Где используется CO2 и откуда берется углекислый газ?

Основные области применения углекислого газа (диоксида углерода, CO2): карбонизация напитков, производство сельхозпродукции, охлаждение и заморозка продуктов, противопожарная защита объектов, сварка в среде защитных газов. Это те отрасли, где применение углекислого газа является важным фактором, влияющим на качество и свойства продукта или эффективность реализуемой технологии.

Углекислый газ формируется при соединении двух элементов: углерода и кислорода. Он образуется в процессе сжигания угля или углеводородных соединений, при ферментации жидкостей, а также как продукт дыхания людей и животных. В небольших количествах он содержится и в атмосфере, откуда он ассимилируется растениями, которые в свою очередь производят кислород. Углекислый газ бесцветен и тяжелее воздуха. Он не пригоден для поддержания жизни. Углекислый газ замерзает при температуре −78,5 °C с образованием снега, состоящего из двуокиси углерода. В виде водного раствора он образует угольную кислоту, однако она не обладает достаточной стабильностью для того, чтобы ее можно было легко изолировать.

Основное применение

Углекислый газ используется при производстве синтетических химических веществ и регулировании реакторных температур.

CO2 также служит для нейтрализации щелочных сточных вод. В закритических условиях диоксид углерода используется в процессах очистки или осушки полимеров, волокон животного или растительного происхождения.

Фармацевтика

Углекислый газ используется для создания инертной среды, синтеза химических веществ, сверхкритической флюидной экстракции (SFE), подкисления (pH) сточных вод или продукта при их низкотемпературной транспортировке (−78 °C или −108 °F).

Пищевая отрасль

• Насыщение углекислотой шипучих напитков, в том числе безалкогольных напитков, минеральной воды и пива.
• Упаковка пищевых продуктов — инертные и бактерицидные свойства газа успешно используются в азотных смесях (упаковка в модифицированной атмосфере) для увеличения срока хранения многих продуктов питания (§ ALIGAL™).
• Процессы охлаждения или заморозки (в виде криогенной жидкости) и контроль температуры при распределении пищевых продуктов (в виде сухого льда).
• Удаление кофеина из кофе с использованием диоксида углерода в сверхкритическом состоянии.

Медицина

При проведении операций на искусственных органах углекислый газ служит для создания атмосферных условий, близких к физиологическим.

В качестве одного из компонентов кислородной или воздушной смеси углекислый газ служит стимулятором глубокого дыхания. Другим его применением является хирургическая дилатация при интраабдоминальных инсуффляциях.

Металлургическая отрасль

• CO2 применяется для осаждения бурого дыма в процессах завалки лома и закачки углерода, для сокращения объема поглощения азота в процессе вскрытия электродуговых печей, а также для донного перемешивания.
• Отрасль переработки цветных металлов использует углекислый газ для осаждения дыма в процессе ковшовой транспортировки штейна (производство Cu/Ni) или слитков (производство Zn/Pb).
• Небольшое количество жидкого диоксида углерода может использоваться при рециркуляции воды в процессе отвода кислотных шахтных вод.
• Лазеры, использующие CO2, хорошо известны еще и как потребители некоторых специальных марок диоксида углерода (§ LASAL™).

Лабораторные исследования и анализ

Диоксид углерода в сверхкритическом состоянии представляет собой подвижную фазу, используемую как в процессе хроматографического анализа, так и в процессах экстрагирования.

Целлюлозно-бумажная отрасль

После щелочной отбелки древесной массы или целлюлозы диоксид углерода позволяет с высокой точностью регулировать уровень pH в переработанном сырье.

CO2 может использоваться в процессах нейтрализации талового масла и в целях повышения производительности бумагоделательных машин.

Электроника

Диоксид углерода стандартно применяется для обработки сточных вод, а в качестве охладителя он используется при испытании электронных приборов на воздействие окружающей среды.

Помимо этого диоксид углерода позволяет повышать проводимость сверхчистой воды, а в виде снега используется для абразивной очистки деталей или удаления осадков на кристаллических пластинах.

Дополнительно диоксид углерода может использоваться в качестве экологически чистой сверхкритической жидкости для удаления фототвердеющих материалов из кристаллических пластин без применения органических растворителей.

Охрана окружающей среды

Добавление диоксида углерода позволяет поддерживать необходимый уровень pH в жидких стоках. В качестве регулятора рН он является прекрасной альтернативой серной кислоте.

Использование диоксида углерода в промышленности

Кроме того, предприятия используют CO2 во многих областях применения и в промышленных процессах в отдельных отраслях.

Диоксид углерода используется в производстве продуктов питания и напитков

CO2 имеет широкий спектр областей применения в этой отрасли промышленности.

• Наиболее очевидным является использование газа для производства газированных напитков, в частности, пива, прохладительных напитков и вина. Это предотвращает рост бактерий и грибов.
• Диоксид углерода также можно использовать для производства декофеинизированного кофе.
• Благодаря упомянутым выше охлаждающим свойствам CO2 сохраняет пищевые продукты холодными во время транспортировки. Кроме того, его можно использовать для быстрого замораживания и, в сочетании с оксидом этилена, для холодной стерилизации продуктов.
• Кроме того, CO2 представляет собой высокоэффективный инертный слой вещества, который защищает пищевые продукты во время их производства, он может вытеснить воздух в процессе консервации, а также может использоваться для выведения или извлечения пищевых продуктов из контейнеров.

Использование CO2 в сельском хозяйстве

• В процессе протравливания зерна CO2 закачивается в зернохранилища или другие складские помещения для уничтожения насекомых и защиты продукции.
• Он также играет важную роль в производстве некоторых удобрений.
• Кроме того, воздух в парниках может быть обогащен углекислым газом, что позволит сельскохозяйственным культурам оптимизировать свой потенциал фотосинтеза.

Использование CO2 в производстве

• При сварке в среде инертного газа/дуговой сварке плавящимся электродом CO2 служит так называемым защитным газом, что означает, что он защищает сварочную ванну от окисления.
• Кроме того, в сочетании с аргоном диоксид углерода используется для повышения скорости сварки и сокращения необходимости последующей обработки.

Использование CO2 в химической промышленности

Очень большой объем CO2 используется в качестве сырья для производства метанола и мочевины.

Использование CO2 в металлообработке

Диоксид углерода не только обладает антикоррозийными свойствами, но и может использоваться для затвердевания отливных форм, используемых в данной отрасли промышленности.

Использование диоксида углерода в нефтегазовой промышленности

Диоксид углерода может быть закачан в нефтяные скважины для оптимизации добычи. В ходе этого процесса CO2 частично растворяется, что снижает вязкость масла и облегчает его извлечение из подстилающей породы.

Использование CO2 в строительстве

Сухие ледяные гранулы, состоящие из диоксида углерода, используются для удаления краски с поверхностей. Этот процесс заменяет пескоструйные работы, так как снижает затраты на утилизацию и очистку.

Использование диоксида углерода в здравоохранении

При добавлении к кислороду фармацевтической степени чистоты CO2 может стимулировать дыхание.

Использование диоксида углерода в областях применения, связанных с охраной окружающей среды

Это может быть удивительно из-за роли диоксида углерода в изменении климата. Однако при его использовании в качестве топлива в аэрозольных баллонах CO2 действительно оказывает меньше вреда окружающей среде, чем многие другие альтернативы.

Карбонизация напитков

Для газирования напитков необходим газообразный диоксид углерода. При добавлении CO2 в воду происходит его химическая реакция с молекулами воды, в результате чего образуется некоторое количество угольной кислоты (H2CO3). Освежающий эффект безалкогольных напитков обусловлен наличием в их составе растворённого углекислого газа и органических кислот, например, лимонной. В зависимости от степени насыщения углекислым газом напитки могут быть негазированными, сильно, средне и слабогазированными.

Газирование напитков производят насыщением их углекислым газом в специальных установках — сатураторах. Насыщение воды CO2 делает напиток шипучим, придаёт ему искристость и приятный пикантный вкус.

Для карбонизации напитков большинство предприятий покупают жидкий диоксид углерода, хотя при производстве пива (брожении) выделяется достаточно много CO2, который можно собирать и после очистки использовать для газирования напитков.

Где используется углекислый газ?

Большинство людей знают, что диоксид углерода является газом, усиливающим парниковый эффект и способствующим изменению климата. И это правда, что углекислый газ – CO2 – также наносит вред окружающей среде при выбросах в воздух. Но что, если его сохранять? В этом случае он является очень полезным и универсальным веществом, которое может использоваться в различных отраслях промышленности.

Одним из наиболее универсальных способов применения углекислого газа является перенос энергии, в основном в качестве хладагента или охладителя. Это относится не только к жидкой и газообразной формам, но и к твердому CO2, более известному как «сухой лед». Кроме того, благодаря инертным свойствам, что означает, что он плохо реагирует (или вообще не реагирует) с другими веществами, он также используется в качестве агента для инертизации в химической и пищевой промышленности. Таким образом, он может предотвратить окисление продукции в производственном секторе.

Сварка в среде защитных газов

Сварка в среде защитных газов сегодня применяется практически для всех металлов, включая углеродистую и нержавеющую стали, алюминий, медь и титан. Теплотой дуги расплавляется основной металл и проволока или присадочный пруток, если сварку выполняют неплавящимся электродом. Расплавленный металл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует шов. При сварке в зону дуги непрерывно подаётся защитный газ. В качестве защитных газов применяют углекислый газ (CO2) и инертные газы, такие как аргон (Ar), гелий (He) и их смеси: Ar+He, Ar+CO2, Ar+O2, CO2+O2, Ar+H2 и др.

Изначально наибольшее распространение получила сварка в среде CO2. Такой способ является самым дешёвым при сварке углеродистых и низколегированных сталей.

Дальнейшим этапом повышения эффективности сварки при изготовлении сварных металлоконструкций стало применение газовых смесей на основе углекислого газа (CO2) и аргона (Ar). Предлагаемые технологии сварки в смесях с использованием CO2 и аргона позволяют значительно улучшить, в сравнении со сваркой в CO2, технологические параметры процесса сварки.

Сварочные смеси на основе углекислого газа являются наиболее распространёнными среди смесей, применяемых для сварки углеродистых конструкционных сталей.

Противопожарная защита объектов

Углекислый газ широко применяется для заправки огнетушителей, противопожарных модулей и других средств пожаротушения.

Практически все здания банков имеют компьютерные залы, серверные помещения и хранилища ценностей, которые по нормам требуется защищать установками пожаротушения. Наиболее приемлемый вариант — установки газового пожаротушения (УГП) с использованием СО2. Причин тому несколько. Так, после ликвидации пожара или несанкционированного пуска установки пожаротушения газовое огнетушащее вещество (будь то чистый СО2 или смеси инертных газов) в отличие от воды, пены, порошка и газоаэрозоля практически не оказывает вредного воздействия на электронное оборудование и другие ценности. Порошок или газоаэрозоль, применяемые в системах пожаротушения, могут вывести из строя оборудование, так как в них входят соли щёлочноземельных металлов.

Применение хладагентов в установках газового пожаротушения сдерживает их высокая стоимость по сравнению с установками водяного, пенного, порошкового и газоаэрозольного пожаротушения. Хотя до настоящего времени именно хладагенты применялись в УГП для защиты радио- и электронного оборудования, так как считалось, что углекислый газ оказывает на эту технику отрицательное воздействие. Исследования показателей радио- и электронной аппаратуры, включающие многомесячное наблюдение за ней, позволили установить, что углекислый газ, используемый для ликвидации пожара в помещении из модулей пожаротушения, не влияет на её работоспособность.

Охлаждение и заморозка продуктов

Наряду с жидким азотом жидкий диоксид углерода наиболее подходит для прямого контактного замораживания различных видов продуктов. Как контактный хладагент он привлекателен дешевизной, химической инертностью и термической стабильностью, не вызывает коррозию, не горюч, не опасен для персонала.

Использование СО2 в контактных скороморозильных аппаратах даёт ряд принципиальных преимуществ по сравнению с традиционными технологиями заморозки: время заморозки сокращается до 5 — 30 мин.; быстро прекращается ферментативная активность в замораживаемом продукте; хорошо сохраняется структура тканей и клетки продукта, поскольку кристаллы льда формируются значительно меньших размеров и практически одновременно в клетках и в межклеточном пространстве тканей; при медленной заморозке в продукте появляются следы жизнедеятельности бактерий, в то время как при шоковой заморозке диоксидом углерода они просто не успевают развиться; потери массы продукта в результате усушки составляют всего 0,3 — 1 % против 3 — 6 %; легко улетучивающиеся ценные ароматические вещества сохраняются в больших количествах.

По сравнению с замораживанием жидким азотом при использовании диоксида углерода не наблюдается растрескивание продукта из-за слишком большого перепада температуры между поверхностью и сердцевиной замораживаемого продукта; в процессе замораживания СО2 проникает в продукт и поэтому во время размораживания защищает его от окисления и развития микроорганизмов.

Плоды и овощи, подвергнутые быстрой заморозке и фасовке на месте, наиболее полно сохраняют вкусовые качества и питательную ценность, все витамины и биологически активные вещества, что даёт возможность широко применять их в производствах продуктов для детского и диетического питания.

Часто диоксид углерода используется для быстрого охлаждения свежих пищевых продуктов в упакованном и неупакованном виде до 2 — 6 °С, что улучшает естественный цвет продукта вследствие небольшой диффузии СО2 внутрь продукта. Кроме этого, значительно увеличивается срок хранения продуктов, так как СО2 подавляет развитие как аэробных, так и анаэробных бактерий и плесневых грибков.

В холодильной промышленности СО2 применяется в качестве альтернативного хладагента. Диоксид углерода является эффективным хладагентом, поскольку имеет низкую критическую температуру (+31,1 °С), сравнительно высокую температуру тройной точки (-56 °С), большое давление в тройной точке (0,5 МПа) и высокое критическое давление (7,39 МПа). Как хладагент СО2 обладает следующими преимуществами: очень низкая стоимость по сравнению с другими хладагентами; нетоксичен, не горюч и невзрывоопасен; совместим со всеми электроизоляционными и конструкционными материалами; не разрушает озоновый слой; вносит (удельно) умеренный вклад в увеличение парникового эффекта по сравнению с современными галоидопроизводными хладагентами.

Производство сельхозпродукции (Подкормка растений)

Потребителями углекислого газа являются производители сельскохозяйственной продукции.

Дефицит СО2 представляет собой более серьёзную проблему, чем дефицит элементов минерального питания. В среднем растение синтезирует из воды и углекислого газа 94 % массы сухого вещества, остальные 6 % обусловлены влиянием минеральных удобрений. В грунтовых теплицах дополнительным источником углекислого газа является грунт, в который добавляют торф, солому или опилки.

Овощеводы рассматривают подкормку углекислым газом в течение всего периода выращивания растений — от появления всходов до прекращения вегетации — как обязательный элемент современной интенсивной технологии выращивания томатов, огурцов и сладких перцев.

Прирост биомассы зелёных культур при подкормках СО2 существенно увеличивается. К примеру, урожайность салата повышается на 40 %, созревание ускоряется на 10 — 15 дней. Подкормка цветочных культур в теплицах также высоко эффективна, поскольку значительно повышает качество и выход продукции по некоторым данным до 20 — 30 %.

За счёт увеличения содержания углекислого газа в воздухе теплицы можно добиться снижения содержания нитратов в овощах, выращиваемых в зимнее время. Подкормки СО2 в условиях холодного климата России особенно выгодны, так как повышенная его концентрация частично компенсирует недостаток освещённости зимой.