Мы продолжаем рассказывать о различных химических элементах, истории их открытия, применении и патентом аспекте. На этот раз речь пойдет об инертном газе аргоне.
Аргон — элемент с атомной массой 39,944 и порядковым номером 18. Принадлежит к 8-ой группе главной подгруппы таблицы Менделеева, относится к благородным инертным одноатомным газам. Не обладает ни запахом, ни цветом, ни вкусом. Негорючий и невзрывоопасный.
История открытия аргона
Впервые неизвестный до этого газ при химических и физических экспериментах обнаружил в 1785 году английский физик и химик Генри Кавендиш. Но он не смог в те годы разгадать загадку и прекратил исследования. Позднее на записи Кавендиша обратил внимание Джеймс Максвелл.
И лишь спустя более чем век, в 1894 году, химик Уильям Рамзай и физик Джон Уильям Стретт (Лорд Рэлей) сделали доклад об открытии нового элемента, который за свою химическую неактивность они назвали аргоном. Это случилось в Оксфорде на собрании Британской ассоциации естествоиспытателей, физиков и химиков. Название нового газа произошло от греческого слова ἀργός, что в переводе означает — неактивный, медленный. К слову потом и Рамзай, и Стретт вполне заслуженно стали Нобелевскими лауреатами.
Изотопы аргона
У аргона есть три устойчивых изотопа с весами 36, 38 и 40. Во Вселенной больше легких изотопов, а тяжёлого аргона-40 очень мало. При этом аргона в планетарных туманностях и в веществе звезд много, он преобладает над такими распространенными на Земле элементами, как калий, кальций, фтор и хлор. А вот на нашей планете легких изотопов ничтожно мало — видимо, они улетели на периферию Солнечной системы. Аргон-40 мы не унаследовали из протопланетного облака; он образуется здесь и сейчас — в результате радиоактивного превращения калия-40.
Потребление
Основными потребителями аргона являются:
Металлургия. Применение аргона в современных технологических процессах выплавки стали — продувка расплава в ковше. Эта операция выполняет несколько функций: охлаждение металла, ускорение плавления вводимых в ковш лигатур и раскислителей, гомогенизация металла по химическому составу и температуре, очищение от неметаллических включений, образующихся от раскисляющих и легирующих добавок, углеродное раскисление металла и его обезуглероживание, удаление водорода и азота, ускорение десульфурации (удаление серы из расплава), вдувание раскисляющих и легирующих порошкообразных добавок.
В металлургии высококачественных сплавов аргон используется для защиты расплава от контакта с воздухом во время выплавки и разливки. Высокотемпературная обработка титана и его сплавов требует защитной аргоновой атмосферы. Незаменим аргон и в технологиях обработки таких редких металлов как цирконий, вольфрам, тантал, ниобий, бериллий, гафний и др.
Металлообрабатывающая промышленность. Основное использование аргона — создание защитной завесы при электродуговой (АРДЭС), контактной и лазерной сварке, термообработке. Аргон — плазмообразующий газ в установках сварки и резки активных, редких металлов, сплавов на их основе, например, алюминиевых и магниевых, нержавеющих, хромоникелевых, жаропрочных сплавов и легированных сталей.
Радиоэлектронная промышленность. Здесь аргон незаменим для создания инертной среды в установках плазменного напыления, заполнение колб электрических и люминесцентных ламп, электровакуумных приборов, газосветной рекламы.
Пищевая промышленность. Благодаря своей химической нейтральности, аргон широко используют как пропеллтен («выталкивающий» газ) в аэрозольных упаковках, антифламинг (вещество снижающее образование пены) и «упаковочный» газ в пищевой промышленности.
Спектральный анализ и метрология. В данной сфере аргон наиболее часто используется как газ-носитель, инертная среда и плазмообразующий газ в контрольно-измерительных приборах, а также при производстве поверочных газовых смесей (ПГС) для различных газоанализаторов.
Прочие сферы применения. Огнетушительные установки, заполнение стеклопакетов и поддув сухих гидрокостюмов водолазов для лучшей теплоизоляции, в медицине — очистка разрезов при хирургическом вмешательстве, в химической промышленности — инертная среда для нестабильных на воздухе соединений, а также в прочих областях промышленности.
Добыча из воздуха
Аргон — наиболее распространенный в воздухе инертный газ. В 1 м3 содержится примерно 0,09 см3 ксенона, 1,1 см3 криптона, 5,2 см3 гелия, 18,2 см3 неона, но 9000 см3 аргона. В атмосфере Земли аргон занимает третье место. На первом — азот, на втором — кислород. В процентном отношении это примерно 0,93% по объёму или 1,3% по массе. По этой причине он является самым легкодоступным и недорогим инертным газом.
Получение и промышленное производство этого газа происходит как выделение сопутствующего газа при добыче азота и кислорода из атмосферного воздуха. Наиболее простой метод — это глубокое охлаждение и ректификация с последующей доочисткой от примесей.
Кроме того, аргон получают при производстве аммиака. Доочистку аргона осуществляют по технологии гидрирования с платиновым катализатором или адсорбционным методом с использованием молекулярных сит или активного угля.
Аргон в России
Согласно исследованию «Рынок аргона в России 2017-2024 гг. Цифры, тенденции, прогноз» в 2023 году российскими предприятиями было выпущено 170 323 тыс. куб. м3 аргона, что на 11,7% выше по сравнению с результатами 2022 года. Среднегодовой прирост производства (CAGR) аргона за период 2017-2023 гг. составил 9.4%.
Лидирующий федеральный округ РФ по производству аргона – Уральский ФО (30,5% производства за период с 2017 по 2023), на втором месте – Центральный ФО (25,8% производства). Производство аргона в январе 2024 года выросло на 7,5% к уровню января прошлого года и составило 14 071,7 тыс. куб. м3.
В РФ около 30 производителей аргона, крупнейшие предприятия следующие:
АО «ЛИНДЕ ГАЗ РУС»;
ОАО «ВОЛГОГРАДСКИЙ КИСЛОРОДНЫЙ ЗАВОД»;
ЗАО «КУБАНЬТЕХГАЗ»;
АО «СИБТЕХГАЗ» ИМ. КИМА Ф.И;
ООО «СЕВЕР ЛИКВИД ГАЗ»;
ЗАО «ЛЕНТЕХГАЗ».
Патентный аспект
На портале Google.Patents указано 100000 документов по слову argon. Среди патентообладателей ТОП-5 лидеров на июнь 2024 составили:
Idemitsu Kosan Co., Ltd. — 2,3%;
Asm Ip Holding B.V. — 1,9%;
Central South University (中南大学) — 1,1%;
Lam Research Corporation — 0,6%.
На первом месте месте с десятикратным отрывом от конкурентов расположилась фирма патентного короля Японии Ямадзаки Сюмпэя. Ему мы уже посвятили отдельный материал на Хабре.
Популярные темы патентов по аргону в рамках международной патентной классификации выглядят так:
полупроводниковые приборы H01L — 37,8%;
гетероциклические соединения C07D — 21,8%;
терапевтическая активность химических соединений или лекарственных препаратов A61P — 20,1%;
лекарства и медикаменты A61K — 19,4%;
печатные схемы; корпусы или детали электрических приборов H10K — 12,4%;
покрытия C23C — 11,8%;
сокращение выбросов парниковых газов Y02E — 10,5%
материалы, не отнесенные к другим подклассам C09K — 8,7%;
ациклические, карбоциклические или гетероциклические соединения C07F — 8,2%;
способы и устройства, например батареи, для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую H01M — 6,9%.
Лидируют патенты, посвященные полупроводниковым приборам (H01L); примерами являются US7648927B2 , US10763083B2 , JP6600055B2 .
А что же в России?
В базе ФИПС на «аргон» числится 1958 патентов РФ на изобретения, из которых 557 действующие. Тематика разнообразна. Нас в первую очередь интересует электроника.
В разделе «технологии процессов, B» — 206 патентов. Некоторые направлены на получение аргона, например, №2764773. Однако большинство касается применения аргона в различных технологических процессах — лазерно-дуговой наплавке плавящимся электродом в защитной аргоновой среде (№2751403), получению оптических тонкоплёночных покрытий (№2772770), получению ультрадисперсных порошков металлов и сплавов (№2588931), а также порошков бинарных соединений типа боридов (№2808748), изготовление датчиков ионизирующих излучений (№2737506) и ещё десятки иных способов использование аргона при производстве разнообразных технических устройств.
В разделе «электричество H» — 84 патента, большинство относится к электротехнике, в частности к газоразрядным лампам и аргоновым лазерам. Есть по микроэлектронике, например, патент №2722859 — «Способ формирования структуры полевого силового радиационно-стойкого тренч-транзистора» в интересах российских космических систем.
В целом по подклассу «полупроводниковые приборы H01L» всего 39 патентов.
Действующих патентов РФ на полезные модели числится 38 штук, в основном это детали машин и устройств с использованием аргона, например, №187518 — узел подачи газов в установку выращивания кристаллов фторидов. По подклассу «полупроводниковые приборы H01L» всего два патента: №170671 — система охлаждения фотоприемных устройств и №207569 — солнечный фотоэлектрический модуль.
Программ для ЭВМ по слову «аргон» в РФ зарегистрировано 38. В основном они посвящены технологическим процессам, например прогопроходной дуговой плавки №2020616902 и №2020617431.
Баз данных в РФ по аргону 7 штук. В основном они касаются технологических процессов в металлургии, например, для сплава АК5М5 №2021620425.
Заключение
Аргон очень полезный, доступный и недорогой инертный газ, который широко используется в десятках ключевых технологических процессов. При этом в России заметен упор на тяжёлой промышленности, включая металлургию и металлообработку, в других развитых странах на первом месте стоят микроэлектроника и производство полупроводниковых устройств. Существенное отставание в электронике мы отмечали и в других наших публикациях, посвященных другим элементам.
Возможно, ситуация начнет исправляться при реализации ряда государственных программ развития научно-технологического суверенитета, но дело не может быть быстрым. Также могут потенциально помочь товарищи из КНР, чей университет на третьем месте в нашем скромном рейтинге, представленном выше.