اهمیت گاز اکسیژن
تقریباً همه ما می‌دانیم که گاز اکسیژن حیاتی‌ترین گاز این کرۀ خاکی است. نفس کشیدن، حرف زدن، خندیدن، حرکت کردن و در یک کلام زندگی‌کردن ما وابسته به این گاز بی‌بو، بی‌رنگ و بی‌مزه است. بدون اکسیژن ما فقط چند دقیقه دوام می‌آوریم و پس از آن سلول‌های زنده یکی یکی دچار مرگ می‌شوند. در هر ناحیه از بدن، مرگ گستردۀ سلولی به مرگ بافت منجر می‌شود.
گاز اکسیژن حدود 21 درصد هوای اطراف ما را تشکیل می‌دهد. خوشبختانه درصد اکسیژن هوا، بسیار سنجیده و مناسب است. زیرا اگر کمتر از 17 درصد بود جان بیشتر موجودات زنده به خطر می‌افتاد و اگر بیشتر از 25 درصد بود ماهیت اشتعال‌پذیر این گاز دردسر آفرین می‌شد.
خواص گاز اکسیژن
شاید برای شما این سوال مطرح شود که «گاز اکسیژن چیست». این عنصر از اتم‌های سبک جدول تناوبی است و در طبیعت عمدتاً به صورت گاز دو اتمی با فرمول O2 وجود دارد. اُزن سه اتمی نیز شکلی ناپایدار آن است که در طبیعت یافت می‌شود. اکسیژن ماده‌‌ای واکنش‌پذیر است و تقریباً با همۀ عناصر به جز گازهای نجیب ترکیب می‌شود. وجود این گاز برای فرآیند احتراق یا سوختن ضروری است. برای تولید اکسیژن مایع باید شرایط دمای خیلی کم و فشار زیاد فراهم شود.
برای آشنایی بیشتر با گاز اکسیژن، این مقاله از پارس هوای البرز را بخوانید.
تولید گاز اکسیژن
سال 1774 که جوزف پریستلی گاز سادۀ اکسیژن را کشف کرد، هیچ‌کس تصور نمی‌کرد، این مولکول ساده کاربردهایی بسیار فراتر از زنده نگه داشتن ما پیدا کند. با توجه به نیاز روزافزون صنایع مختلف به گاز اکسیژن، روش‌های متنوعی برای تولید آن ابداع شده است.
روش الکترولیز
یکی از قدیمی‌ترین روش‌های تولید گاز اکسیژن، الکترولیز آب است. در این روش با استفاده از جریان الکتریسیته آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میکنند. این روش دو ایراد اساسی دارد، یکی مصرف زیاد آب و برق و دیگری خوردگی سیلندرها در اثر رطوبت. به همین دلیل امروزه این روش منسوخ شده است.
روش انبساط حجمی
روش دیگر تولید گاز اکسیژن با استفاده از انبساط حجمی هوا است که ابتدا با استفاده از یک کمپرسور هوا را فشرده و پشت شیر انبساط جمع‌آوری میکنند. سپس با انبساط حجمی، آن را به مایع تبدیل میکنند. هوای تحت فشار در دمای بالاتری مایع می‌شود. هوای مایع‌شده مخلوطی از اکسیژن و نیتروژن است و چون این دو دمای جوش متفاوتی دارند، از طریق تقطیر جزء‌به‌جزء از هم جدا می‌شوند.
در روش انبساط حجمی قبل از خنک کردن، رطوبت و کربن‌دی‌اکسید موجود در هوا را جدا میکنند، بنابراین خالص‌ترین گاز اکسیژن از این روش بدست می‌آید.
روش جداسازی جذبی
فرآیند جداسازی جذبی هوا (PSA) نیز برای تولید گاز اکسیژن رایج است. در این روش ابتدا با استفاده از کمپرسور هوا را فشرده میکنند. هوای فشرده پس از عبور از خشک کن، قسمت عمدۀ رطوبت و ذرات معلق خود را از دست می‌دهد. برای خلوص بیشتر، هوا را از فیلترهای حاوی کربن فعال هم عبور می‌دهند. هوای خشک و تمیز و فشرده وارد مخزن ذخیره می‌شود و از آنجا به ستون‌های حاوی مادۀ جاذب زئولیت می‌رود. در ستون، زئولیت گاز نیتروژن و دیگر ناخالصی‌های هوا را جذب می‌کند. فقط گاز اکسیژن باقی می‌ماند و جذب زئولیت نمی‌شوند که آن را در سیلندرهای مخصوص جمع‌آوری میکنند.
با روش‌های جذبی گاز اکسیژن با درجات خلوص مختلف تولید می‌شود. بدیهی است که هرچه خلوص آن کمتر باشد، هزینه تولید هم کمتر است.
کاربردهای گاز اکسیژن
تنوع کاربردهای گاز اکسیژن در صنایع مختلف شما را شگفت‌زده خواهد کرد. مصارف پزشکی، صنایع دارویی، پرورش آبزیان، خوراک ژنراتورهای ازن، دمیدن شیشه، مشعل‌های سوختی و جوشکاری بعضی از کاربردهای گاز اکسیژن هستند. همۀ این کاربردها را می‌توان در سه دستۀ کلی کاربردهای فیزیولوژیکی، کاربردهای صنعتی و کاربردهای هوافضا جای داد.
کمک به اختلالات تنفسی
در تنفس هوازی، گاز اکسیژن جزء اصلی فرایند سوخت و ساز سلول‌ها است. از طریق تنفس، اکسیژن وارد بدن می‌شود. در سلول‌های بدن در اثر واکنش با اکسیژن، انرژی ذخیره شده در مواد غذایی استخراج می‌شود. بدن این انرژی را برای فعالیت‌هایش مصرف می‌کند. بنابراین کسانی که دارای اختلالات حاد تنفسی هستند باید در خانه و بیمارستان، کپسول کمکی اکسیژن در کنارشان باشد.
کپسول اکسیژن در بخش‌های بیمارستانی
گاز اکسیژن، پرمصرف‌ترین گاز طبی است. در بیمارستان‌ها، در طول عمل‌های جراحی برای اینکه قلب و ریه عملکرد حیاتی خود را حفظ کنند، حضور کپسول گاز اکسیژن ضروری است. در بخش‌‌هایی مانند مراقبت بعد از عمل، بخش بیماران قلبی، بخش زایمان و نوزادان و بخش اورژانس نیز کپسول گاز اکسیژن لازم است. توجه داشته باشید که نگهداری کپسول اکسیژن به دلیل احتمال انفجار بسیار خطرناک است.
کوهنوردی و غواصی
با افزایش ارتفاع، فشار هوا کم می‌شود و در نتیجه مقدار گاز اکسیژن در هوا کاهش می‌یابد. کوهنوردان در ارتفاعات از مخازن اکسیژن تحت فشار استفاده میکنند تا دچار عوارض کاهش فشار هوا و کمبود اکسیژن نشوند. غواصان نیز در زیر آب برای تنفس به کپسول‌های اکسیژن نیاز دارند.
استریل کردن با گاز اکسیژن
اکسیژن با از بین بردن برخی از باکتری‌های بی‌هوازی، به عنوان یک عامل استریل کننده استفاده می‌شود. این باکتری‌های بیماری‌زا اگر به مدت کافی در معرض گاز اکسیژن قرار گیرند، می‌میرند.
تولید اُزن
از گاز اکسیژن در تولید اُزن استفاده می‌شود که کارکردهای مفید فراوانی دارد. از این مولکول ناپایدار برای از بین بردن بوها و تامین آب آشامیدنی تمیز و با کیفیت استفاده می‌شود.
کاربرد گاز اکسیژن در صنعت فولاد
از کاربردهای گاز اکسیژن، صنعت فولاد است. در این صنعت طی فرایندی در کوره‌های بلند، کربن را به گاز دی‌اکسید‌کربن تبدیل میکنند. این واکنش با صرف اکسیژن همراه است. دی‌اکسید‌کربن تولید شده، برای تبدیل اکسیدهای آهن، به ترکیبات خالص‌تر آهن کاربرد دارد.
دمیدن شیشه
از کاربردهای رایج گاز اکسیژن، دمیدن شیشه برای ساخت وسایل تزئینی و لوازم پزشکی و علمی است. موقع ذوب شیشه، دمنده‌های گاز اکسیژن، جریان ثابت هوا ایجاد میکنند. با این کار دمای شعله افزایش می‌یابد و محصول باکیفیت‌تری تولید می‌شود. در نتیجه هزینه‌های انرژی کمتر می‌شود و راندمان کورۀ ذوب بهبود می‌یابد.
استخراج فلزات
یکی از کاربردهای گاز اکسیژن برای استخراج طلا است. این گاز بازدهی استخراج طلا را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و هزینۀ حذف ضایعات را کم می‌کند. با استفاده از گاز اکسیژن، سولفیدهای معدنی را به سولفات و آرسنیک را به اسید فریک تبدیل میکنند. با این کار، بازیابی طلا بسیار آسان‌تر و کم هزینه‌تر می‌شود. از این گاز در تولید فلزات دیگری مانند مس و سرب نیز استفاده می‌شود.
پرورش آبزیان
گاز اکسیژن خالص از ضروریات مزارع مدرن پرورش ماهی است. برای رشد بهینه و سریعتر ماهی‌ها، باید میزان مشخصی اکسیژن، به آب تزریق شود. اکسیژن‌رسانی به آب، اشتهای ماهی‌ها و سطح سلامت آنها را افزایش می‌دهد و به همین علت در موقع فروش، ماهی‌ها بزرگ‌تر و خوشمزه‌تر شده‌اند.
تجزیه فاضلاب
پساب و فاضلاب برای تجزیه شدن طبیعی به زمان زیادی نیاز دارد. طولانی شدن روند تجزیه، معضلات زیست محیطی دارد. با هوادهی به فاضلاب، اکسیژن رسانی میکنند. با این کار باکتری‌های مسئول تجزیه، سریعتر رشد میکنند و فرآیند طبیعی تجزیه، بدون نیاز به مواد شیمیایی مضر، سریعتر اتفاق می‌افتد.
کاربردهای گاز اکسیژن در صنعت
در صنایع متالوژی و صنایعی مانند جوشکاری و لحیم‌کاری که فلز در معرض دمای زیاد است، حضور گاز اکسیژن برای رسیدن به دمای بالا ضروری است.
در بعضی صنایع شیمیایی، برای اکسید کردن ترکیبات شیمیایی به جای هوا از گاز اکسیژن خالص استفاده می‌شود. با این ترفند سرعت و بازدهی واکنش افزایش می‌یابد، جداسازی محصول آسان‌تر می‌شود و تجهیزات کم‌حجم‌تری استفاده می‌شود.
گاز اکسیژن در صنایع مدرن هم جایگاه ویژه‌ای دارد. در بعضی از راکتورهای هسته‌ای از مخلوط این گاز با متان استفاده میکنند. در خط تولید فیبر نوری نیز این گاز با خلوص زیاد مورد نیاز است. در برخی دستگاه‌های برش لیزری از اکسیژن به عنوان گاز کمکی استفاده می‌شود.
اکسیژن برای تولید انرژی
تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی، با فرایند احتراق صورت می‌گیرد. در این فرایند گاز اکسیژن با هیدروکربن‌ها وارد واکنش می‌شود و محصولات این واکنش، آب و دی اکسید کربن و مقدار زیادی انرژی است. گاهی هیدروکربن‌های کوچک هم جزء محصولات هستند. این فرایند منجر به تولید انرژی مورد نیاز خانه‌ها، وسایل‌نقلیه و کارخانه‌ها می‌شود.
کاربردهای گاز اکسیژن در هوافضا
در موشک‌ها اکسیژن مایع، به عنوان یک عامل اکسید کننده به طور گسترده استفاده می‌شود. این اکسیژن با هیدروژن مایع واکنش می‌دهد تا نیروی رانش فوق العاده‌ای که برای برخاستن موشک نیاز است، تولید شود. در لباس‌های فضایی فضانوردان نیز مخزنی از گاز اکسیژن تقریباً خالص تعبیه شده است.