آنالیز گاز کربنیک | آزمون و تعیین خلوص گاز کربن دی اکسید

سپهر گاز کاویان دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت آنالیز گازکربنیک تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778

گاز کربنیک

(CO2)، گازی بی‌رنگ و بی‌بو، با وجود سادگی ساختار شیمیایی ، نقش حیاتی در فرآیندهای طبیعی و صنعتی ایفا می‌کند . در طبیعت، بخشی جدایی‌ناپذیر از چرخه کربن است و در فرآیندهای فتوسنتز و تنفس موجودات زنده دخیل است. از منظر صنعتی، کر بنیککاربردهای بسیار گسترده‌ای دارد: از عامل گازدارکننده در نوشیدنی‌ها و بسته‌بندی مواد غذایی (اتمسفر اصلاح‌شده) گرفته تا استفاده در جوشکاری، سیستم‌های اطفاء حریق، استخراج نفت و گاز (EOR)، تولید اوره و متانول، خنک‌کننده در راکتورهای هسته‌ای و حتی در کاربردهای پزشکی (مانند لاپاراسکوپی).

با توجه به حساسیت بسیاری از این کاربردها، به‌ویژه در صنایع غذایی و دارویی، کنترل دقیق خلوص و اطمینان از عدم وجود ناخالصی‌های مضر در CO2 امری حیاتی است. وجود ناخالصی‌هایی مانند ترکیبات گوگردی، هیدروکربن‌ها، مونوکسید کربن، اکسیژن، نیتروژن و رطوبت می‌تواند به کاهش کیفیت محصول نهایی، خرابی تجهیزات، یا حتی خطرات بهداشتی و ایمنی منجر شود. بنابراین، آنالیز و تعیین خلوص گاز کربنیک نه تنها یک الزام کیفی، بلکه یک ضرورت ایمنی و اقتصادی است. این مقاله با هدف ارائه یک دید جامع به روش‌ها و تکنیک‌های مورد استفاده برای آنالیز کربنیک و تعیین خلوص آن، گام برمی‌دارد.

خواص فیزیکی و شیمیایی گاز کربنیک

گاز کربن دی اکسید (CO2) با فرمول شیمیایی کربنیک ، از یک اتم کربن که به صورت خطی به دو اتم اکسیژن متصل شده است، تشکیل شده است (O=C=O). این ساختار خطی باعث می‌شود که مولکول CO2 غیرقطبی باشد، هرچند پیوندهای C-O قطبی هستند.

1.خواص فیزیکی

حالت فیزیکی: در دما و فشار استاندارد (STP)، CO2 گازی بی‌رنگ و بی‌بو است.

جرم مولی: 44.01 گرم بر مول.

چگالی: چگالی کربنیک در STP حدود 1.977 کیلوگرم بر متر مکعب است که تقریباً 1.5 برابر چگالی هوا (1.225 کیلوگرم بر متر مکعب) است. این بدان معناست که CO2 در سطوح پایین تجمع می‌یابد و می‌تواند جایگزین هوا در فضاهای بسته شود، که خطر خفگی را به همراه دارد.

نقطه جوش: CO2 در فشار اتمسفر مایع نیست؛ بلکه مستقیماً از حالت جامد به گاز تبدیل می‌شود (تصعید).

نقطه تصعید (Sublimation Point): 78.5- درجه سانتی‌گراد (194.65- کلوین) در فشار 1 اتمسفر. این نقطه، که به “یخ خشک” معروف است، به دلیل قابلیت انتقال حرارت بالا و ایجاد اثر سرمایشی قوی، در حمل و نقل و نگهداری مواد غذایی و دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نقطه بحرانی (Critical Point): دمای بحرانی 31.1 درجه سانتی‌گراد (304.25 کلوین) و فشار بحرانی 73.8 اتمسفر (7.38 مگاپاسکال). در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی، CO2 در حالت سیال فوق بحرانی (Supercritical Fluid) قرار می‌گیرد که خواص بینابینی مایع و گاز دارد و در استخراج حلال‌ها کاربرد دارد.

قابلیت انحلال در آب: CO2 در آب حل می‌شود و اسید کربنیک (H2CO3) تشکیل می‌دهد: CO2(g) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq) این واکنش یک تعادل است و اسید کربنیک یک اسید ضعیف است که به یون‌های هیدروژن (H+) و بی‌کربنات (HCO3-) تفکیک می‌شود. این خاصیت باعث گازدار شدن نوشیدنی‌ها می‌شود.

نقطه ذوب: 56.6- درجه سانتی‌گراد (216.55 کلوین) در فشار 5.17 اتمسفر (0.52 مگاپاسکال).

2. خواص شیمیایی

واکنش‌ناپذیری: CO2 در شرایط معمول نسبتاً واکنش‌ناپذیر است، به همین دلیل به طور گسترده در محیط‌های خنثی در فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شود.

عدم قابلیت احتراق: کربنیک خود قابل اشتعال نیست و برعکس، به عنوان یک عامل اطفاء حریق عمل می‌کند، زیرا با کاهش غلظت اکسیژن، شعله را خاموش می‌کند.

اسیدیته: هرچند CO2 مستقیماً اسیدی نیست، اما انحلال آن در آب باعث تشکیل اسید کربنیک و کاهش pH می‌شود.

اثر گلخانه‌ای: CO2 یکی از اصلی‌ترین گازهای گلخانه‌ای است که در حفظ دمای کره زمین نقش دارد. افزایش غلظت آن در جو، به پدیده گرمایش جهانی منجر می‌شود.

واکنش با قلیاها: CO2 با بازهای قوی واکنش داده و کربنات‌ها را تشکیل می‌دهد، مانند: 2NaOH(aq) + CO2(g) → Na2CO3(aq) + H2O(l) این خاصیت در فرآیندهای حذف CO2 از گازهای دیگر (مانند جذب) استفاده می‌شود.

خواص ترمودینامیکی و فیزیکی CO2، به ویژه چگالی، نقطه تصعید و قابلیت انحلال آن، در طراحی سیستم‌های نمونه‌برداری، نگهداری و تحلیلی آن تأثیرگذار است. به عنوان مثال، سنگین‌تر بودن کربنیک از هوا، لزوم توجه به تهویه در محل‌های نگهداری را ایجاب می‌کند، و نیاز به تبرید برای نگهداری در فاز مایع، پیچیدگی‌های خاص خود را دارد.

استانداردهای خلوص کربنیک

خلوص مورد نیاز برای کربنیک بسته به کاربرد نهایی آن به طور چشمگیری متفاوت است. استانداردهای بین‌المللی و ملی، مانند استانداردهای ASTM، ISO، و رهنمودهای سازمان‌های تخصصی مانند ISBT (International Society of Beverage Technologists) و USP (United States Pharmacopeia) برای کاربردهای دارویی، حدود مجاز برای ناخالصی‌های مختلف را برای گریدهای گوناگون CO2 تعیین می‌کنند. تعیین دقیق این ناخالصی‌ها برای تضمین ایمنی، کیفیت و عملکرد مطلوب در کاربردهای حساس، امری حیاتی است.

1.ناخالصی‌های شایع در CO2

ناخالصی‌ها می‌توانند از منابع مختلفی وارد کربنیک شوند، از جمله:

فرآیند تولید: موادی که در تولید CO2 استفاده می‌شوند (مانند مواد اولیه در سنتز آمونیاک یا متیل الکل) یا محصولاتی که در حین فرآیند تولید CO2 به عنوان محصول جانبی تولید می‌شوند.

سیستم نگهداری و توزیع: آلودگی از مخازن، خطوط لوله، سییلندرها، و تجهیزات نصب شده در محل مصرف.

منابع طبیعی: اگر CO2 از منابع طبیعی استخراج شود، ممکن است حاوی ناخالصی‌های موجود در آن منابع باشد.

مهمترین ناخالصی‌هایی که معمولاً در کربنیک مورد ارزیابی قرار می‌گیرند، عبارتند از:

رطوبت (H2O):

منبع: ناشی از فرایندهای تولید، آلودگی هوا، یا عدم تخلیه کامل سیستم‌ها.

اثرات: خوردگی تجهیزات، به ویژه در حضور CO2 (که به تشکیل اسید کربنیک منجر می‌شود)، ایجاد یخ در خطوط و شیرهای تنظیم فشار، و تأثیر بر خواص فیزیکی CO2 (مانند نقطه شبنم). در صنایع غذایی، رطوبت بیش از حد می‌تواند باعث فساد مواد غذایی شود.

استانداردها: معمولاً در حد چند ppm (قسمت در میلیون) یا کمتر برای کاربردهای حساس (مانند پزشکی و غذایی) تعیین می‌شود.

اکسیژن (O2):

منبع: ناشی از ورود هوا به سیستم‌ها در طول تولید، نگهداری یا نمونه‌برداری.

اثرات: در صنایع غذایی، اکسیژن می‌تواند باعث اکسیداسیون چربی‌ها و ویتامین‌ها، تغییر رنگ و طعم شود. در جوشکاری، می‌تواند باعث سوختن و شکنندگی فلز شود. در کاربردهای پزشکی، حضور اکسیژن همراه با CO2 ممکن است در برخی روش‌ها مشکل‌ساز باشد.

استانداردها: برای کاربردهای غذایی و پزشکی، سطح O2 باید بسیار پایین (اغلب زیر 5-10 ppm) باشد.

نیتروژن (N2):

منبع: حضور در هوای ورودی به سیستم‌های تولید CO2، یا جداسازی از هوا به عنوان محصول جانبی.

اثرات: عمدتاً به عنوان یک ناخالصی خنثی در نظر گرفته می‌شود، مگر اینکه غلظت آن بالا باشد و باعث کاهش غلظت CO2 و تأثیر بر خواص فیزیکی آن شود. در برخی کاربردها (مانند جوشکاری)، حضور نیتروژن می‌تواند باعث تشکیل نیتریدها و شکنندگی شود.

استانداردها: بسته به کاربرد، می‌تواند از چند صد ppm تا چند درصد مجاز باشد.

مونوکسید کربن (CO):

منبع: محصولات جانبی فرآیندهای احتراق ناقص، یا در برخی فرآیندهای شیمیایی.

اثرات: گازی سمی و خطرناک برای سلامتی انسان (حتی در غلظت‌های پایین). در صنایع غذایی، می‌تواند باعث تغییر طعم شود.

استانداردها: مقادیر بسیار کم (معمولاً زیر 1-5 ppm) برای کاربردهای غذایی و پزشکی.

متان (CH4) و سایر هیدروکربن‌ها (مانند اتان، پروپان، اتیلن، استیلن):

منبع: آلودگی از مواد اولیه، یا ناشی از فرآیندهای شیمیایی.

اثرات: ایجاد بوی نامطبوع در نوشیدنی‌ها، تأثیر بر طعم غذا، و در برخی کاربردها (مانند جوشکاری)، می‌توانند باعث مشکلات کیفی شوند. هیدروکربن‌های سبک‌تر (مانند متان) در غلظت‌های بالا ممکن است قابلیت اشتعال داشته باشند.

استانداردها: برای کاربردهای غذایی و دارویی، معمولاً در حد ppb یا چند ppm.

ترکیبات گوگردی (مانند سولفید هیدروژن H2S، کربن اکسی‌سولفید COS، متیل مرکاپتان CH3SH):

منبع: مواد اولیه حاوی گوگرد، یا آلودگی از منابع نفتی و گازی.

اثرات: بوی بسیار نامطبوع و زننده (حتی در غلظت‌های بسیار پایین)، خورندگی شدید، و تأثیر منفی بر طعم و کیفیت محصولات غذایی.

استانداردها: مقادیر بسیار ناچیز (معمولاً در حد ppb) برای کاربردهای غذایی و دارویی.

آمونیاک (NH3) و ترکیبات آمینی:

منبع: فرآیندهای تولید CO2 با استفاده از آمین‌ها برای جذب کربنیک ، یا آلودگی از منابع صنعتی.

اثرات: ایجاد بوی تند و نامطبوع، و تأثیر بر pH و طعم.

استانداردها: مقادیر بسیار کم (در حد ppb) برای کاربردهای حساس.

بنزن و سایر ترکیبات آروماتیک (مانند تولوئن، زایلن):

منبع: آلودگی از منابع نفتی یا فرآیندهای شیمیایی.

اثرات: سمی بودن و اثرات سرطان‌زایی.

استانداردها: در حد ppb برای کاربردهای غذایی و دارویی.

3.2. گریدهای CO2 و استانداردهای مربوطه

گریدهای مختلف CO2 برای کاربردهای تخصصی طراحی شده‌اند و هر کدام دارای حدود مجاز متفاوتی برای ناخالصی‌ها هستند:

گرید غذایی (Food Grade):

کاربردها: نوشیدنی‌های گازدار، بسته‌بندی مواد غذایی (MAP – Modified Atmosphere Packaging)، انجماد و سردسازی سریع مواد غذایی.

ویژگی‌ها: نیازمند خلوص بالا (معمولاً 99.9% یا بالاتر) و محدودیت‌های بسیار سختگیرانه برای ناخالصی‌های سمی، بو، و موادی که می‌توانند بر طعم و کیفیت غذا تأثیر بگذارند.

استانداردها:

ISBT (International Society of Beverage Technologists): رهنمودهای خاصی برای کربنیک مورد استفاده در نوشیدنی‌ها ارائه می‌دهد که شامل حداکثر مقادیر مجاز برای O2، H2O، CH4، N2، H2S، CO، و سایر هیدروکربن‌ها است.

FCC (Food Chemicals Codex): استانداردهایی برای استفاده از کربنیک در مواد غذایی و فرآیندهای مرتبط.

گرید پزشکی (Medical Grade):

کاربردها: لاپاراسکوپی، کرایوتراپی، تنفس مصنوعی (در ترکیب با اکسیژن)، و سایر کاربردهای درمانی.

ویژگی‌ها: مشابه گرید غذایی، با تأکید بسیار بیشتر بر عدم وجود هرگونه آلاینده که می‌تواند اثرات نامطلوب فیزیولوژیکی بر بیماران داشته باشد. خلوص بسیار بالا و کنترل دقیق ناخالصی‌های سمی حیاتی است.

استانداردها:

USP (United States Pharmacopeia): استانداردهای رسمی برای گازهای دارویی.

EP (European Pharmacopoeia): معادل اروپایی USP.

FDA (Food and Drug Administration): مقررات مربوط به استفاده از گازها در تجهیزات پزشکی.

گرید صنعتی (Industrial Grade):

کاربردها: جوشکاری، اطفاء حریق، استخراج نفت و گاز (EOR)، تولید مواد شیمیایی (اوره، متانول)، خنک‌سازی، لحیم‌کاری.

ویژگی‌ها: خلوص مورد نیاز بسته به کاربرد متفاوت است. برای برخی کاربردها مانند جوشکاری، خلوص 99.5% کافی است، در حالی که برای فرآیندهای شیمیایی خاص، ممکن است خلوص بالاتری نیاز باشد. ناخالصی‌هایی که بر فرآیند یا محصول نهایی تأثیر می‌گذارند، باید کنترل شوند.

استانداردها: استانداردهای صنعتی عمومی که توسط سازمان‌های ملی مانند ANSI (American National Standards Institute) یا استانداردهای فنی خاص هر صنعت تعریف می‌شوند.

گرید فوق خالص (Ultra-High Purity – UHP):

کاربردها: صنایع نیمه‌هادی، تحقیقات علمی، تولید لیزر.

ویژگی‌ها: نیازمند بالاترین سطح خلوص (99.999% یا بیشتر) و کنترل ناخالصی‌ها در سطح ppb یا ppt (قسمت در تریلیون). حتی مقادیر بسیار اندک ناخالصی‌ها می‌توانند به طور جدی بر عملکرد محصولات الکترونیکی یا نتایج تحقیقات تأثیر بگذارند.

استانداردها: استانداردهای خاص صنایع پیشرفته که معمولاً توسط تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان تعیین می‌شوند.

انتخاب گرید مناسب CO2 و اطمینان از انطباق آن با استانداردهای مربوطه، بخش اساسی در تضمین کیفیت و ایمنی در طیف گسترده‌ای از کاربردها است.

روش‌های آنالیز و تعیین خلوص گاز کربنیک

برای تعیین خلوص CO2 و شناسایی و اندازه‌گیری کمی ناخالصی‌های آن، مجموعه‌ای از تکنیک‌های تحلیلی پیشرفته به کار گرفته می‌شوند. انتخاب روش تحلیلی مناسب بستگی به عوامل متعددی دارد، از جمله:

نوع و ماهیت ناخالصی مورد نظر: برخی ناخالصی‌ها (مانند CO، O2، N2) ماهیت شیمیایی متفاوتی نسبت به کربنیک دارند.

سطح غلظت مورد انتظار ناخالصی: آیا ناخالصی در حد درصد، ppm، ppb یا ppt وجود دارد؟

دقت و حساسیت مورد نیاز: هر کاربرد، سطح دقت متفاوتی را طلب می‌کند.

ویژگی‌های نمونه: فاز (گاز یا مایع)، فشار، و دما.