گاز نیتروژن چیست؟ ویژگی‌ها، کاربردها و روش‌های تولید ازت را بشناسید!

نیتروژن یا ازت یکی از مهم ترین و فراوان ترین گازهای موجود در جو زمین است که نقش حیاتی در بسیاری از فرآیندهای طبیعی و صنعتی ایفا می کند. این عنصر به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خاص خود، در صنایع مختلفی از جمله غذایی، دارویی، نفت و گاز، الکترونیک و پزشکی کاربرد دارد. در ادامه، به بررسی اینکه گاز نیتروژن چیست می پردازیم و ویژگی ها و روش های تولید آن را بررسی می کنیم.

نیتروژن چیست؟

گاز نیتروژن (با نماد شیمیایی N و عدد اتمی 7) یا گاز ازت، یک عنصر غیر فلزی، بی رنگ، بی بو و بی مزه است که حدود 78 درصد از جو زمین را تشکیل می دهد. این عنصر در شرایط عادی به صورت گاز دواتمی (N₂) وجود دارد و به دلیل پیوند سه گانه قوی بین دو اتم نیتروژن، از پایداری بالایی برخوردار است.

نیتروژن به طور طبیعی در بسیاری از ترکیبات آلی و معدنی یافت می شود. این عنصر یکی از اجزای اصلی اسیدهای آمینه، پروتئین ها و DNA در موجودات زنده است. همچنین، چرخه نیتروژن یکی از مهم ترین فرآیندهای زیستی است که تامین کننده نیاز گیاهان به این عنصر محسوب می شود.

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی نیتروژن

نیتروژن دارای ویژگی های خاصی است که آن را به یکی از مهم ترین گازهای صنعتی تبدیل کرده است:

• ویژگی های فیزیکی

1. حالت در دما و فشار استاندارد: گاز
2. نقطه جوش: -195.79 درجه سانتی گراد
3. نقطه ذوب: -210 درجه سانتی گراد
4. چگالی: 2506 گرم بر لیتر در شرایط استاندارد

• ویژگی های شیمیایی
  1. گاز بی اثر: نیتروژن معمولا واکنش پذیری کمی دارد و به همین دلیل در بسیاری از محیط های صنعتی برای جلوگیری از اکسیداسیون و احتراق استفاده می شود.

گاز نیتروژن، گازی بی‌اثر و فراوان در جو زمین است. برای آشنایی با سایر گازهای بی‌ اثر و کاربردهای آن‌ها، به صفحه گاز نجیب چیست مراجعه کنید.

1. 1. تشکیل پیوند سه گانه قوی: مولکول نیتروژن (N₂) دارای یک پیوند سه گانه قوی بین دو اتم خود است که باعث پایداری بالای آن می شود.
   2. واکنش پذیری در شرایط خاص: اگرچه نیتروژن در حالت گازی بی اثر است، اما در شرایط دمایی و فشاری خاص می تواند با برخی عناصر مانند گاز هیدروژن ترکیب شود و ترکیبات مهمی مانند آمونیاک (NH₃) را تشکیل دهد.

روش های تولید نیتروژن

حال که با این گاز آشنا شدید، بد نیست بدانید که شیوه تولید N2 چیست. نیتروژن را می توان از روش های مختلفی به دست آورد. از آنجایی که این گاز در هوای اطراف ما به مقدار زیادی وجود دارد، رایج ترین روش تولید آن جداسازی نیتروژن از هوا است. همچنین، در برخی از صنایع از فرآیندهای شیمیایی خاصی برای تولید نیتروژن استفاده می شود.

هوا ترکیبی از چندین گاز مختلف است که تقریبا 78 درصد آن را نیتروژن تشکیل می دهد. روش های مختلفی برای جداسازی نیتروژن از هوا وجود دارند که مهم ترین آن ها عبارتند از:

تقطیر جز به جز (کرایوجنیک)

این روش بر اساس تفاوت در نقطه جوش گازها انجام می شود. در این فرآیند مراحل زیر صورت می گیرند:

1. هوای محیط را فشرده و خالص سازی می کنند تا از رطوبت، کربن دی اکسید و ذرات معلق پاک شود.
2. هوای خالص شده به شدت سرد شده و تا دمای زیر -200 درجه سانتی گراد کاهش پیدا می کند.
3. در این شرایط، گازهای مختلف مانند اکسیژن، آرگون و نیتروژن در دماهای متفاوتی به مایع تبدیل می شوند.
4. از آنجایی که نقطه جوش نیتروژن (-195.79°C) بالاتر از اکسیژن (-183°C) است، ابتدا اکسیژن به مایع تبدیل شده و از مخلوط جدا می شود، سپس نیتروژن خالص به دست می آید.

مزایای این روش عبارتند از:

• تولید نیتروژن با خلوص بالا (تا 99.999%)
• مناسب برای مصارف صنعتی و پزشکی

معایب این روش عبارتند از:

• هزینه اولیه بالا به دلیل نیاز به تجهیزات پیچیده
• مصرف زیاد انرژی

تولید نیتروژن با استفاده از غشاهای جداسازی

در این روش، از غشاهای پلیمری مخصوص برای جداسازی نیتروژن از سایر گازها استفاده می شود. این غشاها به گونه ای طراحی شده اند که مولکول های اکسیژن و سایر گازها سریع تر از نیتروژن از آن عبور می کنند و در نتیجه نیتروژن خالص تری به دست می آید.

مزایای این روش عبارتند از:

• هزینه عملیاتی کمتر نسبت به روش کرایوجنیک
• عدم نیاز به تجهیزات پیچیده
• فرآیند مداوم و بدون نیاز به توقف

معایب این روش عبارتند از:

• خلوص نیتروژن معمولا کمتر از روش کرایوجنیک (حداکثر 99.5%) است.
• برای کاربردهای کم مصرف و متوسط مناسب است.

مطالب بیشتر: کاهش گازهای گلخانه ای با استفاده از CO2 

روش PSA (جذب نوسانی فشار)

این روش از خاصیت جذب مولکولی برخی مواد مانند کربن مولکولار سیو (CMS) برای جداسازی نیتروژن استفاده می کند. فرآیند آن به صورت زیر است:

1. هوا تحت فشار وارد یک محفظه حاوی CMS می شود.
2. اکسیژن و سایر گازها جذب ماده جاذب شده و نیتروژن از میان آن عبور می کند.
3. در مرحله بعد، با کاهش فشار، اکسیژن و گازهای دیگر آزاد شده و محفظه برای چرخه جدید آماده می شود.

مزایای این روش عبارتند از:

• خلوص نیتروژن تا 99.99%
• قابلیت تولید نیتروژن در محل مصرف
• هزینه عملیاتی پایین تر نسبت به روش کرایوجنیک

معایب آن عبارتند از:

• ظرفیت تولید محدودتر نسبت به تقطیر جز به جز
• نیاز به تعویض دوره ای جاذب ها

فرآیندهای صنعتی تولید نیتروژن

علاوه بر جداسازی نیتروژن از هوا، برخی فرآیندهای شیمیایی نیز برای تولید نیتروژن به کار می روند. این فرآیندها عبارتند از:

تولید نیتروژن از تجزیه آمونیاک

در این روش، آمونیاک (NH₃) در دماهای بالا تجزیه شده و نیتروژن و هیدروژن تولید می شود:

2NH3​→N2​+3H2​

مزایای آن عبارتند از:

• مناسب برای صنایعی که هم نیتروژن و هم هیدروژن نیاز دارند.
• امکان استفاده در فرآیندهای متالورژی و جوشکاری وجود دارد.

بیشتر بخوانید: گازهای محافظ در جوشکاری

معایب آن عبارتند از:

• نیاز به دمای بالا و مصرف انرژی زیاد
• هزینه تولید بالا نسبت به روش های جداسازی هوا

فرآیندهای الکترولیز و واکنش های شیمیایی دیگر

در برخی موارد، نیتروژن از طریق الکترولیز محلول های خاص یا واکنش های شیمیایی تولید می شود. با این حال، این روش ها کاربرد صنعتی زیادی ندارند.

کاربردهای نیتروژن در صنایع مختلف

پس از آشنایی با روش تولید نیتروژن، باید بدانید که کاربرد گاز ازت چیست. نیتروژن یا ازت به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد خود در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد. مهم ترین ویژگی این گاز، پایداری بالای آن است که موجب می شود در بسیاری از فرآیندهای صنعتی به عنوان یک محیط بی اثر (Inert) به کار رود. مهم ترین کاربردهای گاز ازت عبارتند از:

کاربرد نیتروژن در صنایع غذایی

یکی از مهم ترین کاربردهای نیتروژن در صنایع غذایی است. این گاز نقش مهمی در نگهداری مواد غذایی، بسته بندی و انجماد سریع دارد و به افزایش کیفیت و طول عمر محصولات غذایی کمک می کند.

1. نگهداری مواد غذایی

مواد غذایی در معرض اکسیژن دچار اکسیداسیون و فساد می شوند. نیتروژن به دلیل خنثی بودن، جایگزین اکسیژن شده و از رشد باکتری ها، قارچ ها و کپک ها جلوگیری می کند. به همین دلیل از این گاز در موارد زیر استفاده می شود:

• نگهداری غلات و حبوبات در سیلوها
• خنک سازی گوشت و فرآورده های گوشتی
• حمل و نقل مواد غذایی حساس به اکسیژن

2. بسته بندی مواد غذایی

در بسته بندی بسیاری از محصولات غذایی از نیتروژن به جای هوا استفاده می شود تا از اکسیداسیون و رشد میکروب ها جلوگیری شود. این روش در بسته بندی موارد زیر کاربرد دارد:

• چیپس، پفک و اسنک ها
• قهوه و چای
• شیرینی و شکلات

گاز نیتروژن در بسته‌بندی مواد غذایی برای جلوگیری از فساد و افزایش ماندگاری کاربرد دارد. برای آشنایی با سایر گازهای مورد استفاده در بسته‌بندی مواد غذایی، به صفحه گازهای بسته‌بندی مواد غذایی مراجعه کنید.

3. انجماد سریع مواد غذایی (IQF)

در روش انجماد سریع (Individual Quick Freezing – IQF) نیتروژن مایع با دمای -196°C برای یخ زدایی سریع محصولات غذایی مانند موارد زیر استفاده می شود که باعث حفظ بافت، طعم و ارزش غذایی آن ها می گردد:

• میگو، ماهی و گوشت
• سبزیجات و میوه ها

کاربرد نیتروژن در پزشکی و داروسازی

نیتروژن در پزشکی و صنایع دارویی نقش مهمی ایفا می کند و مهم ترین کاربردهای آن عبارتند از:

1. حفظ و نگهداری داروها

برخی داروها در تماس با اکسیژن فاسد می شوند؛ بنابراین از نیتروژن در بسته بندی و ذخیره این داروها استفاده می شود. همچنین نیتروژن مایع برای نگهداری واکسن ها و مواد بیولوژیکی در دمای بسیار پایین کاربرد دارد.

2. کرایوتراپی (Cryotherapy) و پزشکی بازساختی

نیتروژن مایع در کرایوتراپی برای درمان برخی بیماری ها مانند زگیل پوستی، سلول های سرطانی و التهابات مفصلی به کار می رود. همچنین در پزشکی بازساختی، نیتروژن برای نگهداری سلول های بنیادی، اسپرم، تخمک و بافت های زنده استفاده می شود.

کاربرد نیتروژن در صنایع نفت و گاز

نیتروژن در صنعت نفت و گاز کاربردهای متنوعی دارد که برخی از مهم ترین آن ها عبارتند از:

1. پالایشگاه ها

نیتروژن به عنوان یک گاز بی اثر در پالایشگاه های نفت برای جلوگیری از احتراق و انفجار استفاده می شود. این گاز برای پاک سازی مخازن و خطوط انتقال نفت و گاز نیز به کار می رود.

2. حفاری چاه های نفت و گاز

در فرآیند حفاری، از نیتروژن برای افزایش فشار درون چاه و جلوگیری از ورود آب و گل به درون مخزن استفاده می شود. همچنین در روش های افزایش تولید نفت (Enhanced Oil Recovery – EOR)، نیتروژن به عنوان یک گاز تزریقی برای افزایش فشار و تسهیل استخراج نفت و گاز به کار می رود.

کاربرد نیتروژن در الکترونیک

صنعت الکترونیک یکی از مصرف کنندگان اصلی نیتروژن است و کاربردهای اصلی این گاز در این صنعت عبارتند از:

1. تولید نیمه رساناها و چیپ ها: در ساخت تراشه ها و نیمه رساناها، نیتروژن نقش مهمی در ایجاد محیط بی اثر برای جلوگیری از اکسید شدن قطعات دارد.
2. لحیم کاری بدون اکسیداسیون: در فرآیند مونتاژ بردهای الکترونیکی، لحیم کاری در حضور نیتروژن انجام می شود تا کیفیت و دقت اتصال افزایش یابد.

کاربرد نیتروژن در جوشکاری و برشکاری فلزات

نیتروژن در صنایع فلزی و جوشکاری برای کاهش اکسیداسیون و زنگ زدگی، در فرآیندهای زیر به کار می رود. در فرآیندهایی مانند موارد زیر از نیتروژن به عنوان گاز محافظ استفاده می شود:

• جوشکاری فولاد ضدزنگ (Stainless Steel)
• برش لیزری فلزات

نقش نیتروژن در محیط زیست و توسعه پایدار

نیتروژن علاوه بر نقش های صنعتی، تاثیرات مهمی بر اکوسیستم ها و محیط زیست دارد. گاز ازت یکی از عناصر حیاتی برای رشد گیاهان و تولید پروتئین در موجودات زنده است؛ اما تغییرات در چرخه نیتروژن می توانند اثرات منفی بر محیط زیست داشته باشند. برخی از اثرات نیتروژن بر اکوسیستم ها و محیط زیست عبارتند از:

• نقش نیتروژن در رشد گیاهان: نیتروژن یکی از مهم ترین عناصر غذایی برای گیاهان است و در تولید کلروفیل و فتوسنتز نقش اساسی دارد. به همین دلیل، از ترکیبات نیتروژن مانند نیترات و آمونیاک در تولید کودهای شیمیایی استفاده می شود.
• آلودگی آب ها (Eutrophication): افزایش بیش از حد ترکیبات نیتروژن در آب ها می تواند منجر به رشد غیرطبیعی جلبک ها (پدیده اوتریفیکاسیون) شود که باعث کاهش اکسیژن محلول در آب و مرگ ماهی ها و سایر موجودات آبزی می شود.
• تاثیرات نیتروژن بر کیفیت هوا: برخی ترکیبات نیتروژن مانند نیتروژن دی اکسید (NO₂) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) از آلاینده های اصلی هوا محسوب می شوند که در اثر احتراق سوخت های فسیلی تولید شده و موجب مشکلات تنفسی و باران اسیدی می گردند.

استفاده از نیتروژن برای کاهش آلاینده های زیست محیطی

از نیتروژن می توان برای کاهش آلاینده ها و بهبود کیفیت محیط زیست استفاده کرد. برخی کاربردهای آن در این حوزه عبارتند از:

• استفاده در تصفیه گازهای گلخانه ای: در برخی صنایع، نیتروژن به عنوان جایگزین اکسیژن در احتراق به کار می رود که می تواند تولید گازهای گلخانه ای مانند دی اکسید کربن (CO₂) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) را کاهش دهد.
• کاهش مصرف اکسیژن در صنایع: در برخی فرآیندهای صنعتی، جایگزینی نیتروژن به جای اکسیژن می تواند موجب کاهش تولید آلاینده ها شود.
• تصفیه فاضلاب و کاهش نیترات ها: از فرآیندهای مبتنی بر نیتروژن زدایی (Denitrification) برای کاهش نیترات های اضافی در آب های فاضلاب استفاده شده که مانع آلودگی منابع آبی می شود.

مقایسه نیتروژن با سایر گازهای صنعتی

نیتروژن در کنار سایر گازهای صنعتی مانند اکسیژن، آرگون و کربن دی اکسید در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. هر یک از این گازها ویژگی ها و کاربردهای خاص خود را دارند که در جدول زیر مقایسه کرده ایم:

مزایای نیتروژن در کاربردهای صنعتی

نیتروژن نسبت به سایر گازهای صنعتی مزایای متعددی دارد که باعث شده به یکی از پرمصرف ترین گازهای صنعتی تبدیل شود. برخی از مهم ترین مزایای نیتروژن عبارتند از:

• بی اثر بودن: برخلاف اکسیژن که بسیار واکنش پذیر است، نیتروژن محیطی ایمن و بی اثر ایجاد می کند و مانع از اکسیداسیون و خوردگی در فرآیندهای صنعتی می شود.
• قیمت مناسب: نیتروژن در مقایسه با گازهای نجیب مانند آرگون و هلیوم بسیار ارزان تر است و به همین دلیل گزینه ای اقتصادی برای بسیاری از صنایع محسوب می شود.
• در دسترس بودن: از آنجایی که نیتروژن ۷۸٪ هوای زمین را تشکیل می دهد، استخراج و تولید آن از طریق روش های جداسازی هوا نسبتا آسان و کم هزینه است.
• ایمنی بالا: برخلاف اکسیژن که می تواند خطرات احتراق و انفجار را افزایش دهد، نیتروژن غیرقابل اشتعال است و در بسیاری از صنایع برای ایمن سازی محیط های صنعتی استفاده می شود.
• کاربردهای گسترده: از صنایع غذایی و پزشکی گرفته تا پالایشگاه ها و صنایع الکترونیک، نیتروژن نقش کلیدی در بسیاری از زمینه ها ایفا می کند.

جمع بندی

نیتروژن یکی از گازهای حیاتی برای صنعت، محیط زیست و آینده فناوری است. با توجه به نقش کلیدی این گاز در بهینه سازی مصرف انرژی، کاهش آلاینده ها و توسعه فناوری های جدید، انتظار می رود که در سال های آینده استفاده از نیتروژن در بسیاری از صنایع افزایش یابد. با پیشرفت فناوری های تولید و استفاده از نیتروژن، این گاز می تواند به یکی از مهم ترین عوامل توسعه پایدار و صنعتی شدن هوشمند در جهان تبدیل شود.