Flüssigstickstoff - Liquid nitrogen
Flüssiger Stickstoff – LN 2 – ist Stickstoff in flüssigem Zustand bei niedriger Temperatur. Flüssiger Stickstoff hat einen Siedepunkt von etwa −195,8 °C (−320 °F; 77 K). Es wird von industriell hergestellten fraktionierten Destillation von flüssiger Luft . Es ist eine farblose Flüssigkeit mit niedriger Viskosität, die häufig als Kühlmittel verwendet wird.
Physikalische Eigenschaften
Der zweiatomige Charakter des N 2 -Moleküls bleibt nach der Verflüssigung erhalten . Die schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den N 2 -Molekülen führt zu einer geringen interatomaren Wechselwirkung, die sich in ihrem sehr niedrigen Siedepunkt manifestiert .
Die Temperatur von flüssigem Stickstoff kann leicht auf seinen Gefrierpunkt von −210 °C (−346 °F; 63 K) gesenkt werden, indem man ihn in eine Vakuumkammer bringt, die von einer Vakuumpumpe gepumpt wird . Die Effizienz von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel wird dadurch begrenzt, dass er beim Kontakt mit einem wärmeren Objekt sofort siedet und das Objekt mit einer isolierenden Schicht aus Stickstoffgasblasen umhüllt. Dieser als Leidenfrost-Effekt bekannte Effekt tritt auf, wenn eine Flüssigkeit mit einer Oberfläche in Kontakt kommt, die deutlich heißer als ihr Siedepunkt ist. Eine schnellere Abkühlung kann erreicht werden, indem ein Objekt in einen Schlamm aus flüssigem und festem Stickstoff eingetaucht wird, anstatt nur flüssigen Stickstoff.
Handhabung
Da es sich um ein kryogenes Fluid handelt, das lebendes Gewebe schnell einfriert , erfordert seine Handhabung und Lagerung eine thermische Isolierung . Es kann in Isolierflaschen gelagert und transportiert werden , wobei die Temperatur durch langsames Sieden der Flüssigkeit auf 77 K konstant gehalten wird. Je nach Größe und Ausführung reicht die Haltezeit von Isolierflaschen von wenigen Stunden bis zu einigen Wochen. Die Entwicklung von druckbeaufschlagten, superisolierten Vakuumbehältern hat es ermöglicht, flüssigen Stickstoff über längere Zeiträume zu lagern und zu transportieren, wobei die Verluste auf 2 % pro Tag oder weniger reduziert wurden.
Verwendet
Flüssigstickstoff ist eine kompakte und leicht zu transportierende Quelle für trockenes Stickstoffgas, da keine Druckbeaufschlagung erforderlich ist. Darüber hinaus macht es seine Fähigkeit, Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser zu halten, äußerst nützlich in einer Vielzahl von Anwendungen, hauptsächlich als Kältemittel mit offenem Kreislauf , einschließlich:
- in der Kryotherapie zur Entfernung von unansehnlichen oder potenziell bösartigen Hautveränderungen wie Warzen und aktinischer Keratose
- um Zellen für Laborarbeiten bei niedriger Temperatur zu lagern
- in der Kryotechnik
- in einem Kryophor , um das schnelle Einfrieren durch Verdunstung zu demonstrieren
- als Backup-Stickstoffquelle in hypoxischen Luft-Brandschutzsystemen
- als Quelle für sehr trockenes Stickstoffgas
- für das Tauchen, Einfrieren und Transport von Lebensmitteln Produkten
- zur Kryokonservierung von Blut , Fortpflanzungszellen ( Sperma und Ei ) und anderen biologischen Proben und Materialien
- um Gewebeproben aus chirurgischen Exzisionen für zukünftige Studien zu konservieren
- um die Kryokonservierung tiergenetischer Ressourcen zu erleichtern
- Wasser- und Ölleitungen einzufrieren, um sie in Situationen zu bearbeiten, in denen kein Ventil verfügbar ist, um den Flüssigkeitsfluss zum Arbeitsbereich zu blockieren; diese Methode ist als kryogene Isolierung bekannt
- für kryonische Konservierung in der Hoffnung auf zukünftige Reanimation
- zum Zusammenschrumpfen von Maschinenteilen
- als Kühlmittel
- für CCD- Kameras in der Astronomie
- für einen Hochtemperatur-Supraleiter auf eine Temperatur, die ausreicht, um Supraleitung zu erreichen
- zur Aufrechterhaltung einer niedrigen Temperatur um das primäre Flüssighelium- Kühlsystem von Hochfeld- Supraleitermagneten, die z. B. in Kernspinresonanzspektrometern und Magnetresonanztomographiesystemen verwendet werden
- für Vakuumpumpenfallen und in kontrollierten Verdampfungsprozessen in der Chemie
- als Bestandteil von Kühlbädern für Tieftemperaturreaktionen in der Chemie
- zur Erhöhung der Empfindlichkeit von Infrarot- Suchköpfen von Raketen wie der Strela 3
- um mechanische Komponenten während der Maschinenmontage vorübergehend zu schrumpfen und verbesserte Presspassungen zu ermöglichen
- für Computer und extreme Übertaktung
- zur Simulation des Weltraumhintergrunds in der Vakuumkammer während der thermischen Tests von Raumfahrzeugen
- bei der Zubereitung von Speisen, wie zum Beispiel zur Herstellung von ultra-glatter Eiscreme . Siehe auch Molekulargastronomie .
- bei der Inertisierung und Druckbeaufschlagung von Behältern durch Einspritzen einer kontrollierten Menge flüssigen Stickstoffs kurz vor dem Verschließen oder Verschließen
- als kosmetische Neuheit, die Getränken einen rauchigen, sprudelnden "Kesseleffekt" verleiht. Siehe Flüssigstickstoffcocktail .
- als Energiespeichermedium
- beim Einfrieren von Rindern
Kulinarisch
Die kulinarische Verwendung von flüssigem Stickstoff wird in einem 1890 von Frau Agnes Marshall verfassten Rezeptbuch mit dem Titel Fancy Ices erwähnt , wurde aber in jüngerer Zeit von Restaurants bei der Zubereitung von gefrorenen Desserts wie Eiscreme verwendet, die innerhalb von hergestellt werden können Momente am Tisch wegen der Geschwindigkeit, mit der es Lebensmittel kühlt. Das schnelle Abkühlen führt auch zur Bildung kleinerer Eiskristalle, die dem Dessert eine glattere Textur verleihen. Die Technik wird von Küchenchef Heston Blumenthal verwendet, der sie in seinem Restaurant The Fat Duck verwendet hat, um Tiefkühlgerichte wie Eier- und Speckeis zu kreieren. Flüssiger Stickstoff ist auch bei der Zubereitung von Cocktails beliebt geworden, da er zum schnellen Kühlen von Gläsern oder zum Einfrieren von Zutaten verwendet werden kann. Es wird auch Getränken zugesetzt, um einen rauchigen Effekt zu erzeugen, der auftritt, wenn winzige Tröpfchen des flüssigen Stickstoffs mit der Umgebungsluft in Kontakt kommen und den natürlich vorhandenen Dampf kondensieren.
Herkunft
Stickstoff wurde erstmals am 15. April 1883 an der Jagiellonen-Universität von den polnischen Physikern Zygmunt Wróblewski und Karol Olszewski verflüssigt .
Sicherheit
Da das Flüssig-Gas- Ausdehnungsverhältnis von Stickstoff bei 20 °C (68 °F) 1:694 beträgt, kann eine enorme Kraft erzeugt werden, wenn flüssiger Stickstoff in einem geschlossenen Raum verdampft wird. Bei einem Vorfall am 12. Januar 2006 an der Texas A&M University waren die Druckentlastungsvorrichtungen eines Tanks mit flüssigem Stickstoff defekt und wurden später versiegelt. Durch den anschließenden Druckaufbau versagte der Tank katastrophal. Die Wucht der Explosion reichte aus, um den Tank durch die unmittelbar darüber liegende Decke zu schleudern, unmittelbar darunter einen Stahlbetonträger zu zertrümmern und die Wände des Labors 0,1–0,2 m vom Fundament zu sprengen.
Aufgrund seiner extrem niedrigen Temperatur kann es bei unvorsichtigem Umgang mit flüssigem Stickstoff und den von ihm gekühlten Gegenständen zu Erkältungsverbrennungen kommen . In diesem Fall sollten bei der Handhabung spezielle Handschuhe getragen werden. Allerdings brennt ein kleiner Spritzer oder gar herabfließende Haut nicht sofort wegen des Leidenfrost-Effekts , das verdampfende Gas isoliert teilweise thermisch, als würde man ein heißes Element ganz kurz mit einem nassen Finger berühren. Wenn sich der flüssige Stickstoff irgendwo ansammelt, verbrennt er stark.
Da flüssiger Stickstoff verdunstet, reduziert er die Sauerstoffkonzentration in der Luft und kann insbesondere in engen Räumen erstickend wirken . Stickstoff ist geruchlos, farblos und geschmacklos und kann ohne jegliche Empfindung oder Vorwarnung Erstickung hervorrufen .
Sauerstoffsensoren werden manchmal als Sicherheitsvorkehrung bei der Arbeit mit flüssigem Stickstoff verwendet, um Arbeiter auf Gasaustritt in einem engen Raum aufmerksam zu machen.
Behälter mit flüssigem Stickstoff können Sauerstoff aus der Luft kondensieren . Die Flüssigkeit in einem solchen Gefäß wird beim Verdampfen des Stickstoffs zunehmend mit Sauerstoff angereichert (Siedepunkt 90 K; −183 °C; −298 °F) und kann eine heftige Oxidation von organischem Material verursachen.
Die Aufnahme von flüssigem Stickstoff kann schwere innere Schäden verursachen, da das Gewebe, das mit ihm in Kontakt kommt, gefriert und die Menge an gasförmigem Stickstoff freigesetzt wird, wenn die Flüssigkeit durch die Körperwärme erwärmt wird. 1997 verschluckte ein Physikstudent, der den Leidenfrost-Effekt demonstrierte, indem er flüssigen Stickstoff im Mund hielt, die Substanz versehentlich, was zu fast tödlichen Verletzungen führte. Dies war offenbar der erste Fall einer Aufnahme von flüssigem Stickstoff in der medizinischen Literatur. Im Jahr 2012 wurde einer jungen Frau in England der Magen entfernt, nachdem sie einen Cocktail aus flüssigem Stickstoff zu sich genommen hatte. Im Januar 2021 brach in einer Geflügelverarbeitungsanlage im US-Bundesstaat Georgia eine Leitung mit flüssigem Stickstoff, bei der sechs Menschen getötet und elf weitere verletzt wurden.
Produktion
Flüssiger Stickstoff wird kommerziell aus der kryogenen Destillation von verflüssigter Luft oder aus der Verflüssigung von reinem Stickstoff aus Luft mittels Druckwechseladsorption hergestellt . Ein Luftkompressor wird verwendet, um gefilterte Luft auf hohen Druck zu komprimieren; das Hochdruckgas wird auf Umgebungstemperatur zurückgekühlt und auf einen niedrigen Druck expandieren gelassen. Die expandierende Luft kühlt stark ab ( Joule-Thomson-Effekt ), und Sauerstoff, Stickstoff und Argon werden durch weitere Expansions- und Destillationsstufen getrennt. Die Produktion von flüssigem Stickstoff in kleinem Maßstab ist mit diesem Prinzip leicht möglich. Flüssiger Stickstoff kann für den Direktverkauf oder als Nebenprodukt bei der Herstellung von Flüssigsauerstoff hergestellt werden, der für industrielle Prozesse wie die Stahlherstellung verwendet wird . Flüssig-Luft-Anlagen, die in der Größenordnung von Tonnen pro Tag Produkt produzieren, wurden in den 1930er Jahren gebaut, wurden aber nach dem Zweiten Weltkrieg sehr verbreitet; eine große moderne Anlage kann 3000 Tonnen flüssige Luftprodukte pro Tag produzieren.
Siehe auch
- Verflüssigung von Gasen
- Industriegas
- Computerkühlung
- Kryogene Stickstoffanlage
- Flüssigstickstoffmotor