一、基本性質

1. 物理性質
   • 常溫常壓下為無色、無味氣體，密度約為空氣的 1.5 倍（1.98 kg/m3），易溶于水（生成碳酸），加壓降溫可液化成液態二氧化碳或凝固為固態干冰（熔點 - 56.6℃，升華點 - 78.5℃）。
   • 干冰直接升華時吸收大量熱量，可作天然制冷劑，且無殘留液體，常用于低溫場景。
2. 化學性質
   • 不可燃、不助燃，能抑制多數物質燃燒（但鎂等活潑金屬可在 CO?中燃燒）。
   • 屬于酸性氧化物，可與堿反應生成碳酸鹽（如 CO? + 2NaOH → Na?CO? + H?O），也可參與光合作用（生態循環中的關鍵角色）。
   • 在高溫或催化劑作用下可參與化學反應，如與氫氣合成甲醇（CO? + 3H? → CH?OH + H?O）。

二、主要用途

1. 化工與冶金行業

• 生產碳酸鹽：用于制造碳酸鈉（純堿）、碳酸氫鈉（小蘇打）、碳酸鈣等，廣泛應用于玻璃、造紙、紡織、洗滌劑生產。
• 合成化工原料：作為碳源參與尿素、水楊酸、甲醇等合成（如尿素生產中 CO?與氨反應生成氨基甲酸銨，再分解為尿素）。
• 金屬加工保護氣：在某些金屬鑄造或熱處理工藝中，通入 CO?可調節爐內氣氛，防止金屬氧化（但不如氬氣常用）。

2. 食品與飲料工業

• 碳酸飲料制備：將 CO?加壓溶于水形成碳酸，賦予飲料氣泡口感（如可樂、汽水）。
• 食品保鮮與包裝：
  • 作為氣調保鮮劑，抑制食品中微生物生長（如充入 CO?的包裝用于果蔬、肉類保鮮）。
  • 干冰用于食品冷凍運輸（如冰淇淋、生鮮冷鏈），兼具制冷和隔氧效果。
• 啤酒釀造：發酵過程中產生的 CO?可回收利用，用于啤酒碳酸化。

3. 焊接與消防領域

• 二氧化碳氣體保護焊（CO?焊）：
  以 CO?作為保護氣，隔絕空氣防止焊接熔池氧化，適用于低碳鋼、低合金鋼的焊接，成本低于氬氣保護焊（但高溫下 CO?會分解為 CO 和 O?，可能導致焊縫滲碳，需配合脫氧焊絲使用）。
• 滅火系統：
  利用 CO?的窒息性和冷卻作用，用于撲滅電氣火災、精密儀器火災（如數據中心、檔案館），但不適用于活潑金屬（如鎂、鈉）火災。

4. 能源與環保技術

• 油田驅油（EOR）：向油藏注入 CO?，提高原油流動性，增加采收率（同時實現 CO?封存，減少碳排放）。
• 干冰清洗：干冰顆粒高速噴射時升華吸熱，使污垢冷凍脆化并脫落，用于清洗模具、機械設備（無二次污染，替代傳統化學清洗）。
• 碳捕捉與封存（CCS/CCUS）：從工業廢氣中捕獲 CO?，用于提高石油采收率、生產建材（如碳酸化混凝土）或封存于地下，助力碳中和目標。

5. 其他工業應用

• 醫藥與農業：
  • 低溫冷凍（如凍存細胞、組織）；
  • 溫室大棚中作為氣肥，促進植物光合作用（提高 CO?濃度至 800~1500 ppm 可增產）。
• 煙草加工：用液態 CO?萃取煙草中的尼古丁，實現低焦油卷煙生產。
• 紙漿處理：在造紙工藝中用于調節 pH 值，或與氫氧化鈉反應生成碳酸鈉（回收制漿化學品）。

三、制備方法

1. 石灰石煅燒副產

• 原理：高溫煅燒石灰石（CaCO? → CaO + CO?↑），該反應是水泥生產的核心過程，副產的 CO?經凈化、壓縮后可收集利用。
• 特點：產量大，成本低，但需配套水泥或石灰生產線。

2. 發酵過程回收

• 來源：釀酒（葡萄糖發酵生成乙醇和 CO?）、制糖、味精生產等微生物發酵工序中產生的 CO?，經水洗、干燥后提純。
• 應用：食品級 CO?的主要來源之一（如飲料行業），需進一步去除乙醇、異味等雜質。

3. 化工副產物回收

• 合成氨 / 甲醇工業：在煤氣化或天然氣重整制氫過程中，產生含 CO?的混合氣（如變換反應 CO + H?O → CO? + H?），通過變壓吸附（PSA）或化學吸收（如胺法）分離 CO?。
• 鋼鐵冶煉：高爐煤氣中含約 15%~20% 的 CO?，可通過除塵、脫硫后回收。
• 石化行業：煉油廠催化裂化、乙烯生產等過程中副產 CO?。

4. 空氣分離法（非主流）

• 通過低溫精餾或吸附法從空氣中分離 CO?，但因空氣中 CO?濃度低（約 0.04%），成本較高，僅用于特殊需求（如高純度 CO?制備）。

5. 直接燃燒法（特殊場景）

• 燃燒碳氫燃料（如天然氣）生成 CO?（CH? + 2O? → CO? + 2H?O），適用于需要高純度 CO?且無副產來源的場景（如實驗室或小型裝置）。

四、安全注意事項

1. 窒息風險
   • CO?本身無毒，但屬于惰性窒息性氣體，在密閉空間中濃度過高會稀釋氧氣。當空氣中 CO?濃度超過 **5%時，可能引發頭痛、呼吸困難；超過10%** 時，會導致昏迷甚至死亡（需配備氧氣濃度監測設備，確保通風）。
2. 低溫與壓力危害
   • 液態 CO?溫度約 - 48℃，接觸皮膚會導致凍傷；干冰直接接觸皮膚可能造成嚴重凍裂，操作時需戴防護手套和護目鏡。
   • 壓縮 CO?鋼瓶或低溫儲罐若遇高溫、撞擊，可能因壓力驟升引發爆炸，需存放于陰涼通風處，遠離火源和熱源。
3. 環境影響
   • 高濃度 CO?排放加劇溫室效應，工業應用中需注意回收利用（如 CCUS 技術），或通過環保審批確保排放合規。
4. 儲存與運輸
   • 氣態 CO?：充裝于高壓鋼瓶（黑色鋼瓶，標識 “二氧化碳”），壓力通常為 5~15 MPa。
   • 液態 CO?：儲存于絕熱低溫儲罐（溫度 - 20℃以下，壓力 2~3 MPa），運輸時需防泄漏。
   • 嚴禁與可燃氣體（如氫氣、乙炔）混裝，搬運時避免滾動或撞擊鋼瓶。

五、標準與環保趨勢

• 工業標準：中國《工業液體二氧化碳》（GB/T 6052-2011）規定了工業級 CO?的純度（≥99.0%）、雜質限值（如油分≤5 mg/kg、氣味檢測無異味）等指標。
• 環保技術：隨著碳中和目標推進，工業 CO?的資源化利用（如制甲醇、可降解塑料）和封存技術（如咸水層封存）成為發展重點，推動 “負碳工業” 轉型。

六、歷史與發展

二氧化碳的工業應用可追溯至 19 世紀：

• 1823 年，英國科學家法拉第發現液化 CO?；
• 20 世紀初，CO?開始用于食品冷藏和滅火；
• 二戰后，隨著化工和焊接技術發展，工業 CO?需求激增；
• 近年來，碳捕捉技術的興起賦予 CO?新角色，從 “工業廢氣” 轉變為 “可利用資源”。

工業用二氧化碳以其多功能性和低成本特性，成為現代工業不可或缺的基礎材料。未來，隨著環保技術的進步，其在循環經濟和低碳產業中的價值將進一步凸顯。