ماسه سیلیس همان سنگ کوارتز می باشد که به مرور زمان و فرسوده شدن توسط جریانات آب و هوایی شکسته شده و به دانه هایی بسیار ریز تبدیل گشته است.
صنایعی که در آنها بازیابی فرآورده های نفتی و گازی صورت می پذیرد به گسترده ای از شن سیلیسی صنعتی (تجاری) به عنوان پروپانت (proppant) استفاده می کنند. از منابع سیلیس در فعالیت های صنعتی دیگری نیز مانند شیشه سازی، ساخت و ساز، محصولات بهداشت شخصی، الکترونیک و حتی ساخت مواد و محصولات تجدیدپذیر استفاده می گردد.
ماسه یا شن صنعتی عبارتی است که معمولا برای محصولات شن سیلیسی با خلوص بالا و اندازه‌های کاملا کنترل شده مورد استفاده قرار می گیرد و غالبا به محصولی خاص تر و دقیق تر نسبت به بتن و آسفالت معمول مورد استفاده می باشند.
سیلیس (SiO2) نامی است که به گروهی از مواد معدنی که تنها از اکسیژن و سیلیکون تشکیل شده اند، اطلاق می گردد. سیلیس معمولا به شکل بلوری مشاهده می شود و در اغلب مواقع دارای شکل نامنظمی است که در اثر فرسایش یا فسیل شدن پلانکتون ها تشکیل می گردد.
استخراج ماسه سیلیس در بسیاری از مواقع به صورت کار بر روی معادن و گودال های سطحی صورت می پذیرد، اما در برخی موارد نیز نیاز به حفاری و استخراج از معادن عمیق زیرزمینی میباشد. فرآیندهای مختلفی بر روی سنگ معدن استخراج شده به منظور افزایش خلوص سیلیس (کاهش ناخالصی ها) به مقدار مورد نیاز انجام می شود. پس از خشک نمودن و دسته‌بندی سنگ های خالص سازی شده، با توجه به هدف و مورد استفاده، آنها را به اندازه های مورد نظر خرد می نمایند.
اغلب فعالیت های صنعتی و تولیدی از سیلیسی با خلوص حداقل ۹۵ درصد استفاده می کنند. سیلیس ذاتا دارای ترکیب شیمیایی ای صلب گونه و بسیار سخت و محکم با نقطه ی ذوب بسیار بالا می باشد که دلیل اصلی این امر، قدرت پیوند بین اتم های آن است. این ویژگی ها برای صنایع و سیستم هایی مانند ریخته گری و فیلتراسیون (تصفیه) بسیار ارزشمند می باشند. خواص غیرواکنشی و استحکام بالای ماسه های صنعتی – به خصوص سیلیس (SiO2) – آنها را به بخشی ضروری و لاینفک در صنایع مختلف و تولید هزاران مورد از محصولات روزمره ی زندگی تبدیل نموده است.
کاربردهای سیلیس
از مهم ترین موارد استفاده و کاربردهای ماسه سیلیس می توان به مواردی نظیر فیلتراسیون آب، تصفیه خانه آب، تصفیه خانه فاضلاب، سیستم های فیلتراسیون شیمیایی، ساخت شیشه، ساخت و تولید کریستال، ریخته گری، تولید فلزات، تولید مواد شیمیایی، ساخت و ساز، تولید سرامیک و آجر نسوز، محصولات تفریحی، رنگ سازی، صنایع نفت و گاز، زمین های گلف و … اشاره نمود.
نفت و گاز
ماسه سیلیس در این صنایع عموما با نام پروپانت شناخته می شود. سیلیس به درون چاه های بسیار عمیق پمپاژ شده و با باز نگه داشتن حفره ها و درزهای سنگ ها موجب افزایش سرعت جریان گاز طبیعی یا نفت می گردد. دراین صنایع معمولا از دانه های گرد و نسبتا بزرگ سیلیس برای به حداکثر رساندن میزان نفوذپذیری و جلوگیری از ورود مواد و اشیاء ناخواسته به سوراخ چاه استفاده می شود. ویژگی های کلی ساختار سیلیس در ترکیب با میزان سختی آن، موجب دستیابی به مقاومت مورد نیاز در برابر خرد شدن در فشارهای بسیار بالای موجود در چاه ها (چاهایی با عمق بیش از ۲۰۰۰ متر) می گردد. خلوص شیمیایی یکی از مهم ترین پارامترها برای انتخاب سیلیس مناسب در صنایع است (به منظور مقاومت در برابر حمله های شیمیایی در محیط های خورنده).
فیلتراسیون آب
مدت زمان زیادی است که از ماسه سیلیس برای فیلتراسیون و پاکسازی آب استفاده می شود. اولین مستندات استفاده از فیلتر شنی مربوط به تاریخ ۱۸۰۴، زمانی که جان گیب (John Gibb) اقدام به طراحی و نصب یک فیلتر نمود، می باشد. این روش فیلتراسیون در طول دو دهه ی بعد، اصلاح و تصحیح گشت و با نصب اولین منبع تصفیه آب عمومی توسط جیمز سیمپسون و برای شرکت آب و فاضلاب چلسی در سال ۱۸۲۹ به شکوفایی رسید.
پس از آن که فیزیکدان معروف انگلیسی، جان اسنو، موفق به کسب اثبات رابطه میان کیفیت آب و شیوع بیماری وبا بین سال های ۵۵/۱۸۴۵ شد، مطالعات بر روی تصفیه آب مسیر اصلی خود را پیدا کرد. در ۳۱ دسامبر سال ۱۸۵۵ اولین استاندارد مربوط به کیفیت آب و فیلتراسیون آن تصویب گشت و امروزه تهیه آب آشامیدنی با کیفیت و سالم در اکثر کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه محقق شده است.
عملکرد و کاربردها
ماسه سیلیس فیلترینگ به صورت طبیعی دارای شکل های زاویه دار و گردی می باشند که آنها را به بستری ایده آل برای تصفیه و جداسازی مواد جامد معلق موجود در آب تبدیل می کند. با توجه به وجود حجم بالایی از سیلیس در این سیستم های فیلتراسیون و دوام بالا و پوشش مناسب آنها، این سیستم ها دارای راندمان فیلتراسیون قابل قبولی می باشند.
سیلیس معمولا در قسمت بالایی لایه ی فیلتر شنی قرار دارد. آب ورودی به فیلتر با عبور از ماسه سیلیس موجود در بستر فیلتراسیون تصفیه شده و ذرات جامد و آلودگی های موجود در آن جداسازی می گردد.
به دلیل خصوصیات منحصر به فرد موجود، از این سیستم های فیلتراسیون و تصفیه آب در زمینه های متنوعی از جمله تصفیه فاضلاب و آب آشامیدنی، استخرها و پارک های آبی، کاغذسازی ها، صنایع شیمیایی، نیروگاه ها و … استفاده می شود.
انواع فیلترها
فیلترهای تحت فشار: فیلتر های تحت فشار که که معمولا در استخرها و مراکز تفریحی مورد استفاده قرار می گیرند، فشار ورودی ای بین ۲ تا ۵ بار دارند. آب تغذیه وارد فیلتر شده و از بستر سیلیس موجود در فیلتر عبور (تحت فشار) می نماید. بخش عمده ی ذرات موجود در آب توسط قسمت بالایی بستر فیلتر جداسازی می شوند. این نوع فیلتر ها قادر به جداسازی ذرات بسیار ریز می باشند.
تشکیل لایه ای از ذرات جدا شده باعث افزایش افت فشار در بستر فیلتر، در دبی ثابت جریان می گردد. با خروج میزان این افت فشار یا دبی جریان از محدوده ی قابل قبول، بستر برای خارج سازی ذرات انباشته شده بک واش می شود. ممکن است در طول فرآیند بک واش مقداری سیلیس از سیستم خارج گردد، که نیاز است به صورت دوره ای و منظم این مقدار جایگزین شود.
فیلترهای ثقلی سریع (RGF) : از این نوع فیلترها معمولا در مراکز تصفیه آب شرب و برای خالص‌سازی استفاده می شود. RGFها نسبت به فیلترهای شنی کند فضای کمتری را اشغال کرده و از سیلیس و سایر بسترهای دانه ای برای حذف ذرات و ناخالصی های موجود در آب استفاده می کنند (معمولا در این سیستم ها از لخته سازها نیز استفاده می شود).
برای عملکرد مناسب فیلترهای ثقلی سریع و تامین دبی مورد نظر، نیاز به شستشوی مداوم آنها (چندین مرتبه بک واش در روز) است. در طول فرآیند بک واش، بستر توسط آب و هوای فشرده شده شسته میگردد و نیاز است تا توجه ویژه ای به عدم بیرون ریختن بستر فیلتر (سیلیس) در گردد.
RGFها به طور معمول سیستم های چند مرحله ای تصفیه آب بوده و توسط شرکت ها و ارگان‌های بزرگ استفاده می شوند. این سیستم های دبی بسیار بالایی دارند اما در عین حال پیچیده بوده و هزینه های مربوط به تعمیر و نگهداری در آنها بسیار بالا می باشد.
فیلترهای شنی کند: از این سیستم ها برای تصفیه آب و تبدیل آب خام ورودی به آب شرب استفاده می شود. این فیلترها معمولا ۱ تا ۲ متر عمق داشته و اندازه ی آنها با توجه دبی مورد انتظار از فیلتر تعیین می گردد. به علت آهسته بودن فرآیند تصفیه، این واحدها نیاز به فضای بیشتری داشته و با توجه به افزایش روز افزون نیاز به آب شرب و محدودیت فضایی موجود، بسیاری از شهرها و تاسیسات سیستم های خود را به فیلترهای سریع تبدیل نموده اند.
فیلترهای شنی کند با سایر سیستم های فیلتراسیون آب متفاوت بوده و در فرآیند خود از یک فیلم بیولوژیکی پیچیده (Schmutzdecke) که به صورت طبیعی در سطح بستر شن (سیلیس) رشد می کنند، استفاده می نمایند. در این سیستم ها، سیلیس مستقیما فرآیند تصفیه ای انجام نمی دهد و بیشتر به عنوان یک زیرلایه عمل می کند.
نیاز بسیار کم این سیستم ها به نیروی مکانیکی، مواد شیمیایی و قطعات تعویضی و آموزش های بهره برداری موجب تبدیل شدن این تکنولوژی به موردی بسیار مناسب برای مناطق فقیر و دور افتاده است. از همین رو سازمان جهانی بهداشت و سلامت (WHO) و سازمان ملل (UN) فیلترهای شنی کند را به عنوان ارزان ترین، ساده ترین و پربازده ترین سیستم های تصفیه آب می شناسند.
ویژگی های یک بستر مناسب
در حالت کلی یک بستر مناسب باید دارای ویژگی های زیر باشد:
- به اندازه کافی درشت باشد تا توانایی نگهداری مقادیر زیادی از لخته ها را داشته باشد
- به اندازه کافی دارای ذرات ریز باشد تا از عبور ذرات جامد معلق جلوگیری کند
- به اندازه کافی عمیق باشد تا توانایی انجام سیکل های نسبتا بلند فیلتراسیون را داشته باشد
- دانه بندی مناسب برای انجام فرآیند بک واش
برخی از این ویژگی ها با یکدیگر سازگار نیستند. به عنوان مثال شن بسیار ریز باعث نگه داشتن لخته می شود و از طرف دیگر موجب کوتاه شدن چرخه ی فیلتراسیون می گردد. این امر برای بستری با دانه های درشت برعکس است. در سال های اخیر گرایش ها به سمت استفاده از شن‌های دانه درشت و بسترهایی با مدیای دوگانه (آنتراسیت روی شن) برای دستیابی به میزان فیلتراسیون بیشتر و با کیفیت تر بوده است.
محیط یک فیلتر بوسیله اندازه موثر و ضریب یکنواختی بیان می گردد. اندازه موثر، ۱۰ درصد (وزنی از یک) قطر مشخص است. این یعنی که ۱۰ درصد از وزن مواد فیلتر، قطر کمتری از این مقدار قطر مشخص را دارند. ضریب یکنواختی نیز نسبت ۶۰ درصد اندازه وزنی از یک قطر معین به ۱۰ درصد وزنی از همان قطر معین را نشان می دهد. در بحث تصفیه آب، بستر شنی معمول، اندازه ی موثری بین ۰٫۴۵ تا ۰٫۵۵ میلیمتر، ضریب یکنواختی کمتر از ۱٫۶۵ و عمق بستر بین ۷۰ تا ۷۶ سانتی متر است.
در فیلترهای مدیای دوگانه، لایه ی آنتراسیت بالایی اندازه‌ی موثری برابر ۰٫۸ تا ۱٫۲ میلیمتر، ضریب یکنواختی کمتر از ۱٫۸۵ و ضخامتی بین چند سانتیمتر تا دو سوم کل فیلتر دارند که در زیر آن نیز لایه ای نظیر آنچه قبل تر گفته شده قرار دارد. لایه ی پشتیبانی شن درشت بین شن فیلتر و دانه های زیرین، اندازه ی موثری بین ۰٫۸ تا ۲ و ضریب یکنواختی ای کمتر از ۱٫۷ دارد. درشت ترین لایه ی مورد نیاز دانه ها نیز بر اساس نوع زیرکش و اندازه ی دهانه ی آب خروجی و بک واش تعیین می گردد.
استفاده از بستر فیلتر شنی ای با دانه هایی تقریبا یک اندازه موجب فیلتراسیونی موثر در تمام عمق فیلتر می گردد. در صورتی که طبقه بندی اندازه دانه ها بسیار بزرگ باشد، فیلتراسیون موثر تنها محدود به چند سانتیمتر بالایی ماسه می شود. دلیل این امر نیز تجمع دانه های ریز در بالاترین سطح بستر در طول فرآیند دانه بندی (پس از بک واش) می باشد.
مشکل گرفتگی سطحی فیلترهای شنی منجر به استفاده از فیلترهای بستر دوگانه شد. یک فیلتر بستر دوگانه شامل لایه ای از ماسه (با وزن مخصوص ۲٫۶۵) است که در بالای آن بستری از ذغال آنتراسیت قرار دارد، است. لایه ی درشت آنتراسیت بالایی منافذی در حدود ۲۰ درصد بزرگتر از سطح ماسه ای دارا می باشد. این دهانه ها و منافذ توانایی جذب و به دام انداختن ذرات را دارا هستند تا لخته های حمل شده توسط آب زلال شده در سطح فیلتر انباشته نشوند و فیلتر دچار گرفتگی نگردد.
فیلترهای غیرمعمول، که شامل بستر دوگانه با آنتراسیت درشت هستند، دارای اندازه ی موثر ۱٫۵ میلیمتر و دارای ضریب یکنواختی بسیار کمی بوده تا با ایجاد حفره های بیشتر، جمع آوری ناخالصی ها را بهتر انجام داده و چرخه ی فیلتراسیون را برای آب های سطحی و فاضلاب های کدر طولانی تر نمایند. برای جلوگیری از بروز مشکلات در فرآیند بک واش اندازه ی موثر پیشنهادی برای لایه ی ماسه بستر پایینی بین ۰٫۷۵ تا ۰٫۹ میلیمتر برای آنتراسیتی با چگالی ۱٫۴۵ تا ۱٫۶۵ می باشد.
فیلترهای تک لایه ای درشت، بیشتر در اروپا توصیه می گردد. به عنوان مثال،ماسه ای با اندازه ی ۰٫۹ تا ۱٫۵ میلیمتر و عمقی حدود ۱ متر در تصفیه خانه آبهای سطحی مورد استفاده قرار گرفته است. این فیلترها به صورت همزمان بوسیله ی هوا و آب با سرعتی کم و به دنبال آن فقط آبی با سرعت بالا (برای مدت کوتاه) شستشو داده شدند. فیلترهای بستر سه گانه (آنتراسیت، ماسه، گارنت) نیز سال های زیادی در ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفتند. فیلترهای بستر دوگانه و سه گانه نسبت به فیلترهای شنی معمول عملکردی بهتری داشته و چرخه های فیلتراسیون طولانی تر و نیاز به آب کمتر برای بک واش را به ارمغان می آورند.
ساخت شیشه
ماسه سیلیس یکی از اجزا اصلی تمام شیشه های معمولی و مخصوص است. سلیس تامین کننده‌ی بخش ضروری SiO2 در فرمولاسیون شیشه بوده و میزان خلوص شیمیایی آن تعیین کننده ی رنگ، شفافیت و استحکام شیشه می باشد. از ماسه ی صنعتی برای تولید شیشه های تخت ساختمان ها، خودروها، ظروف مواد غذایی و نوشیدنی و هم چنین ظروف سفره (مانند کارد و چنگال و بشقاب و …) استفاده می شود. فرم پودری سیلیس نیز برای تولید عایق های فایبر گلاس و تقویت الیاف شیشه کابرد دارد. از موارد استفاده سیلیس در تولید شیشه های مخصوص نیز می توان به لوله های تست و ابزار آزمایشگاهی، لامپ های رشته ای و فلورسنت، مانیتورهای CRT و تلویزیون و رایانه و … اشاره نمود.
ریخته گری فلزات
ماسه صنعتی یکی از اجزا اصلی در صنایع ریخته گری (آهنی و غیرآهنی) می باشد. قطعات فلزی از بلوک های موتور تا سینک ها و شیرآلات، برای تشکیل شکل ظاهری (بیرونی) خود درون قالب‌های رس و ماسه ساخته می شوند. نقطه ی ذوب بالا (۱۷۶۰ درجه سانتیگراد) و نرخ پایین انبساط حرارتی سیلیس موجب بوجود آمدن قالب هایی مناسب و سازگار با تمام درجه حرارت ها و آلیاژهای مورد استفاده در صنعت ریخته گری شده است. خلوص شیمیایی بالای آن نیز به پیشگیری از واکنش با کاتالیزورها و کاهش میزان خوردگی شیمیایی، کمک شایانی می نماید.همچنین پس از اتمام فرآیند ریخته گری، سیلیس استفاده شده را می توان بازیافت نموده (مکانیکی و حرارتی) و مجددا از آن برای ساخت قالب یا هسته ی جدید استفاده نمود.
تولید فلزات
ماسه صنعتی نقش بسیار حیاتی ای در تولید انواع مختلف فلزات آهنی و غیرآهنی دارد. در بخش تولید فلزات، از سیلیس به عنوان یک عامل برای کاهش نقطه ی ذوب و ویسکوزیته ی گدازه ها به منظور افزایش واکنش پذیری و کارآمدی آنها استفاده می شود. برای دستیابی به نسبت دلخواه اسید/باز مورد نیاز برای خالص سازی نیز می توان از سیلیس تنها یا همراه با آهک استفاده نمود. برای اصلاح و تنظیم خصوصیات منحصر به فرد دیگر این فلزات پایه مانند استحکام بیشتر، مقاومت در برابر خوردگی یا هدایت الکتریکی، می توان از عناصر دیگری نیز استفاده نمود. آلیاژهای آهنی از ملزومات تولید محصولات فولادی به خصوص می باشند و ماسه صنعتی یا همان سیلیس نیز توسط صنایع فولاد و ریخته گری برای مصارفی همچون دی‌اکسیداسیون و پالایش دانه مورد استفاده قرار می گیرند.
تولید مواد شیمیایی
مواد شیمیایی با پایه سیلیس شالوده ی اصلی هزاران فعالیت صنعتی روزانه از پردازش مواد غذایی گرفته تا تولید صابون و رنگ، می باشند. در این مورد، سیلیس (SiO2) توسط ذغال (Coke) در کوره های مخصوص به سیلیس فلزی کاهش داده می شود تا پیش ماده ی Si مورد نیاز سایر فرآیندهای شیمیایی تامین گردد. ماسه صنعتی جزء اصلی مواد شیمیایی ای از جمله سدیم سیلیکات، سیلیکون تترا کلراید و ژل های سیلیکون می باشد. از این مواد شیمیایی برای تولید پاک کننده های خانگی و صنعتی، فیبرهای نوری، حذف ناخالصی های موجود در روغن های پخت و پز و نوشیدنی های دم کردنی و … استفاده می گردد.
ساخت و ساز
ماسه صنعتی یکی از ترکیبات اولیه و اساسی در بازه ی گسترده ای از فعالیت ها و محصولات ساختمانی است. از سیلیس های دانه درشت برای مصارفی مانند کف سازی، ملات، سیمان های مخصوص، گچ، سقف ها، سطوح مقاوم در برابر سایش، آسفالت ها و … استفاده می شود. استفاده از سیلیس در صنعت ساخت و ساز برای فراهم آوردن ویژگی هایی مانند چگالی و مقاومت خمشی مورد نیاز بدون تحت تاثیر قرار دادن و آسیب رساندن به خواص شیمیایی پیوند سیستم می باشد. سیلیس به عنوان بسط دهنده ای کاربردی نقش بسیار مهمی در بالا بردن خواص ضدخوردگی و مقاومت در برابر فرسایش (در اثر تماس با هوا) در ترکیباتی با پایه اپوکسی، بتونه ها، درزگیرها و … ایفا می کند.
رنگ ها و پوشش ها
در فرمولاسیون های رنگ ها از ماسه های صنعتی میکرونی برای بهبود شکل ظاهری و دوام رنگ‌ها و پوشش های صنعتی و معماری استفاده می شود. سیلیس خلوص بالا، تاثیر بسیار زیادی در ویژگی های ظاهری رنگ ها و پوشش ها مانند میزان شفافیت و بازتاب، انطباق رنگ ها و جذب روغن دارد. بتونه های سیلیسی نقش بسیار مهمی در بهبود میزان مقاومت، دوام، حفظ ضخامت، مقاومت در برابر آلودگی و کثیفی، کپک، خراش، فرسایش در مجاورت هوا و … دارا می باشند. جذب کم روغن موجب افزایش میزان بارگذاری رنگدانه ها و در نتیجه بهبود کیفیت رنگ نهایی می گردد. دوام سیلیس در فعالیت های مربوط به تعمیر و بازسازی رنگ ها موجب به ارمغان آوردن مقاوت بسیار مناسبی در برابر خوردگی و ساییدگی می شود.
سرامیک و آجر نسوز
سیلیس یکی از مهم ترین ترکیبات موجود در لعاب و بدنه ی اصلی فرمولاسیون تمام محصولات سرامیکی از جمله ظروف سفره، ظروف بهداشتی، کاشی کف و دیوار و … است. سیلیس نقش اسکلت را بدنه ی سرامیک ایفا می کند که رس و سایر متعلقات موجود به آن می چسبند. نقش اصلی SiO2 به عنوان تنظیم کننده ی میزان انبساط حرارتی، خشک شدن و ترک خوردن و ارتقاء تمامیت و شکل ظاهری سازه می باشد. هم چنین از آن در صنایع تولید آجرهای نسوز برای، یکپارچه سازی، افزایش میزان مقاومت در برابر دماهای بالا و حمله های اسیدی در کوره های صنعتی استفاده می گردد.
محصولات تفریحی
ماسه صنعتی به راه خود را به دنیای ورزش و محصولات تفریحی نیز باز کرده است. از ماسه سیلیس در زمین های گلف، زمین های چمن ها، ساخت میدان های مسابقات قهرمانی و … استفاده می شود. از سیلیس برای ترمیم چمن و تسهیل مراقبت ها و نگهداری های روزانه مانند هوادهی ریشه ها، باروری، کود دهی و … نیز استفاده می گردد. توزیع دانه های سیلیسی با شکل طبیعی و اندازه های مناسب موجب فراهم آوردن شرایط ایده آل میزان نفوذپذیری و تراکمی برای سیستم های زه کشی و در نتیجه رشد سالم و پایدار گیاهان خواهد شد.
