Informacje

Suchy lód

Powszechnie występująca nazwa „suchy lód” określa dwutlenek węgla (CO2) w stanie stałym. Produkt ten nazywamy lodem suchym ponieważ sublimując (utleniając) się oddaje do otoczenia swoją temperaturę -73°C nie zostawiając przy tym wody. Suchy lód sublimuje pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze -78,9°C, pobierając ciepło przemiany 573 kJ/kg. Wartość ta w porównaniu z lodem (wodnym), jest większa 1,9 razy w przypadku tej samej masy, a 3,3 razy większa w przypadku jednakowej objętości. Woda w połączeniu z suchym lodem przyspiesza proces sublimacji. Suchy lód otrzymuje się z gazowego CO2 (przez sprężanie otrzymuje się cykl ciekły, następnie stały CO2). W laboratoriach najczęściej wykorzystuje się duże ciepło parowania skroplonego CO2 – strumień wylewanej z butli cieczy oziębia się tak silnie, że ulega częściowemu zestaleniu. Jest to materiał bezzapachowy, bezsmakowy, nietrujący, niepalny, obojętny, bakteriostatyczny o twardości 2 w skali Mohr’a. Gazowy CO2 jest cięższy od powietrza a w dużych stężeniach tworzy chmur tzw. „zimną mgłę”. Ze względu na niską temperaturę suchego lodu (poniżej -70°C) powinno się go przenosić w specjalnych izolowanych pojemnikach. Nie powinno się dotykać gołymi rękoma tylko specjalnym szczypcami w rękawicach ochronnych.

Zastosowanie granulatu suchego lodu:

  • czyszczenie granulatem suchego lodu;
  • chłodzenie produktów spożywczych, farmaceutycznych i chemicznych;
  • transport produktów wrażliwych na temperaturę;catering;
  • rozdrabnianie w niskich temperaturach - kriomielenie (rozdrabnianie miałkie);
  • połączenia mechaniczne na wcisk - pasowanie sworzeń tuleja.

Czyszczenie suchym lodem

Tradycyjne metody piaskowania stosowane przy czyszczeniu powierzchni z zanieczyszczeń np. lakierami, tłuszczami, żywicami itp. mogą w większości przypadków zostać zastąpione metodą stosowania suchego lodu w postaci grudek, jako środka bardzo efektywnego, jak i przyjaznego środowisku naturalnemu. Ponieważ grudki suchego lodu natychmiast po strumieniowaniu zamieniają się w gaz i sublimują całkowicie do atmosfery, pozostaje jedynie oddzielony od czyszczonej powierzchni brud, a sama powierzchnia czyszczonego elementu nie zostaje poddana jakiejkolwiek obróbce mechanicznej. Metoda ta pozwala zatem na zachowanie właściwości obrabianej powierzchni, na zmniejszenie ilości odpadów, a także na znaczne skrócenie czasu procesu czyszczenia.

Opis metody

W urządzeniu do czyszczenia znajduje się pojemnik, z którego poprzez lej grudki suchego lodu są przy pomocy dozownika transportowane do węża wyjściowego. Jednocześnie pistolet strumieniowy "napędzany" sprężonym powietrzem wytwarza podciśnienie, na skutek czego grudki suchego lodu są łagodnie zasysane, a następnie przyspieszane do prędkości przepływu wielkości ok. 300m/s. Dzięki wysokowydajnym dyszom strumień grudek zostaje "wystrzelony" na powierzchnię czyszczonego materiału.

Kontakt grudek suchego lodu o temperaturze -79°C z zanieczyszczeniami powoduje ich skruszenie, a w następstwie szoku termicznego, ich oddzielenie od czyszczonej powierzchni. Duża prędkość drugiego strumienia grudek powoduje całkowite oderwanie się powłoki zanieczyszczeń. Powodzenie tej metody ma dwie zasadnicze przyczyny: szok termiczny i efekt pneumatyczny. W odróżnieniu jednak do konwencjonalnej metody "piaskowania" nie zostaje w tym procesie naruszona powierzchnia głównego materiału. Natychmiast po natrafieniu na zanieczyszczenie, suchy lód zmienia się w gaz i ulatnia do atmosfery. Wykorzystując opisaną metodę można usunąć każde zanieczyszczenie powierzchniowe tj.: kleje, oleje, lakiery, tłuszcze, masy bitumiczne, rozpuszczalniki, rdzę, wosk, farby drukarskie, silikony, pianki poliuretanowe, zanieczyszczenia środkami spożywczymi, zgorzeliny, zapieczenia i wiele innych.

Metoda czyszczenia suchym lodem - zalety:

  • brak konieczności utylizacji odpadów - natychmiastowa sublimacja gazowego CO2 do atmosfery, po zetknięciu się z zanieczyszczeniem,
  • przyjazna dla środowiska naturalnego - nie stosuje się żadnych dodatkowych środków chemicznych, a jedynym odpadem jest usuwane z materiału zanieczyszczenie,
  • łagodne czyszczenie - metoda jest całkowicie bezpieczna dla czyszczonej powierzchni, nie powoduje uszkodzeń mechanicznych, nie stosuje się środków zwiększających podatność na korozję,
  • nie obniża produktywności czyszczonych maszyn i urządzeń - większość elementów może być czyszczona bez konieczności demontowania maszyny,
  • szybkość - szybkie, łatwe i sprawne przygotowanie do czyszczenia, czyszczenie całkowite nie wymagające poprawek,
  • wszechstronność - budowa urządzeń gwarantuje dobre efekty stosowania metody nawet w trudnych warunkach.

O skuteczności techniki czyszczenia suchym lodem decydują trzy czynniki:

  • energia kinetyczna z jaką granulat uderza o czyszczoną powierzchnię,
  • różnica temperatur pomiędzy warstwą podłoża i warstwą zanieczyszczeń,
  • szybkość sublimacji i usuwania zanieczyszczeń podmuchem powietrza.

Produkcja suchego lodu

Ciekły CO2 znajduje się w zbiorniku, z którego doprowadzony zostaje do specjalnego urządzenia "granulatora", gdzie następuje jego rozprężenie do ciśnienia atmosferycznego. W rezultacie tego procesu następuje zmiana stanu skupienia dwutlenku węgla z ciekłego w stały o temperaturze -79 °C w postaci śniegu. Tak przygotowane medium zostaje następnie sprasowane i uformowane przez specjalną matrycę w grudki suchego lodu o wielkości zbliżonej do wielkości ziarenek ryżu (ok. 3mm) tzw. "peletów".

Jest to również produkt uboczny Zakładów Azotowych. Występuje w postaci kostek (wymiary 18 x 18 x 25 cm) lub w postaci granulatu (średnica do 1,5 cm). Temperatura na powierzchni kostki wynosi -73°C , w środku -78°C , podobnie jak granulatu.

Kostka lodu osiąga swoją postać po ściśnięciu dwutlenku węgla w cylindrze prasy do 200 atmosfer. Rozprężenie następuje z podobną siłą 200 atmosfer; w związku z tym zalecane jest przechowywanie lodu w lekko nieszczelnym opakowaniu. Żeby straty w magazynowaniu kostek i granulatu były jak najmniejsze należy lód ocieplić i odizolować od powietrza.

Właściwości fizykochemiczne suchego lodu:

Suchy lód jest bezzapachowy, bezsmakowy, nietrujący, niepalny, obojętny, bakteriostatyczny,
Temperatura: -78,5 st.,
Twardość: ok. 2 w skali Mohr'a.
Masa cząsteczkowa: 44,1
Stan skupienia, barwa, zapach: ciało stałe o śnieżnobiałym kolorze, bez obcego smaku i zapachu
pH: lekko kwaśny
Temperatura wrzenia (°C): -79,8
Temperatura topnienia (°C): -56,6 (5,1 atm)
Punkt potrójny (°C): -56,6 (5,1 atm)
Punkt sublimacji (°C): -78,5 (1 atm)
Palność: niepalny
Prężność par w temperaturze:
  • 20 °C: 56,52 atm
  • 30 °C: 71,16 atm
Gęstość (g/cm3): 1,5 (-78,5 °C; 1,15 MPa)
Gęstość względna oparów: 1,52
Temperatura (minimalna uzyskana) mieszanek:
  • suchy lód + alkohol etylowy -72°C
  • suchy lód + eter dietylowy -95°C

Ciekawostki:

  1. W lipcu 1946 roku dwaj amerykańscy fizycy z General Electric, Vincent J. Schaefer (1906-1994) i Irvin Langmuir (1881-1957), zajmowali się problemem zalodzenia samolotów przelatujących na wysokich pułapach. Aby móc przeprowadzać doświadczenia w komorze mgłowej, potrzebowali niskich temperatur, około -23°C. Niestety, lato tego roku w Massachusetts było wyjątkowo gorące i badacze mieli trudności z utrzymaniem tak niskiej temperatury. Schaefer wykorzystał więc suchy lód. Przypadkowo odkrył, że gdy wrzucał drobne kawałki tej substancji do komory, w której znajdował się już przechłodzony suchy lód, powstawały miliony kryształków lodu i opadały na dno komory. 13 listopada 1948 roku zjawisko to zostało przebadane w prawdziwej atmosferze. Schaefer zrzucił z samolotu około 3 kg pyłu suchego lodu na chmurę rozciągającą się nad Massachusetts. Efektem był pierwszy wywołany przez człowieka opad śniegu.

  2. Opis powstawania suchego lodu z udziałem ciekłego azotu.

    Azot - podstawowy składnik ziemskiej atmosfery - przechodzi do stanu ciekłego w temperaturze -196°C. Po raz pierwszy azot (i tlen) skroplili polscy fizycy, Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski, w 1883 roku. Obecnie ciekłego azotu często używa się do chłodzenia aparatury badawczej. W przedstawionych tutaj pokazach ciekły azot posłużył do demonstracji różnorodnych procesów termodynamicznych. Jeden z bardziej efektownych eksperymentów przy użyciu ciekłego azotu jest równocześnie najprostszy do wykonania - wystarczy odrobinę azotu rozlać na stole czy na podłodze. Azot natychmiast zaczyna wrzeć, blat stołu jest przecież o ponad 200 stopni gorętszy. Wrzenie jest tak intensywne, że między kroplą azotu a podłożem powstaje poduszka powietrzna, a krople rozbiegają się na wszystkie strony prawie bez tarcia. Ciekły azot zazwyczaj przechowuje się w szczelnych termosach - żeby uchronić go przed szybkim wygotowaniem. W naszym eksperymencie postępujemy inaczej: nalewamy azotu do otwartego i nie izolowanego cieplnie naczynia w kształcie wąskiej rury. Azot w zetknięciu z "gorącym" otoczeniem zaczyna gwałtownie wrzeć, widzimy jego pary buchające z otwartego końca rury. Równocześnie na powierzchni naczynia skrapla się atmosferyczny tlen, który powoli spływa do podstawionej zlewki. O tym, że jest to właśnie tlen przekonujemy się na własne oczy: zapałka wrzucona do zlewki płonie gwałtownym, żywym płomieniem i spala się niemal doszczętnie. Na powierzchni rury z ciekłym azotem osiada też szron - to oczywiście zamarzająca para wodna. Oprócz szronu widzimy drobne, białe grudki, które po zebraniu na kartce papieru wyparowują w dziwny sposób: nie pozostawiając na papierze ani śladu wilgoci. Ta substancja to "suchy lód", czyli zestalony dwutlenek węgla. Zachodzący przy tym proces nazywamy sublimacją: dwutlenek węgla przechodzi z fazy stałej bezpośrednio do gazowej, z pominięciem cieczy. Suchy lód powstał w wyniku odwrotnego procesu - resublimacji. Kolejny ciekawy proces termodynamiczny obserwujemy po szczelnym zatkaniu pojemnika z azotem. Stale uwalniające się pary wrzącego azotu powodują wzrost ciśnienia wewnątrz zbiornika. Przy wzroście ciśnienia podnosi się również temperatura wrzenia azotu. Widać to po zewnętrznej powierzchni pojemnika: stopniowo przestaje się na niej skraplać powietrze. Proces zostaje przywrócony natychmiast po otwarciu pojemnika.

  3. Suchy lód o temperaturze około -70° C można zmusić do świecenia - dzięki prostej reakcji wymiany: 2Mg + CO2 = 2MgO + C + hv. Jednocześnie zachodzi spalanie magnezu w tlenie. Powstała w wyniku reakcji wysoka temperatura przyspiesza sublimację suchego lodu.

  4. Doświadczenie: Zasiewanie przechłodzonej chmury

    Materiały: dwie metalowe puszki, lód, sól, termometr, materiał izolujący, gruba deska, suchy lód (uwaga: temperatura zamrożonego dwutlenku węgla wynosi około -70°C, więc nie należy go dotykać gołymi rękoma), szczypce. Wykonanie: Zbuduj komorę chłodzącą z dwóch puszek umieszczonych jedna w drugiej. Wypełnij przestrzeń pomiędzy nimi mieszaniną dobrze rozdrobnionego lodu i soli w stosunku 3:1. Komora powinna być opasana materiałem izolacyjnym. Dopóki temperatura wewnątrz środkowej puszki nie spadnie do -15°C, urządzenie powinno być przykryte deską. Dmuchając do komory, wytworzysz grubą, szarą i przechłodzoną mgłę. Jeśli teraz przytrzymasz kawałek suchego lodu nad chmurą i zeskrobiesz odrobinę ostrym narzędziem, kruszyny tego materiału zaznaczą drogę spadku w chmurze białą smugą, podobną do smugi kondensacyjnej. Będzie ona składała się z tysięcy kryształków lodu, które powstały w wyniku spontanicznego zamarzania, gdy kawałki suchego lodu lokalnie ochłodziły cienką warstwę powietrza. Kryształki te wkrótce rozproszą się po całej komorze i będą ściągały przechłodzone kropelki wody.

Dzięki swym właściwościom fizycznym i chemicznym dwutlenek węgla znajduje szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach działalności przemysłowej. Wykorzystanie CO2 pozwala niejednokrotnie na ograniczenie kosztów bądź też stanowi ekologicznie interesującą alternatywę.

Schładzanie i zamrażanie produktów spożywczych - Ciekły dwutlenek węgla znajduje zastosowanie przy chłodzeniu i mrożeniu produktów spożywczych, m.in. makaronów, ciast, przetworów mięsnych, owoców morza, itp. Przy rozprężaniu ciekłego CO2 do ciśnienia atmosferycznego powstają proporcjonalne ilości CO2 - śniegu (-79°C) oraz dwutlenku węgla w postaci gazowej. 85% efektu chłodniczego osiąga się poprzez sublimację CO2 - śniegu. Wykorzystanie ciekłego CO2 pociąga za sobą wymóg zastosowania odpowiednich instalacji, takich jak tunele mrożące, generatory śnieżne, itp. Ciekła faza dwutlenku węgla może być także bezpośrednio wprowadzana do rurociągów lub mieszalników, czego rezultatem jest natychmiastowy efekt chłodzący (np. w nożownicach, krajalnicach...).

Usypianie trzody i drobiu w rzeźniach - Coraz częściej zamiast konwencjonalnego usypiania elektrycznego używa się CO2 do znieczulania trzody i drobiu w rzeźniach. Zastosowanie dwutlenku węgla okazuje się być bardzo korzystne z wielu względów, m.in. zmniejszając stres i krwawienie u zwierząt, co w efekcie wpływa na poprawę jakości mięsa, a tym samym na zwiększenie rentowności przetwórstwa mięsnego. W przypadku drobiu stosowane są mieszaniny gazów.

Pakowanie produktów żywnościowych - Dzięki swym właściwościom bakteriostatycznym CO2 znalazł zastosowanie jako gaz ochronny przy pakowaniu artykułów spożywczych, zwykle w mieszaninie z azotem lub/I tlenem (Modified or Controlled Atmosphere Packaging).

Odlewnictwo - Przy produkcji piaskowych form odlewniczych i kadzi, CO2 w połączeniu z innymi dodatkami znajduje zastosowanie jako środek wiążący ziarna piasku.

Produkcja pianek - Nowoczesne technologie produkcji pianek (poliuretanowych, polistyrenowych) bazują na CO2 jako środku rozdmuchującym, który zastępuje tradycyjne, nieprzyjazne środowisku rozdmuchiwacze takie jak freon. Oferta BartCO2wiak w tej kwestii dostosowana jest do najbardziej rozpowszechnionych dmuchaw (Cannon, Hennecke, Beamech, itp.)

Blow moulding - Natychmiastowe wprowadzenie ciekłego CO2 do nadmuchanego produktu (butelki, flakonu, pojemnika...) wyraźnie skraca czas chłodzenia i zastygania osiągniętej formy. Dzięki temu znacznie zwiększa się produktywność dmuchaw. Poprzez ciągłe ulepszanie technologii dmuchania zauważalnie zmalała popularność CO2. Niemniej jednak, w przypadku grubościennych produktów z tworzyw sztucznych, dwutlenek węgla nadal dowodzi swej przydatności.

Gaz napędzający w aerozolach - W tzw. "sprayach" od pewnego czasu zaczęto wykorzystywać CO2 jako gaz napędzający, celem zastąpienia tradycyjnych gazów, w przypadku których udowodniono ich niszczący wpływ na ozonową warstwę atmosfery.

CO2 jako reagent - Wiele gałęzi przemysłu chemicznego sięga po CO2 przy produkcji wysokowartościowych chemikaliów, takich jak sód, potas, amoniak, wodorowęglany, anilina, kaprolactam, metionina, węglan potasu, itp. Zarówno pierwotne jak i wtórne wykorzystanie dwutlenku węgla stanowi wyzwanie dla przemysłu chemicznego, jako że działania takie przyczyniają się do zmniejszenia obciążenia środowiska naturalnego emitowanego do atmosfery CO2 (zobacz także Problematyka ekologiczna). Zwłaszcza przemysł papierniczy zmierza w kierunku częstszego wykorzystywania PCC (Precipitated Calcium Carbonate), związku otrzymywanego z CO2 i wapna.

Zobojętnianie atmosfery w instalacji - Dzięki swej wyjątkowej stabilności chemicznej CO2 uważany jest za gaz obojętny. Dlatego też idealnie sprawdza się przy zobojętnianiu atmosfery w instalacjach, takich jak zbiorniki łatwopalnych mieszanin gazowych, miału węglowego i innych materiałów wybuchowych.

Ogrodnictwo: szklarnie - Wzrost roślin wymaga dostępności wody, świała, substancji mineralnych i CO2, wykorzystywanych w procesie fotosyntezy do produkcji związków organicznych. Efektem zwiększenia stężenia dwutlenku węgla w atmosferze szklarniowej (z 400 ppm do 1000 ppm) jest stymulacja wzrostu niektórych roślin, a tym samym 20-procentowy wzrost wydajności produkcji roślinnej (pomidorów, truskawek, ogórków oraz roślin doniczkowych i kwiatów ciętych, papryki...).

Oczyszczanie ścieków - CO2 w roztworze wodnym tworzy słaby kwas (kwas węglowy). Właściwość ta może być wykorzystywana do zobojętniania ścieków alkalicznych. Wyższość tej metody polega m.in. na ograniczeniu zużycia, uproszczeniu aparatury kontrolno-dozującej, zwiększeniu bezpieczeństwa i wytrzymałości tego typu instalacji.

Walka z ogniem - Zastosowanie dwutlenku węgla jako środka gaśniczego w pożarnictwie okazuje się być korzystne w sytuacjach, w których użycie wody jest niepożądane bądź nieefektywne. Wprowadzony ostatnio zakaz używania halonu spowodował wzrost popytu na CO2-gaśnice. Udowodniono ekologiczną wyższość tego typu aparatów nad gaśnicami zawierającymi halon bądź freon.

Akwarystyka - Nasycanie wody w akwariach - nazywane tez "nawożeniem CO2" pozwala na poprawę przyrostu roślin akwarystycznych.

Nowe zastosowania - Obok wyżej wspomnianych, ważnych zastosowań, coraz częściej wykorzystuje się CO2 również w innych dziedzinach,ze względu na duży potencjał chłodzący zarówno ciekłej jak i stałej fazy CO2 (przemysł spożywczy, metalurgiczny, recycling kriogeniczny, obróbka odpadów, itp...). Producenci i dystrybutorzy gazów przemysłowych, w tym także BartCO2wiak, w ścisłej współpracy z klientami wciąż poszukują nowych rozwiązań i możliwości zastosowania CO2. Stąd ogromne zainteresowanie naszej firmy nowymi projektami badawczymi nad wykorzystaniem CO2. Każda inicjatywa jest mile widziana, także z Państwa strony!