما در فولاد گوگرد وسلنیم رفتار مشابهی در دارند.گوگرد در ترکیب هر فولادی وجود دارد ولی سلنیم بطور عمدی به فولاد افزوده می شود.وزن اتمی گوگرد32 با نقطه ذوب 119 C ، وزن اتمی سلنیم 79 با دمای ذوب 217 C است.هر دو قابلیت یکسانی در فولاد دارند و به علت کم بودن نقطه جوش ، در مذاب پایداری زیادی ندارند.

مشکل اصلی فولادسازان مربوط به پدیده ترک برداری گرم یا سرخ شکنندگی است. فلذا سعی می کنند تا حد امکان در صد گوگرد را کمتر کنند. گوگرد با آهن ترکیب شده و تشکیل FeS  میدهد که دارای نقطه ذوب کمتری است.FeS با آهن یوتکتیکی تشکیل می دهد که از نقطه ذوب پایینتری تا 988 C برخوردار است.این ترکیب در دماهای بالا بصورت مذاب در آمده  ودرمرزدانه ها تجمع می کندفلذا باعث ترک برداری گرم یا سرخ شکنندگی Hot cracking یا Hot Shortness می شود.شکل آخالهای سولفید آهن در شمش ها کروی بوده و در مقاطع کار شده کشیده ودراز است.این سبب می شود خواص قطعه آنیزوتروپ شود.همانطوریکه قبلا اشاره شد،Mn  تمایل زیادی به ترکیب با گوگرد و تشکیل سولفید منگنز دارد.بنابر این، از این خاصیت برای حذف گوگرد استفاده می شود.با این حال درصد بسیار  کمی FeSتشکیل می شود که قابلیت انحلال در MnS را دارد.با این وجود تاثیری بر روی دمای ذوب سولفید منگنز ندارد.میزان منگنز اضافه شده تقریبا چهار برابر درصد گوگرد است. بیشتر فولادهای کم آلیاژی و کربنی حداکثر درصد گوگرد 0.04% دارند.

وجود درصد زیاد MnS بر کارآیی فولاد تاثیر منفی دارد.علیرغم این موضوع، در فولادهای خوش تراش وجود گوگرد عامل مهمی است.در واقع ، یکی از راههای افزایش قابلیت ماشینکاری ،اضافه کردن گوگرد به ترکیب فولاد است.بیشتر این نوع فولادها،0.10-0.30 % گوگرد دارند.وقتی ابزار برش روی سطح قطعه کار می کنند،به علت وجود MnS طول پلیسه ها کوتاهتر می شوند و نقش روانکار را نیز ایفا می کنند و در نتیجه صافی سطح بیشتر می شود.

شکل،اندازه و توزیع نامطلوب آخالهای غیر فلزی تاثیر نامطلوبی بر روی خواص فولاد دارند.آخالهای غیر فلزی کشیده شده قابلیت کار سرد فولاد ورق در کشش عمیق را می کاهد و چقرمگی شکست را شدیدا کاهش می دهد.خواص فولاد را آنیزوتروپ می کند وحساسیت به پارگی داغ را افزایش می دهد.وجود چنین مشکلات برای فولادسازان، افزودن عناصری مثل کلسیم،منیزیم،زیرکنیم و عناصر نادر خاکی (سدیم) به ذوب را در پی داشته است.در این روش مقدار گوگرد پس ماند به 0.001و 0.005 درصدنیز می رسد.

در جوشکاری فولادهای خوش تراش که گوگرد زیادی دارند ،وجود سولفیدها بر جوشکاری قوسی بسیار مضر بوده و در هنگام رسوب فلز جوش از الکترودهای فولادهای نرم ، حفره و ترک تشکیل می شود.ولی استفاده از الکترودهای مصرفی با هیدروژن پایین ، نتایج قابل قبولی را در پی دارد.نسبت آهک به سیلیس این الکترود ها در حدی نگه داشته می شوند که تاثیر مخربی بر روی نتایج جوشکاری نداشته باشند.

در چدنها ، منابع متعددی برای حضور گوگرد در ترکیب موجودند.در صورتیکه منگنزی وجود نداشته باشد،گوگرد در ساختار بصورت سولفید های آهن با شکل آخالهای قهوه ای خاکستری ظاهر می شوند ولی با افزودن منگنز ، به لحاظ تمایل ترجیحی به ترکیب با گوگرد،سولفید مگنز تشکیل خواهد شد.میزان منگنز طبیعتا باید بیشتر باشد و از فرمول تجربی زیر استفاده می شود:

%Mn = 1.7 * %S+0.3

اگر دمای ریخته گری پایین باشد، مقادیر اضافی اکسید منگنز بصورت عیوب حفره ای در قطعه د رمی آید.در درصدهای بالاتر از 0.18 % گوگرد، سختی چدنهای خاکستری را افزایش می دهد ولی بر ماشینکاری چدنهای خاکستری تاثیر منفی دارد.

تأثیر مصرف Al روی میزان کاهش گوگرد

1-3-4- آزمایش 1: تأثیر مصرف Al روی میزان کاهش گوگرد

مقدار سرباره فوقانی بر درجه گوگردزدایی قابل حصول تاثیر می گذارد. برای مثال، نتایج حاصل از آزمایشها در مقایس صنعتی مبین این است که در شرایط مشابه دیگر، با رسیدن مقدار سرباره از 6 به 12 کیلوگرم در تن، حدود 100 درصد افزایش در درجه گوگردزدایی حاصل می شود.

عملهای کنترل کنندۀ گوگردزدایی که در اینجا جمع بندی می شوند، از نوشته های علمی بر گرفته شده اند. همه اختلافهای موجود نشانگر آن است که از روش رآکتور انتقالی در بیشتر کاربرد های عملی خوب استفاده نشده است. در حقیقت سهم واکنش انتقالی در مقدار واکنش گوگردزدایی فقط 25 درصد گزارش شده است. تشکیل ناکافی سرباره در مسیر تزریق، توضیح احتمالی بروز مدل انتقالی به شکل نسبتا ضعیف است، و شاید تنوع نتایج حاصل از واحدهای مختلف را تبیین کند.

اما هنوز عوامل دیگری هم هستند که تشخیص الگوهای رآکتور موجود را مشکل می کنند. توزیع گوگرد بستگی به ظرفیت گوگرد و اکتیویته اکسیژن در فولاد دارد.

وقتی به همراه فولاد کشته شده با آلومینیم، سربارۀ پیش ذوب شده یا پودر کلسیم– منیزیم تزریق شده باشد، عوامل یاد شده را که برای گوگرد زدایی بسیار مساعد است در طی عملیات می توان ثابت فرض کرد. در مقابل، در سربارۀ فوقانی این عوامل به طور قابل ملاحظه ای متغیرند. در ابتدا، ظرفیت گوگرد را آزمایش می کنیم. افزودن آهک یا فلوئورسپار بر روی سطح آزاد سرباره، یا وجود مقداری سرباره از کوره اولیه می تواند منجر به تشکیل سرباره  فوقانی شود. خصوصیات آهک و عملیات افزودن آن ممکن است در هر کارخانه متفاوت باشد. به طور کلی، می توان گفت که تشکیل سربارۀ فوقانی مدتی به طول می انجامد و به طور همزمان قابلیت پذیرش گوگرد را بهبود می بخشد.

عامل دیگری که می تواند انتقال گوگرد را به داخل سربارۀ فوقانی کنترل کند، نیروی اکسایش آن است که با محتوی آهن و منگنز تعریف می شود. در شروع آمایش پاتیلی مقادیر قابل توجهی از  FeO  و  MnO ممکن است در سربارۀ فوقانی حضور داشته باشند. با واکنش زیر می توان تاثیر اکسایش را بر روی لایه مرزی سرباره– مذاب معرفی کرد.(FeO) = Fe + [O]                                                 

سرباره به تدریج از طریق واکنش تبادلی با فولاد احیا می شود.[3]

[Fe]                                              3+ (3O2Al) = (FeO)3 + [Al]2  

3/2(SiO2)+2[Al]=(Al2O3)+3/2[Si]                                                            

3(MnO)+2[Al]s = (Al2O3)+3[Mn]                                                            

3(FeO)+2[Al]s = (Al2O3)+3[Fe]                                                               

اغلب با افزودن پودرAl به داخل سرباره به عملیات احیا کمک می کنند. هر دو عمل انحلال آهک به داخل سرباره و احیای ترکیبات اکساینده توزیع گوگرد را بهبود می بخشد. این واکنشها چند دقیقه ای به طول می انجامند. در شکل 1-4 تاثیر تشکیل سرباره بر روی ظرفیت گوگرد ارائه شده است. مجموع تاثیر اکتیویته اکسیژن و ظرفیت گوگرد بر روی توزیع گوگرد در شکل 2-4 نشان داده شده است. در ابتدای آمایش، ظرفیت گوگرد در سرباره می تواند بسیار پایین، و اکتیویته اکسیژن که از واکنش معادله فوق بر روی لایه مرزی تعیین میشود بسیار بالا باشد.