This post is also available in: English Armenian
گاز کربنیک یا دیاکسید کربن (CO2) یکی از مولکولهای مهم و پرکاربرد در جهان امروز است که نقشی حیاتی در فرآیندهای زیستی، صنعتی و محیطزیستی ایفا میکند. این گاز بیرنگ و بیبو، در جو زمین به صورت طبیعی وجود دارد و بخشی از چرخه کربن را تشکیل میدهد که برای حفظ زندگی بر روی زمین ضروری است. از طرفی، گاز کربنیک یک محصول جانبی عمده در بسیاری از فعالیتهای انسانی و صنعتی است که باید به دقت مدیریت و استفاده شود.
امروزه CO2 کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی و نوشیدنی، پزشکی، کشاورزی، فلزکاری، شیمیایی و حتی انرژی دارد. برای تامین این گاز، یک زنجیره ارزش پیچیده شامل تولید، تصفیه، مایعسازی، ذخیرهسازی، حمل و نقل و تحویل وجود دارد که در هر مرحله باید نکات فنی و ایمنی رعایت شود تا کیفیت محصول نهایی حفظ شود و سلامت مصرفکننده تضمین گردد.
در این مقاله به بررسی جامع چگونگی تأمین و تحویل گاز کربنیک پرداخته و به چالشها و فرصتهای این زنجیره میپردازیم. هدف از این بررسی، آشنایی بیشتر مخاطبان با فرآیندها و معیارهای استاندارد تامین گاز کربنیک است که برای صنایع مختلف اهمیت دارد.
منابع تولید گاز کربنیک
گاز کربنیک به طور طبیعی در جو زمین، اقیانوسها، خاک و منابع زیرزمینی وجود دارد. این گاز بخشی از چرخه طبیعی کربن است و از طریق فرآیندهای زیستی مانند تنفس موجودات زنده، تجزیه مواد آلی، فعالیتهای آتشفشانی و واکنشهای شیمیایی تولید میشود.
اما منابع طبیعی به دلیل غلظت پایین و ناخالصیهای فراوان، به صورت مستقیم برای مصارف صنعتی مناسب نیستند. بنابراین، تولید صنعتی CO2 معمولاً از منابع جانبی یا فرآیندهای خاص انجام میشود که شامل موارد زیر است:
1. تولید CO2 از فرایندهای شیمیایی و پتروشیمی:
• تولید آمونیاک و هیدروژن: در این فرآیند، متان یا گاز طبیعی با بخار آب واکنش میدهد تا هیدروژن تولید شود و CO2 به عنوان محصول جانبی آزاد میشود. این روش یکی از بزرگترین منابع CO2 صنعتی است که معمولاً گاز با خلوص بالا و کیفیت خوب تولید میکند.
• تولید متانول: فرآیندهای سنتز متانول نیز CO2 را به عنوان محصول جانبی تولید میکنند که قابل جمعآوری و استفاده مجدد است.
2. تولید CO2 از فرآیندهای بیولوژیکی:
• تخمیر: در صنایع غذایی و نوشیدنی، به ویژه در تولید آبجو، شراب، اتانول و سایر محصولات تخمیری، CO2 به صورت خالص و با کیفیت بالا توسط مخمرها تولید میشود. این منبع به دلیل خلوص و قابلیت اطمینان بسیار ارزشمند است.
3. تولید CO2 از سوختهای فسیلی:
• احتراق سوختهای فسیلی: نیروگاههای برق، کارخانههای سیمان، فولاد و پالایشگاهها با سوختن سوختهای فسیلی مقادیر زیادی CO2 تولید میکنند. فناوریهای جذب کربن (Carbon Capture) در این حوزه به منظور بازیافت CO2 و کاهش انتشار گازهای گلخانهای توسعه یافتهاند.
4. تجزیه حرارتی کربناتها:
• تولید سیمان و آهک: تجزیه حرارتی کربنات کلسیم (CaCO3) به اکسید کلسیم (CaO) و دیاکسید کربن (CO2) یکی از منابع مهم تولید صنعتی CO2 است که در کارخانههای سیمان و آهک انجام میشود.
فرآیند تصفیه و مایعسازی گاز کربنیک
پس از استخراج CO2 از منابع مختلف، یکی از مهمترین مراحل در زنجیره تأمین، تصفیه گاز به منظور رسیدن به سطح خلوص مورد نیاز صنایع مختلف است. ناخالصیهایی مانند اکسیژن، نیتروژن، متان، سولفید هیدروژن (H2S)، بخارات آب و ذرات معلق باید حذف شوند تا کیفیت گاز تضمین شود.
1. مراحل تصفیه گاز کربنیک
• خنکسازی اولیه و حذف رطوبت: گاز CO2 استخراجشده معمولاً داغ و همراه با رطوبت است. خنکسازی اولیه باعث کاهش دما و تبدیل بخار آب به مایع میشود که از طریق کندانسورها و خشککنهای جذبی حذف میگردد. حذف رطوبت برای جلوگیری از یخزدگی و مشکلات فنی در مراحل بعدی بسیار حیاتی است.
• جذب شیمیایی: برای حذف گازهای اسیدی مانند H2S که میتوانند به تجهیزات آسیب برسانند یا کیفیت گاز را کاهش دهند، از محلولهای آمین )مثل MEA یا( DEAاستفاده میشود. این محلولها گازهای ناخالص را جذب کرده و CO2 خالص را جدا میکنند.
• جذب با غربال مولکولی: پس از جذب شیمیایی، گاز از بسترهای غربال مولکولی عبور داده میشود تا رطوبت و ناخالصیهای باقیمانده به حداقل برسد. این فرآیند تضمین میکند که CO2 نهایی بسیار خشک و خالص باشد.
• مراحل نهایی خالصسازی: گاهی از فرآیندهای تقطیر و یا جذب با فشار متغیر (PSA) برای رسیدن به خلوص بیش از 99.9٪ استفاده میشود.
2. مایعسازی گاز کربنیک
برای حمل و نقل و ذخیرهسازی اقتصادی، CO2 به صورت مایع در میآید. مایعسازی باعث کاهش حجم گاز تا حدود 500 برابر میشود که هزینهها و فضای مورد نیاز را به شدت کاهش میدهد.
• فشردهسازی: ابتدا گاز خالص تا فشار حدود ۱۵ تا ۲۰ بار فشرده میشود.
• سرمایش: سپس گاز تحت سرما قرار میگیرد و به دمای منفی ۴۰ تا منفی ۵۰ درجه سانتیگراد میرسد تا مایع شود.
• نگهداری: دیاکسید کربن مایع باید در مخازن ویژهای که تحت فشار بالا قرار دارند، نگهداری شود تا از فرآیند تبخیر آن جلوگیری گردد. این مخازن مجهز به سیستم عایقبندی بوده و پارامترهای دما و فشار درون آنها به طور مداوم و دقیق کنترل میشود.
ذخیرهسازی و حمل و نقل
پس از تصفیه و مایعسازی، مرحله مهم بعدی، ذخیرهسازی و حمل و نقل CO2 است که باید با رعایت استانداردهای ایمنی و کیفیت انجام شود تا گاز بدون افت کیفیت و خطر به دست مصرفکننده برسد.
1. مخازن ذخیرهسازی
CO2 مایع در مخازن ذخیرهسازی مخصوصی نگهداری میشود که ویژگیهای زیر را دارند:
• عایقبندی حرارتی: برای حفظ دمای پایین و جلوگیری از تبخیر، مخازن دو جداره بوده و فضای بین دو جداره خلاء یا عایق حرارتی دارد.
• فشار بالا: مخازن توان تحمل فشار بالا (حدود ۱۵-۲۰ بار) را دارند که برای نگهداری CO2 مایع ضروری است.
• سیستمهای ایمنی: شامل شیرهای اطمینان، سنسورهای فشار و دما و سیستمهای هشداردهنده برای جلوگیری از بروز حوادث ناخواسته.
2. حمل و نقل با تانکر
CO2 مایع معمولاً با تانکرهای ویژه حمل میشود که باید استانداردهای زیر را رعایت کنند:
• عایقبندی و کنترل دما: تانکرها مجهز به سیستم عایقبندی هستند تا از تبخیر گاز جلوگیری کنند.
• سیستم کنترل فشار: برای حفظ فشار لازم و جلوگیری از نوسانات خطرناک فشار.
• حمل و نقل زمینی، ریلی و دریایی: بسته به مسافت و حجم سفارش، حمل با کامیونهای تانکر، واگنهای قطار یا کشتیهای تانکر انجام میشود.
• آموزش پرسنل: رانندگان و اپراتورهای حمل و نقل باید آموزشهای تخصصی در زمینه جابجایی مواد خطرناک و ایمنی را گذرانده باشند.
3. خطوط لوله (Pipelining)
برای مصرفکنندگان بزرگ و نزدیک به محل تولید، خطوط لوله اقتصادیترین و مطمئنترین روش انتقال CO2 است. این خطوط مجهز به سیستمهای کنترل فشار، ایمنی و نظارت مداوم هستند و میتوانند حجم بسیار زیادی از گاز را به طور مداوم انتقال دهند.
4. تحویل و ذخیرهسازی در محل مصرف
• سیلندرهای فشرده: برای مصرفکنندگان کوچک و متوسط، CO2 در سیلندرهای فولادی یا آلومینیومی با ظرفیتهای متنوع عرضه میشود. این سیلندرها در فشار بالا (حدود ۵۰-۶۰ بار) نگهداری میشوند و قابل حمل و نقل آسان هستند.
• مخازن کرایوژنیک: برای مصرفکنندگان بزرگ، مخازن کرایوژنیک در محل نصب شده و به طور دورهای با تانکر پر میشوند. این مخازن مجهز به سیستمهای تبرید و کنترل فشار هستند.
• پکیجهای : Microbulkاین سیستمها برای مصرف متوسط مناسباند و مزایای حفظ کیفیت و کاهش هزینههای پر کردن مکرر سیلندرها را ارائه میدهند.
کاربردهای گسترده گاز کربنیک
گاز کربنیک به دلیل ویژگیهای منحصربهفرد و قابلیتهای گسترده، در صنایع مختلفی کاربرد دارد که در ادامه به مهمترین آنها اشاره میکنیم:
| حتما بخوانید : کاربرد کربن دی اکسید (CO2) در تبدیل به سوخت موشک |  |
1. صنایع غذایی و آشامیدنی
• کربناته کردن نوشیدنیهاCO2: نقش اصلی در تولید نوشابههای گازدار، آبجو و آب معدنی دارد و باعث طعم و خاصیت گازدار شدن این محصولات میشود.
• بستهبندی با اتمسفر اصلاحشده : (MAP) با جایگزینی هوای معمولی با CO2 در بستهبندی مواد غذایی، عمر ماندگاری محصولات افزایش مییابد و فساد میکروبی کاهش مییابد.
• سرمایهگذاری در فرآیند انجمادCO2: به شکل یخ خشک (Solid CO2) برای انجماد سریع مواد غذایی به کار میرود که کیفیت و تازگی محصولات حفظ میشود.
2. کشاورزی
• افزایش رشد گیاهان در گلخانهها: افزایش غلظت CO2 در محیط گلخانه باعث افزایش سرعت فتوسنتز و بهبود عملکرد گیاهان میشود که منجر به افزایش محصول میگردد.
3. پزشکی و داروسازی
• جراحیهای لاپاراسکوپیCO2: برای ایجاد فضای دید بهتر و بادکردن مناطق داخلی بدن استفاده میشود.
• استفاده در تجهیزات پزشکی: به عنوان عامل تحریککننده تنفس و در برخی درمانهای خاص کاربرد دارد.
| بیشتر بخوانید: اهمیت گاز کربنیک در فرآیندهای صنعتی |  |
4. صنایع فلزی و جوشکاری
• گاز محافظ در جوشکاری CO2: MIG/MAG به عنوان گاز محافظ باعث جلوگیری از اکسیداسیون و افزایش کیفیت جوش میشود.
5. سیستمهای اطفاء حریق
• عامل خاموشکنندهCO2: به دلیل خاصیت خنککنندگی و کاهش اکسیژن محیط، به عنوان یکی از عوامل مؤثر در اطفاء حریقهای الکتریکی و مایعات قابل اشتعال شناخته میشود.
6. سایر کاربردها
• تمیزکاری با CO2 فوق بحرانی: این روش محیطزیستدوست جایگزین مناسبی برای حلالهای شیمیایی در صنایع مختلف است.
• کنترل pH و فرآیندهای شیمیایی: در صنایع شیمیایی برای کنترل pH و تولید مواد مانند اوره و متانول کاربرد دارد.
چالشها و آینده تأمین گاز کربنیک
با وجود اهمیت بالای CO2 در صنایع مختلف، تأمین پایدار و ایمن این گاز با چالشهایی همراه است که باید به آنها توجه شود:
1. نوسانات عرضه و منابع محدود
• منابع صنعتی CO2 به عنوان محصول جانبی فرآیندهای دیگر ممکن است به دلایل تعمیرات، کاهش تولید یا تغییرات بازار ناپایدار باشند.
• دسترسی به منابع طبیعی با خلوص بالا محدود است و اغلب نیازمند تصفیه پیچیده میباشد.
2. مسائل زیستمحیطی
• انتشار غیرکنترلشده CO2 به عنوان گاز گلخانهای، موجب افزایش تغییرات اقلیمی شده است. لذا استفاده از فناوریهای جذب و ذخیرهسازی کربن (CCS) و جذب مستقیم از هوا (DAC) در حال توسعه است تا علاوه بر تأمین CO2، اثرات زیستمحیطی کاهش یابد.
3. زیرساختهای حمل و نقل و ذخیرهسازی
• سرمایهگذاریهای سنگین برای توسعه خطوط لوله، تانکرهای عایقبندی شده و مخازن ذخیرهسازی کرایوژنیک مورد نیاز است.
• ایمنی در حمل و نقل و نگهداری CO2 مایع نیازمند آموزشهای تخصصی و رعایت دقیق استانداردهاست.
4. روندهای فناوری و نوآوریها
• فناوریهای جذب کربن بهبود یافته، فرآیندهای مایعسازی کارآمدتر و سیستمهای توزیع هوشمند، آینده تأمین CO2 را شکل میدهند.
• استفاده از CO2 بازیافت شده در تولید سوختهای سنتتیک و مواد شیمیایی، گامی در جهت اقتصاد چرخشی و کاهش انتشار کربن است.
گاز کربنیک بیش از یک ماده جانبی یا عامل محیط زیستی، یک کالای صنعتی حیاتی با کاربردهای گسترده و زنجیره تأمین پیچیده است. درک فرآیندهای تولید، تصفیه، مایعسازی، ذخیرهسازی و تحویل این گاز برای تامینکنندگان و مصرفکنندگان اهمیت زیادی دارد. با پیشرفت فناوریها و افزایش آگاهیهای زیستمحیطی، انتظار میرود تأمین CO2 به سوی پایداری، کارایی و نوآوری بیشتر پیش برود، که این امر نقش کلیدی در توسعه صنایع و حفاظت از محیط زیست خواهد داشت.
————————————————–
منابع
1. www.eiga.eu
2. www.ncbi.nlm.nih.gov
3. www.econnectenergy.com