Cơ sở khoa học của công nghệ làm đá khô
Đá khô tên gọi của CO₂ (khí cacbonic) ở thể rắn, loại đá này dùng rất nhiều trong công nghệ chế biến và bảo quản nguyên liệu, sản phẩm thực phẩm. Ngoài ra đá khô còn dùng trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác như: y học, công nghệ tế bào, công nghệ bảo quản gen, công nghệ enzyme, …v.v.
Tính chất hoá – lí của khí cacbonic (C02)
Giản đồ trạng thái pha của khí CO₂ trên đồ thị p – t ở hình có thể cho thấy rõ, khí cacbonic trong tự nhiên luôn có thể tồn tại ở trạng thái của ba pha khí – lỏng – rắn tuỳ theo từng điều kiện áp suất P và nhiệt độ khác nhau. Ở trên giản đồ p – t chia ra làm ba miền, miền AOD CO₂ luôn tồn tại ở thể khí, miền DOB CO₂ luôn tồn tại ở thể lỏng, miền BOA CO₂ luôn tồn tại ở thể rắn.
Điểm O gọi là điểm ba tại đó tồn tại đồng thời một lúc ba thể rắn – lỏng – khí, đối với CO₂ thì áp suất và nhiệt độ của điểm ba tương đối cao O (P = 5,36 bar = 5,28 atm = 5,47 kg/cm² = 5,47 at; t = – 56,6°C), tại điểm này CO₂ tồn tại ở ba thể rắn – lỏng – khí.
Điểm K gọi là điểm tới hạn tại đó không còn phân biệt giữa pha lỏng và hơi (hơi quá nhiệt), đối với CO₂ thì áp suất và nhiệt độ của điểm tới hạn tương đối thấp K (P = 73,5 bar; t = 31°C).
Ở điều kiện áp suất khí quyển (nhỏ hơn áp suất điểm ba) và nhiệt độ bình thường thì CO₂ luôn tồn tại ở thể khí, còn ở áp suất khí quyển tuỳ theo nhiệt độ của nó mà nó có thể tồn tại ở trạng thái rắn hay trạng thái khí, ở điều kiện áp suất khí quyển CO₂ rắn chỉ có thể chuyển trực tiếp sang trạng thái khí mà không qua giai đoạn hóa lỏng và đó chính là quá trình thăng hoa.
Vì vậy gọi CO₂ là “băng khô” hay “đá khô”. Và CO₂ từ trạng thái khí chuyển sang thể rắn, quá trình đó gọi là quá trình hoá đá.
Trên đồ thị cho ta thấy có thể sản xuất đá khô theo hai hướng cơ bản sau đây.
- (1) Có thể chuyển CO₂ ở trạng thái khí sang trạng thái lỏng, sau đó tiếp tục làm lạnh đưa CO₂ từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn (gọi là làm lạnh ngưng tụ – đông đặc), theo hướng này thì áp suất trong quá trình chuyển trạng thái có giá trị trên trạng thái điểm ba.
- (2) Có thể chuyển CO₂ ở trạng thái khí trực tiếp sang trạng thái rắn (gọi là hoá tuyết), theo hướng này thì áp suất và nhiệt độ của quá trình hóa tuyết phải có giá trị nằm dưới điểm ba. Như vậy điểm ba tạm gọi là điểm ngăn cách của hai hướng.
Ở áp suất khí quyển (khoảng 1 bar) đá khô thăng hoa ở nhiệt độ -78,9°C. Khi áp suất giảm thì nhiệt độ thăng hoa cũng giảm theo. Ẩn nhiệt thăng hoa theo nhiệt độ được biểu diễn theo phương trình sau.
Lt = Lo – 0,2409.T + 0,0014957.T2 – 0,00000431 .T3, KCal/kg
Với: Lo = 158,96 Kcal/kg.
Ở P = 1 at thì Lt = 136,89 Kcal/kg (trong điều kiện hỗn hợp khí cân bằng bên trên là 100% khí CO₂).
CO₂ là khí nặng hơn không khí. Ở điều kiện tiêu chuẩn (áp suất 760mmHg và nhiệt độ 0°C) khối lượng riêng của CO₂ là khoảng 1,877kg/m³, tức là nặng hơn không khí 1,529 lần. Khi hoá rắn, thể tích của lỏng CO₂ giảm xuống khoảng 28% so với thể tích ban đầu, ngược lại với nước khi nước đóng băng thì thể tích lại tăng lên 9%, CO₂ rắn trong suốt và có khối lượng riêng 1560kg/m³.
Tuy nhiên trong điều kiện công nghiệp nó có màu trắng đục và xốp hơn do lẫn tạp chất nên khối lượng riêng của nó khoảng (1300 – 1500)kg/m³. Nói chung, nó phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp tinh sạch CO₂ và phương pháp sản xuất đá CO₂.
Nhiệt dung riêng của đá khô trong khoảng nhiệt (-57 đến -110)°C có thể xác định theo phương trình sau đây.
C = 1,676 – 0,00997.T – 0,0000524.T2, KCal/(kg.độ) và ở mật độ ρ = 1400kg/m³ có C = 1,383 KJ/(kg.độ).
CO₂ không có hại đối với con người và động thực vật, nhưng nó có khả năng gây ô nhiễm môi trường, ở nồng độ cao nó ảnh hưởng đến các lớp khí quyển bảo vệ trái đất. Nó là nguyên nhân chính làm tăng nhiệt độ của trái đất làm cho trái đất ấm lên, như vậy cần phải thu nhận CO₂ và xử lý các khí thải công nghiệp, tận dụng các khí thải này theo các chiều hướng có lợi hơn.
Làm lạnh – lạnh đông bằng đá khô
Ở điều kiện áp suất bình thường, đá khô thu nhiệt để thăng hoa và cho năng suất lạnh riêng tương đối lớn vì vậy nó có thể dùng để làm lạnh – làm đông sản phẩm thực phẩm hoặc dùng để bảo quản nguyên liệu thực phẩm rất tốt.
Tuy nhiên phương pháp chế biến và bảo quản lạnh – lạnh đông thực phẩm bằng CO₂ vẫn chưa được phổ biến rộng rãi vì giá thành của nó cao hơn nhiều so với các phương pháp khác, ngoài ra nó còn có những ứng dụng trong y học, công nghệ sinh học, tế bào …v.v để làm lạnh – lạnh đông.
Năng suất lạnh riêng về khối lượng của đá khô ở áp suất khí quyển và nhiệt độ thăng hoa -78,9°C có giá trị đúng bằng giá trị của nhiệt thăng hoa (ẩn nhiệt thăng hoa) qo = 574 KJ/kg, còn nếu kể cả nhiệt nhận vào khi tăng nhiệt độ đến 0°C thì năng suất lạnh riêng sẽ là qo = 633KJ/kg, có thể thấy rằng năng suất lạnh riêng về khối lượng của đá khô so với nước đá lớn hơn khoảng 1,7 lần (574/335).
Năng suất lạnh riêng về thể tích của đá khô qov = 574.1400 = 803600 KJ/m³ so với nước đá nó lớn hơn khoảng 3 lần ((574.1400)/(335.900)), điều đó cho thấy rằng nếu dùng đá khô làm lạnh thì thể tích đá khô chiếm chỗ sẽ rất nhỏ so với nước đá, mặt khác giữ được khô ráo sản phẩm và thiết bị.
Vì vậy dùng đá khô làm lạnh – lạnh đông rất tiện lợi và cho phép làm lạnh sâu đến từ (-70 đến -60)°C, đặc biệt là khi bảo quản lạnh đông hàng đông lạnh bằng đường hàng không rất tốt, điều bất lợi ở đây là giá thành tương đối cao đắt hơn nước đá khoảng từ (9 – 10) lần.
*Nguồn tham khảo: Công nghệ lạnh ứng dụng trong sản xuất nước đá khô và nước giải khát – Nguyễn Tấn Dũng
