گاز نیتروژن چیست؟ | همه چیز در مورد نیتروژن از تولید تا مصرف

گاز نیتروژن چیست؟ | همه چیز در مورد نیتروژن از تولید تا مصرف

نیتروژن: از تولید تا کاربردهای فراگیر

نیتروژن (Nitrogen) با نماد شیمیایی N و عدد اتمی ۷، عنصری حیاتی و فراوان در طبیعت محسوب می‌شود. این عنصر گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است که ۷۸ درصد از حجم اتمسفر زمین را تشکیل می‌دهد. حضور گسترده و ویژگی‌های منحصربه‌فرد نیتروژن، آن را به یکی از مهم‌ترین عناصر در فرآیندهای طبیعی و صنعتی مبدل ساخته است.

روش‌های تولید نیتروژن

با وجود فراوانی نیتروژن در جو زمین، جهت مصارف صنعتی و تخصصی، نیاز به جداسازی و خالص‌سازی آن از هوا وجود دارد. متداول‌ترین و اصلی‌ترین روش تولید صنعتی نیتروژن، “تقطیر جزء به جزء هوای مایع” است. این فرآیند شامل مراحل ذیل می‌باشد:

فشرده‌سازی و سرمایش هوا: ابتدا هوا تحت فشار بالا قرار گرفته و سپس تا دماهای بسیار پایین (تقریباً ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد) سرد می‌شود تا به حالت مایع درآید.

فرآیند تقطیر: با توجه به تفاوت در نقطه جوش عناصر تشکیل‌دهنده هوا (عمدتاً نیتروژن و اکسیژن)، با افزایش تدریجی دما، جداسازی آن‌ها امکان‌پذیر می‌شود. نیتروژن در دمای پایین‌تر (حدود ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد) تبخیر شده و به‌صورت گاز از سیستم خارج می‌گردد، در حالی که اکسیژن در دمای بالاتری (حدود ۱۸۳- درجه سانتی‌گراد) به فاز گازی تبدیل می‌شود. این اختلاف دما، امکان جداسازی و خالص‌سازی نیتروژن را فراهم می‌آورد.

 

کاربردهای گاز نیتروژن

نیتروژن به دلیل خواص بی‌اثر بودن، دمای انجماد پایین و نقش حیاتی در ترکیبات آلی، کاربردهای بسیار گسترده‌ای در صنایع مختلف و علوم زیستی دارد:

صنایع غذایی:

بسته‌بندی با اتمسفر محافظ (MAP): از نیتروژن جهت جایگزینی اکسیژن در بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود. این عمل به کاهش اکسیداسیون، جلوگیری از رشد میکروارگانیسم‌های هوازی و در نتیجه افزایش ماندگاری محصولات کمک شایانی می‌کند.

انجماد سریع (IQF): نیتروژن مایع به دلیل دمای بسیار پایین خود، برای انجماد سریع مواد غذایی نظیر میوه‌ها و سبزیجات به کار می‌رود. این روش به حفظ ساختار سلولی، بافت و کیفیت مواد غذایی پس از انجمادزدایی کمک می‌کند.

پزشکی و داروسازی:

کریوتراپی و نگهداری زیستی: نیتروژن مایع (ماده کریوژنیک) در پزشکی برای درمان ضایعات پوستی (مانند زگیل)، انجماد و نگهداری بلندمدت نمونه‌های بیولوژیکی (شامل سلول‌ها، بافت‌ها و اندام‌ها) و همچنین در بانک‌های خون و اسپرم استفاده می‌شود.

بی‌هوشی: گاز نیتروژن اکسید (N2O)، موسوم به “گاز خنده”، به عنوان عامل بی‌حسی و آرام‌بخش در دندانپزشکی و برخی فرآیندهای جراحی کاربرد دارد.

صنایع و تولید:

متالورژی: در فرآیندهای تولید فولاد و سایر فلزات، نیتروژن به عنوان گاز بی‌اثر برای جلوگیری از اکسیداسیون و ایجاد اتمسفر کنترل‌شده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنایع الکترونیک: جهت حفظ خلوص محیط و جلوگیری از آلودگی و اکسیداسیون در تولید و مونتاژ قطعات الکترونیکی حساس، از اتمسفر نیتروژن استفاده می‌شود.

صنایع شیمیایی: نیتروژن جزء اصلی در تولید آمونیاک (NH3) است که خود ماده اولیه‌ای کلیدی برای تولید کودهای شیمیایی، مواد منفجره و سایر ترکیبات نیتروژن‌دار محسوب می‌شود. همچنین در تولید الیاف مصنوعی مانند نایلون نیز کاربرد دارد.

پر کردن لاستیک‌ها: استفاده از نیتروژن به جای هوای معمولی برای پر کردن لاستیک وسایل نقلیه، به دلیل پایداری بیشتر فشار و کاهش سرعت فرسایش لاستیک، رواج یافته است.

کشاورزی:

تولید کودهای شیمیایی: نیتروژن یکی از سه عنصر اصلی (N-P-K) در کودهای کشاورزی است که برای رشد و نمو گیاهان ضروری بوده و به افزایش بازده محصولات کشاورزی کمک می‌کند.

ایمنی و اطفاء حریق:

سیستم‌های اطفاء حریق گازی: در برخی سیستم‌های پیشرفته اطفاء حریق، نیتروژن به عنوان گاز بی‌اثر برای خفه کردن شعله‌ها و کاهش غلظت اکسیژن در محیط مورد نظر (به‌ویژه در فضاهایی که استفاده از آب یا مواد شیمیایی دیگر ممکن است خسارت‌بار باشد) به کار می‌رود.

در نهایت، نیتروژن به عنوان یک عنصر محوری، نقش بی‌بدیلی در اکوسیستم‌های طبیعی و پیشرفت‌های صنعتی ایفا می‌کند و حضور آن در ابعاد مختلف زندگی مدرن، اجتناب‌ناپذیر است.

مشخصات فنی و فیزیکوشیمیایی نیتروژن

نیتروژن، علاوه بر کاربردهای گسترده‌ای که دارد، دارای مشخصات فنی و فیزیکوشیمیایی منحصربه‌فردی است که درک این ویژگی‌ها برای کاربردهای صنعتی و علمی ضروری است. در ادامه به تفصیل به این مشخصات می‌پردازیم:

مشخصات فیزیکی نیتروژن:

حالت فیزیکی: در دما و فشار استاندارد (STP)، نیتروژن به صورت گاز وجود دارد.

رنگ، بو و مزه: نیتروژن گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است. این ویژگی آن را برای بسیاری از کاربردها که نیاز به عدم تداخل با خواص حسی مواد دیگر است، ایده‌آل می‌سازد.

چگالی:

گاز نیتروژن: چگالی گاز نیتروژن در STP تقریباً ۱.۲۵۱ گرم بر لیتر است که اندکی از هوای معمولی سبک‌تر است (چگالی هوا حدود ۱.۲۹ گرم بر لیتر است).

نیتروژن مایع: چگالی نیتروژن مایع در نقطه جوش (۱۹۶- درجه سانتی‌گراد) حدود ۰.۸۰۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب است.

نقطه جوش و انجماد:

نقطه جوش: ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد (۷۷ کلوین)

نقطه ذوب/انجماد: ۲۱۰- درجه سانتی‌گراد (۶۳ کلوین)

این دماهای بسیار پایین، نیتروژن را به یک عامل کریوژنیک (فوق سرد) بسیار مؤثر تبدیل کرده است.

حلالیت در آب: حلالیت نیتروژن در آب بسیار کم است؛ در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد، حدود ۱۴.۷ میلی‌گرم نیتروژن در یک لیتر آب حل می‌شود.

ضریب انبساط: با گرم شدن، گاز نیتروژن به شدت منبسط می‌شود. این ویژگی در طراحی سیستم‌های ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل نیتروژن مایع حائز اهمیت است، زیرا مقدار کمی نیتروژن مایع می‌تواند حجم بسیار زیادی از گاز تولید کند.

بیشتر بخوانید

مشخصات شیمیایی نیتروژن:

غیرفعال بودن (Inertness): نیتروژن گازی نسبتاً بی‌اثر است، به این معنی که در شرایط عادی به راحتی با سایر عناصر و ترکیبات واکنش نمی‌دهد. این بی‌اثری به دلیل وجود پیوند سه‌گانه قوی بین دو اتم نیتروژن در مولکول N2 است که انرژی بالایی برای شکستن آن نیاز است. این خاصیت بی‌اثر بودن، آن را برای استفاده به عنوان گاز محافظ در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مناسب می‌سازد.

غیرقابل اشتعال بودن: نیتروژن گازی غیرقابل اشتعال است و به فرآیند احتراق نیز کمکی نمی‌کند (برخلاف اکسیژن که برای احتراق ضروری است).

عدد اتمی و جرم اتمی:

عدد اتمی: ۷

جرم اتمی استاندارد: ۱۴.۰۰۷ u (واحد جرم اتمی)

فروش گاز نیتروژن در سپهر گاز کاویان