سولفات باریوم

درباره سولفات باریم، ویژگی‌ها، روش تولید و کاربردهای آن
سولفات باریم یا Barium Sulfate یا به عبارتی باریم سولفات به فرمول شیمیایی BaSO4، یک ترکیب معدنی پرکاربرد و شناخته شده است. در شکل ظاهری، این نمک معدنی را به صورت کریستال‌های بلوری سفید رنگ و بدون بو مشاهده می‌کنید.
این ماده معدنی در بسیاری صنایع نظیر حفاری چاه نفت با نام متداول باریت یا باریت حفاری هم شناخته می‌شود. در حقیقت، درصد قابل توجهی از ترکیب باریت حفاری شامل همین باریم سولفات است.
به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و خواص شیمیایی این ماده که هنگام عملکرد در شرایط مختلف ظاهر می‌شود از این نمک معدنی در کاربردهای اصلی در صنایع به عنوان مواد اولیه، بسیار استفاده می‌شود. چگالی مخلوطی که حاوی درصد معینی باریم سولفات باشد، قابل توجه است.
به همین دلیل برای افزایش وزن و چگالی مواد اطراف چاه حفاری نفت، معمولاً مقداری از این ماده را به گل حفاری تزریق می‌کنند تا گرانروی افزایش پیدا کند. به عبارت ساده‌تر، باریم سولفات می‌تواند تراکم گل حفاری را افزایش دهد.
از نمک معدنی BaSO4 همچنین در زمین‌های کشاورزی برای غنی کردن خاک استفاده می‌شود.
نگاهی به تاریخچه سولفات باریم
این ماده از طریق کربن به ترکیب دیگری به نام سولفید باریم، کاهیده می‌شود. کشف تصادفی این تبدیل، به عنوان تاریخچه باریم سولفات ثبت شده و مربوط به قرن‌ها پیش می‌باشد. این کشف منجر به معرفی اولین فسفر سنتزی شد. سولفید باریم برخلاف نمک سولفات آن، در آب، محلول است.
در اوایل قرن ۲۰، در دوره استعمار ژاپن، مشخص شد که “هاکوتولیت” به طور طبیعی در منطقه چشمه‌های آب گرم در نزدیکی شهر تایپه، تایوان وجود دارد. هوکوتولیت یک ماده معدنی رادیواکتیو است که بیشتر از PbSO4 و BaSO4 تشکیل شده است، اما حاوی آثاری از اورانیوم، توریم و رادیوم است.
ژاپنی‌ها این عناصر را برای مصارف صنعتی استخراج کردند و همچنین ده‌ها “حمام درمانی بر اساس چشمه آب گرم” در منطقه ایجاد نمودند.
روش‌های تولید سولفات باریم
تقریباً تمام باریم مصرفی به صورت تجاری از طریق کانی معدنی باریت به دست می‌آید. از طریق فرآیند کاهش کربوترمال، باریت به سولفید باریم تبدیل می‌شود. فرآیند کاهش کربوترمال به فرایندی گفته می‌شود که در آن، ماده اولیه در حضور کک حرارت داده می‌شود. این واکنش را در قسمت زیر مشاهده می‌کنید:
BaSO4 + 4 C → BaS + 4CO
درست در مقابل ترکیب سولفات باریم، ترکیب دیگری با همین ساختار به شکل سولفید باریم در آب حل می‌شود. این ترکیب به راحتی به سایر ترکیبات نظیر اکسید، کربنات یا هالیدها تبدیل می‌شود. برای تولید باریم سولفات خالص باید نمک سولفید یا کلرید با استفاده از سولفوریک اسید یا نمک‌های سولفات، تیمار شود. این واکنش را در نمونه زیر مشاهده می‌کنید:
BaS + H2SO4 → BaSO4 + H2S
باریم سولفاتی که از این روش به دست می‌آید، نوعی ترکیب معدنی است که در محصولات مصرفی در بازار نظیر انواع رنگ‌ها به کار می‌رود.
برای تولید باریم سولفات (BaSO4) در آزمایشگاه، محلولی از یون باریم و محلولی حاوی یون سولفات با یکدیگر ترکیب شده تا نمک معدنی مورد نظر تولید شود.
این ماده تقریباً نامحلول است، بنابراین اثرات سمی ناشی از فلز باریم را نشان نمی‌دهد. ناخالصی‌های این نمک معدنی ممکن است ماهیت سمی و آلایندگی داشته باشند؛ بنابراین گاهی با سولفات سدیم تصفیه می‌شود تا به این ترتیب بتوانند تحرک یون باریم را از بین ببرند.
در مقایسه با سایر نمک‌های سولفات، نمک باریم سولفات یکی از نامحلول‌ترین نمک‌های سولفات است. به دلیل حلالیت کم آن، در آنالیزهای کیفی به عنوان روشی برای آزمون یون باریوم و یون سولفات مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سولفات باریم؛ خواص و کاربرد ها

سولفات باریم از کاتیون باریم +Ba۲ و آنیون سولفات –SO۴۲ تشکیل شده است. در فرمول شیمیایی این ماده، یک اتم گوگرد به چهار اتم اکسیژن متصل است. فرمول شیمیایی آن به صورت BaSO4 نمایش داده می‌شود و در طبیعت آن را به ‌عنوان باریت معدنی می‌شناسند.

باریم سولفات، یک ماده جامد بلورین به رنگ سفید است که در آب و الکل نامحلول بوده اما در اسیدهای غلیظ حل می‌شود. این نمک معدنی حاوی یک فلز قلیایی دو ظرفیتی است. BaSO4 یک ماده غیر سمی بوده که برای کاربردهای پزشکی، کاملاً بی خطر می‌باشد.

از این ماده به طور گسترده در صنایع استخراج نفت و صنعت گاز طبیعی استفاده می‌شود. در چاه‌های نفت از باریت حفاری با چگالی بالا برای افزایش تراکم گل حفاری استفاده می‌کنند.

این نمک معدنی در حلال هگزان که یک هیدروکربن است حل نمی‌شود. به طور کلی برای تشکیل این نمک می‌توان از واکنش اسید و باز استفاده کرد. اگر این واکنش‌ها کنترل شود، محدوده PH، متغیر خواهد بود، چرا که باریم از ترکیب قلیایی گرفته می‌شود و یون سولفات از یک ترکیب اسیدی به دست می‌آید، بنابراین می‌توان گفت که نمک معدنی باریم سولفات، تقریباً خنثی است.

کاربردهای سولفات باریم

۱-گِل حفاری

حدود ۸۰٪ از تولیدات باریم سولفات در جهان، عمدتاً ماده معدنی خالص است و به عنوان جزئی از مایع حفر چاه نفت مصرف می‌شود. BaSO4 تراکم سیال را افزایش می‌دهد، فشار هیدرواستاتیک را در چاه افزایش داده و احتمال انفجار را کاهش می‌دهد.

۲-عامل کنتراست رادیویی

این ماده در حالت محلول معلق، اغلب از نظر پزشکی به عنوان یک عامل کنتراست رادیویی برای تصویربرداری با اشعه ایکس و سایر روش‌های تشخیصی استفاده می‌شود.

۳-تهیه رنگدانه

یکی از مهمترین کاربردهای نمک باریم سولفات، استفاده از آن در سنتز یا تولید رنگدانه های سفید است که در رنگ‌های صنعتی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای تولید رنگ روغن از این نمک جامد معدنی به عنوان پرکننده یا تکمیل کننده بافت رنگ استفاده می‌شود. در حقیقت وقتی این نمک برای تهیه رنگ و روغن استفاده می‌شود، یک قوام و ثبات خاصی را به رنگ می‌بخشد.

معمولاً بهترین ترکیب رنگ سفید از گروه رنگ‌های روغنی، رنگ‌هایی هستند که حاوی رنگدانه سفید تیتانیوم دی اکسید و رنگدانه سولفات باریم باشند.

ترکیبی از باریم سولفات و سولفید روی، رنگدانه‌های معدنی دیگری را به نام لیتوپون lithopone حاصل می‌کنند. از این رنگدانه در صنعت عکاسی به عنوان پوشش در کاغذهای عکاسی استفاده می‌شود.

۴-روشن کننده کاغذ

یکی دیگر از کاربردهای شناخته شده ترکیب سولفات باریم، استفاده از آن به عنوان یک پوشش نازک بر روی سطح کاغذهای عکاسی است. از این پوشش استفاده می‌کنند تا انعکاس و بازتاب تصویر افزایش پیدا کند.

اولین کاغذی که با پوشش هالید نقره در صنعت عکاسی تولید شد مربوط به سال ۱۸۸۴ در آلمان بود. پوشش باریم سولفات، محلول امولسیون روی الیاف کاغذ را یکنواخت می‌کند و درنتیجه، تمایز نقاط سیاه و سفید یا همان کنتراست رنگ را افزایش می‌دهد. این عامل باعث باعث می‌شود که شفافیت و درخشندگی عکس، بهتر به نظر برسد.

در سال‌های اخیر از این نمک معدنی برای تولید جوهر در پرینترهای جوهر افشان لیزری استفاده می‌شود تا درخشندگی کاغذ چاپ افزایش پیدا کند.

۵-پرکننده پلاستیک

یکی دیگر از موارد مصرف سولفات باریم استفاده از آن به عنوان پرکننده پلاستیک‌ها است. مواد پرکننده، چگالی پلیمرها را افزایش می‌دهند تا از نظر انتقال ارتعاش و مقاومت در برابر ضربه استحکام بیشتری داشته باشند.

در صنعت تولید پلاستیک‌های پلی پروپیلن و پلی استایرن از باریم سولفات به نسبت حداکثر ۷۰ درصد به عنوان پرکننده استفاده می‌شود.

مهم‌ترین مزیت کاربرد باریم سولفات به عنوان پرکننده این است که باعث افزایش مقاومت مواد پلاستیکی در برابر ترکیباتی نظیر اسیدها یا مواد قلیایی می‌شود.

از طرفی دیگر، مواد کامپوزیتی که حاوی درصد بالایی (حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد) از نمک باریم سولفات هستند، عملکرد بهتری نسبت به پوشش‌های محافظ فولادی دارند.

۶- سایر کاربردهای باریم سولفات

نمک باریم سولفات در انجام آزمون خاک استفاده می‌شود. در انجام آزمایش‌های PH خاک و بررسی شاخص‌های کیفیت خاک می‌توان از این نمک استفاده کرد تا در اثر تغییر رنگ، نتایج آزمایش دقیق‌تر ثبت شود.

افزودن باریم سولفات به نمونه خاک مورد آزمایش باعث می‌شود که ذرات، سنگین‌تر شوند و به نوعی آماده سازی نمونه راحت‌تر انجام گیرد.

کاربرد دیگری که از باریم سولفات معرفی شده، استفاده از آن در روش آنالیز کلریمتری یا رنگ سنجی است. سولفات به عنوان عامل پخش کننده عمل می‌کند که می‌تواند در اندازه گیری منبع نوری مؤثر است.

در صنعت ریخته گری فلزات، قالب‌های استفاده شده اغلب با باریم سولفات پوشانده می‌شوند تا از چسبیدن فلز مذاب به قالب جلوگیری کند.

یکی دیگر از موارد کاربردی مهم سولفات باریم، استفاده از آن به عنوان ماده آزاد کننده در ریخته گری صفحات آند مسی است. از آنجایی که این ترکیب، نقطه ذوب بالایی دارد و در آب، نامحلول استمی‌تواند در این شیوه کاربردی، مؤثر عمل کند. برای جلوگیری از تماس فلز مذاب و قالب مس جامد، از محلول باریم سولفات در آب به عنوان روکش قالب استفاده می‌شود. در این شرایط، زمانی که قالب گیری کامل شود، می‌توان صفحه آند جامد را به راحتی از قالب جدا کرد.

ایمنی باریم سولفات

اگرچه نمک‌های محلول فلز باریم برای انسان تا حدودی سمی است اما محصول شیمیایی سولفات باریم به دلیل نامحلول بودن، خاصیت غیر سمی دارد و از آن برای تشخیص‌های پزشکی استفاده می‌شود.

برای افرادی که با این نمک فلزی سر و کار دارند یک حد استاندارد از سوی استاندارد جهانی بهداشت شغلی تعیین شده است. آستانه استاندارد تماس کارگران یا افراد با این نمک معدنی حدود ۱۰ میلی گرم در متر مکعب می‌باشد.

تنفس غبارات این نمک باعث تحریک دستگاه تنفسی می‌شود، بنابراین اگر پراکنده شدن غبارات باریم سولفات در انبارهای حاوی این ترکیب از حد مجاز، تجاوز کند، حتماً نسبت به رفع غبارات باید اقدام نمود.

استاندارد سلامت افراد برای تماس با غبارات نمک سولفات باریم یا تنفس هوای آلوده ناشی از این ماده حدود ۵ میلی گرم در متر مکعب گزارش شده است.

ذخیره و نگهداری

بر اساس برگه اطلاعات ایمنی سولفات باریم، هیچ خطر واکنش‌های شدید برای این ماده ثبت نشده است. در شرایط محیطی، این ترکیب معدنی، پایدار بوده و در صورتی که از تشکیل گرد و غبار آن در انبار جلوگیری شود، ماده‌ای بی خطر است. پلیمریزاسیون خطرناک یا احتراق اشتعال برای این ترکیب رخ نمی‌دهد.

کیسه‌ها و بسته بندی‌های حاوی سولفات باریم باید در انبارهای خشک، خنک و مجهز به سیستم‌های تهویه قوی نگهداری شوند. تمام کیسه‌ها باید کاملاً درب بسته بوده و پس از هر بار مصرف باید مجدداً درب آن بسته شود.

تمام کارگران و افرادی که با این ماده سروکار دارند باید از تجهیزات محافظ شخصی نظیر ماسک، دستکش و لباس کار استفاده کنند. استفاده از عینک ایمنی پیشنهاد می‌شود؛ چرا که ممکن است غبارات بسیار ریز، چشم را تحریک کند. از استنشاق غبارات پراکنده در فضا ناشی از این ماده جداً خودداری کنید.

بسته به اینکه سفارش مشتری چقدر باشد یا روش حمل و نقل چگونه باشد، بسته بندی‌ها متفاوت است. برای خرید و فروش باریم سولفات صادراتی معمولاً کیسه‌های ۲۰ کیلوگرمی یا کیسه‌های هزار کیلو گرمی جمبو بگ سولفات باریم انتخاب می‌شوند.

بسته بندی سولفات باریم گرید آزمایشگاهی در وزن ۵ کیلوگرم، ۱ کیلوگرم یا کمتر از یک کیلوگرم با برند مرک به فروش می‌رسد. قیمت باریم سولفات صنعتی و باریم سولفات آزمایشگاهی متفاوت است و بستگی به شرکت تولید کننده دارد.

بازار خرید و فروش

سولفات باریم، یک نمک معدنی با چگالی بالا است که در بسیاری از صنایع به مصرف می‌رسد. کاربردهای این نمک معدنی شناخته شده است و یکی از پرتقاضا ترین مواد اولیه صنعتی به شمار می‌رود. صنایع تولید رنگ، صنعت پلاستیک، صنایع ریخته گری و درمان‌های رادیو پزشکی بسیار به این نمک وابسته هستند.