رفتار الکتروستاتیکی پروپان مایع در تماس با فلزات مختلف، عامل کلیدی در ایمنی و پایداری سیستم‌های ذخیره و انتقال گازهای مایع است. سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778

پروپان (C₃H₈) یکی از مهم‌ترین هیدروکربن‌های سبک است که در حالت مایع تحت فشار، به عنوان سوخت، عامل سرمایش و خوراک پتروشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. هنگامی‌که پروپان در حالت مایع با سطوح فلزی تماس پیدا می‌کند، برهم‌کنش‌های پیچیده‌ای میان مولکول‌های آن و اتم‌های سطحی فلز رخ می‌دهد. این برهم‌کنش‌ها نه تنها از نظر شیمیایی بلکه از دیدگاه الکتروستاتیکی نیز حائز اهمیت‌اند؛ زیرا توزیع بار، قطبش و تجمع بارهای سطحی می‌تواند بر خواص ترشوندگی، خوردگی، ایمنی و حتی احتراق پروپان اثر بگذارد. در این مقاله، رفتار الکتروستاتیکی پروپان مایع در تماس با فلزات مختلف بررسی می‌شود و نقش ساختار الکترونی فلز، چگالی بار و قطبش مولکول‌های پروپان در تعیین این رفتار مورد بحث قرار می‌گیرد.

۱. ویژگی‌های فیزیکی و مولکولی پروپان مایع

پروپان یک مولکول غیرقطبی است که در حالت گازی، فاقد گشتاور دوقطبی دائمی محسوب می‌شود. با این حال، در حالت مایع و در دماهای پایین، نیروهای واندروالس و القای موقت بارهای جزئی در آن سبب شکل‌گیری دوقطبی‌های لحظه‌ای می‌شود. این دوقطبی‌های القایی نقش مهمی در پاسخ الکتروستاتیکی پروپان به میدان‌های خارجی و نیز در تماس با سطوح فلزی دارند.
چگالی پروپان مایع در دمای اتاق (حدود 0.5 g/cm³) و ثابت دی‌الکتریک آن تقریباً 1.6 است، که نشان‌دهنده‌ی ضریب قطبش نسبتاً پایین آن است. بنابراین، هرگونه تغییر در بار سطحی یا میدان الکتریکی ناشی از سطح فلزی، می‌تواند اثر قابل‌توجهی بر آرایش مولکول‌های مجاور سطح بگذارد.

۲. ماهیت تماس میان مایع پروپان و سطح فلزی

وقتی پروپان مایع در تماس مستقیم با فلز قرار می‌گیرد، یک ناحیه گذار بین فاز مایع و سطح جامد شکل می‌گیرد. در این ناحیه، نیروهای جذب سطحی و میدان‌های الکتریکی ناشی از نوسانات بارهای الکترونی فلز، موجب قطبش لحظه‌ای مولکول‌های پروپان می‌شوند.

شدت و جهت این قطبش به خواص الکترونی فلز بستگی دارد. فلزاتی با تابع کار (Work Function) بالا مانند پلاتین و نیکل تمایل بیشتری به جذب الکترون دارند، در حالی که فلزاتی مانند آلومینیوم یا مس با تابع کار پایین‌تر، میدان القایی ضعیف‌تری در سطح خود ایجاد می‌کنند.

نتیجه آن است که برهم‌کنش الکتروستاتیکی پروپان با هر فلز ویژگی منحصربه‌فردی دارد و این تفاوت در فرآیندهایی مانند تبخیر، شارژ الکتریکی مخزن، یا حتی خطر تخلیه الکترواستاتیکی قابل‌مشاهده است.

۳. نقش ساختار الکترونی فلزات

هر فلز دارای ساختار باند انرژی خاصی است که تعیین‌کننده‌ی چگونگی جابجایی الکترون‌ها در سطح آن است. در تماس با مایع‌های غیرقطبی مانند پروپان، الکترون‌های آزاد فلز قادر به القای بارهای لحظه‌ای در مولکول‌های مجاورند.
برای مثال، در فلزاتی مانند مس و طلا که الکترون‌های d پُر دارند، برهم‌کنش بین الکترون‌های سطح و میدان‌های القایی مولکول پروپان کمتر است. اما در فلزات انتقالی مانند نیکل، آهن و تیتانیوم که چگالی حالت‌های الکترونی سطحی بالاتری دارند، پدیده‌ی القای الکتروستاتیکی قوی‌تر رخ می‌دهد.

این تفاوت باعث می‌شود تا ضخامت لایه جذب فیزیکی (physisorption layer) و میزان انرژی سطحی پروپان روی فلزات مختلف تغییر کند. چنین تغییراتی در طراحی سیستم‌های ذخیره LPG بسیار اهمیت دارد، زیرا تجمع بار الکتریکی در سطح داخلی تانک‌ها می‌تواند خطر تخلیه جرقه‌ای را افزایش دهد.

۴. تحلیل رفتار الکتروستاتیکی در تماس با فلزات مختلف

۴.۱. تماس پروپان مایع با آلومینیوم

آلومینیوم یکی از متداول‌ترین فلزات در ساخت مخازن و خطوط لوله پروپان است. سطح آن معمولاً با لایه نازکی از اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) پوشیده می‌شود که خاصیت عایقی دارد. این لایه باعث می‌شود تا برهم‌کنش الکتروستاتیکی مستقیم بین پروپان و فلز پایه کاهش یابد.
با وجود این، بارهای سطحی می‌توانند در اثر اصطکاک جریان مایع با دیواره، روی سطح اکسید انباشته شوند. اگر تخلیه الکتریکی کنترل نشود، امکان ایجاد جرقه وجود دارد، هرچند پروپان به خودی خود رسانای ضعیفی است.

۴.۲. تماس پروپان مایع با فولاد ضدزنگ

فولاد ضدزنگ دارای ساختاری پیچیده با ترکیبات آهن، کروم و نیکل است. وجود عناصر آلیاژی سبب می‌شود سطح آن دارای چگالی بار سطحی غیر یکنواخت باشد. پروپان مایع در تماس با فولاد ضدزنگ، تحت تأثیر میدان‌های موضعی کوچک قرار گرفته و دوقطبی‌های لحظه‌ای ایجاد می‌کند.
بررسی‌های شبیه‌سازی مولکولی نشان داده‌اند که در چنین شرایطی، انرژی جذب فیزیکی حدود ۵۰–۷۰ میکروالکترون‌ولت در هر مولکول است که گرچه کوچک است، اما در مقیاس ماکروسکوپی موجب تجمع تدریجی بار و پتانسیل الکتروستاتیکی قابل‌ملاحظه‌ای در سطح می‌شود.

۴.۳. تماس پروپان مایع با مس و برنج

مس رسانایی الکتریکی بالایی دارد و به سرعت هرگونه بار اضافی را تخلیه می‌کند. بنابراین، تجمع بار الکتروستاتیکی در سطح آن کمتر است. با این حال، در تماس‌های پیوسته جریان مایع پروپان، پدیده‌ی اصطکاک الکترونی (triboelectric effect) می‌تواند باعث باردار شدن نسبی سطح شود.
برنج نیز رفتاری مشابه دارد، اما به علت وجود روی در ساختار آن، قابلیت القای الکترواستاتیکی اندکی بالاتر از مس دارد.

۴.۴. تماس پروپان با نیکل و تیتانیوم

در فلزات انتقالی مانند نیکل و تیتانیوم، رفتار متفاوتی مشاهده می‌شود. این فلزات با دارا بودن باندهای d باز، میدان‌های الکترونی قوی‌تری در سطح ایجاد می‌کنند. در نتیجه، مولکول‌های پروپان در نزدیکی سطح تحت تأثیر قطبش لحظه‌ای شدیدی قرار گرفته و در آرایشی خاص منظم می‌شوند.
در شرایط دمای پایین (حدود ۱۰۰– K)، ممکن است حتی لایه‌ای شبه‌منظم از پروپان جذب‌شده تشکیل شود که از نظر الکتروستاتیکی پایدار است. این پدیده برای حسگرهای گاز و پوشش‌های ضدالکتریسیته‌ی ساکن مورد توجه است.

۵. مکانیسم‌های اصلی باردار شدن در تماس پروپان مایع–فلز

باردار شدن سیستم پروپان مایع در تماس با فلز از سه مکانیسم اصلی ناشی می‌شود:

نوع مکانیسم توضیح
القای الکتروستاتیکی (Induction) میدان الکترونی سطح فلز موجب قطبش لحظه‌ای مولکول‌های پروپان می‌شود.
انتقال بار (Charge Transfer) در تماس‌های مکرر یا انرژی بالا، ممکن است تبادل جزئی الکترون بین فلز و مولکول‌های نزدیک سطح رخ دهد.
اصطکاک الکتریکی (Triboelectric Charging) جریان مایع در لوله‌های فلزی یا جداره‌ی مخزن باعث تفکیک بار در اثر تماس‌های مکانیکی می‌شود.

ترکیب این سه پدیده منجر به ایجاد پتانسیل‌های سطحی در محدوده چند ده تا چند صد میلی‌ولت می‌شود که اگرچه کوچک‌اند، اما در حضور بخار پروپان قابل اشتعال، از نظر ایمنی خطرناک تلقی می‌شوند.

۶. اثر دما و فشار بر رفتار الکتروستاتیکی پروپان مایع

افزایش دما باعث کاهش چگالی و افزایش تحرک مولکول‌های پروپان می‌شود و در نتیجه میزان قطبش القایی کاهش می‌یابد. در مقابل، در دماهای پایین و فشارهای بالا (مانند شرایط مایع‌سازی)، مولکول‌ها به سطح نزدیک‌تر شده و القای الکتریکی تقویت می‌شود.
فشار بالا همچنین باعث افزایش چگالی الکترونی در سطح تماس شده و منجر به افزایش احتمال باردار شدن می‌گردد. بنابراین در طراحی سیستم‌های تحت فشار، لازم است از مواد رسانای مناسب و مسیرهای تخلیه بار الکتریکی استفاده شود تا تجمع بار به حداقل برسد.

۷. اندازه‌گیری و شبیه‌سازی رفتار الکتروستاتیکی

برای بررسی دقیق رفتار الکتروستاتیکی پروپان مایع، از روش‌های تجربی و محاسباتی مختلفی استفاده می‌شود.
در روش‌های تجربی، از سنسورهای پتانسیل سطحی (Surface Potential Probes) برای اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل میان سطح فلز و مایع استفاده می‌شود.
در روش‌های محاسباتی، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD) و نظریه تابع چگالی (DFT) به‌کار می‌روند تا توزیع بار و قطبش در سطح تماس تعیین شود.
نتایج این شبیه‌سازی‌ها نشان داده است که در تماس پروپان با فلزات دارای باندهای d فعال، میدان الکتریکی سطحی تا حدود ۱۰⁷ V/m می‌تواند در مقیاس نانومتری مشاهده شود که اگرچه موضعی است، اما بر انرژی جذب سطحی و رفتار ترمودینامیکی مایع اثر دارد.