Soha nem fogyott még ennyi belőle: de mire használja az ipar a nitrogént?

Az elmúlt év során az összértékesítést tekintve mintegy 50%-kal emelkedett meg a hazai nagyipari szereplők nitrogénfogyasztása – derül ki az egyik legnagyobb itthoni ipari gázgyártó, a Messer Hungarogáz Kft. statisztikáiból. Mivel a nitrogén esetében az ipari folyamatokhoz szükséges legfontosabb alapgázról van szó, ez megnövekedett termelésre utal, holott eddig általában a termelés visszafogásáról olvashattunk a járványhelyzet okán. Hogy mi áll ennek hátterében, arra több magyarázat is lehetséges.

A nyilvánvaló és elsődleges ok a petrolkémia és az autóipar, azon belül is az autóelektronika, valamint az e-mobilitáshoz kapcsolódó gyártási folyamatok megnövekedett igényei állnak. Az autózásban bekövetkezett technológiaváltás (pl. akkumulátor-előállítás) ugyanis nagyobb nitrogénszükségletet feltételez.

A jelenség hátterében áll ugyanakkor, hogy a tavalyi év folyamán kiesett termeléseket nagy ütemben próbálja kompenzálni az ipar. A jelentős iparigáz felhasználók elsősorban a korlátozott import lehetőségek miatt állították le vagy fogták vissza a termelésüket a koronavírus-válság idején, és mostanra nagyrészt helyreálltak az ellátási láncok, bár nem minden területen (pl. globális chiphiány, félvezetők hiánya).

Ezen felül annak érdekében, hogy a globális alapanyag-beszállítói láncban jelentkező fennakadások a jövőben ne gátolhassák a termelést, hosszú távon több ipari kulcsszereplő is meghozhatja azt a döntést, hogy bizonyos mértékben visszatelepíti a termelési és beszállítói kapacitásokat Ázsiából Európába, rövidítve az ellátási láncok hosszát. Így a közép-kelet-európai régió átlagon felül profitálhat ebből a tendenciából.

A nitrogén tulajdonságai és kinyerése

De milyen értékes tulajdonságokkal is rendelkezik a nitrogén, honnan kerül az ipari folyamatokba, és melyek a legfontosabb ipari felhasználási területei?

Minden egyes lélegzetvételkor találkozunk vele, hiszen a levegőnek több mint háromnegyedét alkotja: a légkör 78%-át ugyanis nitrogén, 21%-át pedig oxigén teszi ki. És bár az élethez az oxigén meglétét tartjuk nélkülözhetetlennek, ugyanez a helyzet a nitrogénnel is: minden élő organizmusban előfordul, aminosavak, fehérjék, nukleinsavak építőeleme, emellett az anyagcsere sem létezne nélküle. Sőt, a DNS sem. Mindez a természet vegykonyhájában történik, ugyanakkor a modern gazdaságban is pótolhatatlan szerepet játszik ez a gáz. Olyannyira, hogy az iparban, az élelmiszertermelésben és a kutatás-fejlesztésben felhasznált gázok közül a legszéleskörűbben és legnagyobb volumenben alkalmazott segédanyag a nitrogén.

Az előállításával kapcsolatban adja magát a nyersanyagforrás: itt van körülöttünk. A nitrogént a levegőből nyerik ki levegőszétválasztó üzemekben, mégpedig azt kihasználva, hogy a légköri gázoknak más és más a forráspontja, vagyis eltérő hőmérsékleten válnak cseppfolyós halmazállapotúvá. Megfelelő hűtéssel az adott hőmérsékleti értéket elérve a nitrogén is cseppfolyóssá válik. Ez -196 Celsius fokon következik be. A nitrogén szállítására, a felhasználókhoz való eljuttatására különféle ellátási formák léteznek: például cseppfolyós szállítás vagy gázpalackba sűrített gáz.

Cseppfolyós vagy on-site gázellátás

Vannak azonban olyan nagyipari felhasználók is, akiknél az a gazdaságosabb megoldás, ha nem beszállíttatják a nitrogént, hanem saját nitrogénelőállító üzemet építenek, amely a gyártó telephelyén szolgálja ki a termelési igényeket. A Messer Hungarogáz Kft. jelenleg 10 nagyipari felhasználónál működtet ilyen on-site nitrogénüzemeket (autóelektronikai gyártók, gyógyszeripari gyártók, petrolkémiai nagyvállalatok, síküveggyár, szénszálgyártó, dízel-részecskeszűrő gyártó, gumiabroncs-gyártás, gépkocsi-alkatrészgyártás), ezzel az on-site üzemek építése és üzemeltetése terén piacvezetőnek számít.

A nitrogénfogyasztást tekintve a statisztikákból kiderül, hogy cseppfolyós szállítási formában mintegy 22%-kal nőtt az értékesítés az elmúlt év hasonló időszakához képest, míg az on-site üzletág önmagában is az addigi kapacitásokat 50%-kal meghaladó mértékben növekedett – számol be Bohner Zsolt ügyvezető igazgató.

Ezt a folyamatot jelzi például, hogy a japán tulajdonú Zoltek Zrt. Európa legnagyobb szénszálgyártó központját hozta létre Nyergesújfalun, amelyhez a Messer Hungarogáz Kft. immár a harmadik nitrogénüzem felépítésével járult hozzá 2020-ban. Az itt előállított termékeket elsősorban szélkerekek turbináihoz, repülőgépek fékberendezéseihez és a járműiparban használják.

A MOL-csoport 1,2 milliárd euróból megvalósuló új poliol üzemében szintén jelentős szerep jut a nitrogénnek. Az óriásberuházás keretében a Messer Hungarogáz Kft. nitrogén- és sűrítettlevegő-üzemet telepít és üzemeltet.

De mi mindenhez lehet szükség nitrogénre?

A nitrogén két nagyon hasznos tulajdonsággal rendelkezik: rendkívül alacsony hőmérsékletéből adódóan (-196 °C) cseppfolyós formában fagyasztásra, hűtésre, alacsony hőmérsékletek biztosítására alkalmas. Az egyik legnagyobb felhasználója az élelmiszeripar az élelmiszerek hűtése és fagyasztása terén, de lehűti a betont, sőt mélyépítési munkálatok során megfagyasztja az instabil talajrétegeket is, például metróalagút építésekor (itthon például az M4-es metró építésénél is alkalmazták a Duna alatti alagút fúrásakor). Nitrogén biztosítja a kriogén hőmérsékletet biológiai minták tárolásánál (pl. őssejtek, embriófagyasztás, kozmetikaipar, kriosebészet), de a molekuláris gasztronómia egyik kedvenc „alapanyaga” is.

Ugyanakkor gyenge a reakciókészsége, vagyis alapvetően nem lép kémiai reakcióba más anyagokkal, így az oxigénnel sem. Ezért védőgázként alkalmazva tökéletes inertizáláshoz, azaz az oxidáció elleni védelemhez. Védőgázként az esetleges tűz- és robbanásveszély elkerülésére használják a vegyiparban és petrolkémiában, élelmiszerek frissességének a megőrzésére az élelmiszeriparban, oxidáció elleni védelemhez az elektronikában, vulkanizáláshoz a gumiabroncsgyártásban, valamint segédgázként a lézervágásban.

Ahol az oxigén csak ártana 

Az élelmiszerbiztonság egyik legnagyobb vívmánya, hogy ipari léptékekben rendelkezésre állnak a tartósítási, minőségmegőrzési technológiák. A fagyasztás ezek közül mindenképpen az egyik legsokoldalúbb módszer. Van azonban vele egy kis gond: ha még emberinek mondható hőmérsékleten fagyasztunk, akkor az élelmiszerben lévő víztartalom nagyobb kristályokban fagy meg, jelentősen roncsolva a termék sejtszerkezetét, felengedés után pedig ennek jelentős minőségromlás az eredménye. A kriogén, vagyis extrém hideg környezet viszont ezt megakadályozza. A cseppfolyós nitrogén pedig bizony extrém hideg, így egy ezzel működtetett kriogén fagyasztóberendezés áthidalja a problémát. A fagyasztás sebessége itt sokkal nagyobb, a sejt víztartalma gyorsan, apró mikrokristályok formájában kristályosodik ki, amelyek nem károsítják a sejtek szerkezetét. Így a terméket szinte egyáltalán nem roncsolják, felengedés után alig van vízvesztés, megmarad az élelmiszer állaga, színe, íze és illata is.

A nitrogén gáz halmazállapotban történő felhasználása szintén alkalmas élelmiszervédelemre: amikor sajtoknál, felvágottaknál védőgázas csomagolást látunk, akkor a fólia alatt nitrogén is van a védőatmoszférában. A tárolt élelmiszer így nem érintkezik oxigénnel, ezért a mikroorganizmusok sem találnak megfelelő környezetet, a bomlási és romlási folyamatok akadályba ütköznek.

A nitrogén csekély reakcióképessége minden olyan folyamatban jól jön, ahol az oxigén jelentlétével járó oxidáció gondot okozna. Ha például elektronikai nyomtatott áramköri lapok forrasztása esetén nagy tisztaságú nitrogénnel biztosítjuk a forrasztási környezetet, akkor redukálhatjuk az oxidációt, emellett a salakképződés is csökken. Jobbak lesznek a kötések, az elkészült termék minősége, és a forrasztó anyag mennyisége is csökkenthető. Vagyis közvetlen költségcsökkentés érhető el a termelés során. Az elektronikai gyártóipar emiatt az egyik legnagyobb felhasználó ágazat.

Nitrogénnel a környezet védelmében

Egy régi hűtőszekrény nem megfelelő ártalmatlanítása olyan mértékben járul hozzá az üvegházhatáshoz, mint amekkora egy kisebb háztartás éves villamosenergia igénye vagy egy személygépkocsi éves futásteljesítménye. A Messer által kifejlesztett DuoCondex technológia éppen azt biztosítja, hogy a berendezésekben lévő üvegházhatású hulladékgázokat (pl. halogénezett szén-hidrogének) az azokban lévő oldószergőzök harmatpontja alá hűtik folyékony nitrogén segítségével. Az így cseppfolyósított gázok nem illannak el, nem jutnak a légkörbe, könnyen eltávolíthatók, szállíthatók, feldolgozhatók.

Szintén a környezetvédelem tárgykörébe tartozik például az elhasznált gumiabroncsok újrahasznosítása: ilyenkor a folyékony nitrogénnel való lehűtés olyan őrlési eljárásokat tesz lehetővé, amelyek során a hulladékból előállított gumiőrlemény más területen válik hasznosíthatóvá: járólapként, sportpályák burkolataként, játszóterek biztonsági padlójaként.

Fő az egészség

Az orvoslásban is vannak olyan technológiák, amelyekhez nélkülözhetetlen a nitrogén. A kriogén sebészet extrém alacsony hőmérséklet segítségével operál, mivel szöveteket – kóros bőrelváltozásokat, tumorokat – lehet vele lokalizáltan, a célterület környezetét megóvva roncsolni.

De a regeneráló hatás is kihasználható: a krioterápiák során, például egy krioszaunában mínusz 150-160 fokos hidegnek teszik ki a testet néhány percig. A módszernek gyulladáscsökkentő hatása van mind ízületi, mind érrendszeri tekintetben, emiatt a sérülések utáni felépülés is segíthető általa. Emellett fájdalomcsillapításra is alkalmazzák. Nem véletlen, hogy sportolók körében népszerű a használata.

Van azonban, amikor nem a testünk összes sejtjét, hanem csak néhányat kell kitenni ilyen hőmérsékletnek; igaz, a fajfenntartás szempontjából a legfontosabbakat. A lombikbébi programban résztvevők ivarsejtjeit is a cseppfolyós nitrogénben való tárolás őrzi meg a beavatkozásokig. A lassú fagyasztás roncsolná őket, de a kriogén közegben 90% fölötti a megőrizhető élő sejtek aránya, az elméleti eltarthatóság pedig akár 200 év is lehetne; bár a törvény szerint csak 10 évig őrizhetők meg.