منیزیم

منیزیم، ₁₂Mg

منیزیم
تلفظ	‎/mæɡˈniːziəm/‎ ​(mag-NEE-zee-əm)
ظاهر	shiny grey جامد
جرم اتمی استاندارد (Ar، استاندارد)	(۷۰۰۱۲۴۳۰۴۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۲۴٫۳۰۴، ۷۰۰۱۲۴۳۰۷۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۲۴٫۳۰۷) conventional: ۷۰۰۱۲۴۳۰۵۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۲۴٫۳۰۵
منیزیم در جدول تناوبی
Be ↑ Mg ↓ Ca سدیم ← منیزیم → آلومینیم
عدد اتمی (Z)	12
گروه	گروه ۲ (فلزهای قلیایی خاکی)
دوره	دوره 3
بلوک	بلوک-s
دسته	Alkaline earth metal
آرایش الکترونی	[Ne] 3s2
لایه الکترونی	2, 8, 2
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STP	جامد
نقطه ذوب	923 K ​(650 °C, ​1202 °F)
نقطه جوش	1363 K ​(1091 °C, ​1994 °F)
چگالی (near r.t.)	1.738 g/cm3
در حالت مایع (at m.p.)	1.584 g/cm3
حرارت همجوشی	8.48 kJ/mol
آنتالپی تبخیر	128 kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی	24.869 J/(mol·K)
فشار بخار فشار (Pa) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱ K ۱۰ K ۱۰۰ K در دمای (K) 701 773 861 971 1132 1361
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش	+1, +2 (a strongly basic اکسید)
الکترونگاتیوی	مقیاس پائولینگ: 1.31
انرژی یونش	1st: 737.7 kJ/mol 2nd: 1450.7 kJ/mol 3rd: 7732.7 kJ/mol (بیشتر)
شعاع اتمی	empirical: 160 pm
شعاع کووالانسی	pm 141±7
شعاع واندروالسی	173 pm
خط طیف نوری منیزیم
دیگر ویژگی ها
ساختار بلوری	​دستگاه بلوری شش‌گوشه
سرعت صوت thin rod	(annealed) 4940 m/s (at r.t.)
انبساط حرارتی	24.8 µm/(m·K) (at 25 °C)
رسانندگی گرمایی	156 W/(m·K)
رسانش الکتریکی	43.9 n Ω·m (at 20 °C)
رسانش مغناطیسی	paramagnetic
مدول یانگ	45 GPa
مدول برشی	17 GPa
مدول حجمی	45 GPa
نسبت پواسون	0.290
سختی موس	2.5
سختی برینل	260 MPa
شماره ثبت سی‌ای‌اس	7439-95-4
ایزوتوپ‌های منیزیم
ایزوتوپ فراوانی نیمه‌عمر (t۱/۲) حالت فروپاشی محصول 24Mg 78.99% 24Mg ایزوتوپ پایدار است که 12 نوترون دارد 25Mg 10% 25Mg ایزوتوپ پایدار است که 13 نوترون دارد 26Mg 11.01% 26Mg ایزوتوپ پایدار است که 14 نوترون دارد

منیزیم (به انگلیسی: Magnesium) فلزی نقره‌ای رنگ و با نماد شیمیایی اختصاری Mg و عدد اتمی ۱۲ است. نام منیزیم از واژهٔ یونانی Magnesia (منطقه‌ای در Thessaly) و از نام شهر قدیمی Magnesia در آسیای صغیر گرفته شده است. این فلز، هشتمین عنصر فراوان موجود در پوستهٔ زمین، سومین عنصر فراوان محلول در آب دریا و همچنین یازدهمین عنصر فراوان در بدن انسان است. منیزیم در گروه دوم (فلزهای قلیایی خاکی: فلزاتی که با آب تولید قلیا می‌کنند) قرار دارد.

${\ce {Mg(s) +2H2O(l)->MgOH2(aq) + H2(g)}}$)

و همچنین در دورهٔ سوم جدول تناوبی عناصر قرار دارد.

این عنصر به‌دلیل واکنش‌پذیری زیاد به‌صورت خالص، در طبیعت یافت نمی‌شود؛ اما می‌توان آن را به‌صورت ترکیب با عناصر دیگر در طبیعت مشاهده کرد. استخراج منیزیم خالص بیشتر از سنگ دولومیت (کانی متشکل از منیزیم و کلسیم کربنات) و سنگ منیزیت (منیزیم کربنات) است. به‌هنگام سوختن کامل منیزیم، نوری سفید و درخشان از آن ساطع می‌شود. منیزیم معمولاً ازطریق الکترولیز (برق کافت) نمک‌های موجود در آب‌های شور به‌دست می‌آید. در این روش، منیزیم پس‌از گرفته شدن از آب دریا با یون هیدروکسید واکنش داده و منیزیم هیدروکسید جامد تولید می‌شود، سپس از صافی عبور داده می‌شود و با هیدروکلریک اسید ترکیب و به‌صورت جامد ${\ce {MgCl2}}$ (منیزیم کلرید) تبدیل شده و در نهایت ذوب می‌شود. سپس با استفاده از روش برق‌کافت این فلز را به‌دست می‌آورند.

منیزیم یکی از عناصر حیاتی و اصلی بدن انسان است. حضور عنصر منیزیم در بدن انسان برای همهٔ سلول‌ها و عملکرد حدود ۳۰۰ آنزیم ضروری است و کمبود منیزیم می‌تواند سبب اختلال عملکرد در بخش‌های مختلف بدن گردد.

معمولاً منیزیم ازطریق مصرف مواد غذایی مانند: موز، آووکادو، سیب و برگهٔ زردآلو تأمین می‌شود.

این عنصر دارای دو الکترون در لایهٔ ظرفیت (والانس) خود است و با توجه به خاصیت فلزی آن در واکنش با عناصر نافلزی یا عناصری که نسبت به آن‌ها فعال‌تر است دو الکترون را از دست می‌دهد.

منیزیم در پزشکی:

در بدن هر انسان حدود ۲ الی۳ گرم ذخیرهٔ منیزیم وجود دارد.

این منیزیم به مقدار بیشتری درون سیتوپلاسم و به مقدار کمتری در خون یافت می‌شود.

میزان مورد نیاز منیزیم برای بدن:

در مردان حدود ۴۰۰ میلی‌گرم و در زنان حدود ۳۰۰ میلی‌گرم است.

بدن انسان روزانه به‌طور متوسط همین مقدار مورد نیاز، یعنی ۳۰۰ تا۴۰۰ میلی‌گرم را از بدن دفع می‌کند.

بحث روی جذب انواع منیزیم و مرحله بعد از فراهمی زیستی یا در دسترس سلول قرار گرفتن منیزیم زیاد است، ولی به صورت خلاصه می‌توان آن را از دیدگاه (دکتر صالحی داروساز) اینطور بیان کرد:

با استفاده از مدل SHIME جذب وbioavailability انواع مکمل منیزیم را بررسی کردند، (از مدل شایم برای بررسی عملکرد و کارکرد دستگاه گوارش در شرایط مختلف مخصوصاً میکروبیوتا استفاده می‌کنند). این بررسی در سال ۲۰۱۹ انجام شد.

در این بررسی بر روی ۱۵ مکمل مختلف منیزیم ابتدا خواستند ببینند می‌توان با این مدل میزان جذب را پیش‌بینی کرد؟ و اگر این‌طور است نوع منیزیم و شرکت چقدر در جذب آن مؤثر است؟

این مکمل‌ها را هم به نمونه انسانی دادند وهم در سیستم SHIME بررسی کردند.

سپس میزان جذب منیزیم را در بدن افراد اندازه‌گیری کرده.

به این صورت که هر نیم ساعت از افراد نمونه خون گرفتند (از شروع تا ۶ ساعت بعد).

و میزان منیزیم را پس از ورود به سیستم هم بررسی کردند نتایج به‌دست آمده کاملاً با نتایج به‌دست آمده از دستگاه SHIME قابل مقایسه بود.

نتایج:

1. نشان داده شد با توجه به نوع مکمل تفاوت جذب بسیار زیادی وجود دارد، پس هر مکملی نمی‌تواند مقدار مناسب منیزیم را داشته باشد.
2. در اکثر موارد خوردن مکمل قبل یا بعد از غذا تفاوت کمی در جذب داشت.
3. منیزیم سیترات در تمامی مکمل‌ها جذب قابل قبولی داشت.
4. منیزیم اکساید به تنهایی جذب خوبی نداشت.

۵. منیزیم اکسید با B6 جذب نسبتاً خوبی دارد.

هم سرعت جذب و هم میزان جذب با توجه به نوع منیزیم بسیار متفاوت است، نتیجه کامل در متن مقاله آمده است.

۶- انواع مختلف مکمل منیزیم ارگانیک یعنی منیزیم رسوب داده شده با امینواسیدهای گلایسین، تائورین، اورئات و مالئات و دیگر مولکول‌های ارگانیک جذب بالاتری نسبت به مکمل منیزیم غیرارگانیک مانند منیزیم اکساید یا منیزیم هیدروکساید و منیزیم تترا سیلیکات دارند. رفرنس https://www.mdpi.com/2072-6643/11/7/1663

تاریخ

جوزف بلک در سال ۱۷۵۵ میلادی، نخستین فردی بود که منیزیم را به‌عنوان یک عنصر تشخیص داد. او منیزیا (اکسید منیزیم) را از آهک (اکسید کلسیم) متمایز کرد، اگرچه هر دو با گرم کردن سنگ‌های کربناته مشابهی مانند منیزیت و سنگ آهک تولید می‌شدند. یک ماده معنی دیگر منیزیم به نام مرشام (سیلیکات منیزیم) در سال ۱۷۸۹ توسط توماس هنری گزارش شد. این ماده معدنی در ترکیه برای ساخت لوله‌های سیگار کشیدن تنباکو به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شد.

یک فرم ناخالص از منیزیم فلزی برای اولین بار در سال ۱۷۹۲ توسط آنتون روپرت که منیزیا را با زغال حرارت داد، تولید شد. مقدار خالص، اما کمی از این فلز در سال ۱۸۰۸ توسط همفری دیوی با الکترولیز اکسید منیزیم جدا شد. بااین‌حال، دانشمند فرانسوی آنتوان الکساندر بروتوس بوسی بود که در سال ۱۸۳۱ با واکنش کلرید منیزیم با پتاسیم مقدار قابل توجهی از فلز را تولید کرد و سپس خواص آن را مطالعه کرد.

ویژگی‌ها

منیزیم به‌عنوان سبک‌ترین فلز صنعتی با ویژگی‌های منحصر به فرد متالورژیک، کاربردهای وسیعی در صنایع مختلف دارد. با وجود محدودیت‌های ذاتی در تولید و استفاده از منیزیم به دلیل این ویژگی‌ها روز به روز به کاربرد این فلز در صنایع مختلف افزوده می‌شود. از ویژگی‌های منحصر به فرد منیزیم می‌توان موارد زیر را برشمرد:

• منیزیم با چگالی ۱٫۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب، سبک‌ترین فلز با قابلیت استفاده صنعتی مانند تولید قطعات است. چگالی منیزیم ۳۰ درصد از آلومینیوم کمتر، (چگالی آلومینیوم ۲٫۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب) و تنها ۲۰ درصد چگالی آهن است (چگالی آهن ۷٫۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب است). این ویژگی منحصر به فرد جذابیت فراوانی برای استفاده از این فلز در تولید قطعات متحرک و صنعت حمل و نقل ایجاد کرده است.
• آلیاژهای منیزیم استحکام قابل توجهی از خود نشان می‌دهند. این ویژگی سبب افزایش نسبت استحکام به وزن این فلز شده است. به‌عنوان مثال جهت تغییر جنس تیری ۱۰ کیلویی از فولاد، می‌توان بدون تغییر چقرمگی از تیری منیزیمی با وزن ۳٫۸ کیلوگرم استفاده کرد. نسبت بالای استحکام به وزن سبب شده در بسیاری از قطعات مختلف صنایع هوایی و خودروسازی از منیزیم استفاده شود. نمونه چنین قطعاتی پوسته جعبه دنده بالگرد و بعضی در قطعات و ابزارهای ساخت صنایع دستی است.
• از خواص مکانیکی این فلز می‌توان به قابلیت جذب ارتعاشات اشاره کرد. این ویژگی سبب شده است که استفاده از آلیاژهای منیزیم برای مدیریت ارتعاشات، مخصوصاً در صنعت خودرو بسیار مورد توجه قرار گیرد. در مقایسه با آلیاژ آلومینیوم A356 با ضریب میرایی ۱٪ در تنش ۱ مگاپاسکال، برای آلیاژ AZ91 منیزیم این ضریب ۲۵٪ است. در تنش ۱۰۰ مگاپاسکال این ضریب برای آلومینیوم A356%۴ و برای منیزیم AZ91%۵۴ است.
• منیزیم سپری قوی در برابر امواج الکترومغناطیس می‌باشد. دیواره‌ای ۱ میلی‌متری از منیزیم به راحتی می‌تواند در برابر امواجی با شدت‌های بالاتر از ۸۵ دسی بل نفوذناپذیر باشد. از این ویژگی منیزیم برای تولید بدنهٔ تلفن‌های همراه، تجهیزات الکترونیکی، نظامی و تولید سیم‌های انتقال اطلاعات پرتوان استفاده می‌شود.
• یکی دیگر از خصوصیات آلیاژهای منیزیم در مقایسه با آلومینیوم، پایداری ابعادی در برابر تغییرات حرارتی می‌باشد. در منیزیم، پارامترهای مختلف خواص حرارتی، مانند رسانایی پایین‌تر و گرمای ویژه بالاتر از آلومینیوم است. از جمله فرایندهای تحت تأثیر خواص حرارتی ماشین‌کاری دقیق است. آلیاژهای منیزیم حین گرم و سرد شدن سریع در فرایند ماشین کاری، تغییرات ابعادی کمی دارند. این ویژگی ماشین کاری دقیق این آلیاژها را ساده‌تر می‌سازد.
• منیزیم در مقایسه با آلومینیوم، سیالیت بالاتر در ریخته‌گری، نیاز به فشار کمتر در دایکست و عدم واکنش با فولاد در بوته و قالب دارد. با در نظر گرفتن این مزایا می‌توان برای دایکست قطعه‌ای منیزیمی از دستگاه‌های دایکست با ظرفیت کم‌تر استفاده نمود و تعداد به مراتب بیشتری قطعه در قالب‌های مشابه فولادی تولید نمود.
• منیزیم یک فلز نقره‌ای رنگ است که در طبیعت به‌صورت ترکیب‌های مختلف یافت می‌شود. این فلز سبک و مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد و در صنایع مختلف مثل ساخت آلیاژهای سبک برای هواپیماها و خودروها، همچنین در تولید لوازم الکترونیکی و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شود. منیزیم نقش مهمی در بدن انسان نیز دارد و برای عملکرد درست عضلات و اعصاب ضروری است. همچنین به تقویت استخوان‌ها و تولید انرژی کمک می‌کند.

محدودیت‌ها

با وجود ویژگی‌های منحصر به فرد و خاص آلیاژهای منیزیم، این آلیاژها محدودیت ذاتی دارند که استفاده از آن‌ها را محدود ساخته است. دانشمندان در تلاش هستند که با طراحی آلیاژهای جدید و فرآیندهای تولید نوآورانه بر این محدودیت‌ها فائق آیند. افزایش مصرف روزافزون آلیاژهای منیزیم نشان از موفقیت دانشمندان در توسعه کاربرد آلیاژهای منیزیم و چیره شدن مزیت‌ها بر محدودیت‌های این آلیاژها دارد. به‌طور کلی می‌توان محدودیت‌های آلیاژهای منیزیم را در سه دسته طبقه‌بندی کرد:

ناهمسان گردی خواص مکانیکی

منیزیم با ساختار بلوری هگزاگونال از تقارن پایینی در مقیاس بلوری برخوردار است. چینش خاص صفحات بلوری در ساختار هگزاگونال سبب شده در صفحاتی خاص، تراکم شبکه به مراتب بالاتر از صفحات دیگر باشد. این تفاوت تأثیر مستقیمی بر قابلیت حرکت نابجایی‌ها در جهات مختلف می‌گذارد. به صورتی که در برخی صفحات و جهات (صفحات قاعده‌ای) نابجایی‌ها به راحتی و با تنش برشی پایین قابلیت حرکت پیدا می‌کنند، درحالی که در سایر صفحات (مانند صفحات منشوری و هرمی) قابلیت حرکت نابجایی‌ها به شدت محدود است. عدم یکنواختی، سبب محدودیت‌هایی در تغییر شکل می‌شود. در اثر حرکت نابجایی‌ها شبکه کریستالی داخل دانه‌ها به سوی جهت اعمال نیرو چرخش می‌کند. در آلیاژهای منیزیم به دلیل حرکت اکثر نابجایی‌ها در صفحات قاعده‌ای، چرخش کریستالی اکثر دانه‌ها به سمت جهتی واحد خواهد بود (صفحه نرمال قاعده‌ها به سوی جهت اعمال نیرو می‌گردد). در نتیجه پس از تغییر شکل ماده، پلی کریستال حاوی دانه‌هایی خواهد بود که همگی با هم، هم‌راستا شده‌اند و ناهمسان گردی ساختار هگزاگونال داخل خود را به کل قطعه تعمیم داده‌اند. به عنوان مثال ورقی از آلیاژ منیزیم با چنین جهت‌گیری بلوری حین کشش عمیق به راحتی در راستای صفحه نابجایی‌ها حرکت کرده و تغییر شکل می‌دهد. اما تغییر شکل در ضخامت ورق که وابسته به حرکت نابجایی‌ها در صفحات منشوری و هرمی است بسیار محدود بوده و لذا تغییر شکل در این راستا ممکن نبوده و ورق به سرعت پاره می‌شود. در شکل انتهای صفحه سیستم‌های لغزش و سیستم‌های دوقلویی ساختار هگزاگونال منیزیم قابل مشاهده است. علی‌رغم چنین محدودیت ذاتی، دانشمندان روش‌های مختلفی برای کنترل این محدودیت پیشنهاد کرده‌اند. به عنوان مثال تغییر شکل در دمای بالا باعث نزدیک‌تر شدن تنش برشی بحرانی حرکت نابجایی‌ها در صفحات قاعده‌ای و غیرقاعده‌ای می‌شود. همچنین استفاده از عناصر آلیاژی که باعث تغییر نسبت ارتفاع به عرض شبکه در بلور هگزاگونال منیزیم می‌شوند نیز به عنوان راهی دیگر برای افزایش شکل‌پذیری آلیاژهای منیزیم مورد توسعه قرار گرفته است. در روش سوم برای افزایش شکل‌پذیری منیزیم با استفاده از تغییر شکل‌های نامتقارن (مانند نورد نامتقارن ورق) از هم‌جهت شدن دانه‌ها جلوگیری می‌شود. با وجود ارائه راهکارهای متفاوت عموماً این روش‌ها هزینه تولید را به شدت بالا برده و توجیه اقتصادی برای تولید انبوه را برای کاربردهای معمول زیر سؤال می‌برد. این محدودیت آلیاژهای منیزیم سبب شده بیش از ۹۰٪ قطعات صنعتی ساخته شده با این آلیاژها با روش‌های ریخته‌گری تولید شود و عموماً از تغییر شکل این آلیاژها مگر در موارد خاص اجتناب شود.

استحکام آلیاژها

منیزیم با عناصر دیگر مخلوط شده و آلیاژهای مختلف تولید می‌شود. در آلیاژهای متداول و پرکاربرد منیزیم، افزایش استحکام از طریق ایجاد رسوبات مختلف صورت می‌پذیرد. این مکانیزم افزایش استحکام برای کاربرد در دماهای پایین بسیار مؤثر است. اما با افزایش دما این رسوبات در فاز زمینه حل شده و این آلیاژها در دماهای بالا به شدت استحکام خود را از دست می‌دهند. از این رو استفاده از این آلیاژها در دماهای بالا و در شرایط تغییر شکل خزشی به چالشی برای دانشمندان تبدیل شده است. برای این محدودیت هم چاره‌های مختلفی اندیشیده شده است. از جمله این راهکارها می‌توان به تولید آلیاژهای خاص با رسوبات مقاوم به حرارت و تولید کامپوزیت‌های پایه منیزیم با ذرات تقویت شده سرامیکی اشاره کرد. در حال حاضر آلیاژهایی با مقاومت خزشی مناسب در دمای حداکثر ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد ابداع شده و به صورت صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است.

خوردگی

منیزیم با الکترونگاتیویته ۱/۳۱ تقریباً قابلیت الکترون‌دهندگی به تمام فلزات را دارا است. از این رو در تماس با آن‌ها پیل الکتروشیمیایی تشکیل شده، منیزیم خورده شده و فلز دیگر محافظت می‌شود. این خاصیت منیزیم برای تولید آندهای فدا شونده به نحو احسن استفاده می‌شود. اما در کاربردهای صنعتی، خوردگی بالا به عنوان محدودیت در کاربرد در نظر گرفته می‌شود. برای این محدودیت نیز راهکارهای متعددی بر پایه آلیاژسازی و اصلاح ریز ساختار پیشنهاد شده است. لازم است ذکر شود که خوردگی سریع منیزیم در برخی کاربردها به عنوان مزیت شناخته می‌شود. برای مثال می‌توان از برخی از آلیاژهای منیزیم در تولید استنت‌های زیست تخریب‌پذیر برای درمان رگ‌های گرفته قلب استفاده نمود. این نوع از استنت‌ها نیازی به جراحی مجدد برای خارج کردن نداشته و در مدت زمان کنترل شده به تدریج در محیط بدن حل می‌شوند.

در دماهای بالا واکنش‌پذیری بالای منیزیم به صورت احتراق در دمای پایین‌تر از دمای ذوب خود را نشان می‌دهد. این مسئله نیز در استفاده، کاربرد و تولید قطعات منیزیمی موانعی ایجاد نموده است. به عنوان مثال تا سال ۲۰۱۵ استفاده از قطعات منیزیمی داخل کابین هواپیماهای مسافربری ممنوع بوده است. با این وجود، با پیشرفت تکنولوژی و معرفی آلیاژهای جدید مقاوم به احتراق، این ممنوعیت مطلق برداشته شده و به جای آن لزوم رعایت استاندارد جدید و مقاومت در آزمایش‌های سخت‌گیرانه جایگزین شده است. در فرایندهای تولیدی مانند ریخته‌گری که ایجاد مذاب منیزیم اجتناب‌ناپذیر است نیز روش‌های متعددی برای کنترل احتراق مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله این روش‌ها می‌توان به استفاده از فلاسک‌ها (عموماً نمک‌های کلریدی و فلوریدی) و گازهای محافظ اشاره کرد.

تولید

تولید منیزیم از آب دریا

در روش تولید منیزیم از آب دریا، منیزیم به صورت هیدروکسید رسوب کرده و به وسیلهٔ واکنش با کلریدریک اسید، به منیزیم کلرید تبدیل می‌شود. منیزیم کلرید به وسیلهٔ تبخیر محلول، بازیافت شده و فلز منیزیم به وسیلهٔ الکترولیز نمک مذاب به دست می‌آید.

فرایند الکترولیت

اولین مرحله از فرایند فراهم کردن کلرید منیزیم به صورت جزئی دهیدراته شده - یا کارنالیت دهیدراته است. خوراک ورودی سلول صنعتی شامل مخلوطی از کلرید منیزیم دهیدراته، کلرید منیزیم جزئی دهیدراته شده یا کارنالیت دهیدراته است.

منیزیم کلرید دهیدراته شده، به وسیلهٔ یکی از این دو روش فراهم می‌شود: کلرید کردن اکسید منیزیم یا دهیدراته کردن آب نمک منیزیم کلرید.

سلول الکترولیتی شامل مخزن آجرکاری شده است که به محفظه‌های کاتد و آند تقسیم می‌شود. آند گرافیتی هوا _خنک‌شونده یا آب_ خنک‌شونده و کاتد فولادی در الکترولیت متشکل از کلریدهای قلیایی با افزودنی منیزیم کلرید، غوطه‌ور می‌شوند. دمای کاری بین ۷۵۰–۶۸۰ درجه سانتی‌گراد است. کلرید منیزیم در سلول الکترولیتی مطابق واکنش زیر تجزیه می‌شود:

${\ce {MgCl2->Mg +Cl2}}$

منیزیم فلزی در کاتد تشکیل شده (روشن‌تر از الکترولیت است) و شناور می‌شود تا در قسمت کاتد جمع شود. کلر که محصول فرعی این فرایند است در آند جمع می‌شود.

در کشورهایی که انرژی الکتریکی ارزان است و بازار مصرف پایداری نیز وجود دارد، تولید به روش الکترولیز به صرفه است. این مقرون به صرفه بودن زمانی بیشتر است که منیزیم کلرید مورد نیاز از منبعی مثل آب دریا تأمین شود.

فرایند احیای سیلیکوترمی

منیزیم طی فرایند سیلیکوترمی در دماهای بالا به وسیلهٔ فروسیلیسیم کاهش یافته و کریستال‌های منیزیم تشکیل می‌شوند. این فرایند شامل احیای اکسید منیزیم مذاب توسط فروسیلیسیم تحت خلأ در دمای حدود ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد است. منیزیم فلزی در این فرایند تشکیل شده، تبخیر می‌شود و سپس دور از منطقه گرم تقطیر می‌گردد. منیزیم تقطیر شده دارای خلوص ۹۹٫۸٪ است و سپس مجدداً ذوب و ریخته‌گری می‌شود.

حال در انتهای این بخش به دلیل موضوعیت این فرایند در گزارش تهیه شده و استفاده از این روش به عنوان تنها روش تولید منیزیم در کشور، لازم دیده می‌شود که این فرایند را به‌طور خلاصه شرح دهیم.

به صورت کلی این فرایند از چهار مرحله اصلی و چندین مرحله کنترلی تشکیل شده است که در ادامه به آن‌ها پرداخته می‌شود.

واحد کلسیناسیون

در واحد کلسیناسیون ابتدا سنگ‌های دولومیت استخراج شده پس از دپوسازی به واحد کنترل منتقل شده و میزان خلوص منیزیم در آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد، پس از تأیید سنگ‌های استخراجی، این سنگ‌ها را غربال کرده و به لحاظ ابعادی بهینه می‌گردند. سپس به منظور افزایش خلوص منیزیم موجود در دولومیت‌های استخراجی و آماده‌سازی برای تحویل به بخش احیا، سنگ‌ها را وارد کورهٔ دوار می‌کنند. در این بخش سنگ‌های موجود در دمای ۱۲۰۰ درجه سلسیوس قرار گرفته و گاز کربن دی‌اکسید خود را همان‌طور که در معادله زیر به آن اشاره شده است از دست می‌دهند:

${\ce {MgCO3.CaCO3(s) + Q -> MgO.CaO(s) + 2CO2 + O2(g)}}$

پس از گذر سنگ‌های مورد نظر از این بخش، سنگ‌های خاکستری اولیه به رنگ سفید درآمده و به بخش بعدی منتقل می‌شود. لازم است ذکر شود که گاز خروجی از این کوره حاوی مقادیر قابل توجهی آب و دی‌اکسید کربن است که چگونگی استفاده از ضایعات تولیدی خود می‌تواند به‌طور مفصل مورد بررسی قرار گیرد.

واحد آسیاب و بریکت‌سازی

در این بخش دولومیت‌های کلسینه شده به منظور آماده‌سازی برای تحویل به بخش احیا به نسبت‌های مشخصی با فروسیلیس (۷۵ درصد کربن) و فلورین مخلوط می‌شود. مواد مخلوط شده سپس وارد آسیاب گشته و در چندین مرحله پودر می‌شوند.

پس از مراحل فوق مواد آسیاب‌شده به منظور بهینه‌سازی شکلی و ابعادی، به شکل بریکت درآورده شده و در محفظه‌هایی برای انتقال به مرحله بعد نگه‌داری می‌شوند.

ریتورت واحد احیاء منیزیم

واحد احیاء منیزیم

در این مرحله بریکت‌ها را درون محفظه‌ای استوانه‌ای شکل که ریتورت نام دارد، شارژ می‌نمایند. پس از شارژ، داخل محفظه ریتورت‌ها توسط دو پمپ خلأ در دو مرحله تخلیه می‌شود، اولین پمپ فشار داخل، ریتورت‌ها را به فشاری در حدود ۱۱۰ پاسکال رسانده و دیگری این فشار را به حدود ۱۰ الی ۵ پاسکال می‌رساند. این فرایند احیاء حدود ۱۰ ساعت به طول می‌انجامد که در طی آن منیزیم موجود در بریکت‌ها توسط فروسیلیس احیاء شده و به سمت دیگر ریتورت که کندانسور تعبیه شده و فشار کم‌تری دارد منتقل می‌شود. سپس منیزیم در محفظهٔ ابتدایی ریتورت که محفظه چگالش نام دارد از گاز به جامد تبدیل می‌شود که به اصطلاح آن را کرون یا تاج منیزیم می‌نامند. بقیه مواد داخل ریتورت که بریکت سوخته نام دارند تخلیه و به عنوان دور ریخت جمع‌آوری می‌شود. فرایند گفته شده در بالا در معادله زیر خلاصه می‌شود.

کرون‌های تولید شده در واحد احیاء

${\ce {2MgO.CaO(s) + Si(Fe)(s) -> 2Mg(g) + CaO.SiO2(s) + Fe(s)}}$

واحد ریخته‌گری

کرون‌های تولید شده در مرحله قبل، به خلوص مورد نظر رسیده‌اند ولی به دلیل اشکال و اندازه غیراستاندارد و ناموزون کرون‌های سرد شده نیاز است که این کرون‌ها در کوره دوباره ذوب شده و برای بسته‌بندی و فروش به شمش تبدیل شوند.

مشخصات شیمیایی

منیزیم در حالت پودری، گرم می‌شود و زمانی که در معرض هوا قرار می‌گیرد، آتش گرفته و با شعله‌ای به رنگ سفید می‌سوزد. این فلز قلیایی خاکی عمدتاً به عنوان یک عامل آلیاژ دهنده برای ساخت آلیاژهای آلومینیوم - منیزیم استفاده می‌شود. این عنصر به صورت سه ایزوتوپ یافت می‌شود: ^۲۶Mg, ^۲۵Mg, ^۲۴Mg که همهٔ این ایزوتوپ‌ها به مقادیر زیاد یافت می‌شوند. حدود ۷۹٪ از کل منیزیم موجود از نوع ^۲۴Mg است. همچنین این ایزوتوپ از مابقی پایدارتر است.

همچنین منیزیم مانند برخی از فلزات قلیایی مر نمایش فرمول یونی آن باید از نماد اعداد یونانی استفاده کرد برای مثال:

منیزیم (||) اکسید نشان دهنده (${\ce {MgO}}$)است.

کانی‌ها

اگر چه منیزیم در ۶۰ کانی یافت می‌شود اما این عنصر در ذخایر بزرگ منیزیت، دولومیت، بروسیت، کارنالیت، الیوین و سیلیکات‌های منیزیم که پتانسیل اقتصادی دارند، یافت می‌شود.

کاربردهای عمده

کاربردهای منیزیم در صنایع مختلف به شرح زیر است:

• دیرگداز
• آلیاژ
• تولید فلز منیزیم
• داروسازی
• سولفورزدایی و نودولی شدن در صنعت آهن و فولاد
• کاربردهای شیمیایی
• اکسید منیزیم
• کربنات منیزیم
• بی سولفید منیزیم
• سولفات منیزیم
• کلرید منیزیم
• منیزیم هیدروکسید
• منیزیای پخته‌شده
• مکمل غذای حیوانات

کاربرد آلیاژها

شکل‌دهی به روش کشش ورق‌های منیزیم در دماهای پایین جهت تولید قطعات با عمق کشش کم، برای تولید قاب محصولات الکترونیکی از جمله موبایل و کامپیوتر از طریق روش RUB امکان‌پذیر است، اما برای تولید محصولاتی با عمق کشش بالا و کشش عمیق باید از قالب‌های گرم کار استفاده کرد و همچنین ایجاد گرادیان دمایی در سطح ورق جهت کشش‌های عمیق‌تر بسیار حائز اهمیت می‌باشد که با این کار باعث بالا رفتن تنش تسلیم به صورت موضعی در نوک سمبه می‌شود و باعث شکل‌دهی‌های موفق‌تری می‌شود. از طریق تست CCV می‌توان فهمید که دمای بالا جهت شکل‌دهی منیزیم دارای یک حد نهایی می‌باشد و از یک دمایی بالاتر باعث پارگی در نوک سمبه می‌شود.

پیشنهادهایی که به منظور تحقیقات آینده بر روی ورق‌های منیزیمی می‌شود شامل مطالعه و بررسی ورق‌های دولایه منیزیمی و تست‌های کشش عمیق منیزیم دولایه و چندلایه و همچنین، ارائه راهکار جهت کنترل دقیق‌تر گرادیان دمایی در قالب، نوک سمبه و ورق که در نهایت باعث بالا رفتن سرعت در تولید قطعات می‌شود است. همچنین بررسی قالب‌های بزرگ‌تر نظیر سقف اتومبیل و اجزاء بدنهٔ آن به روش گرم کار ورق منیزیم جهت تولید خودروهایی با وزن سبک‌تر.

آلیاژهای منیزیم به دلیل دارا بودن استحکام ویژه بالا جایگزین مناسبی برای فولاد و آلومینیوم مورد استفاده در قطعات سبک در صنایع اتومبیل و الکترونیک هستند که این موضوع باعث افزایش تقاضای این آلیاژ گردیده است. البته ورق‌های منیزیمی در دمای پایین تغییر شکل بسیار کمی دارند که باعث محدودیت شدید کاربرد آن‌ها شده است. این شکل‌پذیری کم ناشی از غالب بودن سیستم لغزش قاعده‌ای آن در تغییر شکل است که در قطعات کارشده این بافت قاعده‌ای بسیار شدید است. شکل‌پذیری ورق‌های منیزیم به وسیلهٔ کاهش شدت بافت قاعده‌ای می‌تواند بهبود یابد. ازاین‌رو تلاش‌های زیادی برای کاهش این شدت به منظور بهبود شکل‌پذیری آن انجام شده است. افزودن عناصر آلیاژی مانند عناصر نادر خاکی و لیتیوم یک روش مؤثر برای تضعیف بافت قاعده‌ای است. بااین‌حال اضافه کردن این عناصر گران‌قیمت، هزینهٔ تمام شده قطعه را افزایش می‌دهد؛ بنابراین نیاز به کنترل و کاهش بافت قاعده‌ای با به کاربردن تکنیک‌های فرایند تولید است. در سال‌های اخیر فرایندهایی مانند نورد نامتقارن، نورد متقاطع، خم‌کاری تکراری تک‌جهته، خم‌کاری تکراری، نورد کانال زاویه‌ای با مقطع یکسان، شکل‌دهی غلطکی موجی، آنیل با دمای بالا قبل و بعد از نورد گرم، ترکیب نورد گرم و نورد دمای بالا برای بهبود خواص ورق‌های منیزیمی به کار گرفته شده است. در فرایند نورد به منظور جلوگیری از شکست و ایجاد ترک، پارامترهای فرایند برای آلیاژهای منیزیم باید به دقت کنترل شوند. در روش سنتی نورد، دمای بالای نورد، نورد چند مرحله‌ای با کاهش ضخامت کم و آنیل کافی بین هر یک از مراحل نورد به کار گرفته می‌شد. افزایش دمای فرایند برای شکل‌پذیری بهتر آلیاژ منیزیم به دو دلیل مفید است: اول این که سیستم‌های لغزش غیر قاعده‌ای در دمای بالاتر فعال می‌شوند که این سیستم‌های لغزش مستقل امکان شرکت در تغییر شکل را دارند و دلیل دوم تبلور مجدد دینامیکی است که با افزایش دما، افزایش می‌یابد و باعث کاهش سختی ماده حین تغییر شکل می‌شود.

نقش زیست‌شناختی

یک میلهٔ منیزیمی

منیزیم معدنی برای قلب، ماهیچه، و کلیه مهم و مفید است. این ماده قسمتی از دندان و استخوان شما را می‌سازد. مهم‌تر از همه، این ماده آنزیم‌ها را فعال می‌کند، به شما انرژی می‌دهد و به کارکرد بهتر بدن کمک شایانی می‌کند. این ماده همچنین استرس، افسردگی و بی‌خوابی را کاهش می‌دهد. ویتامین ب۶ به جذب منیزیم مورد نیاز کمک می‌کند و با منیزیم در بسیاری از کارها همکاری می‌کند. منیزیم در بسیاری از غذاها قابل دسترس است. قرص‌های مغذی تنها می‌تواند به شما مقدار منیزیم دریافتی را نشان دهد. دانشمندان روش‌های مختلفی برای مشخص کردن مقدار منیزیم موجود در غذاهای متفاوت پیدا کرده‌اند؛ هرچند که بسیاری از غذاها هنوز به‌طور کامل بررسی نشده‌اند.

بیماری‌های مشخصی تعادل منیزیم بدن را بهم می‌زند. برای مثال استفراغ یا اسهال می‌تواند منجر به کمبود منیزیم به‌طور موقتی شود. بیماری‌های معده و روده، دیابت، التهاب پانکراس، نارسایی کلیه و داروهای دیورتیک (ادرارآور) می‌توانند موجب کمبود طولانی مدت منیزیم گردند. اگر مبتلا به یکی از بیماری‌های ذکرشده هستید برای اطلاع از میزان مصرف منیزیم مورد نیازتان، با پزشک مشورت کنید.

کاربردهای پزشکی

مصرف کافی منیزیم می‌تواند در موارد زیر کمک کند:

• جلوگیری از سخت رگی (تصلب شرایین)
• جلوگیری از حمله و سکته قلبی
• کاهش فشار خون
• کاهش چربی زرد (کلسترول) و تری‌گلیسیرین خون
• تصحیح بی‌نظمی‌های ضربان قلب
• توقف حمله حاد آسم
• کاهش میزان نیاز به انسولین در صورت دیابتی بودن
• جلوگیری از تشکیل سنگ کلیه
• درمان بیماری کرون
• درمان سر و صدای ناشی از کاهش شنوایی
• بهبود بینایی در صورت داشتن آب سیاه
• کاهش گرفتگی ماهیچه، زود پریشی، خستگی، افسردگی و احتباس مایع مرتبط با قاعدگی
• جلوگیری از عوارض جدی آبستنی مانند پره اکلامپسی و اکلامپسی
• نگه‌داری و تجدید سطح انرژی طبیعی بدن
• بهبود چگونگی خواب
• کاهش اضطراب و افسردگی
• کاهش عوارض و آثار استرس

منابع غذایی

غنی‌ترین منبع منیزیم شامل توفو، آجیل (بادام، پسته، گردوی سیاه)، تخم کدو، تخم آفتاب گردان، بادام زمینی، برگ سبزیجات سبز، غلات، گندم، آرد سویا، تخم کتان و ملاس.

منابع خوب دیگر برای منیزیم آرد گندم، آرد جو، چغندر سبز، اسفناج، گندم کوبیده، حبوبات، جو دوسر، موز، سیب‌زمینی، کاهو (با پوست)، پسته. همچنین می‌توانید منیزیم را از بسیاری گونه‌های علف‌ها و جلبک‌ها به دست آورید، برای مثال: جلبک آگار، گشنیز، شوید، دانه غلات، شاه‌پسند، خردل خشک، ریحان، پودر کاکائو، تخم رازیانه، مرزه، تخم زیره، تخم ترخون، تخم مرزنجوش و تخم خشخاش.

اشکال دیگر

منیزیم به اشکال مختلف در دسترس است. بهترین فرم آن به صورت «قابل حل» عرضه می‌شود، که بدن راحت‌تر منیزیم این ترکیب را جذب می‌کند. این ترکیبات قابل حل به صورت کپسول ژلاتینی است. مکمل‌های توصیه شده منیزیم شامل سیترات منیزیم، گلوکونات منیزیم و لاکتات منیزیم است.

دیگر منابع منیزیم شامل شیر منیزیم (هیدروکسید منیزیم) که اغلب به عنوان یک ملین یا ضد اسید استفاده می‌شود، نمک‌های «ایپوم» (سولفات منیزیم) که به عنوان یک ملین یا تقویت‌کننده استفاده می‌شود یا به وان حمام اضافه می‌شود. بعضی از اشکال منیزیم از طریق پوست قابل جذب است.

چگونگی مصرف

روزانه مقدار کمی از منیزیم را با یک لیوان پر از آب (تا باعث اسهال نشود) میل نماید. مقادیر توصیه‌شده روزانه به شرح زیر است:

• مردان بزرگ‌سال بین ۱۹ تا ۳۴ سال: ۴۰۰ میلی‌گرم. بالاتر از ۳۰ سال: ۴۲۰ میلی‌گرم
• زنان بزرگ‌سال بین ۱۹ تا ۳۴ سال: ۳۱۰ میلی‌گرم. بالاتر از ۳۰ سال: ۳۲۰ میلی‌گرم
• پسران نوجوان ۱۴ تا ۱۸ سال: ۴۱۰ میلی‌گرم
• دختران نوجوان ۱۴ تا ۱۸ سال: ۳۶۰ میلی‌گرم
• کودکان بین ۹ تا ۱۳ سال: ۲۴۰ میل گرم، کودکان بین ۴ تا ۸ سال: ۱۳۰ میلی‌گرم و کودکان بین ۱ تا ۳ سال: ۸۰ میلی‌گرم.

موارد احتیاط

اگر بیماری شدید کلیوی یا قلبی دارید بدون مشورت پزشک از مکمل‌های منیزیم استفاده نکنید. مصرف بیش از حد شیر منیزیم (به عنوان مسهل یا ضد اسید) یا نمک‌های اپسوم (به عنوان مسهل یا تقویت‌کننده) باعث می‌شود که شما مقادیر زیادی منیزیم هضم کنید، به ویژه اگر مشکل کلیوی داشته باشید. مصرف زیاد منیزیم باعث ایجاد مشکلات جدی برای سلامتی و حتی مرگ می‌شود.

تداخل‌های احتمالی

بعضی از غذاها، نوشیدنی‌ها و داروها، باعث از دست دادن منیزیم بدن می‌شود که شامل سدیم (نمک)، کافئین، الکل، فیبر، ریبوفلاوین به میزان زیاد، انسولین، و دیورتیک‌ها (داروهای ادرارآور) است. بعضی از غذاها، نوشیدنی‌ها و داروها، بدن را برای مصرف منیزیم مورد نیاز با مشکل و سختی روبرو می‌کند. این مواد شامل کلسیم، آهن، منگنز، فسفر، روی و چربی است.

سوختن

در گذشته منیزیم به عنوان لامپ پرنور فلاش عکاسی استفاده می‌شد. فلز منیزیم به راحتی اکسید شده و هنگام سوختن نور قوی را ساطع می‌کند به همین دلیل نیز از این عنصر به صورت پودر شده و خالص در فلاش‌های عکاسی استفاده می‌کردند. منیزیم ماده‌ای است که می‌تواند به عنوان گزینه‌ای مناسب برای سوخت بشر قرار گیرد. همان‌طور که گفته شد گرمای ایجاد شده از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ برابر ۳۰ مگاژول بوده در حالی که گرمای تولید شده از سوختن هر کیلوگرم منیزیم برابر ۲۵ مگاژول است که اندکی کم‌تر از زغال سنگ است.

نکته حائز اهمیت آن‌جاست که ذخیره و انتقال منیزیم برخلاف هیدروژن بسیار آسان است.

منیزیم سوختی برای نیروگاه‌های حرارتی

سوخت‌های فسیلی اصلی‌ترین منبع تأمین انرژی نیروگاه‌های حرارتی هستند و از طرف دیگر این نیروگاه‌ها بزرگ‌ترین تولیدکننده کربن دی‌اکسید در جهان نیز هستند؛ حال اگر روزی بتوانیم منیزیم را به صورت فراوان تولید کنیم آن‌گاه می‌شود بر روی این عنصر به عنوان منبع جایگزین برای سوخت‌های فسیلی در این نیروگاه‌ها حساب باز کرد که این کار می‌تواند به مؤثرترین روش برای کاهش دی‌اکسید کربن تبدیل گردد.

همان‌طور که می‌دانید از واکنش شیمیایی پودر منیزیم و آب، هیدروژن تولید می‌شود که افزایش سرعت این واکنش رابطه مستقیمی با میزان کوچکی دانه‌های پودر منیزیم خواهد داشت. با سرعت گرفتن واکنش ذیل هیدروژن شروع به سوختن کرده به این صورت که هیدروژن خروجی با اکسیژن واکنش داده و از واکنش آن‌ها بخار آب حاصل می‌شود که به دلیل فشار و دمای بالایش قادر به چرخاندن توربین برای تولید الکتریسیته خواهد بود.

نمونه اولیه از یک نیروگاه حرارتی در مقیاس آزمایشگاهی

${\ce {Mg(s) + H2O(l) -> MgO(s) + H2(g)}}$

طرحی شماتیکی از باتری منیزیم هوا

محصول نهایی این واکنش منیزیم اکسید جامد و بخار آب است که هیچ‌کدام تخریب زیست‌محیطی نخواهد داشت و منیزیم اکسید تولیدی را نیز می‌توان به وسیله چرخهٔ بازیافت منیزیم توسط لیزر خورشیدی دوباره به منیزیم خالص که به عنوان سوخت رآکتور است تبدیل کرد.

باتری‌های منیزیم-هوا

در باتری‌های معمولی در الکترود منفی از مواد فعال الکترون دهنده (این مواد عامل تولید الکتریسیته هستند) و در الکترود مثبت از مواد فعال الکترون گیرنده استفاده می‌شود. در Air Batteryها اکسیژن موجود در هوا به عنوان ماده الکترون گیرنده در الکترود مثبت قرار می‌گیرد و در الکترود منفی نیز مواد فعال الکترون‌دهنده قرار می‌گیرد. واضح است که به دلیل این که ماده خاصی در الکترود مثبت قرار نمی‌گیرد، چگالی انرژی در این باتری‌ها نسبت به باتری‌های متعارف دیگر به مراتب بالاتر است.

در باتری منیزیم-هوا، منیزیم به عنوان مادهٔ فعال در الکترود منفی قرار می‌گیرد وقتی که منیزیم در الکترود منفی با اکسیژن در الکترود مثبت واکنش می‌دهد فرایند اکسید شدن رخ می‌دهد و انرژی الکتریکی تولید می‌شود و چیزی که باقی می‌ماند اکسید منیزیم خواهد بود.

ما در این‌جا به بررسی تفاوت‌های بین موتور الکتریکی و اتومبیل با باتری منیزیم-هوا می‌پردازیم و هر دو طبقه‌بندی را با فرض آن‌که قیمت منیزیم به حدی پایین بیاید که از آن بتوان به عنوان سوختی با صرفهٔ اقتصادی یاد کرد پیش می‌بریم.

بر اساس گزارش سازمان NEDO تا سال ۲۰۲۰ میلادی میزان مسافت طی‌شده توسط باتری‌های یونی لیتیمی در یک دور شارژ کامل با وزنی حدود ۸۰ کیلوگرم به حدود ۲۰۰ کیلومتر خواهد رسید. حال با وزن ثابت میزان مسافت طی‌شده توسط باتری منیزیم-هوا، ۷ برابر خواهد شد و به‌طور معکوس با میزان مسافت طی‌شده برابر، وزن این باتری در مقایسه با باتری‌های یونی لیتیمی به یک هفدهم تقلیل می‌یابد؛ و این حقیقتی است که در آینده باعث افزایش استفاده از این باتری‌ها خواهد شد. قضاوت در مورد فضای اشغال‌شده توسط باتری‌های یونی لیتیمی بر اساس وزن این باتری تصویر روشنی به ما نمی‌دهند و این به این معنی است که فضای اشغال‌شده توسط این باتری خارج از دسترس نخواهد بود ولی بدیهی است که باتری‌های منیزیم-هوا از لحاظ سایز نیز به مراتب استانداردتر خواهند بود.

از منظری دیگر اکثر خودروها هنگام احتراق و تولید توان، گاز دی‌اکسید کربن و گازهای مضر دیگری تولید می‌کنند ولی باتری‌های منیزیم-هوا از این نظر نیز سرآمد هستند. حال آن‌که یکی از مشکلات اساسی این ماشین‌ها سوخت‌گیری و شارژ طاقت‌فرسای این باتری‌هاست. به یاد دارید که یکی از مشکلات اساسی خودروهای الکتریکی، زیرساخت‌های ایستگاه سوخت‌گیری و شارژ این خودروها بود به‌طوری‌که نیاز بود تا این ایستگاه‌ها در فواصل کمی نسبت به هم قرار گیرند تا بتوانند شرایط پیمودن مسیرهای طولانی را فراهم سازند؛ ولی باتری‌های منیزیم-هوا همانند خودروهای الکتریکی نیازمند زیرساخت‌های وسیعی نمی‌باشند و منیزیم را می‌توان به راحتی در فروشگاه‌های مختلف جایگزین منیزیم اکسید موجود در باتری نمود.

همان‌طور که می‌دانید از فعالیت باتری منیزیم-هوا، اکسید منیزیم تولید می‌شود و ایده بسیار کارآمدی خواهد بود اگر بتوان فرایندی را تبعیت کرد که در آن منیزیم اکسید موجود در باتری، پس از جایگزین نمودن با پک منیزیمی جدید، در چرخه بازیافت توسط لیزر-پمپ شده- خورشیدی قرار داده شود.

از این گذشته باتری‌های یونی لیتیمی، در زمینه تأمین مواد خام اولیه نیز با مشکلاتی رو به رو هستند. به‌طور معمول خودروها برای پیمودن مسافت ۵۰۰ کیلومتری نیازمند توانی حدود ۱۰۰ کیلووات ساعت هستند. حال به دلیل آن‌که ظرفیت ویژه این عنصر برابر 3.83A.h/g بوده ولتاژ خروجی این باتری‌ها برابر ۳ ولت است در نتیجه توانی برابر ۱۱٫۵ وات ساعت به ازای هر گرم لیتیم تولید می‌شود که برای تأمین انرژی فوق، ۸٫۷ کیلوگرم لیتیم نیاز خواهد بود (البته با فرض این که صد در صد توان تولید توسط لیتیم مورد استفاده قرار گیرد). در حال حاضر ۹۰۰ میلیون خودرو در جهان در حال استفاده است که میزان لیتیم مورد نیاز برای تجهیز این تعداد خودرو برابر ۷٫۸۰۰٫۰۰۰ تن خواهد بود و با توجه به اینکه میزان ذخایر در دسترس فعلی لیتیم برابر ۴ میلیون تن است در نتیجه حتی اگر کل این مقدار در زمینه تولید خودرو مصرف شود با این حال این میزان از منابع کفاف تأمین این تعداد خودرو را نخواهند داشت. در حال حاضر سرانه تولید منابع لیتیم در جهان برابر ۲۵٫۰۰۰ تن است ولی انتظار می‌رود که با افزایش میزان تقاضا این مقدار در آینده به سرعت رشد کند و در حال حاضر نیز رقابتی در این زمینه در جهان علی‌الخصوص بین کشورهای آمریکای جنوبی و چین آغاز گردیده است؛ ولی گفتن این نکته لازم است که اگر باتری‌های یونی لیتیمی فراگیر شوند در این صورت محدودیت ذخایر عنصر لیتیم نسبت به نفت خام بیشتر خواهد شد. همچنین گفته می‌شود که هزینه بازیافت لیتیم از باتری‌های یونی لیتیمی مصرف شده به‌طور معمول بیشتر از هزینه تولید آن‌ها خواهد بود. آب دریا حاوی لیتیم است و تحقیقاتی در زمینه استخراج لیتیم از آب دریا در دست انجام است ولی در واقع میزان لیتیم موجود در آب دریا نسبت به منیزیم بسیار ناچیز است به صورتی که در هر کیلوگرم آب دریا ۱٫۲۹ گرم منیزیم یافت می‌شود که این میزان برای لیتیم به ۰٫۰۰۰۰۱ گرم در هر کیلوگرم آب دریا تقلیل می‌یابد. از طرفی در حال حاضر هزینه استخراج لیتیم از آب دریا حدود ۱۰۰ الی ۲۰۰ دلار بوده و نیاز است که این هزینه برای کارآمد شدن و مطرح شدن لیتیم به عنوان سوخت کاهش یابد.

تحقیقات در مورد باتری‌های فلز-هوا منحصر به باتری‌های منیزیم-هوا نمی‌شود بلکه از فلزاتی همچون آلومینیم، لیتیم و سرب نیز در این باتری‌ها استفاده می‌شود اگر چه که از شروع تحقیقات روی این دسته از باتری‌ها زمان زیادی نمی‌گذرد. لازم است ذکر شود که میزان چگالی انرژی باتری‌های لیتیم-هوا از نوع منیزیمی این باتری‌ها بیشتر است و در صورت استفاده از نوع لیتیمی، خروجی بیشتری نسبت به نوع منیزیمی خواهیم داشت؛ ولی همان‌طور که در مورد باتری‌های یونی لیتیمی گفته شد، مشکل کمبود منابع در مورد این باتری‌ها نیز صادق است به صورتی که برای ساخت و تجهیز وسایل الکتریکی نیاز بالایی به لیتیم و ترکیبات مختلف آن خواهیم داشت؛ ولی می‌دانیم که سوخت باتری منیزیم-هوا را می‌توان با هزینه کمی بازیافت کرد و از طرفی دیگر میزان ذخایر منیزیم نسبت به لیتیم به مراتب بیشتر است. به همین دلیل است که می‌توان منیزیم را به عنوان سوختی مطمئن تر نسبت به لیتیم یاد کرد.

بشر در آینده به سمت سوختی خواهد رفت که از لحاظ در دسترس بودن و فراوانی منابع غنی بوده و بتواند توان کارآمدی را با چگالی انرژی بالا و با صرفه اقتصادی تولید نماید و از طرفی دیگر بتواند نیاز آلودگی‌های محیط زیستی بشر که ناشی از سوخت‌های فسیلی است را برطرف کند. حال من حیث مجموع چرخه انرژی پاک جدید منیزیم و لیزر-پمپ شده-خورشیدی راه حلی است که می‌تواند کلیدی برای حل این مشکل باشد زیرا همان‌طور که در بخش‌های گذشته به آن اشاره گردید این منبع ناتمام انرژی، با توجه به فراوانی و چگالی انرژی بالا و پاک بودن چرخه تولید و استفاده می‌تواند به عنوان یکی از بهترین کاندیدها برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی قرار گیرد.

کاربرد منیزیم در کشاورزی

منیزیم یکی از عناصر غذایی ماکرو است که در رشد و سلامت گیاهان ضروری است.

کمبود منیزیوم

مقدار منیزیم در گیاه

مقدار منیزیم بافت‌های گیاهی حدود ۱/۵ تا ۱ درصد وزن خشک برگ‌ها هستند. مقدار منیزیم در برگ‌ها با افزایش سن گیاه افزایش یافته بطوریکه بیشترین غلظت آن در برگ‌های پیر دیده می‌شود. مقدار منیزیم قابل استفاده در خاک (محلول و قابل تبادل) با روش استات آمونیوم یک نرمال۵۰۰ میلی‌گرم در کیلوگرم پیشنهاد می‌شود.

نقش منیزیم در گیاه

کوفاکتور بسیاری از واکنش‌های آنزیمی و دریافت کنندهٔ، پروتئین بوده و در تنظیم کانال‌های غشاء (بارکر و پیلبام، ۲۰۰۷) حفظ ساختار ریبوزوم، تنفس و تشکیل قندها نقش دارد (فاگریا، ۲۰۰۹). منیریم در سنتز پروتئین، فعال سازی آنزیم‌ها، جذب و انتقال فسفات، توزیع هیدروکربن‌ها، ساخت کلروفیل و فتوسنتز، مصرف کودهای منیزیمی نیز در بهبود کمی و کیفی گل‌های زینتی ضروری است.

با عنایت به نقش منیزیم در سنتز پروتئین، فعال‌سازی آنزیم‌ها، جذب و انتقال فسفات، توزیع هیدروکربن‌ها، ساخت کلروفیل و فتوسنتز، مصرف کودهای منیزمی نیز در بهبود کمی و کیفی گل‌های زینتی ضروری است. مقدار منیزیم قابل استفاده در خاک (محلول و قابل تبادل) با روش استات آمونیوم یک نرمال ۵۰۰ میلی‌گرم در کیلوگرم پیشنهاد می‌شود. منیزیم در جذب کلسیم و پتاسیم در گیاه، نقش دارد (قاسمی چپی و همکاران، ۱۳۸۸).

کمبود منیزیم در برگ درختان

زمانی که منیزیم به مقدار کافی وجود داشته باشد جذب دی‌اکسید کربن را ۱۴۰٪ افزایش می‌دهد، که منجر به افزایش زیست توده به میزان ۶۱٪ در مقایسه با گیاهان دارای کمبود منیزیم می‌شود. همچنین نسبت بخش هوایی به ریشه نه تنها به تغذیه منیزیم حساس است، بلکه بسیار تحت تأثیر روش کشت تجربی گیاه است. اگر گیاهان در مراحل رشد اولیه و قبل از قرارگیری در معرض کمبود منیزیم، تحت مقدار کافی منیزیم رشد کنند، نسبت اندام هوایی به ریشه تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. در غیر این صورت، نسبت بخش هوایی به ریشه به‌طور قابل توجهی کاهش میابد (Melanie Hauer-Jákli and Merle Tränkner, 2019) . منیزیم به عنوان تنها عنصر فلزی موجود در کلروفیل است که در مرکز آن قرار گرفته، کمبود این عنصر سبب کاهش در میزان کلروفیل می‌شود و متوجه شده‌اند که بدون وجود این ترکیب، زندگی گیاه مختل می‌شود. منیزیم در متابولیسم مواد هیدروکربنه مخصوصاً در چرخه اسید سیتریک که در تنفس گیاه مؤثر است، نقش دارد و همچنین موجب انتقال فسفر به دانه در گیاهان می‌شود و همچنین فعال کننده تعداد زیادی از آنزیم‌ها مانند، دی هیدروژناز و دی کربوکسیلاز است. وجود این عنصر برای متابولیسم پتاسیم کلسیم، ویتامین ث، فسفر الزامی است. منیزیم برای تبدیل قند خون به انرژی بسیار مهم می‌باشد و به عنوان ماده ضد استرس در نظر گرفته می‌شود. با مصرف مناسب کودهای منیزیم دار برای گیاهان علوفه ای و سایر محصولات که دچار کمبود این عنصر هستند، می‌توان میزان محصول را افزایش داد همچنین تغذیه کافی با این عنصر می‌تواند بر سلامتی انسان و دام نیز تأثیرگذار باشد (یعقوبی خانقاهی و همکاران، ۱۳۸۹).

کود منیزیم

بکار بردن مقداری زیاد از کودهای پتاسیمی یا بالا بودن میزان پتاسیم و کلسیم در خاک می‌تواند منجر به کاهش میزان منیزیم گیاه شود تا جایی که در بسیاری از خاک‌ها جذب منیزیم بیشتر تابع حلالیت پتاسیم است تا مقدار منیزیم خاک. برخی از محققان بر این باورند که منیزیم ممکن است در مکان‌های غیرقابل دسترس در میان لایه‌های رس‌های ۲:۱ حبس شود. نسبت‌های پتاسیم به منیزیم برای رشد مناسب گیاهان متغیر است. این مقدار را برای گیاهان زراعی در خاک، پنج، برای سبزیجات و چغندر، سه، برای درختان میوه و گیاهان گلخانه ای دو پیشنهاد کرده‌اند. افزایش کودهای آمونیومی به ویژه هنگامی که نیتریفیکاسیون انجام نشده و نیتروژن به شکل آمونیوم جذب گیاه می‌شود، منجر به کاهش جذب منیزیم شده، به طوری که مصرف کودهای محتوی منیزیم از جمله سولفات مضاعف پتاسیم، منیزیم و سولفات منیزیم برای افزایش عملکرد و بهبود کیفیت گل‌ها پیشنهاد می‌شود.

علائم کمبود منیزیم

از نشانه‌های کمبود منیزیم در گیاه، زردی بین رگبرگ‌ها ست. این کمبود ابتدا در برگ‌های پیر مشاهده می‌شود و در صورت کمبود شدید، برگ‌ها شروع به ریزش می‌کنند. داخل خاک، منیزیم به نسبت سریع شسته شده و از دسترس گیاه خارج می‌گردد. برای رفع کمبود منیزیم از کربنات و سولفات منیزیم استفاده شود. در صورت کمبود شدید، کل برگ زرد کم رنگ شده و در نهایت قهوه ای و از بین می‌رود (حسندخت، 1386) همچنین رشد ریشه‌ها کاهش یافته و قرمز تیره می‌شوند (فاگریا، ۲۰۰۹) . به صورت یون ${\ce {Mg^2+}}$ جذب شده و نسبت به کلسیم تحرک بیشتری در گیاه دارد. کمبود منیزیم به‌طور فراوانی در خاک‌های ماسه ای با PH پایین یا مقادی بالای کلسیم و پتاسیم رخ می‌دهد (مرکریو، 2007). منیزیم، به عنوان یک عنصر معدنی ضروری برای گیاهان و میکروب‌ها، می‌تواند تأثیرات غیرمستقیم و مستقیم بر بیماری داشته باشد. تغذیه متعادل برای بیان مقاومت در برابر بیماری بسیار مهم است زیرا تغذیه بخشی از یک غذای کاملاً متعادل است. کمبود یا بیش از حد بودن منیزیم می‌تواند طیف وسیعی از عملکردهای فیزیولوژیکی را تحت تأثیر این فرآیندهای مرتبط قرار دهد. توانایی منیزیم در تعامل یا عدم تعامل با سایر مواد معدنی می‌تواند منجر به پاسخ‌های مختلف بیماری به منیزیم تحت شرایط مختلف محیطی شود برای مثال، پاتوژن‌های پژمردگی فوزاریوم در صورت وجود مقدار کافی منیزیم، شدت کمتری دارند. در مقابل، میزان بالای منیزیم که با جذب کلسیم تداخل می‌کند ممکن است بروز بیماری‌هایی مانند لکه‌های باکتریایی در گوجه فرنگی و فلفل یا پوسیدگی غلاف بادام زمینی را افزایش دهد (Don M. Huber and Jeff B. Jones, 2013).

نورد منیزیم

آلیاژهای منیزیم به دلیل سبک بودن هر روز با استقبال بیشتری مواجه می‌شوند اما با این وجود فرایندهای تولید آنها به دلیل خصوصیات منیزیم محدود است. فلزات به صورت ورق یکی از اشکال اساسی مورد استفاده در کاربردهای صنعتی هستند. تقریباً همه فلزاتی که برای کاربردهای سازه ای مورد استفاده قرار می‌گیرند به شکل ورق نیز موجود است اما منیزیم به دلیل دارا بودن ساختار هگزاگونال این امر مشکل می‌سازد. ساختار منیزیم مکانیزمهای فعال تغییر شکل این فلز را حداقل در مقایسه با فلزات با ساختار مکعبی محدود می‌سازد؛ بنابراین قابلیت شکل‌گیری و چقرمگی که از الزامات اولیه در فرایندهای شکل‌دهی هستند نیز محدود هستند. امکان تولید ورق‌های منیزیم در دهه‌های قبل نشان داده شده است اما در حال حاضر کاربرد خاصی ندارد مطالعات جدید بر تأثیر پارامترهای فرایندی به خصوص دما بر ممکن بودن فرایندهای سنتی شکل‌دهی تأکید دارد علاوه بر آن به تازگی کشف شده که آلیاژهای حاوی عناصر آلیاژی به خصوص عناصر کمیاب خاکی در هنگام نورد تمایل به نشان دادن خواص ریز ساختاری و به خصوص بافتی مختلفی دارند که تأثیر قابل توجهی در خواص ورق تولیدی دارد.

یکی از موانع اصلی پیش روی استفاده گسترده از ورقهای منیزیم اقتصادی نبودن فرایند تولید آن در مقایسه با روشهای دیگر ساخت از جمله ریخته‌گری دو غلطکه (twin-roll casting) است.

یکی از دلایلی که از ریخته‌گری پیوسته (Direct chill casting) برای تولید ورقهای آلیاژی منیزیم استفاده نمی‌شود این است که در این روش عناصر آلیاژی به مرکز ضخامت ورق پس زده می‌شوند و به همین دلیل خواص ورق را غیر یکنواخت کرده و این فرایند برای تولید ورق‌های آلیاژی مناسب نیست. فرایند تولید ورق‌های منیزیم با ماده اولیه که برای نورد استفاده می‌شود آغاز می‌شود. ماده اولیه نبرد معمولاً اسلب‌ها هستند که با فرایند دی‌سی کستینگ تولید می‌شوند. پیوسته بودن این فرایند به ما این اطمینان را می‌دهد که در طول ریخته‌گری دارای ساختار یکنواختی هستیم. همچنین برای استفاده‌های با تعداد کمتر همانند مقیاسهای آزمایشگاهی از ریخته‌گری با کمک جاذبه (gravity casting) استفاده می‌شود.

نمایی از ریخته‌گری پیوسته (غیر منیزیم)

قطعات تحت فرایند همگن سازی قرار می‌گیرند و سپس در صورت نیاز با ماشین کاری به اندازه‌های مورد نیاز در می‌آیند. آنیل کردن اگر در دمای مناسب آلیاژ مورد نظر انجام شود تأثیر چندانی در اندازه دانه ندارد و بیشتر به عنوان همگن سازی توزیع عناصر و حل کردن رسوبات فاز ثانویه که ناشی از فرایند ریخته‌گری اولیه برای تولید اسلب‌ها هستند مورد استفاده قرار می‌گیرد. مسئله اصلی در اینجا همگن بودن ریزساختار در اسلب است. دماهایی که اسلب‌ها در آن مورد عملیات آنیلینگ قرار می‌گیرند در جدول منبع که توسط چبی و لهنرت ارائه شده آورده شده است که دمای آنیلینگ با دمای فاز جامد آلیاژ مورد نظر مرتبط است. اسلب فلز سپس از میان دو غلتک که فاصله میان آنها از ضخامت ورق اولیه کمتر است رانده شده و بنابراین تغییر شکل پلاستیک در ماده رخ می‌دهد جدول منبع همچنین شامل تعدادی از دماهای متوسط اعمالی در حین عملیات نورد است که توسط بک در سال ۱۹۳۹ ارائه شده است. برای منیزیم و فلزات دیگر دو نوع فرایند نورد وجود دارد که شامل نورد گرم و نورد سرد است. بدین صورت که اگر دمای فرایند بالاتر از دمای تبلور مجدد آلیاژ مورد نظر باشد به فرایند نورد گرم و اگر دمای فرایند پایین‌تر از دمای تبلور مجدد باشد به آن نورد سرد گفته می‌شود.

رابطه میان پارامترهای فرایندی و خواص ورق

ورق منیزیم

خواص ورق برای مثال خواص مکانیکی آن می‌تواند مرتبط با برنامه نورد اعمالی باشد. دیگر جنبه‌های مهم کیفیت ورق به خصوصیات دیگر ماشین مورد استفاده برای این فرایند بستگی دارد. همگن بودن گیج نهایی و شکل ورق تولیدی مستقیماً با غلتکهای مورد استفاده مرتبط است. همچنین کیفیت سطحی به نوع روانکار مورد استفاده و نحوه روانکاری در طول فرایند نورد بستگی دارد. فرایند گرم در طول نورد ورقهای آلیاژهای منیزیم مستقیماً با تبلور مجدد دینامیک همراه است جایی که خواص ریز ساختاری مرتبط با شکل دهیهای پیشین به راحتی از دست می‌رود. در نتیجه به‌طور معمول مشاهده می‌شود که طیف ریز ساختار قابل دستیابی بعد از این فرایند باریک است. برای مثال اندازه دانه و شدت بافت به‌طور مشخص تغییری نمی‌کند. این مسئله باعث شده که فعالیت‌های پژوهشی محدودی در زمینه تأثیر پارامترهای نورد برخی خواص محصولات مسطح منیزیم در مقایسه با قطعات مکعبی مانند فولاد و ورق‌های آلومینیوم صورت گیرد. کنترل بافت کریستالوگرافی به عنوان کلیدی در تعیین شکل‌پذیری بهبود یافته ورق که برای توسعه تعداد کاربردهای صنعتی بسیار ضروری است معرفی شده است بنابراین مطالعات اخیر در زمینه درک بهتر رابطه میان ریز ساختار اولیه قبل از شروع نورد، دمای نورد، کاهش ضخامت در هر پاس، کاهش کلی ضخامت نبرد و بافت نهایی متمرکز شده است. دمایی که فرایند نورد در آن انجام می‌شود پارامتر تعیین‌کننده است به دلیل اینکه مکانیزمهای مشخص شکل دهی در آلیاژهای منیزیم همانند لغزش نابجایی غیر بیسال درست مانند اتفاق افتادن تبلور مجدد دینامیک با افزایش دما فعال می‌شود و تغییر شکل مورد نظر می‌تواند بدون شکست یا پارگی در ورق انجام شود. در نتیجه تعدادی دیگر از پارامترهای فرایند رامی توان برای تأثیر گذاری در خواص ورق نهایی مسئول دانست. میزان کاهش ضخامت در هر پاس از نورد از آنجایی که نرخ کرنش را همانند مقدار تغییر شکل قبل از بازیابی و تبلور مجدد قطعه تغییر شکل یافته در طول آنیل کردن متوسط تعیین می‌کند بر ریز ساختار و بافت نهایی تأثیر می‌گذارد. افزایش سرعت نبرد منجر به کاهش اندازه دانه متوسط ورقهای منیزیم می‌شود همان‌طور که به وسیلهٔ اسادیقی و همکارانبرای آلیاژ AZ31 نشان داده شده است. علاوه بر پارامترهای فرایند دیگر جنبه‌ها نیز برای دستیابی به خواص مطلوب ورق مهم هستند. از این عوامل می‌توان به روش نورد برای مثال نورد یک جهته یا برعکس کردن جهت ورق بعد از هر پاس نورد یا نورد ضربدری اشاره کرد. به‌طور کلی برای دستیابی به قطعات مورد نظر از جنس منیزیم به دلیل ریز ساختار این فلز تا حد امکان سعی می‌شود از روشهای دیگری غیر از نورد استفاده شود مگر آن که از تولید قطعه به این روش توجیه اقتصادی یا کاربردی داشته باشد.

ریخته‌گری منیزیم

ریخته‌گری منیزیم (به انگلیسی: Magnesium Casting) روش ریخته‌گری متداول‌ترین روش تولید قطعات منیزیمی می‌باشد به طوری که تقریباً ۹۸ درصد از قطعات تولید شده با منیزیم، ریخته‌گری شده‌اند. منیزیم را می‌توان با روش‌های مختلف ریخته‌گری کرد، که شامل ریخته‌گری ماسه‌ای، ریخته‌گری در قالب گچی، ریخته‌گری با قالب دائمی، ریخته‌گری تحت فشار بالا و روش‌های مختلف ریخته‌گری نیمه‌جامد است که متداول‌ترین آن‌ها روش ریخته‌گری با فشار بالا (HPDC) می‌باشد. پس از خالص سازی دانه‌های منیزیم برای ایجاد هندسه‌های مختلف منیزیم از فرایند ریخته‌گری استفاده می‌کنیم. در این فرایند ابتدا دانه‌های منیزیم که به شکل‌های متفاوت هستند را داخل یک کوره مخصوص تا دمای ۶۶۰ درجه سانتیگراد گرم می‌کنیم تا منیزیم به حالت مذاب در بیاید. برای ذوب منیزیم می‌توان از بوته‌های آهنی استفاده نمود و این موضوع یک مزیت بسیار بزرگ منیزیم نسبت به آلومینیوم است، زیرا آلومینیوم به شدت با آهن واکنش پذیر است و این امکان برای فلز آلومینیوم فراهم نمی‌باشد. بعد از ۵ دقیقه انتظار، با استفاده از یک پروانه از جنس فولاد ضدزنگ با پوشش نیترید بور شش تیغه که در مدت زمان ۳۰ دقیقه با دور ۱۵۰ دور در دقیقه می‌چرخد، برای هم زدن مذاب استفاده می‌شود. (البته این فرایند بیشتر زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که مذاب حاصل از یک آلیاژ باشد یا اینکه مذاب یک دست نباشد) به منظور کاهش اکسیداسیون و سوختن مذاب در این مرحله و مراحلی که مذاب در تماس با هوای آزاد است، یک شار ثابت از مخلوط گازهای آرگون و هگزا فلورید گوگرد (Ar-SF₆) (به نسبت ۱:۵) را در کوره تزریق می‌کنیم.

MgF₂ تمایل دارد تا منافذ موجود در فیلم منیزیم اکسید (MgO) را پر کند و آن را مستحکم تر سازد. فرایند بدون شار با استفاده از گاز غیر سمی SF₆ به عنوان جَوّ و فضای محافظ (protective atmosphere) به سرعت توسط هر دو صنعت تولیدکنندگان شمش منیزیم و بخش‌های ریخته‌گری صنعت ریخته‌گری منیزیم پذیرفته و عملیاتی شد، این امر به خاطر بهبود کیفیت عملیات ذوب و حذف مواد اضافی از مذاب صورت گرفت. با این حال، SF₆ دارای پتانسیل گرمایش زمین به مقدار ۲۴۰۰۰ برابر گاز دی‌اکسید کربن است، علاوه بر این به مدت بسیار طولانی (۳۲۰۰ سال) در جو زمین ماندگار خواهد بود. در سال‌های اخیر گازهای محافظ جایگزین مانند HFC134a , HFE7100 و NovacTM612 گسترش یافته و مورد استفاده قرار می‌گیرند، درحالی‌که گازهای HFC134a و HFE7100 هنوز به‌طور قابل توجهی پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) دارند، هر دوی آن‌ها به‌طور قابل توجهی GWP کمتری نسبت به گاز SF₆ دارند و با جایگزینی سریع این گازها، می‌توان تا ۹۸ درصد اثرات گازهای گلخانه ای را کاهش داد. البته امیدوار کننده‌ترین حالت استفاده از گاز جایگزین NovacTM612 می‌باشد که GWP معادل گاز دی‌اکسید کربن دارد، اما در حال حاضر توسعه و بهبود بیشتری برای استفاده از این گاز در صنعت ریخته‌گری منیزیم نیاز است. پس از هم زدن مذاب، اکسیدهای احتمالی باقی مانده در سطح فوقانی مذاب توسط یک کارگر یا ربات با استفاده از یک بیلچه از جنس فولاد ضدزنگ با پوشش نیترید بور جمع‌آوری می‌شوند و داخل حوضچه بازیافت ریخته می‌شوند. منیزیم را می‌توان به روش‌های متفاوت ریخته‌گری نمود که بستگی به استفاده و کاربرد آن خواهد داشت. در ذیل به توضیح این روش‌ها می‌پردازیم:

ریخته‌گری منیزیم به روش شمش‌ریزی

یکی از روش‌های متداول و محبوب ریخته‌گری منیزیم روش شمش ریزی است، زیرا این روش جزو روش‌های ریخته‌گری پیوسته یا نیمه پیوسته محسوب می‌شود و سرعت آن بسیار بالاتر از بقیه روش‌ها است. البته می‌بایست به این نکته نیز توجه کرد که قطعات تولیدی در این روش قطعه نهایی نیستند بلکه مواد اولیه برای کارگاه‌ها و صنایع دیگر هستند.

ریخته‌گری منیزیم به روش تحت فشار

ریخته‌گری با فشار بالا (HPDC) یا دایکست (Die Cast)

این روش انعطاف‌پذیری بالایی در طراحی و ساخت قطعات سبک دارد. ویژگی‌های مناسب و منحصر به فرد فیزیکی منیزیم باعث می‌شود که دیواره‌های نازک با هندسه پیچیده را با این روش بتوان تولید کرد. دستگاه‌های مختص به روش ریخته‌گری با فشار بالا دو دسته هستند که در ذیل تشریح شده‌اند:

ریخته‌گری با فشار بالا با استفاده از محفظه داغ

ریخته‌گری با فشار بالا با استفاده از محفظه داغ

در این روش منیزیم مذاب، در یک محفظه فولادی با دمای بالا و اتمسفر کنترل شده (با گازهای مخصوص که بالاتر ذکر شد) در داخل دستگاه دایکست نگهداری می‌شود. مذاب منیزیم با استفاده از یک پیستون و یک لوله گردن غازی به داخل راهگاه و قالب هدایت می‌شود.

ریخته‌گری با فشار بالا با استفاده از محفظه سرد

ریخته‌گری با فشار بالا با استفاده از محفظه سرد

در این روش منیزیم مذاب در محفظه‌ای خاص خارج از دستگاه دایکست نگهداری می‌شود و توسط یک کارگر یا یک بازوی رباتیک، منیزیم از داخل محفظه به داخل دستگاه و سیستم راهگاهی تزریق می‌شود. بسته به نوع قطعه و کاربرد آن می‌توان از هر دوی این دستگاه‌ها برای ریخته‌گری منیزیم استفاده نمود، اما دستگاه ریخته‌گری با فشار بالا با استفاده از محفظه داغ برای منیزیم مناسب تر است زیرا سرعت کار با این دستگاه بالاتر است و به دلیل نقطه ذوب پایین منیزیم می‌توان، مذاب منیزیم را در محفظه‌های فولادی نگه داری کرد. همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود با استفاده از این روش می‌توان قطعات بسیار نازک با هندسه پیچیده تولید کرد.

قطعات تولید شده با روش HPDC

ریخته‌گری منیزیم با فشار پایین (LPC)

ریخته‌گری منیزیم با فشار پایین

روش ریخته‌گری با فشار پایین، روشی است که برای فلزات با دما ذوب پایین بسیار مناسب است، با استفاده از این روش می‌توان قطعات منیزیمی عاری از هرگونه عیوب ریخته‌گری و با هندسه پیچیده تولید نمود. در شکل آخر یک دستگاه معمولی ریخته‌گری با فشار کم نشان داده شده است، در این روش می‌توان از قالب‌های دایمی و موقت استفاده نمود، ریخته‌گری شن و ماسه با فشار کم (LPSC) یا قالب ریخته‌گری کم فشار (LPDC) دو روش متفاوت بر اساس نوع قالب است. یک دستگاه LPC معمولاً شامل یک بوته تحت فشار شامل مذاب است که در زیر میز قالب، با یک لوله تغذیه بالابر قرار گرفته است که وظیفه دارد مذاب تحت فشار را به داخل قالب بالای میز، تزریق کند. از گاز خشک برای ایجاد فشار نسبتاً کم بر روی سطح مذاب منیزیم استفاده می‌شود. زمانی که حفره قالب از مذاب پر می‌شود، خود به خود فشار وارده مذاب به قطعه افزایش می‌یابد و باعث می‌شود انقباض حاصل از انجماد جبران شود. فشار خارجی پس از اتمام انجماد قطع می‌شود، که باعث می‌شود مذاب اضافی در لوله تغذیه به داخل بوته ریخته شود و همین‌طور قطعه از قالب خارج شود.

روش‌های دیگر ریخته‌گری منیزیم

با این که تولید و ریخته‌گری قطعات منیزیم به‌طور گسترده‌ای به دلیل بهره‌وری بالا و قابلیت ریخته‌گری عالی آلیاژهای منیزیم تحت تأثیر فرایند ریخته‌گری با فشار بالا قرار گرفته است، از روش‌های ریخته‌گری دیگر همچون ریخته‌گری ثقلی، ریخته‌گری اسکوئیز، ریخته‌گری لاست‌فوم و تیکسومولدینگ برای ریخته‌گری منیزیم می‌توان استفاده کرد.

کنترل ناخالصی در قطعات ریخته‌گری شده

یک پیش‌نیاز برای به دست آوردن خواص خوردگی عالی آلیاژهای منیزیم فعلی، کنترل دقیق میزان ناخالصی است. وجود عناصری مانند آهن، نیکل و مس در ساختار آلیاژهای منیزیم برای خواص خوردگی بسیار مضر هستند و محدودیت‌های سختگیرانه ای برای این عناصر در آلیاژ اعمال می‌شود. حلالیت آهن در منیزیم مذاب توسط افزودنی‌های منگنز سرکوب می‌شود و آهن توسط این دسته از فرایندها، حذف می‌شود.

کاربرد در صنعت هوافضا

منیزیم فلزی است که آلیاژهای آن در ابتدای عصر فلزی شدن ساختار هواپیماها، به خصوص در دوران جنگ جهانی دوم توسط آلمانی‌ها و امریکایی‌ها، استفادهٔ بسیاری در ساخت بدنهٔ هواپیما داشتند. دلیل این امر نیز چگالی بسیار پایین این فلز است که استفاده از آن در بدنهٔ هواپیما می‌تواند به کاهش وزن چشمگیری منجر شود. با این حال، مشکلات خوردگی و دشواری پردازش و شکل‌دهی این فلز باعث شد تا امروزه کاربردهای آن در بدنه و پوستهٔ هواپیما بسیار محدود شود. با این وجود هنوز برخی از کاربردهای منیزیم در صنایع هوایی باقی مانده و دانشمندان به دنبال یافتن کاربردهای جدیدی نیز برای این فلز جذاب می‌باشند. این کاربردها اساساً مربوط به ساختارهای ثانویه با اشکال پیچیده‌ای می‌شوند که در آنها می‌توان آلیاژهای ریخته‌گری منیزیم را جایگزین آلیاژهای رُت آلومینیوم کرد. در واقع به دلیل شکل‌پذیری بسیار پایین آلیاژهای منیزیم، قطعات منیزیم معمولاً به صورت کامل با عملیات ریخته‌گری ساخته می‌شوند.

آلومینیوم و روی عناصر آلیاژی اصلی منیزیم هستند که آلیاژهایی با خواص مکانیکی جالب فراهم می‌آورند. استفاده از منیزیم در سازه‌های هوانوردی عمدتاً به این دلیل است که اجزای تولید شده با آن نسبت به سایر فلزات رایج سبک‌تر بوده و ویژگی‌های میرایی و دمپینگ بسیار عالی دارند. اما خوردگی زیاد و فقدان آلیاژهای با استحکام بالا، همچنان کاربرد منیزیم را در صنعت هوانوردی محدود می‌کند. با این حال در سال‌های اخیر پیشرفت‌های بسیار خوبی برای یافتن کاربردهای مناسب برای آلیاژهای منیزیمی در ساخت قطعات مختلف هواپیما صورت پذیرفته است. یکی از کاربردهای جدید منیزیم در صنایع هواپیماسازی، استفاده از دو آلیاژ WE43 و EL43 در ساخت اسکلت صندلی هواپیماهای مسافربری می‌باشد. تحقیقات نشان داده که این آلیاژها برخلاف سایر آلیاژهای پرکاربرد منیزیم مثل AZ31 مشکل احتراق در اثر حرارت بسیار بالا در صورت بروز سوانح پیش‌بینی نشده را ندارند و با توجه به وزن بسیار پایین و استحکام خوبی که دارند، می‌توانند در آیندهٔ نزدیک برای ساخت فریم صندلی هواپیماهای مسافربری به صورت گسترده مورد استفاده قرار گیرند، این موضوع هم‌اکنون توسط اداره هوانوردی فدرال (FAA) مورد تأیید قرار گرفته است.

جستارهای وابسته

• فهرست منابع غذایی دارای منیزیم