يشير إنتاج الأكسجين الصناعي إلى إنتاج كمية كبيرة من الأكسجين، والذي يمكن تقسيمه بشكل تقريبي إلى الطرق التالية.
1. طريقة فصل الهواء بالتبريد
المكونات الرئيسية للهواء هي الأكسجين والنيتروجين. باستخدام نقاط غليان الأكسجين والنيتروجين المختلفة، يتم تحضير الأكسجين من الهواء، ويُسمى ذلك طريقة فصل الهواء. أولاً، يتم تبريد الهواء مسبقًا وتنقيته (يتم إزالة كمية صغيرة من الرطوبة وثاني أكسيد الكربون والأسيتيلين والهيدروكربونات وغيرها من الغازات والشوائب الغبارية من الهواء)، ثم يتم ضغطه وتبريده ليصبح هواءً سائلاً. ثم، باستخدام اختلاف نقاط غليان الأكسجين والنيتروجين، يتم تبخير الهواء السائل وتكثيفه في عمود التقطير عدة مرات لفصل الأكسجين والنيتروجين للحصول على أكسجين نقي (نقاء 99.6٪) ونيتروجين نقي (نقاء 99.9٪). إذا أضيفت بعض الأجهزة الإضافية، يمكن أيضًا استخراج الغازات الخاملة النادرة مثل الأرجون والنيون والهيليوم والكربتون والزينون بمحتوى قليل جدًا في الهواء. يتم ضغط الأكسجين المنتج بواسطة جهاز فصل الهواء بواسطة الضاغط، وأخيرًا يتم تحميل الأكسجين المضغوط في أسطوانات عالية الضغط للتخزين، أو يُنقل مباشرة إلى المصانع والورش عبر الأنابيب. استخدام هذه الطريقة لإنتاج الأكسجين، على الرغم من أنها تتطلب مجموعة كبيرة من المعدات وتقنية تشغيل آمنة صارمة، إلا أن الإنتاجية عالية، ويمكن إنتاج عدة آلاف إلى 10,000 متر مكعب من الأكسجين في الساعة، والمواد الخام المستهلكة هي الهواء فقط الذي لا يحتاج للشراء أو النقل أو التخزين في المخازن، لذلك منذ تطوير أول جهاز مركز أكسجين لعزل الهواء بالتبريد في عام 1903، كانت طريقة توليد الأكسجين هذه الأكثر استخدامًا.
2. طريقة توليد الأكسجين من المنخل الجزيئي (طريقة الامتصاص)
واستغلالا خصائص جزيئات النيتروجين التي تكون أكبر من جزيئات الأكسجين، تستخدم غربال جزيئية خاصة لفصل الأكسجين في الهواء. أولا، يستخدم الضاغط لدفع الهواء الجاف عبر المنخل الجزيئي إلى الممتص الفراغي، حيث تمتص جزيئات النيتروجين في الهواء بواسطة المنخل الجزيئي، ويدخل الأكسجين إلى الممتص. بعد فترة من الزمن، يزداد النيتروجين الممتص بواسطة الزيوليت تدريجيا، وتضعف قدرة الامتصاص، وتنخفض نقاء الأكسجين المنتج. تسمى هذه الطريقة في إنتاج الأكسجين أيضا طريقة الامتصاص. مؤخرا، تم تطوير مكثفات صغيرة للأكسجين تستخدم الامتصاص لتوليد الأكسجين للاستخدام المنزلي.
3. طريقة توليد الأكسجين بالتنElectrolytic
يوضع الماء في جهاز تحليل كهربائي، يضاف هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم لتحسين تحلل الماء، ثم يمر تيار مستمر ويتحلل الماء إلى أكسجين وهيدروجين. لكل تحضير، يتم الحصول على متر مكعب واحد من الأكسجين، ويتم الحصول على مترين مكعبين من الهيدروجين في نفس الوقت. تستهلك طريقة التحليل الكهربائي لإنتاج متر مكعب واحد من الأكسجين 12-15 كيلوواط-ساعة، وهو أمر غير اقتصادي مقارنة باستهلاك الطاقة في الطريقتين السابقتين (0.55-0.60 كيلوواط-ساعة). لذلك، فإن التحليل الكهربائي غير مناسب لإنتاج كميات كبيرة من الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك، إذا لم يتم جمع الهيدروجين الناتج في نفس الوقت بشكل صحيح، فسوف يتجمع في الهواء، مثل اختلاط الأكسجين، ومن السهل أن يتسبب في انفجار عنيف للغاية. لذلك، فإن طريقة التحليل الكهربائي غير مناسبة لتوليد الأكسجين في المنزل.
(2) إنتاج الأكسجين الكيميائي
يُشترى الأكسجين الصناعي والطبي من مصانع إنتاج الأكسجين. المادة الخام لإنتاج الأكسجين في المصانع هي الهواء، لذا السعر رخيص جدًا. ومع ذلك، تخزين الأكسجين (الأسطوانات للأكسجين عالي الضغط، والخزانات الخاصة للأكسجين السائل)، والنقل والاستخدام ليست مريحة جدًا. لذلك، من الصعب نقل الأكسجين إلى المناطق الجبلية البعيدة عن مصانع الأكسجين، وبعض البيئات الخاصة مثل منازل المرضى، الرحلات الجوية عالية الارتفاع، الغواصات التي تبحر تحت الماء، عمليات الغوص، إنقاذ المناجم، إلخ، يكون من غير الملائم للغاية حمل أسطوانات ضخمة ومرتفعة الحجم، والأسطوانات الصغيرة لها سعة تخزين أكسجين صغيرة ووقت استخدام قصير، لذلك هناك طريقة لإنتاج الأكسجين الكيميائي، في المركبات ذات أكبر محتوى من الأكسجين وسهلة الإطلاق، حاليًا، يعتمد إنتاج الأكسجين الكيميائي في الغالب على استخدام بيروكسيد لإنتاج الأكسجين.
بدأ البحث العلمي في المركبات البيروكسي غير العضوية في القرن الثامن عشر. في عام 1798، استخدم العالم الطبيعي الألماني ألكسندر فون همبولت طريقة أكسدة أكسيد الباريوم عند درجة حرارة عالية لتحضير بيروكسيد الباريوم. في عام 1810، تعاون الكيميائيان الفرنسيان جوزيف-لويس غاي-لوساك ولويس-جاك تينار لإنتاج بيروكسيد الصوديوم وبيروكسيد البوتاسيوم. في عام 1818، عرض تينار بيروكسيد الباريوم على حمض، ثم قام بتقطيره لاكتشاف بيروكسيد الهيدروجين. على مدى 200 عام، قام الكيميائيون بدراسة واكتشاف عدد كبير من المركبات البيروكسي غير العضوية. هذه البيروكسيدات سهلة تحرير الأكسجين عند تعرضها للحرارة أو الماء أو غيرها من المواد الكيميائية. البيروكسيدات المستخدمة بشكل شائع كالتالي:
1. بيروكسيد سائل (منتج الأكسجين السائل) - بيروكسيد الهيدروجين
الاسم الكيميائي لبيروكسيد الهيدروجين هو بيروكسيد الهيدروجين (H2O2)، وهو سائل شفاف عديم اللون له رائحة أوزون خفيفة ومميزة، ويعد مادة غير مستقرة للغاية، حيث تتسارع عملية تحلله في العديد من الحالات مثل الحرارة، القلويات، والشوائب. ومع كل زيادة بمقدار 5 درجات مئوية في الحرارة، تزيد سرعة تحلله بمقدار 1.5 مرة. حتى بيروكسيد الهيدروجين بتركيز 35٪ بعد التخفيف سيتحلل بسرعة بعد أكثر من 6 ساعات من زيادة الرقم الهيدروجيني (مثل التخزين في زجاجات تحتوي على القلويات). عند خلط بيروكسيد الهيدروجين مع كمية صغيرة من الشوائب (مثل الحديد، النحاس، النحاس الأصفر، البرونز، الرصاص، الفضة، الكروم، المنغنيز وغيرها من مساحيق المعادن أو أملاحها) سيسبب التحلل السريع وإنتاج الأكسجين حتى في درجة حرارة الغرفة.
بيروكسيد الهيدروجين هو أبسط مادة في البيروكسيد، كما أنه أول منتج للأكسجين الكيميائي يُعترف به من قبل العلماء في جميع أنحاء العالم. لبيروكسيد الهيدروجين فوائد من حيث إنتاج أكسجين أعلى (14.1٪ من الأكسجين المتاح في تخفيف 30٪) وتكلفة أقل. ومع ذلك، فإن بيروكسيد الهيدروجين عامل تآكلي قوي، يمكن أن يسبب إصابة شخصية إذا لم تكن حذراً، وفي العديد من الحالات يمكن أن يتسبب أيضًا في انفجار أو احتراق، سواء تم استخدامه أو تخزينه أو نقله، فهو مادة خطرة. على سبيل المثال، عندما تصل تركيزات بخار بيروكسيد الهيدروجين إلى أكثر من 40٪ تحت الضغط الطبيعي، هناك خطر انفجار إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا. يختلط بيروكسيد الهيدروجين بالمادة العضوية لإنتاج متفجرات حساسة وقوية وذات كفاءة عالية. يختلط بيروكسيد الهيدروجين بالكحول والجلسرين وغيرها من المواد العضوية، مكونًا خليطًا متفجرًا شديد الخطورة. بيروكسيد الهيدروجين عامل مؤكسد قوي ومؤذي للمواد العضوية، وخاصة الأقمشة والورق، ويمكن أن يحترق من تلقاء نفسه عند ملامسته لمعظم المواد القابلة للاشتعال.