Czyszczenie suchym lodem

Suchy lód, czyli dwutlenek węgla (CO2) w postaci stałej, ma coraz większe zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu, tj.: - chłodzenie w przemyśle mięsnym, kriomielenie, - catering, - przemysł lotniczy, - czyszczenie suchym lodem, - działanie bakteriostatyczne, - przechowalnictwo lodów. Szczególną cechą suchego lodu jest to, że sublimuje w powietrzu, czyli zmienia stan skupienia ze stałego w gazowy, z pominięciem stanu ciekłego.

Suchy lód - co to jest?

Powszechnie występująca nazwa „suchy lód” określa dwutlenek węgla (CO2) w stanie stałym. Produkt ten nazywamy lodem suchym ponieważ sublimując (utleniając) się oddaje do otoczenia swoją temperaturę -73°C nie zostawiając przy tym wody. Suchy lód sublimuje pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze -78,9°C, pobierając ciepło przemiany 573 kJ/kg. Wartość ta w porównaniu z lodem (wodnym), jest większa 1,9 raza w przypadku tej samej masy, a 3,3 raza większa w przypadku jednakowej objętości. Woda w połaczeniu z suchym lodem przyspiesza proces sublimacji. Suchy lód otrzymuje się z gazowego CO2 (przez sprężanie otrzymuje się cykl ciekły, następnie stały CO2). W laboratoriach najczęściej wykorzystuje się duże ciepło parowania skroplonego CO2 – strumień wylewanej z butli cieczy oziębia się tak silnie, że ulega częściowemu zestaleniu. Jest to materiał bezzapachowy, bezsmakowy, nietrujący, niepalny, obojętny, bakteriostatyczny o twardości 2 w skali Mohr’a. Gazowy CO2 jest cięższy od powietrza a w dużych stężeniach tworzy chmur tzw. „zimną mgłę”. Ze względu na niską temperaturę suchego lodu (poniżej -70°C) powinno się go przenosić w specjalnych izolowanych pojemnikach. Nie powinno się dotykać gołymi rękoma tylko specjalnym szczypcami w rękawicach ochronnych.

Zastosowanie granulatu suchego lodu:

• czyszczenie granulatem suchego lodu,
• chłodzenie produktów spożywczych, farmaceutycznych i chemicznych,
• transport produktów wrażliwych na temperaturę,
• catering,
• rozdrabnianie w niskich temperaturach - kriomielenie (rozdrabnianie miałkie),
• połączenia mechaniczne na wcisk - pasowanie sworzeń tuleja.

Czyszczenie suchym lodem - jak wygląda?

Tradycyjne metody piaskowania stosowane przy czyszczeniu powierzchni z zanieczyszczeń np. lakierami, tłuszczami, żywicami itp. mogą w większości przypadków zostać zastąpione metodą stosowania suchego lodu w postaci grudek, jako środka bardzo efektywnego, jak i przyjaznego środowisku naturalnemu. Ponieważ grudki suchego lodu natychmiast po strumieniowaniu zamieniają się w gaz i sublimują całkowicie do atmosfery, pozostaje jedynie oddzielony od czyszczonej powierzchni brud, a sama powierzchnia czyszczonego elementu nie zostaje poddana jakiejkolwiek obróbce mechanicznej. Metoda ta pozwala zatem na zachowanie właściwości obrabianej powierzchni, na zmniejszenie ilości odpadów, a także na znaczne skrócenie czasu procesu czyszczenia.

Opis metody
W urządzeniu do czyszczenia znajduje się pojemnik, z którego poprzez lej grudki suchego lodu są przy pomocy dozownika transportowane do węża wyjściowego. Jednocześnie pistolet strumieniowy "napędzany" sprężonym powietrzem wytwarza podciśnienie, na skutek czego grudki suchego lodu są łagodnie zasysane, a następnie przyspieszane do prędkości przepływu wielkości ok. 300m/s. Dzięki wysokowydajnym dyszom strumień grudek zostaje "wystrzelony" na powierzchnię czyszczonego materiału.

Kontakt grudek suchego lodu o temperaturze -79°C z zanieczyszczeniami powoduje ich skruszenie, a w następstwie szoku termicznego, ich oddzielenie od czyszczonej powierzchni. Duża prędkość drugiego strumienia grudek powoduje całkowite oderwanie się powłoki zanieczyszczeń. Powodzenie tej metody ma dwie zasadnicze przyczyny: szok termiczny i efekt pneumatyczny. W odróżnieniu jednak do konwencjonalnej metody "piaskowania" nie zostaje w tym procesie naruszona powierzchnia głównego materiału. Natychmiast po natrafieniu na zanieczyszczenie, suchy lód zmienia się w gaz i ulatnia do atmosfery. Wykorzystując opisaną metodę można usunąć każde zanieczyszczenie powierzchniowe tj.: kleje, oleje, lakiery, tłuszcze, masy bitumiczne, rozpuszczalniki, rdzę, wosk, farby drukarskie, silikony, pianki poliuretanowe, zanieczyszczenia środkami spożywczymi, zgorzeliny, zapieczenia i wiele innych.

Metoda czyszczenia suchym lodem - zalety

• brak konieczności utylizacji odpadów - natychmiastowa sublimacja gazowego CO2 do atmosfery, po zetknięciu się z zanieczyszczeniem,
• przyjazna dla środowiska naturalnego - nie stosuje się żadnych dodatkowych środków chemicznych, a jedynym odpadem jest usuwane z materiału zanieczyszczenie,
• łagodne czyszczenie - metoda jest całkowicie bezpieczna dla czyszczonej powierzchni, nie powoduje uszkodzeń mechanicznych, nie stosuje się środków zwiększających podatność na korozję,
• nie obniża produktywności czyszczonych maszyn i urządzeń - większość elementów może być czyszczona bez konieczności demontowania maszyny,
• szybkość - szybkie, łatwe i sprawne przygotowanie do czyszczenia, czyszczenie całkowite nie wymagające poprawek,
• wszechstronność - budowa urządzeń gwarantuje dobre efekty stosowania metody nawet w trudnych warunkach.

Metoda suchego lodu, dzięki swojemu łagodnemu i nieniszczącemu powierzchnie działaniu pozwala znacznie przedłużyć żywotność np. czyszczonych form. Części i elementy wrażliwe na korozję i pracujące pod napięciem elektrycznym można także bezpiecznie czyścić "suchym lodem" , ponieważ nie przewodzi on prądu elektrycznego, ani nie stanowi środka korozjo-twórczego. Czyszczenie pojedynczych części i elementów większych maszyn, czy urządzeń jest nieskomplikowane, gdyż stosowana metoda nie wymaga ich wymontowania, ani nawet odłączenia napięcia elektrycznego. Bezspornie największą zaletą tej metody jest jednak minimalna ilość pozostałych po jej zastosowaniu odpadów i brak konieczności ich specjalnej utylizacji, czy składowania, co znacznie obniża koszty. Równie ważną zaletą metody "suchego lodu" jest niewielki czas, w którym możemy oczyścić daną powierzchnię, co ma niebagatelny wpływ zarówno na koszt operacji, jak i na szybkość czyszczenia i możliwość ponownego zastosowania czyszczonych urządzeń.

O skuteczności techniki czyszczenia suchym lodem decydują trzy czynniki:

• energia kinetyczna z jaką granulat uderza o czyszczoną powierzchnię,
• różnica temperatur pomiędzy warstwą podłoża i warstwą zanieczyszczeń,
• szybkość sublimacji i usuwania zanieczyszczeń podmuchem powietrza.

Produkcja suchego lodu

Ciekły CO2 znajduje się w zbiorniku, z którego doprowadzony zostaje do specjalnego urządzenia "granulatora", gdzie następuje jego rozprężenie do ciśnienia atmosferycznego. W rezultacie tego procesu następuje zmiana stanu skupienia dwutlenku węgla z ciekłego w stały o temperaturze -79 °C w postaci śniegu. Tak przygotowane medium zostaje następnie sprasowane i uformowane przez specjalną matrycę w grudki suchego lodu o wielkości zbliżonej do wielkości ziarenek ryżu (ok. 3mm) tzw. "peletów".

Jest to również produkt uboczny Zakładów Azotowych. Występuje w postaci kostek (wymiary 18 x 18 x 25 cm) lub w postaci granulatu (średnica do 1,5 cm). Temperatura na powierzchni kostki wynosi -73°C , w środku -78°C , podobnie jak granulatu.

Kostka lodu osiąga swoją postać po ściśnięciu dwutlenku węgla w cylindrze prasy do 200 atmosfer. Rozprężenie następuje z podobną siłą 200 atmosfer; w związku z tym zalecane jest przechowywanie lodu w lekko nieszczelnym opakowaniu. Żeby straty w magazynowaniu kostek i granulatu były jak najmniejsze należy lód ocieplić i odizolować od powietrza.

Właściwości fizykochemiczne suchego lodu:

• Suchy lód jest bezzapachowy, bezsmakowy, nietrujący, niepalny, obojętny, bakteriostatyczny, temperatura - 78,5 st., twardość ok. 2 w skali Mohr'a.
• Masa cząsteczkowa: 44,1
• Stan skupienia, barwa, zapach: ciało stałe o śnieżnobiałym kolorze, bez obcego smaku i zapachu
• pH: lekko kwaśny
• Temperatura wrzenia (°C): - 79,8
• Temperatura topnienia (°C): - 56,6 (5,1 atm)
• Punkt potrójny (°C): - 56,6 (5,1 atm)
• Punkt sublimacji (°C): - 78,5 (1 atm)
• Palność: niepalny
• Prężność par w temperaturze:
• 20 °C: 56,52 atm
• 30 °C: 71,16 atm
• Gęstość (g/cm3): 1,5 (-78,5 °C; 1,15 MPa)
• Gęstość względna oparów: 1,52
• Temperatura (minimalna uzyskana)mieszanek:
• suchy lód + alkohol etylowy -72°C
• suchy lód + eter dietylowy -95°C

Ciekawostki
1. W lipcu 1946 roku dwaj amerykańscy fizycy z General Electric, Vincent J. Schaefer (1906-1994) i Irvin Langmuir (1881-1957), zajmowali się problemem zalodzenia samolotów przelatujących na wysokich pułapach. Aby móc przeprowadzać doświadczenia w komorze mgłowej, potrzebowali niskich temperatur, około -23°C. Niestety, lato tego roku w Massachusetts było wyjątkowo gorące i badacze mieli trudności z utrzymaniem tak niskiej temperatury. Schaefer wykorzystał więc suchy lód. Przypadkowo odkrył, że gdy wrzucał drobne kawałki tej substancji do komory, w której znajdował się już przechłodzony suchy lód, powstawały miliony kryształków lodu i opadały na dno komory. 13 listopada 1948 roku zjawisko to zostało przebadane w prawdziwej atmosferze. Schaefer zrzucił z samolotu około 3 kg pyłu suchego lodu na chmurę rozciągającą się nad Massachusetts. Efektem był pierwszy wywołany przez człowieka opad śniegu.

Doświadczenie: Zasiewanie przechłodzonej chmury
Materiały: dwie metalowe puszki, lód, sól, termometr, materiał izolujący, gruba deska, suchy lód (uwaga: temperatura zamrożonego dwutlenku węgla wynosi około -70oC, więc nie należy go dotykać gołymi rękoma), szczypce.

Wykonanie: Zbuduj komorę chłodzącą z dwóch puszek umieszczonych jedna w drugiej. Wypełnij przestrzeń pomiędzy nimi mieszaniną dobrze rozdrobnionego lodu i soli w stosunku 3:1. Komora powinna być opasana materiałem izolacyjnym. Dopóki temperatura wewnątrz środkowej puszki nie spadnie do -15°C, urządzenie powinno być przykryte deską. Dmuchając do komory, wytworzysz grubą, szarą i przechłodzoną mgłę. Jeśli teraz przytrzymasz kawałek suchego lodu nad chmurą i zeskrobiesz odrobinę ostrym narzędziem, kruszyny tego materiału zaznaczą drogę spadku w chmurze białą smugą, podobną do smugi kondensacyjnej. Będzie ona składała się z tysięcy kryształków lodu, które powstały w wyniku spontanicznego zamarzania, gdy kawałki suchego lodu lokalnie ochłodziły cienką warstwę powietrza. Kryształki te wkrótce rozproszą się po całej komorze i będą ściągały przechłodzone kropelki wody.

2. Opis powstawania suchego lodu z udziałem ciekłego azotu
Azot - podstawowy składnik ziemskiej atmosfery - przechodzi do stanu ciekłego w temperaturze -196°C. Po raz pierwszy azot (i tlen) skroplili polscy fizycy, Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski, w 1883 roku. Obecnie ciekłego azotu często używa się do chłodzenia aparatury badawczej. W przedstawionych tutaj pokazach ciekły azot posłużył do demonstracji różnorodnych procesów termodynamicznych.

Jeden z bardziej efektownych eksperymentów przy użyciu ciekłego azotu jest równocześnie najprostszy do wykonania - wystarczy odrobinę azotu rozlać na stole czy na podłodze. Azot natychmiast zaczyna wrzeć, blat stołu jest przecież o ponad 200 stopni gorętszy. Wrzenie jest tak intensywne, że między kroplą azotu a podłożem powstaje poduszka powietrzna, a krople rozbiegają się na wszystkie strony prawie bez tarcia.

Ciekły azot zazwyczaj przechowuje się w szczelnych termosach - żeby uchronić go przed szybkim wygotowaniem. W naszym eksperymencie postępujemy inaczej: nalewamy azotu do otwartego i nie izolowanego cieplnie naczynia w kształcie wąskiej rury. Azot w zetknięciu z "gorącym" otoczeniem zaczyna gwałtownie wrzeć, widzimy jego pary buchające z otwartego końca rury. Równocześnie na powierzchni naczynia skrapla się atmosferyczny tlen, który powoli spływa do podstawionej zlewki. O tym, że jest to właśnie tlen przekonujemy się na własne oczy: zapałka wrzucona do zlewki płonie gwałtownym, żywym płomieniem i spala się niemal doszczętnie.

Na powierzchni rury z ciekłym azotem osiada też szron - to oczywiście zamarzająca para wodna. Oprócz szronu widzimy drobne, białe grudki, które po zebraniu na kartce papieru wyparowują w dziwny sposób: nie pozostawiając na papierze ani śladu wilgoci. Ta substancja to "suchy lód", czyli zestalony dwutlenek węgla. Zachodzący przy tym proces nazywamy sublimacją: dwutlenek węgla przechodzi z fazy stałej bezpośrednio do gazowej, z pominięciem cieczy. Suchy lód powstał w wyniku odwrotnego procesu - resublimacji. Kolejny ciekawy proces termodynamiczny obserwujemy po szczelnym zatkaniu pojemnika z azotem. Stale uwalniające się pary wrzącego azotu powodują wzrost ciśnienia wewnątrz zbiornika. Przy wzroście ciśnienia podnosi się również temperatura wrzenia azotu. Widać to po zewnętrznej powierzchni pojemnika: stopniowo przestaje się na niej skraplać powietrze. Proces zostaje przywrócony natychmiast po otwarciu pojemnika.

3. Suchy lód o temperaturze około -70° C można zmusić do świecenia - dzięki prostej reakcji wymiany:
2Mg + CO2 = 2MgO + C + hv
Jednocześnie zachodzi spalanie magnezu w tlenie. Powstała w wyniku reakcji wysoka temperatura przyspiesza sublimację suchego lodu.
Materiał zebrany przesłany przez: CLINIKKA