氪气的多种用途

背景及概述^[1]

氪气属周期系第零族的一种化学元素。1898年被英国W.拉姆赛(Ramsay)等所发现。氪在大气中的含量为1.14×10^-4%(体积)。其为无色。无味。无嗅，属六种惰性气体之一，化学性不活泼。1963年首次由Turmer等制得KrF₂。此外还制得了某些包络物，如利用放电、电子辐射、紫外辐射等方法，可使氪和氟的混合气生成无色晶体KrF₂，这是一种极强的氧化剂，在室温下自动分解为Kr及F₂，应保存在干冰温度-78℃以下。

用途^[3-4]

氪用在放电管；杀菌灯的充气；氪的同位素在医学上用来测量脑血流量及研究肝功能、计算胰岛素分泌量等。

1）氪气在电光源上的重要应用

氪气可充填高级电子管、实验室用的连续紫外光灯等；氪灯节省电能，使用寿命长、发光率高、体积小，如长寿氪灯是矿井的重要光源；用氪气还能制成不需要电能的原子灯；氪灯的透射率特别高，可作夜战中越野战车的照射灯光、飞机跑道灯等；氪气还用于高压水银灯、钠灯、锆点光源、闪光灯、频闪观测器、电压管、计数放电管和气体继电器等。

2）氪气在科研、医疗等方面的应用

氪气可用于充填游离(电离)室，以测量高能射线(宇宙射线)，并可用作X射线工作时的遮光材料；氪气可用于气体激光器和等离子流中；液氪可用于粒子探测器的气泡室；氪的放射性同位素可作显踪剂在医疗上应用；氪的同位素K86可作为长度的国际基准标定元素。

3）氪气在窗玻璃制造业中的应用

中空玻璃窗制造业是氪气较大的消费市场，如今，该用途占全部氪产量40%～50%之多，空气、氩、氪用于生产双层和三层中空窗，窗玻璃的绝热性能一般是用“U”值来表示的，而“U”值和玻璃的辐射率有直接的关系。“U”值越低，通过玻璃的传热量也越低，窗玻璃的绝热性能越好。在窗保温中，氪气通常与氩气混合使用来降低成本。如今，氩气与氪气及一些其它气体混合充填窗占所有节能中空窗的70%以上。氩气、氪气和氙的传导性较空气低，同样是双层玻璃窗，在1/4in(注：1in=25.4mm)的空气层内充填氪，节能效果是在1/2in空气层内充填空气的2倍，氪气的热效能比氩气高1/3，也就是说在它们的热效能大致相同的条件下，氪气的空气层却只是氩气空气层间隔的2/3。随着欧洲建立节能标准，在过去几年里，欧洲较寒冷地区氪窗使用快速增长。

制备^[2]

1.低温精馏法

其原理是利用组分沸点之差异，通过多次的部分冷凝和部分蒸发的过程，在精馏塔内使组分分离。比如在氪、氙粗制系统，利用氪、氙与氧沸点之差异，在贫氪塔内精馏，将氧气与氪、氙气分离，在塔底获取贫氪—氙气混合物。氪、氙精制系统净化杂质也可用到精馏法。此法中精馏塔的设计是关键。

2.吸附法

其原理是利用吸附剂(如分子筛、活性炭等)具有选择吸附的特点，将组分分离或提纯。如氪气、氙气制备中，精制提纯、净化杂质都可用到此法，关键是吸附剂的选择。采用大型色谱柱制备氪气、氙气，也是属于吸附法的范畴。

3.催化反应

其原理是利用催化剂使组分中杂质发生化学反应，再将生成物去除，达到净化提纯目的，这种方法往往与吸附法联用。如氪、氙精制系统中，危险、有害杂质—甲烷等碳氢化合物的去除，就是用专用催化剂使其在氧氛围中燃烧，生成二氧化碳和水分，再用专用吸附剂将二氧化碳和水分吸收、净化。催化反应法的关键是催化剂的选择应用。上述方法在氪气、氙气制备过程中不是单一应用，而是根据需要联合、多次地运用，才能得到高纯度的产品。

4.提取工艺

氪气提取工艺复杂，技术难度大，生产操作程序要求极为严格。要经受高压、低温考验，并要使用特殊设备与材料，而且安全、防爆和防漏也至关重要。氪气、氙气制备一般分为两个阶段：阶段俗称粗制系统，大型、特大型空分设备低温精馏提取贫氪—氙混合物，在空分设备冷箱内完成，大气要经过压缩、冷却、吸附、膨胀制冷、精馏、净化和换热等多道工序；第二阶段俗称精制系统，将贫氪—氙混合物精制到高纯产品，要经过加压、催化、吸附、换热、精馏和净化等多道工序。武钢氧气公司2005年投产的60000m3/h空分设备是稀有气体全提取空分设备，由德国林德公司引进，其氪气、氙气制备工艺流程具有一定代表性，如图所示。

主要参考资料

[1]中学教师实用化学辞典

[2]氪气和氙气的制备与应用

[3]实用精细化工辞典

[4]氪气、氙气和氖气市场