Производство промышленного кислорода относится к производству больших объемов кислорода, которое можно примерно разделить на следующие методы.
1. Метод воздушной заморозки и разделения
Основными компонентами воздуха являются кислород и азот. Используя различные температуры кипения кислорода и азота, кислород получают из воздуха, что называется методом разделения воздуха. Сначала воздух предварительно охлаждают и очищают (из воздуха удаляется небольшое количество влаги, углекислого газа, ацетилена, углеводородов и других газов и пылевых примесей), затем сжимают и охлаждают до превращения в жидкий воздух. Затем, используя разницу температур кипения кислорода и азота, жидкий воздух многократно испаряют и конденсируют в ректификационной колонне, чтобы разделить кислород и азот и получить чистый кислород (чистота 99,6%) и чистый азот (чистота 99,9%). Если добавить некоторые дополнительные устройства, также можно извлечь редкие инертные газы, такие как аргон, неон, гелий, криптон и ксенон, которые содержатся в воздухе в очень малых количествах. Кислород, полученный устройством разделения воздуха, сжимается компрессором, и в конечном итоге сжатый кислород загружается в баллоны высокого давления для хранения либо напрямую транспортируется на заводы и производственные цеха по трубопроводам. Использование этого метода для производства кислорода, хотя требует большой комплекта оборудования и строгих технологических правил безопасности, обеспечивает высокий выход: можно производить несколько тысяч до 10 000 кубических метров кислорода в час, а исходным сырьём является только воздух, который не нужно закупать, транспортировать или хранить на складах, поэтому с момента разработки первого криогенного кислородного концентратора методом разделения воздуха в 1903 году этот метод получения кислорода стал самым широко используемым.
2. Метод получения кислорода с использованием молекулярных сит (адсорбционный метод)
Используя характеристику молекул азота, которые больше молекул кислорода, применяются специальные молекулярные сита для отделения кислорода из воздуха. Сначала компрессор подает сухой воздух через молекулярное сито в вакуумный адсорбер, молекулы азота в воздухе адсорбируются молекулярным ситом, а кислород поступает в адсорбер. Через некоторое время азот, адсорбированный цеолитом, постепенно накапливается, адсорбционная способность ослабевает, и чистота получаемого кислорода снижается. Этот метод производства кислорода также называется адсорбционным методом. В последнее время для домашнего использования разработаны небольшие кислородные концентраторы, использующие адсорбцию для генерации кислорода.
3. Метод генерации электролитического кислорода
В воду добавляют электролизер, добавляют гидроксид натрия или гидроксид калия для улучшения электролиза воды, затем пропускают постоянный ток, и вода разлагается на кислород и водород. На каждую подготовку получают один кубический метр кислорода и одновременно два кубических метра водорода. Метод электролиза для получения одного кубического метра кислорода потребляет 12-15 киловатт-часов, что крайне неэкономично по сравнению с потреблением энергии двух описанных выше методов (0,55-0,60 киловатт-часа). Поэтому электролиз не подходит для производства больших объемов кислорода. Кроме того, если водород, образующийся одновременно, не собрать должным образом, он будет скапливаться в воздухе, например смешиваясь с кислородом, и это легко вызвать крайне сильный взрыв. Поэтому метод электролиза не подходит для домашнего получения кислорода.
(2) Химическое производство кислорода
Промышленный и медицинский кислород приобретается на кислородных производствах. Сырьем для заводского производства кислорода является воздух, поэтому цена очень дешевая. Однако хранение кислорода (баллоны для кислорода высокого давления, специальные ёмкости для жидкого кислорода), транспортировка и использование неудобны. Поэтому затруднительно доставлять кислород в удалённые горные районы вдали от заводов, и в некоторых особых условиях, таких как дома пациентов, высокие полёты, подводное плавание на подводных лодках, водолазные операции, спасение в шахтах и т.д., крайне неудобно переносить огромные и громоздкие баллоны, небольшие баллоны имеют малую ёмкость хранения кислорода и короткое время использования, поэтому существует метод химического производства кислорода, в соединении с наибольшим содержанием кислорода и легкостью его выделения. В настоящее время химическое производство кислорода в основном использует перекись для производства кислорода.
Научные исследования неорганических пероксидных соединений начались в 18 веке. В 1798 году немецкий естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт использовал метод окисления оксида бария при высокой температуре для получения пероксида бария. В 1810 году французские химики Жозеф-Луи Гей-Люссак и Луи-Жак Тенар сотрудничали для получения пероксида натрия и пероксида калия. В 1818 году Тенар обработал пероксид бария кислотой, а затем дистиллировал его, чтобы открыть перекись водорода. В течение 200 лет химики изучали и открывали большое количество неорганических пероксидов. Эти пероксиды легко выделяют кислород при нагревании, контакте с водой или другими химическими реагентами. Наиболее часто используемые пероксиды следующие:
1. Жидкий перекись (производитель жидкого кислорода) - перекись водорода
Химическое название перекиси водорода — перекись водорода (H2O2), это бесцветная прозрачная жидкость с легким специфическим запахом озона и очень нестабильное вещество, разложение которого ускоряется во многих ситуациях, таких как тепло, щелочь и примеси. При повышении температуры на каждые 5°C скорость его разложения увеличивается в 1,5 раза. Даже перекись водорода с концентрацией 35% после разбавления будет быстро разлагаться после более чем 6 часов повышения pH (например, при хранении в стеклянных бутылках с содержанием щелочи). Перекись водорода, смешанная с небольшим количеством примесей (таких как железо, медь, латунь, бронза, свинец, серебро, хром, марганец и другие металлические порошки или их соли), вызывает быстрое разложение с выделением кислорода даже при комнатной температуре.
Перекись водорода является наиболее простым веществом в группе пероксидов, а также самым ранним химическим источником кислорода, признанным учёными всего мира. Перекись водорода обладает преимуществами более высокого производства кислорода (14,1% доступного кислорода при 30% разведении) и более низкой стоимости. Однако перекись водорода является сильным коррозийным веществом, которое может вызвать травмы при неосторожном обращении, а во многих случаях также может привести к взрыву или возгоранию, независимо от того, используется она, хранится или транспортируется, она считается опасным веществом. Например, когда концентрация паров перекиси водорода превышает 40% при нормальном давлении, существует риск взрыва при слишком высокой температуре. Перекись водорода при смешивании с органическими веществами образует чувствительные и сильные высокоэффективные взрывчатые вещества. Перекись водорода при смешивании с алкоголями, глицерином и другими органическими веществами формирует чрезвычайно опасную взрывчатую смесь. Перекись водорода является сильным окислителем, коррозийным для органических материалов, особенно текстиля и бумаги, и может саморазогреться при контакте с большинством горючих веществ.