液氮的應用

液氮即液態(tài)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(tài)密度0.8l公斤/公斤(沸點)，蒸發(fā)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(zhì)穩(wěn)定，不與任何物質(zhì)起化合作用。 1單位體積的液氮可產(chǎn)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**宗產(chǎn)品、工業(yè)制氧的副產(chǎn)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(chǎn)的地區(qū)，應用受到限制。

液氮是一個較為方便的冷源，因液氮特有的性質(zhì)，已逐步受到人們的重視和認可，在畜牧業(yè)、醫(yī)療事業(yè)、食品工業(yè)、以及低溫研究領(lǐng)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(fā)展。液氮罐

一、在畜牧業(yè)方面的應用

1、廣泛用于家畜凍配改良技術(shù)

在多種家畜中，牛的精液冷凍制備、保存技術(shù)*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(jīng)液氮冷卻的氟板(聚四氟乙烯)、銅紗網(wǎng)、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(jīng)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(jīng)過稀釋的精液滴10粒左右為宜。滴凍結(jié)束后，要停留2～3分鐘，待所有顆粒已凍結(jié)立即投入液氮。經(jīng)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(jīng)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(zhì)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(xù)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(shù)，專用軟件，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(shù)

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(yǎng)價值和藥用價值，是目前菌物中*有開發(fā)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(zhì)循環(huán)、生態(tài)平衡有重要的作用，可開發(fā)應用于造紙業(yè)和環(huán)境凈化;一些大型真菌能引起樹木病害或損害多種木質(zhì)產(chǎn)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(fā)生。大型真菌的規(guī)范性保藏對于微生物菌種資源的安全、高效保藏及、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(nóng)業(yè)生物基因保存

上海投資4100多萬元開始建設(shè)中國國內(nèi)首家農(nóng)業(yè)生物基因綜合庫。農(nóng)業(yè)界人士說，*具全國市場開發(fā)潛力的種子產(chǎn)業(yè)，將以這個基因庫作為育種材料的來源。總建筑面積超過3300平方米的上海農(nóng)業(yè)生物基因庫，設(shè)于上海農(nóng)業(yè)科學院內(nèi)，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(nóng)業(yè)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(nèi)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(qū)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(tài)地區(qū)出現(xiàn)了較大規(guī)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(jīng)驗，美國、加拿大、巴西、日本、歐洲都先后從荷蘭農(nóng)業(yè)漁業(yè)部引進了CVl988/Rispens制苗種毒，在各自國家使用不同的工藝技術(shù)生產(chǎn)，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(yī)療事業(yè)應用

1、低溫醫(yī)學

我國臨床低溫醫(yī)學工作發(fā)展迅速，促進了移植醫(yī)學的發(fā)展，特別是在骨髓、造血干細胞、皮膚、角膜、內(nèi)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(tài)向固態(tài)變化的相變期內(nèi)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2、臨床醫(yī)學

液氮是目前冷凍外科中應用*廣泛的冷凍劑。是目前為止發(fā)現(xiàn)的一種**的制冷劑，把它注入低溫醫(yī)療器內(nèi)，就像手術(shù)刀一樣，可以做任何手術(shù)。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(nèi)外水晶形成，使細胞脫水、皺縮，以致電解質(zhì)等發(fā)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(jù)報導液氮冷凍治療面部增生性及色素性疾病2138例，其中痊愈1 445例，治愈率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治愈率分別為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(fā)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(jīng)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(jù)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(shù)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，治愈率高，復發(fā)率低，術(shù)后不留疤痕，并發(fā)癥少，治療時間短，經(jīng)濟，是治療尖銳濕疣的理想方法之一

液氮冷凍療法治療結(jié)節(jié)性癢診、粘液囊腫、多發(fā)性尋常疣及神經(jīng)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(xù)4～5個凍融周期。每周僅1次。

三、在食品工業(yè)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*為廣泛，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(yè)所采用，由于它能實現(xiàn)低溫深冷的超速凍，也有利于實現(xiàn)凍結(jié)食品的部分玻璃化，使食品解凍后能**限度地恢復到原來的新鮮狀態(tài)和原有的營養(yǎng)成分，極大提高了冷凍食品的品質(zhì)，因此在速凍工業(yè)中顯示出特有的生命力。與其它冷凍方法相比，液氮速凍具有以下明顯的優(yōu)點：

① 冷凍速度快(凍結(jié)速度比一般凍結(jié)方法約快30-40倍)：采用液氮速凍，可使食品迅速通過0℃～5℃**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(zhì)：由于液氮速凍時間短，經(jīng)液氮速凍的食品可以**限度地保持加工前的色、香、味及營養(yǎng)價值。段振華等人用液氮對檳榔進行速凍處理，結(jié)果表明經(jīng)液氮處理后的檳榔保持有較高葉綠素含量，風味好。

③物料干耗小：一般凍結(jié)的干耗損失率為3～6%，而液氮速凍可減少到0.25～0.5%。液氮罐

④設(shè)備與動力費用低，易于實現(xiàn)機械化和自動化流水線，提高生產(chǎn)率。

目前液氮速凍主要有噴淋凍結(jié)、浸漬凍結(jié)和冷空氣凍結(jié)三種方式，其中又以噴淋凍結(jié)應用*為廣泛。

2、液氮在飲料加工中的應用

目前，已有不少飲料生產(chǎn)廠家采用氮或氮與C02的混合物取代傳統(tǒng)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(diào)的優(yōu)點，可調(diào)節(jié)農(nóng)副產(chǎn)品旺季和淡季供需方面的矛盾，減少貯存上的損失。氣調(diào)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(wěn)定狀態(tài)，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(tài)和原有營養(yǎng)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(chǎn)品質(zhì)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(zhì)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(zhì)溶解和增強保水性，且對保持產(chǎn)品特有形狀尤為有效。另外原料肉經(jīng)液氮快速冷卻，既可在較長時間內(nèi)保持熱肉特性，氣又保證了肉品衛(wèi)生安全;在加工工藝上，無須再擔心溫度上升對肉質(zhì)的影響，且加工可不受原料溫度、加工時間、季節(jié)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(chǎn)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(zhì)，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(fā)展起來的一種食品加工新技術(shù)，該技術(shù)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(zhì)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(yǎng)。如日本將經(jīng)液氮凍結(jié)后的海藻、甲殼素、蔬菜、調(diào)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(yǎng)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(zhì)，易分解的物質(zhì)。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，并可以制造迄今未曾有過的新加工食品。

6、液氮在食品包裝中的應用

英國倫敦一家公司開發(fā)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(nèi)加入幾滴液氮。當液氮蒸發(fā)轉(zhuǎn)化成氣體時它的體積迅速擴大，在包裝袋內(nèi)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(zhì)，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(yè)中很重要的一部分。開發(fā)液氮制冷技術(shù)，發(fā)展液氮冷藏火車、冷藏汽車及冷藏集裝箱是現(xiàn)今國際上的共同發(fā)展趨勢。經(jīng)濟發(fā)達國家多年的應用實踐表明，液氮制冷系統(tǒng)是唯一在商業(yè)上可與機械制冷系統(tǒng)相競爭的冷藏保鮮技術(shù)，也是食品冷藏運輸?shù)陌l(fā)展方向。

8、液氮在食品工業(yè)中的其它應用

由于液氮的制冷作用，蛋汁、液體調(diào)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(chǎn)量。周順華等人研究證明，利用液氮淬冷協(xié)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(wěn)定、不受污染等特點。

四、在電子工業(yè)中應用

1、超導技術(shù)

超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應用。以液態(tài)氮代替液態(tài)氦作超導制冷劑獲得超導體，使超導技術(shù)走向大規(guī)模開發(fā)應用，認為是2 0世紀科學上*偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

超導磁懸浮技術(shù)的基礎(chǔ)是由釔鋇銅氧(YBCO)構(gòu)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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)。由屏蔽電流產(chǎn)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(nèi)。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(wěn)定地懸浮在軌道上方。與常規(guī)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，使超導體或永久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(huán)境應力篩選就是選擇若干典型環(huán)境因素，將適量的環(huán)境應力作用于組件或整機，把元器件工藝缺陷，即生產(chǎn)和裝配過程中的缺陷激發(fā)出來，給予修正或更換。環(huán)境應力篩選采用溫度循環(huán)和隨機振動較為有效。溫度循環(huán)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(jié)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(huán)次數(shù)為8次。這樣的環(huán)境參數(shù)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(huán)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(shù)

低溫行星式球磨機是將液氮氣體源源不斷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(zhuǎn)的球磨罐產(chǎn)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(huán)境中。在低溫環(huán)境中混合、細磨、新產(chǎn)品研制和小批量生產(chǎn)高新技術(shù)材料的必備裝置。該產(chǎn)品體積小、功能全、效率高、噪聲低，廣泛應用于醫(yī)藥、化工、環(huán)保、輕工、建材、冶金、陶瓷、礦產(chǎn)等部門。 。

4、綠色切削加工技術(shù)

低溫切削是利用低溫流體如液態(tài)氮、液態(tài)二氧化碳和冷風等噴向加 工系統(tǒng)的切削區(qū)域，造成切削區(qū)的局部低溫或超低溫狀態(tài)，利用工件在低 溫條件下產(chǎn)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(zhì)量。根據(jù)冷卻介質(zhì)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(tǒng)切削相比，能夠提高加工 效率，改善工件表面質(zhì)量，而且對環(huán)境幾乎無污染。日本安田工業(yè)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(jié)構(gòu)，使用-30℃ 的低溫冷風直接通向刀刃。該結(jié)構(gòu)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(jié)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(qū);另一種是利用液氮受熱蒸發(fā)循環(huán)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(zhì)合金刀具、并用液氮循環(huán)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(jié)果表明，與傳統(tǒng)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(zhì)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(jié)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(xiàn)象得到改善，工件表面質(zhì)量也有所提高。王連鵬等人采用液氮噴淋的方法在數(shù)控機床上低溫切削加工45淬硬鋼，試驗結(jié)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(zhì)量。

在液氮冷卻加工狀態(tài)下，硬質(zhì)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(zhì)合金刀具材料在液氮冷卻中能夠保持其優(yōu)良的切削性能，并且和在常溫下一樣，其性能決定于粘結(jié)相的數(shù)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(xiàn)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(qū)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。液氮罐

五、其它領(lǐng)域

酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心特燃站生產(chǎn)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(fā);應用于緊急維修中對液體管道進行凍結(jié);應用于物質(zhì)的低溫穩(wěn)定和低溫淬火;液氮冷裝配技術(shù)(熱脹冷縮現(xiàn)象在工業(yè)中的應用)也廣泛使用;液氮人工增雨技術(shù);液氮排液技術(shù)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(zhì)起化學反應，大大地節(jié)省空間，提供了干燥的氣氛，它是環(huán)保的(液氮使用后直接揮發(fā)成氣體返回大氣中，不會留下任何污染)，它用起來簡單方便。