Диоксид углерода. Свойства и применение

В. Д. Галдин 
ДИОКСИД УГЛЕРОДА 
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ 
Учебное пособие 
Москва     Вологда  
«Инфра-Инженерия» 
 2024 

УДК 546.264-31 
ББК 24.12 
Г15 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор (ОмГУПС) В. Р. Ведрученко; 
д-р техн. наук, профессор (ОмГАУ) П. А. Лисин 
Галдин, В. Д. 
Г15   
Диоксид углерода. Свойства и применение : учебное пособие / 
В. Д. Галдин.  Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024.  252 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1887-4 
Приведены основные свойства, источники сырья, хранение и транспортировка 
диоксида углерода. Рассмотрено применение диоксида углерода в отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине, косметологии, фармацевтике, строительстве.  
Для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по группе направлений: экология и природопользование, холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения, теплоэнергетика и теплотехника, строительство, агроинженерия, здравоохранение и медицинские науки и др. при выполнении практических заданий, курсового и дипломного проектирования и самостоятельной работы, а также для научных и 
инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования, монтажа и эксплуатации систем снабжения диоксидом углерода.  
УДК 546.264-31 
ББК 24.12 
ISBN 978-5-9729-1887-4 
” Галдин В. Д., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ  .............................................................................................. 5 
ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................... 6 
1. ДИОКСИД УГЛЕРОДА В ОКРУЖАЮЩЕМ МИРЕ  
............................... 8 
1.1. Фотосинтез  
................................................................................................. 8 
1.2. Диоксид углерода процесса брожения  .................................................. 13 
1.3. Роль диоксида углерода в парниковом эффекте ................................... 16 
1.4. Парниковые газы  
..................................................................................... 20 
1.5. Возможные последствия усиления парникового эффекта  .................. 26 
1.6. Утилизация диоксида углерода  
.............................................................. 30 
1.6.1. Поглощение диоксида углерода океаном  .......................................... 30 
1.6.2. Фиксация диоксида углерода горными породами и его 
захоронение под землей  
................................................................................. 35 
1.6.3. Перспективные способы улавливания диоксида 
углерода ........................................................................................................... 37 
2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА  ........................... 44 
2.1. Химические свойства 
............................................................................... 44 
2.2. Термодинамические свойства ................................................................. 53 
2.3. Физические свойства  .............................................................................. 57 
2.4. Физико-химические свойства  ................................................................ 60 
2.5. Физиологическое влияние диоксида углерода  ..................................... 63 
3. ИСТОЧНИКИ СЫРЬЯ. ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА  ........... 66 
3.1. Источники сырья  ..................................................................................... 66 
3.2. Состав продуктов сгорания топлива  ..................................................... 74 
3.3. Производство газообразного диоксида углерода на базе 
специального сжигания топлива  
................................................................... 80 
3.4. Хранение и транспортировка твердого и газообразного 
диоксида углерода  
.......................................................................................... 85 
3.5. Хранение и транспортировка сжиженного диоксида углерода. 
Комплексы станций газификации  
................................................................. 90 
3.5.1. Хранение и транспортировка сжиженного диоксида углерода  ....... 90 
3.5.2. Комплексы станций газификации жидкого диоксида углерода  
и наполнения баллонов  
.................................................................................. 95 
4. ПРИМЕНЕНИЕ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА  ........................................... 102 
4.1. Применение диоксида углерода в пищевой промышленности… 
...... 102 
4.1.1. Газовые смеси для упаковки продуктов  
........................................... 102 
4.1.2. Экстракция компонентов сверхкритическим диоксидом  
углерода в пищевой индустрии 
.................................................................... 110 
4.1.3. Охлаждение и заморозка пищевых продуктов  
жидким диоксидом углерода 
........................................................................ 116 
3 

4.1.4. Охлаждение и заморозка пищевых продуктов сухим льдом  ......... 120 
4.1.5. Карбонизация напитков  ..................................................................... 126 
4.1.6. Перспективные направления применения диоксида 
углерода ......................................................................................................... 131 
4.2. Применение диоксида углерода в химической  
промышленности  
.......................................................................................... 138 
4.2.1. Получение карбамида ......................................................................... 139 
4.2.2. Производство метанола ...................................................................... 143 
4.2.3. Дезактивация в жидком и сверхкритическом диоксиде 
углерода  ........................................................................................................ 146 
4.3. Применение диоксид углерода в медицине, косметологии  
и фармацевтике ............................................................................................. 150 
4.3.1. Применение диоксида углерода в медицине  ................................... 150 
4.3.2. Применение диоксида углерода в косметологии  ............................ 158 
4.3.3. Применение диоксида углерода в фармацевтике  
............................ 164 
4.3.4. Газовые смеси для стерилизации материалов 
медицинского назначения  ........................................................................... 168 
4.4. Применение диоксида углерода в сельском хозяйстве  
...................... 170 
4.4.1. Значение подкормки растений  .......................................................... 170 
4.4.2. Технология подкормки растений  
...................................................... 173 
4.4.3. Выбор технологии подкормки  .......................................................... 179 
4.4.4. Комплексы по обеспечению углекислым газом тепличных  
культур  .......................................................................................................... 180 
4.5. Применение сверхкритического диоксида углерода  
в текстильной промышленности  
................................................................. 182 
4.6. Промышленная добыча метана из угольных пластов  
с применением диоксида углерода  ............................................................. 186 
4.7. Применение диоксида углерода в строительстве  
............................... 190 
4.8. Применение диоксида углерода в отраслях промышленности 
.......... 198 
4.8.1. Применение углекислого газа при сварке  
........................................ 198 
4.8.2. Противопожарная защита объектов .................................................. 205 
4.8.3. Очистка поверхности сухим льдом  .................................................. 211 
4.8.4. Диоксид углерода в холодильной технике ....................................... 219 
4.8.5. Перспективные направления применения диоксида 
углерода в отраслях промышленности  
....................................................... 223 
5. СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА  
........... 227 
5.1. Системы подготовки воздуха для дыхания  
......................................... 227 
5.2. Очистка газов от диоксида углерода  ................................................... 232 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК  
......................................................... 237 
ПРИЛОЖЕНИЕ  
............................................................................................ 242 
4 

ПРЕДИСЛОВИЕ
Диоксид углерода (синонимы - двуокись углерода, СО2, углекислый 
газ, высший окисел углерода, ангидрид угольной кислоты, в твердом состоянии - сухой лед) представляет собой вещество, используемое во всех 
агрегатных состояниях, является высоколиквидным продуктом и находит 
применение в различных областях хозяйства страны.  
Основные потребители СО2 - предприятия пищевого направления; заводы технических газов, производящие различные смеси на основе СО2; заводы крупнотоннажной химии, использующие СО2 для выпуска карбамида  
высокоэффективного азотного удобрения, а также для организации процессов пароуглекислотной каталитической конверсии природного газа в производстве метанола и др. В холодильной технике его используют в качестве 
эффективного натурального хладагента в холодильных машинах и установках, а также тепловых насосах. В геохимических, биологических, технологических и других процессах диоксид углерода используют как в качестве самостоятельного продукта, так и в качестве сопутствующего. 
В основу учебного пособия положены материалы монографии  
Т.Ф. Пименовой «Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода» (1982). Использованы результаты работ и материалы российских и зарубежных ученых, инженеров, различных организаций, опубликованные в научно-технических журналах, книгах и статьях, а 
также лекции, читаемые автором студентам в технических университетах по 
дисциплинам «Холодильные машины», «Холодильные установки» «Основы 
трансформации теплоты», «Экологическая безопасность» и др. 
Сделана попытка обобщить и систематизировать результаты и опыты 
разработок в части применения диоксида углерода, опубликованные в 
России и за рубежом и взятые в открытом доступе в интернете. 
Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по группе направлений: экология и природопользование, холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения, 
теплоэнергетика и теплотехника, строительство, агроинженерия, здравоохранение и медицинские науки и др. при выполнении практических заданий, курсового и дипломного проектирования и самостоятельной работы, а также для научных и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования, монтажом и эксплуатацией систем 
снабжения диоксидом углерода.  
В основу учебного пособия положены монография Т.Ф. Пименовой 
«Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода» и лекции, читаемые в Омском государственном техническом университете по дисциплинам «Холодильные машины и установки», 
«Основы трансформации теплоты», «Экологическая безопасность».  
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Важнейшими компонентами всего живого являются углерод и вода. 
Благодаря исключительным физическим свойствам углерода стало возможным огромное разнообразие химических соединений, составляющих 
живые организмы. 
Диоксид углерода - один из главных продуктов жизнедеятельности 
большинства живых организмов. Он образуется в основном в процессе 
аэробного дыхания - механизме получения энергии. 
На нашей планете содержание диоксида углерода (CО2) в литосфере 
составляет около 5,5 ā 1016 т. В гидросфере, находящейся в равновесии  
с атмосферой, СО2 содержится в количестве a 1,4 ā 1014 т, в атмосферном 
воздухе a 2,3 ā 1012 т. 
Все жизненные процессы на Земле в той или иной степени включены в 
планетарный углеродный цикл и вносят свой вклад в общий углеродный 
фонд. Диоксид углерода изымается из атмосферы посредством фотосинтеза, а также в результате обмена с океаном и захоронения в виде карбонатов (рисунок).  
 
 
Атмосфера 
Фотосинтез 
Вырубка 
лесов 
Использование 
ископаемого 
топлива 
Биологические 
и химические 
процессы 
«Ды 
ха- 
ние» 
 
Разло- 
жение 
Биологические 
и химические 
процессы 
Ископаемое 
топливо 
Почва 
Океан 
 
 
Структура глобального углеводородного цикла Земли 
 
При вегетации растения используют солнечную энергию для поглощения СО2 и его превращения в биомассу с выделением свободного кислорода в атмосферу. Из растений, служащих пищей животных, углерод переходит в организм животных, где вновь превращается в СО2 и через органы дыхания возвращается в атмосферу. Считается, что в процессах фо6 

тосинтеза из атмосферы поглощается 110 млрд т СО2. Эта величина 
намного превышает антропогенные выбросы, т. е. выбросы, связанные с 
деятельностью человека. Однако из природных источников в атмосферу 
попадает суммарно такое же количество СО2: за счёт дыхания растений, 
животных и людей выделяется 60 млрд т; разложение наземной биомассы 
освобождает остальные 50 млрд т. 
С активизацией индустриальной деятельности человека в атмосферу 
выбрасываются огромные объемы диоксида углерода и других газов, вызывающих парниковый эффект. В результате с 1906 по 2005 г. среднегодовая температура поднялась на 0,74 ƒС и в ближайшем будущем рост будет составлять до 0,2 ƒС за десятилетие. 
Усиление парникового эффекта способствует изменениям климата, которые заключаются в повышении температуры и изменении частоты и интенсивности осадков. Из-за глобального потепления тают ледники, повышается уровень моря, возникает угроза биологическому разнообразию, 
гибнут посевы, пересыхают источники пресной воды, все это в целом 
негативно влияет не только на качество жизни, но и на здоровье человека. 
Поэтому мировая общественность не зря забила тревогу. В результате 
представители большинства стран мира в Японии в 1997 г. подписали Киотский протокол о контроле и регулировании эмиссии СО2 в атмосферу.  
В соответствии с ним 38 промышленно развитых стран взяли на себя обязательства к 2012 г. (относительно уровня 1990 г.) снизить на 5,2  выбросы в атмосферу СО2 и других газов, вызывающих парниковый эффект.  
Чтобы снизить выбросы СО2 в атмосферу и остановить изменения 
климата, необходимо как можно скорее приступить к внедрению технологий улавливания и дальнейшего использования СО2. Вместе с тем нужно 
учитывать, что СО2 - ликвидный продукт, в котором нуждаются различные отрасли промышленности. Поэтому другой задачей является использование СО2 в тех областях, где можно обеспечить его эффективное применение. 
7 

1. ДИОКСИД УГЛЕРОДА В ОКРУЖАЮЩЕМ МИРЕ  
 
1.1. Фотосинтез 
 
Фотосинтез - это процесс образования органического вещества из диоксида углерода и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у 
бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще 
понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных 
эндэргонических реакциях, в том числе превращения СО2 в органические 
вещества (сахара и крахмалы), рис. 1.1.  
 
 
Крахмал 
Углекислый 
газ 
Сахар 
Белки Жиры Углеводы 
Органические 
вещества 
Вода 
 
 
Рис. 1.1. Схема фотосинтеза  
 
Фотосинтез, осуществляемый водными растениями, в том числе водорослями, служит важным источником кислорода в воде. Растения здесь 
потребляют из воды СО2 и выделяют кислород. 
Первые опыты по фотосинтезу были проведены Джозефом Пристли в 
17701780-х гг., когда он обратил внимание на «порчу» воздуха в герметичном сосуде горящей свечой (воздух переставал быть способен поддерживать горение, помещённые в него животные задыхались) и «исправление» его растениями. Пристли сделал вывод, что растения выделяют кис8 

лород, который необходим для дыхания и горения, однако не заметил, что 
для этого растениям нужен свет. Это показал вскоре Ян Ингенхауз. 
Позже было установлено, что помимо выделения кислорода растения 
поглощают углекислый газ и при участии воды синтезируют на свету органическое вещество. В 1842 г. Роберт Майер на основании закона сохранения энергии постулировал, что растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей. В 1877 г. В. Пфеффер назвал 
этот процесс фотосинтезом. 
В 1941 г. американский биохимик Мелвин Калвин показал, что первичный процесс фотосинтеза заключается в фотолизе молекул воды, в результате чего образуются кислород, выделяющийся в атмосферу, и водород, идущий на восстановление диоксида углерода до органических веществ. Используя радиоактивный изотоп углерода, бумажную хроматографию и классические методы органической химии, Калвин и его группа 
смогли проследить биосинтетические пути фотохимических процессов.  
К 1956 г. стал ясным полный путь превращения углерода при фотосинтезе. За исследования в области ассимиляции СО2 в растениях Калвин в 
1961 г. был удостоен Нобелевской премии по химии. 
Полная последовательность всех стадий фотосинтеза пока еще выяснена не до конца, однако интенсивная научная работа в этом направлении 
продолжается. Исследуется механизм электронного транспорта, продолжается выяснение природы комплекса, катализирующего образование 
кислорода, изучается структура реакционных центров и светособирающих 
комплексов. 
В целом химический баланс фотосинтеза может быть представлен в 
виде простого уравнения 
 
6CO2  6H2O = C6H12O6  6O2. 
 
Водород, необходимый для восстановления CO2 до глюкозы, берется 
из воды, а выделяющийся в ходе фотосинтеза кислород является побочным продуктом. Процесс нуждается в энергии света, так как вода сама по 
себе не способна восстанавливать CO2. 
В светозависимой части фотосинтеза (световой реакции) происходит 
расщепление молекул воды с образованием протонов, электронов и атома 
кислорода. Электроны, возбужденные энергией света, восстанавливают 
никотинадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Образующийся НАДФ-Н является подходящим восстановителем для перевода CO2 в органические соединения. Кроме того, в световой реакции образуется аденозинтрифосфат, 
который также необходим для фиксации CO2. 
9 

В световых реакциях электроны переносятся по электрон-транспортной цепи от одной окислительно-восстановительной системы к другой. 
Возбуждение электронов для восстановления НАДФ - сложный фотохимический процесс. Он происходит в реакционных центрах (фотосистемах), которые представляют собой белковые комплексы, содержащие 
множество молекул хлорофилла и других пигментов. Только около 1  
молекул хлорофилла участвуют непосредственно в фотохимическом переносе электронов. Основная часть связана с другими пигментами - комплексом светособирающей антенны. Энергия кванта света, накопленного  
в комплексе, передается на реакционный центр, где и используется.  
Последующие процессы могут протекать в темноте (темновая реакция). Полная последовательность превращения диоксида углерода в органические соединения называется циклом Калвина. 
Таким образом, в основе фотосинтеза лежит превращение электромагнитной энергии света в химическую энергию. Эта энергия дает возможность превращать CO2 в углеводы и другие органические соединения  
с выделением кислорода.  
К органическим веществам относятся все соединения углерода за исключением его оксидов и нитридов. В наибольшем количестве образуются 
при фотосинтезе такие органические вещества, как углеводы (в первую 
очередь сахара и крахмал), аминокислоты (из которых строятся белки) и 
жирные кислоты (которые в сочетании с глицерофосфатом служат материалом для синтеза жиров). Из неорганических веществ для синтеза всех 
этих соединений требуются вода и СО2. Для аминокислот требуются, кроме того, азот и сера. Растения могут поглощать эти элементы в форме их 
оксидов, нитрата (NO3-) и сульфата (SO42-) или в других, более восстановленных формах, таких как аммиак (NH3) или сероводород (сульфид водорода H2S). В состав органических соединений могут включаться при фотосинтезе также фосфор (растения поглощают его в виде фосфата) и ионы 
металлов - железа и магния. Марганец и некоторые другие элементы тоже 
необходимы для фотосинтеза, но лишь в следовых количествах.  
У наземных растений все эти неорганические соединения, за исключением СО2, поступают через корни (рис. 1.2). Растения получают СО2 из 
атмосферного воздуха, в котором средняя его концентрация составляет 
0,03 . Диоксид углерода поступает в листья, а кислород выделяется из 
них.  
Водные растения добывают все необходимые им питательные вещества из воды, в которой живут. Диоксид углерода и ион бикарбоната 
(HCO3-) тоже содержатся и в морской, и в пресной воде. Водоросли и другие водные растения получают их непосредственно из воды.  
10