Gheața carbonică, cunoscută și ca „dry ice”, este forma solidă a dioxidului de carbon (CO₂) și se remarcă prin proprietatea de a sublima direct în gaz, fără a lăsa reziduuri lichide. Este indispensabilă în industrii precum transportul frigorific, medicina și divertismentul. În acest articol, vei descoperi pas cu pas cum se produce gheața carbonică, de la captarea CO₂ până la formarea finală. Vrei să înțelegi știința din spatele fumului spectaculos și a refrigerării ultra-eficiente? Citește mai departe și descoperă cum se fabrică această substanță fascinantă!
Fundamente științifice
Pentru a înțelege cum poate fi produsă gheața carbonică, trebuie să explorăm comportamentul termodinamic al CO₂: cum trece între stări, ce proprietăți are, și ce condiții sunt necesare pentru solidificare.
Proprietăți fizice ale CO₂ și punctul de sublimare
CO₂ are comportament particular, deoarece la presiunea atmosferică standard (≈ 1 atm) nu există fază lichidă — trece direct între starea solidă și cea gazoasă.
- Temperatura de sublimare (la 1 atm): aproximativ ‑78,5 °C (194,7 K).
- Căldura latentă de sublimare: ~ 571 kJ/kg (pentru conversia solid → gaz)
- Densitatea gheții carbonice depinde de modul de compactare, dar blocurile dense pot avea ~ 1,5 – 1,6 g/cm³ sau mai mult, iar peleti mai “porosi” pot fi ~ 60‑70 % din densitatea blocurilor.
Un aspect interesant: în atmosfera terestră, concentrația CO₂ este prea scăzută pentru ca, la −78,5 °C, să apară depozit de CO₂ (zăpadă de CO₂). Pentru ca CO₂ să “plouă” sub formă de cristale, ar trebui o presiune CO₂ de 1 atm, ceea ce nu este cazul în aer (deoarece restul componentelor atmosferice domină).
Diferența între gheața obișnuită și gheața carbonică
| Caracteristică | Gheață (apă) | Gheață carbonică (CO₂ solid) |
| Fază intermediară | există lichid: apă → gheață → apă | nu există lichid la 1 atm; trece direct solid ↔ gaz |
| Temperatură de transformare | 0 °C (la 1 atm) | ‑78,5 °C (sublimare la 1 atm) |
| Reziduuri după schimbare de fază | apă lichidă sau vapori | doar gaz CO₂ — nu rămâne lichid |
| Utilitate | răcire moderată | răcire intensă, efect “uscat”, zero umezeală |
Avantajul gheții carbonice este că, pe lângă faptul că este mult mai rece decât gheața hidrică, nu lasă urme lichide și, la transformare, tot ce rămâne este gaz CO₂, care se dispersează.
Conceptul de sublimare și depunere (solidificare directă)
Sublimare (solid → gaz)
Sublimarea este procesul prin care un solid trece direct în stare gazoasă, fără a avea o fază lichidă intermediară. Gheața carbonică se sublimează la −78,5 °C la presiune atmosferică. Procesul necesită energie (căldură latentă).
Când gheața carbonică atinge suprafața sau un mediu mai cald, ia căldură din mediul ambiant, transformându-se în CO₂‑gaz. Acest fenomen crește brusc volumul — din solid mic la gaz expansiv.
Un efect spectaculos: la sublimare, volumul CO₂ gaz crește de aproximativ 700 de ori față de volumul solid inițial.
Depunere (gaz → solid)
În procesul de producție, se folosește fenomenul opus: gaz CO₂ este supus unor condiții de presiune și temperatură (prin expansiune controlată) astfel încât să “cade” sub formă de zăpadă de CO₂ (microparticule solide). Această zăpadă este apoi compactată pentru a obține forma solidă stabilă.
Trebuie să menționăm că punctul de tranziție (temperatura de sublimare/depunere) depinde de presiunea parțială a CO₂ — la presiuni mai mici, temperatura la care apare transformarea directă se schimbă.
Materii prime și captare CO₂
Pentru a produce gheață carbonică, primul pas este obținerea CO₂ pur, într‑o formă concentrată, suficient de curată pentru a nu introduce impurități care să compromită solidificarea sau proprietățile gheții.
Sursele de dioxid de carbon (CO₂)
CO₂ pentru utilizare industrială derivă în mare parte din următoarele surse:
- Procese industriale fixe (point sources) — centrale termice, combinate cu producția de hidrogen, ciment, oțel, chimicale, fermentare (etanol etc.).
- Fabrici de etanol și bio‑procesare — concentrația de CO₂ este relativ ridicată, deci captarea este mai eficientă.
- Captare directă din aer (Direct Air Capture, DAC) — tehnologie emergentă care extrage CO₂ din atmosfera globală (~ 420 ppm), dar la costuri energetice mari.
- Gaze reziduale din procese chimice — ca de exemplu în industria petrochimică, producția de amoniac etc.
De exemplu, tehnologia DAC „Mammoth” din Islanda are o capacitate estimată la 36 000 tone CO₂ pe an și este una dintre cele mai mari instalații comerciale la momentul actual.
Purificarea CO₂ (eliminarea impurităților)
CO₂ brut extras din surse industriale conține impurități precum SO₂, NOx, vaporii de apă, hidrocarburi, particule, O₂, N₂ etc. Acestea trebuie îndepărtate deoarece pot afecta solidificarea sau pot genera compuși inestetici sau instabili în gheață.
Tehnici de purificare comune
- Absorbție chimică (amine scrubbing) — seruri cu monoetanolamină (MEA) sau alți amini care absorb CO₂; apoi se recuperează CO₂ prin încălzire.
- Absorbție fizică / presiune „scrubbing” — utilizarea de soluții lichide sau materiale care absorb CO₂ în funcție de presiune.
- Adsorbție / materiale solide (zeoliți, MOF-uri, carbon poros) — CO₂ este reținut pe suprafața solidă și apoi eliberat prin schimbări de presiune sau temperatură.
- Procese catalitice și oxidare / fragmentare a impurităților — pentru îndepărtarea hidrocarburilor, NOx, compuși sulfurici etc.
Un studiu recent comparam șase scheme principale de purificare și optimizare a unităților de CO₂ folosind simulări (Aspen Plus), evaluând parametrii energetici și eficiența.
Compresia și răcirea pentru lichifiere
După purificare, CO₂ trebuie comprimat și răcit pentru a-l transforma în stare lichidă (pentru a putea fi manipulat eficient și solidificat ulterior). Procesul tipic:
- Compresie în trepte — comprimarea la presiuni de câteva zeci până la sute de bari, de obicei prin compresoare multicompresor.
- Răcire intermediară — răcire parțială între etape pentru a îndepărta căldura generată de compresie.
- Condensare / lichifiere — răcirea finală până la temperatura de lichifiere (~ – 20…– 40 °C la presiuni ridicate, în funcție de condițiile de proiect)
- Stocare criogenică — CO₂ lichid este păstrat sub presiune în recipiente izolate (termic) până la etapa de expansiune controlată.
- Recuperare gaz rezidual — orice CO₂ care nu se solidifică (în procesul de expansiune) poate fi recuperat, recondiționat și reintegrat în fluxul principal.
Companiile de inginerie oferă instalații specializate de purificare și lichifiere CO₂ adaptate volumului și standardului de puritate necesar.
Procesul de transformare în gheață carbonică
Acum că avem CO₂ purificat și lichid, urmează faza critică în care lichidul este transformat în zăpadă de CO₂ și apoi compactat în forme utile.
Expansiunea rapidă și formarea zăpezii de CO₂
Cea mai răspândită metodă industrială implică expansiunea rapidă a CO₂ lichid într-o cameră de expansiune la presiune redusă:
- Lichidul CO₂ este injectat sub presiune într‑o cameră specială sau orificiu calibrat. În momentul în care presiunea scade brusc, o parte din CO₂ se evaporează instantaneu (flash evaporation), absorbând căldură și generând un efect de răcire intensă.
- Temperatura scade suficient astfel încât restul CO₂ lichid să “înghețe” sub formă de particule fine — acest fenomen este transformarea lichid → zăpadă de CO₂ (solidificare directă sau “depusiune”)
- Din analiza fazelor: dacă alimentarea este făcută cu lichid CO₂, se obține un procent semnificativ de zăpadă (în unele cazuri până la ~ 45 % din masă). Dacă alimentarea începe din gaz cu nucleație de lichid, doar ~ 6 % se transformă în zăpadă.
- Dimensiunea particulelor, debitul prin orificiu, designul nozzle-ului și condițiile termodinamice (entropie, entalpie) determină eficiența conversiei și mărimea zăpezii.
Această zăpadă este moale și aerisită — are densitate scăzută inițial.
Recuperarea gazului care nu se solidifică
Nu tot CO₂ lichid se transformă în zăpadă — o parte rămâne sub formă gazoasă. Este esențial pentru eficiență și economie să recuperezi acest gaz:
- Gazul rămas este captat, comprimat din nou, purificat dacă e cazul și reinjectat în circuit (proces ciclic).
- Acest sistem de recuperare reduce pierderile și costurile cu materia primă.
Colectarea zăpezii de CO₂
Odată generată, zăpada de CO₂ trebuie colectată și pregătită pentru compactare:
- Zăpada este condusă către zone de colectare, în tuburi izolate sau camere separate.
- Se evită contaminarea cu aer sau umezeală care ar putea provoca formarea de cristale de gheață apoasă sau incluziuni.
- Un studiu de pe ScienceDirect discută cum particulele (zăpada fină) se agregă (“agglomeration”) înainte de compactare: particulele mici se lipesc sub influența presiunii / compactării, formând structuri mai mari.
Compresia și modelarea finală
Procesul de compactare transformă zăpada de CO₂ într-un produs solid dens și stabil (bloc, pelet, granule etc.):
Compresarea / presarea
- Zăpada este introdusă într‑o presă hidraulică sau mecanică care o comprimă la presiuni mari.
- Aceasta elimină spațiile de aer și crește densitatea. Blocurile dense pot atinge ~ 1,5‑1,6 g/cm³, iar peletii compacți pot ajunge la 60‑70 % din densitatea blocurilor.
Extrudere / matrițe / pelletizare
- Pentru formatele pellet (de obicei diametru 3 mm, 10–16 mm sau alte mărimi), zăpada comprimată este forțată prin matrițe (extrudere) care îi dau forma cilindrică.
- Pentru blocuri, pasta de zăpadă este turnată în matrițe rigide și presată până la consolidare completă.
Controlul densității și calității
- Pentru aplicații sensibile (ex: industrie farmaceutică), densitatea, porozitatea și uniformitatea sunt controlate riguros.
- Blocurile mari au avantajul că se sublimă mai încet (raport suprafață / volum mai mic), ceea ce le face mai utile pentru transport.
- Peletii, datorită suprafeței mari raportate la volum, se sublimă mai rapid, dar sunt versatili pentru aplicații ce necesită dozare fină.
Aspecte operaționale: rate și capacități
- Un producător precum Kelly Dry Ice poate produce ~ 30 000 lbs (~ 13,6 tone) de gheață carbonică pe zi la unitatea sa.
- Eficiența procesului depinde de echipamente, condițiile de temperatură și designul fluxurilor pentru recuperare.
- Pierderile prin sublimare trebuie minimizate prin izolarea termică a instalațiilor și planificarea rapidă a ambalării.
Echipamente și utilaje implicate
Pentru a transforma CO₂ în gheață carbonică și a o modela în formate utile, este nevoie de o serie de utilaje specializate. Alegerea, dimensionarea și întreținerea acestora sunt cruciale pentru eficiența producției și calitatea produsului final.
Rezervoare criogenice și sisteme de stocare CO₂ lichid
- CO₂ lichid (după purificare și compresie) este păstrat în rezervoare criogenice sub presiune, bine izolate termic, pentru a limita pierderile prin evaporare.
- Aceste rezervoare trebuie să suporte presiuni de ordin zeci până la sute de bari, în funcție de sistemul de livrare.
- Materialele folosite sunt de obicei oțel inoxidabil sau aliaje speciale, cu strat interior izolator (ex: izolație cu vid, perlită uscată etc.).
- Este necesar un sistem de echilibrare a presiunii (supape de siguranță, supape de eliberare) și instrumente de măsură pentru temperatură și presiune.
Camere de expansiune / supape criogenice
- Expansiunea rapidă a CO₂ lichid într-o cameră de expansiune sau prin supape speciale este partea critică pentru generarea “zăpezii” de CO₂.
- Supape criogenice calibrate permit controlul presiunii și debitului, astfel încât să se atingă condițiile termodinamice necesare pentru solidificare.
- Camera de expansiune poate avea forme adaptate pentru optimizarea fluxului, racordări pentru evacuarea gazului rezidual și evitarea cavitațiilor sau turbulențelor excesive.
Presă / presa de blocuri
- Pentru producerea blocurilor mari de gheață carbonică, zăpada de CO₂ este introdusă într-o presă hidraulică care exercită forță mare pentru compactare.
- Presa trebuie să fie rigidă și să opereze la temperaturi criogenice, cu lubrifiere specială și materiale compatibile cu CO₂ solid.
- Matrițele (forme) pot varia în dimensiune și grosime (ex: blocuri de 10 mm – 210 mm grosime, conform unor linii de producție).
- De exemplu, presă CO₂ Dry Ice Press DIP 0200, produsă de Union Engineering, este destinată producției continue de blocuri, și este dotată cu turn de zăpadă, matrițe și panou operator.
Pelletizare / extrudere / mașini de granule
- Pentru producția de peleti (granule cilindrice), se folosește paletizatorul (pelletizer), care extrudează zăpada comprimată prin matrițe.
- Diametre comune pentru peleti: 3 mm, 6 mm, 10 mm, 16 mm, în funcție de aplicație.
- Capacitatea echipamentelor variază: unele linii industriale oferă de la ~ 50 kg/h până la peste 1 000 kg/h.
- Exemplu: modelul ASCO BP420i produce peleti și plăci cu capacitate între ~ 240 și 400 kg/h și permite comutarea automată prin panou touch, fără schimbarea manuală a matrițelor.
- Echipamente moderne includ tehnologia sub‑cooling (răcire suplimentară) pentru reducerea pierderilor de CO₂ și optimizarea conversiei.
Sisteme de recuperare a gazului și reciclare
- Pentru eficiență, gazul de CO₂ care nu se solidează trebuie captat și reciclat în circuitul de compresie și răcire.
- Acest sistem include compresoare auxiliare, conducte izolate, supape de reglare și purificare minoră.
- În unele instalații, se poate atinge o rată de conversie CO₂ → gheață de ~ 40‑45 %, dar cu recuperare avansată se poate ajunge la ~ 95 %.
Control, automatizare și monitorizare
- Panouri de control (PLC, interfețe operator) permit reglarea parametrilor (presiune, debit, temperatură, viteza matriței).
- Telemetrie și conectivitate (Industry 4.0) fac posibil controlul și monitorizarea de la distanță (ex: la echipamentul ASCO BP420i).
- Senzori de temperatură criogenică, indicatori de presiune, supape de siguranță și sisteme de alarmă sunt esențiale pentru operare sigură și stabilă.
Aspecte practice, siguranță și provocări
Producerea și manipularea gheții carbonice presupun numeroase provocări tehnice și riscuri pentru sănătate, dacă nu sunt respectate proceduri stricte de siguranță. Gheața carbonică, prin natura sa extrem de rece și volatilă, necesită un control atent al mediului, al echipamentelor și al comportamentului uman în timpul operării.
Asfixiere și expunere la concentrații periculoase de CO₂
Principalul pericol asociat gheții carbonice este asfixierea, cauzată de acumularea de dioxid de carbon în spații închise sau slab ventilate. Gheața carbonică, aflată la o temperatură de aproximativ ‑78,5°C, se sublimează rapid la contactul cu aerul, eliberând CO₂ în formă gazoasă. O cantitate de doar 0,45 kg de gheață produce în jur de 250 de litri de gaz. Acest gaz, fiind mai greu decât aerul, tinde să se acumuleze la nivelul solului, unde poate deplasa oxigenul necesar respirației.
Conform studiilor publicate de autoritățile sanitare, o concentrație de 2% CO₂ în aer poate provoca amețeli și disconfort respirator, în timp ce la niveluri de 5–8% pot apărea stări de confuzie, pierderea conștienței și, în cazuri extreme, deces. Cazuri reale au fost documentate în publicații științifice: un bărbat a murit într-un depozit frigorific slab ventilat în care fuseseră introduse mai multe blocuri de gheață carbonică, iar în alt incident, o persoană a leșinat într-un vehicul închis unde se transporta gheață pentru refrigerare. Vezi aici 10 greseli frecvente atunci cand lucrezi cu gheata carbonica!
Leziuni criogenice și arsuri la contactul direct
O altă provocare majoră este pericolul de arsuri prin îngheț. Contactul direct cu gheața carbonică produce leziuni criogenice severe într-un timp foarte scurt. Pielea expusă se poate lipi de suprafața înghețată, distrugând celulele și țesuturile afectate. Aceste leziuni trebuie tratate rapid, cu apă rece, fără a folosi surse de căldură, și necesită adesea îngrijiri medicale specializate. Echipamentele de protecție personală, cum ar fi mănușile izolate criogenic și ochelarii de protecție, devin astfel obligatorii în orice activitate de manipulare.
Riscuri de explozie prin acumulare de presiune
Depozitarea incorectă a gheții carbonice în recipiente etanșe este extrem de periculoasă. Pe măsură ce CO₂ se sublimează, gazul se acumulează, iar presiunea internă crește. Dacă recipientul nu permite eliberarea acestui gaz, se poate produce o explozie violentă. Din acest motiv, se recomandă utilizarea de containere special concepute pentru gheață carbonică, care permit evacuarea sigură și controlată a gazului rezultat.
Pierderea prin sublimare și dificultăți logistice
În practică, una dintre cele mai frecvente probleme este pierderea de masă prin sublimare. Gheața carbonică, chiar și în condiții ideale de izolație, începe să se evapore imediat ce este produsă. Producătorii raportează pierderi zilnice cuprinse între 2% și 10%, în funcție de tipul de ambalaj, temperatura ambientală și timpul de livrare. De asemenea, transportul gheții carbonice ridică probleme de siguranță, întrucât vehiculele trebuie să fie bine ventilate pentru a preveni acumularea de CO₂.
Contaminarea cu impurități și impactul asupra calității
Un alt aspect esențial este controlul calității gheții. Dacă în timpul producției sunt introduse impurități — cum ar fi vapori de apă, particule, oxigen sau azot — structura gheții carbonice poate fi compromisă. Pot apărea incluziuni, porozități sau chiar instabilități mecanice care reduc durata de viață și eficiența produsului în aplicațiile sensibile, precum cele medicale sau alimentare.
Norme de siguranță și bune practici operaționale
Pentru prevenirea accidentelor, toate spațiile de producție și depozitare trebuie să fie ventilate corespunzător și dotate cu senzori de monitorizare a concentrației de CO₂ și oxigen. Aceste sisteme de detecție trebuie să fie conectate la alarme vizuale și sonore care avertizează operatorii în cazul unor depășiri ale pragurilor de siguranță. Este recomandat ca activitățile să se desfășoare în echipe de minimum două persoane, în special în spații închise.
De asemenea, procedurile operaționale standard (SOP) trebuie să includă reguli clare pentru manipularea, ambalarea și transportul gheții carbonice. Recipientele trebuie să permită eliberarea gazului și să fie marcate cu etichete de avertizare vizibilă. Personalul trebuie instruit periodic și să fie familiarizat cu măsurile de prim ajutor în caz de expunere accidentală.
Aplicații și utilizări ale gheții carbonice
Gheața carbonică are un spectru larg de aplicații, de la industrie la divertisment, datorită proprietății sale de a oferi răcire extremă fără reziduuri lichide. Mai jos sunt câteva dintre cele mai importante și inovatoare utilizări:
Refrigerare și transport de produse perisabile
O utilizare clasică a gheții carbonice este menținerea temperaturilor scăzute în transportul alimentelor perisabile (de tip carne, pește, medicamente, vaccinuri). Deoarece se sublimează fără a lăsa apă, nu se formează umiditate care ar putea deteriora ambalajele. În procesele alimentare, se folosește și pentru răcire rapidă (flash freezing), prevenind formarea cristalelor mari de gheață, ceea ce ajută la păstrarea texturii produselor.
În fabrici alimentare, gheața carbonică este adăugată direct în producție pentru a menține temperaturi critice, prevenind creșterea microbiană și degradarea compoziției.
Curățare industrială (dry ice blasting)
O aplicație modernă și eficientă este curățarea prin jet de gheață carbonică (dry ice blasting). În acest proces, peleti de CO₂ sunt propulsați cu aer comprimat asupra suprafețelor murdare. La impact, gheața carbonică se sublimează instantaneu, desprinzând impuritățile fără a lăsa reziduuri. Astfel, nu se generează deșeuri secundare, iar procesul este non‑abraziv, non‑toxică și prietenos cu mediul.
Această metodă este folosită pentru curățarea echipamentelor industriale, a instalațiilor alimentare, a suprafețelor afectate de funingine sau mucegai, precum și în restaurări după incendii.
Efecte speciale, fum teatral și scenografie
Un alt domeniu popular de utilizare este generarea de „fum uscat” pentru spectacole, teatru, Halloween sau concerte. Dacă se plasează gheața carbonică într-un vas cu apă caldă, sublimarea rapidă produce vapori densii care arată ca fum ce plutește la nivelul solului. Această tehnică este folosită pe scară largă în divertisment și special effects.
Utilizări în laboratoare și cercetare
În laboratoare, gheața carbonică este utilizată în băi criogenice (amestecată cu acetona sau alți solvenți) pentru a atinge temperaturi de aproximativ ‑78 ℃, utile în reacții chimice și condensare de solvenți.
De asemenea, în testarea componentelor electronice, se poate aplica gheață carbonică pentru a supune dispozitive la stres termic, testând rezistența la temperaturi extreme.
Controlul dăunătorilor, dezinfecție și conservare
În agricultură sau industria alimentară, gheața carbonică poate fi folosită pentru a controlul dăunătorilor. Sublimarea CO₂ în spații închise poate reduce oxigenul și crea un mediu nefavorabil insectelor precum căpușele, gândacii de bucătărie etc., fără a afecta produsele.
În unele cazuri, se utilizează pentru tratarea unor leziuni cutanate (similar crioterapiei), deși pentru multe dintre aceste aplicații, azotul lichid este mai frecvent folosit, dar gheața carbonică oferă avantajul manipulării mai simple.
Aplicații tehnice speciale
Gheața carbonică servește și în construcții sau inginerie geotehnică: când este injectată sau plasată în strat subteran, poate congela solul sau apa subterană (creând un „bloc de gheață”) și astfel se realizează stabilizarea temporară a terenului pentru săpături subterane. Totodată, în industria auto, blocurile sau peletii de CO₂ pot fi folosiți pentru a răci rapid componente sau pentru a genera contracții controlate (de exemplu, în montarea unor piese cu toleranțe strânse).
Producția gheții carbonice este un proces complex, dar esențial pentru numeroase industrii moderne, de la logistică și medicină, până la curățare ecologică și divertisment.
Întrebări frecvente (FAQ)
Ce temperatură are gheața carbonică?
Gheața carbonică sublimează la –78,5 °C la presiune atmosferică, adică se transformă direct din solid în gaz fără să devină lichid.
Poate fi folosită gheața carbonică pentru alimentare?
Da, dacă CO₂-ul este de calitate alimentară și nu conține impurități, gheața carbonică poate fi folosită pentru refrigerarea produselor alimentare sau transportul de mostre biologice.
Cât timp rezistă un bloc de gheață carbonică fără să se disipeze?
Depinde de dimensiune, izolație și temperatura mediului. Blocurile mari, bine izolate, pot rezista câteva zile cu pierderi minime, în timp ce peletii mici se sublimă mai rapid.
Este sigură gheața carbonică pentru medii închise?
Nu, dacă nu este asigurată ventilație. Sublimarea produce CO₂, care poate înlocui oxigenul și provoca asfixiere. Interiorul trebuie ventilat și monitorizat.
Cum se manipulează gheața carbonică în siguranță?
Se folosește echipament de protecție: mănuși izolate, ochelari, unelte. Nu se atinge direct cu mâna și nu se depozitează în recipiente etanșe.
Poate fi reciclat gazul CO₂ care nu s-a solidificat?
Da, majoritatea instalațiilor eficiente recuperează CO₂-ul rezidual, îl comprimă, purifică și reintroduc fluxului de producție pentru a minimiza pierderile.