Атмосферный воздух состоит на 21% из кислорода, на 78% — из азота, а в оставшийся 1% входят, в основном, аргон и диоксида углерода. Кислород — газ без цвета и запаха, является жизненно важным газовым компонентом для Земли. Помимо важности кислорода для дыхания человека, его высокочистая форма находит широкое применение в промышленности. Для промышленных применений, таких как сварка, медицина, нефтепереработка и производство металлов, требуется кислород с чистотой более 99%.
Получение
Существует множество способов получения кислорода. В лабораторных условиях наиболее распространенными является метод электролиза и получения кислорода из пероксида водорода, однако остановимся на промышленных методах получения газа. Воздух можно разделить на составляющие с помощью криогенной адсорбции, адсорбции при переменном давлении и мембранной технологии.
Криогенная адсорбция
Этот процесс был впервые разработан Карлом фон Линде в 1895 году и остается практически неизменным и на сегодняшний день. Криогенный процесс состоит из сжатия, охлаждения и, в результате, сжижения атмосферного воздуха с последующим разделением его компонентов путем дистилляции. В основе технологии различие в температурах кипения компонентов воздуха. Идея этого процесса состоит в том, чтобы понизить температуру воздуха так, чтобы азот и кислород разделились в зависимости от их температур кипения, что происходит при температуре около -184.4°С. Воздух разделяется на кислород, азот и остаточные газы посредством пропускания воздуха через молекулярное сито для удаления диоксида углерода, воды, закиси азота и различных углеводородов, после чего этот поток подается в холодильную камеру, где оставшиеся компоненты переходят в сверхчистые формы кислорода, азота, аргона и благородных газов. Преимущества данного метода получения заключаются в том, что при таком разделении возможно получить кислород высокой чистоты (>99,5%), особенно если требуются большие объемы кислорода (≥102 тонн кислорода в день) или кислород под высоким давлением.
Адсорбция при переменном давлении
Этот метод был запатентован Чарльзом Скарстромом в 1960 году. При использовании адсорбции при переменном давлении воздух пропускается через слой адсорбирующего материала (цеолит или активированный уголь). Этот метод основан на неодинаковом сродстве различных газов к адсорбции на твердых носителях. При производстве кислорода данным методом давление повышается до такой степени, что сродство азота к молекулярному ситу намного превышает сродство кислорода. Молекулярное сито адсорбирует азот, и остается поток воздуха, обогащенного кислородом, чистотой примерно до 95%. Затем при снижении давления захваченные загрязняющие вещества высвобождаются, и цикл начинается заново.
Мембранная технология
Мембранная технология получения кислорода заключается в пропускании воздуха через мембранный фильтр. Фильтр пропускает быстрые газы, а медленные остаются. Кислород считается быстрым газом, а азот и аргон — медленными. В настоящее время мембранные технологии позволяют удовлетворить потребности до 20 тонн кислорода/сутки. Современные исследования показали, что эта технология может производить кислород с чистотой более 99% при гораздо меньших затратах, чем криогенное разделение.
Свойства
Кислород не имеет цвета и запаха. Сжижается в слегка голубоватую жидкость. Кислород может растворяться в органических веществах, поглощаться углем и металлическими порошками, образует оксиды почти со всеми химическими элементами. Температура кипения кислорода составляет 183 °C.
Применение
Металлургия
Широкое применение кислород находит в сталелитейной промышленности. Современное производство стали невозможно без использования кислорода. Им осуществляют обогащение воздуха и повышение температуры горения материалов в доменных и мартеновских печах. В ходе производства стали излишний углерод соединяется с кислородом и покидает сферу реакции в виде диоксида углерода. Большое количество кислорода также используется для производства других металлов, таких как медь, свинец и цинк.
Химическое производство
Кислород используется в качестве сырья во многих процессах окисления, включая производство окиси этилена, оксида пропилена, cинтез-газа, широкого спектра углеводородов, дихлорида этилена, перекиси водорода, азотной кислоты, винилхлорида и фталевой кислоты.
При газификации угля используется очень большое количество кислорода — для получения синтез-газа, который может быть использован в качестве химического сырья или прекурсора для более легкой транспортировки и использования топлива.
На нефтеперерабатывающих заводах кислород используется для обогащения воздуха, подаваемого в регенераторы каталитического крекинга, что увеличивает производительность установок. Он используется в установках извлечения серы для достижения аналогичных преимуществ. Кислород также используется для регенерации катализаторов.
Кислород используется для достижения более полного сгорания и уничтожения опасных материалов и отходов в установках для сжигания отходов.
Медицина
В медицине кислород используется во время операций, интенсивной терапии, ингаляционной терапии и т.д. Необходимо соблюдать высокие стандарты чистоты и обращения с ним.
Кислород обычно поступает в больницы в виде объемных поставок жидкости, а затем распределяется по местам использования. Он помогает при проблемах с дыханием, спасая жизни и повышая комфорт пациентов.
Небольшие портативные некриогенные воздухоразделительные установки находят широкое применение в домашних условиях. Установки более крупного масштаба, в которых также используется технология некриогенного разделения воздуха, используются в небольших и / или удаленных больницах, где спрос достаточно высок, чтобы сделать доставку баллонов логистической проблемой, но где доставка жидкости недоступна или очень дорогостоящая. Эти установки обычно производят кислород чистотой от 90 до 93%, которого достаточно для большинства медицинских целей.
Интересные факты
- Избыток кислорода так же вреден для организма, как и недостаток. Вдыхание 80-процентного кислорода в течение более 12 часов раздражает дыхательные пути и итоге может вызвать смертельное скопление жидкости в легких или их отек.
- В исследовании 2012 года, опубликованном в Physical Review Letters, методами квантово-химического моделирования было показано, что молекула кислорода стабильна при давлении в 1,9 терапаскаль, что примерно в девятнадцать миллионов раз превышает атмосферное давление.
- Самый низкий уровень кислорода, когда-либо зарегистрированный в крови человека, был измерен недалеко от вершины Эвереста в 2009 году.
- Человек с весом от 60 до 63 кг потребляет 250 мл кислорода в минуту, а основными органами, потребляющими кислород, являются печень (20,4%), мозг (18,4%) и сердце (11,6%).
- В морской воде существует зона кислородного минимума — это зона с минимальным содержанием кислорода. Она находится на глубине от 200 до 1000 метров. В таких зонах из-за протекающих в них биологических процессов концентрация кислорода падает с нормальных 4-6 мг/л до 2 мг/л и ниже.
В компании "Хогаз" вы можете приобрести поверочные газовые смеси, моногазы, сварочное оборудование, соединения редких и редкоземельных металлов и др. сопутствующие товары.
Оформить заказ можно через сайты hogas.ru и hogas.su, а также через магазины на Авито, OZON, Wildberries и Яндекс.Маркете.