Инертные газы

Аргон.

     Все шире применяется дуговая электросварка  в среде аргона. В аргонной струе  можно сваривать тонкостенные изделия  и металлы, которые прежде считались  трудносвариваемыми. Не будет преувеличением сказать, что электрическая дуга в аргонной атмосфере внесла переворот  в технику резки металлов. Процесс  намного ускорился, появилась возможность  резать толстые листы самых тугоплавких  металлов. Продуваемый вдоль столба дуги аргон (в смеси с водородом) предохраняет кромки разреза и вольфрамовый электрод от образования окисных, нитридных  и иных пленок. Одновременно он сжимает  и концентрирует дугу на малой  поверхности, отчего температура в  зоне резки  достигает 4000—6000° С. К тому же, эта газовая струя выдувает продукты резки. При сварке в аргонной струе нет надобности во флюсах и электродных покрытиях, а стало быть, и в зачистке шва от шлака и остатков флюса 
 

Как добывают аргон

  Земная атмосфера содержит 66 • 1013 тонн аргона. Этот источник газа неисчерпаем. Тем более что практически весь аргон рано или поздно возвращается в атмосферу, поскольку при использовании он не претерпевает никаких физических или химических изменений. Исключение составляют весьма незначительные количества изотопов аргона, расходуемые на получение в ядерных реакциях новых элементов и изотопов.

     Получают  аргон как побочный продукт при  разделении воздуха на кислород и  азот. Обычно используют воздухоразделительные  аппараты двукратной ректификации, состоящие  из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней  колонны низкого давления и промежуточного конденсатора-испарителя. В конечном счете азот отводится сверху, а  кислород — из пространства над  конденсатором.

     Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию  отбирают в точке, находящейся примерно на трети высоты верхней колонны, и отводят в специальную колонну. Состав аргонной фракции: 10–12% аргона, до 0,5% азота, остальное — кислород. В  «аргонной» колонне, присоединенной к основному аппарату, получают аргон с примесью 3—10% кислорода и 3-5% азота. Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путем или адсорбцией) и от азота (ректификацией). В промышленных масштабах ныне получают аргон до 99,99%-ой чистоты. Аргон извлекают также из отходов аммиачного производства — из азота, оставшегося после того, как большую его часть связали водородом. 

Нужный  в хозяйстве «лентяй»

     Как самый доступный и относительно дешевый инертный газ аргон стал продуктом массового производства, особенно в последние десятилетия.

     Первоначально главным потребителем элемента №18 была электровакуумная техника. И сейчас подавляющее большинство ламп накаливания (миллиарды штук в год) заполняют  смесью аргона (86%) и азота (14%). Переход  с чистого азота на эту смесь  повысил светоотдачу ламп. Поскольку в аргоне удачно сочетаются значительная плотность с малой теплопроводностью, металл нити накаливания испаряется в таких лампах медленнее, передача тепла от нити к колбе в них меньше. Используется аргон и в современных люминесцентных лампах для облегчения зажигания, лучшей передачи тока и предохранения катодов от разрушения.

     Однако  в последние десятилетия наибольшая часть получаемого аргона идет не в лампочки, а в металлургию, металлообработку и некоторые смежные с ними отрасли промышленности. В среде  аргона ведут процессы, при которых  нужно исключить контакт расплавленного металла с кислородом, азотом, углекислотой и влагой воздуха. Аргонная среда  используется при горячей обработке  титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, вольфрама, урана, тория, а также  щелочных металлов. В атмосфере аргона обрабатывают плутоний, получают некоторые  соединения хрома, титана, ванадия и  других элементов (сильные восстановители).

       Уже существуют металлургические цеха объемом в несколько тысяч кубометров с атмосферой, состоящей из аргона высокой чистоты. В этих цехах работают в изолирующих костюмах, а дышат подаваемым через шланги воздухом (выдыхаемый воздух отводится также через шланги); запасные дыхательные аппараты закреплены на спинах работающих.

     Защитные  функции выполняет аргон и  при выращивании монокристаллов (полупроводников, сегнетоэлектриков), а также при производстве твердосплавных инструментов. Продувкой аргона через  жидкую сталь из нее удаляют газовые  включения. Это улучшает свойства металла.

     Стремление  использовать свойства и возможности  сверхчистых материалов — одна из тенденций современной техники. Для сверхчистоты нужны инертные защитные среды, разумеется, тоже чистые; аргон — самый дешевый и  доступный из благородных газов. Поэтому его производство и потребление  росло, растет и будет расти. 

Получение криптона

     Криптон получают из воздуха. Но, чтобы получить литр элемента №36, приходится переработать более миллиона литров воздуха. Тем  не менее современные масштабы производства кислорода позволяют попутно  извлекать довольно значительное и  с каждым годом все возрастающее количество криптона.

     Как наименее летучие компоненты воздуха, криптон и ксенон скапливаются в  самой «теплой» части воздухоразделительного аппарата вместе с жидким кислородом. Из него-то и выделяют элемент №36.

     Ожиженную кислородную фракцию направляют в ректификационную колонну, нижняя часть которой (конденсатор) охлаждается  жидким азотом. Здесь получается «бедный» криптоно-ксеноновый концентрат, содержащий 0,1—0,2% Kr; этот «бедняк» в 400 раз богаче криптоном, чем исходный кислород.

     Прежде  чем продолжить ректификацию, «бедный» концентрат очищают от метана, ацетилена  и прочих углеводородов. Такая операция необходима, чтобы исключить опасность  взрыва на последующих стадиях отделения  криптона.

     Очищенную смесь кислорода и криптона снова  превращают в жидкость и отправляют во вторую ректификационную колонну. Здесь  получают уже богатый концентрат — в нем 10—20% криптона. Но параллельно  опять возрастает содержание углеводородов. И опять смесь переводится  в газообразное состояние, и опять  следует выжигание углеводородов. Затем весь этот цикл повторяют еще  раз.

     Окончательная криптоноксеноновая смесь содержит 90—98% Kr + Хе. Для тонкой очистки этой смеси остатки кислорода связывают  водородом в воду, а примесь  азота удаляют, пропуская смесь  над стружками магния,— азот реагирует  с ним, образуя нитрид.

     Последний этап — разделение криптона и ксенона. Жидкую смесь опять превращают в  газ и направляют в адсорбер с  активированным углем. Здесь при  температуре –65 — –75°С ксенон и  некоторое количество криптона поглощаются углем, а выходящий из адсорбера газ содержит по меньшей мере 97% криптона. 

Применение  криптона

     Производство  электроламп — главный потребитель  криптона. Небольшие грибовидные  лампы с криптоновым (или криптоноксеноновым) наполнением постепенно теснят лампы  аргоноазотного наполнения, которые  в свое время вытеснили пустотные  и азотонаполненные лампы.

     Достоинства криптона в лампах накаливания очевидны: он в 2,1 раза тяжелее аргона и почти  вдвое хуже проводит тепло. В более  плотном газе замедляется распыление раскаленной вольфрамовой нити —  это увеличивает стабильность светового  потока. Малая же теплопроводность криптона способствует увеличению доли видимого излучения в общем потоке лучистой энергии. Криптоновое наполнение в сравнении с аргоновым повышает мощность ламп на 5–15% и сроки службы на 40–170%. Вдобавок наполовину уменьшается  объем колбы.

     Криптон обычно используется в лампочках  для карманных фонариков, яркость  которых может быть почти в  два раза больше яркости обычной  лампы. Такие лампочки работают на более  высоком токе, чем обычные. Поскольку теплопроводность криптона меньше, то лампочку можно сделать меньшего размера, что позволяет использовать ее в более тесном пространстве.

       Криптоном заполняют и газосветные трубки низкого давления — преимущественно рекламные. Используют этот газ и в конструкциях ламп высокого давления. Яркий белый свет (с розоватым оттенком) таких ламп нужен в лакокрасочной и текстильной промышленности, при освещении сцен телевизионных студий, при киносъемках. Некоторые из таких ламп служат мощными источниками инфракрасного излучения.

       Криптон и аргоно-криптоновые смеси широко используются для заполнения герметичных стеклопакетов. Использование криптона, имеющего низкую теплопроводность, приводит к существенному уменьшению потерь тепла через остекление путем теплопроводности и конвекции, а также к снижению себестоимости остекления за счет использования вместо двухкамерных однокамерных стеклопакетов.

     Взяв  за основу передовые технологии напыления  низкоэмисионных покрытий, применяемых  для защиты от радиационного и  других видов излучений прозрачных частей скафандров космонавтов и  самолетов-невидимок Stealth, учеными из Массачусетского института предложили ряд изобретений с последующей  доработкой и внедрением их в промышленность. Одним из таких изобретений стал стеклопакет «Тепловое зеркало  ТМ», заполненный криптоном.

     Меньший вес (в сравнении с двухкамерными  стеклопакетами), высокая отражающая способность в диапазоне инфракрасного  как коротковолнового, так и длинноволнового  излучения, возможность выбора стеклопакетов 

с различными показателями светопропускания и солнцезащиты в  зависимости от характера климатических условий, уровня теплоизоляции окон, этажности и ориентации здания по сторонам света — все это позволяет говорить о системном комплексе оптимального размещения и проектирования светопрозрачных конструкций со стеклопакетом «Тепловое зеркало ТМ» в разных точках планеты.

     В 1957 г. на некоторых железных дорогах  и рудниках США появились так  называемые атомные лампы – предупредительные  светящиеся знаки, не нуждающиеся в  электропитании. В этих лампах есть радиоизотопы криптона, в основном 85Kr; их излучение вызывает свечение специального состава, нанесенного на внутреннюю поверхность рефлектора. Свет такой лампы виден на расстоянии 500 м. 

Получение ксенона

     Основным  источником промышленного производства ксенона является воздух, где в 1000 м3 содержится 86 см3 ксенона. В России и странах СНГ уровень годового промышленного производства чистого  ксенона составляет около 1500 м3.

В промышленности ксенон получают как побочный продукт  разделения воздуха на кислород и  азот. После такого разделения, которое  обычно проводится методом ректификации, получившийся жидкий кислород содержит небольшие количества криптона и  ксенона. Дальнейшая ректификация обогащает  жидкий кислород до содержания 0,1–0,2% криптоноксеноновой смеси, которая отделяется адсорбированием  на силикагель или дистилляцией. Как  заключение, ксеноно-криптоновый концентрат может быть разделен дистилляцией на криптон и ксенон.

Основными поставщиками сырья (криптон-ксенонового концентрата) являются крупные промышленные центры металлургической промышленности России. Для получения чистого ксенона  используется криптон-ксеноновый концентрат, который подвергается криогенной ректификации на газоразделительных установках, обеспечивающих получение ксенона высокой чистоты (99,999%). Из-за своей малой распространенности ксенон гораздо дороже более легких инертных газов. 

Ксенон  на практике

       Несмотря на высокую стоимость, ксенон незаменим в ряде случаев. Ксенон используют для наполнения ламп накаливания, мощных газоразрядных и импульсных источников света (высокая атомная масса газа в колбах ламп препятствует испарению вольфрама с поверхности нити накаливания).

     Радиоактивные изотопы (127 Xe, 133Xe, 137Xe и др.) применяют в качестве источников излучения в радиографии и для диагностики в медицине, для обнаружения течи в вакуумных установках. Фториды ксенона используют для пассивации металлов.

       Ксенон как в чистом виде, так и с небольшой добавкой паров цезия-133, является высокоэффективным рабочим телом для электрореактивных (главным образом — ионных и плазменных) двигателей космических аппаратов.

       С конца XX века ксенон стал применяться как средство для общего наркоза (достаточно дорогой, но абсолютно нетоксичный, точнее — не вызывает химических последствий — как инертный газ). Первые диссертации о технике ксенонового наркоза в России появились в 1993 г. В качестве лечебного наркоза ксенон эффективно применяется для снятия острых абстинентных состояний и лечения наркомании, а также психических и соматических расстройств.