Khí CO2 là gì và những ứng dụng trong cuộc sống

03/11/2022

Ngày nay, phần lớn mọi người đều đã hiểu rằng CO₂ là một chất ô nhiễm chết người, nó là nguyên nhân làm nóng bầu khí quyển, gây ra hiệu ứng nhà kính trên toàn cầu. Tuy nhiên, điều ít được biết tới đó là khí CO₂cũng là một nguyên liệu hữu ích, một nguyên liệu đầu vào của một loạt các quy trình công nghiệp khác từ công nghiệp thực phẩm đến công nghiệp xây dựng .v..v..
Sử dụng nhiều hơn thải ra ít hơn, đó chính là ý tưởng cơ bản để góp phần giảm thiểu tình trạng nóng lên toàn cầu, bảo vệ môi trường. Hãy cùng Khí công nghiệp Hỷ Vân đi tìm hiểu rõ hơn về loại khí này qua bài viết dưới đây.

1. Khí CO₂ là gì?

Hầu hết chúng ta đều biết CO₂ là sản phẩm của quá trình hô hấp của động vật và là nguyên liệu của quá trình quang hợp ở thực vật. Ngoài ra, CO₂ còn được sản sinh từ nhiều nguồn khác như: khí thoát ra từ núi lửa phun trào, là sản phẩm cháy của các hợp chất hữu cơ, là kết quả của sự lên men một số vi sinh vật và hô hấp của tế bào, quá trình phân hủy xác động vật cũng tạo nên khí CO₂ và một nguồn lớn từ khí thải công nghiệp.
Carbon dioxide hay các tên gọi khác như anhidrit cacbonic, khí cacbonic, thán khí là một hợp chất có công thức hóa học là CO₂, mỗi phân tử có một nguyên tử cacbon liên kết cộng hóa trị kép với hai nguyên tử oxy. Tại nhiệt độ phòng, nó tồn tại ở trạng thái khí, trạng thái lỏng thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp, ở thể rắn nó được gọi là băng khô.

a. Tính chất vật lý

- CO₂ là chất khí không màu, không mùi, có vị chua nhẹ, nặng gấp 1,53 lần không khí.
- Khí CO₂ không tham gia phản ứng cháy và hóa lỏng tại nhiệt độ -78°C. Ngoài ra, CO₂ có thể bị phân hủy tại nhiệt độ cao 2000°C thành CO và O₂.
- CO₂ hòa tan trong nước và được tìm thấy trong các mạch nước ngầm, hồ, nắp băng và nước biển. Khi CO₂ hòa tan trong nước, nó tạo thành axit cacbonic (H₂CO₃ ) gây ra hiện tượng axit hóa đại dương khi nồng độ CO₂ trong khí quyển tăng lên.
- Trong không khí, CO₂ trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy nhưng hấp thụ bức xạ hồng ngoại, hoạt động như một khí nhà kính. Nó là một dạng khí trong bầu khí quyển của Trái đất ở mức 417 ppm khoảng 0,04% theo thể tích (trước thời kỳ công nghiệp là 280 ppm).
- Đốt nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân chính làm tăng nồng độ CO₂ và cũng là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu.

b. Tính chất hóa học

CO₂ là oxit axit

CO₂ tan trong nước tạo thành axit cacbonic là một điaxit rất yếu

- CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

CO₂ tác dụng với oxit bazơ → muối.

- CaO + CO₂ → CaCO₃ (t0)

CO₂ tác dụng với dung dịch bazơ → muối + H₂O

- NaOH + CO₂ → NaHCO₃
- 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

CO₂ bền, ở nhiệt độ cao thể hiện tính oxi hóa khi tác dụng với các chất khử mạnh

- CO₂ + 2Mg → 2MgO + C
- CO₂ + C → 2CO

2. Lịch sử phát hiện khí CO₂

- Vào khoảng năm 1640, nhà hóa học người Flemish (Bỉ) Jan Baptist van Helmont đã quan sát thấy rằng khi ông đốt than trong một bình kín, khối lượng của tro tạo thành nhỏ hơn nhiều so với khối lượng của than ban đầu. Ông cho rằng phần còn lại của than đã được biến đổi thành một chất vô hình mà ông gọi là “khí“.
- Năm 1750, bác sĩ người Scotland Joseph Black đã nghiên cứu thêm các đặc tính của carbon dioxide. Ông phát hiện ra rằng đá vôi (canxi cacbonat) có thể được nung nóng hoặc xử lý bằng axit để tạo ra một loại khí mà ông gọi là “không khí cố định“. Ông quan sát thấy loại khí này đặc hơn không khí và không hỗ trợ sự cháy cũng như sự sống của động vật. Ông cũng phát hiện ra rằng khi sủi bọt khí qua nước vôi (dung dịch nước bão hòa của canxi hiđroxit), nó sẽ kết tủa canxi cacbonat. Ông đã sử dụng hiện tượng này để chứng minh rằng carbon dioxide được tạo ra bởi quá trình hô hấp của động vật và quá trình lên men của vi sinh vật.
- Năm 1772, nhà hóa học người Anh Joseph Priestley đã mô tả một quá trình nhỏ giọt axit sulfuric trên phấn để tạo ra carbon dioxide.
- Năm 1823, Carbon dioxide lần đầu tiên được hóa lỏng ở áp suất cao bởi Humphry Davy và Michael Faraday.
- Năm 1835, nhà phát minh người Pháp Adrien-Jean-Pierre Thilorier phát hiện ra carbon dioxide rắn hay còn gọi là đá khô.

đá khô tại công ty Khí Công Nghiệp Hỷ Vân — Đá khô được phát hiện vào năm 1835

- Xem thêm: Đá khô là gì?

3. Ứng dụng của CO₂

Carbon dioxide là một loại khí đóng vai trò vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, công nghiệp dầu mỏ, công nghiệp hóa chất… Hợp chất này có nhiều mục đích sử dụng thương mại khác nhau, một trong những ứng dụng lớn nhất của nó là để sản xuất nước giải khát và đồ uống có ga, nó chính là thứ tạo ra những bọt khí trong các loại đồ uống và bia.

Công nghiệp hóa chất

Trong ngành công nghiệp hóa chất, carbon dioxide chủ yếu được sử dụng là một thành phần trong sản xuất urê, một phần nhỏ hơn được sử dụng để sản xuất metanol và một loạt các sản phẩm khác. Một số dẫn xuất axit cacboxylic như natri salicylat được điều chế bằng cách sử dụng CO₂ từ phản ứng Kolbe-Schmitt.

Nông nghiệp, ngư nghiệp

Thực vật cần khí cacbonic để tiến hành quang hợp. Bầu khí quyển trong nhà kính phải được bổ sung CO₂ để duy trì và tăng tốc độ phát triển của thực vật.
Ở nồng độ rất cao, gấp 100 lần nồng độ trong khí quyển, hoặc cao hơn, carbon dioxide có thể gây độc cho động vật, vì vậy việc tăng nồng độ lên 10.000 ppm (1%) hoặc cao hơn trong vài giờ sẽ loại bỏ được các loài gây hại trong nhà kính.
- Xem thêm: Sử dụng CO2 trong nhà kính giúp tăng năng suất cây trồng lên tới 30%
CO₂ được bơm vào bể nuôi san hô để giảm nồng độ pH, cho phép canxi cacbonat hòa tan vào nước dễ dàng hơn, giúp san hô phát triển nhanh hơn.

Thực phẩm

CO₂ lỏng và rắn là các chất làm lạnh quan trọng, đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm. Chúng được sử dụng trong quá trình vận chuyển và bảo quản kem và các loại thực phẩm đông lạnh khác.
CO₂ là một chất phụ gia thực phẩm được sử dụng như một chất đẩy và chất điều chỉnh độ chua trong ngành công nghiệp thực phẩm.
Các loại bột nở hay men làm bánh khiến cho khối bột phình to ra nhờ sự lên men trong khối bột sẽ tạo ra khí CO₂, các bọt khí CO₂ tạo ra các lỗ xốp chứa bọt khí.
Khác với men làm bánh, các loại bột nở hóa học và muối nở giải phóng carbon dioxide khi đun nóng hoặc nếu tiếp xúc với axit .
Supercritical carbon dioxide được sử dụng trong việc chiết xuất màu và hương vị trong thực phẩm nhằm loại bỏ dầu và chất béo.
Khí CO₂ khiến lượng Oxy giảm từ 20% xuống còn 0% tạo môi trường yếm khí. Điều này giúp thực phẩm hạn chế tiếp xúc với oxy, tránh được tình trạng oxy hóa và kìm hãm enzyme hoạt động nên sẽ bảo quản được lâu hơn.

Đồ uống

CO₂ được sử dụng để sản xuất nước ngọt có ga và nước soda. Carbon dioxide giúp cho thức uống có khả năng sủi bọt, và cũng hoạt động như một chất bảo quản nhẹ. Carbon dioxide là loại khí duy nhất thích hợp cho nước giải khát vì nó trơ, không độc, tương đối rẻ và dễ hóa lỏng.
- Xem thêm: Nước ngọt có ga là gì? Lịch sử ra đời và quy trình sản xuất
Theo truyền thống, quá trình cacbonat hóa bia và rượu vang nổ xuất hiện thông qua quá trình lên men tự nhiên, nhưng nhiều nhà sản xuất đã cacbonat hóa những thức uống này bằng cách nhân tạo nhờ CO₂, điều này giúp ngăn chặn sự phát triển của nấm và vi khuẩn.
Trong sản xuất rượu vang, đá khô dùng để bảo quản nho sau khi thu hoạch, để làm mát nhanh chóng và giúp ngăn chặn quá trình lên men tự nhiên. Ưu điểm chính của việc sử dụng đá khô thay cho nước đá là nó làm lạnh nho mà không tạo ra thêm bất kỳ lượng nước bổ sung nào, thứ làm giảm nồng độ đường trong nho và ảnh hưởng tới nồng độ cồn trong rượu thành phẩm.

CO2 tạo ra bọt khí trong nước ngọt có ga — Carbon dioxide tạo ra bọt khí trong nước ngọt có ga

Gây choáng động vật

CO₂ là một thành phần thiết yếu trong chuỗi cung ứng thực phẩm vì nó được sử dụng để gây choáng cho động vật một cách nhân đạo trước khi giết mổ.
Bằng cách cung cấp nồng độ CO₂ cao trong không khí lên tới khoảng 70% đến 90%, động vật sẽ được gây bất tỉnh trước khi bị giết thịt.

Khí bảo vệ

CO₂ là một trong những loại khí nén được sử dụng phổ biến nhất cho các hệ thống khí nén (khí điều áp) trong các dụng cụ áp suất cầm tay. Vì nó rẻ tiền, không dễ cháy và có khả năng chứa nhiều hơn trong một vật chứa nhất định so với các loại khí khác. Áo phao thường chứa các hộp khí cacbonic có áp suất cao để phồng lên nhanh chóng. Các viên nang nhôm CO₂ là nguồn cung cấp khí nén cho súng hơi, bút đánh dấu, súng bắn sơn, làm phồng lốp xe đạp …
CO₂ cũng được sử dụng làm môi trường khí trong công nghệ hàn được gọi là hàn MIG / MAG. CO₂ khi thực hiện hàn sẽ bị đốt nóng và tạo ra khí CO không hòa tan trong kim loại hàn lỏng đặc biệt là khi ở nhiệt độ cao nó dãn nở rồi di chuyển với tốc độ tương đối cao, có hiệu quả bảo vệ vũng hàn nóng chảy.

Khí CO2 được sử dụng trong công nghệ hàn MAG — Khí cacbonic được sử dụng trong công nghệ hàn MIG / MAG

Bình cứu hỏa

CO₂ được nén với áp lực cao trong bình chữa cháy, dùng để dập tắt các đám cháy nhỏ mới phát sinh, đám cháy trong phòng kín, buồng hầm. Khí CO₂ sẽ làm loãng nồng độ Oxy trong vùng cháy, khiến đám cháy không đủ Oxy để cung cấp sự cháy, đồng thời khí CO₂ ở nhiệt độ cực thấp -70°C khi phun ra sẽ thu nhiệt xung quanh làm giảm nhiệt độ vùng cháy.
Bình chữa cháy carbon dioxide có hiệu quả tốt trên các đám cháy điện, đám cháy chất rắn và chất lỏng nhỏ dễ cháy, nhưng không hiệu quả trên các đám cháy thông thường, vì khi carbon dioxide phân tán, nguồn cháy có thể bắt lửa khi tiếp xúc với oxy trong khí quyển .

CO₂ siêu tới hạn làm dung môi

Carbon dioxide lỏng là một dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ ưa béo. Nó được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến dược phẩm và hóa chất khác như một chất thay thế ít độc hại hơn cho các dung môi truyền thống như organochloride. CO₂ lỏng được sử dụng để điều chế một số aerogel vì các đặc tính của carbon dioxide siêu tới hạn.
Nó được sử dụng trong quá trình sấy siêu tới hạn một số sản phẩm thực phẩm và vật liệu công nghệ, trong việc chuẩn bị các mẫu vật để quét bằng kính hiển vi điện tử và trong quá trình khử caffein của hạt cà phê

Y tế

Trong y học, CO₂ có thể được thêm vào oxy để tăng nồng độ CO₂ lên đến 5% gấp 130 lần nồng độ khí quyển, để kích thích hô hấp sau khi nạn nhân ngừng thở và để ổn định nồng độ O₂/CO₂ cân bằng trong máu.
CO₂ có thể được trộn với 50% ôxy, tạo thành một loại khí có thể hít vào được. Chất này được gọi là Carbogen, có nhiều mục đích sử dụng trong y tế và nghiên cứu.
Một ứng dụng y tế khác là mofette – phương pháp spa khô sử dụng carbon dioxide thu được từ núi lửa cho mục đích trị liệu.
Laser CO₂ sử dụng trong nha khoa, thẩm mỹ …
- Xem thêm: Tìm hiểu về Laser CO2

Năng lượng

CO₂ siêu tới hạn được sử dụng làm chất lỏng hoạt động trong các động cơ sử dụng chu trình Allam.
Các nhà khoa học đã phát triển một quá trình sử dụng các enzym được phân lập từ vi khuẩn để cung cấp năng lượng cho các phản ứng hóa học chuyển CO₂ thành nhiên liệu. CO₂ được sủi bọt vào các hồ chứa để kích thích sự phát triển của tảo, sau đó có thể được chuyển hóa thành nhiên liệu diesel sinh học. Một dòng vi khuẩn lam Synechococcus elongatus đã được biến đổi gen để sản xuất nhiên liệu isobutyraldehyde và isobutanol từ CO₂ bằng cách sử dụng quá trình quang hợp.

Khai thác nhiên liệu hóa thạch

Carbon dioxide được sử dụng trong việc khai thác dầu khi nó được bơm vào các giếng dầu, thường là trong điều kiện siêu tới hạn. Nó hoạt động như một khí điều áp và khi hòa tan vào dầu thô dưới lòng đất nó làm giảm đáng kể độ nhớt của dầu, cho phép dầu chảy nhanh hơn, chiết xuất dễ dàng hơn, nhiều hơn.
Trong quá trình khai thác khí mê-tan, carbon dioxide được bơm vào vỉa than sẽ chiếm không gian lỗ rỗng và cũng hấp thụ vào cacbon trong than, cho phép tăng cường khả năng khai thác khí.

Một số ứng dụng khác

Tạo môi trường trong ống dẫn laser.
Bơm vào các bể bơi để giảm độ pH.
Dùng làm mát trong các lò phản ứng.
Vệ sinh bề mặt máy móc bằng đá khô.
Làm chất đẩy trong các lon khí dung.
Sử dụng trong các thiết bị giặt khô.
…

4. Sản xuất khí CO₂

Trong tự nhiên:

CO₂ được sinh ra từ hoạt động hô hấp hoặc phân hủy của sinh vật, quá trình phong hóa của đá cacbonat, nạn phá rừng và cháy rừng hay hoạt động phun trào của núi lửa.

Trong phòng thí nghiệm:

Điều chế CO₂ bằng đá vôi CaCO₃ và dung dịch HCl

- CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

Thí nghiệm điều chế CO2 — Thí nghiệm điều chế CO₂

Sản xuất công nghiệp:

CO₂ có thể được chưng cất từ không khí, nhưng đây là phương pháp tốn kém và không hiệu quả.
Vì vậy, CO₂ thường được sản xuất từ những khí sinh ra trong quá trình lên men rượu bia, phân hủy chất béo, sản xuất hóa chất như amoniac, tổng hợp methanol hoặc từ khói của các nhà máy đốt than công nghiệp.
Phương pháp sản xuất CO₂ thương mại hiệu quả nhất là từ amoniac. Phần lớn amoniac được sử dụng trong nông nghiệp, khoảng 80% amoniac được sản xuất trên thế giới được sử dụng làm phân bón thực vật. Nó được sản xuất bằng cách đốt khí tự nhiên để tách nguyên tử cacbon và hydro. Hydro sau đó được kết hợp với nitơ để tạo ra amoniac. Các nguyên tử cacbon có thể kết hợp với oxy để tạo ra CO₂ như một sản phẩm phụ.
Người ta thu khí CO₂ vào các bình sơn đen có chữ màu vàng, nếu được phân phối với số lượng lớn thì nó sẽ được lưu trữ trong các tec chứa siêu lạnh.

bình khí công nghiệp — bình khí CO₂ thường được sơn màu đen

5. Lưu ý khi sử dụng

Mặc dù khí CO₂ không độc hại, nhưng nồng độ CO₂ quá cao sẽ ảnh hưởng tới hệ hô hấp của con người, có thể dẫn tới tình trạng ngạt thở trong không gian kín.
Trong quá trình sử dụng CO₂ lỏng cần gắn thêm bộ phận sấy nhiệt ở van để tránh tình trạng đóng băng van bịt kín đường cấp khí.
Khi vận chuyển lưu ý nên để bình nằm ngang, van chai quay về 1 phía, phía dưới và giữa các chai có đệm lót, phía trên có mái che, cách xa các nguồn nhiệt và tránh va đập.
Nên sử dụng khí CO₂ một cách hợp lý, hạn chế thải ra quá nhiều khí CO₂ vào môi trường, làm trầm trọng hơn hiện tượng hiệu ứng nhà kính nóng lên toàn cầu.

Sử dụng CO2 hợp lý để hạn chế tình trạng biến đổi khí hậu trên toàn cầu — Sử dụng CO₂ hợp lý để hạn chế tình trạng biến đổi khí hậu trên toàn cầu

- Xem thêm: Tại sao phải cân trọng lượng CO2 khi nạp

6. Tình trạng khan hiếm khí CO₂ công nghiệp

Vì khí CO₂ công nghiệp là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phân bón và đốt nhiên liệu, vì vậy sự sụt giảm hoạt động thương mại trong các lĩnh vực này có tác động trực tiếp tới sản lượng CO₂.
Các yếu tố khác nhau trên toàn cầu đã kết hợp với nhau để tạo ra “một cơn bão hoàn hảo“, từ thiên tai, đại dịch tới những căng thẳng chính trị tại các quốc gia cung cấp khí đốt, đã khiến giá nhiên liệu tăng vọt kể từ sau đại dịch. Khí đốt chiếm từ 80 đến 90% trong chi phí sản xuất amoniac, vì vậy nhiều nhà máy sản xuất phân bón trên toàn cầu đã phải cắt giảm sản lượng hoặc ngừng sản xuất. Điều đó đồng nghĩa với việc nguồn cung CO₂ trên toàn cầu cũng bị cắt giảm nghiêm trọng.
Ngoài ra, nhu cầu sử dụng CO₂ ngày càng tăng cao cũng khiến cho nguồn cung CO₂ khó đáp ứng kịp.

7. Địa chỉ cung cấp khí CO₂ công nghiệp

Tuỳ vào mục đích sử dụng cụ thể mà khách hàng lựa chọn khí CO₂ có độ tinh khiết khác nhau:

- Khí CO₂ 2.8 có độ tinh khiết 99.8%
- Khí CO₂ 3.0 có độ tinh khiết: 99.9%
- Khí CO₂ 5.0 có độ tinh khiết: 99.999%

bình khí công nghiệp tại công ty Khí Công Nghiệp Hỷ Vân — bình khí CO₂ công nghiệp tại công ty Khí Công Nghiệp Hỷ Vân

Công ty khí công nghiệp Hỷ Vân chuyên cung cấp khí CO₂ công nghiệp uy tín hàng đầu, chúng tôi chuyên sản xuất, chiết nạp, bán lẻ khí CO₂ tinh khiết, khí CO₂ công nghiệp chất lượng cao.
Quý khách hàng có nhu cầu đặt hàng có thể liên hệ số điện thoại 0969.690.155 để được tư vấn trực tiếp, miễn phí!