7440-63-3 / 氙氣的多種應(yīng)用

背景及概述^[1]

氙氣的元素符號Xe，位于第五周期零族。其為稀有氣體、無色、無嗅、無味，能吸收X射線，在電場作用下能發(fā)出強(qiáng)烈的白光。用于制高壓長弧氙燈(俗稱人造小太陽)，產(chǎn)生紫外線的高壓電弧燈、閃光燈、中子計(jì)數(shù)器，X射線計(jì)數(shù)器，還用作麻醉劑、原子反應(yīng)堆中的中子吸收劑、充填閘流管和探測宇宙線用的電離室。1898年英國人拉姆塞和特拉威斯在分餾液態(tài)氪的混合物時(shí)，通過光譜分析發(fā)現(xiàn)了氙。在空氣中含有9×10-6%(體積)。工業(yè)上用分餾液體空氣提取。

應(yīng)用^[3-4]

氙能吸收X射線。因其有極高的發(fā)光強(qiáng)度，用于填充光電管和閃光燈，氙燈有“小太陽”之稱。氙能溶解于神經(jīng)細(xì)胞物質(zhì)之中，使其麻醉和膨脹，從而暫時(shí)停止神經(jīng)末梢的作用，故摻入20%的氧作為麻醉劑。氙高壓燈具有高的紫外光輻射，故可用于醫(yī)療。

1）氙氣在電光源上的重要應(yīng)用

利用氙氣極高的發(fā)光強(qiáng)度，可充填光電管、閃光燈以及有霧航空導(dǎo)航燈，其放電強(qiáng)度甚至超過太陽光的放電強(qiáng)度；氙氣充填的長弧氙燈，俗稱“小太陽”，穿霧能力特強(qiáng)，可用于機(jī)場、車站、碼頭和廣場；氙燈還用于彩色電影的拍攝，具有良好效果。近年來，隨著科技的發(fā)展，氙氣在電子、激光行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，如等離子電視、CT機(jī)等，每年這個(gè)行業(yè)消費(fèi)氙氣約2000m3。

2）氙氣在焊接、醫(yī)療等方面的應(yīng)用

用氙燈光線經(jīng)凹鏡聚光后，溫度可達(dá)到2500℃，不僅可容易地焊接鋼材，還可焊接鈦、鉬這類難熔金屬。據(jù)悉，還可用于單晶體生產(chǎn)方面。高壓氙燈具有高強(qiáng)度的紫外光輻射，可用于醫(yī)療殺菌、消毒。由于氙的分子量大，有很強(qiáng)的麻醉作用，氙是無副作用、理想的深度麻醉劑。利用氙氣具有不透過X射線的性質(zhì)，可被用作X光攝影的造影劑，也被用于遮蔽X射線；氙的放射性同位素，可作為顯蹤劑來進(jìn)行醫(yī)療診斷。醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)殡瘹鈶?yīng)用提供了新的長期有潛力的增長。氙氣用于加強(qiáng)X-射線、CAT掃描、MRI的成像。

單靠一臺MRI設(shè)備不能檢查人體肺部的許多精細(xì)結(jié)構(gòu)，然而，吸入氙/氧混合氣，MRI掃描就能檢測到必要的軟組織精細(xì)結(jié)構(gòu)，以幫助醫(yī)生對許多肺部疾病做出更準(zhǔn)確的診斷。英國倫敦皇家學(xué)院的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)氙氣可幫助保護(hù)受損的神經(jīng)細(xì)胞，為此他們與美國空氣制品公司一起建立了一家名叫Proexeon公司以開發(fā)其臨床應(yīng)用。研究表明惰性氣體氙可用作神經(jīng)保護(hù)劑，防止受損神經(jīng)細(xì)胞死亡?？芍委熒窠?jīng)受損病人如中風(fēng)、麻痹、腦傷和脊髓受傷等。

3）氙氣在電子芯片制造業(yè)中的最新應(yīng)用

氙氣的最新用途是用在電子芯片制造業(yè)，也是目前氙需求增長及對氙投機(jī)買賣的最重要原因，幾家大型芯片制造商正使用氙氣等離子蝕刻，主要用于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的制造。MEMS設(shè)備可將微電子和微機(jī)械集成為一個(gè)整體，能在一塊芯片上制作更復(fù)雜及功效更強(qiáng)的電路。這種技術(shù)從根本上把電腦芯片(處理數(shù)據(jù))和傳感器(收集數(shù)據(jù))結(jié)合到一個(gè)元件上，可以批量生產(chǎn)，這種芯片的潛在用途不可限量，

4）氙氣在空間/衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

用于衛(wèi)星發(fā)射的離子發(fā)動(dòng)機(jī)和離子漿推進(jìn)器使用燃料氙氣，由于氙氣重量和密度很重，重量約是空氣的4.5倍重，主要用作衛(wèi)星的軌道位置保持和機(jī)動(dòng)控制。在離子發(fā)動(dòng)機(jī)磁腔的尾部，有一對分別帶正電荷和負(fù)電荷的金屬網(wǎng)，正電荷和氙離子產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁推力把氙離子高速(約100000km/h)噴射出去，并因此產(chǎn)生反沖力推動(dòng)飛行器向前運(yùn)動(dòng)。它的推力比化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)要小得多，全速運(yùn)行時(shí)，離子發(fā)動(dòng)機(jī)每消耗2500W電能只能產(chǎn)生1/110kgf(注：1kgf=9.81N)的推力，但是它可以長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)幾個(gè)月甚至幾年，結(jié)果，飛行器最終獲得的速度可達(dá)化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的10倍。氙氣的非冷凝性質(zhì)，使離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎可以立即起動(dòng)或關(guān)機(jī)，簡化配電系統(tǒng)和絕緣器設(shè)計(jì)。氙作為推進(jìn)劑有以下優(yōu)點(diǎn)：無污染，不與航天器表面材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。無毒，不會污染空間環(huán)境和地球生物圈。確保地面試驗(yàn)人員的健康和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外環(huán)境的凈化。

制備^[2]

氪氣、氙氣提取工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大，生產(chǎn)操作程序要求極為嚴(yán)格。要經(jīng)受高壓、低溫考驗(yàn)，并要使用特殊設(shè)備與材料，而且安全、防爆和防漏也至關(guān)重要。氪氣、氙氣制備一般分為兩個(gè)階段：第一階段俗稱粗制系統(tǒng)，大型、特大型空分設(shè)備低溫精餾提取貧氪—氙混合物，在空分設(shè)備冷箱內(nèi)完成，大氣要經(jīng)過壓縮、冷卻、吸附、膨脹制冷、精餾、凈化和換熱等多道工序；第二階段俗稱精制系統(tǒng)，將貧氪—氙混合物精制到高純產(chǎn)品，要經(jīng)過加壓、催化、吸附、換熱、精餾和凈化等多道工序。武鋼氧氣公司2005年投產(chǎn)的60000m3/h空分設(shè)備是稀有氣體全提取空分設(shè)備，由德國林德公司引進(jìn)，其氪氣、氙氣制備工藝流程具有一定代表性，如圖所示。

主要參考資料

[1] 中學(xué)教師實(shí)用化學(xué)辭典

[2] 氪氣和氙氣的制備與應(yīng)用

[3] 實(shí)用精細(xì)化工辭典

[4] 氪氣、氙氣和氖氣市場