Az egyik legismertebb gáz a szén-dioxid (CO2). A legtöbben nagyon korán hallottunk róla először: talán akkor, amikor először felmerült bennünk a kérdés, hogy mit lélegzünk be, és ezzel párosan mit fújunk ki a tüdőnkből – utóbbi a szén-dioxid. Azt is megtudtuk nagyjából ekkor, hogy a növények, pont ellentétesen velünk, szén-dioxidot “lélegeznek be” és oxigént bocsátanak ki magukból. Azok, akik nem vegyészek vagy biológiatanárok, szén-dioxidról ma leginkább a klímaváltozás kapcsán hallhatnak.
Szén-dioxid tulajdonságai, előállítása, felhasználása, mérése, hatásai
De mi is pontosan ez a rendkívül egyszerű összetételű vegyület? Barátként vagy ellenségként tekintsünk rá? A következőkben ezeket, és még számos érdekes kérdést fogunk körüljárni a szén-dioxiddal kapcsolatban.
Hogyan fordul elő és milyen tulajdonságai vannak a szén-dioxidnak?
A szén-dioxid, vagy CO2 egy standard körülmények között légnemű, gáz halmazállapotú, színtelen, kis koncentrációban szagtalan vegyület. A szén egyik oxidjaként viszonylag gyakori előfordulású a Földön, a tiszta levegő mintegy 0,040%-át teszi ki. Ha a belélegzett levegő néhány százalékát szén-dioxid teszi ki, enyhén savanykásnak érezzük, azonban ekkora koncentrációban már veszélyes, fulladást okozhat.
Normál körülmények között csak gáz halmazállapotban találkozhatunk fele, 1 bar, vagyis normál légköri nyomás alatt a folyékony halmazállapot kihagyásával 78,5°C-on megfagy. Ezt nevezzük szárazjégnek. 5,1 bar-nál nagyobb nyomás alatt előállítható folyékony szén-dioxid is, ebben a formában egyszerűen tárolható. A szén-dioxid sűrűsége sztenderd hőmérsékleten 1,98 kg/m3, ez kb. 1,5x akkora, mint a Föld levegőjének sűrűsége.
Az üvegházhatású gázok közé soroljuk. A szén-dioxid nem táplálja az égést és kevéssé vesz részt kémiai reakciókban. Vízben kis mértékben oldódik, valamint a szén-dioxiddal dúsított vizet nevezzük szénsavasnak.
Mi a szén-dioxid jelentősége a Föld életében?
Ahhoz, hogy pontosan megértsük, hogyan került ide a szén-dioxid és milyen szerepet játszik az életünkben, meg kell értenünk a szén körforgását.
A földi élet alapja a szén. Ez az elem minden szerves anyagban megtalálható a Földön, és a földköpenyben hatalmas mennyiségben található meg. Az itt rejlő szén vulkáni és utóvulkáni hatások eredményeképpen kerül a légkörbe, szén-dioxid gáz formájában.
A növényeknek szén-dioxidra van szükségük az élethez, így megkötik azt a levegőből, vagyis kivonják belőle a szenet és beépítik saját szervezetükbe. Ezt a folyamatot nevezik asszimilációnak, és ennek a mellékterméke az oxigén. A szén tovább vándorol az állatok szervezetébe, amelyek elfogyasztják a növényeket, és táplálékként hasznosítják azt. Amikor a növények, állatok elpusztulnak, mikroorganizmusok bontják le őket. Ebben a folyamatban szén-dioxid szabadul fel, és visszakerül a Föld légkörébe.
Nem minden szerves anyag bomlik el ilyen módon: a Föld élővilágának széntartalma az idők során folyamatosan eltemetődik, és egy részük fosszilis tüzelőanyagokká alakul, a legnagyobb része pedig – mészvázú tengeri állatok révén – a betemetődést követően karbonátos kőzetekké alakul.
A természetben járva minden mészkő és dolomit kőzet légköri szén-dioxidból alakult át a mészvázú tengeri állatok közreműködésével, amelyek mészváza idővel mészkővé alakul, idegen szóval mineralizálódik. A légkörből a legtöbb szén-dioxidot ezek az állatok vonják ki.
| ppm | tf% | Hatás |
| 400 | 0,04 | Nincs negatív hatás, kültéri levegő CO2 koncentráció |
| 400…1.000 | 0,04…0,1 | Tipikus beltéri koncentráció, elfogadott minőség |
| >1.000 | 0,1 | Fáradtság, alacsonyabb koncentrációs szint |
| >2.000 | 0,2 | Diszkomfort érzés |
| >5.000 | 0,5 | Munkabiztonsági határérték |
| 10.000 | 1 | Tipikus maximális mérési határérték beltéri (Indoor Air Quality) |
| 40.000 | 4 | Emberi kilégzés (20 l/CO2/h – 0.7ft3/h ) |
| 100.000 | 10 | Gyertya elalszik, hányinger, eszméletvesztés |
| 200.000 | 20 | Fulladásos halál |
| 1.000.000 | 100 | Maximális levegő telítettség |
Az emberi beavatkozás a szén körforgásába megnyilvánul mind a fosszilis tüzelőanyagok elégetésében, mind pedig a különféle szerves anyagok használati tárgyakká alakításában is. A könyveink, bútoraink, fából készült szerkezeteink aligha bomolhatnak le természetes módon: ezek általában hulladéklerakókban temetődnek el, majd pedig lassan mineralizálódnak.
Mire használjuk a szén-dioxidot?
Szén-dioxiddal nem csak az üdítős üvegekben és a söröskorsókban találkozhatunk szénsav formájában, az ipar számos felhasználási módját tartja számon.
Mindannyian tudjuk, hogy a CO2 nem táplálja az égést, ezért ezt a gázt tűzoltókészülékekben, tűzoltórendszerekben is használják. Ugyanez a tulajdonsága teszi lehetővé a szén-dioxidnak, hogy égést szabályozó berendezésekben alkalmazzák, ahol az üzemanyag égését fékezik a segítségével.
Mivel ez a gáz viszonylag gyakori a Földön, ezért számos biológiai folyamatot is meghatároz. A szén-dioxid alkalmazása ezért kiterjed olyan iparágakra is, amelyek természetes folyamatokat utánoznak vagy segítenek elő. Az élelmiszeripar például tipikusan ilyen: üvegházakban, istállókban, gombatermesztés során, a borászatban, vagy akár mikroorganizmusok tenyésztését szolgáló laborokban is találkozunk a szén-dioxid mennyiségét szabályozó rendszerekkel. A levágásra szánt állatokat is szén-dioxiddal kábítják el.
A szén-dioxid frissen tartja a zöldségeket és gyümölcsöket, így például a védőgázas csomagolásokban is találkozhatunk ezzel a gázzal.
Az olajiparban kulcsfontosságú a lelőhelyek minél hatékonyabb kiaknázása. Az olajkutakból idővel egyre nehezebbé válik kinyerni a nyers olajat, mivel a föld felszíne alatti nyomás az olaj távozásával csökken. Azért, hogy a maradékot is ki lehessen bányászni, a szakemberek különféle gázokat, például szén-dioxidot juttatnak a kutakba, ezzel megnövelve a nyomást.
Hogyan zajlik a CO2 előállítása?
Ugyan a légkörben is megtalálható a szén-dioxid (egyre nagyobb mértékben sajnos), a levegőből kiválasztani azt az ipar számára drága lenne és egyelőre nem áll rendelkezésre túlságosan hatékony technológia sem ehhez.
A szén-dioxidot ezért általában olyan folyamatokból nyerik ki, ahol melléktermékként keletkezik; ez a sörfőzéstől kezdve a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséig bármi lehet.
A szén-dioxid előállításának leghatékonyabb és legelterjedtebb módja az ammónia gyártásakor történő kiválasztás. Az ammónia egy szervetlen vegyi anyag, amelyet a háztartási tisztítószerekben, a műanyaggyártásban és az élelmiszer-tárolásban használnak. Az ammónia nagy részét a mezőgazdaság használja fel. A világon termelt ammónia mintegy 80%-át növényi trágyaként hasznosítjuk.
Az ammónia gyártásához elsősorban kell valamilyen szénhidrogén, jellemzően földgáz. Ennek elégetésekor a szén és a hidrogén atomjai különválnak egymástól. A hidrogént ezután nitrogénnel kombinálják, ez az ammónia.
A melléktermékként megmaradt szénatomokat oxigénnel dúsítják, így állítják elő a szén-dioxidot. A megtermelt gázt ezután palackozzák és eladják az azt igénylő iparágaknak.
Mikor van rá szükség és hogyan lehet mérni a szén-dioxid értékét?
Ahhoz, hogy az ember komfortosan érezze magát egy környezetben, elengedhetetlen a levegő kedvező összetétele. A szabadban például ez általában nem okoz gondot, hiszen kint általában frissnek érezzük a levegőt, beltéren azonban szellőztetés hiányában hamar kellemetlenné válhat a magas szén-dioxid-szint.
Iskolákban, irodaházakban, és egyéb légkondicionált helyiségekben ezért mindig találhatók szén-dioxid mérésére szolgáló szenzorok, amik monitorozzák a levegő összetételét annak érdekében, hogy huzamosabb ideig is kényelmesen érezhessék magukat az ott tartózkodók.
Számos olyan mesterséges környezet is van, amelyben elengedhetetlen a szén-dioxid mennyiségének mérése és szabályozása, ezért az ipar és a mezőgazdaság számára egyaránt fontos a hatékony mérőműszerek használata.
Ezek többféle technológiával mérhetik a szén-dioxid szintjét. Az egyik leggyakrabban alkalmazott a nem-diszperzív infravörös CO2 érzékelő, röviden NDIR.
Az NDIR-érzékelők olyan spektroszkópiai érzékelők, amelyek a szén-dioxid-ot gáznemű környezetben mutatják ki annak jellegzetes elnyelődése (abszorpciója) alapján. A szerkezet egy infravörös forrásból, egy fénycsőből, egy interferencia-szűrőből és egy infravörös érzékelőből állnak. A gázt a fénycsőbe pumpálják, majd a készülék méri a jellegzetes hullámhosszú fény elnyelődését. Ugyan másféle gázok összetételét is lehet mérni a technológiával, az NDIR-érzékelőket leggyakrabban szén-dioxid mérésére használják. A legjobb ilyen műszerek érzékenysége 20-50 PPM között mozog.
Az NDIR CO2-érzékelőket oldott szén-dioxid mérésére is használják, például az italok szénsavtartalmának növelésére, a gyógyszeripari fermentációra és a CO2-szekvenálási alkalmazásokban.
Mennyire pontos a VOC-ből becsült CO2 érték?
Az irodákhoz vagy edzőtermekhez hasonló beltéri környezetekben, ahol a szén-dioxid elsődlegesen az emberi légzésből származik, gyakran a levegőben található, egyszerűbben mérhető összetevőkből becsülik meg a szén-dioxid mennyiségét.
Az illékony szerves vegyületek (volatile organic compound, VOC) és a hidrogéngáz koncentrációjának mérése elég jó becslést ad a valós CO2-koncentrációra ahhoz, hogy megállapítható legyen a levegő minősége légzés szempontjából. A technológia előnye az, hog ezek az érzékelők viszonylag olcsók. Az általuk mutatott értéket becsült CO2-értéknek vagy CO2-egyenértéknek nevezik. Bár a leolvasott értékek általában megfelelők, a VOC méréséből számított CO2 értékek hitelességét aláássa a nem légzésből származó források, például ha valaki parfümöt használ a helyiségben vagy gyümölcsöt hámoz.
Milyen pozitív és negatív hatásai vannak a szén-dioxidnak?
A sok CO2-kibocsátásról olvasva azt hihetnénk, hogy mérgező gázról van szó, hiszen a klímaváltozást is ennek tudjuk be: a szén-dioxid általunk történő kibocsátását tartjuk ma az elsődleges bűnösnek. A szén körforgásának ismeretében azonban azt is tudjuk, hogy a szén-dioxid az élet elengedhetetlen része, és pusztán a szén egyik formája a körforgásban. Ugyan belélegezni nem tudjuk, CO2 nélkül azonban nem lenne földi élet: ezt fogyasztják a növények, a növényeket pedig a további életformák bolygónkon.
A problémánk a természetes egyensúly kibillentéséből adódik. Az emberi tevékenység, elsősorban az ipar és a mezőgazdaság melléktermékeként olyan mértékben szabadul fel szén-dioxid, amelyben a természetes környezetben nem fordulna elő; olyan magassá válik légkörünk CO2-koncentrációja, amelyre a természet az éghajlat változásával reagál.
A szén-dioxid üvegházhatású gáz, vagyis olyan gáz, amely elnyeli és sugározza a hőt.
A napfény által felmelegített Föld szárazföldi és óceáni felszíne folyamatosan infravörös hőenergiát sugároz. Az oxigénnel és a nitrogénnel ellentétben (amelyek légkörünk nagy részét alkotják) az üvegházhatású gázok elnyelik ezt a hőt, és idővel, fokozatosan adják le, mint a kandalló téglái, miután a tűz kialudt.
E természetes üvegházhatás nélkül a Föld éves átlaghőmérséklete fagypont alatt lenne, ahelyett, hogy közel 15,5°C. Az üvegházhatású gázok koncentrációjának növekedése a légkörünkben azonban kibillentette a Föld energiaháztartását az egyensúlyából, további hőt kötött meg, és megemelte a Föld átlaghőmérsékletét.
A szén-dioxid a legfontosabb a Föld hosszú élettartamú üvegházhatású gázai közül.
Molekulánként kevesebb hőt nyel el, mint a metán vagy a dinitrogén-oxid üvegházhatású gázok, de nagyobb mennyiségben fordul elő, és sokkal tovább marad a légkörben. Bár a szén-dioxid molekulánként számolva kisebb mennyiségben fordul elő, mint a vízgőz, azonban ezzel ellentétes hullámhosszú hőenergiát nyel el, ami azt jelenti, hogy egyedülálló módon járul hozzá az üvegházhatáshoz. A légköri szén-dioxid növekedése felelős a Föld hőmérsékletének emelkedését okozó teljes energiaegyensúly-hiány mintegy kétharmadáért.
Milyen iparágakban fontos tényező a szén-dioxid szint és mérése, szabályozása?
Az élelmiszeripar élen jár azok között az iparágak között, ahol a termelés hatékonyságát a megfelelő szén-dioxid-szint határozza meg.
Ilyen folyamatok zajlanak például a borászatban. Minden fermentációs folyamat, így a bor készítése során is szabadul fel szén-dioxid, amelynek a szintjét a folyamat sikere érdekében szabályozni kell a borospincékben.
Az ipari állattartásban is fontos a szén-dioxid szintjének szabályozása. Az istállók szén-dioxid szintje például meghatározza a benne nevelt állatok fejlődését. Erre remek példát szolgáltatnak az ipari tojáskeltetők: ezek esetében például az embriók fejlődésének korai szakaszában limitálni kell az oxigén mennyiségét a levegőben, mert megfigyelték, hogy ez stimulálja az állatok keringési rendszerének, szívének és tüdejének fejlődését. Ezt szén-dioxiddal szokták szabályozni.
A gombák segítik a szerves anyagok bomlását, így természetesen a magas szén-dioxid-koncentrációval bíró környezeteket kedvelik. Az élelmiszeripari gombatermesztők jól tudják ezt, így olyan szabályozott környezetet teremtenek a gomba számára, amelyben a lehető leggyorsabban nő.
A zöldségek és gyümölcsök esetében nem csak a védőgázas csomagolásba kerül szén-dioxid: már a raktárak levegőjét is dúsítják vele, ezzel hosszabbítva meg a tárolás lehetséges időtartamát. Ehhez a szakembereknek természetesen folyamatosan mérniük és szabályozniuk kell a gáz koncentrációját a raktár levegőjében.
A papír és a tészta előállításának egy fontos szakasza a szárítás. Ehhez nem csak a levegő páratartalmát, hanem szén-dioxid-szintjét is monitorozzák.
Gyakran Ismételt Kérdések
Mi a szerepe az élővilágban?
A földi élet alapja a szén. A szén-dioxid a szén körforgásának egyik állomása: a levegőbe kerülve táplálja a növényeket, amelyek megkötik a benne található szenet, amely azután táplálja az ezeket elfogyasztó élőlényeket. A szén-dioxid ezek lebomlásával kerül vissza a légkörbe.
Milyen százalékban van jelen a levegőben?
A szén-dioxid viszonylag gyakori előfordulású a Földön, a tiszta levegő mintegy 0,040%-át teszi ki.
Mikor, miért szükséges mérni az értékét?
CO2-szenzorokat használnak a klíma- és légtechnikában azért, hogy a belélegezhető levegő minőségét biztosítsák, ezen felül egy sor mesterséges környezetben fontos az ipar és a mezőgazdaság számára is a megfelelő szén-dioxid-szint.
Kérdése van a témával kapcsolatosan ? Mivel mérje a szén-dioxid értékét? Vegye fel velünk a kapcsolatot …
Szén-dioxid érzékelő (CO2 szenzor)
A szén-dioxid érzékelő (CO2 szenzor) megoldások, a szén-dioxid koncentráció mérése egyre nagyobb teret kap a klíma és légtechnika, az ipar, és a mezőgazdaság területén. Az E+E szén-dioxid (CO2) érzékelői, moduljai a saját fejlesztésű CO2 szenzorral szereltek, egyszerűen integrálhatók adatgyűjtő vagy felügyeleti rendszerekhez és hosszú távon megbízható eredményeket garantálnak.