Жидкий азот – одно из четырех агрегатных состояний азота. Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость без запаха.
Свойства
Жидкий азот почти не растворяется в воде. Он не реагирует с большинством веществ, за исключением лития (при комнатной температуре) и некоторых других металлов и неметаллов (при нагревании). Жидкий азот не горюч и не взрывоопасен. Химическая инертность молекулярного азота объясняется прочной связью атомов в молекуле. Молекула азота состоит из двух атомов, химическая формула N2.
Температура фазового перехода между газом и жидкостью у азота составляет -196°C. При комнатной температуре жидкий азот кипит, переходя при этом в газообразное состояние. Поэтому хранят его в специальных термосах – сосудах Дьюара.
При охлаждении до -210 °C происходит кристаллизация вещества.
Жидкий азот применяют в медицине и ветеринарии, строительстве, пожаротушении, в тяжелой и легкой промышленности.
Способ получения жидкого азота
В атмосферном воздухе содержится около 78% газообразного азота. Для получения 1 литра жидкого азота требуется 700 литров газа.
Рассмотрим наиболее распространенный способ получения жидкого азота.
Криогенный метод основан на сжатии воздуха, его постепенном охлаждении и последующем отборе жидкого азота. Данный способ применяют, когда требуется изготовить большое количество вещества. Метод включает три этапа:
1. Сжатие. При помощи компрессора газ сжимают, при этом газ интенсивно нагревается.
2. Сжатый разогретый газ направляют в теплообменник, в котором отбирают часть тепла.
3. Из теплообменника газ подают в детандер. Это устройство, которое заставляет газ совершать механическую работу. Внутренняя энергия газа переходит в механическую, при этом газ охлаждается.
Детандер позволяет охладить сжатый газ до -196°C и перевести его в жидкое состояние.
Метод позволяет получить вещество с минимум примесей, поскольку температура фазового перехода азота, кислорода и других газов различается.
Жидкий азот в медицине
Жидкий азот применяют в таких областях медицины, как:
-Нейрохирургия;
-Офтальмология;
-Гинекология;
-Дерматология, косметология и т.д.
Кроме того, сжиженный азот используют в ветеринарной медицине и зоотехнии.
Криохирургия – метод удаления аномального или пораженного участка тканей и органов при помощи холода. Криохирургические методы применяют для удаления новообразований и пораженных участков органов и тканей. Таки образом лечат кератозы, бородавки, невусы, акрохордоны, а также злокачественные новообразования печени, поджелудочной и предстательной желез, легких и других органов.
Принцип действия криохирургического метода основан на следующих фактах:
1. При замораживании острые кристаллы льда рвут клеточные мембраны;
2. Холод разрушает сосуды, вследствие чего нарушается питание участка ткани, наступает некроз;
3. Заморозка вызывает денатурацию фосфолипидов, входящих в состав клеточных мембран;
4. При заморозке наступает дегидратация, которая сопровождается резким повышением концентрации электролитов.
В сравнении с традиционными хирургическими методиками криохирургия - малоинвазивный способ лечения.
Для криохирургии применяют специализированные криохирургические аппараты. Они представляют собой емкость с хладагентом, проводящие трубки и рабочий наконечник. За точную работу автоматики отвечает электронный процессор. В качестве наконечников используют зонды разной формы.
Для поверхностного воздействия применяют специальные компактные приборы – криодеструкторы.
1. В современной нейрохирургии активно развивается метод криональгезии – длительное обезболивание участка ткани при воздействии холодом на нерв. Таким образом борются с различными видами невралгий. В нейрохирургии так же применяют криохирургические методики уничтожения опухолей мозга, абсцессов и сосудистых мальформаций.
2. В офтальмологии при помощи криохирургии лечат катаракту (помутнение хрусталика), сосудистые новообразования и другие заболевания глазного яблока и конъюнктивы. Для этого созданы специальные офтальмологические криозонды.
3. В дерматологии криохирургию широко применяют для удаления папиллом, бородавок и пигментных пятен.
4. К гинекологическим заболеваниям, поддающимся криохирургическому лечению относят эрозии слизистой репродуктивных органов, эндометриозы, остроконечные кондиломы и т.д.
При помощи жидкого азота сохраняют биологические образцы для исследований, стволовые клетки и т.д.
В ветеринарии и зоотехнии жидкий азот применяют для искусственного осеменения. С помощью криогенного оборудования хранят и транспортируют семенную жидкость, полученную от самцов- производителей.
Криогенное оборудование
Криогенное оборудование применяют в медицинских центрах, лабораториях, научно-исследовательских институтах и других учреждениях для хранения, переливания и транспортировки жидкого азота.
Хранение и транспортировка
При температуре выше -196°C жидкий азот кипит и испаряется. Из-за этой особенности его трудно надолго сохранить: в обычной емкости он достаточно быстро превратится в газ. Для этого создали специальные термоизоляционные резервуары – сосуды Дьюара. Эти приспособления по строению напоминают бытовые термосы и выполняют схожие с ними функции.
Сосуд Дьюара состоит из двух емкостей – внутренней и внешней. Между ними находится вакуумная полость. Стенки емкостей соединяют тонкие и прочные перемычки, которые обеспечивают прочность конструкции. Внешнюю поверхность внутренней емкости покрывают адсорбентом, который поглощает из вакуумной полости молекулы испарившегося газа. Внутреннюю поверхность полируют до зеркального блеска.
Чем больше объём сосуда Дьюара – тем меньше суточные потери азота. Среднее время хранения сжиженного азота – от 2 до 4 месяцев. Качественные термосы больших объемов сохраняют жидкость до года. Суточные потери для мелких резервуаров составляют до 5%, крупных – 1,5% от объема жидкости.
Изготавливают сосуды Дьюара объемом от 2 до 100 литров и более.
Переливные устройства
Для того, чтобы безопасно и без потерь перелить жидкий азот из одной емкости в другую применяют специальные переливные устройства. По форме они напоминают букву «Г», состоящую из трубок. Длинную трубку-корпус опускают в сосуд с жидким азотом, из короткой он льется в другую емкость. Азот перетекает по трубкам под действием повышенного давления, которое возникает в сосуде из-за постоянного кипения и испарения. В некоторых случаях для перекачки применяют баллоны с газообразным азотом.
Выпускают переливные устройства, которые позволяют перекачать азот со скоростью 3-5 литров в минуту. Также изготавливают автоматические приборы с ручным управлением.
Вспомогательное оборудование
К вспомогательным приспособлениям относят тележки для сосудов Дьюара, криоштативы и другое оборудование. Роликовые тележки позволяют без усилий перемещать тяжелые резервуары с жидким азотом. В криоштативах закрепляют пробирки с биоматериалом, который должен хранится в жидком азоте. Для удобства ячейки штатива пронумерованы.
Использованная литература:
1. Абрамов, Валентин Георгиевич. Применение холода в офтальмологии [Текст] / В. Г. Абрамов, В. П. Артамонов ; М-во здравоохранения РСФСР. Иван. гос. мед. ин-т. - Ярославль : [Верх.-Волж. кн. изд-во], 1973. - 151 с
2. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — 5-е изд., испр. — М.: Высшая школа, 2003
3. Криохирургия / В. В. Александров, Е. А. Артюхина, А. Ю. Баранов [и др.]. – Москва : Общество с ограниченной ответственностью Издательская группа "ГЭОТАР-Медиа", 2019. – 376 с.
4. Песня-Прасолов, С. Б. Применение ультранизких температур в нейроонкологии / С. Б. Песня-Прасолов, С. А. Васильев // Нейрохирургия. – 2013. – № 3. – С. 92-98
