深冷 液氮

液氮

 氮即液態氮氣，分子量28.013，相對密度0.8081（-195.8℃ ），密度1.2507kg／m3（在0℃，l大氣壓時），熔點-209.86℃，沸點-195.8℃，臨界溫度-147.05℃，臨界壓力3.39Mpa  （33.5大氣壓），臨界密度0.31公斤／公斤，液態密度0.8l公斤／公斤（沸點），蒸發潛熱161.19千焦耳／公斤，定壓比熱1.034千焦耳／公斤·℃；熱傳導率2.28×10-4焦耳／厘米·秒·℃。 為無色透明、無味、無毒之低粘度的透明液體，不導熱導電，不自燃助燃，化學性質穩定，不與任何物質起化合作用。  1單位體積的液氮可產生約650倍體積的氮氣，氮氣是空氣的主要組成部分，在空氣中的含量高達78％（體積），液氮作為空氣液化分離的zui大宗產品、工業制氧的副產品， 一般純度達99．99％。液氮在常溫下很容易氣化，保存困難，運輸攜帶也較麻煩，在無液氮生產的地區，應用受到限制。
   液氮是一個較為方便的冷源，因液氮*的性質，已逐步受到人們的重視和認可，在畜牧業、醫療事業、食品工業、以及低溫研究領域等方面得到越來越普遍的應用。在電子、冶金、航天、機械制造等方面應用不斷拓寬和發展。
   一、在畜牧業方面的應用
    1、廣泛用于家畜凍配改良技術
   在多種家畜中，牛的精液冷凍制備、保存技術zui為成功， 自上個世紀五十年代已形成一套完整定型的工藝流程。
   牛精液冷凍的冷源普遍應用液氮。顆粒精液在經液氮冷卻的氟板（聚四氟乙烯）、銅紗網、鋁板上滴凍。要使承接精液的表面與液氮面保持——定的距離（1～2厘米）。在滴凍的過程中，要維持在-80～-120℃的溫度。滴凍前將經過平衡的精液充分混勻，并檢查精子的活率。滴要迅速，顆粒要均勻，每毫升經過稀釋的精液滴10粒左右為宜。滴凍結束后，要停留2～3分鐘，待所有顆粒已凍結立即投入液氮。經抽樣檢查（一般隨機抽取2粒） ，解凍活率在0.3以上者，即可裝于紗布袋中，經標記后在液氮中保存。每滴凍完一頭公牛的精液后，必須更換氟板等用具。 目前，細管的容量分0.25毫升和0.5毫升兩種，由無毒塑料（聚氯乙烯）制成。管的一端填有棉塞和聚乙烯粉末，粉末遇水即固化自動封口，輸精時又成為推送精液的活塞；另一端在注入精液后，可以聚乙烯粉或鋼珠（或塑料珠）封口，要注意在封口處與精液間留有10～13毫米的空間，防止冷凍過程中因膨脹引起細管爆裂。
   精液的貯存 牛的冷凍精液是以液氮做冷源進行貯存的，需要時可隨時取出。為防止溫度變化對精液品質的影響，取放動作要迅速，盡量減少在空氣中停留的時間。從貯存容器中提取冷凍精液時，精液不應超過液氮容器的頸基部，避免因溫度的回升造成精液解凍活率的下降。牛的冷凍精液已有40多年的歷史。試驗證明，保存至今的冷凍精液仍具有授精能力。但一般認為牛的冷凍精液隨保存時間的延長，精子的活力和授精能力逐漸降低。牛冷凍精液長期保存的確切時限，尚需繼續研究和觀察。
    2、家畜及多種動物的胚胎移植中，制備保存胚胎
目前多采用胚胎冷凍儀，屬智能型冷凍儀。該儀器采用微機控制技術，軟件，能較準確地控制液氮的施放量，從而保證被凍存的生物制品以適宜的冷凍速率降溫冷凍。    
    3、液氮超低溫保藏微生物技術
   將菌種保藏在-196℃的液氮長期保藏方法，它的原理是利用微生物在-130℃以下新陳代謝趨于停止而有效地保藏微生物。大型真菌是菌物中的一個重要類群（菌物中形成大型子實體的一類真菌，泛指廣義上的蘑菇或蕈菌），很多種類具有較高的營養價值和藥用價值，是目前菌物中zui有開發應用前景的一類；此外，一些大型真菌能夠分解枯死植物，對維持自然界物質循環、生態平衡有重要的作用，可開發應用于造紙業和環境凈化；一些大型真菌能引起樹木病害或損害多種木質產品，對此類病原真菌的認識的加強，有利于預防和減少危害的發生。大型真菌的規范性保藏對于微生物菌種資源的安全、保藏及、對長期有效保藏遺傳資源、異地保藏生物多樣性共享具有重意義
    4、農業生物基因保存
   上海投資4100多萬元開始建設中國國內農業生物基因綜合庫。農業界人士說，全國市場開發潛力的種子產業，將以這個基因庫作為育種材料的來源?？偨ㄖ娣e超過3300平方米的上海農業生物基因庫，設于上海農業科學院內，將保藏植物種子、植物離體材料、動物生殖細胞、微生物菌種和植物基因工程材料五大類農業生物遺傳資源。
    5、保存液氮疫苗
   液氮苗是80年代中期逐漸推廣應用的，先是使用Ⅲ型-FCl26炎雞皰疹病毒液氮苗，后來國內外又研制出SBl，301／B、Z4，814等Ⅱ型液氮疫苗，并組合成II+III型二價苗及I+II+III三價苗，應用后都曾一度有效的控制了一些地區的雞馬立克氏病，II+III型二價苗好景不長，1993年馬立克氏病又在北美和嚴態地區出現了較大規模的流行，為有效控制馬立克氏病，一些國家開始學習荷蘭自1927年使用I型CVl988／Rispens液氮苗后，有效控制馬立克氏病的經驗，美國、加拿大、巴西、日本、歐洲都先后從荷蘭農業漁業部引進了CVl988／Rispens制苗種毒，在各自國家使用不同的工藝技術生產，保存于液氮罐中。
6、用液氮治療奶牛乳頭乳孔外口閉合、家畜皮膚瘤子等也較為普通。
   二、 在醫療事業應用
    1、低溫醫學
   我國臨床低溫醫學工作發展迅速，促進了移植醫學的發展，特別是在骨髓、造血干細胞、皮膚、角膜、內分泌腺體、以及血管和瓣膜等的冷凍保存和移植應用取得了顯著成績。成功的造血干細胞移植依賴于造血干細胞活力的保存。生物樣品在降溫冷凍過程中，當由液態向固態變化的相變期內會釋放一定熱量，使其溫度回升，不控制降溫速率的冷凍過程將會導致組織細胞死亡。準確地測定生物樣品的相變點，用微機編制降溫程序，以便在樣品相變時加大液氮輸入量，克服相變樣品溫度的回升，使細胞安全而迅速地度過相變期，這是提高被凍樣品成活率的關鍵環節。
    2、臨床醫學
   液氮是目前冷凍外科中應用zui廣泛的冷凍劑。是目前為止發現的一種的制冷劑，把它注入低溫醫療器內，就像手術刀一樣，可以做任何手術。冷凍是用低溫來破壞病灶組織的一種治療方法。細胞由于溫度的急劇變化，組織內外水晶形成，使細胞脫水、皺縮，以致電解質等發生變化，冷凍還可使局部血流速度變慢，微血管血液瘀滯或栓塞造成細胞缺氧死亡。
   據報導液氮冷凍治療面部增生性及色素性疾病2138例，其中*1 445例，*67.59％；顯效329例，有效207例＼總有效率為82.97％。雀斑及脂溢性角化病的*分別為79.23％和84.69％；色痣（包括黑子）52.25％及瞼黃瘤41.67％。扁平疣患者冷凍后有新皮疹在皮損處發出，故對于進行期扁平疣不宜采用冷凍治療，靜止期冷凍效果好。2例有黃褐斑的患者色痣治療后有色素沉著，該2例經有效的治療后色素恢復正常，提示對有黃褐斑者亦不宜采用冷凍治療。對色痣的治療，要根據部位及患者的要求采取相應的治療方法，黑子及較小的色痣（直徑<3mm ）可采取液氮冷凍的方法治療，較大的色痣應以手術切除并行病理檢查為佳。
   采用液氮冰凍配合中藥治療尖銳濕疣，無毒副作用，痛苦小，*高，復發率低，術后*痕，并發癥少，治療時間短，經濟，是治療尖銳濕疣的理想方法之一
   液氮冷凍療法治療結節性癢診、粘液囊腫、多發性尋常疣及神經性皮炎采用的液氮直接噴射法治療慢性咽炎，將液氮直接噴射在病變表面，降溫快、深、面廣，并能消滅中間地帶，收到滿意的近期效果。每個凍融周期掌握在1min左右，連續4～5個凍融周期。每周僅1次。
   三、在食品工業應用  
    1、液氮在食品速凍中的應用  
   在眾多的保藏法中，冷凍保藏法應用，效果也非常顯著。而作為冷凍保藏方法之一的液氮速凍早已被食品加工企業所采用，由于它能實現低溫深冷的超速凍，也有利于實現凍結食品的部分玻璃化，使食品解凍后能zui大限度地恢復到原來的新鮮狀態和原有的營養成分，極大提高了冷凍食品的品質，因此在速凍工業中顯示出*的生命力。與其它冷凍方法相比，液氮速凍具有以下明顯的優點：
   ① 冷凍速度快（凍結速度比一般凍結方法約快30-40倍）：采用液氮速凍，可使食品迅速通過0℃～5℃zui大冰晶生長帶，食品研究人員已在這方面做了有益的嘗試。
   ②保持食品品質：由于液氮速凍時間短，經液氮速凍的食品可以zui大限度地保持加工前的色、香、味及營養價值。段振華等人用液氮對檳榔進行速凍處理，結果表明經液氮處理后的檳榔保持有較高葉綠素含量，風味好。
   ③物料干耗?。阂话銉鼋Y的干耗損失率為3～6％，而液氮速凍可減少到0.25～0.5％。
   ④設備與動力費用低，易于實現機械化和自動化流水線，提高生產率。
   目前液氮速凍主要有噴淋凍結、浸漬凍結和冷空氣凍結三種方式，其中又以噴淋凍結應用。
    2、液氮在飲料加工中的應用
   目前，已有不少飲料生產廠家采用氮或氮與C02的混合物取代傳統的C02，對飲料進行充氣包裝。充了氮的高碳酸型飲料，比僅充填二氧化碳的飲料引起的問題要少；氮對于灌裝無泡飲料，如酒和果汁也是很理想的。在非充氣飲料罐頭中加注液氮的好處是，所注入的少量液氮可排除每只罐頭頂部空間中的氧氣，使貯罐上部空間的氣體呈惰性，從而延長了易腐品的貯存期限。
    3、液氮在果蔬貯存保鮮中的應用
   液氮用于果蔬的貯存保鮮具有氣調的優點，可調節農副產品旺季和淡季供需方面的矛盾，減少貯存上的損失。氣調的功能是提高氮氣的濃度，同時控制氮、氧與C02的氣體比例，并使其保持在穩定狀態，降低果蔬的呼吸強度，延緩后熟過程，從而使果品、蔬菜保持采摘時的新鮮狀態和原有營養價值，延長果蔬保鮮期。
    4、液氮在肉制品加工中的應用
   液氮在對原料肉絞制、斬拌或混合等工序中加入，可有效提高產品質量。如在沙拉米型香腸加工中，液氮的使用可提高肉保水性，阻止脂肪氧化，改善切片性和外觀質量；用于肉制點心、肉脯等再制肉的加工，不僅可使肉糜混合時加速蛋白質溶解和增強保水性，且對保持產品*形狀尤為有效。另外原料肉經液氮快速冷卻，既可在較長時間內保持熱肉特性，氣又保證了肉品衛生安全；在加工工藝上，無須再擔心溫度上升對肉質的影響，且加工可不受原料溫度、加工時間、季節因素的影響，同時還可使加工過程處于低氧分壓，在一定范圍延長了產品的貨架壽命。
    5、液氮在食品低溫粉碎中的應用
   低溫粉碎，就是將冷卻到脆化點溫度的物質，在外力作用下破碎成粉體的過程。食品的低溫粉碎是近幾年發展起來的一種食品加工新技術，該技術特別適宜于加工含芳香成分多、含脂量高、含糖量多和含膠狀物質多的食品。用液氮進行低溫粉碎處理，可連原料的骨、皮、肉、殼等一次性全部粉碎，使成品顆料細小并保持其有效營養。如日本將經液氮凍結后的海藻、甲殼素、蔬菜、調味品等，投入粉碎機粉碎，可使成品微細粒度高達100μm以下，且基本保持原有營養價值。此外，用液氮進行低溫粉碎，還可粉碎常溫下難以粉碎的物料、熱敏性及受熱易變質，易分解的物質。另外，液氮可以粉碎如脂肪多的肉類、水分多的蔬菜等在常溫下難以粉碎的食品原料，并可以制造迄今新加工食品。
    6、液氮在食品包裝中的應用
   英國倫敦一家公司開發出一種簡單實用的食品保鮮包裝方法，就是在給食品進行包裝時，往包裝袋內加入幾滴液氮。當液氮蒸發轉化成氣體時它的體積迅速擴大，在包裝袋內快速取代原有的大部分氣體，減少食品因氧化而造成的變質，從而大大延長食品的保鮮期。
    7、液氮在食品冷藏運輸中的應用
   冷藏運輸是食品工業中很重要的一部分。開發液氮制冷技術，發展液氮冷藏火車、冷藏汽車及冷藏集裝箱是現今上的共同發展趨勢。經濟發達國家多年的應用實踐表明，液氮制冷系統是*在商業上可與機械制冷系統相競爭的冷藏保鮮技術，也是食品冷藏運輸的發展方向。
    8、液氮在食品工業中的其它應用
   由于液氮的制冷作用，蛋汁、液體調味品、醬油能夠加工成可自由流動并能倒出的顆粒狀冷凍食品，這些食品可隨時使用并且很容易配制。在研磨香料和吸水的食物添加劑，如糖的替代品和卵磷脂時，液氮被注入到研磨機中來保護有價值的成分，同時也增加了研磨產量。周順華等人研究證明，利用液氮淬冷協同高溫解凍進行花粉破壁具有效果好、破壁率高、速度快及花粉生理活性保持穩定、不受污染等特點。
   四、在電子工業中應用
    1、超導技術  
   超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領域得到廣泛的應用。以液態氮代替液態氦作超導制冷劑獲得超導體，使超導技術走向大規模開發應用，認為是2 0世紀科學上zui偉大的發現之一。 
   超導磁懸浮技術的基礎是由釔鋇銅氧（YBCO）構成的超導陶瓷，當這種超導材料被冷卻到液氮溫度（78K，相當于-196~C）時，就從正常態轉變為超導態。由屏蔽電流產生的磁場與軌道磁場相互排斥，如果排斥力大于列車的重量，車體就可以懸浮在空中。同時，在冷卻過程中，由于超導體的磁通釘扎效應，一部分磁場被俘獲在超導體內。這一俘獲磁場與軌道磁場相互吸引，由于斥力和吸引力的同時存在，車體得以穩定地懸浮在軌道上方。與常規磁鐵之間同性相斥，異性相吸的作用不同，超導體和外磁場之間的這種既排斥又相吸的相互作用，使超導體或*磁鐵都可以克服自身重力，懸浮或倒掛在對方的下面。
    2、電子元件制造與檢測
   環境應力篩選就是選擇若干典型環境因素，將適量的環境應力作用于組件或整機，把元器件工藝缺陷，即生產和裝配過程中的缺陷激發出來，給予修正或更換。環境應力篩選采用溫度循環和隨機振動較為有效。溫度循環試驗是采用高的變溫率、大的熱應力，使那些不同材料組成的元器件，因結合不良、材料本身的不均勻性、工藝中缺陷等所造成的隱患而迅速失效，采用變溫率為5℃／分；極限溫度為-40℃，+60℃；循環次數為8次。這樣的環境參數組合使得虛焊、夾傷部位、元器件本身缺陷的暴露較明顯。對于大批量的溫度循環試驗，可以考慮采用二箱法。在這種情況下，應當在級進行篩選。
   液氮是一種更快和更有效的屏蔽和測試電子元器、電路板的方法。
    3、低溫球磨技術
   低溫行星式球磨機是將液氮氣體*地輸入裝有保溫罩的行星式球磨機中，這些冷氣將高速旋轉的球磨罐產生的熱量及時吸收，使裝有物料、磨球的球磨罐始終處于一定的低溫環境中．在低溫環境中混合、細磨、新產品研制和小批量生產高新技術材料的*裝置。該產品體積小、功能全、效率高、噪聲低，廣泛應用于醫藥、化工、環保、輕工、建材、冶金、陶瓷、礦產等部門。   ．
    4、綠色切削加工技術
   低溫切削是利用低溫流體如液態氮、液態二氧化碳和冷風等噴向加 工系統的切削區域，造成切削區的局部低溫或超低溫狀態，利用工件在低 溫條件下產生的低溫脆性，提高工件的切削加工性、刀具壽命和工件表面 質量。根據冷卻介質的不同，低溫切削可分為冷風切削和液氮冷卻切削。   低溫冷風切削法是通過向刀尖的加工部位噴-20℃～-30℃ （甚至更低）的低溫氣流，并混入微量的植物性潤滑劑（每小時10~20m 1），從而起到降溫、排屑、潤滑的作用。低溫冷風切削與傳統切削相比，能夠提高加工 效率，改善工件表面質量，而且對環境幾乎無污染。日本安田工業公司的 加工中心采用在電機軸、刀桿軸的中心插入絕熱風管的結構，使用-30℃ 的低溫冷風直接通向刀刃。該結構大大改善了切削條件，有利于低溫冷風 切削加工工藝的實施。橫川和彥對車削和銑削中的冷風冷卻進行了研究。在銑削試驗中，分別采用水基切削液、常溫風（+10℃）和冷風（-30℃ ）三種條件進行比較，結果表明，采用冷風切削時刀具耐用度顯著提高。在車削試驗中，冷風（-20℃ ）切削時刀具磨損率比常溫風（+20℃ ）切削時顯著下降。
   液氮冷卻切削主要有兩種應用形式，一種是利用瓶裝壓力將液氮像切削液一樣直接噴射到切削區；另一種是利用液氮受熱蒸發循環來間接冷卻 刀具或工件。目前低溫切削加工主要應用于鈦合金、高錳鋼、淬硬鋼等難 加工材料的加工中。KPRaijurkar采用H13A硬質合金刀具、并用液氮循環冷卻刀具的方法對鈦合金進行了低溫切削加工試驗，試驗結果表明，與傳統的切削方法相比，刀具磨損明顯減少，切削溫度降低30％，工件表面加工質量得到很大改善。萬光民采用間接冷卻方法對高錳鋼進行了低溫切 削加工試驗，結果表明，采用間接冷卻方法低溫加工高錳鋼時，刀具所受沖擊力減少，刀具磨損減小，加工硬化現象得到改善，工件表面質量也有所提高。王連鵬等人采用液氮噴淋的方法在數控機床上低溫切削加工45淬硬鋼，試驗結果表明，采用液氮噴淋式低溫加工45淬硬鋼可以提高刀具耐用度，改善工件表面質量。
   在液氮冷卻加工狀態下，硬質合金材料能保持其抗彎強度、斷裂韌性和耐沖擊強度，其硬度隨溫度的降低而增大，因此硬質合金刀具材料在液氮冷卻中能夠保持其優良的切削性能，并且和在常溫下一樣，其性能決定于粘結相的數量。對于高速鋼，隨溫度的降低，其硬度增大而抗沖擊強度降低，但總體上能保持較好的切削性能。他對一些材料在低溫下提高其切削加工性進行了研究，選用了低碳鋼AISll010、高碳鋼AISl070、軸承鋼  AISIE52100、鈦合金Ti-6A 1-4V、鑄造鋁合金A390五種材料，實驗研究表明：由于低碳鋼表現出良好的低溫脆性，低溫切削可獲得理想的加工效果；對于高碳鋼和軸承鋼，應用液氮冷卻可抑制切削區溫升和刀具磨損速度；在切削鑄造鋁合金時，應用低溫冷卻可提高刀具硬度和刀具抗硅相磨粒磨損能力，在加工鈦合金時，同時低溫冷卻刀具和工件，可有效地降低切削溫度和減少鈦和刀具材料之間的化學親和力。
   五、其它領域
   酒泉衛星發射中心特燃站生產液氮，它是火箭燃料的推送劑，大量的液氮用高壓把火箭燃料推向燃燒室。
應用于高溫超導電力電纜開發；應用于緊急維修中對液體管道進行凍結；應用于物質的低溫穩定和低溫淬火；液氮冷裝配技術（熱脹冷縮現象在工業中的應用）也廣泛使用；液氮人工增雨技術；液氮排液技術及時降液誘噴，正在不斷深入研究。
   采用氮氣井下滅火，火勢被迅速撲滅，同時又消除了瓦斯爆炸危險等。
   為什么選擇液氮：因為比其它方法冷卻得更快，并且不與其它物質起化學反應，大大地節省空間，提供了干燥的氣氛，它是環保的（液氮使用后直接揮發成氣體返回大氣中，不會留下任何污染），它用起來簡單方便。