Восстановительная атмосфера: состав, применение и влияние.
Reducing atmosphere
Восстановительная атмосфера: состав, роль в истории Земли и металлургии. Отсутствие кислорода, газы-восстановители (H2, CO, CH4). Применение в литейном производстве.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Атмосфера, содержащая восстановители
Atmosphere containing reducing agents
Восстановительная атмосфера – это атмосферное состояние, в котором окисление предотвращается отсутствием кислорода и других окисляющих газов или паров, и которое может содержать активно восстанавливающие газы, такие как водород, угарный газ, метан и сероводород, которые легко окисляются для удаления любого свободного кислорода. Хотя на ранней Земле существовала восстановительная пребиотическая атмосфера до протерозойского эона, начиная примерно с 2,5 миллиардов лет назад в позднем неоархее, атмосфера Земли испытала значительное увеличение содержания кислорода и перешла в окислительную атмосферу с избытком молекулярного кислорода (диоксиген, O2) в качестве основного окислителя.
A reducing atmosphere is an atmospheric condition in which oxidation is prevented by absence of oxygen and other oxidizing gases or vapours, and which may contain actively reductant gases such as hydrogen, carbon monoxide, methane and hydrogen sulfide that would be readily oxidized to remove any free oxygen. Although Early Earth had had a reducing prebiotic atmosphere prior to the Proterozoic eon, starting at about 2.5 billion years ago in the late Neoarchaean period, the Earth's atmosphere experienced a significant rise in oxygen transitioned to an oxidizing atmosphere with a surplus of molecular oxygen (dioxygen, O2) as the primary oxidizing agent.
Литейные работы
Основная задача литейного производства – преобразование оксидов железа (очищенных железных руд) в металлический железо. Это восстановление обычно осуществляется с использованием восстановительной атмосферы, состоящей из смеси природного газа, водорода (H2) и угарного газа. Побочным продуктом является углекислый газ.
The principal mission of iron foundry is the conversion of iron oxides (purified iron ores) to iron metal. This reduction is usually effected using a reducing atmosphere consisting of some mixture of natural gas, hydrogen (H2), and carbon monoxide. The byproduct is carbon dioxide.
Обработка металлов
В металлообработке редукционная атмосфера используется в отжигательных печах для снятия внутренних напряжений в металле без его коррозии. В качестве газа-носителя обычно применяется неокисляющий газ, как правило, азот или аргон, что позволяет использовать разбавленные концентрации редуцирующих газов. Обычно этого достигают за счет использования продуктов сгорания топлива и регулирования соотношения CO:CO2. Однако, другие распространенные редуцирующие атмосферы, применяемые в металлообрабатывающей промышленности, включают диссоциированный аммиак, вакуум и/или непосредственное смешивание соответствующих чистых газов N2, Ar и H2. Редукционная атмосфера также используется для получения определенных эффектов при обжиге керамических изделий. Редукционная атмосфера в топливных печах создается путем уменьшения тяги и ограничения доступа кислорода. Это снижение уровня кислорода приводит к неполному сгоранию топлива и повышению концентрации углерода внутри печи. При высоких температурах углерод вступает в реакцию с кислородом в оксидах металлов, используемых в качестве красителей в глазурях, и удаляет его. Эта потеря кислорода приводит к изменению цвета глазури, поскольку позволяет увидеть металлы в глазури в неокисленной форме. Редукционная атмосфера также может влиять на цвет керамического тела. Если в керамическом теле присутствует железо, как это обычно бывает в каменной керамике, то оно также подвергается воздействию редукционной атмосферы. В большинстве промышленных мусоросжигательных установок создаются аналогичные условия для стимулирования выделения углеродсодержащих выбросов. Эти выбросы затем окисляются в камерах дожига, куда кислород подается постепенно. Экзотермическая реакция окисления поддерживает температуру в камерах дожига. Эта система позволяет использовать более низкие температуры в секции сжигания, где происходит объемное уменьшение твердых отходов.
In metal processing, a reducing atmosphere is used in annealing ovens for relaxation of metal stresses without corroding the metal. A non oxidizing gas, usually nitrogen or argon, is typically used as a carrier gas so that diluted amounts of reducing gases may be used. Typically, this is achieved through using the combustion products of fuels and tailoring the ratio of CO:CO2. However, other common reducing atmospheres in the metal processing industries consist of dissociated ammonia, vacuum, and/or direct mixing of appropriately pure gases of N2, Ar, and H2. A reducing atmosphere is also used to produce specific effects on ceramic wares being fired. A reduction atmosphere is produced in a fuel fired kiln by reducing the draft and depriving the kiln of oxygen. This diminished level of oxygen causes incomplete combustion of the fuel and raises the level of carbon inside the kiln. At high temperatures the carbon will bond with and remove the oxygen in the metal oxides used as colorants in the glazes. This loss of oxygen results in a change in the color of the glazes because it allows the metals in the glaze to be seen in an unoxidized form. A reduction atmosphere can also affect the color of the clay body. If iron is present in the clay body, as it is in most stoneware, then it will be affected by the reduction atmosphere as well. In most commercial incinerators, exactly the same conditions are created to encourage the release of carbon bearing fumes. These fumes are then oxidized in reburn tunnels where oxygen is injected progressively. The exothermic oxidation reaction maintains the temperature of the reburn tunnels. This system allows lower temperatures to be employed in the incinerator section, where the solids are volumetrically reduced.
Происхождение жизни
Считается, что атмосфера ранней Земли была восстановительной. Эксперимент Миллера — Юри, связанный с некоторыми гипотезами о происхождении жизни, включал реакции в восстановительной атмосфере, состоящей из смеси метана, аммиака и сероводорода. Некоторые гипотезы о происхождении жизни предполагают восстановительную атмосферу, состоящую из цианистого водорода (HCN). Эксперименты показывают, что HCN может полимеризоваться в присутствии аммиака, образуя различные продукты, включая аминокислоты. Тот же принцип применим к Марсу, Венере и Титану. Предполагается, что цианобактерии были первыми фотоавтотрофами, развившими кислородный фотосинтез, который во второй половине архейского эона в конечном итоге истощил все восстановители в океанах Земли, на ее поверхности и в атмосфере, постепенно увеличивая концентрацию кислорода и превращая ее в окислительную атмосферу. Этот рост кислорода первоначально привел к 300-миллионному ледниковому периоду, который опустошил биосферу, в основном населенную анаэробами, вынудив выжившие анаэробные колонии эволюционировать в симбиотические микробные маты с новообразовавшимися аэробами. Некоторые аэробные бактерии в конечном итоге стали эндосимбионтами внутри других анаэробов (вероятно, архей), и в результате этого симбиогенеза произошла эволюция совершенно новой линии жизни — эукариот, которые использовали митохондриальное аэробное дыхание для обеспечения своей клеточной активности, что позволило жизни процветать и развиваться в более сложные формы. Увеличение кислорода в атмосфере в конечном итоге привело к образованию озонового слоя, который защищал от вредного ионизирующего ультрафиолетового излучения, которое в противном случае фотодиссоциировало бы поверхностную воду и сделало бы жизнь на суше и на поверхности океана невозможной. В отличие от гипотетической ранней восстановительной атмосферы, существуют данные, свидетельствующие о том, что уровни кислорода в атмосфере Гадея были схожи с современными. Эти результаты позволяют предположить, что пребиотические строительные блоки были доставлены из других частей галактики. Однако эти результаты не противоречат существующим теориям о переходе жизни от анаэробных к аэробным организмам. Результаты количественно характеризуют природу газообразных молекул, содержащих углерод, водород и серу в самой ранней атмосфере, но не проливают свет на гораздо более позднее увеличение концентрации свободного кислорода в воздухе.
The atmosphere of Early Earth is widely speculated to have been reducing. The Miller–Urey experiment, related to some hypotheses for the origin of life, entailed reactions in a reducing atmosphere composed of a mixed atmosphere of methane, ammonia and hydrogen sulfide. Some hypotheses for the origin of life invoke a reducing atmosphere consisting of hydrogen cyanide (HCN). Experiments show that HCN can polymerize in the presence of ammonia to give a variety of products including amino acids. The same principle applies to Mars, Venus and Titan. Cyanobacteria are suspected to be the first photoautotrophs that evolved oxygenic photosynthesis, which over the latter half of the Archaen eon eventually depleted all reductants in the Earth's oceans, terrestrial surface and atmsophere, gradually increasing the oxygen concentration in the atmosphere, changing it to what is known as an oxidizing atmosphere. This rising oxygen initially led to a 300 million year long ice age that devastated the then mostly anaerobe dominated biosphere, forcing the surviving anaerobic colonies to evolve into symbiotic microbial mats with the newly evolved aerobes. Some aerobic bacteria eventually became endosymbiont within other anaerobes (likely archaea), and the resultant symbiogenesis led to the evolution of a completely new lineage of life — the eukaryotes, who took advantage of mitochondrial aerobic respiration to power their cellular activities, allowing life to thrive and evolve into ever more complex forms. The increased oxygen in the atmosphere also eventually created the ozone layer, which shielded away harmful ionizing ultraviolet radiation that otherwise would have photodissociated away surface water and rendered life impossible on land and the ocean surface. In contrast to the hypothesized early reducing atmosphere, evidence exists that Hadean atmospheric oxygen levels were similar to those of today. These results suggests prebiotic building blocks were delivered from elsewhere in the galaxy. The results however do not run contrary to existing theories on life's journey from anaerobic to aerobic organisms. The results quantify the nature of gas molecules containing carbon, hydrogen, and sulphur in the earliest atmosphere, but they shed no light on the much later rise of free oxygen in the air.