مواد شیمیایی یخ زدا

شیوه های یخ زدایی

یخ زدایی فرایند از بین بردن برف، یخ یا یخبندان از یک سطح است. در فرایند ضد یخ از مواد شیمیایی استفاده می شود که نه تنها کار یخ زدایی را به عهده دارند، بلکه بر روی سطح باقی میمانند و شکل گیری مجدد یخ را برای مدت معینی به تأخیر می‌اندازند، یا از باقی ماندن یخ جلوگیری میکند تا حذف مکانیکی آن آسان‌تر شود. یخ زدایی زمینی هواپیماها معمولاً در هواپیمایی عمومی و تجاری از طریق مایعات یخ زدا یا ضد یخ انجام می شود. یخ زدایی را می توان با روش های مکانیکی مانند خراش یا فشار دادن، از طریق استفاده از گرما، با استفاده از مواد شیمیایی خشک یا مایع مانند نمک های مختلف یا آب شور، الکلها و گلیکول که برای پایین آمدن نقطه انجماد آب به کار گرفته میشوند یا با ترکیبی از این تکنیکهای مختلف انجام داد.

یخ زداهای شیمیایی

همه یخ زداهای شیمیایی یک مکانیسم عملکرد مشترک دارند؛ آنها از نظر شیمیایی مانع از اتصال مولکول های آب در بالاتر از دمای مشخصی می شوند که این امر به غلظت آن بستگی دارد. این درجه حرارت، زیر ۰ درجه سانتیگراد و نقطه انجماد آب خالص است. گاهی، از طریق یک واکنش حلال‌پوشی گرمازایی وجود دارد که قدرت ذوب حتی قوی تری را امکان پذیر میسازد. موارد زیر رایج‌ترین و متداول ترین مواد شیمیایی یخ زدا و فرمول شیمیایی معمول آنها است:
نمکهای معدنی
- کلرید سدیم (نمک طعام یا NaCl؛ رایج ترین ماده شیمیایی یخ زدا)
- کلرید منیزیم (۲MgCl، برای کاهش دما اغلب به نمک اضافه می شود)
- کلرید کلسیم (۲CaCl، برای کاهش دما اغلب به نمک اضافه می شود)
- کلرید پتاسیم (KCl)

ترکیبات آلی
- کلسیم منیزیم استات (CaMg۲ (CH۳COO) ۶)
- استات پتاسیم (CH۳COOK)
- پتاسیم فرمات (CHO۲K)
- سدیم فرمات (HCOONa)
- کلسیم فرمات (Ca (HCOO) ۲)
- اوره (CO (NH۲) ۲)، یک کود شیمیایی متداول
- محصولات جانبی کشاورزی (که معمولاً به عنوان افزودنی به کلرید سدیم مورد استفاده قرار میگیرند)

الکلها، دی‌الها و پل‌الها: (این مواد ضد یخ هستند و به ندرت در جاده ها استفاده می شوند)
- متانول (CH۴O)
- اتیلن گلیکول (C۲H۶O۲)
- پروپیلن گلیکول (C۳H۸O۲)
- گلیسرول (C۳H۸O۳)

انواع مواد شیمیایی یخ زدای سیال

انواع مختلفی از سیالات یخ زدای هواپیمایی وجود دارد که در دو دسته اصلی قرار می گیرند:
۱. مایعات یا سیالات یخ زدا: گلیکول حرارت داده شده با آب رقیق شده برای از بین بردن یخ زدگی، برف و یخبندان که به عنوان سیالات نیوتنی (به دلیل جریان چسبناک آنها که شبیه به آب است) نیز شناخته میشوند.
۲. مایعات یا سیالات ضد یخ: سیالات برپایه پروپیلن گلیکول بدون حرارت دیدن و رقیق شدن که غلظت آنها افزایش یافته است (مانند ژلاتین نیمه بسته شده) که به عنوان سیالات غیرنیوتنی (به دلیل جریان چسبناک خاص آنها) نیز شناخته میشوند و به منظور ایجاد تاخیر در شکل‌گیری یخ در آینده یا جلوگیری از تجمع برف در حال بارش یا ریزتگرگ استفاده میشوند. مایعات ضد یخ، در حالی که هواپیماها برروی سطح زمین ثابت هستند، باعث ایجاد مقاومت در برابر تشکیل یخ میشوند. با این وجود، هنگامی که در معرض نیروی برشی با برنده (نیروی عمود بر افق) مانند جریان هوا بر روی سطح سیال قرار می گیرید و یا هنگامی که یک هواپیما برای برخاستن شتاب میگیرد، رئولوژی یا شارش شناسی کامل مایعات با خارج شدن به منظور ایجاد یک سطح ایرودینامیک تمیز و هموار برای پرواز تغییر میکند و به طور قابل توجهی نازک تر میشود.
در برخی موارد، هر دو نوع مایع مورد استفاده قرار میگیرند؛ بدین گونه که ابتدا ترکیب گلیکول و آب حرارت دیده برای از بین بردن آلودگیها و سپس مایع غلیظ حرارت داده نشده برای جلوگیری از تشکیل مجدد یخ قبل از بلند شدن هواپیما استفاده میشوند. به این روش "روش دو مرحله ای" گفته میشود. مایع یخ زدای متانول سالهاست که برای یخ زدایی سطوح کوچک بال و سطوح کوچک تا متوسط دم هواپیماها در حمل و نقل هوایی عمومی معمولاً با یک اسپری دستی کوچک استفاده می شود. تنها پیش از پرواز میتوان از متانول برای یخ زدایی استفاده کرد.
مونواتیلن، دی اتیلن و پروپیلن گلیکول فرآورده های نفتی غیرقابل اشتعال هستند و محصولات مشابه عمدتا در سیستمهای خنک کننده خودکار استفاده میشوند. گلیکول از خاصیت یخ زدایی بسیار مناسبی برخوردار است و از این ماده شیمیایی معمولاً برای سطوح آلوده رقیق شده با آب در دمای ۹۵ درجه فارنهایت (۳۵ درجه سانتیگراد) استفاده میشود. استعمال این مایع رنگی نسبت به سایر مواد شیمیایی ترجیح داده میشود چرا که رنگ آن نشان از استفاده این ماده یخ زدا است.

انواع سیالات یخ زدا

مایعات یا سیالات یخ زدا انواع مختلفی دارند و به طور معمول از اتیلن گلیکول (EG) یا پروپیلن گلیکول (PG) به همراه سایر موادشیمیایی مانند مواد شیمیایی غلظت دهنده، سورفاکتانتها یا عوامل فعال در سطح (عوامل مرطوب کننده)، مواد شیمیایی ضد خوردگی، رنگها و رنگ حساس به اشعه ماوراء بنفش تشکیل میشوند. استفاده از مایعات برپایه پروپیلن گلیکول متداولتر است زیرا نسبت به اتیلن گلیکول سمیت کمتری دارند.
۱. مایعات یا سیالات نوع I دارای ویسکوزیته کم و رقیق‌کننده هستند. این مواد تنها دارای محافظت کوتاه مدت هستند زیرا پس از استفاده به سرعت از روی سطح خارج میشوند. آنها معمولاً به صورت داغ با فشار زیاد (۱۳۰ الی ۱۸۰ °درجه فارنهایت یا ۵۵ الی ۸۰ درجه سانتیگراد) برای از بین بردن برف، یخ و یخبندان بر روی سطوح اسپری میشوند. معمولاً از رنگ نارنجی برای کمک به شناسایی و کاربرد این سیالات کمک گرفته می شود.
۲. مایعات یخ زدای نوع II شبه پلاستیک (سیالاتی که با افزایش تنش برشی روی آنها، لزجت ظاهری کاهش می‌یابد، به گونه‌ای که گویا سیال رقیق‌تر میشود) هستند؛ بدین معنا که حاوی ماده غلظت دهنده پلیمری برای جلوگیری از جاری شدن سریع آنها از سطوح هستند. مایعات یخ زدای نوع دوم از باقی ماندن برف، یخ یا یخبندان بر روی سطوح هواپیما تا هنگام برخاستن جلوگیری میکند. به طور معمول، پوشش ایجاد شده توسط مایع تا زمانی که هواپیما ۱۹۰ کیلومتر در ساعت یا بیشتر سرعت بگیرد، در محل باقی می ماند که در این مرحله ویسکوزیته به دلیل تنش برشی تجزیه میشود. به طور کلی، رنگ یخ زداهای مایع نوع II روشن است.
۳. یخ زداهای مایع نوع III را میتوان برای هواپیماهایی با سرعت آهسته‌تر و سرعت چرخش کمتر از ۱۰۰ نات (واحد سرعت دریایی و هوایی) استفاده کرد. مایعات نوع III معمولاً از نظر رنگ زرد روشن هستند.
۴. مواد شیمیایی یخ زدای مایع نوع IV دارای هدف و استانداردهای مشابه با مایعات نوع II، اما مدت زمان طولانی‌تر اثرگذاری و همچنین به طور معمول، به رنگ سبز هستند. سیالات یا مایعات یخ زدای حاوی مواد شیمیایی غلظت دهنده (انواع II، III و IV) همچنین به عنوان مایعات ضدیخ شناخته میشوند، زیرا آنها عدمتا برای جلوگیری از یخ زدگی مجدد پس از یخ زدایی اولیه با یک مایع نوع I مورد استفاده قرار میگیرند.

ترکیبات شیمیایی موجود در یخ زداها

مؤلفه اصلی مایعات یخ زدا یک عامل کاهنده نقطه انجماد (FPD)، معمولاً پروپیلن گلیکول یا اتیلن گلیکول، است. سایر ترکیبات بسته به تولیدکننده آنها دارای اجزای متفاوتی هستند. براساس آنالیز شیمیایی، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده پنج کلاس اصلی مواد افزودنی را که به طور گسترده در بین تولیدکنندگان مورد استفاده قرار میگیرند، شناسایی کرده است: ۱- بنزوتریازول و بنزوتریازول جایگزین با متیل که به عنوان مواد شیمیایی ضدخوردگی استفاده میشوند؛ ۲- آلکیل‌فنول و آلکیل‌فنول اتیوکسیلاتها که سورفاکتانتها یا مواد شیمیایی فعال در سطح غیریونی هستند و برای کاهش کشش سطحی مورد استفاده قرار می گیرند. ۳- تری‌اتانول‌آمین که به عنوان یک بافر pH استفاده میشود. ۴- پلیمرهای غیرخطی با وزن مولکولی بالا که برای افزایش ویسکوالاستیسیته استفاده میشود. ۵- رنگها که برای شناسایی مواد یخ زدا از آنها کمک گرفته میشود.

تأثیرات زیست محیطی

نمکهای یخ‌زدا مانند کلرید سدیم یا کلرید کلسیم در آبهای طبیعی شسته میشوند که این امر به شدت بر شوری آنها تأثیر میگذارد. اتیلن گلیکول و پروپیلن گلیکول به واسطه اعمال سطوح بالای اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی یا بیوشیمیایی (BOD) طی تخریب در آبهای سطحی شناخته میشوند. این فرایند میتواند با مصرف اکسیژن مورد نیاز موجودات آبزی برای بقا بر آبزیان تأثیر منفی بگذارد. هنگام تجزیه جمعیت میکروبی به پروپیلن گلیکول، مقادیر زیادی اکسیژن محلول (DO) در ستون یا عمق آب مصرف میشود. میزان کافی اکسیژن محلول در آبهای سطحی برای بقای ماهیان، بی‌مهرگان و سایر موجودات آبزی بسیار حائز اهمیت است. اگر غلظت اکسیژن از میزان حداقل پایین بیاید، موجودات موجود در صورت امکان به مناطقی با سطح اکسیژن بالاتر مهاجرت می کنند یا در نهایت از بین میروند. این تاثیر می تواند به میزان چشمگیری باعث کاهش تعداد زیستگاه های آبی قابل استفاده شود. کاهش سطح اکسیژن محلول میتواند باعث کاهش یا از بین رفتن جمعیت آبزیانی شود که در عمق پایین تغذیه میکنند و یا باعث تغییر تعامل زنجیره غذایی شود. برخی از فرودگاهها مایعات یخ زدای مورد استفاده را با جداسازی آب و آلودگی های جامد و امکان استفاده مجدد از مایعات برای سایر کاربردها را فراهم می کنند. سایر فرودگاه‌ها دارای یک مرکز تصفیه فاضلاب در محل هستند و یا مایع جمع آوری شده را به تصفیه خانه فاضلاب شهری یا یک مرکز تصفیه فاضلاب تجاری منتقل می کنند. سمیت مایعات یخ زدا یکی دیگر از نگرانیهای زیست محیطی است و تحقیقات برای یافتن گزینه‌هایی با سمیت کمتر (به عنوان مثال، موادی که برپایه گلیکول نیستند) در حال انجام است.