اکسیژن چیست و چرا اهمیت دارد؟ در چه مواردی کاربرد دارد؟

اهمیت زیاد اکسیژن

اکسیژن یک گاز بی بو، بی رنگ ونامرئی است. این گاز %22 از هوا را تشکیل داده است. اکسیژن در بدن انسان، خورشید، اقیانوس‌ها و اتمسفر یافت می‌شود.

اکسیژن به عنوان یک گاز غیر مایع در فشار bar 138 یا بالاتر، همچنین به عنوان یک مایع برودتی در فشارها و دماهای زیر bar) 138 و °C146.5-)حمل می‌شود.

اکسیژن در فرآیندجداسازی هوا، از طریق مایع شدن هوای اتمسفر جداسازی می‌شود. مقادیر بسیار کمی توسط الکترولیز آب تولید می‌شود.

حدود نیمی از پوسته زمین از ترکیبات شیمیایی حاوی اکسیژن تشکیل شده است و یک پنجم اتمسفر ما توسط گاز اکسیژن اشغال شده‌ است. بدن انسان حدود دو سوم اکسیژن دارد. اگر چه اکسیژن از آغاز تحقیقات علمی وجود داشته‌است، اما تا سال ۱۷۷۴ که جوزف پریستلی از انگلستان آن را به عنوان یک عنصر مجزا کشف کرد به رسمیت شناخته نشد. جوزف پریستلی اکسیژن را با حرارت دادن اکسید جیوه در یک لوله آزمایش معکوس با اشعه‌های متمرکز خورشید جدا کرد.

وقتی اکسیژن به عناصر دیگر متصل می‌شود، اکسیدها تولید می‌شوند. آن بخشی از هیدروکسیدها و اسیده‌ای مختلف است. اکسیژن می‌تواند در نقطه جوش سرد شود و به رنگ آبی روشن در می‌آید. این رنگ حتی زمانی که در حالت جامد باشد، حفظ می‌شود.

در سال ۱۸۹۵، کارل پاول گوتفرید فون لیند از آلمان و ویلیام همپتون از انگلستان به طور مستقل فرآیندی را برای کاهش دمای هوا تا زمان مایع شدن آن توسعه دادند. با تقطیر هوای مایع، می‌توان گازهای مختلف از اجزای هوا را بدست آورد. این فرآیند منبع اصلی اکسیژن، نیتروژن و آرگون با کیفیت وخلوص بالا شد.

نخستین استفاده پیشرانه‌های موشک مایع در سال ۱۹۲۳ رخ داد زمانی که رابرت گودارد از ایالات‌متحده یک موتور موشک با استفاده از بنزین به عنوان سوخت و اکسیژن مایع به عنوان اکسید کننده توسعه داد. در سال 1926، او موشک کوچکی با سوخت مایع را با موفقیت در مسافت 56متری با سرعتی در حدود 97 کیلومتر در ساعت به پرواز درآورد.

بعد از جنگ جهانی دوم، تکنولوژی‌های جدید پیشرفت‌های قابل‌توجهی را در فرآیند جداسازی هوا که برای تولید اکسیژن به کار می‌رود، به ارمغان آوردند. با کاهش هزینه‌ها، حجم تولید و سطوح خلوص افزایش یافت. در سال ۱۹۹۱، بیش از ۱۳.۴ میلیارد متر مکعب ‏اکسیژن در ایالات‌متحده تولید شد و آن را به دومین گاز صنعتی پر حجم در حال استفاده تبدیل کرد.

کشورهای اروپای غربی، روسیه (‏اتحاد جماهیر شوروی سابق)‏، ایالات‌متحده آمریکا، اروپای شرقی و ژاپن پنج منطقه بزرگ تولید کننده اکسیژن هستند.

دانشمند فرانسوی، آنتوان لاووازیه، با اصول آزمایش‌ها ژوزف پریستلی، بیشتر و بیشتر آزمایش کرد و مشخص کرد که یکی از دو جزء اصلی هوا است. لاووازیه اصطلاح گاز جدید را به عنوان اکسیژن با استفاده از کلمات یونانی oxys، به معنای ترش یا اسید و ژن‌ها، که به تولید یا تشکیل اشاره دارند، ابداع کرد.

سالانه حدود ۱۰۰ میلیون تن اکسیژن برای اهداف صنعتی از هوا استخراج می‌شود. صنعت فولاد مصرف‌کننده اصلی اکسیژن برای فرآیند اصلی خود است. در صنعت فولاد، فرآیند ذوب سنگ آهن به فولاد نیازمند تزریق فشار بالا اکسیژن به فولاد مذاب برای حذف ناخالصی ها از فولاد است. در صنعت فولاد سازی مقادیر زیادی اکسیژن از طریق سنگ معدن مذاب ناخالص منفجر می‌شود که در آن هر گونه ناخالصی موجود (‏به ویژه کربن) ‏را می‌سوزاند. در حدود ۱ تن اکسیژن برای هر تن فولاد تمام‌شده مورد نیاز است.

اکسیژن برای تولید انرژی در فرایندهای صنعتی، ژنراتورها و کشتی‌ها مورد نیاز است. هم چنین از آن در هواپیماها و ماشین‌ها استفاده می‌شود. به عنوان اکسیژن مایع، سوخت فضاپیما را می‌سوزاند. این باعث ایجاد فشار در فضا است.

فضانوردان نزدیک اکسیژن خالص هستند. اکسیژن مورد نیاز تمام موجودات زنده است. از طریق فرآیندی به نام تنفس هوازی، انرژی از غذا تولید می‌شود. این کار به انسان‌ها و حیوانات اجازه می‌دهد تا فعالیت‌های روزانه خود را انجام دهند.

اکسیژن شامل یک پنجم حجم هوا، دو سوم بدن انسان و ۸۷ درصد آب است. آن به شکل طبیعی در سراسر اتمسفر وجود دارد. آماده‌سازی تجاری شامل تقطیر کسری هوا و مایع سازی و الکترولیز آب است. اکسیژن می‌تواند برای ساختن ترکیبات با تمام عناصر بجز گازهای بی‌اثر به کار رود.

در سال ۱۹۰۱، گاز اکسیژن فشرده با گاز استیلن در اولین نمایش جوشکاری اکسی - استیلن سوزانده شد. این تکنیک به یک روش صنعتی رایج جوشکاری و برش فلزات تبدیل شد.

موادخام

اکسیژن می‌تواند از تعدادی مواد با استفاده از روش‌های مختلف تولید شود. رایج‌ترین روش طبیعی، فتوسنتز است که در آن گیاهان با استفاده از نور خورشید، کربن دی اکسید موجود در هوا را به اکسیژن تبدیل می کنند. این فرآیند تنفس را خنثی می کند، که در آن حیوانات اکسیژن موجود در هوا را دوباره به کربن دی اکسید تبدیل می کنند.

متداول‌ترین روش تجاری برای تولید اکسیژن، جداسازی هوا با استفاده از فرآیند تقطیر برودتی یا فرآیند جذب نوسانی خلاء است. نیتروژن و آرگون نیز با جداسازی از هوا تولید می شوند.

اکسیژن همچنین می‌تواند در نتیجه یک واکنش شیمیایی تولید شود که در آن اکسیژن از یک ترکیب شیمیایی آزاد می‌شود و به گاز تبدیل می‌شود. این روش برای تولید مقادیر محدودی از اکسیژن برای حیات زیردریایی‌ها، هواپیماها و سفینه‌های فضایی به کار می‌رود.

هیدروژن و اکسیژن را می توان با عبور از یک جریان الکتریکی از طریق آب و جمع‌آوری دو گاز از طریق حباب تولید کرد. هیدروژن در پایانه منفی و اکسیژن در پایانه مثبت تشکیل می‌شود. این روش الکترولیز نامیده می شود و هیدروژن و اکسیژن خالص تولید می کند. با این حال، از مقدار زیادی انرژی الکتریکی استفاده می‌کند و برای تولید حجم زیاد مقرون‌ به‌صرفه نیست.

بیشتر اکسیژن تجاری با استفاده از فرآیند تقطیر برودتی تولید می‌شود که در اصل در سال ۱۸۹۵ ایجاد شد. این فرآیند اکسیژن تولید می‌کند که %99+ خالص است. اخیرا، فرآیند جذب نوسان خلا با بازدهی انرژی بیشتر برای تعداد محدودی از کاربردها که به اکسیژن با خلوص بیش از ۹۰ تا ۹۳ درصد نیاز ندارند، مورد استفاده قرار گرفته‌ است.

در اینجا مراحل مورد استفاده برای تولید اکسیژن تجاری از هوا با استفاده از فرآیند تقطیر برودتی آورده شده‌است.

سمیت اکسیژن

این وضعیت زمانی رخ می‌دهد که فرد اکسیژن خالص بیش از حد تنفس می‌کند. گاز برای زندگی ضروری است، اما فقط تاحدی. انسان‌ها تنها می‌توانند ۲۱ درصد اکسیژن تنفس کنند. زمانی که مقدار زیادی اکسیژن استنشاق ‌شود، انسان‌ها به سختی نفس می‌کشند و علائم مانند التهاب راه‌های هوایی، حالت تهوع رخ می دهند.

مسمومیت می تواند به دلیل افزایش سطح اکسیژن یا دلایل دیگر باشد. قرار گرفتن در معرض فشار بالا و مدت زمان کوتاه می‌تواند منجر به آسیب سیستم عصبی مرکزی شود. قرار گرفتن در معرض طولانی مدت ممکن است باعث مشکلات چشمی یا ریوی شود. سمیت اکسیژن سیستم عصبی مرکزی معمولاً توسط غواصان تجربه می‌شود. کسانی که زمانی را در ارتفاعات می گذرانند نیز مستعد هستند. زمانی که یک غواص به عمق کافی فرو رود، سمیت ممکن است رخ دهد. این به این دلیل است که غواص بیش از حد معمول اکسیژن دریافت می کند.

وعلائم آن شامل لرزش، سرگیجه و حالت تهوع است. در موارد شدید، تشنج یا مرگ رخ می دهد.

مواد ساخت‌ و ساز

اکسیژن گازی غیر خورنده است و ممکن است در سیستم‌های ساخته‌شده از هر فلز معمولی وجود داشته باشد. فولاد ضد زنگ، برنز و برنج برای تمام قطعات فلزی که در تماس با اکسیژن هستند، ترجیح داده می‌شوند. در دماهای اکسیژن مایع، فولادهای کربنی معمولی و بیشتر فولادهای آلیاژی انعطاف‌پذیری خود را از دست می‌دهند و بنابراین برای خدمات اکسیژن مایع نامطلوب در نظر گرفته می‌شوند.

در موسسات مراقبت‌های بهداشتی مانند بیمارستان‌ها، منابع اکسیژن در انبار نگهداری می‌شوند. این‌ها برای بیمارانی فراهم می‌شوند که به سختی نفس می‌کشند. این دستگاه تنفس همچنین توسط فضانوردان که در فضا راه می‌روند، غواصان و کوه نوردان استفاده می‌شود. گاز اکسیژن برای از بین بردن باکتری‌ها به کار می‌رود و برای درمان مسمومیت با کربن منواکسید استفاده می‌شود.

گاز اکسیژن در تصفیه آب و احتراق شیمیایی به کار می‌رود. محققان علمی از ایزوتوپ‌های اکسیژن ۱۸- و اکسیژن ۱۶- در فسیل‌ها برای تعیین آب و هوای کره زمین در هزاران سال پیش استفاده می‌کنند. این گاز همچنین در پلیمرهای پلی استر و تولید ضد یخ نیز به کار می‌رود. این پلیمرها برای ایجاد پارچه و پلاستیک استفاده می‌شوند. همچنین مخازن اکسیژن را در هواپیما و شناورهای در حال غرق شدن پیدا خواهید کرد.

اکسیژن برای زندگی ضروری است و در فرآیندهای احتراق شرکت می‌کند و وظایف بیولوژیکی آن در تنفس آن را مهم می‌کند.

اکسیژن به مقدار کم در آب حل می‌شود ودر زندگی ماهی ضروری است.

مصارف اکسیژن

اکسیژن در موارد مختلفی استفاده می شود. اکسیژن در تولید خمیر کاغذ، تولید سرامیک، ساخت شیشه و فرآوری نفت به کار می‌رود. هم چنین آن بخشی از داروسازی، پالایش فلز و دیگر عناصر است.

اکسیژن به طور گسترده در پزشکی، پرواز در ارتفاع بالا، غواصی در اعماق دریا و منبع قدرت در برنامه‌های فضایی به کار می‌رود. کاربردهای صنعتی شامل استفاده با استیلن، پروپان، هیدروژن و سایر گازهای سوختی برای اهدافی مانند برش فلز، جوشکاری، سخت شدن است.

یکی از مصارف عمده آن در تولید گاز سنتز است که در ساخت بنزین، متانول و آمونیاک استفاده می شود. هم چنین در تولید اسید نیتریک، اتیلن و دیگر ترکیبات به کار می‌رود.

گاز اکسیژن با گاز هیدروژن و یا زغال‌سنگ در لوله‌های جوش و با استیلن در مشعل اکسی استیلن برای جوشکاری و برش فلزات استفاده می‌شود.

گاز اکسیژن همچنین در تعدادی از فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شود.

از نظر دارویی از گاز اکسیژن در درمان ذات الریه و گاز گرفتگی استفاده می شود و در صورت ترکیب شدن با نیتروس اکساید، بخار اتر و غیره به عنوان بی حس کننده استفاده می شود.

کربن دی اکسید اغلب با اکسیژن مخلوط می شود زیرا باعث تحریک تنفس می شود و در موارد مسمومیت و فروپاشی برای احیای تنفس به کار می‌رود.

اکسیژن مایع ترکیب شده با زغال چوب پودری به عنوان ماده منفجره مورد استفاده قرار گرفته‌است.

اکسیژن برای تمام فرآیندهای احتراق مهم است، مثل سوزاندن سوخت‌های هیدروکربنی مانند نفت، زغال‌سنگ، بنزین و گاز طبیعی که خانه‌ها و ماشین‌های ما را گرم می‌کنند.

جوشکاری با استفاده از مشعل های اکسی استیلن یکی دیگر از کاربردهای مهم صنعتی است که در آن گاز استیلن (سوخت) و اکسیژن به نسبت های صحیح ترکیب شده و شعله ور می شوند تا شعله ای به شدت داغ ایجاد کنند.