–430

1-4-1- هدف کلی:
بررسی رابطه انگیزش و خودپنداره تحصیلی با اضطراب امتحان در دانش آموزان مقطع متوسطه بخش رودخانه
1-4-2- اهداف جزیی:
بررسی رابطه انگیزش با اضطراب امتحان در دانش آموزان
بررسی رابطه خودپنداره تحصیلی با اضطراب امتحان در دانش آموزان
1-5- سؤالات تحقیق
آیا بین انگیزش و خودپنداره تحصیلی با اضطراب امتحان در دانش آموزان رابطه وجود دارد؟
آیا بین انگیزش با اضطراب امتحان در دانش آموزان رابطه وجود دارد؟
آیا بین خودپنداره تحصیلی با اضطراب امتحان در دانش آموزان رابطه وجود دارد؟
1-6- فرضیه های تحقیق
فرضیه اول: بین انگیزش و خودپنداره تحصیلی با اضطراب امتحان در دانش آموزان رابطه وجود دارد.
فرضیه دوم: بین انگیزش با اضطراب امتحان در دانش آموزان رابطه وجود دارد.
فرضیه سوم: بین خودپنداره تحصیلی با اضطراب امتحان در دانش آموزان رابطه وجود دارد.
1-7- تعاریف مفهومی و عملیاتی
1-7-1- تعاریف مفهومی:
انگیزش: انگیزش، دلایل رفتار افراد را نشان می دهد و مشخص می کند که چرا آن‌ها به روشی خاص عمل می‌کنند. رفتار دارای انگیزه، رفتاری با انرژی، جهت دار و دنباله دار است (یوسفی و همکاران، 1388).
خودپنداره تحصیلی: خودپنداره تحصیلی فرایند شکل‌گیری ارزش‌یابی از خودپنداره متأثر از تجارب آموزشی دانش آموزان و تفسیر محیط آموزشی است (ناجی و همکاران، 2010 ).
اضطراب امتحان: اضطراب امتحان به عنوان احساس نامطلوب یا حالت هیجانی تلقی می شود که افراد در آزمون‌های رسمی یا سایر موقعیت‌های ارزش‌یابی تجربه می‌کنند (ارفع بلوچی و غفاری، 1391).
1-7-2- تعاریف عملیاتی:
انگیزش: منظور نمره ای است که آزمودنی از پرسشنامه انگیزش پیشرفت هرمنس کسب می کند.


خودپنداره تحصیلی: منظور نمره ای است که آزمودنی از پرسشنامه خودپنداره بک و استیر کسب می کند.
اضطراب امتحان: منظور نمره ای است که آزمودنی از اضطراب امتحان ابولقاسمی و همکاران کسب می کند.
فصل دوم
پیشینه‌ تحقیق
2-1- مقدمهاین فصل در دو بخش مورد بررسی قرار می گیرد: بخش اول پیشینه‌ی نظری مسئله مورد پژوهش، بخش دوم پیشینه پژوهشی.
در بخش نخست مطالبی پیرامون انگیزش، خودپنداره تحصیلی و اضطراب امتحان ارایه می گردد و این موضوعات از دیدگاه دانشمندان بیان می شود و در بخش دوم پیشینه ی پژوهشی تحقیق، مطالعات داخلی و خارجی انجام شده و مرتبط با موضوع تحقیق مورد بررسی قرار می گیرد.
2-2- پیشینه‌ی نظری
2-2-1- انگیزش
ﻣﻔﻬﻮﻡ ﺍﻧﮕﻴﺰﺵ، ﻫﻤﻮﺍﺭﻩ ﻣﻮﺭﺩ ﺗﻮﺟﻪ ﺟﻮﺍﻣﻊ ﺑﺸﺮﻱ ﺑﻪ ﻭﻳﮋﻩ ﭘﮋﻭﻫﺸﮕﺮﺍﻥ ﻭ ﻣﺘﺨﺼﺼﺎﻥ ﺁﻣﻮﺯﺵ ﻭ ﭘﺮﻭﺭﺵ ﺑﻮﺩﻩ ﺍﺳﺖ. ﺧﺼﻮﺻﺎً ﺩﺭ ﺩﻫﻪﻫﺎﻱ ﺍﺧﻴﺮ، ﺑﺴﻴﺎﺭﻱ ﺍﺯ ﻧﻈﺮﻳﻪ ﭘﺮﺩﺍﺯﺍﻥ ﻭ ﻣﺤﻘﻘﻴﻦ ﺭﻭﺍﻧﺸﻨﺎﺳﻲ ﺗﺮﺑﻴﺘﻲ، ﺍﻋﺘﺒﺎﺭ ﻭ ﺟﺎﻳﮕﺎﻩ ﻭﻳﮋﻩﺍﻱ ﺑﺮﺍﻱ ﺍﻟﮕﻮﻫﺎﻱ ﺍﻧﮕﻴﺰﺷﻲ ﻭ ﺭﻭﺍﻧﺸﻨﺎﺧﺘﻲ ﺭﻓﺘﺎﺭ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﻗﺎﺋﻞ ﺷﺪﻩﺍﻧﺪ. ﺍﻧﮕﻴﺰﻩ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ، ﺍﻧﮕﻴﺰﻩ ﺭﻭﺍﻧﺸﻨﺎﺧﺘﻲ ﻓﺮﺍﮔﻴﺮﻱ ﺍﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﺎ ﺍﺛﺮﮔﺬﺍﺭﻱ ﺑﺮ ﺍﻧﻮﺍﻉ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻓﻌﺎﻟﻴﺘﻬﺎﻱ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﺑﻪ ﺗﻤﺎﻳﻞ ﻓﺮﺩ ﺑﺮﺍﻱ ﺭﺳﻴﺪﻥ ﺑﻪ ﻫﺪﻓﻬﺎﻱ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﺍﺷﺎﺭﻩ ﺩﺍﺭﺩ. ﺍﻳﻦ ﺳﺎﺯﻩ ﺑﺎ ﺣﺼﻮﻝ ﺁﮔﺎﻫﻲ ﺍﺯ ﭼﮕﻮﻧﮕﻲ ﺗﺄﺛﻴﺮ ﻓﺮﺍﻳﻨﺪﻫﺎﻱ ﺷﻨﺎﺧﺘﻲ- ﺍﻧﮕﻴﺰﺷﻲ ﺷﺨﺺ ﺭﻭﻱ ﻓﻌﺎﻟﻴﺘﻬﺎﻳﻲ ﻛﻪ ﺑﺮﺍﻱ ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﻭﻱ ﺍﻫﻤﻴﺖ ﺩﺍﺭﻧﺪ، ﺑﺮﺁﻭﺭﺩ ﻣﻲﺷﻮﺩ. ﺍﻧﮕﻴﺰﺵﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﺑﺎ ﻫﺪﻓﻬﺎﻱ ﻭﻳﮋﻩ، ﻧﮕﺮﺷﻬﺎ ﻭ ﺑﺎﻭﺭﻫﺎﻱ ﺧﺎﺹ، ﺭﻭﺷﻬﺎﻱ ﻧﺎﺋﻞ ﺷﺪﻥ ﺑﻪ ﺁﻧﻬﺎ ﻭ ﺗﻼﺵ ﻭ ﻛﻮﺷﺶ ﻓﺮﺩ ﺩﺭ ﺍﺭﺗﺒﺎﻁ ﺍﺳﺖ. ﺗﺤﻘﻴﻘﺎﺕ ﺍﻧﮕﻴﺰﺵ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﺩﺭ ﺩﻭﺭﺍﻥ ﻣﻌﺎﺻﺮ، ﺑﺮ ﻣﺘﻤﺎﻳﺰ ﺑﻮﺩﻥ ﺟﻬﺖﮔﻴﺮﻱ ﺍﻧﮕﻴﺰﺷﻲ ﺩﺍﻧﺶﺁﻣﻮﺯﺍﻥ ﺩﺭ ﻣﻮﻗﻌﻴﺘﻬﺎﻱ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﺗﺄﻛﻴﺪ ﺩﺍﺭﻧﺪ (ﺷﻬﻨﻲﻳﻴﻼﻕ، ﺑﻨﺎﺑﻲ ﻣﺒﺎﺭﻛﻲ و ﺷﻜﺮﻛﻦ، 1384).
ﭼﺮا ﺑﺮﺧﻲ از داﻧﺶآﻣﻮزان ﻣﺸﺘﺎﻗﺎﻧﻪ ﺑﻪ ﺗﻜﺎﻟﻴﻒ آﻣﻮزﺷﮕﺎﻫﻲ روی ﻣﻲآورﻧﺪ و در اﻧﺠﺎم ﺗﻜﺎﻟﻴﻒ آﻣﻮزﺷﮕﺎﻫﻲ از ﺧﻮد ﺗﻼش و ﺟﺪﻳﺖ ﺑﻲﺷﺎﺋﺒﻪای ﻧﺸﺎن ﻣﻲدﻫﻨﺪ و ﺣﺎل آﻧﻜﻪ ﺑﻌﻀﻲ دﻳﮕﺮ از ﺗﻜﺎﻟﻴﻒ آﻣﻮزﺷﮕﺎﻫﻲ اﺟﺘﻨﺎب ﻣﻲﻛﻨﻨﺪ و ﻳﺎ از روی ﺑﻲﻋﻼﻗﮕﻲ ﺑﻪ اﻧﺠﺎم آﻧﻬﺎ، ﻣﺒﺎدرت ﻣﻲورزﻧﺪ؟ ﭼﺮا ﺑﻌﻀﻲ از داﻧﺶآﻣﻮزان از ﻳﺎدﮔﻴﺮی در ﻣﺪرﺳﻪ و ﺧﺎرج از ﻣﺪرﺳﻪ ﻟﺬت ﻣﻲﺑﺮﻧﺪ و از ﭘﻴﺸﺮﻓﺘﺸﺎن ﺧﺸﻨﻮد ﻣﻲﺷﻮﻧﺪ در ﺣﺎﻟﻲ ﻛﻪ ﺑﻌﻀﻲ دﻳﮕﺮ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﻳﺎدﮔﻴﺮی آﻣﻮزﺷﮕﺎﻫﻲ ﭼﻨﻴﻦ اﺣﺴﺎﺳﻲ را ﻧﺪارﻧﺪ؟ اﻳﻨﻬﺎ ﺳﺆاﻻت ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ اﻧﮕﻴﺰش ﻫﺴﺘﻨﺪ و ﺑﺮای ﻳﺎدﮔﻴﺮی داﻧﺶآﻣﻮزان ﺗﻠﻮﻳﺤﺎت ﻣﻬﻤﻲ را درﺑﺮدارﻧﺪ. ﺑﺮرﺳﻲﻫﺎ ﻧﺸﺎن ﻣﻲدﻫﻨﺪ ﻛﻪ اﻧﮕﻴﺰش ﻳﻜﻲ از ﻋﻮاﻣﻞ اﺻﻠﻲ رﻓﺘﺎر اﺳﺖ و در ﺗﻤﺎم رﻓﺘﺎرﻫﺎ از ﺟﻤﻠﻪ ﻳﺎدﮔﻴﺮی، ﻋﻤﻠﻜﺮد ادراک، دﻗﺖ، ﻳﺎدآوری، ﻓﺮاﻣﻮﺷﻲ، ﺗﻔﻜﺮ، ﺧﻼﻗﻴﺖ، و ﻫﻴﺠﺎن اﺛﺮ دارد (ﺧﺪﻳﻮی و وﻛﻴﻠﻲ ﻣﻔﺎﺧﺮی، 1390).
ﺑﻪ ﻃﻮرﻛﻠﻲ اﻧﮕﻴﺰش را ﺑﻪ ﻣﻮﺗﻮر و ﻓﺮﻣﺎن اﺗﻮﻣﺒﻴﻞ ﺗﺸﺒﻴﻪ ﻛﺮده‌اﻧﺪ و در اﻳﻦ ﻣﻘﺎﻳﺴﻪ ﻧﻴﺮو وﺟﻬﺖ، ﻣﻔﺎﻫﻴﻢ ﻋﻤﺪه اﻧﮕﻴﺰﺷﻲ ﻫﺴﺘﻨﺪ. اﻧﮕﻴﺰه ﻣﺤﺮک اﺳﺎﺳﻲ ﺑﺮای ﺗﻤﺎم اﻋﻤﺎل ﻣﺎ اﺳﺖ. اﻧﮕﻴﺰه اﺷﺎره ﺑﻪ ﭘﻮﻳﺎﻳﻲ رﻓﺘﺎر ﻣﺎ دارد ﻛﻪ ﺷﺎﻣﻞ ﻧﻴﺎزﻫﺎی ﻣﺎ، ﺗﻤﺎﻳﻼت و ﺟﺎهﻃﻠﺒﻲﻫﺎی ﻣﺎ در زﻧﺪﮔﻲ ﻣﻲﺑﺎﺷﺪ. اﻧﮕﻴﺰه ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ اﺳﺎس ﻣﺎ در رﺳﻴﺪن ﺑﻪ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ و رﺳﻴﺪن ﺑﻪ ﺗﻤﺎم آرزوﻫﺎی ﻣﺎ در زﻧﺪﮔﻲ اﺳﺖ. اﻧﮕﻴﺰه ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﻣﻲﺗﻮاﻧﺪ ﺑﺮﻧﺤﻮه‌ای ﻛﻪ ﻳﻚ ﻓﺮد وﻇﻴﻔﻪای را اﻧﺠﺎم ﻣﻲدﻫﺪ و ﻳﺎ ﺗﻤﺎﻳﻞ ﺑﻪ ﻧﺸﺎن دادن ﺷﺎﻳﺴﺘﮕﻲ را دارد، ﺗﺄﺛﻴﺮﮔﺬار ﺑﺎﺷﺪ (ﻫﺎراﻛﻴﻴﻮﻳﭻ، ﺑﺎرون، ﻛﺎرﺗﺮ، لتو و اﻟﻴﻮت، 1997).
رواﻧﺸﻨﺎﺳﺎن درﺑﺎره اﻫﻤﻴﺖ اﻧﮕﻴﺰش در ﻳﺎدﮔﻴﺮی ﺑﻪ ﻧﺘﺎﻳﺠﻲ دﺳﺖ ﻳﺎﻓﺘﻪاﻧﺪ ﻛﻪ ﺑﺮای ﻧﻤﻮﻧﻪ ﺑﻪ ﻳﺎدآوری ﺑﺮﺧﻲ از آﻧﻬﺎ ﻣﻲﭘﺮدازﻳﻢ:
اﻧﮕﻴﺰش ﺷﺮط و ﻋﺎﻣﻞ ﻋﻤﺪه ﻳﺎدﮔﻴﺮی اﺳﺖ.
ﻣﺴﺌﻠﻪ اﻧﮕﻴﺰش ﻧﻘﻄﻪ ﻣﺮﻛﺰی رواﻧﺸﻨﺎﺳﻲ ﺗﺮﺑﻴﺘﻲ و روش ﻛﻼس‌داری اﺳﺖ (ﺷﻌﺎری ﻧﮋاد، 1368).
در نظریه های آموزشی انگیزه یک مفهوم اساسی به شمار می رود که به تعبیرهای مختلفی از جمله، انگیزش دانش آموز، انگیزش یادگیری، انگیزش تحصیلی به کار رفته است. هر چند متخصصان همواره در متمایز نمودن این اصطلاحات فعالیت هایی انجام داده اند. از جمله این که انگیزش یادگیری را به معنای معنا دار بودن، ارزشمندبودن کارهای آموزشی برای یادگیرنده تعریف نموده اند. ایمز (1990) انگیزش یادگیری را با درگیری طولانی مدت و کیفی با یادگیری و تعهد نسبت به فرایند یادگیری مشخص نموده است. بروفی (1987) انگیزش یادگیری را شایستگی تعریف می کند. به اعتقاد وی درک شایستگی از طریق تجارب عمومی آموخته می شود اما بیشتر توسط مدل سازی، تباین انتظارات و آموزش مستقیم یا اجتماعی شدن از سوی افراد مهم بر انگیخته می شود (صمدی، 1388).
پیشرفت تحصیلی
لوین (1967)، پیشرفت تحصیلی را تجلی جایگاه تحصیلی یک دانش آموز می داند. این جایگاه ممکن است به نمره ای برای یک درس یا معدل مجموعه ای از دروس در یک گروه یا معدل در تمامی دروس اطلاق می‌گردد. بالسون (1994)، پیشرفت تحصیلی را اصطلاحی می داند که به جلوه ای از جایگاه تحصیلی دانش آموزان اشاره دارد و این جایگاه می تواند نمرات دوره های مختلف یا میانگین نمرات در دوره خاص یا نمره ای برای یک دوره باشد. پورشافعی (1370)، پیشرفت تحصیلی را انجام تکالیف و موفقیت دانش آموزان در گذراندن دروس یک پایه تحصیلی مشخص و یا موفقیت دانش آموزان در امر یادگیری مطالب درسی می داند. در تحقیقات مختلف عملکرد تحصیلی با موفقیت تحصیلی بصورت مترادف بکار برده شده است که البته متفاوت از یکدیگرند. موفقیت تحصیلی فرآیندی از توانایی های گوناگون افراد شامل توانایی های جسمی، ذهنی، عاطفی و اجتماعی آنان از یک سو و عوامل برانگیزنده مانند علاقه، پشتکار و پاداش از سوی دیگر می باشد (ذکایی، 1378).
مطالعه در زمینه پیشرفت یا افت تحصیلی با یادگیری ارتباط مستقیم دارد. به‌طوری‌که هرگهان- بی یادگیری را تغییر رفتار ناشی از کسب تجربه تعریف کرده است. وی اعتقاد دارد که یادگیری از دو طریق به دست خواهد آمد. طریقه نخست شرطی سازی کلاسیک است که اورگانیسم هیچگونه کنترلی بر روی تقویت کننده ندارد و از طریق آن می آموزیم که چه چیزهایی برای ما سودمند و کدام مضر است و طریقه دوّم: شرطی سازی وسیله است که تقویت کننده به رفتار اورگانیسم ارتباط دارد. رفتار وسیله ای جهت دریافت خواسته ها است (شریفیان، 1374).
عوامل موثر در پیشرفت تحصیلی
1- هدف: اگر بخواهیم بازده و نتایج هدفهای تربیتی به طور دلخواه و رضایت بخش حاصل شوند هدفها باید کاملا گویا و روشن باشند.
2- آمادگی: برای اینکه یادگیرنده در تجربه‌های آموزشی و تحصیلی خود شرکت فعال و موفقیت آمیز داشته باشد باید از آمادگی های بدنی و روانی کافی برخوردار باشد.
3- انگیزش: انگیزش یا علاقه به یادگیری در حقیقت ترکیبی از چه چیز آموختن یا چرا آموختن است. بدین معنا که چه چیز بیاموزیم تا آموختن آن برای ما سودمند و مطلوب باشد بسیاری از روان شناسان معتقدند که انگیزش مهمترین عامل موثر در کارایی و یادگیری است..
4- فعالیت: برای اینکه حداکثر یادگیری حاصل شود یادگیرنده را نمی‌توان موجودی انفعالی یا فعل پذیر دانست فعالیت هایی مانند چابکی و هوشیاری ذهنی از شرایط لازم در یادگیری است.
5- تمرکز: تمرکز را باید متمایز از توجه صرف دانست در واقع تمرکز توجه یا هدفی است که به گونه ای موثر به سوی یادگیری گرایش می یابد.
6- سازماندهی: فرایندی است که مواد خام یادگیری را به یک وسیله سازنده تبدیل می کنند که نیل به هدف های تربیتی را آسان می سازد.
7- پاسخ: پاسخ را می توان یک عمل یا یک تغییر درونی دانست که موجود زنده را برای فعالیت آماده می سازد.
8- فهم ادراک معناها: استنتاج ها و پیامدها و کاربردهایی است که تجربه معنی را برای یادگیرنده قابل درک می سازد.
9- تمرین و تکرار: تکرار اگر درست به کار گرفته شود گرایش و توانایی یادگیرنده را برای بخاطر سپردن یا کاستن از تاثیر نامطلوب فراموش افزایش می دهد تکرار دوباره کاری یا دوباره سازی محض نیست فعالیت برای یادگیرنده باید با هدف و دارای ارزش واقعی باشد.
10- واکنش نسبت به ناکامی: وقتی شخص به مانعی برمی خورد یا برای رسیدن به هدف ناکام می شود باید به تعبیر و تفسیر و سازماندهی مجدد رفتارش بپردازد این عمل به لحاظ گزینش مسیر جدید و برای وصول به هدف یا گزینش هدفی که جانشین آن شود ضرورت دارد (پارسا، 1375).
انگیزه پیشرفت تحصیلی
انگیزش یک فرایند زنجیره‌ای است که با احساس نیاز یا احساس کمبود و محرومیت شروع می شود، سپس خواست را به دنبال می آورد و موجب تنش و کنش به‌سوی هدفی می شود که محصول آن، رفتار نیل به هدف است. توالی این فرایند ممکن است منجر به ارضای نیاز شود. بنابراین انگیزه ها موجب تشویق و تحریک فرد به انجام یک کار یا رفتار می شود در حالی که انگیزش یک خواست کلی را منعکس می نماید. در تمام تحقیقات انگیزش هنوز جایگاه تنبیه و تشویق به عنوان انگیزه های بسیار قوی مطرح می باشد و در این رابطه پول به عنوان ابزاری برای اعطای پاداش مطرح بوده، اما تنها عامل انگیزشی نیست (سید جوادین، 1386).
انگیزه به عنوان مجموعه عواملی تعریف شده است که انسان را به سوی فعالیت و هدف به حرکت وا می دارد، آن را هدایت می کند و سبب تداوم آن می شود. وقتی صرف انجام یک فعالیت به دور از نتایج آن مد نظر باشد، انگیزه درونی؛ و زمانی که فرد فعالیتی را برای دریافت پاداش، بازخورد های مثبت و اجتناب از تنبیه انجام می دهد، انگیزه بیرونی مطرح است. وقتی فرد از انگیزه پیشرفت بالایی برخوردار باشد، برای یادگیری، مهارت های لازم و راهکارهای مناسب را می یابد. بدیهی است موفقیت در یادگیری، سبب احساس توانمندی بیشتر و افزایش علاقه به موضوع یادگیری می شود. زمانی که فعالیت ها به چالش متوسطی نیاز دارند و فرد احساس می کند که از عهده آن بر می آید و از انجام آن لذت می برد انگیزه درونی بروز می کند. این انگیزه با ایجاد فرصت هایی برای خود – رهبری و بازخورد مثبت تقویت می شود ولی با تنبیه، تحمیل و تعیین اهداف، تعیین ضرب الاجل، کاهش می یابد. یافته های بسیاری از پژوهش ها حاکی از آن است که پیشرفت تحصیلی یادگیرنده به انگیزه وی مربوط می شود. در روان شناسی شناختی، یادگیرنده، دریافت کننده محض اطلاعات محسوب نمی شود بلکه فردی است که قادر به پردازش اطلاعات بوده و می تواند از تجارب و آموخته های جدیدش برای حل مسایل مختلف در موقعیت های گوناگون استفاده کند. نتایج برخی مطالعات نشان می دهد که در سازماندهی فرآیند یادگیری، هوش و استعدادهای شاختی، ویژگی های هیجانی و مهارت های اجتماعی نقش اساسی ایفا می کنند (رضاخانی، 1386).
انواع انگیزش
انگیزش را به دو دسته درونی و بیرونی تقسیم کرده اند. در انگیزش درونی، دانش آموزان به خاطر چالش‌انگیزی، پیچیدگی و ناهمخوانی تکلیف و یا به دلیل این که تکلیف، احساس شایستگی، تسلط، کنترل و یا خودمختاری را تقویت کند، به کوشش واداشته می شوند (حسن زاده، 1381).
در انگیزش بیرونی، دانش آموزان تلاش و کوشش خود را برای بدست آوردن آنچه که مورد علاقه شان است، افزایش می دهند. در چنین موردی، تکلیف وسیله ای است برای به دست آوردن شیء مورد علاقه. بنابراین، انگیزه و مشوق درونی، جنبه ای از یک فعالیت است که افراد از آن لذت می برند و برای آن، برانگیخته می شوند. انگیزه و مشوق بیرونی، پاداش بیرونی است که به یک فعالیت داده می شود، از جمله نمره خوب یا امتیازهای اجتماعی (حسن زاده، 1381).
گروهی از نظریه پردازان یادگیری اجتماعی، از جمله راتر، معتقدند که افراد، موفقیت ها و شکست های خود را به عوامل شخصی و یا محیطی نسبت می دهند. از این رو، دو منبع کنترل، یعنی درونی و بیرونی را شناسایی کرده اند. این نظریه به نظریه منبع یا مکان کنترل شهرت دارد. با توجه به این فرضیه، اسلاوین معتقد است که افراد از لحاظ اعتقاد به منابع کنترل، به دو دسته تقسیم می شوند:
گروهی که موفقیت ها و شکست های خود را به شخص خود و کوشش و توانایی خود نسبت می‌دهند. این گروه افراد دارای منبع کنترل درونی نامیده می شوند.
گروه دیگر که موفقیت ها و شکست های خود را به عوامل محیط بیرون از خود (بخت و اقبال یا سطح دشواری تکلیف) نسبت می دهند، افراد دارای منبع کنترل بیرونی نامیده می شوند (حسن زاده، 1381).
منبع کنترل در تبیین عملکرد تحصیلی دانش آموزان، می تواند بسیار با اهمیت باشد. برای مثال، تعدادی از پژوهشگران دریافتند، دانش آموزانی که منبع کنترل درونی بالایی دارند، در مقایسه با دانش آموزانی که از هوش یکسانی برخوردارند، ولی دارای منبع کنترل درونی پایین هستند، نمرات تحصیلی و پیشرفت آموزشگاهی بهتری دارند (حسن زاده، 1381).
نظریه های انگیزش:
نظریه های معاصر انگیزش
نظریه انگیزش پیشرفت
اﻧﮕﻴﺰه دارای ﻧﻈﺮﻳﻪﻫﺎی ﻣﺘﻌﺪدی اﺳﺖ. ﻳﻜﻲ از ﻧﻈﺮﻳﻪﻫﺎ ﻛﻪ ﺑﻪ ﺗﻔﺎوت اﻧﮕﻴﺰه داﻧﺶآﻣﻮزان ﺑﺮای ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ در ﻣﺪرﺳﻪ ﺗﻮﺟﻪ ﻣﻲﻛﻨﺪ اﻧﮕﻴﺰش ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﻧﺎﻣﻴﺪه ﻣﻲﺷﻮد (اﻳﻤﺰ و آرﭼﺮ، 1988). ﻧﻈﺮﻳﻪ اﻧﮕﻴﺰش ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﺑﺮﺗﺤﻘﻴﻘﺎت اوﻟﻴﻪ ﻫﻮپ اﺳﺘﻮار اﺳﺖ. اﻳﻦ ﻧﻈﺮﻳﻪ ﺑﺮﻧﻘﺶ ﻫﺪف در ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ و ﺷﻜﺴﺖ داﻧﺶآﻣﻮز ﺗﺄﻛﻴﺪ دارد. ﻣﻄﺎﻟﻌﺎت اوﻟﻴﻪ ﻫﻮپ (1930)، ﺗﺠﺎرب اﻓﺮاد را در زﻣﻴﻨﻪ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ و ﺷﻜﺴﺖ ﺗﺸﺮﻳﺢ ﻛﺮد. او ﻣﻲگوید: «اﻓﺮاد ﭘﺲ از ﻛﺴﺐ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ، ﺳﻄﺢ ﻫﺪف ﺧﻮد را ﺑﺎﻻ ﻣﻲﺑﺮﻧﺪ و ﭘﺲ از ﺷﻜﺴﺖ، آن را ﭘﺎﻳﻴﻦ ﻣﻲآورﻧﺪ». ﻫﻮپ ﺗﺼﻮر ﻣﻲﻛﺮد ﻛﻪ ﺗﻐﻴﻴﺮ در ﻫﺪف، اﻓﺮاد را در ﺑﺮاﺑﺮ ﺗﺠﺮﺑﻪ ﻣﺪاوم ﺷﻜﺴﺖ و ﻳﺎ اﻣﻮر ﺑﺴﻴﺎر آﺳﺎﻧﻲ ﻛﻪ ﻣﻮﺟﺐ اﺣﺴﺎس ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ ﻧﻤﻲﺷﻮد ﻣﺤﺎﻓﻈﺖ ﻣﻲﻛﻨﺪ. ﻣﺤﻘﻘﺎن اﻧﮕﻴﺰﺷﻲ ﻋﻘﻴﺪه دارﻧﺪ ﻛﻪ اﻧﮕﻴﺰه ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ، ﻳﻚ ﺗﻌﺎﻣﻞ ﺑﻴﻦ ﻣﺘﻐﻴﺮﻫﺎی ﻣﻮﻗﻌﻴﺘﻲ و اﻧﮕﻴﺰه ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ ﻓﺮد ﺑﺮای رﺳﻴﺪن ﺑﻪ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ اﺳﺖ. اﻳﻦ دو ﺑﻪ ﻃﻮر ﻣﺴﺘﻘﻴﻢ در ﭘﻴﺶﺑﻴﻨﻲ رﻓﺘﺎر، درﮔﻴﺮ دو ﻧﻮع اﻧﮕﻴﺰه ﺿﻤﻨﻲ و ﺻﺮﻳﺢ ﻫﺴﺘﻨﺪ. اﻧﮕﻴﺰهﻫﺎی ﺿﻤﻨﻲ، ﺧﻮد ﺑﻪ ﺧﻮد ﻋﻤﻞ ﻣﻲﻛﻨﻨﺪ و از آن ﺑﻪ اﻧﺠﺎم وﻇﻴﻔﻪ ﻧﻴﺰ ﻧﺎم ﺑﺮده ﻣﻲﺷﻮد و از ﻃﺮﻳﻖ ﻣﺸﻮقﻫﺎی ذاﺗﻲ ﺑﺮای اﻧﺠﺎم ﻛﺎر ﺗﺤﺮﻳﻚ ﻣﻲﺷﻮﻧﺪ. اﻣﺎ اﻧﮕﻴﺰهﻫﺎی ﺻﺮﻳﺢ از ﻃﺮﻳﻖ اﻧﺘﺨﺎب ﻋﻤﺪی و اﻏﻠﺐ ﺑﺮای دﻻﻳﻞ ﺑﻴﺮوﻧﻲ ﺗﺤﺮﻳﻚ ﻣﻲﺷﻮﻧﺪ (ﺑﺮوﻧﺰﺗﻴﻦ و ﻣﺎﻳﺮ، 2005).
ﺳﻴﺮز از ﻃﺮﻳﻖ ﺗﺠﺮﺑﻪ ﺟﺎﻟﺒﻲ ﻛﻪ درﺑﺎره ﻫﺪفﻫﺎی ﻛﻮدﻛﺎن دﺑﺴﺘﺎﻧﻲ اﻧﺠﺎم داد ﺑﻪ ﻃﺮاﺣﻲ ﻧﻈﺮﻳﻪ اﻧﮕﻴﺰش ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ دﺳﺖ ﻳﺎﻓﺖ (ﻣﺎﻳﺮ، 1992). ﻧﺘﻴﺠﻪ آزﻣﺎﻳﺶﻫﺎی او ﻧﺸﺎن داد ﻛﻪ در ﺷﺮاﻳﻂ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ، اﻫﺪاف ﻛﻮدﻛﺎن درﺳﺖ ﺑﺎ ﻋﻤﻠﻜﺮد واﻗﻌﻲﺷﺎن ﺗﻄﺒﻴﻖ ﻣﻲﻛﺮد و ﻳﺎ ﻛﻤﻲ ﺑﺰرﮔﺘﺮ از آن ﺑﻮد. از ﺳﻮی دﻳﮕﺮ در ﺷﺮاﻳﻂ ﺷﻜﺴﺖ، اﺧﺘﻼف ﺑﻴﺸﺘﺮی ﺑﻴﻦ اﻫﺪاف ﻛﻮدﻛﺎن و ﻋﻤﻠﻜﺮد واﻗﻌﻲﺷﺎن ﻣﺸﺎﻫﺪه ﻣﻲﺷﺪ. ﻣﻚﻛﻠﻨﺪ ﻣﻄﺎﻟﻌﻪ در ﻣﻮرد ﻧﻈﺮﻳﻪ اﻧﮕﻴﺰش ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ را اداﻣﻪ داد و ﺷﺮاﻳﻄﻲ را ﻛﻪ اﻓﺮاد در آن ﻣﻮﻓﻖ ﺑﻪ ﺗﺄﻣﻴﻦ ﻧﻴﺎز ﺑﻪ ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﻣﻲﺷﻮﻧﺪ، ﺑﺮرﺳﻲ ﻛﺮد. ﻳﻜﻲ از ﻫﻤﻜﺎران ﻧﺨﺴﺘﻴﻦ ﻣﻚﻛﻠﻨﺪ ﺑﻨﺎم اﺗﻜﻴﻨﺴﻮن ﻛﺎر ﺗﺪوﻳﻦ ﻧﻈﺮﻳﻪ ﻣﻌﺎﺻﺮ اﻧﮕﻴﺰش را اداﻣﻪ داد (ﻣﺎﻳﺮ، 1992).
اﺗﻜﻴﻨﺴﻮن (1968، 1967) در ﻣﺠﻤﻮﻋﻪای از ﺗﺤﻘﻴﻘﺎت ﻧﺸﺎن داد ﻛﺴﺎﻧﻲ ﻛﻪ ﺑﻪ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ ﮔﺮاﻳﺶ دارﻧﺪ اﻫﺪاﻓﻲ را ﺑﺎ دﺷﻮاری ﻣﺘﻮﺳﻂ اﻧﺘﺨﺎب ﻣﻲﻛﻨﻨﺪ و اﻓﺮادی ﻛﻪ از ﺷﻜﺴﺖ ﻧﮕﺮاﻧﻲ زﻳﺎدی دارﻧﺪ اﻏﻠﺐ اﻫﺪاﻓﻲ را ﺑﺮ ﻣﻲﮔﺰﻳﻨﻨﺪ ﻛﻪ ﻳﺎ ﺑﺴﻴﺎر ﺑﺰرگ و ﻳﺎ ﺑﺴﻴﺎر ﻛﻮﭼﻚ اﺳﺖ. دﻳﺪﮔﺎهﻫﺎی ﺟﺪﻳﺪ اﻧﮕﻴﺰش ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﻫﻨﻮز ﻫﻢ ﺑﺮ ﺗﺄﺛﻴﺮ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ و ﺷﻜﺴﺖ در اﻫﺪاف ﺗﺄﻛﻴﺪ دارﻧﺪ (دﻳﻮک، 1988). اﻳﻤﺰ و آرﭼﺮ ﺗﻔﻜﻴﻜﻲ را ﺑﻴﻦ اﻧﻮاع ﻫﺪفﻫﺎ ﻗﺎﻳﻞ ﺷﺪه‌اﻧﺪ و ﻋﻘﻴﺪه دارﻧﺪ داﻧﺶآﻣﻮزان ﺑﺎ ﭼﻨﻴﻦ اﻫﺪاف ﻣﺘﻔﺎوﺗﻲ در ﺳﻄﻮح ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻛﺴﺐ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ ﻣﻲﻛﻨﻨﺪ. زﻳﺮا داﻧﺶآﻣﻮزاﻧﻲ ﻛﻪ در ﺟﻬﺖ اﻫﺪاف ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ ﺑﻬﺒﻮد ﺧﻮﻳﺶ ﺗﻼش ﻣﻲﻛﻨﻨﺪ اﻋﺘﻘﺎد دارﻧﺪ ﺗﻼشﻫﺎی اﻳﺸﺎن ﺑﻪ ﻳﻚ ﺗﻔﺎوت واﻗﻌﻲ ﻣﻲاﻧﺠﺎﻣﺪ. آﻧﻬﺎ در ﻣﻘﺎﻳﺴﻪ ﺑﺎ داﻧﺶآﻣﻮزاﻧﻲ ﻛﻪ اﻫﺪاف ﺧﻮد را ﺑﺮ اﺳﺎس ﺗﻮاﻧﺎﻳﻲﻫﺎی ﺷﺨﺼﻲ ﺧﻮﻳﺶ اﻧﺘﺨﺎب ﻣﻲﻛﻨﻨﺪ ﺳﻄﻮح ﺑﺎﻻﺗﺮی را ﺑﺪﺳﺖ ﻣﻲآورﻧﺪ. ﻳﻜﻲ از ﮔﺴﺘﺮده ﺗﺮﻳﻦ ﺗﺤﻘﻴﻘﺎت ﭘﻴﺮاﻣﻮن ارﺗﺒﺎط ﺑﻴﻦ ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ و اﻧﮕﻴﺰه ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﺑﻪ ﻣﻄﺎﻟﻌﺎت ﻣﻚﻛﻠﻨﺪ ﺑﺮﻣﻲﮔﺮدد. ﺑﻪ ﻧﻈﺮ وی ﺑﻴﻦ اﻧﮕﻴﺰه ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﺑﺎﻻ و ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ راﺑﻄﻪ ﻣﺜﺒﺖ وﺟﻮد دارد (ﺷﻴﺨﻲ ﻓﻴﻨﻲ، 1372).
در سال 1970، کمپل و همکارانش تئوریهای انگیزش را در دو چارچوب کلی تقسیم کردند:
نظریه‌های محتوایی
نظریه‌های محتوایی از توصیف «هست» و «نیازها» صحبت می کنند و نظریه پردازان محتوایی درصدد شناخت و مشخص کردن عواملی هستند که موجب انگیزش انسان برای کار می شود. به عبارت دیگر تئوریهای محتوایی بیشتر به مسائل درونی انسان و عوامل انگیزش توجه دارند و در جستجوی چیزهایی هستند که رفتار فرد را برای انجام کار فعال می سازد (نایلی، 1373).
نظریه سلسه مراتب نیازها: ابراهام مازلو مدل خود را درباره انگیزش انسانی، بر مبنای تجربه کلنیکی خود در سال 1943 ارایه داد. وی احتیاجات بشری را به پنج طبقه تقسیم نموده و آن را سلسله مراتب نیازها می نامد که عبارتند از:
نیازهای فیزیولوژیک - ارضای سائقه های تشنگی، گرسنگی و جنسی
نیازهای ایمنی - رهایی از ترس آسیب های برونی، تغییرات شدید برونی
نیازهای مربوط به تعلق - میل به داشتن روابط عاطفی و مراقبتی یعنی دریافت محبت و حمایت شخصی از ناحیه دیگران
نیاز به قدرت و منزلت - احترام و ارج گذاری مثبت از جانب همسالان و وابستگان
خودیابی یا شکوفایی - فرصت برای ارضای توان بنیادین فرد تا حد نزدیک تر شدن به خود طبیعی (میچل، 1987).
نظریه نیازهای بالفعل مورای: یکی دیگر از ساختارهای جالب نیازها، نظریه نیازهای بالفعل مورای است. مفروضات این نظریه توسط مورای شناسایی شد و اتکینسون عقاید مورای را به شکلی محکم و کاربردی تبدیل کرد. همانند سلسله مراتب نیازهای مازلو، نظریه نیازها بر این فرض استوار است که مردم نیازهایی دارند که رفتار آنها را بر می انگیزاند. مکانیزم هایی که نیازها را فعال می سازند تا حدودی در این مدل پیچیده تر هستند. به عقیده مورای چند طبقه نیاز برای اکثر افراد مهم می باشد و تعدادی از این نیازها ممکن است به درجات مختلف و همزمان فعال باشند. به عبارت دیگر نیازهای مضاعف، رفتار همزمان را برانگیخته می سازند و ترتیب از پیش تعیین شده الزامی نیست (محمدزاده و مهروژان، 1375).
برخی از نیازهایی که مورای مهم تلقی می کند در جدول 2-1 ذکر شده است:
جدول 2-1- قویترین نیازها و ویژگی‌های آن از دیدگاه مورای (محمدزاده و مهروژان، 1375).
نیازها ویژگیها
کسب موفقیت فرد مشتاق انجام کارهای مشکل است. استاندارهای بالایی را انتخاب می کند و خواهان تلاش در جهت اهداف چالشی و کوشش در جهت نیل به برتری و فضیلت است.
تعلق از همنشینی با دیگران لذت می برد. کوشش می کند دوستی دیگران را کسب و معاشرت با مردم را حفظ کند.
تهاجم از دعوا و مشاجره لذت می برد اما بسرعت دل آزرده می شود. گاهی برای پیشرفت کار خودش، دیگران را می آزارد. ممکن است از کسانی که احساس می کند به او لطمه زده اند انتقام بگیرد.
استقلال سعی می کند از هر نوع قید و بند و محدودیت اجتناب کند. از وابسته نبودن، آزادی، تعلق نداشتن به اشخاص، اماکن و الزامات احساس خشنودی می کند.
خودنمایی می خواهد مرکز توجه باشد. از داشتن مستمع لذت می برد. در فعالیتهایی وارد می شود که باعث جلب توجه دیگران شود.
هیجان علاقه دارد بدون مشورت و سنجش عمل کند، با میل و رغبت نسبت به احساسات و آرزوهای خود اجازه بروز می دهد. آزادانه محبت می کند، ممکن است احساساتش دچار هیجان شود.
پرستاری ابراز همدردی می کند، دلداری می دهد و تا جایی که ممکن است به دیگران کمک می کند. به مراقبت از کودکان، ناتوانها، و بیماران علاقه نشان می دهد.
نظم علاقه مند است که وسایل شخصی و محیط اطراف، مرتب و سازمان یافته باشد. از شلوغی، سردرگمی و فقدان سازمانها در کارها بیزار است.
قدرت کوشش می کند محیط اطراف را به حیطه اقتدار خود درآورد و بر دیگران نفوذ گذارد و یا آنها را هدایت کند. نظرات خود را با تاکید و اجبار بیان می کند. از ایفای نقش رهبر لذت برده و ممکن است رهبری را با طیب خاطر بپذیرد.
 
نظریه نیازهای سه گانه مک کللند :دیوید مک کللند در سالهای اولیه دهه 1950 تحقیقاتی پیرامون انگیزه آغاز نمود. وی سه عامل انگیزش را در مورد نیازها پیشنهاد نمود که عبارتند از:
نیاز به کسب موفقیت: یعنی تلاش برای کسب هدف با توجه به برنامه ها و استاندارهایی که موفقیت را تضمین می نماید.
نیاز به کسب قدرت: یعنی کسب توانایی برای اعمال نفوذ بر دیگران و کنترل آنها.
نیاز به کسب دولتی و روابط: یعنی تمایل به کسب دوستی، حمایت دیگران و ایجاد روابط صمیمی با آنها.
نظریه نیازهای زیستی، تعلق و رشد: در پاسخ به انتقادات وارده به نظریه مازلو، شخصی بنام آلدرفر نظریه ای را معرفی کرد که شباهت زیادی با نظریه سلسله مراتب نیازها دارد، با این تفاوت که برای بروز نیازها به سلسله مراتب قائل نبوده و آنها را در یک پیوستار مورد بررسی و کار کرد قرار می دهد. در این نظریه نیازهای زیستی همان نیازهای جسمانی و ایمنی در نظریه سلسله مراتب نیازهاست، نیاز تعلق به نیازهایی مانند محبت، کرامت و احترام توجه دارد و نیاز به رشد در واقع به همان نیاز به کمال و تعالی در آدمی اشاره دارد (سید جوادین، 1386).
نظریه های فرایندی
این نظریه‌ها بیشتر شناختی هستند و به چرایی ها پاسخ می دهند. عوامل موثر در انگیزش چندان مورد توجه نظریه های فرایندی قرار نمی گیرد. این نظریه ها، فرایندهای رفتاری موجود زنده را مورد نظر قرار می دهند. به عبارت دیگر چگونگی آغاز و تداوم رفتار بررسی شده و دلیل توقف آن تبیین می شود. همه الگوهای فرایندی سعی دارند متغیرهای عمده ای را که در انتخاب سطح فعالیت برای انجام کار موثر هستند، مشخص نمایند. معمولا متغیرهایی مانند نیازها، انتظارها، پاداشها و تقویت کننده ها مورد توجه قرار می گیرند. علاوه بر این، الگوهای فرایندی درصد یافتن کنش متقابل این متغیرها با متغیرهای وابسته ای چون خشنودی می باشند (نایلی، 1373).
جهت گیری های انگیزشی
در این تحقیق انگیزش تحصیلی بر مبنای نظریه خود تعیینی تعریف می شود (دسی و همکاران ، 2000). در نظام طبقه بندی دسی و همکاران (1985) یادگیرندگان به لحاظ جهت گیری های انگیزشی در سه طبقه قرار می گیرند. جهت گیری انگیزشی بیرونی ، جهت گیری انگیزشی درونی و افراد بدون انگیزه (دسی و همکاران، 1985).
بر اساس نظریه دسی و ریان (1985، 2000 )، انگیزش از نیازهای ارگانیزمی و ارضای خود انگیخته که فعالیت را فراهم می آورد سرچشمه می گیرد. انگیزش درونی کیفیت عملکرد را ارتقاء می دهد. انگیزه درونی در پی ارضاء نیازهای خودتنظیم گری برانگیخته و در پی تهدید به تنبیه شدن، ارزشیابی، فشار و امر و نهی تضعیف می شود. حتی دادن پاداش در برابر انجام تکالیف جالب توجه، به ویژه اگر این گونه پاداش ها به عنوان عامل کنترل تلقی شوند، انگیزه درونی را کاهش می دهد. یادگیرندگان زمانی دارای انگیزش درونی هستند که در خود ادراک شایستگی (خود تعیین کنندگی) کنند و خود، تعیین کننده اهداف خود و تنظیم کننده رفتار خود باشند. تحقیقات نشان داده است که بین انگیزه درونی، پیشرفت تحصیلی و لذت بردن از فعالیت‌های یادگیری همبستگی قوی وجود دارد (ریان و دسی ، 2000، قاسمی پیر بلوطی، 1374، منظری توکلی، 1375). مطالعات انجام شده در زمینه ویژگی های افراد پیشرفت گرا به ویژه افرادی که از جهت گیری درونی انگیزش برخوردارند حاکی از این است که این افراد در زمینه یادگیری خود انگیخته اند، اهداف تحصیلی واقع‌گرایانه ای برای خویش وضع می کنند، راهبردهای کارآمد به منظور دست یابی به اهداف خود استفاده می‌کنند و در صورت لزوم راهبردهای مورد استفاده را اصلاح و یا تغییر می دهند و سعی در استفاده بهیته از منابع در دسترس مانند زمان، مکان، همسالان، والدین، معلمان و منابع کمکی از فبیل فیلم، ویدئو و کامپیوتر دارند و همواره سعی در ساخت و خلق و انتخاب محیط هایی را دارند که یادگیری را افزایش دهد (پینتریچ، 1986).
در مقابل، جهت گیری درونی انگیزش، جهت گیری بیرونی انگیزشی قرار دارد. در جهت گیری بیرونی، پیامدهای محیطی و افراد دیگر نقش تعیین کننده ای در ایجاد رفتار و تصمیم گیری های آنان ایفا می کنند. انگیزش از مشوق ها و پیامدهایی سرچشمه می گیرد که به رفتار مشاهده شده وابسته است. افراد بیرونی بیشتر به وقایع خارجی و منابع بیرونی مثل پاداش یا تنبیه اجتماعی و. . . توجه دارند تا به احساس رضایت و لذت شخصی. انگیزش بیرونی نوعی دلیل محیطی برای شروع یا ادامه فعالیت و همینطور وسیله ای برای هدف، وسیله و رفتار است. پژوهش های انجام شده در این زمینه حاکی از این است پاداش های بیرونی به نوعی کنترل فرد از ادراک خود تعیینی را کاهش می دهند (وایتهد، 2003؛ وانگ و گاتری، 2004).
نهایتا در "بی انگیزگی" همانند جهت گیری بیرونی انگیزش افراد خود را شایسته و تعیین کننده نمی‌دانند. این افراد از پایداری در انجام تکلیف برخوردار نیستند. ادراک شایستگی و کنترل در آنان چنان پایین است که در موقعیت ها احساس درماندگی می کنند. کوشش برای این افراد یک عمل بی فایده است. آنان موفقیت ها و شکست های خود را نتیجه عوامل بیرونی و کنترل ناپذیر می دانند (دسی و ریان، 1985، 2000). پژوهش های انجام شده در این زمینه رابطه منفی بین بی انگیز گی و موفقیت تحصیلی را گزارش نموده اند (کوینگتون و مولر ، 2001).
انگیزش و خودپنداره
ﺷﺎﻳﺪ ﺑﺘﻮان ﮔﻔﺖ ﻛﻪ ﻣﺤـﻮر ﺑﻨﻴـﺎدی آﻣـﻮزش و ﭘـﺮورش آﻳﻨـﺪه، اﻧﮕﻴﺰش و ﻣﻄﺎﻟﻌﺎت ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ آن اﺳﺖ. در دﻳﺪﮔﺎه اﻧﺴﺎﻧﮕﺮاﻳﻲ، ﺑﺮﻧﺎﻣﻪ ﻫﺎی درﺳﻲ ﺑﻪ ﺳﻮی ارﺗﺒﺎط ﺑﺎﻣﻌﻨﺎ و ﻣﻔﻬﻮم ﺷﺨﺼﻲ ﮔﺮاﻳﺶ دارﻧﺪ و ﻳﺎدﮔﻴﺮی ﻣﻔﺎﻫﻴﻢ ﺑﺎ رﺷﺪ ﻋﺎﻃﻔﻲ ﺗﻠﻔﻴﻖ ﺷﺪه اﺳﺖ و ﺑﻪ ﻣﻮﺿﻮع ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی داﻧﺶ آﻣﻮزان ﺗﻮﺟﻪ زﻳﺎدی ﻣﻲ ﺷﻮد. اﻓﺮاد در درون ﻣﻨﺎﺑﻊ ﺳﺮﺷﺎری ﺑﺮای ﺧﻮدﻓﻬﻤﻲ و ﺗﻐﻴﻴﺮ ﺧﻮدﭘﻨﺪاره، ﻧﮕﺮشﻫﺎی ﭘﺎﻳﻪ و دﺳﺘﻴﺎﺑﻲ ﺑﻪ رﻓﺘﺎر ﻫﺎی ﺧﻮد راﻫﺒﺮ دارﻧﺪ ﻛـﻪ در ﺻـﻮرت ﻓـﺮاﻫﻢ ﺷﺪن زﻣﻴﻨﻪ، اﻳﻦ ﻣﻨﺎﺑﻊ ﺑﻪ ﻛﺎر ﮔﺮﻓﺘﻪ ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ. آﻣﻮزش و ﭘـﺮورش اﻧـﺴﺎﻧﮕﺮاﻳﺎﻧﻪ، ﺧﻮدﭘﻨـﺪاره را ﺟـﺰء ﺟﺪاﻳﻲ ﻧﺎﭘﺬﻳﺮ از ﻳﺎدﮔﻴﺮی و رﺷﺪ داﻧﺶ آﻣﻮزان ﻣﻲ داﻧﺪ و ﻣﺪﻋﻲ اﺳﺖ ﻛﻪ ﻣﻴﺎنﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی ﻣﺜﺒﺖ ﺑﺎ ﻳﺎدﮔﻴﺮی و ﻋﻤﻠﻜﺮد ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ارﺗﺒﺎط وﺟﻮد دارد و ﻛﺎر ﻣﻌﻠﻢ را ﻓـﺮاﻫﻢ ﺳـﺎﺧﺘﻦ زﻣﻴﻨـﻪ ی ﻣﻨﺎﺳـﺐ ﺑﺮای دﺳﺘﻴﺎﺑﻲ ﺑﻪ ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی ﻣﺜﺒﺖ و ﻋﻤﻠﻜﺮد ﻣﻨﺎﺳﺐ ﺑﺮای داﻧﺶ آﻣﻮزان ﻣﻲ داﻧﺪ (فانی و خلیفه، 1388).
2-2-2- خودپنداره تحصیلی
خود
مفاهیم و تعاریف خود: در سخنان روزمره کاربردی گسترده از ترکیباتی که با واژه خود همراه هستند دیده می‌شوند. اما بسیاری از این کاربردها با تعاریف روانشناسی ارتباطی ندارند. حدود هزار واژه ترکیبی با خود در ادبیات انگلیسی زبان ها وجود دارد که هر کدام معنای ظریفی از این واژه القا می نماید. اما در مباحث روانشناسی دو مفهوم کلی و جداگانه از خود مرتبا تکرار میشود و گاهی نیز اشتباها به جای هم به کار می‌روند. اول معنایی از خود به عنوان فاعل و عامل، فردیت، شخص، موجود زنده یا به عنوان بخش خاص یا جنبه ای از وجود (آیا هستی) می باشد و دوم خود به عنوان فردی که به طریقی آشکار شده و برای خودش شناخته شده است (خامسان 1374). در فرهنگنامه و واژه نامه های روانشناسی تعابیر مختلفی از مفهوم خود ارائه شده است که به بعضی از آنها اشاره می شود: خود یکی از وجوه غالب تجربه ی انسان، احساس جبری وجود خویش است، چیزی که فلاسفه به طور سنتی آن را مسئله ی هویت شخص یا خود نامیده اند (پورافکاری 1380).
خود فردی منحصر به فرد است که در مدت زمان معینی زیست می کند، خود همان من است «من شخصیت» و حس هویت فرد است. ادراک اینکه فرد همان کسی است که هفته پیش یا سال قبل بوده است (محسنی، 1375).
به نظر مید خود، فردی کل مجموعه ادراک ها، اعتقادات و احساسات مردم را درباره ی خودشان معرفی می کند (شعاری نژاد، 1375).
تعاریف متفاوتی برای فرد از سوی نظریه پردازان و روانشناسان مختلف مطرح گردیده است. هر نظریه پردازی با توجه به دیدگاه های نظری، خود را تعریف کرده است، ازجمله به موارد زیر می توان اشاره نمود:
یونگ، خود را عامل عدول از پراکندگی و کثرت و وصول به وحدت و اعتدال آدمی، نقطه مرکزی شخصیت می داند (سیاسی 1376).
مورفی: در تعریف مفهوم خود می گوید: خود عبارت از احساسات و ادراکاتی که هر کس از کل وجود خویش دارد (سیاسی، 1376).
راجرز: خود یک جزء از اجزاء میدان پدیداری است ولی از آن میدان جدا شده و عبارت است از مجموعه ادراکات و ارزشیابی های آگاهانه من (سیاسی، 1376).
آلپورت به جای استفاده از واژه «خود»، «خویشتن» را برگزیده که به نظر وی می تواند برخی از ابهامات را دفع نماید. برای تعریف واژه خویشتن، صفت های ویژه اختصاصی و مناسب برای یک شخص خاص را در نظر می‌گیرد، خویشتن متعلق و منحصر به فرد است و تمامی مسائل پویش های شخصی و مهم و خلاصه ی همه‌ی جنبه هایی که موجب یکتایی شخص می شود را در بر می گیرد. آلپورت خویشتن را منی که احساس مینم و می شناسم خوانده است. وی برای خویشتن ابعاد گوناگون قایل می شود که از خردسالی تا دوران بلوغ در هفت مرحله ی خودبودن پرورش می یابد، این مراحل پس از پایدار شدن کامل در مفهوم واحد «خویشتن» یگانه می شود. بدین گونه خویشتن پیوندی است از هفت جنبه خود بودن و شرط لازم یک شخصیت سالم است (شولتز، 1990).
مفهوم خودپنداره:
آدمی به عنوان موجودی صاحب اقتدار خرد و ارباب اندیشه هایش کلید هر وضعیتی را به دست دارد او عامل تجدد و حیاتی را داراست که با آن می تواند هر آنچه را که اراده کنداز درون وجودش بسازد. ذهن آدمی را می‌توان به باغی شبیه کرد که می تواند هوشمندانه کاشته شود یا رها شده رشد کند. همان‌گونه که باغبان علف‌های هرز را پاک می‌کند و در آن گلها و میوه های مورد نیاز را می کارد آدمی نیز باید مراقب باغ ذهنش باشد و آن را از اندیشه های ناپاک و ناسودمند پاک کرده و گل و میوه های اندیشه های پاک و سودمند را در آن بپرووراند. در میان پدیده ها و موضوعات مختلف که بر رفتار و زندگی انسان تاثیر عمیق دارد. نگرش طرز تلقی انسان نسبت به خودش یکی از مهمترین پدیده هاست. انسان همانگونه که نسبت به پدیده ها و انسان های دیگر برداشت ها و طرز تلقی هایی دارد، از خودش نیز برداشت هایی دارد. این پنداشت ها تاثیر زیادی بر موقعیت‌ها و شکست های بعدی افراد دارد. مفهوم خود مهمترین مفهوم ساختاری در نظریه ی شخصیت است. این مجموعه ادراکی و معنایی، میدان پدیداری فرد را به وجود می آورد. به این ترتیب هر انسانی در دنیای متغییر و متحولی از تجربیات زندگی می کند که خودش در مرکز آن قرار دارد و براساس تجربه و درک خودش، نسبت به آن واکنش نشان می دهد. به همین خاطر رفتار نتیجه ادراک فرد است و فرد به طریقی که واقعیت را ادراک و توصیف می کند نسبت به آن واکنش نشان می دهد. مهمترین موضوع برای درک و فهم رفتار فرد آن است که آن را در چهارچوب قیاس درونی او مورد توجه و بررسی قرار دهیم و قالب مرجع قیاس درونی او را شناسایی کنیم (سایت مرکز پژوهش ایران زمین، 2005).
هیلگارد(1949) در یک سخنرانی که به مناسبت ریاستش در انجمن روانشناسی آمریکا ایراد کرد از این نظریه که در تمام مکانیزم های دفاعی نوعی حالت شخصی به کار می رودو «خود» می تواند یک مفهوم وحدت انگیز در مسایل انگیزش باشد، دفاع کرد. گوردن آلپورت(1961، 1955، 1943، 1937) در سراسر زندگی شغلی پژوهشی اش، تاکید خاصی بر اهمیت «خود» در روانشناسی معاصر داشت و از انسان با هدف، منطقی، آگاه از خودو کنترل کننده آینده اش با توجه به آرمان هایش یاد می کرد، آنچنان که دیگوری می نویسد این حقیقت که روانشناسان جدیدی که به خود اعتقاد داشتند(مانند آلپورت) می توانستند مقادیر زیادی از مباحث و نظریه های آموزشی و انگیزشی را با الهام گرفتن از رفتارگرایان مورد بحث قرار دهند. سرانجام گروه اخیر را وادار به پذیرش امکان وجود چیزهایی در مبحث خود کرد (آلپورت، 1961)
تصویر و برداشت فرد از آن چیزی که هست، باید باشد و ممکن است بخواهد باشد، خودپنداره فرد را تشکیل می دهد(شولتز، 1990)
اکثر روان‌شناسان بر این باورند که نه تنها رفتار انسان از عملکرد بخش های خاصی در بدن، بلکه از ارتباط این بخش ها با یکدیگر نیز تاثیر می پذیرد، رفتار انسان به جای آنکه از بافت های جداگانه تشکیل شده باشد معمولا دارای طرح، سازمان و یکپارچگی است. خودپنداره یکی از مهمترین مفاهیم این ساختار است که به عنوان الگویی سازمان یافته و قدرتمند از ادراکات بر رفتارها تاثیر می گذارد(پروین 2001).
خودپنداره تا حدود زیادی تعیین کننده مسیر رفتار می باشد، این موضوع قضاوتی است که فرد در زمینه های موفقیت، ارزش ها، توانایی ها، اهمیت و اعتبار فردی دارد. جواب به برخی سوالات نظیر آیا من فرد موفقی در زندگی هستم؟ آیا من قادرم چنین کاری را با موفقیت به پایان برسانم؟نشان دهنده ی نوع خودپنداره فرد می‌باشد به این ترتیب افرادی که خودپنداره مثبت دارند زندگی موفقیت آمیزی را سپری خواهند ساخت و آن‌هایی که خودپنداره منفی، احساس حقارت، ناتوانی، پریشانی و بی هدفی را برای خود رقم خواهد زد(کوپر اسمیت، 1967).
خودپنداره طی تجربیات شخص سازمان می یابد و در واقع مجموعه استنباط هایی است که یک شخص براساس تجربیات خویش درباره خود می کند. آموزش مستقیم، دریافت توصیفات دیگران، قابل اطمینان دانستن این توصیف ها و به طور کلی ترکیب مشاهداتی که او از خودش دارد و توصیف های سایر مردم از او، خودپنداره افراد را تشکیل می دهد(اشراقی 1380).
دیده می شود که تصویر خود یک متغیر واسطه ای بین تجربیات فرد و متغییر تابع یعنی رفتار است، یک فرد بر حسب تصویری که از خودش دارد، رفتار و تاثیرات محیطی را تفسیر می کندو به تدریج نظام هایی را که در آن‌ها الگوهای روابط بین اشخاص بطور بارزی با الگو های دلخواه آنها متفاوتند، ترک می گویند و محیط هایی را انتخاب می کنند که با خودپنداره آنها سازگار است به این معنا خودپنداره سازگار کننده شخصیت است (الهامی 1380).
خودپنداره لزوماً منعکس کننده واقعیت نیست، بلکه ممکن است شخصی که بسیار موفق و مورد احترام است خود را آدم شکست خورده ای بپندارد، در نظر راجرز فرد در ارتباط با خودپنداره خویش است که دست به ارزیابی تجربه ها می زند، مردم میل دارند به نحوی رفتار کنند که با خودانگاره آنها همساز و همخوان باشد، تجربه ها واحساساتی که با خودپندارشخص همسازی ندارندممکن است به حیطه ی هوشیاری راه داده نشوند. این اساسآ همان مفهوم واپس رانی از نظر فروید است، اما راجرز معتقد است که اینگونه واپسرانی نه لازم است و نه دایمی (فروید می گوید واپس رانی اجتناب ناپذیراست و بعضی جنبه های تجارب فرد همواره ناهوشیار می ماند). جنبه هایی از تجارب که شخص باید آنها را به خاطر ناهمخوانی با خودپنداره اش انکار کند. هر چند بیشتر باشد به همان نسبت شکاف بین خویشتن شخص و واقعیت ژرف تر می شود و اضطراب بالقوه افزایش می یابد. کسی که خودپنداره اش با عواطف و تجاربش همساز نیست باید از خود در مقابل واقعیت دفاع کند زیرا این واقعیت منجر به اضطراب می شود، اگر این ناهمسازی خیلی زیاد شود ممکن است دفاع های روانی شخص در هم شکند که محصول آن اضطراب شدیدو یا انواع دیگر اختلالات روانی خواهد بود. اما در یک فرد سازگارخودپنداره با تفکر، تجربه و رفتار همسازی دارد، به این معنا که خویشتن وی قالبی نیست بلکه انعطاف پذیر است و از راه درونی سازی تجارب و افکار تازه قابل تغییر است(براهنی و همکارانش، 1368).
ﻣﻔﻬﻮم ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ﺑﺎ ﻣﻔﻬﻮم ﻋﺰت ﻧﻔﺲ و اﺣﺴﺎس ﺧﺸﻨﻮدی از زﻧﺪﮔﻲ ارﺗﺒﺎط ﻧﺰدﻳﻚ دارد. ﻫﺮ ﻓﺮد ﺑﻪ ﺧﺼﻮص ﻫﺮ ﻧﻮﺟﻮان ﻳﻚ ﻋﻘﻴﺪه ﻣﺨﺼﻮص و ﺗﺼﻮر ذﻫﻨﻲ از وﺿﻊ ﺧﻮد دارد و ﺑﻪ ﻃﺮﻳﻘﻲ در ذﻫﻦ ﺧﻮد آن را ﻣﻨﻌﻜﺲ ﻣﻲﺳﺎزد. اﻳﻦ ﺗﺼﻮر ذﻫﻨﻲ ﺑﺮ اﺛﺮ ﺗﺠﺎرب ﺷﺨﺼﻲ و ﺗﺄﺛﻴﺮ دﻧﻴﺎی ﺧﺎرج در او ﺑﻪ وﺟﻮد ﻣﻲآﻳﺪ و ﻛﻮدک و ﻧﻮﺟﻮان ﻳﻚ ﻧﻈﺮ ﺛﺎﺑﺖ و ﭘﺎﻳﺪار از ﻣﺤﻴﻂ و از ﺷﺨﺺ ﺧﻮد و از ارﺗﺒﺎط ﺧﻮد ﺑﺎ ﻣﺤﻴﻂ ﺑﺪﺳﺖ ﻣﻲآورد و ﺑﺮﻃﺒﻖ آن ﻣﺴﺎﻳﻞ زﻧﺪﮔﻲ را ارزﻳﺎﺑﻲ ﻣﻲﻛﻨﺪ و ﺑﺮای ﻣﻘﺎﺑﻠﻪ ﺑﺎ آﻧﻬﺎ ﺑﻪ ﻛﻮﺷﺶ ﻣﻲﭘﺮدازد. در واﻗﻊ ﺷﺎﻳﺪ ﻣﻬﻢﺗﺮﻳﻦ ﭼﻴﺰی ﻛﻪ ﻣﺎ درﺑﺎره ﺧﻮدﻣﺎن ﺑﻴﺎن ﻣﻲﻛﻨﻴﻢ ﺗﻔﺴﻴﺮﻫﺎﻳﻲ از رﻓﺘﺎرﻫﺎﻳﻤﺎن و ﻣﺤﻴﻄﻲ ﺑﺎﺷﺪ ﻛﻪ در آن زﻧﺪﮔﻲ ﻣﻲﻛﻨﻴﻢ. ﻣﺸﺎوران و رواﻧﺸﻨﺎﺳﺎن ﺑﺮاﻳﻦ ﻧﻈﺮﻧﺪ ﻛﻪ در ﺑﻴﻦ اﻧﻮاع ﻣﺸﻜﻼت ﺟﻮاﻧﺎن (ﭼﻪ ﻣﺸﻜﻼﺗﻲ ﻛﻪ از زﺑﺎن ﺧﻮد ﺟﻮاﻧﺎن ﺷﻨﻴﺪه ﻣﻲﺷﻮد و ﭼﻪ ﻣﺸﻜﻼﺗﻲ ﻛﻪ در رﻓﺘﺎر آﻧﺎن ﻣﺸﺎﻫﺪه ﻣﻲﺷﻮد) ﺑﻴﺸﺘﺮ ارزﺷﻴﺎﺑﻲ ﻏﻴﺮﻣﻨﺼﻔﺎﻧﻪ آﻧﺎن از ﻣﺸﻜﻼﺗﺸﺎن دﻳﺪه ﻣﻲﺷﻮد.
ﻧﮕﺮش ﺧﻮد ﻛﻢﺑﻴﻨﻲ در ﺑﻴﻦ ﺑﺰرﮔﺴﺎﻻن ﻧﻴﺰ ﺑﻪ ﭼﺸﻢ ﻣﻲﺧﻮرد. ﻳﻚ دﻟﻴﻞ ﻋﻤﺪه اﻳﻦ اﻣﺮ اﻳﻦ اﺳﺖ ﻛﻪ اﻛﺜﺮ ﺟﻮاﻣﻊ و ﻓﺮﻫﻨﮓﻫﺎ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ ﻣﺪار ﻫﺴﺘﻨﺪ و ﺑﺮﺗﻮﻓﻴﻖ و ﭘﻴﺮوزی ﻓﺮد ارج ﻣﻲﻧﻬﻨﺪ (ﻧﻮاﺑﻲ ﻧﮋاد، 1371).
خودپنداره تحصیلی
ﻣﺎرش و ﻫﻤﻜﺎران (1991)، ﺧﻮدﭘﻨﺪاره را در ﺳﻪ ﺳﻄﺢ ﻃﺒﻘﻪ ﺑﻨﺪی ﻣﻲ ﻛﻨﻨﺪ: ﺧﻮدﭘﻨﺪاری ﻛﻠـﻲ، ﺧﻮدﭘﻨﺪاری ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ و ﺧﻮدﭘﻨﺪاری ﻏﻴﺮ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ. ﺧﻮدﭘﻨﺪاری ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﺑﻪ اﻳﻦ ﻛﻪ ﭼﮕﻮﻧﻪ در ﻣﺪرﺳﻪ ﻋﻤﻞ ﻣﻲ ﻛﻨﻴﻢ و ﭼﮕﻮﻧﻪ ﻳﺎد ﻣﻲ ﮔﻴﺮﻳﻢ، ﻣﺮﺗﺒﻂ اﺳﺖ. داﻧﺶ آﻣﻮز ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﺧـﻮدش را در ﻫﺮ ﻳﻚ از دو داوری ﺑﻴﺮوﻧﻲ و دروﻧﻲ ﺷﻜﻞ ﻣﻲ دﻫﺪ. ﻧﺨـﺴﺖ داوری ﺑﻴﺮوﻧـﻲ ﻛـﻪ در اﻳـﻦ ﺷـﻴﻮه ﻣﻬﺎرتﻫﺎی ﻓـﺮد در ﻳـﻚ ﻣﻮﺿـﻮع درﺳـﻲ ﺑـﺎ ﻣﻬـﺎرت داﻧـﺶ آﻣـﻮزان دﻳﮕـﺮ ﻣﻘﺎﻳـﺴﻪ ﻣـﻲ ﺷـﻮد و در ﺑﺮﮔﻴﺮﻧﺪه ی ﻣﻘﺎﻳﺴﻪ ﺑﺎ ﻣﻌﺪل دﻳﮕﺮ داﻧﺶ آﻣﻮزان ﻣﺪرﺳﻪ، ﻛـﻼس ﻳـﺎ دﻳﮕـﺮ ﻓﺮاﮔﻴـﺮان اﺳـﺖ. دوم داوری دروﻧﻲ ﻛﻪ در اﻳﻦ ﺷـﻴﻮه ﻣﻬـﺎرت ﻫـﺎی ﻓـﺮد در ﻳـﻚ ﻣﻮﺿـﻮع درﺳـﻲ ﺑـﺎ ﻣﻬـﺎرت ﻫـﺎﻳﺶ در ﻣﻮﺿﻮع ﻫﺎی درﺳﻲ دﻳﮕﺮ و ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ اﻫﺪاف اﻧﺘﺨﺎب ﺷﺪه ی ﻣﻮرد ﻋﻼﻗﻪ ﺧـﻮد ﻣﻘﺎﻳـﺴﻪ ﻣـﻲ ﺷـﻮد (فانی و خلیفه، 1388).
ﺧﻮدﭘﻨﺪاره‌ی ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﺑﻪ اﻳﻦ ﻛﻪ ﭼﮕﻮﻧﻪ در ﻣﺪرﺳﻪ ﻋﻤﻞ ﻣﻲ ﻛﻨـﻴﻢ و ﭼﮕﻮﻧـﻪ ﻳـﺎد ﻣـﻲ ﮔﻴـﺮﻳﻢ ﻣﺮﺗﺒﻂ ﻣﻲ ﺷﻮد و در دو ﺳﻄﺢ ﻗﺮار دارد: ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﻋﻤﻮﻣﻲ ﻣﺒﻨﻲ ﺑﺮ اﻳﻦ ﻛﻪ ﻣـﺎ ﭼﮕﻮﻧـﻪ روی ﻫﻢ رﻓﺘﻪ ﻋﻤﻞ ﻣﻲ ﻛﻨﻴﻢ و دﻳﮕﺮی ﻣﺠﻤﻮع ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ﻫﺎی ﻣﺤﺘﻮاﻳﻲ وﻳﮋه ﻛﻪ ﺗﻮﺿﻴﺢ ﻣـﻲ دﻫـﺪ ﭼﻘﺪر ﻣﺜﻼ در رﻳﺎﺿﻴﺎت، ﻋﻠﻮم، زﺑﺎن و ...
ﻋﻤﻞ ﻣﻲ ﻛﻨﻴﻢ (ﭼﺎﭘﻤﻦ، 1988).
ﻣﻬﻢﺗﺮﻳﻦ ﻣﺸﺨﺼﻪ ی ﺧﻮدﭘﻨﺪاره‌ی ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﻫﻢ در ﺣﻮزه ﻫﺎی ﻋﻤﻮﻣﻲ و ﻫﻢ ﻣﺤﺘﻮاﻳﻲ ﺣـﺎﻟﺘﻲ اﺳﺖ ﻛﻪ ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی ﻓﺮد در ﻧﺘﻴﺠﻪ ی ﻛﻨﺶ ﻫﺎی ﻣﺘﻘﺎﺑﻞ و ﺗﺠﺎرب ﺑﺎ دﻳﮕﺮان ﻣﺸﺨﺺ ﻣﻲ ﻛﻨـﺪ و اﻳﻦ واﻗﻌﻴﺖ را ﺗﺎﻳﻴﺪ ﻣﻲ ﻛﻨﺪ ﻛﻪ ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﻳﺎدﮔﺮﻓﺘﻨﻲ و ﻗﺎﺑـﻞ اﻛﺘـﺴﺎب در ﻃـﻲ زﻣـﺎن است (ﻣﻨﺪاﮔﻠﻴﻮ و ﭘﻴﺮﻳﺖ، 2003).
تعریف خودپنداه تحصیلی
ﻧﻮﻳﺪی (1373)، ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ را ﺷﺎﺧﺺ ﺗﺼﻮر داﻧﺶ آﻣﻮزان از ﺧﻮد و راﺑﻄـﻪ ی آن ﺑـﺎ ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﺳﺎﻳﺮ داﻧﺶ آﻣﻮزان ﻛﻼس ﺗﻌﺮﻳﻒ ﻣﻲ ﻛﻨﺪ. اﻳﻦ ﻣﻔﻬﻮم ﺑﻲ ﮔﻤـﺎن ﻣﺒﺘﻨـﻲ ﺑـﺮ ﺑﺎزﺧﻮردﻫـﺎﻳﻲ اﺳﺖ ﻛﻪ وی در ﻓﻌﺎﻟﻴﺖﻫﺎی آﻣﻮزﺷﻲ از ﻧﻤﺮه ﻫـﺎ، آزﻣـﻮنﻫـﺎ، ﻣﻌﻠﻤـﺎن، واﻟـﺪﻳﻦ و ﻫﻤـﺴﺎﻻن ﺧـﻮد درﻳﺎﻓﺖ ﻣﻲ ﻛﻨﺪ (فانی و خلیفه، 1388).
ﺑﺎﻧﮓ (1996)، ﻧﻴﺰ، ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ را ادراک ﺷﺨﺼﻲ ﻓﺮد از ﺧﻮدﻛﺎرآﻣـﺪی در ﻣﻮﺿﻮع ﻫﺎی درﺳﻲ ﻣﻲداﻧﺪ. در اﻳﻦ راﺳﺘﺎ ﻋﺎﻣﻞ ﻫﺎﻳﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺗﺠﺎرب ﻣﻮﻓﻘﻴﺖ ﻳـﺎ ﺷﻜـﺴﺖ ﺗﺤـﺼﻴﻠﻲ در ﺳـﺎل ﻫـﺎی ﻧﺨـﺴﺖ ﻳﺎدﮔﻴﺮی آﻣﻮزﺷﮕﺎﻫﻲ، اﺑﺘﺪا ﺗﺼﻮرات ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ ﺗﻮاﻧﺎﻳﻲ ﻫﺎﻳﺶ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﻣﻮﺿﻮع ﻫﺎی درﺳـﻲ (ﻋﺎﻃﻔـﻪ ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ ﻣﻮﺿﻮع درﺳﻲ) ﺗﺤﺖ ﺗﺎﺛﻴﺮ ﻗﺮار ﻣﻲ ﮔﻴﺮد و ﭘـﺲ از ﻛـﺴﺐ ﺗﺠـﺎرب ﺑـﻴﺶﺗـﺮ،ﻋﺎﻃﻔـﻪ ی ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ آﻣﻮزﺷﮕﺎه و ﺳﺮاﻧﺠﺎم ﺧﻮدﭘﻨﺪاری ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ ﺷﻜﻞ ﻣﻲ ﮔﻴﺮد. ﻋﺎﻃﻔﻪ ی ﻣﺮﺑـﻮط ﺑـﻪ ﻣﻮﺿـﻮع درﺳﻲ، ﻋﻼﻗﻪ و اﻧﮕﻴﺰه داﻧﺶ آﻣﻮز را ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ درسﻫﺎی وﻳـﮋه و ﻋﺎﻃﻔـﻪ ی ﻣﺮﺑـﻮط ﺑـﻪ آﻣﻮزﺷـﮕﺎه، نگرش او را نسبت به کل آموزشگاه و خودپنداری تحصیلی تصورات کلی فرد نسبت به توانایی هایش در راﺑﻄﻪ ﺑﺎ ﻳﺎدﮔﻴﺮی آﻣﻮزﺷﮕﺎﻫﻲ ﻧﺸﺎن ﻣﻲدﻫﺪ (ﻫﺎﺷﻤﻲ، 1375).
ﻣﻔﻬﻮم ﺧﻮدﭘﻨﺪاره (ﻛﻪ ﺧﻮد -ﺳﺎﺧﺖ، ﺧﻮد- ﻫﻮﻳﺖ، ﺧﻮد- ﭼﺸﻢاﻧﺪاز ﻫﻢ ﻧﺎﻣﻴﺪه ﻣﻲﺷﻮد) ﺳﺎﺧﺖ ﭼﻨﺪﺑﻌﺪی اﺳﺖ ﻛﻪ اﺷﺎره ﺑﻪ ادراک ﻓﺮد از "ﺧﻮد" در راﺑﻄﻪ ﺑﺎ ﻫﺮ ﺗﻌﺪاد از وﻳﮋﮔﻲﻫﺎ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺗﺤﺼﻴﻞﻛﺮدهﻫﺎ و ﺗﺤﺼﻴﻞ ﻧﻜﺮدهﻫﺎ و ﻧﻘﺶﻫﺎی ﺟﻨﺴﻲ و ﺟﻨﺴﻴﺘﻲ، ﻫﻮﻳﺖ ﻧﮋادی و ﺑﺴﻴﺎری دﻳﮕﺮ دارد (ﻫﺎﻓﻤﻦ و ﻫﺎﺗﻲ و دﻳﺎن ﺑﻮردز، 2005).
روش‌های افزایش خودپندارگی
ﻳﻜﻲ دﻳﮕﺮ از راﻫﻬﺎی اﻓﺰاﻳﺶ ﺧﻮدﭘﻨﺪاره، آﻣﻮزش ﺧﻮﻳﺸﺘﻦ ﺷﻨﺎﺳﻲ ﻋﻠﻤﻲ اﺳﺖ ﻛﻪ ﺑـﻪ ﻓﺮد اﻣﻜﺎن ﻣﻲدﻫﺪ ﺑﺎ ﺷﻴﻮه ای ﻣﻨﺤﺼﺮ ﺑﻪ ﺧﻮد ﺑﺎ ﺟﻬـﺎن ﺧـﺎرج ارﺗﺒـﺎط ﺑﺮﻗـﺮار ﻛﻨـﺪ و ﺑـﺎ ادراﻛـﺎت دﻗﻴﻖ ﺗﺮ، ﺧﻮدﭘﻨﺪارهای ﻣﺜﺒﺖ ﺗﺮ داﺷﺘﻪ ﺑﺎﺷﺪ (فانی و خلیفه، 1388).
از دﻳﮕﺮ راﻫﻬﺎی اﻓﺰاﻳﺶ ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ی ﻣﺜﺒﺖ، ﺷﻔﺎف ﺳﺎﺧﺘﻦ ارزشﻫﺎﺳﺖ ﻛﻪ ﺗﻼﺷـﻲ در ﺟﻬـﺖ رﺷﺪ ﻣﺜﺒﺖﮔﺮاﻳﻲ، ﻫﺪﻓﻤﻨﺪی، رﻓﺘﺎر و ﻧﮕﺮش ﻫﻤﺎﻫﻨﮓ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ و درﺑﺮﮔﻴﺮﻧﺪه ی ﻋﻨﺎﺻﺮ زﻳـﺮ اﺳـﺖ: ﺗﻤﺮﻛﺰ ﺑﺮ اوﻟﻮﻳﺖﻫﺎ در زﻧﺪﮔﻲ؛ ﭘﺬﻳﺮش آﻧﭽﻪ ﻛﻪ ﻫﺴﺖ؛ دﻋﻮت ﺑﻪ ﺗﻔﻜﺮ ﻓﺮاﺗﺮ و آﮔﺎﻫﺎﻧﻪ ﺗﺮ و ﭘﺮورش اﻗﺘﺪار ﻓﺮدی (فانی و خلیفه، 1388).
ﻳﻜﻲ از روشﻫﺎی اﻳﺠﺎد ﺧﻮدﭘﻨﺪاره ﻣﺜﺒﺖ دراﻓﺮاد، اﺻﻼح ﻧﺤﻮه اﺳﻨﺎدﻫﺎی ﻋﻠﻲ اﻓﺮاد اﺳﺖ. راﺗﺮ (1975) در ﻧﻈﺮﻳﻪ ﻳﺎدﮔﻴﺮی اﺟﺘﻤﺎﻋﻲ ﺧﻮد ﺑﺮ اﻳﻦ ﻋﻘﻴﺪه اﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﻌﻀﻲ از اﻓﺮاد ﺧﻮد را ﻣﺴﺌﻮل ﺷﻜﺴﺖﻫﺎ ﻳﺎ ﻣﻮﻓﻘﻴﺖﻫﺎی ﺧﻮد (ﻧﺘﺎﻳﺞ ﻋﻤﻠﻜﺮد) ﻣﻲداﻧﻨﺪ در ﺻﻮرﺗﻴ‌ﻜﻪ ﺑﻌﻀﻲ دﻳﮕﺮ، ﻣﺤﻴﻂ و ﺷﺎﻧﺲ و ﻏﻴﺮه را ( ﺧﺪﻳﻮی و وﻛﻴﻠﻲ ﻣﻔﺎﺧﺮی، 1390).
تصور مثبت فرد راجع به خود، نه تنها می می تواند در تحصیل وی تأثیر بگذارد بلکه این تصور عاملی در جهت رسیدن به کمال مطلوب در امر تحصیل نیز هست و برعکس، دانش آموزانی که احساس خوبی درباره‌ی توانایی های خود ندارند، حتی بدون توجه به نژاد و رنگ پوست، به ندرت در فعالیت های تحصیلی خود موفق هستند. خودپنداره‌ی تحصیلی یکی از عوامل مؤثر بر پیشرفت تحصیلی شناخته شده و به عنوان نگرش کلی فرد نسبت به توانایی های خویش در رابطه با یادگیری‌های آموزشگاهی تعریف شده است (پرکی، 2001).
هنگامی که فرد تصور خوبی درباره‌ی خود دارد و احساس می کند که موجودی تواناست، با اطمینان فکر می‌کند و می کوشد که رفتارش توام با موفقیت باشد تا بعدها موجب افزایش احساس ارزشمندی‌اش شود؛ اما برعکس دانش‌آموزی که خود را ناموفق می داند عملکرد تحصیلی‌اش پایین‌تر از سطح استعداد و توانایی‌های ذاتی‌اش است. فردی با احساس بی لیاقتی یا بی کفایتی، احساس می کند که نمی تواند چیزی یاد بگیرد و در نهایت، در انجام تکالیف جدید احساس درماندگی و ترس از خود بروز می دهد (حسینی دولت‌آبادی، 1386).
در دیدگاه مارش، خودپنداره‌ی تحصیلی در دانش آموزان با مقایسه‌های درونی (مقایسه توانمندی های خود با هم و مقایسه توانمندی های خود با دیگران) پدید می آید. تحقیقات عوامل بسیار زیادی را به عنوان پیش‌آیندهای خودپنداره به ویژه خودپنداره‌ی تحصیلی شناسایی کرده‌اند. به عنوان مثال: پیشرفت تحصیلی، احساس ارزشمندی، ویژگی های شخصیتی، عزت نفس و. . . ( گوروئی، خیر و هاشمی، 1390).
داﻧﺶ آﻣﻮزاﻧﻲ ﻛﻪ در دوران ﺗﺤﺼﻴﻞ دﭼﺎر ﺿﻌﻒ و ﺷﻜﺴﺖ ﻣﻲ ﺷـﻮﻧﺪ، در اﺛـﺮ ﺗﻜـﺮار ﺷﻜـﺴﺖ، ﺑﺎوری ﻛﺎذب و ﻣﺤﺪود ﻛﻨﻨﺪه ﻣﻲ ﻳﺎﺑﻨـﺪ ﻛـﻪ ﺗـﺪاوم و ﺗﻌﻤـﻴﻢ آن ﺑﺎﻋـﺚ ﺛﺒـﺖ ﺧﻮداﻧﮕـﺎره ﻣﻨﻔـﻲ و ﺑﺎزدارﻧﺪه و ﻣﻤﺎﻧﻌﺖ در اﺑﺮاز ﺗﻮاﻧﺎﻳﻲﻫﺎ و ﺗﺤﻜﻴﻢ اﺣﺴﺎس ﺿﻌﻒ ﺑﻴﺶﺗﺮ در ﻣﺮاﺣﻞ ﺑﻌﺪی ﻣـﻲﺷـﻮد؛ ﺗﺼﻮر ﻣﺮدود ﺷﺪن، اﺣﺘﻤﺎل ﻣﺮدود ﺷﺪن در ﻋﻤﻞ، ﻋﺪم ﺗﻼش ﺑﺮای ﺣﻞ ﻣﺸﻜﻼت و ﺟﺒﺮان ﺿﻌﻒ ﻫـﺎ و ﺑﺮوز ﺿﻌﻒ ﺗﺤﺼﻴﻠﻲ را اﻓﺰاﻳﺶ داده و ﺑﺘﺪرﻳﺞ ﺟﺰو ﺷﺨﺼﻴﺖ وی ﻣﻲ ﮔﺮدد (ﻫﺎﺷﻤﻲ، 1375).
در اﻳﻦ زﻣﻴﻨﻪ ﮔﻮدﻣﻦ (1990)، ﺑﺮ اﻳﻦ ﺑﺎور اﺳﺖ ﻛﻪ اﻧﺴﺎن ﻫﺎ ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﻨﺪ زﻧﺪﮔﻲ ﺧﻮدﺷﺎن را ﺑـﻪ وﺳﻴﻠﻪی ﺗﺼﻮﻳﺮﻫﺎی ذﻫﻨﻲ ﺷﺎن ﺗﻐﻴﻴﺮ دﻫﻨﺪ. در آن ﺻﻮرت ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﻨﺪ ﺷﺨﺼﻴﺖ ﺧـﻮد را دﮔﺮﮔـﻮن ﺳﺎزﻧﺪ. ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ اﺳﻤﻴﺖ (1967)، اﻇﻬـﺎر ﻣـﻲ دارد ﻣـﺎ ﺗﻮاﻧـﺎﻳﻲﻫـﺎی ﻫﻮﺷـﻲ ﺧـﻮد را دﺳـﺖ ﻛـﻢ ﻣﻲ ﮔﻴﺮﻳﻢ. ﻧﻈﺎم آﻣﻮزﺷﻲ رﺳﻤﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻳﻚ ﻓﻌﺎﻟﻴﺖ ﭘﻴﭽﻴﺪه ﺧﻮد آﮔﺎه و ﺧﺸﻚ ﺟﻠﻮه ﻛﺮده اﺳـﺖ ﺑـﻪ ﮔﻮﻧﻪ ای ﻛﻪ اﻳﻦ ﺑﺎور ﺑﺮای ﺑﻴﺶ ﺗﺮ ﻣﺎ ﻣﻄﺮح ﻣﻲ ﺷﻮد ﻛﻪ ﺑﺮﺧﻲ ﻣﻮﺿـﻮعﻫـﺎ ﻳـﺎدﮔﻴﺮیﺷـﺎن آﻧﻘـﺪر دﺷﻮار اﺳﺖ ﻛﻪ ﻣﻐﺰ ﻣﺎ ﻧﻤﻲ ﺗﻮاﻧﺪ آن را ﺑﻪ ﺳﺎدﮔﻲ ﺑﻔﻬﻤﺪ (فانی و خلیفه، 1388).
2-2-3- اضطراب امتحان
ﺑﺮاﺳـﺎس ﺑـﺮآورد ﭘﮋوﻫﺸـﮕﺮان در ﭘﮋوﻫﺶﻫﺎی ﻣﺨﺘﻠﻒ، ﻣﻴﺰان ﺷﻴﻮع اﺿـﻄﺮاب اﻣﺘﺤـﺎن در داﻧـﺶ آﻣـﻮزان از 10 ﺗـﺎ 30 درﺻـﺪ ﮔﺰارش ﺷﺪه اﺳﺖ (ﻣﻚ رﻳﻨﻮﻟﺪز، ﻣﻮرﻳﺲ و ﻛﺮاچ وﻳـﻞ، 1983). اﻳـﻦ ﺑـﺮآورد در اﻳـﺮان ﺑـﺮای داﻧﺶ آﻣﻮزان دﺑﻴﺮﺳﺘﺎﻧﻲ 2/17 درﺻﺪ ﮔﺰارش ﺷﺪه اﺳﺖ (اﺑﻮاﻟﻘﺎﺳﻤﻲ، بیگی و نریمانی، 1381).
ﻫﻴﻞ اشاره دارد که بر اساس برآورد پژوهش‌گران، ﺳﺎﻻﻧﻪ ﺣﺪﻭﺩ ﺩﻩ ﻣﻴﻠﻴﻮﻥ ﺩﺍﻧﺶ ﺁﻣﻮﺯ ﺩﺭ ﺳﻄﺢ ﺩﺑﻴﺮﺳﺘﺎﻥ ﻭ 15 ﺩﺭﺻﺪ ﺍﺯ ﺩﺍﻧﺸﺠﻮﻳﺎﻥ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ ﻫﺎﻱ ﺁﻣﺮﻳﻜﺎ ﺍﺿﻄﺮﺍﺏ ﺍﻣﺘﺤﺎﻥ ﺭﺍ ﺗﺠﺮﺑﻪ ﻣﻲ ﻛﻨﻨﺪ ﻭ ﺑﻪ ﻧﻈﺮ ﻣﻲ ﺭﺳﺪ ﻛﻪ ﺁﺯﻣﻮﺩﻧﻲ‌ﻫﺎﻱ ﺑﺰﺭﮔﺘﺮ، ﺑﻪ ﺍﺿﻄﺮﺍﺏ ﺑﻴﺸﺘﺮﻱ ﺩﭼﺎﺭ ﻫﺴﺘﻨﺪ (خسروی و بیگدلی، 1387).
اضطراب
اضطراب به منزله بخشی از زندگی هر انسان، در همه افراد در حدی اعتدال‌آمیز وجود دارد، و این حد، به عنوان پاسخی سازش یافته‌ تلقی می‌شود به گونه‌ای که می‌توان گفت «اگر اضطراب نبود همه ما پشت میزهایمان به خواب می‌رفتیم». فقدان اضطراب ممکن است ما را با مشکلات و خطرات قابل ملاحظه‌ای‌ مواجه کند. بنابراین اضطراب به منزله بخشی از زندگی هر انسان، یکی از مولفه‌های ساختار شخصیت وی را تشکیل می‌دهد و از این زاویه است که پاره‌ای از اضطراب‌های دوران کودکی و نوجوانی را می‌توان بهنجار دانست و تأثیر مثبت آن‌ها را بر فرآیند تحول پذیرفت به عبارتی دیگر می‌توان گفت که اضطراب در پاره‌ای از مواقع سازندگی و خلاقیت‌ را در فرد ایجاد می‌کند و بالعکس، اضطراب مرضی نیز وجود دارد، چرا که حدی از اضطراب می‌‌تواند سازنده و مفید باشد و اغلب مردم باید تجربه کنند، اما این حالت ممکن است جنبه مزمن و مداوم بیابد که در این صورت نه تنها نمی‌توان پاسخ را سازش یافته دانست بلکه باید آن را به منزله منبع شکست و استیصال فرد تلقی کرد که فرد را از بخش عمده‌ای از امکاناتش محروم می‌کند و طیف گسترده‌ای از اختلال‌های اضطرابی را که از اختلال‌های شناخته و بدن تا ترس‌های غیرموجه و وحشت‌زدگی‌ها گسترده‌اند، به وجود می‌آورند (دادستان، 1376).
بسیاری از اوقات ترس با اضطراب، به صورت یک جا در نظر گرفته می‌شود. حال آن که بین آن دو تفکیک وجود دارد، چنان که ترس بستگی به محرک شناخته شده‌ای دارد، در حالی که اضطراب، محرک ناشناخته و غیرمشخصی خواهد داشت. در مورد ترس، محرک تهدید کننده قابل ملاحظه‌ و مشاهده است، ولی اضطراب به انتظار خطر بستگی دارد، آدمی از عامل، خطر می‌ترسد ولی در اضطراب عامل ناشناخته است (عظیمی، 1370). ترس عبارت است از واکنش در مقابل یک خطر واقعی، ولی اضطراب عبارت است از واکنش در مقابل خطری که وجود ندارد (گنجی، 1376).
در تقسیم‌بندی کلی دو نوع اضطراب وجود دارد. اول، نوعی که به طور طبیعی به عنوان عکس‌العمل در مقابل استرس یا خطر تجربه می‌شود. مثلاً شخصی بتواند تهدید علیه امنیت یا سلامتی‌اش را به درستی تشخیص دهد یا وقتی سارق مسلحی تهدیدش می‌کند، یا هنگامی که ترمز اتومبیل ببرد. در این هنگام شخص احساس لرزه و رعشه می‌کند، دهانش خشک می‌شود، کف دست‌ها و پیشانیش عرق می‌کند، ضربان قلبش سریع‌تر شود، در معده‌اش احساس سوزش کرده و عصبی می‌گردد، او اضطراب و ترس روحی را تجربه می‌کند. بیشتر مردم این چنین احساساتی را به هنگام خطر یا فشار داشته‌اند. همچنین اگر کسی مکرراً در موقعیت میعنی مورد حمله قرار بگیرد یا ترسانیده شود، یاد می‌گیرد که هر زمان با آن موقعیت مواجه شود، هراسان گردد. این یک عکس‌العمل دفاعی معمول است این اضطراب را که یک عکس‌العمل طبیعی به استرس موجود در محیط خارجی فرد است برون‌زا یا اضطراب تحریک شده می‌نامیم. عبارت فوق این عقیده را منعکس می‌کند، که فرد همیشه می‌تواند هنگام ظاهر شدن این نوع اضطراب منشأ قابل توجیهی بر آن تشخیص دهد ( شیهان، 1953).
نوع دیگری از اضطراب وجود دارد که اضطراب‌ درون‌زا نامیده می‌شود، اکنون شواهد جمع‌آوری شده نشان می‌دهد که نوع دوم اضطراب یک بسیاری است که به نظر می‌رسد قربانیان آن با یک آسیب‌پذیری ژنتیکی به آن زاده می‌شوند، این نوع معمول با علائمی از اضطراب شروع می‌شود که ناگهان و بدون هشدار و بی‌هیچ علت ظاهری، ضربه زننده هستند. گاهی به نظر می‌رسد که بخش‌های متفاوتی از بدن از کنترل خارج می‌گردد. حتی ممکن است در غیاب هر نوع خطر یا استرس ظاهری قلب به سرعت بزند یا حالت سرگیجه، خفگی و تنگی نفس و یا احساس مورمور شدن ظاهر شود. ناگهانی بودن این علائم و این حقیقت که آن‌ها بدون هشدار و بدون وجود استرس آشکار ظاهر می‌شوند، بیماری را از نوع دیگر اضطراب یعنی پاسخ طبیعی به تهدید جدا می‌کند در واقع اضطراب برون‌زا و درون‌زا کاملاً متفاوت هستند ( شیهان، 1953).
تعاریف اضطراب
اساساً اضطراب را نمی‌توان در قلمرو آن چه تحت عنوان آزردگی مشخص می‌شود محدود کرد، چرا که احساس اضطراب نه تنها در بیماران افسرده، وسواسی و روان گسسته وجود دارد، بلکه در افراد بهنجار نیز به صورت‌های مختلف، پدیدار می‌گردد. شاید به همین دلیل است که در مورد اضطراب نمی‌توان تعریف مشخص و روشنی را ارائه داد، چرا که اضطراب در افراد مختلف به گونه‌های متفاوت بیان می‌شود. با توجه به موارد ذکر شده می‌توان در زیر به تعاریفی در زمینه اضطراب پرداخت:
لافون اضطراب را این چنین تعریف می‌کند: اضطراب یک انتظار به ستوه آورنده است و ممکن است در تنشی گسترده، موحش و اغلب بی‌نام اتفاق می‌افتد، این حالت که به شکل احساس و تجربه کنونی است مانند هر اغتشاش هیجانی در سطح همبسته روانی و بدنی در فرد پدید می‌آید و ممکن است یک تهدید عینی و اضطراب‌آور داشته باشد. در واقع اضطراب به عنوان احساسی رنج‌آور است که با یک موقعیت ضربه‌آمیز کنونی یا به انتظار خطری که به شیئ نامعینی وابسته است تعریف می‌شود (دادستان، 1376).
- اضطراب یک حالت احساسی و هیجانی است که از خصوصیات برجسته آن تولید حالت بی‌قراری و دلواپسی است که با اتفاقات زمان و شرایط تناسب ندارد (معانی، 1370).
طبق دیدگاه روان شناسان اجتماعی اضطراب ترسی است که فرد در خانواده در دوران کودکی آن را تجربه می‌کند، در خود درونی می کند و به تدریج این ترس درونی را در جامعه های مختلف از خود نشان می دهد. اضطراب در زندگی عامل ویران کننده ای است که هم روی جسم و هم روی روان فرد تأثیر منفی می گذارد و او را از انجام هر کاری منع می کند (ورزنده، 1387).
فیزیولوژی اضطراب
دستگاه عصبی خودمختار (ANS) و غدد درون‌ریز Eg نقش مهمی در اضطراب دارند. می‌‌توان گفت دستگاه عصبی خود مختار واسطه دستگاه عصبی مرکزی و غدد درون ریز است. دستگاه عصبی خودمختار در اکثر موارد موجب فعالیت غدد درون ریز می‌شود و غدد درون‌ریز با پسخوراند، فیزیولوژیک فعالیت عصبی را تعدیل می کند کنش دستگاه عصبی خود مختار این است که بدن را در محیط متغیر، ثابت نگه می‌دارد (پناهی شهری، 1372).
فعالیت دستگاه عصبی خود مختار و غدد درون‌ریز موجب بروز علائمی می‌گردد که در تشخیص اضطراب دارای اهمیت زیادی می‌باشد. به هنگام بروز اضطراب بی‌قراری و تنش عضلانی مشهود است، فرد سریع‌تر سخن می‌گوید، راه می‌رود و این تنش شدید موجب هدر رفتن انرژی و بروز خستگی می‌شود که بسیار آن را به صورت فشار توضیح می‌دهد. احساس فشار در عضلات پیشانی و گیجگاهی موجب نوعی سردرد تنشی می‌شود و فرد احساس می‌کند چیزی محکم دور سر او بسته شده است و معمولاً از این حالت درد در پیشانی شکایت می‌کند. لرزش اندام در بیماران اضطرابی به علت تنش عضلانی محسوس‌تر است، به هنگام کارهای ارادی و تمرکز و دقت کاهش می‌یابد و موجب شکایت‌های روانی بیمار می‌گردد و این تصور به فرد دست می‌دهد که مبادا قدرت فکری خود را از دست داده باشد، تظاهرات حرکتی در حالت اضطراب بسیار بارز است. اضطراب مزمن نیز معمولاً توأم با اختلالات روان ‌تنی است (پناهی شهری، 1372).
سبب شناسی اضطراب
عواملی که سبب ایجاد و حالت اضطراب شخص می‌شوند و به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: گروه اول، آن دسته عواملی هستند که با اثرگذاری بر روی ساختمان بدن و جسم، موجب اضطراب می گردند، گروه دوم؛ عواملی که برخاسته از طرز تفکر و بینش فرد است و سبب اضطراب درونی می‌گردد ( معانی، 1370).
گروه اول : عوامل جسمی و فیزیکی،
کم کاری یا پرکاری تیروئید
نزول شدید قند خون
پرکاری مرکز غده فوق کلیوی
افزایش هورمون کورتیزول
مسمومیت با داروهای محرک
قطع ناگهانی این داروها: بسیاری که از اضطراب رنج می برد، در اولین گام باید اطمینان حاصل گردد مبنی بر اینکه اضطراب او مربوط به داروها نباشد؛ چرا که قطع ناگهانی برخی داروها منجر به اضطراب‌های شدید می‌گردد، از جمله قطع داروهایی از گروه آرام‌بخش‌ها، خواب‌آورها و باربیتورات‌ها.
تومورهای مغزی، در مواردی ممکن است عامل به وجود آورنده اضطراب باشد، به خصوص تومورهای حوالی بطن سوم.
بیماری‌های مزمن انسداد ریه‌ها
مسمومیت با فلزات سنگین
بعضی از انواع صرع مربوط به ابتلاء دیانسفال
عدم تحمل قرص آسپرین ( معانی، 1370).
گروه دوم؛ داشتن افکار نامعقول، اصرار فرد بر این‌که؛
چنان چه امور بر وفق مراد نباشند، نهایتاً به بدبختی فرد ختم می‌شود.
اعتقاد فرد به اینکه، برای کسب احساس ارزشمندی باید از تمامی جهات کامل و بی نقص باشد.
اعتقاد فرد بر اینکه تجارب گذشته به طور مطلق بر رفتار تأثیر می‌گذارد.
اعتقاد فرد بر اینکه عوامل خطرناک بیرونی وجود داشته و فرد باید از بروز آن‌ها جلوگیری کند (شفیع آبادی، 1372).
علائم اضطراب
پژوهش‌گران علائم اضطراب را به دو دسته علائم جسمی و علائم روانی تقسیم می‌کنند:
علائم جسمانی اضطراب:
فقدان اشتها، بی خوابی، احساس خستگی دائمی، مشکلات تنفسی، احساس خفگی، تپش قلب، در برخی از موارد از نفس افتادن، حالت تهوع، سردردهای متوالی، پاهای لرزان، از دست دادن تعادل بدن، تمایل به عرق کردن زیاد بدون علت مشخص، درد و فشار در سینه، احساس کرختی خصوصاً در پاها و پنجه‌ها، پرش عضلات، گرفتگی شدید عضلات، سرگیجه و غش، تنش‌های عصبی، حملات گریه کردن یا تمایل به گریه کردن، فشار خون بالا، ناخن جویدن، سوء هاضمه‌های متعدد ( شیهان، 1953).
علائم روانی اضطراب:
کج خلقی دائم با مردم، احساس عدم توانایی در مقاومت، بی‌علاقه به زندگی به طور دائمی یا ادواری، ترس از بیماری، احساس گناه، احساس بد بودن و آزار رسانیدن به خود، اشکال در تصمیم‌گرفتن، بی‌علاقگی نسبت به سایر مردم، آگاهی از خشم فرو خورده، هراس از آینده، از دست دادن احساس لذت، عدم توانایی در نشان دادن احساس واقعی، احساس هدف دشمنی دیگران قرار گرفتن، احساس شکست، احساس نداشتن کسی که به او اعتماد کند، اشکال در تمرکز حواس، ترس شدید از یک فضای باز یا بسته یا از تنهایی، عدم توانایی در اتمام یک کار قبل از پرداختن به کار دیگری، ترس از دیوانه‌شدن و ترس از دست دادن کنترل ( کوپر، 1980).
بیماری‌هایی که در اثر اضطراب ایجاد می‌شود:
افزایش فشار خون و بیماری قلبی
افزایش فشار خون و بیماری قلبی ارتباط نزدیکی با اضطراب دارند. فشار خون بالا در اغلب اوقات منشاء عضوی مستقیمی که به سادگی بتوان شناخت، ندارد. افزایش فشار خون جزئی به علت بروز تغییر در مقاومت رگ‌های خونی است و قسمتی از فشار عروق خونی که خون را به بافت‌ها حمل می‌کند به وسیله سیستم عصب سمپاتیک و رها ساختن مواد شیمیایی به داخل عروق ایجاد می‌شود و ادامه فعالیت پاسخ‌های شیمیایی عصب سمپاتیک باعث کاهش قدرت انقباض و انبساط رگ‌ها و درنتیجه بالا رفتن فشار خون می‌گردد. فشار خون پدید آمده می‌تواند منجر به بیماری‌های قلبی گردد، زیرا قلب به ناچار، خون را با نیروی بیشتری به داخل شریانی که فشار آن بالا رفته است می فرستند و در نتیجه کار اضافی به آن تحمیل می‌گردد و همچنین افزایش فشار خون احتمال پارگی شریان‌ها را که می‌تواند منجر به مرگ گردد بالا ببرد به طوری که پاره شدن یک سیاهرگ در مغز می‌تواند ایجاد سکته مغزی نماید( کوپر، 1980).
سرطان
اضطراب در ایجاد سرطان می‌تواند نقش اساسی داشته باشد چرا که اضطراب در بسیاری از موارد باعث وقفه در سیستم دفاعی بدن می‌گردد در مطالعه‌ای که بر روی 2000 زن در یک درمانگاه بیماری‌های ویژه پستان انجام شده، مشخص شده است که در دو سال آخر درصد ابتلا به سرطان در میان زنانی که فردی از قبیل شوهر، دوست، یا یکی از اقوام خود را از دست داده‌اند. بیشتر از زمانی که این ضربه‌ها را نداشته‌اند (کوپر، 1980).

NFR6

یکی از عفونت‌های اکتسابی بیمارستانی، پنومونی بیمارستانی است که عبارت است از عفونت پارانشیم ریه به‌وسیله ی عوامل عفونی که در موقع ورود به بیمارستان، وجود نداشته و در دوره‌ی کمون هم نیستند و حداقل 48 ساعت بعد از بستری در بیمارستان ایجاد می‌شود. پنومونی اکتسابی در بیمارستان، دومین عفونت شایع بیمارستانی بعد از عفونت مجاری ادراری است]14[.
پنومونی وابسته به ونتیلاتور(VAP )، زیر مجموعه ای از پنومونی بیمارستانی است که 48 ساعت یا بیشتر پس از لوله گذاری و اتصال بیمار به دستگاه تهویه‌ی مکانیکی ایجاد شده باشد.VAP عارضه ای شایع، جدی و پر هزینه در بیماران بستری به حساب می آید که در بخشهای مراقبت ویژه، رتبه اول عفونت‌های بیمارستانی را به خود اختصاص می دهد. شیوع VAP از 9 تا 27 درصد متغیر و مرگ‌ومیر ناشی از آن بین 10تا 40درصد گزارش شده است. خطر VAPدر بیماری که تهویه‌ی مکانیکی دارد، در هر روز %3-1 افزایش می یابد. بیماران تحت تهویه‌ی مکانیکی چنان‌چه مبتلا به VAP شوند نسبت به سایر بیمارانی که آنها نیز تهویه‌ی مکانیکی دریافت می‌کنند ولی مبتلا به VAP نشده اند باید 4تا 19 روز بیشتر در ICU بمانند، 40000 تا 57000 دلار بیشتر هزینه بپردازند و میزان مرگ‌ومیر انها نیز 14% بیشتر از بقیه خواهد بود]7و8[.
2-2. اتیولوژی پنومونی وابسته به ونتیلاتور ورود میکروارگانیسم‌ها به قسمت‌های تحتانی واستریل مجاری تنفسی از علل اصلی ایجاد و توسعه‌ی VAP است]8[.
ورود میکروارگانیسم‌ها به قسمت های تحتانی و استریل مجاری تنفسی، به طرق زیر صورت می پذیرد:
آسپیراسیون و میکروآسپیراسیونِ محتویات اوروفارنجیال و یا معده به ریه ها (عامل اصلی)
استنشاق ذرات یا آئروسلِ حاوی ارگانیسم‌های بیماری‌زا ( مانند استنشاق در موقع قطع مدار ونتیلاتور)
انتقال ارگانیسم ها بوسیله‌ی ورود تجهیزات الوده به ریه ( مانند کاتتر ساکشن)
انتشار از طریق خون یا از مکان دیگر به ریه (مانند تزریقات وریدی و پروسیجر های غیر استریل)]1[.
2-3. پاتو فیزیولوژی پنومونی وابسته به ونتیلاتور
پنومونی زمانی رخ می دهد که مکانیسم پاکسازی مخاطی مژکی برونش یا سلول‌های فاگوسیت کننده‌ی ذرات استنشاقی یا آسپیره شده از بین برود. ارتشاح ارگانیسم‌ها در پارانشیم ریه نمایانگر یک پاسخ التهابی با رسوبات سلول های فاگوسیت کننده به داخل آلوئول‌ها و راه‌های هوایی و تولید اگزودایِ غنی از پروتئین است. این پاسخ التهابی باعث اختلال تهویه وکاهش ظرفیت ریه، افزایش کار تنفس و هیپوکسمی می‌گردد. پاسخ التهابی منجر به تب و لُکوسیتوز نیز می‌گردد]1[.
اگرچه مجموعه‌ای از ارگانیسم‌های مشابه باعث ایجاد پنومونی وابسته به ونتیلاتور می‌شوند ولی باکتری‌های زیر، به ترتیب از بیشتر به کمتر، عوامل ابتلا به پنومونیِ وابسته به ونتیلاتور هستند: استافیلوکوک اورئوس، سودوموناس آئروژینوزا، سوش‌های انتروکوک، آسینتو باکتر بامائی، کلبسیلاپنومونیه، اشرشیاکولی و استافیلو کواگولاز منفی. ولی ویروس ها، قارچ ها، وپاتوژن های بی‌هوازی، نقش زیادی ندارند ]1[.
2-4. عوامل خطر ابتلاء به VAPسن بالا، کاهش سطح هوشیاری، دریافت خون و فرآورده‌های خونی، بیماری ریوی زمینه ای، بیماری های تهدید کننده‌ی حیات (دیسترس تنفسی، تروما ،سوختگی ،شوک )،کلونیزاسیون اوروفارنجیال، افزایش طول مدت تهویه‌ی مکانیکی، وضعیت طاق‌باز، تماس با سایر بیماران و یا سایر پرستاران، آنتی بیوتیک ها، مصرف بیش از اندازه آرام بخش‌ها، فشار کم کاف اندوتراکئال (کمتراز cm/H2o 20)، انتقال موقت به خارج از ICU وتضعیف سیستم ایمنی، عوامل خطر ابتلاء به VAP هستند ]15و1[.
2-5. علائم پنومونی وابسته به ونتیلاتور
ارتشاح پیش‌رونده‌ی ریوی، تب، لُکوسیتوز وترشحات تراکئوبرونشیالِ چرکی
Lung filtration
Fever > 38.5 or < 35 C
WBC> 10000/mm3 or < 3000/ mm3
Purulent sputum ]8[.
2-6. راهنمای بالینی پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور کشور ایرلند در سال 2011 2-6-1.اهمیتراهنمای بالینی پیشگیری از بیماری ها دستور العملی است که بر اساس اخرین دست اورد های علمی جهانی توسط صاحب نظران تدوین می گردد تا جامعه پزشکی را در رسیدن به اهداف پیشگیری وکنترل بیماری ها یاری نماید.کمیته کنترل مقاومت میکروبی کشور ایرلند با کمک راهنماهای بالینی قبلی پیشگیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور وبر اساس آخرین دست آورد های علمی استخراج شده از مقالات متعدد پیشنهاداتی را در جهت کنترل این عارضه ارائه نموده است که به ان اشاره می گردد ]16[.2-6-2.آموزشهمه بیمارستان‌ها باید برنامه‌ای برای آموزش، پیش‌گیری وکنترل VAP برای پرسنل درمانی داشته باشند که شامل اطلاعات در مورد اپیدمیولوژیِ بومی، بعلاوه‌ استراتژیِ مبتنی بر شواهد پیش‌گیری از VAP باشد.
گام اول در آموزش پیش‌گیری وکنترل، باید شامل ضد عفونی دست‌ها و استفاده از وسایل محافظتی شخصی باشد.
گاید لاین‌های بالینی و پروتوکل‌های مراقبت از VAP در بخش های ویژه، باید اجرا شوند و توسعه یابند.
علاوه بر آن، راهنماهای بالینی و پروتوکل‌ها باید به‌طور منظم پایش شوند تا از پذیرش آن توسط پرسنل مطمئن شویم و هرگونه نقص در این زمینه شناسایی وگزارش شوند ]16[.
2-6-3.کنترل مراقبت‌های بالینی و پیش‌گیری از عفونت
به‌کارگیری پیش‌گیری‌های استاندارد، باید اولین اقدام در پیش‌گیری از انتقال عوامل عفونی در بیماران وپرسنل باشد.
ضد عفونی کردن دست‌ها بر اساس راهنماهای بین‌المللی، باید جزئی از مراقبت‌های بالینیِ پیش‌گیری از VAP باشد.
قبل و بعد از هر تماسِ مستقیم با بیمار و بعد از هر عملی که بالقوه باعث آلودگی دست می‌شود و بعد از در آوردن دست‌کش‌ها، دست‌ها باید به‌طور مناسب با آب و صابون شستشو داده شوند و در صورت عدم وجود آلودگی واضح در دست، با محلول های الکلی، ضد عفونی شوند.
علاوه بر آن، ضد عفونی دست‌ها باید مرتب پایش شوند تا از پذیرش آن توسط پرسنل مطمئن شویم و بازخورد مناسبی از آن‌ها دریافت نماییم.
وسایل محافظتی پرسنل مثل دست‌کش، پیش‌بند، ماسک، عینک و... باید به‌طور مناسب استفاده شوند و به‌طور مناسب جمع‌آوری و معدوم گردند ]16[.
2-6-4. لوله گذاری نایتاحد ممکن لوله گذاری از طریق دهان باشد تا از طریق بینی.
حتی المقدور از خارج سازی غیر ضروری لوله‌ی نای و لوله گذاری مجدد خودداری شود ]16[.
2-6-5. تهویه با فشار مثبت
تاحد ممکن از تهویه غیر تهاجمی استفاده شود.
تهویه‌ی مکانیکی در مواردی که ضرورت ندارد نباید ادامه پیدا کند.
پروتوکل جدا سازی بیمار از دستگاه بر اساس شواهد موجود باشد.
ارزیابی روزانه بیمار برای امکان جا سازی از دستگاه انجام شود.
کم کردن یا قطع آرامبخش‌ها روزانه به‌طور مناسب اجرا شود ]16[.
2-6-6.استراتژی داروییخط مشی محدودیت استفاده از فرآورده‌های خونی در بیماران با تهویه‌ی مکانیکی باید اجرا شود.
2-6-7. پیش‌گیری از آسپیراسیون یک فشار کاف مناسب باید در بیمارانی که تراکئوستومی یا دارای لوله‌ی تراشه بوده و در معرض اسپیراسیون قرار دارند اجرا شود.
فشار کاف باید دقیقا اندازه‌ای باشد که هیچ صدای قابل شنیدنی از لیک هوا در اطراف لوله وجود نداشته (در مواقعی که فشار طبیعی راه هوایی وجود دارد ) و باید حد اقل 20 سانتی متر آب باشد .
بیماران تحت تهویه‌ی مکانیکی، باید وضعیت نیمه نشسته (30 تا 45 درجه بالا بودن سر تخت ) داشته، مگر آن‌که ممنوعیتی داشته باشند.
در بیمارانی که وضعیت نیمه نشسته را نمی توانند تحمل کنند، باید از تخت چرخان استفاده شود.
بایداز نفخ معده در بیماران تحت تهویه‌ی مکانیکی که تغذیه‌ی معدی دارند اجتناب شود ]16[.
2-6-8.پیش‌گیری ازآلودگی وسایلوسایل یک‌بار مصرف نباید هیچ‌گاه دو بار استفاده شوند.
همه وسایلی که در ارتباط با بیمار هستند باید بر طبق خط و مشی بیمارستان وکارخانه سازنده، تمیز، ضد عفونی ونگهداری شوند.
بعد از گندزدایی، برای شستشوی وسایل تنفسیِ غیر تهاجمی و چند بار مصرف باید از آب مقطر استریل استفاده کرد.
پرسنل، هنگامی که مدار تنفسی را قطع می‌کنند باید از ماسک صورت استفاده کنند.
برای شستشوی وسایل تنفسی غیر تهاجمی وچند بار مصرف باید از اب مقطر استریل استفاده کرد.
سیستم وسایل مرطوب‌کننده (مرطوب‌کننده‌های گرمائی و یا فیلترهای نگه‌داری گرما و رطوبت ) باید بر اساس توصیه‌ی کارخانه‌ی سازنده یا هر زمان که از نظر بالینی لازم شد، تعویض شوند.
و برای هر بیمار جدید، یک سیستم جدید آماده شود.
هنگامی که مرطوب‌کننده‌ها پر می شوند نکات استریل رعایت شود ، آب استفاده برای مرطوب‌کننده‌ها باید استریل یا تقطیر شده باشد.
توصیه خاصی برای استفاده ازنوع خاصی از مرطوب‌کننده وجود ندارد.
نوع سیستم ساکشن ( بسته یا باز) بر شیوع VAP تاثیری ندارد.
ولی در بیمارانی که ترشحات فراوان دارند یا عفونت مشکوک یا شناخته شده ای دارند که می‌تواند از طریق هوا منتقل شود، ساکشن بسته توصیه می‌شود.
وسایل ساکشن باید زمانی تعویض شوند که خراب یا کثیف شده باشند، برنامه‌ی منظم تعویض توصیه نمی‌شود.
یک سیستم ساکشن جدید برای بیمار جدید باید آماده شود ]16[.
2-6-9. پیش‌گیری از کلونیزاسیونِ مجاری گوارشیآنتاگونیست های H2 نظیر رانیتیدین و یا مهارکننده‌های پمپ پروتون نظیر پنتوپرازول باید در بیماران تحت تهویه‌ی مکانیکی که ریسک بالایی برای خونریزی دستگاه گوارش دارند استفاده وسوکرالفات ممکن است در بیمارانی که ریسک پایین تری دارند استفاده شود.
ضد عفونی دهان باید به‌طور منظم در بیماران تهویه‌ی مکانیکی استفاده شود.
یک مسواک نرم هر 12 ساعت یک‌بار برای تمیزی پلاک های دهانی استفاده شود مگر در مواردی که ممنوعیت دارد مانند: کمبود پلاکت وخطر افزایش خونریزی.
کلرو هگزیدین (2%-12/0%) باید طبق برنامه منظم برای ضد عفونی دهان استفاده شود.
بتادین 10% ممکن است در بیماران با صدمات شدید سر به‌جای کلروهگزیدین استفاده شود ]16[.
2-7. بررسی وکنترل فشار کاف لوله‌ی نای و تراکئوستومیهدف از پر کردن کاف امکان برقراری تنفس با فشار مثبت بدون اتلاف حجم جاری و جلوگیری از آسپیراسیون ترشحات دهان ومعده و عوارض متعاقب آن است ]17[.
2-7-1.صدمات نای به‌علت فشار بالای کاف لوله‌ی نای
فشار کاف بیشتر از فشار پرفیوژن آرتریول ها موجب بروز صدمات ایسکمیک، آسیب، له شدگی ونکروز بافت نای می گردد. در بیماران ICU این مسئله جدی‌تر است چراکه بعضی از بیماران ممکن است دچار حملات افت فشار نیز شوند و پرفیوژن نای کمتر از حد عادی شود.
التهاب ساده، ایجاد زخم، خونریزی، تشکیل بافت نکروزه ، فیستول نای مری، تشکیل بافت اضافی، تنگی تراشه و انسداد، از صدمات تراشه به‌ علت فشار بالای کاف لوله نای است]17[.
2-7-2. نرم شدگی غضروف نای
پرشدگی بیش از حد کاف و فشار طولانی مدت، باعث ضعف عضلات نای، نرم شدن غضروف‌ها وگشاد شدگی تراشه در محل تماس کاف با تراشه می گردد، که برای جلوگیری از نشت، احتیاج به اضافه کردن حجم بیشتری از هوا به کاف است. که این موضوع باعث وضعیت خطرناک تبعیت نای از کاف و احتمال نرم شدگی غضروف نای می گردد. مطالعات نشان داده اند که بین فشارهای بالای 25 تا 30 میلیمتر جیوه و افزایش صدمات نای ارتباط مستقیم وجود دارد. فشار بیش از 25 میلیمتر جیوه (حدود 34 سانتی متر آب ) موجب آسیب به سیستم گردش خون نای می گردد. فشار بیش از 50 میلیمتر جیوه قادر است در عرض 15 دقیقه ایسکمی غیر قابل برگشت و تخریب لایه پوششی نای را در محل کاف ایجاد کند و پس از 48 ساعت منجر به نکروز کامل ‌گردد]17[.
فشار کاف باید بین 20 تا 30 سانتی متر آب نگه‌داری شود؛ بعضی منابع بین 25 تا 30 و بعضی دیگر20 تا 25 ذکر کرده اند ولی حد اقل آن، 20 سانتی متر آب است. باید به بیماران جدید بخصوص بیمارانی که از اتاق عمل یا اورژانس منتقل شده اند توجه خاصی داشته باشیم. درصورتیکه با فشار 20 تا 30 سانتی متر آب، هنوز نشتی داشته باشیم باید به پزشک اطلاع داده شود. فشار کمتر از 20 سانتی متر آب باعث آسپیراسیون و ایجاد پنومونی وابسته به ونتیلاتور می‌گردد]17و16[.
2-8 .شست‌وشو و ضد عفونی دست‌هاروزانه هزاران نفر در دنیا به‌علت عفونت های ناشی از مراقبت‌های درمانی می‌میرند ودست‌ها عامل اصلی انتقال میکروب‌ها است وشستن یا ضدعفونی دست‌ها مهمترین عامل در پیش‌گیری از انتقال میکروب‌هاست. ]18[.
2-9. مراقبت‌های پرستاری در پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور1-جلوگیری از انتقال آلودگی توسط دست‌ها (دست شستن- ضدعفونی دست - پوشیدن دست‌کش ).
2-تکنیک استریل در انجام پروسیجرها به‌خصوص در ساکشن لوله‌ی تراشه یا تراکئوستومی.
3-استفاده از لوله‌ی‌ تراشه با لومن ساکشن دار جهت ساکشن ترشحات ساب گلوت (باقی نماندن ترشحات در دهان وته حلق).
4-تخلیه‌ی ترشحات ته حلق ( به هنگام لوله گذاری یا خارج سازی آن، جابه‌جایی لوله و یا اندازه‌گیری فشار کاف ).
5-لوله گذاری از طریق دهان (تاحد ممکن).
6-لوله گذاری در شرایط استریل (استریل باقی ماندن لوله- پایین نرفتن ترشحات ).
7-انجام تراکئوستومی در شرایط استریل.
8-عدم تعویض مکرر لوله‌های خرطومی (تعویض موقع خرابی یا آلودگی و یا هر بیمار جدید ).
9-استفاده از فیلتر مناسب و جلوگیری از حرکت آب به سمت بیمار و تخلیه به‌موقع آب جمع شده در مدار.
10- ماسک زدن در موقع قطع مدار ونتیلاتور.
11- پیش‌ گیری از زخم‌های گوارشی.
12- پیش ‌گیری از ترومبوز وریدهای عمقی.
13- سر تخت 30 تا 45 درجه، مگر در موارد ممنوعیت .
14- چک کردن محل صحیح لوله معدی به‌طور روتین .
15- چک کردن حجم باقی‌مانده معدی به‌طور روتین .
16-دهان‌شویه منظم و موثر با کلروهگزیدین و مسواک مناسب .
17-کم کردن روزانه آرامبخش ها و ارزیابی روزانه برای خارج سازی لوله‌ی نای ]17و8و2و1[.
2-10. آموزش چهره به چهره وکارگاهی در پرستاری آموزش فردی به صورت آموزش چهره به چهره از روش‌های مستقیم و حضوری آموزش بوده و با انواع روش‌های توضیحی یا عملی در محل‌های مختلف و در فرصت‌های متنوع قابل اجرا است. مزیت آموزش انفرادی آن است که می‌توان با افراد بحث و گفتگو کرد و آن‌ها را ترغیب نمود تا رفتار خود را دگرگون کنند. و کارگاه آموزشی روشی برای حل مسائل و مشکلات است؛ که در آن تعداد معدودی از افراد ( بین 25 تا 40 نفر) که به یک رشته یا موضوع خاص علمی، فنی و... وابستگی دارند در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و با حضور کارشناسان، موضوعات، مباحث و یا مسایل مشخصی را به‌منظور ارائه‌ی توصیه‌ها یا پیشنهادهایی برای اقدامات و برنامه‌های بعدی مورد بحث و تجزیه و تحلیل قرار می‌دهند. همکاری کامل تک تک شرکت کننده‌گان ازطریق فراگیری به‌صورت عمل و تجربه از خصوصیات کارگاه است ]11[.
2- 11. جمع بندیدر این بخش تعریف پنومونیِ وابسته به ونتیلاتور، عوارض، شیوع، مرگ‌و‌میر، راه‌های اصلی انتقال، اتیولوژی، پاتوفیزیولوژی، علائم و عوامل خطر آن، به اختصار توضیح داده شد. همچنین آخرین دست آوردهای مبتنی بر شواهد علمی در پیش‌گیری از VAP و تنظیم فشار کاف لوله‌ی نای وضد عفونی دست‌ها مطرح و در آخر، آخرین روش‌های مراقبت‌های پرستاری در پیش ‌گیری از این بیماری بحث گردید و اما میزان رعایت جزئیات پیش‌ گیری توسط پرستار چه قبل وچه بعد از آموزش سوالی است که ما در این پژوهش آن‌را دنبال می کنیم.
2-12.مروری بر متوندر این بخش ابتدا متون مرتبط با گاید لاین‌های پیش‌گیری از VAP و تایید آن‌ها و سپس مطالعات مرتبط با آموزش پرستاران و نقش آن ها در پیش‌گیری از VAP بررسی می شود. اغلب مطالعات به‌صورت یک مجموعه‌ی نسبتا کامل VAP را بررسی نکرده بودند، بعضی فقط دانش پرستار را بررسی و بعضی از خودگزارش‌دهی و مشاهده‌ی عملکرد و یا یک یا چند عاملِ معدود در پیش‌ گیری از VAP بهره جسته اند،که بطور خلاصه به آنها اشاره می شود:
مدنی و همکاران اثر بالا بودن سر تخت را درپیش‌گیری ازVAP در یک مطالعه‌ی آینده نگر، در360 بیمار ترومایی درسال2006 آزمودند و نتیجه گرفتند که بالا بردن سر تخت به اندازه 30درجه به میزان معنی داری خطر آسپیراسیون ریوی و پنومونی را کم می‌کند]19[.
نتیجه یک متا آنالیز از 11 پژوهش، شامل 3242 بیمار که تهویه‌ی مکانیکی دریافت می‌کردند،در سال 2007 نشان داد که ضد عفونی کننده های دهانی، مثل کلروهگزیدین، به‌طور معنی داری شیوع VAP راکاهش می‌دهند]20[.
تریک وهمکاران،در سال 2007 اثر سه ضد عفونی کننده دست را به‌طور اتفاقی آزمودند و مشاهده کردند، میکروب های بیماری زا در گروهی که دست‌شان ضد عفونی نشده بود نسبت به گروهی که ضد عفونی شده بود 10 برابر بیشتر می باشد]21[.
مرکز مراقبت و حمایت های پزشکی اخیرا VAP را در لیست بیماری‌هایی قرار داده است که پیش‌گیری از آن‌ها ضروری است(سال 2012). از نظر این مرکز، VAP باید پیش‌گیری شود چرا که خسارت‌های آن قابل جبران نیست به‌عنوان مثالی از عواقب آن، استافیلوکوک ارئوسِ مقاوم به متی سیلین را می‌توان نام برد و اگر VAP پیش‌گیری نشود بیمارستان‌ها باید یک ضایعه‌ی بزرگ اقتصادی را تجربه کنند]8[.
راهنمای بالینی پیش‌گیری از VAP به‌صورت یک مجموعه در سال 2003 منتشر شد و با استفاده از شواهد علمی، بارها آزمایش و تایید گردید. اجزاء مجموعه‌ی 2010 پیش ‌گیری شامل: بالا بردن سر، به میزان 30تا45 درجه، پیش‌گیری از ترمبوز وریدهای عمقی، پیش‌گیری از زخم های گوارشی، قطع و کم کردن روزانه‌ی آرامبخش‌ها، ارزیابی روزانه برای خارج سازی سریع‌تر لوله‌ی تراشه وبهداشت روزانه‌ی دهان با کلروهگزیدین می باشد. چندین محقق این مجموعه را آزمودند و دریافتند که شیوع VAP را کاهش می دهد]23و22و8[.
واما در بحث آموزش پرستاران، در مطالعه‌ی که حسن‌پور و همکاران در سال 1385 با عنوان تاثیر آموزش به روش یادگیری بر اساس حل مشکل وسخنرانی بر یادگیری، نگرش وعملکرد دانشجویان پرستاری انجام دادند، از40 دانشجوی پرستاری که به دو گروه 20 نفره تقسیم می‌شدند استفاده کردند و از سه پرسش‌نامه‌ی، بررسی نگرش، بررسی یادگیری و چک لیست بررسیِ عملکرد استفاده نمودند و نتیجه گرفتند که یادگیری بر اساس حل مشکل تاثیر بیشتری دارد]24[.
در پژوهشی که مهرعلی و همکاران در سال 2011 درباره‌ی میزان دانش مبتنی بر شواهد پرستاران در پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور قبل و بعد از آموزش در شهر کراچی پاکستان داشتند از گاید لاین 2003 مرکز پیش‌گیری وکنترل بیماری های امریکا(CDC) جهت آموزش استفاده کردند ودانش پرستار را با ابزار پرسش‌ نامه ، یک‌ بار قبل از آموزش، بار دوم دقیقا بعد از آموزش وبار سوم یک ماه بعد از آموزش سنجیدند. در این پژوهش 40 پرستار سنجیده،حداقل سابقه کار پرستار در ICU یکسال بعنوان معیار ورود،آموزش انجام شده5ساعت و متوسط دانش پرستاران در قبل از آموزش نمره 7، دقیقا بعد از آموزش 9/10 ویک ماه بعد از آموزش 8/9 گزارش شده است ]9[.
در مطالعه برزیل که توسط مارتین و همکارانش در سال های 2007 و2008 ، تحت عنوان تاثیر آموزش بر فشار کاف‌ها دربخش مراقبت های ویژه انجام شده است، فشار کاف‌ها یک ‌بار قبل از آموزش پرستاران به‌صورت گذشته نگر ویک ‌بار بعد از آموزش در شیفت های صبح، عصر وشب به‌طور جداگانه جمع‌آوری گردیده است. از آزمون مجذور کای استفاده شد و محدوده‌ی 5% (P <0.05) به‌عنوان تغییرات معنی دار وفشار بالاتر از 30 سانتی متر آب به‌عنوان فشار کاف نامناسب در نظر گرفته شده است.همچنین آموزش تئوری وعملی انجام شده در این پژوهش 30 دقیقه گزارش شده است و نتایج به‌دست آمده در این مطا لعه به‌شرح زیر می باشد: میزان فشارهای نامناسب کاف‌ در شیفت صبح، قبل از آموزش 9.2% در حالی که بعد از آموزش به 7.6% و در شیفت عصر و شب نیز به همین ترتیب از 11.9% به 4.1% و از 13.7% به 5.2% کاهش پیدا کرده بود. که تغییرات در شیفت عصر وشب معنی دار ولی در شیفت صبح معنی دار نبود]10[.
در مطالعه ی قندیل وطنطاوی درسال 2011 که در کشور مصر تحت و عنوان تمرینات عملی که در حال حاضر پرستاران در پیشگیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور دارند، انجام شده است .بر روی 150 پرستار از شش ICU مختلف با استفاده از دو ابزار پرسش ‌نامه‌ی خودگزارش ‌دهی و چک ‌لیستِ مشاهده،اطلاعات مربوط به پیش ‌گیری از پنومونیِ وابسته به ونتیلاتور توسط پرستار با دو ابزار فوق در یک مقطع زمانی جمع‌آوری وشش ICU جراحی،عمومی،مغزواعصاب،داخلی،ریه وکبد با هم مقایسه شده اند.در این مطالعه از راهنمای بالینی CDC استفاده شده است ومواردی مانند:شستن دست ،پوشیدن دستکش،ساکشن ته حلق،درجه سرتخت و مسواک زدن بررسی شده است. در این مطالعه، دانش پرستار لحاظ نشده بود و آموزش نیز وجود نداشت. همچنین در این مطالعه 3/53 % از پرسنل گفته‌اند که همیشه در انجام امور بیماران دست ‌شان را می‌شویند،47%گفته اند که ساکشن ته حلق را قبل از خارج سازی لوله نای انجام می دهند،39%سرتخت را بالا قرار می دهندو33% هر 8تا12 ساعت یکبار بیمارشان را مسواک می کنند.]25[.
در مرور متون ، مطالعه‌ی خارجی یا داخلی که آموزش پرسنل در پیش‌گیری از VAP را دقیقا در دو گروهِ چهره به چهره یا کارگاهی مقایسه نماید ،یافت نشدوهمانطور که اشاره شد اغلب مطالعات انجام شده در این زمینه، به‌صورت یک مجموعه‌ی نسبتا کامل VAP را بررسی نکرده بودند، واما در مطالعه حاضر سعی شد از یک مجموعه‌ی نسبتا کامل، یعنی دانش، خودگزارش‌دهی و مشاهده‌ی عملکرد استفاده گردد،تا عوامل موثر بر VAPکه مرتبط با پرستاران می باشد مانند انجام ساکشن ،بالا بودن سر تخت، دست شستن ، فشار کاف و... در دو گروه ، قبل وبعد از آموزش مقایسه شود.این در حالی است ‌که هنوز بسیاری از عوامل مرتبط با VAP در کنترل قرار نگرفت.

2057400-1097280فصل سوم
00فصل سوم
فصل سوم
مواد و روش‌ها
3-1. اهداف 3-1-1.هدف کلی
مقایسه‌ی تاثیر آموزش راهنمای بالینیِ پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور به دو روش چهره به چهره وکارگاهی بر دانش و عملکرد پرستاران.
3-1-2.اهداف جزئی شاملالف: اهداف مشاهده:
1- تعیین و مقایسه‌ی میزان فشار کاف لوله‌ی تراشه یا تراکئوستومیِ بیماران گروه آموزش چهره به چهره با گروه آموزش کارگاهی، قبل و بعد از آموزش.
2-تعیین و مقایسه‌ی میزان آماده بودن مایع ضدعفونی دست در مجاورت تخت بیماران ، قبل و بعد از آموزش.
3-تعیین و مقایسه‌ی میزان صحیح بودن وضعیت سر تخت بیماران ، قبل و بعد از آموزش.
4-تعیین و مقایسه‌ی میزان تعویض فیلتر ضد باکتری دستگاه ونتیلاتور بیماران ،قبل و بعد از آموزش.
5-تعیین و مقایسه‌ی میزان شستن، ضد عفونی کردن دست و یا پوشیدن دست‌کش معاینه قبل از تماس با بیمار، قبل و بعد از آموزش.
6- تعیین و مقایسه‌ی میزان ترشحات دهان (ساکشن انجام نشده پرستار) بیماران ، قبل و بعد از آموزش.
ب: هدف خودگزارش‌دهی:
تعیین و مقایسه‌ی میزان رعایت اصول پیش‌گیری از VAP در خودگزارش‌دهی پرستار گروه آموزش چهره به چهره با گروه آموزش کارگاهی، بعد از آموزش
ج: هدف دانش پرستاری:
تعیین و مقایسه میزان دانش پرستار در پیش‌گیری از VAP ، در گروه آموزش چهره به چهره با گروه آموزش کارگاهی، قبل و بعد از آموزش
3-2.فرضیات
1-آموزش چهره به چهره‌ی راهنمای بالینی پیش ‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور نسبت به آموزش کارگاهی آن، بر عملکرد پرستاران موثرتر است.
2-آموزش چهره به چهره‌ی راهنمای بالینی پیش‌گیری از پنومونیِ وابسته به ونتیلاتور نسبت به آموزش کارگاهی آن، بر دانش پرستاران موثرتر است.
3-آموزش چهره به چهره وکارگاهیِ راهنمای بالینیِ پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور، بر دانش وعملکرد پرستاران در پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور موثر است.
3-3. معیارهای پذیرش و خروج نمونه3-3-1. معیارهای وروددارا بودن لیسانس پرستاری و سابقه حداقل 3 ماه کار در ICU
3-3-2. معیار های خروج:
آگاه شدن پرستار از بخش مشاهده طرح، مرخصی ویا انتقال پرستار به بخش دیگر

3-4. مواد و روش انجام تحقیق3-4-1. جامعه مورد مطالعه و روش نمونه گیری
در این پژوهش نیمه‌تجربی در سال 1392، کلیه 75 نفر پرستار شاغل در چهار ICU مشابه (همگی بیماران جراحی) در یکی از بیمارستان‌های وابسته به دانشگاه علوم پزشکی شیراز در دو گروه 35 نفره و40 نفره که از نظر تحصیلات، همگی دارای مدرک لیسانسِ پرستاری و از نظر جنس، سن و سابقه‌ی کار در ICU، کاملا مشابه بودند، تحت آموزش و بررسی قرار گرفتند. داده ها به روش تمام شماری جمع آوری شدند.
3-4-2.روش اجراجهت انجام این پژوهش از سه ابزار: چک لیست مشاهده(ضمیمه الف )، پرسش ‌نامه‌ی خودگزارش ‌دهی (ضمیمه ب) و پرسش‌ نامه‌ی سنجش‌ دانش(ضمیمه ج) استفاده شد.
جهت روایی پرسش ‌نامه‌ی سنجش‌دانش و عملکرد پرستار در پیش ‌گیری ازپنومونی وابسته به ونتیلاتور که توسط قندیل و همکاران [25] و کارولاین و همکاران ]26[ استفاده شده بود، به فارسی ترجمه و سپس توسط پزشک عمومیِ مسلط به زبان انگلیسی مجددا به انگلیسی بازگردانده شد و آن‌گاه توسط متخصص ICU، اصل پرسش ‌نامه و ترجمه‌ی فارسی و ترجمه‌ی انگلیسی آن مقایسه وپس ازحذف چند سوال وجایگزینی آنها، روایی آن تایید گردید. برای تایید پایایی آن نیز 2 بار به فاصله‌ی 10 روز به 7 نفر پرستارICU تحویل شد و با ضریب همبستگی 87% برای پرسش‌ نامه‌ی خودگزارش ‌دهی و84% برای پرسش‌ نامه‌ی سنجش‌دانش پرستار، تایید گردید.. چک لیست مشاهده نیز بر اساس آخرین راهنمای بالینی پیش‌ گیری از پنومونیِ وابسته به ونتیلاتور توسط پژوهشگر تهیه و پس از تائید اعضای هیئت علمیِ بیهوشی، جهت استفاده در پژوهش آماده گردید.
چهارICU مورد مطالعه از نظر نوع بیماران بستری به‌طور کامل همگن بودند ولی از نظر اداره‌ی آن توسط متخصص دو به دو متفاوت بوده که با قید قرعه، همگن گردیدند و پرستاران دو ICU درگروه آموزشِ چهره به چهره و دو ICU دیگر در گروه کارگاهی قرار گرفتند. پس از کسب اجازه از مسئولین، جهت مشاهده‌ی قبل از آموزش، دوکمک پژوهشگر که دانشجوی کارشناسی رشته‌ی بیهوشی بودند، در حالی‌که بر روی یک طرح پژوهشی دیگری نیز در همان ICU ها کار می‌کردند (بدینوسیله پرستاران از قسمت مشاهده‌ی طرح مطلع نشدند) وارد بخش‌های ویژه شده، و پرستارِ هر بیماری را که احتیاج به مراقبت‌های پیش‌گیری از VAP داشت، تحت نظر گرفتند. کمک پژوهشگر طبق فرم مشاهده‌ی عملکرد، (ضمیمه الف) عملکردِ پرستار را که شامل موارد زیر است، کنترل و ثبت می نمود:
1- اندازه فشار کاف لوله‌ی تراشه بوسیله‌ی مانومتر مخصوص و قابل اعتماد کنترل و ثبت می‌شد.
2- در دسترس بودنِ ضد عفونی کننده های دست در مجاورت تخت بیمار کنترل و ثبت می‌شد.
3- کمک پژوهشگر، دستور پزشک مبنی بر وضعیت سر تخت بیمار را از پرونده چک و اجرا شدن یا نشدن این دستور راکنترل و ثبت می‌کرد.
4- میزان تعویض فیلتر ضد باکتریِ دستگاه ونتیلاتور را طبق تاریخی که پرستار بر آن درج کرده بود، در چک لیست ثبت می نمود.
5-سه تماس پرستار با بیمار که شامل یکی از موارد دست شستن، ضدعفونی کردن دست، پوشیدن دست‌کش معاینه و یا انجام ندادن هیچ‌کدام است ، را یاداشت می‌کرد. (چنان‌چه پرستاری برای یک پروسیجر استریل، دست‌کش استریل می پوشید این مشاهده، از 3 مشاهده‌ی پرستار حذف و بعدا مشاهده جدیدی ثبت می‌شد.همچنین فقط عکس العمل پرستار قبل از تماس با بدن بیمار ،ملحفه،تخت وسایر تجهیزات بیمار یا قبل از انجام پروسیجر برای بیمار ثبت می شد و عکس العمل بعد از تماس یاداشت نمی شد ).
6- کمک پژوهشگر دهان بیمار را مشاهده می‌کرد وچنان‌چه دهان پر از ترشحات بوده یا از گوشه های لب و ایروی لبریز بود، به‌عنوان ساکشن انجام نشده پرستار ثبت می‌کرد.
پس از آنکه چک‌ لیستِ مشاهده‌ی قبل از آموزش پر شد. آموزش پرستاران توسط دانشجوی مسئول پایان نامه، به شکل کارگاه و با پرسش و پاسخ پرستاران و آموزش عملیِ چگونگی تنظیم فشار کافِ لوله‌ی نای وتراکئوستومی و در دو روز متوالی و هر روز حدود20 پرستار، برای گروه گارگاهی و طبق آخرین اصول پیش‌گیری ازVAP ارائه گردید که این آموزش شامل: شناسائی، عوامل خطر، علل ایجاد، اهمیت، میزان مرگ‌ومیر و اصول پرستاری در پیش‌گیری از VAP بود و جزییات پیرامون: شست‌شوی دست، ساکشن استریل، بالا بردن سر به میزان 30تا45 درجه ، پیش‌گیری از ترمبوز وریدهای عمقی ، پیش‌گیری از زخم‌های گوارشی، قطع وکم کردن روزانه آرامبخش ها، ارزیابی روزانه برای خارج سازی سریع‌تر لوله‌ی تراشه و بهداشت روزانه‌ی دهان با کلروهگزیدین می‌شد که بیشتر از گاید لاین پیش‌گیری ازVAP کشور ایر لند استفاده شده بود(ضمیمه د). قبل از شروع آموزش، پرسش‌نامه‌ی سنجش دانش به پرستاران ارائه و جواب ها اخذ گردید. و در همان هفته نیز آموزش گروه بعدی به روش چهره به چهره ودر گروه‌های 2الی 5 نفره و با همان محتوا انجام پذیرفت. یک هفته بعد از ارائه آموزش کارگاهی و چهره به چهره، پرسش ‌نامه‌ی سنجش دانش پرستاری مجددا و به همراه پرسش ‌نامه‌ی خودگزارش‌ دهی توسط پرستاران و در ICU ها تکمیل گردید، و یک ماه بعد از آموزش، چک لیستِ مشاهده بعد از آموزش، توسط کمک پژوهشگر مجددا برای همان پرستاران و دقیقا به‌مانند قبل از آموزش ، بعد از مشاهده آنان تکمیل گردید.ودر آخر داده‌های گردآوری شده وارد نرم افزار spss و به کارشناس آمار ارائه گردید.
3-4-3.روش تجزیه و تحلیل اطلاعاتداده ها با کمک آزمون های آماری توصیفی (میانگین و فراوانی) و تحلیلی( آزمون تیِ‌ زوجی،تیِ مستقل، مک نمار، فیشر دقیق، ساین و آزمون مجذور کای)تحلیل گردید، P value کمتر از05/ به‌عنوان اختلاف معنی داری در نظر گرفته و جهت انجام تمام تجزیه و تحلیل ها، از نرم افزار spss/19 استفاده شد.

3-4-4. حجم نمونه حجم نمونه شامل 75 پرستار بود که نمونه ها به روش سرشماریِ کل پرستارانِ شاغل در چهارICU یکی از بیمارستان های تابعه‌ی دانشگاه علوم پزشکی شیراز ،وارد مطالعه شدند وICU ها با قرعه کشی در دو گروه 35 نفره و40نفره همگن قرار گرفتند.
3-5.محدودیت‌ها
فشار کاف لوله‌های نای وتراکئوستومی که در حین اندازه گیری نامناسب و برای بیمار خطرناک بود همان موقع تصحیح می‌شد ودر شیفت های بعدی این بیمار از لیست مشاهده حذف می شد.
محدودیت بعدی حضور مشاهده گر بود که در هر حال می توانست بر عملکرد پرستار موثر باشد اگرچه سعی شد با انتخاب دو کمک پژوهش گری که بر یک طرح تحقیقاتی دیگری نیزدر همین ICU ها کار می کردند، این تاثیر به حد اقل برسد.
ومحدودیت اخر اینکه ارتباط بین گروه ها در زمان مطالعه و دریافت آموزش درطول طرح از منابع دیگر می توانست بر یافته ها موثر باشد که پژوهش گر قادر به کنترل آن نبود.
3-6.ملاحضات اخلاقی
مشاهده پرستار بدون اطلاع و اجازه او از مشکلات اخلاقی طرح بود که با در نظر گرفتن این امر، که حفظ حیات بیماران و پیش‌ گیری از ابتلای آنها به یک بیماریِ با مرگ‌ومیر بالا مهمتر است و با محرمانه بودن اطلاعات و ارائه آن‌ها با شماره‌ی پرستار و مطرح نشدن نام پرستار، نام بخش وحتی نام بیمارستان سعی شد تا اثرات این مشکل تقلیل یابد.

2272665-360680فصل چهارم
00فصل چهارم

فصل چهارمنتایج و یافته‌ها
در این فصل ابتدا به مقایسه گروه ها از نظر جنس ،سن ،مدرک تحصیلی ومیزان سابقه کار در ICU پرداخته وسپس یافته های مشاهده وخودگزارش دهی بررسی می گردد.4-1. مقایسه جنس ،سن ،مدرک تحصیلی ومیزان سابقه کار در ICU ،گروه چهره به چهره و کارگاهیدو گروه از نظر جنس، سن، مدرک تحصیلی و میزان سابقه کار در ICU تفاوت معنی داری نداشتند.قابل ذکر است، با توجه به این‌که یکی از گروه‌ها دارای دو پرسنل با مدرک کارشناسی ارشد بود برای یکسان سازیِ دو گروه، این دو نفر از مطالعه حذف گردیدند( جدول شماره4- 1،جدول شماره4- 2 و جدول شماره4- 3)
جدول شماره4- 1. مقایسه جنس گروه چهره به چهره وکارگاهیگروه جنس تعداد درصد P*
چهره به چهره مرد 4 12 P=1
زن 31 88 کارگاهی مرد 5 12 زن 35 88 * آزمون مجذورکایجدول شماره4- 2.مقایسه میانگین سن گروه چهره به چهره وکارگاهی
گروه میانگین سن انحراف معیار P*
چهره به چهره 001/4 44. 2877/0P=
کارگاهی
14/ 4 49. 28*آزمون تی تست
جدول شماره 4-3. مقایسه میانگین سابقه کار گروه چهره به چهره وکارگاهیگروه میانگین (سال)± انحراف معیار آزمون P
چهره به چهره 74/1 6/2تی
تست
(t=0/429)
(df=67) 57/0P=
کارگاهی
94/1 4/24-2. یافته ها و نتایج مشاهده4-2-1. میزان فشار کاف لوله‌های تراشه و یا تراکئوستومی بیماراندر اندازه گیری فشار کاف لوله‌های تراشه و یا تراکئوستومی از 35 بیمار در هر گروه که هر کدام متعلق به یک پرستار بود یک‌بار قبل از آموزش ویک‌بار بعد از آموزش فشار ثبت گردید. فشار 20 تا 30 سانتی متر آب طبیعی و بیشتر یا کمتر از آن غیر طبیعی محسوب گردید. فشار کاف بالاتر از 42 سانتی متر آب بعلت قطع کامل پرفیوژن آرتریول های تراشه، به‌عنوان فشار خطرناک محسوب شد ونتایج زیر حاصل شد.در مقایسه دو گروه قبل از آموزش و همچنین بعد از آموزش از آزمون فیشر دقیق استفاده شد ونتایج معنی دار نبود(P=0/69 قبل از آموزش وp=1 بعد از آموزش) واما مقایسه قبل وبعدازآموزش گروهها معنی دار بودو نتایج در(جدول شماره4-4)و(نمودار شماره 4-1 ، نمودار شماره 4-2 و نمودار شماره 4-3)آمده است.

جدول شماره 4-4.مقایسه وضعیت فشار کاف قبل بابعد از آموزش
گروه زمان وضعیت فشار کاف ها تعداد درصد P*
چهره به چهره قبل از آموزش مناسب 8 20 P=0/001
نامناسب 32 80 بعد ازآموزش مناسب 27 67.5 نامناسب 13 32.5 کارگاهی قبل از آموزش مناسب 16 40 P<0/001
نامناسب 24 60 بعد ازآموزش مناسب 34 85 نامناسب 6 15 * آزمون مک نمار

نمودار شماره4-1.مقایسه فشارکاف لوله های تراکئوستومی ونای گروه چهره به چهره
نمودار شماره 4-2. مقایسه فشارکاف لوله های تراکئوستومی ونای گروه کارگاهی
نمودار شماره 4-3. مقایسه فشارکاف های خطرناک4-2-2 نتایج آماده بودن مایع ضد عفونی کنار تخت بیمار.درمقایسه دو گروه قبل از آموزش وهمچنین بعد از آموزش از آزمون فیشر دقیق استفاده شد و تفاوت ها معنی دار نبود(P=1)، ادامه مقایسه ها در( جدول شماره 4-5)آمده است.جدول شماره 4-5. مقایسه قبل با بعد از آموزش اماده بودن مایع ضد عفونی کنار تخت بیمار.گروه زمان مشاهده آماده بودن مایع ضد عفونی در مجاورت تخت بیمار تعداد درصد P *
چهره به چهره قبل از آموزش آماده 31 88 P=0/12
غیر آماده 4 12 بعد از آموزش آماده 35 100 غیر آماده 0 0 کارگاهی قبل از آموزش آماده 31 88 P=0/37
غیر آماده 4 12 بعد از آموزش آماده 34 97 غیر آماده 1 3 * آزمون مک نمار
4-2-3. مناسب بودن وضعیت سر تخت بیمار (30 تا 45 درجه در صورت نداشتن ممنوعیت )از مشاهده‌ی تخت بیماران در دو گروه قبل از آموزش، فقط در هر گروه یک مورد تخت نامناسب بود و بعد از آموزش، در دو گروه وضعیت مناسب تخت، صد درصد رعایت شده بود. ( جدول شماره 4-6).
جدول شماره 4-6. مقایسه قبل از آموزش وهمچنین بعد از آموزش مناسب بودن وضعیت سر تخت بیمار گروه ها با یکدیگرگروه زمان مشاهده مناسب بودن سرتخت تعداد درصد P *
چهره به چهره قبل از آموزش مناسب 34 97 P=1
نامناسب 1 3 بعد از آموزش مناسب 35 100 نامناسب 0 . کارگاهی قبل از آموزش مناسب 34 97 نامناسب 1 3 بعداز آموزش مناسب 35 100 نامناسب 0 0 * آزمون فیشر دقیق4-2-4. مشاهده‌ی تعویض فیلتر ضد باکتریفیلتر ضد باکتری در بخش، طبق توصیه‌ی کارخانه وکمیته‌ی کنترل عفونت 48 ساعته تعویض می‌شد. در مشاهده‌ی فیلتر، چنان‌چه تاریخ درج شده توسط پرستار بیشتر از 48 ساعت یا تاریخ درج نشده بود، به‌عنوان نامناسب و در غیر این صورت به‌عنوان مناسب یادداشت می‌شد. درمقایسه دو گروه قبل از آموزش وهمچنین بعد از آموزش از آزمون مجذور کای استفاده شد و تفاوت ها معنی دار نبود(P=0/19 در گروه چهره به چهره وP=0/13 در گروه کارگاهی)،ادامه مقایسه ها در( جدول شماره 4-7)آمده است.
جدول شماره 4-7. مقایسه قبل با بعد از آموزش تعویض فیلتر ضد باکتریگروه زمان مشاهده وضعیت فیلتر ضد باکتری تعداد درصد P*
چهره به چهره قبل از آموزش مناسب 23 65.7 P=0/1
نامناسب 12 34.3 بعد از آموزش مناسب 29 82.9 نامناسب 6 17.1 کارگاهی قبل از آموزش مناسب 18 51.4 P=0/039
نامناسب 17 48.6 بعداز آموزش مناسب 26 74.3 نامناسب 9 25.7 * آزمون مک نمار
4-2-5. مشاهده‌ی پوشیدن دست‌کش معاینه، شستن دست و یا ضدعفونی دست‌ها.تماس پرستار با بیمار وانجام پروسیجر بیمار به‌جز مواردی که احتیاج به دست‌کش استریل داشت در این قسمت مشاهده گردید و به‌صورت، پوشیدن دست‌کش معاینه، شستن دست، ضدعفونی کردن دست و یا هیچکاری نکردن ثبت گردید. درمقایسه دو گروه قبل از آموزش وهمچنین بعد از آموزش از آزمون مجذور کای استفاده شد و تفاوت ها معنی دار نبود(P=0/78 در گروه چهره به چهره وP=0/88 در گروه کارگاهی)،ادامه مقایسه ها در( جدول شماره 4-8)آمده است.

جدول شماره 4-8. مقایسه قبل با بعد از آموزش درصد پوشیدن دستکش معاینه ،شستن دست ویا ضدعفونی دستها.گروه زمان مشاهده عکس‌العمل در تماس با بیمار تعداد درصد P*
چهره به چهره قبل از آموزش پوشیدن دست‌کش معاینه 3 5/8 P=0/68
ضدعفونی یا شستن دست 1 8/2 هیچکاری نکردن 31 7/88 بعد از آموزش پوشیدن دست‌کش معاینه 4 5/11 ضدعفونی یا شستن دست 2 7/5 هیچکاری نکردن 29 8/82 کارگاهی قبل از آموزش پوشیدن دست‌کش معاینه 4 5/11 P=0/75
ضدعفونی یا شستن دست 1 8/2 هیچکاری نکردن 30 7/85 بعد از آموزش پوشیدن دست‌کش معاینه 5 2/14 ضدعفونی یا شستن دست 2 7/5 هیچکاری نکردن 28 1/80 * آزمون ساین4-2-6. مشاهده‌ی ساکشن انجام نشده پرستار.درمقایسه دو گروه قبل از آموزش وهمچنین بعد از آموزش از آزمون فیشر دقیق استفاده شد و تفاوت ها معنی دار نبود(P=1 در گروه چهره به چهره وP=0/11 در گروه کارگاهی)، در حالی که مقایسه قبل با بعد از آموزش گروه ها معنی دار بود.ادامه مقایسه ها در( جدول شماره 4-9) و(نمودار شماره 4-4و4-5)آمده است.
جدول شماره 4-9. مقایسه قبل با بعد از آموزش ساکشن انجام نشده پرستارگروه زمان مشاهده ساکشن تعداد درصد P*
چهره به چهره قبل از آموزش انجام نشده 10 5/28 P=0/008
انجام شده 25 5/71 بعد از آموزش انجام نشده 2 7/5 انجام شده 33 3/94 کارگاهی قبل از آموزش انجام نشده 12 2/34 P=0/002
انجام شده 23 8/65 بعداز آموزش انجام نشده 2 7/5 انجام شده 33 3/94 * آزمون مک نمار

نمودار شماره 4-4. مقایسه میزان ساکشن انجام نشده پرستار گروه چهره به چهره
نمودار شماره 4-5. مقایسه میزان ساکشن انجام نشده پرستار گروه کارگاهی4-3. یافته ها و نتایج خودگزارش‌دهیدر این قسمت میزان پاسخ پرستاران به گزینه های سوالات خودگزارش دهی در جدول بعد از هر سوال آمده است.
4-3-1. سوالات عمومی در ارتباط با روتین بخش‌ها1-آیا یک پروتوکل نوشته شده(مدون) دربخش ICU شما در مورد پیش‌گیری از VAP وجود دارد؟
جدول شماره4-10.پاسخ سوال1خودگزارش دهیگروه گزینه تعداد
پاسخ درصد
پاسخ
گروه چهره به چهره(34 پرستار) بلی 15 44%
خیر 19 56%
گروه کارگاهی(38 پرستار) بلی 23 60%
خیر 15 40%
2-آیا یک پروتوکل نوشته شده(مدون) دربخش ICU شما در مورد مراقبت های بهداشتی دهان وجود دارد؟
جدول شماره4-11. پاسخ سوال 2 خودگزارش دهیگروه تعداد کل گزینه تعداد درصد
چهره به چهره 35 بلی 20 57%
خیر 15 43%
کارگاهی 40 بلی 31 77%
خیر 9 23%
3-دفعات مسواک کردن دهان بیمار در بخش شما در 24 ساعت چند بار است ؟
جدول شماره4-12. پاسخ سوال 3 خودگزارش دهیگروه تعدادکل گزینه تعداد درصد
چهره به چهره 34 4 بار 1 3%
3 بار 22 65%
2 بار 8 23%
1بار 3 9%
کارگاهی 38 4 بار 2 5%
3 بار 33 87%
2 بار 2 5%
1بار 1 3%
4-دفعات دهان‌شویه بیمار با کلرو هگزیدین در بخش شما در 24 ساعت چند بار است ؟
جدول شماره4-13. پاسخ سوال 4 خودگزارش دهیگروه کل جواب تعداد درصد
چهره به چهره 35 4بار 3 8%
3بار 28 80%
2بار 0 0%
1بار 4 12%
کارگاهی 37 4بار 4 11%
3بار 30 81%
2بار 3 8%
1بار 0 0%
5- نوع مرطوب‌کننده‌ی راه‌های هوایی که در بخش شما استفاده می‌شود کدام است ؟
جدول شماره4-14. پاسخ سوال 5 خودگزارش دهیگروه گزینه تعداد درصد
چهره به چهره
33نفر سیستم مرطوب‌کننده‌های گرمایی 3 10%
فیلتر مخصوص حفظ گرما ورطوبت 10 30%
هردو نوع 20 60%
کارگاهی
35نفر سیستم مرطوب‌کننده‌های گرمایی 3 9%
فیلتر مخصوص حفظ گرما ورطوبت 11 31%
هردو نوع 21 60%
4-3-2. نتایج عملکرد شخصی پرستارانچنان‌چه بیمار شما در ICU احتیاج به مراقبت پیش‌گیری ازپنومونی وابسته به ونتیلاتور داشته باشد (دارای لوله‌ی تراشه یا تراکئوستومی )، در این زمینه عملکرد خود را گزارش فر مایید.
6-شستن دست قبل از تماس با بیمار یا ضدعفونی انرا.. ....
جدول شماره 4-15. پاسخ سوال 6 خودگزارش‌دهیگروه گزینه تعداد درصد
چهره به چهره(31 پرستار) همیشه انجام می دهم 23 74%
اکثر اوقات انجام می دهم 8 26%
بندرت انجام می دهم 0 0%
هیچ وقت انجام نمی دهم 0 0%
کارگاهی(38پرستار) همیشه انجام می دهم 31 81%
اکثر اوقات انجام می دهم 7 19%
بندرت انجام می دهم 0 0%
هیچ وقت انجام نمی دهم 0 0%

7-برای انجام امور بهداشتی دهان بیمار.. ........
جدول شماره 4-16. پاسخ سوال 7 خودگزارش دهیگروه گزینه تعداد درصد
چهره به چهره
(34 پرستار) همیشه دست‌کش می پوشم 32 94%
اکثراوقات دست‌کش می پوشم 2 6%
بندرت دست‌کش می پوشم 0 0%
هیچ وقت دست‌کش نمی پوشم 0 0%
کارگاهی(37پرستار) همیشه دست‌کش می پوشم 34 91%


اکثراوقات دست‌کش می پوشم 3 9%
بندرت دست‌کش می پوشم 0 0%
هیچ وقت دست‌کش نمی پوشم 0 0%
8-قبل از خارج ساختن لوله‌ی نای، جابه‌جایی یا خالی کردن کاف آن، ساکشن ته حلق واطراف لوله‌ی نای را.. ......
جدول شماره 4-17. پاسخ سوال 8 خودگزارش دهیگروه و
تعدادکل پرستاران پاسخ داده گزینه ها تعداد ودرصد پاسخ داده به این گزینه
تعداد درصد
چهره به چهره(34 پرستار) همیشه انجام می دهم 32 94%
اکثر اوقات انجام می دهم 2 6%
بندرت انجام می دهم 0 0%
هیچ وقت انجام نمی دهم 0 0%
کارگاهی(37پرستار) همیشه انجام می دهم 34 91%
اکثر اوقات انجام می دهم 3 9%
بندرت انجام می دهم 0 0%
هیچ وقت انجام نمی دهم 0 0%

4-چنان‌چه بیمارم منعی برای بالا بودن سر تخت نداشته باشد، قراردادن سر تخت بیمار دروضعیت 30 تا45 درجه بالاتر را.. ..
جدول شماره 4-18. پاسخ سوال 9 خودگزارش دهیگروه و
تعدادکل پرستاران پاسخ داده گزینه ها تعداد ودرصد پاسخ داده به این گزینه
تعداد درصد
چهره به چهره(33 پرستار) همیشه انجام می دهم 29 88%
اکثر اوقات انجام می دهم 4 12%
بندرت انجام می دهم 0 0%
هیچ وقت انجام نمی دهم 0 0%
کارگاهی(39پرستار) همیشه انجام می دهم 32 82%
اکثر اوقات انجام می دهم 7 18%
بندرت انجام می دهم 0 0%
هیچ وقت انجام نمی دهم 0 0
10-تعویض کاتتر ساکشن لوله‌ی نای راچگونه انجام می دهید؟
جدول شماره 4-19. پاسخ سوال 10 خودگزارش دهیگروه و
تعدادکل پرستاران پاسخ داده گزینه ها تعداد ودرصد پاسخ داده به این گزینه
تعداد درصد
چهره به چهره(35 پرستار) هربار ساکشن یک کاتتر جدید 35 100%
هرشش ساعت یک کاتتر 0 0%
هردوازده ساعت یک کاتتر 0 0%
هر24ساعت یک کاتتر باشد 0 0%
کارگاهی(39پرستار) هربار ساکشن یک کاتتر جدید 39 100%
هرشش ساعت یک کاتتر 0 0%
هردوازده ساعت یک کاتتر 0 0%
هر24ساعت یک کاتتر باشد 0 0%
11- روشی که عموما شما در بخش برای ساکشن کردن استفاده می‌کنید کدام است ؟
جدول شماره 4-20. پاسخ سوال 11 خودگزارش دهیگروه و
تعدادکل پرستاران پاسخ داده گزینه ها تعداد ودرصد پاسخ داده به این گزینه
تعداد درصد
چهره به چهره(35 پرستار) روش باز 24 68%
روش بسته 9 26%
هر دو روش استفاده می‌شود 2 6%
کارگاهی(35پرستار) روش باز 22 63%
روش بسته 8 23%
هر دو روش استفاده می‌شود 5 14%
12- لوله‌های خرطومی ونتیلاتور را چگونه تعویض می‌کنید ؟
جدول شماره 4-21. پاسخ سوال 12 خودگزارش دهیگروه و
تعدادکل پرستاران پاسخ داده گزینه ها تعداد ودرصد پاسخ داده به این گزینه
تعداد درصد
چهره به چهره(35 پرستار) هر48ساعت یک‌بار 2 6%
هرهفته یک‌بار 0 0%
هربیمارجدید و
هرموقع از نظر بالینی لازم باشد 33 94%
کارگاهی(37پرستار) هر48ساعت یک‌بار 2 6%
هرهفته یک‌بار 0 0%
هربیمارجدید و
هرموقع از نظر بالینی لازم باشد 35 94%

13-به چه میزان از مرطوب‌کننده راه‌های هوایی استفاده می‌کنید ؟
جدول شماره 4-22. پاسخ سوال 13 خودگزارش دهیگروه و
تعدادکل پرستاران پاسخ داده گزینه ها تعداد ودرصد پاسخ داده به این گزینه
تعداد درصد
چهره به چهره(31 پرستار) همیشه 18 58%
اکثر اوقات 13 42%
بند رت 0 0%
هیچ وقت استفاده نمی کنم 0 0%
کارگاهی(38پرستار) همیشه 15 40%
اکثر اوقات 21 55%
بند رت 2 5%
هیچ وقت استفاده نمی کنم 0 0%
4-4.نتایج دانش پرستاردر مقایسه دو گروه قبل از آموزش وهمچنین بعد از آموزش ازآزمون تی مستقل استفاده شد ونتایج معنی دار نبود(P=0/97 در گروه چهره به چهره و P=0/92 درگروه کارگاهی )،در حالیکه مقایسه قبل با بعد از آموزش گروه ها معنی دار بود(جدول شماره4-23 ) و (نمودار شماره 4-6)

جدول شماره4-23. مقایسه قبل با بعد از آموزش میانگین وانحراف معیاردانش پرستاران
گروه زمان میانگین ± انحراف معیار P*
چهره به چهره قبل از آموزش 7/14 ± 17/36 P < 0/001
بعد از آموزش 79/7 ± 82/93 کارگاهی قبل از آموزش 56/14 ± 28/36 P < 0/001
بعد از آموزش 35/ 7 ± 94 * آزمون تی جفتی
نمودار شماره4-6.مقایسه قبل با بعد ازآموزش دانش پرستاران2298700-1049655فصل پنجم
00فصل پنجم
فصل پنجمبحث ونتیجه گیری
در این پژوهش، ابتدا بعضی از مهمترین عواملی را که در پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور نقش داشته و به‌طور مستقیم با عملکرد پرستاران مرتبط بود، در ICU های مورد مطالعه و با استفاده از روش‌های خودگزارش‌دهی، سنجش دانش و مشاهده‌ی عملکرد پرستاران جمع‌آوری شد و بعد از آموزش به دو روشِ چهره به چهره وکارگاهی، مجددا با روش‌های ذکر شده پرستاران ارزیابی شدند، در حالی‌که در مطالعه قندیل و طنطاوی در مصر که بر روی 150 پرستار از 6 ICU مختلف با استفاده از دو ابزار پرسش‌نامه‌ی خودگزارش‌دهی وچک لیست مشاهده، انجام گردیده بود، اطلاعات مربوط به پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور توسط پرستار با دو ابزار فوق در یک مقطع زمانی جمع‌آوری و6 ICU با هم مقایسه شده بودند. در این مطالعه دانش پرستار لحاظ نشده بود و آموزشی نیز وجود نداشت. ولی اطلاعات گردآوری شده می توانست در برنامه‌ریزی در پیش‌گیری از VAP موثر باشد.
در این قسمت به بحث در مورد جزئیاتِ نتایجِ به‌دست امده در پژوهشِ حاضر می پردازیم:
5-1. مشاهده 5-1-1. فشار کاف‌های لوله‌ی نای یا تراکئوستومیمشاهدات نشان داد که، فشار کاف‌ها که باید هر 8 ساعت یک‌بار کنترل شود، فقط یک ‌بار در 24 ساعت کنترل می‌شد و علاوه بر آن، فشار کاف‌ها بسیار بالاتر از میزان طبیعی آن بود. در این میان بیماران بخش های دیگر مثل اتاق‌عمل یا اورژانس که به ICU منتقل می‌شدند، اکثرا فشار کاف‌هایشان بالاتر از میزان استاندارد بود. در مورد کنترل فشار کاف‌ها، آموزش پرسنل موفقیت‌آمیز بود و با همکاری مسئولین، تنظیم کاف‌ها به‌صورت 8 ساعته انجام شد. اگرچه در ابتدای تنظیم فشارها توسط پرسنل، با کاهش بیش از اندازه (کمتر از 20 سانتی متر اب ) در بعضی موارد مواجه بودیم ولی این مشکل با آموزش و تمرین مجدد پرسنل حل گردید . در مطالعه‌ی مارتین و همکاران که در برزیل با عنوان تاثیر آموزش بر فشار کاف‌ها در بخش مراقبت های ویژه انجام شده بود، 6/11 درصد از بیمارانِ دارای لوله‌ی نای قبل از آموزش، فشارکاف نامناسب داشتند، درحالی‌که بعد از آموزش به 6/5 درصد کاهش یافته بود. ولی در مطالعه‌ی ما متوسط کاف‌هائی که فشارشان نامناسب بود در دو گروه قبل از آموزش 70 درصد بود درحالی‌که بعد از آموزش به7/23 درصد کاهش پیدا کرد. و این به این معنی است که در ICU های مورد مطالعه ما حدود7 برابر بیشتر از ICU های مورد مطالعه برزیل فشار کاف‌ها نامناسب و خطر ناک است.
5-1-2. ضد عفونی وشستن دست
انجام این مهم یعنی همان شستن دست و ضدعفونی، که یکی از مهمترین عوامل کنترل عفونت و پیش‌گیری از پنومونیِ وابسته به ونتیلاتور است، درپرسنلِ مورد مطالعه‌ی ما قبل از آموزش بسیار ناچیز بود (حدود8/2% ). وبعد از آموزش نیزاگرچه افزایش پیدا نمود ولی تغییرات آن معنی دار نبود(حدود7/5%).با توجه به اظهار نظر مسئولین کنترل عفونت بیمارستان مبنی بر اینکه آموزش روش دست شستن وضد عفونی دست واهمیت بالینی آن در کنترل عفونت بارها ارائه گردیده است وپرستاران در این رابطه اطلاعات کافی دارند، شاید بتوان دلیل عدم نتیجه گیری مطلوب این مورد را به علل زیر نسبت داد:باور ونگرش منفی پرستاران در این مورد، حجم زیاد کار پرستار وداشتن بیش از یک بیمار در ICU (ICU های مورد مطالعه‌ی این پژوهش به این شکل اداره می‌شد)، بی انگیزگی پرستار در مراقبت از بیمار به‌علل حقوق و مزایای پایین، عدم کنترل کافی مسئولینِ پرستاری وکنترل عفونت،کمبود وسایل و لوازم مورد نیاز ، کمبود روشوئی وفاصله زیاد انها تا تخت بیماران و...
5-1-3. آماده بودن مایع ضدعفونی ومناسب بودن سرتخت بیمار
بالا بودن سر تخت درصورت نداشتن ممنوعیت به میزان 30 تا 45 درجه و آماده بودن مایع ضدعفونی در مجاورت تخت بیمار در این پژوهش، هم قبل از آموزش و هم بعد از آن، توسط دو گروه به‌خوبی رعایت می‌شد و در این زمینه مشکلی مشاهده نشد.
5-1-4. تعویض فیلتر ضد باکتریدرمورد تعویض به‌موقع فیلتر ضد باکتری که طبق دستورالعمل کارخانه‌ی سازنده، هر48 ساعت یک‌بار تعویض می گردید، بعد از آموزشِ ما در دو گروه، شاهدِ بهبودی نسبی تعویض به‌موقع بودیم ولی فقط در گروه کارگاهی معنی دار بود.
5-1-5. ساکشن انجام نشده‌ی پرستاراز آن‌جایی که علت اصلی ایجاد پنومونیِ وابسته به ونتیلاتور، آسپیراسیون و میکروآسپیراسیونِ ترشحات حلق ، دهان و معده است، در ارزیابی و مقایسه‌ی میزان ساکشن انجام نشده‌ی پرستار قبل و بعد از آموزش، ساکشن های انجام نشده بعداز آموزش کاهش چشمگیر داشت؛ که دلیل آنرا می توان در اطلاعات ناکافی پرستاران ، قبل از آموزش در این مورد و تاکید زیاد پژوهش ‌گر حین آموزش‌ها به تاثیر انجام ساکشن ها در پیش‌گیری از آسپیراسیون ونهایتا پیشگیری از VAP ، جستجو کرد .
5-2. خودگزارش دهی
فرم خودگزارش دهی که توسط پرستاران یک هفته بعد از آموزش تکمیل گردید، حاوی نکات زیر بود:
اکثر پرستاران در دوگروه اعلام داشتند که در یک دوره‌ی 24 ساعته، بیماران 3 بار دهان شویه با کلروهگزیدین گرفته و3 بار مسواک می شوندو همچنین اکثر آن‌ها اعلام کرده اند که برای امور بهداشتیِ دهان بیمار، همیشه دست‌کش می پوشند و قبل از خارج سازی لوله‌ی نای، ته حلق را ساکشن می‌کنند و بالا گذاشتن سرتخت به میزان 30 تا 45 درجه را درصورت نداشتن ممنوعیت انجام می دهند در حالیکه در پژوهش مشابه آن که در مصر توسط قندیل وهمکاران انجام گردیده بود کمتر از 50% پرستاران به سه سوال آخر جواب مثبت داده بودند.
5-3. دانش پرستاران در پیش‌گیری از VAP
در پژوهش مهر علی و همکاران که در باره‌ی میزان دانش مبتنی بر شواهد پرستاران در پیش‌گیری از پنومونیِ وابسته به ونتیلاتور قبل و بعد از آموزش انجام شده بود، دانش پرستار با ابزار پرسش‌نامه ، یک‌بار قبل از آموزش، بار دوم دقیقا بعد از آن سنجیده شده بود. ولی در پژوهش حاضر، برای ارزیابی هرچه بهترِ آموزشِ داده شده در حافظه‌ی دراز مدت پرستاران، این پرسش‌نامه‌ها یک هفته بعد از آموزش تحویل داده شد و دانش پرستاران در پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتورارزیابی گردید و دانش پرستاران در دو گروه در قبل از آموزش با بعد از آن تغییر چشمگیری داشت. (نمودار شماره 4- 6)
5-4. مقایسه‌ی قبل با بعد آموزشِ هر گروهدر مقایسه‌ی قبل با بعد هر گروه به‌طور جداگانه، همان‌طور که ذکر گردید در بعد از آموزش موفقیت چشمگیری در موارد زیر مشاهده شد: کاهش درصد فشارهای‌ نامناسب وخطر ناک کاف ، کاهش ساکشن‌های انجام نشده، افزایش تعویض فیلتر ضد باکتری و افزایش دانش پرستار.
برخی موارد مورد مطالعه، هم قبل و هم بعد از آموزش مناسب بود مانند: آماده بودن مایع ضد عفونی در مجاورت تخت بیمار و مناسب بودن سر تخت.
ولی در بعضی موارد دیگر، هم قبل از آموزش ضعف مشاهده شد و هم بعد ازآموزش نیز تغییری معنی داری نداشت؛ مانند: دست شستن و ضدعفونی کردن دست.

5-5. مقایسه‌ی گروه چهره به چهره با کارگاهی
اگرچه آموزش به روش چهره به چهره وکارگاهی بر اکثر متغییرهای مورد مطالعه در پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور موثر بود ولی در مقایسه‌ی دو گروه با یک‌دیگر در قبل از آموزش و همچنین بعد از آن، تفاوت معنی داری مشاهده نشد که این می‌تواند به‌علت ماهیت آموزش در این دو روش باشد که با هم تفاوت آن‌چنانی نداشت. چرا که محتوای آموزش در آموزش کارگاهی و چهره به چهره یکی و فقط تعداد افراد در گروه کارگاهی بیشتر بودند؛ در نتیجه زمان بیشتری نیز برای بحث در گروه کارگاهی صرف ، ولی در گروه چهره به چهره به‌علت تعداد کمتر، زمان کم‌تری نیز گرفته می‌شد.
5-6.نتیجه گیری
پایش و ارزیابی بخش مراقبت های ویژه از نظر میزان رعایت اصول پیش‌گیری از پنومونیِ وابسته به ونتیلاتور، امری ضروری و آموزش پرستاران در جهت پیش‌گیری از این بیماری بسیار موثر است و در این میان، بررسی فشار کاف‌ها، دست شستن و ضدعفونی کردن دست‌ها و ساکشن های انجام نشده، توجهی ویژه را می طلبد.
5-7. کاربرد پ‍‍‍ژوهش در حرفه‌ی پرستاریاولین دست‌آورد این پژوهش آن است که ICU ها احتیاج به پایشِ منظم عملکردِ پرسنل، به‌خصوص پرسنل پرستاری به‌خاطر ارتباط تنگاتنگ و موثرشان با بیماران را دارد، تا به این وسیله از میزان اجرای استانداردهای مراقبت‌های پرستاری توسط پرسنل اطمینان حاصل کرده وکاستی ها و مشکلات را با آموزشِ موثر بهبود بخشیم.
فشار کاف‌های لوله‌ی نای و تراکئوستومی در بیماران ICU باید بیش از پیش پایش شوند، پر کردن کاف‌ها بدون مانومترِ مخصوص، معمولا به فشار غیر مجاز کاف منجر می شود و این مشکل، علاوه بر درگیری اغلب ICU ها شامل اتاق‌های عمل و اورژانس‌ها و سایر بخش‌ها نیز می گردد که لازم است مسئولین علاوه بر فراهم نمودن مانومتر مخصوص برای تمام بخش ها، آموزش لازم را نیز به پرستاران ارائه نمایند.
این پژوهش نشان داد که به شستن دست و ضدعفونی آن که مهمترین عامل در پیشگیری از انتقال میکروارگانیسم ها است،کم توجهی می‌شود .پس لازم و حیاتی است که مسئولینِ مربوط، به گونه ای برنامه‌ریزی نمایند تا پذیرش این امر توسط پرسنل افزایش یابد.
5-8.پیشنهادات جهت پژوهش‌های آیندهبررسی تاثیر آموزش پرستاران بر بروز VAP در ICU
مقایسه تاثیر آموزش به روش فعال و غیر فعال بر عملکرد پرستاران در پیشگیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور
مقایسه‌ی تاثیر آموزش حضوری و غیرحضوری بر عملکرد پرستاران در پیشگیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور
مقایسه‌ی تاثیر آموزش به روش الکترونیکی و حضوری بر عملکرد پرستاران در پیشگیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور
بررسی میزان نامناسب بودن فشار کاف لوله‌های نای وتراکئوستومی در ICU، اتاق‌های عمل و بخش‌های اورژانس
بررسی علل کاهش پذیرش دست شستن وضدعفونی دست توسط پرسنل پرستاری.
بررسی میزان اجرای ساکشن استریل در بخش مراقبت های ویژه.
بررسی موانع بکارگیری راهنمای بالینی پیشگیری از بیماری ها از دیدگاه پرستاران.

23215601112520فهرست منابع
00فهرست منابع
فهرست منابع منابع1- مارینو پ. کتاب کامل ICU.مترجم: پوران سامی.چاپ چهارم، تهران،انتشارات بشری، 1390،ص 429-421.
2-چولای م. ‌برنز س. ضروریات پرستاری مراقبت های ویژه. مترجم: شوریده آتش زاده، چاپ اول، تهران،انتشارات جامعه‌نگر ،1390.ص 269-267.
3- Pobo A, García-Esquirol O, Mariscal D, Real J, Vallés J, Fernández R. Excess ICU mortality attributable to ventilator-associated pneumonia: the role of early vs late onset. Intensive Care Med 2008;33(8):1363–1368.
4- Mcnabb B, Isakow W. probiotics for the prevention of nosocomial pneumonia:current evidence and opinions. Curr Opin Pulm Med 2008; 14:168-175.
5- سلیمی ص.ارزیابی اثر استاندارد سازی مراقبتهای پرستاری بر میزان عفونت‌های بیمارستانی در بخش MICU. مجله پزشکی ارومیه 1387; 4 (19):ص 310
6- Jacobi C, Schulz C, Mal Fertheiner P, Treating critically ill patients with probiotics Beneficial or dangerous?. Gut pathogens 2011,3:2 oi:10.1186/1757-4749-3-2
7-Restrepo M, Anzueto A, Arrogliga A. Economic burden of
ventilator-associated pneumonia based on total resource utilization. Infect Control Hosp Epidemiol 2010;31: 509–515.
8-Sedwick M , Smith M, Sara J, Nardi J. Using Evidence-Based Practice to Prevent Ventilator-Associated Pneumonia. Crit Care Nurse 2012;32:441-51
9- Meherali S, Parpio Y, Tazeen S. nurses, knowledge evidence based Guidelines for the prevention of ventilator associated pneumonia in critical care areas:a pre and post design. J Ayub Med Coll Abbottabad 2011;23(1): 146-149
10- Renata DE, Martin P .Cuff pressure control in intensive care unit: training effects. Rev. bras. ter 2010;22(2):192-195
11- خراسانی پ ، سعیدالذاکرین م. روش تدریس فعال و اثربخش با نقشه مفهومی .نشریه سبز 1388;شماره 10
12-Buczk. Ventilator-associated pneumonia among elderly Medicare beneficiaries in long-term care hospitals. Health Care Financ Rev 2009;31(1):1–10.
13-افخم زاده ع،لاهور پور ف،دل پیشه ع. بررسی میزان بروز پنومونی وابسته به ونتیلاتور و الگوی مقاومت باکتریایی آن در بخش مراقبت های ویژه بزرگسالان بیمارستان بعثت سنندج. مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی کردستان1390 ;دوره شانزدهم:ص 26-20
14- نادی ا،نکویی ب، مبین ا. بررسی علل پنومونی های بیمارستانی در بخش های مراقبت ویژه بیمارستانهای آموزشی دانشگاه علوم پزشکی همدان. مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی درمانی همدان 1390; دوره هجدهم، شماره 59 :ص 16-11.
15-Torpy JM , Lynm C , Glass RM Ventilator-associated pneumonia . JAMA 2008;300 (7):864.
16- SARI working group. Guidelines for the prevention of ventilator associated pneumonia in adults in Ireland [internet]. 2011 February [cited 2013 ,6,13]. Availabel from: http: //www.hpsc.ie
17-نیک روان مفرد م،شیری ح.اصول مراقبت های ویژه در ICU ، CCU ودیالیز،چاپ سوم،تهران ،انتشارات نور دانش،1387،ص 280-259
18-WHO Guidelines on Hand Hygiene in Health Care:First Global Patient Safety,Challenge Clean Care is Safer Care.World Health Organization &World Alliance for Patient Safety[internet]. 2009 February [cited 2014 .1.2]. Availabel from:www.cdc.gov/handhygiene .
19-Metheny N, Clouse R, Chang U, Stewart B, Tracheobronchial aspiration of gastric contents in critically ill tube-fed patients: frequency, outcomes, and risks. Crit Care Med 2006;34(4):1007–101
20-Chan E, Ruest A, Meade MO, Cook DJ. Oral decontamination for prevention of pneumonia in mechanically ventilated adults: sys--atic review and meta-analysis. BMJ 2007;334:889.
21-Trick WE, Vernon MO, Welbel SF, Demarais P, Hayden MK, Weinstein RA. Multicenter intervention program to increase adherence to hand hygiene recommendations and glove use and to reduce the incidence of antimicrobial resistance. Infect Control Hosp Epidemiol 2007;28(1):42–49.
22-Resar R, Pronovost P, Ha--en C, Simmonds T, Rainey T, Nolan T. Using a bundle approach to improve ventilator care process and reduce ventilator-associated pneumonia. Jt Comm J Qual Patient Saf 2005;31(5):243–248.
23-Cason C, Tyner T, Sunder S, Broome L. Nurses’ implementation of guidelines for ventilator-associated pneumonia from the Centers for Disease Control and Prevention. Am J Crit Care 2007;16(1):28–36
24-حسن پور دهکردی ع، خیری س، شهرانی م. بررسی تأثیر آموزش به روش یادگیری بر اساس حل مشکل و سخنرانی بر یادگیری، نگرش و عملکرد دانشجویان کارشناسی پرستاری. مجله دانشگاه علوم پزشکی شهرکرد1385; 8 (3): 82-76
25- Kandeel N , Tantawy N. Current Nursing Practice for Prevention of Ventilator Associated Pneumonia in ICUs. Life science journal 2012 ;9(3):966-75
26- Carolyn L, Tyner T, Saunders S, Broom L. Nurses' Implementation of Guidelines for Ventilator-Associated Pneumonia From the Centers for Disease Control and Prevention. American Journal of Critical Care 2007 ;16: 28-37

2264410-360680ضمائم
00ضمائم

ضمائمضمیمه الف
فرم مشاهده عملکرد
شماره
مشاهده شونده دست‌ها(ضدعفونی-شستن دستها پوشیدن دست‌کش معاینه–هیچکاری نکردن –) ساکشن انجام نشده (بلی –خیر) میزان فشار کاف (سانتی متر اب) وضعیت مناسب سر تخت (بلی –خیر) فیلتر ضد باکتری(تاریخ نگذشته-تاریخ گذشته-بدون تاریخ) آماده بودن مایع ضدعفونی (بلی-خیر)
1-
2-
3- 1-
2-
3- 1-
2-
3- 1-
2-
3- ضمیمه ب.
فرم خودگزارش‌دهی
بسم ا.. الرحمن الرحیم
پرسش‌نامه‌ی خودگزارش‌دهی پرستار در پیش‌گیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور(VAP)
همکار گرامی این پرسش‌نامه بدون نام پرستار بوده واز چندین ICU مختلف جهت انجام یک پژوهش گردآوری می گردد، وپاسخ شما به‌عنوان شخص خاص یا حتی ICU خاصی مطرح نمی گردد، لذا خواهشمندیم عملکرد خود را بدقت وبدون هیچ نگرانی گزارش فرمایید. باتشکر
سابقه کار شما در ICU : سال ماه
تحصیلات:

–15

2- اصل رعایت حقوق: التزام به رعایت کامل حقوق پژوهشگران و پژوهیدگان (انسان، حیوان و نبات) و سایر صاحبان حق
3- اصل مالکیت مادی و معنوی: تعهد به رعایت کامل حقوق مادی و معنوی دانشگاه و کلیه همکاران پژوهش
4- اصل منافع ملی: تعهد به رعایت مصالح ملی و در نظر داشتن پیشبرد و توسعه کشور در کلیه مراحل پژوهش
5- اصل رعایت انصاف و امانت: تعهد به اجتناب از هرگونه جانب داری غیر علمی و حفاظت از اموال، تجهیزات و منابع در اختیار
6- اصل رازداری: تعهد به صیانت از اسرار و اطلاعات محرمانه افراد، سازمان‌ها و کشور و کلیه افراد و نهادهای مرتبط با تحقیق
7- اصل احترام: تعهد به رعایت حریم‌ها و حرمت‌ها در انجام تحقیقات و رعایت جانب نقد و خودداری از هرگونه حرمت شکنی
8- اصل ترویج : تعهد به رواج دانش و اشاعه نتایج تحقیقات و انتقال آن به همکاران علمی و دانشجویان به غیر از مواردی که منع قانونی دارد.
9- اصل برائت: التزام به برائت جویی از هرگونه رفتار غیرحرفه‌ای و اعلام موضع نسبت به کسانی که حوزه علم و پژوهش را به شائبه‌های غیرعلمی می‌آلایند.

تقدیم به:
زیبا ترین واژه های هستی ام پـدر و مـادرم
و خواهر مهربانم

با تشکر از اساتید گرامی
دکتر محمد علی رهگذر
دکتر محسن ابوطالبی
مهندس کیوان مصیبی
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده1
فصل اول « کلیات »
1-1 مقدمه3
1-2 بیان مسئله4
1-3 هدف از تحقیق5
1-4- متدلوژی تحقیق5
فصل دوم « ادبیات تاریخچه »
2-1 مقدمه 7
2-1-1 پایداری 7
2-1-2 جا به جایی های زمین و اثرات آن 9
2-1-3 کارائی سیستم نگهدارنده و پوشش دائمی 9
2-2 روش های تحلیل پوشش9
2-2-1 بارهای وارد بر پوشش تونل 9
2-2-1-1 فشار زمین 10
2-2-1-2 فشار آب 13
2-2-1-3 بار مرده 13
2-2-1-4 سربار 14
2-2-1-5 واکنش بستر 14
2-2-1-6 اثر زلزله15
2-3 تئوریهای تخمین مقدار بار وارد بر پوشش 17
2-3-1 تئوری ترزاقی 18
2-2-2 تئوری بلا (balla-1961) 21
فصل سوم « معادلات تعادل و حل آنها »
3-1 معادله اساسی رفتار دینامیکی25
3-2 حل معادلات دینامیکی تعادل27
3-2-1- بکار بستن طرح انتگرال در Plaxis28
فصل چهارم « مدل‌سازی عددی، ارائه نتایج، نتیجه گیری و طراحی»
4-1 مشخصات هندسی مدل33
4-2 مشخصات مصالح34
4-3 مشبندی مدل34
4-4 فازبندی و محاسبات36
4-4-1 فاز اول: محاسبه تنشهای برجا37
4-4-2 فاز دوم: حفاری تونل و نصب همزمان پوششها38
4-4-3 فاز سوم: محاسبه نیروی ایجاد شده در پوشش در اثر فشار خاک اطراف تونل39
4-4-4 فاز دوم: اعمال شتاب زلزله به سنگ بستر و محاسبه نیروها و تغییرشکل های ایجاد شده در تونل و خاک اطراف40
فصل پنجم « بحث و نتیجه‌گیری »
5-1 ارائه نتایج و مقایسه43
5-2 نیروهای ایجاد شده در پوشش تونل44
5-2-1بررسی نوع خاک و نوع زلزله و فاصله سنگ بستر تاتونل در نیروهای داخلی پوشش‌ها46
5-2-2 طراحی پوشش های تونل48
5-2-3 جابه جایی ایجاد شده در سطح خاک و المان های پوشش تونل51
5-2-4 بررسی تراکم خاک ماسه‌ای و نوع زلزله و فاصله سنگ بستر تاتونل در تاریخچه جا‌به‌جایی 52
5-2-4-1 بررسی میزان تحکیم خاک رسی و نوع زلزله و فاصله سنگ بستر تاتونل در تاریخچه جا‌به‌جایی 60
منابع69

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1) مقادیر FH و FB و FC براساس Ф 22
جدول 4-1) مشخصات هندسی مدل33
جدول 4-2) مشخصات کامل مصالح خاکی34
جدول 4-3) مقادیر nc جهت مش بندی35
جدول 5-1) مشخصات تونل های مدل سازی شده44
جدول 5-2) حداکثر نیروی برشی و لنگر خمشی ایجاد شده در مدلها46
جدول 5-3) طراحی برشی پوشش های بتنی تونل49
جدول 5-4) طراحی خمشی پوشش های بتنی تونل50
جدول 5-5) حداکثر جابه جایی قائم در سطح خاک و جداره تونل را در فاز سوم (اعمال انقباض) بیان می کند.51

فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 2-1) مقطعی از یک تونل و زمین اطراف آن11
شکل 2-2 عملکرد فشار زمین بر روی پوشش ( λ ضریب فشار جانبی زمین، t و R0 ضخامت و شعاع خارجی پوشش ) (3)12
شکل 2-3) فشار هیدرواستاتیک(Pw1فشار آب در تاج تونل و Re شعاع تا مرکز پوشش)13
شکل 2-4) عکسالعمل بستر مستقل از جابهجایی15
شکل 2-5) فرضیات تئوری فشار خاک ترزاقی 19
شکل 2-6) فشار خاک در عمق های بیشتر 20
شکل2-7 اصول تئوری بلا 22
شکل 3-1) تغییر نسبت میرایی بحرانی نرمال شده با فرکانس زاویه ای26
شکل 4-1) مدلهای هندسی تونل در نرمافزار PLAXIS33
شکل 4-2) شکل کلی المان 15 گرهای مثلثی35
شکل 4-3) نمای کلی مشبندی تونل و محیط اطراف36
شکل 4-4) نمای تنش‌های برجای محاسبه شده توسط نرم افزار (سنگ بستر در عمق 10 متری)37
شکل 4-5) نمای تنش‌های برجای محاسبه شده توسط نرم افزار (سنگ بستر در عمق 100 متری)38
شکل 4-6) تونل حفاری شده و پوشش ها پس از نصب38
شکل 4-7) تغییر شکل های تونل پس از اعمال انقباض39
شکل 4-8) شتاب نگاشت زلزله Northridge40
شکل 4-9) شتاب نگاشت زلزله Chi Chi –Taiwan41
شکل 4-10) نمونه ای از تغییر شکل های تونل و خاک اطراف در اثر زلزله41
شکل 5-1) نمونه‌ی نمودار برش ایجاد شده در پوشش تونل تحت بار زلزله برای مدل T1045
شکل 5-2) نمونه‌ی نمودار خمش ایجاد شده در پوشش تونل تحت بار زلزله برای مدل T1045
شکل 5-3) دامنه فوریه زلزله های اعمالی الف- زلزله Northridge ب- زلزله Chi Chi47
شکل 5-4) دامنه فوریه زلزله های اعمالی الف- زلزله Northridge ب- زلزله Chi Chi50
شکل 5-5) محل قرارگیری نقاط کنترل جابه جایی51
شکل 5-6) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T152
شکل 5-7) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T152
شکل 5-8) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T253
شکل 5-9) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T253
شکل 5-10) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T354
شکل 5-11) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T354
شکل 5-12) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T455
شکل 5-13) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T455
شکل 5-14) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T556
شکل 5-15) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T556
شکل 5-16) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T657
شکل 5-17) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T657
شکل 5-18) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T758
شکل 5-19) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T758
شکل 5-20) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T859
شکل 5-21) تاریخچه جابه جایی افقی قائم کنترلی در مدل T859
شکل 5-22) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T960
شکل 5-23) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T960
شکل 5-24) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1061
شکل 5-25) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1061
شکل 5-26) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1162
شکل 5-27) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1162
شکل 5-28) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1263
شکل 5-29) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1263
شکل 5-30) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1364
شکل 5-31) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1364
شکل 5-32) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1465
شکل 5-33) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1465
شکل 5-34) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1566
شکل 5-35) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1566
شکل 5-36) تاریخچه جابه جایی افقی نقاط کنترلی در مدل T1667
شکل 5-37) تاریخچه جابه جایی قائم نقاط کنترلی در مدل T1667
چکیدهتونل ها و سازه های زیرزمینی از جمله سازه های پر اهمیت و رو به رشد در شرایط توسعه سازندگی کشورمان می باشند.اهمیت پرداختن به ضوابط و دستورالعمل های طراحی لرزه ای تونل ها با توجه به رشد چشمگیر ساخت و بهره برداری متروهای شهری نظیر متروی تهران، اصفهان، شیراز و... مشهود است. سازه تونل ها و ایستگاه های مترو که جزء سازه های زیرزمینی پر اهمیت محسوب می شوند، به خاطر حجم سنگین و وسعت مدل هندسی و همچنین تنوع بسیار زیاد در تکنیک های طراحی و اجرا، جزء دشوارترین طراحی های لرزه ای سازه ها محسوب می گردد. اثرات مدفونی سازه ها، فشار سرباره خاک، اندرکنش محیط خاک جداره ای با تونل، بارگذاری فشار آب منفذی و جریان آب، بارگذاری دینامیکی قطارها و واگن ها به دشواری این مدل سازی دینامیکی می افزاید. در این پژوهش از دیدگاه مهندسی زلزله به مدل سازی این سازه ها با رویکرد اندرکنش دینامیکی خاک وسازه می پردازیم. اندرکنش خاک وتونل به صورت مستقیم و در نرم افزار Plaxis مدل سازی شده است. مدل سازی تماما در فضای دوبعدی بوده است. پوشش تونل به صورت المان های بتنی لولا شده در نظر گرفته شده و مصالح خاکی در چهار نوع ماسه معمولی، ماسه متراکم، رس معمولی و رس پیش تحکیم یافته منظور شده است. همچنین سنگ بستر در دو عمق متفاوت 10 و 100 متر در نظر گرفته شد. در تحلیل دینامیکی نیز از دو نوع زلزله با محتوای فرکانسی متفاوت استفاده شده است. در پایان نیز به بررسی هر حالت در شرایط لرزه ای مختلف پرداخته شده است.
کلمات کلیدی: تونل، پوشش‌های تونل، اندرکنش خاک و سازه، مدلسازی اجزا محدود

فصل اول
« کلیات »

1-1 مقدمهکشور ایران به عنوان یکی از مناطق زلزله خیز جهان همواره در طی سالیان گذشته در معرض زلزله های ویران کننده ای قرار داشته است. شرایط طبیعی و زمین شناسی ایران از نقطه نظر وقوع زلزله به طورجدی در دستورکار مهندسین و برنامه ریزان قرار گرفته است. با توجه به اینکه تونل های بسیاری در مناطق زلزله خیز احداث شده و یا در دست ساخت قرار دارند، طراحی ایمن آنها در برابر زلزله از اهمیت و جایگاه ویژه ای برخورداراست. بررسی دقیق پایداری لرزه ای تونلها از مسائل پیچیده در حوزه سازه ها است. تنوع خواص دینامیکی بدنه تونل و گوناگونی جنس و ضخامت خاک که می توانند در انتقال، تضعیف و تقویت امواج زلزله نقش اساسی داشته باشند، وجود یا عدم وجود گسل فعال در محدوده محور تونل، ویژگی های زلزله مانند فاصله مرکز زلزله تا تونل، شدت و طول زمان وقوع زلزله، نوع و امتداد امواج رسیده به تونل و محتوی فرکانسی امواج، همه از عواملی هستند که درپاسخ دینامیکی تونل نقش به سزایی دارند.
به طور کلی تونلها، سازه هایی سه بعدی، عظیم، نا همگن، غیرایزوتروپ و غیر ارتجاعی هستند که در اندر کنش با شالوده و آب مخزن می باشند. مدلهای عددی که بتوانند تمام عوامل فوق را در نظر بگیرند از پیچیدگی زیادی برخوردار خواهند بود. بسته به اینکه کدام یک از شرایط فوق به طور مشخص حاکم بر مسئله باشد مدل می تواند آن پارامتر را ملحوظ نموده و به منظور یافتن رفتار واقعی تر تونل آنها را در نظر بگیرد. در سالهای اخیر پیشرفتهای صورت گرفته در هر دو زمینه نرم افزار و سخت افزار کامپیوتر بسیاری از این مشکلات را خصوصا در زمینه مدل کردن هندسه سه بعدی بدنه تونلها و رفتار غیر خطی و غیر ارتجاعی خاک قابل حل نموده است. به همین نسبت پیشرفتهای صورت گرفته در زمینه روشهای آزمایشگاهی و صحرایی در ارزیابی خواص دینامیکی مصالح تونل و نتایج حاصل از آزمایش های ارتعاش اجباری تونلها و ثبت پاسخ تونلها در برابر زلزله های واقعی در جهت تصحیح و اعتبار بخشیدن به روشهای عددی و تحلیلی بسیار موثر بوده است.1-2 بیان مسئلهبا توجه به دامنه کاربرد تونلها در کشور لرزه خیز ایران، تحلیل دینامیکی این گونه تونلها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. روشهای مختلفی تاکنون برای پیش بینی رفتار انواع مختلف تونلها توصیه و بکار رفته است. روش شبه استاتیکی که بر مبنای تحلیلهای تعادل حدی قرار گرفته است، هر چند با کاربرد آسان و فرضیات ساده ایمنی تونل را ارائه می دهد، اما در کنار این مزایا روش شبه استاتیکی، بعضاً می تواند به نتایج بسیار بدبینانه نسبت به پایداری لرزه ای سازه منجر شود که خود به ارائه طرحی غیراقتصادی ختم می گردد.
امروزه با پیشرفت روزافزون و فراگیرشدن کامپیوتر، استفاده از روشهای عددی در تحلیل و طراحی تونلها در مقابل زلزله بمراتب از گذشته بیشتر شده است. انتخاب مدل رفتاری مناسب مهمترین فاکتور در آنالیز با روشهای اجزای محدود یا تفاضل محدود تونلها، برای مدل کردن رفتار تنش کرنش پوشش می باشد. به دلیل اینکه رفتار خاک الاستیک خطی نیست، استفاده از چنین مدلهایی می تواند به نتایج غیرایمن و غیر اقتصادی منجر شود. همچنین در حین ساخت تونل و بعد از آن مسیرهای مختلفی از تنش همراه با دوران جهت تنشهای اصلی در خاکریز رخ می دهند که در نتیجه مدلهای الاستیک غیرخطی نیز قادر به در نظر گرفتن وابستگی رفتار به مسیر تنش که در اثر رفتار غیرارتجاعی خاک حادث می شود، نمی باشند. در همین راستا سعی می شود در این تحقیق پاسخ دینامیکی تونلها با استفاده از مدلهای الاستوپلاستیک تحلیل شود. نرم افزار اصلی مورد استفاده PLAXIS V8.5 می باشد که در حال حاضر بصورت گسترده ای در مسائل مکانیک خاک مورد استفاده قرار می گیرد.1-3 هدف از تحقیقتونلها از جمله سازه های ژئوتکنیکی هستند که گسیختگی در آنها می تواند منجر به خسارات جبران ناپذیری گردد، از اینرو در طراحی آنها لازم است تمام کنترلها و حساسیتهای لازم بعمل آید. یکی از این موارد، کنترل پایداری تونل در طول زلزله و بعد از آن میباشد. بررسی دقیق پایداری تونلها در برابر زلزله از پیچیده ترین مسایل در حوزه سازه ها است. علت این مسئله این است که مجموعه معلومات و روابط بین آنها در تحلیل این مسئله بسیار متنوع و متفاوت است. با توجه به وسعت کاربرد تونلها و همچنین لرزه خیزی کشور ایران، برآورد ایمنی لرزه ای تونلها نقش ارزنده ای دارد.
1-4- متدلوژی تحقیق
در این تحقیق پاسخ غیر خطی پوشش تونل های حفاری شده با دستگاه TBM در برابر زلزله با استفاده از مدل موهر-کلمب که یک مدل الاستوپلاستیک می باشد، بدست می آید. با استفاده از این روش پاسخ دو بعدی تونل در حالت کرنشهای صفحهای در برابر زلزله محاسبه می شود. برای انجام تحلیل ها از روش اجزاء محدود (F.E.M) و با استفاده از نرم افزار PLAXIS 8.5 Professional استفاده خواهد شد. در این نرم افزار معادلات دینامیکی حرکت با انتگرال گیری به روش نیومارک حل می شود. برای انجام مطالعات موردی از اطلاعات موجود در راهنمای نرمافزار برای هندسه تونل و نوع و مشخصات مصالح آن استفاده می شود.

فصل دوم
« ادبیات تاریخچه »

2-1 مقدمه
تونلسازی دارای سابقه بسیار طولانی است. سابقه ای که از ساخت غارها توسط انسانهای نخستین برای محافظت در برابر عوامل محیطی (سرما و گرما و...) شروع و در چند دهه اخیر همراه با توسعه صنعتی جوامع، رشد روز افزونی به خود گرفته است. در این بین لزوم بهینه سازی پوشش تونلها که ناشی از افزایش دانش مربوط به علوم زمین و اطلاعات آزمایشگاهی است بر هیچ کس پوشیده نیست. این موضوع از نقد پوشش تونلهای ساخته شده که عموماً عملکرد رضایت بخشی داشتند ولی طراحی جدار آنها کم و بیش محافظه کارانه بوده توسط پک و همکارانش (1969) و با توجه به نتایج اندازه گیریهای انجام شده شروع شد و امروزه با پیشرفت تکنولوژی ادامه دارد.[1]
از آنجا که اکثر تونلهای شهری در زمینهای نرم حفاری می‌شوند، سه نیاز اصلی طراحی و اجرای موفق یک تونل در خاک نرم را می توان به صورت زیر بیان نمود :
2-1-1 پایداری
اولین مسئله پیش از حفر تونل، بررسی پایداری آن می باشد. بررسی پایداری از این جهت که بتوان پیش بینی کرد قسمت های مختلف تونل از نظر پایداری در کدام یک از رده های زیر قرار می گیرد(2):
الف ـ برای همیشه پایدار است.
ب ـ تا مرحله نصب سیستم نگهداری دائم پایدار است.
ج ـ اصولاً پایدار نیست.
در صورتی که تمام یا قسمت هایی از تونل نیاز به سیستم نگهداری داشته باشد، باید این سیستم را تحلیل، طراحی و اجرا کرد.
در برخی از روشهای تحلیل مانند روشهای کرش و کرش اصلاح شده، فقط توده زمین به صورت یک محیط پیوسته در نظر گرفته می شود و میزان تغییر شکل ها و تنها در اطراف حفره مورد بررسی قرار می گیرد. به این گونه روشها، روشهای مبتنی بر بارگذاری خارجی گفته می شود. در نوع دیگر روشهای مبتنی بر بارگذاری خارجی، پوشش تونل به عنوان سازه ای که توسط فنرهای شعاعی و مماسی در اندرکنش با توده زمین هستند، در نظر گرفته می شوند. روشهای Metrogiprotrans و تیر بر بستر الاستیک از این نوعند.
در مقابل روشهای مبتنی بر بارگذاری خارجی، روشهایی وجود دارند که بر اساس تغییر شکلها و تنشهای ایجاد شده در اثر حفاری به وجود آمده اند. از جمله این روشها، روش همگرائی محصور شدگی می باشد که در آن بر خلاف روشهای گذشته به جای بارگذاری، تغییر شکلهای به وجود آمده در نتیجه باربرداری مورد بررسی قرار می گیرند(8).
با پیشرفت روشهای عددی و استفاده از کامپیوتر های با سرعت و قابلیت ذخیره سازی اطلاعات با حجم زیاد، تحلیل عددی تونلها با در نظر گرفتن مسئله سه بعدی حفاری، نحوه اجرای پوشش و با در نظر گرفتن مدلهای رفتاری مختلف توده زمین امکانپذیر شد، که البته جوابهای بدست آمده تفاوتهایی نیز با نتایج رفتار واقعی تونلها دارند. علت این امر تقریبهای اجتناب ناپذیر در پارامتر های مکانیکی توده زمین، نحوه تعامل توده زمین و پوشش از لحاظ میزان لغزش در مدلسازی تا واقعیت و... می باشند. بنابر این تنها اطلاعاتی که می تواند در این زمینه به ما کمک کنند. نتایج اندازه گیری هایی هستند که از رفتار واقعی تونل بدست می آیند.
2-1-2 جا به جایی های زمین و اثرات آن
احداث تونل در مناطق شهری نباید آسیبهای زیاد و غیر قابل قبولی به سازه های اطراف و بالای تونل برساند. قبل از ساخت، این جابه‌جایی‌ها باید تخمین زده شود و اثرات آنها بر روی سازه ها ارزیابی شود(15 و 16).
2-1-3 کارائی سیستم نگهدارنده و پوشش دائمی
پوشش تونل چه اولیه و چه نهایی، باید قابلیت تحمل نیروهای وارد بر آن را در طول عمر خود داشته باشد. بدین منظور می بایستی بارهای وارد بر پوشش تخمین زده شود.
حفاری در توده زمین باعث تغییرات تنش و ایجاد تغییر شکلها در محیط اطراف تونل می شود که رفتار تونل را تحت تأثیر قرار می دهد. با گذشت زمان روشهای زیادی برای تخمین تاثیز تونلسازی در خاک های نرم به وجود آمده است که می توان آنها را به روشهای تحلیلی، فرمولهای تجربی و مدلهای عددی پرداخته و محدودیت روشها معرفی شده اند.2-2 روش های تحلیل پوششوقتی یک مهندس محاسب با مسئله تحلیل و طراحی جدار تونل مواجه می شود، ابتدا مقدار بارهای وارد بر تونل را جستجو می کند بارهای وارد بر پوشش تونل به دو دسته تقسیم می شوند.
یک قسمت بارهایی هستند که همواره می بایستی در نظر گرفته شوند و قسمت دیگر که به شرایط تونل و محیطی که در آن قرار گرفته است بستگی دارند.2-2-1 بارهای وارد بر پوشش تونل
بارهای زیر را باید در طراحی پوشش تونل در نظر بگیریم.
الف ـ این بارها همواره باید در نظر گرفته شود:
1- فشار زمین
2- فشار آب
3- بار مرده
4- سربار
5- واکنش بستر
6- اثر زلزله
ب ـ اگر لازم است، بارهای زیر را نیز باید در نظر گرفت:
1- بارهای داخلی
2- بارهای در مرحله ساخت
3- بارهای ویژه
4- اثر تونل های مجاور
5- اثرات نشست
6- دیگر بارها
2-2-1-1 فشار زمین
شکل 2-1 مقطعی از یک تونل و زمین اطراف آن را نشان می دهد. فشار زمین باید مطابق با تحلیل مناسب تخمین زده شود. این تحلیل مناسب از نظر صاحب نظران مختلف، متفاوت است و دیدگاههای مختلفی ارائه شده که به روش های تحلیلی مختلف انجامیده است. برای مثال، فشار زمین باید به صورت شعاعی بر روی پوشش عمل کند و یا به فشارهای عمودی و افقی تقسیم شود. اگر تونل طراحی شده کم عمق باشد، فشار عمودی بر روی تاج تونل باید به صورت بار یکنواخت باشد و می تواند معادل فشار سربار باشد. اگر تونل عمیق باشد، فشار کاهش یافته، می تواند با فرمول ترزاقی بدست آید(3).
فشار افقی زمین نیز باید به صورت متغیر یکنواخت وارد بر مرکز پوشش از تاج تا کف باشد. مقدار آن نیز از ضرب فشار عمودی در ضریب فشار جانبی خاک بدست می آید. (شکل 2-2 (الف)). همچنین آن را می توان از فرمول پنتاگون نیز بدست آورد. (شکل 2-2 (ب)). مقدار ضریب فشار جانبی خاک مورد استفاده در طراحی باید بین فشار جانبی خاک در حالت سکون و فشار اکتیو خاک باشد. طراح باید بر اساس شرایط ساخت درباره مقدار آن تصمیم بگیرد.

شکل 2-1) مقطعی از یک تونل و زمین اطراف آن [3]

شکل 2-2 عملکرد فشار زمین بر روی پوشش ( λ ضریب فشار جانبی زمین، t و R0 ضخامت و شعاع خارجی پوشش ) (3)
qe=(qe1+qe2)/2 (2-1)
اگر تونل بالای سطح آب قرار داشته باشد:
qe1=λ(pe1+γt/2) (2-2)
qe2=λ(pe1+γ(2R0-t/2)) (2-3)
و در صورتیکه سطح آب بالای تونل قرار داشته باشد:
qe1=λ(pe1+γ't/2) (2-4)
qe2=λ(pe1+γ'(2R0-t/2)) (2-5)
2-2-1-2 فشار آب
به عنوان یک قانون، فشار آب وارد بر پوشش باید به صورت فشار هیدرواستاتیک باشد (شکل 2-3). نتیجه فشار آب وارد بر پوشش نیروی شناوری است. اگر برآیند فشار عمودی خاک در تاج و بار مرده بزرگتر از نیروی شناوری باشد. تفاوت بین آنها به صورت فشار قائم در کف عمل می کند (واکنش بستر) و اگر نیروی شناوری بزرگتر از برآیند بار مرده و فشار قائم باشد، تونل شناور خواهد شد.

شکل 2-3) فشار هیدرواستاتیک(Pw1فشار آب در تاج تونل و Re شعاع تا مرکز پوشش)(3)
Pw1=γwHw(2-6)
Pw=Pw1+γwRc(1-cosθ) (2-7)
2-2-1-3 بار مرده
بار مرده، بار قائم وارد بر مرکز ثقل مقطع عرضی تونل است و برای تونل دایروی از رابطه زیر بدست می آید:
Pg=W/2πRc (2-8)
حال اگر مقطع مستطیلی باشد.
Pg=γct (2-9)
که در آن W وزن پوشش در واحد متر در جهت طول تونل، Rc شعاع تا مرکز پوشش وγc وزن مخصوص بتن می باشد.
2-2-1-4 سربار
سربار باعث افزایش فشار خاک وارد بر پوشش می شود سربارها عبارتند از :
بار ترافیک جاده
بار ترافیک راه آهن
وزن ساختمان
2-2-1-5 واکنش بستر
واکنش بستر به موارد زیر تقسیم می شود.
1ـ عکس العمل مستقل از جا به جائی زمین مثل Pe2 در شکل (2-4).
2ـ عکس العمل وابسته به جا به جایی زمین
در مورد دوم، ضریب واکنش بستر به سختی زمین و ابعاد (شعاع) پوشش بستگی دارد. واکنش بستر محصول ضریب واکنش بستر و جا به جایی پوشش است که بر اساس سختی زمین و صلبیت پوشش تعیین می شود. در مدل کردن قابها عکس العمل بستر توسط فنرهای خطی در نظر گرفته می شود.

شکل 2-4) عکسالعمل بستر مستقل از جابهجایی (3)
2-2-1-6 اثر زلزله
وقوع زلزله به صورت پیامدهای مختلفی نظیر گسلش، رونگرایی، انتشار امواج زلزله، چگالش، تسونامی، زمین لغزش، اندرکنش سازههای مجاور و اندرکنش آب و سازه های هیدرولیکی در طبیعت ظاهر می شود. در این میان به طور عام پدیده هایی مانند گسلش، رونگرایی، انتشار امواج زلزله و حرکات تحت الارضی تهدید جدی تری برای سازه های مدفون به شمار می روند.
در هنگام زلزله به دلیل ناگهانی بودن تغییرمکان زیاد دو صفحه گسل نسبت به یکدیگر، تقاطع سازه های مدفون با صفحه گسل به عنوان یک منبع مهم انتقال نیرو تلقی می شود، لیکن تاکنون مطالعات گسترده ای در این خصوص صورت نگرفته است. در خصوص روانگرایی مطالعات Wang(1979) با استفاده از مدل ساده تیر-ستون بر بستر الاستیک با دو مقاومت متفاوت حاکی از وقوع کرنش های بسیار زیاد در سازه تونل در مجاورت خاک روانگرا انجام شده و در این خصوص مطالعات گسترده ای انجام نگرفته است(4).
در هنگام وقوع زلزله، امواج منتشره لرزش هایی به مدت چند ثانیه تا چند دقیقه ایجاد می کنند. در این خصوص لایه های خاک نظیر فیلتر عمل کرده، در فرکانس خاصی ارتعاشات را مستهلک و در فرکانس دیگری آنها را تشدید می کنند، لذا از جمله مشخصه های مهم لرزش زمین در طول یک سازه مدفون، غیر هم فاز بودن آنها در نقاط مختلف مسیر انتشار امواج می باشد که منجر به وقوع کرنش ها و انحناهای قابل توجهی در طول سازه می گردد. در این راستا لزوم توجه به پدیده اندرکنش خاک و سازه و به عبارتی میزان تبعیت سازه از خاک اطراف به عوامل متعددی نظیر نوع و جنس خاک، نوع موج منتشره و مشخصات هندسی و مکانیکی مقطع مدفون بستگی خواهد داشت(17).
شبیه سازی های آزمایشگاهی برای مطالعه و ارزیابی رفتار تونل های مدفون تحت اثر انتشار امواج زلزله، توسط He و Koizomi (2000) حاکی از انعطاف پذیری پوشش های بتن مسلح پیش ساخته و تبعیت رفتار آنها از رفتار خاک اطراف در جهت عرضی می باشد، لیکن در جهت طولی رفتار خاک به شدت متاثر از رفتار تونل می باشد.
نتایج مطالعات عددی نیز نشان می دهد که اندرکنش امواج منتشره در راستای عمود بر محور تونل سبب انحنای مقطع تونل و تمرکز تنش در جداره ها، سقف و کف مقطع می گردد. Kuesel(1968) با فرض عملکرد خاک به صورت تکیه گاه، عکس العمل ها را در قالب تعدادی فنر ارتجاعی خطی مدل نموده و معادله دیفرانسیل سازه تیر را به صورت زیر استخراج کرده است:
(2-10) EI∂4ut∂x4+Khut=Khuyکه در آن :
ut جابه جایی افقی سازه
uy : جابه جایی فائم سازه
Kh : مدول بستر افقی محیط اطراف
EI : صلبیت مقطع تونل
باحل معادله فوق حداکثر نیروهای داخلی بدست خواهند آمد. در حالت دقیق تری با مدلسازی سازه تونل و محیط اطراف و اعمال مدل رفتاری مناسب و لحاظ پدیده اندرکنش در تحلیل دینامیکی، می توان درک بهتری از رفتار متقابل سازه و خاک نسبت به یکدیگر به دست آورد که هدف این پژوهش نیز همین امر است.
ز ـ بارهای وارده از داخل
بارهای ایجاد شده توسط تأسیسات موجود در سقف تونل یا بارهای وارد بر اثر فشار داخلی آب باید در اینجا محاسبه شوند.2-3 تئوریهای تخمین مقدار بار وارد بر پوشش
برای تخمین بارهای وارد بر پوشش تونل جهت طراحی دو راه وجود دارد. یکی روش هایی هستند که عمق پوشش را در نظر نمی گیرند و دیگری نظریه هایی که شامل تعیین بار وارد بر پوشش با لحاظ کردن عمق می باشند. انتخاب یکی از این دو روش بستگی به سخت و یکپارچه بودن و یا شل بودن توده زمین دارد. در توده های سنگی یکپارچه و در مواردی که تنش از حد الاستیک تجاوز نمی کند، میزان بار وارد بر پوشش تحت تأثیر عمق سربار قرار نمی گیرد. بنابراین استفاده از تئوریهایی که از اثر عمق صرف نظر می کنند، کاملاً توجیه شده می باشد. بر عکس زمانی که تنش ها به محدوده پلاستیک وارد می شوند، اثر عمق نه تنها در تعیین بزرگی فشار توده بلکه در زمان مورد نیاز برای گسترش منطقه محافظ نیز فاکتور مناسبی است(2).
از آنجایی که در اکثر حفاری های تونل های شهری (کم عمق)، شاهد نشست زمین در اثر گسترش منطقه پلاستیک و رسیدن آن به سطح زمین هستیم(5)، لذا نظریه های تعیین بار وارد بر پوشش با در نظر گرفتن عمق سربار ملاک عمل خواهد بود با این وجود برخی از نظریه هایی که وابسته به عمق سربار نیستند نیز در عمق کم جوابهای نزدیک به واقعیت می دهند. به همین دلیل در قسمت های بعدی به بررسی برخی از آنها نیز پرداخته ایم.2-3-1 تئوری ترزاقی
این تئوری به طور کلی برای خاک های دانه ای، خشک و بدون چسبندگی به وجود آمد ولی در مورد خاک های چسبنده نیز به خوبی می تواند تعمیم داده شود. با توجه به شرایط واقعی ترزاقی مقداری رطوبت را در خاک ماسه ای در نظر گرفت طوری که چسبندگی لازم را برای نگهداری قسمت قائم سینه کار در هنگام پیشروی به وجود آورد. طی حفاری و نصب پوشش اولیه، توده ماسه اطراف حفره دچار جا به جایی می شود که این جا به جایی ها برای به وجود آمدن صفحات لغزش که گسیختگی حتمی در آنها رخ می دهد، کافی است. بنابر این پهنای قسمتی از توده زمین که جا به جایی با زاویه 45+Ф/2 در صفحه گسیختگی رخ می دهد برابر است با. (شکل 2-5 )(3)
B=2[b2+mtan45-Ф2] (2-11)
جا به جایی توده زمین به وسیله اصطکاک به وجود آمده در صفحات برشی قائم خنثی می شود. این صفحات مرزی در انتهای المان با پهنای B ترسیم شده اند. (شکل 2-5)
مقاومت برشی در امتداد این صفحات که در برابر جا به جایی ها مقاومت می کند، برابر است با:
τ=c+σ tanϕ=c+σh tanϕ (2-12)
با نوشتن رابطه تعادل نیروهای وارده بر نواری به پهنای B و ارتفاع dz در عمق z خواهیم داشت:
Bγdz=Bσv+dσv-Bσv+2τdz (2-13)
با جایگذاری خواهیم داشت.
σh=Kσv (2-14)
τ=c+σhtanϕ=c+Kσv tanϕ (2-15)
Bγdz=Bσv+dσv-Bσv+2cdz+2Kσvdz tanϕ (2-15)
dσvdz=γ-2cB-2Kσvtanϕv (2-15)
با فرض شرایط مرزی σv=q در عمق z=0 جواب معادله دیفرانسیل برابر خواهد شد با :
σv=Bγ-2cB2K tanϕ1-e-K tanϕ 2cB+qe-K tanϕ 2cB (2-16)
برای c=q=0 داریم:
σv=Bγ2K tanϕ1-e-K tanϕ 2cB (2-17)
با جایگذاری عمق برابر با عمق سرباره، فشار توده زمین برابر می شود با :
σv=Bγ2K tanϕ1-e-K tanϕ 2HB (2-18)
که در آن γ وزن مخصوص کل خاک، K ضریب فشار افقی در حالت سکون و ϕ زاویه اصطکاک داخلی خاک می باشند.

شکل 2-5) فرضیات تئوری فشار خاک ترزاقی (3)

شکل 2-6) فشار خاک در عمق های بیشتر (3)
برای عمق های بیشتر (H>2.5B)، عمل طاق شدگی به سطح زمین گسترش نمی یابد. در آزمایشات ترزاقی مقدار ضریب K به تدریج از 1 به 5/1 متناظر با ارتفاع معادل B افزایش می یابد و فشار توده از ترکیب دو پارامتر H1 و H2 به دست می آید. (شکل 2-6)
H2 مربوط به ارتفاع منطقه طاق شدگی است و H1 ارتفاع پس از آن تا سطح زمین می باشد در این مورد فشار خاک برابر بار خارجی معادل با q=γH1 به اضافه بار ناشی از منطقه محافظ در نظر گرفته می شود.بنابراین :
pv=Bγ2K tanϕ1-e-K tanϕ 2H2B+γH1e-K tanϕ 2H2B (2-19)
ارتفاع H2 با پایین آمدن سطح حفره افزایش می یابد تا نهایتاً به 5/1 عمق سرباره می رسد. در این حالت اثر ترم دوم به اندازه ای کوچک می شود که قابل صرف نظر کردن است. ضمن آنکه عبارت داخل پرانتز هم به سمت واحد میل می کند. بنابراین در عمق خیلی زیاد خواهیم داشت.
pv=Bγ2K tanϕ (2-20)
همان طور که دیده می شود وابستگی فرمول (2-11) به عمق سربار از بین می رود. ترزاقی بر اساس تجربیات و آزمایشات به این نتیجه رسید که مقدار K در این حالت تقریباً برابر واحد است. نکته دیگری که در این رابطه وجود دارد رابطه مستقیم فشار توده و پهنای حفاری می باشد و یک شباهت اساسی با فرمول به دست آمده از نظریه پرتودیاکونوف (فرمول 2-24) می دهد که یک توزیع فشار یکنواخت را به جای توزیع فشار سهمی در سطح مقطع تونل نشان می دهد.
2-2-2 تئوری بلا (balla-1961) (6)
بلا در تئوریش فرض می کند که توده زمین بالای حفره دچار رها شدگی خواهد شد و به سمت پایین حرکت می کند این جا به جایی جهت بر انگیختن مقاومت برشی مصالح و حرکت در جهت صفحات لغزش کافی می باشد. او به صورت دلخواه سطوح لغزش را دایروی فرض کرد که از گوشه های بالای حفره مستطیلی شروع می شوند. شعاع دایره طوری در نظر گرفته می شود که مماس بر آن از نقطه تماس با محور تقارن و سطح لغزش استوانه ای دیگر زاویه 45-Ф/2 متناظر با صفحات لغزش فشار مقاوم توده زمین به وجود آید. (شکل 2-7)
به وسیله توزیع تنش در امتداد صفحات لغزش که توسط معادله دیفرانسیل کوئر تعیین می شود فشار زمین از تعادل قائم نیروها با جرم زمین لغزش یافته به دست خواهد آمد، یعنی :
G+Qv+Kv+P=0 (2-21)
جائی که G نشان دهنده جرم زمین لغزیده که توسط صفحات لغزش به وجود می آید، Qv و Kv برآیند تنش های برشی و چسبندگی در امتداد صفحات لغزش و P برآیند فشار در بالای سقف حفره می باشد.

شکل2-7 اصول تئوری بلا (6)
بعد از تعیین این مقادیر که تابعی از ابعاد، عمق حفره و مشخصات مقاومتی توده زمین بالای حفره می باشند و فرض کردن توزیع یکنواخت فشار Pa او به رابطه زیر رسید:
Pa=Hγ[FH+bHFB-cHγFC] (2-22)
در این عبارت FH و FB و FC فاکتورهایی هستند که به زاویه اصطکاک داخلی توده زمین بستگی دارند و مقادیر آنها از جدول 2-1 بدست می آیند:
جدول 2-1) مقادیر FH و FB و FC براساس Ф [9]
FCFBFHФ
81/1 15/0 68/0 10
61/1 26/0 41/0 20
37/1 33/0 21/0 30
1/1 37/0 076/0 40
97/0 38/0 033/0 45
عیب اصلی این تئوری، صرف نظر کردن از سست شدگی بخشهای جانبی و فشار افقی ناشی از آن است. ضمن آن که اثر عمق پوشش (عامل FH ) اثری همیشگی و بسیار آهسته (نسبت به افزایش عمق ) دارد.
فصل سوم
« معادلات تعادل و حل آنها »

3-1 معادله اساسی رفتار دینامیکیمعادله برای حرکت وابسته به زمان یک جسم تحت تاثیر بار دینامیکی بصورت زیر می باشد:
(3-1) Mu+Cu+Ku=Fدر اینجا M ماتریس جرم، u بردار تغییر مکان، C ماتریس میرایی، K ماتریس سختی و F بردار نیرو میباشد. تغییرمکان u، سرعت u و شتاب u با زمان تغییر می نمایند. در ماتریس M، جرم مصالح (خاک + آب + دیگر سازه ها) به حساب آورده می شود. ماتریس C میرایی مصالح را نشان می دهد. در اصل میرایی مصالح از اصطکاک و تغییرشکلهای برگشت ناپذیر (پلاستیسیته و ویسکوزیته) ناشی می شود. با پلاستیسیته و ویسکوزیته بیشتر، انرژی ارتعاش بیشتری از بین می رود. برای محاسبه ماتریس میرایی، پارامترهای اضافی که تعیین کردن آن با آزمایش ممکن می باشد، لازم می شود. در المان محدود، C اغلب به صورت تابعی از جرم و ماتریس های سختی میرایی رایلی فرموله بندی می شود(7).
(3-2) C=αRM+βRKبطوریکه αR و βR ضرایب رایلی را نشان می دهند.
برای یک سیستم چند درجه آزادی، نسبت میرایی بحرانی ξi، برای هر فرکانس زاویه ای سیستم ωi از رابطه زیر حاصل می شود(8):
(3-3) α+βωi2=2ωiξi(3-4) ξi=12(αωi+βωi)
شکل 3-1) تغییر نسبت میرایی بحرانی نرمال شده با فرکانس زاویه ای
در شکل (3-1) تغییرات نسبت میرایی مود iام با فرکانس زاویهای ωi نشان داده شده است. سه خم ارایه شده شامل مولفه های مربوط به جرم و سختی بطور مجزا و جمع آنها می باشد. بطوری که مشاهده می شود، میرایی متناسب با جرم در محدوده فرکانس های زاویه ای پایین، و میرایی متناسب با سختی در محدوده فرکانس های زاویه ای بالا غالب است.
در مسائل از نوع تک منشا مانند کوبیدن شمع و ژنراتور روی فونداسیون ( که از مدل تقارن محوری استفاده شده است)، ممکن است نیاز به میرایی رایلی نباشد، چون بسیاری از میرایی ها به علت توزیع شدن شعاعی موج ها می باشد (میرایی هندسی) و میرایی هندسی مهمترین کمک رابه میرایی سیستم می کند. با این وجود در مدلهای کرنش صفحه ای مانند مسائل زلزله، میرای رایلی برای بدست آوردن نتایج واقع بینانه لازم می باشد.
پارامتر متداول استفاده شده، نسبت میرایی ξ می باشد. در روش المان محدود، میرایی رایلی یکی از اندازه گیریهای مناسب است که اثرات میرایی را در ماتریس سختی و جرم لحاظ می کند. αR رایلی پارامتری است که اثر جرم در میرایی سیستم تعیین می نماید. در مقادیر بالاتر αR بیشتر فرکانسهای پایین مستهلک می‌شوند. βR رایلی پارامتری است که اثر سختی در میرایی سیستم را تعیین می نماید. در مقادیر بالاتر βR،
بیشتر فرکانسهای بالا مستهلک می شوند.
از رابطه زیر می توان مقادیر α و β را برای هر لایه خاک بدست آورد:
(3-5) α=ξeω1 و β=ξeω1که ξ نسبت میرایی برای المان و ω1 فرکانس طبیعی مود اول سیستم است.3-2 حل معادلات دینامیکی تعادلدو راه حل برای حل معادلات دینامیکی حرکت وجود دارد. یکی انتگرال گیری به روش تفاضل پیش رونده (Forward difference time integration) و دیگری انتگرال گیری به روش نیومارک (Newmark time integration) می باشد. روش پیش رونده یک روش صریح (explicit) است و روش نیومارک به صورت غیر صریح (implicit) مسئله را حل می کند.
طرح انتگرال زمان نیومارک روشی است که مکررا از آن استفاده می شود. با این روش، تغییرمکان و سرعت در نقطه ای در زمان t+Δt به ترتیب به صورت زیر بیان می شود:
(3-6) ut+Δt=ut+utΔt+(12-αut+αut+Δt)Δt2(3-7) ut+Δt=ut+(1-βut+βut+Δt)Δtدر معادلات بالا، Δt مرحله زمانی می باشد، ضرایب α و β دقت انتگرال گیری زمانی عددی را تعیین می نمایند. این ضرایب با α و β میرایی رایلی فرق دارند. به منظور بدست آوردن جواب ثابت، شرایط زیر باید اعمال شود:
(3-8) β≥0.5 α≥14(12+β)2توصیه می شود که از تنظیمات استاندارد که طرح نیومارک میرا با α=0.3025 و β=0.6 بکار برده شده است استفاده نمود(7).
3-2-1- بکار بستن طرح انتگرال در Plaxis ut+Δt=C0∆u-C1ut-C2ut(3-9) ut+Δt=ut+C0ut+C7ut+Δt(3-10)
(3-11)
(3-12)
(3-13)
بطوریکه ضرایب C0…C7 می توانند در مرحله زمانی و در پارامترهای انتگرال گیری α و β بیان شوند.
در این روش، تغییرمکان، سرعت و شتاب در انتهای مرحله زمان به وسیله آنها در ابتدا مرحله زمانی و افزایش تغییرمکان بیان می شوند. با انتگرال گیری زمانی منحنی معادله (4-1) باید در انتهای مرحله t+∆t بدست آورده شود.
(3-14)
این معادله، در ترکیب با عبارتهای (9-4) و (10-4) برای تغییرمکانها، سرعتها و شتابها در انتهای مرحله زمانی عبارت زیر بدست آورد:
(3-15)
در این فرم، سیستم معادلات برای آنالیز دینامیکی نسبتا مشابه با آنالیز استاتیکی می باشد. تفاوت آنها ماتریس سختی می باشد که شامل جمله های اضافی برای جرم و میرایی می باشد و نیز جمله های سمت راست شامل جمله های اضافی مشخص کننده سرعت و شتاب در شروع مرحله زمانی می باشد.(زمان ∆t).
سرعتهای موج
سرعت موج تراکمی (فشاری) VP در خاک یک بعدی محصور شده تابع سختی Eoed، و جرم ρ می باشد.
(3-16)
که در آن E مدول یانگ، v ضریب پوآسون، γ واحد وزن کل و g شتاب ثقل زمین می باشد. عبارت مشابه را می توان برای سرعت برشی، Vs یافت.
(3-17)
مرحله زمانی بحرانی
اگر مرحله زمانی خیلی بزرگ باشد، جواب انحراف اساسی را نشان خواهد داد و پاسخ محاسبه شده غیر حقیقی خواهد بود. مرحله زمانی به فرکانس ماکزیمم و درشتی المان محدود بستگی دارد. عموما رابطه زیر برای المان منفرد استفاده می شود.
(3-18)
جمله ریشه نخست سرعت موج تراکمی را نشان می دهد (معادله 4-12). فاکتور α به نوع المان بستگی دارد. برای المان 6 گرهی α=16C6 با C6≈5.1282 و برای المان 15 گرهی α=119C15 با C15≈4.9479 می باشد. سایر فاکتورهای تعیین شده ضریب پواسون v، طول میانگین B و المان سطح S می باشد. در مدل المان محدود مرحله زمانی بحرانی برابر مقدار مینیمم ∆t مطابق با معادله (4-14) روی تمام المان ها می باشد. مرحله زمانی برای مطمئن شدن به اینکه موج در مدت مرحله منفرد در فاصله بزرگتر از اندازه مینیمم المان حرکت نکند، می باشد(18).
مرزهای مدل
برای محاسبات دینامیک، مرزها باید دورتر از آنالیز استاتیک باشند چون در غیر اینصورت موج های تنش بازتاب خواهد شد و در نتایج محاسبه شده تحریف خواهد شد. با این وجود، قرارگیری مرزها در فاصله دور به المانهای اضافی زیاد و نیز به زمان محاسباتی و حافظه بیشتر نیاز دارد. در این قسمت ما از مرزهای جاذب یا خاموش صحبت خواهیم نمود.
روشهای مختلفی برای ایجاد چنین مرزهایی وجود دارد:
-استفاده از المانهای نیمه محدود (المانهای مرزی)
-سازگاری مشخصات مصالح المانها در مرزها (سختی کم، ویسکوزیته بالا)
-استفاده از مرزهای ویسکوز (میراگرها)
برای ایجاد اثرات دینامیکی در Plaxis مرزهای جاذب با آخرین روش ایجاد می شود[7].
مرزهای جاذب
در برگزیدن مرزهای جاذب، میراگرها به جای بکاربردن گیرداریها در جهت معین استفاده می شود. میراگر تضمین می کند که افزایش در تنش روی مرز جذب می شود. مرز سپس شروع به حرکت می نماید. مولفه های تنش برشی و عمودی جذب شده به وسیله میراگر در جهت X بصورت زیر می باشند.
(3-19)
(3-20)
در اینجا ρ دانسیته مصالح می باشد. Vp و Ps سرعت موج تراکمی و برشی می باشند.
تنش های اولیه و افزایش های تنش
با برداشتن گیرداریهای مرزی در حین انتقال از آنالیز استاتیکی به آنالیز دینامیکی تنشها بر روی مرز نیز از بین خواهند رفت. این بدان معنی است که مرز در اثر تنشهای اولیه شروع به حرکت خواهد کرد. برای جلوگیری از این امر، تنش مرزی واقعی به سرعت مرزی اولیه (مجازی) تبدیل می شود. در هنگام محاسبه تنش، سرعت مرزی اولیه باید از سرعت واقعی کاسته شود.
(3-21)
این سرعت اولیه در شروع آنالیز دینامیکی محاسبه می شود و بنابراین کاملا بر اساس تنش مرز واقعی می باشد (محاسبات قبلی یا حالت تنش اولیه).
حال، حالاتی ممکن است رخ دهد که در آن یک بار جدید در یک مکان مشخص بر روی مدل اعمال شده و از آن پس بطور پیوسته باقی بماند. این بار باعث افزایش تنش مرزی میانگین خواهد شد. اگر در مسئله با یک مرز جاذب روبرو باشیم تنش جزئی میانگین نمی تواند جذب شود، بجای آن مرز شروع به حرکت می کند. با این وجود در اکثر مواقع در قسمتهایی از شبکه بطور مثال در پایین آن، مرزهای ثابت (غیر جاذب) وجود دارد که بطور معمول در انتهای شبکه در محل انتقال از یک لایه خاک غیر صلب به خاک سخت استفاده می شود. البته در اینجا نیز در حقیقت مسئله انعکاس رخ می دهد. بنابراین این مرز ثابت را می توان براحتی در یک آنالیز دینامیکی با شرایط محیطی استاندارد (گیردار) ایجاد کرد. در مورد حالت اشاره شده در بالا که درآن یک بار اضافه به مدل اعمال شده، این افزایش باید در نهایت بوسیله مرزهای انتهایی (گیردار) جذب شود حتی اگر لازم باشد یک بازتوزیع تنش درمدل بوجود آید(7).
فصل چهارم
« مدل‌سازی عددی، ارائه نتایج،
نتیجه گیری و طراحی»

4-1 مشخصات هندسی مدلجهت مدلسازی اندرکنش تونل و خاک اطراف هندسه مدل در نرمافزار PLAXIS مطابق با جدول 4-1 تعریف گردید.
جدول 4-1) مشخصات هندسی مدل
شکل هندسی قطر تونل ارتفاع روباره فاصله تا سنگ بستر تعداد سگمنت
دایرهای 20 متر 20 متر 10 متر 6 عدد با اتصال مفصلی
دایرهای 20متر 20 متر 100 متر 6 عدد با اتصال مفصلی
مدلهای ساخته شده در نرمافزار در شکلهای 4-1 نشان داده شده است.

شکل 4-1) مدلهای هندسی تونل در نرمافزار PLAXIS
4-2 مشخصات مصالحدر مدلسازی عددی به طور کلی از دو نوع مصالح استفاده شده. 1- مصالح خاک 2- بتن (مصالح پوششهای تونل) جهت مدلسازی پوشش تونل المان Plate با مصالح الاستیک و از المان دوبعدی با کرنش صفحهای به ضخامت 40 سانتیمتر و مدل رفتاری موهر کلمب جهت توصیف رفتار خاک اطراف تونل استفاده شده است.
چهار نوع خاک ماسه معمولی، ماسه متراکم، رس عادی تحکیمیافته و رس پیشتحکیمیافته در حالت عدم حضور آب زیر زمینی جهت مدلسازی خاک اطراف پی مورد استفاده قرار گرفته است. پوششهای تونل از جنس مصالح بتنی در نظر گرفته شدند. مشخصات کامل مصالح خاکی استفاده شده در مدلسازی در جدول 4-2 بیان شده است.
جدول 4-2) مشخصات کامل مصالح خاکی
ویژگی نماد ماسه ماسه متراکم رس عادی تحکیمیافته رس پیش تحکیمیافته واحد
وضعیت زهکشی - زهکشی شده زهکشی شده زهکشی شده زهکشی شده -
وزن مخصوص γ5/16 17 15 16 kNm3مدول یانگ E 50000 120000 30000 80000 kNm2ضریب پواسون v33/0 33/0 30/0 30/0 1
چسبندگی C 1 1 5/5 4 kNm2زاویه اصطکاک داخلی φ31 33 24 25 °زاویه اتساع Ψ1 3 0 0 °مقاومت مرزی Rinterصلب صلب صلب صلب -
4-3 مشبندی مدلدر مدلسازی عددی تونل‌ها از المان های مثلثی 15 گره ای استفاده شده است. با توجه به دقت مورد نیاز در سمت های مخلف مدل از مشبندی با اندازه های متفاوت استفاده شد. در قسمت های داخلی تونل از مش ریزتر و برای خاک قسمت های خارجی از مش درشت تر در مدلسازی استفاده شده است. پارامتر le در رابطه شماره (4-1) به عنوان معیاری برای درشتی و ریزی المان در نظر گرفته شد. شکل کلی المان مورد استفاده در شکل 4-2 نمایش داده شده است. همچنین در شکل (4-3) نمایی کلی از مشبندی تونل و محیط اطراف ارائه شده است.
(4-1) le=Xmax-Xmin*(Ymax-Ymin)ncدر این رابطه :
Xmax وXmin و Ymax و Ymin مشخصات هندسی مدل و مقادیر nc طبق جدول شماره 4-3 تعیین می شود.
جدول 4-3) مقادیر nc جهت مش بندی
اندازه المان ncخیلی درشت 25
درشت 50
متوسط 100
ریز 200
خیلی ریز 400

شکل 4-2) شکل کلی المان 15 گرهای مثلثی

شکل 4-3) نمای کلی مشبندی تونل و محیط اطراف
4-4 فازبندی و محاسباتجهت انجام محاسبات مدلهای مورد نظر 4 فاز کلی به شرح زیر در نظر گرفته شده است.
فاز اول: محاسبه تنشهای برجا
فاز دوم: حفاری تونل و فعالسازی پوشش تونل
فاز سوم: محاسبه نیروی ایجاد شده در پوشش در اثر فشار خاک اطراف تونل
فاز چهارم: اعمال شتاب زلزله به سنگ بستر و محاسبه نیروها و تغییرشکل های ایجاد شده در تونل و خاک اطراف
در ادامه به تفصیل چهار فاز بیان شده در فوق میپردازیم.
4-4-1 فاز اول: محاسبه تنشهای برجاهدف از این فاز محاسبه تنش های موجود در خاک پیش از حفاری تونل است. جهت محاسبه تنش های قائم از رابطه (4-2) و جهت محاسبه تنش های افقی از رابطه (4-3) استفاده شده است. نمای تنش های برجای محاسبه شده توسط نرم افزار در شکل 4-3 و 4-4 نشان داده شده است.
(4-2) σv=γh
σv تنش قائم موجود در خاک
γ وزن مخصوص خاک
h عمق نقطه مورد نظر
(4-3) σh=K0σvσh تنش افقی موجود در خاک
K0 ضریب رانش سکون که با استفاده از فرمول gacky محاسبه شده است.
K0=1-Sin∅ (4-3)

شکل 4-4) نمای تنش‌های برجای محاسبه شده توسط نرم افزار (سنگ بستر در عمق 10 متری)

شکل 4-5) نمای تنش‌های برجای محاسبه شده توسط نرم افزار (سنگ بستر در عمق 100 متری)
4-4-2 فاز دوم: حفاری تونل و نصب همزمان پوششها
در این مرحله به مدلسازی حفاری تونل توسط دستگاه TBM و نصب همزمان پوشش های تونل می پردازیم. شکل 4-4 شکل کلی تونل حفاری شده و پوشش ها پس از نصب را نشان می دهد.

شکل 4-6) تونل حفاری شده و پوشش ها پس از نصب
4-4-3 فاز سوم: محاسبه نیروی ایجاد شده در پوشش در اثر فشار خاک اطراف تونل
در این مرحله به منظور شبیه سازی افت زمین در اجرای تونل روش انقباض (Contraction Method) مورد استفاده قرار گرفته است. در اصل با تعریف پارامتر انقباض همگرایی تونل و کاهش سطح مقطع حفاری شده مدلسازی می گردد. منابع مختلف مقادیر 5/0 تا 5/2 درصد را با توجه به وضعیت ژئوتکنیکی زمین، دقت اجرای تونل و مهارت اپراتور پیشنهاد می کنند در این مدلسازی به طور محافظه کارانه از مقدار 2 درصد استفاده شده است. تغییر شکل های تونل در فاز سوم در شکل 4-5 نشان داده شده است.

شکل 4-7) تغییر شکل های تونل پس از اعمال انقباض
4-4-4 فاز دوم: اعمال شتاب زلزله به سنگ بستر و محاسبه نیروها و تغییرشکل های ایجاد شده در تونل و خاک اطراف
در این مرحله مجموعه تونل و خاک اطراف تحت بارگذاری زلزله قرار می دهیم. بارگذاری زلزله در نرم افزار PLAXIS به صورت وارد کردن نمودار شتاب-زمان مربوط به هر زلزله به سنگ بستر قابل مدل سازی است. در این پژوهش زلزله Northridge به عنوان زلزله ای با محتوای فرکانسی بالا و زلزله Chi Chi –Taiwan به عنوان زلزله ای با محتوای فرکانسی پایین انتخاب شد و به سنگ بستر اعمال گردیدند. شتاب نگاشت های مربوط به این دو زلزله در شکل 4-8 و شکل 4-9 نشان داده شده است. همچنین نمونه ای از تغییر شکل های تونل و خاک اطراف در شکل 4-10 نشان داده شده است.

شکل 4-8) شتاب نگاشت زلزله Northridge

شکل 4-9) شتاب نگاشت زلزله Chi Chi –Taiwan

شکل 4-10) نمونه ای از تغییر شکل های تونل و خاک اطراف در اثر زلزله

فصل پنجم
« بحث و نتیجه‌گیری »

5-1 ارائه نتایج و مقایسههمان طور که پیش از این بیان گردید چهار نوع خاک با دو عمق قرارگیری سنگ بستر نسبت به تونل مدل سازی گردید. هر یک از مدل ها تحت دو نوع زلزله بارگذاری گردید و در مجموع 16 مدل ساخته و تحلیل شد که طبق جدول 5-1 نامگذاری شدند. در این فصل نتایج حاصل از تحیل این مدل ها در دو بخش ارائه میگردد. بخش اول شامل جابه جایی ایجاد شده در سطح خاک و المان های پوشش تونل و بخش دوم مشتمل بر نیروهای داخلی ایجاد شده بر اثر اندرکنش پوشش تونل با خاک اطراف تحت بارگذاری های اعمالی است.

جدول 5-1) مشخصات تونل های مدل سازی شده
مدل نوع خاک عمق سنگ بستر زلزله
T1 ماسه معمولی 10 Northridge
T2 ماسه معمولی 10 Chi Chi-Taiwan
T3 ماسه معمولی 100 Northridge
T4 ماسه معمولی 100 Chi Chi-Taiwan
T5 ماسه متراکم 10 Northridge
T6 ماسه متراکم 10 Chi Chi-Taiwan
T7 ماسه متراکم 100 Northridge
T8 ماسه متراکم 100 Chi Chi-Taiwan
T9 رس عادی تحکیم یافته 10 Northridge
T10 رس عادی تحکیم یافته 10 Chi Chi-Taiwan


T11 رس عادی تحکیم یافته 100 Northridge
T12 رس عادی تحکیم یافته 100 Chi Chi-Taiwan
T13 رس پیش تحکیم یافته 10 Northridge
T14 رس پیش تحکیم یافته 10 Chi Chi-Taiwan
T15 رس پیش تحکیم یافته 100 Northridge
T16 رس پیش تحکیم یافته 100 Chi Chi-Taiwan
5-2 نیروهای ایجاد شده در پوشش تونلدر این قسمت ضمن بیان نیروهای ایجاد شده در پوشش تونل در مدلهای مختلف به مقایسه آنها میپردازیم. در شکل شماره 5-1 و 5-2 نمونه‌ای از نمودار برش و لنگر مربوط به پوشش های تونل تحت بار زلزله ارانه گردیده است. حداکثر نیروهای ایجاد شده شامل نیروهای برشی و لنگر خمشی برای هرمدل به طور جداگانه در جدول 5-1 بیان شده است.

شکل 5-1) نمونه‌ی نمودار برش ایجاد شده در پوشش تونل تحت بار زلزله برای مدل T10

شکل 5-2) نمونه‌ی نمودار خمش ایجاد شده در پوشش تونل تحت بار زلزله برای مدل T10
5-2-1-بررسی نوع خاک و نوع زلزله و فاصله سنگ بستر تاتونل در نیروهای داخلی پوشش ها
در این حالت با مقایسه نیروهای داخلی پوشش ها در مدل های مختلف (T1 تا T16) به بررسی اثر نوع خاک، میزان تراکم، نوع زلزله و فاصله سنگ بستر تا تونل می پردازیم. حداکثر نیروی برشی و لنگر خمشی ایجاد شده در پوشش ها در جدول 5-2 ارائه شده است.
جدول 5-2) حداکثر نیروی برشی و لنگر خمشی ایجاد شده در مدلها
مدل نوع خاک عمق سنگ بستر زلزله حداکثر نیروی برشی (kN/m) حداکثر لنگر خمشی (kN.m/m)
T1 ماسه معمولی 10 Northridge 6/192 6/414
T2 ماسه معمولی 10 Chi Chi-Taiwan 0/113 8/326
T3 ماسه معمولی 100 Northridge 7/115 7/353
T4 ماسه معمولی 100 Chi Chi-Taiwan 9/106 8/334
T5 ماسه متراکم 10 Northridge 0/318 2/609
T6 ماسه متراکم 10 Chi Chi-Taiwan 5/93 6/219
T7 ماسه متراکم 100 Northridge 0/124 8/348
T8 ماسه متراکم 100 Chi Chi-Taiwan 4/123 1/336
T9 رس عادی تحکیم یافته 10 Northridge 192 6/515
T10 رس عادی تحکیم یافته 10 Chi Chi-Taiwan 113 8/326
T11 رس عادی تحکیم یافته 100 Northridge 8/161 4/517
T12 رس عادی تحکیم یافته 100 Chi Chi-Taiwan 9/106 8/334
T13 رس پیش تحکیم یافته 10 Northridge 6/188 0/647
T14 رس پیش تحکیم یافته 10 Chi Chi-Taiwan 0/113 8/326
T15 رس پیش تحکیم یافته 100 Northridge 7/159 1/513
T16 رس پیش تحکیم یافته 100 Chi Chi-Taiwan 5/109 9/341
با بررسی و مطالعه نیروهای حداکثر ایجاد شده در پوشش ها موارد زیر قابل استحصال است:
الف- شتاب نگاشت زلزله Northridge که در این مدلسازی مورد استفاده قرار گرفت. نسبت به شتاب نگاشت زلزله Chi Chiدر فاصله نزدیک ‌تری از گسل ثبت شده است. با مقایسه دامنه فوریه مربوط به هریک از زلزله‌ها مشخص می‌گردد که شتاب نگاشت مربوط به زلزله Northridge محتوای فرکانسی بیشتری را شامل می‌شود. به همین دلیل بر اثر زلزله Northridge نیروی بیشتری در المان‌های پوششی تونل ایجاد می‌شود. به عنوان مثال می‌توان نتایج حاصل از مدل‌های T11 و T12 را مشاهده نمود. در شکل 5-3 طیف فوریه مربوط به شتاب نگاشت هریک از زلزله‌ها نشان داده شده است. همچنین تاثیر نوع زلزله در خاک‌های رسی بیشتر از خاک‌های ماسه‌ای است.
الف
ب
شکل 5-3) دامنه فوریه زلزله های اعمالی الف- زلزله Northridge ب- زلزله Chi Chi
ب- به طورکلی با مقایسه نتایج تحلیل‌ها می‌توان دریافت که در صورت ثابت بودن تمام شرایط، در زلزله Northridge با محتوای فرکانسی بیشتر، هرچه فاصله‌ی سنگ بستر تا تونل کمتر باشد برش و خمش بیشتری در اثر زلزله به المان‌های پوششی اعمال می‌گردد. این در حالی است که در زلزله‌ی Chi Chi تاثیر فاصله از سنگ بستر محسوس نخواهد بود. به عنوان مثال می‌توان به نتایج مدل‌های T5 و T7 برای زلزله Northridge، T14 و T16 برای زلزله (Chi Chi) اشاره کرد.
ج- با اعمال زلزله‌ی( Chi Chi ) در حالتی که فاصله‌ی تونل از سنگ بستر زیاد باشد(100 متر) نوع خاک تاثیری در مقادیر برش و خمش ایجاد شده در پوشش تونل ‌ها نخواهد داشت.به عنوان مثال می‌توان به نتایج مدل‌های T4، T12 اشاره کرد.
د- در صورت ثابت بودن شرایط مدل از نظر نوع زلزله و عمق سنگ بستر زیاد(100 متر)، در رس ها تفاوتی در نیروهای ایجاد شده در المان‌های پوشش بتن، مشاهده نمی‌شود.‌به عنوان مثال می‌توان به نتایج مدل‌های T11، T15 اشاره کرد.
5-2-2 طراحی پوشش های تونل
در این قسمت برای نشان دادن نحوه طراحی پوشش ها مدل T6 به عنوان نمونه انتخاب شد. پوشش تونل در این مدل براساس حداکثر مقدار لنگر خمشی و نیروی برشی نهایی ایجاد شده در اثر بارهای استاتیکی و دینامیکی و با ضریب بار 2/1 طراحی گردید. مقدار حداکثر لنگر خمشی این مدل برابر است با 219.6kN.mm وحداکثر نیروی برشی برابر با 93.5kNm است.
نیروهای طراحی عبارت است از : Mu=264kN.mm و Vu=112kNm-طراحی و کنترل بر مبنای مبحث نهم مقررات ملی ساختمان
کنترل برش:
(5-1) Vc=υcbwd (5-2) υc=0.2ϕcfc'جدول 5-3) طراحی برشی پوشش های بتنی تونل
پارامتر نماد واحد مقادیر پیش فرض طراحی
عرض مقطع bwmm1000
عمق مؤثر مقطع dmm370
ضریب کاهش مقاومت بتن ϕc- 6/0
مقاومت مشخصه بتن fc'N/mm225
تنش مقاوم برشی بتن υcN/mm26/0
نیروی مقاوم برشی بتن VcKN222

=27

**اندازه گیری داروها و متابولیتهای آنها، کشف داروهای جدید و ارزیابی فعالیت آنها
** ارزیابی و اندازه گیری آنالیتها ی موجود در نمونه بیولوژیک
** تشخیص سریع بیماریها با استفاده از تستهای سریع یا Point-of- care ، ویژگی این تستها سرعت و ارزان بودن روش آزمایش است.
نانوحسگرهای زیستی
با ورود علوم و فناوری نانو و فراهم شدن امکان ساخت الکترودهایی در مقیاس بسیار کوچک، ساخت حسگرهای نانومتری نیز میسر شد. این حسگرها به لحاظ دارا بودن سایز نانومتری و کاربردشان در محیط های زیستی، نانوبیوسنسور (نانوحسگر زیستی) نامگذاری شدند. نانوحسگرهای زیستی الکترودهای بسیار کوچکی در اندازهء نانومتری و ابعاد سلولی هستند که از طریق تثبیت آنزیم های خاصی روی سطح آنها، نسبت به تشخیص گونه های شیمیایی یا بیولوژیک مورد نظر در سلول ها حساس شده اند. از این حسگرها برای آشکارسازی و تعیین مقدار گونه ها در سیستم های بیولوژیک استفاده می شود. این تکنیک، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی ملکول ها از دیواره یا غشای سلولی است.
در طی دههء گذشته، با پیشرفت فناوری ساخت فیبر نوری و ساخت نانوفیبرها، در پژوهش های پزشکی و بیولوژیک نیز تحول عظیمی صورت گرفته و فناوری ساخت حسگرهای زیستی و دانش تولید نانومتریِ این ابزارها روزبه روز گسترش یافته است. این حسگرها به لحاظ استفاده از فیبر نوری در ساختارشان «حسگرهای نوری» نامیده شده اند و به دو دستهء شیمیایی و بیولوژیکی تقسیم می شوند. بسته به اینکه بخواهیم این حسگر را برای تجزیهء گونهء داخل سلول، مایع بیولوژیک بین سلولی یا داخل خون به کار ببریم، ابعاد نوک حسگر، زاویهء مخروطی شدن نوک آن و میزان نرمی پوشش روی فیبر متفاوت خواهد بود.
تولید نانوحسگرهای زیستی نوری
برای تهیهء این فیبر به عنوان نوک حسگر، می توانیم از دستگاه های مورد استفاده برای کشش فیبرهای نوری استفاده نماییم.
در این دستگاه از لیزر دی اکسید کربن برای گرم کردن فیبر و از وسیله ای برای کشش فیبر در جهت محور اصلی آن استفاده می شود. محققان موفق شده اند با تغییر دما و میزان نیروی کششیِ اعمال شده به فیبر، نوک هایی برای حسگرهای زیستی بسازند که قطرشان بین 20 تا 500 نانومتر است. این تکنیک سرعت بالا (حدود 3 ثانیه) و روند تولید نسبتاً ساده ای دارد.
حسگرهای زیستی انواع مختلفی دارند اما مستقل از نوعشان همگی دارای سازو کاری مشترک اند. هر حسگر زیستی شامل دو بخش اصلی است: ۱/ عنصر تشخیص دهنده (recognition element) که برقراری پیوند شیمیایی با هدف را توسط ligand میسر می‌سازد، ۲/ انتقال دهنده (transducer) که وظیفه تبدیل سیگنال‌ها را بر عهده دارد.
حسگرهای زیستی به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم تقسیم می‌شوند. در حسگرهای زیستی مستقیم هدف بدون هیچ واسطه‌ای با لیگاند پیوند برقرار کرده و شناسایی می‌شود. اما در حسگر غیرمستقیم این کار توسط یک عنصر واسطه انجام می‌گیرد.
در انتخاب حسگر مناسب باید دقت داشت که سرعت و سادگی حسگرهای مستقیم نسبت به غیرمستقیم بیشتر بوده و هم چنین قابلیت استفاده در حالت غیر مستقیم را نیز دارد و می توان برای اندازه گیری تغییرات فیزیکی (خواص اپتیکی، الکتریکی و شیمیایی) از آن استفاده کرد.
حسگرهای زیستی به دو دسته اپتیکی و مکانیکی تقسیم می‌شوند که از انواع اپتیکی می توان به SPR(Surface Plasmon Resonator), LSPR, … اشاره کرد که به شکل‌های فیبری (tip & taper) وجود دارند و مورد بحث ما هستند. از انواع مکانیکی نیز می توان از MEMS, quartz plasmon resonator یاد کرد، که در ابعاد نانو کاربردهای بسیار زیادی دارند.
این حسگرها از سه بخش تشکیل شده‌اند.
1.پذیرندهی زیستی یا عنصرِ زیستیِ حساس: یک مادهٔ زیستی (پادتن‌ها، اسید نوکلئیکها، آنزیم‌ها، سلول‌ها و دیگر ماده‌هایِ زیستی) که می‌تواند به صورتِ انتخابی تنها با مادهٔ خاصی واکنش نشان دهد.
2.آشکارساز و مبدل: که پس از واکنشِ ماده‌ای خاص با پذیرنده‌هایِ زیستی، وارد عمل می‌شوند و می‌توانند نوع و مقدارِ واکنش را با روش‌هایِ مختلفِ فیزیکی-شیمایی کرده (مثلاً با بررسیِ تغییرهایِ الکتروشیمیایی، نوری، جرمی یا حرارتیِ قبل و بعد از واکنش) و به وسیلهٔ سیگنال‌هایِ مناسب به پردازنده ارسال کنند.
بخشِ پردازنده که همچنین مسئولیتِ نمایشِ نتیجهٔ فعالیتِ حسگر را نیز بر عهده دارد. به طور کلی می‌توان گفت حسگر زیستیها (زیست حسگرها) یک گروه از سیستمهای اندازه گیری می‌باشند و طراحی آنها بر مبنای شناسایی انتخابی آنالیتها بر اساس اجزا بیولوژیک وآشکارسازهای فیزیکو شیمیایی صورت می‌پذیرد. حسگرهای زیستی متشکل از سه جزء عنصر بیولوژیکی، آشکار ساز و مبدل می‌باشند. طراحی حسگرهای زیستی در زمینه‌های مختلف علوم بیولوژی، پزشکی در دو دهه گذشته گسترش چشمگیری داشته‌است.
فناوری حسگر زیستی در حقیقت نشان دهنده ترکیبی از علوم بیوشیمی، بیولوژی مولکولی، شیمی، فیزیک، الکترونیک و کامپیوتراست. یک حسگر زیستی در حقیقت شامل یک حسگر کوچک و ماده بیولوژیک تثبیت شده بر آن می‌باشد. از آنجا که حسگرهای زیستی ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکول‌های زیستی می‌باشند، امروزه از آنها در علوم مختلف پزشکی، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی، مانیتورینگ محیط زیست، تولید محصولات دارویی، بهداشتی و غیره بهره می‌گیرند. در واقع این حسگرها ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکولهای زیستی می‌باشند.
حواس بویایی و چشایی انسان که به شناسایی بوها و طعمهای مختلف می‌پردازد و یا سیستم ایمنی بدن که میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسایی می‌کند، نمونه‌هایی از حسگرهای زیستی طبیعی می‌باشند. در حقیقت حسگرهای زیستی ابزارهای آنالیتیکی بشمار می‌روند که می‌توانند با بهره گیری از هوشمندی مواد بیولوژیک، ترکیب یا ترکیباتی را شناسایی نموده، با آنها واکنش دهند. و بدین ترتیب یک پیام شیمیایی، نوری و یا الکتریکی ایجاد نمایند. بیشترین کاربرد حسگرهای زیستی در تشخیص‌های پزشکی و علوم آزمایشگاهی است، در حال حاضر حسگرهای زیستی گلوکز از موفق ترین حسگرهای زیستیی موجود در بازار بوده که برای اندازه گیری غلظت گلوکز خون بیماران دیابتی استفاده می‌شود. همانگونه که ذکر گردید، اساس کار یک حسگر زیستی تبدیل پاسخ بیولوژیکی به یک پیام است. حسگرهای زیستی مرکب از سه بخش ۱)دریافتگر زیستی یا بیورسپتور ۲) آشکارساز و ۳) مبدل می‌باشند.
دریافتگرهای زیستی که در حسگرهای زیستی مورد استفاده قرار می‌گیرند به شرح ذیل می‌باشند:
۱. آنزیم
۲. پادتن
۳. گیرنده‌های سلولی
۴. اسیدهای نوکلئیک DNA یا RNA
۵. میکروارگانیسم یا سلول کامل
۶. بافت
۷. گیرنده‌های سنتتیک
در این سیستمها اندازه گیری تغییرات فیزیکی وشیمیایی انجام شده در سطح بیورسپتور و تبدیل آن به انرژی قابل اندازه گیری توسط مبدل انجام می‌شود. همچنین هدایت سیگنالهای فرستاده شده از مبدل به پرداشگر، تقویت، آنالیز و در نهایت تبدیل آن به واحد غلظت توسط آشکار ساز انجام می‌گیرد. انواع متداول مبدل‌های مورد استفاده در حسگر زیستیها شامل:
۱) الکتروشیمیایی ۲) نوری (تابناکی، جذب و تشدید پلاسمون سطح) ۳) حساس به تغییر جرم و ۴) حرارتی می‌باشند.
به عبارتی دیگر یک حسگر زیستی به طور کلی شامل یک سیستم بیولوژیکی تثبیت شده می‌باشد که در حضور آنالیت مورد اندازه گیری باعث تغییر خواص محیط اطراف می‌شود. وسیله اندازه گیری که به این تغییرات حساس است، سیگنالی متناسب با میزان و یا نوع تغییرات تولید می‌نماید که متعاقباً به سیگنالی قابل فهم برای دستگاههای الکترونیکی تبدیل می‌گردد. اختصاصیت و قدرت شناسایی یک آنالیت از میان دیگر آنالیتهای موجود در نمونه مورد آزمایش از ویژگی‌های یک حسگر زیستی می‌باشد. قابلیت انتخاب یک حسگر زیستی توسط بخش پذیرنده و مبدل آن تعیین می‌شود. بدین ترتیب مزایای حسگرهای زیستی بر سایر سامانه‌های اندازه‌گیری موجود را می توان در ۳ مورد زیر خلاصه نمود:
سیستم‌های اندازه گیری موجود توانایی سنجش مولکولهای غیرقطبیی که در بافتهای حیاتی تشکیل می‌گردند را ندارند در حالی که حسگر زیستیها می‌توانند این ترکیبات را شناسایی و سنجش کنند.
از آنجایی که مبنای کار حسگرهای زیستی بر اساس سامانه بیولوژیکی تثبیت و تعبیه شده در خود آنهاست، بنابراین آنها اثرات جانبی بر سایر بافتها ندارند.
کنترل پیوسته و بسیار سریع فعالیتهای متابولیسمی توسط این حسگرها امکان پذیر است.
حسگرهای زیستی بر اساس نحوه شناسایی آنالیت به دو گروه عمده تقسیم می‌گردند:
۱. حسگر زیستی با اساس شناسایی مستقیم پادگن (آنتی‌ژن): که واکنش پذیرنده با آنالیت مستقیما توسط حسگر شناسایی می‌گردد. عناصر بیولوژیک مورد استفاده در این گروه، گیرنده‌های سلولی و آنتی بادی‌ها می‌باشند.
۲. حسگر زیستی با اساس شناسایی غیر مستقیم پادگن: واکنش پذیرنده با آنالیت به طور غیر مستقیم توسط حسگر شناسایی می‌گردد. عناصر بیولوژیک مورد استفاده در این گروه ترکیبات نشاندار، مثل آنتی بادیها ی نشاندار شده و یا ترکیباتی با خاصیت کاتالیتیکی مانند آنزیم‌ها می‌باشند. توسعه حسگر زیستیها ازسال ۱۹۶۲ با ساخت الکترود اکسیژن توسط لی لند کلارک در سین سیناتی آمریکا برای اندازه گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون آغاز شد. این حسگر همچنین بنام سازندهٔ آن گاهی الکترود کلارک نیز خوانده می‌شود. بعداً با پوشاندن سطح الکترود با آنزیمی که به اکسیده شدن گلوکز کمک می‌کرد از این حسگر برای اندازه گیری قند خون استفاده شد. بطور مشابه با پوشاندن الکترود توسط آنزیمی که قابلیت تبدیل اوره به کربنات آمونیوم را داراست در کنار الکترودی از جنس یون NH4 + زیست‌حسگری ساخته شده که می‌توانست میزان اوره در خون یا ادرار را اندازه گیری کند. این دو حسگر زیستی از مبدل‌های متفاوتی در بخش تبدیل سیگنال خویش استفاده می‌کردند. بطوریکه در نوع اول میزان قند خون با اندازه گیری جریان الکتریکی تولید شده اندازه گیری می‌شد (آمپرسنجانه=آمپرومتریک). و درنوع دوم اندازه گیری غلظت اوره بر اساس میزان بار الکتریکی ایجاد شده در الکترودها صورت می‌پذیرفت (پتانسیل‌سنجانه=پتانسیومتریک).
ویژگی‌های حسگرهای زیستی عناصر بیولوژیکی
همانطور که ذکر گردید حسگرهای زیستی سیستمهای اندازه گیری بسیار دقیق، حساس و اختصاصی می‌باشند و وجود بیورسپتورهای خاص علت ویژگیهای منحصر به فرد این سیستمهای اندازه گیری می‌باشد. در حقیقت اساس شناسایی وسنجش ترکیبات در این سیستمها، اتصال ویژه آنالیت مورد اندازه گیری به حسگر توسط بیورسپتورها می‌باشد. اهمیت این اجزا در عملکرد بسیار اختصاصی آنها نسبت به آنالیت خاصی است که بدین وسیله از مداخلهٔ مواد مزاحم که موجب عدم کارایی بسیاری از روشهای اندازه گیری است، جلوگیری می‌کند. جزء بیولوژیک ممکن است واکنش سوبسترا را کاتالیز کند(آنزیم) یا به طور انتخابی به سوبسترا متصل شود. آنزیم‌ها یکی از متداولترین عناصر بیولوژیکی هستند که در این سیستمها مورد استفاده قرار می‌گیرند. عناصر بیولوژیکی عامل اصلی گزینش در زیست‌حسگر محسوب می‌شوند که عمدتا در سه گروه تقسیم بندی میگردندکه به شرح زیر می‌باشد:
پادتن
آنزیم
اسید نوکلئیک
ساختارهای سلولی/ سلول‌ها
روش‌های تثبیت اجزای زیستی:به منظور ساخت یک حسگر زیستی پایدار، باید جزء بیولوژیکی به طرز خاصی به مبدل‌ها متصل گردد، چنین فرآیندی را تثبیت گویند. برای این منظور پنج روش به شرح زیر ارائه شده‌است:
جذب سطحی
ریزپوشینه‌سازی
محبوس‌سازی
پیوند عرضی
پیوند کووالانسی
مبدل:، تغییر قابل مشاهده فیزیکی یا شیمیایی را به یک پیغام قابل اندازه گیری، که بزرگی آن متناسب با غلظت ماده یا گروهی از مواد مورد سنجش است، تبدیل می‌نماید، چنین عملی ازتلفیق دو فرایند متفاوت حاصل می‌شود؛ این وسیله ویژگی و حساسیت مواد بیولوژیکی را با قدرت محاسبه گری ریزپردازشگر ترکیب می‌نماید. بیشتر حسگر زیستیها از مبدل‌های الکتروشیمیایی ساخته شده‌اند. مبدل‌ها را می‌توان به انواع زیر تقسیم بندی نمود:
مبدل‌های نوری
مبدل‌های الکتروشیمیایی
مبدل‌های پیزوالکتریک
مبدل‌های گرمایی
حسگر زیستی سیستمی با اندازه کوچک، حساسیت بالا وقابل حمل بوده که می‌تواند آنالیت مورد نظررا درغلظتهای بسیار کم در نمونه‌های بیولوژیک اندازه گیری کند. دو عامل در طراحی یک حسگر زیستی مناسب نقش ایفا می‌کند:
1-روش مناسب تثبیت دریافتگر زیستی در سطح جامد که موجب افزایش طول عمر، حساسیت و پایداری آن می‌گردد.
2-انتخاب مبدل مناسب.
استفاده از حسگرهای زیستی به دلیل دقت و حساسیت روش‌و همچنین در مواردی به دلیل عدم نیاز به وسایل پیشرفته و صرف زمان و هزینه زیاد برای تشخیص آنالیت‌ها در مراکز کوچک و در مراکز با امکانات کم و حتی در منزل نیز کاربرد دارد. این روشها می‌توانند در شناخت مکانیسم برخی بیماریها و اختلالات، در امر تشخیص و درمان بیماریها و عوارض آنها و شناسایی علل و زمینه‌های به وجود آورنده آنها و نیز در سایر علوم مرتبط نظیر داروسازی، سامانه‌های پیشرفته دارورسانی و شناسایی داروهای جدید و ارزیابی فعالیت بیولوژیک آنها فعالیّت نماید.
جزئیات فنی حسگر اپتیکی تشدیدگر پلاسمون سطح:حسگر تشدید پلاسمون سطح (SPR)‌مناسب‌ترین ابزار برای تحلیل برهمکنش‌های انواع مختلفی از مولکولهاست. ساده ترین و متداول ترین این برهم‌کنش‌ها، برهم‌کنش پادتن-پادگن است.
این سامانه‌ها بر اساس آشکارسازی مدولاسیون مکانی فاز (SMPD) است. در این سیستم نور تکفام موازی به منظور برانگیختن SPR استفاده می‌شود و فاز نور بازتابی به صورت مکانی مدوله شده تا یک طرح تداخلی ایجاد کند. در روابط پرتوهای تداخلی φ اختلاف فاز بین پرتوها، I شدت پرتوها، و f فرکانس فضایی خطوط تداخلی است.
نمونه‌های تجاری امروزی این نوع حسگرها بر اساس شدت آشکارسازی نور کار می‌کنند که بسیار مکانیزم ساده‌ای دارد، اما خطاهای موجود در منبع نوری، آشکار ساز نور و تقویت کننده موجب کاهش دقت حسگر شده و بیشتر از چیزی در حدود 10^-6 (RIU) نخواهد بود. به منظور افزایش دقت حسگر به جای اندازه گیری شدت، تغییرات فازی را اندازه گیری می‌کنند. همچنین برانگیختن حسگر باعث افزایش سرعت تغییر شدت و فاز می‌گردد.(دقت: 10^-4 (RIU))
اجزای SPR
لیزر He-Ne، 632.8nm ۲. دریچه ۱۰ میکرومتری(واقع در فاصله کانونی لنزها)، آلمینیومی ۳. بسط دهندهٔ پرتو ۴. صفحه موج ½ ۵. دیافراگم مثلثی ۶. منشور متساوی الاضلاع کریشمان (شیشه ZF5، ضریب شکست 1.740) ۷. تراشه حسگر ۸. سلول جریان ۹. منشور ولاتسون (زاویه جدایی.۳ درجه) ۱۰. منشور قطبنده ۱۱. لنز تصویرساز ۱۲. دوربین CCD متصل به رایانه ۱۳. رایانه
اساس کار حسگرهای اپتیکی بر پایه تغییر ضریب شکست نور در مرز منشور(فیبر) که در تماس با لیگاند است می‌باشد. به منظور افزایش جذب انرژی نور و دقت بیشتر یک لایه فلز (معمولا طلا) بر روی سطح منشور (فیبر) استفاده می‌کنند. حسگر فیبری SPR:در حسگر فیبری به جای استفاده از منشور از فیبر استفاده می‌شود. مزیت این نوع حسگر اندازه کوچک آن است. عملکرد فیبر نیز به همان شکل تغییر در ضریب شکست و فاز پرتوی بازگشتی است. در این شکل فیبر از قسمت نازک تر در تماس محلول مورد بررسی قرار گرفته، نور عبوری از فیبر (که دائما در حال بازتاب داخلی در فیبر است) در اثر وجود ویروس مورد نظر در محلول و قرار گرفتن بر روی لیگاند، دچار تغییر ضریب شکست شده و پرتو خروجی تغییر فاز نشان می‌دهد. با اندازه گیری شیفت در طول موج نور خروجی، به میزان غلظت ویروس و یا وجود یا عدم وجود ویروس پی می‌بریم. همچنین در قسمت زیرین فیبر از یک کره استفاده شده که باعث رفت و برگشت بیشتر نور و در نتیجه تقویت پرت می‌گردد.
برای ساختن تیپ فیبر را به مدت حدودا ۴۵ دقیقه در 1400ml اسید HF %48 به همراه 800 ml روغن قرار داده و سپس توسط NaOH اسید را خنثی و تیپ را می‌شویند. هرچه تیپ متقارن تر باشد پرتوی خروجی از آن دارای شکل متقارن تری است و در اندازه گیری دقت بیشتری به دست می‌دهد.
کاربردهای SPR
بررسی DNA به منظور کشف هرگونه نقص ژنتیکی و یا ابتلا به سرطان‌ها در بدو تولد.
در این روش با مقایسه طیف DNA با طیف ناشی از DNA دارای نقص در ترتیب که منجر به ایجاد سرطان می‌شود، از بدو تولد می‌توان از ابتلا به سرطان و یا سایر بیماریهای ژنتیکی اطلاع یافت.
به دست آوردن غلظت محلولی (گلوکز خون):
در این روش مخصوصا با تلفیقی از MEMSاز کپسول‌هایی استفاده می‌شود که با کاشت در بدن می‌توانند اطلاعات مربوط به بیمار را به طور لحظه‌ای به رایانه شخصی وی ارسال کنند.
حسگرهای زیستی نانومکانیکی
اگر چه استفاده از حسگرها قدمت زیادی دارد، اما در سال های اخیر نانوفناوری نقش مهم و فزاینده ای در توسعه آنها ایفا کرده است. نانوحسگرهایی که بخش اصلی حسگر در آنها ماهیت زیستی داشته باشند، با اسم نانوحسگر زیستی(Nano-biosensor) شناخته می شوند. نانوحسگرهای زیستی به دلیل دارا بودن اندازه نانومتری می توانند سنجش در محیط های زیستی را آسانتر، حساس تر و سریعتر انجام دهند.
حسگرهای زیستی ابزارهای تجزیه ای هستند که دارای سه جزء اصلی عنصر زیستی، مبدل و سیستم قرائت می باشند. عضو زیستی از گزینش‌پذیری بالایی برای برهم کنش زیستی و آشکارسازی آنالیت (ماده مورد تجزیه) برخوردار است. مبدل فیزیکی (Transducer) پدیده شناسایی را به یک اثر قابل اندازه گیری مانند سیگنال الکتریکی، نشر نوری یا حرکت مکانیکی تبدیل می کند. این اثر در نهایت توسط سیستم قرائت اندازه گیری می شود. نانوکانتیلورها و میکروکانتیلورها می توانند تعدادی از پدیده ها نظیر تغییرات جرم، دما، گرما، فشار و رطوبت را به انحراف (شیوه استاتیک) یا تغییر در فرکانس رزونانسی (شیوه دینامیک) تبدیل کنند. کانتیلورها در ساختمان زیست حسگرها بعنوان مبدل سیگنال شیمیایی به حرکت مکانیکی با حساسیت بالا بکار می روند. کلید استفاده از میکروکانتیلورها برای آشکارسازی گزینشی مولکول ها قدرت عاملدار کردن سطح کانیتلور است.
میکروکانیتلورها در آشکارسازی مواد شیمیایی مانند ترکیبات فرار، مواد منفجره، گونه های یونی، سموم، آلاینده های غذا و محیط، آفت کش ها و مواد زیستی مانند آشکارسازی DNA و پروتئین و گلوکز و ... بکار می روند.
نانوساختارهای مختلفی در ساخت نانوحسگرهای زیستی استفاده می شوند که بعضی از آنها عبارتند از: نانوذرات، نقاط کوانتومی، نانولوله ها، نانوفیبرها و نانو سیم ها.
اجزای اصلی زیست حسگر
حسگرهای زیستی ابرازهای تجزیه ای هستند که دارای سه جزء اصلی عنصر زیستی(به عنوان جزء اصلی تشخیص دهنده یونها یا مولکولهای هدف)، مبدل (Transducer) و سیستم قرائت(Read out Sys--) می باشند. در حسگرهای زیستی، عضو زیستی با روش های مختلف روی مبدل تثبیت(Immobilize) شده است . این عضو زیستی از گزینش پذیری بالایی برای برهم کنش های زیستی و آشکارسازی آنالیت برخوردار است (در سیستم های زیستی بین گیرنده و لیگاند مربوط به آن ارتباط اختصاصی وجود دارد که نمونه جالب آن رابطه کاملا اختصاصی بین آنزیم و پیش‌ماده (Substrate) آن می باشد. بدین معنا که آنزیم فقط پیش‌ماده خاص خود را می پذیرد و واکنش موردنظر را تنها بر روی پیش‌ماده ویژه کاتالیز می کند. این ویژگی از تطابق ساختار جایگاه فعال آنزیم (Active site) با ساختار پیش‌ماده ناشی می شود. مبدل فیزیکی پدیده شناسایی را به یک اثر قابل اندازه گیری مانند سیگنال الکتریکی، نشر نوری یا حرکت مکانیکی تبدیل می کند. این اثر در نهایت توسط سیستم قرائت اندازه گیری می شود.
معمولترین عضو زیستی در زیست حسگرها آنزیم ها، آنتی بادی ها، اندامک ها، گیرنده ها و اسیدهای نوکلئیک هستند که با اتصال ویژه به آنالیت موردنظر امکان تجزیه کمی و کیفی آن را فراهم می آورند.
مبدل های معمول در ساخت زیست حسگرها شامل انواع نوری، الکتروشیمیایی، ترمومتری، پیزوالکتریک و ... می باشند که به ترتیب سیگنال ایجاد شده را به علایم نوری،الکترونیکی، تغییرات گرمایی و نوسانی تبدیل می کنند.
این حسگرها بر مبنای نوع جزء زیستی، نحوه کار مبدل یا کاربرد آنها تقسیم بندی می شوند .
امتیازات و عوامل پیشرفت زیست حسگر ها
در اوایل 1960 کلارک و لایونز و آپدایک و هیکز اولین زیست حسگرها را بر مبنای برهمکنش کاتالیتیکی ویژه آنزیم گلوکز اکسیداز با گلوکز توسعه دادند. بعد از آن رشد سریعی در مطالعه فعالیت ها در این زمینه اتفاق افتاد که باعث پیشرفت بزرگی در توسعه ابزارهای حسگر برای اندازه گیری مولکول های زیستی در زمینه های مختلف صنعتی، دارویی، بالینی و کنترل های محیطی گردید.
پیشرفت در میکروفناوری و نانوفناوری پیشرفت حسگرهای بسیار حساس (با توانایی آشکارسازی خمیدگی های در حد نانومتر)، با امتیاز کوچک بودن (امکان سنجش آسانتر محیط های زیستی) را منجر شد. توانمندی بالا، قابلیت اطمینان، صرف انرژی کم، صرفه جویی در زمان و قیمت و آنالیت از مزایای استفاده از این نانو زیست حسگرهاست. سهولت و سرعت بالای اندازه گیری، تکرارپذیری، عملکرد اختصاصی، قابلیت حمل، امکان ساخت آرایه های چند عنصری برای اندازه گیری همزمان و قرائت چندین نمونه، حساسیت بالا و امکان جمع شدن با فناوری میکروالکترونیک از دیگر مزایا می‌باشند. این روش آشکارسازی نیاز به نشاندار کردن (Labeling) ندارد.
معرفی زیست حسگرهای نانومکانیکی
میکروکانتیلورها برای میکروزیست حسگرها و نانوزیست حسگرها بسیار امیدبخش هستند و از کانتیلورهای مورد استفاده در میکروسکوپ نیروی اتمی Atomic Force Microscopy-AFM)) مشتق می شوند. کانتیلورها سکوهای فنری در اندازه های نانو و میکرو می باشند و بر مبنای انحراف سکو و یا تغییر فرکانس رزونانسی حاصل از حضور آنالیت در سطح کانتیلور عمل می کنند.
زمانیکه یک برهمکنش زیست مولکولی در سطح آنها اتفاق می افتد میکروکانتیلور شناسایی مولکولی زیست مولکول ها را به اشارات نانومکانیکی ترجمه می کند که بطور رایج به یک سیستم قرائت نوری (Optical Readout Sys--) یا پیزورسیستیو (Piezo-Resistive Readout Sys--) بعنوان مبدل نیروی مکانیکی به جریان الکتریکی کوپل می شود. میکروکانتیلور مثال جالبی از همراهی نانوفناوری و زیست فناوری است . حسگرهای مبتنی بر کانتیلوردر محیط هوا, خلا و مایع عمل می کنند.
توسعه زیست حسگرهای مجتمع (Integrated) برای آشکاسازی همزمان گونه های مهم زیستی منجر به مفهوم زیست تراشه ها (Biochip) شده است که به عنوان بسترهای دارای میکرو آرایه های زیست پذیرنده ها (Bioreceptor) تعریف می شوند. زیست تراشه های حاوی نانو و میکروکانتیلورها بعنوان عناصر حسگر به نیروی خارجی، نشان دار کردن (Labling) و مولکول های فلورسان نیاز ندارند .
امروزه طیفی از حسگرهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی قرار گرفته روی سکوی کانتیلور مورد مطالعه هستند. اگر چه آشکارسازهای منفرد بر مبنای کانتیلورها توسعه یافته اند ولی یک آرایه (Array) از چنین حسگرهایی می تواند اطلاعات فزاینده ای فراهم کند که توسط ابزارهای منفرد قابل دسترسی نیستند. حسگرهای میکروکانتیلور چندعاملی (Multifunctional) با تنوعی از پوشش ها امکان اندازه-گیری مخلوطی از بخارات را با حساسیت بالا فراهم می کنند. تنوعی از پوشش ها و ضخامت ها می توانند برای آشکارسازی بخارات شیمیایی بکار روند. پاسخ آرایه می-تواند برای شناسایی مخلوطی از اجزای شیمیایی بکار رود. استفاده از آرایه ها روی یک تراشه و بدست آوردن مجموعه ای از اطلاعات سبب سهولت نصب و ساخت، استفاده سیار از سیستم، کاهش هزینه و نیرو در طیف وسیعی از کاربردها از صنعت تا محیط زیست را فراهم می کند .
پیشرفت های آینده بهینه سازی ابعاد و شکل کانتیلور را برای رسیدن به کارایی های ویژه شامل می‌شود. حساسیت فشاری، جرمی و دمایی حداکثری، استفاده از آرایه کانتیلورهای موازی که با معدل گیری از نتایج آنها نسبت S/N (نسبت پاسخ حسگر به مولکول هدف (سیگنال) به پاسخ های بی هدف (نویز) که هرچه بیشتر باشد کارآیی حسگر مطلوب تر است)افزایش می یابد، آنالیزهای چندگانه با کانتیلورهای با پذیرنده‌های مختلف, ساده تر کردن قسمتهای مختلف و تجمع آنها از این دسته‌اند.
استفاده های جاری از زیست حسگرها به دنبال ابزارهایی است که قادر باشند توسط هر کس در هر جایی و برای آزمایش هر چیزی در زمان واقعی و با هزینه جزئی عمل کنند. برای قابل حمل بودن زیست حسگرها، حذف اثرات محیط و خودکارسازی عملکرد زیست حسگر ضروری است .
عملکرد کانتیلورها
کانتیلورها می توانند تعدادی از پدیده ها نظیر تغییرات جرم، دما، گرما، فشار و رطوبت را به انحراف (شیوه استاتیک) یا تغییر در فرکانس رزونانسی (شیوه دینامیک) تبدیل کنند و در ساختمان زیست حسگرها بعنوان مبدل سیگنال شیمیایی به حرکت مکانیکی با حساسیت بالا بکار می روند . جذب سطحی مولکول ها وقتی به یکی از سطوح کانتیلور محدود می شود فشار سطحی اختلافی تولید می کند که کانتیلور را خم می کند و همزمان فرکانس رزونانسی کانتیلور به خاطر بارگذاری تغییر می کند. خمیدگی و تغییر در فرکانس رزونانسی می تواند توسط چندین تکنیک: خمیدگی محور نوری (Optical Beam Deflection)، مقاومت پیزو (Piezoresistivity) ، پیزوالکتریستی (Piezoelectricity)، تداخل سنجی (Interferometry) ، تغییرات ظرفیت خازنی (Capacitance) و ... نمایش داده شوند.
اساس حسگری با توجه به وسیله، مولکول های آنالیت و دقت مورد نیاز متنوع است . بطور کلی حسگرهای شیمیایی اغلب بر مبنای شیوه تبدیل، به چهار زمینه عمده الکتروشیمیایی (Electrochemical)، نوری (Optical)، حساس به گرما (Thermosensitive) و حساس به جرم (Mass Sensitive) طبقه بندی می شوند. پاسخ حسگرهای حساس به جرم، با جرم آنالیت بر همکنش کننده با سطح عنصر حسگر متناسب است . حسگرهای میکروکانتیلور به هیچ برچسبی (Label) جهت پاسخ به حضور مولکول روی سطح زیست حسگر نیاز ندارند. در روش های بدون برچسب می توان از نمونه های اصلاح نشده استفاده کرد، در نتیجه امکان قرائت پاسخ در زمان واقعی فراهم می شود. حسگرهای نانومکانیکی حساسیت بالایی در یک ناحیه کوچک (100μm2) در مقایسه با زیست حسگرهای بدون برچسب دیگر نظیر تشدید پلاسمون سطحی (SPR) و ریز ترازوی بلور کوارتز (Quarrtz Crystal Microbalance-QCMB)دارند . زمانیکه اتم های سطح کانتیلور تحت بازآرایی ناشی از جذب سطحی گونه های شیمیایی قرار می گیرند، تغییرات مهمی در فشار روی سطح اتفاق می افتد. این تغییرات کششی یا تراکمی به طبیعت گونه جذب شده بستگی دارد . روش استاتیک یک تکنیک آشکارسازی dc (جریان مستقیم) است که انحراف ناشی از فشار اتصال مولکول هدف به پذیرنده در سطح میکروکانتیلور را آشکارسازی می کند. روش دینامیک آشکارسازی ac (جریان متناوب) است که تغییرات جرم کانتیلور را با استفاده از جابه جایی فرکانس رزونانسی آشکارسازی می-کند .
رایج ترین سیستم های قرائت
تکمیل یک سیستم قرائت با ظرفیت نشان دادن تغییرات با دقت nm ضروری است. برای این منظور روشهای آشکارسازی استاتیک و دینامیک تأیید شده اند که بسیار حساس اند .
روش استاتیک
انعطاف پذیری کانتیلور در این روش سبب می شود تا اتصال مولکول هدف به پذیرنده که بر سطح کانتیلور تثبیت شده منجر به انحراف و خمیدگی در کانتیلور شود. این شیوه اجازه می دهد حسگر تغییرات بینهایت کوچک ناشی از جذب سطحی مولکولی را اندازه بگیرد. به این علت کانتیلورها زیست‌حسگرهای بسیار حساسی هستند و با تکنیک کانتیلور، آشکارسازی فشار سطحی تا حد4-10 N/m ممکن است. چنین اندازه گیری همچنین کمی و مرتبط با غلظت آنالیت موردنظر است. چندین تکنیک برای آشکارسازی خمیدگی کانتیلور بکار می روند که تکنیک های نوری و مقاومت پیزو و روش‌های خازنی معمولترین روش ها هستند. تحت شرایط واقعی حسگرها باید در طولانی مدت پایدار و نسبت به مولکول هدف حساس و انتخابگر باشند .
روش های نوری
الف- نور لیزر بر انتهای آزاد کانتیلور که به عنوان آیینه عمل می کند متمرکز می شود. به منظور افزایش انعکاس کانتیلورهای تجاری عمدتاً با لایه نازکی از طلا پوشش داده می شوند. نور منعکس شده به آشکارساز نوری برخورد می کند. وقتی کانتیلور خم می شود نور لیزر بر روی آشکارساز نوری حرکت می کند. فاصله طی شده توسط محور لیزر با انحراف کانتیلور متناسب بوده و با فاصله کانتیلور- آشکارساز نوری افزایش می یابد که باید در کالیبراسیون لحاظ شود. نکته قابل توجه در این روش این است که شیب در نقطه برخورد لیزر به کانتیلور جهت تعیین نسبت خمیدگی کانتیلور به جابه جایی تنظیم شود.
-این روش، تفکیک در حد آنگسترم را فراهم می کند که به آسانی انجام می گیرد. مشکل عمده این تکنیک این است که نیاز به ابزارهای خارجی برای اندازه گیری انحراف دارد. بنابراین چینش متوالی و کالیبره کردن آن بسیار وقت گیر است.
برای بدست آوردن پاسخ آرایه ها به این روش یک چالش تکنولوژیکی وجود دارد چرا که به آرایه ای از منابع لیزر به تعداد آنالیت های مورد شناسایی نیاز است. در این تکنیک ترتیب on و off هر منبع لیزر برای اجتناب از همپوشانی محورهای منحرف شده روی آشکارساز نوری ضروری است. این مشکل عمدتاً با استفاده از روبش منبع لیزر حل می شود و محور لیزر مرتباً طول آرایه را اسکن می کند.
ب- برای مینیاتوری کردن (Miniaturization)، کانتیلور باید بصورت تجمعی با یک سیستم قرائت ساخته شود تا از تنظیمات خارجی و اثرات محیطی اجتناب شود. یک راه برای تأمین چنین هدفی استفاده از نوعی سیستم های مجتمع نوری است که در آن میزان خمیدگی از طریق نشان دادن تغییرات در شدت نور انتقال یافته از طریق کانتیلور که بعنوان انتقال دهنده موج عمل می کند تعیین می شود. نور پس از ورود به سیستم از طریق انتقال دهنده موج، ورودی عرض شکاف را به سمت کانتیلور طی می کند و پس از کوپل به کانتیلور مسیر خود را ادامه می دهد و از طریق موج بر خروجی از سیستم خارج می شود. وقتی کانتیلور خم می شود مقداری از نوری که می تواند به موج بر کانتیلور کوپل شود کاهش می یابد و شدت نور خروجی افت می کند. از تغییرات شدت نور می توان به میزان خمیدگی کانتیلور پی برد . زیست حسگرهای نوری نسبت به انواع دیگر زیست حسگرها از امتیازاتی چون آشکارسازی های چندآنالیتی و مونیتورینگ پیوسته برخوردارند .
کانتیلورهای پیزو
حسگرهای مبتنی بر میکروکانتیلور مقاومتی پیزور، تغییرات مقاومت ناشی از فشار قرار گرفتن در معرض آنالیت موردنظر را اندازه می گیرند. این فشار زمانی اتفاق می افتد که آنالیت جذب سطحی یا متصل به ماده حسگر پوشش یافته روی کانتیلور می شود. در این سیستم کانتیلور بطور کامل یا جزئی داخل مواد حسگر قرار می گیرد.
قسمتی از ماده حسگر که در معرض آنالیت ها است آنالیت را بطور انتخابی جذب می کند و در نتیجه تغییر حجم کوچکی در ماده حسگر ایجاد می شود که به عنوان تغییر مقاومت در کانتیلور اندازه گیری می شود. به این ترتیب آنالیت آشکارسازی می شود. عنصر کلیدی در طراحی این نوع کانتیلور ساخت ترکیبی است که در معرض آنالیت موردنظر متورم شده یا ابعادش تغییر کند. از پلیمرهای آلی رایج بعنوان ماده حسگر برای آشکارسازی حضور بخار آب و بسیاری ترکیبات آلی فرار مانند استون، تولوئن، اتانول، هگزان و .... استفاده شده است. مولکول های آنالیتی که پارامترهای انحلال آنها نزدیک و متناسب با پلیمر باشد به آسانی روی آن پلیمر توزیع می شوند. بنابراین از آرایه هایی از حسگرها با پارامترهای انحلال پذیری مختلف می توان برای شناسایی دامنه وسیعی از گونه های آنالیت استفاده کرد. هیدروژل های سنتزی (Synthetic Hydrogels) می توانند تغییرات حجمی بزرگی را در پاسخ به تغییرات دما، pH، رطوبت و فاکتورهای دیگر تحمل کرده و مواد مناسبی جهت طراحی کانتیلورهای مقاومتی پیزو برای ثبت تغییرات این پارامترها محسوب می شوند. مواد زیستی خالص نیز که در اثر اتصال به آنالیت تغییرات حجم سنجی قابل اندازه گیری با کانتیلور را داشته باشند می توانند به عنوان حسگر استفاده شوند. مولکولهای لایه حسگر ممکن است آنالیت را جذب سطحی کنند یا با آن مخلوط شوند و یا پیوند شیمیایی ایجاد کنند.
برای اینکه مقاومت پیزو قابل مشاهده باشد، هدایت الکتریکی در طول ضخامت کانتیلور باید نامتقارن باشد که اغلب توسط اختلاط (Dopping) اختلافی ماده صورت می گیرد. وقتی ماده مقاومتی پیزور مانند سیلیکون مختلط شده (Dopped) تحت شرایط مکانیکی قرار می گیرد، هدایت الکتریکی آن تغییر می کند. برای اندازه گیری تغییر در مقاومت، کانتیلورهای سیلیکون باید در شرایط بایاس (Bias) مستقیم پل وتستون قرار گیرند. در پل وتستون یک زوج کانتیلور قرار می گیرد که یکی بعنوان رفرانس عمل می کند. خروجی سیستم، سیگنال تفاضلی بین دو کانتیلور است. نسبت سیگنال به نویز در این روش قویاً بهبود می یابد و نویز حاصل از اتصالات غیرویژه، نوسانات حرارتی و لرزش ها حذف می شود. اتصالات غیرویژه به سطح مشکلی عمومی است که باید در تمام آنالیزها به حداقل برسد. اگر چه حذف کامل این پارامترها غیرممکن است می توان تأثیر آن روی آشکارسازی را با استفاده از کانتیلور رفرانس کنترل کرد.
کانتیلورهای پیزورسیستیو در مقایسه با نوع نوری چندین امتیاز دارند:
- آشکارسازی پیزورسیستیو می تواند در محلول های غیرشفاف و مایعات آشفته صورت گیرد.
- نیازی به چینش وقت گیر لیزر نیست.
- این سیستم قرائت می تواند بصورت ائتلافی روی ورق سیلیکون قرار گیرد.
- کنترل دما به آسانی انجام می گیرد.
- با کوچک کردن و ساخت آرایه ها سازگار است و هزینه کمتری دارد.
ضعف عمده، سطح نویز ذاتی است که در مقایسه با کانتیلورهای نوری مستقیماً بر تفکیک و حساسیت اثر می گذارد . کنترل دما می تواند بعنوان ابزاری برای شکستن پیوندهای لیگاند- پذیرنده بکار رود. بنابراین لایه حسگر بازتولید می-شود .
روش دینامیک
در روش دینامیک، کانتیلور بطور مکانیکی در فرکانس رزونانسی خود تحریک می شود که اتصال آنالیت موجب جابه جایی این فرکانس رزونانسی می شود و توسط پل وتستون مجتمع با پیزورسیسیتو حس می شود .
تغییرات در فرکانس رزونانسی می تواند با اندازه گیری نویز گرمایی کانتیلور آشکارسازی شود. هنگام کار در مایعات پیک رزونانس بسیار کمتر از هوا انتقال پیدا می کند که از اثر میرایی مایعات ناشی می شود. این فاکتور اندازه گیری های بر مبنای روش دینامیک را به شدت متاثر می کند. در نتیجه این روش برای نشان دادن فرآیندهای بیوشیمیایی در محیط آبی نسبت به روش استاتیک کارآمدی کمتری دارد. حسگرهای کانتیلور که در روش استاتیک عمل می کنند بعنوان شیوه ای برای سنجش های نانومکانیکی زیست مولکولی مفید ترند. برای رسیدن به حساسیت بالا هنگام کار با مایعات در روش دینامیک پیش فعالسازی کانتیلور با استفاده از تغییر زمینه الکتریکی، مغناطیسی یا صوتی ضروری است . بطور کلی حساسیت روش استاتیک دو تا سه برابر از روش دینامیک بیشتر است .
پل وتستون پیزو رسیستیو برای تشخیص نوسان رزونانسی در لبه کانتیلور جایی که ماکزیمم فشار مکانیکی وجود دارد جاگذاری می شود. در حالیکه در مورد سیستم استاتیک حیطه اندازه گیری در طول کانتیلور بوده و منطقه وسیعتری را پوشش می دهد .
در بررسی مولکول های پیچیده مثل پروتئین ها چند منبع فشار احتمالی دیگر غیر از اثر جذب سطحی آنالیت روی کانتیلور وجود دارد. برهمکنش الکترواستاتیک جذب سطحی شده های مجاور، تغییرات در آبگریزی سطح و تغییرات ساختاری مولکول های جذب شده همگی می توانند عامل فشار باشند. در نتیجه تغییرات در فشار می‌تواند مستقیماً به انرژی پیوند لیگاند- پذیرنده مرتبط نباشد .این مسئله مخصوصاً برای جذب سطحی زیستی به خاطر پیچیدگی برهمکنش های مربوطه مطرح است. بعنوان مثالی از پیچیدگی این مسئله مشاهده نحوه جذب سطحی DNA مکمل روی سطح کانتیلور است که می تواند بسته به نیروی یونی بافری که هیبریداسیون در آن اتفاق می افتد منجر به فشار کششی یا تراکمی شود که ناشی از برهمکنش دو نیروی مخالف است. کاهش آنتروپی ناشی از جذب سطحی DNA بعد از هیبریداسیون که منجر به کاهش فشار تراکمی است و دافعه الکتروستاتیک بین DNA جذبی که منجر افزایش فشار تراکمی است . از اثر پیوندهای غیرویژه مولکول ها و منابع نویز مانند لرزش و تغییرات دما با استفاده از کانتیلور رفرنس می توان اجتناب کرد .
در کانتیلورها با افزایش نسبت طول به ضخامت حساسیت بالا می رود و نویز مکانیکی خارجی مستقیماً حداقل انحراف قابل آشکارسازی را متأثر می کند. حساسیت بالا و بطور همزمان نویز پایین با استفاده از کانتیلورهای کوچکتر فراهم می شود. کانتیلورهای کوچکتر همچنین به خاطر فرکانس رزونانسی بالا دارای قدرت پاسخ‌دهی بالا می باشند .
حساسیت آشکارسازی انحراف کانتیلور ناشی از جذب سطحی و تغییر فرکانس رزونانسی ناشی از بارگذاری می تواند در حد ppb و ppt باشد .میکروکانتیلورهای بسیار نازک تا نیروی N18-10 را اندازه می گیرند .
لیزر دی اکسید کربن
لیزر وسیله‌ای برای تولید پرتوی تکفام و همدوس در نواحی نور فرابنفش ، مرئی و یا فروسرخ از طیف امواج الکترومغناطیسی است. کلمه لیزر در حقیقت از حروف اول کلمه‌های عبارت انگلیسی زیر گرفته شده است:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
این عبارت به معنی "تقویت نور با روش گسیل القایی تابش" گرفته شده است، که همه آنها اصطلاحهایی فیزیکی هستند. از آنجا که باریکه نور لیزر همدوس است (یعنی امواج آن همفاز هستند و به عبارت دیگر مانند سربازانی هستند که باهم پا می‌کوبند، با واگرایی بسیار کم پیش می‌رود و مانند نور معمولی نبوده و کمتر پخش می‌شود) و در نتیجه چگالی و یا تراکم آن در فضا ثابت می‌باشد. پرتو لیزر همچنین مزیت تمرکز زیاد انرژی در واحد سطح را دارد.
مبانی نظری
اتمها در حالتهای گسسته‌ای از انرژی وجود دارند. وقتی یک اتم که در حالت پایه (پایین‌ترین حالت انرژی) است انرژی جذب کند، به حالت انرژی برانگیخته‌ای صعود می‌کند. به دنبال آن در بازگشت به حالت پایه چه بطور مستقیم و چه از طریق حالتهای انرژی میانی ، فوتونهای تابشی با بسامد و طول موجی گسیل می‌دارد که بستگی به اختلاف انرژی بین حالتهای انرژی "شبه پایدار" می‌باشند.گسیل فوتون از اتمها در حالتهای انرژی شبه پایدار گاه به تأخیر می‌افتد تا در نهایت به گسیل تابش فلورسانسی یا فسفرسانسی منجر شود.
اتمهایی که برای عملکرد لیزر مناسب می‌باشند، باید حداقل دارای چنین حالت شبه پایداری باشند. وقتی یک فوتون که از حالت شبه پایدار اتمی گسیل شده ، از نزدیکی یک اتم دیگر که در همان حالت است عبور کند می‌تواند آن اتم را ترغیب کند تا یک فوتون تابشی گسیل دارد که دارای انرژی (و طول موج) ، جهت ، قطبش و فاز یکسان مانند خودش باشد. هر یک از چنین فوتونهای ترغیب شده‌ای خود نیز می‌توانند باز هم فوتون مشابه دیگری را ترغیب کنند. این فرآیند که اساس عملکرد لیزر است یک فرآیند جمع شونده و پیوسته است و می‌توان با ایجاد شرایط مناسب آن را تقویت کرد.
تهیه تعداد لازم از اتمهایی که در حالت انرژی شبه پایدار صحیح باشند، ضرورت اساسی برای عملکرد لیزر است. عملکرد لیزر بستگی به ایجاد یک "وارونی تعداد" دارد که در آن بیشتر اتمها در حالت شبه پایدار می‌باشند. انرژی را باید به این تعداد "پمپ کرد" تا وارونی لازم را ایجاد کنند. بنابراین حالت شبه پایدار مستقیما و یا با تنزل از یک حالت بالاتر بوجود می‌آید.
لیزرهای دی اکسیدکربن
لیزر دی اکسیدکربن (CO2) نمونه‌ای از یک لیزر گاز مولکولی پر قدرت است. باریکه خروجی وقتی کانونی شود می‌تواند صفحات الماس و فولاد ضخیم را در عرض چند ثانیه برش دهد. نمودار تراز انرژی یک گاز مولکولی بطور قابل توجهی پیچیده‌تر از آن برای یک اتم است. حالتهای انرژی که قبلا توضیح داده شده بصورت ترازها منجر به گسیل نور مرئی می‌شوند. هر تراز الکترونی در یک مولکول گاز بطور کلی دارای زیر ترازهایی مربوط به ارتعاشات مجاز مولکولی می‌باشد و هر یک از این ترازهای ارتعاشی نیز زیر ترازهایی بر اساس دوران مجاز مولکولی دارند.
عملکرد لیزر از طریق گذارهای بین ترازهای ارتعاشی - دورانی مختلف امکان پذیر می‌شود و تابش خروجی به صورت فرو سرخ (فوتونهای کم انرژی) می‌باشد. لیزر CO2 با استفاده از این نوع گذار یک باریکه خروجی مثلا به طول موج 10.6 میکرومتر در عملکرد موج پیوسته (CW) می‌دهد. طراحی لیزر ، CO2 شبیه He - Ne است، با این تفاوت که مخلوط گاز (9% دی اکسید کربن ، 15% نیتروژن ، 76% هلیوم) پیوسته و بطور یکنواخت از داخل لوله عبور می‌کند. پمپ کردن این لیزر مانند لیزر هلیوم- نئون با برانگیزش dc انجام می‌گیرد. لوله را باید خنک کرد، این کار معمولا با جریان آب بطور یکنواخت از میان یک پوشش به دور لوله صورت می گیرد.
لیزر زایی در CO2
عمل لیزر کنندگی در لیزر CO2 بواسطه انتقال انرژی از اتمهای نیتروژن برانگیخته به ترازهای انرژی مجاور مولکولهای CO2 صورت می‌گیرد. بهره توان بالای لیزر CO2 (حدود 15%) به دلیل پایین قرار داشتن حالتهای انرژی ارتعاشی و دورانی دی اکسیدکربن که انرژی کمی برای برانگیختگی لازم دارند. با قرار دادن یک Q - سوئیچ می‌توان لیزر CO2 را از عملکرد موج پیوسته به عملکرد پالسی (ضربه‌ای) تبدیل کرد. با استفاده از این شیوه یک لیزر 100 واتی CW می‌تواند پالسهای 100 کیلو واتی در عرض 150 نانو ثانیه و با 400 پالس در ثانیه ایجاد کند.
لیزر CO2 نمونه‌ای از یک نوع طیفی غنی از منبع انرژی است، زیرا تعداد بسیار زیادی از انتقالهای لیزری امکان پذیر می‌باشند. لیزرهای با چنین مشخصه‌ای را لیزرهای قابل تنظیم می‌گویند. لیزرهای CO2 جدید بعضا روی بیش از 85 طول موج مختلف قابل تنظیم هستند. تنظیم ممکن است با شیوه خوش ساختی از طیف نگار "لیترو" که در آن از یک منشور و یا از یک توری پراش برای پراکندگی استفاده می‌شود، انجام گیرد. در یک انتهای لیزر ، منشور تمام نقره اندودی که قابل چرخش است قرار دارد و نور را طوری پراکنده (پاشنده) می‌کند که فقط خط طیف با محور لیزر هم خط می‌شود و به دنبال آن تقویت می‌گردد و امواج ایستاده بجای می‌گذارد.
فیبر نوری
دسته‌ای از تارهای نوری فیبر نوری یا تار نوری (Optical Fiber)‏ رشته ی باریک و بلندی از یک ماده ی شفاف مثل شیشه یا پلاستیک است که می‌تواند نوری را که از یک سرش به آن وارد شده، از سر دیگر خارج کند. فیبر نوری داری پهنای باند بسیار بالاتر از کابل‌های معمولی می‌باشد، با فیبر نوری می‌توان داده‌های تصویر، صوت و داده‌های دیگر را به راحتی با پهنای باند بالا تا ۱۰ گیگابایت انتقال داد.
تاریخچه ی ساخت فیبر نوری
رونمایی از پروژه - ریسرچطبیعت در سال ۱۸۸۴ توسط ژان دانیل کلادوناولین کسانی که در قرون اخیر به فکر استفاده از نور افتادند، انتشار نور را در جو زمین تجربه کردند. اما وجود موانع مختلف نظیر گرد و خاک، دود، برف، باران، مه و... انتشار اطلاعات نوری در جو را با مشکل مواجه ساخت. بعدها استفاده از لوله و کانال برای هدایت نور مطرح گردید. نور در داخل این کانالها بوسیله آینه‌ها و عدسی‌ها هدایت می‌شد، اما از آنجا که تنظیم این آینه‌ها و عدسی‌ها کار بسیار مشکلی بود این کار نیز غیر عملی تشخیص داده شد و مردود ماند.
.شاید اولین تلاش در سیر تکاملی سیستم ارتباط نوری به وسیله الکساندر گراهام بل صورت گرفت که در سال ۱۸۸۰، درست ۴ سال پس از اختراع تلفن، اختراع تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا فواصل چندین صد متر منتقل می کرد، به ثبت رساند. تلفن نوری بر مبنای مدوله کردن نور خورشید بازتابیده با به ارتعاش در آوردن آینه ای کار می کرد. گیرنده یک فتوسل بود. در این روش نور در هوا منتشر می شد و بنابراین امکان انتقال اطلاعات تا بیش از ۲۰۰ متر میسر نبود. به همین دلیل، اگرچه دستگاه بل ظاهراً کار می کرد اما از موفقیت تجاری برخوردار نبود.
ایده استفاده از انکسار (شکست) برای هدایت نور (که اساس فیبرهای نوری امروزی است) برای اولین بار در سال ۱۸۴۰ توسط Daniel Colladon و Jacques Babinet در پاریس پیشنهاد شد. همچنین John Tyndall در سال ۱۸۷۰ در کتاب خود ویژگی بازتاب کلی را شرح داد: «وقتی نور از هوا وارد آب می شود به سمت خط عمود بر سطح خم می‌شود و وقتی از آب وارد هوا می شود از خط عمود دور می شود. اگر زاویه ی پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب بزرگتر از ۴۸ درجه شود هیچ نوری از آب خارج نمی شود در واقع نور به طور کامل از سطح آب منعکس می شود. زاویه ای که انعکاس کلی آغاز می شود را زاویه بحرانی می نامیم»
کاکو و کوکهام انگلیسی برای اولین بار استفاده از شیشه را بعنوان محیط انتشار مطرح ساختند. آنان مبنای کار خود را بر آن گذاشتند که به سرعتی حدود ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه و بیشتر بر روی محیط‌های انتشار شیشه دست یابند. این سرعت انتقال با تضعیف زیاد انرژی همراه بود. این دو محقق انگلیسی، کاهش انرژی را تا آنجا می‌پذیرفتند که کمتر از ۲۰ دسی بل نباشد. اگر چه آنان در رسیدن به هدف خود ناکام ماندند، اما شرکت آمریکائی (کورنینگ گلس) به این هدف دست یافت. در اوایل سال ۱۹۶۰ میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبرنوری ممکن گردید. در سال ۱۹۶۶ میلادی، دانشمندان در این نظریه که نور در الیاف شیشه‌ای هدایت می‌شود پیشرفت کردند که حاصل آن از کابلهای معمولی بسیار سودمندتر بود. چرا که فیبرنوری بسیار سبکتر و ارزانتر از کابل مسی است و در عین حال ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر کابل مسی دارد.
توسعه فناوری فیبرنوری از سال ۱۹۸۰ میلادی به بعد باعث شد که همواره مخابرات نوری بعنوان یک انتخاب مناسب مطرح باشد. تا سال ۱۹۸۵ میلادی در دنیا نزدیک به ۲ میلیون کیلومتر کابل نوری نصب شده و مورد بهره برداری قرار گرفته‌است.
فیبر نوری از پالس‌های نور برای انتقال داده‌ها از طریق تارهای سیلیکون بهره می‌گیرد. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد می‌تواند صدها هزار مکالمه ی صوتی را حمل کند. فیبرهای نوری تجاری ظرفیت ۲٫۵ گیگابایت در ثانیه تا ۱۰ گیگابایت در ثانیه را فراهم می‌سازند. فیبر نوری از چندین لایه ساخته می‌شود. درونی‌ترین لایه را هسته می‌نامند. هسته شامل یک تار کاملاً بازتاب کننده از شیشه خالص (معمولاً) است. هسته در بعضی از کابل‌ها از پلاستیک کا ملاً بازتابنده ساخته می‌شود، که هزینه ساخت را پایین می‌آورد. با این حال، یک هسته پلاستیکی معمولاً کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای حمل داده‌ها در فواصل کوتاه به کار می‌رود. حول هسته بخش پوسته قرار دارد، که از شیشه یا پلاستیک ساخته می‌شود. هسته و پوسته به همراه هم یک رابط بازتابنده را تشکیل می‌دهند که با عث می‌شود که نور در هسته تا بیده شود تا از سطحی به طرف مرکز هسته باز تابیده شود که در آن دو ماده به هم می‌رسند. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را (بازتاب داخلی کلی) می‌نامند.
فیبر نوری قطر هسته و پوسته با هم حدود ۱۲۵ میکرون است (هر میکرون معادل یک میلیونیم متر است)، که در حدود اندازه یک تار موی انسان است. بسته به سازنده، حول پوسته چند لایه محافظ، شامل یک پوشش قرار می‌گیرد.
یک پوشش محافظ پلاستکی سخت لایه بیرونی را تشکیل می‌دهد. این لایه کل کابل را در خود نگه می‌دارد، که می‌تواند صدها فیبر نوری مختلف را در بر بگیرد. قطر یک کابل نمونه کمتر از یک اینچ است.
از لحاظ کلی دو نوع فیبر وجود دارد:
تک حالتی single-mode
چند حالتی multi-mode
فیبر تک حالتی یک سیگنال نوری را در هر زمان انتشار می‌دهد. (نظیر تلفن)
فیبر چند حالتی می‌تواند صدها حالت نور را به طور هم‌زمان انتقال بدهد . (نظیر شبکه‌های کامپیوتری)
فیبرهای تک حالته دارای یک هسته کوچک (تقریباً ۹ میکرون قطر) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز (طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانو متر )می باشند.
فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر (تقریباً ۶۲.۵ میکرون قطر) و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED می باشند.
فیبر چند مدی با ضریب شکست پله ای :
ضریب شکست هسته: ۴۸/۱ =n۱
ضریب شکست غلاف: ۴۵۶/۱ =n۲
قطر هسته: ۵۰ الی ۴۰۰ میکرون
قطر غلاف: ۱۲۵ الی ۵۰۰ میکرون
قطر روکش: ۲۵۰ الی ۱۰۰۰ میکرون
تضعیف: ۱db/km الی ۵۰db/km
پهنای باند: ۶MHZ.km الی ۲۵MHZ.km
روزنه عددی: ۰.۱۶الی ۰.۵
فیبر تک مدی با ضریب شکست پله ای :
ضریب شکست هسته: ۴۶۰/۱ = n۱
ضریب شکست غلاف: ۴۵۶/۱ = n۲
قطر هسته: ۳ الی ۱۲ میکرون
قطر غلاف: ۵۰ الی ۱۲۵ میکرون
قطر روکش محافظ: ۲۵۰ الی ۱۰۰۰ میکرون
تضعیف: ۲db/km الی ۵db/km
پهنای باند: ۵۰۰MHZ.km و تا حدود ۲۰۰GHZ.km
روزنه عددی: ۰۸/۰ الی ۱۵/۰ (معمولاً حدود ۱/۰)
فیبر چند مدی با ضریب شکست مرحله ای :
ضریب شکست هسته: ۴۸/۱ = n۱
ضریب شکست غلاف: ۴۶/۱ = n۲
قطر هسته: ۳۰ الی ۱۰۰ میکرون(در مخابرات ۵۰ میکرون)
قطر غلاف: ۱۰۰ الی ۱۵۰ میکرون (در مخابرات ۱۲۵ میکرون کاربرد دارد)
قطر روکش محافظ: ۲۵۰ الی ۱۰۰۰ میکرون
تضعیف: ۷db/km الی ۱۰db/km
پهنای باند: ۱۵۰MHZ.km الی ۲GHZ.km
روزنه عددی: ۲/۰ الی ۳/۰
دی ان ای و ساختار آن
ساختار دی‌ان‌ای
دی‌ان‌ای یک ساختار دو رشته ایی متشکل از ۴ نوکلئوتید است. این نوکلئوتیدها عبارتند از (A) آدنین، (G) گوانین، (C) سیتوسین و تیمین (T). ساختار شیمیایی دی‌ان‌ای به صورت پیوند مشخصی از دو دنباله خطی از این ۴ نوکلئوتید می‌باشد. که این اتصال‌ها فقط به صورت (A-T) , (T-A) , (C-G) , (G-C) وجود دارند.
کشف ساختار دی‌ان‌ای
در پایان سده نوزدهم یک بیوشیمی‌دان آلمانی بنام اسوالد اوری نشان داد که اسیدهای نوکلئیک دارای قند، اسید فسفریک و چند باز نیتروژن‌دار می‌باشند. اندکی بعد مشخص شد که قند موجود در اسیدهای نوکلئیک می‌تواند ریبوز یا دئوکسی ریبوز باشد. پس، اسیدهای نوکلئیک به دو دسته DNA DeoxyriboNucleic Acid)) که قند موجود در آنها دئوکسی ریبوز است و RNA RiboNucleic Acid)) که قند موجود در آنها ریبوز است تقسیم می‌شوند.
در سال ۱۹۴۸ لینوس پاولینگ کشف کرد که بسیاری از مولکول‌های پروتئینی به شکل یک مارپیچ هستند، و کم و بیش شکلی همانند فنر دارند. در سال ۱۹۵۰ نیز اروین شارگاف نشان داد که اگرچه آرایش بازهای موجود در ساختار DNA بسیار گوناگون است، ولی همواره نسبت باز آدنین و باز تیمین موجود در آن با هم برابر است و همین طور نسبت باز سیتوزین با باز گوانین. این دو یافته نقش مهمی را در آشکار شدن ساختار مولکول DNA داشتند. در دهه ۱۹۵۰ همچنان رقابت برای یافتن ساختار DNA ادامه داشت. در دانشگاه کمبریج فرانسیس کریک و جیمز واتسون برپایه کارهای پاولینگ کوشش داشتند تا با آرایه مدل‌های فیزیکی ساختارهای احتمالی ممکن برای DNA را محدود کنند تا سرانجام به ساختار درست دست یابند. گروه دیگری در برگیرنده موریس ویلکینز و رزالین فرانکلین نیز در کالج کینگ لندن همزمان سرگرم مطالعه DNA بوند. روش کار این گروه با گروه پیشین متفاوت بود. آنها کوشش داشتند تا با روش آزمایشگاهی به ویژه با بکارگیری تصاویر پراش اشعه X از مولکول DNA، ساختار آن را معین کنند. رزالین الیس فرانکلین دانشمند زن انگلیسی در بیست وپنجمین روز ژوئیه 1920 در ناتینگ هیل لندن متولد شد.رزالین در 15 سالگی و درحالی که اروپا از زنان و دختران جز خانه داری انتظار دیگری نداشت تصمیم می گیرد دانشمند شود اما با مخالفت پدر روبرو می شود با اینحال او در 18 سالگی وارد دانشگاه کمبریج لندن می شود و سه سال بعد در رشته شیمی از کالج نینونهام در کمبریج فارغ التحصیل میشود. وی برای تحقق بخشیدن به اهدافش وارد مرکز تحقیقات زغال لندن شد وبررسی های خود را برای اخذ مدرک دکترادر زمینه ریز ساختمان گرافیت وکربن ادامه داد. رزالین فرانکلین جوان 4سال بعد و در 25 سالگی موفق به اخذ مدرک دکترا در زمینه بیوفیزیک ملکولی از دانشگاه کمبریج گردید.وی پس از جنگ جهانی دوم به مدت سه سال به فرانسه رفت ودر یک آزمایشگاه دولتی شیمی در پاریس مشغول به کار شد در آنجا با تکنیک پراش اشعه ایکس آشنا شد و در سال1950 مجدداً به انگلستان و به کمبریج برگشت تا مقامی درآزمایشگاه فیزیک شیمی کینگزکالج که بخشی از دانشگاه کمبریج لندن است به دست آورد. در دانشگاه همزمان با موریس ویلکینز اما در دو گروه جداگانه اقدام به بررسی روی مولکول DNA نمود. وی بعد از آزمایشات سخت و طولانی سرانجام مجموعه‌ای از تصویر پراش پرتوی ایکس با کیفیت بالا، از بلور DNAتهیه کرد که البته هیچگاه به نام او به ثبت نرسید. 3 سال بعد به آزمایشگاه کالج بریک بک رفت و در آنجاشروع به مطالعه روی ویروس موزائیک تنباکو کرد . او ثابت کرد که RNAویروس یک مارپیچ یگانه است وی همچنین روی پولیو ویروسها کار دیگری را آغاز کرد به عنوان مثال پس از آن او به مطالعه ی بسیار خطرناک روی ویروس های زنده ی فلج اطفال پرداخت در همان زمان بود که دو محقق انگلیسی یعنی واتسون و کریک معروف با استفاده از عکس هایی که رزالین تهیه کرده بود مدل ساختار دورشته ای مولکول DNAرا بدون اینکه اسمی از رزالین ببرند ارائه دادند. رزالین الیس فرانکلین جوان پس از سالها تلاش در راه علم زیست شناسی به علت قرار گرفتن به طور مستقیم در معرض اشعهx و کریستالو گرافی مبتلا به سرطان شد و سرانجام در سال1958 در16 آوریل در چلسی بعد از دوسال دست و پنجه نرم کردن با سرطان و در38 سالگی درگذشت. 4سال بعد از مرگ فرانکلین واتسون و کریک و موریس ویلکینز جایزه نوبل فیزیولوژی و پزشکی را ازآن خود کردند.
در سال ۱۹۵۱، فرانکلین دریافت که DNA با نگرش به میزان نم هوای پیرامون، می‌تواند دو شکل متفاوت داشته باشد و بنابراین نتیجه گیری کرد که بخش فسفات مولکول در سمت بیرونی آن قرار دارد. اندکی بعد او با بکارگیری تصاویر اشعه X فهمید که DNA در حالت «نمناک» از همگی ویژگی‌های یک مارپیچ برخوردار است؛ این احتمال که حالت دیگر مولکول DNA نیز به شکل مارپیچی باشد به ذهن او خطور کرد، ولی نمی‌خواست تا زمانی که شواهد پایانی برای این حدس پیدا کند آن را اعلام نماید. در ژانویه ۱۹۵۳ ویلکینز که از به نتیجه رسیدن تحقیقات ناامید شده بود، نتایج تحقیقات فرانکلین را بدون اطلاع و خشنودی او، با واتسون در میان گذاشت. واتسون و کریک با بکارگیری این نتایج مدلی بسیار شگفت انگیز را برای ساختار DNA پیشنهاد نمودند. آنها مولکول را به گونه دو زنجیر مارپیچی در برگیرنده نوکلئوتیدها تصور کردند که یکی از آنها بالا می‌رفت و دیگری پایین می‌آمد. کریک که به تازگی یافته‌های شارگاف را هم مطالعه کرده بود کوشش کرد با بکارگیری آنها روش قرار گرفتن بازها را در مولکول DNA مشخص کند. او اظهار کرد که بازها در میانه این مارپیچ دوتایی دو به دو به هم متصل می‌شوند تا فاصله میان دو مارپیچ ثابت بماند. آنها ادعا کردند که هر یک از این دو مارپیچ مولکول DNA می‌تواند به نام قالبی برای ایجاد دیگری بهره گیری شود. در تقسیم سلولی این دو رشته از هم جدا می‌شوند و بر روی هر یک از آنها یک نمونه جدید همانند رشته مقابل پیشین ساخته می‌شود. با این روش بدون اینکه ساختار DNA عوض شود، یک DNA همانند آن فرآوری می‌شود. در اندک مواردی که در این روند خطایی پیش بیاید، گواه «جهش» خواهیم بود. مدل آنها چنان با اطلاعات برآمده از آزمایش‌ها مطابقت داشت که بی درنگ مورد قبول همه واقع شد. کشف ساختار DNA را می‌توان مهمترین یافته زیستی در صد سال گذشته دانست. در سال ۱۹۶۲ واتسون، کریک و ویلکینز موفق به دریافت پاداش نوبل شدند، ولی فرانکلین در گذشته بود.
فصل دوم


روش SPR(Surface Plasmon Resonance)
تشدید پلاسمونی سطح،جمع آوری نوسانات الکترونی در یک سطح جامد یا مایع بوسیله ی پرتو نور فرودی است.شرایط تشدید وقتی ایجاد می شود که فرکانس فوتون های نور با فرکانس طبیعی الکترون های نوسان کننده یکی باشد.الکترون هایی که علی رغم وجود نیروی بازگرداننده ی هسته های مثبت نوسان می کنند. SPRاندازه ای نانومتری دارد و به آن تشدید پلاسمونی نقطه ای سطح نیز گویند.این روش پایه ی بسیاری از ابزارهای اندازه گیری میزان absorption مواد در سطوح فلزی مانند طلا و نقره و یا سطوح نانو ذرات فلزی است.همچنین این روش اساس کار بسیاری از بیو سنسورها با پایه ی رنگی است.

ساختار پلاسمونی سطح شامل امواج الکترومغناطیسی هستند که به صورت موازی با سطح مقطع فلز- دی الکتریک یا فلز خلا منتشر می شوند.از آنجایی که این امواج مرز بین فلز و محیط خارجی (آب یا هوا)هستند این نوسانات به تغییرات این مرز بسیار حساس است. شرایطی مانند جذب مولکولها در سطح فلز و ...
برای توصیف وجود و مشخصات این ساختارها می توان از روش های گوناگونی مانند مدل نظریه ی کوانتومی،مدل دروده و... استفاده کرد.ساده ترین راه برای دست یابی به مسئله این است که رفتار هر ماده را به صورت همگن و پیوسته و با احتساب گذردهی نسبی مستقل از فرکانس بین سطح ماده و سطح خارجی بررسی کنیم.این پارامتر همان ثابت دی الکتریک سطح است زیرا این پارامتر نمایانگر توصیف وجود پلاسمون های الکترونی سطح است.
قسمت حقیقی ثابت دی الکتریک برای فلز باید منفی باشد و مقدار آن نیز از آنچه برای یک عایق در نظر گرفته می شود بزرگتر است.
مثلا این شرایط در سطح جدایی فلز و هوا و یا آب در محدوده ی امواج مادون قرمز قرار دارد.(که در آن بخش حقیقی ثابت دی الکتریک فلز منفی بوده و ثابت دی الکتریک آب و هوا مثبت است.)LSPR یا همان SPRنقطه ای نیز جمع شدن بار الکترونهای نوسان کننده روی نانوذرات فلزی است که بوسیله ی نور بر انگیخته شده اند.این میدان کاملا روی سطح نانو ذره متمرکز شده و به دلیل پراکندگی بلند برد ذرات به سرعت از سطح مقطع نانوذره –عایق به سمت زیر لایه ی عایق پراکنده می شود.شدت نور یکی از مهمترین پارامترها در این روش است.متمرکز بوده یعنی اینکه LSPR دقت و کیفیت بسیار بالایی دارد که فقط اندازه ی نانو ذره روی آن اثر می گذارد.
به دلیل امکان اندازه گیری دامنه ی میدان اثراتی که مربوط به تغییر دامنه هستند مانند اثرات اپتیکی- مغناطیسی به روش LSPR و SPRبررسی می شوند.
روش تشدید کرشمان(kretchmann configuration) برای بر انگیختن پلاسمون های سطحی به کار می رود که در آن از یک پرتو الکترونی یا نوری (طیف مریی یا مادون قرمز)استفاده می شود.تکانه ی پرتو ورودی طوری انتخاب می شود که از تکانه ی پلاسمون ها بیشتر باشد و این در حالتی است که از نور پلاریزه ی p استفاده شود.(پلاریزاسیون موازی با سطح صفحه ی فرودی).
ممکن است با عبور نور از داخل تیغه ی شیشه ای طول موج یا تکانه افزایش پیدا کند وپدیده ی تشدید در طول موج در زاویه ی خاصی اتفاق بیفتد.نور پلاریزه ی s (پلاریزاسیون عمودی بر سطح صفحه ی فرودی)نمی تواند پلاسمون های الکترونی سطح را بر انگیخته کند.پلاسمون های الکتریکی و مغناطیسی سطح با روابط زیر توصیف می شوند:
K(ω)=ω/c(ε1μ1ε2μ2/ ε1μ1 + ε2μ2)1/2
که در آن ε ثابت دی الکتریک و μ. ثابت گذر دهی مغناطیسی فلز،بلور شیشه ای و سطح لایه ی نازک فلزی هستند.
موادی که وجود پلاسمون های سطحی را تضمین می کنند عبارتند از نقره و طلا اما فلزاتی مانند مس ، تیتانیوم و کروم نیز مورد استفاده قرار می گیرند.
وقتی از نور برای بر انگیخته کردن امواج SP استفاده می شود معمولا دو حالت اتفاق می افتد.در ساختار OHO روشنایی نور سطح دیواره ی بلوک را روشن می کند و معمولا بازتابش داخلی اتفاق می افتد. یک لایه ی نازک فلزی از جنس طلا نیز تا حد امکان نزدیک دیواره ی بلوک قرار می گیرد به طوری که امواج بازتابشی با امواج پلاسمای سطح بر هم کنش کنند و به این ترتیب پلاسمون ها بر انگیخته شوند.در ساختار کریشمان فیلم فلزی روی سطح دیواره ی بلوک لایه نشانی شده است. نور دوباره سطح بلوک را روشن می کند و امواج بازتابشی در فیلم فلزی نفوذ می کنند.به این ترتیب پلاسمون ها در سطح دیگر لایه ی نازک فلزی بر انگیخته می شوند. این روشی است که در اکثر کاربرد ها مورد استفاده قرار می گیرد.
تابش SPR
وقتی امواج پلاسمونی سطح با یک ذره یا نقص ساختاری برخورد می کنند(چیزی شبیه زبری های سطحی)مقداری از انرژی آنها دوباره به صورت نور تابش می شود.این نور تابشی را می توان در پشت لایه ی نازک فلزی و در جهات مختلف مشاهده کرد.
کاربرد ها
پلاسمون های سطحی برای محاسبه ی درجه ی حساسیت سطوح در چندین اندازه گیری اسپکتروسکوپی شامل اثر فلورسانس،پراکندگی رامان و تولید هارمونیک های دوم مورد استفاده قرار می گیرد.به هر حال در ساده ترین کاربرد از اندازه گیری بازتابش SPR می توان برای مشاهده ی جذب مولکولی موادی مانند پلیمر ها،DNAیاپروتئین های متصل به آن استفاده کرد.
از لحاظ عملی معمول است که زاویه ی کمترین بازتابش (بیشترین جذب)را اندازه گیری کنند.این زاویه در طی اندازه گیری جذب یک لایه ی ضخیم(در حد نانو متر)از مرتبه ی 1/0 درجه تغییر می کند.در بعضی روش ها نیز تغییر در طول موج جذب بررسی می شود.مکانیسم آشکار سازی اینگونه است که مولکولهای جذب شده باعث ایجاد تغییرات موضعی در ضریب بازتابش سطح شده و تغییر در شرایط تشدید در امواج پلاسمونی سطح را بوجود می آورند.
اگر سطح از چند نوع بیو پلیمر تشکیل شده باشد با استفاده از سنسورهای تصویر برداری و ادوات اپتیکی کافی این روش را می توان به تصویر برداری تشدید پلاسمونی SPRIبسط داد.این روش تصاویری با وضوح بالا را بر اساس جذب مولکول ها بدست می دهند که مشابه میکروسکوپ های زاویه ی بروستر است.
برای نانو ذرات نوسانات پلاسمونی نقطه ای سطح می تواند تا ایجاد پرتو های نوری شدید رشد کند.نانو ذرات و نانو سیم ها توانایی جذب زیادی در محدوده ی بین نور مریی و فرابنفش از خود نشان می دهند. که در فلزات حجمی وجود ندارد.این جذب دور از انتظار با افزایش جذب نور افزایش می یابد.درست همان پدیده ای که در سلول های فوتو ولتایی اتفاق می افتد.انرژی(رنگ)این جذب وقتی پلاریزاسیون نور عمودی یا موازی با سطح نانو سیم باشد متفاوت است.جابجایی در این تشدید ناشی از تغییرات موضعی در ضریب پراش و جذب نانو ذرات می تواند برای تشخیص بیو پلیمرهایی مانند DNAو پروتئین های متصل به آنها مورد استفاده قرار گیرد.
مهمترین اصل اپتیکی مورد استفاده برای مدل سازی این سیستم اصل فرنل است که در آن لایه های ضخیم به صورت نا محدود در نظر گرفته می شود.همچنین لایه های دی الکتریک به صورت پیوسته فرض میشوند.این توصیف ممکن است شامل ضریب پراش چندگانه و ضخامت های مختلف باشد.به هر حال معمولا فقط یک حل در محدوده ی داده های منطقی وجود خواهد داشت.
پلاسمون های ذرات فلزی معمولا بال استفاده از نطریه ی پراکندگی MIEمدل سازی می شوند.در بسیاری از حالت ها مدلی که تمام جزییات را در نظر بگیرد وجود ندارد . سنسورهای مورد استفاده برای کاربرد های خاص کالیبره شده و با استفاده از منحنی کالیبراسیون دقت آنها تعیین می شود.
بیو سنسورهای فیبر نوری
سنسورها طوری توسعه پیدا می کنند تا پاسخ گوی نیاز تحلیل همزمان با اندازه گیری باشند.کار در عمل بسیار ساده است.رابطه ی مستقیمی بین زمان و مقدار اندازه گیری سنسور و تحلیل داده ها برقرار می شود.سنسورهای بیو شیمیایی که بر پایه ی فیبر نوری عمل می کنند نمونه ای از این سنسورها هستند.همانطور که از اسم آنها مشخص است این سنسورها وسایلی برای انتقال اطلاعات شیمیایی از یک نمونه ی در حال اندازه گیری به واحد پردازش و تحلیل و ایجاد یک سیگنال مفید هستند.تمامی این قسمت ها در ارتباط با هم و کاملا فشرده و در ارتباط مستقیم با نمونه ی اندازه گیری شده هستند.بیو سنسورهای فیبر نوری از یک فیبر نوری برای ایجاد و انتقال اطلاعات استفاده می کنند.
این سنسورها بر اساس نوع مولفه ی مورد استفاده برای اندازه گیری طبقه بندی می شوند.و بر همین اساس به 5 دسته قابل تقسیم هستند:
1-بیو سنسورهای فیبر نوری آنزیمی:
که ازیک آنزیم خالص و یا مخلوطی از چند جزبیولوژیکی مانند سلول و یا visideاستفاده می کنند.آنزیم ها واکنش ها را به طور ویژه ای کاتالیز می کنند. و محصولات واکنش ها را به طور مستقیم و یا با انجام واکنش با معرف ها تعیین و آشکارسازی می کنند.
2- بیو سنسورهای فیبر نوریimmunoassay:
این بیو سنسورها از پیوند بین آنتی بادی ها و آنتی ژن ها استفاده می کنند.این پیوند به طور غیر مستقیم و با استفاده از نشانه های نوری فلوروسنس و یا به طور مستقیم اندازه گیری و تغییرات ضریب پراش را تعیین می کنند.
3- بیو سنسورهای فیبر نوری اسید های نوکلئیک:
که از تمایل تبدیل SSDNA(single-standed DNA) به DSDNA(double- standed DNA)استفاده می کنند. این سنسورها معمولا از نشانه گذاری یک عضو SSDNA توسط شناساگرهای نوری استفاده کرده و به همین دلیل به سنسورهای DNAیا genosensorsنیز معروف شده اند.
4- بیوسنسورهای فیبرنوری تمام سلولی:
این سنسورها اثرات تاثیر یک analyte را روی ریز ساختارها بررسی می کنند.آشکارسازی اپتیکی بوسیله ی یک معرف یا خواص اپتیکی خود سلول ها انجام می شود.باکتری های بیو لومینسانس (bioluminescent) که به روش مهندسی ژنتیک ساخته شده است نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
5- بیو سنسورهای فیبر نوری biomimetic:
که از مواد غیر بیولوژیکی برای انجام انتخاب های بیولوژیکی استفاده می کنند.
تمام انواع این سنسورها تقریبا شرایط فیزیکی کارکرد مشابهی دارند. یعنی از لحاظ ساختار عملی و ابزار مورد استفاده می توان یک مدل کلی برای آنها در نظر گرفت مثلا شرایط ساخت و اساس کار آنها مشابه است.
در طی دهه‌ی گذشته، با پیشرفت فناوری ساخت فیبر نوری و ساخت نانوفیبرها، در پژوهش‌های پزشکی و بیولوژیکی نیز تحولات عظیمی صورت گرفته و فناوری ساخت حسگرهای زیستی و دانش تولید نانومتریِ این ابزارها روزبه‌روز گسترش یافته است. این حسگرها به لحاظ استفاده از نانو فیبر نوری در ساختارشان "نانو حسگرهای نوری" نامیده شده‌ و به دو دسته ی شیمیایی و بیولوژیکی تقسیم می‌شوند. بسته به اینکه بخواهیم این حسگر را برای تجزیه‌ی گونه‌ی داخل سلول، مایع بیولوژیک بین سلولی یا داخل خون به کار ببریم، ابعاد نوک حسگر، زاویه‌ی مخروطی شدن نوک آن و میزان نرمی پوشش روی فیبر متفاوت خواهد بود.برای نمونه، در (شکل زیر)نحوه تهیه‌ی نوک حسگر از روش کشش فیبرهای نوری آورده شده است.

الف ـ شیوه کشیدن فیبر برای ساخت نانوفیبرها از نمای بالا. ب ـ نمای جانبی از یک فیبر کشیده‌شده
در این دستگاه از لیزر دی‌اکسیدکربن برای گرم‌کردن فیبر و از وسیله‌ای برای کشش فیبر در جهت محور اصلی آن استفاده می‌شود. محققان موفق شده‌اند با تغییر دما و میزان نیروی کششیِ اعمال‌شده به فیبر، نوک‌هایی برای حسگرهای زیستی بسازند که قطرشان بین 20 تا 500 نانومتر است. این تکنیک سرعتی بالا (حدود 3 ثانیه) و روند تولید نسبتاً ساده‌ای دارد. در تصویر زیر یک نانوفیبر تولیدشده به شیوه‌ی کشش لیزری در سمت راست و عبور آن از غشای سلولی در سمت چپ نشان داده شده‌‌است.

نانوفیبر تولیدشده به شیوه‌ی کشش لیزری(سمت راست) و عبور نوک حسگر از غشای سلولی (سمت چپ)
حسگرهای فیبر نوری متراکم، سبک، مقرون به صرفه و مقاوم در برابر خوردگی، پرتوهای تشعشعی، حرارت بالا و تداخل‌های الکترومغناطیسی می‌باشند. داشتن این ویژگی‌ها باعث شده است تا فیبرهای نوری، در حوزه انتقال چندتایی به منظور تبادل داده‌های سنسورها کارایی زیادی داشته باشد. همچنین در بافت‌های زنده، دریافت علائم حیاتی درون‌سلولی جهت شناسایی هدف‌های بیوشیمیایی همچون تترول بنزوپیرین، سیتوکروم C، دنباله‌های DNA و ترکیباتی نظیر اینها، به مرحله‌ی کاربردی شدن سوق پیدا کرده‌اند.
در فصل بعد مدل ساده شده ای برای این مکانیسم ها معرفی کرده و سعی می کنیم معادلات حاکم بر آنها را معرفی کنیم. در ادامه شرایطی برای شبیه سازی آنها بیان می کنیم. این شرایط عموما مربوط به ساختار اپتیکی مسئله و شرایط بهینه سازی آن خواهد بود.
نانو بیو سنسور الکتروشیمیایی DNA،اصل و کاربرد ها

راحت دقیق و ارزان برای تشخیص بیماری ها ست.

—d1896

4-15. نمودارهای BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
TOC o "1-3" h z u
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63


لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu
فصل اولمفاهیم اولیه1854668136024
مقدمهاز اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد کم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلکه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی که ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر کاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].
1-1 شاخه‌های فناوری نانوتفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارهاتولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست [6 و5]. مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی و رشد خود به خودی. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شیمیایی
 فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماکروویو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باکتری‌هایی که میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید کنند
پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع کاربرد آن‌ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روکشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده کرد [7].
1-3 کاربردهای نانوساختارهایکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن‌ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا و تامسون اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].
1-4 مواد نانومتخلخلمواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی، جدا کننده، کاتالیزور، حس‌گر، غشا و مواد عایق استفاده می‌شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده‌ تخلخل نامیده میشود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز نام دارد که برای صاف کردن غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته می‌گویند که وجود آن‌ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانهای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
میکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر کمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
right59626500ماکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
center1720850شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].
0شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه، حفره‌های کور، حفره‌های بسته و حفره‌های متصل به هم که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل را برای موادی که دارای حفرههایی با قطر کمتر از 100 نانومتر هستند به کار می‌برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
ب) دستهبندی بر‌اساس مواد تشکیل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل معدنی
تقسیمبندی مواد نانومتخلخل آلی
1) مواد کربنی: کربن فعال، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
2) مواد بسپاری: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [8].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
1) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [8].
چارچوب فلزی-آلی: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصالدهنده تشکیل شده است که اتصال آن‌ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [9].
هیبرید‌های آلی-معدنی: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم میتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازیم.
1-5 کامپوزیت‌هاکامپوزیت‌ها (مواد چند رسانهای یا کاهگل‌های عصر جدید) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته بهدست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [11].
1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازهچندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجهی پیوستن آن‌ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر بهدست می‌آید [11].
1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتیمواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [12].
یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـتکننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویتکننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویتکننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
1-5-3 مواد زمینه کامپوزیتزمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویتکننده، انتقال بارها به تقویتکننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقویتکننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
1-5-4 تقویتکننده‌هادسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل3-3). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترسپذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [12].
1-5-5 نانو کامپوزیتنانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [13].

شکل 1-3 نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [12].
1-6 خلاصهدر این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دومآئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی15418474142773
2-1 تاریخچهحوزهی پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر در سال 1931 با ایدهی جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با استفاده از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارجکرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبهکند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیمقرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [14].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوی تایکنر و همکارانش برای بهبود فرآیند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه 70 و 80 بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [15].
این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده 1/0 میلیگرم بر سانتیمتر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های 2SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرآیند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آیندهی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانهای تولید شده بهدست بشر را تأیید می‌کند. آیندهی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازدهی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریبنشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعهی بیشتری نیاز دارد [17].
2-2 شیمی سطح آئروژلسیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژهی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیهی آن‌ها بستگی دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:
روش از بالا به پایین
اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با استفاده از فرآیند آسیابکاری دارد. در این فرآیند مواد اولیه به بلوک‌های پایهی بیشتری شکسته می‌شوند.
روش پایین به بالا
اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرآیند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.
روش پایین به بالا بر پایه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتمی یا مولکولی خود تنظیم می‌شوند. این روش به دلیل ساختار پیچیده اتم یا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پایین به بالا شامل فرآیندهای آئروسل، واکنش‌های بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل تولید ژل خیس است که بهترین روش برای ساخت آن استفاده از پیشماده الکوکسید سیلیکون، مانند TEOS است. شیمی ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شیمیایی زیر صورت می‌گیرد [19] :
Si(OCH2CH3)4(liq)+2(H2O)(liq)→SiO2solid+4(HOCH2CH3)liq
اتم سلیکون به دلیل داشتن بار جزئی مثبت کاهشیافته (+) نسبت به دیگر انواع آئروژل بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt)+ حدود 32/0 است. این بار مثبت جزئی کاهش یافته، روند ژل شدن پیشماده سیلیکا را آهسته می‌کند.
پیشمادهی الکوکسید M(OR) هستندکه اولین بار توسط امبلن برای سنتز سیلیکا آئروژل استفاده شد. در این ترکیب M نشان دهندهی گروه فلزی، OR گروه الکوکسید و R تعیینکنندهی گروه الکلی هستند. الکوکسیدها معمولا در محلول منبع الکلی خود موجود هستند و امکان خشک کردن این ژل‌ها را در چنین محلول‌هایی فراهم می‌کند [20].
اگر آئروژل از طریق خشک کردن به وسیله الکل تهیه گردد، گروه‌های آلکوکسی (OR) تشکیل دهنده سطح آن است و در این سطح آئروژل خاصیت آبگریزی پیدا می‌کند. اگر تهیه آئروژل از طریق فرآیند دی اکسید کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌های هیدروکسید (OH) فرا می‌گیرد و خاصیت آب‌دوست پیدا خواهدکرد و مستقیما می‌تواند رطوبت هوا را جذب نماید. البته با حرارت دادن می‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبی خاصیت آب‌دوست و آبگریزی را در ساختار آئروژل‌های با گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].
2-3 تئوری فیزیکیاتصال شبکه نانو مقیاس سیلیکای جامد آئروژل‌های پایه سیلیکا، ویژگی‌های منحصر به فردی را به آن‌ها می‌دهد. کسر یونی پیوند کووالانت قطبی برای اکسیدهای فلزی مختلف از رابطهی زیر نتیجه می‌شود:
Fionic=1-exp⁡(-0.25 XM-XO2)که XO و XM الکترون‌خواهی O و M را نشان می‌دهد. 2SiO مقدار Fionic 54/0 دارد که طیف مقدار زاویه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفی را می‌دهد. چهار اکسید دیگر زاویه یونی بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاویه پیوند را سبب می‌شوند. به این معنی که پیوند تصادفی فقط روی ماکرومقیاس‌های بیشتر با ذرات کلوییدی بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق می‌افتد، در این صورت، ژل به جای شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکیل می‌شود [14]. شبکهی اتصالات سیلیکا برای وزن نسبی‌اش یک جامد محکم را ایجاد می‌کند.
2-4 خاصیت مغناطیسی مواد2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی موادیکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آن‌هاست که از زمآن‌های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است.
منشأ خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون‌های متحرک می‌باشند. گرچه بعضی از هسته‌های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی هستند ولی اثر آن‌ها چنان ضعیف است که نمی‌تواند آثار قابل ملاحظه‌ای داشته باشد؛ مگر در تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجهی کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با بسامدی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش‌های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویهای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می‌شد. بنابراین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید [22].
2-4-2 فازهای مغناطیسیبه طورکلی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به پنج گروه تقسیم می‌شوند که به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
2-4-2-1 مواد دیامغناطیسدر این مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها دارای گشتاور مغناطیسی دائمی نیستند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کند. پذیرفتاری مغناطیسی χ چنین موادی منفی و خیلی کم است. خاصیت دیامغناطیس ظاهراً در تمام انواع مواد یافت می‌شود، اما اثر آن غالباً به وسیله‌ی آثار قویتر پارامغناطیس یا فرومغناطیس که می‌توانند با این خاصیت همراه باشند، مخفی می‌شود. خاصیت دیامغناطیسی خصوصاً در موادی بارز است که کلاً اتمها یا یونهایی با پوسته‌های بسته‌ی الکترونی تشکیل شده باشند، زیرا در این مواد تمام تأثیرات پارامغناطیسی حذف می‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطیسمواد پارامغناطیس، موادی هستند که برخی از اتمها یا تمامی آن‌ها گشتاور دو قطبی دائمی دارند، به عبارت دیگر گشتاور دو قطبی در غیاب میدان مغناطیسی، غیرصفر است. این دو قطبیهای دائمی رفتاری مستقل از هم داشته که در نهایت جهت‌گیری تصادفی دارند و در میدان‌های کوچک رقابتی بین اثر هم‌خط‌سازی میدان و بی‌نظمی گرمایی وجود دارد، اما به طور متوسط تعداد گشتاورهای موازی با میدان بیشتر از گشتاورهای پادموازی با میدان است. پذیرفتاری در این مواد مثبت است و با افزایش دما، که در اثر آن بی‌نظمی گرمایی زیاد می‌شود، کاهش مییابد. منگنز، پلاتین، آلومینیوم، فلزخاکی قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت از جمله مواد پارامغناطیس‌اند.
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس
در برخی از مواد مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی کوچک به طور خودبهخود با گشتاورهای مجاور خود هم‌خط می‌شوند. اینگونه مواد را فرومغناطیس می‌نامند. در عمل، همه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی مغناطیسی در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از حوزه‌های بسیار کوچکی با ابعاد خیلی کمتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، به طوری که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه با حوزه‌های مجاور آن تفاوت دارد.
ممکن است سمتگیری و اندازه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی فرو مغناطیس به گونه‌ای باشد که در کل اثر یکدیگر را خنثی کنند و ماده در مجموع فاقد مغناطش است. اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر حوزه‌های مغناطیسی سبب می‌شود که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه تحت تأثیر میدان قرار گرفته و جهت آن‌ها در جهت میدان خارجی متمایل شود. علاوه بر این حوزههایی که با میدان همسویند، رشد میکنند، یعنی حجم آن‌ها زیاد می‌شود و در نتیجه، حوزه‌هایی که سمتگیری آن‌ها نسبت به میدان مناسب نیست کوچک می‌شوند، مرز بین این حوزه‌ها جابجا می‌شود و در نتیجه ماده در مجموع خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند . پذیرفتاری مغناطیسی این مواد مثبت است. آهن، کبالت، نیکل و چندین عنصر قلیایی خاکی جز فرومغناطیس‌ها می‌باشند [23].
مواد فرومغناطیس دارای چند مشخصه‌ی اصلی به صورت زیر می‌باشند:
الف) مغناطش خودبه‌خودی و مغناطش در حضور میدان
ب) حساسیت مغناطش به دما
ج) مغناطش اشباع
د) منحنی پسماند
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس
در مواد پادفرومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی مجاور به صورت موازی، برابر و غیرهم راستا جهتگیری
می‌کنند. این مواد در غیاب میدان مغناطیسی دارای گشتاور صفرند. کروم و اکسیدهای آن ، جز مواد پادفرومغناطیس می‌باشند. چنین موادی معمولاً در دماهای پایین پادفرومغناطیساند. با افزایش دما ساختار نواحی مغناطیسی شکسته شده و ماده پارامغناطیسی می‌شود. این رفتار در مواد فرومغناطیس نیز اتفاق می‌افتد به این ترتیب که در این مواد پذیرفتاری مغناطیسی مواد مغناطیسی با افزایش دما به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که ماده پادفرومغناطیس شود .
پذیرفتاری مغناطیسی این مواد عدد مثبت بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. به دمایی که در آن ماده از حالت پادفرومغناطیس به فرومغناطیس گذار می‌کند، دمای نیل می‌گویند.
χ= CT+TN
که C ثابت کوری و TN دمای نیل است.
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس
فریمغناطیس شکل خاصی از پادفرومغناطیس است که در آن گشتاورهای مغناطیسی در جهت موازی و عکس یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما با یکدیگر برابر نیستند و به صورت کامل یکدیگر را حذف نمی‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، مواد فریمغناطیس همانند فرومغناطیس بوده و دارای مغناطش خودبه‌خودی در زیر دمای کوری بوده و دارای منحنی پسماند می‌باشند[23و24]. شکل 2-2 فازهای مغناطیسی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس [24].
دو خاصیت مهم و کلیدی مواد مغناطیسی دمای کوری و هیستروسیس مغناطیسی است. جفت شدگی ‏تبادلی و بنابراین انرژی تبادلی هیسنبرگ مستقیماً با دمای کوری ‏‎(Tc)‎‏ مواد فرو و فریمغناطیس در ‏ارتباط است. در کمتر از دمای ‏Tc، ممان مغناطیسی همان جهت بلوروگرافی ویژه‌ی محور صفر این ‏مواد است. این محور در ‏نتیجه‌ی جفت‌شدگی این اسپین الکترون و ممنتوم زاویهای اوربیتال الکترون ایجاد می‌شود.
‏از آنجایی که مواد فرومغناطیسی مواد جالبی بر حسب کاربردهایشان هستند، خواص آن‌ها باید به ‏طور کمی اندازه‌گیری شود و حلقهی پسماند خواص مغناطیسی جالبی را در این مواد آشکار ‏می‌کند. یک حلقه‌ی پسماند را می‌توان با قراردادن نمونه در یک مغناطیس‌سنج و پاسخ ماده ‏‎(M,)‎‏ ‏به میدان مغناطیسی اعمالی ‏‎(H)‎‏ اندازه‌گیری کرد. چندین کمیت ممکن است از روی حلقه‌ی پسماند ‏به‌دست آید. ‏
اشباع مغناطیسی ‏‎(Ms)‎‏ یا اشباع مغناطیسی ویژه (‏s‏) مواردی‌اند که مقدار مغناطیسشدگی را وقتی ‏که همه دوقطبی‌ها در جهت میدان مغناطیسی اعمالی مرتب شده‌اند نشان می‌دهد.‏
مغناطیس باقیمانده ‏‎(Mr)‎‏ مغناطیسشدگی نمونه در میدان مغناطیسی صفر است و نیروی ‏بازدارندگی ‏‎(Hc)‎، نیرویی از میدان مغناطیسی است که برای تغییر مغناطیسشدگی باقیمانده نیاز است. ‏تغییر بایاس میدان ‏‎(HE)‎، مقدار جابجایی از مرکز حلقهی پسماند را نشان می‌دهد.‏
2-4-5 حلقه پسماندوقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد، با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش و مغناطش کاهش می‌یابد، این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش به مقدار اشباع خود Ms برسد [25].
تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند، بلکه به خاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابراین وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود، مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با Hc نشان می‌دهند و به نیروی ضد پسماند یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیاز است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل 2-3 کامل می‌کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند [26].

شکل 23 حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس [26].
مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیس دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف) مواد مغناطیس نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایین، اشباع مغناطیسی بالا و گشتاور پسماند پایین هستند.
مواد مغناطیس نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب) مواد مغناطیس سخت
مواد مغناطیس سخت موادی‌اند که به راحتی مواد مغناطیس نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری جهت مغناطیده کردن آن‌ها نیاز است. این مواد گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد که حرکت دیواره حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید مادهی سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است [26].

شکل 24 حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت[26].
2-5 فریتفریت به آن دسته از مواد مغناطیسی اطلاق می‌شود که جزء اصلی تشکیل دهندهی آن‌ها اکسید آهن است و دارای خاصیت فریمغناطیس می باشند (آرایشی از فرومغناطیس) و پارامترهای مغناطیسی مطلوبی نظیر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا از جمله اصلی‌ترین خصیصه‌های آن‌ها به شمار می‌رود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص داده‌اند.
یکی از انواع فریت‌ها نوع اسپینلی آن است، فریت‌های اسپینلی با فرمول عمومی 2-o2+A3+B که در آن 2+A و 3+B به ترتیب کاتیون‌های دو و سه ظرفیتی می‌یاشند.
فریت‌ها دارای خاصیت فریمغناطیس می‌باشند نظم مغناطیسی موجود در فریمغناطیس‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های دو قطبی‌های مغناطیسی نیست بلکه ناشی از برهم‌کنش تبادلی است در برهمکنش تبادلی هم‌پوشانی اوربیتال‌های اتمی مد نظر می‌باشد در فریت‌ها برهم‌کنش تبادلی ناشی از هم‌پوشانی الکترون‌های اوربیتال d3 یون‌های A و B و الکترون‌های اوربیتالP 2 یون‌‎های اکسیژن است. و قدرت این بر‌هم‌کنش تبادلی است که خاصیت مغناطیسی نمونه را رقم می‌زند.
2-6 خلاصهدر این فصل به شیمی آئروژل و دو روش بالا به پایین و پایین به بالای تولید نانوذرات اشاره شد. سپس خاصیت مغناطیسی مواد و فاز‌های مغناطیسی ممکن برای مواد مغناطیسی بررسی شد. پس از آن توضیح کوتاهی در مورد حلقهی پسماند و موارد قابل اندازه‌گیری از آن گفته شد و در نهایت مختصری از مواد فریتی بیان گردید.
فصل سومساخت آئروژل و کاربردهای آن19509215088990
مقدمهسیلیکا آئروژل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، هم در علم و هم در تکنولوژی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. آئروژل‌ها از پیشماده مولکولی با روش‌های مختلف و تکنیک‌های خشک کردن متفاوت برای جایگزینی منافذ مایع با گاز همراه با حفظ شبکهی جامد، تهیه می‌شوند. [27]
علی‌رغم تمامی تلاش‌های قابل توجهی که در این زمینه صورت گرفته است، چالش‌های اصلی تحت کنترل عوامل یکنواختی(همگنی)، بارگذاری، اندازه و توزیع نانوذرات در شبکه‌ی میزبان آلی باقی ماندهاست، در عوض این شبکه‌ی میزبان به طور مستقیم ویژگی‌های الکتریکی، نوری، مغناطیسی و کاتالیزوری مواد نانوکامپوزیت را حفظ می‌کند.
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژلتفاوت در ویژگی‌های شیمیایی پیش‌ماده‌ها برای فاز نانو (معمولاً نمک فلزی) و برای ماتریس آلی (عموماً الکوکسید‌ها) موضوع مهمی هستند، چرا که پارامترهای فرآیند سل-ژل بر روی هیدرولیز و چگالش هر کدام از این پیشماده‌ها تأثیر متفاوتی دارد [28]. هر چند این موضوع مساله‌ی مهمی در طراحی هر نانوکامپوزیت سل-ژل است اما در رابطه با آئروژل‌ها حیاتی‌تر می‌باشد، زیرا نیازمند جایگزین شدن حلال موجود در ژل (معمولاً اتانول یا متانول در الکوژل و آب در آکوژل) با تغییر حلال و در نهایت حذف کردن به وسیلهی استخراج حلال فوق بحرانی است. مرحله خشک کردن فوق بحرانی، بسته به این که الکل یا کربن دی اکسید به صورت فوق بحرانی تخلیه شود (به ترتیب نیازمند حرارتی در حدود 350 و 40 درجهی سانتیگراد است). این مرحله مسائل دیگری درباره حلالیت پیشماده‌ها و پایداری حرارتی در شرایط خشک کردن فوق بحرانی را مطرح می‌کند [29]. استراتژی‌های مختلف اتخاذ شده برای سنتر نانوکامپوزیت‌های آئروژل، بسته به اینکه فاز نانو (یا پیش‌مادهی آن) در حین یا بعد از فرآیند سل-ژل اضافه شود، دو رویکرد کلی دارند.
روش اول شامل هیدرولیز و ژل شدن نانوذرات و ماتریس پیشماده و ژل شدن ماتریس پیش‌ماده به همراه شکل‌گیری نانوذرات است. مزیت این روش تولید موادی با بارگذاری نانوذرات قابل کنترل است. از طرفی، چندین اشکال در مورد آن مطرح است. برای بهدست آوردن ژل دارای چند ترکیب همگن شرایط سنتز باید به صورت دقیق انتخاب شود و پیشماده‌های نانوذرات و همچنین عوامل پوشش دهی موردنیاز در شکل‌گیری نانوذرات کلوئیدی ممکن است بر سنتز سل-ژل ماتریس تأثیر بگذارد.
روش دوم شامل روش‌های مبتنی بر اضافه کردن فاز نانو بعد از فرآیند سل-ژل است و باید ساختار متخلخل و مورفولوژی ماتریس را حفظ کند. این روش‌ها شامل تلقیح فاز نانو با اشباع، ته‌نشینی و روش رسوبگذاری بخار شیمیایی می‌باشد. طرح‌واره روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت آئروژل در شکل 3-1 نشان داده شده است.
هرچند این روشها نیز دارای دو اشکال عمده هستند: یکی همگنی ضعیف ترکیب نانوکامپوزیت تولیدشده، دیگری ترد و شکننده بودن آئروژل‌ها. اتصال فلز در یک ماتریس با گروه‌های هماهنگ اصلاح شده است و غوطه‌ور کردن الکوژل و آکوژل در محلول قبل از خشک کردن فوق بحرانی، به ترتیب به عنوان راهحلهایی برای غلبه بر کاستی‌های گفته شده است. رسوب نانوذرات از فاز بخار، بر خلاف روش‌های تلقیح مرطوب، ماتریس متخلخل را تغییر نمیدهد و تضمین میکند که فاز مهمان در سراسر ماتریس توزیع خواهد شد [30].

شکل 3-1 طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت [33].
3-2 شکل‌گیری ژل خیسژل‌های سیلیکا به طور عمومی با هیدرولیز و واکنش چگالش پیشماده سیلیکا به‌دست می‌آیند. ماتریس سیلیکای نهایی متخلخل است و حفره‌های ژل با حلال جانبی هیدرولیز و واکنش پلیمریزه شدن پر شده است. اگر ترکیب محلول بهتواند از ژل خیس بدون سقوط قابل ملاحظه ساختار خارج شود، آئروژل شکل می‌گیرد [31].
روش سل-ژل شامل یک یا چند پیشماده سیلیکون است که متداول‌ترین آن‌ها TEOS و TMOS می‌باشند و داراری چهار گروه الکوکسید شناخته شده در آرایش چهار وجهی در اطراف اتم سیلیکون مرکزی است. واکنش هیدرولیز در چهار جهت اتفاق می‌افتد و منجر به پیوند Si-O-Si می‌شود و یک مادهی کپهای که ترکیبی از 2SiO را می‌دهد. اگر یکی از شاخه‌های الکوکسید اتم سیلیکون توسط گروه عاملی مختلفی که قادر نیست تحت واکنش چگالش قرار گیرد، جایگزین شود گروه عاملی با پیوند کووالانسی به اتم سیلیکون درون ماتریس ژل باقی خواهد ماند. الکوکسیدهای فلزی به راحتی با آب واکنش می‌دهد و بر حسب میزان آب و حضور کاتالیست، عمل هیدرولیز ممکن است کامل انجام شود.
ملکول‌های شکلگرفته آلی-فلزی به مرور زمان بزرگ می‌شوند و به صورت یک ساختار پیوسته در داخل مایع در می‌آیند. این ساختار پیوسته که حالت الاستیک دارد، ژل گفته می‌شود [32].
به طور کلی شکل‌گیری محلول پایدار الکوکسید یا پیشماده‌های فلزی حل شده مرحله اول فرآیند تهیه آئروژل است. این محلول همگن به‌دست آمده در مرحله دوم به علت وجود آب هیدرولیز شده و سل یکنواختی را ایجاد می‌کند. در مرحله سوم واکنش بسپارش ادامه پیدا می‌کند تا سل به ژل تبدیل شود. این مرحله، پیرسازی نیز گفته می‌شود. پس از آن مرحلهی نهایی که خشک کردن است باقی می‌ماند.
3-3 خشک کردن آلکوژلبعد از شکل‌گیری ژل توسط هیدرولیز و واکنش چگالش، شبکه Si-O-Si شکل می‌گیرد. بخش پیرسازی به تشدید شبکه ژل اشاره دارد؛ ممکن است چگالش بیشتر، تجزیه، و ته‌نشینی ذرات سل یا تبدیل فاز داخل فاز جامد یا مایع صورت گیرد. این نتایج در یک جامد متخلخل که حلال در آن گیر افتاده است اتفاق می‌افتد. فرآیند حذف حلال اصلی از ژل (که معمولاً آب و الکل است) را خشککردن می‌گویند. در طول فرآیند خشککردن، ترکخوردگی اتفاق می‌افتد به این دلیل که نیروی مویینگی در گذار مایع-گاز در داخل منافذ ریز وجود دارد. معادله لاپلاس در اینجا به کار می‌رود، هر چه شعاع مویینگی کوچک‌تر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و فشار هیدروستاتیک بالاتر خواهد بود. هنگامی که انرژی سطح باعث بالا رفتن ستون مایع داخل مویرگ‌ها می‌شود، مقدار فشار سطحی داخل مویرگ قابل محاسبه است.
قطر حفره در ژل از مرتبهی نانومتر است، به طوری که مایع ژل فشار هیدروستاتیک بالایی را باید اعمال کند. هلال داخل حفره‌ها و نیروهای کشش سطحی سعی می‌کند تا ذرات را به عنوان مایع در حفره‌ها تبخیر کند. این نیروها می‌توانند به گونه‌ای عمل کنند که باعث سقوط حفره و ساختار شوند. بنابراین ژل‌ها با حفره‌های ریز زیاد تمایل به انقباض و ترک خوردن دارند [33]. سل ژلهایی که شیمی سطح آن‌ها اصلاح نشده (شکل3-2) و در شرایط محیط خشک شدند به علت این فروپاشی منافذ تا حدود یک هشتم حجم اولیهی خود کوچک میشوند؛ ماده حاصل زیروژل نامیده میشود. اگر این فرآیند خشککردن به آرامی رخ دهد، زیروژل یکپارچه سالم میتواند تولید شود. اما برای تولید یک آئروژل، باید از عبور از مرز فاز بخار-مایع اجتناب کرد.

شکل 3-2 اصلاح شیمی سطح ژل [34].
روشهای کنونی برای پرهیز از فروپاشی منافذ درساخت آئروژل را میتوان در سه تکنیک کلی دستهبندی کرد. هرکدام از این تکنیکها طراحی شدهاند تا نیروهای مویینگی ناشی از اثرات کشش سطحی را کاسته و یا حذف نمایند. این تکنیکها الف) خشک کردن در شرایط محیط پس از اصلاح سطح، ب) خشک کردن انجمادی و ج) خشک کردن فوق بحرانی است [34]. توضیح کلی درباره هرکدام از این تکنیکها در ادامه آمده است.
3-3-1 فرآیند‌های خشککردن در شرایط محیطاین تکنیکهای خشک کردن طراحی شدهاند تا ژل خیس را در فشار محیط خشک کنند. این روشها نیازمند فرآیندهای شیمیایی با تعویض طولانی مدت حلال برای کاهش نیروهای مویینگی وارد بر نانوساختار یا برای افزایش توانایی نانوساختار در تحمل این نیروهاست (یا با قویتر کردن ساختار و یا با منعطف‌تر ساختن آن). تغییر شیمی سطح ژل خیس بر پایه TEOS برای ارتقاع انقباض قابل برگشت با استفاده از تبادل حلال با هگزان به وسیله اصلاح سطح با فرآیند کاهش گروه سیلانولی با TMCS [35و36]. همچنین استفاده از پیری ژل در محلول الکل یا الکوکسید برای سفت شدن میکرو ساختار به منظور جلوگیری از فروپاشی منافذ است [37]. به علاوه ترکیبکردن شاخه‌های متقاطع سیلیکا آئروژل است که می‌تواند نیروهای مویینگی در حین خشک کردن تحت فشار محیط را تحمل نماید [38].
3-3-2 خشککردن انجمادیخشککردن انجمادی یک ژل خیس منجر به تولید کریوژل میشود. خشککردن انجمادی باعث تولید پودر آئروژل کدر می‌شود [39]. این تکنیک حلال اضافی را با تصعید حذف میکند. ژل خیس منجمد میشود و سپس حلال در فشار پایین تصعید میشود [40]. میکروبلور‌های منجمد که حین فرآیند خشککردن انجمادی شکل می‌گیرند منجر به آئروژل‌های ماکروحفره‌تری در مقایسه با روش استخراج فوق بحرانی میشوند [41].
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانیروشهای استخراج فوق بحرانی از مرز بین مایع و بخار با بردن حلال به بالاتر از نقطه فوق بحرانی آن اجتناب می‌کند و سپس از ماتریس سل-ژل به عنوان یک مایع فوق بحرانی حذف می‌شود. در این حالت هیچ مرز مایع-بخاری وجود ندارد، بنابراین هیچ فشار مویینگی دیده نمی‌شود. شکل 3-3 چرخه فشار-دما در طول فرآیند فوق بحرانی را نشان می‌دهد. در عمل انواع متعددی از روشهای استخراج فوق بحرانی وجود دارد که شامل تکنیک‌هایی با دمای بالا، دمای پایین و سریع است.

شکل 3-3 چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی [42].
تکنیک‌های استخراج فوق بحرانی الکل دمای بالا، ژل خیس را به حالت فوق بحرانی حلال (معمولاً متانول یا اتانول) در یک اتوکلاو و یا هر مخزن فشار دیگری می‌برد. این مستلزم فشارهای بالا حدود Mpa 8 و دماهای بالا حدود 260 درجهی سانتیگراد می‌باشد [42]. شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشککن فوق بحرانی اتوکلاو را نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو [42].
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی دمای پایین بر اساس استخراج 2CO است که دمای نقطه بحرانی پایین‌تری نسبت به مخلوط الکل باقیمانده در منافذ سل-ژل بعد از پلیمریزاسیون دارد. این روش به تبادل حلال به طور سری نیازمند است، ابتدا حلال غیرقطبی و سپس با کربن دیاکسید مایع پیش از استخراج فوق بحرانی که می‌تواند در نقطه فوق بحرانی 2CO اتفاق بیافتد [43]. مزایای این تکنیک دمای بحرانی پایین‌تر و حلال پایدارتر است؛ هرچند مراحل اضافه شده به فرآیند سبب طولانی‌تر شدن زمان آمادهسازی آئروژل می‌شود. از آنجائیکه فشار بحرانی مورد نیاز نسبت به روشهای فوق بحرانی دما بالا تغییری چندانی ندارد (فشار بحرانی 2CO مشابه متانول و اتانول است)، این فرآیند نیز نیاز به استفاده از مخازن فشار دارد. به علاوه روند انتشار تبادل حلال وابسته به اندازهی ژل است.
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی سریع از یک قالب محدود استفاده می‌کند، چه در مخزن فشار و چه در یک فشار داغ هیدرولیک قرار بگیرند. این تکنیکها فرآیندهای تک مرحله‌ای پیش‌ماده به آئروژل هستند و آئروژل را در کمتر از 3 ساعت بهدست می‌آورند. در این روش پیشماده‌های شیمیایی مایع و کاتالیست در یک قالب دو قسمتی ریخته می‌شوند سپس به سرعت گرم می‌شوند [44]. در ابتدا فشار با بستن دو بخش قالب با هم یا با اعمال فشار هیدروستاتیکی خارجی به جای مخازن فشار بزرگ‌تر یا با ترکیبی از این دو تنظیم می‌شود. زمانیکه نقطه فوق بحرانی الکل فرارسید، اجازه داده میشود تا مایع فوق بحرانی خارج شود [45]. برای مثال گوتیه و همکارانش [46] در روند انجام این فرآیند از یک فشار داغ هیدرولیکی برای مهروموم کردن و گرم کردن قالب حاوی مخلوط پیشماده آئروژل استفاده کردند. مخلوط مایع از پیشماده‌های آئروژل در یک قالب فلزی ریخته شد و سپس در فشار داغ قرار گرفت. در طول اجرا، فشار داغ برای مهروموم کردن ترکیب به جای قالب استفاده شد و یک نیروی باز دارندهی فشاری را فراهم کرد. سپس قالب و مخلوط به بالای دما و فشار فوق بحرانی متانول برده شد. در مدت زمان این فرآیند گرم کردن، پیشمادههای آئروژل واکنش نشان داده و یک ژل خیس نانوساختاری متخلخل را تشکیل داد. زمانیکه به حالت بحرانی رسید، فشار کاهش داده شد و مایع فوق بحرانی رها شد.
3-3-4 مقایسه روش‌هاهر یک از روش‌های ساخت آئروژل شرح داده شده در بالا، نقاط قوت و محدودیت‌هایی دارند. مقایسه مستقیم تکنیک‌های مختلف خشک کردن به علت دستورالعمل‌های پیشماده متفاوت، شرایط ژل شدن مختلف، و زمان پیر سازی، به خوبی روش‌های استخراج متفاوت هستند. برای مثال خشککردن فوق بحرانی دما پایین نیاز به زمان پیرسازی کافی دارد، به طوری که ژل‌ها می‌توانند از ظرف اولیه برای استخراج و تبادل حلال خارج شوند.
در فرآیند خشککردن سریع، عموما زمان پیرسازی کوتاه است؛ گرچه، دمای بالا در این فرآیند اثر مشخصی را روی روند واکنش چگالش دارد.
مزیت اصلی تکنیک‌های خشک کردن در فشار محیط، عدم نیاز به تجهیزات فشار بالا می باشد که گران قیمت و به طور بالقوه خطرناک است؛ اگرچه به مراحل پردازش چندگانه با تبادل حلال نیاز دارند. تا به حال مطالعات اندکی در رابطه با استفاده از روش‌های خشککردن انجمادی شده است. این تکنیک‌ها نیاز به تجهیزات خاصی برای رسیدن به دمای پایین لازم برای تصعید حلال و منجر شدن به پودر آئروژل، دارند.
محدودیت اصلی تکنیکهای فوق بحرانی دما بالا، رسیدن به دماهای بالای مورد نیاز برای دست یافتن به نقطه بحرانی حلال الکل و نیز ملاحظات ایمنی در بکار بردن مخزن فشار در این شرایط است.
روش استخراج دما پایین به طور گسترده در تولید آئروژل‌های یکپارچه کوچک تا بسیار بزرگ استفاده شده است، اگرچه می‌تواند روزها تا هفته‌ها تولید آن طول بکشد و مراحل چندگانه تبادل حلال مورد نیاز، آن را تبدیل به فرآیندی پیچیده کند و اتلاف قابل ملاحظه‌ای از حلال و 2CO ایجاد می‌کند. تکنیک‌های خشککردن سریع ساده‌تر و سریع‌تر است. تمامی فرآیند، بر خلاف مراحل چندگانه و مقیاس‌های زمانی در ابعاد روزها و ماهها در سایر روش‌ها، در یک مرحله انجام شده و می‌تواند در چند ساعت تکمیل شود. همچنین این روش‌ها اتلاف کمتری را به وجود می‌آورند. یک ایراد روش‌های خشککردن سریع، نیاز به دما و فشار بالاست [47].
3-4 مروری بر کارهای انجام شدهاگرچه میدانیم که این گزارش‌های جامعی از مقالات مرتبط با نانوکامپوزیت‌های آئروژل نیست، اما تأکید بر این مطلب است که چگونه ترکیب نانوذرات ممکن است احتمال استفاده از آئروژل‌ها را به عنوان مواد جدید افزایش دهد و چگونه مسیر آماده سازی مورد اطمینان برای به‌دست آوردن نانوکامپوزیت‌های آئروژل برای کاربرد خاص را انتخاب نماییم.
پس از آنکه کیستلر در سال 1931 برای اولین بار بدون درهم شکستن ساختار ژل، فاز مایع را از آن جدا کرد، در سال 1938 به مطالعه روی رسانایی گرمایی آئروژل و در سال 1943 درباره سطح ویژه آن‌ها به مطالعه پرداخت [48]. بعد از آن حدود نیمقرن دانشمندان علاقه‌ای به آئروژل‌ها نشان ندادند تا در اویل 1980 آئروژل به عرصه پژوهش بازگشت.
در سال 1992تیلسون و هاربش از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا ژل استفاده کردند و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی آن‌ها استفاده نمودند [49] و سپس هر ساله تحقیقات زیادی روی آئروژل‌ها صورت می‌گیرد.
در سال 2001 کاساس و همکارانش نانوکامپوزیت مغناطیسی را با ورود ذرات اکسید آهن در سیلیکا آئروژل میزبان سنتز کردند. این سنتز که به روش سل-ژل و با خشککردن فوق بحرانی متانول انجام شد، دو نمک آهن استفاده شد: O2H9.(3ON)Fe و O2H2.(EDTA)FeNa. در این پژوهش ارتباط واضحی بین پیشماده، آب و تخلخل و سطح ویژه آئروژل حاصل وجود داشت. استفاده از ترکیب EDTA به عنوان پیش‌مادهی نانوذرات، قطر میانگین حفره‌ها را افزایش داد، گرچه قابلیت حل پایین نمک EDTA در محلول یک مانع بزرگ برای رسیدن به آهن در این روش بود. مساحت سطح ویژه‌ی نمونه‌های کاساس بین /g2m 200 و /g2m 619 بهدست آمد و برخی نمونه‌ها رفتار پارامغناطیس و برخی دیگر رفتار مغناطیس نرم از خود نشان دادند [50].
در سال 2002 واگنر و همکارانش ذرات سیلیکا با هستهی مغناطیسی را با روش ته‌نشینی به‌دست آوردند [51]. و چند سال بعد در سال 2006 ژانگ و همکارانش ذرات پوسته‌ای هسته‌دار را با روش سل-ژل تهیه کردند. این ذرات شامل هستهی مغناطیسی فریت کبالت و پوستهی سیلیکا بودند که از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا استفاده کردند. پس از آنکه ژل‌ها به‌دست آمدند، در 110 درجهی سانتیگراد برای 4 ساعت در خلاء خشک شدند زیرا اگر در هوا خشک شوند احتمال ته‌نشینی بلور‌های اکسید وجود داشت. سپس به مدت 2 ساعت در دماهای مختلف برای به‌دست آوردن نانو بلور پراکنده در ماتریس سیلیکا حرارت داده شد. برای نمونه‌ی آن‌ها شکل‌گیری فاز فریت کبالت در دمای 800 درجهی سانتیگرادکامل شد و خوشه‌های فریت کبالت به سمت نانو بلوری شدن پیش رفتند، زمانی که برهم‌کنش بین خوشه‌های فریت کبالت با ماتریس سیلیکا شکسته شد پیوندهای Si-O-Fe ناپدید شدند. بر طبق گزارش آن‌ها اشباع مغناطیسی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش غلظت بیشتر فریت در ماتریس افزایش یافت تا مقدار بیشینه emu/g 98/66 برای نمونه با نسبت مولی 1:1 (wt% 80 فریت کبالت) به‌دست آمد [52].
سیلوا و همکارانش در سال 2007 کامپوزیت ذرات فریت کبالت پخش شده در ماتریس سیلیکا را به روش سل-ژل تهیه کردند. آن‌ها از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا و از نیترات به عنوان پیش‌ماده فریت استفاده کردند. پس از گذشت زمان پیرسازی، نمونه برای 12 ساعت در 110 درجهی سانتیگراد خشک شدند و ذرات فریت کبالت در ماتریس سیلیکا شکل گرفتند. پس از آن عملیات حرارتی برای 2 ساعت در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجهی سانتیگراد انجام شد که باعث افزایش در اندازهی ذرات شد. رسوب ذرات خوشه‌ای فریت در دیواره‌های منافذ زیروژل با افزایش دما بیشتر شد و در دماهای بالاتر از 700 درجهی سانتیگراد بلورهای بزرگ‌تر کبالت داخل منافذ ماتریس شکل گرفتند و افزایش در مغناطش اشباع و پسماند مغناطیسی را باعث شدند [53].
در همان سال فرناندز و همکارانش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ آهن اکسید را با فرآیند سل-ژل و تبخیر فوق بحرانی حلال سنتز کردند. آن‌ها نمونه‌ها با پیشماده‌های TEOS و TMOS را با تبخیر فوق بحرانی اتانول و متانول خشک کردند. ذرات مغناطیسی با اندازهی متوسط nm 6 با TEOS و متانول سنتز شدند در حالی که فری‌هیدرات‌ها از TMOS و اتانول به‌دست آمدند. بعضی نمونه‌های آن‌ها رفتار ابر پارامغناطیس از خود نشان دادند [54].
دو سال بعد ژنفا زی و همکارانش نانوذرات فریت کبالت را به روش هم‌نهشت شیمیایی و خشک شدن در هوا در دمای80 درجهی سانتیگراد تهیه کردند. اندازهی قطر نانوذرات سنتز شده nm 20 تا nm 30 بود و دمای کوری در فرآیند افزایش دما کمتر از فرآیند کاهش دما بود. مقدار اشباع مغناطیسی این ذرات emu/g 77/61 بهدست آمد که نسبت که مقدار کپه آن کوچک‌تر بود. در این پژوهش مقدار پایین نیروی وادارندگی به دو دلیل اتفاق می‌افتد: ذرات فریت ممکن است ساختار چند دامنه داشته باشند. شکل‌گیری چند دامنه‌ها و حرکت دیوارهای دامنه می‌تواند کاهش دامنه را نتیجه دهد. همچنین اگر اندازهی بحرانی ذرات [55] بهدست آمده بزرگ‌تر از قطر میانگین ذرات باشد، رفتار تک دامنه را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها گزارش کردند که کاهش وادارندگی نمونه‌ها به رفتار وابسته به اندازهی ذرات بستگی دارد [56].
بلازینسکی و همکارانش در پژوهشی که در سال 2013 انجام دادند، سیلیکا آئروژل را با روش سل-ژل و فرآیند فوق بحرانی تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که روش خشک کردن فوق بحرانی مؤثرترین روش برای بهدست آوردن بهترین ویژگی این محصولات است. بدین منظور آن‌ها دستگاه خشک کن فوق بحرانی را برای خود ساختند که فشار و دما به طور دستی تنظیم می‌شد و مرحله مهم در آمادهسازی سیلیکا آئروژل‌ها بود. به این ترتیب آن‌ها سیلیکا آئروژل‌های شفاف با مساحت سطح ویژه بالا به‌دست آوردند [57].
در گزارشی دیگر در سال 2014 ساجیا و همکارانش پودر آمورف فریت کبالت را به روش سل-ژل تهیه کردند و این روش را بهترین روش تهیه نانوذرات عنوان کردند. آن‌ها دریافتند که عملیات حرارتی برای تجزیه کامل مقدار مواد آلی و نیترات حاضر در پودر آمورف لازم است. در این فرآیند برای جلوگیری از ته‌نشینی یا رسوبگذاری این واکنش اسید سیتریک به آن اضافه کردند و سپس مراحل خشک کردن و عملیات حرارتی انجام شد. پارامترهای عملیات حرارتی، مرحله نهایی در آماده‌سازی نانوذرات فریت کبالت بودند که بررسی شدند. ساختار اسپینل در همهی نمونه‌های آن‌ها شکل گرفته بود و هنگامی که ذرات شروع به رشد کردند ناخالصی‌ها حذف شد. ویژگی مغناطیسی مرتبط با رفتار فریمغناطیس این نمونه‌ها مقدار emu/g 62 برای اشباع مغناطیسی را نشان می‌دهد [58].
در جدیدترین پژوهشی که دربارهی آمادهسازی و ارزیابی نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/فریت در سال 2014 صورت گرفته است، کاتاگر و همکارانش نانوذرات فریت را به روش ته‌نشینی آماده کردند و سپس TMOS را به آن اضافه نمودند. برای این کار آن‌ها O2H6. 2NiCl، O2H6. 3FeCl و 2ZnCl را با اضافه کردن آب مقطر حل کردند. PH محلول در رفلاکس 110 درجهی سانتیگراد به مدت 24 ساعت 13 تنظیم شده بود. با حذف NaOH که برای PH اضافه شده بود، و شستن مکرر با آب مقطر و اتانول نانوذرات نتیجه شدند. بعد از بهدست آمدن نانوذرات به طور مستقیم به TMOS اضافه شدند و 3NH و آب دیونیزه به عنوان کاتالیست برای تهیه سل همگن اضافه گردیدند. برای مرحله پیر سازی قالب‌های حاوی سل را در اتانول به مدت 2 ساعت و دمای 50 درجهی سانتیگراد پیرسازی کردند و در نهایت ژل خیس را با خشک کردن فوق بحرانی کربن دی اکسید بهدست آوردند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که زمان ژل شدن با افزایش نسبت مولی اتانول/TMOS افزایش یافت. همچنین به دلیل کشش سطحی اتانول، نمونه‌ها منقبض می‌شوند یا ترک می‌خورند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده ساختار اسکلت شبکه‌ی سه بعدی را حفظ کرد. مساحت سطح ویژه با افزایش مقدار فریت از /g2m 700 تا /g2m 300 تغییر کرد. به علاوه ویژگی مغناطیسی فریت در ساختار نانو کامپوزیت تغییر نکرد [59].
3-5 برخی از کاربردهای آئروژل3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیتهمانطور که پیشمادهی الکوکسید سیلیکون برای شکل‌گیری شبکه‌ی ژل با اکسیدهای فلزی دیگر به اندازه‌ی کافی واکنشی است، مطالعات زیادی در زمینه سنتز سیلیکا آئروژل برای کاربردهای مختلف صورت گرفته است [1].
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذبآئروژل‌های فوق آبگریز و انعطافپذیر برای در جذب حلال‌های معدنی و روغن‌ها سنتز شدند. ونکاتشوارا رائو و همکارانش چگالی جذب و واجذب سیلیکا آئروژل‌های فوق آبگریز را با استفاده از یازده حلال و سه روغن بررسی کردند [60].
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگرآئروژل‌ها تخلخل بالا، حفره‌های در دسترس، و سطح در معرض بالا دارند. از این رو کاندیداهای خوبی برای استفاده به عنوان حسگر هستند.بر اساس مطالعه وانگ و همکارانش روی آئروژل لایه‌ی نازک نانوذرات سیلیکا آئروژل نشان داد که مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه‌ای با افزایش رطوبت کاهش یافت. زیروژل همان مواد حساسیت کم‌تری را نشان داد. آئروژل‌هایی که اصلاح سطح شدند در مقایسه با آئروژل‌های آب‌گریز کمتر تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند و می‌توانند به عنوان ضد زنگ و عوامل آب‌گریز مورد استفاده قرار بگیرند [61].
چن و همکارش آئروژل‌هایی را برای کاربرد حسگرهای زیستی مطالعه کردند. در مطالعه آن‌ها، آئروژل‌های مزوحفره به وسیله پلیمریزاسیون سل-ژل با یک مایع یونی به عنوان حلال تهیه کردند. نتایج نشان می‌دهدکه آئروژل آماده شده می‌تواند به عنوان یک بسترشناسایی برای اسید نوکلوئیدها به کار رود [62].
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایینلایه نازک‌های آئروژل 2SiO توجه خاصی را به خود اختصاص داد، به دلیل ثابت دی الکتریک خیلی پایین، تخلخل و پایداری حرارتی بالا. پارک و همکارانش لایه نازک سیلیکا آئروژل را برای لایهی داخلی دی الکتریک مورد بررسی قرار دادند و ثابت دی الکتریک را تقریبا 9/1 اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ثابت دی الکتریک بسیار پایین فیلم‌های آئروژل را برای لایهی داخلی مواد دی الکتریک تولید کردند. فیلم های سیلیکا آئروژل به ضخامت Å 9500، % 5/79 تخلخل، و ثابت دی الکتریک پایین 2 با روش فرآیند خشک کردن محیط با استفاده از n-هپتان به عنوان حلال خشک کن به‌دست آوردند [63].
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزورمساحت سطح ویژه‌ی بالای آئروژل‌ها منجر به کاربردهای زیادی می‌شود، از جمله جاذب شیمیایی برای پاکسازی نشتی. این ویژگی کاربرد زیادی را به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور به همراه دارد. آئروژل‌ها در کاتالیست‌های همگن مناسب هستند، زمانی که واکنش‌دهنده‌ها هم در فاز مایع و هم در فاز گاز هستند [27].
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازیتخلخل بالا و مساحت سطح زیاد سیلیکا آئروژل‌ها می‌تواند برای کاربردهایی مثل فیلترهای گازی، جذب رسانهای برای کنترل اتلاف، محصور سازی، ذخیره سوخت هیدروژن به کار رود. آئروژل‌ها می‌توانند در مقابل تنش گذار مایع/گاز مقاومت کنند زیرا بافت آنها در طول پخت تقویت شد به عنوان مثال در ذخیره سازی، انتقال مایعات چون سوخت موشک‌ها کار برد دارد. به علاوه وزن پایین آئروژل‌ها بزرگ‌ترین مزیت است که در سیستم حمل دارو به دلیل ویژگی زیست سازگار آن‌ها مورد استفاده است [64]. کربن آئروژل‌ها در ساخت الکتروشیمی ابر خازن دو لایه کوچک استفاده شد. ابر خازن‌های آئروژل مقاومت ظاهری پایینی در مقایسه با ابر خازن‌های معمولی دارد و می‌تواند جریان بالا را تولید یا جذب کند.
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالبفیلم‌های سیلیکا آئروژل برای سلول‌های خورشیدی رنگ حساس استفاده شدند. مساحت سطح ویژه‌ی فیلم‌های آئروژل روی فیلم‌های شیشه‌ای رسانا تهیه شدند. نشست لایه اتمی برای پوشش قالب آئروژل با ضخامت‌های مختلف 2TiO با دقت کمتر از نانومتر انجام شد. غشاء آئروژل پوشش داده شده با 2TiO در سلول خورشیدی رنگ حساس گنجانیده شد. طول نفوذ شارژ با افزایش ضخامت 2TiO افزایش یافت که منجر به افزایش جریان شد [65].
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرماجدای از تخلخل بالا و چگالی پایین یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های آئروژل رسانندگی گرمایی پایین آن‌ها است، علاوه بر این، از یک شبکه‌ی سه بعدی با ذرات ریز متصل شده تشکیل شده‌اند. بنابراین انتقال گرما از میان بخش جامد آئروژل‌ها از طریق مسیر پر پیچ و خمی است. فضای اشغال نشده در یک جامد توسط آئروژل به طور معمول با هوا پر شده مگر آن که تحت خلاء مهروموم شده باشد. این گازها می‌توانند انرژی حرارتی را از طریق آئروژل انتقال دهند. حفره‌های آئروژل باز هستند و اجازه عبور گاز از میان مواد را می‌دهند [27].
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضاییناسا از آئروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات گرد و غبار روی فضاپیما استفاده کرد. ذرات در برخورد با جامد اسیر شده، گازها تبخیر می‌شوند و ذرات در آئروژل به دام می‌افتند [27].
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را به طور مختصر نشان می‌دهد.
3-6 خلاصهدر این فصل پس از مقدمه‌ی کوتاه، اندکی در مورد سنتز آئروژل با روش سل-ژل گفته شد. پس از آن فرآیند‌های لازم برای شکل‌گیری ژل بیان شد و سپس تکنیک‌های مختلف خشک کردن و شرایط لازم برای این کار با مختصری توضیح نوشته شد. بعد مروری کوتاه به برخی از تلاش‌های انجام شده در این زمینه داشتیم و در آخر برخی از کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را با ذکر مثال درج شد.
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها [27].
خاصیت ویژگی کاربرد
رسانایی الکتریکی بهترین جامد عایق
شفاف
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
سبک ساخت و ساز ساختمآن‌ها و عایقبندی لوازم خانگی
ذخیره سازی
ماشین، وسیله نقلیه فضایی
دستگاه‌های خورشیدی
چگالی/تخلخل سبک‌ترین جامد مصنوعی
سطح ویژه_ی بالا
کامپوزیت‌های چندگانه کاتالیزور
حسگر
ذخیرهی سوخت
تبادل یون
فیلترهای آلاینده‌های گازی
اهداف ICF
حامل رنگ‌دانه
قالب
اپتیکی شفافیت
شاخص بازتاب پایین
کامپوزیت‌های چندگانه اپتیک سبک وزن
آشکارسازهای چرنکوف
راهنماهای نوری
عایق صوتی سرعت صوت پایین اتاق‌های ضد صدا
تطبیق مقاومت ظاهری صوتی در التراسونیک
مکانیکی الاستیک
سبک جاذب انرژی
تله برای ذرات سرعت بالا
الکتریکی ثابت دی الکتریک پایین
قدرت دی الکتریک بالا
سطح ویژهی بالا دی الکتریک برای ICها
جدا کنندهی الکترودهای خلا
خازن
فصل چهارمسنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت21434265186580مقدمهآئروژل‌ها کاندیدا‌های ایدهآلی برای طراحی نانوکامپوزیت‌های کاربردی تقویت شده با نانوذرات فلزی یا اکسید فلزی هستند. مساحت سطح ویژهی بالا با ساختار حفره‌ای، آئروژل‌ها را قادر می‌سازد تا به طور موثری میزبان نانوذرات ریز پراکندهشده باشند و این اطمینان را می‌دهد که نانوذرات در دسترس هستند.

—d1965

TOC h z t "t1,1,t2,1,t3,1" 1-1 مقدمه2
HYPERLINK l "_Toc365922955" 1-2 تعاریف3
HYPERLINK l "_Toc365922956" 1-2-1 سرریزها3
HYPERLINK l "_Toc365922957" 1-2-2 دریچهها3
HYPERLINK l "_Toc365922958" 1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه4
HYPERLINK l "_Toc365922959" 1-2-4 آبشستگی6
HYPERLINK l "_Toc365922960" 1-3 ضرورت انجام تحقیق9
HYPERLINK l "_Toc365922961" 1-4 اهداف تحقیق9
HYPERLINK l "_Toc365922962" 1- 5 ساختار کلی پایاننامه10
فصل دوم: بررسی منابع
2-1 مقدمه12
2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان12
2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D16
فصل سوم: مواد و روشها
3-1 مقدمه22
3-2 نحوه انجام آزمایشات22
3-2-1 مخزن23
3-2-2 پمپ23
3-2-3 کانال آزمایشگاهی23
3-2-4 مخزن آرام کننده جریان24
فهرست مطالب
عنوان صفحه
3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز - دریچه24
3-3 آنالیز ابعادی25
3-4 شبیهسازی عددی27
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3D28
3-4-2 معادلات حاکم32
3-4-3 مدلهای آشفتگی33
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهای35
3 -4-3-2 مدلهای یک معادلهای35
3-4-3-3 مدلهای دو معادلهای36
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنش36
3-4-4 شبیهسازی عددی مدل37
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل38
3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان38
3-4-4-3 شرایط مرزی کانال40
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل41
3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان43
3-4-4-6 زمان اجرای مدل43
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1 مقدمه46
4-2 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب46
4-2-1 واسنجی نرمافزار46
4-2-1-1 ارزیابی نرمافزارپ48
4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز - دریچه بر هیدرولیک جریان54
فهرست مطالب
عنوان صفحه
4-3 شبیهسازی آبشستگی پاییندست جریان59
4-3-1 واسنجی نرمافزار59
4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرمافزار61
فصل پنجم: پیشنهادها
5-1 مقدمه70
5-2 نتیجهگیری70
5-3 پیشنهادها71
منابع74

فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریان25
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3D28
ادامه جدول 3-229
جدول 3- 3 محدوده دادههای به کار رفته جهت شبیهسازی آبشستگی38
جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار40
جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار41
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوب42
جدول 4- 1 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-1)51
جدول 4- 2 نتایج حاصل از مدلسازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبیها55
جدول 4- 3 تأثیر پارامتر عدد شیلدز بحرانی بر حداکثر عمق آبشستگی60
جدول 4- 4 تأثیر پارامتر ضریب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگی60
جدول 4- 5 تأثیر زاویه ایستایی بر حداکثر عمق آبشستگی61
جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی61
جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیهسازی حفره آبشستگی61
جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4)65
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
TOC h z t "fig,1,table,1" شکل 1- 1 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه5
HYPERLINK l "_Toc366000088" شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی8
HYPERLINK l "_Toc366000089" شکل 2- 1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی12
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی12
شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386)14
شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987)14
شکل 2- 5 فرآیند پر و خالی شدن حفره آبشستگی درحین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، 2010) 15
شکل 3- 1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک23
شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک24
شکل 3- 3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریان25
شکل 3- 4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب26
شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی30
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه30
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه30
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض31
شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازه31
شکل 3- 10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک39
شکل 3- 11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ40
شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلب40
شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوب41
شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان43
شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی43
شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی46
شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-ε RNG و k-ε و دادههای آزمایشگاهی47
شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-ε RNG با دادههای آزمایشگاهی49
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-4 ارزیابی دقت مدل RNG k-ε برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی سرریز- دریچه49
شکل 4- 5 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs / Qg)51
شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی52
شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبیها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربی برای تخمین دبی در سرریز و ریچه52
شکل 4- 8 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53
شکل 4- 9 توزیع فشار جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53
شکل 4- 10 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54
شکل 4- 11 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54
شکل 4- 12 شماتیکی از جریان عبوری از سازه ترکیبی دارای انقباض جانبی54
شکل 4-13 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی با انقباض جانبی55
شکل 4-14 مقایسه عمق جریان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه رکیبی56
شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه ترکیبی56
شکل 4-16 توزیع مؤلفه طولی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57
شکل 4-17 توزیع مؤلفه طولی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57
شکل 4-18 توزیع مؤلفه عرضی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4-19 توزیع مؤلفه عرضی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4- 20 مقایسه دقت شبیهسازی حفره آبشستگی با استفاده از مدلهای مختلف آشفتگی59
شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرمافزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی62
شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرمافزار برای حداکثر عمق آبشستگی62
شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک63
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب64
شکل 4- 25 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی65
شکل 4-26 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی66
شکل 4-27 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان)66
شکل 4-28 توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه67
شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب و بستر صلب67
شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی68

18849116456969
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
یکی از عمده‌ترین مشکلات سازه‌هایی از قبیل سرریزها، دریچه‌ها و حوضچه‌های آرامش که در بالادست بسترهای فرسایش‌پذیر قرار دارند، آبشستگی در مجاورت سازه است که علاوه‌بر تأثیر مستقیم بر پایداری سازه، ممکن است باعث تغییر مشخصات جریان و در نتیجه تغییر در پارامترهای طراحی سازه شود. به دلیل پیچیدگی موضوع، اکثر محققین آن را به صورت آزمایشگاهی بررسی کردهاند که با وجود تمام دستآوردهای مهمی که تاکنون در زمینه آبشستگی موضعی حاصل گردیده است، هنوز هم شواهد زیادی از آبشستگی گسترده در پایاب دریچه‌ها، سرریزها، شیب‌شکن‌ها، کالورت‌ها و مجاورت پایه‌های پل دیده می‌شود که می‌تواند پایداری این سازهها را با خطرات جدی مواجه کند.
پدیده آبشستگی زمانی اتفاق می‌افتد که تنش برشی جریان آب عبوری از آبراهه، از میزان بحرانی شروع حرکت ذرات بستر بیشتر شود. تحقیقات نشان داده است که عوامل بسیار زیادی بر آبشستگی در پایین‌دست سازه تأثیرگذار هستند که از جمله آنها می‌توان به اندازه و دانه‌بندی رسوبات، عمق پایاب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و ... اشاره کرد (کوتی و ین (1976)، بالاچاندار و همکاران (2000)، کلز و همکاران (2001)، لیم و یو (2002)، فروک و همکاران (2006)، دی و سارکار (2006) و ساراتی و همکاران (2008)).
دریچهها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانالهای باز مورد استفاده قرار میگیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوری از رو یا زیر سازهها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پاییندست سازهها وجود دارد که ممکن است پایداری سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.
به منظور افزایش بهره‌وری از سازههای پرکاربرد سرریزها و دریچهها، می‌توان آنها را با هم ترکیب نمود به‌طوری‌که در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه می‌توان دو مشکل عمده و اساسی رسوب‌گذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچه‌ها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه به‌تنهایی متفاوت است.
1-2 تعاریف1-2-1 سرریزها
یکی از سازههای مهم هر سد را سرریزها تشکیل میدهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازهگیری دبی جریان در کانالها مورداستفاده قرار میگیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام میدهند، باید سازهای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهرهبرداری آمادگی داشته باشد.
معمولاً سرریزها را بر حسب مهمترین مشخصه آنها تقسیمبندی میکنند. این مشخصه میتواند در رابطه با سازه کنترل و کانال تخلیه باشد. بر حسب اینکه سرریز مجهز به دریچه و یا فاقد آن باشد به ترتیب با نام سرریزهای کنترلدار و یا سرریزهای بدون کنترل شناخته میشوند.
1-2-2 دریچهها
دریچهها سازههایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته میشوند. از دریچهها به منظور قطع و وصل و یا کنترل جریان در مجاری عبور آب استفاده میشود و از لحاظ ساختمان به گونهای میباشند که در حالت بازشدگی کامل عضو مسدود کننده کاملاً از مسیر جریان خارج میگردد.
دریچهها در سدهای انحرافی و شبکههای آبیاری و زهکشی کاربرد فراوان دارند. همچنین برای تخلیه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار میروند (نواک و همکاران، 2004).
دریچهها به صورت زیر دستهبندی میشوند:
بر اساس محل قرارگیری: دریچههای سطحی و دریچههای تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار میگیرند.
بر اساس کاری که انجام میدهند: دریچههای اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده میشود.
بر اساس مصالح بدنه: دریچههای فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار میگیرد.
بر اساس نوع بهرهبرداری: دریچههای تنظیم کننده دبی و دریچههای کنترلکننده سطح آب
بر اساس مکانیزم حرکت: دریچههای خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار میکند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل مینماید. دریچه برقی از دستگاههای برقی، دریچه مکانیکی با استفاده از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابهجا میشوند.
بر اساس نوع حرکت: دریچههای چرخشی، غلطان، شناور و دریچههایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت مینمایند.
بر اساس انتقال فشار آب: دریچهها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایههای پل یا به تکیهگاهها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیهگاهها و هم بر کف منتقل شود.
1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچهترکیب سرریز - دریچه یکی از انواع سازههای هیدرولیکی میباشد که در سالهای اخیر عمدتاً برای عبور سیال در مواردی که سیال حاوی سرباره و رسوب به صورت همزمان میباشد (مانند کانال عبور فاضلاب) بکار رفته است. سازه ترکیبی سرریز - دریچه با تقسیم دبی عبوری از بالا و پایین خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگیری میکند. از دیگر کاربردهای عملی این ترکیب، میتوان انواع سدهای تأخیری را نام برد. در سدهای تأخیری برای جلوگیری از انباشت رسوب در پشت سد که منجر به کاهش حجم مفید مخزن میگردد اقدام به تعبیه تخلیهکنندههای تحتانی میگردد. از طرف دیگر این نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحی و عبور سیلابهای محتمل به صورت روگذر نیز عمل میکنند که از این دو جهت، مدل ترکیبی سرریز - دریچه ایده مناسبی برای تحلیل این نوع سدها میباشد. اگرچه این نوع سازه دارای کاربرد فراوانی در سازههای هیدرولیکی میباشد.
جهت به حداقل رساندن مشکلات در سرریزها و دریچه‌ها و همچنین جهت بالا بردن مزایای آنها می‌توان از سازه ترکیبی سرریز - دریچه استفاده کرد به طوری که در یک زمان، جریان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. این وسیله ترکیبی می‌تواند مشکلات ناشی از فرسایش و رسوبگذاری را مرتفع نماید (دهقانی و همکاران، 2010).
همچنین با این روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرریزها انباشته نمی‌‌‌شوند (ماخرک، 1985).
مشکلاتی را که در اثر وجود مواد رسوبی یا شناور در آب انتقالی برای آبیاری حاصل می‌شود، می‌توان با استفاده از سازه ترکیبی سرریز - دریچه به مقدار زیادی کاهش داده که امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعیلی و همکاران، 1385).
سیستم سرریز - دریچه امکان عبور جریان را از پایین و بالای یک مانع افقی در قسمت میانی مجرا به طور همزمان فراهم نموده، بدین صورت که مواد قابل رسوب را در پشت دریچه به صورت زیرگذر و مواد شناور را به صورت روگذر سرریز عبور میدهد (شکل 1- 1).
331470506095جریان عبوری از زیر دریچه
00جریان عبوری از زیر دریچه
267970163195جریان عبوری از روی سرریز
00جریان عبوری از روی سرریز
138620527622500143446560769500
شکل 1- 1 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچهاز اینرو تعیین شکل و حداکثر عمق آبشستگی در پاییندست سرریز و دریچه ترکیبی به منظور تثبیت وضعیت بستر میتواند مفید واقع شود.
1-2-4 آبشستگیآبشستگی یکی از موضوعات مهم و قابل توجه در مهندسی رودخانه و هیدرولیک جریان در بسترهای آبرفتی میباشد. چنانچه در یک بازه مورد بررسی، مقدار رسوب وارد شده کمتر از مقدار رسوب خارج شده باشد، عمل فرسایش کف رودخانه و یا بدنه آن رخ میدهد و کف رودخانه بتدریج عمیق میشود. از جمله اثرات منفی گود شدن بستر رودخانه، میتوان به شکست برشی و لغزش در بستر و نیز گرادیان هیدرولیکی خروجی اشاره کرد که در نهایت، افزایش فشار بالابرنده و ایجاد پدیده تراوش را در پی دارد.
به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، به فرسایش بستر در پاییندست سازههای هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریانهای متلاطم موضعی، آبشستگی گویند. عمق ناشی از فرسایش بستر اولیه را عمق آبشستگی مینامند. (کتاب هیدرولیک کانالهای روباز، دکتر ابریشمی)
از آنجا که مکانیزم عمل آبشستگی در مکانهای مختلف متفاوت میباشد، از این رو آبشستگی را به دو نوع تقسیمبندی میکنند:
نوع اول آبشستگی تنگشدگی میباشد. این نوع آبشستگی در دو حالت اتفاق می‌افتد:
الف) در جایی که رودخانه هنوز به حالت تعادل نرسیده و پتانسیل حمل رسوب در بازه‌ای از رودخانه بیش از میزان رسوب ورودی به این بازه باشد.
ب) در جایی که سرعت جریان به دلایلی مانند کاهش مقطع رودخانه در محل پل‌ها، افزایش پیدا می‌کند که در مقطع تنگ شده آبشستگی اتفاق می‌افتد.
در محل احداث پل، آبشکن و یا دیواره ساحلی معمولاً عرض رودخانه را کاهش می‌دهند. این عمل باعث می‌شود که سرعت جریان در این محدوده افزایش یابد. در نتیجه به ظرفیت حمل رسوب افزوده شده و سبب خواهد شد تا بستر رودخانه در این محل فرسایش یابد. عمل فرسایش آنقدر ادامه می‌یابد تا ظرفیت حمل رسوب کاهش یافته و برابر با ظرفیت حمل رسوب در مقطع بالادست گردد. در این حالت، نرخ فرسایش در این محل کمتر می‌شود. هر چند این فرسایش موجب می‌شود که تأثیر پسزدگی آب در بالادست کاهش یابد ولی به خاطر این مسئله نباید اجازه داده شود تا فرسایش صورت گیرد زیرا آبشستگی باعث خطرات جدی مثل واژگونی پل می‌گردد.
نوع دیگر آبشستگی، آبشستگی موضعی است. این نوع آبشستگی در پاییندست سازههای هیدرولیکی، در محل پایههای پل و به طور کلی هر مکانی که شدت جریانهای درهم به طور موضعی افزایش یابد، بوجود میآیند.
آبشستگی موضعی پاییندست سازههای هیدرولیکی نظیر سدها، سرریزها، شوتها، سازههای پلکانی و ... پدیده طبیعی است که به‌دلیل وجود سرعت محلی بیش از سرعت بحرانی بوجود میآید و دلایل آن را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
ناکافی بودن مقدار استهلاک انرژی
تشکیل پرش هیدرولیکی ناپایدار و یا انتقال پرش خارج از کف حوضچه آرامش
بوجود آمدن جریانهای گردابی در پاییندست سازههای هیدرولیکی
شکل (1- 2) چند نوع سازه هیدرولیکی و آبشستگی پاییندست آنها را نشان میدهد.

شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی (استاندارد آب و آبفا، 1389)
میزان عمق آبشستگی برای هر یک از سازهها بستگی به شرایط هیدرولیکی جریان و مشخصات رسوب و شرایط هندسی سازه دارد. تخمین میزان عمق آبشستگی از اینرو اهمیت دارد که ممکن است باعث تخریب سازه گردد.
به طور کلی آبشستگی در اثر اندرکنش نیروهای زیر حاصل میشود:
1- نیروی محرک ناشی از جریان که در راستای جدا کردن ذره از بستر عمل میکند.
2- نیروی مقاوم ناشی از اصطکاک ذرات و وزن ذره که در برابر حرکت ذره مقاومت کرده و مانع جدایی ذره از بستر میشود.
جریانها در محل وقوع آبشستگی، یک فرآیند دوفازی (آب و رسوب) است. بنابراین آبشستگی متأثر از متغیرهای بسیاری از قبیل پارامترهای جریان، مشخصات بستر آبرفتی، زمان و هندسه آبراهه میباشد. به همین دلیل، محققین هر یک به مطالعه بخشی از این وقایع پرداخته و آن را به صورت آزمایشگاهی و تجربی بررسی کردهاند.
1-3 ضرورت انجام تحقیقاز آنجایی که در سازه‌های ترکیبی سرریز - دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان، تغییرات در توزیع تنش‌های برشی کف و از این‌رو افزایش پیچیدگی محاسبات می‌شود، بنابراین شبیه‌سازی الگوی جریان، سطح آزاد آب و آبشستگی مورد توجه محققین قرار دارد و لذا در این تحقیق، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان در بستر صلب، توانایی نرمافزار Flow3D در شبیه‌سازی عددی الگوی جریان و آبشستگی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت‌.
1-4 اهداف تحقیقتحقیق انجام شده به منظور پاسخگویی به اهداف زیر صورت گرفته است:
1- بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه در بستر صلب و مدلسازی عددی آن با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن دو
2- مدلسازی عددی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن با نتایج بدست آمده از بررسیهای آزمایشگاهی توسط محققین دیگر
3- ارزیابی دقت مدلهای تلاطمی نرمافزار Flow3D در شبیهسازیهای عددی الگوی جریان و آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز – دریچه در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی
4- محاسبه نسبت دبی عبوری از بالای سرریز به زیر دریچه با استفاده از مدل Flow3D
1- 5 ساختار کلی پایاننامهاین تحقیق در پنج فصل به شرح زیر تدوین شده است:
فصل اول- کلیات: که شامل مقدمهای بر سرریزها، دریچهها و مبانی ترکیب این دو سازه بوده و همچنین در رابطه با هیدرولیک جریان و آبشستگی در پای هر کدام از سازههای سرریز یا دریچه و یا سازه ترکیبی سرریز - دریچه کلیاتی ارائه گردیده است.
فصل دوم- بررسی منابع: در این فصل، پیشینه تحقیقها در زمینه هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه، آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی و همچنین مطالعات انجام شده توسط نرم‌‌افزار Flow3D بررسی خواهد شد.
فصل سوم- مواد و روشها: این فصل شامل معرفی مواد و روشهای تحقیق، آشنایی با نرمافزار Flow3D و مراحل مدلسازی است.
فصل چهارم- نتایج و بحث: در این فصل، نتایج ارائه شده شامل دو بخش است. بخش اول مربوط به نتایج آزمایشات انجام شده در بستر صلب مربوط به جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز – دریچه و بخش دوم مربوط به نتایج شبیهسازی عددی الگوی جریان، پروفیل و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی است.
فصل پنجم- نتیجهگیری و پیشنهادها: این فصل دربرگیرنده نتایج بدست آمده از تحلیلها به همراه پیشنهادهایی برای تحقیقات بعدی است.
فصل دوم
مروری بر منابع
2-1 مرور منابع
در این فصل، بررسی منابع و سوابق تحقیق در دو بخش مطالعات آزمایشگاهی و مطالعات عددی توسط نرمافزار Flow3D ارائه میشود که ابتدا مطالعات آزمایشگاهی در دو حالت بستر صلب و متحرک ارائه شده و سپس مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D نام برده میشود. چون در مورد جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز‌– دریچه، مدلسازی با نرمافزار Flow3D تاکنون انجام نگرفته است مطالعات عددی نرمافزار Flow3D در همه زمینهها اشاره شده است.
2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان
از جمله مطالعات آزمایشگاهی هیدرولیک جریان در سازه ترکیبی سرریز‌- دریچه، میتوان به مطالعات نجم و همکاران (1994) اشاره کرد. ایشان پارامترهای هندسی و هیدرولیکی مؤثر بر روی جریان ترکیبی را مورد بررسی قرار داده و برای جریان سرریز مثلثی روی دریچه مستطیلی، سرریز و دریچه مستطیلی با ابعاد تنگشدگیهای مختلف به طور جداگانه معادلاتی استخراج کردند. همچنین حالتی را که تنگشدگی دریچه و سرریز یکسان یا متفاوت باشد نیز به طور جداگانه مورد بررسی قرار دادند. این محققین همچنین برای شرایط مختلف مانند استفاده از سرریز مثلثی با زاویههای مختلف و یا سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی (شکل 2-1) و بدون فشردگی جانبی (شکل 2-2) روابط جداگانهای به صورت رابطههای (2-1) تا (2-4) ارائه دادند.

شکل 2-‌1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز‌- دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی41052753175(2- 1)
00(2- 1)
Cd=Qc(b1d2gd+y+h-hd+232gb-0.2hh1.5)4274820140335(2- 2)
00(2- 2)
Qu=23Cu2g(b-0.2h)h1.54105275112395(2- 3)
00(2- 3)
Ql=Clb1d2g(d+y+h-hd)429387059690(2- 4)
00(2- 4)
Qc2gb(d1.5 )=Cl1+yd+hd+hdd+23Cu(hd)32شیواپور و پراکاش (2004)، به بررسی دبی جریان از روی سرریز مستطیلی و از زیر دریچه V شکل پرداختند. طبق نتایجی که ایشان گرفتند زمانی که از دریچه V شکل و کج استفاده میشود دبی کانالهای مستطیلی با بستر ثابت با دقت بالاتری قابل تخمین است.
اسماعیلی و فتحیمقدم (1385)، به بررسی آزمایشگاهی هیدرولیک جریان و تعیین ضریب دبی مدل سرریز‌- دریچه در کانالهای دایروی و جریانهای زیرگذر و روگذر با نصب مانع با عرضهای مختلف پرداختند.
سامانی و مظاهری (1386)، به بررسی تخمین رابطه دبی جریان عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در حالتهای مستغرق و نیمهمستغرق پرداختند. نتایج بررسی هیدرولیک جریان ایشان نشان میدهد که سیستم سرریز- دریچه، موجب اصلاح خطوط جریان شده، شرایط جریان را به حالت تئوریک نزدیکتر و در نتیجه، واسنجی ضریب شدت جریان سیستم سرریز - دریچه و تخمین دبی جریان با دقت بیشتری نسبت به سرریزهای معمولی انجام میشود.

شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386)

رضویان و حیدرپور (1386)، با بررسی خطوط جریان ترکیبی از روی سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی و زیر دریچه مستطیلی بدون فشردگی جانبی در حالت لبهتیز، معادلهای برای ضریب شدت جریان پیشنهاد کردند.
تاکنون پژوهشهایی در زمینه آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز - دریچه انجام شده است. اولین بار در سال 1987 یک سری آزمایش توسط آقای اویماز در آزمایشگاه سازههای هیدرولیکی استانبول بر روی آبشستگی پای سازه ترکیبی سرریز- دریچه صورت گرفته است. شکل (2-4) نمایی از مدل شبیهسازی جریان کار ایشان را نمایش میدهد.

شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987)
ایشان برای 2 نوع دانهبندی و رسوب غیرچسبنده آزمایشات خود را اجرا نمودند. همچنین تمامی آزمایشات یک بار برای دریچه تنها و یک بار در حالت ترکیب دریچه و سرریز انجام دادند. پس از انجام آزمایشات، دادههای بدست آمده را تجزیه و تحلیل نموده تا به یک رابطه رگرسیونی خطی لگاریتمی بین پارامترهای عمق آبشستگی با قطر رسوبات و ارتفاع آب پاییندست برسند. نتایج تحقیق ایشان نشان می‌دهد که آبشستگی در پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که تنها جریان از زیر دریچه را داریم. همچنین عمق آبشستگی بستگی زیادی به مقدار دبی جریان دارد.
دهقانی و همکاران (2009) به بررسی آزمایشگاهی حداکثر عمق آبشستگی پاییندست سرریز تنها، دریچه تنها و سازه ترکیبی سرریز - دریچه بدون انقباض پرداختند. نکته جالبی که در کار آزمایشگاهی ایشان دیده شده است رفتار نوسانی روند فرسایش و رسوبگذاری به صورت پر و خالی شدن حفره آبشستگی است. حفره آبشستگی ابتدا عمیق میشود، سپس با وجود جریانهای برگشتی کمی رسوبات فرسایش یافته به درون حفره برمیگردد و حفره کمی پر میشود. سپس دوباره حفره توسط گردابههای زیر دریچه عمیق میشود و روند پر و خالی شدن ادامه مییابد (شکل 2- 5). البته این روند با گذشت زمان کندتر شده و شکل حفره در حوالی زمان تعادل تقریباً ثابت میشود (دهقانی و همکاران، 2010).
همچنین بررسیهای ایشان نشان داد که حداکثر عمق آبشستگی پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که جریان تنها از روی سرریز عبور میکند و این نتیجه با نتایج کار آقای اویماز (1985) تطابق دارد.

شکل 2- 5 فرآیند پر و خالی شدن حفره آبشستگی در حین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، 2010) شهابی و همکاران (1389) به بررسی آزمایشگاهی مشخصات حفره آبشستگی در پاییندست سرریز و دریچه ترکیبی پرداختند. نتایج این بررسی آزمایشگاهی نشان داد که عمق آبشستگی پایین‌دست سازه ترکیبی سرریز - دریچه کمتر از عمق آبشستگی پاییندست سرریز میباشد. همچنین مشخصههای حفره آبشستگی، با افزایش عدد فرود (Fr)، افزایش مییابد و در ارتفاع ریزش ثابت برای جت عبوری از روی آن، با افزایش بازشدگی دریچه، حداکثر عمق آبشستگی کاهش مییابد. نتایج انجام آزمایشات در حالت وجود انقباض نشان می‌دهد که با ایجاد انقباض در دریچه یا سرریز به دلیل تمرکز بیشتر جت، حداکثر عمق آبشستگی، طول حفره آبشستگی و طول رسوبگذاری به ترتیب افزایش، افزایش و کاهش مییابد. همچنین نتایج آزمایش بر روی کفبند پاییندست سازه ترکیبی نشان داد که چنانچه طول کفبند از فاصله برخورد جت بالادست به کف کانال بیشتر در نظر گرفته شود، میتواند میزان آبشستگی را تا حد قابل توجهی کاهش دهد.
2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3Dنرمافزار Flow3Dتوانایی شبیه‌سازی عددی الگوی جریان و رسوب در اطراف سازه‌های هیدرولیکی مختلف را دارا می‌باشد. در ادامه برخی کارهای انجام شده با این نرمافزار بیان میشود:
موسته و اتما (2004)، تأثیر طول آبشکن بر منطقه چرخشی پشت آبشکن را با در نظر گرفتن تأثیر مقیاس با نرم‌افزار Flow3D مورد بررسی قرار دادند.
گونزالز و بومباردلی (2005)،‌ در یک شبیهسازی عددی با استفاده از Flow3D به بررسی مشخصات پرش هیدرولیکی بر روی سطح صاف در دو حالت شبکهبندی ریز و شبکهبندی درشت به صورت دوبعدی و سهبعدی پرداختند.
صباغ یزدی و همکارانش (2007)، در یک مدل سهبعدی به ارزیابی مدلهای تلاطمی k-ε و RNGk-ε بر روی میزان ورود هوا در پرش هیدرولیکی با استفاده از روش حجم محدود پرداختند و اثر آن را بر روی دقت تخمین سرعت متوسط جریان با استفاده از مدل در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی موجود از پرش هیدرولیکی مورد بررسی قرار دادند. مقایسه نتایج نشان داد که نرمافزار قادر به پیش‌بینی توزیع عمقی سرعت در پرش هیدرولیکی است و همچنین در این آزمون مدل آشفتگی RNG در مقایسه با k-ɛ نتایج مناسبتری را ارائه کرده است.
امیراصلانی و همکارانش (1387)، به شبیه‌سازی سه‌بعدی آبشستگی در پایین‌دست یک جت‌ ریزشی آزاد با استفاده از مدل k-ε نرم‌افزار Flow3D جهت بررسی اثر زاویه اصطکاک داخلی رسوبات بر روی چاله آبشستگی پرداختند. نتایج این پژوهش نشان میدهد هر چقدر زاویه اصطکاک داخلی ذرات رسوب بیشتر باشد میتوان انتظار داشت حفره آبشستگی، ابعاد (طول، عرض و عمق) کوچکتری داشته باشد و ارتفاع برآمدگی رسوبات در پاییندست حفره بیشتر باشد. شیب دیوارهها تندتر بوده و مانعی برای خروج ذرات رسوب از حفره به حساب میآید.
شاهرخی (1387)، با استفاده از نرم‌افزارFlow3D‌ ، مدل عددی الگوی جریان اطراف یک آبشکن را تهیه و با اعمال مدل‌های مختلف آشفتگی، به تأثیر این مدل‌ها بر طول منطقه جداشدگی جریان در پشت یک آبشکن پرداخت‌‌. مهمترین نتیجه حاصل از این تحقیق، نشان میدهد که مدل آشفتگی LES بهترین تطابق را با نتایج آزمایشگاهی داشته و این مدل، پیشبینی بهتری از طول منطقه جداشدگی در پشت آبشکن ارائه میکند. سرانجام پیشنهاد شد مدل در دامنه وسیعتری از تغییرات پارامترهای جریان، طول و زاویه نصب آبشکن اجرا گردد.
شاملو و جعفری (1387)، به بررسی اثر وجود زبری کف بر روی تغییرات میدان سرعت و فشار جریان در اطراف پایه استوانه‌ای شکل در یک کانال مستطیلی توسط نرمافزارFlow3D و با استفاده از مدل آشفتگی k-ε به صورت سهبعدی پرداختند. در این شبیهسازی مقاطعی در سه راستای X , Y , Z نزدیکی پایه با نتایج آزمایشگاهی احمد (1994) مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که پروفیلهای سرعت در عمقهای مختلف و در راستای X , Y و میدان فشار در پاییندست پایه روند تغییرات قابل قبولی را با توجه به نتایج آزمایشگاه نشان میدهد. همچنین نتیجه شد نرمافزار با در نظر گرفتن زبری کف نتایج بهتری را ارائه میکنند.
باباعلی و همکاران (1387)، توسط نرمافزار Flow3D یک پارشال فلوم به طول یک فوت را که جریان درون آن شامل دو حالت آزاد و مستغرق بود، با استفاده از مدل آشفتگی LES مدل کردند. ایشان دادههای مدل خود را از جدول استاندارد WMM اقتباس کرده و نتایج محاسبه شده را با نتایج این جدول مقایسه نمودند. آنها نشان دادند که Flow3D میتواند به آسانی محاسبات پارشال فلوم را تحت هر دو جریان آزاد و مستغرق انجام دهد. نتایج محاسبه شده به خوبی با دبیهای منتشر شده مطابقت داشته و نیاز به زمان زیاد و استفاده از ابر رایانهها ندارد.
والش و همکاران (2009)، به شبیهسازی آبشستگی موضعی پایهها در جریان جزر و مدی پرداختند. نتایج نشان داد که نتایج مدلسازی عددی با اندازهگیریهای انجام شده تطابق خوبی داشته و همچنین نشان داد که مدل عددی Flow3D ابزاری مناسب در طراحی جریان در اطراف پایهها در شرایط مختلف جریان است.
شکری و همکاران (1389)، به بررسی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف پایه پل دایروی با نرمافزار Flow3D پرداختند. نتایج بررسی عددی با بررسی آزمایشگاهی انجام شده توسط آنگر و هگر (2006) مقایسه شد و با مقایسه نتایج شبیهسازی عددی و اندازهگیریهای آزمایشگاهی الگوی جریان و تغییر شکل بستر، نتیجه شد که مدل Flow3D نتایج قابل قبولی ارائه داده است.
حسینی و عبدی‌پور (1389)، با استفاده از نرم‌افزار Flow3D به مدل‌سازی عددی پروفیل سرعت در جریانهای گل‌آلود پیوسته پرداختند و تأثیر شیب، غلظت و دبی جریان بر آن را مورد مطالعه قرار دادند. برای صحتسنجی نرمافزار در تعیین پارامترهای هیدرولیکی جریانهای گلآلود (پروفیل سرعت)، از یک نمونه آزمایشگاهی استفاده شد و نتایج حاصل از شبیهسازی با اندازهگیریهای آزمایشگاهی مربوطه مقایسه شد. برای مقایسه نتایج از آزمایشات انجام گرفته توسط حسینی و همکاران استفاده گردید. نتایج حاصل از مدل عددی پروفیل سرعت در بدنه با نتایج آزمایشگاهی تطابق نسبتاً خوبی داشت. نتایج مدل عددی مربوط به پروفیل سرعت با برخی از نتایج آزمایشگاهی مطابقت کمتری داشت که بخش عمدهای از خطاها مربوط به عدم امکان مدلسازی جریان در بخش پایینی در مشبندی به علت کمبود حافظه کامپیوتری و بخشی از خطاها نیز به نحوه مدلسازی جریان گلآلود بود.
برتور و بورنهم (2010)، به مدل‌سازی فرسایش رسوب در پاییندست سد با نرم‌افزار Flow3D پرداختند‌. در بررسی ایشان، برای محاسبه هر یک از ضرایب مشخصه رسوب در نرمافزار Flow3D، فرمولی ارائه و برای هر ضریب محدودهای تعیین شد.
کاهه و همکاران (2010)، مدل‌های آشفتگی k-εو RNG k-ε را جهت تخمین پروفیل‌های سرعت در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موج‌دار مورد بررسی و مقایسه قرار دادند. نتایج، توانایی مدل RNG k-ε در تخمین عمق ثانویه، طول پرش و توزیع سرعت را به خوبی نشان داد. ضریب تنش برشی برآورد شده توسط مدل عددی به نتایج بدست آمده از بررسی‌های آزمایشگاهی بسیار نزدیک بوده و به طور متوسط 8 برابر مقدار آن در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح صاف برآورد شد. با توجه به نتایج بدست آمده، مدل آشفتگی RNG k-ε در مقایسه با مدل k-ε در مدلسازی پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موجدار از دقت بالایی برخوردار است.
آخریا و همکاران (2011)، به شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف انواع آبشکنها پرداختند. نتایج مدلسازی نشان داد که از بین مدلهای آشفتگی، مدلهای RNG k-ɛ و k-ɛ به دادههای آزمایشگاهی نزدیکتر بوده ولی مدل آشفتگی RNG k-ɛ بهترین نتایج را برای شبیه‌سازی میدان جریان اطراف آبشکن نشان داد.
الیاسی و همکاران (1390)، با بهرهگیری از نرمافزار Flow3D و با اعمال مدل آشفتگی RNG k-ɛ، الگوی جریان اطراف تک آبشکن مستغرق در کانال مستقیم شیبدار را بدون در نظر گرفتن سطح آزاد شبیهسازی نمودند و به مقایسه نتایج مدل عددی با دادههای آزمایشگاهی پرداختند. نتایج این شبیهسازی بدون در نظر گرفتن سطح آزاد، با دادههای آزمایشگاهی تطابق خوبی را نشان داد. مقایسه پروفیلهای سرعت در مدل عددی و نتایج آزمایشگاهی بیانگر مطابقت این دادهها با هم میباشد.
عباسی چناری و همکاران (1390)، الگوی جریان اطراف آبشکنهای L شکل عمود بر ساحل را توسط نرمافزار Flow3D و با مدل آشفتگی k-ɛ شبیهسازی نمودند. در این بررسی، آبشکن L شکل نفوذناپذیر بوده که به صورت غیرمستغرق در 5 زاویه مختلف از قوس رودخانه قرار داده شده است. نتایج حاکی از آن است که تلاطم جریان، محدوده سرعتهای ماکزیمم و در نهایت بیشترین آبشستگی بستر، در دماغه آبشکن اتفاق میافتد. همچنین با افزایش دبی و عدد فرود جریان، محدوده سرعت ماکزیمم جریان در نزدیکی دماغه آبشکن افزایش مییابد و شکل آن در جهت جریان کشیده میشود. در نهایت نتیجه شد که مدل آشفتگی k-ɛ در شبیهسازی نواحی جریان برگشتی در پاییندست آبشکن و محل ایجاد گردابه و آشفتگی جریان در اطراف آبشکن، دقت خوبی دارد.
قنادان و همکاران (1391)، با نرمافزار Flow3D، به شبیهسازی عددی جریان از روی سرریز جانبی لبهپهن پرداخته و نتایج حاصل از این نرمافزار را با دادههای آزمایشگاهی مقایسه کردند. نتایج نشان داد که از میان مدلهای تلاطمی موجود در نرمافزار، مدل تلاطمی RNG k–ε از دقت بالاتری برای شبیهسازی جریان از سرریز جانبی برخوردار است. همچنین با استفاده از مدل واسنجی شده، اثر تغییر ارتفاع و پهنای تاج سرریز بر دبی عبوری از سرریز مورد بررسی قرار گرفت. بر این اساس نتیجه شد که ارتفاع تاج سرریز جانبی لبهپهن بر مقدار دبی خروجی از سرریز نسبت به پهنای تاج مؤثرتر است.
فصل سوم
مواد و روش‌ها
3-1 مقدمه
در این بخش، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه در بستر صلب و شبیهسازی عددی هیدرولیک آن با نرمافزار Flow3D، توانایی مدل عددی Flow3D در شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی ارزیابی میشود. بنابراین در این بخش، علاوه بر بررسی نحوه انجام آزمایشات، به معرفی مدل Flow3D پرداخته و مراحل مدل‌سازی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز و دریچه با نرمافزار Flow3D بیان میشود.
3-2 نحوه انجام آزمایشاتدر این بخش، به ارائه نحوه انجام آزمایشات هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه پرداخته میشود. در این تحقیق به منظور کالیبراسیون نرمافزار در حالت کف صلب، آزمایشاتی در کانال با طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر انجام شده و عمق جریان در طول کانال قرائت شد. همچنین جهت ارزیابی دقت نرمافزار در حالت کف متحرک از نتایج آزمایشگاهی شهابی(1389) در کانال با طول 12 متر، عرض و ارتفاع 60 سانتیمتر استفاده شده است.
کانال آزمایشگاهی مورد استفاده در کف صلب شامل قسمتهای زیر است (شکل 3-1):
1- مخزن
2- پمپ که شامل بخشهای تأمین برق، الکتروپمپ، شیر تنظیم دبی و مخزن تعیین دبی است.
3- مخزن آرام کننده جریان
4- کانال آزمایشگاهی
5- مدل سازه ترکیبی
شکل زیر نمای کلی مدل فیزیکی را نشان میدهد.

شکل 3-‌1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک
بخشهای اصلی کانال آزمایشگاهی با مقیاس کوچک، به صورت زیر تعریف میشوند:
3-2-1 مخزنبه منظور تأمین آب مورد نیاز جهت انجام آزمایش، از یک مخزن در قسمت پایین فلوم استفاده شده است. به هنگام آزمایش، آب به صورت رفت و برگشتی از مخزن به فلوم و بالعکس در جریان خواهد بود.
3-2-2 پمپجهت پمپاژ و جریان آب در فلوم، از پمپی با ظرفیت دبی 7 لیتر بر ثانیه استفاده شده است که با یک شیرفلکه معمولی، دبی پمپاژ تغییر داده میشود. به منظور قرائت دبی، از یک مخزن دبیسنج استفاده گردیده است.
3-2-3 کانال آزمایشگاهیکانال آزمایشگاهی دارای طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر میباشد. جنس دیواره و کف کانال از پلکسی گلاس بوده تا امکان مشاهده جریان در کانال در حین آزمایش وجود داشته باشد.
3-2-4 مخزن آرامکننده جریاناین مخزن، آشفتگی جریانی که از پمپ سانتریفوژ وارد کانال خواهد شد را گرفته و جریان را به آرامی وارد کانال آزمایشگاهی میکند.

شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز- دریچهسازه ترکیبی سرریز- دریچه مورد استفاده در آزمایشات، در فاصله 2 متری از ابتدای کانال و با ضخامت 3 میلیمتر تعبیه شده که با ابعاد هندسی متفاوت ساخته شده است.

شکل 3-3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریانمشخصات آزمایشات انجام شده در کانال آزمایشگاهی با مقیاس کوچک، در جدول زیر شرح داده شده است:
جدول 3-1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریانپارامتر دفعات تغییر واحد محدوده تغییرات
دبی ورودی (Q) 7 Lit/s 64/2 – 39/1
بازشدگی دریچه (W) 5 Cm 5/1 – 5/0
ارتفاع سازه (T) 5 Cm 5/5 – 5/3
3-3 آنالیز ابعادیاولین گام در شبیهسازی و مدلسازی، شناخت متغیرهای اثرگذار بر پدیده فیزیکی است. تعداد متغیرهای اثرگذار با توجه به پیچیدگی رفتار پدیده موردنظر، میتواند افزایش یابد.
با توجه به اینکه هر کمیت فیزیکی در قالب ابعاد بیان میشود، استفاده از روشی که بتواند با ترکیب متغیرهای اثرگذار، متغیرهای بیبعد را که مفهوم فیزیکی دارند ایجاد کند، میتواند در کاهش تعداد متغیرها بسیار مفید باشد.
آنالیز ابعادی روشی است که در آن با استفاده از مفهوم همگنی ابعاد، متغیرهای اثرگذار بر پدیده فیزیکی مورد نظر در قالب متغیرهای بیبعد بیان میشوند. سپس بر اساس این متغیرها و انجام مطالعات آزمایشگاهی، رابطههای تجربی بدست میآورند.
برای انجام آنالیز ابعادی، روشهای مختلفی ازجمله روش فهرستنویسی، نظریه پیباکینگهام، روش گامبهگام و روش هانسیکر و رایت مایر وجود دارد.
در این تحقیق، روش پیباکینگهام که کاربرد وسیعتری دارد مورد بحث و استفاده قرار گرفت. این روش، یکی از روشهای معروف است که به طور وسیع در آنالیز ابعادی استفاده میشود.
در جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه در حالت جریان آزاد، متغیرهای مؤثر عبارتند از:
1- دبی عبوری از روی سرریز، Qs
2- دبی عبوری از زیر دریچه، Qg
3- عمق بالادست سازه ترکیبی، H1
4- هد آب روی سرریز، Hd
5- طول سازه، T
6- بازشدگی دریچه، W
7- شتاب ثقل (g)، ρ و μ سیال
شکل (3-4) متغیرهای مؤثر در جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه را در حالت جریان آزاد نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب
با انجام آنالیز ابعادی به روش پیباکینگهام رابطه (3-1) بدست میآید. از آنجاییکه جریان آشفته است لذا از اثرات Re (رینولدز) صرف نظر شده و نهایتاً رابطه (3-2) بدست میآید.
430191950165(3- 1)
00(3- 1)
F(Qs , Qg , H1 , Hd , T , W , g , ρ , μ) = 0 → QsQg=f( Fr , Re , H1W , HdT )43584345080(3- 2)
00(3- 2)
QsQg=f( Fr , H1W , HdT )3-4 شبیهسازی عددیبه منظور مطالعه و تحلیل جریان در سازههای مختلف، مدلهای فیزیکی و ریاضی مختلف بکار گرفته میشود. با توجه به توسعه سیستمهای کامپیوتری و محاسباتی و همچنین وجود پیچیدگی‌های غیر قابل اندازه‌گیری در جریان عبوری از یک سازه ترکیبی سرریز - دریچه در مدل‌های آزمایشگاهی، استفاده از شبیهسازی عددی می‌تواند در بررسی هیدرولیکی چنین جریانهایی بسیار مؤثر و قابل توجه باشد.
در سالهای اخیر، بدلیل ابداع روشهای پیشرفته و دقیق حل عددی معادلات و بوجود آمدن رایانههای قوی برای انجام محاسبات، میتوان در طراحی این سازههای پیچیده از روشهای حل عددی نیز بهره گرفت. دینامیک سیالات محاسباتی، از روشهای محاسبه و شبیهسازی میدان جریان سیال میباشد که در قرن اخیر مورد توجه خاص مهندسین و طراحان قرار گرفته است.
استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی حاکی از مزایای زیر است:
1- کاهش در زمان و هزینه در طراحیها
2- توانایی مطالعه سیستمهایی که انجام آزمایشات کنترل شده روی آنها دشوار و یا غیر ممکن است مانند تأسیسات بزرگ
3- توانایی مطالعه سیستمها تحت شرایط تصادفی و بالاتر از حدود معمول آنها
از جمله نرمافزارهای موجود در زمینه CFD میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
CFX, Phonix, Telemac, FIDAP, Flow3D, Fluent
در این تحقیق، به ارزیابی مدل عددی Flow3D جهت شبیهسازی هیدرولیک جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه و همچنین آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی پرداخته می‌شود.
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3Dنرمافزار Flow3D یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد که تولید، توسعه و پشتیبانی آن توسط Flow Science, Inc است و یک مدل مناسب برای حل مسائل پیچیده دینامیک سیالات بوده و قادر است دامنه وسیعی از جریان سیالات را مدل کند. این مدل برای شبیهسازی جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیرماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. نرمافزار Flow3D، برای مسائل یک‌بعدی، دوبعدی و سهبعدی طراحی شده است. در حالت ماندگار، نتایج در زمان بسیار کمی حاصل میشود زیرا برنامه بر روی قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقاء انرژی پایهگذاری شده است تا این موارد برای مراحل مختلف جریان در هر زمینهای بکار برده شوند. این نرمافزار یک شبکه آسان از اجزاء مستطیلی را استفاده میکند.
نرمافزار Flow3D شامل مدلهای فیزیکی مختلف میباشد که عبارتند از: آبهای کمعمق، کاویتاسیون، آشفتگی، آبشستگی، کشش سطحی، پوشش متخلخل ذرات و ... . از این مدلها در زمینه‌های ریختهگری مواد، مهندسی فرآیند، طراحی تزریقهای مرکب، تولیدات مصرفی، هیدرولیک مهندسی محیط زیست، هوافضا، علوم دریایی، نفت، گاز و ... استفاده میشود.
در جدول (3-2)، ویژگیهای نرمافزار به اختصار نمایش داده شده است.
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3Dنام نرمافزار Flow3D
زمینه کاری یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد. این نرمافزار برای کمک به تحقیق در زمینه رفتار دینامیکی مایعات و گازها در موارد کاربردی وسیع طراحی شده است.
قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقاء انرژی
کاربردهای Flow3D در زمینه مهندسی آب پایههای پل- هوادهی در پرش هیدرولیکی- سرریز دایرهای- هوادهی در سرریزها- شکست سد- پارشال فلوم- آبشستگی- جریان بر روی یک پلکان- جریانهای با عمق کم- جریان در کانالهای کنترل پرش هیدرولیکی- موجهای کمارتفاع- دریچههای کشویی- جریان سرریز
سطح آزاد حد فاصل بین گاز و مایع همان سطح آزاد است. در Flow3D سطح آزاد با تکنیک حجم سیال مدل میشود. روش حجم سیال شامل سه جزء است: نمایش موقعیت سطح – شبکهبندی– شرایط مرزی سطح
تکنیک محاسبات Finite Difference - FiniteVolume
سیستمهای مختصات معادلات دیفرانسیلی که باید حل شود در قالب مختصات کارتزین (x,y,z) نوشته میشود. برای مختصات استوانهای (z,Ɵ,r) مختصات x به صورت شعاعی و مختصات y به صورت مختصات زاویهای
ادامه جدول 3- 2مدلهای آشفتگی در Flow3D پنج مدل آشفتگی ارائه شده است: طول اختلاط پرانتل، یک معادله، دو معادله k-ɛ، مدل‌های k-ɛ RNG و مدل شبیهسازی بزرگ
مدلسازی 1-General 2-Physics 3-Fluids 4- Meshing & Geometry
5-Boundaries 6-Initial 7-Output 8-Numerics
General زمان اتمام - تعداد سیالات – حالت جریان (که شامل حالت تراکمپذیر یا تراکمناپذیر است.)
Physics شامل بخشهایی نظیر ویسکوزیته که شامل حالتهای سیال ویسکوز و غیرویسکوز است، شتاب ثقل زمین، که در جهت قائم مختصات برابر 81/9- وارد میشود، کشش سطحی، حفرهزدایی، آبشستگی رسوب و ...
Fluids ویسکوزیته، جرم حجمی، تراکمپذیری، مشخصات گرمایی و آحاد
Meshing & Geometry برای مشخص کردن حدود مشبندی، بلوکهایی تعیین میشود که کلیه اندازه سازههای مورد نظر و فضای آزاد در داخل آن تعریف میشود. میتوان همه جزئیات سازه مورد نظر را در یک بلوک هم در نظر گرفت. سیستم مختصاتی میتواند از نوع کارتزین یا استوانهای باشد.
Boundaries در مختصات کارتزین برای تعریف شرایط مرزی،6 درجه مشخص داریم که با توجه به جهت مثبت x, y, z شامل Xmax ,Xmin, Ymax, Ymin, Zmax, Zmin میباشد.
Initial در این قسمت، با توجه به ویژگیهای مسئله شرایط اولیه اعمال میگردد.
Output در این بخش، ویژگیها و امکاناتی برای داشتن مشخصات خاصی از نتایج ارائه میشود.
Numerics در قسمت گزینههای ضمنی برای تنش ویسکوز، هدایت گرمایی و ... امکان انتخاب بین حل صریح یا ضمنی وجود دارد.
برخی از تواناییهای مدل Flow3D جهت شبیهسازی با نمایش شکل مدل عبارتند از:

شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض


شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازهاین نرمافزار معادلههای حاکم بر حرکت سیال را با استفاده از تقریب احجام محدود حل میکند. محیط جریان به شبکهای با سلولهای مستطیلی ثابت تقسیمبندی میشود که برای هر سلول مقدارهای میانگین کمیتهای وابسته وجود دارد یعنی همه متغیرها در مرکز سلول محاسبه میشوند بجز سرعت که در مرکز وجوه سلول حساب میشود.
در این نرمافزار از دو تکنیک عددی جهت شبیهسازی هندسی استفاده شده است:
1- روش حجم سیال (VOF): این روش برای نشان دادن رفتار سیال در سطح آزاد مورد استفاده قرار میگیرد. این روش بر مبنای تقریبهای سلول دهنده - پذیرنده است که اولین بار توسط Hirt و Nichols در سال 1981 بیان شد.
2- روش کسر مساحت – حجم مانع (FAVOR): از این روش جهت شبیهسازی سطوح و احجام صلب مثل مرزهای هندسی استفاده میشود. هندسه مسئله با محاسبه کسر مساحت وجوه و کسر حجم هر المان برای شبکه که توسط موانعی محصور شدهاند تعریف میشود. همان طور که کسر حجم سیال موجود در هر المان شبکه برای برقراری سطوح سیال مورد استفاده قرار میگرفت، کمیت کسر حجم دیگری برای تعیین سطوح صلب مورد استفاده قرار میگیرد.
فلسفه روش FAVOR بر این مبناست که الگوریتمهای عددی بر مبنای اطلاعاتی شامل فقط یک فشار، یک سرعت، یک دما و ... برای هر حجم کنترل است، که این با استفاده از مقدارهای زیادی از اطلاعات برای تعریف هندسه متناقض است. بنابراین روش FAVOR، المانهای ساده مستطیلی را حفظ میکند، در صورتی که میتواند اشکالی با هندسه پیچیده در حد سازگاری با مقادیر جریان میان‌گیری شده را برای هر المان نشان دهد.
3-4-2 معادلات حاکمدینامیک سیالات محاسباتی، روشی برای شبیهسازی جریان است که در آن معادلات استاندارد جریان از قبیل معادلات ناویر استوکس و معادله پیوستگی قابل حل برای تمام فضای محاسبات می‌باشد. فرم کلی معادله پیوستگی به صورت شکل زیر بیان می‌شود:
416382464733(3-3)
00(3-3)
که درآن VF ضریب حجم آزاد به سمت جریان و مقدار R در معادله فوق، ضریب مربوط به مختصات به صورت کارتزین و یا استوانه‌ای می‌باشد. اولین عبارت در سمت راست معادله پیوستگی مربوط به انتشار تلاطم بوده و به صورت زیر قابل تعریف می باشد:
424413450800(3-4)
00(3-4)
عبارت دوم در سمت راست معادله (3-3) بیانگر منشأ دانسیته است که برای مدلسازی تزریق توده مواد اهمیت دارد:
428985427305(3-5)
00(3-5)
همچنین فرم کلی معادلات حرکت (مومنتم) در حالت سه بعدی به صورت زیر می‌باشد:
4361180396875(3-6)
00(3-6)

که در معادلات فوق Gx , Gy , Gz مربوط به شتاب حجمی می‌باشند. پارامترهای fx ,fy ,fz شتابهای ناشی از جریان‌های لزج بوده و bx , by , bz نیز شامل روابط مربوط به افت در محیطهای متخلخل هستند.
3-4-3 مدلهای آشفتگیاکثر جریانهای موجود در طبیعت به صورت آشفته میباشند. در اعداد رینولدز پایین، جریان آرام بوده ولی در اعداد رینولدز بالا جریان آشفته میشود، به طوری که یک حالت تصادفی از حرکت در جایی که سرعت و فشار بطور پیوسته درون بخشهای مهمی از جریان نسبت به زمان تغییر میکند، گسترش مییابد. این جریانها بوسیله خصوصیاتی که در ادامه ارائه شدهاند شناسایی میگردند:
1- جریانهای آشفته به شدت غیر یکنواخت هستند. در این جریانها اگر تابع سرعت در برابر زمان ترسیم شود، بیشتر شبیه به یک تابع تصادفی خواهد بود.
2- این جریانها معمولاً سهبعدی هستند. پارامتر سرعت میانگین گاهی اوقات ممکن است تنها تابع دو بعد باشد، اما در هر لحظه ممکن است سهبعدی باشد.
3- در این نوع جریانها، گردابهای کوچک بسیار زیادی وجود دارند. شکل کشیده یا عدم تقارن گردابها، یکی از خصوصیات اصلی این جریانها است که این امر با افزایش شدت آشفتگی، افزایش مییابد.
4- آشفتگی، شدت جریانهای چرخشی در جریان را افزایش میدهد که این عمل میتواند باعث اختلاط شود. فرآیند چرخش در سیالاتی رخ میدهد که حداقل، میزان یکی از مشخصههای پایستار آنها متغیر باشد. در عمل، اختلاط بوسیله فرآیند پخش انجام میشود، به این نوع جریانها غالباً جریانهای پخششی نیز میگویند.
5- آشفتگی جریان باعث میشود جریانهایی با مقادیر متفاوت اندازه حرکت با یکدیگر برخورد کنند. گرادیانهای سرعت بر اثر ویسکوزیته سیال کاهش مییابند و این امر باعث کاهش انرژی جنبشی سیال میشود. به بیان دیگر میتوان گفت که اختلاط یک پدیده، مستهلک کننده انرژی است. انرژی تلف شده نیز طی فرآیندی یکطرفه به انرژی داخلی (حرارتی) سیال تبدیل میشود.
تمام مشخصاتی که به آنها اشاره شد برای بررسی یک جریان آشفته مهم هستند. تأثیراتی که توسط آشفتگی ایجاد میشود بسته به نوع کاربری ممکن است ظاهر نشود و به همین دلیل باید این جریانها را با توجه به نوع و کاربری آن مورد بررسی قرار داد. برای بررسی جریانهای آشفته، روش‌های مختلفی وجود دارد که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره خواهد شد.
مدلهای آشفتگی، ویسکوزیته گردابهای (vt) و یا تنش رینولدز (-Uij) را تعیین میکند و فرضیات زیادی برای همه آنها حاکم است که عبارتند از:
معادلات ناویر استوکس میانگینگیری شده زمانی، میتواند بیانگر حرکت متوسط جریان آشفته باشد.
پخش آشفتگی متناسب با گرادیان ویژگیهای آشفتگی است.
گردابهها میتوانند ایزوتروپیک و یا غیر ایزوتروپیک باشند.
همه مقادیر انتقال آشفته توابع موضعی از جریان هستند.
در مدلهای آشفته باید همسازی وجود داشته باشد.
این مدلها میتوانند یک مقیاسی و یا چند مقیاسی باشند.
همه مدلها در نهایت به کالیبراسیون به صورت تجربی نیاز دارند.
بسیاری از مدلهای آشفتگی بر پایه فرضیه بوزینسک استوار هستند. مدلهای آشفتگی به پنج دسته تقسیم میشوند:
1- مدلهای صفرمعادلهای
2- مدلهای تکمعادلهای
3- مدلهای دومعادلهای
4- مدلهای جبری
5- مدلهای شبیهسازی گردابهای بزرگ
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهایدر این مدلها هیچگونه معادله دیفرانسیلی برای کمیتهای آشفتگی ارائه نمیشود. این مدلها نسبتاً ساده بوده و دادههای تجربی و آزمایشگاهی در آنها نقش اساسی دارد و تنشهای آشفتگی در هر جهت متناسب با گرادیان سرعت میباشد. نمونهای از این مدلها عبارتند از:
1- مدل لزجت گردابهای ثابت
2- مدل طول اختلاط پرانتل
3- مدل لایه برش آزاد پرانتل
3-4-3-2 مدلهای یک معادلهایاین مدلها بر خلاف مدلهای صفر معادلهای، از یک معادله برای انتقال کمیت آشفتگی استفاده میکنند. این معادله ارتباط بین مقیاس سرعت نوسانی و کمیت آشفتگی میباشد که جذر انرژی جنبشی آشفتگی به‌عنوان مقیاس سرعت در حرکت آشفته مد نظر میباشد و مقدار آن توسط معادله انتقال محاسبه میگردد.
3-4-3-3 مدلهای دومعادلهایمدلهای دو معادلهای سادهترین مدلها هستند که قادرند نتایج بهتری در جریانهایی که مدل طول اختلاط نمیتواند به صورت تجربی در یک روش ساده مورد استفاده قرار بگیرد، ارائه دهند. به طور مثال جریانهای چرخشی از این نمونهاند. تقسیمبندی این مدلها بر اساس محاسبه تنش رینولدز و یا ویسکوزیته گردابهای به صورت زیر است:
ویسکوزیته گردابهای
جبری
تنش رینولدز غیرخطی
این مدلها، دو معادله دیفرانسیلی را حل میکنند. به معادله k که از قبل بوده، معادله ɛ هم اضافه میشود. معادله انرژی جنبشی، k، بیانکننده مقیاس سرعت است، بدین صورت که اگر قرار باشد سرعتهای نوسانی مورد بررسی قرار بگیرند، میتوان جذر انرژی جنبشی حاصل از آشفتگی در واحد جرم را به عنوان مقیاس در نظر گرفت، معادله نرخ میرایی انرژی جنبشی، ɛ، نیز مقیاس طول است. در حقیقت مقیاس طول، اندازه گردابههای بزرگ دارای انرژی جنبشی را میدهد که باعث انتقال آشفتگی در توده سیال میشود.
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنشنرمافزار Flow3D مدل آشفتگی جدیدتری بر مبنای گروههای نرمال شده رینولدز پیادهسازی کرده است. این دیدگاه شامل روشهای آماری برای استحصال یک معادله متوسطگیری شده برای کمیت‌های آشفتگی است. مدلهای بر پایه RNG k-ɛ از معادلاتی استفاده میکند که شبیه معادلات مدل آشفتگی k-ɛ است اما مقادیر ثابت معادله که به صورت عملی در مدل استاندارد k-ɛ یافت شده‌اند، صریحاً از مدل RNG k-ɛ گرفته شدهاند. از این رو، مدل RNG k-ɛ قابلیت اجرایی گسترده‌تری نسبت به مدل استاندارد k-ɛ دارد. بویژه مدل RNG k-ɛ برای توصیف دقیقتر آشفتگی جریانهای با شدت کمتر و جریانهایی با مناطق دارای برش، قویتر شناخته شده است. در معادله RNG k-ɛ، فرمول تحلیلی برای محاسبه عدد پرانتل آشفته وجود دارد ولی در مدل k-ɛ، از یک مقدار ثابت که استفاده کننده مدل به آن معرفی میکند استفاده میگردد. در مدل RNG k-ɛ، تأثیر گرداب در آشفتگی لحاظ میگردد لذا دقت حل جریانهای چرخشی را بالا میبرد.
نرمافزار Flow3D از پنج مدل آشفتگی طول اختلاط پرانتل، مدل تک معادلهای، دومعادلهای k-ɛ، دومعادلهای RNG k-ɛ و روش گردابهای بزرگ (LES) بهره میبرد.
3-4-4 شبیهسازی عددی مدلدر این تحقیق، شبیهسازی عددی شامل دو قسمت میباشد:
1- قسمت اول مربوط به شبیهسازی هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه است که آزمایشات بکار رفته جهت واسنجی مدل، در کانال با مقیاس کوچک انجام شده است. کانال با مقیاس کوچک دارای طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر بوده که سازه ترکیبی مورد نظر با ضخامت 3 میلیمتر و در فاصله 2 متری از ابتدای کانال تعبیه شده است.
همچنین با استفاده از مدل واسنجی شده با دادههای آزمایشگاهی مربوط به هیدرولیک جریان، مدلهایی مربوط به سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی مدل شده و تأثیر میزان انقباض سرریز- دریچه بر نسبت دبی عبوری از روی سرریز به دبی عبوری از زیر دریچه بررسی شد.
2- قسمت دوم مربوط به شبیهسازی حفره آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه است که برای شبیهسازی عددی آبشستگی، از آزمایشات انجام شده توسط شهابی و همکاران (1389) در کانال با مقیاس بزرگ استفاده شده است. کانال با مقیاس بزرگ دارای طول 12 متر، عرض و ارتفاع 6/0 متر است. کف کانال به ارتفاع 25 سانتیمتر از رسوبات یکنواخت با D50= 1.5 mm و ضریب یکنواختی 18/1 پوشانده شده است. دریچه و سرریز ترکیبی با ضخامت 6 میلیمتر و در فاصله 4/6 متری از ابتدای کانال نصب شده است.
پس از واسنجی نرمافزار، مدل برای شرایط هندسی و هیدرولیکی مختلف اجرا شد و با انتگرال‌گیری پروفیل سرعت بالای سرریز و زیر دریچه، نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (QsQg) محاسبه شد. مشخصات مدلسازیهای انجام شده برای آبشستگی در جدول (3- 3) ارائه داده شده است.
جدول 3-3 محدوده دادههای بهکار رفته جهت شبیهسازی آبشستگیبازشدگی دریچه (cm) ارتفاع سازه (cm) مقادیر دبی (lit/s)
2 ، 1 8 34/11 66/10 98/9 68/8 52/7
2 ، 1 10 1/15 86/13 6/12 33/11 78/9
2 ، 1 12 26/16 14/15 4/14 88/13 3/11
3 ، 4 10 11/20 87/18 52/17 27/16 1/15
مراحل اصلی شبیهسازی عددی در نرمافزار Flow3D عبارتند از:
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدلدر صورتی که هندسه مدل آزمایشگاهی به صورت منظم باشد میتوان شکل آن را در خود نرم‌افزار Flow3D ترسیم نمود اما در صورتی که مدل مورد نظر شکل نامنظم داشته باشد نرمافزار قادر خواهد بود فایلهای ایجاد شده در نرمافزارهایی نظیر اتوکد و همچنین فایلهای توپوگرافی به صورت X, Y, Z را مورد استفاده قرار دهد. در این تحقیق، مدلهای بکار رفته در خود نرمافزار ترسیم شده است.
3-4-4-2 شبکهبندی حل معادلات جریانیکی از مهمترین نکاتی که بایستی در شبیهسازی عددی مورد توجه قرار بگیرد، شبکهبندی مناسب برای حل دقیق معادلات حاکم است. ساختن شبکه مناسب برای میدان حل معادلات، دقت محاسبات، همگرایی و زمان محاسبات را تحت تأثیر قرار میدهد. در کلیه مدلهای عددی صورت گرفته، ابعاد شبکه طوری تعیین شد که پارامترهای کنترل شبکه از قبیل حداکثر نسبت ابعاد شبکه در راستای طولی و عمقی و ضریب نسبت ابعاد شبکه در راستاهای مختلف و در مجاورت یکدیگر مناسب انتخاب شده باشد. برای نتایج دقیق و مؤثر، مقدار هریک از دو پارامتر فوق باید به عدد 1 نزدیک بوده و مقدار نسبت ابعاد شبکه در مجاور یکدیگر از 25/1 و همچنین نسبت ابعاد شبکه در راستاهای مختلف از 3 نباید بیشتر باشد (فلوساینس، 2008).
در بخش شبیهسازی هیدرولیک جریان که در کانال با مقیاس کوچک صورت گرفت، مشبندی شبکه جریان، به صورت سهبعدی و ابعاد شبکه در هر سه بعد یکسان و برابر 5 میلیمتر در نظر گرفته شد. (در صورتی که مشبندی شبکه جریان، یکنواخت صورت گرفت نتایج حاصل از مدل به دادههای آزمایشگاهی نزدیکتر و دقت مدل عددی بیشتر میشد). برای این مدلسازی، زبری کف کانال و بدنه سازه برابر 5/1 میلیمتر انتخاب شد.
مشبندی در مقطع عرضی مشبندی در مقطع طولی

شکل 3-10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک
در بخش شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی که در کانال با مقیاس بزرگ انجام شده است، جهت کاهش زمان تحلیل نرمافزار، شبکه جریان به صورت دوبعدی مشبندی شده و ابعاد شبکه در راستای Z به صورت یکنواخت و برابر 5 میلیمتر و در راستای X به صورت غیر یکنواخت و در نزدیکی سازه مورد نظر، تعداد مش بیشتر و اندازه آنها ریزتر در نظر گرفته شد به طوری که اندازه مش بین 6 تا 20 میلیمتر متغیر است. برای این مدلسازی، زبری کف کانال یکسان با قطر متوسط رسوبات و برابر با 5/1 میلیمتر انتخاب شد.
1501775101346000
شکل 3-11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ
3-4-4-3 شرایط مرزی کاناللایه مرزی ابتدا و انتهای مشها در کانال با مقیاس کوچک بر اساس جدول و شکل زیر تعیین شده است.

شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلبجدول 3-4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزارورودی کانال خروجی کانال دیوارههای کناری کانال کف کانال سقف کانال
دبی ورودی جریان خروجی دیوار دیوار تقارن

لایه مرزی ابتدا و انتهای مشها در کانال با مقیاس بزرگ بر اساس جدول و شکل زیر تعیین شده است.

شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوبجدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزارورودی کانال خروجی کانال دیوارههای کناری کانال کف کانال سقف کانال
فشار ثابت جریان خروجی دیوار دیوار تقارن
برای انتخاب فشار ثابت برای ورودی کانال، ارتفاع سیال در قسمت فشار ثابت برابر عمق ابتدایی جریان در حالت آزمایشگاهی انتخاب شد.
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدلبرای مدلسازی هیدرولیک جریان در بستر صلب، شرایط فیزیکی حاکم بر جریان، به صورت زیر انتخاب شد:
1- مقدار شتاب ثقل در جهت عکس عمق جریان و برابر 81/9- انتخاب شد.
2- چون سیال مورد استفاده در آزمایشات، آب زلال در نظر گرفته شده بود سیال از نوع نیوتنی انتخاب شد.
3- به‌دلیل آشفتگی جریان در آزمایشات، دو مدل آشفتگی k-ɛ و RNG k-ɛ در نرمافزار مورد ارزیابی قرار گرفت.
برای مدلسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی، شرایط فیزیکی حاکم بر جریان به صورت زیر انتخاب شد:
1- مقدار شتاب ثقل در جهت عکس عمق جریان و برابر 81/9- انتخاب شد.
2- چون سیال مورد استفاده در آزمایشات، آب زلال در نظر گرفته شده بود سیال از نوع نیوتنی انتخاب شد.
3- به دلیل آشفتگی جریان، سه مدل آشفتگی k-ɛ ، RNG k-ɛ و LES در نرمافزار مورد ارزیابی قرار گرفت.
4- مشخصات رسوبی که در مدلسازیها جهت کالیبراسیون حداکثر عمق آبشستگی تعریف شد در جدول زیر ارائه داده شده است:
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوبپارامتر مورد نظر مقدارهای انتخاب شده
ضریب دراگ 5/1 2/1 1 5/0
عدد شیلدز بحرانی 15/0 1/0 05/0 035/0
زاویه ایستایی 40 35 30
حداکثر ضریب تراکم مواد بستر 8/0 74/0 7/0 6/0 4/0 38/0
ضریب تعلیق مواد بستر 026/0 018/0 01/0
ضریب بار بستر 16 8
عوامل مؤثر در کالیبراسیون حداکثر عمق آبشستگی در پاییندست سازه، پارامترهای حداکثر ضریب تراکم مواد بستر، عدد شیلدز بحرانی، ضریب دراگ، زاویه ایستایی و همچنین نوع مدل آشفتگی بودند.
3-4-4-5 شرایط اولیه جریانقبل از وارد کردن جریان در مدلسازی عددی، حالت اولیه کانال را انتخاب میکنند که در این تحقیق، قبل از ورود جریان، کانال تا قبل از سازه و تا لبه تاج سرریز از سیال مورد‌نظر در نظر گرفته شد.
3-4-4-6 زمان اجرای مدلنکته دیگری که در شبیهسازیهای عددی بسیار مهم است، زمان اجرای مدل تا رسیدن به یک مقدار مناسب از لحاظ پایداری و ماندگاری جریان است. بنابراین در کلیه آزمایشات شبیهسازی شده، زمان اجرای مدل برای شبیهسازی هیدرولیک جریان بین 30-15 ثانیه و برای شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی بین 5000 - 4000 ثانیه در نظر گرفته شد، که با سپری شدن این مدت زمان، جریان در کانال به صورت یکنواخت میشود.

شکل 3-14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان

—d1730

2-17-1- راکتورهای جریان عمودی جامدات 45
2-17-2- راکتور بیوسل 48
2-17-3- راکتور BAV 48
2-18- راکتورهای جریان افقی و شیب دار جامدات 49
2-18-1- استوانه های چرخان 49
2-18-2- راکتور دانو 52
2-18-3- محفظه های با بستر همزده شده 52
2-18-4- راکتور فیرفیلد 54
2-19- محفظه های با بستر ثابت 55
2-19-1- راکتور پایگرو 55
2-19-2- راکتور تونلی BVA 56
2-20- میکروبیولوژی فرایند 56
2-20-1- الگوی دما – زمان 58
2-21- عوامل موثر بر تخمیر 59
2-21-1- هوادهی 60
2-21-2- میزان هوادهی مورد نیاز و مکانیزم های آن 61
2-21-3- میزان رطوبت 62
2-21-4- کنترل رطوبت 64
2-21-5- نسبت C/N 65
فصل سوم: روشها و لوازم مورد استفاده
فصل سوم: روشها و لوازم مورد استفاده
68
3-1- وسایل مورد نیاز 68
3-1-1- طراحی و ساخت واحد نمونه آزمایشگاهی 68
3-1-2- عملیات انتقال، شناسایی مواد 69
3-1-3- تهیه مخلوط اولیه کمپوست 69
3-2- مطالعات آزمایشگاهی 71
3-3- انتقال لجن تصفیه خانه به آزمایشگاه 71
3-4- بررسی کیفی لجن های تولیدی و زباله 71
3-5- اندازه گیری دما 72
3-6- تعیین ماده آلی و کربن 72
3-6- تعیین نیتروژن 73
3-6- تعیین رطوبت 73
3-9- تعیین pH 74
3-10- تغلیظ لجن 74
3-12- اقدامات پایش و کنترل فرآیند 74
3-12-1- پایش فرآیند 75
3-12-2- کنترل فرآیند 76
فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده ها
فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده ها 78
4-1- آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 78
4-1-1- پایش و کنترل فرآیند در آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 81
4-1-2- نتایج آزمایش مرحله اول کمپوست ترکیبی 82
4-2- آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 85
4-2-1- شرح آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 85
4-2-2- تحلیل آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 89
4-2-3- نتایج آزمایش مرحله دوم کمپوست ترکیبی 90
4-3- معیارهای ارزیابی عملکرد سیستم در تثبیت لجن 90
4-3-1- کنترل فلزات سنگین 90
4-3-2- کنترل پاتوژنها 91
4-3-3- کنترل بو 92
4-3-5- اندازه گیری مواد آلی باقیمانده 93
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها 95
5-1- نتیجه گیری 95
5-2- پیشنهادات 97
منابع و ماخذ 99
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (2-1)- سیکل کربن و نیتروژن در فرایندهای هوازی 17
شکل ( 2-2)- شمایی از فرایند ویندرو 27
شکل (2-3)- ابعاد و اندازه های متداول توده های کمپوست ویندرو 31
شکل (2-4)- نمودار ارتباط کاهش پاتوژنها با زمان و درجه حرارت در روش ویندرو 33
شکل (2-5) -مراحل اصلی فرآیند کمپوست به توده های ثابت هوادهی شده 37
شکل (2-6)- سطح مقطع یک نمونه ثابت هوادهی شده 39
شکل (2-7) -نماهایی از توده های ثابت هوادهی شده 40
شکل (2-8)-درجه حرارت در توده های ثابت هوادهی شده با مواد مختلف 42
شکل (2-9)- راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده 46
شکل (2-10)- راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده 47
شکل (2-11)- انواع راکتورهای کمپوست با استوانه های چرخان 51
شکل (2-12)- راکتورهای افقی کمپوست با بستر همزده شده 53


شکل (3-1)- نمایی از پایلوت ساخته شده 67
شکل (4-1)- نمودار تغییرات ph نسبت به زمان 79
شکل (4-2)- نمودار تغییرات دما نسبت به زمان 79
شکل (4-3)- نمودار تغییرات رطوبت نسبت به زمان 80
شکل (4-4)- نمودار تغییرات نرخ هوادهی نسبت به زمان 80
شکل (4-5)- نمودار تغییراتph نسبت به زمان 84
شکل (4-6)- نمودار تغییرات دما نسبت به زمان 85
شکل (4-7)- نمودار تغییرات رطوبت نسبت به زمان 85
شکل (4-8)- نمودار تغییرات نرخ هوادهی نسبت به زمان 86
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول (1-1)- مقایسه آنالیز زباله در چندین منطقه جهان 8
جدول (1-2)- تعداد و انواع میکروارگانیسم های معمولی گرم کمپوست مرطوب 56
جدول (2-3)- حداکثر رطوبت مورد نیاز جهت کمپوست شدن مواد مختلف 64
جدول (2-4)- نسبت C/N در مواد مختلف 66
جدول (3-1)- آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست 70
جدول (3-2)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست 73
جدول(4-1)- آنالیز لجن (مرحله اول) 75
جدول(4-2)- آنالیز زباله (مرحله اول) 75
جدول(4-3)- آنالیز مخلوط اولیه کمپوست (مرحله اول) 76
جدول(4-4)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست (مرحله اول) 76
جدول(4-5)- نتایج آزمایشات تعیین فاکتورهای شاخص فرآیند کمپوست (مرحله دوم) 82
جدول (4-6)- .مقایسه فلزات سنگین کمپوست مرحله اول و دوم و لجن فاضلاب با استانداردهای کشورهای آلمان، ایتالیا و یونان 87
فصل اول
مـقـدمـــه
1-1- کلیـات
امروزه در اقصی نقاط دنیا شاهد پیشرفت روز افزون ملل مختلف در کلیه زمینه ها، بالاخص اقتصادی می‌باشیم. در هیچ دوره ای جهان چنین دگرگونی سریعی را بر خود ندیده است. از مشخصه های این نظام نوین، تولید بیش از پیش که نتیجه آن مصرف گسترده است، می باشد. این مصرف نتیجه ای جز تولید انبوه مواد ناخواسته یا به عبارت ساده تر، زباله در پی نخواهد داشت. زباله در جوامع شهر نشین، علی الخصوص شهرهای بزرگ که بافت جمعیتی آنها به صورت متمرکز می باشد، به عنوان یک محصول ناخواسته و منفور که در اسرع وقت می بایست آن را از محیط زندگی شخصی دور کرد، تعریف می شود.
امروزه پس از تجارب و آزمایش های طولانی مشخص شده است که ارزشمندترین و مؤثرترین کودها و تقویت کننده ها از انسان بدست می آید. چینی ها قبل از ما این اصل را رعایت می کردند و مدفوعات انسانی را به زمین هایشان بازگشت می دادند[33]. واقعیت اینست که بحرانهای زیست محیطی با وارد کردن خسارات جانی و مالی جبران ناپذیر به انسانها هشدار می دهند که دیگر توان خود پالایی از تن خسته طبیعت بدر آمده است. با این باور مدتهاست که کشورهای پیشرفته به منظور حفاظت از محیط زیست، عملیات تصفیه مواد زائد نظیر فاضلابها را قبل از دفع اجباری نموده اند[32].
تصفیه فاضلابها همواره با تولید دو بخش مجزای پساب و لجن همراه می باشد، از این میان پسابها غالباً کیفیتی مطلوب جهت دفع به محیط دارند در حالیکه لجنها بدلیل آلودگی بسیار زیاد نیاز به تصفیه و تثبیت بیشتر دارند. در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری، تأسیسات تصفیه و تثبیت لجن به مراتب حساستر، تخصصی تر و پر هزینه تر از سایر واحدها می باشند، چنانچه به عنوان مثال حدود 30 درصد از کل هزینه احداث تصفیه خانه گرگان به واحد تثبیت لجن اختصاص یافت. بر این اساس بایستی توجهات خاصی بر بهینه سازی فنی و اقتصادی روشهای تصفیه و تثبیت لجن معطوف گردد[32].
در کشورهای پیشرفته چندین سال است که تحقیقات جهت انتخاب الگوی بهینه تصفیه و تثبیت لجن شروع شده است. اینکار بایستی در کشور ما نیز همگام با گسترش صنعت فاضلاب، مورد عنایت مسئولین و متخصصین قرار گیرد. با توجه به اهمیت دو موضوع مطرح شده یعنی زباله شهری و لجن می توان با ترکیب کردن این دو طی فرایند، کود ترکیبی (co-composting) بدست آورد که مشکل زباله شهری و تصفیه خانه را حل کند .
1-2- ضرورت انجام تحقیق
یکی از روشهای مؤثر در خنثی نمودن اثرات نامطلوب زباله ها و لجن، تبدیل آنها به کود کمپوست و استفاده مجدد از آنها به عنوان کودآلی (گیاهی) در کشاورزی است. در بیشتر کشورهای جهان، اقتصادی بودن این روش نسبت به سایر روش ها به اثبات رسیده است، بخصوص در مناطق کشاورزی و اطراف شهرهای کوچک (به طرق غیر صنعتی)، که حتی پایین بودن هزینه حمل و نقل، فراوانی مواد آلی و نیروی انسانی ارزان، می تواند بسیار اقتصادی باشد[10].
البته ذکر این مطلب ضروری است که کمپوست ترکیبی باید کاملاً در شرایط مناسب و بهداشتی تهیه و مصرف شود، زیرا زباله یک ترکیب نامتجانس است و کلیه اجزاء تشکیل دهنده آن قابلیت کمپوست شدن را ندارند و از طرفی بعضی از مواد متشکله زباله چنانچه با خاک مخلوط شوند، موجب نزول کیفیت آن می گردد و تعدادی از آنها موجب آلودگی خاک شده، از طریق جذب در گیاهان به انسانها و حیوانات انتقال می یابد که این خود موجب زیان های جبران ناپذیری می گردد و همچنین لجن دارای مقدار زیادی فلزات سنگین است که خود موجب نزول کیفیت لجن می گردد[10].
1-3- اهداف تحقیق
کمپوست ترکیبی فرآیندی است که خواه ناخواه با توجه به مشکلات عدیده ناشی از دفع نامناسب زباله‌های شهری ومشکلات لجن در تصفیه خانه ها در آینده ای نزدیک رشد و توسعه خواهد یافت. کمپوست فرآیندی سهل و ممتنع است. ساده به آن جهت که نیاز به دستگاهها و تجهیزات پیچیده الکترونیکی و مکانیکی ندارد و با کمترین امکانات در تمامی مناطق با اقلیم های متفاوت و با هر ظرفیتی قابل اجرا است و ممتنع به آن خاطر که فرآیند یک فرآیند بیولوژیکی است. یعنی با موجودات زنده می بایست سروکار داشت و شرایط مناسب را برای تغذیه و رشد آنها می باید تأمین نمود. از این رو شناخت فاکتورها و عوامل موثر بر حیات، تغذیه ورشد این موجودات بسیار اساسی و مهم می باشد و کوچکترین بی اطلاعی از این امر موجب تولید محصولات ناخواسته در فرآیند کمپوست ترکیبی خواهد شد که موضوع اصلی ما در این رساله می باشد.

1-4- فرضیات تحقیق
1) تأثیر میزان هوادهی بر عملکرد کمپوست ترکیبی
2) تأثیر اندازه ذرات بر عملکرد کمپوست ترکیبی
3) تأثیر عمل زیر و رو کردن بر عملکرد کمپوست ترکیبی
4) تأثیر فصول تابستان و زمستان بر عملکرد کمپوست ترکیبی
فصل دوم
ادبیات موضوع
2-1- شناخت کمپوست ترکیبی
یکی از روشهای مؤثر در خنثی نمودن اثرات نامطلوب زباله ها و لجن، تبدیل آنها به کود کمپوست و استفاده مجدّد از آنها به عنوان کودآلی (گیاهی) در کشاورزی است. در بیشتر کشورهای جهان، اقتصادی بودن این روش نسبت به سایر روش ها به اثبات رسیده است، بخصوص در مناطق کشاورزی و اطراف شهرهای کوچک (به طرق غیر صنعتی)، که حتی پایین بودن هزینه حمل و نقل، فراوانی مواد آلی و نیروی انسانی ارزان، می تواند بسیار اقتصادی باشد]10[.
البته ذکر این مطلب ضروری است که کمپوست ترکیبی باید کاملاً در شرایط مناسب و بهداشتی تهیه و مصرف شود، زیرا زباله یک ترکیب نامتجانس است و کلیه اجزاء تشکیل دهنده آن قابلیت کمپوست شدن را ندارند و از طرفی بعضی از مواد متشکله زباله چنانچه با خاک مخلوط شوند، موجب نزول کیفیت آن می گردد و تعدادی از آنها موجب آلودگی خاک شده، از طریق جذب در گیاهان به انسانها و حیوانات انتقال می یابد که این خود موجب زیان های جبران ناپذیری می گردد و همچنین لجن دارای مقدار زیادی فلزات سنگین است که خود موجب نزول کیفیت لجن می گردد]10.[
از این رو قبل از وارد شدن به بحث اصلی یعنی تبدیل زباله و لجن به کودآلی، شناخت منابع گوناگون تولید کننده زباله و ترکیبات آن ضرورت پیدا می کند.
2-2- اجزا موجود در زباله
به طور اعم ، مواد زائد جامد را می توان به صورت زیر تقسیم نمود :
زباله منازل ( باقیمانده مواد غذایی، کاغذ و کارتن و... )
زباله حجیم خانگی ( کمد، میز و ... )
زباله های معمولی زباله های غیر آلوده بیمارستانی
زباله باغات و گل خانه ها ( برگ، شاخه و ... )
زباله کسبه و ادارات ( مشابه زباله منازل )
مواد زائد جامد
زباله های صنعتی
زباله های ویژه نخاله های ساختمانی
لاستیک های فرسوده
مواد رادیواکتیو
زباله های آلوده بیمارستانی

صرفاً از بخش آلی زباله های معمولی می توان به عنوان مواد اولیه کمپوست، استفاده نمود.
آنالیز زباله یکی از مقدم ترین کارها در انتخاب و ارزیابی روش دفع زباله و حتّی روش جمع آوری، انتقال، جابجایی، بازیافت و دفن بهداشتی می باشد. لذا در هر شهری می بایست آنالیز زباله نخست از لحاظ فیزیکی و سپس از نقطه نظر شیمیایی مشخص گردد .
در مقام مقایسه با سایر کشورهای جهان آنالیز زباله در چند کشور و منطقه دیگر به صورت جدول 1-1 آورده می شود. همچنانکه مشاهده می شود میزان مواد آلی در زباله های خانگی ایران (تهران)، نسبت به سایر مناطق از مقدار بالایی برخوردار است.
جدول (1-1) مقایسه آنالیز زباله در چندین منطقه جهان]37 [.
ترکیبات تهران شمال آفریقا خلیج فارس آلمان هلند انگلستان دمشق
مواد آلی 45/76 70-60 40-35 4/42 5/50 6/30 50
کاغذ، مقوا، کارتن 98/7 20-10 30-25 9/19 8/22 2/31 11
انواع پلاستیک 58/4 2-1 15-10 1/6 8/6 2/5 5
شیشه 95/1 3-2 6-5 6/11 2/7 8/3 3
فلزات 93/0 3-2 5-2 9/3 4/4 3/5 3
استخوان 82/0 منسوجات 37/2 3-2 6-5 5/1 1/2 1/4 4
چوب 42/0 2-1 4-3 3/2 - - -
نخاله های ساختمانی 9/0 - - - - - -
سایر مواد 75/0 10-5 3-2 3/12 2/6 8/19 21
جمع کل 15/97 100 100 100 100 100 100
یکی از عوامل اساسی جهت توجیه پذیر بودن احداث کارخانجات کمپوست، این است که مواد اولیه (زباله) حداقل باید به میزان 50 درصد دارای مواد آلی باشد. خوشبختانه این نسبت در زباله های ایران بسیار بالاتر از این حداقل می باشد]35.[
با بررسی آمار و آنالیز زباله بسیاری از شهرهای ایران مشاهده می شود که مقدار و درصد مواد آلی قابل تجزیه موجود در زباله، در حد بسیار مطلوبی است. لذا طرح ایجاد کارخانجات کمپوست، نسبت به سایر روش ها از ارزش و اهمیت اقتصادی، بهداشتی بالاتری برخوردار است]36.[
2-3- لجنهای فاضلاب شهری
منشأ و مقادیر
منابع اصلی تولید لجن در تصفیه خانه های فاضلاب حوضهای ته نشینی هستند اما واحدهای تغلیظ، تثبیت، آماده سازی و آبگیری لجن نیز در شمار منابع تولید لجن قرار می گیرند]5.[
خصوصیات و ویژگیها
لجنهای تولیدی در تصفیه خانه های فاضلاب شهری در حالتهای مایع و یا نیمه جامد بوده، درصد جامدات موجود در آنها از 25/0 تا 12 درصد بسته به فرآیندهای تصفیه و عملکرد آنها متغیر می باشد.]5[
از میان اجزا جدا شده از فاضلاب در یک تصفیه خانه، لجن بیشترین حجم را به خود اختصاص می دهد که با توجه به تغلیظ آلاینده ها، پاتوژنها و مواد آلی قابل تعفن در آن، فرآیندهای تصفیه پیچیده ای را طلب می نماید.
کمیت لجن تولیدی در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری رابطه ای مستقیم با درصد تصفیه مورد نیاز دارد. هرچه تصفیه فاضلاب از مرحله اولیه به سمت مراحل ثانویه و پیشرفته، تکامل پیدا می کند میزان لجن تولیدی نیز رو به تزاید می گذارد.
طی دهه های اخیر کیفیت لجن های تولیدی در تصفیه خانه فاضلاب شهری به دلیل تولید و مصرف حدود 10000 نوع ترکیب شیمیایی آلی جدید در سال، دچار دگرگونیهای فراوانی گردیده است]6 و7[.
لجنهای فاضلاب شهری با توجه به نوع فرآیند جداسازی آنها به سه دسته لجنهای اولیه (لجنهای نوع اول)، لجنهای بیولوژیکی (لجنهای نوع دوم) و لجنهای شیمیایی (لجنهای نوع سوم) تقسیم می گردند که خصوصیات و ویژگیهای متفاوتی از هم دارند]5.[
2-3-1- لجن اولیه
به موادی که در حوض ته نشینی اولیه رسوب می کنند، لجن اولیه اطلاق می گردد. لجن اولیه خاکستری رنگ و نسبتاً بدبو می باشد. حوض ته نشینی اولیه قادر است به سادگی حدود 50 درصد وزنی مواد جامد قابل ته نشینی را از فاضلاب جدا نماید، به همین دلیل در اکثر تصفیه خانه های فاضلاب از آن استفاده می گردد.
از ویژگیهای برتر لجن اولیه نسبت به لجنهای بیولوژیکی و شیمیایی می توان، تغلیظ ثقلی آسان و نیاز به آماده سازی جزیی جهت آبگیری مکانیکی را مورد اشاره قرار داد.
کمیت و کیفیت لجن اولیه به ماهیت واحدهای مقدماتی، خصوصیات شبکه جمع آوری و ورود فاضلابهای صنعتی به شبکه فاضلاب بستگی دارد]5[.
2-3-2- لجنهای بیولوژیکی
لجنهای بیولوژیکی در طی فرآیندهای تصفیه فاضلاب نظیر لجن فعّال، صافی چکنده و دیسکهای بیولوژیکی چرخان تولید می شوند. کمیت و کیفیت لجن بیولوژیکی تولیدی بسته به سرعت متابولیسم و رشد، نوع میکروارگانیسم های موجود در سیستم، وجود تأسیسات پیشین نظیر حوض ته نشینی اولیه و نیز شیوه راهبردی واحدهای زلال ساز بسیار متفاوت می باشد.
لجنهای بیولوژیکی بسیار مشکلتر از لجنهای اولیه و برخی از لجنهای شیمیایی تغلیظ و آبگیری می‌گردند]5[.
2-3-3- لجنهای شیمیایی
لجنهای شیمیایی، عموماً در جریان استفاده از مواد شیمیایی برای حذف فسفر و یا افزایش درصد حذف جامدات معلّق از پساب خروجی، در تصفیه خانه های فاضلاب تولید می گردند.
افزایش مواد شیمیایی به پساب خروجی از تصفیه ثانویه و عملیات رسوب گیری شیمیایی به صورت مجزا در حوض ته نشینی سوم، در شمار اندکی از تصفیه خانه ها انجام می گیرد. در عوض، افزایش مواد شیمیایی به فاضلاب خام و یا فاضلاب در مرحله تصفیه بیولوژیکی و جداسازی لجنهای شیمیایی همراه با لجنهای اولیه و یا لجنهای بیولوژیکی در بسیاری از تصفیه خانه ها، متداول می باشد.
خصوصیات لجنهای شیمیایی عمدتاً به نوع رسوب دهنده های مورد استفاده و ترکیب جامدات موجود در فاضلاب بستگی دارد]5[.
2-4- ضرورت کنترل و تصفیه لجن فاضلاب شهری
فاضلاب های شهری پس از عبور از واحدهای عملیایی و فرآیندهای متعارف عمدتاً به دو بخش پساب و لجن تفکیک می گردند که هر یک برای راهیابی مجدد به طبیعت بایستی کیفیتی مطابق با استانداردهای زیست محیطی را دارا باشند.
برخلاف پساب های خروجی از تصفیه خانه ها که معمولاً کیفیتی مناسب و مطلوب جهت تخلیه به طبیعت دارند، لجنها که حاصل تغلیظ آلاینده های موجود در فاضلاب هستند به هیچ وجه به صورت خام و تصفیه نشده مجوز ورود به محیط زیست را ندارند]36.[
متخصصین و مهندسین محیط زیست به منظور رهایی از مشکل لجن تولید شده در تصفیه خانه های فاضلاب دو ایده کلی استفاده مجدد و دفع نهایی را پیش رو دارند. دو روش استفاده مجدّد از حجم آب زیاد و خصوصیات کودی لجن پس از تصفیه و بی خطر سازی برای آبیاری، کوددهی و اصلاح بافت خاک استفاده می گردد. در روش دفع نهایی با انجام پیش تصفیه های لازم لجن به عنوان یک ماده دور ریز تلقی گردیده که جهت دفع بایستی کیفیتی مطابق با استانداردهای قابل قبول را داشته باشد.
بر این اساس در صورتی که هر یک از مقاصد استفاده مجدد و یا دفع نهایی لجن مورد توجه قرار گیرد عملیات کنترل و تصفیه لجن همواره بایستی به عنوان یکی از ارکان اساسی تصفیه خانه در نظر گرفته شود]36 [.
2-5- اهداف و مقررات مربوط به استفاده مجدد و دفع لجن
به طور کلی متخصصین محیط زیست امروزه تصفیه لجن را یکی از ارکان اصلی عملیات تصفیه فاضلاب ‌  می دانند. هدف از عملیات تصفیه لجن دستیابی به اهداف کلی تصفیه فاضلاب یعنی، زیباسازی محیط زیست، حذف مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیکی و حذف ارگانیزمهای بیماری زا می باشد. براین اساس قوانین زیست محیطی حاکم بر تصفیه و دفع فاضلابها به طور اعم، تصفیه و دفع لجنها را نیز در بر خواهند گرفت.
در سال 1989 به دنبال تصویب قانون منع تخلیه هرگونه لجن فاضلاب به اقیانوسها، سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) استانداردهای جدیدی برای دفع لجن تصفیه خانه های فاضلاب پیشنهاد کرد]5.[
مقررات پیشنهادی حدود عددی آلاینده ها و روش های کنترل آنها را به منظورهای استفاده از لجن در زمینهای کشاورزی و غیر کشاورزی، توزیع و بازاریابی، دفع سطحی و سوزاندن تعیین نمود.
این استانداردها بیشتر محدودیتهایی را برای برخی از فلزات سنگین و ترکیبات آلی سمّی مورد تأکید قرار دارند.
مقررات و استانداردهای کنترل آلاینده های موجود در فاضلاب و لجن دائماً در معرض تکمیل و تصحیح هستند، از این رو مهندسین فاضلاب بایستی همواره در جریان آخرین استانداردها قرار داشته و آنها را در طراحی تصفیه خانه های جدید و یا بهینه سازی تصفیه خانه های قدیمی به کار بندند]5.[
جهت گیریهای آینده در مورد وضع قوانین کنترل و تصفیه لجن با موضوع کنترل آلاینده های خاص نظیر فلزات سنگین و ترکیبات آلی سمّی از قبیل پی سی بی ها و آفت کشها در مبدأ تأکید خواهد شد. این آلاینده ها تحت تأثیر فرآیندهای بیولوژیکی متداول تجزیه نمی گردند.
2-6- تعریف کمپوست
کمپوست از کلمه لاتین (composites) به معنای مخلوط و یا مرکب اقتباس شده است و به صورت عبارت زیر قابل تعریف می باشد:
- تجزیه مواد آلی نامتجانس که بوسیله میکروارگانیزم های مختلف در حضور رطوبت و گرما، در محیط هوازی صورت گیرد.
- یک فاز بیولوژیکی و تغییر فرم است که توسط میکروارگانیزم های هوازی در داخل توده انجام گرفته و حرارتی حدود 75- 65 درجه سانتیگراد تولید می نماید.
- تجزیه مواد آلی توسط دسته ای از میکروارگانیزم ها در محیط گرم، مرطوب و هوازی است.
- سیستم مهندسی تصفیه ضایعات جامد به روش تجزیه بیولوژیک در شرایط کنترل شده است.
- یک تجزیه بیولوژیکی و پایداری مواد آلی تحت شرایطی که بر اثر افزایش دمای ترموفیلیک که آن نیز خود ناشی از تولید حرارت بیولوژیکی است، به وجود می آید. محصول نهایی به اندازه کافی پایدار بوده و بدون آنکه عوارض زیست محیطی در پی داشته باشد قابل انبار شدن و یا مصرف کردن می باشد]6و7و8.[
2-7- مباحث اساسی تهیه کمپوست
فرآیند تهیه کمپوست در واقع، تجزیه مواد آلی توسط دسته ای از میکروارگانیزم ها در محیط گرم مرطوب و هوازی است.
مقدار قابل توجهی از مواد آلی که روزانه در طبیعت تولید می شود، توسط عملیات میکروبیولوژیکی تجزیه می شود. این عملیات به آرامی بر روی سطح زمین و دمای طبیعی و مخصوصاً در شرایط هوازی امکان پذیر است. فرآیند طبیعی تجزیه مواد با جمع آوری مواد به شکل پُشته که مانع از هدر رفتن حرارت تخمیر می‌شود، انجام می گیرد. بالطبع افزایش دمای مواد باعث بالا رفتن سرعت واکنش می شود. این فرآیند تسریع شده همان فرآیند ساخت کمپوست است]6.[
موادی که جهت کمپوست جمع آوری می شوند، بسیار متنوع بوده و شامل مخلوطی از مواد معدنی و آلی موجود در زباله های شهری، کودهای هموژن گیاهی، باقیمانده محصولات کشاورزی و لجن فاضلاب است. در فرآیند تولید کمپوست، بیشترین مقدار اکسیژن مصرف شده، جهت تبدیل مواد آلی به محصولات پایدارتر مانند هیومیک اسید، دی اکسیدکربن و آب به مصرف می‌رسد. نکته قابل توجه در افزایش محصولات کشاورزی، بالا بردن مقدار مواد مغذی خاک است. یکی از روش های گسترش و بهبود ساختمان خاک و تهیه مواد غذایی استفاده از هوموس است که هوموس نیز محصول نهایی فرآیند ساخت کمپوست است. در کشورهای درحال توسعه، میزان سرعت اکسیداسیون هوموس خاک، بسیار بیشتر از سرعت تشکیل آن است]37 [.
کمپوست، محصول فرآیندی است که در آن واکنشهایی بین مواد آلی، میکروارگانیزم ها، رطوبت و اکسیژن در می گیرد. مواد آلی با انبوهی از میکروارگانیزم های موجود در خاک، آب و هوا مخلوط هستند. زمانی که مقدار رطوبت مواد به حد مطلوب برسد و همچنین مواد به میزان لازم هوادهی شوند، فرآیند میکروبیولوژیکی تسریع می شود. علاوه بر اکسیژن و رطوبت، میکروارگانیزم ها جهت رشد و تکثیر نیازمند منبع کربن (زباله های آلی)، مواد غذایی مانند نیتروژن، فسفر، پتاسیم و مقادیر ناچیزی از بعضی عناصر دیگر نیز هستند. در حمله میکروارگانیزم ها به مواد آلی، علاوه بر اینکه خود آنها تکثیر یافته و رشد می‌کنند، دی اکسید کربن، آب، بعضی از محصولات آلی و انرژی نیز آزاد می شود. مقداری از این انرژی در فرآیند متابولیسم مصرف شده و باقیمانده آن به صورت گرما، آزاد می شود. محصول نهایی یا همان کمپوست از مواد آلی باقیمانده مقاوم، محصولات شکسته شده و میکروارگانیزم های زنده و مرده تشکیل شده است]6و7و38و8.[
2-8- روشهای تئوریک تولید کمپوست
بطور کلی در تهیه کمپوست از زباله و لجن، می توان از دو روش علمی و اصلی زیر بهره جست:
تجزیه هوازی
تجزیه غیر هوازی
در ذیل در حد اختصار اصول علمی روش های فوق آورده می شود.
2-8-1- تجزیه هوازی
فرآیندی که در آن یک ماده آلی در حضور اکسیژن تجزیه شود، فرآیند هوازی نامیده می شود. در تجزیه هوازی، ارگانیسم های زنده ای که اکسیژن را مصرف می کنند، جهت تغذیه خود از مواد آلی استفاده می‌نمایند. بدین ترتیب مقدار زیادی از کربن موجود، به عنوان منبع انرژی برای ارگانیسم ها بکار رفته و در اثر تنفس و سوخته شدن، به دی اکسیدکربن تبدیل می شود. از آنجائی که کربن هم به عنوان منبع انرژی و هم به عنوان یک عنصر در پروتوپلاسم سلول مصرف می شوند، لذا به مقدار خیلی بیشتر از نیتروژن مورد نیاز می باشد]12و6[.
بطور کلی تقریباً QUOTE 23 کربن در اثر تنفس به QUOTE CO2 تبدیل می شود و QUOTE 13 باقیمانده در سلولهای زنده با نیتروژن ترکیب می گردد[12]. اگر مقدار اضافی کربن نسبت به نیتروژن در مواد آلی تجزیه شده از حد مشخصی بیشتر باشد، فعالیت بیولوژیکی کم شده و ممکن است چند سیکل از ارگانیزم ها جهت سوزاندن مقدار بیشتری از کربن لازم باشد. هنگامی که تعدادی از ارگانیزم ها کُشته می شوند، نیتروژن و کربن ذخیره شده در آنها برای سایر ارگانیزم ها قابل دسترس و استفاده خواهد بود. استفاده از نیتروژن موجود در سلولهای مرده توسط ارگانیزم ها، برای تشکیل سلول جدید نیاز به اکسید کردن کربن اضافی به شکل QUOTE CO2 خواهد داشت. به این ترتیب مقدار کربن کاهش یافته و مقدار محدودی از نیتروژن نیز برگشت داده می شود. نهایتاً هنگامی که نسبت کربن به نیتروژن موجود بیش از اندازه پایین باشد، نیتروژن اضافی باعث تولید آمونیاک خواهد شد. تحت شرایط مناسب، ممکن است مقداری از آمونیاک به نیترات اکسیده شود]12.[
فسفر، پتاسیم و انواع مختلف مواد میکرونی خنثی نیز جهت رُشد بیولوژیکی اساسی هستند. این مواد در حالت عادی، بیشتر از مقدار مورد نیاز در موارد قابل کمپوست وجود دارند و از این نظر مشکلی ایجاد نمی‌شود]13[.
شکل (2-12) سیکل کربن و نیتروژن را در فرایند های هوازی مشخص می کند. این فرآیند که در طبیعت بسیار رایج می باشد بیشتر در سطح زمین مثل کف جنگلها اتفاق می افتد. برگ درختان و فضولات حیوانات بر روی کف جنگلها ریخته شده و به تدریج به خاک برگ و کود خاکی نسبتاً پایداری تبدیل می شود]12[.

شکل (2-1)- سیکل کربن و نیتروژن در فرایندهای هوازی]12[.
مقدار زیادی انرژی در اثر تبدیل C به QUOTE CO2 به صورت گرما آزاد خواهد شد. مثلاً اگر یک مولکول گرم از گلوکز تحت شرایط هوازی تبدیل شود، حدود 674-484 کیلوکالری حرارت تولید خواهد شد. اگر ماده آلی مورد تحول به صورت یک توده یا به صورتی باشد که بتوان آنرا عایق بندی کرد، درجه حرارت آن از تجاوز خواهد کرد. با وجود این اگر درجه حرارت از تجاوز کند، فعالیت باکتریها کاهش خواهد یافت و عمل تجزیه آهسته خواهد شد]14و12.[
به علت اینکه، در اثر درجه حرارت بالا، در حین فرآیند تخمیر باکتریهای فتوژن (فعال در برابر نور)، فتوزوا، تخم کرمها و میکروبهای علفهای هرزه که برای کشاورزی و سلامتی انسان مُضر هستند نابود شده اند، لذا استفاده از کود حاصله در مزارع کاملاً بی خطر است]14و12[.
اکسیداسیون هوازی مواد آلی بوی قابل ملاحظه ای ایجاد نمی کند. اگر در محل، بو ایجاد شود نتیجه گرفته می شود که یا فرآیند هوازی نیست و یا موادی در محیط وجود دارند که اکسیداسیون آنها تولید بو می کند. عمل تجزیه شدن یا کمپوست شدن هوازی، اگر اکسیژن به مقدار کافی وجود داشته باشد، می تواند در سیلوهای هاضم، گودالها، و سطح زمین به صورت پشته ای و یا کومه ای صورت گیرد]37 [.
2-8-2- تجزیه غیر هوازی
فاسد شدن مواد آلی، نتیجه تجزیه آنها در شرایط غیر هوازی است. ارگانیسم های زنده غیر هوازی در سوخت و ساز مواد مغذی، ترکیبات آلی را بوسیله یک فرایند احیاء تجزیه می کنند]37 [.
همانند فرآیند هوازی، ارگانیسم ها از نیتروژن ، فسفر و سایر مواد مغذی در رشد و تولید پروتوپلاسم سلول، استفاده و مواد آلی حاوی نیتروژن را به اسیدهای آلی و آمونیاک تبدیل می کنند. اتمهای کربن موجود در ترکیبات آلی که در پروتئین سلولی مورد استفاده قرار نمی گیرند، به صورت متان آزاد شده و بخش کوچکی از کربن ممکن است در اثر تنفس به QUOTE CO2 تبدیل شود]37و12.[
این فرآیند در طبیعت به صورت تجزیه لجن مواد آلی در ته مرداب ها و مواد آلی مدفون شده که به اکسیژن دسترسی ندارند، اتفاق می افتد. گازی که در مرداب ها متصاعد می شود عمدتاً QUOTE CH4 می‌باشد]37و26[.
احیاء شدید (فاسد شدن) مواد آلی معمولاً توأم با ایجاد بوهای نامطبوعی از سولفید هیدروژن و ترکیبات آلی احیاء شده گوگرددار (از قبیل مرکاپتانها) می باشد.
از آنجائی که تجزیه غیر هوازی مواد آلی فرایند احیاء می باشد، بخشی از محصول نهایی (کود کمپوست) هنگامی که در مزارع مورد استفاده قرار می گیرد، در معرض اکسیداسیون هوازی قرار خواهد گرفت. این اکسیداسیون جزئی است و به سرعت صورت می گیرد و در کاربرد مواد مشکل ساز نمی باشد]37 [.
این انهدام، به صورت آهسته انجام می شود و در دوره های 6 ماهه تا یکساله، کاملاً از بین می روند. هنگامی که مواد بطور غیر هوازی به صورت توده های سطحی یا در واحدهای حوضچه ای کمپوست شوند، تصاعد بوها کاملاً شدید می باشد. در شکل فوق سیکل نیتروژن و کربن در عمل تجزیه غیر هوازی نشان داده شده است]37 [.
با توجه به خصوصیات روش های مذکور، طرق صنعتی تهیه کمپوست بر اصل تجزیه هوازی استوار می‌باشند و به این جهت این روش بیشتر از روش تجزیه غیر هوازی بکار گرفته می شود.
2-9- کمپوست ترکیبی
کمپوست در زمانی رخ می دهد که آب ، اکسیژن ، کربن آلی به اندازه کافی برای تحریک رشد میکروبی وجود دارد. هوادهی مناسب ، آبیاری ، قند کافی و سایر اشکال کربن ساده آلی برای تحریک این فرایند مورد نیاز است. بنابراین، در عمل همه مواد بلافاصله مناسب نیستند و باید سایر مواد به این فرایند اضافه شوند که با نام کمپوست ترکیبی نامیده می شوند.
2-10- انواع کمپوست ترکیبی
کمپوست ترکیبی حاصل از فرآیند تخمیر را با توجه به مدت، شرایط آب و هوائی، پیشرفت تجزیه و... می‌توان به شرح ذیل تقسیم بندی نمود:
- کمپوست ترکیبی خام:
منظور زباله های خُردشده و لجنی است که هیچگونه عملیات تخمیر و پاستوریزاسیون بر روی آن صورت نگرفته باشد.
- کمپوست ترکیبی تازه:
منظور کمپوست ترکیبی است که عمل تخمیر در آن شروع شده ولی تجزیه و واکنش های مربوطه کامل نگردیده است.
- کمپوست ترکیبی کامل:
منظور کمپوست ترکیبی است که شرایط مناسب عمل تخمیر در آن ادامه یافته و در نتیجه مقدار بیشتری از مواد آلی تجزیه و نسبت به کمتر از 25 درصد و میزان مواد آلی به حدود 20 درصد و مقدار ناخالصیها به کمتر از 10 الی 15 درصد تقلیل یافته است]14.[
- کمپوست ترکیبی ویژه:
منظور کمپوست ترکیبی است که جهت جبران کمبود تعدادی از عناصر مغذی و مورد نیاز گیاهان، با توجه به استاندارد تعیین شده، با همان عناصر تکمیل گردیده است]5و3و7.[
2-11- خصوصیات کمپوست
اکثر تولید کنندگان، یک کمپوست مرغوب را از روی ظاهر مواد تجزیه شده می شناسند و بطور کلی می توان زمان عمل آمدن (رسیدن) کمپوست را از نظر کمیت و کیفیت توسط یک کنترل کننده تجربی به خوبی تخمین زد.
در تعیین خصوصیات فیزیکی کمپوست باید اندازه ذرات، پیشرفت عمل تخمیر، مقدار درصد مواد غیر مفید از قبیل پلاستیک، شیشه، کاغذ و... متناسب با نوع مصرف بررسی شوند.
کمپوست را بر حسب اندازه ذرات و با توجه به کاربرد مربوطه به صورت ذیل تقسیم بندی می کنند :
کمپوست نرم با قطر ذرات کمتر از 8 میلیمتر
کمپوست متوسط با قطر ذرات بین 20-8 میلیمتر
کمپوست درشت با قطر ذرات بین 45-20 میلیمتر]11[
تأثیر کلی کمپوست، بیشتر مربوط به تغییر فرم آن در خاک است. این تأثیر هنگامی می تواند به حداکثر مقدار خود برسد که میزان مواد آلی موجود در کمپوست حداقل بالغ بر 15 الی 20 درصد از کل مواد باشد. به این ترتیب تجزیه مواد نه فقط بایستی در زمان تهیه کمپوست انجام گیرد، بلکه بیشتر باید در محل مصرف یعنی خاک انجام پذیرد]7 .[
مطالعات محققین نشان داده است که مصرف کمپوست نسبتاً درشت در باغات میوه و تاکستان ها مناسب تر است، ولی در سبزیکاری و صیفی کاری باید کمپوست در زمان تهیه، حداکثر میزان تخمیر و تغییر فرم را یافته باشد، زیرا در غیر اینصورت فعالیت میکروارگانیزم ها موجب افزایش QUOTE Co2 و کمبود اکسیژن خاک گشته، در نتیجه فعالیت ریشه ها محدود می گردد]8[.
وجود موادی از قبیل شیشه، پلاستیک و ... که وجود هر کدام از آنها در کود کمپوست مضراتی به همراه دارد ( خصوصاً پلاستیک که پس از مدتی موجب نفوذ پذیری خاک و تبدیل آن به باتلاق می شود) باید به حداقل ممکن رسانیده شود. در کمپوست نرم این مواد نباید بیش از 6 درصد و در کمپوست متوسط بیش از 12 درصد باشد.]8[
2-12- ویژگیها و موارد مصرف کمپوست
احداث کارخانجات کمپوست و استفاده از محصول آن می تواند تبعات مفیدی را در پی داشته باشد که به عنوان نمونه به موارد ذیل اشاره می شود:
2-12-1- کاهش آلودگی محیط زیست ( آب و هوا )
قبل از این، به این مطلب اشاره شد که در اکثر قریب به اتفاق شهرهای ایران، عملیات دفن زباله و لجن به صورت غیر بهداشتی و با در نظر گرفتن اصول حفاظتی اولیه صورت می گیرد، که اثرات نامطلوب دراز مدت و کوتاه مدتی در پی دارند. حادثه نشت شیرابه های زباله دفن شده در منطقه دفن آبعلی، علاوه بر مرگ و میر تعداد بسیار زیادی از آبزیان رودخانه، منجر به آلوده شدن آبهای زیر زمین منطقه که مصارف آشامیدنی نیز دارند، گردید.
در مورد سایر شهرهای کشور، خصوصاً شهرهای ساحلی، به علت بالا بودن سطح آبهای زیر زمینی، این مشکلات چند برابر می گردد که باید با دید عمیق تری به موضوع نگریسته شود.
مشکل دیگر دفن های غیر بهداشتی و غیر اصولی، از حیث انتفاع خارج کردن زمین به مدت زمان طولانی است. زیرا بسیاری از مواد دفن شده، فسادپذیر نبوده و به همان صورت اولیه خود در زمین باقی می مانند (از جمله مواد پلیمری و...)، از این رو در مناطقی که زمین از ارزش اقتصادی بالائی برخوردار است و یا کمبود زمین وجود دارد، کمپوست می تواند به عنوان یک راه حل مناسب مورد توجه قرار گیرد.
مسئله تغذیه دامها و طیور از زباله های تخلیه شده در محل دفن نیز، یکی دیگر از مشکلات اساسی است که موجب بروز و شیوع بیماریهای عفونی می گردد و سالانه مقادیر زیادی ارز جهت تهیه داروهای مربوطه از کشور خارج می شود]37.[
از جمله مزایای کود کمپوست می توان به موارد زیر اشاره کرد :
2-12-2- جلوگیری از فرسایش خاک
یکی از مشخصات خاک در اکثر نقاط کشور ایران (خصوصاً مناطق مرکزی) عدم پایداری آن است، در این نوع زمینها، قشر رویی خاک، یعنی قشر غنی از مواد آلی، براثر اکسیداسیون تجزیه شده و از بین می رود.
خاک با از دست دادن مواد آلی خود (هوموس)، خاصیت چسبندگی اش را از دست داده و تحت اثر وزش باد، شروع به فرسایش می کند. ذرات ریز خاک توسط باد پراکنده شده و پس از بارندگی به حرکت در می‌آیند و به این ترتیب تمام مواد مغذی محلول در آب شسته شده، از بین می رود. به این پدیده فرسایش گفته می شود]37.[
برای مثال در آفریقا سالانه در هر هکتار، تحت پدیده فرسایش 250 تن مواد از بین می رود. یعنی تا حدود mm15 از لایه رویی خود را از دست می دهند]37.[ یعنی لایه ای که از لحاظ کشاورزی بسیار ارزشمند است. کمپوست ترکیبی است که هوموس خاک را احیاء نموده و از فرسایش بی رویه خاک جلوگیری می‌کند.
2-12-3- قابلیت نگاهداری آب در زمین
یکی دیگر از مشخصه های زمین مزروعی قدرت نگاهداری آب مورد نیاز گیاه در خاک می باشد، خصوصاً خاک های رُسی که در معرض شرایط جوی فصول خشک قرار گیرند. امروزه از ترکیبات مختلفی جهت بهبود این مشخصه استفاده می شود، مثلاً ورمیکولیت، پرلیت و... .
اما از لحاظ اقتصادی مناسب ترین و بهترین ماده در این مورد، کود کمپوست است که علاوه بر توانائی مذکور، ارزش غذائی مناسبی نیز برای خاک دارد.
2-12-4- متخلخل نمودن خاک
کمپوست حجم خلل و فرج خاک ها را افزایش داده و ساختمان آنها را اصلاح می کند. از عوارض ناخواسته کاربرد انواع کودهای شیمیایی، سخت و محکم شدن خاک های کشاورزی است. با کاربرد کود کمپوست این مشکل نیز برطرف می شود. زیرا قسمتی از فعل و انفعالات تخمیر کمپوست در خاک انجام گرفته و با این عمل گاز QUOTE Co2 تولیدی موجب متخلخل شدن خاک می گردد]37.[
2-12-5- سایر موارد کاربرد کمپوست
کمپوست موارد مصرف متنوع و گسترده ای دارد از قبیل :
به عنوان سوبسترا در کشت قارچ
به عنوان عایق اکوستیک
به عنوان ماده بوگیر (بیوفیلتر)
به عنوان بستر حیوانات در دامداریها
به عنوان یکی از مواد اولیه تهیه آجرهای متخلخل و ...]37 [.
2-13- پژوهش های انجام شده
- استلمچوسکی در سال 2003 روی کوکمپوست تحقیقاتی انجام داد که هدف اصلی او نسبت تهیه لجن به زباله بود. البته ایشان از زباله سبز به عنوان زباله استفاده کرده بود]9.[
- زورپس در سال 2000 از مخلوط زباله خانگی و لجن و همچنین زئولیت طبیعی استفاده کرد. آقای زورپس به این نتیجه رسید که اضافه کردن زئولیت ها می تواند مقدار فلزات سنگین را تا حدود زیاد کاهش دهد]6.[
- گیند در هند در سال 2003 مطالعه ای روی کمپوست خاکستر با کاه گندم انجام داد . آقای گیند دریافت که اضافه کردن خاکستر می تواند تا 20% مقدار را کاهش دهد و همچنین فسفر را در حد بالایی نگه می دارد]1[.
- در چین تولید کوکمپوست با پیشرفت اقتصادی همراه بود. یکی از اهداف اصلی دولت چین در حذف زباله استفاده از کوکمپوست بود که حدود 20 % از زباله چین بدین روش تثبیت می شود که البته در این راه از لجن تصفیه خانه هم استفاده می شود که این تحقیق توسط آقای وی در سال 2000 انجام شد]8[.
2-13- روشهای تولید کمپوست
روشهای تولید کمپوست را می توان بر اساس به کارگیری راکتور، مکانیسم جریان، حرکت جامدات، شرایط بستر و روش هوادهی طبقه بندی نمود. یکی از متداولترین شیوه های طبقه بندی فرآیند کمپوست به قرار ذیل است:
1- سیستمهای غیر راکتوری (باز)
بستر جامد همزده شده (ویندرو)
- تهویه طبیعی
- هوادهی تحت فشار
بستر جامدات ثابت
- هوادهی تحت فشار (توده ثابت هوادهی شده)
- تهویه طبیعی (توده بدون هوادهی)
2- سیستمهای راکتوری (بسته)
الف – جریان عمودی جامدات
بستر جامدات همزده شده
- کوره های متعدد یا چند کوره ای
- کوره های چند طبقه
بسترهای پرشده (سیلوراکتورها)
- با جریانهای متقابل هوا و جامدات
- با جریانهای متقاطع هوا و جامدات
ب – جریان افقی و شیب دار جامدات
بستر لغزان جامدات (استوانه های چرخان)
- جریان پراکنده
- سلولهای سری
- اختلاط کامل
بستر جامدات همزده شده ( محفظه های همزده شده یا کانالهای باز )
- دایره ای شکل
- مستطیلی شکل
بستر جامدات ثابت ( تونلی شکل )
- نوع فشاری
- نوع نقاله ای
ج – بدون جریان ( جعبه های کمپوست )]2[.

شکل ( 2-2)-شمایی از فرایند ویندرو]15و38و9[.
2-15- فرآیند ویندرو
فرآیند ویندرو یا فرآیند توده های طویل سطحی در واقع شیوه ای است که در آن مخلوط آماده شده جهت ورود به سیستم در ردیفهای موازی که از قبل برای آنها تهیه شده است قرار گرفته و هرچند وقت یکبار با وسایل مکانیکی مخصوص زیر و رو می گردد. شکل توده کمپوست، ارتفاع و عرض آن کاملاً بستگی به نوع مواد ورودی و نوع دستگاه های مخلوط کننده دارد.
عملیات اکسیژن رسانی به مخلوط عمدتاً از طریق تهویه طبیعی در اثر نیروی شناوری گازهای گرم خروجی از توده صورت می گیرد، در شرایطی که این میزان کم باشد می توان با زیر ورو کردن توده کمپوست نیز آنرا هوادهی نمود. همچنین در برخی موارد برای عملیات اکسیژن رسانی به توده های کمپوست از هواده های تحت فشار مثبت " دمنده " و یا تحت فشار منفی " مکنده " استفاده می گردد. در هوادهی تحت فشار مثبت، دمنده، هوای محیط را با فشار به داخل توده می راند و در هوادهی تحت فشار منفی، مکنده، گازهای موجود در توده کمپوست را با نیروی مکش از توده خارج می نماید.
درصورتی که مواد خام ورودی به سیستم از ویژگیهایی از قبیل درصد جامدات، میزان رطوبت و نسبت مناسبی برخوردار باشد غالباً این فرآیند بیولوژیکی به صورت خودکار عمل می کند. با این وجود به منظور آگاهی از زمان و تعداد مراحل زیر و رو کردن توده ها بایستی پارامترهای درجه حرارت و درصد رطوبت به طور مستمر مورد پایش قرار گیرند.
مراحل زیر و رو کردن، در فرآیند ویندرو از اهمیت خاصی برخوردار است زیرا موجب تنظیم، درجه حرارت، رطوبت، تخلخل، هوادهی و کنترل بو و مگس در توده های کمپوست می گردد.
فرآیند ویندرو به طور موفقیت آمیزی در تولید کمپوست از مواد آلی نظیر فضولات باغی، زباله و لجن فاضلاب به کارگرفته شده و یک فرآیند متداول در امر کمپوست سازی از فضولات باغی و گیاهی به شمار می آید.
تجربه کاربرد فرآیند ویندرو در کمپوست لجنهای هضم شده نشان می دهد که در اغلب موارد ترکیب این لجنها با کمپوست برگشتی شرایط مطلوبی را به دنبال داشته است اما در صورت نیاز می توان از مواد حجیم کننده و اصلاح کننده نیز جهت متناسب سازی بیشتر مخلوط بهره گرفت]15و2.[
2-15-1- تاریخچه کاربرد فرآیند ویندرو
قدیمی ترین فرآیند تولید کمپوست از لجن فاضلاب فرآیند ویندرو می باشد که قدمت بهره گیری آن به سال 1930 در آلمان بر می گردد. در آن زمان لجن آبگیری شده بدون اضافه نمودن عوامل حجیم کننده برای تولید کمپوست به روش ویندرو مورد استفاده قرار گرفت، که با توجه به تخلخل کم لجن و عدم امکان هوادهی مناسب، بوی نامطبوع زیادی در تأسیسات پخش شد و کاربرد فرآیند متوقف گردید]16[.
در سال 1950 آلریچ و اسمیت نتایج تجارب خود را از کمپوست مخلوط لجن فاضلاب هضم شده با ذرات چوب در آستینِ تگزاس با زمان بندی حدود 11 هفته گزارش نمودند، اما اولین کاربرد روش ویندرو به منظور کمپوست لجن هضم شده در مقیاس اجرایی در شهر آستین بسیار دیرتر یعنی درسال 1987 انجام پذیرفت]15و38.[
تجربه بعدی از کمپوست لجن به فردی به نام ریوز در سال 1959 برمی گردد. او از لجن هضم شده شهر الپاسوِ تگزاس که به مدت 4 تا 6 ماه در معرض هوا قرار گرفته و خشک شده بود مخلوطی با خُرده چوب درست کرد و 2 تا 3 ماده آنرا تحت فرآیند ویندرو قرار داد و سپس محصول را 2 تا 3 ماده جهت عمل آوری در توده های ثابت نگهداری نمود.
اولین واحد بزرگ تولید کمپوست لجن، در سال 1972 در لس آنجلس تأسیس شد و کارخود را با روزانه 100 تن کیک لجن هضم و آبگیری شده شروع کرد. در این واحد از کمپوست برگشتی جهت تنظیم رطوبت (تا حد 60 درصد) و پایداری ساختمانی توده ها استفاده گردید. جهت ایجاد تخلخل مناسب در این سیستم از عملیات زیر و رو کردن و اضافه کردن مواد حجیم کننده نظیر خُرده چوب و پوشال برنج بهره گرفته شد و برای بهبود انرژی تولیدی در فرآیند مواد اصلاحی با درصد مواد آلی بیشتر مورد استفاده قرار گرفت. این واحد کار خود را با کیفیت مطلوبی تا سال 1991 ادامه داد و در این سال به دلیل ملاحظات محلی و تولید بو، نقل مکان کرد]15و38.[
درسال 1980 یک واحد کمپوست لجن به روش ویندرو در واحد احیاء فاضلاب متروپلیتن دنور تأسیس گردید. این واحد برای 100 تن مواد ورودی روزانه در 16 ایکر فضای مُسقف با امکانات هوادهی به ظرفیت 165000 فوت مکعب استاندارد در دقیقه، به کار گرفته شد، اما پس از مدت کوتاهی از آغاز بهره برداری با مشکل تولید بو مواجه گردید]38.[
در سال 1991، شرکت کمپوست سازی سن جوکین در لس آنجلس بهره برداری از تأسیسات کمپوست به روش ویندرو را در منطقه ای دور دست در دره سن جوکین شروع کرد. این واحد با ورودی روزانه معادل 100 تن لجن هضم و آبگیری شده (با 20 درصد مواد جامد) و مواد اصلاح کننده ای نظیر کمپوست برگشتی و یا مواد زائد کشاورزی نظیر پوشال برنج به طور موفقیت آمیز بدون ایجاد بوهای مزاحم به کار گرفته شد]38 [.
بررسیها نشان می دهد که در حال حاضر تعداد زیادی از واحدهای تولید کمپوست به روش ویندرو در کشورهای اروپایی و آمریکایی به طور مطلوبی در حال فعالیت می باشند.
2-15-2- راهبری سیستم
شکل توده ویندرو تا حد زیادی به مشخصات مواد ورودی و نوع ماشین آلات مخلوط کُن بستگی دارد اما سطح مقطع ذوزنقه ای متداولترین شکل توده های ویندرو می باشد. شکل(2-2) نمونه هایی از این توده ها را با ابعاد و اندازه های معمول نمایش می دهد. طول توده های ویندرو در تأسیسات دنور 100 متر و در تأسیسات لس آنجلس به حدود 140 متر می رسید. هنگامی که از موادی با تخلخل زیاد استفاده می گردد می توان ارتفاع توده را بیشتر و سطح مقطع آنرا مستطیلی شکل در نظر گرفت]38.[

شکل (2-3)- ابعاد و اندازه های متداول توده های کمپوست ویندرو]38 [.
طبق اظهارات "های" به کارگیری مخلوط کنهای بزرگتر امکان ساخت توده های بزرگتر را فراهم خواهد آورد. افزایش سرعت استوانه های چرخان و کاربرد خُردکن ها در مجموعه، شرایط تولید کمپوستی یکنواخت با ذرات ریز و مناسب را ایجاد می نماید. همچنین کاربرد مواد اصلاح کننده نظیر خُرده چوب و پوشال برنج در توده های بزرگ کمپوست، موجب افزایش درجه حرارت و کاهش تولید بوهای متعفن در سیستم می‌گردد.
در واحد لس آنجلس به منظور تأمین شرایط بهینه درجه حرارت در طی فرآیند تولید کمپوست، با توجه به ماه های گرم و سرد سال از دو ترکیب متفاوت مواد خام ورودی به سیستم استفاده شده است. در این سیستم در طی ماه های گرم سال از مخلوط کیک لجن، کمپوست برگشتی و خرده چوب با نسبتهای حجمی 1 به 8/0 به 4/0 استفاده شده و برای ماه های سرد سال از مخلوط کیک لجن با خرده چوب با نسبتهای حجمی 1 به 2/1 استفاده می گردد]38.[
فرآیند ویندرو با کمپوست برگشتی نمی تواند در مواقع سرد و بارانی درجه حرارت را به مدت 15 روز در حد 55 درجه سانتی گراد نگهداری نماید. بر این اساس "های" طی آخرین تحولاتی که در واحد لس آنجلس به وجود آورد این فرآیند را به دو مرحله توسعه داد. در مرحله اول با ایجاد ویندروهای کوچک به مدت 2 تا 3 هفته شرایط خشک سازی، هوادهی و پاستوریزاسیون اولیه فراهم می شود. در این مرحله، ویندروها 3 تا 4 مرتبه در هفته زیر و رو شده که بدین ترتیب درجه حرارت طی ماه های گرم به 55 درجه سانتی گراد افزایش یافته ولی طی ماه های سرد این افزایش ایجاد نمی گردد]38.[
پس از تکمیل مرحله اول هر دو یا سه ویندرو مجاور هم توسط یک لودر مجتمع شده و یک ویندرو بزرگ را تشکیل می دهند. بسته به درجه حرارت موجود در مرحله اول ممکن است در این مرحله از مواد اصلاحی اضافی نیز استفاده گردد.
در مرحله دوم درجه حرارت توده اغلب تا 65 درجه سانتیگراد افزایش می یابد که این امر موجب نابودی پاتوژنها و کاهش بیشتر رطوبت در توده می شود.
ویندروهای بزرگ در مرحله دوم تولید کمپوست به مدت 3 هفته یا بیشتر نگهداری شده و سه بار در هفته زیر و رو می گردند تا بدین ترتیب شرایط مناسبی از زمان ماند، درجه حرارت و اختلاط به وجود آید]38.[
جهت صرفه جویی در خرید مواد حجیم کننده مورد نیاز نظیر خرده چوب می توان بخشی از آن را به وسیله سَرند کردن کمپوست نهایی جداسازی نمود، اما بهرحال حدود 25 تا 30 درصد از این مواد طی مراحل تولید کمپوست مورد اکسیداسیون بیولوژیکی قرار گرفته و یا به علت عدم جداسازی از مدار خارج می‌گردند]38و15[.
از معایب عمده روش ویندرو در تولید کمپوست لجن فاضلاب شهری می توان زمین مورد نیاز زیاد و عدم امکان بکارگیری لجنهای خام در این فرآیند را برشمرد. طبق اظهار نظر "کولاسیکو" زمین مورد نیاز برای فرآیند ویندرو حداقل 25 درصد بیشتر از روش توده های هوادهی شده می باشد]38و15[.
2-15-3- اثرات زیست محیطی و بهداشتی
در مناطقی که بیماریهای آندمیک شیوع دارند در فاضلاب آن مناطق میکروارگانیزمهای خاص آن بیماریها به وفور یافت می شوند. پاتوژنهای حمل شده توسط فاضلاب در طی فرآیندهای معمول هضم لجن و روشهای خشک کردن غیر فعال نمی شوند و در محیط به مدت طولانی باقی می مانند. نمودار (2-1) رابطه انهدام پاتوژنها با زمان و درجه حرارت برای روش ویندرو را نشان می دهد. مطالعات جامع در مرکز بهسازی لس آنجلس نشان می دهد که کلیفرمهای کل و سالمونلا در 10 روز اول فرآیند کمپوست به روش ویندرو گرفته شده است، کمتر از یک عدد در هر گرم بوده است. اما در نمونه های قسمتهای خارجی توده تعداد آنها بیشتر بوده است. در اکثر نمونه های کمپوست نهایی مقادیر خیلی کمی از ویروسها، تخم پارازیتها و سالمونلاها جمع آوری شده است]21[.

شکل (2-4)- نمودار ارتباط کاهش پاتوژنها با زمان و درجه حرارت در روش ویندرو]37 [.
بازگشت کمپوست تکمیل شده به عنوان عامل حجیم کننده سبب کنترل مؤثر برای لجنهای هضم شده می‌گردد. توقف در زیر و رو کردن مواد می تواند سبب انتشار بوهای ناخوشایند گردد، زیرا توده ویندرو به سرعت تحت شرایط بی هوازی قرار می گیرد. همچنین در طی فواصل بارندگیهای شدید ممکن است مسایل ناشی از بو بروز نماید. در نواحی خشک با وزش باد شدید، می بایست توده ها را نمدار کرده تا از تولید گرد و غبار جلوگیری شود.
سیستم جمع آوری و زهکشی آب در محوطه لازم بوده چون سیلابها آلودگی شدید پیدا کرده و نیاز به تصفیه دارند. کارگرانی که در این مکانها کار می کنند بایستی از مخاطرات ذرات و گرد و غبار حفاظت شوند. سیستم حفاظتی شامل استفاده از ماسکهای تنفسی و آب پاشی کردن توده ها در فواصل خشک و پرباد می‌باشد. مطالعات نشان می دهند که قارچ "آسپروژیلوس فومیگاتوس" به عنوان یک پاتوژن ثانویه در هوای نواحی کمپوست لجن فاضلاب به وفور وجود دارد. بر این اساس افرادی که سابقه ناراحتی ریوی دارند، نباید در مناطق کمپوست سازی به کار گرفته شوند]21[.
2-16- فرآیند توده های ثابت
توده های ثابت هوادهی شده یکی از متداولترین انواع سیستمهای بدون راکتور با توده های ثابت به شمار می آیند. این سیستم کاربرد گسترده ای در تولید کمپوست از لجن خام آبگیری شده در کشورهای اروپایی و آمریکا دارد.
فرآیند توده های ثابت هوادهی شده در واقع برای بر طرف کردن مشکلات فرآیند ویندرو یعنی به منظور کاهش زمین مورد استفاده و نیز قابلیت در کمپوست لجنهای خام، گسترش یافته است.
در این روش مواد خام با عوامل حجیم کننده نظیر قطعات چوب مخلوط شده و در قالب توده های بزرگ شکل گیری می گردند. عوامل حجیم کننده ضمن تأمین ساختاری پایدار برای توده ها، به هوادهی آنها بدون عملیات زیر و رو کردن نیز کمک می نمایند.
سیستم هوادهی در این فرآیند با نیروی دمنده یا مکنده انجام می پذیرد. توده ها به صورت ناپیوسته بارگذاری شده و در طی فرآیند کمپوست زیر و رو نمی شوند.
در برخی از طراحیهای جدید، به منظور جلوگیری از سخت و کُلوخه شدن مواد در توده ها تمهیدات خاصی اتخاذ گردیده است، این سیستم ها که اصطلاحاً سیستم های "نیمه بهم خورده" نام گرفته اند از عملیات بهم خوردگی بسیار خوبی نسبت به سیستم های ویندرو برخوردار می باشند]2.[
فرآیند توده های ثابت هوادهی شده در ایالت متحده آمریکا کاربرد گسترده ای برای کمپوست لجن های خام دارد. هم اکنون تعداد زیادی از این تأسیسات در بخشهایی نظیر "مونتگومری- مریلند، فیلادلفیا- پنسیلوانیا، اسکارتن- پنسیلوانیا، نشویل- تنسی، اوکلند- کالیفرنیا، کلمبوس-اوهایو" مشغول به کار می‌باشند]9.[
2-16-1- تاریخچه کاربرد توده های ثابت هوادهی شده
در سالهای 1972 تا 1973 مرکز تحقیقات کشاورزی دپارتمان کشاورزی بلتسویل واقع در مریلند آمریکا به طور موفقیت آمیزی کاربرد فرآیند ویندرو برای تولید کمپوست از مخلوط لجن هضم شده و خرده چوب را تجربه کرد]1[.
این روش در تولید کمپوست لجن خام از کارایی مطلوبی برخوردار نبوده و با مشکلاتی نظیر تولید بوهای متعفن مواجه گردید. به منظور حل این مسأله در سالهای 1975 تا 1976 مطالعاتی در این واحد انجام گرفت که منجر به ابداع روش جدیدی به نام روش توده ای ثابت هوادهی شده و یا روش "بلتسویل" گردید]1[.
در این تکنیک از مواد حجیم کننده برای ایجاد تخلخل مناسب و از هوادهی تحت فشار استفاده شده است از اینرو این سیستم قابلیت ویژه ای در کمپوست لجن خام دارد. در صورت بهره برداری مناسب، امکان تولید بو در این روش بسیار کم است و آماده سازی لجنهای خام با مواد شیمیایی نظیر آهک در مرحله آبگیری مشکل انتشار بو را به ‌حداقل ممکن می رساند]1.[
کاربرد این روش در تولید کمپوست از لجنهای خام و هضم شده مورد استقبال زیادی قرار گرفته به گونه‌ای که تنها تا سال 1990، درآمریکا 76 واحد از این تأسیسات مورد بهره برداری قرار گرفته است]9[.
2-16-2- تشریح فرآیند
از ویژگیهای فرآیند توده های ثابت می توان به عدم زیر و رو کردن توده‌ها، استفاده از سیستم هوادهی تحت فشار و کاربرد موادی نظیر خُرده چوب به عنوان عوامل حجیم کننده و تنظیم رطوبت اشاره کرد که این موارد در واقع وجوه افتراق اصلی با فرآیند ویندرو به شمار می آیند.
مطابق برآوردهای انجام شده نسبت حجمی مناسب خُرده چوب مورد نیاز به لجن در این فرآیند حدود 2 به 1 تا 3 به 1 به دست آمده است. استفاده از خرده چوب به عنوان حجیم کننده در بسیاری از واحدها رضایتبخش بوده با این وجود از موادی نظیر پوست درخت، پوست بادام زمینی و خرده های لاستیک نیز در صورت تخلخل کافی می توان بهره گیری نمود]9[.
شکل (2-4) مراحل اصلی فرآیند توده های ثابت هوادهی شده را نمایش می دهد. این مراحل را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود :
1- آماده سازی و اختلاط نسبت حجمی مناسب از لجن آبگیری شده با درصد جامدات 20 تا 25 درصد با عوامل حجیم کننده نظیر خرده چوب و رساندن درصد جامدات مخلوط به حدود 40 درصد.
2- استقرار یک لایه 30 سانتیمتری از عوامل حجیم کننده بر روی لوله های دائمی هوادهی و یا لوله های موقت سوراخ دار هوادهی به عنوان لایه زیرین توده کمپوست.
3- استقرار مخلوط لجن و خرده چوب با ارتفاع و شکل مناسب بر روی لایه زیرین یا لایه اساس.
4- پوشش دادن لایه بیرونی توده به وسیله کمپوست نهایی سَرند شده و یا سَرند نشده.
5- اتصال پمپ هوا به شبکه لوله های هوادهی.

شکل (2-5) -مراحل اصلی فرآیند کمپوست به توده های ثابت هوادهی شده]9[.
پس از انجام این عملیات مرحله تند یا پربار یا روشن کردن پمپ هوا شروع می شود. دستگاه پمپ هوا می‌تواند حالت دمنده داشته و هوا را تحت فشار وارد توده ها نماید و یا اینکه به صورت مکنده عمل کرده و گازهای موجود در توده ها را مکش کرده و سبب جایگزینی هوای تازه در داخل توده ها گردد. عملیات هوادهی در این سیستم در قالب سیکلهای هوادهی با خاموش و روشن کردن های متناوب پمپهای هوا انجام می گیرد. فاصله زمانی هر خاموش و روشن کردن پمپ با توجه به شرایط هوازی و درجه حرارت داخل توده تنظیم می گردد.
در سیستمهای مکشی، هوای خروجی از توده های کمپوست قبل از تخلیه به محیط بایستی از بوهای موجود پاکسازی گردد. روش های زیادی جهت حذف بوی هوای خروجی ابداع شده اما متداولترین آنها عبور هوای خروجی از توده های فیلتر می باشد. توده های فیلتر به طور متوسط حاوی 76/0 متر مکعب کمپوست نهایی الک شده به ازای هر 6/3 تن مخلوط لجن و خُرده چوب می باشند.
زمان ماند توده ها جهت تکمیل فرآیند کمپوست در مرحله تند در صورت تأمین شرایط مناسب حدود 21 روز پس از شکل گیری توده ها برآورد شده است.
پس از انجام این مرحله، توده های کمپوست مطابق شکل (2-4) تا تشکیل محصول نهایی یکی از مسیرهای زیر را طی می نمایند:
خشکسازی، غربالگری، عمل آوری، ذخیره سازی و فروش محصول نهایی.
عمل آوری، خشکسازی، غربالگری، ذخیره سازی و فروش محصول نهایی.
درصورتی که درصد جامدات موجود در مخلوط حداقل بین 50 تا 55 درصد باشد امکان بهره گیری مطلوب از سَرندهای ارتعاشی یا چرخشی جهت غربالگری فراهم می باشد. در غیر اینصورت بایستی خشکسازی بیشتر با هوادهی و یا نگهداری توده ها قبل از غربالگری انجام گیرد.
جداسازی و استفاده مجدد مواد حجیم کننده نظیر خُرده چوب به دلیل کاربرد زیاد آنها طی فرآیند کمپوست سازی، موجب کاهش قابل ملاحظه هزینه ها و بهبود خواص کمپوست تولیدی می گردد. در هر صورت همواره مقداری از مواد حجیم کننده در اثر تجزیه بیولوژیکی و یا عبور از سَرندها از دست رفته و بایستی جایگزین گردند.
درصورت استفاده از مکنده با مکش هوا، همواره مقداری شیرابه به لوله های هوادهی وارد شده که بایستی آنها را قبل از ورود به پمپ مکنده از طریق یک سیفون جمع آوری کرده و تصفیه نمود[38].
شکل (2-5) سطح مقطع یک نمونه توده ثابت هوادهی شده را نمایش می دهد[15].

شکل (2-6)- سطح مقطع یک نمونه ثابت هوادهی شده]15[
به منظور کاهش زمین مورد نیاز در فرآیند توده های هوادهی ثابت تغییراتی در روشهای اجرایی این فرآیند داده شده و اشکال جدیدتری از آن به کار گرفته شده است[38]. یکی از این اشکال جدید "توده های هوادهی گسترده" است که در آن توده ها چسبیده بهم ساخته می شوند به طوری که ساخت توده جدید بر قسمت انتهایی توده قبلی صورت می گیرد. یکی دیگر از روشهای جدید "توده های هوادهی مرتفع" نام دارد که در آن توده ها به وسیله جرثقیل تا ارتفاع حدود 6 متری ساخته می شوند. با کاربرد روش توده های گسترده و یا توده های مرتفع ضمن حفظ اساس فرآیند میزان زمین و مواد حجیم کننده مورد نیاز تا حدود 50% کاهش خواهد یافت]15و38 [. شکل (2-6) نماهایی از توده های منفرد و گسترده را نمایش می دهد.

شکل (2-7) -نماهایی از توده های ثابت هوادهی شده]15[.
روش توده های گسترده با اغلب تأسیسات موجود سازگاری دارد اما روش توده های مرتفع در بیشتر اوقات قابل استفاده نمی باشد.
درجه حرارتهایی که در طی فرآیند کمپوست لجن خام و خُرده چوب اندازه گیری شده در شکل (2-7) دیده می شود. مطابق این شکل درجه حرارت در 3 تا 5 روز اول به سرعت افزایش یافته سپس ثابت می‌گردد و پس از گذشت سه هفته شروع به کاهش می نماید. پروفیل درجه حرارت در توده های هوادهی شده ثابت با مواد اولیه ای که از ترکیب مخلوط لجن هضم شده با مواد مختلف درست شده اند در شکل (2-7) مشاهده می گردد.
همانطور که در شکل فوق دیده می شود افزایش درجه حرارت برای هر سه ترکیب به خوبی صورت می‌گیرد، اما در مخلوط لجن و کمپوست، فقدان عوامل حجیم کننده موجب کاهش منافذ عبور هوا شده از این رو اُفت درجه حرارت در این مخلوط نسبت به سایر ترکیبات بسیار مشهودتر است. مطالعات نشان داد که در صورت کاربرد کمپوست رسیده به عنوان عامل حجیم کننده، فرآیند با درجه حرارت کمتر، زمان ماند بیشتر، درصد کاهش رطوبت و مواد آلی کمتر مواجه خواهد شد. پس از طی دوره سه هفته ای مرحله عمل آوری با هدف بهبود کیفیت محصول نهایی انجام می گیرد. معمولاً برای کاهش زمین مورد نیاز، قبل از مرحله عمل آوری کمپوست اولیه را غربالگری می نمایند.
دوره عمل آوری برای مواد غربال شده حدود 30 تا 60 روز به طول می انجامد. عملیات هوادهی در مرحله عمل آوری توده های ثابت نیز مورد اهمیت قرار دارد. خصوصاً هنگامی که از توده های گسترده برای تهیه کمپوست استفاده شده باشد]15.[

شکل (2-8)-درجه حرارت در توده های ثابت هوادهی شده با مواد مختلف]15و37 [.
2-16-3- وضعیت موجود
سیستم توده های هوادهی شده در مقیاس اجرایی در "بلتسویل، بنگور، دورهام، دیترویت، میشیگان، ویندرو و اونتاریو" به طور بسیار مؤثری مورد استفاده واقع شده است. پس از شروع فرآیند، متوسط درجه حرارت در توده های هوادهی به 70 درجه سانتیگراد رسیده و بعد از ایجاد شرایط پایدار، معمولاً حداقل درجه حرارت حدود 55 درجه است.
کاربردی بودن این سیستم برای کمپوست سازی لجن هضم شده امتیازی است که این روش را نسبت به روش ویندرو شاخصتر می نماید. از سایر مزایای این روش نسبت به روش ویندرو می توان به کنترل مؤثر بو، غیر فعال سازی پاتوژنها به میزان بیشتر و استفاده از زمین کمتر اشاره نمود. از مزایای توده های هوادهی شده نسبت به سیستمهای راکتوری می توان به هزینه های سرمایه گذاری و راهبری بسیار ساده تر آن اشاره نمود[38].
امتیازات فوق موجب شده تا توجه بیشتری به توده های هوادهی شده برای کمپوست لجن معطوف گردد. مطالعاتی که در سال 1988 در آمریکا صورت گرفت مؤید این است که از میان سیستمهای کمپوست لجن موجود، توده های هوادهی شده 54 درصد، روش ویندرو 25 درصد، روش ویندرو هوادهی شده 4 درصد و سیستمهای راکتوری 17 درصد را تشکیل می دهند.
طبق مطالعات "کلاسیکو" هزینه عملیاتی گزینه ای که در آن از خُرده چوب به عنوان عامل حجیم کننده استفاده می شود تقریباً مشابه روش ویندرو است]38 [.
2-16-4- چشم اندازهای اخیر
تجریباتی که در دهه 80 به دست آمد تحولات زیادی در اساس فرآیند توده های ثابت "بلتسویل" به وجود آورد. عمده ترین پیشرفتها مربوط به سیستم هوادهی فرآیند بود. در فرآیند اصلی "بلتسویل" از هواده های کم قدرت با سیستم کنترل قطع و وصل تایمری استفاده شده که منجر به بروز فرآیندی بسیار پرحرارت می‌گردید. این صنعت به تدریج به سمت سیستم هوادهی زیاد و تولید فرآیندهای با درجه حرارت کمتر متمایل شد. در سیستم جدید درجه حرارت فرآیند تا حدود بهینه آن کاهش داده شد که مزایایی نظیر سرعت تجزیه بیشتر توده ها و آزادسازی حرارت بیشتر در اثر واکنشهای کمپوست سازی را در پی داشت. در این روش از سیستم کنترل حلقه های حساس حرارتی استفاده می شود بدین ترتیب که با افزایش یا کاهش حرارت موجود در توده، گیرنده های حرارتی فرمان شروع و یا توقف کار هواده ها را داده و موجب تنظیم درجه حرارت در حدود مورد نظر می گردند.
سیستم حلقه های حرارتی مدتهاست که در روش کمپوست راکتوری مورد استفاده قرار می گیرد اما کاربرد آن به تازگی در روشهای ویندرو و توده های ثابت متداول شده است.
حداکثر میزان هوای مورد نیاز مربوط به هفته اول کمپوست سازی بوده و پس از آن به تدریج میزان هوای مورد نیاز در طول فرآیند کاهش می یابد. این نوسانات با سیستم کنترل حلقه های حرارتی به خوبی قابل تنظیم هستند. در صورتیکه در روش "بلتسویل" میزان هوادهی در طول فرآیند ثابت باقی می ماند. بر این اساس کاربرد هواده های بزرگتر با تنظیم درجه حرارت در محدوده بهینه شروع شد]15.[
هنوز بخشهای زیادی بر روی سیستم کمپوست سازی تحت درجه حرارت بهینه وجود دارد. حفظ درجه حرارت بهینه حدود 45 درجه سانتیگراد از یک طرف موجب سلامت و فعالیت مطلوب جمعیت میکروبی موجود در توده کمپوست می گردد و از طرف دیگر شرایط پاستوریزاسیون مطلوب در توده کمپوست را فراهم نمی آورد]15.[
متخصصین در این امور اذعان دارند که فرآیند کمپوست سازی تحت درجه حرارت بالا محدودیتهایی را در سرعت انجام واکنش به وجود می آورد اما بسیاری از مشکلات بهداشتی را بر طرف می نماید. اگر طراحان در طراحی سیستم هوادهی تجهیزات کنترل لازم را تعبیه کنند، بهره برداران می توانند به صلاحدید خود درجه حرارت بهینه را برای اخذ بهترین نتایج تنظیم نمایند.
در مورد لجن فاضلاب شهری بسیاری از بهره برداران درجه حرارتهای بین 55 تا 65 درجه سانتیگراد را به عنوان درجه حرارت اولیه برای اطمینان از پاستوریزاسیون مناسب می دانند و سیستم را برای روزهای اول روی آن تنظیم می نمایند]9و38و15.[ پس از حصول اطمینان از کنترل پاتوژنها، بهره بردار درجه حرارت سیستم را بر روی اعداد پایین ترین تنظیم می نماید.
تجربیات به دست آمده بر روی فرآیندهای با درجه حرارت بهینه موجب شد تا این فرآیند در دهه 80 مورد توجه و قبول مجامع علمی قرار گیرد]38.[
2-17- سیستمهای کمپوست راکتوری
فرآیندهای راکتوری کمپوست سازی بر اساس نوع جریان ورودی جامدات به سیستم به دو دسته راکتورهای با جریان عمودی و راکتورهای با جریان افقی تقسیم می گردند. راکتورهای افقی از یکسری راکتورهایی با شیب ملایم نسبت به افق تشکیل شده اند که بدین ترتیب جریان یافتن جامدات در آنها امکان پذیر خواهد بود]2.[
2-17-1- راکتورهای جریان عمودی جامدات
نحوه جریان جامدات در این راکتورها بصورت عمودی می باشد. در برخی از این راکتورها جامدات هنگام جریان عمودی به سمت پایین بهم زده می شوند که به این راکتورها اصطلاحاً "راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده" اطلاق می شود. این راکتورها می توانند با تغذیه مداوم و یا متناوب بکار گرفته شوند. نمونه ای از این راکتورها در شکل (2-8) نشان داده شده است.

شکل (2-9)- راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدات بهم زده]2[.
در گونه های دیگر راکتورهای عمودی، که به آنها اصطلاحاً "راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده" اطلاق می گردد جامدات ورودی بهم زده نمی شوند این راکتورها نیز می توانند بصورت پیوسته یا ناپیوسته تغذیه و بکار گرفته شوند[2].

شکل (2-10)- راکتورهای جریان عمودی با بستر پرشده]2[.
در راکتورهای جریان عمودی با بستر های پر شده اغلب بصورت زمان بندی جریانی از جامدات از کف به طرف بالا برگشت داده شده و یک بهم زدگی در این حجم ایجاد می گردد. پس از رسیدن این جریان به بستر، بهم خوردگی تا جریان برگشتی بعدی متوقف می گردد. عمق مواد موجود در این راکتورها به 6 تا 9 متر می‌رسد]2و9[.
نمونه های مختلفی از این راکتورها با اشکالی دایره ای و یا مستطیلی و با الگوهای هوادهی متفاوت مورد استفاده قرار گرفته اند.
راکتورهای جریان عمودی با بستر های پرشده کاربرد گسترده‌ای در کمپوست لجن و مواد اصلاح کننده نظیر خاک اره دارد که دلیل عمده آن هزینه نسبتاً پایین در تولید کمپوست به ازای واحد حجم راکتور می‌باشد]9[.
نمونه‌هایی از راکتورهای جریان عمودی متداول در تولید کمپوست از لجن فاضلاب ذیلاً مورد اشاره قرار گرفته است.
2-17-2- راکتور بیوسل
این سیستم از راکتورهای جریان عمودی با بستر جامدت همزده شده است که اولین بار در کشور آلمان بکار گرفته شد. راکتور موجود در این فرآیند بصورت یک برج عمودی می باشد که از 8 تا 10 طبقه بر روی هم تشکیل شده است. کف هر طبقه از جنس آلومینیوم ساخته شده که با چرخش خود مواد موجود را به طبقه بعدی تخلیه می نماید. اکسیژن مورد نیاز بوسیله سیستم هوادهی تحت فشار تأمین می گردد. مواد ورودی به این سیستم را لجنهای آبگیری شده، کمپوست برگشتی و فضولاب باغی یا خاک اره بترتیب با نسبتهای حجمی 2:2:1 تشکیل می دهند.
مخلوط کمپوست در هر طبقه حدود یک متر ارتفاع و 3 روز توقف دارد و زمان ماند کل در راکتور حدود 30 روز می باشد. در شهرهای "رستت" و "ساربرکن" آلمان راکتورهایی از این نوع از سال 1977 مشغول بکار می باشند]9[.
2-17-3- راکتور BAV
سیستم BAV یک راکتور جریان عمودی استوانه ای با بستر پوشیده می باشد. این راکتور قابلیت تولید کمپوست از لجن فاضلاب با کمپوست نهایی و یا سایر مواد حجیم کننده نظیر خاک اره را دارد. در این راکتور همزمان با ورود مواد جدید از قسمت فوقانی، مخلوط کمپوست از قسمت تحتانی خارج می گردد. زمان ماند در این نوع راکتور بین 10 تا 14 روز بوده و در صورت لزوم در این مدت هوای تحت فشار از قسمتهای جانبی راکتور وارد می گردد]2[.
عملیات عمل آوری توده های کمپوست که مرحله اول را طی کرده اند حداقل نیاز به 6 هفته زمان دارد. در حال حاضر بیش از 25 کارخانه از این نوع با ظرفیتی معادل 375 متر مکعب در آلمان مشغول بکار می‌باشند]9[.
2-18- راکتورهای جریان افقی و شیب دار جامدات
راکتورهای جریان افقی جامدات به سه گروه کلی، راکتورهای با بستر لغزان (استوانه های چرخان)، راکتورهای با بستر هم زده شده و راکتورهای با بستر ثابت جامدات تقسیم بندی می گردند. سیستم های مختلفی از این راکتورها برای تولید کمپوست از زباله های شهری، فضولات باغی و لجنهای فاضلاب بکار گرفته شده است]2و9.[
2-18-1- استوانه های چرخان
براساس الگوی جریان جامدات داخل راکتور، استوانه های چرخان به سه گروه، جریان پراکنده، سلولهای سری و اختلاط کامل تقسیم می شوند. در جریانهای پراکنده ورودی و خروجی جامدات از دو انتهای مخالف راکتور صورت می گیرد.
جریان حاکم بر این راکتورها جریان پیستونی است مگر در مقاطعی از بستر که در اثر لغزیدن یک حالت پراکندگی یکنواخت وجود داشته باشد. بسیاری از این استوانه های گردان برای کمپوست سازی زباله مورد استفاده قرار گرفته اند. شکل (2-10- الف) شمایی از این سیستم را نمایش می دهد.
استوانه های چرخان با سلولهای سری به منظور جلوگیری از ایجاد جریان کوتاه در راکتور ابداع شده اند. در این راکتورها استوانه به چند سلول تقسیم شده که بصورت سری پشت سرهم قرار می گیرند. مواد خام ورودی به محض تخلیه سلول اول به آن وارد شده و سپس سلولها را طی کرده و از سلول انتهایی خارج می‌گردند. عملیات اختلاط در هر سلول بطور مجزا به خوبی انجام می پذیرد. در واحد بهسازی لس آنجلس عملکرد راکتورهای ساده را با راکتورهای چند سلولی مقایسه کرده و بنا به دلایل، اختلاط یکنواخت در حین جریان و برخورداری از یک سیستم تغذیه نیمه پیوسته، راکتورهای چند سلولی را ارجحتر تشخیص دادند. در شکل (2-10، ب) شمایی از این راکتور نمایش داده شده است.
در صورتیکه بخواهد از این راکتورها بصورت جریان پیوسته استفاده نمایند بایستی از راکتورهای اختلاط کامل استفاده نمایند. استفاده از الگوی جریان پیوسته در این راکتورها زمان ماند تئوریک سیستم را کاهش داده و عملیات نابودسازی پاتوژنها را با اشکال مواجه می نماید. شکل (2-10، ج) شمایی از این راکتور را نشان می دهد]2و38.[ در حال حاضر استفاده از این راکتورها با توجه به محدودیت نابودسازی پاتوژنها، تقریباً منسوخ شده است.

شکل (2-11)- انواع راکتورهای کمپوست با استوانه های چرخان ]2و9[.
2-18-2- راکتور دانو

—c668

2-11)زمینه های که در تقطیر غشایی کم کار شده 50
2-12)چشم اندازی بر آینده ی تقطیر غشایی 51 فصل سوم :مواد و روشهای انجام آزمایشات 3-1)سیستم آزمایشگاهی 54
3-2)تجهیزات مورد استفاده در فرایند تقطیر غشای خلاء 56
3-3)طراحی آزمایش ها 58
3-4)پارامترهای موثر در فرایند تقطیر غشایی 61
3-5)طراحی آزمایش به وسیله ی نرم افزار MINITAB 63
فصل چهارم :نتایج آزمایشها و بحث 4-1)نتایج حاصل از آزمایش ها 64 4-2)تحلیل آماری نتایج آزمایشگاهی مربوط به شار محصول 66
4-3) بررسی تاثیر هریک از پارامترهای فرایندی به روی شار جریان تراوشی 69
4-4) تحلیل آماری نتایج آزمایشها مربوط به درصد جداسازی(R) اتیلن گلیکول 77
4-5) تحلیل نمودار مربوط به فاکتور جداسازی اتیلن گلیکول 78
4-6)آزمایشها مربوط به تایید نتایج آزمایشهای انجام شده 84
نتیجه‌گیری و پیشنهادات 85
منابع و ماخذ 86
فهرست جدول ها
عنوان شماره صفحه

1-1)مشخصات شیمیایی و فیزیکی اتیلن گلیکول و آب 4
2-1)مشخصات غشاهای تخت تجاری در فرایند تقطیر غشایی 25 2-2)مشخصات غشاهای موئینه و الیاف توخالی در فرایند تقطیر غشایی 26 2-3)شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای تجاری صفحه تخت 27 2-4)شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای تجاری موئینه والیاف توخالی 28 2-5)شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای صفحه تخت مختلف ساخته شده 30 2-6)شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای الیاف توخالی مختلف ساخته شده 31 2-7)انرژی مصرف شده در سیستمهای مختلف تقطیر غشایی 47
2-8)تخمین هزینه ی تولید آب برای سیستمهای مختلف تقطیر غشایی 49
3-1)مشخصات غشاهای مورد استفاده 56
3-2)فاکتورهای قابل کنترل و سطوح انتخابی 68
3-3)ماتریس آرایه ی L9 69
4-1)نتایج بدست آمده برای غشای پلی پروپیلن(PP) 70
4-2)نتایج بدست آمده برای غشای PTFE 71
4-3)نتایج آماری بدست آمده برای شار محصول 72
4-4)نتایج آماری بدست آمده برای فاکتور جداسازی 75
4-5)مقایسه نتایج آزمایش ها تایید کننده با پیش بینی روش تاگوچی 90
فهرست نمودارها
عنوان شماره صفحه

1-1)منحنی انجماد محلول آبی اتیلن گلیکول 7
1-2) فشار بخار محلولهای آبی اتیلن گلیکول در دماهای مختلف 8
2-1)نرخ رشد تحقیقات در زمینه MD به شکل تعداد مقالات سالانه منتشر شده 14
2-2) تعداد مقالات منتشر شده در زمینه ی مطالعات تجربی و مدلسازی روی MD 15


2-3) روند رشد تعداد مقالات منتشر شده در زمینه ی ساخت غشای MD 16
3-1)مراحل انجام آزمایش با استفاده از روش تاگوچی 64
4-1)تغییرات شار با زمان برای غشای PP و PTFE 71
4-2)تاثیر پارامترهای فرایند به روی شار محصول غشای PP و نسبت SN آنها 73
4-3)تاثیر پارامترهای فرایند به روی شار محصول غشای PTFE و نسبت SN
4-4)درصد توزیع سهم هریک از پارامترها روی شار تراوش کننده ی غشا 74
75
4-5)تاثیر پارامترهای فرایند روی فاکتور جداسازی غشاء PP و نسبت SN 77
4-6)تاثیر پارامترهای فرایند روی فاکتور جداسازی غشاء PTFE و نسبت SN 78
4-7)مقایسه تاثیر دما روی فاکتور جداسازی دو غشای PP و PTFE 79
4-8)مقایسه تاثیر فشار روی فاکتور جداسازی دو غشای PP و PTFE 79
4-9)مقایسه تاثیر پارامتر غلظت خوراک روی فاکتور جداسازی دو غشای PP و PTFE 80
4-10) مقایسه تاثیر پارامتر شدت جریان روی فاکتور جداسازی دو غشای PP و PTFE 80
4-11)توزیع سهم هریک از پارامترها روی فاکتور جداسازی غشای PP 81
4-12) توزیع سهم هریک از پارامترها روی فاکتور جداسازی غشای PTFE 81
4-13)مقایسه ی تاثیر پارامتر دما روی شار غشای PP و PTFE و نسبت SN 83
4-14) مقایسه ی تاثیر پارامتر فشار خلاء روی شار غشای PP و PTFE و نسبت SN 85
4-15) مقایسه ی تاثیر پارامتر شدت جریان روی شار غشای PP و PTFE و نسبت SN 87
4-16) مقایسه ی تاثیر پارامتر غلظت خوراک روی شار غشای PP و PTFE و نسبت SN 89
فهرست شکل‌ها
عنوان شماره صفحه

2-1)گونه های مختلف فرایند جداسازی تقطیر غشایی 17 2-2)تصویر SEM از سطح بالایی(a) و سطح مقطع (b) غشاهای صفحه تخت 32 2-3)مکانیزم های مختلف انتقال در مدل Dudty Gas 38 2-4)انتقال گرما در فرایند تقطیر غشایی 41 2-5)شماتیک فرایند عملیاتی MD همراه با بازیابی گرما به وسیله ی مبدل حرارتی 46 3-1)شماتیک فرایند تقطیر غشایی خلاء 55
چکیده:
در این پایان نامه امکان استفاده از تقطیر غشایی خلاء برای تغلیظ اتیلن گلیکول به عنوان یک مایع خنک کننده با ارزش بررسی شده است. آزمایشهای تقطیر غشایی با یک مخلوط آب - اتیلن گلیکول و با استفاده از یک سلول جریان مماسی و غشاهای مختلف و در شرایط عملیاتی متفاوت انجام شد. این فرایند با 2 غشای صفحه تخت آبگریز میکرو متخلخل PP و PTFE و با استفاده از پمپ خلاء و کندانسور برای بازیابی و جمع آوری بخار آب ، صورت پذیرفت. اثر پارامترهای عملیاتی گوناگون روی بازده تغلیظ اتیلن گلیکول مورد مطالعه قرار گرفت. 4 پارامتر در 3 سطح انتخاب شدند که عبارتند از : دما(40 ،50 و 60 ℃)، فشار پایین دست(خلاء)(30 ،70 و 100 mbar)، دبی جریان(60 ،90 و 120 lit/h)، غلظت(30، 40 و50 wt%). روش تاگوچی به منظور حداقل کردن تعداد آزمایشها استفاده شد. نتایج نشان می دهد که افزایش دما و کاهش فشار خلاء شار پرمیت را بهبود می بخشد. شار پرمیت به شدت از دمای خوراک ورودی اثر می پذیرد. در شرایط دما 60 ℃ و فشار خلاء 30 mbar و غلظت 30 wt% و دبی خوراک 60 l/h، شار تولیدی پرمیت به حداکثر مقدار خود می رسد.

مقدمه :
امروزه قوانین محیط زیستی محدودیت های زیادی را برای صنایع به وجود آورده است تا آنجا که عمده ی هزینه ها در طراحی های جدید کارخانجات، در نظر گرفتن اینگونه قوانین و ایجاد صنعت پاک و بدون آلاینده می باشد. لذا در دهه های اخیر به شدت به روی تصفیه پسابها و ضایعات حاصل از صنایع تاکید شده است. به جهت تنوع محصولات حاصل از نفت و صنایع مرتبط، محدوده وسیعی از پسابها و ضایعات با درصد آلایندگی گوناگون تولید می شوند و از طرفی از آنجا که نفت و گاز جزء منابع تجدید ناپذیر به حساب می آیند لذا کوشش در مصرف بهینه و صحیح این منابع در اکثر کشورها به شدت مورد توجه قرار گرفته است. یکی از راههای ذخیره کردن و استفاده صحیح ، بازیابی و تصفیه پسابهای صنایع می باشد. امروزه تکنولوژی بازیافت و تصفیه پسابها هم بعلت کمک به کاهش آلودگی محیط زیستی و هم حفظ منابع ملی به سرعت رو به رشد می باشد و روش های جدید و پربازده ی در این زمینه ابداع شده است. متاسفانه در کشورهایی که دارای منابع نفت و گاز هستند به این موضوع توجه خاصی نمی گردد و فقط این مسائل مورد توجه مجامع علمی و دانشگاهی قرار گرفته است.
اتیلن گلیکول یکی از محصولات با ارزش می باشد، کاربرد وسیع این ماده به خصوص در تهیه ضدیخ و سیستمهای خنک کننده آنرا جزء مهمترین محصولات صنایع پتروشیمی قرار داده است. به تبع کاربرد فراوان آن در صنعت ، ضایعات حاوی اتیلن گلیکول که همراه با مقدار زیادی آب می باشند نیز به وفور وجود دارد. میزان قابل توجهی از این پسابها سالانه تولید می شود، لذا بازیابی این ماده و جدا کردن آب از آن می تواند بسیار سودمند و مفید باشد.
از طرفی در واکنش تولید اتیلن گلیکول مقدار زیادی آب به منظور افزایش تولید محصول اصلی اتیلن گلیکول و کاهش تولید محصولات جانبی به واکنش اضافه می شود. هنگامیکه نسبت مولی آب به اکسید اتیلن 1:22 باشد، بیشترین مقدار اتیلن گلیکول و مقدار زیادی آب تولید می شود. بنابراین محصول حاوی مقدار زیادی آب می باشد که بایستی از طریق جداسازی ، خالص سازی و تغلیظ شود.
در این خصوص سعی شده در ابتدا توضیحاتی در مورد خواص و کاربردهای این ماده و سپس به روش هایی که تاکنون برای بازیابی و تغلیظ آن به کار رفته است پرداخته شود.سرانجام،هدف این پروژه مطالعه آزمایشگاهی جداسازی و تغلیظ کامل(تقریبا 99%) اتیلن گلیکول از محلول آبی آن توسط تکنولوژی و فرایند تقطیر غشایی می باشد.

فصل اول
اتیلن گلیکول ،کاربردها و روشهای تصفیه
1-1)مقدمه :
اتیلن گلیکول (مونو اتیلن گلیکول1) با نام آیوپاک اتان 1و2 – دیول یک الکل با دو گروه عاملی می باشد.اتیلن گلیکول ماده ی شیمیایی است که به سبب پایین بودن نقطه انجماد و بالا بودن نقطه جوش به طور گسترده در خنک کننده ها و به عنوان ضدیخ و ضد جوش در وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد.در حالت خالص، مایعی بی رنگ، لزج ،با مزه ی شیرین می باشد.جرم ملکولی 62.068 ،چگالی 1.1132 g/cm3 ،نقطه جوش 197.5 ℃و دارای فراریت کمی می باشد.فشار بخار آن در 25 ℃در حدود 12.25 Pa می باشد.اتیلن گلیکول سالهاست به دلیل صدماتی که به سیستم عصبی و کلیه ها می رساند در زمره مواد سمی شناخته شده است.
این ماده برای اولین بار در سال 1859 به وسیله شیمیدان فرانسوی چارلز ورتز2 تهیه شد و در میزان کم در زمان جنگ جهانی اول به عنوان سیال خنک کننده و بخشی از آن در تولید مواد منفجره مورد استفاده قرار گرفت.تولید انبوه صنعتی این ماده در سال 1927 وقتی که ماده ی اولیه آن یعنی اکسید اتیلن به راحتی و ارزان در دسترس سازندگان قرار گرفت،آغاز شد.این ماده وقتی برای اولین بار معرفی شد انقلابی هرچند کوچک در صنعت هواپیمایی خلق کرد هنگامیکه به جای آب به عنوان خنک کننده در رادیاتور ها استفاده شد،این ماده به دلیل بالا بودن نقطه جوش خود این امکان را فراهم کرد که رادیاتورهای کوچکتر در حرارتهای بالاتر هم کار کنند.قبل از تولید این ماده اکثر سازندگان هواپیماها از سیستمهای خنک کننده تبخیری که از آب با فشار بالا استفاده می کردند ،بهره می جستند بطوریکه این سیستمها غیر قابل اعتماد و در عملیات جنگی به آسانی آسیب پذیر بودند چرا که این سیستم فضای زیادی را در اتاق هواپیما اشغال می کرد و به راحتی می توانست مورد اصابت گلوله قرار گیرد.[1]

1-Mono Ethylene Glycol(MEG)
2-Charles Wurts

جدول1: مشخصات شیمیایی و فیزیکی اتیلن گلیکول و آب

1-2) روش تولید :
هیدرولیز اکسید اتیلن متداولترین روش تولید EG می باشد.اکسید اتیلن با آب طبق معادله زیر واکنش می دهد :
C2H4O + H2O HOCH2CH2OH
این واکنش به وسیله کاتالیزور اسید یا باز تسریع می شود و یا در pH خنثی با افزایش دما انجام می گردد. جریان خوراک حاوی اکسید اتیلن (حاصل از اکسیداسیون مستقیم اتیلن) و آب می باشد. مخلوط تحت فشار و در دمای 100 ℃ که در انتهای واکنش به 170℃ می رسد به داخل راکتور فرستاده می شود. مقداری از دی و تری اتیلن گلیکول به وسیله واکنش اتیلن گلیکول و اکسید اتیلن اضافی تولید می شوند. در این واکنش آب اضافی به اکسید اتیلن به منظور افزایش مقدار اتیلن گلیکول در محصولات و کاهش دی اتیلن گلیکول و تری اتیلن گلیکول افزوده می شود. هنگامیکه نسبت مولی آب به اکسید اتیلن 22 به 1 باشد ، بیشترین مقدار اتیلن گلیکول و 68% وزنی آب تولید می شود.بنابراین محصول حاوی مقدار زیادی آب می باشد که بایستی جدا گردد. محلول گلیکول خام در چند تبخیرکننده تغلیظ می شود و جداسازی نهایی به وسیله تقطیر انجام می شود.[1]
1-3)کاربردهای اتیلن گلیکول:
1-3-1)ضدیخ و خنک کننده
بیشترین کاربرد اتیلن گلیکول در تولید مایع ضدیخ1 و خنک کننده2 است. محصولات بر پایه گلیکول به مدت چندین سال برای کاهش دمای یخ زدن و افزایش نقطه جوش خنک کننده موتور مورد استفاده قرار می گیرند. مواد افزودنی به گلیکول ، مانع خوردگی در سیستم خنک کننده می شوند. امروزه عمده ی ضد یخها بر مبنای اتیلن گلیکول می باشند اما محصولات پروپیلن گلیکول3(PG) نیز در حال رشد می باشند. محصولات EG ارزانتر از PG بوده و در مقابل سمیت محصولات EG بیشتر از PG می باشد. اما هنوز EG جزء اصلی همه ی ضدیخها می باشد.
بدون توجه به نوع گلیکول مصرفی ، خنک کننده موتور چهار کار مهم را انجام می دهد. این موارد انتقال حرارت ، کاهش دمای یخ زدن ، افزایش دمای جوش و بالاخره جلوگیری از خوردگی می باشد. آب گرما را به خوبی هدایت می کند اما گلیکولها هدایت خوبی ندارند در نتیجه وقتی که غلظت گلیکول افزایش می یابد ضریب انتقال حرارت مخلوط کاهش می یابد. به منظور بهینه کردن انتقال حرارت ، موتورهای پیشرفته امروزی طوری طراحی می شوند که با مخلوطی در محدوده 40 به 60 تا 60 به 40 حجمی از آب و اتیلن گلیکول کار کنند. کیفیت آب مورد استفاده در ساخت خنک کننده به منظور اطمینان از کارکرد طولانی سیستم خنک کننده و موتور آب مقطر و یا آب دی یونیزه شده پیشنهاد می گردد.
1-3-2)سیال یخ زدای هواپیما4
اتیلن گلیکول به عنوان سیال یخ زدای هواپیما در فصول سرد به داخل موتور و بالها و بدنه هواپیما پاشیده می شود. این سیال به طور متداول حاوی 10 الی 50 درصد EG (مونو اتیلن گلیکول)، مواد فعال کننده سطحی و دیگر افزودنیها شیمیایی می باشد. البته حجم زیادی از پسابهای این ماده مشکل زیادی را برای فرودگاهها ایجاد می کند.

1.Antifreeze liquid 3.Propylene Glycol
2.Coolant 4.Airplan Deicing Fluid

1-3-3)پرداخت فلزات1
عملیات پرداخت فلزات در مقیاس بزرگ مانند ساختن هواپیما به عمل خنک کاری بخشهای گرم فلز به وسیله این سیال انجام می شود. سیالات خنک کننده اکثرا حاوی تقریبا 50% پلی اتیلن گلیکول،پلی آلکیل گلیکول یا اکسی پلی گلیکولها به همراه مقادیری از مواد مانع خوردگی در حدود چند ppm می باشند.
1-3-4)سایر کاربردهای اتیلن گلیکول
اتیلن گلیکول در صنعت پلاستیک برای تولید الیاف پلی استر،رزین ها و همچنین پلی اتیلن ترفتالات ، که برای ساخت بطری های پلاستیکی نوشیدنی های غیر الکلی استفاده می شود.
بالا بودن نقطه جوش اتیلن گلیکول و تمایل ترکیب با آب ، آن را یک خشک کن ایده آل برای بهره برداری از گاز طبیعی می سازد. در این مورد معمولا بخار آب اضافی با جذب توسط گلیکول2 برداشته می شود. اتیلن گلیکول از بالا به پایین برج جاری شده و با مخلوط بخار آب و گاز هیدروکربن که از کف چاه بالا می آیند برخورد می کند گلیکول به طور شیمیایی بخار آب را جذب کرده و اجازه می دهد که گاز خشک شده از بالای برج خارج شود سپس گلیکول و آب از یکدیگر جدا شده و گلیکول مجددا به برج برگشت داده می شود. بعلاوه مقدار تزریق مونو اتیلن گلیکول برای جلوگیری از تشکیل هیدرات ها بسیار پایین تر از مصرف دی اتیلن گلیکول در سیکل جذب آب از گاز است[2].
1-4)خطرات صنعتی
اتیلن گلیکول در دمای 230 تا 250 ℉(110-121℃) می تواند شروع به شکستن کند. بایستی توجه کرد که شکستن می تواند وقتی که دمای کل سیستم زیر این حد است هم اتفاق بیافتد ، زیرا درجه حرارت سطحی در مبدل های حرارتی و دیگ بخار می تواند در برخی بخشها حتی بالای دمای فوق باشد.
مسموم کنندگی به عنوان خطر محیط زیستی اصلی اتیلن گلیکول در نتیجه استفاده بیش حد آن می باشد . به دلیل مزه شیرین آن گاهی اوقات بچه ها و حیوانات مقدار زیادی از آن را مصرف می کنند در کشورهای پیشرفته معمولا یک ماده تلخ کننده بنام دناتونیم-بنزوات3 برای تغییر مزه اتیلن گلیکول به آن اضافه می شود[3].

1.Metal Finishing 2.Dehydration
3.Denatonium Benzoate

نمودار 1 : منحنی انجماد محلول آبی اتیلن گلیکول

نمودار 2 : فشار بخار محلولهای آبی اتیلن گلیکول در دماهای مختلف
1-5)منطق بازیابی اتیلن گلیکول
چند دلیل برای بازیابی خنک کننده های مصرف شده وجود دارد. اول اینکه طبق قوانین محیط زیستی اگرچه اتیلن گلیکول به صورت بیولوژیکی قابل تجزیه می باشد اما از آنجا که پساب ضد یخ حاوی فلزات سنگین مانند سرب ، کادمیم و کروم بوده و این پساب را جزء ضایعات سمی و مضر قرار داده است ، لذا دفع آن به محیط و سیستم فاضلاب قبل از تصفیه غیر قانونی می باشد و همچنین به دلیل مقادیر زیاد آب در سیال خنک کننده سوزاندن روشی مناسب نمی باشد. بنابراین در عمل ، فرایند بازیافت گلیکول ، اگر هزینه کمتری نسبت به روشهای دیگر داشته باشد ترجیح داده می شود. در آلمان با وجود قوانین زیست محیطی سفت و سخت نسبت به مصرف مایع خنک کننده استفاده شده ، فقط در حدود 40% مایع خنک کننده استفاده شده برای تصفیه به مراکز بازیافت فرستاده می شود[8].
دومین مساله این است که بازیابی ضدیخ مانند بازیابی روغن موتور مصرف شده می تواند در حفظ منابع تجدید ناپذیر اولیه مثل گاز طبیعی مفید باشد و هزینه فرایند خنک کننده بازیابی شده ارزانتر از خنک کننده اولیه و اصلی می باشد ، البته کارایی این دو تا حد زیادی شبیه به هم می باشد. تجربه چنین بازیافتی در تصفیه و بازیابی روغن موتور مصرف شده نتایج خوب و مقرون به صرفه ای را برای صنعت به ارمغان آورده است. البته موضوع بازیابی ضدیخ و خنک کننده ها و محصولات این چنینی هنوز به طور عمده در کشورهای صنعتی مورد توجه قرار نگرفته است و در سالهای اخیر تلاشهای زیادی برای بازیابی اینگونه پسابها انجام نگرفته است[5].
بازیابی گلیکول مصرف شده نیازمند دو فرایند اصلی جداسازی می باشد که تنها مرحله دوم در تغلیظ محصول حاصل از واکنش آب و اکسید اتیلن مشترک می باشد.
1-جداسازی آلاینده ها به منظور تولید یک محصول پایه ی به اندازه کافی خالص از گلیکول و آب برای فرموله کردن دوباره ضدیخ
2-جداسازی آب و گلیکول تا غلظت اتیلن گلیکول در آب خالص برای تخلیه مستقیم به سیستم پساب مناسب گردد.
1-5-1)مرحله اول پیش تصفیه :
پیش تصفیه خنک کننده مصرف شده،نقشی حیاتی در عملکرد سیستمهای نمک زدایی جریانهای پایین دستی دارد. جداسازی ثقلی و فیلتراسیون ذرات معمولا در ابتدای فرایندهای نمک زدایی نصب می شوند. به خاطر پتانسیل بالای گرفتگی ، سیستمهای غشایی در مرحله پیش تصفیه کمتر مورد توجه قرار می گیرند و در فیلتراسیون / سانترفیوژ مواد حل شده از خنک کننده مصرف شده زدوده شده سپس به آن گرما داده می شود و بعضی از ناخالصی ها توسط عمل سانترفیوژ حذف می گردند.
1-5-2)مرحله دوم پیش تصفیه
مرحله دوم پیش تصفیه با استفاده از تکنیکهای جداسازی غشایی انجام می گیرد. تعدادی از سیستمهای بر پایه غشاء نیز ممکن است به منظور پیش تصفیه یا نمک زدایی خنک کننده مصرف شده به کار روند. این موارد را می توان به دو گروه ، نیرومحرکه فشاری و نیرومحرکه الکتریکی تقسیم بندی کرد. فرایندهای غشایی با نیرومحرکه فشار بر پایه اندازه ذرات و روشهای با نیرومحرکه الکتریکی براساس یونهای باردار عمل می کنند.

1-5-3)فرایندهای غشایی با نیرومحرکه فشار
الترافیلتراسیون(UF) : این روش به طور متداول مواد آلی دارای وزن ملکولی بالاتر از 1000 را دفع می کند. در حالیکه یونها و ذرات آلی کوچکتر را از خود عبور می دهد و معمولا این روش با نانوفیلتراسیون ترکیب می شود. UF می تواند ضد یخ روغنی ، کدر و مصرف شده را به منظور تولید محصولی نیمه شفاف فرآوری کند. در این روش گرفتگی برگشت ناپذیر در غشا اتفاق میافتد. این فرایند نمی تواند خنک کننده موتور با خلوص کافی به منظور دسترسی به خواص خنک کننده اصلی تولید کند.
نانوفیلتراسیون(NF) : فرایند NF برای زدایش موثر ملکولهای و یونها با توجه به اندازه آنها در محدوده بین دو فرایند الکتروفیلتراسیون و اسمز معکوس انتخاب مناسبی می باشد. NF از غشاهای با تخلخل بیشتری نسبت به RO بهره می گیرد. این فرایند نمی تواند اجزای کوچکتر و دارای بار کمتر مانند کلرید را نگه داشته یا دفع کند و معمولا قادر به تولید خنک کننده با درجه خلوص کافی در حد خواص خنک کننده اصلی نمی باشد. بعضی از غشاهای NF مشابه غشاهای UF می باشد که درنتیجه می توانند بدون عبور دادن رنگ و یونهای چند والانسی (سخت) و دیگر آلاینده ها در امر تصفیه استفاده شوند.
اسمز معکوس(RO) : در اسمز معکوس آب از درون یک غشا نیمه تراوا از منطقه ای با غلظت بالاتر به درون منطقه ای رقیق تر به وسیله فشاری که بیشتر از فشار اسمزی می باشد رانده می شود. تحت فشار اسمزی نرمال ، آب از طرف رقیق تر به سمت غلیظ تر حرکت می کند. RO به غیر از تعداد کمی اکثر مواد را دفع کرده و درفشار 125 الی 1000 psia عمل می کند. غشاهایی که EG را دفع می کنند جهت تغلیظ گلیکولها برای تصفیه محلولهای مانند سیال یخ زدای فرودگاه ها که به صورت رقیق همراه با آب خارج می شوند، استفاده می شوند.
کاربرد RO در این زمینه عموما وقتی که غلظت EG اولیه در خوراک کمتر از 6% باشد عملی است و برای تغلیظ EG رقیق برای رسیدن به ماکزیمم غلظت حدود 10 الی 12 درصد در فشار عملیاتی 1000 psig مفید می باشد[5]. به منظور بازیابی ضد یخ وسایل نقلیه که بطور متداول در برگیرنده بیش از 20% اتیلن گلیکول می باشد غشاهایی که می توانند EG و یا آب را از خود عبور داده و نمکها و دیگر آلاینده ها را دفع کنند،استفاده می شوند. مشکل ابتدایی برای نیرومحرکه فشاری مانند UF/NF وجود روغنهای تعلیق شده می باشد، روغن روی سطح غشا را پوشانده(گرفتگی) در نتیجه بحث کاهش شدید نرخ تولید می شود. وقتی که گرفتگی اتفاق می افتد سیستم باید خاموش و تمیز گردد که این فرایند زمان بر می باشد.
1-6)فرایندهای مختلف بازیابی اتیلن گلیکول
مطابق با آنچه گفته شد پیش تصفیه برای جداسازی مکانیکی جامدات و مواد با وزن کم که عمدتا شامل فیلتراسیون ذرات و میکروفیلتراسیون یا الترافیلتراسیون برای جلوگیری از کلوخه شدن و کاهش رسوب گرفتگی در مراحل بعدی می شود انجام می گیرد. بعد از پیش تصفیه بایستی آب از اتیلن گلیکول جدا گردد.
فرایند های مختلف مورد بررسی قرار گرفته در جداسازی آب از اتیلن گلیکول شامل فرایندهای متداول تقطیر و تبخیر1 و فرایندهای غشایی، تراوش تبخیری2و تقطیر غشایی3 می گردد. در تبخیر(EV) مایع خنک کننده از 25% تا 70% وزنی گلیکول تغلیظ می گردد. دمای فرایند خیلی پایین تر از دمای سیستم خنک کننده موتور برای جلوگیری از تشکیل نیترو آمینها می تواند نگه داشته شود و آب با غلظت کمی از گلیکول به عنوان محصول بالادستی تولید می شود.
محصول اصلی EV برای تغلیظ بیشتر، خصوصا آب گیری به مرحله ی تراوش تبخیری(PV) فرستاده می شود. جزء عبور نکرده از غشاء تراوش تبخیری مایع گلیکولی با غلظت بالا (96%<) می باشد[8].
1-6-1)کاربرد فرایند تبخیر در جداسازی آب و اتیلن گلیکول
در تبخیر محلول آب و اتیلن گلیکول،محلولی که از ماده حل شده غیر فرار اتیلن گلیکول و حلال فرار آب تشکیل شده است تغلیظ می گردد. با بخار شدن قسمتی از آب، که بر اثر آن محلول غلیظ لیکور به دست می آید، تبخیر انجام می شود. تفاوت آن با تقطیر این است که بخار حاصل از تبخیر معمولا یک جزء تنهاست و حتی وقتی بخار به صورت مخلوط است ، در مرحله تبخیر سعی نمی شود بخار به اجزای تشکیل دهنده اش تفکیک شود[9].
فرایند تبخیر برای رسیدن به غلظت 70% وزنی اتیلن گلیکول مناسب می باشد. برای غلظت خوراک بالاتر از 70% کیفیت محصول بالادست به طور قابل ملاحظه ی به تغییر خصوصیات فاز آب و اتیلن گلیکول می انجامد. از طرف دیگر در فرایند تبخیر در محدوده ی غلظت اتیلن گلیکول بالاتر از 70% انرژی مورد نیاز به میزان چشمگیری با افزایش غلظت خوراک اتیلن گلیکول افزایش می یابد.

1. Evaporation 2.Pervaporation
3.Membrane Distillation
1-6-2)فرایند تقطیر در تغلیظ اتیلن گلیکول
خنک کننده مصرف شده قدیمی در موتور آلودگی هایی دارد که اثرات زیان باری در سیستم خنک کننده موتور به جای می گذارد. بنابراین سازندگان اتومبیل توصیه می کنند که خنک کننده مصرف شده در فاصله زمانی مشخصی جایگزین شود. استفاده مجدد خنک کننده استفاده شده از لحاظ اقتصادی و محیط زیستی مقرون به صرفه و مطلوب می باشد.
یکی از متداول ترین روشهای بازیابی اتیلن گلیکول مصرف شده و جداسازی آب و اتیلن گلیکول تقطیر است. روش تقطیر سیستم چند جزئی اتیلن گلیکول استفاده شده بدین صورت است که آب در یک فشار اولیه تقطیر شده و جزء دیگر (اتیلن گلیکول) در یک فشار ثانویه تقطیر می شود. هر جریان تقطیر شده ای به یک تانک ذخیره سازی جداگانه فرستاده می شود.
خنک کننده مصرف شده شامل دو جزء مهم به نام آب و اتیلن گلیکول می باشد. اجزای باقیمانده تقطیر ، ضد زنگ، نمک، سیلیکات ها، فلزات و دیگر آلودگی های نامطلوب می باشند، که اغلب بخش خیلی زیان آوری از حجم کلی را تشکیل می دهند.
در فرایند تقطیر دو جزء اصلی خنک کننده مصرف شده(آب و اتیلن گلیکول) از یکدیگر و از اجزاء دیگر جدا می شوند. در واقع آب خالص در یک ظرف و اتیلن گلیکول خالص در ظرفی دیگر جمع می شود. این جداسازی دفع قانونی آب با استفاده دوباره آب و استفاده مجدد اتیلن گلیکول را موجب می شود. آلودگی های باقی مانده حجم خیلی کمتری نسبت به مقدار خنک کننده فرآوری شده دارند که این امر دفع باقی مانده را با هزینه ی کمتر امکان پذیر می سازد. هدف این فرایند آب با خلوص 98% از خنک کننده مصرف شده و تولید حجم کمی از پسماند آلوده می باشد. این روش می تواند به طور خودکار اداره گردد. به طور خلاصه، مطابق با این فرایند از یک سیستم ناپیوسته برای جداسازی یک محلول یا مخلوط چند جزئی که شامل یک مایع با فراریت بیشتر، مایع با فراریت کمتر و مواد آلوده کننده جامد یا مایع غیر فرار می شود. مایع با فراریت بیشتر آب و مایع با فراریت کمتر اتیلن گلیکول می باشد[16].
مزایا و معایب فرایند تقطیر
این روش برای بازیافت خنک کننده مصرف شده ذاتا ساده می باشد.
به دلیل بازگشت سریع هزینه های ابتدایی صرف شده برای تجهیزات که نوعا در محدوده شش ماه تا 2 سال می باشد این فرایند ارزش تجاری بالایی دارد.
این فرایند محسنات زیست محیطی قابل توجه ای دارد، چرا که خنک کننده مصرف شده یک ماده مضر می باشد و جدا کردن آب و اتیلن گلیکول از خنک کننده مصرف شده به طور قابل ملاحظه ای حجم ماده ی مضر را کاهش می دهد. اگرچه در این فرایند اتیلن گلیکول به کیفیت قابل استفاده می رسد و اما برای رسیدن به این خلوص انرژی زیادی صرف می شود.
1-6-3)فرایند تراوش تبخیری برای تغلیظ اتیلن گلیکول
فرایند تراوش تبخیری1 در طی سالیان اخیر کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف شیمیایی به عنوان یک فرایند جداسازی به منظور بازیابی مخلوطهای مایع یافته است. این روش در مقایسه با روش های سنتی جداسازی تقطیر و تبخیر دارای مزایایی نظیر انرژی مورد نیاز کمتر ، آلودگی کمتر محیط زیست، کوچک بودن فضای مورد نیاز، سادگی فرایند و ... می باشد. در طی سالهای متمادی تراوش تبخیری بیشتر به عنوان فرایندی به منظور تولید مواد آلی با خلوص بالا جهت آبزدایی مخلوط های آبی – آلی که آزوتروپ تشکیل می دهند نظیر مخلوط آب و اتانل و یا جهت جداسازی مخلوطهایی با نقطه جوش نزدیک مانند مخلوط آب و ایزوپروپانول به کار رفته است، ولیکن در سالهای گذشته استفاده از آن در زمینه جداسازی مخلوط آب و اتیلن گلیکول نیز مورد توجه محققین قرار گرفته است.
غشاء در جداسازی آب و اتیلن گلیکول با فرایند تراوش تبخیری از اهمیت بالایی برخوردار است چرا که غشاء نقش زیادی در گزینش پذیری یا انتخاب پذیری جداسازی دارد و آنچه مهم است کاربرد غشایی است که فلاکس بالا و فاکتور جداسازی بالایی را فراهم آورد.
در تراوش تبخیری عمدتا از غشاهای پلیمری استفاده می شود ،پلیمرهایی مانند پلی وینیل الکل (PVA2)،چیتوسان(CS3) از عمده پلیمر هایی هستند که در فرایند تراوش تبخیری آب و اتیلن گلیکول مورد استفاده قرار گرفته اند.
گروههای آب دوست این غشاءها نقش مهمی در جذب آب و نفوذ از غشاء دارند. تحقیقات مختلف صورت گرفته بر روی این غشاءها نشان دهنده خصوصیات خوب این غشاءها نظیر سهولت تشکیل فیلم، مقاومت شیمیایی و گزینش پذیری بالا برای جداسازی آب می باشد. غشاهای آب دوست پلیمری جزء اولین غشاهایی هستند که برای آب زدایی از اتیلن گلیکول در تراوش تبخیری بکار گرفته شده اند.
اگر چه آب زدایی از محلول ها با غشاهای آب دوست نتایج خوبی را به همراه داشته است اما این غشاها در دماهای بالا و غلظت بالای آب ناپایدار می باشند، غشای زئولیتی NaA برای غلبه بر مشکلات بالا تنها غشای غیر پلیمری به کار گرفته شده در این زمینه می باشد[29]. زئولیتها آلومینا سیلیکات هیدراته ی هستند که متشکل از ساختار کریستالی همراه با خاصیت غربال ملکولی می باشند، زئولیت همچنین موادی با مقاومت شیمیایی و حرارتی بالا می باشند. اندازه حفرات زئولیت ها در محدوده 9-10 می باشد. از این رو زئولیت به منظور جداسازی ملکولهای آب در PV برای محلول های آبی در دماهای بالا مناسب می باشد.
'Permeate' + 'Evaporation' 'Pervaporation'

1.Pervaporation 2.Poly Venyl Alchol
3.Poly(D-glucosamine)
فصل دوم
فرایند جداسازی تقطیر غشایی
2-1:مقدمه
عمده ی فرایندهای غشایی به صورت هم دما انجام می شود و نیرو محرکه ی آنها فشار هیدرواستاتیک ، غلظت، پتانسیلهای الکتریکی یا شیمیایی می باشد. تقطیر غشایی، یک فرایند غیر هم دماست که بیش از 40 سال است که شناخته شده است اما واقعا هنوز برای صنعتی شدن نیاز به کار و تلاش مداوم دارد. ثبت اختراع این فرایند توسط Bodell در سوم جولای 1963 می باشد و اولین پروژه - ریسرچدر مورد تقطیر غشایی، 4 سال بعد از آن توسط Findly در مجله ی "توسعه مهندسی طراحی فرایندهای شیمیایی و صنعتی" منتشر شد.
عبارت تقطیر غشایی از تشابه این فرایند با تقطیر معمولی (از جمله تقطیرساده و چند مرحله ای) نشات گرفته است که هردویی این فرایند ها برپایه ی تعادل بخار/ مایع به منظور جداسازی می باشد و هر دو تکنولوژی نیاز به گرمای کافی برای تامین گرمای نهان تبخیر برای محلول خوراک دارند.
اساسا تقطیر غشایی به عنوان فرایندی غشایی غیر هم دما به کار می رود که نیرو محرکه ی آن گرادیان فشار جزئی اجزا در دو سمت غشا می باشد که این غشا بایستی متخلخل بوده و بوسیله محلول فرایند خیس نشود بطوریکه تعادل بخار / مایع اجزاء را بهم نزند. این غشا از چگالش درون حفره ها جلوگیری می کند، و تا پایان فرایند بایستی در تماس مستقیم با محلول مایع خوراک گرم مقاومت مکانیکی خوبی داشته باشد.
پتانسیلهای کاربرد MD تولید آب با خلوص بالا، تغلیظ یونی، کلوئیدی و یا سایر محلولهای آبی غیر فرار و حذف آثار مواد آلی فرار (VOCs) از پساب ها می باشد. در کاربردهای گوناگون از جمله نمک زدایی، تصفیه پسابها با دیدگاه محیط زیستی، استفاده مجدد از آب، در صنایع غذایی و صنایع داروسازی و غیره ، تقطیر غشایی می تواند بکارگیری شود. همه این تفاسیر موجب می شود که تقطیر غشایی جذابیت کافی را در مجامع دانشگاهی داشته باشد.
دمای عملیاتی پایین تر از دمای تقطیر غشایی مرسوم، فشار هیدرواستاتیکی عملیاتی پایین تر از فشار فرایند ها با نیروی محرکه فشاری از ویژگی های بارز این فرایند می باشد از جمله فرایندهای نیرو محرکه فشاری عبارتند از (اسمز معکوس1، نانو فیلتراسیون2، اولترافیلتراسیون3، میکروفیلتراسیون4) می باشند که برخلاف آنها در تقطیر غشایی خواص مکانیکی غشا کمتر مورد نظر است و در این فرایند فاکتور بالایی از دفع به ویژه زمانیکه محلولها شامل اجزاء غیر فرار (نمکها، کلوئیدها و غیره) هستند به چشم می خورد. بعلاوه، توانایی استفاده از گرمای اتلافی و منابع انرژی تجدید پذیر سبب می شود تقطیر غشایی درکنار سایر فرایندهای صنعتی انرژی مورد نیاز خود را تامین کند.
اگرچه در سراسر دنیا تقطیر غشایی موضوع تحقیقاتی برای بسیاری از دانشمندان می باشد. از لحاظ تجاری تقطیر غشایی کم توجیه می شود و هنوز به عنوان ابزار کاربردی صنعتی نشده است. موانع عمده در مقابل این فرایند شامل ساخت غشای مخصوص تقطیر غشایی و طراحی مدول آن، تر شدن حفره های غشاء، نرخ جریان کم پرمیت (کاهش شار)، بعلاوه هزینه های انرژی و اقتصاد این فرایند نامشخص می باشند. اخیرا علاقه مندی در زمینه تقطیر غشایی بطور چشمگیری افزایش یافته است. در نمودار 1 تعداد مقالات منتشر شده در زمینه تقطیر غشایی که در مجلات وجود دارد می توان مشاهده نمود.

نمودار1 : نرخ رشد تحقیقات در زمینه MD به صورت تعداد مقالات سالانه منتشر شده
از این رو سزاوار یادآوری است که از میان شکلهای فرایند تقطیر غشایی، بیشترین تحقیق روی روش تقطیر غشایی تماس مستقیم 5بوده، اگرچه گرما در این روش از طریق مکانیسم هدایت از میان غشا انتقال داده می شود با در نظر گرفتن اتلاف گرمای در تقطیر غشایی این روش بیشترین اتلاف را در بین روشهای تقطیر غشایی به خود اختصاص می دهد.

1.Rever Osmosis 2.Nano Filteration 3.Ultra Filteration
4.Micro Filtration 5.Direct Contact Membrane Distillation
بیش از 60% تحقیقات تقطیر غشایی با استفاده از روش تقطیر غشایی تماس مستقیم صورت گرفته است. زیرا در این روش مرحله چگالش جریان تراوشی در داخل مدول انجام می شود و این امر منجر به ساده بودن فرایند می شود. در مقابل روش تقطیر غشایی با گاز حامل1، از میان روش های تقطیر غشایی کمترین سهم را به خود اختصاص می دهد زیرا در آن یک کندانسور خارجی برای جمع آوری جریان تراوشی مورد نیاز است که این امر طراحی سیستم را پیچیده و هزینه آن را بالا می برد. شایان ذکر است که هر روش تقطیر غشایی مزایا و معایبی برای کاربرد خاص خود خواهد داشت.
بیشتر موضوعات مورد توجه در نشریات در نمودار 2 آمده که شامل مدلسازی تئوری تقطیر غشایی و مطالعات آزمایشگاهی بررسی اثر پارامترهای عملیاتی می باشد.44% از تحقیقات در رابطه با مدل های تئوری این فرایند بوده و در حالیکه 14.8% از پژوهش ها روی ساخت غشا برای تقطیر غشایی تمرکز دارند. در مقایسه با سایر فرایندهای جداسازی غشایی از جمله،تراوش تبخیری،اسمز معکوس،نانوفیلتراسیون،اولترافیلتراسیون و جداسازی با گاز تنها تعداد کمی از محققان به امکان ساخت و طراحی غشاهای جدید برای استفاده در تقطیر غشایی توجه دارند. اخیرا تعداد مقالات در زمینه تولید غشاهای مخصوص فرایند تقطیر غشایی طبق نمودار 3 در حالا افزایش است.

نمودار 2 : تعداد مقالات منتشر شده در زمینه مطالعات تجربی و مدلسازی روی MD

1.Seewp Gas Membrane Distillation

نمودار 3 : روند رشد تعداد مقالات منتشر شده در زمینه ساخت غشای مخصوص MD
در شکل 1 انواع روشهای تقطیر غشایی را می توان مشاهده کرد. به دلیل وجود همزمان پدیده های انتقال گرما و جرم از میان غشا، تنوع شکلهای مختلف تقطیر غشایی و کاربردهای مختلف آن باعث شده در مجامع دانشگاهی به عنوان یک فرایند آموزشی نیز استفاده شود. بعلاوه، امکان استفاده از گرمایی اتلافی و یا منابع انرژی دیگری از جمله انرژی خورشیدی و زمین گرمایی و انرژی باد در تقطیر غشایی وجود دارد و این فرایند می تواند با سایر فرایندها در یک سیستم یکپارچه ترکیب شود که این موضوعات باعث شده به عنوان تکنیک جداسازی امیدوار کننده ای در مقیاس صنعتی بکار گرفته شود. این فرایند به عنوان یک مرحله عملیات پیش تصفیه و یا پس تصفیه با فرایندهای دیگر ادغام می شود.

شکل1:گونه های مختلف فرایند جداسازی تقطیر غشایی
این فرایند بیشتر برای کاربردهای که در آن آب جزء عمده حاضر در محلول خوراک می باشد مناسب است. به عنوان مرور، تقطیر غشایی یک فرایند با نیرو محرکه گرمایی می باشد که در آن تنها ملکولهای بخار از میان غشای آبگریز متخلخل عبور می کند. مایع خوراک برای اینکه تصفیه شود بایستی در تماس مستقیم با یک سمت از غشا قرار گیرد. آبگریزی ذاتی غشا مانع از ورود محلول آبی در داخل حفره هایش می شود که به دلیل کشش سطحی مواد غشا می باشد. در نتیجه، سطح مشترک مایع/ بخار در ورودی حفره های غشا تشکیل می شود.
باتوجه به شکل 1 نیرومحرکه تقطیر غشایی بوسیله یکی از 4 طریق زیر در سمت جریان تراوشی اعمال می شود:
1)یک محلول آبی سردتر از محلول خوراک در تماس مستقیم با سمت جریان تراوشی غشا نگهداری می شود و شکلی که ما آن را به نام تقطیر غشایی تماس مستقیم1 می شناسیم . هردوی محلولهای آبی خوراک و جریان تراوشی به صورت مماس با سطح غشاء بوسیله پمپهای به گردش در می آیند و یا درون سلول غشایی توسط همزنهای مغناطیسی چرخانده می شوند. در این مورد اختلاف دمای طرفین غشا یک اختلاف فشار بخار را القا می کند. در نتیجه، ملکولهای فرار تبخیر شده در سطح مشترک گرم مایع/بخار از حفره های غشا عبور کرده و وارد فاز بخار و در سطح مشترک سرد مایع/بخار در درون مدول غشایی چگالش می یابد. یک نوع دیگر از تقطیر غشایی نوعی است که در آن یک لایه ی مایع سرد ساکن بین غشا و سطح خنک کننده در سمت جریان تراوشی وجود دارد و این کار به منظور کاهش اتلاف حرارتی انجام می شود. (شکل a)
2)فشار پایین در سمت جریان تراوشی از مدول غشا بوسیله یک پمپ خلاء اعمال می شود. فشار خلاء اعمال شده کوچکتر از فشار اشباع ملکولهای فراری است که از محلول خوراک جدا می شوند. در این مورد چگالش در بیرون از مدول اتفاق می افتد. این شکل از تقطیر غشایی به تقطیر غشایی خلاء2 معروف است. (شکلb)
3)یک شکاف هوا بین غشا و سطح چگالنده ایجاد می شود.در این شکل،ملکولهای فرار تبخیر شده از هردوی حفره های غشا و شکاف هوا عبور کرده و سرانجام روی یک سطح سرد در درون مدول غشایی چگالش می یابد. این نوع از تقطیر غشایی با عنوان تقطیر غشایی با شکاف هوا3 نامیده می شود.(شکل d)
4)یک گاز جاروکننده خنثی و سرد در سمت جریان تراوشی غشا ملکولهای بخار تراوش کننده را حمل کرده و چگالش بیرون از مدول غشا رخ می دهد. این نوع شکل از تقطیر غشایی منصوب به تقطیر غشایی با گاز حامل معروف است. در این شکل، به دلیل گرمای انتقال یافته از سمت خوراک از میان غشا ، دمای گاز حامل در سمت جریان تراوشی در امتداد مدول غشایی به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. یک نوع دیگر تقطیر غشایی با گاز حامل با نام تقطیر غشایی با گاز حامل دما ثابت4 اخیرا پیشنهاد شده است. در این شکل از تقطیر غشایی با گاز حامل افزایش دمای گاز با استفاده از یک صفحه ی سرد در سمت جریان تراوشی به حداقل می رسد.(شکل c)

1.Direct Contact Membrane Distillation 2.Vacuum Membrane Distillation 3.Air Gap Membrane Distillation 4.Thermal Sweep Gas Membrane Distillation

user8328

حال که در سایه الطاف پروردگار یکتا، تحقیق در مورد این پژوهش به اتمام رسیده است، برخود واجب می دانم که از زحمات کلیه کسانی که از آغاز تا به امروز ، مرا راهنمایی نموده اند کمال تشکر و قدردانی را به عمل آورم.
از استاد راهنمای گرامی ام، جناب آقای دکتر امین اله بهاءالدینی به خاطر راهنمایی های بسیار مفیدشان، تشکر می کنم و خیلی خوشحالم که دو سال شاگرد این استاد بزرگوار بودم. همچنین ازاساتید مشاور ارجمندم، جناب آقای دکتر جعفر وطن پرست، جناب آقای دکتر احمدرضا خسروی و جناب آقای دکتر محمودرضا معین به خاطر همه راهنمایی هاشون، تشکر می کنم. از نماینده محترم تحصیلات تکمیلی جناب آقای دکتر مرادشاهی و هم چنین از داور ارزیابی پایان نامه ام، جناب آقای دکتر صادقی هم کمال تشکر را دارم. از کلیه دانشجویان محترم سال های قبل رشته فیزیولوژی جانوری دانشگاه شیراز و هم چنین کلیه کارکنان بخش زیست شناسی دانشکده علوم سپاس گزاری می نمایم.

چکیده
اثر عصاره آبی- الکلی برگ و گل گیاه بومادران شیرازی(Achillea eriophora DC.) بر سیستم قلب و عروق و بررسی تداخل اثر آن با سیستم های کولینرژیک، آدرنرژیک و نیتریک اکساید در موش صحرایی نر
به کوشش:
سهراب انوری حاجی محمدلو
گیاه بومادران شیرازی، گونه بومی جنس بومادران در ایران است. به منظور بررسی اثرات عصاره هیدروالکلی آن بر روی سیستم قلب و عروق و مکانیسم احتمالی آن، تحقیق حاضر به صورت زیر انجام شده است: 55 سر موش صحرایی نر بالغ از نژاد ویستار با محدوده وزنی 250-220 گرم به مدت یک هفته در شرایط نرمال 12 ساعت تاریکی و 12 ساعت روشنایی در حیوان خانه نگهداری شدند. تعداد 15 سر موش برای بررسی اثرات دوز های مختلف عصاره بومادران( دوز های 40، 50، 60، 80 و 100 میلی گرم بر کیلوگرم، 3=n) بر روی فشارخون سرخرگی مورد استفاده قرار گرفتند و تعداد 40 سر موش به منظور بررسی اثرات عصاره(دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم) و حلال عصاره) اتانول 70 درصد) با سیستم های کولینرژیک، آدرنرژیک و نیتررژیک به صورت تصادفی به هشت گروه پنج تایی تقسیم شدند. هر رت به وسیله تزریق داخل صفاقی یورتان بی هوش شد، سپس یک سیاهرگ و یک سرخرگ رانی به ترتیب برای انجام تزریقات و اندازه گیری فشارخون سرخرگی کانوله شدند. فشارخون سرخرگی و ضربان قلب، به وسیله ترانسدیوسر فشار متصل به دستگاه پاورلب ثبت گردید. فشارخون سرخرگی و ضربان قلب، قبل و بعد از تزریق عصاره بومادران(دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم، در گروه یک) و حلال عصاره(در گروه دو) ثبت شد. در گروه سوم (گروه کنترل سیستم کولینرژیک)، پارامترهای بالا قبل و بعد از تزریق آب مقطر(حلال دارو)، استیل کولین و حلال عصاره به همراه استیل کولین ثبت گردید. در گروه چهارم، پارامترها قبل و پس از تزریق آب مقطر، استیل کولین و عصاره به همراه استیل کولین ثبت گردید. در گروه پنجم(گروه کنترل سیستم آدرنرژیک)، پارامترها قبل و پس از تزریق آب مقطر، اپی نفرین و اپی نفرین به همراه حلال عصاره ثبت گردید. در گروه ششم، پارامترها قبل و پس از تزریق آب مقطر، اپی نفرین و اپی نفرین به همراه عصاره بومادران ثبت شد. پارامترها در گروه هفتم(گروه کنترل سیستم نیتررژیک) قبل و پس از تزریق آب مقطر، L-NAME و حلال عصاره و در نهایت در گروه هشتم، پارامترها قبل و پس از تزریق آب مقطر، L-NAME و عصاره ثبت گردید. داده ها به کمک نرم افزار SPSS و با استفاده از آزمون Independent T-test برای بررسی تفاوت های بین گروه ها و آزمون Paired sample T-test برای بررسی تفاوت های بین مراحل مختلف یک گروه با در نظر گرفتنp<0.05 به عنوان سطح معنی دار، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. نتایج نشان داد که تزریق داخل سیاهرگی دوزهای مختلف عصاره بومادران باعث کاهش فشار میانگین سرخرگی در یک روش وابسته به دوز شد. عصاره(دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم) به طور قابل ملاحظه ای فشار میانگین سرخرگی، فشار سیستولی و دیاستولی را کاهش داد، در حالی که حلال هم حجم آن اثر قابل ملاحظه ای بر روی فشارخون سرخرگی نداشت. ضربان قلب در حضور عصاره و حلال آن در مقایسه با حالت پایه خود، تغییر قابل ملاحظه ای نداشت. نتایج کاهش قابل ملاحظه فشار میانگین سرخرگی، فشار سیستولی و فشاردیاستولی و افزایش ضربان قلب را در حضور عصاره به همراه استیل کولین در مقایسه با مرحله تزریق استیل کولین نشان داد. عصاره فشار دیاستولی را در رت هایی که اپی نفرین دریافت کرده بودند کاهش داد، در حالی که ضربان قلب تغییر چشمگیری نداشت. در آخر تزریق داخل وریدی عصاره به طور چشمگیری باعث کاهش فشار میانگین سرخرگی و فشاردیاستولی در رت هایی شد که به آن ها L-NAME تزریق شده بود. می توان نتیجه گرفت که عصاره هیدروالکلی بومادران شیرازی اثر کاهش دهندگی فشار خون دارد و این اثر هم سو با سیستم کولینرژیک و احتمالاً مستقل از سیستم آدرنرژیک است. اثر کاهش فشارخون این گیاه، عمدتاً به خاطر اثرگذاری آن بر عروق و مستقل از سیستم نیتررژیک می باشد.
کلمات کلیدی: عصاره بومادران شیرازی، سیستم کولینرژیک، سیستم آدرنرژیک، سیستم نیتررژیک، فشارخون، موش صحرایی
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه TOC f h z t "عنوان;1"
1-1بومادران21-2-بومادران شیرازی PAGEREF _Toc398906150 h 21-3ترکیبات موجود در گیاهان جنس Achillea PAGEREF _Toc398906151 h 31-4خواص درمانی بومادران PAGEREF _Toc398906152 h 41-5- نقش سیستم نیتررژیک در دستگاه قلب و عروق: PAGEREF _Toc398906158 h 51-6- عوامل تعیین کننده فشار شریانی PAGEREF _Toc398906159 h 71-7- مشخصات عملکرد دستگاه عصبی اتونوم(سیستم سمپاتیک و پاراسمپاتیک) PAGEREF _Toc398906160 h 71-8- نقش سیستم عصبی اتونوم در تنظیم عملکرد گردش خون: PAGEREF _Toc398906162 h 81-9- سیستم عصبی سمپاتیک: PAGEREF _Toc398906163 h 81-10- عصب دهی سمپاتیکی عروق خونی: PAGEREF _Toc398906164 h 81-11- رشته های سمپاتیک قلب: PAGEREF _Toc398906165 h 9فصل دوم:مروری بر تحقیقات پیشین
2-1- مطالعات انجام شده در رابطه با اثرات بومادران PAGEREF _Toc398906167 h 112-2- هدف PAGEREF _Toc398906168 h 15عنوان صفحه
2-3- فرضیات PAGEREF _Toc398906169 h 15فصل سوم: مواد و روش ها
3-1- مواد مورد استفاده PAGEREF _Toc398906170 h 173-2- وسایل مورد استفاده PAGEREF _Toc398906171 h 183-3- روش کار PAGEREF _Toc398906172 h 193-3-1-روش عصاره گیری PAGEREF _Toc398906173 h 213-3-2- چگونگی تهیه و نگهداری موش های صحرایی PAGEREF _Toc398906174 h 213-3-3-گروه بندی موش ها213-3-4- اجزای سیستم ثبت فشار خون PAGEREF _Toc398906176 h 233-4- مراحل انجام آزمایش PAGEREF _Toc398906177 h 243-4-1- چگونگی تجویز دارو PAGEREF _Toc398906178 h 263-5- واکاوی آماری PAGEREF _Toc398906179 h 27فصل چهارم: نتایج
4-1-گراف های ثبت شده با دستگاه PAGEREF _Toc398906180 h 294-2- فشار میانگین سرخرگی در پاسخ به دوز های مختلف عصاره شیرین بیان PAGEREF _Toc398906181 h 314-3- فشار میانگین، فشار سیستولی ، دیاستولی و ضربان قلب در حضور عصاره و حلال عصاره PAGEREF _Toc398906182 h 32عنوان صفحه
4-3-1 مقایسه اثرات عصاره بومادران (دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم) به عنوان گروه آزمایش با اثرات حلال هم حجم عصاره (اتانول 70 درصد) به عنوان گروه کنترل بر روی فشار خون PAGEREF _Toc398906183 h 324-3-2 مقایسه اثرات عصاره بومادران (دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم) به عنوان گروه آزمایش با اثرات حلال هم حجم عصاره (اتانول 70 درصد) به عنوان گروه کنترل بر روی ضربان قلب PAGEREF _Toc398906184 h 334-4- فشار میانگین، فشار سیستولی ، دیاستولی و ضربان قلب در حضور عصاره و حلال عصاره و داروی استیل کولین(دوز 01/0 میلی گرم بر کیلوگرم) PAGEREF _Toc398906185 h 364-4-2- فشار سیستولی در حضور حلال عصاره و استیل کولین PAGEREF _Toc398906186 h 374-4-3- فشار سیستولی در حضور عصاره بومادران و استیل کولین PAGEREF _Toc398906187 h 384 -4-4- فشار دیاستولی در حضور حلال عصاره و استیل کولین PAGEREF _Toc398906188 h 394-4-5- فشار دیاستولی در حضور عصاره بومادران و استیل کولین PAGEREF _Toc398906189 h 404-4-6- فشار میانگین سرخرگی در حضور حلال عصاره و استیل کولین PAGEREF _Toc398906190 h 414-4-7- فشار میانگین سرخرگی در حضور عصاره و استیل کولین PAGEREF _Toc398906191 h 424-4-8- ضربان قلب در حضورحلال عصاره و استیل کولین PAGEREF _Toc398906192 h 444-4-9- ضربان قلب در حضور عصاره بومادران و استیل کولین PAGEREF _Toc398906193 h 454-5- فشار میانگین، فشار سیستولی ، دیاستولی و ضربان قلب در حضور عصاره و حلال عصاره و داروی اپی نفرین(دوز 04/0 میلی گرم بر کیلوگرم) PAGEREF _Toc398906194 h 464-5-2- فشار سیستولی در حضور حلال عصاره و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906195 h 474-5-3- فشار سیستولی در حضور عصاره بومادران و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906196 h 494-5-4- فشار دیاستولی در حضور حلال عصاره و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906197 h 504-5-6- فشار میانگین سرخرگی در حضور حلال عصاره و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906198 h 52عنوان صفحه
4-5-7- فشار میانگین سرخرگی در حضور عصاره بومادران و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906199 h 534-5-8- ضربان قلب در حضور حلال عصاره و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906200 h 544-5-9- ضربان قلب در حضور عصاره بومادران و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906201 h 554-6- فشار میانگین و فشار سیستولی و دیاستولی و ضربان قلب در حضور عصاره بومادران، حلال عصاره و داروی L-NAME (دوز 5 میلی گرم بر کیلوگرم) PAGEREF _Toc398906202 h 564-6-2- فشار سیستولی در حضور حلال عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906203 h 574-6-3- فشار سیستولی در حضور عصاره بومادران و L-NAME PAGEREF _Toc398906204 h 584-6-4- فشار دیاستولی در حضور حلال عصاره و داروی L-NAME PAGEREF _Toc398906205 h 594-6-5- فشار دیاستولی در حضور عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906206 h 604-6-6-فشار میانگین سرخرگی در حضور حلال عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906207 h 614-6-7- فشار میانگین سرخرگی در حضور عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906208 h 624-6-8- ضربان قلب در حضور حلال عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906209 h 644-6-9-ضربان قلب در حضور عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906210 h 65 فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری
5-1- بررسی اثر عصاره آبی الکلی برگ و گل بومادران شیرازی بر فشار خون(فشار میانگین سرخرگی، فشار سیستولی و دیاستولی) و ضربان قلب PAGEREF _Toc398906212 h 675-2- تداخل اثر عصاره آبی –الکلی برگ و گل بومادران شیرازی با سیتم کولینرژیک در سیستم قلب و عروق موش صحرایی نر PAGEREF _Toc398906213 h 69عنوان صفحه
5-3- تداخل اثر عصاره آبی –الکلی برگ وگل بومادران شیرازی با سیستم آدرنرژیک در سیستم قلب و عروق موش صحرایی نر PAGEREF _Toc398906214 h 705-4- تداخل اثر عصاره آبی –الکلی برگ وگل بومادران شیرازی با سیستم نیتررژیک PAGEREF _Toc398906215 h 725-5- نتیجه گیری PAGEREF _Toc398906216 h 745-6- پیشنهادات PAGEREF _Toc398906217 h 74فهرست منابع PAGEREF _Toc398906218 h 75منابع فارسی PAGEREF _Toc398906219 h 75منابع انگلیسی PAGEREF _Toc398906220 h 76

عنوان صفحه
فهرست جدول ها
TOC h z t "جدول ها;1" جدول 4-1-مقایسه تغییرات فشار (سیستولی، دیاستولی و میانگین) درحالت تزریق حلال عصاره نسبت به حالت پایه در گروه کنترل PAGEREF _Toc398906551 h 32جدول 4-2- مقایسه تغییرات فشار (سیستولی، دیاستولی و میانگین) درحالت تزریق عصاره بومادران نسبت به حالت پایه در گروه آزمایش PAGEREF _Toc398906552 h 33جدول 4-3-مقایسه تغییرات ضربان قلب درحالت تزریق حلال عصاره نسبت به حالت پایه(گروه کنترل) و تزریق عصاره نسبت به حالت پایه(گروه آزمایش) PAGEREF _Toc398906553 h 33جدول4-4 - تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین PAGEREF _Toc398906554 h 37جدول 4-5- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم عصاره بومادران شیرازی و استیل کولین PAGEREF _Toc398906555 h 38جدول4-6- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین PAGEREF _Toc398906556 h 39جدول4-7- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم عصاره بومادران شیرازی و استیل کولین PAGEREF _Toc398906557 h 40جدول4-8-تغییرات فشار میانگین سرخرگی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین PAGEREF _Toc398906558 h 41جدول4-9-تغییرات فشار میانگین سرخرگی در حضور تواًم عصاره بومادران شیرازی و استیل کولین PAGEREF _Toc398906559 h 43عنوان صفحه
جدول4-10-تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین PAGEREF _Toc398906560 h 44جدول4-11- تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم عصاره بومادران شیرازی و استیل کولین PAGEREF _Toc398906561 h 45جدول4-12- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906562 h 48جدول 4-13 - تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم عصاره بومادران شیرازی و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906563 h 49جدول4-14- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906564 h 50جدول 4-15- تغییرات فشاردیاستولی در حضور تواًم عصاره بومادران شیرازی و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906565 h 51جدول4-16- تغییرات فشار میانگین در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906566 h 52جدول4-17- تغییرات فشار میانگین در حضور تواًم عصاره و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906567 h 53جدول4-18-تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906568 h 54جدول4-19-تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم عصاره (erio)و اپی نفرین(Epi) PAGEREF _Toc398906569 h 55جدول4-20- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و L-NAME PAGEREF _Toc398906570 h 57جدول4-21- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906571 h 58عنوان صفحه
جدول4-22- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و L-NAME PAGEREF _Toc398906572 h 59جدول4-23- تغییرات فشاردیاستولی در حضور تواًم عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906573 h 61جدول4-24- تغییرات فشار میانگین سرخرگی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و PAGEREF _Toc398906574 h 62L-NAME PAGEREF _Toc398906575 h 62جدول4-25- تغییرات فشارمیانگین سرخرگی در حضور تواًم عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906576 h 63جدول4-26- تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و L-NAME PAGEREF _Toc398906577 h 64جدول4-27- تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906578 h 65

فهرست شکل ها
عنوان صفحه
TOC h z t "شکلا;1" شکل 1-1- بومادران شیرازی(Achillea eriophora DC.) PAGEREF _Toc398906078 h 3شکل(1-2) ساختار برخی از فلاوونوئید های موجود در گونه های مختلف جنسAchillea PAGEREF _Toc398906079 h 4شکل 1- 3-سنتز نیتریک اکساید در اندوتلیوم عروق PAGEREF _Toc398906080 h 6شکل 3-1قیف پرکولاتور PAGEREF _Toc398906081 h 20شکل 3-2-روتاری PAGEREF _Toc398906083 h 20شکل 3-3- Freez-dryer PAGEREF _Toc398906084 h 21 شکل 3-4- دستگاه Power lab PAGEREF _Toc398906085 h 24شکل 3-5-تراکئوستومی PAGEREF _Toc398906086 h 25شکل 3-7-اتصال کانول سرخرگی به ترانسدیوسر فشار و نحوه قرار گیری کانول سیاهرگی PAGEREF _Toc398906087 h 26شکل 3-6-کانول گذاری سرخرگ و سیاهرگ رانی PAGEREF _Toc398906088 h 25شکل 4-1-گراف ثبت شده از ABP , Ps , Pd , MAP , HR (به ترتیب از بالا به پایین) در حالت پایه PAGEREF _Toc398906089 h 29شکل 4-2-گراف ثبت شده از ABP , PS , Pd , MAP , HR (به ترتیب از بالا به پایین) در حالت تزریق عصاره PAGEREF _Toc398906090 h 29شکل 4-3-گراف ثبت شده از ABP ,PS, Pd , MAP , HR (به ترتیب از بالا به پایین) در حالت تزریق حلال عصاره(اتانول 70 درصد) PAGEREF _Toc398906091 h 30عنوان صفحه
شکل 4-4- مقایسه میزان افت فشارمیانگین سرخرگی در پاسخ به دوزهای مختلف عصاره بومادران شیرازی نسبت به حالت پایه PAGEREF _Toc398906101 h 31شکل 4-5- تغییرات فشار(سیستولی، دیاستولی ومیانگین) در حالت تزریق حلال عصاره نسبت به حالت پایه PAGEREF _Toc398906102 h 34شکل 4-6- تغییرات فشار(سیستولی، دیاستولی ومیانگین) در حالت تزریق عصاره نسبت به حالت پایه PAGEREF _Toc398906103 h 34شکل 4-7-میزان تغییرات ضربان قلب در حالت تزریق حلال نسبت به سطح پایه PAGEREF _Toc398906104 h 35شکل 4-8-میزان تغییرات ضربان قلب در حالت تزریق عصاره نسبت به سطح پایه PAGEREF _Toc398906105 h 35شکل 4-9-مقایسه میزان فشار میانگین در حالت پایه (B) و حالت کنترل داروی استیل کولین(تزریق آب مقطرW) در دو گروه کنترل و آزمایش PAGEREF _Toc398906106 h 36شکل 4-10-مقایسه میزان تغییرات ضربان قلب در حالت پایه (B) و حالت کنترل داروی استیل کولین(تزریق آب مقطرW) در دو گروه کنترل و آزمایش PAGEREF _Toc398906107 h 37شکل 4-11- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین PAGEREF _Toc398906108 h 38شکل 4-12- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم عصاره و استیل کولین PAGEREF _Toc398906109 h 39شکل4-13- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین PAGEREF _Toc398906110 h 40عنوان صفحه
شکل 4-14- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم عصاره و استیل کولین PAGEREF _Toc398906111 h 41شکل 4-15- تغییرات فشار میانگین سرخرگی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین PAGEREF _Toc398906112 h 42شکل 4-16- تغییرات فشار میانگین سرخرگی در حضور تواًم عصاره و استیل کولین PAGEREF _Toc398906113 h 43شکل 4-17- تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین PAGEREF _Toc398906114 h 454-18- تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم عصاره بومادران و استیل کولین PAGEREF _Toc398906115 h 46شکل 4-19- مقایسه میزان فشار میانگین در حالت پایه (B) و حالت کنترل داروی اپی نفرین(تزریق آب مقطرW) در دو گروه کنترل و آزمایش PAGEREF _Toc398906116 h 47شکل 4-20-مقایسه تغییرات ضربان قلب در حالت پایه (B) و حالت کنترل داروی اپی نفرین(تزریق آب مقطرW) در دو گروه کنترل و آزمایش PAGEREF _Toc398906117 h 47شکل 4-21- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906118 h 48شکل 4-22- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم عصاره و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906119 h 49شکل 4-23- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و اپی نفرین(S+Epi) PAGEREF _Toc398906120 h 50شکل 4-24- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم عصاره و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906121 h 51شکل 4-25- تغییرات فشار میانگین سرخرگی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و اپی نفرین(S+Epi) PAGEREF _Toc398906122 h 52شکل 4-26- تغییرات فشار میانگین در حضور تواًم عصاره و اپی نفرین PAGEREF _Toc398906123 h 53عنوان صفحه
شکل 4-27- تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و اپی نفرین(S+Epi) PAGEREF _Toc398906124 h 54شکل 4-28- تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم عصاره و اپی نفرین(erio+Epi) PAGEREF _Toc398906125 h 55شکل 4-29- مقایسه میزان فشار میانگین در حالت پایه (B) و حالت کنترل داروی L-NAME(تزریق آب مقطرW) در دو گروه کنترل و آزمایش PAGEREF _Toc398906126 h 56شکل 4-30- مقایسه تغییرات ضربان قلب در حالت پایه (B) و حالت کنترل داروی L-NAME(تزریق آب مقطرW) در دو گروه کنترل و آزمایش PAGEREF _Toc398906127 h 57شکل 4-31- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم حلال عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906128 h 58شکل 4-32- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906129 h 59شکل 4-33- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم حلال عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906130 h 60شکل 4-34- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906131 h 61شکل 4-35- تغییرات فشار میانگین سرخرگی در حضور تواًم حلال عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906132 h 62شکل 4-36- تغییرات فشار میانگین سرخرگی در حضور تواًم عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906133 h 63شکل 4-37- تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم حلال عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906134 h 64شکل 4-38- تغییرات ضربان قلب در حضور تواًم عصاره و L-NAME PAGEREF _Toc398906135 h 65

فصل اولمقدمه

1-1بومادرانگیاه بومادران متعلق به جنس Achillea L. و تیره Asteraceae می باشد. جنس Achillea در ایران 19 گونه گیاه علفی چندساله و غالبا معطّر دارد. گونه های بومی آن عبارتند از:
A. Aucheri Boiss. A. eriophora DC.A.callichroa Boiss. Boiss. A. talagonica
A. kellalensis Boiss. Rech.f.A. pachycephala
Oxyodonata Bioss.
دیگر گونه های این جنس علاوه بر ایران در عراق، آناتولی، سوریه، قفقاز، لبنان، فلسطین، روسیه مرکزی، ماورای قفقاز، ترکمنستان، افغانستان، آسیای جنوب غربی و آسیای مرکزی نیز می رویند)1(.
بومادران ساقه ای به ارتفاع 20 تا 90 سانتیمتر و حتّی بیشتر دارد. در دشت ها و دامنه های بعضی از نواحی کوهستانی اروپا و آسیا، منجمله ایران به حالت خودرو می روید. برگ های آن عاری از دمبرگ، پوشیده از کرک و منقسم به بریدگی های بسیار باریک است. کاپیتول های کوچک و متعدد آن، وضع مجتمع به صورت گل آذین دیهیم دارد(2).
از کلیه قسمت های این گیاه، بوی قوی استشمام می شود به طوریکه به مجرد دست زدن به اعضاء گیاه، این بو احساس می گردد. قسمت های مورد استفاده این گیاه، سرشاخه های گلدار و برگ آن است که طعم تلخ و بوی قوی دارند(3).
1-2-بومادران شیرازیAchillea eriophora DC. (شکل1 -1)یکی از گیاهان بومی جنس Achillea در ایران می باشد و در زبان فارسی به آن بومادران جنوبی، سرزردو، بومادران شیرازی گفته می شود. پراکندگی این گیاه در استان های جنوبی و در ارتفاع 700 تا 3000 متر می باشد.( Peter et al ,1997)

شکل 1-1- بومادران شیرازی(Achillea eriophora DC.)1-3ترکیبات موجود در گیاهان جنس Achillea با تحقیقات فیتوشیمیایی بر روی گونه های مختلف جنس Achillea مشخص شده که ترکیبات موجود در گیاهان این جنس، از نظر زیستی ترکیبات بسیار فعالی هستند. از ترکیبات مهم موجود در در این گیاهان فلاوونوئیدها(شکل 1-2)، ترپنوییدها، لیگنان ها، مشتقات آمینواسیدی، اسیدهای چرب،آلکامیدها می باشند(Saeidnia et al, 2011).

شکل(1-2) ساختار برخی از فلاوونوئید های موجود در گونه های مختلف جنسAchilleaSaeidnia et al (2011)
1-4خواص درمانی بومادرانبومادران، گیاهی است دارویی و ارزنده که مصرف آن از قرن اول میلادی بین مردم معمول بوده است به طوری که در آن زمان برای برای بند آوردن خون و علاج زخم هایی که با خونروی همراه بوده استفاده می شده و به آن اعتقاد زیاد داشته اند. ضمناً از این گیاه در مراسم سحر و جادو استفاده می کرده اند. در قرون وسطی، بومادران را برای بند آوردن خونروی های بینی، اختلالات قاعدگی، بی خوابی، اختلالات بینایی، وجود خون در ادرار، اخلاط خونی، صرع و غیره به کار می برده اند. استفاده از آن برای مصارف درمانی از این زمان به بعد رو به افزایش یافت به طوری که تدریجاً علاوه بر موارد مذکور، از آن در رفع بیماری هایی نظیر بیماری های کبدی و کلیوی، بواسیر و غیره استفاده می شده است و با آن که در قرن حاضر، تدریجاً استفاده از آن کاهش یافت، با این حال، بررسی های جدید، ضمن تأیید برخی از اثرات درمانی بومادران، جای آن را در ردیف گیاهان دارویی مفید، محفوظ نگهداشت. دم کرده سرشاخه های گلدار بومادران، در رفع گاستریت های حاد و مزمن، رفع نفخ اثر نافع دارد. ضمناً سوء هاضمه های ناشی از نفخ را از بین می برد.
بومادران ، در رفع ترشحات زنانگی، بند آورندن خون، بواسیرهای خونی و اسهال های ساده اثر معالج دارد و چون در این گونه موارد به طور قاطع عمل می کند، اعتقاد مردم به آن در طی قرون متمادی همواره زیاد بوده است. بررسی ها نشان داد که با مصرف بومادران، از ترشحات مخاط رکتوم نیز که موجب پرخونی و تورم ناحیه دردناک بواسیر می شود، جلوگیری می شود. اثر قاعده آور بومادران باعث آن شد که در طی قرون متمادی، مردم از آن پیوسته استفاده کنند و چون با تکرار مصرف آن، اثر سویی در بیمار به وجود نمی آید، از آن برای تنظیم قاعدگی در مواقعی که به صورت ناکافی به وقوع می پیوندد و هم چنین برای جلوگیری از درد و ناراحتی در مواقع اشکال وقوع قاعدگی استفاده می شود. بومادران به علت اثر مدر خود در ازدیاد حجم ادرار و دفع سنگ کلیه نیز موثر است، به علاوه باد شکن و تب بر می باشد(2و3).
1-5- نقش سیستم نیتررژیک در دستگاه قلب و عروق:در سال 1980 ، Furchgott و Zawadski در تحقیقات خود بر روی عروق متوجه شدند که استیل کولین در آئورتی که دارای اندوتلیوم سالم می باشد اثر شل کنندگی دارد. این محققین به این نتیجه رسیدند که استیل کولین سبب تحریک آزاد شدن ماده ای از اندوتلیوم می گردد که باعث اتساع عروقی می شود و آن ها این ماده را ، فاکتور متسع کننده ی مشتق شده از اندوتلیوم (EDRF) نامیدند. چند سال بعد محققینی دیگر متوجه شدند که این ماده که باعث اتساع عروقی می شود همان گاز NO (نیتریک اکساید) است که این مولکول ، یکی از مهمترین مولکول ها در فیزیولوژی پستانداران است. در سلول های پستانداران، NO از آمینواسید L-arginine تولید می شود که از اکسید شدن این آمینواسید، L-Citruline و گاز NO تولید می شود(شکل 1-3). این واکنش به وسیله آنزیم های خانواده NOS کاتالیز می شود که تا به حال سه ایزوفرم از آن شناسایی شده است. نیتریک اکساید به عنوان یک مولکول سیگنالینگ در سیستم های قلب و عروق ودستگاه عصبی عمل می کند و در سیستم ایمنی و بهبود زخم هم نقش دارد. در سیستم قلب و عروق، NO عمدتا از سلول های اندوتلیال عروق و به میزان کمتری توسط پلاکت ها تولید می شود و مهمترین عملکرد آن خاصیت Vasodilation آن است. این مولکول همچنین از تجمع پلاکت ها و تکثیر بیش از حد سلول های اندوتلیال عروق جلوگیری می کند. از ایزوفرم های مختلف آنزیم NOS ، ایزوفرم eNOS در سلول های اندوتلیالی وجود دارد که با افزایش غلظت کمپلکس کلسیم-کالمودولین و فعال سازی آنزیم eNOS باعث تولید نیتریک اکساید می شود. نیتریک اکساید بسیاری از اثرات خود را بر روی مولکول هدف از طریق گوانیلیل سیکلاز(sGC) اعمال می کند که این آنزیم باعث تبدیل GTP به cGMP می شود که مهمترین پیام بر ثانویه داخل سلولی برای NO است که cGMP باعث فعال ساز ی پروتئین کیناز G) (PK می شود که این پروتئین کیناز باعث کاهش غلظت کلسیم داخل سلولی می شود که این باعث کاهش فسفریلاسیون وابسته به کلسیم زنجیره سبک میوزین می شود و در نهایت موجب ریلکس شدن عروق و افزایش جریان خون در این عروق می شود
(Queen and Ferro, 2006)و(Chunying LI et al, 2005) و(Robert W et al, 2001) .

شکل 1- 3-سنتز نیتریک اکساید در اندوتلیوم عروقDavid C. Gaze(2012)

1-6- عوامل تعیین کننده فشار شریانیفشار شریانی را می توان به صورت فشار متوسط شریانی تعریف کرد که میانگین فشار در طول زمان است و یا می توان به صورت فشار سیستولی(فشار حداکثر) و فشار دیاستولی(فشار حداقل) در سیکل قلبی تعریف کرد. اختلاف بین فشار سیستولی و دیاستولی را فشار نبض((Pulse pressure گویند. عوامل تعیین کننده ی فشار خون شریانی به دو دسته عوامل فیزیکی و فیزیولوژیکی تقسیم می شوند. دو عامل فیزیکی عبارتند از: حجم مایع(یعنی حجم خون) در سیستم شریانی و ویژگی های ارتجاعی سیستم(کمپلیانس). عوامل فیزیولوژیکی شامل برون ده قلب( که برابر است با ضربان قلب ضربدر حجم ضربه ای) و مقامت محیطی می شود(برن ولوی،2011) و(Khan and Gilani, 2011)
1-7- مشخصات عملکرد دستگاه عصبی اتونوم(سیستم سمپاتیک و پاراسمپاتیک)فیبرهای عصبی سمپاتیک وپاراسمپاتیک یکی از دوماده ی میانجی سیناپسی استیل کولین یا نوراپی نفرین را ترشح می کنند. فیبرهای ترشح کننده استیل کولین را کولینرژیک می نامند و فیبرهای ترشح کننده نوراپی نفرین را آدرنرژیک می گویند که مشتق از آدرنالین یعنی معادل اپی نفرین است(گایتون هال،2011).
نورون هایی که کولینرژیک هستند عبارتند از:1-کلیه نورون های پیش عقده ای، 2-نورون های پس عقده ای پاراسمپاتیک، 3-نورون پس عقده ای سمپاتیک که به غدد عرق عصب می دهند و 4- نورون های سمپاتیک که روی عروق خونی عضلات مخطط ختم شده و هنگام تحریک موجب اتساع عروقی می شوند. باقیمانده نورون های پس عقده ای سمپاتیک نورآدرنرژیک هستند. قسمت مرکزی غده فوق کلیوی در اصل یک عقده سمپاتیک است که در آن سلول های پس عقده ای آکسون های خود را از دست داده و مستقیما نوراپی نفرین، اپی نفرین و مقداری دوپامین را به داخل جریان خون ترشح می کنند. نتیجتا نورون های پیش عقده ای کولینرژیکی که به این سلول ها می روند به صورت اعصاب حرکتی ترشحی این غده درآمده اند.
معمولا هیچ گونه استیل کولینی در گردش خون وجود ندارد و اثرات تخلیه کولینرژیک موضعی به علت غلظت زیاد استیل کولین استراز در انتهاهای عصبی کولینرژیک عموماً محدود، مجزا و کوتاه مدت است. نوراپی نفرین تا مسافت های دورتری انتشار می یابدو عمل طولانی تری از استیل کولین دارد(گانونگ 2010).
1-8- نقش سیستم عصبی اتونوم در تنظیم عملکرد گردش خون:مهمترین قسمت سیستم عصبی خودکار در تنظیم عملکرد گردش خون، سیستم عصبی سمپاتیک است. سیستم عصبی پاراسمپاتیک نیز به خصوص در تنظیم عملکرد قلب نقش دارد.
1-9- سیستم عصبی سمپاتیک:رشته های عصبی وازوموتور سمپاتیک از طریق کلیه ی اعصاب نخاعی توراسیک و اولین یا دومین اعصاب نخاعی کمری از نخاع خارج می شوند. سپس این رشته ها وارد زنجیره سمپاتیک می شوند که در دو طرف ستون مهره ها واقع شده اند. پس از این، رشته های سمپاتیک از دو طریق روی گردش خون اثر می گذارند: 1) از طریق اعصاب سمپاتیک که عمدتا عروق احشای داخلی و قلب را تغذیه می کنند 2) با ورود به بخش محیطی اعصاب نخاعی که به عروق محیطی می روند(گایتون هال، 2011) و (Lin et al, 2003)
1-10- عصب دهی سمپاتیکی عروق خونی:در اکثر بافت ها تمام عروق به جز مویرگ ها، توسط این رشته ها عصب دهی می شوند. اسفنگترهای پیش مویرگی و متارتریول ها در برخی از بافت ها از جمله عروق خونی مزانتر عصب دهی می شوند. با این وجود، عصب دهی سمپاتیکی آن ها بسیار کمتر از شریان ها، شریانچه ها و وریدها می باشد. عصب دهی شریان های کوچک و شریانچه ها این امکان را فراهم می آورد که با تحریک سیستم سمپاتیک مقاومت عروقی در مقابل جریان خون افزایش یافته و در نتیجه سرعت جریان خون بافتی کاهش یابد. عصب دهی عروق بزرگ، به خصوص وریدها، باعث می شود که در موارد تحریک سمپاتیکی، حجم این عروق کاهش یابد. این رخداد موجب می شود که خون به سمت قلب فرستاده شود و بنابراین نقش مهمی در تنظیم عملکرد پمپی قلب داردگایتون هال، 2011) و (Paul and Levy, 1980).
1-11- رشته های سمپاتیک قلب:علاوه بر رشته های سمپاتیکی که عروق خونی را تغذیه می کنند، رشته های عصبی سمپاتیک به طور مستقیم نیز به قلب می روند. تحریک سمپاتیک به طور مشخص فعالیت قلب را افزایش می دهد و این اثر هم از طریق افزایش سرعت ضربان قلب و هم با افزایش قدرت قلب و حجم خون پمپ شده اعمال می شود (L.R.Queen, and A. Ferro, ).
TOC h z t "عنوان;1"

فصل دوم
مروری بر مطالعات پیشین
2-1- مطالعات انجام شده در رابطه با اثرات بومادراندر تحقیقی مکانیسم کاهش فشار خون توسط عصاره های هیدرواتانولی و دی کلرومتانی و اتیل استاتی و بوتانولی و دی کلرومتان-2 و همچنین فلاوونوئید Ar--etin استخراجی از گیاه Achillea millefolium بررسی شده است. در این تحقیق مصرف خوراکی عصاره های هیدرواتانولی و دی کلرومتانی و دی کلرومتان-2 به طور قابل ملاحظه ای فشار میانگین سرخرگی را در موش های با فشار نرمال کاهش داد. آنالیز فیتوشیمیایی این عصاره ها، وجود مقدار زیادی Ar--etin را در این عصاره ها نشان داد که بعد از جداسازی این فلاوونوئید ، هم به صورت خوراکی و هم تزریق داخل وریدی بر روی موش اثر داده شد و در یک روش وابسته به دوز فشار میانگین سرخرگی را کاهش داد. نتایج این آزمایش نشان داد که اثر کاهش فشار خون توسط Achillea millefolium ممکن است بخشی از آن به خاطر وجود میزان بالای فلاوونوئید Ar--etin و توانایی آن در کاهش تولید آنژیوتنسین ΙΙدر شرایط in vivo از طریق ممانعت از عملکرد آنزیم ACE باشد(Desoza et al,2011).
در تحقیقی اثر کاهش فشار خون گیاه Achillea millefolium و هم چنین عملکردهای ممانعتی آن بر روی قلب و عروق و اثر گشادکنندگی آن بر روی نای مشخص شده است. نتایج این پژوهش استفاده دارویی از این گیاه برای درمان بیماری های قلب و عروق و دستگاه تنفسی مثل فشار خون بالا و آسم را نشان داد (Khan et al, 2o11).
محققی به نام Dallacqueو همکاران (2011)، اثرات عصاره ی A. millefolium بر فعالیت Vasoprotective را در شرایط in vitro بررسی کردند. در این تحقیق عصاره این گیاه باعث افزایش رشد سلول های اولیه ی ماهیچه ی صاف عروق در رت گردید. همچنین در این تحقیق اثر عصاره این گیاه بر روی مسیر NF-KB در سلول های اندوتلیال ورید نافی انسان بررسی شد. نتایج نشان داد که عصاره با اثر ممانعتی بر روی NF-KB می تواند از التهاب عروقی جلوگیری کند. یافته های این محققین، استفاده سنتی از این گیاه بر روی بیماری های قلب و عروق را تاییدکرد.
نیازمند وهمکاران (2011)، در تحقیقی اثر عصاره آبی-اتانولی A. wilhelmsiiرا بر روی فشارخون در خرگوش بررسی کردند. نتایج این تحقیق نشان داد که عصاره این گونه به طور قابل ملاحظه ای باعث کاهش فشارخون شد. به گفته این محققین اثرکاهش دهندگی فشارخون عصاره این گیاه ممکن است بخاطر cardiac depressant و یا اثرات گشادکنندگی عروق باشد.
عسگری و همکاران در سال ( 2000 ) اثرات گیاه Achillea wilhelmsii را بر روی فشار خون و ضد چربی خون بررسی کردند. در این مطالعه به صورت تصادفی 120 نفر زن و مرد در سنین بین 60-40 سال انتخاب شدند و به آن ها روزی دو بار و هر مرتبه 20-15 قطره از عصاره ی هیدروالکلی گیاه Achillea wilhelmsii داده شد و این درمان به مدت بیش از شش ماه ادامه داشت. فشار خون و لیپیدهای سرمی (کلسترول ،تری گلیسرید ، LDL، HDL) در طی دو ماه در سه مرحله اندازه گیری شد. نتایج، کاهش قابل ملاحظه ای در میزان تری گلیسریدها، بعد از دو ماه نشان داد، در حالی که کاهش قابل ملاحظه در میزان تری گلیسرید ها، کلسترول(Totalcholesterol) و LDL cholesterol بعد از چهار ماه دیده شد. میزان HDL-cholesterol به طور قابل ملاحظه ای بعد از شش ماه درمان افزایش یافت. کاهش قابل ملاحظه ای در فشار دیاستولی و فشار سیستولی به ترتیب بعد از دو و شش ماه دیده شد.
بومادران (Achillea millefolium) به طور مؤثر می تواند لایه موکوسی معده را محافظت کند و از ترشح اسید معده جلوگیری کند. در تحقیقی عصاره آبی برگ های این گونه از جنس Achillea باعث محافظت از لایه موکوسی معده در مقابل عمل نکروزی مستقیم اتانول شده که این اتانول می تواند باعث آسیب به لایه موکوسی معده از طریق تخریب لایه ژلاتینی متشکله از موکوس و بی کربنات سطح داخلی معده شود که این لایه ژلاتینی از زخم شدن معده جلوگیری می کند. تحریک رسپتورهای موسکارینی M3 سلول های جداری، افزایش سطوح پپتیدهای تنظیمی معده ای، تحریک هیستامین و کاهش میزان جریان خون لایه موکوسی معده، باعث افزایش میزان ترشح معده و کاهش فاکتورهای حفاظتی معده می شود. عصاره این گونه از بومادران، باعث کاهش حجم و اسیدیته شیره معده شد که احتمالاً عصاره با بلاک کردن رسپتورهای موجود در سلول های جداری(M3، رسپتور هیستامینی H2 و رسپتور گاسترینی cckb) باعث این نقش حفاظتی مهم شده است(Baggio et al,2002)
بومادران (Achillea wilhelmsii) باعث تحریک سیستم ایمنی می شود. در مطالعه ای که بر روی موش انجام شد، عصاره آبی این گونه از جنس Achillea باعث تحریک ایمنی سلولی و ایمنی هومورال شدکه این فعالیت می تواند به خاطر حضور فلاوونوئید ها یا ساپونین ها باشد که این ها از طریق تحریک ماکروفاژها و لنفوسیت های B باعث افزایش تولید آنتی بادی و در نتیجه تقویت سیستم ایمنی می شوند(Sharififar et al, 2009).
در طب سنتی از گونه های جنس Achillea برای فرآیند بهبود زخم استفاده می شود. در تحقیقی برای تایید این موضوع از عصاره های یکی از گونه های بومی این جنس در ترکیه به نام Achillea biebersteinii بر روی دو مدل زخم سطحی و عمقی در رت استفاده شد و عصاره های مختلف این گیاه، باعث تسریع فرآیند بهبود زخم شدند و عصاره –n هگزانی این گیاه دارای اثراتی مشابه داروی Madecassol بود که این دارو برای بهبود زخم استفاده می شود. موقعی که یک زخم ایجاد می شود و در معرض محیط خارجی قرار می گیرد احتمال آن وجود دارد که به وسیله میکروب ها مورد تهاجم قرار گیرد که باعث تاخیر در فرآیند بهبود زخم می شوند. علاوه بر این حضور میکروب ها در محل زخم باعث تجمع ماکروفاژها و نوتروفیل ها در آن ناحیه می شوند که این ها باعث تولید ROS می شوند که اگر میزان ROS تولیدی زیاد باشد می تواند باعث القاء آسیب بافتی شدید شود که این هم مانعی برای فرآیند بهبود زخم است. عصاره این گیاه دارای پتانسیل آنتی اکسیدانی و فعالیت ضد میکروبی می باشد که از این طریق می تواند به عنوان یک دارویی مفید برای تسریع در فرآیند بهبود زخم باشد(Akkol et al, 2009).
بومادران دارای فعالیت ضد میکروبی نیز می باشد. در پژّوهشی در شرایط In vitro عصاره اتانولی و روغن فرار Achillea eriophora مانع رشد میکروارگانیسم های بیماریزا شد.در این تحقیق مشخص شد کهStaphylococcus aureus نسبت به روغن فرار Achillea eriophora بسیار حساس است. روغن فرار این گیاه در غلظت های مختلف از رشد میکروب های دیگری مثل Aspergillus niger، Bacillus subtilis، Candida albicans، Pseudomonas aeruginosa، Escherchia coli جلوگیری کرد. بنابراین از این گیاه می توان بر ضد میکروب های فرصت طلبی که باعث بیماریهای دستگاه تنفسی مثل سرماخوردگی می شوند استفاده کرد. همچنین از روغن فرار Achillea eriophoraمی توان به عنوان ضدمیکروب طبیعی و نگهدارنده و محافظت کننده غذایی با خطر کم استفاده کرد (Ghasemi et al, 2008).
گونه های جنس Achillea از التهاب ایجاد شده در اثر عفونت و آسیب نیز جلوگیری می کنند. در تحقیقی از لیپوپلی ساکارید) (LPSجدا شده از دیواره سلولی باکتری های گرم منفی برای فعال کردن ماکروفاژهای RAW264.7 موش در محیط کشت استفاده شد و با فعالیت ماکروفاژها تعداد زیادی واسطه های التهابی مثل NO، COX-2، TNF-α و IL-6تولید شد که روغن فرار گونه Achilleamillefolium L. با کاهش این عوامل التهابی، از پیشرفت پاسخ التهابی در این ماکروفاژها جلوگیری کرد(Chou et al, 2013).
گیاهان جنس Achillea باعث کاهش التهاب عصبی می شوند که این التهاب عصبی، نقش مهمی در پیشرفت بیماری هایی مثل پارکینسون و آلزایمر دارد و در این فرآیند تحریک زیاد سلول های میکروگلیال نقش دارد و با تولید واسطه های التهابی اولیه مثل سایتوکاین ها، MMP(matrixmetallo proteinases) و ROS و NO باعث مرگ سلول های عصبی می شوند. در تحقیقی عصاره Achillea fragrantissima از تولید بیش از حد واسطه های التهابی توسط سلول های میکروگلیال موش در محیط کشت جلوگیری کرد. بنابراین می تواند برای کنترل بیماری های تخریب نورونی در نظر گرفته شود . (Elmann et al, 2011)
بومادران (Achillea millefolium) اثر حفاظتی روی کبد دارد. در تحقیقی از (D-GalN) D-galactosamine و لیپوپلی ساکارید(LPS) برای القاء آسیب کبدی در موش استفاده شد و این آسیب با اندازه گیری میزان آلانین آمینوترانسفراز(ALT) و آسپارتات آمینوترانسفراز (AST) پلاسما تایید شد. عصاره آبی-متانولی این گونه از بومادران به طور قابل ملاحظه ای میزان ALT و AST را در موش هایی که با این گیاه تحت درمان قرار گرفته بودند کاهش داد واین اثر محافظتی بومادران روی کبد با مشاهدات بافت شناسی نیز تایید شد. (Sheikh Yaeesh et al, 2006)
2-2- هدفاز آن جایی که یکی از گونه های جنس Achillea به نام A. eriophora بومی استان فارس و استان های هم جوار می باشد و با توجه به گزارشاتی که در خصوص اثرات متعدد و متنوع این گیاه موجود است، در تحقیق حاضر بررسی اثر آن بر بعضی از پارامترهای قلب و عروق مد نظر است.
2-3- فرضیاتعصاره آبی الکلی این گونه از بومادران موجب تغییراتی در فشار خون و پاسخ دهی آن به سیستم های کولینرژیک، آدرنرژیک و سیستم نیتریک اکساید می شود.
فصل سوممواد و روش ها
3-1- مواد مورد استفادهعصاره آبی الکلی برگ و گل بومادران شیرازی
موش صحرایی نر بالغ نژاد ویستار
غذای موش(خریداری شده از شرکت جوانه خراسان)
ماده بیهوشی (Urethane) ساخت شرکت SIGMA
دی اتیل اتر
اتانول 70 درصد
آب مقطر
کاغذ صافی
سرنگ انسولینی، 5 و 10 سی سی با نیدل G23
سرم فیزیولوژیک
نرمال سالین
هپارین
استیل کولین(Acetylcholine hydrochloride) (تهیه شده از از شرکت Merk آلمان)
اپی نفرین( ساخت شرکت دارو پخش ایران)
داروی ممانعت کننده آنزیم نیتریک اکساید سنتتاز(L-NAME) (ساخت شرکت SIGMA-ALDRCH آلمان)
3-2- وسایل مورد استفادهوسایل تشریح( قیچی جراحی چشم، قیچی معمولی، تشتک تشریح، پنس، کلمپ، Moser)
میکروسکوپ
کانول پلی اتیلن PE 50
سمپلر
وسایل شیشه ای شامل بشر، پیپت، استوانه مدرج،لوله آزمایش
لوله آزمایش
قفس نگهداری حیوان
میز جراحی
یخچال فریزر 20-
ترازو
فشار سنج جیوه ای
ترمومتر مقعدی
کامپیوتر و نرم افزلر chart
دستگاه Power lab مجهز به Pressure transducer، Bridge amplifier
3-3- روش کار
3-3-1- روش عصاره گیریدر ابتدا گیاه بومادران شیرازی از ارتفاعات اطراف باغ ارم شیراز از ارتفاع حدود 1500 متر در ماه خرداد جمع آوری گردید و فوراً علف های هرز و قسمت های غیرقابل استفاده گیاه جدا شد و با انتقال به دانشکده علوم توسط استاد گیاه شناسی دانشکده علوم دانشگاه شیراز، مورد شناسایی علمی قرار گرفت. سپس گیاه جمع آوری شده سالم در محیط سایه و بدون رطوبت خشک گردید. پس از خشک شدن به دانشکده داروسازی دانشگاه علوم پزشکی شیراز منتقل شد و زیر نظر متخصص فارماکوگنوزی به روش پرکولاتور عصاره گیری انجام شد.
ابتدا گل ها و برگ ها از قسمت ساقه جدا شدند و توسط دستگاه آسیاب به پودر تبدیل شدند و وزن پودر یادداشت شد. در سوراخ انتهای قیف پرکولاتور(شکل 3-1) مقداری پنبه طوری قرار داده شد که سوراخ آن کاملا مسدود شود. بعد روی آن پودر گیاه ریخته شد و روی پودر هم یک تکه کاغذ صافی قرار داده شد و روی کاغذ صافی هم وزنه ای قرار داده شد. سپس به میزان کافی اتانول 70 در صد ( 73 میلی لیتر اتانول 96درصد و 27 میلی لیتر آب مقطر) به پودر اضافه شد تا فضای بین پودر بومادران را پرکند و به طور کامل حلال روی پودر قرار گیرد. به محض نفوذ حلال به داخل پودر، دوباره مقداری از اتانول 70 درصد استفاده می شد. دور قیف پرکولاتور و هم چنین روی آن با فویل آلومینیومی پوشانده شد و در زیر قیف هم ظرفی تیره قرار می گرفت که رنگ تیره این ظرف مانع از تاثیر مضر نور بر روی عصاره می شد. روی ظرف هم قیفی قرار داده شد که عصاره خارج شده از قیف به داخل ظرف هدایت شود. حدود 67 ساعت طول کشید تا بومادران به روش پرکولاتور عصاره گیری شود. در طول این مدت با پایین آمدن سطح حلال، به میزان کافی اتانول 70 اضافه می شد و میزان آن هم یادداشت می شد. بعد از آن عصاره رقیق توسط دستگاه روتاری(شکل3-2) تا حد ممکن تغلیظ گردید. به خاطر عدم تبخیر کامل حلال، با نظر استاد فارماکوگنوزی فرآیند تغلیظ عصاره توسط روتاری متوقف شد و ادامه کار توسط دستگاه Freez dryer(شکل 3-3) انجام شد. عصاره در یک بالن کوچک مخصوص ریخته شد و در دستگاه قرار داده شد و دور بالن هم توسط فویل آلومینیومی پوشانده شد. حدود 48 ساعت طول کشید تا عصاره توسط دستگاه Freez dryer در دمای 49- درجه سانتیگراد به حالت پودری تبدیل شود. میزان پودر گل و برگ بومادران 146.66 گرم بود و در نهایت 24 گرم عصاره به دست آمد و راندمان این فرآیند عصاره گیری %16.36بود.
130238581915
شکل 3-1 قیف پرکولاتور
شکل 3-2-روتاری
شکل 3-3- Freez-dryer3-3-2-چگونگی تهیه و نگهداری موش های صحرایی
تعداد 55 سر موش صحرایی نر بالغ از نژاد ویستار با محدوده وزنی 250-220 گرم از موسسه رازی شیراز خریداری و به اتاق حیوانات بخش زیست شناسی دانشکده علوم منتقل گردید. رت ها به مدت یک هفته در شرایط کنترل شده نور (12 ساعت روشنایی و 12 ساعت تاریکی) و درجه حرارت حدود 22 درجه سانتی گراد نگهداری می شدند. در طول مدت نگهداری، غذا و آب به اندازه کافی در اختیار آن ها قرار می گرفت تا به این وسیله از سلامت کامل آن ها مطمئن شویم.
3-3-3-گروه بندی موشهاابتدا بر روی 15 موش اثرات دوز های مختلف محلول عصاره بررسی شد و دوز موثر انتخاب شد. سپس برای بررسی اثرات عصاره و حلال هم حجم آن از 10 سر موش استفاده شد که به صورت تصادفی در دو گروه کنترل(بررسی اثرات حلال)و گروه آزمایش(بررسی اثرات عصاره) قرار می گرفتند.
برای بررسی تداخل اثر عصاره و حلال با سیستم های کولینرژیک، آدرنرژیک و نیتررژیک 30 رت به صورت تصادفی به شش گروه پنج تایی تقسیم شدند:
1- گروهی که به آن ها حلال هم حجم عصاره(اتانول 70%) و داروی استیل کولین تزریق شد. در این گروه، حالت پایه، حالتی بود که موش ها فقط سرم فیزیولوژیک دریافت می کردند. بعد از سی دقیقه ثبت نرمال به حیوان آب مقطر به عنوان حلال استیل کولین تزریق شد و ده دقیقه پارامترها ثبت گردید. بعد از این مرحله به حیوان استیل کولین تزریق شد و چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد و در مرحله آخر استیل کولین به همراه اتانول 70 درصد تزریق شد و باز هم به مدت چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد.
2- گروهی که به آن ها عصاره (mg/kg60) و داروی استیل کولین تزریق شد. در این گروه، حالت پایه، حالتی بود که موش ها فقط سرم فیزیولوژیک دریافت می کردند. بعد از سی دقیقه ثبت نرمال به حیوان آب مقطر به عنوان حلال استیل کولین تزریق شد و ده دقیقه پارامترها ثبت گردید. بعد از این مرحله به حیوان استیل کولین تزریق شد و چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد و در مرحله آخر استیل کولین به همراه عصاره بومادران تزریق شد و باز هم به مدت چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد.
3- گروهی که به آن ها حلال هم حجم عصاره(اتانول 70%) و داروی اپی نفرین تزریق شد. در این گروه، حالت پایه، حالتی بود که موش ها فقط سرم فیزیولوژیک دریافت می کردند. بعد از سی دقیقه ثبت نرمال به حیوان آب مقطر به عنوان حلال اپی نفرین تزریق شد و ده دقیقه پارامترها ثبت گردید. بعد از این مرحله به حیوان اپی نفرین تزریق شد و چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد و در مرحله آخر اپی نفرین به همراه اتانول 70 درصد تزریق شد و باز هم به مدت چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد.
4- گروهی که به آن ها عصاره (mg/kg60) و داروی اپی نفرین تزریق شد. در این گروه، حالت پایه، حالتی بود که موش ها فقط سرم فیزیولوژیک دریافت می کردند. بعد از سی دقیقه ثبت نرمال به حیوان آب مقطر به عنوان حلال اپی نفرین تزریق شد و ده دقیقه پارامترها ثبت گردید. بعد از این مرحله به حیوان اپی نفرین تزریق شد و چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد و در مرحله آخر اپی نفرین به همراه عصاره بومادران تزریق شد و باز هم به مدت چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد.
5- گروهی که اتانول 70درصد و L-NAME دریافت می کردند که در این گروه، حالت پایه فقط سرم فیزیولوژیک دریافت می کردند. بعد از سی دقیقه ثبت نرمال به حیوان آب مقطر به عنوان حلال L-NAME تزریق شد و ده دقیقه پارامترها ثبت گردید. بعد از این مرحله به حیوان محلول L-NAME تزریق شد و چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد. با توجه به اینکه حدود 20 دقیقه لازم بود که اثرات این دارو کاملا ظاهر شود و پارامترهای قلبی عروقی در یک سطح حدودا ثابتی قرار گیرند، در بررسی نتایج اعداد مربوط به 20 دقیقه اول در نظر گرفته نشد. در مرحله آخر اتانول 70 درصد تزریق شد و باز هم به مدت چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد.
6- گروهی که عصاره و L-NAME دریافت می کردند که در این گرو، حالت پایه فقط سرم فیزیولوژیک دریافت می کردند. بعد از سی دقیقه ثبت نرمال به حیوان آب مقطر به عنوان حلال L-NAME تزریق شد و ده دقیقه پارامترها ثبت گردید. بعد از این مرحله به حیوان محلول L-NAME تزریق شد و چهل و پنج دقیقه ثبت گرفته شد. بعد از آن عصاره تزریق شد و چهل و پنج دقیقه ثبت گرقته شد. در این گروه نیز اعداد مربوط به 20 دقیقه اول در مرحله تزریق L-NAME در نظر گرفته نشد.
3-3-4- اجزای سیستم ثبت فشار خون
در این تحقیق، فشار خون و پارامترهای مربوط به آن توسط Pressure transducer ثبت می گردید. این ترانسدیوسر به یک Bridge amplifier که عملکرد آن تقویت سیگنال و فیلتر نمودن نویزهاست متصل می شد. بریج امپلی فایر به Recorder متصل می شد و نتایج ثبت شده بر روی مانیتور مشخص می شد(شکل 3-4).
Bridge amplifier
Recorder

شکل 3-4- دستگاه Power lab
3-4- مراحل انجام آزمایشدوازده ساعت قبل از بیهوش کردن موش ها، غذای آن ها قطع می شد ولی به آب دسترسی داشتند. بعد از دوازده ساعت، ابتدا به وسیله تزریق داخل صفاقی Urethane( دوزg/kg2/1(، حیوان بی هوش شده و سپس برای جلوگیری از آسپیره شدن و خفگی در زمان بی هوشی، تراکئوستومی(شکل 3-5) انجام شده و نای حیوان کانوله می گردید. برای دسترسی به عروق فمورال، برش کوچکی در سطح داخلی ران ایجاد کرده و با پنس مجرای این برش باز و گشاد می شد. سپس با استفاده از قیچی چشم پزشکی سرخرگ و سیاهرگ رانی را شکاف داده و کانول گذاری می شد(شکل 3-6). از کانول سیاهرگی برای انجام تزریقات در حین آزمایش استفاده می شد و کانول سرخرگی به دستگاه پاورلب وصل شده که از این طریق فشار میانگین سرخرگی، فشار سیستول، فشار دیاستول و ضربان قلب ثبت می گردید(شکل 3-7). در کل زمان آزمایش، سرم فیزیولوژیک به مقدار 1/ . سی سی در هر ده دقیقه از طزیق کانول سیاهرگی به حیوان تزریق می شد و دمای بدن حیوان در محدوده 37 درجه سانتیگراد کنترل می گردید.

شکل 3-5-تراکئوستومی
113792016510

شکل 3-6-کانول گذاری سرخرگ و سیاهرگ رانی

شکل 3-7-اتصال کانول سرخرگی به ترانسدیوسر فشار و نحوه قرار گیری کانول سیاهرگی3-4-1- چگونگی تجویز داروپس از این که سرخرگ و ورید رانی موش کانول گذاری شد، مدت یک ساعت به موش برای به تعادل رسیدن پس از جراحی استراحت داده می شد و بعد از آن به مدت سی دقیقه پارامترهای قلبی عروقی ثبت گردید. بعد از ثبت نرمال در گروه های مختلف، با استفاده از داروهای مقلد کولینرژیک، آدرنرژیک و مهارگر آنزیم نیتریک اکساید سنتاز، چگونگی اثر گذاری آن ها و تداخل اثرشان با عصاره بومادران مورد مطالعه قرار گرفت. تمامی تزریقات به صورت داخل وریدی و از طریق کانول سیاهرگی انجام شد. برای تعیین دوز موثر عصاره، پس از تهیه محلول mg/ml 200 (200 میلی گرم عصاره در یک میلی لیتر اتانول 70)، دوزهای 40،50، 60، 80 و100میلی گرم بر کیلوگرم مورد بررسی قرار گرفتند که بهترین و بیشترین پاسخ با دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم مشاهده گردید. بعد از تعیین دوز mg/kg 60 به عنوان دوز موثر، تداخل اثر این دوز از عصاره بومادران شیرازی و حلال هم حجم آن (اتانول 70 درصد) با سیستم های کولینرژیک، آدرنرژیک و نیتریک اکساید مورد بررسی قرار گرفت. برای تهیه محلول تمامی داروها از آب مقطر استفاده شد.
3-5- واکاوی آماری
گراف های ثبت شده با استفاده از نرم افزار Lab chart متعلق به سیستم Power lab به اعداد تبدیل شدند و این اعداد به وسیله نرم افزار SPSS و با استفاده از Paired- samples T-test برای تحلیل آماری درون گروهی و برای تحلیل آماری بین گروهی از آزمون آماری Independent T-test با در نظر گرفتن P<0.05 به عنوان سطح معنی دار، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

فصل چهارم
نتایج
4-1-گراف های ثبت شده با دستگاه
شکل 4-1-گراف ثبت شده از ABP , Ps , Pd , MAP , HR (به ترتیب از بالا به پایین) در حالت پایه
شکل 4-2-گراف ثبت شده از ABP , PS , Pd , MAP , HR (به ترتیب از بالا به پایین) در حالت تزریق عصاره

شکل 4-3-گراف ثبت شده از ABP ,PS, Pd , MAP , HR (به ترتیب از بالا به پایین) در حالت تزریق حلال عصاره(اتانول 70 درصد)نتایجی که در قالب جدول و یا شکل در این فصل آمده است بر حسب میانگین±خطای میانگینSEM)± (Mean بیان شده است.
4-2- فشار میانگین سرخرگی در پاسخ به دوز های مختلف عصاره شیرین بیان
با بررسی دوزهای مختلف عصاره بومادران، بهترین و طولانی ترین افت فشار میانگین سرخرگی در دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم اتفاق افتاد.
n=3

شکل 4-4- نمودار تغییرات فشارمیانگین سرخرگی در پاسخ به دوزهای مختلف عصاره بومادران شیرازی نسبت به حالت پایه4-3- فشار میانگین، فشار سیستولی ، دیاستولی و ضربان قلب در حضور عصاره و حلال عصاره4-3-1 مقایسه اثرات عصاره بومادران (دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم) با اثرات حلال هم حجم عصاره (اتانول 70 درصد) بر روی فشار خونبا توجه به جدول 4-1 و شکل 4-5 فشار خون( میانگین سرخرگی، سیستولی و دیاستولی) در حالت تزریق حلال عصاره نسبت به حالت پایه تغییرات قابل ملاحظه ای نشان نداده است.
با توجه به جدول 4-2 و شکل 4-6 فشارخون ( میانگین سرخرگی، سیستولی و دیاستولی) در حالت تزریق عصاره بومادران (دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم) نسبت به حالت پایه تغییرات معنی داری داشته است.
جدول 4-1- تغییرات فشار (سیستولی، دیاستولی و میانگین) درمرحله تزریق حلال عصاره نسبت به حالت پایه Mean pressure
(mm Hg) n=5 Diastolic pressure
(mm Hg) n=5 Systolic pressure
(mm Hg) n=5 Stage
Time(min)
Solvent Base Solvent Base Solvent Base 92.7±4.7
93.2±4.3
93.2±4.5
85.7±7.2
95.4±8.1 91.8±4.8
89.2±5.7
96.3±4.5
91.6±6.6
96.1±3.8 74.9±4.4
75.6±3.9
75.4±4.2
68.7±6.5
78.7±8 74±4.7
71.7±5.4
78.3±4.3
74.2±6.4
78.3±3.6
128.4±5.5
128.5±5.4
128.7±5.2
119.9±8.7
128.9±8.6
127.6±5.2
124.4±6.3
132.3±4.9
126.6±7.1
131.7±4.3 1-5
5-10
10-15
15-20
20-25
جدول 4-2- مقایسه تغییرات فشار (سیستولی، دیاستولی و میانگین) درمرحله تزریق عصاره بومادران نسبت به حالت پایه Mean pressure
(mm Hg) n=5 Diastolic pressure
(mm Hg) n=5 Systolic pressure
mm Hg)n=5) Stage
Time(min)
erio Base erio Base erio Base 91.8±3.4 b
96.1±1.9
93.1±3.2
89.8±.6 b
87.4±1.7 b 99.7±1.7
103±.6
102.1±1
100.1±1
100.1±3.5 76.7±5
81±3.3
77.8±4.1
74.9±1.6 b
72.4±.4 b 86.3±1.5
89.4±.6
87.8±.6
86.2±.7
86.2±2.7 122.2±.2
126.3±.8 b
123.8±1.2
119.6±1.2 b
117.3±4.2 b 126.6±2.1
130.3±.6
130.7±1.7
127.9±1.6
127.9±5 1-5
5-10
10-15
15-20
20-25
b : اختلاف معنی دار حالت تزریق عصاره(erio) نسبت به حالت پایه(Base)
4-3-2 مقایسه اثرات عصاره بومادران (دوز 60 میلی گرم بر کیلوگرم) با اثرات حلال هم حجم عصاره (اتانول 70 درصد) بر روی ضربان قلببا توجه به جدول 4-3 و شکل 4-7 و شکل 4-8، ضربان قلب درحالت تزریق حلال نسبت به حالت پایه در گروه کنترل و در حالت تزریق عصاره نسبت به حالت پایه در گروه آزمایش تغییرات قابل ملاحظه ای نداشته است.
جدول 4-3-مقایسه تغییرات ضربان قلب درحالت تزریق حلال عصاره نسبت به حالت پایه و تزریق عصاره نسبت به حالت پایهHeart rate (Beats/min)
n=5 Heart rate (Beats/min)
n=5 Stage
Time(min)
erio Base Solvent Base 410.8±8.8
404.6±7.9
414.4±3.3
414±5.7
400.2±2.6 406.1±12.1
407.1±10.9
403.3±12.5
406.8±9.1
397.7±12 372±22.2
369±22.9
369.6±17.8
352.2±26.2
351.1±27.1 372.5±22.7
366.4±22.4
376.1±23.7
367.6±27.1
372.9±23.5 1-5
5-10
10-15
15-20
20-25

شکل 4-5- تغییرات فشار(سیستولی، دیاستولی ومیانگین) در حالت تزریق حلال عصاره نسبت به حالت پایه
شکل 4-6- تغییرات فشار(سیستولی، دیاستولی ومیانگین) در حالت تزریق عصاره نسبت به حالت پایه
b : اختلاف معنی دار حالت تزریق عصاره(erio) نسبت به حالت پایه(Base) p<.05

شکل 4-7-میزان تغییرات ضربان قلب در حالت تزریق حلال نسبت به سطح پایه
شکل 4-8-میزان تغییرات ضربان قلب در حالت تزریق عصاره نسبت به سطح پایه4-4- فشار میانگین، فشار سیستولی ، دیاستولی و ضربان قلب در حضور عصاره و حلال عصاره و داروی استیل کولین(دوز 01/0 میلی گرم بر کیلوگرم)4-4-1- با توجه به شکل 4-9 و 4-10، فشار میانگین و ضربان قلب در حالت کنترل دارو و حالت پایه در هر دو گروه، در مقایسه با یکدیگر تغییرات قابل ملاحظه ای نداشته است.
در حالت پایه، حیوان سرم فیزیولوژیک دریافت می کرد.
در حالت کنترل دارو به حیوان، آب مقطر به عنوان حلال داروی استیل کولین تزریق می شد.

شکل 4-9-مقایسه میزان فشار میانگین در حالت پایه (B) و حالت کنترل داروی استیل کولین(تزریق آب مقطرW) در دو گروه کنترل و آزمایش
شکل 4-10-مقایسه میزان تغییرات ضربان قلب در حالت پایه (B) و حالت کنترل داروی استیل کولین(تزریق آب مقطرW) در دو گروه کنترل و آزمایش4-4-2- فشار سیستولی در حضور حلال عصاره و استیل کولین
با توجه به جدول های 4-4 و شکل 4-11، فشار سیستولی در حالت تزریق محلول استیل کولین نسبت به حالت کنترل دارو(تزریق آب مقطر) کاهش نشان داده است که در بعضی از دقایق این کاهش، معنی دار است. در حالت تزریق حلال عصاره تواًم با استیل کولین نسبت به حالت تزریق استیل کولین، اختلاف معنی داری دیده نشد.
جدول4-4 - تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولینStage
Time Systolic Pressure (mmHg)
Base
(n=5) Solvent of Ach (W) (n=5) Ach
(n=5) Solvent(ethanol 70%)+Ach (n=5)
Min 1-3
Min 3-6
Min 6-9
Min 9-12
Min 12-15 119.7+8.4
117.3+8.1
118.4+8.9 118.7+8.4
124.2+8.4
127.5+11.6
b110.3+9.6
b90.5+4.3


99.3+7.1
93.1+14.4
97.8+15.9 108.4+5.5
94.7+4
89+3.9
94.1+7.1
99.6+9.5
:b اختلاف معنی دار استیل کولین(Ach) با کنترل دارو(تزریق آب مقطر W) P<.05

شکل 4-11- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین:b اختلاف معنی دار استیل کولین(Ach) با کنترل دارو(تزریق آب مقطرW) P<.05
4-4-3- فشار سیستولی در حضور عصاره بومادران و استیل کولین
با توجه به جدول های 4-5 و شکل 4-12، فشار سیستولی در حالت تزریق محلول استیل کولین نسبت به حالت کنترل دارو(تزریق آب مقطر) کاهش نشان داده است که در بعضی از دقایق این کاهش، معنی دار است. فشار سیستولی در حالت تزریق تواًم عصازه و استیل کولین نسبت به حالت تزریق استیل کولین نیز کاهش نشان داد که در بعضی از این دقایق، این کاهش معنی دار بود.
جدول 4-5- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم عصاره بومادران شیرازی و استیل کولین Stage
Time Systolic Pressure (mmHg)
Base
(n=5) Solvent of Ach (W) (n=5) Ach
(n=5) erio +Ach
(n=5)
Min 1-3
Min 3-6
Min 6-9
Min 9-12
Min 12-15 119.8+6
117.3+7
123.6+3.6 123+5.3
125.1+5.3
126.8+6.7 b114.1+5
b94.2+10.4
107+5.8
104+7.4
112.8+5.9 c
94.2+9
c81.9+3.9
83.9+4.1
86.5+6.9
94.4+12.3
:b اختلاف معنی دار استیل کولین(Ach) باحالت کنترل دارو(تزریق آب مقطرW) P<.05
:c اختلاف معنی دار تزریق تواًم عصاره بومادران شیرازی(erio) و(Ach) نسبت به تزریق استیل کولین (Ach) P<.05

شکل 4-12- تغییرات فشار سیستولی در حضور تواًم عصاره و استیل کولین:b اختلاف معنی دار استیل کولین(Ach) باحالت کنترل دارو(تزریق آب مقطرW) P<.05
:c اختلاف معنی دار تزریق تواًم عصاره بومادران شیرازی(erio) و(Ach) نسبت به تزریق استیل کولین (Ach) P<.05
4 -4-4- فشار دیاستولی در حضور حلال عصاره و استیل کولین
با توجه به جدول 4-6 و شکل 4-13، فشار دیاستولی در حالت تزریق محلول استیل کولین نسبت به حالت کنترل دارو(تزریق آب مقطر) کاهش نشان داده است که در بعضی از دقایق این کاهش، معنی دار است. فشار دیاستولی در حالت تزریق تواًم حلال عصاره و استیل کولین نسبت به حالت تزریق استیل کولین تغییرات قابل ملاحظه ای نشان نداد.
جدول4-6- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین Stage
Time Diastolic Pressure (mmHg)
Base
(n=5) Solvent of Ach (W) (n=5) Ach
(n=5) Solvent(ethanol 70%)+Ach (n=5)
Min 1-3
Min 3-6
Min 6-9
Min 9-12
Min 12-15 70.4+7.1
68.3+5.6
69.5+5.5 70.5+8.8
73.4+7.5
75.4+8.1 64.9+5.7
b52.9+3.1
59.9+4.1
55.3+10.8
57.5+10.7 61.7+3.5
55.6+3.9
52.7+3.7
54.3+4.7
58.9+5.5
:b اختلاف معنی دار استیل کولین(Ach) با کنترل دارو(تزریق آب مقطر W) P<.05

شکل4-13- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولین:b اختلاف معنی دار استیل کولین(Ach) با کنترل دارو(تزریق آب مقطر W) P<.05
4-4-5- فشار دیاستولی در حضور عصاره بومادران و استیل کولین
با توجه به جدول 4-7 و شکل 4-14، فشار دیاستولی در حالت تزریق استیل کولین نسبت به حالت کنترل دارو(تزریق آب مقطر) کاهش نشان داده است که در بعضی از دقایق این کاهش، معنی دار است. فشار دیاستولی در حالت تزریق تواًم عصاره و استیل کولین نسبت به حالت تزریق استیل کولین کاهش بیشتری داشته است که در بعضی از دقایق این کاهش معنی دار است.
جدول4-7- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم عصاره بومادران شیرازی و استیل کولین Stage
Time Diastolic Pressure (mmHg)
Base
(n=5) Solvent of Ach (W) (n=5) Ach
(n=5) erio +Ach
(n=5)
Min 1-3
Min 3-6
Min 6-9
Min 9-12
Min 12-15 72.4+2.9
71.6+5.4
74+5.6 75.1+3.6
76.3+4.5
76.4+2.9 b63.8+4
b54.4+7.5
66.5+5
64.4+5.6
70.4+3.3 57.4+4.2
c45.7+4.7
50.2+1.7
51.8+3.4
55.9+5.1
:b اختلاف معنی دار استیل کولین(Ach) باحالت کنترل دارو(تزریق آب مقطرW) P<.05
:c اختلاف معنی دار تزریق تواًم عصاره بومادران شیرازی(erio) و(Ach) نسبت به تزریق استیل کولین (Ach) P<.05
b
شکل 4-14- تغییرات فشار دیاستولی در حضور تواًم عصاره و استیل کولین:b اختلاف معنی دار استیل کولین(Ach) باحالت کنترل دارو(تزریق آب مقطرW) P<.05
:c اختلاف معنی دار تزریق تواًم عصاره بومادران شیرازی(erio) و(Ach) نسبت به تزریق استیل کولین (Ach) P<.05
4-4-6- فشار میانگین سرخرگی در حضور حلال عصاره و استیل کولین
با توجه به جدول 4-8 و شکل 4-15، فشار میانگین سرخرگی در حالت تزریق استیل کولین نسبت به حالت کنترل دارو(تزریق آب مقطر) کاهش نشان داده است که در بعضی از دقایق این کاهش، معنی دار است. فشار میانگین سرخرگی در حالت تزریق تواًم حلال عصاره و استیل کولین نسبت به حالت تزریق استیل کولین تغییرات معنی داری نداشته است.
جدول4-8-تغییرات فشار میانگین سرخرگی در حضور تواًم حلال عصاره(اتانول 70 درصد) و استیل کولینStage
Time Mean arterial Pressure (mmHg)
Base
(n=5) Solvent of Ach (W) (n=5) Ach
(n=5) Solvent(ethanol 70%)+Ach (n=5)
Min 1-3
Min 3-6
Min 6-9
Min 9-12
Min 12-15 86.8+7.4
84.6+6.2
85.8+6.4 86.6+9.8
90.3+8.3
92.8+9.1 b80+6.8
b65.4+3.2
73+4.9
67.9+11.9

user8344

2-3 نوع پژوهش.............................................................................................................................................42
3-3 جامعه پژوهش..........................................................................................................42
3-4 نمونه گیری.............................................................................................................42
3-5 روش نمونه گیری....................................................................................................42
3-6 مشخصات واحدهای مورد پژوهش..............................................................................43
3-7 محیط پژوهش..........................................................................................................43
3-8 ابزار گرد آوری داده ها..............................................................................................43
3-9 اعتبار علمی یا روایی ابزار..........................................................................................44
3-10 روش کاربردآوری داده ها........................................................................................44
3-11 روش های تجزیه وتحلیل آماری داده ها......................................................................45
3-12 ملاحظات اخلاقی.....................................................................................................47
فصل چهارم:نتایج پژوهش:
4-1 یافته های پژوهش.....................................................................................................49
4-2جداول و نمودارها......................................................................................................50
فصل پنجم: بحث وبررسی یافته ها
5-1 تجزیه وتحلیل یافته ها...............................................................................................79
5-2 نتیجه گیری نهایی.....................................................................................................87
5-3 کاربرد یافته ها.........................................................................................................89
5-4 پیشنهادات برای پژوهش های بعدی..............................................................................90
5-6 منابع ومأخذ.............................................................................................................91
پیوست ها
فهرست جداول فصل چهار
جدول 4-1 : توزیع واحدهای مورد پژوهش بر حسب سن.......................................................50
جدول 4-2 : توزیع واحدهای مورد پژوهش بر حسب جنس.....................................................50
جدول 4-3 : توزیع واحدهای مورد پژوهش بر حسب BMI ....................................................51
جدول 4-4 : توزیع واحدهای مورد پژوهش برحسب تشخیص بیماری.......................................51
جدول 4-5 : توزیع واحدهای مورد پژوهش بر حسب مد دستگاه ونتیلاتور.................................52
جدول 4-6 : میانگین وانحراف معیار واحدهای مورد پژوهش بر حسب طول مدت بستری ، SOFA و متغیر های فشاری :......................................................................................................... 53
جدول 4-7 : میانگین وانحراف معیارIAP واحدهای مورد پژوهش بر حسب زوایای مختلف سر تخت به تفکیک دفعات اندازه گیری .............................................................................................54
جدول 4-8 : تغییرات IAP در سه وضعیت صفر ، 15 و30 درجه بر اساس درجه بندی هیپرتانسیون
داخل شکمی ...................................................................................................................56
جدول 4-9 : مقایسه میانگین وانحراف معیارIAP بر حسب گرو های سنی به تفکیک وضعیتهای مختلفسرتخت......................................................................................................................58
جدول 4-10 : مقایسه تغییرات IAP بین زوایای 15-0 و 30-0 بر حسب سن واحدهای مورد پژوهش...60
جدول 4- 11 : مقایسه میانگین وانحراف معیار IAP بر حسب جنس به تفکیک زوایای مختلف سر تخت..61
جدول 4- 12 : مقایسه متوسط تغییرات IAP بین زوایای 15-0 و 30-0 بر حسب جنس .....................63
جدول 4- 13 : مقایسه میانگین وانحراف معیار IAP بر حسب گروه های BMI به تفکیک زوایای مختلف
سرتخت...............................................................................................................................64
جدول 4-14: مقایسه متوسط تغییرات IAP بین زوایای 15-0 و 30-0 سر تخت بر حسب گروه های BMI..................................................................................................................................66
جدول 4 – 15 : مقایسه اختلاف IAP در سه زوایه مختلف سر تخت بین گرو های BMI ....................67
جدول 4 – 16 : مقایسه میانگین وانحراف معیار IAP بر حسب تشخیص بیماری به تفکیک زوایای مختلف سرتخت...............................................................................................................................68
جدول 4- 17 : مقایسه متوسط تغییرات IAP بین زوایای 15- 0 و 30 – 0 سر تخت بر حسب تشخیص بیماری................................................................................................................................70
جدول 4 – 18: مقایسه میانگین وانحراف معیار IAP بر حسب مد دستگاه ونتیلاتور به تفکیک زوایای مختلف سر تخت..................................................................................................................71
جدول 4 -19 : مقایسه تغییرات IAP بین زوایای 15- 0 و 30 -0 بر حسب مد دستگاه ونتیلاتور .........73
جدول 4 - 20 : ضریب همبستگی پیرسون متغیرهای IAP و تغییرات آن در زوایای مختلف سر تخت....74
جدول 4 – 21 : محدوده توافق و میزان خطای IAP بین زوایای مختلف سر تخت.............................75
فهرست نمودار های فصل چهار :
نمودار 4- 1 : تغییرات فشار داخل شکمی از زاویه صفر درجه به سمت زاویه 30 درجه .....................55
نمودار 4- 2 : تغییرات فشار داخل شکمی بر اساس درجه بندی هیپرتانسیون داخل شکمی در سه زاویه صفر ، 15 و 30 درجه ..........................................................................................................57
نمودار4_3 : روند و مقدار تغییرات فشار داخل شکمی در زوایای مختلف سر تخت بر حسب گروه های سنی واحدهای مورد پژوهش..................................................................................................59
نمودار 4_4 : روند ومقدار تغییرات فشار داخل شکمی در زوایای مختلف بر حسب جنس واحدهای مورد پژوهش...............................................................................................................................62
نمودار 4 _ 5 : : روند ومقدار تغییرات فشار داخل شکمی در زوایای مختلف سر تخت بر حسب گروه های BMI واحدهای مورد پژوهش................................................................................................65
نمودار 4 _ 6 : : روند ومقدار تغییرات فشار داخل شکمی در زوایای مختلف سر تخت بر حسب تشخیص بیماری واحدهای مورد پژوهش..............................................................................................69
نمودار 4 _ 7 : روند ومقدار تغییرات فشار داخل شکمی در زوایای مختلف سر تخت بر حسب مد دستگاه ونتیلاتور ............................................................................................................................72
نمودار 4 – 8 : محدوده توافق و میزان خطا بین زوایای 15 و 0 درجه سر تخت ................................76
نمودار 4 – 9 : محدوده توافق و میزان خطا بین زوایای 30 و 0 درجه سر تخت ................................77

بیان مسئله :
فشار داخل شکمی ( (IAPبه شکل فزاینده ای به عنوان یک عامل مهم فیزیولوژیکی در بیماران بخش مراقبت ویژه مورد توجه قرار گرفته است (2،1). افزایش فشار داخل شکمی یک فرایند خاموش بالینی است که تا وقتی به طور کامل پیشرفت نکند تشخیص داده نمی شود .انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی (WSACS) میزان بروز هیپرتاسیون داخل شکمی (IAH)در بیماران بخشهای مراقبت ویژه از 18درصد تا8/58 درصد و در بیماران بدحال داخلی وجراحی 65 - 4/54 درصد بیان کرده است (2 ) . این دامنه وسیع در محیط های بالینی مختلف( جراحی یا داخلی ) ، وضعیت بیمار ( تروما ، سوختگی، بیماران بعد از عمل ) ، تنوع روش های اندازه گیری IAP و نیز عددی که برای تعریف هپیرتاسیون داخل شکمی انتخاب می شود ( 25-12 میلی مترجیوه ) متفاوت است (3). از این رو IAHبه عنوان یک سندرم دیسترس حاد تنفسی ((ARDS شکمی شناخته می شود(4). افزایش فشار داخلی شکمی نتایج و اثرات مختلف و مخربی برروی بافتهای اطراف و ارگانهای دیگر بدن دارد . اثر ایسکمیک وقتی IAP به 10 میلی متر جیوه و یا بیشتر برسد رخ می دهد .اما وقتی فشار به 20 میلی متر جیوه و بالاتر رسید ، آسیب ارگانی غیر قابل برگشت رخ می دهد سندرم کمپارتمان شکمی ایجاد می گردد (4،2) .
تحقیق رین تام و همکاران نشان داد که میزان مرگ و میر درروز بیمارن مبتلا به IAH بستری در بخش مراقبت ویژه در مقایسه با بیماران بدون ابتلاء به IAH در طی 28 روز به ترتیب 9/37 در مقابل 1/19 و در طی 90 روز 7/53 در مقابل 8/35 بود ، IAH اولیه به عنوان عامل خطر مستقل مرگ و میر شناخته شده است (5).
مطالعات نشان داده است که با پایش IAP در بیماران بستری در بیمارستان وبه بخصوص بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه طول مدت بستری بین 10 تا 13 روز کاهش پیدا می کند و بدنبال آن روازانه 2000 دلار صرفه جویی در هزینه های درمان می گردد. با درمان و مراقبت به موقع و زود هنگام در بیماران مبتلاء به IAH به ازای هر بیمار مبتلاء 10000 تا 20000 دلار صرفه جویی خواهد شد (2).
-22669567945
00
یافتهها در مطالعه کربز نشان داد که در بیماران تحت تهویه مکانیکی، تنظیم دستگاه تهویه مکانیکی بخصوص ((PEEP باید با توجه به اثرات فشار داخل شکمی برروی قفسه سینه و کمپلیانس ریه ها انجام شود(6). از طرف دیگرفشار داخل شکمی افزایش یافته می تواند یک عامل پیش بینی کننده نارسایی ارگانی و میزان مرگ و میر در این بخش ها باشد (7،3).
اکثر بیماران بخش های مراقبت ویژه تحت تاثیر مانیتورینگ های مختلف همودینامیک مانند (CVP ( و ((CO می باشند چیزی که اغلب به آن توجه نمی گردد این مسأله است که اندازه گیری های مختلف همودینامیک تحت تاثیر عوامل دیگری مثل تهویه مکانیکی وIAP می باشند (9،7،8 ) . علیرغم شیوع بالای IAH و اهمیت ACS و کنترل آن در بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه ، اندازه گیری فشار داخل شکمی کمتر مورد توجه قرار گرفته است و این در حالی است که اگر سندرم کمپارتمان شکمی و عوارض شدید آن رخ دهد تنها درمان جراحی برای کاهش فشار داخل شکمی کاربرد دارد . بنابراین تشخیص زود رس برای مداخله کافی و کنترل آسیب ضروری می باشد ( 3 ) .
بررسی و اندازه گیری فشار داخل شکمی همانند سایر بررسی های پارامترهای همودینامیک از وظایف پرستار بخش مراقبت ویژه است. کسب مهارت های پرستاری به منظور تشخیص بیماران در معرض خطر IAH اساسی و ضروری می باشد تا با مداخلات غیر جراحی زود هنگام به کاهش IAP و جلوگیری از بروز ACS کمک نماید. تحقیقات نشان داده است که در 60-40 درصد موارد معاینات بالینی در تشخیص IAHدر مقایسه با اندازه گیری فشار داخل شکمی موفق نبوده است(10،11) . اندازه گیری سریال IAP برای تشخیص و درمان IAH/ACS ضروری است زیرا حساسیت معاینه بالینی تنها 60درصد می باشد (13،12).
به دلیل اهمیت IAH ، پرستاران باید به طور ویژه ای از فرایند اندازه گیری فشار داخل شکمی و جنبه های مختلف آن آگاه باشند . از طرفی اگر به این امر توجه نشود منجر به بروز اشتباه در سایر اندازه گیری همودینامیک خواهد شد ( 16،14،15).
از این رو طبق توصیه انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی ، اندازه گیری روتین در بیماران دارای دو یا چند عامل خطر مثل اتصال به تهویه مکانیکی ، ترانسفوزیون خون بیش از 10 واحد در 24 ساعت ، دریافت مایعات بیش از 5 لیتر در 24 ساعت ، پنومونی ، سپسیس و ... باید هر 6-4 ساعت تا زمان حذف عامل خطر انجام شود(17) .
معمولاً وضعیت استاندارد مورد استفاده برای اندازه گیری فشار داخل شکمی صفر درجه می باشد.اما برای بیماران بستری در بخش مراقبت ویژه این وضعیت می تواند عواقب جبران ناپذیری از جمله پنومونی ، دیسترس تنفسی و ... داشته باشد بخصوص وقتی که این اندازه گیری بصورت مداوم صورت گیرد. لذا چالشی که اغلب پرستاران بخش مراقبت ویژه با آن روبرو هستند این مسئله است که هنگام مانیتورینگ همودینامیک بیمار از جمله IAP نیاز است که بیمار حتماً در وضعیت طاقباز قرار گیرد؟(14)
پیشبرد راحتی و آسایش بیمار از طریق مداخلات پرستاری یک جزء جدایی ناپذیر از مراقبت پرستاری در بخش های ویژه است و از وظایف پرستاران می باشد. یکی از جنبههای راحتی وآسایش بیمار برقراری وضعیت مناسب و راحت برای بیمار می باشد (18 ) .
شواهدی در مقالات درباره تاثیر وضعیت بدن برروی اندازه گیری فشار داخل شکم وجود دارد ، اما تاثیر درجه ای که معمولاَ برای وضعیت های مختلف زاویه سرتخت در بیماران بخش های مراقبت ویژه استفاده می شود برروی فشار داخل شکم روشن نیست(19). اندازه گیری فشار داخل شکم در وضعیت صفر درجه که وضعیت مطلوب در بیماران بخش مراقبت ویژه نمی باشند ، باعث می شود که فشار داخل شکم کمتر از میزانی که اغلب اوقات بیماران با آن روبرو هستند ،اندازه گیری گردد( 1،13،15 ).
از سوی دیگر عدم تحمل این وضعیت دربیماران با شرایط خاص منجر به افزایش کاذب IAP خواهد شد (12،11). تحقیقات در زمینه این بیماران، که تحمل چنین وضعیتی را ندارند همانند بیماران مبتلا به نارسایی قلبی ، سندرم دیسترس تنفسی ، سپسیس یا جراحی به اندازه کافی در دسترسی نمی باشد(13). علاوه بر آن قرار گرفتن بیمار در وضعیت خوابیده به پشت بدون بالا آوردن سرتخت حتی برای مدت کوتاه با هدف اندازه گیری فشار داخل شکمی خطر پنومونی آسپراسیون را افزایش میدهد. این وضعیت برخلاف خط مشیهای توصیه شده مرکز کنترل بیماریها برای پیشگیری از این عارضه می باشد در اصول توصیه شده در بیماران بخش های مراقبت ویژه تاکید میشود تادر صورت عدم ممنوعیت درهمهزمان ها حداقل30 درجه افزایش سرتخت وجود داشته باشد . علت این امر شواهدی از کاهش پنومونی وابسته به ونتیلاتور است واینکه این وضعیت میزان بروز زخم های فشاری را کاهش می دهد (14). بنابراین درک تاثیر وضعیت بدن بر اندازه گیری فشار داخل شکمی مهم است بطوریکه اندازه های فشار داخل شکمی می تواند به شکل مناسبی تفسیر گردد (20) .
برخی از مطالعات نشان داده اند که با افزایش سر تخت بیش از 20 درجه فشار داخل شکمی به شکل معنی داری افزایش پیدا خواهد کرد (12) و نیز در مواردیکه بیمار در معرض خطر کمپارتمان شکمی قرار دارد و فشار داخل شکمی بیش از 20 میلی مترجیوه می باشد ، فشار داخل شکمی می تواند در وضعیت نیمه نشسته اندازه گیری گردد(1). همچنین تحقیقات نشان داده اند که ارتباط فشار داخل شکمی و زاویه سر تخت در مردان و بیماران با شاخص توده بدنی بالاتر معنی دار تر بوده است(19،20) .
ثبات وضعیت بیمار از یک اندازه گیری تا اندازه گیری بعدی در روش اندازه گیری متناوب فشار داخل شکمی در صحت آن برای تصمیم گیری بالینی اهمیت دارد . تغییر وضعیت های مختلف در فواصل اندازه گیری فشار داخل شکمی بر صحت میزان اندازه گیری شده تاثیر گذار است و می تواند در تصمیم گیری بالینی اختلال ایجاد نماید ( 2 ) .
مطالعات بیشتر در این زمینه این امکان را خواهد داد تا در تکنیک اندازه گیری فشار داخل شکمی در زوایای مختلف سرتخت بدون آنکه بیمار در وضعیت صاف (صفر درجه) و عوارض بالقوه آن قرار داده شود ، تصحیحی صورت گیرد و همچنین از آنجائیکه ACS برمبنای اندازه گیری فشار داخل شکمی در وضعیت صاف تعریف می شود ، برای اینکه وضعیتی غیر از صفر درجه برای اندازه گیری فشار داخل شکمی استفاده شود نیاز به مطالعات بیشتری است (11). انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی یکی از توصیه ها و پیشنهادات برای پژوهش و تحقیق درباره روش اندازه گیری فشار داخل شکمی و تاثیر وضعیت بدن بر روی اندازه گیری IAP بیان کرده است (17) .
ازآنجائیکه عوارض ناشی از وضعیت صفر درجه در برخی موارد مانع از انجام اندازه گیری IAP می شود ، لذا پژوهشهای متعددی در مورد درجه زاویه سرتخت که کمترین تفاوت را با اندازه گیری فشار داخل شکمی در وضعیت صفر درجه دارد لازم به نظر می رسد . برخی از محققین بیان می کنند که تعیین معیار های اصلاح شده فشار داخل شکمی اجازه می دهد که بتوان فشار داخل شکمی را در وضعیت های نیمه نشسته تفسیر کرد(20) . آنچه در مراقبت از بیماران مهم بوده این است که سعی شود مراقبت ها به گونهای انجام گردد که حداقل عوارض احتمالی را برای بیماران به دنبال داشته باشد و نیز در عین حال با حفظ راحتی و آسایش بیمار مانیتورینگ بیمار دقیقاً منعکس کننده وضعیت واقعی او باشد (2) .
با توجه به اینکه اندازه گیری فشار داخل شکمی به صورت استاندارد و معمول در وضعیت صفر درجه انجام می شود و از طرفی اندازه گیری فشار داخل شکمی دربیماران بخش مراقبت ویژه با داشتن عوامل خطر متعدد و اثرات آن بر روی وضعیت بیمار امری لازم الاجراء به شمار می رود و نیز عدم تحمل قرار گیری بیماران دراین وضعیت مانعی درجهت این امر به شمار می رود ، پژوهشگر به دنبال درجهای از زاویه سر تخت است که کمترین تغییر را در وضعیت بیمار و میزان فشار داخل شکمی ایجاد مینماید. این درجه با توجه به مطالب ذکر شده متفاوت است. با توجه بهاینکه همانند سایر شاخصهای همودینامیک اندازهگیری فشار داخل شکمیاز وظایف و مسئولیتهای پرستار بخش مراقبت ویژه محسوب می شود (2) و تاکنون نیزدر کشور ایران تحقیقی در این زمینه انجام نشده است لذا پژوهشگر برآن شد تا به بررسی تغییرات فشار داخل شکمی در وضعیت های مختلف پرداخته و به وضعیت مناسب برای اندازه گیری فشار داخل شکمی دست یابد تا شاید این یافته ها بتواند در ارتقاء کیفیت مراقبت بیماران در بخش های مراقبت ویژه ممورد استفاده قرار گیرد.
اهداف پژوهش:
هدف کلی پژوهش:
مقایسه تغییرات فشار داخل شکمی در وضعیت صفر ،15 و 30 درجه سر تخت در بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه مراکز آموزشی درمانی شهر رشت در سال 91-1390.
اهداف ویژهی پژوهش :
تعیین میانگین فشار داخل شکمی بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه در وضعیت صفر درجه سر تخت
تعیین میانگین فشار داخل شکمی بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه در وضعیت 15 درجه سر تخت
تعیین میانگین فشار داخل شکمی بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه در وضعیت 30 درجه سر تخت
مقایسه میانگین فشار داخل شکمی در وضعیت های صفر ، 15 و 30 درجه سر تخت با برحسب عوامل فردی ومداخله گر
تعیین محدوده توافق L.A ومیزان خطا بین گروه 15 و صفر
تعیین محدوده توافق و میزان خطا بین گروه 30 و صفر
فرضیه پژوهش :
1.میانگین فشار داخل شکمی در وضعیت های صفر و 15 درجه تفاوتی ندارد.
2.میانگین فشار داخل شکمی در وضعیت های صفر و 30 درجه تفاوتی ندارد.
سؤالات پژوهش :
میانگین فشار داخل شکمی در وضعیت صفر درجه سر تخت چقدر است؟
میانگین فشار داخل شکمی در وضعیت 15 درجه سر تخت چقدر است؟
میانگین فشار داخل شکمی در وضیت 30 درجه سر تخت چقدر است؟
میانگین فشار داخل شکمی در وضعیت های صفر ، 15 و30 درجه سر تخت بر حسب متغیرهای فردی و مداخله گر چقدر است؟
محدوده توافق و میزان خطا بین گروه صفر و15 درجه چقدر است؟
محدوده توافق و میزان خطا بین گروه صفر و 30 درجه چقدر است؟
تعاریف علمی واژه ها :
فشار داخل شکمی :
فشار داخل شکمی ، فشار نهفته ثابت در درون حفره شکم می باشد که میزان آن در افراد طبیعی 5-0 میلی متر جیوه و در بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه 7-5 میلی متر جیوه می باشد (20، 2 ) .
اندازه گیری فشار داخل شکمی :
فشار داخل شکمی هم به شکل مستقیم وهم به شکل غیر مستقیم قابل اندازه گیری می باشد . به شکل معمول فشار داخل شکمی به روش غیر مستقیم از طریق کاتتر فولی اندازه گیری می شود . به عبارتی فشار داخل مثانه منعکس کننده فشار داخل شکمی می باشد. به شکل استاندارد بعد از قرار دادن بیمار در وضعیت سوپاین ، با اتصال کاتتر فولی به یک مانومتر آب یا ترانسدیوسر فشار بعد از کلامپ کردن ابتدای کیسه ادراری متصل به کاتتر فولی به آهستگی حدود 25 میلی لیتر محلول نرمال سالین استریل هم دمای بدن وارد مثانه خواهد شد و بعد از 60-30 ثانیه فشار از روی مانومتر آب و یا مانیتور ترانسدیوسر در انتهای بازدم خوانده خواهد شد (2) .
تعاریف عملی واژه ها :
زاویه سر تخت:
زاویه سر تخت بیمار بوسیله ابزار اندازه گیری ارائه شده توسط سایت انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی در زوایای صفر ، 15و 30 درجه از سطح افق قرار داده می شود.
تغییرات فشار داخل شکمی:
اندازه گیری آن بر اساس تعریف علمی و با استفاده از مانومتر آب هر 8 ساعت برای هر واحد پژوهشی در زوایای صفر ، 15 و 30 درجه انجام گردید و سپس برای تعیین تغییرات فشار داخل شکمی ، پس از اندازه گیری IAP در سه زاویه ، میانگین اندازه گیری در 24 ساعت در صفر ، 15 و30 محاسبه و سپس بر اساس آزمونهای آماری میانگینIAP در زوایای 15 و30 با میانگین اندازه گیری در زاویه صفر درجه که وضعیت استاندارد می باشد ، مقایسه گردید.
محدوده توافق و میزان خطا در تغییرات فشار داخل شکمی
محدوده توافق بر اساس انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکم بین 4- تا 4+ و میزان خطا 1 میلی متر جیوه تعیین شده است . در این پژوهش نیز محدوده توافق و میزان خطا بین زاویه صفر و 15 و بین صفر و30 بر همین اساس مورد سنجش قرار گرفت و در صورتیکه در این محدوده قرار بگیرد تغییر ایجاد شده پذیرفته می شد.
پیش فرض های پژوهش
شیوع هیپرتانسیون داخل شکمی در بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه 18 تا 8/58 در صد می باشد.(8 ، 2)
معاینات بالینی تنها در60 در صد موارد قابلیت تشخیص هیپرتانسیون داخل شکمی را دارد.(2)
فشار بالاتر از 20 میلی متر جیوه می تواند منجر به ACS واختلال عمل ارگان های شکمی شود.(2)
اندازه گیری فشار داخل شکمی در تشخیص زود رس هیپرتانسیون شکمی مؤثر است.(2)
اندازه گیری فشار داخل شکمی در بیماران بخش مراقبت ویژه از اهمیت برخوردار می باشد ( 8 ، 2 )
جهت اندازه گیری فشار داخل شکمی نیاز به قرار دادن بیمار در وضعیت سوپاین می باشد.(17)
تحمل وضعیت سوپاین توسط برخی از بیماران خاص منجر با افزایش کاذب فشار داخل شکمی خواهد شد.(11،12)
قرار گرفتن بیمار در وضعیت سوپاین ممکن است منجر به بروز خطراتی مانند آسپیراسیون تنفسی ، دیسترس تنفسی و اختلالات همودینامیک و ... گردد.(21،2)
وضعیت توصیه شده برای بیماران بخش مراقبت ویژه جهت پیشگیری از پنومونی وابسته به ونتیلاتور ، زخم فشاری و... افزایش 30 درجهای زاویه سر تخت می باشد.(21،2)
حفظ راحتی وآسایش بیمار از وظایف پرستار مراقبت ویژه می باشد.(2)
یکی از وظایف پرستار اندازه گیری فشار داخل شکمی می باشد.(2)
تغییرات فشار داخل شکمی در وضعیت های مختلف قابل اندازه گیری است.
محدودیت های پژوهش :
با توجه به عدم امکان اندازه گیری دقیق وزن بیماران جهت محاسبه BMI از وزن تقریبی ثبت شده در پرونده پزشکی بیماران استفاده شد.
عدم وجود ست مخصوص اندازه گیری فشار داخل شکمی

چهارچوب پژوهش :
چهارچوب این پژوهش پنداشتی بوده و بر اساس مفهوم فشار داخل شکمی می باشد. براین اساس ، تعریف فشار داخل شکمی ، عوامل مؤثر بر آن ،هیپرتانسیون داخل شکمی و شیوع آن در ICU ، عوارض ناشی از افزایش آن ، اهمیت اندازهگیری و روشهای آن ، وضعیت بیمار حین اندازه گیری ، پیشگیری ودرمان هیپرتانسیون داخل شکمی مورد بحث قرار می گیرد.
شکم به صورت یک حفره بسته با دیواره های سخت ( دنده ها ، ستون فقرات و لگن ) و انعطاف پذیر ( دیواره شکم و دیافراگم ) است. الاستیسیته این دیواره ها و ماهیت محتویات شکم تعیین کننده فشار درون آن میباشد. بنابراین فشار داخل شکمی به صورت یک فشار ثابت و نهفته درون حفره شکم تعریف می گردد.IAP در هنگام دم (با انقباض دیافراگم ) افزایش و در هنگام بازدم (با شل شدن دیافراگم ) کاهش می یابد. همچنین IAP به صورت مستقیم تحت تاثیر حجم ارگان های جامد و یا احشایی توخالی( که ممکن است خالی یا پر شده بوسیله هوا ، مایع و یا مواد دفعی باشد.) ، آسیت ، خون یا شرایطی مثل بارداری یا وجود تومور نیز می باشد. همچنین وجود شرایطی که باز شدن دیواره شکم را محدود می کند جوشگاه های سوختگی یا ادم نیز بر روی IAP موثر است(2،21).
از آنجاییکه میزان IAP بحرانی که باعث نارسایی ارگانی شود از یک بیمار به بیمار دیگر متفاوت است و تحت تاثیر تفاوت های فیزیولوژیکی هر فرد و بیماری های همراه می باشد. تلاش های زیادی برای به دست آوردن معیارپیش گویی کننده تاثیر IAP بر روی پیش آگهی بیماران انجام شده است که در نهایت مفهوم فشار خونرسانی شکمی (APP) معرفی شد. APP نه تنها نشان دهنده IAP می باشد بلکه نشان دهنده پارامتر فیزیولوژیکی متوسط فشار شریانی که نماینده خونرسانی شکمی و ارگانی است نیز می باشد. مطالعات نشان داده است که APP بر روی IAP، PH ، کمبود باز و لاکتات شریانی در پیش گویی پیش آگهی بیمار ارجحیت دارد ( 23).
فشار خونرسانی شکمی با کم کردن IAP از متوسط فشار شریانی ( ( APP=MAP_IAP محاسبه می گردد که می تواند عامل پیشگویی کننده خونرسانی شکمی و بصورت بالقوه تعیین کننده پایان احیای مایعات باشد. میزان APP هدف حداقل 60 میلی متر جیوه است (10) .
میزان طبیعی IAP بین 5-0 میلی متر جیوه است اما شرایط خاص فیزیولوژیکی مانند چاقی مرضی یا بارداری موجب افزایش مزمن IAP بین 15-10 میلی متر جیوه می شود که فرد بدون بروز علائم پاتولوژیک با آن سازگاری پیدا می کند. در کودکان میزان IAP پایین تر می باشد. در بیماران بالغ بدحال IAP اغلب از میزان طبیعی بالاتر و بین 7-5 میلیمتر جیوه می رسد. جراحی اخیر شکم ،نارسایی ارگانی ، نیاز به تهویه مکانیکی و تغییرات در وضعیت بدن با افزایش IAP در ارتباط است. در بعضی از موارد افزایش IAP به شکل گذرا است (چند ثانیه تا چند دقیقه) اما اغلب بیشتر از این طول می کشد( چند ساعت تا چند روز ) که به طور بالقوه منجر به اختلال عملکرد و یا نارسایی ارگانی می شود (21، 19،2).
طبق تعریف ارائه شده توسط انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی، به افزایش مکرر و پاتولوژیکی 12 IAP ≥ میلی متر جیوه IAH اطلاق می گردد. شدت درجات IAH تعیین کننده درمان اورژانسی جهت کاهش فشار داخل شکمی (درمان های جراحی یا غیر جراحی ) می باشد. بر این اساس IAH به چهار درجه تقسیم بندی می گردد ؛ درجه I 15-12 میلی مترجیوه ، درجه II 20-16 میلی مترجیوه ، درجه III 25-21 میلی مترجیوه و درجه IV 25 IAP> میلی مترجیوه (20،17،2). بر اساس طول مدت نشانه ها به چهار گروه خیلی حاد ، حاد ، تحت حاد و مزمن تقسیم می گردد. در نوع خیلی حاد ، IAH در عرض چند ثانیه تا دقیقه به دنبال سرفه ، عطسه و یا هرگونه فعالیت فیزیکی و ... افزایش می یابد. افزایش IAH نوع حاد در عرض چند ساعته و بطور اولیه در بیماران که تحت عمل جراحی قرار گرفتند و یا در نتیجه آسیب یا خونریزی داخل شکمی ، اتفاق می افتد و ممکن است به سرعت منجر به سندرم کمپارتمان شکمی شود. IAH تحت حاد در طی چند روز بروز می کند و در بیماران داخلی شایعتر است. نوع مزمن در طی چند ماه ( مثل بارداری ) یا چند سال ( چاقی مرضی ، تومورهای داخل شکمی ، دیالیز صفاقی ، آسیب مزمن یا سیروز ) رخ می دهد و ممکن است بیماران را در معرض خطر نوع حاد و تحت حاد IAH قرار دهد (2).
افزایش فشار داخل شکمی به 20 میلی مترجیوه و بیشتر به همراه بروز یک نارسایی ارگانی نشانگر کمپارتمان شکمی است.( شکل2-1) ACS منجر به کاهش خطرناک جریان خون دیواره شکم و ارگان ها می گردد که منجر به ایسکمی و نکروز بافت های اطراف و سیستم عروقی می شود.ایسکمی به شکل اولیه منجر به پاسخ التهابی حاد شامل آزاد شدن سیتوکین ، تشکیل رادیکال آزاد ، کاهش تولید آدنوزین تری فسفات می شود.
این واسطه های شیمیایی باعث افزایش نفوذپذیری و ادم سلولی می گردد. کاهش ATP منجر به اختلالات الکترولیتی و خارج شدن محتویات داخل سلولی به فضای خارج سلولی می شود. از طرفی پاسخ های التهابی حاد منجر به انتقال باکتری از دستگاه گوارش به داخل خون بیماران مستعد می شود که بیماران را به سمت سپسیس و نارسایی چند ارگانی سوق خواهد داد (7،2).

شکل 2-1 سیر بروز سندرم کمپارتمان شکمی (17)
از این رو تشخیص بیماران درمعرض خطر از نظر بالینی بسیار مهم است تا با مداخله به موقع از بروز ACS جلوگیری شود و بیمار پیش آگهی بهتری داشته باشد. پرستار باید قادر باشد علائم و نشانه های ACS را در بیماران پرخطر شناسایی کند.برای این منظور آشنایی با اندازه گیری فشار داخل شکمی و فشار خونرسانی شکمی ضرورت دارد و اندازه گیری IAP باید قویاً در بیماران پرخطر انجام گردد (2) .
اخیرا اهمیت IAP در بیماران بدحال به شکل فزاینده ای مورد توجه قرار گرفته است چندین مطالعه اخیر نشان داده است که بالا رفتن میانگین IAP با بدتر شدن پیش آگهی بیماران در بخش های مراقبت ویژه در ارتباط است . پیشرفت IAH در طول دوره بستری در ICU یک عامل خطر مستقل برای مرگ و میر می باشد . شیوع IAH در بیماران بخش های مراقبت ویژه تا 50درصد نیز گزارش شده است . تاثیر IAP در بیماران بستری در در بخش های مختلف مراقبت ویژه داخلی و جراحی احتمالا متفاوت است (8) .اطلاعات بدست آمده شیوع و بروز IAH/ACS را در بیماران بخش های مختلف مراقبت ویژه تأیید می کند. در پایین میزان شیوع IAH در جمعیت های مختلف بیماران آمده است ؛
سپسیس شدید 87 -41% ( 23،24،22،7)
سوختگی وسیع 100-22% ( 25،26 )
جراحی وسیع شکم 45-32% (8)
ترومای بزرگ 5-2 % (7،10)
پانکراتیت 40-31% ( 27،28 )
بیماری احتقانی قلب و بعد از بای پس عروق کرونر 60-40% (29)
بیماران ICU داخلی 64-33% (30)
ICU کودکان 18-1% ( 31 )
مطالعات نشان داده است که اندازه گیری IAP به هیچ گروه خاصی از بیماران ، بیماری یا درمان محدود نمی شود بلکه باید به شکل روتین در همه گروههای در معرض خطر اندازه گیری انجام شود. طبق توصیه انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی در بیمارانیکه 2 یا بیشتر از 2 عامل از عوامل خطر IAH/ACS در بدو ورود به ICU داشته باشند و یا دچار یک نارسایی ارگانی جدید یا پیشرفت نارسایی ارگانی شوند IAP باید اندازه گیری گردد (33).
بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه دارای عوامل خطر IAH/ACS متعدد می باشند که به طور کلی این عوامل را می توان به چهار گروه اصلی تقسیم کرد:
عوامل کاهنده کمپلیانس دیواره شکم که شامل نارسایی حاد تنفسی ، جراحی شکم همراه با بستن اولیه فاشیا ، آسیب یا سوختگی وسیع ، در وضعیت دمر ، بالا بردن سر تخت بیش از 30 درجه ، BMI بالا و چاقی مرکزی
افزایش محتویات داخل لومن که شامل فلج گوارشی ،ایلئوس و انسداد کاذب کولون
افزایش محتویات شکم مانند: هموپریتوئن ، پنوموپریتوئن ، آسیت ، اختلال عملکرد کبدی
نشت مویرگی و احیای مایعات که شامل اسیدوز2/7 > PH ، هیپوتانسیون ، هیپوترمی (دمای مرکزی کمتر از 33 درجه ساتنی گراد)، کواگولوپاتی ( پلاکت کمتر ازmm3 /55000 یا PTT کمتر از 50 در صد ویا 5/1< INR ) دریافت مایعات کلوییدی یا کریستالوییدی بیش از 5 لیتر در 24 ساعت ویا اولیگوری و سپسیس (17)
بالا رفتن فشار داخل شکمی تقریباً بر همه ارگان های بدن اثرسوء دارد.IAH همراه با افزایش فشار داخل قفسه سینه منجر به کاهش برون ده قلبی علی رغم کسر تخلیه ای و حجم طبیعی می گردد. علاوه براین IAH باعث بالا رفتن فشار ورید مرکزی و فشار وج مویرگ های ریوی (PCWP) با وجود کاهش حجم مایعات بدن می شود، به طوریکه بیان شده است برای محاسبه میزان دقیق CVP و PCWPبه اندازه نیمی از IAPاندازه گیری شده باید از این فشارها کاسته شود. بنابراین بدنبال چنین تغییراتی ناشی از افزایش فشار داخل شکمی ارزیابی احیای مایعات با استفاده از PCWP وCVP می تواند گمراه کننده باشد. عدم تشخیص این مشخصه مهم بر روی عملکرد قلبی می تواند منجر به احیای ناکافی، ایسکمی مقاوم و بدتر شدن پیشآگهی گردد( 8،9،2). افزایش IAP باعث افزایش فشار پرده جنب و داخل قفسه سینه و به دنبال آن ادم ، آتلکتازی ، کاهش ظرفیت باقی مانده عملکردی ، کمپلیانس ریه و حجم باقیمانده می گردد. به صورتیکه علائم یک بیماری محدود کننده ریوی را بروز می دهد. اثرات IAP بر روی سیستم تنفسی بیشتر به صورت مکانیکی می باشد. کلاپس آلوئولی ناشی از کوچک شدن فضای داخل قفسه سینه و بالارفتن فشار داخل قفسه سینه ، باعث عدم تطابق تهویه و پرفیوژن ، هیپوکسی و اسیدوز تنفسی می شود. بنابراین فرد مراقبت کننده باید بیمار را از نظر هیپرتانسیون ریوی و انقباض عروقی ناشی از هیپوکسی تحت نظر قرار دهد.
در بیمارانیکه تحت تهویه مکانیکی هستند فشار مثبت انتهای بازدمی خودبخودی ، فشار حداکثر راه هوایی ، فشار پلاتو و متوسط فشار راه هوایی اغلب در نتیجه آسیب آلوئولی ناشی از فشار بالا می رود. علاوه بر این کمپلیانس استاتیک و دینامیک به طور واضحی کاهش پیدا می کند . افزایش ایسکمی ناشی از هیپوکسی منجر به آزاد شدن واسطههای التهابی شده و سندرم نارسایی تنفسی که در بیماران ICU شایع است بروز می کند. نارسایی تنفسی در نتیجه ترکیبی از عواملی مثل ؛ کلاپس آلوئولی ، افزایش فشار قفسه سینه و ادم بینابینی است.
اثر افزایش فشار داخل شکمی بر روی سیستم کلیوی از طریق افزایش جریان خون کلیوی ، فیلتراسیون کلیوی می باشد. در IAP15 و بالاتر علائم اولیگوریک و در بیشتر از 30 میلیمتر جیوه آنوری رخ می دهد. علت اختلال عملکرد کلیوی ناشی از چندین عامل همانند ؛ کاهش برون ده ادراری ، افزایش مقاومت عروق کلیوی و کاهش فیلتراسیون گلومرولی می باشد .کاهش برون ده ادراری ناشی از IAH منجر به افزایش مقاومت عروق سیستمیک وانقباض شریان های کلیوی میشود. این شرایط تحت تاثیر فاکتورهای هورمونی مثل آنتی دیورتیک و افزایش فعالیت رنین ، آلدوسترون پلاسما بدتر خواهد شد. افزایشIAP منجر به کاهش جریان خون احشایی به دنبال انقباض عروق مزانتر و ترشح وازوپرسین می گردد. وقتی IAP به 10 میلی متر جیوه و بیشتر برسد جریان خون ورید پورت کاهش پیدا می کند . کاهش جریان خون پورت منجر به ایسکمی کبد و بروز اختلالات انعقادی می گردد.
IAP بالا باعث ایسکمی بافتی در همه ارگانهای داخل شکمی به جزء غده آدرنال می شود. سیکل معیوب افزایش احتقان وریدی و کاهش جریان خون شریانی باعث ایسکمی و نشت مویرگی و آسیب سلولی می گردد. سپسیس و نارسایی چند ارگانی باعث می شود که سیستم گوارش دچار هیپوکسی بیشتر و دوره های ایسکمی و چرخه پاسخ های التهابی می شود.
IAH یک عامل خطر مستقل برای آسیب ثانویه مغزی می باشد که بر روی فشار داخل جمجمه اثر می کند. افزایش IAP باعث بالا رفتن دیافراگم و به دنبال آن کاهش حجم داخل قفسه سینه و افزایش فشار داخل توراسیک می گردد. بالا رفتن این فشار منجر به افزایش فشار ورید مرکزی و به تبع آن افزایش فشار در ورید ژگولار داخلی می شود. این افزایش فشار ، جریان خون وریدی را مختل و منجر به احتقان داخل جمجمه ای و کاهش فشار خونرسانی مغزی و ایسکمی مغزی می شود(2).
ارتباط IAP و (ICP) در پژوهشی که توسط دیرن وهمکارانش بر روی 11 بیمار تحت تهویه مکانیکی با آسیب غیر ترومایی مغز در سال 2005 انجام شد به اثبات رسیده است . حتی افزایش ناچیز IAP نیز منجر به افزایش ICP می گردد.(66/3 ±13/8) همچنین در این پژوهش بیان شده است IAP می تواند عامل هیپرتانسیون داخل جمجمهای ایدیوپاتیک در افراد مبتلاء به چاقی مرضی باشد و یا علت بدتر شدن وضعیت نورولوژیک در بیماران مبتلاء به آسیب چندگانه بدون آسیب آشکار عصبی باشد (33).
با توجه به اثر IAH بر روی سیستم های مختلف و عوارض ناشی از افزایش آن، تشخیص زودهنگام جهت پیشگیری وبرطرف نمودن علت زمینهای ضروری است. درصورت شناسایی به موقع IAH با مداخلات غیرجراحی قابل کنترل می باشد. برای رسیدن به این هدف باید IAH قبل از بروز علائم سندرم کمپارتمان شکمی تشخیص داده شود. شواهد جدیدتر بیان می کند که اندازه گیری IAP هریک تا دو ساعت تا ثابت ماندن IAP برای جلوگیری از افزایش سریع IAP لازم می باشد (2) .
بررسی و اندازه گیری فشار داخل شکمی همانند سایر بررسی های همودینامیک از وظایف پرستار بخش مراقبت ویژه است. تحقیقات نشان داده است که تنها در 60درصد موارد معاینات بالینی در تشخیص IAH در مقایسه با اندازه گیری فشار داخل شکمی موفق بوده است. اندازه گیری سریال IAP برای تشخیص و درمان ACS/IAH ضروری است. زیرا حساسیت معاینه بالینی تنها 60-40درصد می باشد(10،11،12). از این رو طبق توصیه انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی، اندازه گیری روتین در بیماران دارای دو یا چند عامل خطر IAH باید هر 6-4 ساعت تا زمان حذف عامل خطر انجام شود(17).
IAP به دو روش مستقیم و غیر مستقیم اندازه گیری می شود. در روش مستقیم با استفاده از یک کاتتر داخل پریتوئن که به مانومتر آب یا ترانسدیوسرفشار متصل می شود مستقیماً فشار داخل شکمی اندازه گیری می گردد. این روش به شکل اولیه در طی جراحی لاپاراتومی استفاده می گردد(34).(شکل 2-2) اما این روش برای استفاده در محیط های ICU به دلیل عوارض بالقوه آلودگی پریتوئن یا پارگی روده قابل استفاده و عملی نیست.

شکل 2-2: اندازه گیری IAP به روش مستقیم( 34)
IAP به طور غیر مستقیم بوسیله اندازه گیری فشار ارگان های خاص درون شکم نیز قابل محاسبه است. قرار دادن یک کاتتر از طریق ورید فمورال به داخل ورید اجوف تحتانی یک روش اندازه گیری غیر مستقیم IAP است. اما این روش نیز دلیل عوارضی مثل عفونت و تشکیل ترومبوز محدود می باشد. روش دوم اندازه گیری غیر مستقیم شامل اندازه گیری فشار معده از طریق لوله های گاستروستومی یا بینی _معدی است.(شکل 2-3)در نهایت روش اخیر و استاندارد، پایش IAP از طریق سوند فولی و اندازه گیری فشار داخل مثانه می باشد.(شکل 2-4) دیواره مثانه وقتی حاوی حجمی به اندازه 50 تا 100 میلی لیتر مایع می باشد به عنوان یک دیواره غیر فعال عمل می کند و از قانون پاسکال تبعیت می کند و فشار را به مانومتر آب و یا ترانسدیوسر منتقل می کند( 34، 2) .

شکل 2-3: اندازه گیری IAP از طریق معده(34)

شکل 2-4 اندازه گیری فشار داخل شکمی از طریق کاتتر فولی( روش korn) (34)
مطالعات اخیر بیان کرده است که حجم 50-25 میلی لیتر کمترین میزان خطا را از نظربالینی برای اندازه گیری IAP دارد. در اندازه گیری IAP به این روش باید متغیر هایی که برروی حرکت دیواره مثانه مؤثر باشد مثل مثانه نوروژنیک تشخیص داده شود چرا که این اثر منجر به اندازه گیری کاذب IAP خواهد شد. در صورت بروز این موارد از دیگر روش های غیر مستقیم می توان استفاده کرد.استفاده از سوند مثانه سه راهه برای این روش مناسب تر است.با این حال از سوند فولی دوراهه نیز می توان برای اندازه گیری استفاده کرد. در صورت استفاده از سوند سه راهه می توان با استفاده از پورت شستشوی مثانه بدون نیاز به دسترسی مکرر به سیستم بسته بوسیله یک سر سوزن اندازه گیری را انجام داد. در صورت استفاده از سوند دو راهه بوسیله یک سوزن شماره 18 می توان ارتباط داخل مثانه را به سیستم اندازه گیری فشار برقرار کرد. این روش یک روش غیر تهاجمی ، مناسب، ساده ودقیق است که در همه محیط های ICUقابل استفاده می باشد. روش اخیر اولین بار در سال 1984 توسط کرن معرفی شد وبوسیله چتام تعدیل گردید . شرکت های مختلفی در پی تولید دستگاهای ساده ای برای اندازه گیری IAP بوده اند. یکی از نمونه هایی که امروزه بیشتر استفاده می گردد کیت ابوایزر می باشد که خطر بالقوه انتقال عفونت را به سیستم ادراری با بسته نگه داشتن سیستم اندازه گیری کاهش می دهد. (شکل 2-5) هرچند تحقیقات انجام شده در این زمینه که توسط چتام انجام شده است میزان بروز خطر انتقال عفونت را ناچیز گزارش کرده اند (2).

شکل شماره 2- 5 : کیت Ab viser (17)
از روش های اندازه گیری دیگر استفاده از کاتتر ادراری بیمار به عنوان یک مانومتر اندازه گیری فشار می باشد که اولین بار توسط هارا هیل (روش لوله U) ارائه گردید (35 ). (شکل 2- 6 ) در این روش نیاز به ترانسدیوسر فشار یا مانیتورینگ نمی باشد بنابراین برای استفاده در محیط های غیر از ICU مناسب است. امروزه چندین شرکت تجاری در پی ساخت تجهیزاتی هستند که به صورت غیر تهاجمی و با کمترین صرف وقت کادر پرستاری قادر به اندازه گیری IAP باشد. مبنای اندازه گیری همه این وسایل از طریق فشار مثانه به عنوان عنوان فشار داخل شکمی است(2).

شکل 2-6 اندازه گیری فشار داخل شکمی به روش لوله U(35)
طبق استاندارد طلایی ارائه شده توسط انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی و سایت هیپرتانسیون داخل شکمی اندازه گیری IAP به هر کدام از روش های ذکر شده باید در وضعیت صفر درجه انجام گردد. اما به دلیل اثرات نامطلوب این وضعیت بر روی سیستم تنفسی و قلبی_عروقی در بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه به ندرت این بیماران قادر به تحمل این وضعیت می باشند. بنابراین پژوهشگران مطالعات زیادی در این زمینه انجام داده اند تا به وضعیت مناسبی که با حفظ راحتی و آسایش بیماران منجر به اندازه گیری دقیق تر IAP دست پیدا کنند (12،11،1).
مدیریت مناسب بیماران در معرض خطر IAH و بررسی دقیق وضعیت قلبی_ عروقی همراه با در نظر گرفتن خطاهایی است که IAP می تواند بر روی وضعیت همودینامیک داشته باشد، ضروری است(8).
تنظیم مناسب ونتیلاتور با توجه به اثرات افزایش IAP بر روی کمپلیانس دیواره قفسه سینه بسیار مهم است . مدیریت دقیق مایعات و وازوپرسورها نیز بسیار کلیدی و مهم است چرا که مایع کم ممکن است منجر به ایسکمی روده ای و تولید سایتوکین ها گردد. این جریان وقتی سندرم نفوذپذیری مویرگی رخ میدهد خیلی بدتر خواهد شد(2). جهت کمک به درمان این گونه پیچیدگیها انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی توصیه به استفاده از الگوریتم بررسی و درمان سندرم کمپارتمان شکمی و هیپرتانسیون شکمی کرده است (شکل 2-7) (37،36) .
2282825-63500اندازه گیری IAP و APP به صورت مداوم یاحداقل هر 6-4 ساعت
ادامه درمان تا حفظ IAP کمتر از mmHg 15 و APP بیش از mmHg 60
00اندازه گیری IAP و APP به صورت مداوم یاحداقل هر 6-4 ساعت
ادامه درمان تا حفظ IAP کمتر از mmHg 15 و APP بیش از mmHg 60
2879725-440690002386965-1088390mmHg 12< IAP
شروع درمان طبی تا کاهش IAP
00mmHg 12< IAP
شروع درمان طبی تا کاهش IAP

52673252768600039681152768600047498027686000156781527686000290893527686000
4648200259715بهبود جریان خون سیستمیک و منطقه ای
00بهبود جریان خون سیستمیک و منطقه ای
3420110259715مطلوب سازی تجویز مایعات
00مطلوب سازی تجویز مایعات
2278380259715بهبود کمپلیانس دیواره شکم
00بهبود کمپلیانس دیواره شکم
1019175259715خارج کردن توده های فضاگیر خل شکمی
00خارج کردن توده های فضاگیر خل شکمی
-90170259715تخلیه محتویات داخله روده ای
00تخلیه محتویات داخله روده ای

-5162552924810مرحله اول
00مرحله اول
4623435263525احیای مایعات با هدف مستقیم
00احیای مایعات با هدف مستقیم
3420110263525اجتناب از تجویز بیش از حد مایعات
00اجتناب از تجویز بیش از حد مایعات
2278380263525اطمینان از آرامبخشی و بی دردی کافی
00اطمینان از آرامبخشی و بی دردی کافی
1019175238760سونوگرافیشکمی جهت تشخیص ضایعات
ایعات
00سونوگرافیشکمی جهت تشخیص ضایعات
ایعات
-90170238760گذاشتن NGT یا رکتال تیوب
00گذاشتن NGT یا رکتال تیوب

-90170272415شروع داروهای افزایش دهنده حرکات معده روده
00شروع داروهای افزایش دهنده حرکات معده روده

3334385111125کمک به حفظ تعادل منفی مایعات برای سه روز
00کمک به حفظ تعادل منفی مایعات برای سه روز
-4667254046855مرحله دوم


00مرحله دوم
-90170111125به حداقل رساندن تغذیه روده ای
00به حداقل رساندن تغذیه روده ای
4623435111125حفظ فشار پرفیوؤن شکمی mmHg60≤APP
00حفظ فشار پرفیوؤن شکمی mmHg60≤APP
2194560111125برداشتنپانسمانها واسکارهایمحدودکننده شکم
00برداشتنپانسمانها واسکارهایمحدودکننده شکم
933450111125توموگرافی کامپیوتری شکم برای تشخیص ضایعات شکمی
00توموگرافی کامپیوتری شکم برای تشخیص ضایعات شکمی

4592955169545مانیتورینگ همودینامیک جهت احیای مایعات
00مانیتورینگ همودینامیک جهت احیای مایعات
2194560169545اجتناب از وضعیت دمر وافزایش سرتخت بیش از20 درجه
00اجتناب از وضعیت دمر وافزایش سرتخت بیش از20 درجه
3363595169545احیا با مایعات هیپرتونیک وکلوییدی
00احیا با مایعات هیپرتونیک وکلوییدی
963295270510درناژ با کاتتر از طریق پوست
00درناژ با کاتتر از طریق پوست
-90170208280تجویز انما
00تجویز انما

9563105080برداشتن ضایعات توسط جراحی
00برداشتن ضایعات توسط جراحی
459359025400تجویز داروهای وازواکتیو جهت حفظ APP>60 mmHg
00تجویز داروهای وازواکتیو جهت حفظ APP>60 mmHg
333375025400برداشتن مایعات توسط دیورتیک
00برداشتن مایعات توسط دیورتیک
211455025400وضعیت عکس ترندلنبرگ
00وضعیت عکس ترندلنبرگ
-692158255کلونوسکوپی با هدف کاهش فشار
00کلونوسکوپی با هدف کاهش فشار
-4152905200015مرحله سوم
00مرحله سوم

336359551435انجام همودیالیز / اولترافیلتراسیون
00انجام همودیالیز / اولترافیلتراسیون
211455051435تجویز بلوک کننده های عصبی-عضلانی
00تجویز بلوک کننده های عصبی-عضلانی
-3937089535قطع تغذیه روده ای
00قطع تغذیه روده ای

-4152906217285مرحله چهارم
00مرحله چهارم
-90170189865در صورت mmHg 25< IAP (و یا mmHg 60 < APP ) و وجود نارسایی یا اختلال عملکرد ارگانی جدید IAH/ACS بیمار به درمان طبی مقاوم می باشد. انجام لاپاراتومی با هدف کاهش فشار داخل شکمی به طور اکید توصیه می گردد.
00در صورت mmHg 25< IAP (و یا mmHg 60 < APP ) و وجود نارسایی یا اختلال عملکرد ارگانی جدید IAH/ACS بیمار به درمان طبی مقاوم می باشد. انجام لاپاراتومی با هدف کاهش فشار داخل شکمی به طور اکید توصیه می گردد.

شکل 2-7: الگوریتم درمان هیپرتانسیون داخل شکمی و سندرم کمپارتمان شکمی(36)
درمان های غیر جراحی شامل 5 مداخله درمانی می باشد.
1. تخلیه محتویات داخل روده ای
2. تخلیه محتویات خارج روده ای (درون شکم یا فضای رتروپریتوئن)
3. بهبود کمپلیانس دیواره شکم
4. تعدیل تجویز مایعات (به اندازه کافی ونه خیلی زیاد)
5. بهبود پرفیوژن بافتی
تخلیه محتویات داخل روده ای
حجم زیاد هوا در دستگاه گوارش و ایلئوس دو عارضه ای است که در بیماران بخش های مراقبت ویژه که تحت تهویه مکانیکی و دریافت ترکیبی از داروهای مختلف می باشند رخ می دهد. تجمع مایعات و گازهای داخل لوله گوارش حجم درون حفره شکم را افزایش می دهد و منجر به افزایش IAP و کاهش خونرسانی می گردد.یک مداخله ساده مثل ساکشن لوله بینی –معدی و درناژ رکتال تیوب اغلب اوقات برای درمان این مشکل وپایین آوردن IAP مؤثر است. تجویز داروهای محرک پروکینتیک مثل اریترومایسین و متوکلوپروماید به تخلیه مواد داخل روده ای کمک خواهد کرد. به ندرت برای کاهش فشار داخل روده ای از کلونوسکوپی کاهنده فشار یا حتی جراحی شکم نیز ممکن است استفاده گردد(38).
تخلیه فضای خارج روده ای از توده های فضاگیر
مایع آزاد در شکم ، آبسه یا هماتوم رتروپریتوئن می تواند منجر به افزایش IAP گردد. این موارد بوسیله معاینه فیزیکی ، سنوگرافی و سی تی اسکن لگن قابل تشخیص می باشد. درناژ مایعات جمع شده از طریق پوست پرفیوژن ارگانی را بهبود می بخشد و از انجام مداخله جراحی جلوگیری می کند. مطالعات اخیر نشان داده است که درناژ مایعات باعث کاهش سطح سایتوکین های التهابی هم در فضای داخل شکمی و هم در سطح سرمی می گردد (40،39)
بهبود کمپلیانس دیواره شکم
وقتی دیواره شکم بیش از حد اتساع پیدا می کنددیگر افزایش فشار داخل شکمی تحمل نخواهد شد. بویژه در بیمارانیکه تحت تهویه مکانیکی می باشند و یا درد دارند. در حقیقت نوسانات IAP در طی تهویه مکانیکی می تواند یک شاخص مفید کاهش کمپلیانس دیواره شکم باشد. اگر تفاوت زیادی بین IAP در انتهای بازدم و انتهای دم وجود داشته باشد به این معنی می باشد که بیمار به سمت IAH در حال پیشرفت است .گاهی اوقات به کاربردن مداخلات بسیار ساده مثل تجویز مسکن یا آرامبخش ها در کاهش IAP مؤثر است.با توجه به تاثیر وضعیت بدن بر روی IAP ، مداخله ساده دیگر در کاهش فشار داخل شکمی قرار دادن بیمار در وضعیتی است که شکم صاف و بدون چین خوردگی باشد به طور مثال قرار دادن بیمار دروضعیت طاقباز همراه با وضعیت ترندلنبرگ بر عکس می تواند به کاهش IAP کمک کند. قرار دادن بیمار در وضعیت خوابیده به شکم همچنین باعث افزایش IAP می گردد که در این موارد مراقبت دقیق از نظر ایسکمی روده ای باید انجام گردد. برخی از مطالعات و شواهد بالینی بیان می کند که اگر با این مداخلات همچنان IAP بیش از 20 میلی متر جیوه باشد استفاده از بلوک کننده های عصبی _عضلانی می تواند مؤثر باشد (40).
از دیگر روش های مشابه استفاده از بی دردی اپی دورال است. ها کابیان و همکارانش در مطالعه ای که بروی بیماران بعد از عمل جراحی با IAP بالای 15 میلی متر جیوه که تحت بی دردی اپی دورال قرارگرفتند به این نتیجه رسیدند که یک ساعت بعد از بی دردی اپی دورال IAP از 7/15 به 9/5 کاهش یافت . این در حالی است که کاهش متوسط فشار شریانی در این بیماران دیده نشد(41).
احیای مایعات
احیای مناسب مایعات ممکن است کار دشواری در بیماران بدحال باشد . بخصوص در حضور IAP بالا وجود IAH ممکن است تفسیر بسیاری از شاخص های همودینامیک را تحت تاثیر قرار دهد. این در حالی است که تجویز بیش از حد مایعات نیز منجر به افزایش فشار داخل شکمی و بدتر شدن نتایج درمان می گردد. پیچیدگی تداخل بین فشارهای داخل شکمی ، داخل قفسه سینه ای و داخل عروقی صحت استفاده از CVP و PCWP را در بررسی حجم مایعات بدن دچار مشکل می سازد . بررسی حجم پایان دیاستولی بوسیله اکوکاردیوگرافی روش دقیقتری برای بررسی حجم داخل عروقی می باشد که معمولاً در دسترس نمی باشد.IAP می تواند به عنوان پارامتری برای تصحیح استاندارد CVP و PCWP به کار برده شود. بیمارانیکه در خطر IAH قرار دارند نیازمند مراقبت دقیق تر از نظر تجویز مایعات می باشند. احیای مایعات در این بیماران باید با توجه به وضعیت پارامترهای قلبی ، اکسیژناسیون ، برون ده ادراری و اندازه گیری IAP انجام گردد.( 42،43)
اصلاح پرفیوژن بافتی
بدنبال احیای مطلوب مایعات ، جریان خون شکمی برقرار می گردد که این موضوع بوسیله فشار پرفیوژن شکمی قابل محاسبه است . اساس این مفهوم همانند فشار پرفیوژن مغزی است. جریان خون بافتی در ارتباط مستقیم با MAP می باشد. APP که منعکس کننده اکسیژناسیون واقعی بافتی است نسبت به اندازه گیری IAP یک معیار پیشگویی کننده دقیق تری است. بیمارانیکه به درستی در آنها احیای مایعات انجام شده است بوسیله عوامل اینوتروپیک وضعیت اکسیژناسیون بافتی بهتری خواهند داشت . به منظور اطمینان از اکسیژناسیون کافی بافتی APP نباید کمتر از 60 میلی متر جیوه باشد.(44)
MAP- IAP=APP
درمان های جراحی (لاپاراتومی کاهنده فشار)
وقتی همه راه های کاهش فشار داخل شکمی منجر به شکست می شود و بیمار از IAH به سمت ACS پیشرفت می کند نیاز به یک جراحی فوری پیدا میکند. این بیماران معمولاً از مرحله پایانی ایسکمی بافتی رنج می برندکه به سمت اختلال عملکرد سلولی و در نهایت مرگ سلولی پیش می رود. مناسب ترین درمان ، جراحی فوری کاهنده فشار از طریق تکنیک های شکم باز و یا به صورت اولیه انجام فاشیاتومی زیر پوستی است. عدم تعجیل در انجام دکمپرسیون جراحی ACS منجر به طولانی شدن زمان و افزایش شدت ایسکمی مزانتر و نیز کاهش خونرسانی ارگان های چند گانه و نهایتاً افزایش مرگ ومیر می گردد (39).
به هرحال علی رغم شیوع بالای IAH/ACS در بیماران داخلی اکثر پزشکان و پرستاران بر این باور هستند که تنها درمان IAH دکمپرسیون جراحی می باشد . در حالی که درمان غیر جراحی سنگ بنای درمان این سندرم می باشدو نقش حیاتی را در پیشگیری و درمان نارسایی ارگانی ناشی از IAH ایفا می کند. امروزه مطالعات زیادی نشان داده اند که درمان غیر جراحی نه تنها میزان بقا را بهتر می کند بلکه از پیشرفت کامل ACS نیز جلوگیری خواهد کرد و طول مدت بستری در ICU و بیمارستان را کاهش خواهد داد و از طرفی از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه خواهد بود(45).
اندازه گیری IAP به هر روشی که انجام گردد حفظ راحتی وآسایش بیمار در حین اندازه گیری IAP بسیار مهم و ضروری است. یکی از جنبه های راحتی وآسایش، بیماران بخصوص بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه حفظ وضعیت مناسب و بی خطر آنها می باشد.از طرفی وضعیت بیمار باید به گونه ای باشد که به صحت اندازه گیری IAP و سایر پارامترهای همودینامیکی خللی وارد نکند.
مطالب ذکر شده نشان می دهد که اندازه گیری IAP می تواند در تشخیص زود هنگام IAH بسیار مفید باشد و لزوم انجام این فرایند نیاز به وضعیت ایمن و راحتی بیمار با توجه به شیوع آن دارد لذا تعیین وضعیتی از زاویه سر تخت برای اندازه گیری IAP بویژه در روش اندازه گیری مداوم جهت پیشگیری از عوارض وضعیت صفر درجه بسیار مهم می باشد از این رو این پژوهش با توجه به اهمیت مسئله مزبور انجام گردید.
مروری بر مطالعات انجام شده :
اهمیت اندازه گیری سریال IAPدر بررسی و احیای بیماران به شدت بد حال در دهه گذشته به طور فزاینده ای تشخیص داده شده است. IAP باید در بیمارانیکه عوامل خطر IAH / ACS را دارند کنترل گردد.
چتام و همکاران (2009) مطالعه ا ی کهورت آینده نگر با هدف تعیین تاثیر سه وضعیت مختلف بدن (وضعیت طاقباز یا صفر درجه ، 15 درجه و 30 درجه ) برروی فشار داخل مثانه که روش استاندارد شده برای اندازه گیری فشار داخل شکمی می باشد می باشد انجام دادند .
-296164015144751)Intra-ahdomind Prerruse
2)Su Iutya-abdominal hypertension
3)Abodmind Comartment sundrome
4) Yentilatore –Associated pneumonia
5) Supine position
6 )chcathametal
001)Intra-ahdomind Prerruse
2)Su Iutya-abdominal hypertension
3)Abodmind Comartment sundrome
4) Yentilatore –Associated pneumonia
5) Supine position
6 )chcathametal
معیارهای ورود نمونه شامل بیماران 18 سال و بالاتر دریافت داروی آرامبخش و اتصال به تهویه مکانیکی که حداقل یک عامل خطر IAH/ACS به شمار می رود. معیارهای خروج هر بیماری که نمی توانست تغییر در وضعیت بدن را تحمل کند مثل بیماران با ضایعات نخاعی ، هیپرتانسیون داخل جمجمه ای ، بی ثباتی همودینامیک را شامل می شد .
با توجه به موارد فوق تعداد 132 بیمار در مطالعه شرکت داده شدند . بعد از کسب اجازه از کمیته اخلاق و اخذ فرم رضایت ، بیماران در سه وضعیت طاقباز ، 15 درجه و 30 درجه قرار گرفتند و از خار ایلیاک به عنوان نقطه صفر اندازه گیری استفاده شد و برای کنترل تاثیر انقباض عضله دیواره شکم برروی اندازه گیری IAPبیمارانآرام میشدند به طوریکه نمرهآرامبخش و آژیتاسیون براساس معیار ریچموند (RASS ) در طی دوره اندازه گیری (4-) بود .
اندازه گیری از طریق مثانه و با تزریق 20 میلی لیترنرمال سالین به داخل مثانه با استفاده از کیت ابوایزر انجام شد . سه بار اندازه گیری در هر وضعیت ( صفر درجه ، 15 درجه و 30 درجه ) حداقل به فاصله 4 ساعت انجام شد. اندازه گیری در انتها ی بازدم و در حالیکه انقباض فعال عضله شکم وجود نداشت و بعد از حداقل 30 ثانیه برای جلوگیری از انقباض مثانه صورت گرفت. نرمال سالین تزریق شده اجازه می دهد تا مثانه برای اندازه گیری بعدی IAP به طور کامل تخلیه شود . اطلاعات فردی در نظر گرفته شده شامل : سن ، جنس ، وزن قد تشخیص زمان پذیرش یا مکانیزم آسیب و وجود عامل خطر IAP بود .-915225569851)Acute physidogy and Chronic Health Evalution Score version
2)Simlified Acute physiology Score Version
3)Seoyuential organ failure Assessment score
001)Acute physidogy and Chronic Health Evalution Score version
2)Simlified Acute physiology Score Version
3)Seoyuential organ failure Assessment score
متوسط سن بیماران 18±59 سال ، 71 درصد مرد ،متوسط شاخص توده بدنی 6±27 ، به طور متوسط تشخیص بیماران 43 درصد داخلی ، 39 درصد جراحی ، و 18 درصد تروما بود. شد .
شدت بیماری طی اندازه گیری در یک دوره 24 ساعته بوسیله نمره نارسایی ارگانی ( SOFA) ( SAPS) ، ( APACHE II) تعیین شد که متوسط این معیارها به ترتیب 6±10، 18± 45، 9± 21 بود. برای هر وضعیت متوسط فشار شریانی (MAP) و PEEP و حداکثر فشار بازدمی (PIP) ، متوسط فشار راه هوایی(MAP ) و RASS ثبت اطلاعات با ضریب اطمینان %95 گزارش گردید . از واریانس اندازه گیری مکرر ، آزمونt وپست هوک برای معنی داری بین گروه های IAP و جهت تعیین میزان خطا و حد توافق بین سه گروه وضعیت از روش بلند و آلتمن استفاده گردید. در این پژوهش طبق انجمن جهانی سندرم کمپارتمان شکمی میزان خطا کمتر از 1 میلیمتر جیوه و حد توافق بین 4- تا 4+ بیان شده است. بین همه معیار ها با 5 0/0 >P معنی دار در نظر گرفته شد . از 132 بیمار شرکت داده شده در این مطالعه 392 بار اندازه گیری IAP انجام شد . در 4 بیمار به دلیل عدم تحمل ،وضعیت سوم اندازه گیری در آنها انجام نشد .
شیوع IAH 46 درصد ، ACS 15 درصد ، متوسط فشار شریانی 83 میلی متر جیوه ، حداکثر فشار بازدمی 24 سانتی متر آب ، متوسط فشار راه هوایی 13 سانتی متر آب و متوسط فشار مثبت انتهای بازدمی 8 سانتی متر آب بود . متوسط RASS 8/3- تایید کننده صحت اندازه گیری IAPاست. 88 درصد بیماران د ر طی اندازه گیری شکم بسته داشتند و در 12درصد شکم باز شده بود . از نظر درمان هیپرتانسیون داخل شکمی 56درصد نیاز به دکمپرسیون شکمی و 44 درصد نیاز به شکم باز داشتند . 24درصد ا ز بیماران به دلایل نارسایی چند ارگانی (44درصد) ، ACS (22درصد)، خونریزی (18درصد) و سپسیس (15درصد) فوت کردند . سه سری اندازه گیری IAP در هر وضعیت بدن با آنالیز واریانس مقایسه شد .
مقایسه IAP در زاویه 15 و30 درجه در مقایسه با IAP در صفر درجه اختلاف معنی داری نشان داد. ( 0001/0>P ) میزان خطا و محدوده توافق به ترتیب بین زوایای 15-0 ، 1/5 میلیمتر جیوه و2/8- تا 5/8 ومیزان خطا و محدوده توافق به ترتیب بین زوایای 30-0 3/7 و 2/2- تا 9/6 گزارش گردید. داده ها نشان داد که وقتی فشار داخل شکمی به 20 میلیمتر جیوه و بیشتر رسید، زوایای کمتر از30درجه در افزایش فشار داخل شکمی موثر نیست . ( 01/0 > (P این نتیجه بیان می کند که IAP در بیماران بد حال در زوایای بین صفر و 30 درجه قابل اندازه گیری می باشد .
این پژوهش بیان می کند که بالا بردن سرتخت حتی به میزان کم باعث افزایش فشار داخل شکمی نسبت به وضعیت صفر درجه می گردد. این اختلافات وضعیتی اگرچه اندک به نظر می رسد اما هم از نظر آماری و هم از نظر بالینی مهم هستند و می تواند به شکل بالقوه منجر به تغییر در درمان بالینی شوند. ثبات وضعیت بیمار از یک اندازه گیری تا اندازه گیری بعدی در صحت اندازه گیری IAP برای تصمیم گیری بالینی اهمیت دارد.
این مطالعه پیشنهاد می نماید که اندازه گیریIAP در وضعیت صفر درجه انجام شود تا هم یک استاندارد سازی در تکنیک اندازه گیری بوجود آید و هم اینکه از خطاهای اندازه گیری در زوایای 15 و 30 درجه پیشگیری شود. مراقبت کنندگان باید به این مساله توجه داشته باشند که در صورت بالا بردن سر تخت در فواصل اندازه گیری جهت پیشگیری از پنومونی ممکن است میزان IAP کمتر از حد واقعی نشان داده شود(1) .
اندازه گیری فشار داخل شکمی به منظور شناسایی هیپرتانسیون داخل شکمی که ممکن است علاوه بر بروز اختلالات قلبی _عروقی ، تنفسی وکلیوی موجب اختلال گردش خون احشایی شود،استفاده می گردد. از آنجائیکه درجه ای از IAP که در آن درجه ، سندرم کمپارتمان شکمی تشخیص داده شود ، هنوز تعریف نشده است و همچنین تاثیر درجه ای که معمولا برای وضعیت سرتخت استفاده می شود، بر اندازه گیری وسنجش روشن نیست ، مطالعات زیادی در این زمینه در حال انجام است . از این روواسکویز و همکارانش در ویچیتا کانزاس مطالعه ای مقطعی آینده نگر با هدف تاثیر درجات مختلف سرتخت برروی فشار داخل شکمی که بوسیله اندازه گیری فشار داخل مثانه اندازه گیری می گردد، را انجام دادند.
در این پژوهش پس از کسب اجازه از کمیته استانداردهای اخلاقی در پژوهش های تجربی ودریافت موافقت از سازمان تحقیق پزشکی ویچیتا انجام گردید .معیارهای ورود نمو نه در این مطالعه شامل : بیماران ترومایی 18 سال به بالا که با جایگذاری کاتترادراری در ICU پذیرش می شدند بوده است . معیارهای خروج بارداری ، شکستگی همراه با جابجایی و هماتوم لگن ؛ سیستکتومی قبلی ، پارگی تروماتیک مثانه ، موارد منع وضعیت خوابیده به پشت ؛ نیمه خوابیده وضعیت به پهلو ، عدم ثبات همودینامیک ؛ مایع درمانی وسیع و وجود کاتتر سوپراپوبیک ذکر شده است .
با رعایت موارد فوق تعداد 45 نفر بیمارترومایی پذیرش شده بین مارس 2005 تا اگوست 2005 به عنوان واحدهای مورد پژوهش در نظر گرفته شد. روش کار بدین شرح بوده است که برای هر واحد مورد پژوهش سه بار در 5 وضعیت خوابیده به پشت ( صفر ، 15 ، 30 ، 45 و 30 درجه بالای خط افقی همراه با 15 درجه انحراف سرتخت) اندازه گیری فشار داخل مثانه که نمایانگر فشار داخل شکمی می باشد انجام شد . اندازه زاویه سرتخت بوسیله شاخص زاویه موجود در نرده هر تخت سنجیده شد . اندازه گیری فشار داخل مثانه درانتهای بازدم و حداقل یک دقیقه بعد از هر تغییر وضعیت بیمار جهت برقراری تعادل بدن انجام شد. بعلاوه همه اندازه گیری های واحدهای مورد پژوهش در طی یک دوره 4 ساعته جهت به حداقل رساندن تاثیر تغییرات وضعیت بالینی بر اندازه گیری فشار داخل مثانه صورت گرفت .کیت ابوایزر اندازه گیری فشار داخل شکمی از طریق کاتتر فولی به واحدهای پژوهش وصل گردید ؛ بعد از قرار دادن بیمار در اولین وضعیت و برقراری موازنه به آرامی 50 سی سی سرم نرمال سالین به داخل مثانه تزریق گردید . بعد از حداقل یک دقیقه، فشار اندازه گیری شده مثانه ثبت شد . این روش برای وضعیت های بعدی تا زمانی که فشار داخل مثانه برای هر 5 وضعیت تعیین شده اندازه گیری و ثبت شود ادامه یافت . IAP بیماران در هر 5 وضعیت سه بار اندازه گیری شد و متوسط IAP محاسبه گردید . از این رو 675 بار فشار داخل مثانه برای 45 بیما رمورد بررسی قرار گرفت جمع آوری داده ها در همه شیفت ها صورت گرفت .
بیماران انتخاب شده از نظر شاخص توده بدنی (BMI) براساس طبقه بندی سازمان بهداشت جهانی در سال 2000 در چهار گروه : وزن کمتر از حد طبیعی 5/18 >BMI ، وزن در محدوده طبیعی 99/24_5/18 ، اضافه وزن 99/29_25 و چاقی 30 <BMI طبقه بندی شدند. خصوصیات بالینی و دریافت مداخلات مختلف آنها عبارت بود از : ساکشن لوله بینی (7/26درصد) ، تغذیه لوله ای (6/15درصد) ، فلج روده ای ( 11درصد) ، لاپاراتومی (9/8درصد) ، استفاده از فلج کننده های شیمیایی (2/2درصد) ، اتصال به تهویه مکانیکی (3/33درصد) با فشار پلاتو 40-7 و متوسط کل آن 14/21 بود.
برای یکسان سازی واحدهای مورد پژوهش در گروه بندی BMI از آزمون کای اسکوئر و آزمونt زوج استفاده شد. جهت تاثیر زاویه سر تخت بر میزان فشار مثانه ، میانگین فشار داخل مثانه در وضعیت های مختلف بوسیله آزمون آنوا یک طرفه مقایسه شد که از نظر آماری در همه وضعیت های بدن تفاوت معنی دار داشت(001/0(P<.
برای همسان سازی گروههای طبیعی ، اضافه وزن و چاق بر اساس دسته بندی BMI از نظر تعداد ، خصوصیات فردی و بالینی از آزمون squre-chi و t- Test استفاده شد که تفاوت معنی دار را نشان نداد. همچنین آزمون پست هوک 4 در وضعیت صفر درجه اختلاف معنی دار را بین گروه های طبیعی ، اضافه وزن وچاق از نظر فشار داخل مثانه نشان داد. (001/0>P ( ولی بین گروه چاق و اضافه وزن اختلاف معنی دار دیده نشد. در وضعیت 15 درجه تفاوت معنی دار بین گروه طبیعی و چاقی دیده شد. (001/0 (P<
آزمون Ancova بین BMI به عنوان یک متغیر همراه تشدید کننده و فشار داخل مثانه تفاوت معنی داری را نشان داد. ( 013/0P= ) نتایج بیان کننده افزایش معنی دار در میزان فشار داخل مثانه به دنبال بالا بردن سر تخت که معمولا برای بیماران بستری درICU استفاده می شود، است. 72درصد تغییر در فشار داخل مثانه به دلیل تغییر در بالا بردن سر تخت می باشد به گونه ای که از وضعیت خوابیده یا صفر درجه (6 /1 ± 2/10 میلیمتر جیوه) به وضعیت 15 درجه( 7/1 ± 4/12 میلیمتر جیوه ) تفاوت معنی دار گزارش می شود.
علاوه بر این متوسط افزایش از وضعیت صفر درجه به وضعیت 30 درجه با انحراف 15 درجه 1/9 میلیمتر جیوه بود که بطور بالقوه فشار داخل شکمی بیمار را از درجه I (IAP بین 12 تا 15 میلیمتر جیوه) به درجه II ( IAP بین 21 تا 25 میلیمتر جیوه ) تغییر می دهد. همچنین اثر بالا بردن سر تخت در بیماران با BMI بالاتر به مراتب بیشتر است و36 -25 درصد تغییر در فشار مثانه به دلیل BMI بوده است . نتایج فوق ارتباط نسبی را بین بالا بردن سر تخت و فشار داخل مثانه شرح می دهد. توجه به فشار داخل شکمی به عنوان یک عامل فیزیولوژیک مهم در بیماران ویژه به شکل فزایند ه ای درحا ل افزایش است(12).
بالا بردن سر تخت یک وضعیت توصیه شده برای اکثر بیماران بستری در بخش های مراقبت ویژه می باشد. هیچ دلیل فیزیولوژیکی ، تکنیکی و بالینی برای عدم اندازه گیری IAP در وضعیت 30 درجه وجود ندارد. به این منظور پژوهشی آینده نگر ،تصادفی و تجربی با هدف بررسی امکان پذیر بودن اندازه گیری IAP در وضعیت 30 درجه توسط شوستر و همکارانش در بیمارستان عمومی الگنسی پنسیلوانیا بر روی 120 بیمار بستری در بخش های مختلف مراقبت ویژه انجام شد. معیارهای ورود به پژوهش شامل بیماران بالای 18 سال که از نظر بالینی نیاز به کاتتر ادراری داشته باشند بود و هر بیماریکه قادر به تحمل تغییر وضعیت نبود و یا دارای مثانه نوروژنیک ،پارگی مثانه و یا هماچوری بود از مطالعه خارج گردیدند.
اندازه گیری فشار داخل شکمی به روش کرن انجام شد.در این مطالعه واحدهای مورد پژوهش در وضعیت صفر درجه قرار داده شدند و IAP با وارد کردن 25 میلی لیتر نرمال سالین به داخل مثانه اندازه گیری شد.
سپس دومین اندازه گیری به صورت تصادفی در یکی از 12 وضعیت ترکیبی شامل ؛ 4 وضعیت مختلف بدن (صفر درجه ، 30 درجه ، پهلوی راست همراه با زاویه 30 درجه و پهلوی چپ همراه با زاویه 30 درجه سر تخت ) و سه حجم مختلف 25 ، 50 و 200 میلی لیتر نرمال سالین انجام شد.
جهت آنالیز داده های با توزیع نرمال از آنالیز واریانس و تست نئوما کولس و پست هوک و برای داده هایی که توزیع نرمال نداشتند از آزمون های کروسکال والیس و یا ویلکاکسون و برای مقایسه اندازه گیری ها در شرایط مختلف از آزمون تی زوج استفاده گردید.
از 120 بیمار مورد پژوهش که فرم رضایت نامه شرکت در پژوهش را امضاء نموده بودند 66 بیمار مرد و 111 نفر سفید پوست با میانگین سنی 5/63 )1/17= (SD بودند . شاخص توده بدنی8/15 تا54 با میانگین 29(3/7=(SD و طول مدت اقامت در ICU قبل از اندازه گیری IAP از یک تا 50 روز با میانگین 7/4 (8/6=SD ) بود. آنالیز واریانس نشان داد که هیچ اختلاف معنی داری درباره طول مدت اقامت در ICU در بین 12 گروه دیده نشد. اما در مورد سن ( 007/0=P ، 2/0=R2 ، 5/2=F ) و شاخص توده بدنی ( 007/0=P ، 2/0=R2 ، 5/2=F ) این اختلاف معنی دار بود.
48 بیمار (60درصد) از بخش تروما، 25 بیمار (8/20درصد) از ICU جراحی اعصاب ، 18 بیمار (15درصد) از ICU داخلی ، 15 بیمار از بخش CCU و 14 نفر (7/11درصد) ازICU جراحی بودند. 8 نفر از بیماران (7/6درصد) متصل به تهویه مکانیکی بودند و 5 نفر به روش تهویه در دو سطح فشار مثبت راه هوایی تهویه می شدند . 25 نفر تعادل منفی مایع و 95 بیمار (2/79درصد) تعادل مثبت مایع داشتند .در وضعیت خوابیده صفر درجه همراه با وارد کردن 25 میلی لیتر نرمال سالین IAP دامنه ای از 1 تا 44 میلی متر جیوه با میانگین 6/11 (9/5=SD) اندازه گیری شد. 115 بیمار محدوده 1 تا 25 میلی متر جیوه و 2 بیمار بالای 25 میلی جیوه و 53 بیمار (2/44درصد) IAP 12 میلی متر جیوه و بیشتر داشتند. میانگین IAP با وارد کردن 25 میلی لیتر نرمال سالین در وضعیت خوابیده صفر درجه 8/5 (2/2=SD) ، وضعیت 30 درجه 7/12 (7/2=SD ) ، در وضعیت پهلوی راست با زاویه 30 درجه 11 ( 7/3=SD) و در وضعیت پهلوی چپ با زاویه 30 درجه 2/12(8/5) گزارش شد.