stringtranslate.com

Хранение кислорода

Методы хранения кислорода для последующего использования охватывают множество подходов, включая высокое давление в кислородных баллонах , криогенику , богатые кислородом соединения и реакционные смеси, а также химические соединения , которые обратимо выделяют кислород при нагревании или изменении давления. O 2 является вторым по важности промышленным газом.

Воздух

Воздух является наиболее распространенным источником и резервуаром кислорода, содержащим 20,8% кислорода . Эта концентрация достаточна для многих целей, таких как сжигание многих видов топлива, коррозия многих металлов и дыхание животных. Большинство людей могут функционировать в состоянии покоя при уровне кислорода 15% при давлении в одну атмосферу ; [1] такое топливо, как метан , горючее при содержании кислорода до 12% в азоте.

Небольшая комната площадью 10 кубических метров содержит 2,08 кубических метров ( 2080 литров) или 2,99 кг кислорода, который занимал бы 2,62 литра, если бы был жидким. [2]

Высокое давление

Кислородные баллоны , содержащие давление до 200 бар (3000 фунтов на квадратный дюйм), используются для промышленных процессов, включая производство стали и монеля , сварку и резку, медицинский дыхательный газ, дайвинг и как аварийный дыхательный газ в самолетах. Небольшой стальной бак емкостью 16 литров воды с рабочим давлением 139 бар (2015 фунтов на квадратный дюйм) вмещает около 2150 литров газа и весит 28 килограммов (62 фунта). [3] 2150 литров кислорода, без стального бака, весят около 3 килограммов (6,6 фунта)

Криогенный

Жидкий кислород в криогенном сосуде Дьюара (вакуумно-изолированном сосуде) используется в аэрокосмической, подводной и газовой промышленности.

Химические генераторы кислорода

Химические генераторы кислорода сохраняют кислород в своем химическом составе и могут быть использованы только один раз.

Кислородные свечи содержат смесь хлората натрия и железного порошка, которая при возгорании тлеет при температуре около 600 °C (1112 °F) и образует хлорид натрия , оксид железа и кислород, около 270 литров на кг смеси.

Некоторые коммерческие авиалайнеры используют аварийные генераторы кислорода , содержащие смесь хлората натрия ( NaClO3 ), 5 процентов перекиси бария ( BaO2 ) и 1 процент перхлората калия ( KClO4 ), которая после воспламенения реагирует, выделяя кислород в течение 12–22 минут, пока установка не достигнет температуры 500 °F (260 °C) .

Система генерации кислорода Vika , используемая на станции «Мир» , а позднее на Международной космической станции под обозначением NASA «Твердотопливный кислородный генератор» (SFOG) , основана на перхлорате лития , который выделяет около 60% своего веса в виде кислорода. Из всех перхлоратов перхлорат лития имеет как самое высокое отношение кислорода к весу, так и к объему, за исключением диперхлората бериллия, который дорог и токсичен. Система Vika использует баллон, содержащий около 1 литра (2,4 кг) перхлората, для генерации 600 литров (0,86 кг) кислорода, что достаточно для одного человека в течение одного дня.

Химические генераторы кислорода, содержащие супероксид калия, использовались на космическом корабле «Союз» и в некоторых шахтных системах самоспасения (САС) ; KO2 реагирует как с H2O , так и с CO2 с образованием кислорода, при этом на 1 кг супероксида образуется 0,38 кг кислорода.

Озонид тетраметиламмония ( (CH 3 ) 4 NO 3 ) [4] предлагается в качестве источника кислорода для генераторов из-за его низкой молекулярной массы, составляющей 39% кислорода. [5]

Обратимые химические поглотители

Поглощение и десорбцию кислорода можно контролировать с помощью изменения давления, так называемая абсорбция при переменном давлении (PSA), или изменения температуры, так называемая абсорбция при переменном температуре (TSA).

Катионно-упорядоченные двойные перовскиты BaLnMn 2 O 5+d (Ln: лантаноиды и Y) являются известными материалами для хранения кислорода, работающими в режиме PSA. Материалы показывают практически полное и обратимое изменение между полностью восстановленным BaLnMn 2 O 5 и окисленным BaLnMn 2 O 6 , которое происходит при умеренных температурах (300–500 °C) при изменении парциального давления кислорода. Свойства конкретного материала зависят от замещенного Ln+3катион. В этом типе материала интеркаляция кислорода происходит в вакансии и коррелирует с изменением степени окисления марганца ( окислительно-восстановительная реакция ). [6]

Другие материалы, подходящие для работы PSA, — это материалы типа браунмиллерита , такие как La 0,6 Sr 0,4 Co 0,2 Fe 0,8 O 3−d , La 0,5 Sr 0,5 Co 0,5 Fe 0,5 O 3−d , обычно используемые в качестве катодных материалов для SOFC, демонстрируют некоторые хорошие свойства хранения кислорода, такие как высокая емкость и низкая температура окисления. Однако материалы, богатые кобальтом, могут страдать от нестабильности в восстановительных условиях и при более высоких температурах, таких как 550 °C. [7]

Недавно разработанные материалы, подходящие для применения в TSA, представляют собой гексагональные материалы LnMnO 3+d (Ln: лантаноиды и Y). [8] Кислородные стехиометрические фазы ( δ = 0), обозначаемые как Hex0, кристаллизуются в гексагональной симметрии P 6 3 см , которую можно описать как слоистую структуру, в которой слои R+3катионы в восьмикратной координации разделены слоями тригональных Mn, имеющих общие углы+3Бипирамиды O 5. Очень важным свойством, с точки зрения TSA, является возможность введения значительного количества межузельного кислорода в структуру вблизи позиции Mn, что увеличивает валентность Mn до значения выше +3. Этот процесс приводит к созданию уникальной, максимально восьмикратной координации катионов марганца и изменяет симметрию примитивной ячейки. Введение межузельного кислорода в структуру приводит к образованию кислородсодержащих фаз с различной симметрией: R 3 c ( δ ≈ 0,28, Hex1) и Pca 2 1 ( δ ≈ 0,41, Hex2). Диапазон рабочих температур таких материалов в воздушной атмосфере может составлять от 200 до 300 ˚C и до 20 ˚C. [9]

Ученые из Университета Южной Дании опубликовали статью о хранении кислорода методом хемосорбции. Две молекулы дикислорода хранятся в кристаллической соли {(bpbp)Co II 2 NO 3 } 2 (2-амино-1,4-бензолдикарбоксилато)(NO 3 ) 2 ·2H 2 O. при 35 градусах Цельсия и высвобождаются при нагревании до 100 градусов Цельсия. [10] «Bpbp» — это 2,6-бис(N,N-бис(2-пиридилметил)аминометил)-4- трет- бутилфенолят.

Аналогия функции кобальта , связанного с их органической молекулой, была сделана с функцией железа и меди в металлопротеинах, используемых для дыхания животных. Нитратные анионы в кристалле обмениваются с нейтральным дикислородом , но остаются в кристалле; другие анионы, кроме нитрата, работают аналогично и обменивают кислород быстрее. 10 литров кристаллов «достаточно, чтобы поглотить весь кислород в комнате», в три раза больше кислорода, чем эквивалентный по размеру стальной бак. [11]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Кислород и потребности человека". newton.dep.anl.gov . 2006-09-25. Архивировано из оригинала 2015-02-26.
  2. ^ 2 метра x 2 метра x 2,5 метра = 10 метров 3 раза по концентрации и плотности кислорода при нормальных условиях
  3. ^ "Технические характеристики баллонов из нержавеющей стали высокого давления". alspecialtygases.com . Архивировано из оригинала 2010-03-15.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  4. ^ Соломон, Ирвин Дж.; Качмарек, Эндрю Дж.; Макдоноу, Джон М.; Хаттори, Кийо (1960). «Подготовка, характеристика и физические и химические свойства озонида тетраметиламмония 1 ». Журнал Американского химического общества . 82 (21). Американское химическое общество (ACS): 5640–5641. doi :10.1021/ja01506a022. ISSN  0002-7863.
  5. ^ Патент США 3,139,327
  6. ^ Klimkowicz, Alicja; Świerczek, Konrad; Zheng, Kun; Wallacher, Dirk; Takasaki, Akito (июнь 2017 г.). «Выделение кислорода из BaLnMn2O6 (Ln: Pr, Nd, Y) в восстановительных условиях, изученное с помощью нейтронной дифракции». Journal of Materials Science . 52 (11): 6476–6485. Bibcode :2017JMatS..52.6476K. doi :10.1007/s10853-017-0883-2. ISSN  0022-2461. S2CID  99417756.
  7. ^ Климкович, Алисия; Сверчек, Конрад; Такасаки, Акито; Домбровский, Богдан (апрель 2014 г.). «Способность хранить кислород в Co- и Fe-содержащих оксидах перовскитного типа». Ионика твердого тела . 257 : 23–28. дои : 10.1016/j.ssi.2014.01.018.
  8. ^ Климкович, Алисия; Сверчек, Конрад; Кобаяши, Шунтаро; Такасаки, Акито; Аллахьяни, Вадия; Домбровский, Богдан (февраль 2018 г.). «Улучшение свойств хранения кислорода гексагонального YMnO3+δ путем микроструктурных модификаций». Журнал химии твердого тела . 258 : 471–476. Бибкод : 2018JSSCh.258..471K. дои : 10.1016/j.jssc.2017.10.037.
  9. ^ Климкович, Алисия; Цичи, Кацпер; Чмайсем, Омар; Домбровский, Богдан; Пудель, Бишам; Сверчек, Конрад; Таддеи, Кейт М.; Такасаки, Акито (2019). «Обратимая интеркаляция кислорода в гексагональном Y 0,7 Tb 0,3 MnO 3+δ: в сторону производства кислорода путем поглощения в воздухе при колебаниях температуры». Журнал химии материалов А. 7 (6): 2608–2618. дои : 10.1039/C8TA09235D. ISSN  2050-7488. ОСТИ  1491217. S2CID  104445894.
  10. ^ Сандберг, Джонас; Кэмерон, Лиза Дж.; Саутон, Питер Д.; Кеперт, Кэмерон Дж.; Маккензи, Кристин Дж. (2014). «Хемосорбция/десорбция кислорода при обратимом превращении монокристалла в монокристалл» (PDF) . Химическая наука . 5 (10): 4017. doi : 10.1039/C4SC01636J . ISSN  2041-6520.
  11. ^ Сандберг, Джонас; Кэмерон, Лиза Дж.; Саутон, Питер Д.; Кеперт, Кэмерон Дж.; Маккензи, Кристин Дж. (2014). «Хемосорбция/десорбция кислорода при обратимом превращении монокристалла в монокристалл». Chem. Sci . 5 (10). Королевское химическое общество (RSC): 4017–4025. doi : 10.1039/c4sc01636j . ISSN  2041-6520.