گازهای موجود در هوا

هوا یک مخلوط همگن از چندین گاز است که ترکیب آن در مقیاس جهانی تا حدود زیادی پایدار است، اما مقدار برخی اجزای آن، به‌ویژه بخار آب و گازهای کم‌مقدار، با شرایط محیطی و زمانی تغییر می‌کند. بخش اصلی هوای خشک از نیتروژن، اکسیژن و آرگون تشکیل شده و سهم سایر گازها در مقایسه با این سه جز بسیار کمتر است.

 هوای اتمسفر به عنوان خوراک اصلی بسیاری از واحدهای جداسازی هوا (Air Separation Units – ASU) مورد استفاده قرار می‌گیرد و از طریق فرآیندهای صنعتی می‌توان اجزایی مانند نیتروژن، اکسیژن و آرگون را با خلوص‌های مختلف از آن جدا کرد.

این محصولات در صنایعی مانند فولادسازی، پتروشیمی، پالایشگاه‌ها، صنایع غذایی، پزشکی، الکترونیک، جوشکاری و فرآیندهای شیمیایی کاربرد گسترده دارند.

در این مقاله، ترکیب شیمیایی هوا، درصد گازهای تشکیل‌دهنده آن، ویژگی‌های مهم هر یک از اجزا و ارتباط آن‌ها با صنعت گازهای صنعتی بررسی می‌شود.

ترکیبات هوا چیست؟

اگر بخار آب را از ترکیب هوا حذف کنیم، یعنی هوای خشک را در نظر بگیریم، حدود ۷۸ درصد آن از نیتروژن، حدود ۲۱ درصد از اکسیژن و نزدیک به ۱ درصد از آرگون تشکیل شده است. سهم دی‌اکسید کربن و سایر گازهای کم‌مقدار در مجموع بسیار کمتر است.

ترکیب تقریبی هوای خشک در سطح زمین به صورت زیر است:

گاز	فرمول شیمیایی	درصد حجمی تقریبی در هوای خشک
نیتروژن	N₂	78.08٪
اکسیژن	O₂	20.95٪
آرگون	Ar	0.93٪
دی‌اکسید کربن	CO₂	حدود 0.04٪
نئون	Ne	حدود 0.0018٪
هلیوم	He	حدود 0.0005٪
متان	CH₄	حدود 0.0002٪
سایر گازها	—	مقادیر بسیار کم

این اعداد برای هوای خشک هستند. در هوای واقعی، بخار آب نیز وجود دارد و مقدار آن ثابت نیست. رطوبت نسبی، دما و شرایط جغرافیایی از عواملی هستند که مقدار بخار آب موجود در هوا را تعیین می‌کنند.

مهم‌ترین گازهای تشکیل‌دهنده هوا

در ادامه، سه گاز اصلی هوا، ویژگی‌ها و کاربردهای هر یک را بررسی می‌کنیم:

۱. نیتروژن اصلی‌ترین گاز موجود در هوا

نیتروژن (N₂) با سهم حدود ۷۸ درصد، فراوان‌ترین گاز موجود در اتمسفر زمین است. مولکول نیتروژن از دو اتم نیتروژن تشکیل شده و به دلیل وجود پیوند سه‌گانه بسیار پایدار، در شرایط معمول واکنش‌پذیری نسبتاً پایینی دارد.

این ویژگی، نیتروژن را به گزینه‌ای مناسب برای ایجاد اتمسفر خنثی یا کم‌واکنش در بسیاری از فرآیندهای صنعتی تبدیل کرده است.

نیتروژن در صنایع مختلفی استفاده می‌شود، از جمله:

• فولادسازی و عملیات حرارتی 
• صنایع نفت، گاز و پتروشیمی 
• صنایع غذایی و بسته‌بندی 
• تولید مواد شیمیایی 
• صنایع دارویی 
• تولید قطعات و تجهیزات الکترونیکی 
• مخازن و خطوط فرآیندی 
• فرآیندهای Purging و Inerting 

در صنعت فولاد، نیتروژن می‌تواند برای ایجاد اتمسفر محافظ و برخی عملیات متالورژیکی مورد استفاده قرار گیرد. البته مقدار و روش مصرف آن باید متناسب با گرید فولاد و الزامات متالورژیکی فرآیند انتخاب شود.

از نظر صنعتی، نیتروژن یکی از محصولات اصلی واحدهای جداسازی هوا است و می‌تواند به صورت گازی یا مایع در اختیار مصرف‌کننده قرار گیرد.

خرید نیتروژن مایع از صنایع گازی پرستلی

۲. اکسیژن گاز فعال در هوا

حدود ۲۰.۹۵ درصد هوای خشک را اکسیژن (O₂) تشکیل می‌دهد. برخلاف نیتروژن، اکسیژن گازی واکنش‌پذیری بالاتری دارد و در فرآیندهای اکسیداسیون و احتراق نقش اساسی ایفا می‌کند.

کاربردهای صنعتی اکسیژن بسیار گسترده است و مهم‌ترین آن‌ها شامل موارد زیر می‌شود:

• فولادسازی 
• برش و جوشکاری فلزات 
• صنایع شیمیایی 
• فرآیندهای احتراقی 
• تصفیه آب و فاضلاب 
• کاربردهای پزشکی 
• تولید برخی مواد شیمیایی 

در صنعت فولاد، اکسیژن با عناصر موجود در مذاب مانند کربن، سیلیسیم و منگنز واکنش می‌دهد و در فرآیندهایی مانند BOF و EAF برای کنترل ترکیب مذاب و افزایش راندمان حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در کاربردهای صنعتی، اکسیژن بسته به نیاز مصرف‌کننده می‌تواند با خلوص و فشارهای مختلف تامین شود. برای مصرف‌های بزرگ نیز امکان ذخیره‌سازی آن به شکل اکسیژن مایع (LOX) وجود دارد.

خرید اکسیژن مایع از صنایع گازی پرستلی

۳. آرگون گاز نجیب با واکنش‌پذیری بسیار پایین

آرگون (Ar) حدود ۰.۹۳ درصد هوای خشک را تشکیل می‌دهد و پس از نیتروژن و اکسیژن، سومین جزء فراوان اتمسفر است.

آرگون در گروه گازهای نجیب قرار دارد و در شرایط معمول واکنش‌پذیری بسیار پایینی دارد. همین ویژگی موجب شده در فرآیندهایی که تماس مواد با اکسیژن یا نیتروژن نامطلوب است، به عنوان گاز محافظ استفاده شود.

یکی از کاربردهای مهم آرگون، جوشکاری قوس تنگستن با گاز محافظ (TIG) است. این گاز در صنایع متالورژی و فولادسازی نیز کاربرد دارد.

در فولادسازی، آرگون می‌تواند برای هم‌زدن مذاب، یکنواخت‌سازی ترکیب و دما و کمک به کنترل شرایط متالورژیکی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین در برخی فرآیندهای فولادسازی ثانویه، تزریق آرگون از طریق تجهیزات مخصوص انجام می‌شود.

خرید آرگون مایع از صنایع گازی پرستلی

دی‌اکسید کربن در هوا چه مقدار است؟

دی‌اکسید کربن (CO₂) از نظر حجمی بخش بسیار کوچکی از اتمسفر را تشکیل می‌دهد، اما از نظر زیست‌محیطی و اقلیمی اهمیت زیادی دارد. برخلاف نیتروژن و اکسیژن که ترکیب آن‌ها در هوای خشک نسبتاً پایدار است، غلظت CO₂ در طول زمان تحت تأثیر فرآیندهای طبیعی و فعالیت‌های انسانی تغییر می‌کند.

منابع طبیعی انتشار CO₂ شامل تنفس موجودات زنده، تجزیه مواد آلی و فعالیت‌های آتشفشانی است. در کنار این منابع، احتراق سوخت‌های فسیلی و برخی فعالیت‌های صنعتی نیز موجب افزایش غلظت آن در اتمسفر می‌شوند.

گیاهان از CO₂ در فرآیند فتوسنتز استفاده می‌کنند و از این طریق کربن موجود در اتمسفر وارد چرخه زیستی می‌شود.

گازهای کم‌مقدار موجود در هوا

علاوه بر اجزای اصلی، هوا حاوی مقادیر بسیار کمی از گازهای دیگر است. برخی از مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• نئون (Ne) 
• هلیوم (He) 
• متان (CH₄) 
• کریپتون (Kr) 
• هیدروژن (H₂) 
• زنون (Xe) 
• ازن (O₃) 
• اکسید نیتروس (N₂O) 
• مونوکسید کربن (CO) 

اگرچه غلظت این ترکیبات بسیار کمتر از نیتروژن و اکسیژن است، بعضی از آن‌ها از نظر صنعتی ارزش بالایی دارند.

برای نمونه، هلیوم به دلیل نقطه جوش بسیار پایین در کاربردهای کرایوژنیک و برخی تجهیزات علمی و پزشکی اهمیت دارد. نئون نیز به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و نوری خاص خود در برخی کاربردهای تخصصی استفاده می‌شود.

بخار آب موجود در هوا

بخار آب یکی از اجزای مهم اتمسفر است، اما برخلاف نیتروژن و اکسیژن، مقدار آن ثابت نیست.

میزان رطوبت هوا به عواملی مانند دما، فشار، موقعیت جغرافیایی و شرایط آب‌وهوایی وابسته است. هوای گرم می‌تواند مقدار بیشتری بخار آب در خود نگه دارد، در حالی که در هوای سرد مقدار بخار آب معمولاً کمتر است.

بخار آب در فرآیندهای جوی، تشکیل ابر و بارش و انتقال انرژی در سیستم آب‌وهوایی زمین نقش مهمی دارد.

از دیدگاه صنعتی نیز رطوبت هوا اهمیت زیادی دارد. در واحدهای جداسازی برودتی هوا، آب و CO₂ باید پیش از ورود هوا به بخش‌های دماپایین فرآیند تا حد زیادی حذف شوند؛ زیرا در دماهای بسیار پایین می‌توانند منجمد شده و موجب اختلال در تجهیزات و مسیرهای فرآیندی شوند.

آیا ترکیب هوا همیشه ثابت است؟

خیر. اگرچه ترکیب اصلی هوای خشک در مقیاس جهانی نسبتاً پایدار است، اما هوای واقعی از نظر میزان بخار آب و برخی گازهای کم‌مقدار متغیر است.

مقدار بخار آب بیشترین تغییر را دارد و می‌تواند با شرایط آب‌وهوایی به شکل محسوسی تغییر کند. غلظت گازهایی مانند CO₂، CH₄ و O₃ نیز تحت تأثیر منابع طبیعی، فعالیت‌های انسانی، فصل، موقعیت جغرافیایی و شرایط جوی قرار می‌گیرد.

این موضوع در صنعت جداسازی هوا اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا ترکیب و شرایط خوراک ورودی بر عملکرد تجهیزات، میزان تصفیه مورد نیاز و طراحی فرآیند تأثیر می‌گذارد.

گازهای هوا چگونه از یکدیگر جدا می‌شوند؟

از نظر صنعتی، یکی از مهم‌ترین فناوری‌ها برای تولید اکسیژن، نیتروژن و آرگون، جداسازی برودتی هوا (Cryogenic Air Separation) است.

در این روش، هوای اتمسفر ابتدا از طریق سیستم‌های فیلتراسیون و تصفیه، از ذرات و ترکیبات نامطلوب پاک می‌شود. سپس هوا فشرده و در مراحل بعدی تا دماهای بسیار پایین سرد می‌شود.

پس از رسیدن هوا به شرایط مناسب، اجزای آن بر اساس اختلاف در نقطه جوش از یکدیگر جدا می‌شوند. تقطیر برودتی امکان تولید محصولات با خلوص بالا را فراهم می‌کند و در واحدهای بزرگ صنعتی برای تولید اکسیژن، نیتروژن و آرگون به کار می‌رود.

محصولات حاصل می‌توانند بر اساس نیاز مصرف‌کننده به صورت:

• گاز فشرده 
• مایع کرایوژنیک 
• یا از طریق شبکه توزیع مستقیم 

در اختیار صنایع قرار گیرند.

به همین دلیل، شناخت ترکیب هوا نقطه شروع مهمی برای درک عملکرد واحدهای تولید گازهای صنعتی محسوب می‌شود.

ارتباط ترکیب هوا با صنعت گازهای صنعتی

اگرچه هوا در نگاه اول یک ماده در دسترس و ساده به نظر می‌رسد، اما از دیدگاه صنعتی یک خوراک ارزشمند برای تولید گازهای تخصصی محسوب می‌شود.

نیتروژن، اکسیژن و آرگون که در مجموع بیش از ۹۹ درصد هوای خشک را تشکیل می‌دهند، پس از جداسازی و خالص‌سازی می‌توانند به محصولات صنعتی با ارزش تبدیل شوند.

برای مثال، در صنعت فولاد:

• اکسیژن برای واکنش‌های اکسیداسیون و افزایش بهره‌وری فرآیند به کار می‌رود.
• نیتروژن در برخی فرآیندها برای ایجاد محیط محافظ و کاربردهای مرتبط با فرآیند استفاده می‌شود.
• آرگون در متالورژی ثانویه و هم‌زدن مذاب برای کنترل شرایط ترکیبی و حرارتی کاربرد دارد.

بنابراین، فرآیند جداسازی هوا ارتباط مستقیمی با زنجیره تأمین بسیاری از صنایع دارد.

جمع‌بندی

هوا ترکیبی از چندین گاز است که نیتروژن و اکسیژن بیشترین سهم را در آن دارند و آرگون نیز نزدیک به یک درصد از هوای خشک را تشکیل می‌دهد. دی‌اکسید کربن و مجموعه‌ای از گازهای کم‌مقدار نیز در کنار این اجزای اصلی حضور دارند. در هوای واقعی، بخار آب نیز وجود دارد و مقدار آن بسته به شرایط محیطی تغییر می‌کند.

اهمیت ترکیبات هوا فراتر از مباحث جوی و زیست‌محیطی است. بخش مهمی از صنعت گازهای صنعتی بر پایه جداسازی، خالص‌سازی و فرآوری اجزای هوا شکل گرفته است. اکسیژن، نیتروژن و آرگون پس از جداسازی، در صنایع مختلف از فولاد و پتروشیمی گرفته تا پزشکی، صنایع غذایی و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در نتیجه، شناخت دقیق گازهای موجود در هوا، درصد ترکیبات هوا و ویژگی‌های هر یک از اجزای آن، علاوه بر ارزش علمی، برای درک فناوری‌های تولید و مصرف گازهای صنعتی نیز اهمیت دارد.