Gelo Seco: Propriedades, Produção e Aplicações do CO₂ Sólido

Contexto

Gelo seco é o nome dado ao dióxido de carbono em estado sólido. Dióxido de carbono encontra-se na atmosfera terrestre; é gás que humanos exalam e plantas usam para fotossíntese. Este composto químico é incolor, inodoro, insípido e cerca de 1,5 vezes mais denso que o ar. Dióxido de carbono passa de gás a sólido branco opaco sob pressão e baixas temperaturas, solidificando a −78,5 °C (−109 °F). Gelo seco é fabricado principalmente em duas formas: bloco de gelo seco pesando mais de 22,7 kg ou em pequenos pedaços variando do tamanho de grão de arroz a pelotas maiores. Gelo seco não derrete, em vez disso sublima, ou seja, o sólido transforma-se diretamente em gás (ignorando estado líquido) conforme temperatura sobe e o sólido começa a dissipar. Essa característica incomum resulta em efeito de fumaça, e gelo seco parece estar fumegando enquanto sublima. Assim, gelo seco é frequentemente usado para simular neblina ou fumaça.

Gelo seco em si não é venenoso, mas a superfície do sólido é tão fria que não deve ser tocada sem luvas. Além disso, embora gás seja estável e inerte, é mais pesado que ar e pode concentrar-se em áreas baixas ou espaços fechados. Quando concentração de dióxido de carbono no ar excede 5%, torna-se tóxico. Assim, qualquer área onde gelo seco é usado deve ser bem ventilada.

É relativamente simples transformar dióxido de carbono de gás a sólido. Muitos fabricantes de gelo seco existem nos EUA, e gelo seco é enviado a todas as partes do país para variedade de usos. É refrigerante importante para manter alimentos frios e prevenir crescimento bacteriano durante transporte. Gelo seco usado para resfriar ou congelar alimentos deve ser muito limpo e considerado "grau alimentício" para garantir que alimentos que possa tocar não sejam contaminados. Como o sólido sublima em vez de derreter, grandes quantidades de gelo seco podem ser colocadas em contêineres de envio sem necessidade de contabilizar volume de água de derretimento que se acumula quando gelo comum é usado como refrigerante. Usos relacionados a alimentos são extensos e incluem congelamento rápido de alimentos para uso futuro em plantas de processamento, retardar crescimento de levedura ativa em padarias, e manter alimentos resfriados para catering da indústria aérea.

Outros usos incluem: retardar crescimento de botões de flores em viveiros para manter plantas frescas para consumidores, congelamento rápido na indústria de borracha durante fabricação, absorver vazamentos de refrigeração de amônia, e criar fumaça para produções teatrais. Aplicação mais significativa recente do gelo seco é jateamento com gelo seco (ou limpeza), no qual pelotas de gelo seco são lançadas em alta velocidade contra superfície a ser limpa. Pelotas removem contaminantes da superfície, sublimam na atmosfera e não deixam gases tóxicos. O único resíduo é a sujeira ou tinta deixada para descarte.

História

Gelo seco não foi inventado, antes as propriedades do dióxido de carbono sólido foram descobertas no início do século XX. Foi produzido comercialmente pela primeira vez na década de 1920 nos EUA. Um empreendimento comercial registrou a marca dry ice em 1925 e dióxido de carbono sólido tem sido chamado de gelo seco desde então. Até recentemente, gelo seco era frequentemente chamado de hot ice, referência ao fato de que ao tocar a superfície fria a mão sentia queimadura.

Parece que a Prest-Air Devices Company de Long Island, Nova York, produziu gelo seco com sucesso pela primeira vez em 1925. Também naquele ano, Schrafft's de Nova York usou o produto pela primeira vez para manter seu famoso sorvete de derreter dentro de sua loja. Gelo seco foi muito mais extensivamente usado para refrigeração e congelamento de alimentos em meados do século XX do que hoje. Virtualmente toda sorveteria no mundo usava gelo seco para manter sorvete congelado até bem depois da Segunda Guerra Mundial, quando refrigeração elétrica tornou-se acessível e eficiente. Fabricação de gelo seco não mudou significativamente em muitas décadas e é processo relativamente simples de pressurizar e resfriar dióxido de carbono gasoso. Usos para gelo seco diminuíram um pouco com advento de melhor refrigeração elétrica. Alguns desenvolvimentos recentes para seu uso incluem uso de pelotas em jateamento ou limpeza e seu uso crescente no transporte de espécimes médicos, incluindo corações, membros e tecidos, para reanexação e transplante.

Matérias-Primas

Única matéria-prima usada na fabricação de gelo seco é dióxido de carbono. Esta matéria-prima é subproduto do refino de gases emitidos durante fabricação ou refino de outros produtos. A maioria do dióxido de carbono usado na fabricação de gelo seco nos EUA é derivada de refino de gases liberados durante refino de petróleo e amônia. Dióxido de carbono emitido durante esses processos é sugado e "lavado" para remover impurezas para dióxido de carbono grau alimentício que eventualmente se tornará gelo seco.

O Processo de Fabricação

1. Dióxido de carbono é liquefeito por compressão e resfriamento, liquefazendo a pressão de aproximadamente 395 kg/cm² (870 lb/in²) à temperatura ambiente. Dióxido de carbono líquido é bombeado, via tubulação, para enormes tanques de armazenamento para que fabricantes possam retirar líquido necessário.
2. Dióxido de carbono líquido é enviado em enormes quantidades, às vezes pesando muitas toneladas. Assim, a maioria dos fabricantes escolhe localizar fábricas próximas a refinarias de petróleo ou amônia para manter custos de transporte acessíveis. Líquido pressurizado e refrigerado é canalizado diretamente para tanque pressurizado ou vagão ferroviário pertencente ao fabricante e segue para a planta.
3. Caminhão-tanque chega à fábrica e despeja dióxido de carbono líquido em enormes tanques no local. Esses tanques mantêm líquido sob pressão, mantendo-o refrigerado para que permaneça em estado líquido. Tanques estão situados adjacentes à parede da fábrica e, através de tubulação, líquido é trazido diretamente para dentro quando necessário para fabricação.
4. Dióxido de carbono líquido é liberado, novamente via tubulação, dos tanques adjacentes através da parede da fábrica e para a prensa de gelo seco. Quando líquido passa de ambiente altamente pressurizado para pressão atmosférica, expande e evapora em alta velocidade, fazendo líquido resfriar até seu ponto de congelamento de −78,3 °C (−109 °F). Um bico coloca líquido no bloco superior de uma prensa de gelo seco, que tem aproximadamente 4,9 m de altura. Esta prensa inclui grande bloco no topo que pode exercer pressão extrema no produto trazido para ele. Quando dióxido de carbono líquido atinge bloco da prensa, solidifica imediatamente pois agora está à temperatura ambiente. Dióxido de carbono agora se assemelha a neve.
5. Esta neve, agora na parte superior da prensa, deve ser comprimida em bloco de gelo seco. Assim, esta parte superior da prensa move-se para cima e para baixo com pressão extraordinária (cerca de 60 toneladas), compactando neve em bloco sólido de gelo seco. Este é processo de aproximadamente cinco minutos. Quando bloco está sólido, geralmente tem cerca de 61 cm de largura e 25 cm de altura, pesando cerca de 100 kg.
6. Bloco opaco branco de gelo seco é empurrado para fora da prensa e sobre rolo. Serra pneumática corta bloco ao meio e blocos são empurrados para outra serra que corta blocos menores novamente. Assim, bloco único feito na prensa agora está em quatro peças, cada uma pesando cerca de 25 kg.
7. Blocos menores são colocados em recipientes que mantêm blocos frios para manter sublimação mínima. Se enviados como peças não embrulhadas, devem ser embalados firmemente em recipiente, A formação de gelo seco é uma série de reações químicas. geralmente incluindo quatro blocos, com muito pouco ar permitido dentro para reduzir sublimação. Se bloco for removido durante envio, outros blocos começarão a dissipar rapidamente. Muitos fabricantes embrulham blocos em papel usando máquinas (é sensato não tocar superfície muito fria) e enviam a distribuidores ou atacadistas.

Controle de Qualidade

Questões de controle de qualidade giram principalmente em torno do grau de dióxido de carbono usado na fabricação de gelo seco grau alimentício. Recentemente, governo federal estabeleceu padrões bastante rigorosos para pureza de dióxido de carbono usado na fabricação de gelo seco, fazendo fabricantes certificarem e testarem líquido de dióxido de carbono usado, bem como pureza do produto fabricado.

Outras questões de controle de qualidade incluem garantir que tanques e equipamentos funcionem precisamente. Se pressão não for mantida adequadamente, produto não pode ser produzido. Mover produto rápida e eficientemente do corte para armazenamento é muito importante, pois gelo seco sublima rapidamente à temperatura ambiente, reduzindo peso e preço do produto vendável. Envio deve embalar blocos densamente para reduzir sublimação em trânsito também.

Subprodutos/Resíduos

Nenhum produto químico significativo é criado na produção de gelo seco. Como produto é feito apenas de dióxido de carbono, quando produto sublima gases são emitidos na atmosfera. Único resíduo detectável é sublimação do produto em forma de bloco, mantida ao mínimo.

O Futuro

Embora uso de gelo seco em refrigeração e armazenamento de alimentos possa estar diminuindo, seu uso em outras áreas promete. Como mencionado, limpadores de casas e operadores de máquinas interessam-se nas pequenas pelotas de gelo seco por sua capacidade de bombardear casa ou máquina em alta pressão, remover sujeira ou outros contaminantes, e então dissipar na atmosfera. Recentemente empresa telefônica usou pelotas de gelo seco para limpar com segurança equipamento eletrônico sensível de teste sem usar solventes perigosos. Oficinas de reparo de carroceria descobriram que aplicar gelo seco em amassados na carroceria pode às vezes eliminar desfiguração. Também, testes em blocos de gelo seco sugerem jogá-los em tocas de ratos para erradicar pragas ou colocá-los no quintal para atrair mosquitos e mantê-los longe de humanos.

Onde Saber Mais

Livros

Russell, Allan S. McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. Vol. 5. Nova York: 1997.

The Handy Science Answer Book. Segunda ed. Detroit: 1997.

Outros

"Dry Ice." About.com Web Page. Agosto 2001. https://inventors.about.com/library/inventors/bldryice.htm.

dryicelnfo.com Home Page. Julho 2001. https://www.dryiceinfo.com.

Entrevista com Chuck Hines. Proprietário da Arctic Dry Ice Company. Baltimore. 31 julho 2001.

Nancy EV Bryk