Диоксид углерода, оксид углерода, углекислота – все эти названия одного вещества, известного нам, как углекислый газ. Так какими же свойствами обладает этот газ, и каковы области его применения?

Углекислый газ и его физические свойства

Углекислый газ состоит из углерода и кислорода. Формула углекислого газа выглядит так – CO₂. В природе он образуется при сжигании или гниении органических веществ. В воздухе и минеральных источниках содержание газа также достаточно велико. кроме того люди и животные также выделяют диоксид углерода при выдыхании.

Рис. 1. Молекула углекислого газа.

Диоксид углерода является абсолютно бесцветным газом, его невозможно увидеть. Также он не имеет и запаха. Однако при его большой концентрации у человека может развиться гиперкапния, то есть удушье. Недостаток углекислого газа также может причинить проблемы со здоровьем. В результате недостатка это газа может развиться обратное состояние к удушью – гипокапния.

Если поместить углекислый газ в условия низкой температуры, то при -72 градусах он кристаллизуется и становится похож на снег. Поэтому углекислый газ в твердом состоянии называют «сухой снег».

Рис. 2. Сухой снег – углекислый газ.

Углекислый газ плотнее воздуха в 1,5 раза. Его плотность составляет 1,98 кг/м³ Химическая связь в молекуле углекислого газа ковалентная полярная. Полярной она является из-за того, что у кислорода больше значение электроотрицательности.

Важным понятием при изучении веществ является молекулярная и молярная масса. Молярная масса углекислого газа равна 44. Это число формируется из суммы относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Значения относительных атомных масс берутся из таблицы Д.И. Менделеева и округляются до целых чисел. Соответственно, молярная масса CO₂ = 12+2*16.

Чтобы вычислить массовые доли элементов в углекислом газе необходимо следовать формулерасчета массовых долей каждого химического элемента в веществе.

n – число атомов или молекул.
Ar – относительная атомная масса химического элемента.
Mr – относительная молекулярная масса вещества.
Рассчитаем относительную молекулярную массу углекислого газа.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27 % Так как в формулу углекислого газа входит два атома кислорода, то n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73 %

Ответ: w(C) = 0,27 или 27 %; w(O) = 0,73 или 73 %

Химические и биологические свойства углекислого газа

Углекислый газ обладает кислотными свойствами, так как является кислотным оксидом, и при растворении в воде образует угольную кислоту:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Вступает в реакцию со щелочами, в результате чего образуются карбонаты и гидрокарбонаты. Этот газ не подвержен горению. В нем горят только некоторые активные металлы, например, магний.

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:

2CO₃=2CO+O₃.

Как и другие кислотные оксиды, данный газ легко вступает в реакцию с другими оксидами:

СaO+Co₃=CaCO₃.

Углекислый газ входит в состав всех органических веществ. Круговорот этого газа в природе осуществляется с помощью продуцентов, консументов и редуцентов. В процессе жизнедеятельности человек вырабатывает примерно 1 кг углекислого газа в сутки. При вдохе мы получаем кислород, однако в этот момент в альвеолах образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород попадает в кровь, а углекислый газ выходит наружу.

Получение углекислого газа происходит при производстве алкоголя. Также этот газ является побочным продуктом при получении азота, кислорода и аргона. Применение углекислого газа необходимо в пищевой промышленности, где углекислый газ выступает в качестве консерванта, а также углекислый газ в виде жидкости содержится в огнетушителях.

В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления. Свойства в таблице указаны при температуре от 273 до 1273 К и давлении от 1 до 100 атм.

Рассмотрим такое важное свойство углекислого газа, как .
Плотность углекислого газа равна 1,913 кг/м 3 при нормальных условиях (при н.у.). По данным таблицы видно, что плотность углекислого газа существенно зависит от температуры и давления — при росте давления плотность CO 2 значительно увеличивается, а при повышении температуры газа — снижается. Так, при нагревании на 1000 градусов плотность углекислого газа уменьшается в 4,7 раза.

Однако, при увеличении давления углекислого газа, его плотность начинает расти, причем значительно сильнее, чем снижается при нагреве. Например при давлении и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м 3 .

Необходимо отметить, что рост давления газа приводит к пропорциональному увеличению значения его плотности, то есть при 10 атм. удельный вес углекислого газа в 10 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении.

В таблице приведены следующие теплофизические свойства углекислого газа:

• плотность углекислого газа в кг/м 3 ;
• удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
• , Вт/(м·град);
• динамическая вязкость, Па·с;
• температуропроводность, м 2 /с;
• кинематическая вязкость, м 2 /с;
• число Прандтля.

Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!

Теплофизические свойства углекислого газа CO 2 при атмосферном давлении

В таблице даны теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры (в интервале от -75 до 1500°С) при атмосферном давлении. Даны следующие теплофизические свойства углекислого газа:

• , Па·с;
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
• число Прандтля.

По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность и динамическая вязкость углекислого газа также увеличиваются. Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!

Теплопроводность углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления

теплопроводности углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 220 до 1400 К и при давлении от 1 до 600 атм. Данные выше черты в таблице относятся к жидкому CO 2 .

Следует отметить, что теплопроводность сжиженного углекислого газа при увеличении его температуры снижается , а при увеличении давления — растет. Углекислый газ (в газовый фазе) становится более теплопроводным, как при увеличении температуры, так и при росте его давления.

Теплопроводность в таблице дана в размерности Вт/(м·град). Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

Теплопроводность углекислого газа CO 2 в критической области

В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO 2 в критической области в интервале температуры от 30 до 50°С и при давлении .
Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000! Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Теплопроводность диссоциированного углекислого газа CO 2 при высоких температурах

В таблице представлены значения теплопроводности диссоциированного углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 1600 до 4000 К и при давлении от 0,01 до 100 атм. Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

В таблице представлены значения теплопроводности жидкого углекислого газа CO 2 на линии насыщения в зависимости от температуры.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Наиболее часто встречающиеся процессы образования этого соединения - гниение животных и растительных останков, горение различных видов топлива, дыхание животных и растений. Например, один человек за сутки выделяет в атмосферу около килограмма углекислого газа. Оксид и диоксид углерода могут образовываться и в неживой природе. Углекислый газ выделяется при вулканической деятельности, а также может быть добыт из минеральных водных источников. Углекислый газ находится в небольшим количестве и в атмосфере Земли.

Особенности химического строения данного соединения позволяют ему участвовать во множестве химических реакций, основой для которых является диоксид углерода.

Формула

В соединении этого вещества четырехвалентный атом углерода образовывает линейную связь с двумя молекулами кислорода. Внешний вид такой молекулы можно представить так:

Теория гибридизации объясняет строение молекулы диоксида углерода так: две существующие сигма-связи образованы между sp-орбиталями атомов углерода и двумя 2р-орбиталями кислорода; р-орбитали углерода, которые не принимают участие в гибридизации, связаны в соединении с аналогичными орбиталями кислорода. В химических реакциях углекислый газ записывается в виде: CO 2.

Физические свойства

При нормальных условиях диоксид углерода представляет собой бесцветный газ, не обладающий запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому углекислый газ и может вести себя, как жидкость. Например, его можно переливать из одной емкости в другую. Это вещество немного растворяется в воде - в одном литре воды при 20 ⁰С растворяется около 0,88 л CO 2 . Небольшое понижение температуры кардинально меняет ситуацию - в том же литре воды при 17⁰С может раствориться 1,7 л CO 2 . При сильном охлаждении это вещество осаждается в виде снежных хлопьев - образуется так называемый «сухой лед». Такое название произошло от того, что при нормальном давлении вещество, минуя жидкую фазу, сразу превращается в газ. Жидкий диоксид углерода образуется при давлении чуть выше 0,6 МПа и при комнатной температуре.

Химические свойства

При взаимодействии с сильными окислителями 4-диоксид углерода проявляет окислительные свойства. Типичная реакция этого взаимодействия:

С + СО 2 = 2СО.

Так, при помощи угля диоксид углерода восстанавливается до своей двухвалентной модификации - угарного газа.

При нормальных условиях углекислый газ инертен. Но некоторые активные металлы могут в нем гореть, извлекая из соединения кислород и высвобождая газообразный углерод. Типичная реакция - горение магния:

2Mg + CO 2 = 2MgO + C.

В процессе реакции образуется оксид магния и свободный углерод.

В химических соединениях СО 2 часто проявляет свойства типичного кислотного оксида. Например, он реагирует с основаниями и основными оксидами. Результатом реакции становятся соли угольной кислоты.

Например, реакция соединения оксида натрия с углекислым газом может быть представлена так:

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3 ;

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O;

NaOH + CO 2 = NaHCO 3 .

Угольная кислота и раствор СО 2

Диоксид углерода в воде образует раствор с небольшой степенью диссоциации. Такой раствор углекислого газа называется угольной кислотой. Она бесцветна, слабо выражена и имеет кисловатый вкус.

Запись химической реакции:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Равновесие довольно сильно сдвинуто влево - лишь около 1% начального углекислого газа превращается в угольную кислоту. Чем выше температура - тем меньше в растворе молекул угольной кислоты. При кипении соединения она исчезает полностью, и раствор распадается на диоксид углерода и воду. Структурная формула угольной кислоты представлена ниже.

Свойства угольной кислоты

Угольная кислота очень слабая. В растворах она распадается на ионы водорода Н + и соединения НСО 3 - . В очень небольшом количестве образуются ионы СО 3 - .

Угольная кислота - двухосновная, поэтому соли, образованные ею, могут быть средними и кислыми. Средние соли в русской химической традиции называются карбонатами, а сильные - гидрокарбонатами.

Качественная реакция

Одним из возможных способов обнаружения газообразного диоксида углерода является изменение прозрачности известкового раствора.

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.

Этот опыт известен еще из школьного курса химии. В начале реакции образуется небольшое количество белого осадка, который впоследствии исчезает при пропускании через воду углекислого газа. Изменение прозрачности происходит потому, что в процессе взаимодействия нерастворимое соединение - карбонат кальция превращается в растворимое вещество - гидрокарбонат кальция. Реакция протекает по такому пути:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 .

Получение диоксида углерода

Если требуется получить небольшое количество СО2, можно запустить реакцию соляной кислоты с карбонатом кальция (мрамором). Химическая запись этого взаимодействия выглядит так:

CaCO 3 + HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 .

Также для этой цели используют реакции горения углеродсодержащих веществ, например ацетилена:

СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2 -.

Для сбора и хранения полученного газообразного вещества используют аппарат Киппа.

Для нужд промышленности и сельского хозяйства масштабы получения диоксида углерода должны быть большими. Популярным методом такой масштабной реакции является обжиг известняка, в результате которого получается диоксид углерода. Формула реакции приведена ниже:

CaCO 3 = CaO + CO 2 .

Применение диоксида углерода

Пищевая промышленность после масштабного получения «сухого льда» перешла на принципиально новый метод хранения продуктов. Он незаменим при производстве газированных напитков и минеральной воды. Содержание СО 2 в напитках придает им свежесть и заметно увеличивает срок хранения. А карбидизация минеральных вод позволяет избежать затхлости и неприятного вкуса.

В кулинарии часто используют метод погашения лимонной кислоты уксусом. Выделяющийся при этом углекислый газ придает пышность и легкость кондитерским изделиям.

Данное соединение часто используется в качестве пищевой добавки, повышающей срок хранения пищевых продуктах. Согласно международным нормам классификации химических добавок содержания в продуктах, проходит под кодом Е 290,

Порошкообразный углекислый газ - одно из наиболее популярных веществ, входящих в состав пожаротушительных смесей. Это вещество встречается и в пене огнетушителей.

Транспортировать и хранить углекислый газ лучше всего в металлических баллонах. При температуре более 31⁰С давление в баллоне может достигнуть критического и жидкий СО 2 перейдет в сверхкритическое состояние с резким подъемом рабочего давления до 7,35 МПа. Металлический баллон выдерживает внутреннее давление до 22 МПа, поэтому диапазон давления при температурах свыше тридцати градусов признается безопасным.

Применение углекислоты (двуокиси углерода)

В настоящее время углекислота во всех своих состояниях широко используется во всех отраслях промышленности и агропромышленного комплекса.

В газообразном состоянии (углекислый газ)

В пищевой промышленности

1. Для создания инертной бактериостатичной и фунгистатичной атмосферы (при концентрации свыше 20%):
· при переработке растительных и животных продуктов;
· при упаковке пищевых продуктов и медицинских препаратов для значительного увеличения срока их хранения;
· при разливе пива, вина и соков как вытесняющий газ.
2. В производстве безалкогольных напитков и минеральных вод (сатурация).
3. В пивоварении и производстве шампанского и шипучих вин (карбонизация).
4. Приготовление газированных воды и напитков сифонами и сатураторами, для персонала горячих цехов и в летнее время.
5. Использование в торговых автоматах при продаже газ.воды в розлив и при ручной торговле пивом и квасом, газированными водой и напитками.
6. При изготовлении газированных молочных напитков и газированных фруктово-ягодных соков («игристые продукты»).
7. В производстве сахара (дефекация - сатурация).
8. Для длительной консервации фруктовых и овощных соков с сохранением запаха и вкуса свежевыжатого продукта путём насыщения СО2 и хранения под высоким давлением.
9. Для интенсификации процессов осаждения и удаления солей винной кислоты из вин и соков (детартация).
10. Для приготовления питьевой опреснённой воды фильтрационным методом. Для насыщения бессолевой питьевой воды ионами кальция и магния.

В производстве, хранении и переработке сельскохозяйственной продукции

11. Для увеличения срока хранения пищевых продуктов, овощей и фруктов в регулируемой атмосфере (в 2-5 раз).
12. Хранение срезанных цветов 20 и более дней в атмосфере углекислого газа.
13. Хранение круп, макарон, зерна, сухофруктов и других продуктов питания в атмосфере углекислого газа, для предохранения их от повреждения насекомыми и грызунами.
14. Для обработки плодов и ягод перед закладкой на хранение, что препятствует развитию грибковых и бактериальных гнилей.
15. Для насыщения под высоким давлением нарезанных или целиковых овощей, что усиливает вкусовые оттенки («игристые продукты») и улучшает их сохраняемость.
16. Для улучшения роста и повышения урожайности растений в защищённом грунте.
На сегодняшний день в овощеводческих и цветоводческих хозяйствах России остро стоит вопрос об осуществлении подкормок углекислым газом растений в защищённом грунте. Дефицит СО2 является более серьёзной проблемой, чем дефицит элементов минерального питания. В среднем, растение синтезирует из воды и углекислого газа 94% массы сухого вещества, остальные 6% растение получает из минеральных удобрений! Низкое содержание углекислого газа сейчас является фактором, ограничивающим урожайность (в первую очередь при малообъёмной культуре). В воздухе теплицы площадью 1 га содержится около 20 кг СО2. При максимальных же уровнях освещения в весенние и летние месяцы потребление СО2 растениями огурца в процессе фотосинтеза может приближаться к 50 кг·ч/га (т.е. до 700 кг/га СО2 за световой день). Образующийся дефицит лишь частично покрывается за счёт притока атмосферного воздуха через фрамуги и неплотности ограждающих конструкций, а также за счёт ночного дыхания растений. В грунтовых теплицах дополнительным источником углекислого газа является грунт, заправленный навозом, торфом, соломой или опилками. Эффект обогащения воздуха теплицы углекислым газом зависит от количества и вида этих органических веществ, подвергающихся микробиологическому разложению. Например, при внесении опилок, смоченными минеральными удобрениями, уровень углекислого газа в первое время может достигать высоких значений ночью, и днём при закрытых фрамугах. Однако в целом этот эффект недостаточно велик и удовлетворяет лишь часть потребности растений. Основным недостатком биологических источников является кратковременность повышения концентрации углекислого газа до желаемого уровня, а также невозможность регулирования процесса подкормки. Нередко в грунтовых теплицах в солнечные дни при недостаточном воздухообмене содержание СО2 в результате интенсивного поглощения растениями может упасть ниже 0,01% и фотосинтез практически прекращается! Недостаток СО2 становится основным из факторов, ограничивающих ассимиляцию углеводов и соответственно рост и развитие растений. Полностью покрыть дефицит возможно только за счёт использования технических источников углекислого газа.
17. Производство микроводорослей для скота. При насыщении воды углекислотой в установках автономного выращивания водорослей, значительно (в 4-6 раз) возрастает скорость водорослей.
18. Для повышения качества силоса. При силосовании сочных кормов искусственное введение в растительную массу СО2 предотвращает проникновение кислорода из воздуха, что способствует образованию высококачественного продукта, с благоприятным соотношением органических кислот повышенным содержанием каротина и переваримого протеина.
19. Для безопасной дезинсекции продовольственных и непродовольственных продуктов. Атмосфера, содержащая более 60% углекислого газа в течении 1-10 дней (в зависимости от температуры) уничтожает не только взрослых насекомых, но их личинки и яйца. Настоящая технология применима к продуктам с содержанием связанной воды до 20%, как то зерно, рис, грибы, сухофрукты, орехи и какао, комбикорма и многое другое.
20. Для тотального уничтожения мышевидных грызунов путём кратковременного заполнения газом нор, хранилищ, камер (достаточная концентрация 30% углекислого газа).
21. Для анаэробной пастеризации кормов для животных, в смеси с водяным паром при температуре, не превышающей 83 град.С - как замена гранулированию и экструдированию, не требующая больших энергетических затрат.
22. Для усыпления птицы и некрупных животных (свиньи, телята, овцы) перед забоем. Для анестезии рыбы при перевозке.
23. Для наркотизации пчелиных и шмелиных маток в целях ускорения начала яйцекладки.
24. Для насыщения питьевой воды для кур, что значительно снижает отрицательное воздействие повышенных летних температур на птицу, способствует утолщению скорлупы яиц и укреплению костяка.
25. Для насыщения рабочих растворов фунгицидов и гербицидов для лучшего действия препаратов. Этот способ позволяет уменьшить расход раствора на 20-30%.

В медицине

26. а) в смеси с кислородом как стимулятор дыхания (в концентрации 5%);
б) для сухих газированных ванн (в концентрации 15-30%) в целях снижения артериального давления и улучшения кровотока.
27. Криотерапия в дерматологии, сухие и водяные углекислотные ванны в бальнеолечении, дыхательные смеси в хирургии.

В химической и бумажной промышленности

28. Для производства соды, углеаммонийных солей (применяются в качестве удобрений в растениеводстве, добавок в корм жвачным животным, вместо дрожжей в хлебопечении и в мучных кондитерских изделиях), свинцовых белил, мочевины, оксикарбоновых кислот. Для каталитического синтеза метанола и формальдегида.
29. Для нейтрализации щелочных сточных вод. Благодаря эффекту самобуферизации раствора, точное регулирование pH позволяет избежать коррозии оборудования и сточных труб, нет образования ядовитых побочных продуктов.
30. В производстве бумаги для обработки пульпы после щелочного беления (повышает на 15% эффективности процесса).
31. Для увеличения выхода и улучшения физико-механических свойств и белимости целлюлозы при кислородно-содовой варке древесины.
32. Для очистки теплообменников от накипи и предотвращения её образования (комбинация гидродинамического и химического способов).

В строительной и прочих отраслях промышленности

33. Для быстрого химического отвердения пресс-форм для стального и чугунного литья. Подача углекислоты в литейные формы в 20-25 раз ускоряет их твердение по сравнению с тепловой сушкой.
34. Как вспенивающий газ при производстве пористых пластиков.
35. Для упрочнения огнеупорного кирпича.
36. Для сварочных полуавтоматов при ремонте кузовов пассажирских и легковых автомобилей, ремонте кабин грузовых автомобилей и тракторов и при эл.сварке изделий из тонколистовых сталей.
37. При изготовлении сварных конструкций с автоматической и полуавтоматической электросваркой в среде углекислоты как защитного газа. По сравнению со сваркой штучным электродом возрастает удобство работы, производительность повышается в 2-4 раза, стоимость 1 кг наплавленного металла в среде СО2 в два с лишним раза ниже по сравнению с ручной дуговой сваркой.
38. В качестве защитной среды в смесях с инертными и благородными газами при автоматизированной сварке и резке металла, благодаря которой получаются швы очень высокого качества.
39. Зарядка и перезарядка огнетушителей, для противопожарного оборудования. В системах пожаротушения, для заполнения огнетушителей.
40. Зарядка баллончиков для газобаллонного оружия и сифонов.
41. Как газ-распылитель в аэрозольных баллончиках.
42. Для заполнения спортивного инвентаря (мячей, шаров и т.п.).
43. В качестве активной среды в медицинских и промышленных лазерах.
44. Для точной калибровки приборов.

В горно-добывающей промышленности

45. Для разупрочнения углепородного массива при добыче каменного угля в удароопасных пластах.
46. Для проведения взрывных работ без образования пламени.
47. Повышение эффективности нефтедобычи при добавлении углекислоты в нефтяные пласты.

В жидком состоянии (низкотемпературная углекислота)

В пищевой промышленности

1. Для быстрого замораживания, до температуры -18 град.С и ниже, пищевых продуктов в контактных скороморозильных аппаратах. Наряду с жидким азотом жидкий диоксид углерода наиболее подходит для прямого контактного замораживания различных видов продуктов. Как контактный хладагент, он привлекателен дешевизной, химической пассивностью и термической стабильностью, не коррозирует металлических узлов, не горюч, не опасен для персонала. На движущийся на ленте транспортёра продукт из сопел подаётся определёнными порциями жидкая углекислота, которая при атмосферном давлении мгновенно превращается в смесь сухого снега и холодного углекислого газа, при этом вентиляторы постоянно перемешивают газовую смесь внутри аппарата, которая в принципе способна охладить продукт от +20 град.С до -78,5 град.С за несколько минут. Использование контактных скороморозильных аппаратов имеет ряд принципиальных преимуществ по сравнению с традиционной технологией заморозки:
· время заморозки сокращается до 5-30 минут; быстро прекращается ферментативная активность в 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 они просто не успевают развиться;
· потери массы продукта в результате усушки составляют всего 0,3-1% (против 3-6%);
· легко улетучивающиеся ценные ароматические вещества сохранятся в значительно больших количествах. По сравнению с замораживанием жидким азотом, при замораживании диоксидом 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 во время размораживания защищает его от окисления и развития микроорганизмов. Плоды и овощи, подвергнутые быстрой заморозке и фасовке на месте, наиболее полно сохраняют вкусовые достоинства и питательную ценность, все витамины и биологически активные вещества, что дает возможность широко применять их для производства продуктов для детского и диетического питания. Немаловажно, что для приготовления дорогостоящих замороженных смесей может быть успешно использована нестандартная плодоовощная продукция. Скороморозильные аппараты на жидкой углекислоте компактны, просты по устройству и недороги в эксплуатации (при наличии рядом источника дешёвой жидкой углекислоты). Аппараты существуют в мобильном и стационарном варианте, спирального, тоннельного и шкафного типа, чем представляют интерес для сельскохозяйственных производителей и переработчиков продукции. Особенно они удобны, когда производство требует замораживания различных пищевых продуктов и сырья при различных температурных режимах (-10…-70 град.С). Быстрозамороженные продукты можно подвергнуть сушке в условиях глубокого вакуума - сублимационной сушке. Продукты, высушенные этим способом, отличаются высоким качеством: сохраняют все питательные вещества, обладают повышенной восстанавливающей способностью, имеют незначительную усадку и пористое строение, сохраняют естественный цвет. Сублимированные продукты в 10 раз легче исходных за счет удаления из них воды, они очень долго сохраняются в герметичных пакетах (особенно при заполнении пакетов углекислым газом) и могут дёшево доставляться в самые отдаленные районы.
2. Для быстрого охлаждения свежих пищевых продуктов в упакованном и неупакованном виде до +2…+6 град.С. При помощи установок, работа которых похожа на работу скороморозильных аппаратов: при инжекции жидкой углекислоты образуется мельчайший сухой снег, которым продукт обрабатывается определённое время. Сухой снег - эффективное средство быстрого снижения температуры, не приводящее к высыханию продукта, как воздушное охлаждение, и не повышающее его влагосодержание, как это происходит при охлаждении водяным льдом. Охлаждение сухим снегом обеспечивает необходимое снижение температуры всего за несколько минут, а не часов, как при обычном охлаждении. Сохраняется и даже улучшается естественный цвет продукта вследствие небольшой диффузии СО2 внутрь. Одновременно значительно увеличивается срок хранения продуктов, так как СО2 подавляет развитие как аэробных, так анаэробных бактерий и плесневых грибов. Охлаждению удобно и выгодно подвергать мясо птицы (разделанное или в тушках), порционное мясо, колбасы и полуфабрикаты. Установки также применяются там, где по технологии требуется быстро охладить продукт во время или перед формовкой, прессованием, экструдированием, измельчением или нарезанием. Аппараты подобного типа также очень удобны для применения на птицефабриках поточного сверхбыстрого охлаждения с 42,7 град.С до 4,4-7,2 град.С свежеснесённых куриных яиц.
3. Для снятия кожицы с ягод методом подморозки.
4. Для криоконсервации спермы и эмбрионов крупного рогатого скота и свиней.

В холодильной промышленности

5. Для использования в качестве альтернативного хладагента в холодильных установках. Диоксид углерода может служить эффективным хладагентом, поскольку имеет низкую критическую температуру (31,1 град.С), сравнительно высокую температуру тройной точки (-56 град.С), большое давление в тройной точке (0,5 мПа) и высокое критическое давление (7,39 мПа). Как хладагент обладает следующими преимуществами:
· очень низкая цена по сравнению с другими хладагентами;
· нетоксичен, не горюч и не взрывоопасен;
· совместим со всеми электроизоляционными и конструкционными материалами;
· не разрушает озоновый слой;
· вносит умеренный вклад в увеличение парникового эффекта по сравнению с современными галоидопроизводными хладагентами. Высокое критическое давление имеет положительный аспект, связанный с низкой степенью сжатия, вследствие чего эффективность компрессора становится значительной, что позволяет применять компактные и мало затратные конструктивные решения для холодильных установок. Вместе с этим требуется дополнительное охлаждение электромотора конденсатора, увеличивается металлоёмкость холодильной установки из-за увеличения толщины труб и стенок. Перспективно применения СО2 в низкотемпературных двухкаскадных установках промышленного и полупромышленного применения, и особенно в системах кондиционирования воздуха автомобилей и поездов.
6. Для высокопроизводительного измельчения в замороженном виде мягких, термопластичных и упругих продуктов и веществ. В криогенных мельницах быстро и с малым расходом электроэнергии подвергаются размолу в замороженном виде те продукты и вещества, которые не удаётся измельчить в обычном виде, например желатин, каучук и резина, любые полимеры, шины. Холодный размол в сухой инертной атмосфере необходим для всех пряностей и специй, какао-бобов и кофейных зёрен.
7. Для испытания технических систем при низких температурах.

В металлургии

8. Для охлаждения труднообрабатываемых сплавов при обработке на токарных станках.
9. Для образования защитной среды для подавления дыма в процессах выплавки или разлива меди, никеля, цинка и свинца.
10. При отжиге твердой медной проволоки для кабельной продукции.

В добывающей промышленности

11. Как слабобризантное взрывчатое вещество при добыче каменного угля, не приводящее при взрыве к воспламенению метана и угольной пыли, и не дающее ядовитых газов.
12. Профилактика возгорания и взрывов вытеснением углекислотой воздуха из емкостей и шахт с взрывоопасными парами и газами.

В сверхкритическом состоянии

В процессах экстракции

1. Улавливание ароматических веществ из фруктово-ягодных соков, получение экстрактов растений и лекарственных трав с помощью жидкой углекислоты. В традиционных методах экстракции растительного и животного сырья применяются различного рода органические растворители, которые узко специфичны и редко обеспечивают извлечение из сырья полного комплекса биологически активных соединений. Более того, при этом всегда возникает проблема отделения от экстракта остатков растворителя, причем технологические параметры этого процесса могут привести к частичному или даже полному разрушению некоторых компонентов экстракта, что обуславливает изменение не только состава, но свойств выделенного экстракта. По сравнению с традиционными методами, процессы экстракции (а также фракционирования и импрегнации) с использованием диоксида углерода в сверхкритическом состоянии имеет целый ряд преимуществ:
· энергосберегающий характер процесса;
· высокая массообменная характеристика процесса благодаря низкой вязкости и высокой проникающей способности растворителя;
· высокая степень извлечения соответствующих компонентов и высокое качество получаемого продукта;
· практическое отсутствие СО2 в готовой продукции;
· используется инертная растворяющая среда при температурном режиме, не грозящем термической деградацией материалов;
· процесс не дает сточных вод и отработанных растворителей, после декомпрессии СО2 может быть собран и повторно использован;
· обеспечивается уникальная микробиологическая чистота получаемой продукции;
· отсутствие сложного оборудования и многостадийного процесса;
· используется дешёвый, нетоксичный и негорючий растворитель. Селективные и экстракционные свойства диоксида углерода могут меняться в широких пределах при изменении температуры и давления, что обуславливают возможность извлечения при низкой температуре из растительного сырья большей части спектра известных на сегодняшний день биологически активных соединений.
2. Для получения ценных натуральных продуктов - СО2-экстрактов пряновкусовых веществ, эфирных масел и биологически активных веществ. Экстракт практически копирует исходное растительное сырье, что же касается концентрации входящих в него веществ, то можно заявить об отсутствии аналогов среди классических экстрактов. Данные хроматографического анализа показывают, что содержание ценных веществ превосходит классические экстракты в десятки раз. Освоено получение в промышленных масштабах:
· экстрактов из пряностей и лекарственных трав;
· фруктовых ароматов;
· экстрактов и -кислот из хмеля;
· антиоксидантов, каротиноидов и ликопенов (в том числе из томатного сырья);
· натуральных красящих веществ (из плодов красного перца и других);
· ланолина из шерсти;
· натуральных растительных восков;
· масла из облепихи.
3. Для выделения высокоочищенных эфирных масел, в частности из цитрусовых. При экстракции сверхкритическим СО2 эфирных масел успешно экстрагируются и легколетучие фракции, которые придают этим маслам фиксирующие свойства, а также более полный аромат.
4. Для удаления кофеина из чая и кофе, никотина из табака.
5. Для удаления холестерина из продуктов питания (мясо, молочные продукты и яйца).
6. Для изготовления обезжиренных картофельных чипсов и соевых продуктов;
7. Для производства высококачественного табака с заданными технологическими свойствами.
8. Для химической чистки одежды.
9. Для удаления соединений урана и трансурановых элементов из радиоактивно заражённых почв и с поверхностей металлических тел. При этом в сотни раз сокращаются объёмы водных отходов, и нет необходимости в использовании агрессивных органических растворителей.
10. Для экологически чистой технологии травления печатных плат для микроэлектроники, без образования ядовитых жидких отходов.

В процессах фракционирования

Выделение жидкого вещества из раствора, либо разделение смеси жидких веществ носит название фракционирования. Эти процессы являются непрерывными и поэтому значительно более эффективны, чем выделение веществ из твёрдых субстратов.
11. Для рафинации и дезодорации масел и жиров. Для получения товарного масла необходимо провести целый комплекс мероприятий, таких как удаление лецитина, слизи, кислоты, произвести отбеливание, дезодорацию и прочие. При экстракции сверхкритическим СО2 эти процессы осуществляются в течение одного технологического цикла, причем качество получаемого в этом случае масла значительно лучше, поскольку процесс протекает при относительно низких температурах.
12. Для уменьшения содержания алкоголя в напитках. Изготовление безалкогольных традиционных напитков (вино, пиво, сидр) имеет увеличивающийся спрос по этическим, религиозным или диетическим соображениям. Даже если эти напитки с низким содержанием алкоголя зачастую имеют более низкое качество, их рынок значителен и быстро растет, так что улучшение подобной технологии представляет собой очень привлекательный вопрос.
13. Для энергосберегающего получения глицерина высокой чистоты.
14. Для энергосберегающего получения лецетина из соевого масла (с содержанием фосфатидил холина порядка 95%).
15. Для проточной очистки промышленных сточных вод от углеводородных загрязнителей.

В процессах импрегнации

Процесс импрегнации - внедрение новых веществ, в сущности, является обратным процессом экстракции. Нужное вещество растворяется в суперкритическом СО2, затем раствор проникает в твердый субстрат, при сбросе давления углекислый газ моментально улетучивается, а вещество остаётся в субстрате.
16. Для экологически чистой технологии крашения волокон, тканей и текстильных аксессуаров. Окрашивание является частным случаем применения импрегнации. Красители обычно растворены в токсичном органическом растворителе, поэтому окрашенные материалы приходится тщательно промывать, в результате чего растворитель либо испаряются в атмосферу, либо оказываются в сточных водах. При сверхкритическом окрашивании вода и растворители не используется, краситель растворён в сверхкритическом СО2. Этот метод дает интересную возможность окрашивать различные типы синтетических материалов одновременно, например, пластиковые зубцы и тканевую подкладку застежки-молнии.
17. Для экологически чистой технологии нанесение красок. Сухой краситель растворяется в потоке сверхкритического СО2, и вместе с ним вылетает из сопла специального пистолета. Углекислый газ сразу же улетучивается, а краска оседает на поверхности. Эта технология особенно перспективна для окраски автомобилей и крупногабаритной техники.
18. Для гомогенизированного пропитывания полимерных структур лекарственными препаратами, обеспечивая тем самым постоянное и длительное высвобождение лекарства в организме. Эта технология основана на способности сверхкритического СО2 легко проникать во многие полимеры, насыщать их, вызывая раскрытие в нём микропор и набухание.

В технологических процессах

19. Замена высокотемпературного водяного пара сверхкритическим СО2 в процессах экструзии, при переработке зерноподобного сырья, позволяет использовать относительно низкие температуры, вводить в рецептуру молочные ингредиенты и любые термочувствительные добавки. Сверхкритическая флюидная экструзия позволяет создавать новые продукты с ультрапористой внутренней структурой и гладкой плотной поверхностью.
20. Для получения порошков полимеров и жиров. Струя сверхкритического СО2 с растворёнными в нём некоторыми полимерами или жирами инжектируются в камеру с более низким давлением, где они «конденсируются» в виде совершенно однородного мелко дисперсного порошка, тончайших волокон или плёнок.
21. Для подготовки к сушке зелени и плодов путём удаления кутикулярного воскового слоя струёй сверхкритического СО2.

В процессах проведения химических реакций

22. Перспективным направлением применения сверхкритического СО2 является использование его в качестве инертной среды в ходе химических реакций полимеризации и синтеза. В сверхкритической среде синтез может проходить в тысячу раз быстрее по сравнению с синтезом тех же веществ в традиционных реакторах. Для промышленности очень важно, что столь значительное ускорение скорости реакций, обусловленное высокими концентрациями реагентов в сверхкритической среде с её низкой вязкостью и высокой диффузионной способностью, позволяет соответственно сократить время контакта реагентов. В технологическом плане это дает возможность заменить статические замкнутые реакторы проточными, принципиально меньшего размера, более дешёвыми и безопасными.

В тепловых процессах

23. В качестве рабочего тела для современных энергетических установок.
24. В качестве рабочего тела газовых тепловых насосов, производящих высокотемпературное тепло для систем горячего водоснабжения.

В твёрдом состоянии (сухой лёд и снег)

В пищевой промышленности

1. Для контактного замораживания мяса и рыбы.
2. Для контактного быстрого замораживания ягод (красной и чёрной смородины, крыжовника, малины, черноплодной рябины и других).
3. Реализация мороженого и прохладительных напитков в местах удаленных от электросети, с охлаждением сухим льдом.
4. При хранении, транспортировке и реализации замороженных и охлаждённых пищевых продуктов. Развивается производство брикетированного и гранулированного сухого льда для покупателей и продавцов скоропортящихся продуктов. Сухой лёд очень удобен для транспортировки и при реализации в жаркую погоду мяса, рыбы, мороженого - продукты остаются замороженными весьма продолжительное время. Поскольку сухой лёд только испаряется (сублимируется), растаявшей жидкости не бывает, и транспортные ёмкости остаются всегда чистыми. Авторефрежираторы могут оборудоваться малогабаритной сухолёдной системой охлаждения, которая характеризуются предельной простотой устройства и высокой надёжностью в работе; её стоимость во много раз ниже стоимости любой классической холодильной установки. При перевозках на короткие расстояния подобная система охлаждения является наиболее экономичной.
5. Для предварительного охлаждения контейнеров перед загрузкой продукции. Обдувание струей сухого снега в холодном углекислом газе является одним из самых эффективных способов предварительного охлаждения любых контейнеров.
6. При авиационных перевозках в качестве первичного хладагента в изотермических контейнерах с автономной двухступенчатой холодильной системой (гранулированный сухой лёд - фреон).

При работах по очистке поверхностей

8. Очистка деталей и узлов, двигателей от загрязнений очистными установками с применением гранул сухого льда в газовом потоке.Для очистки поверхностей узлов и деталей от эксплуатационных загрязнений. В последнее время возник большой спрос на безабразивную экспресс-очистку материалов, сухих и влажных поверхностей струей мелко гранулированного сухого льда (бластинг). Без разбора агрегатов можно успешно осуществлять:
· очистку линий сварки;
· удаление старой краски;
· очистку литейных форм;
· очистку узлов типографских машин;
· очистку оборудования для пищевой промышленности;
· очистку форм для производства пенополиуретановых изделий.
· очистку пресс-форм для производства автомобильных шин и других резинотехнических изделий;
· очистку форм для производства пластмассовых изделий, в том числе очистку форм для производства ПЭТ бутылок; Когда гранулы сухого льда ударяются о поверхность, они мгновенно испаряются, создавая микровзрыв, который снимает загрязнение с поверхности. При удалении хрупкого материала, такого как краска, процесс создает волну давления между покрытием и основой. Эта волна достаточно сильная для того, чтобы снять покрытие, приподняв его изнутри. При удалении тягучих или вязких материалов, таких как масло или грязь, процесс очистки подобен смыву сильной струей воды.
7. Для очистки от заусенцев штампованных изделий из резины и пластика (галтовка).

При строительных работах

9. В процессе изготовления пористых строительных материалов с одинаковым размером пузырьков углекислого газа, равномерно распределённых по всему объёму материала.
10. Для замораживания грунтов при строительстве.
11. Установка ледяных пробок в трубах с водой (методом их замораживания снаружи сухим льдом), на время проведения ремонтных работ на трубопроводах без слива воды.
12. Для очистки артезианских колодцев.
13. При снятии асфальтовых покрытий в жаркую погоду.

В прочих отраслях промышленности

14. Получение низких температур до минус 100 градусов (при смешивании сухого льда с эфиром) для испытания качества продукции, для лабораторных работ.
15. Для холодной посадки деталей в машиностроении.
16. При изготовлении пластичных сортов легированных и нержавеющих сталей, отожжённых алюминиевых сплавов.
17. При дроблении, помоле и консервации карбида кальция.
18. Для создания искусственного дождя и получения дополнительных осадков.
19. Искусственное рассеивание облаков и тумана, борьба с градобитием.
20. Для образования безвредного дыма при проведении спектаклей и концертов. Получение дым-эффекта, на сценах эстрады при выступлениях артистов, с помощью сухого льда.

В медицине

21. Для лечения некоторых кожных заболеваний (криотерапия).

Углекислый газ (двуокись углерода), называемый также углекислотой, - важнейший компонент в составе газированных напитков. Он обусловливает вкус и биологическую стойкость напитков, сообщает им игристость и освежающие свойства.

Химические свойства. В химическом отношении углекислый газ инертен. Образовавшись с выделением большого количества тепла, он, как продукт полного окисления углерода, весьма стоек. Реакции восстановления двуокиси углерода протекают только при высоких температурах. Так, например, взаимодействуя с калием при 230° С, углекислый газ восстанавливается до щавелевой кислоты:

Вступая в химическое взаимодействие с водой, газ, в количестве не более 1% от содержания его в растворе, образует угольную кислоту, диссоциирующую на ионы Н + , НСО 3 - , СО 2 3- . В водном растворе углекислый газ легко вступает в химические реакции, образуя различные углекислые соли. Поэтому водный раствор углекислого газа обладает большой агрессивностью по отношению к металлам, а также разрушающе действует на бетон.

Физические свойства. Для сатурации напитков используется углекислый газ, приведенный в жидкое состояние сжатием до высокого давления. В зависимости от температуры и давления углекислый газ может находиться также в газообразном и твердом состоянии. Температура и давление, соответствующие данному агрегатному состоянию, приведены на диаграмме фазового равновесия (рис. 13).

При температуре минус 56,6° С и давлении 0,52 Мн/м 2 (5,28 кГ/см 2), соответствующих тройной точке, углекислый газ может одновременно находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии. При более высоких температуре и давлении углекислый газ находится в жидком и газообразном состоянии; при температуре и давлении, которые ниже этих показателей, газ, непосредственно минуя жидкую фазу, переходит в газообразное состояние (сублимирует). При температуре, превышающей критическую температуру 31,5° С, никакое давление не может удержать углекислый газ в виде жидкости.

В газообразном состоянии углекислый газ бесцветен, не имеет запаха и обладает слабовыраженным кислым вкусом. При температуре 0° С и атмосферном давлении плотность углекислого газа составляет 1,9769 кг/ж 3 ; он в 1,529 раз тяжелее воздуха. При 0°С и атмосферном давлении 1 кг газа занимает объем 506 л. Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением:

где V - объем 1 кг газа в м 3 /кг; Т - температура газа в ° К; Р - давление газа в н/м 2 ; R - газовая постоянная; А - дополнительная величина, учитывающая отклонение от уравнения состояния идеального газа;

Ожиженный углекислый газ - бесцветная, прозрачная, легкоподвижная жидкость, напоминающая по внешнему виду спирт или эфир. Плотность жидкости при 0° С равна 0,947. При температуре 20°С ожиженный газ сохраняется под давлением 6,37 Мн/м 2 (65 кГ/см 2) в стальных баллонах. При свободном истечении из баллона жидкость испаряется с поглощением большого количества тепла. При снижении температуры до минус 78,5° С часть жидкости замерзает, превращаясь в так называемый сухой лед. По твердости сухой лед близок к мелу и имеет матово-белый цвет. Сухой лед испаряется медленнее жидкости, при этом он непосредственно переходит в газообразное состояние.

При температуре минус 78,9° С и давлении 1 кГ/см 2 (9,8 Мн/м 2) теплота сублимации сухого льда составляет 136,89 ккал/кг (573,57 кдж/кг).