二氧化碳

一、基本性质

1. 物理性质
   • 常温常压下为无色、无味气体，密度约为空气的 1.5 倍（1.98 kg/m³），易溶于水（生成碳酸），加压降温可液化成液态二氧化碳或凝固为固态干冰（熔点 - 56.6℃，升华点 - 78.5℃）。
   • 干冰直接升华时吸收大量热量，可作天然制冷剂，且无残留液体，常用于低温场景。
2. 化学性质
   • 不可燃、不助燃，能抑制多数物质燃烧（但镁等活泼金属可在 CO₂中燃烧）。
   • 属于酸性氧化物，可与碱反应生成碳酸盐（如 CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O），也可参与光合作用（生态循环中的关键角色）。
   • 在高温或催化剂作用下可参与化学反应，如与氢气合成甲醇（CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O）。

二、主要用途

1. 化工与冶金行业

• 生产碳酸盐：用于制造碳酸钠（纯碱）、碳酸氢钠（小苏打）、碳酸钙等，广泛应用于玻璃、造纸、纺织、洗涤剂生产。
• 合成化工原料：作为碳源参与尿素、水杨酸、甲醇等合成（如尿素生产中 CO₂与氨反应生成氨基甲酸铵，再分解为尿素）。
• 金属加工保护气：在某些金属铸造或热处理工艺中，通入 CO₂可调节炉内气氛，防止金属氧化（但不如氩气常用）。

2. 食品与饮料工业

• 碳酸饮料制备：将 CO₂加压溶于水形成碳酸，赋予饮料气泡口感（如可乐、汽水）。
• 食品保鲜与包装：
  • 作为气调保鲜剂，抑制食品中微生物生长（如充入 CO₂的包装用于果蔬、肉类保鲜）。
  • 干冰用于食品冷冻运输（如冰淇淋、生鲜冷链），兼具制冷和隔氧效果。
• 啤酒酿造：发酵过程中产生的 CO₂可回收利用，用于啤酒碳酸化。

3. 焊接与消防领域

• 二氧化碳气体保护焊（CO₂焊）：
  以 CO₂作为保护气，隔绝空气防止焊接熔池氧化，适用于低碳钢、低合金钢的焊接，成本低于氩气保护焊（但高温下 CO₂会分解为 CO 和 O₂，可能导致焊缝渗碳，需配合脱氧焊丝使用）。
• 灭火系统：
  利用 CO₂的窒息性和冷却作用，用于扑灭电气火灾、精密仪器火灾（如数据中心、档案馆），但不适用于活泼金属（如镁、钠）火灾。

4. 能源与环保技术

• 油田驱油（EOR）：向油藏注入 CO₂，提高原油流动性，增加采收率（同时实现 CO₂封存，减少碳排放）。
• 干冰清洗：干冰颗粒高速喷射时升华吸热，使污垢冷冻脆化并脱落，用于清洗模具、机械设备（无二次污染，替代传统化学清洗）。
• 碳捕捉与封存（CCS/CCUS）：从工业废气中捕获 CO₂，用于提高石油采收率、生产建材（如碳酸化混凝土）或封存于地下，助力碳中和目标。

5. 其他工业应用

• 医药与农业：
  • 低温冷冻（如冻存细胞、组织）；
  • 温室大棚中作为气肥，促进植物光合作用（提高 CO₂浓度至 800~1500 ppm 可增产）。
• 烟草加工：用液态 CO₂萃取烟草中的尼古丁，实现低焦油卷烟生产。
• 纸浆处理：在造纸工艺中用于调节 pH 值，或与氢氧化钠反应生成碳酸钠（回收制浆化学品）。

三、制备方法

1. 石灰石煅烧副产

• 原理：高温煅烧石灰石（CaCO₃ → CaO + CO₂↑），该反应是水泥生产的核心过程，副产的 CO₂经净化、压缩后可收集利用。
• 特点：产量大，成本低，但需配套水泥或石灰生产线。

2. 发酵过程回收

• 来源：酿酒（葡萄糖发酵生成乙醇和 CO₂）、制糖、味精生产等微生物发酵工序中产生的 CO₂，经水洗、干燥后提纯。
• 应用：食品级 CO₂的主要来源之一（如饮料行业），需进一步去除乙醇、异味等杂质。

3. 化工副产物回收

• 合成氨 / 甲醇工业：在煤气化或天然气重整制氢过程中，产生含 CO₂的混合气（如变换反应 CO + H₂O → CO₂ + H₂），通过变压吸附（PSA）或化学吸收（如胺法）分离 CO₂。
• 钢铁冶炼：高炉煤气中含约 15%~20% 的 CO₂，可通过除尘、脱硫后回收。
• 石化行业：炼油厂催化裂化、乙烯生产等过程中副产 CO₂。

4. 空气分离法（非主流）

• 通过低温精馏或吸附法从空气中分离 CO₂，但因空气中 CO₂浓度低（约 0.04%），成本较高，仅用于特殊需求（如高纯度 CO₂制备）。

5. 直接燃烧法（特殊场景）

• 燃烧碳氢燃料（如天然气）生成 CO₂（CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O），适用于需要高纯度 CO₂且无副产来源的场景（如实验室或小型装置）。

四、安全注意事项

1. 窒息风险
   • CO₂本身无毒，但属于惰性窒息性气体，在密闭空间中浓度过高会稀释氧气。当空气中 CO₂浓度超过 **5%时，可能引发头痛、呼吸困难；超过10%** 时，会导致昏迷甚至死亡（需配备氧气浓度监测设备，确保通风）。
2. 低温与压力危害
   • 液态 CO₂温度约 - 48℃，接触皮肤会导致冻伤；干冰直接接触皮肤可能造成严重冻裂，操作时需戴防护手套和护目镜。
   • 压缩 CO₂钢瓶或低温储罐若遇高温、撞击，可能因压力骤升引发爆炸，需存放于阴凉通风处，远离火源和热源。
3. 环境影响
   • 高浓度 CO₂排放加剧温室效应，工业应用中需注意回收利用（如 CCUS 技术），或通过环保审批确保排放合规。
4. 储存与运输
   • 气态 CO₂：充装于高压钢瓶（黑色钢瓶，标识 “二氧化碳”），压力通常为 5~15 MPa。
   • 液态 CO₂：储存于绝热低温储罐（温度 - 20℃以下，压力 2~3 MPa），运输时需防泄漏。
   • 严禁与可燃气体（如氢气、乙炔）混装，搬运时避免滚动或撞击钢瓶。

五、标准与环保趋势

• 工业标准：中国《工业液体二氧化碳》（GB/T 6052-2011）规定了工业级 CO₂的纯度（≥99.0%）、杂质限值（如油分≤5 mg/kg、气味检测无异味）等指标。
• 环保技术：随着碳中和目标推进，工业 CO₂的资源化利用（如制甲醇、可降解塑料）和封存技术（如咸水层封存）成为发展重点，推动 “负碳工业” 转型。

六、历史与发展

二氧化碳的工业应用可追溯至 19 世纪：

• 1823 年，英国科学家法拉第发现液化 CO₂；
• 20 世纪初，CO₂开始用于食品冷藏和灭火；
• 二战后，随着化工和焊接技术发展，工业 CO₂需求激增；
• 近年来，碳捕捉技术的兴起赋予 CO₂新角色，从 “工业废气” 转变为 “可利用资源”。

工业用二氧化碳以其多功能性和低成本特性，成为现代工业不可或缺的基础材料。未来，随着环保技术的进步，其在循环经济和低碳产业中的价值将进一步凸显。