Основные области применения углекислого газа (диоксида углерода, CO2): карбонизация напитков, производство сельхозпродукции, охлаждение и заморозка продуктов, противопожарная защита объектов, сварка в среде защитных газов. Это те отрасли, где применение углекислого газа является важным фактором, влияющим на качество и свойства продукта или эффективность реализуемой технологии.
Карбонизация напитков
Для газирования напитков необходим газообразный диоксид углерода. При добавлении CO2 в воду происходит его химическая реакция с молекулами воды, в результате чего образуется некоторое количество угольной кислоты (H2CO3). Освежающий эффект безалкогольных напитков обусловлен наличием в их составе растворённого углекислого газа и органических кислот, например, лимонной. В зависимости от степени насыщения углекислым газом напитки могут быть негазированными, сильно, средне и слабогазированными.
Газирование напитков производят насыщением их углекислым газом в специальных установках — сатураторах. Насыщение воды CO2 делает напиток шипучим, придаёт ему искристость и приятный пикантный вкус.
Для карбонизации напитков большинство предприятий покупают жидкий диоксид углерода, хотя при производстве пива (брожении) выделяется достаточно много CO2, который можно собирать и после очистки использовать для газирования напитков.
Производство сельхозпродукции (Подкормка растений)
Потребителями углекислого газа являются производители сельскохозяйственной продукции.
Дефицит СО2 представляет собой более серьёзную проблему, чем дефицит элементов минерального питания. В среднем растение синтезирует из воды и углекислого газа 94 % массы сухого вещества, остальные 6 % обусловлены влиянием минеральных удобрений. В грунтовых теплицах дополнительным источником углекислого газа является грунт, в который добавляют торф, солому или опилки.
Овощеводы рассматривают подкормку углекислым газом в течение всего периода выращивания растений — от появления всходов до прекращения вегетации — как обязательный элемент современной интенсивной технологии выращивания томатов, огурцов и сладких перцев.
Прирост биомассы зелёных культур при подкормках СО2 существенно увеличивается. К примеру, урожайность салата повышается на 40 %, созревание ускоряется на 10 — 15 дней. Подкормка цветочных культур в теплицах также высоко эффективна, поскольку значительно повышает качество и выход продукции по некоторым данным до 20 — 30 %.
За счёт увеличения содержания углекислого газа в воздухе теплицы можно добиться снижения содержания нитратов в овощах, выращиваемых в зимнее время. Подкормки СО2 в условиях холодного климата России особенно выгодны, так как повышенная его концентрация частично компенсирует недостаток освещённости зимой.
Охлаждение и заморозка продуктов
Наряду с жидким азотом жидкий диоксид углерода наиболее подходит для прямого контактного замораживания различных видов продуктов. Как контактный хладагент он привлекателен дешевизной, химической инертностью и термической стабильностью, не вызывает коррозию, не горюч, не опасен для персонала.
Использование СО2 в контактных скороморозильных аппаратах даёт ряд принципиальных преимуществ по сравнению с традиционными технологиями заморозки: время заморозки сокращается до 5 — 30 мин.; быстро прекращается ферментативная активность в замораживаемом 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 диоксидом углерода они просто не успевают развиться; потери массы продукта в результате усушки составляют всего 0,3 — 1 % против 3 — 6 %; легко улетучивающиеся ценные ароматические вещества сохраняются в больших количествах.
По сравнению с замораживанием жидким азотом при использовании диоксида 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 поэтому во время размораживания защищает его от окисления и развития микроорганизмов.
Плоды и овощи, подвергнутые быстрой заморозке и фасовке на месте, наиболее полно сохраняют вкусовые качества и питательную ценность, все витамины и биологически активные вещества, что даёт возможность широко применять их в производствах продуктов для детского и диетического питания.
Часто диоксид углерода используется для быстрого охлаждения свежих пищевых продуктов в упакованном и неупакованном виде до 2 — 6 °С, что улучшает естественный цвет продукта вследствие небольшой диффузии СО2 внутрь продукта. Кроме этого, значительно увеличивается срок хранения продуктов, так как СО2 подавляет развитие как аэробных, так и анаэробных бактерий и плесневых грибков.
В холодильной промышленности СО2 применяется в качестве альтернативного хладагента. Диоксид углерода является эффективным хладагентом, поскольку имеет низкую критическую температуру (+31,1 °С), сравнительно высокую температуру тройной точки (-56 °С), большое давление в тройной точке (0,5 МПа) и высокое критическое давление (7,39 МПа). Как хладагент СО2 обладает следующими преимуществами: очень низкая стоимость по сравнению с другими хладагентами; нетоксичен, не горюч и невзрывоопасен; совместим со всеми электроизоляционными и конструкционными материалами; не разрушает озоновый слой; вносит (удельно) умеренный вклад в увеличение парникового эффекта по сравнению с современными галоидопроизводными хладагентами.
Противопожарная защита объектов
Углекислый газ широко применяется для заправки огнетушителей, противопожарных модулей и других средств пожаротушения.
Практически все здания банков имеют компьютерные залы, серверные помещения и хранилища ценностей, которые по нормам требуется защищать установками пожаротушения. Наиболее приемлемый вариант — установки газового пожаротушения (УГП) с использованием СО2. Причин тому несколько. Так, после ликвидации пожара или несанкционированного пуска установки пожаротушения газовое огнетушащее вещество (будь то чистый СО2 или смеси инертных газов) в отличие от воды, пены, порошка и газоаэрозоля практически не оказывает вредного воздействия на электронное оборудование и другие ценности. Порошок или газоаэрозоль, применяемые в системах пожаротушения, могут вывести из строя оборудование, так как в них входят соли щёлочноземельных металлов.
Применение хладагентов в установках газового пожаротушения сдерживает их высокая стоимость по сравнению с установками водяного, пенного, порошкового и газоаэрозольного пожаротушения. Хотя до настоящего времени именно хладагенты применялись в УГП для защиты радио- и электронного оборудования, так как считалось, что углекислый газ оказывает на эту технику отрицательное воздействие. Исследования показателей радио- и электронной аппаратуры, включающие многомесячное наблюдение за ней, позволили установить, что углекислый газ, используемый для ликвидации пожара в помещении из модулей пожаротушения, не влияет на её работоспособность.
Сварка в среде защитных газов
Сварка в среде защитных газов сегодня применяется практически для всех металлов, включая углеродистую и нержавеющую стали, алюминий, медь и титан. Теплотой дуги расплавляется основной металл и проволока или присадочный пруток, если сварку выполняют неплавящимся электродом. Расплавленный металл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует шов. При сварке в зону дуги непрерывно подаётся защитный газ. В качестве защитных газов применяют углекислый газ (CO2) и инертные газы, такие как аргон (Ar), гелий (He) и их смеси: Ar+He, Ar+CO2, Ar+O2, CO2+O2, Ar+H2 и др.
Изначально наибольшее распространение получила сварка в среде CO2. Такой способ является самым дешёвым при сварке углеродистых и низколегированных сталей.
Дальнейшим этапом повышения эффективности сварки при изготовлении сварных металлоконструкций стало применение газовых смесей на основе углекислого газа (CO2) и аргона (Ar). Предлагаемые технологии сварки в смесях с использованием CO2 и аргона позволяют значительно улучшить, в сравнении со сваркой в CO2, технологические параметры процесса сварки.
Сварочные смеси на основе углекислого газа являются наиболее распространёнными среди смесей, применяемых для сварки углеродистых конструкционных сталей.