Khí CO2 là gì?

a.  Khái niệm:

Khí Cacbon đioxit hay Carbon dioxide hay Đioxit cacbon (Các tên gọi khác: Thán khí, anhidrit cacbonic, khí cacbonic) là một hợp chất trong điều kiện bình thường tồn tại ở dạng khí, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử oxy, có công thức hóa học là CO2 (O=C=O). Ở dạng rắn, nó được gọi là băng khô, đá khô.

Khí CO2 thu được từ nhiều nguồn khác nhau như: sản phẩm thoát ra từ các núi lửa, sản phảm cháy của các hợp chất hữu cơ và nó cũng được thoát ra từ các hoạt động hô hấp của các sinh vật sống hiếu khí, từ sự lên men và sự hô hấp của các tế bào.

b. Tính chất của khí CO2 (Carbon dioxide) có liên quan đến công tác chữa cháy.

Việc xác định tính chất lý, hóa học có liên quan đến công tác chữa cháy của Cacbon đioxit có ý nghĩa quan trọng trong việc sản xuất thiêt bị dụng cụ chữa cháy và việc sử dụng Cacbon đioxit làm chất chữa cháy.

* Tính chất vật lý của khí CO2

- Khí CO2 là một khí không màu, không mùi; khi hít thở ở nồng độ cao tạo ra vị chua trong miện và cảm giác nhó ở mũi và cổ họng. Các hiệu ứng này xuất hiện là do khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt tạo ra dung dịch yếu của axit cacbonic.

- Tỷ trọng của Cacbon đioxit ở 25^oC là 1.98 kg/cm3 (Tỉ trọng là tỷ số giữa khối lượng riêng của Cacbon đioxit so với khối lượng riêng của chất đối chứng, thường là nước).

Cacbon đioxit nặng hơn không khí khoảng 1,5 lần. Do vậy Cacbon đioxit có khả năng tích tụ lại các hố, hoặc ở các vị trí thấp.

Một số thông số vật lý cơ bản của Cacbon đioxit:

- Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg, ^oC: -78,48

- Nhiệt độ thăng hoa ở 760mmHg, ^oC: -78,48

- Ở 0^oC và áp suất 760mmHg: 1 kg CO2 lỏng bằng 509 lít CO2 khí.

- Khí CO2 lỏng khi chuyển thành thể khí sẽ lạnh đi. Sự làm lạnh này rất mạnh, có thể làm lạnh không khí đến -78,9^oC,

- Cacbon đioxit có tính dẫn điện rất thấp và có thể sử dụng để dập tắt các đám cháy thiết bị điện có dòng điện chạy qua.

Ở một vài tình huống, việc xả cacbon đioxit có thể sinh ra tĩnh điện.

* Tính chất hóa học của Cacbon đioxit

CO2 là một chất hóa học trơ, vì vậy rất khó tham gia phản ứng hóa học với các chất khác.

- Ở nhiệt độ cao, Cacbon đioxit phản ứng với chất như: K, Mg, H2, C.

CO2 phản ứng với Mg xảy ra theo phương trình

CO2 + Mg → MgO +CO

CO + Mg → MgO + C (Muội than)

CO2 + C → 2CO tỏa nhiệt: DH = - 41,2 Kcal

Bổ sung: Fe +CO2 → FeO + CO

Fe + 5CO → Fe(CO)5

Khí CO độc với con người, nồng độ CO lớn có thể dẫn tới nổ. Vì vậy, không dùng CO2 để chữa cháy các đám cháy than hồng, sắt nóng đỏ và các kim loại nhẹ.

- Nồng độ khí CO2 trong không khí có ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Khi cơ thể người hít phải sẽ bị ngạt. Nồng độ của CO2 có từ 0,04% thì không gây ra tác hại gì, nồng độ của khí CO2 có từ (1-2%) chưa gây nên những thay đổi rõ rệt trong trạng thái hô hấp nồng độ của CO2 có từ 2-4% đã bắt đầu có triệu chứng ngộ độc đầu tiên xuất hiện, có từ 2~4% hít thở sâu có tiếng ồn trong tai, tim đập nhanh, thở gấp, đau đầu ù tai, rối loạn trao đổi khí. Nông độ của CO2 có từ 6~10% gây đau đầu, chóng mặt, ngất nếu bị tác động đột ngột CO2 vào cơ thể sẽ gây tử vong. Nồng độ của CO₂ có trên 10% trở lên thì nạn nhân sẽ chết rất nhanh.

c. Tác dụng chữa cháy của khí CO₂ (Cacbon đioxit)

- Tác dụng chữa cháy chủ yếu của CO2 là tác dụng làm loãng (giảm nồng độ oxy và nồng độ gây cháy). 

- Dùng sản xuất bình chữa cháy khí CO2 

Khi đưa khí CO2 vào vùng cháy, do đặc tính của khí chữa cháy là khí trơ với hầu hết các chất vì vậy không làm tăng cường quá trình cháy, nó không chỉ làm loãng nồng độ chất cháy mà còn làm giảm nồng độ oxy có trong một đơn thể tích hỗn hợp xuống thấp hơn giá trị duy trì sự cháy. Do vậy, sự cháy không được duy trì và lữa được dập tắt.

Người ta nhận thấy, 1 kg khí CO2 ở điều kiện áp suất và nhiệt độ bình thường chiếm một thể tích bằng 509 lít, lượng này đủ để dập tắt đám cháy trong không gian 1m3. Nồng độ chữa cháy của khí CO2 là 34% theo thể tích.

- Ngoài cơ chế làm giảm nồng độ các thành phần tham gia phản ứng cháy, khí CO2 khi vào vùng cháy còn có tác dụng làm giảm nhiệt độ của vùng cháy.

Khi vào vùng cháy, khí CO2 có nhiệt độ bằng nhiệt độ của môi trường (20 ~ 30^oC) sẽ bị đốt nóng lên gần 1000^oC. Như vậy, chúng đã hấp thụ một phần nhiệt của vùng cháy. Lượng nhiệt này có thể được xác định theo công thức sau:

Q_CO2 = V_CO2 x r_CO2 x Cp_CO2 x Dt_CO2

Trong đó:

- Q_CO2: Lượng nhiệt CO₂ hấp thụ trong vùng cháy, kJ.

- V_CO2: Thể tích CO₂ được phun vào vùng cháy, m³

- r_CO2: Khối lượng riêng của CÒ, kg/m³

- Cp_CO2: Nhiệt dung riêng của CO2, kJ/kg.^oC

- Dt_CO2: Sự gia tăng nhiệt độ của CO2 khi phun vào vùng cháy, ^oC.

d. Ứng dụng chữa cháy của Cacbon đioxit

Cacbon đioxit được sử dụng chủ yếu để dập tắt các đám cháy chất lỏng, các đám cháy chất khí, các đám cháy thiết bị điện, các đám cháy trong phòng thì nghiệm, các thiết bị kín, các khoang tàu, hầm tàu.

Những ưu điểm khi sử dụng khí CO₂ ( Cacbon đioxit làm chất chữa cháy).

- Do sau khi chữa cháy bằng khí CO₂ không để lại dấu vết, không gây hư hỏng thiết bị nên được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm hóa học và dược học

- Giá thành rẻ so với một số chất chữa cháy khác

- Nạp khí CO2 (Cacbon đioxit) đơn giản

Tuy nhiên, khi chữa cháy băng khí CO2 có một số hạn chế sau:

- Khí CO2 không dùng để chữa cháy các đám cháy than hồng

- Khí CO2 lỏng tồn tại ở áp suất từ 200 ~ 300 bar nên cần được bảo quản trong các bình chữa chắc chắn vì vậy làm cho bình chứa có khối lượng lớn, cồng kềnh.

- Hiệu quả chữa cháy của khí CO2 ở những nơi thoáng gió, không gian rộng hoặc ngoài trời không cao.

- Khi nồng độ khí CO2 đủ để dập tắt đám cháy trong phòng kín (34% theo thể tích) thì có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe và tính mạng nếu con người ở trong phòng bị cháy.

d. Ứng dụng CO2 trong công nghiệp thực phẩm:

- Khí CO2 lỏng và rắn là chất làm lạnh quan trọng, chúng tham gia vào quá trình lưu trữ và vận chuyển các loại kem và các thực phẩm đông lạnh.

- Khí CO2 được dùng để tạo gas cho nhiều thức uống như nước coca, pepsi, 7up, … rất hữu dụng trong việc điều hòa nước uống.

- Bột nở sử dụng trong các loại bánh nướng tạo ra khí cacbonic làm cho khối bột phình to ra, do tạo ra các lỗ xốp chứa bọt khí. Men bánh mì tạo ra khí cacbonic bằng sự lên men trong khối bột, trong khi các loại bột nở hóa học giải phóng ra khí cacbonic khi bị nung nóng hoặc bị tác dụng với các axit.

- Chiết xuất thực phẩm: supercritical carbon dioxide được sử dụng trong việc chiết xuất màu và hương vị trong thực phẩm nhằm loại bỏ dầu và chất béo.

e. Ứng dụng CO₂ trong công nghiệp:

- Các áo phao cứu hộ thông thường chứa các hộp nhỏ chứa cacbon điôxít đã nén để nhanh chóng thổi phồng lên. Các ống thép chứa cacbonic nén cũng được bán để cung cấp khí nén cho súng hơi, bi sơn, bơm lốp xe đạp, cũng như để làm nước khoáng xenxe.

- Carbon dioxide siêu hạn được sử dụng như một chất pha lỏng dùng trong sơn phun, làm giảm 80% dung môi hữu cơ.

- Sự bốc hơi nhanh chóng của cacbon điôxít lỏng được sử dụng để gây nổ trong các mỏ than. Khí CO₂ cũng được sử dụng như là môi trường khí cho công nghệ hàn.

- Nó có tác dụng như là tác nhân nén và khi hòa tan trong dầu thô dưới lòng đất thì nó làm giảm đáng kể độ nhớt của dầu thô, tạo điều kiện để dầu chảy nhanh hơn trong lòng đất vào giếng hút.

- Ngoài ra, Khí CO2 được sử dụng như là khí điều áp rẻ tiền, không cháy.

CO2 được dùng để sản xuất ure: CO₂ + 2NH₃ →  H₂O + (NH₂)₂CO (1800C; 200at)

f. Ứng dụng CO₂ đối với đời sống

Khí CO₂ dập tắt lửa, một số bình cứu hỏa chứa CO₂ lỏng bị nén.

Băng khô được sử dụng làm sạch bề mặt thay cho cát, gây mưa nhân tạo, khói sân khấu.

Cacbon dioxit kết hợp với Oxy và các thành phần khí khác để kích thích việc thở nhanh hơn và sâu hơn, trợ giúp xử lý các vấn đề liên quan đến hô hấp của con người.

Thực vật cần có cacbon điôxít để thực hiện việc quang hợp.

Dùng trong nuôi trồng thực vật , và các nhà kính có thể được làm giàu bầu khí quyển của chúng bằng việc bổ sung CO₂ nhằm kích thích sự tăng trưởng của thực vật.

g. Sản xuất khí CO2 như thế nào?

• CO2 được tạo ra từ nhiều nguyên nhân khác nhau như
• Quá trình hô hấp của người và động vật: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O
• Quá trình lên men bia rượu: C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH
• Quá trình đốt cháy nhiên liệu: CxHy + (x + y/4)O₂ → xCO₂ + y/2H₂O
• Trong công nghiệp: C + O₂ → CO₂ (đốt cháy hoàn toàn than cốc trong không khí)
• CaCO₃ → CaO + CO₂ (1000^oC)
• Trong phòng thí nghiệm: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O