آنالیز روغن با طیف سنجی مادون قرمز
ناحیه مادون قرمز (IR) طیفی است که در سمت راست انتهای قرمز طیف مرئی قرار دارد. ما قادر به دیدن این نور نیستیم، اگرچه حیوانات خاصی مانند افعی میتوانند این نور را ببینند و آنها را قادر میسازد در شب شکار کنند. تشعشعات IR برای اولین بار توسط ویلیام هرشل در سال 1800 توصیف شد. او یک منشور شیشهای در مسیر پرتوهای خورشید قرار داد تا طیف خورشیدی تولید کند، سپس مشاهده کرد وقتی نور با طول موجهای مختلف (رنگ های مختلف) بر روی لامپ یک دماسنج حساس میافتد، تغییراتی رخ میدهد.
او متوجه شد که با انتقال دماسنج از آبی به قرمز، دما افزایش مییابد، اما او همچنین دریافت که دماسنج حتی فراتر از انتهای قرمز طیف مرئی ثبت میشود. آزمایشهای بعدی نشان داد که این بخش فراتر از رنگ قرمز و از نوع مشابهی از تابش نور مرئی تشکیل شده است، به این صورت که میتواند توسط موادی منعکس، شکست و جذب شود. این کشف کمک بسیار بزرگی در زمینه صنعت روانکارها محسوب میشود زیرا در آنالیز روغن نقش موثری دارد. در این مقاله تمام موارد مهم مربوط به آنالیز روغن با طیفسنجی مادون قرمز را مورد بحث قرار میدهیم.
چگونه اشعه IR و خواص آن در حوزه شیمی صنایع مورد کاربرد قرار میگیرد؟
همه پیوندهای شیمیایی کووالانسی مانند پیوندهای موجود در مولکولهای آلی (CH4 یا متان) بر خلاف پیوندهای یونی، و پیوندهای موجود در مولکولهای معدنی (NaCl یا نمک معمولی) تشعشعات IR را جذب میکنند و باعث ارتعاش آنها با کشش و انقباض میشوند. قدرت پیوند شیمیایی بین اتم ها، که به نوبه خود تحت تأثیر ساختار اتمی آنها است، تعیین میکند که مولکولها کدام قسمت از طیف IR را جذب خواهند کرد. روش مشابهی برای تجسم این پدیده توسط قانون فنر هوک نشان داده شده است، که در آن مقدار انرژی برای شروع نوسان فنر به قدرت فنر و جرم انتهای آن مربوط میشود. در این مورد، انرژی IR جذب شده به ماهیت پیوند بین اتمهای C و H بستگی دارد. مقدار انرژی در پرتو IR به طول موج آن ربط دارد. هر چه طول موج کوچکتر باشد انرژی بیشتر است، البته در این حالت فقط انرژی دقیق مورد نیاز برای ایجاد ارتعاش جذب میشود. بنابراین، برای یک مولکول با چندین نوع پیوند (مثلاً یک C-H و یک C=O)، میتوان انتظار داشت که حداقل دو نوار جذب متفاوت ایجاد شود.
بنابراین گفته میشود که پیوندهای شیمیایی درون یک مولکول جذب مشخصی از IR را نشان میدهند. همین ویژگی مادون قرمز برای تحلیل در صنعت مورد استفاده قرار میگیرد. شیمیدانان از میزان جذب به عنوان عدد موج یاد میکنند. این ویژگی توسط قانون سادهای به نام قانون بیر-لامبرت ارائه میشود که بیان میکند مقدار IR جذب شده متناسب با غلظت گونههای جذب کننده و مسافتی است که نور IR باید از آن عبور کند.
FTIR چیست؟
طیفسنجی IR از یک نوار درخشان الکتریکی گرم شده به عنوان منبع تابش IR استفاده میکند و این تابش از طریق نمونه به آشکارساز منتقل میشود. ترکیبات شیمیایی نمونه مقداری از نور مادون قرمز را در اعداد موجی قابل تکرار و خاص جذب میکنند.
روش اصلی شامل استفاده از یک منشور یا توری پراش برای جداسازی اعداد موج منفرد و سپس شناسایی آنها در حین عبور از نمونه، و رسم جذب در برابر عدد موج بود. این فرآیند فوقالعاده کند بوده و بسته به دقت مورد نیاز، میتواند 10 دقیقه برای هر نمونه طول بکشد.
روش مبتنی بر مادون قرمز که (Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR نام دارد از تداخل سنج مایکلسون استفاده میکند. این دستگاه زیبا از یک آینه متحرک استفاده کرده که سرعت آن توسط لیزر کنترل میشود و به عنوان مرجع طول موج نیز عمل میکند. سپس آشکارساز مجموع تمام فرکانسها را در طول زمان اندازهگیری کرده و منجر به یک الگوی تداخل وابسته به زمان به نام interferogram میشود. سپس از یک الگوریتم کامپیوتری به نام تبدیل فوریه سریع برای تبدیل این سیگنال به طیف جذب استفاده میشود. در ادامه به طیف پس زمینه سلول خالی نسبت داده میشود تا سهم آلایندههای جوی مانند CO2 و بخار آب حذف شود. کل این فرآیند در هر اسکن یک و نیم ثانیه به طول میانجامد که امکان اسکن های متعدد بر روی یک نمونه را فراهم کرده و تفاوت سیگنال را تقویت میکند تا تغییرات بر اساس دقیقه را بتوان تشخیص داد و در نهایت دقت بیشتری ارائه میدهد.
به عبارت بسیار ساده، همانطور که عنوان شد زمانی که مولکولها در معرض تابش مادون قرمز قرار میگیرند، تابش را در طول موجهای بسیار خاص جذب میکنند. با دانستن این موضوع، می توانید تابش مادون قرمز را از یک نمونه عبور دهید و از یک آشکارساز در سمت دیگر نمونه برای شناسایی مولکولهای موجود در آن نمونه استفاده کنید. تقریباً مانند اثر انگشت، هیچ دو مولکولی یک الگو یا طول موج یکسان تولید نمیکنند. این ویژگی برای شناسایی ترکیب مواد یک نمونه بسیار مفید است و تحلیل کیفی به دلیل این واقعیت آسان میشود. هنگامی که از یک الگوریتم نرم افزاری برای رسم طیف حاصل استفاده میشود، یک نمایش بصری تولید میشود که تحلیل را بسیار ساده میکند.
این روش تست نسبتا سریع انجام میشود و قادر به تشخیص همزمان چندین پارامتر از جمله آنتی اکسیدانها، آب، دوده، سوخت، گلیکول، اکسیداسیون روغن و برخی مواد افزودنی است که در ادامه به تفصیل در مورد آن توضیح خواهیم داد .
برای درک بهتر، اجازه دهید نگاهی عمیق تر به فرآیند و آناتومی تجزیه و تحلیل یک نمونه بیندازیم. اولین جزء در سیستم منبع است. منبع انرژی مادون قرمز ساطع میکند و آن را از طریق دیافراگم میفرستد تا مقدار ارائه شده به نمونه را کنترل کند. در مرحله بعد، پرتو با استفاده از یک سری آینههای ثابت و متحرک وارد تداخلسنج شده و در آنجا “کدگذاری” میشود. این رمزگذاری راهی برای تولید سیگنالی است که از تمام فرکانسهای مهم مادون قرمز به طور همزمان تشکیل شده است. سپس پرتو وارد نمونه شده و فرکانسهای خاصی از انرژی جذب میشود. انرژی که از نمونه فرار میکند به آشکارساز ارسال و در آنجا اندازهگیری میشود. سپس این سیگنال اندازهگیری شده به کامپیوتری فرستاده میشود که در آن تبدیل فوریه انجام میگیرد. تبدیل فوریه یک فرآیند ریاضی است که در آن یک شکل موج میتواند به یک نمایش جایگزین برای مشاهده آسان تبدیل شود. در این مرحله، نتایج بر روی صفحه نمایش ترسیم شده و تکنسین میتواند آنالیز سادهای را انجام دهد.
مقاله "آناتومی نمونه روغنی که برای آنالیز استفاده میشود" نشان میدهد چگونه میتوان نمونه خوبی به دست آورد.
نمونهبرداری مناسب تضمین میکند که نتایج آنالیز روغن منعکسکننده وضعیت واقعی تجهیزات و روغن است.
مقاله "آنچه باید در مورد آنالیز روغن بدانید" شما را در درک مبانی آنالیز روغن یاری میکند.
روغن روانکار همانند خون برای ماشینآلات حیاتی است. دقیقاً مانند پزشکان که سلامت ما را با تجزیه و تحلیل خون ارزیابی میکنند، تجهیزات صنعتی نیز باید به همان شیوه کنترل شوند.
مقاله "چگونه دادههای حاصل از آنالیز روغن را تفسیر کنیم؟" راهنمایی جامع در درک نتایج حاصل از آنالیز روغن
توانایی تفسیر نتایج تجزیه و تحلیل روغن برای تصمیمگیری در مورد فعالیتهای تعمیر و نگهداری پیشگیرانه بسیار مهم است. وجود فردی در سازمان شما که بتواند گزارشی را دریافت و آن را بر اساس شرایط خاص محیطی تفسیر کند، ضروری است.
مقاله "نحوه تعیین فرکانس صحیح نمونهبرداری روغن" فرمولی کاربردی در تعیین فرکانس نمونهبرداری ارائه میدهد.
“با توجه به منابع انسانی محدود، ما در حال حاضر در حال به صورت سالانه از روغن یاتاقانهای توربین خود نمونهبرداری میکنیم. آیا این زمانبندی برای تشخیص خرابی کافی است یا باید فرکانس آن را افزایش داد”
از آنجایی که بیشتر نمونههای روغن استفاده شده مخلوطهای پیچیدهای از هزاران مولکول مختلف، از جمله مولکولهای روغن پایه، مواد افزودنی، محصولات جانبی تجزیه روغن، باقیماندههای سایش و آلایندهها هستند، طیف مادون قرمز نمونه معمولاً پیچیده است و تفسیر آن با هر درجهای از قطعیت دشوار است، زیرا برخی از اعداد موج ممکن است با هم همپوشانی داشته باشند.
علیرغم این اشکالات، FTIR هنوز ارزش زیادی در آنالیز روغن مستعمل دارد و توسط اکثر آزمایشگاههای آنالیز روغن به عنوان ابزار غربالگری استفاده میشود. برای به حداقل رساندن اثرات روغن پایه و رزونانسهای مولکولی افزودنی، آنالیز FTIR نمونههای روغن استفاده شده یک فرآیند سه مرحله ای است. مرحله اول، ثبت طیف FTIR یک نمونه روغن جدید برای به دست آوردن یک ردپای FTIR پایه است. مرحله دوم ثبت طیف FTIR برای همان نمونه روغن مصرف شده است. مرحله سوم و آخر این است که خط پایه جدید و به عنوان مرجع جدید شناخته میشود که از طیف روغن استفاده شده کم میشود تا طیف اختلاف به دست آید. در تئوری، طیف اختلاف اجازه میدهد تا تغییرات در ترکیب شیمیایی روغن، مانند اکسیداسیون روغن و هر گونه آلاینده بدون دخالت رزونانس مولکولی روغن جدید اندازهگیری شود. یکی از محدودیتهای اصلی این است که به دست آوردن اختلاف بین یک نمونه از روغن جدید با نمونه روغن استفادهشده اغلب عملی نیست. برای اینکه روش دقیق باشد، مرجع روغن جدید برای این منظور نه تنها باید همان نوع، مارک و درجه روغن کارکرده باشد، بلکه باید از همان دسته روغن تولید شده نیز باشد.
حوزه دیگری که در آن FTIR میتواند بسیار ارزشمند باشد، تعیین تغییرات قابل توجه در شیمی روغن است. در واقع، هنگامی که به یک مشکل آلودگی ناشناخته مشکوک میشوید، اغلب توصیه میشود که در صورت امکان فوراً یک طیف FTIR را همراه با یک مرجع روغن جدید تازه اجرا کنید.
FTIR یک افزودنی ارزشمند برای هر برنامه آنالیز روغن است. با درک نحوه عملکرد این تکنیک و همچنین نقاط قوت و محدودیت آن، تحلیلگران نفت و کاربران نهایی میتوانند هنگام استفاده از آن در کنار سایر روشها و استراتژیهای تست استاندارد، مقدار زیادی اطلاعات را به دست آورند.
محصولات فرعی حاصل از احتراق
در تمام سیستمهای روانکاری، ترکیبات آلی در معرض دما و فشار بالا در حضور اکسیژن تا حدی اکسید میشوند (با اکسیژن واکنش شیمیایی میدهند). در طی فرآیند احتراق محصولات جانبی مختلفی مانند کتونها، استرها، آلدئیدها، کربناتها و اسیدهای کربوکسیلیک تولید میگردد و توزیع و ترکیب دقیق این محصولات بسیار پیچیده است. برخی از این ترکیبات به دلیل مواد افزودنی پراکنده در روغن توسط روغن حل میشوند یا معلق میمانند. اسیدهای کربوکسیلیک به اسیدیته شدن روغن موتور کمک کرده و با خنثیسازی، ذخیره اولیه آن را تخلیه میکنند. اثر خالص اکسیداسیون در طولانی مدت این است که از نظر شیمیایی روغن اسیدی شده و باعث خوردگی میشود، در حالی که افزایش فیزیکی در ویسکوزیته نیز رخ میدهد.
FTIR سطح اکسیداسیون را با یک پاسخ کلی در ناحیه کربونیل (C=O) بین 1800 تا 1670 سانتیمتر ( به توان منفی 1) تعیین میکند. در این منطقه، انرژی IR به دلیل پیوندهای اکسیژن-کربن موجود در روغن اکسید شده جذب میشود. ترکیبات بسیار کمی که در روانکنندههای روغنی جدید یافت میشوند که جذب قابل توجهی در این زمینه دارند. بنابراین نظارت بر این منطقه یک اندازهگیری مستقیم از سطح اکسیداسیون را فراهم میکند.
محصولات نیتراسیون
علاوه بر محصولات اکسیداسیون، محصولات نیتراسیون نیز زمانی تشکیل میشوند که ترکیبات آلی در مجاورت نیتروژن و اکسیژن در معرض دما و فشار بالا قرار گیرند. این ترکیبات عموماً به شکل اکسیدهای نیتروژن مانند NO، NO2 و N2O4 هستند. محصولات نیتراسیون علاوه بر غلیظ شدن روغن و اسیدی بودن عامل اصلی تجمع رسوب و لجن هستند. افزایش شاخص نیتراسیون در سیالی مانند روغن موتور میتواند نشاندهنده اشتباهی در نسبت سوخت/هوا و یا زمانبندی نامناسب جرقه باشد. همچنین میتواند شرایط عملیاتی مانند بارهای زیاد و دمای کار پایین و همچنین ضربه زدن رینگ پیستون را منعکس کند. محصولات نیتراسیون را میتوان توسط FTIR نظارت کرد زیرا آنها دارای جذب مشخصهای بین 1650 تا 1600 سانتیمتر (به توان منفی یک) هستند، منطقهای که بلافاصله زیر جذب محصولات اکسیداسیون قرار دارد.
محصولات سولفاته
ترکیبات گوگردی معمولاً در روغنهای خام یافت میشوند و همچنین ممکن است به عنوان افزودنی در سوختها و روغنهای روانکننده برای دستیابی به خواص مطلوب مورد استفاده قرار گیرند. محصولات جانبی سولفات مانند SO2 و SO3 از اکسیداسیون ترکیبات حاوی گوگرد تشکیل میشوند. این ترکیبات در سیستم روانکاری اطراف رینگهای پیستون و آببندها در طول زمان جمع میشوند و باعث افزایش تولید لجن شده و به طور کلی روغن را تجزیه میکنند. آنها همچنین با آب تشکیل شده در طی احتراق واکنش داده تا اسیدهای معدنی قدرتمندی مانند اسید سولفوریک (H2SO4) تولید کنند. این اسیدها توسط ذخایر پایه موجود در بسته افزودنی روغن خنثی می شوند و بنابراین آنها را تخلیه میکنند. اندازهگیری این ترکیبات اطلاعات بیشتری در مورد موتورهای اشتباه و خرابی رینگ میدهد. سولفاتها با FTIR به همان روش اکسیداسیون و نیتراسیون، با نظارت بر افزایش جذب IR مشخصه آنها، که بین 1180 و 1120 سانتیمتر (به توان منفی یک) قرار دارد، اندازهگیری میشوند.
دوده
دوده از احتراق ناقص سوخت دیزل ایجاد میشود. سوزاندن مخلوط سوخت/هوا ذرات دوده را تشکیل میدهد. افزایش مقدار دوده در روغن نشاندهنده مشکلات احتراق یا طولانی شدن دوره تخلیه است. تجمع دوده مشکلی در روغنهای روانکاری به شمار میآید زیرا ویسکوزیته را تغییر میدهد و فیلترها و گالریهای روغن را زودتر مسدود میکند. گالریهای روغن که به عنوان گذرگاههای روغن یا کانالهای روغن نیز شناخته میشوند، نقش مهمی در سیستم روغنکاری موتور احتراق داخلی دارند. این گالریها گذرگاهها یا کانالهایی داخل بلوک موتور و سایر اجزا هستند که روغن را به قسمتهای مختلف موتور منتقل میکنند و سبب اطمینان از روانکاری و خنکسازی مناسب میشود.
تجزیه و تحلیل FTIR دوده یک استثنا از رویکرد کلی است، که سطح زیر منحنی مربوط به سایر پارامترهای آلاینده را نشان میدهد، زیرا دوده فاقد باندهای جذب IR خاص است. در عوض، ذرات دوده باعث پراکندگی کلی تابش IR میشوند که در تعداد موج های بالاتر شدیدتر خواهد بود. بنابراین، بارگذاری دوده به سادگی با گرفتن شدت جذب در 2000 سانتی متر در 1 اندازهگیری میشود.
رقیقسازی سوخت
سوختهای خودرو میتوانند شامل طیف گستردهای از ترکیبات آلیفاتیک شاخهدار مانند اکتان، ترکیبات معطر مانند بنزن و بسیاری از ترکیبات دیگر باشند که برای تولید مجموعهای از خواص فیزیکی مطلوب ترکیب شدهاند.
این امر به ویژه در کشورهایی مانند آفریقای جنوبی و ایران که سوخت از منابع مشتق شده از زغال سنگ یا نفت تامین میشود، صادق است. علاوه بر این، شرایط موتور باعث میشود که ترکیب کلی سوخت تغییر کند، بخشی به دلیل احتراق ناقص و بخشی به دلیل تقطیر اجزای سبکتر. در یک وضعیت ایده آل، FTIR به ابزاری قدرتمند در تشخیص رقیق شدن سوخت تبدیل میشود. این کار با اندازهگیری باندهای جذب اجزای خاص سوخت و افت باندهای جذب روغن هنگام رقیق شدن انجام میشود. با توجه به وضعیت واقعی و غیر ایده آل، رقت سوخت معمولاً با اندازهگیری نقطه اشتعال یا کروماتوگرافی گازی (GC) تعیین میشود.
آب
حتی اگر آب محصول جانبی احتراق باشد، به دلیل شرایط عملیاتی داغ در موتور معمولی، معمولاً یک آلاینده نسبتاً نادر (تقریباً یک درصد نمونهها) است. با این حال میتواند نشت مایع خنککننده را نشان دهد. در صورت وجود، آب به آسانی در روغن حل یا پراکنده میشود. آب یک جاذب IR قوی است و به راحتی قابل تشخیص است. همچنین در ناحیه ای از طیف IR ظاهر میشود که در آن تعداد کمی از ترکیبات دیگر که در روغنهای نفتی ظاهر میشوند، جذب قابل توجهی خواهند داشت.
شماره پایه Base Number
عدد پایه (BN) یک پارامتر مهم در تجزیه و تحلیل روانکنندهها، به ویژه در زمینه روغن موتور است. این عدد معیاری از میزان قلیای بودن ذخیره در روغن روانکننده است که نشاندهنده توانایی آن در خنثی کردن اجزای اسیدی تشکیل شده در طی فرآیند احتراق است. BN به ویژه در موتورهایی که از سوختهای گوگرد بالا استفاده میکنند بسیار مهم است، زیرا این سوختها میتوانند محصولات جانبی اسیدی را در طول احتراق تولید کنند. به دلیل خطرات بالقوه سلامتی و ملاحظات زیستمحیطی، اندازه گیری BN واقعی در تمام نمونههای موتوری که وارد آزمایشگاه میشوند امکانپذیر نیست. به همین دلیل، IR به عنوان یک صفحه نمایش استفاده میشود و تنها مواردی که پیشبینی میشود عدد آن زیر 6.0 باشند، اندازهگیری واقعی BN را خواهند داشت.
در مورد درک بهتر شمارش اسید مقاله "راهنمای جامع در مورد شماره اسید" را مطالعه بفرمایید.
کاهش مواد افزودنی، آلودگی و اکسیداسیون مسیرهای رایج از عوامل تخریب روانکار هستند. آزمایش عدد اسیدی (Acid Number, AN) یکی از روشهای موجود در حوزه آنالیز روغن است که برای تخمین میزان کاهش افزودنی، آلودگی اسیدی و اکسیداسیون استفاده میشود.
نتیجهگیری
طیفسنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) یک تکنیک تحلیلی قدرتمند است که به طور گسترده در تجزیه و تحلیل روغن برای تعیین ترکیب شیمیایی روانکنندهها و شناسایی آلایندههای بالقوه استفاده میشود. در FTIR، طیف وسیعی از فرکانسهای مادون قرمز برای تعامل با ارتعاشات مولکولی نمونه استفاده میگردد. در زمینه تجزیه و تحلیل روغن، FTIR میتواند اجزای مختلف مانند آب، محصولات جانبی اکسیداسیون، افزودنی و آلایندهها را شناسایی و کمیت کند. طیف تولید شده توسط FTIR یک اثر انگشت منحصر به فرد را برای ساختار مولکولی روغن فراهم میکند و امکان شناسایی گروههای عاملی خاص و پیوندهای شیمیایی موجود را به وجود میآورد. این اطلاعات در ارزیابی وضعیت کلی روان کننده، تشخیص مسائل احتمالی مانند تخریب حرارتی یا وجود آلایندههای مضر نقش دارد. FTIR در تشخیص زودهنگام مشکلات در ماشینآلات، کمک به جلوگیری از خرابی تجهیزات و اطمینان از عملکرد بهینه در کاربردهای صنعتی بسیار موثر است.
منابع
- Wright, “Benefits of FTIR oil Analysis,” Machinery Lubrication, Jul. 29, 2015. Available: https://www.machinerylubrication.com/Read/30205/ftir-oil-analysis
- Robinson, “Monitoring oil degradation with infrared spectroscopy,” Machinery Lubrication, Jul. 06, 2019. Available: https://www.machinerylubrication.com/Read/1109/oil-degradation-spectroscopy
سوالات متداول
این روش تجزیه و تحلیل سریع و غیر مخرب را ارائه میدهد که امکان شناسایی همزمان چندین مؤلفه را فراهم میکند. این تکنیک یک ابزار ارزشمند برای ارزیابی سلامت کلی روانکنندهها، شناسایی مشکلات احتمالی در مراحل اولیه و بهینهسازی عملکرد تجهیزات است.
بله، نظارت بر شماره اسید میتواند به پیشبینی نیاز به تعویض روغن کمک کند. افزایش قابل توجه در تعداد اسید ممکن است نشان دهنده پایان عمر مفید روغن باشد.
FTIR ممکن است محدودیتهایی در تعیین کمیت اجزای خاص در غلظتهای بسیار پایین داشته باشد. علاوه بر این، تفسیر طیفهای پیچیده ممکن است به تحلیلگران با تجربه نیاز داشته باشد.
