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酸素を貯蔵して後で使用する方法には、酸素タンク内の高圧、極低温、酸素を多く含む化合物や反応混合物、加熱や圧力の変化によって酸素を可逆的に放出する化合物など、さまざまな方法があります。O 2は、 2 番目に重要な工業用ガスです。
空気
空気は最も一般的な酸素の供給源であり貯蔵庫で、20.8%の酸素を含んでいます。この濃度は、多くの燃料の燃焼、多くの金属の腐食、動物の呼吸など、多くの目的に十分です。ほとんどの人間は、1気圧で酸素レベルが15%であれば安静時に機能することができます。[1]メタンなどの燃料は、窒素中の酸素が12%まで燃焼します。
10立方メートルの小さな部屋には2.08立方メートル（2080リットル）または2.99kgの酸素があり、液体であれば2.62リットルを占める。[2]
高圧
最大200バール（3000psi）の圧力がかかった酸素タンクは、鉄鋼やモネルの製造、溶接や切断、医療用呼吸ガス、ダイビング、航空機の緊急呼吸ガスなどの工業プロセスに使用されています。139バール（2015psi）の作動圧力で16リットルの水容量の小さなスチールタンクには、約2150リットルのガスが入り、重量は28キログラム（62ポンド）です。[3]スチールタンクを除いた2150リットルの酸素の重量は約3キログラム（6.6ポンド）です。
極低温
極低温貯蔵デュワー（真空断熱フラスコ） 内の液体酸素は、航空宇宙産業、潜水艦産業、ガス産業で使用されます。
化学酸素発生器
化学酸素発生器は化学組成内に酸素を貯蔵し、一度しか使用できません。
酸素キャンドルには塩素酸ナトリウムと鉄粉の混合物が含まれており、点火すると約 600 °C (1,112 °F) でくすぶり、混合物 1 kg あたり約 270 リットルの塩化ナトリウム、酸化鉄、酸素が生成されます。
一部の民間航空機では、塩素酸ナトリウム( NaClO 3 )、5% 過酸化バリウム( BaO 2 )、1% 過塩素酸カリウム( KClO 4 ) の混合物を含む緊急用酸素発生器を使用しています。この発生器は点火後、反応して酸素を 12 ～ 22 分間放出し、その間にユニットは 500 °F (260 °C) に達します。
ミールや後に国際宇宙ステーションでNASAの名称で固体燃料酸素発生器（SFOG）として使用されているVika酸素発生システムは、重量の約60％の酸素を放出する過塩素酸リチウムをベースにしています。すべての過塩素酸塩の中で、過塩素酸リチウムは、高価で有毒な二過塩素酸ベリリウムを除けば、重量と体積に対する酸素の比率が最も高いです。Vikaシステムでは、約1リットル（2.4 kg）の過塩素酸塩が入ったキャニスターを使用して、1人が1日使用するのに十分な600リットル（0.86 kg）の酸素を生成します。
ソユーズ宇宙船や一部の鉱山安全自己完結型自己救助 (SCSR)装置では、超酸化カリウムを含む化学酸素発生器が使用されていました。KO 2 は H 2 OとCO 2の両方と反応して酸素を生成し、超酸化カリウム 1 kg あたり 0.38 kg の酸素が生成されます。
テトラメチルアンモニウムオゾニド（（CH 3）4 NO 3）[4]は、 分子量が39％と低いため、発電機用の酸素源として提案されています。[5]
可逆性化学吸収剤
酸素の吸収と脱着は、圧力変化、いわゆる圧力スイング吸収 (PSA) または温度変化、いわゆる温度スイング吸収 (TSA) を使用して制御できます。
カチオン秩序二重ペロブスカイト BaLnMn 2 O 5+d（Ln：ランタニドおよびY）は、PSAモードで動作する酸素貯蔵材料として知られています。この材料は、酸素分圧の変化中に中程度の温度（300〜500℃）で完全に還元されたBaLnMn 2 O 5と酸化されたBaLnMn 2 O 6の間で、実質的に完全かつ可逆的な変化を示します。特定の材料の特性は、置換されたLnによって異なります。+3陽イオン。このタイプの物質では、酸素の挿入が空孔に起こり、マンガンの酸化状態の変化（酸化還元反応）と相関している。[6]
PSA操作に適した他の材料としては、SOFCのカソード材料として一般的に使用されるLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−d、La0.5Sr0.5Co0.5Fe0.5O3−dなどのブラウンミラーライト型材料があり、高容量や低酸化温度などの優れた酸素貯蔵特性を示します。しかし、コバルトを多く含む材料は、還元条件や550℃などの高温では不安定になる場合があります。[7]
TSA用途に適した最近開発された材料は、六方晶LnMnO 3+d（Ln：ランタニドおよびY）材料である。[8]酸素化学量論相（δ = 0）はHex0と表記され、 Rの層が重なり合う層状構造として説明できる六方晶P 6 3 cm対称で結晶化する。+38配位の陽イオンは、角を共有する三方晶Mnの層によって分離されている。+3O 5双錐体。TSA の観点から非常に重要な特性は、Mn サイト付近の構造に大量の格子間酸素が導入される可能性があり、これにより Mn の価数が +3 以上に増加することです。このプロセスにより、マンガン陽イオンのユニークな最大 8 倍の配位が作成され、原始セルの対称性が変わります。構造に格子間酸素が導入されると、異なる対称性を持つ酸素負荷相が形成されます。R 3 c ( δ ≈ 0.28、Hex1) とPca 2 1 ( δ ≈ 0.41、Hex2)。空気雰囲気でのこれらのタイプの材料の動作温度範囲は、200～300 ˚C と低く、20 ˚C と狭くなる可能性があります。[9]
南デンマーク大学の科学者らは、化学吸着による酸素貯蔵に関する論文を発表した。2分子の二酸素が結晶塩{(bpbp)Co II 2 NO 3 } 2 (2-アミノ-1,4-ベンゼンジカルボキシラト)(NO 3 ) 2 ·2H 2 O.に35℃で貯蔵され、100℃に加熱すると放出される。[10] 「Bpbp」は2,6-ビス(N,N-ビス(2-ピリジルメチル)アミノメチル)-4- tert-ブチルフェノラトである。
有機分子に結合したコバルトの機能は、動物の呼吸に使われる金属タンパク質の鉄と銅の機能に類似している。結晶中の硝酸イオンは中性の二酸素と交換されるが、結晶内に残る。硝酸イオン以外の他のイオンも同様に働き、酸素をより速く交換する。10リットルの結晶は「部屋中の酸素をすべて吸い上げるのに十分」であり、同サイズの鋼鉄タンクの3倍の酸素である。[11]
参照
参考文献
- ^ 「酸素と人間の必要量」。newton.dep.anl.gov 2006-09-25。2015-02-26時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 2メートル×2メートル×2.5メートル = 10メートル標準温度における酸素の濃度と密度の3倍
- ^ 「高圧ステンレス鋼シリンダーの仕様」。alspecialtygases.com。2010年3月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。
{{cite web}}: CS1 メンテナンス: 不適切 URL (リンク) - ^ Solomon, Irvine J.; Kacmarek, Andrew J.; McDonough, John M.; Hattori, Kiyo (1960). 「テトラメチルアンモニウムオゾニド1の調製、特性評価および物理的および化学的性質」。アメリカ化学会誌。82 (21) .アメリカ化学会 (ACS): 5640–5641. doi :10.1021/ja01506a022. ISSN 0002-7863.
- ^ 米国特許 3,139,327
- ^ Klimkowicz, Alicja; Świerczek, Konrad; Zheng, Kun; Wallacher, Dirk; Takasaki, Akito (2017 年 6 月). 「中性子回折法による還元条件下での BaLnMn2O6 (Ln: Pr, Nd, Y) からの酸素放出」. Journal of Materials Science . 52 (11): 6476–6485. Bibcode :2017JMatS..52.6476K. doi :10.1007/s10853-017-0883-2. ISSN 0022-2461. S2CID 99417756.
- ^ クリムコヴィッチ、アリシア;シヴィェチェク、コンラッド。高崎明人；ドンブロウスキー、ボグダン（2014 年 4 月）。 「CoおよびFe含有ペロブスカイト型酸化物の酸素貯蔵能力」。ソリッドステートイオン。257 : 23-28.土井：10.1016/j.ssi.2014.01.018。
- ^ クリムコヴィッチ、アリシア;シヴィェチェク、コンラッド。小林俊太郎；高崎明人；アラヒヤニ、ワディア。ドンブロウスキー、ボグダン（2018年2月）。 「微細構造修飾による六方晶系YMnO3+δの酸素貯蔵特性の改善」。固体化学ジャーナル。258 : 471–476。Bibcode :2018JSSCh.258..471K。土井：10.1016/j.jssc.2017.10.037。
- ^ クリムコヴィッチ、アリシア;チシー、カクペル。オマール・シュマイセム。ドンブロウスキー、ボグダン。プーデル、ビシャム。シヴィェチェク、コンラッド。タッデイ、キース M.高崎明人（2019） 「六方晶系 Y 0.7 Tb 0.3 MnO 3+δ における可逆的な酸素インターカレーション: 空気中での温度スイング吸収による酸素生成に向けて」。材料化学ジャーナル A。7 (6): 2608–2618。土井：10.1039/C8TA09235D。ISSN 2050-7488。OSTI 1491217。S2CID 104445894 。
- ^ Sundberg, Jonas; Cameron, Lisa J.; Southon, Peter D.; Kepert, Cameron J.; McKenzie, Christine J. (2014). 「可逆的な単結晶から単結晶への変換における酸素の化学吸着/脱着」(PDF) .化学科学. 5 (10): 4017. doi : 10.1039/C4SC01636J . ISSN 2041-6520.
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