액체 질소(Liquid Nitrogen)에 대하여

액체 질소란 무엇인가?

 

액체 질소는 단어 그대로 기체 상태가 아닌, 유동성이 있는 액체 상태로 존재하는 질소의 한 형태로 냉각 및 저온용으로 널리 사용됩니다. 이번 포스팅에는 액체 질소에 대한 여러 사실과 안전성에 대해 알아보겠습니다.

 

액체 질소에 대하여

 

액체 질소는 매우 차갑습니다. 대기압에서 질소는 63K ~ 77.2 K (-207°C ~ -195.8°C)의 온도에서 액체 상태로 존재합니다. 액체질소를 취급하는 일반적인 상황은 액체질소의 끓는 점보다 높기 때문에 액체 질소는 마치 끓는 물처럼 보입니다. 대기압에서 끓는 물의 온도는 항상 100°C인 것처럼 대기압에서 액체 질소의 온도는 항상 -195.8°C입니다.

 

- 액체 질소는 상업적으로 액화시킨 공기의 분별 증류를 통해 생산됩니다.

- 기체상태의 질소와 마찬가지로 액체 질소는 공유 결합(N2)을 이루는 두 개의 질소 원자로 구성됩니다.

- 일반적으로 액체 질소는 LN2, LN으로 표시됩니다. 여기서 L은 액체(Liquid)를 뜻하며 N은 질소(Nitrogen)을 뜻합니다.

- 질소의 액체-기체 팽창비는 1 : 694이며, 이는 액체 질소가 끓게 되면 거의 700배의 부피로 팽창하여 주위를 재빨리 질소 기체로 채울 수 있음을 의미합니다.

- 질소는 무색 무취의 기체이며 반응성이 낮고 가연성이 없는 안정한 기체입니다.

- 질소기체는 상온에서 공기보다 조금 가볍고 낮지만 물에 대한 용해성이 있습니다.

- 액체 질소는 기화되면서 발생하는 압력을 배출할 수 있도록 특수한 용기에 저장됩니다. 용기의 디자인과 종류에 따라 짧게는 몇 시간에서 길게는 몇 주 동안 보관할 수 있습니다.

- LN2는 Leidenfrost 효과를 나타냅니다. 엄청나게 빠르게 기화된 질소가 액체 질소의 표면을 절연층과 같이 둘러 쌉니다. 이로 인해 외부로 누출된 질소 방울이 바닥에 떠서 흩날리는 이유입니다.

 

액체 질소의 위험성

 

액체 질소를 취급하는 작업자

 

액체 질소를 취급하거나 액체질소를 이용한 작업을 할 때에는 여러가지 안전 예방 조치가 필요합니다. 우선 액체 질소는 살아있는 생체조직과 접촉하자마자 심한 동상을 유발할 정도로 굉장히 차갑습니다.  액체 질소를 취급 할 때는 극저온 증기의 접촉 또는 흡입을 방지하기 위해 반드시 안전 보호구를 착용해야합니다. 특히 혹시 모를 노출을 대비해 저온에서 사용이 가능한 단열 보호구를 이용해 신체를 보호해야 합니다.

 

또한 액체 질소는 굉장히 빠르게 끓기 때문에 액체에서 기체로 상 전이가 일어날 때 압력이 급격히 증가할 수 있습니다. 따라서 액체 질소는 절대 밀폐된 용기에 저장하면 안됩니다. 반드시 액체질소 전용 용기를 사용해야 합니다.

 

다량의 질소가 공기 중에 누출되면 상대적으로 산소의 농도가 줄어들어 질식의 위험이 있습니다. 특히 막 기화된 질소 기체는 낮은 온도로 인해 공기보다 무거워 지면 근처는 질식의 위험이 있습니다. 취급 시 환기가 잘 되는 곳에서 작업해야합니다.

 

액체 질소의 사용용도

 

액체 질소는 저온이면서도 기화 후에는 반응성이 낮기 때문에 다양한 용도로 사용됩니다. 구체적으로는 주로 아래와 같은 용도로 사용됩니다.

 

- 저온이 필요한 식품의 냉동 및 운송

- 극저온 상태에서 정자, 난자 및 동물 유전자 샘플과 같은 생물학적 샘플의 동결 보존

- 초전도체, 진공 펌프 및 기타 재료 및 장비의 극저온 냉각

- 피부 이상을 제거하기 위해 냉동 요법에 사용

- 산소 노출로부터의 보호

- 수분이 없는 질소 가스의 공급원

- 특이한 음식과 음료의 분자 요리법

- 가공 또는 파쇄를 위한 재료 냉각