कार्बन डाय – ऑक्साइड

कार्बन डाय–ऑक्साइड : वर्णहीन, किंचित उग्र वासाचा व अम्लीय चवीचा, हवेच्या १·५ पट घनता असलेला वायू. रासायनिक सूत्र CO₂. जे.बी. व्हॅन हेल्माँट (१५७७—१६४४) या बेल्जियन रसायनशास्त्रज्ञांनी तो प्रथम शोधून काढला. ज्वलनात व किण्वनात (आंबविण्याच्या क्रियेत) हा वायू तयार होतो असे त्यांना आढळले. नंतर जे. ब्लॅक (१७२८—९९) यांना हा वायू कार्बोनेटी क्षारांचा (अम्लाशी विक्रिया झाल्यास लवणे देणाऱ्या पदार्थांचा, अल्कलींचा) एक घटक असल्याचे आढळून आले व त्यांनी त्याला ‘स्थिर हवा’ असे नाव दिले. कार्बनाचे ऑक्सिजनामध्ये ज्वलन करून कार्बन डाय ऑक्साइडाचे स्वरून लव्हॉयझर (१७४३—९४) यांनी शोधून काढले.

कार्बन डाय-ऑक्साइड घन, द्रव व वायू या तिन्ही अवस्थांमध्ये तयार करून वापरला जातो. घन स्थितीतील कार्बन डाय-ऑक्साइडाला ‘शुष्क बर्फ’ असे म्हणतात.

उपस्थिती : सर्व प्रकारच्या कार्बनयुक्त इंधनांच्या ज्वलनामुळे हा वायू मिळतो. औद्योगिक उपयोगासाठी लागणारा कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू ज्वलनापासून निर्माण होणाऱ्या वायूंपासून वेगळा करून मिळवितात. प्राणिज चयापचयामुळेही (शरीरात सतत होणाऱ्या रासायनिक-भौतिक घडामोडींमुळेही) हा वायू तयार होतो. प्राणी व वनस्पती यांच्या जीवनचक्रासाठी हा वायू आवश्यक आहे. वातावरणात कार्बन डाय-ऑक्साइड अल्प प्रमाणात म्हणजे सु. ०·०३% (घनफळाने) असतो, पण व्यापारी दृष्ट्या त्यापासून तो वेगळा करणे अतिशय खर्चाचे पडते.

गुणधर्म :संप्लवन बिंदू (घनरूपातून एकदम वायूरूपात जाण्याचे तापमान) (वातावरणीय दाबास)–७८·५^०से. त्रिप्रावस्था बिंदू (ज्या तापमानाला घन, द्रव व वायू प्रावस्था समतोलात असतात, असे तापमान) (५·११वातावरणीय दाबास) –५६·६^०से. क्रांतिक तापमान (जास्तीत जास्त दाब असता वायूचे द्रवात रूपांतर होण्याचे तापमान) ३१^०से. क्रांतिक दाब७२·८५ वा. दा. घनता (वायुरूप स्थितीत)१·९७६% ग्रॅ./लि. (०^०से. व१वा. दा. स), द्रवरूप स्थितीत०·९१४ ग्रॅ./मिलि. (०^०से. व३४·३ वा. दा. स), घनरूप स्थितीत१·५१२ ग्रॅ./मिलि. (-५६·६^०से.ला). त्याची पाण्यातील विद्राव्यता (विरघळण्याची क्षमता)०^०से. व ७६०मिमी. ला१·७१३ लि./लि. (सु.३·४ ग्रॅ./लि. पाण्यात) आणि २५^०से. व ७६० मिमी. ला०·७५६ लि./लि. इतकी असते.

कार्बन डाय-ऑक्साइड ज्वलनास मदत करत नाही. तो कार्बनाच्या ऑक्सिडीकरणाचा (→ ऑक्सिडीभवन) अंतिम पदार्थ आहे. सर्वसाधारण तापमानास तो कमी विक्रियाशील आहे. पाण्यात विरघळून कार्बानिक अम्ल (H₂CO₃) तयार होते. उच्च दाबावर कार्बन डायऑक्साइडचा सजल विद्राव थंड करून CO₂.8HO₂हा घन हायड्रेट मिळतो. सर्वसाधारण तापमानाला कार्बन डाय-ऑक्साइड स्थिर असतो. पण १,७००^० से. च्या वर तापविल्यास त्याचे अपघटन होऊन (घटकद्रव्ये  अलग होऊन) कार्बन मोनॉक्साइड व ऑक्सिजन तयार होतो.

 2CO₂ ⇄ 2CO + O₂

कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे ⇨क्षपण  उत्प्रेरक (विक्रियेत भाग न घेता विक्रियेची गती वाढविणारा पदार्थ) वापरून आणि हायड्रोजन व कार्बन यांच्या साहाय्याने केले जाते. कार्बन डाय-ऑक्साइड व अमोनिया यांची विक्रिया होऊन अमोनियम कार्बामेट बनते.

CO₂    +                     2NH₃ →          NH₂COONH₄

कार्बन डाय-ऑक्साइड –अमोनिया          अमोनियम कार्बामेट

अमोनियम कार्बामेटातील पाण्याचा एक रेणू कमी होऊन यूरिया [CO(NH₂)₂] बनते. ही विक्रिया यूरियाच्या संश्लेषणासाठी (कृत्रिम रीत्या बनवण्यासाठी) वापरली जाते.

कार्बन डाय-ऑक्साइडाच्या चुन्याच्या निवळीवरील विक्रियेने त्याचे अस्तित्व चटकन कळून येते. प्रथम कॅल्शियम कार्बोनेटमुळे चुन्याची निवळी पांढरी होते व अधिक कार्बन डाय-ऑक्साइडमुळे कॅल्शियम बायकार्बोनेट तयार होते. ते विद्राव्य असल्यामुळे चुन्याची निवळी परत स्वच्छ होते.

कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू हा प्राण्यांच्या उच्छ्‌वासातील एक घटक असला, तरी हवेतील त्याची संहती (प्रमाण) वाढल्यास तो धोकादायक ठरतो. हवेत ५% (घनफळाने) कार्बन डाय-ऑक्साइड असल्यास श्वासोच्छवासाचा वेग वाढतो. ५% हून जास्त कार्बन डाय ऑक्साइड वायू असलेल्या हवेत जास्त वेळ राहिल्यास मुनष्य बेशुद्ध होतो व प्रसंगी त्याला मृत्यूही येतो. ०·५% पर्यंत कार्बन डाय-ऑक्साइड हवेत असल्यास तो धोकादायक नसतो असे मानतात. तो हवेच्या १·५ पट जड असल्याने नेहमी हवेच्या तळाशी राहतो म्हणून जेथे ह्या वायूचे प्रमाण जास्त आहे किंवा शीतकरणासाठी शुष्क बर्फ जेथे वापरला जातो, तेथे वायुवीजनाची (हवा खेळविण्याची) सोय असणे अत्यावश्यक आहे.

उत्पादन : कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे व्यापारी उत्पादन पुढील पद्धतींनी केले जाते : (१) कोक, कोळसा, इंधन तेल किंवा इंधन वायू यांसारख्या कार्बनयुक्त पदार्थांच्या ज्वलनाने मिळणाऱ्या वायूंत १०–१८% कार्बन डाय-ऑक्साइड असतो. ३४५^० से. तापमानाला ज्वलनाने मिळणारा वायू बॉयलरपासून अलग करतात व तो दोन बंदिस्त मनोऱ्यांतून पाठवून पाण्याने थंड व स्वच्छ करतात. नंतर तो वायू शोषक मनोऱ्यात नेतात. तेथे कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू एथॅनॉल अमाइनाच्या विद्रावाता शोषला जातो. त्यापासून गिर्बीटोल-अमाइन प्रक्रियेने (इतर वायूंपासून कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू वेगळा करण्याच्या प्रक्रियेने) त्याची पुनर्प्राप्ती केली जाते. (२) संश्लेषित अमोनिया निर्मितीत मिळणारी मिथेन व इतर हायड्रोकार्बने आणि वाफ किंवा ऑक्सिजन यां‌ची विक्रिया होऊन कार्बन डाय–ऑक्साइड व हायड्रोजन तयार होतात. यांपैकी हायड्रोजन हा अमोनिया संश्लेषणासाठी वापरतात. या प्रक्रियेत एक टन अमोनिया तयार करताना एक टनाहून अधिक कार्बन डाय-ऑक्साइड उपपदार्थ म्हणून मिळतो. (३) मोलॅसिस (उसाच्या रसातील ज्या भागापासून साखरेचे स्फटिक सहज प्रक्रियेने मिळवता येत नाहीत असा भाग), धान्ये, बटाटे यांच्यापासून किण्वनाने बिअर, अल्कोहॉले इ. बनविताना मिळणाऱ्या वायूंत कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूचे प्रमाण बरेच असते. त्याशिवाय या वायूत आल्डिहाइडे, अम्ले, उच्च अल्कोहॉले, ग्लायकॉल, ग्लिसरॉल, फुरफुराल व हायड्रोजन सल्फाइड ही मूलद्रव्ये असतात. ही मूलद्रव्ये वेगळी करण्यासाठी क्रियाशील कार्बन शोषक प्रक्रिया किंवा रासायनिक प्रक्रिया वापरली जाते. (४) चुनाभट्टीमधील वायूंत ४०% कार्बन डाय-ऑक्साइड असतो. प्रथम तो शुष्क कोठीत पाठवून त्यातील धूळ खाली बसवून वेगळी करतात. नंतर तो दोन खरारा मनोऱ्यांतून (वायूमधून घन घटक वेगळे करण्याच्या उपकरणांतून) पाठवून पाण्याने त्यातील अतिसूक्ष्म धूळ वेगळी करतात. याच वेळी वायू थंड होतो. गिर्बीटोल किंवा सोडियम कार्बोनेट प्रक्रिया वापरून त्याची पुनर्प्राप्ती करतात. (५) सोडियम कार्बोनेट व फॉस्फोरिक अम्ल यांच्यापासून सोडियम फॉस्फेट तयार करताना उपपदार्थ म्हणून शुद्ध कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू मिळतो. (६) नैसर्गिक वायूच्या (खनिज इंधन वायूच्या) काही विहिरींत काबन डाय-ऑक्साइडचे प्रमाण जास्त असते. त्यापासून द्रव व घन कार्बन डाय-ऑक्साइड बनवितात.

पुनर्प्राप्तीच्या पद्धती : औद्योगिक किंवा नैसर्गिक वायूंपासून कार्बन डाय-ऑक्साइडाची पुनर्प्राप्ती करण्यासाठी सामान्यत: सोडियम कार्बोनेट प्रक्रिया, पोटॅशियम कार्बोनेट प्रक्रिया किंवा एथॅनॉल अमाइन (गिर्बीटोल) प्रक्रिया यांपैकी कोणतीही प्रक्रिया वापरली जाते. या सर्व प्रक्रियांमध्ये ज्या विद्रावामुळे त्यातील कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूचे पूर्ण शोषण होईल, अशा विद्रावाच्या प्रवाहाच्या उलट दिशेने कार्बन डाय-ऑक्साइडयुक्त वायू पाठवितात. हे विद्राव उष्णतेने तापवून त्यांतून कार्बन डाय-ऑक्साइड अलग करेपर्यंत शोषलेला वायू तसाच ठेवतील अशा प्रकारचे असतात. नंतर ते विद्राव दुसऱ्या उपकरणात नेऊन उष्णतेने त्यांतून कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू वेगळा करतात. वरील तीनही प्रक्रिया व्यापारी दृष्ट्या विशिष्ट परिस्थितीनुसार वापरल्या जातात. शोषक माध्यम म्हणून क्षारीय कार्बोनेट आणि एथ‍ॅनॉल अमाइन यांचे विद्राव वापरतात. कारण त्यांमध्ये काबन डाय-ऑक्साइड वायूची विद्राव्यता उच्च असून ती शोषक माध्यम व कार्बन डाय-ऑक्साइड यांच्या रासायनिक संयोगामुळे वाढते.

शुद्धीकरणाच्या पद्धती : वरील पद्धतींनी तयार केलेला व पुनर्प्राप्त केलेला कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू पुष्कळच शुद्ध असतो. तथापि यात असलेल्या हायड्रोजन व सल्फाइड सल्फर डाय ऑक्साइड यांमुळे त्याला किंचित वास व चव येते. किण्वन पद्धतीत मिळणाऱ्या वायूची पुनर्प्राप्ती करताना या यंत्रणेतच शुद्धीकरण यंत्रणेचा समावेश असतो. पण इतर पद्धतींनी मिळविलेला वायू पेये किंवा शुष्क बर्फ निर्मितीसाठी वापरण्यापूर्वी शुद्ध करणे अत्यंत जरूर असते. त्याकरिता पोटॅशियम परमॅंगनेट, पोटॅशियम डायक्रोमेट ‌आणि सक्रियित (अधिक क्रियाशील बनविलेला) कार्बन यांच्याशी विक्रिया करून कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू शुद्ध केला जातो.

द्रव कार्बन डाय-ऑक्साइड : कार्बन डाय-ऑक्साइडाच्या त्रिप्रावस्था बिंदू व क्रांतिक बिंदू (म्हणजे– ५६·६^० से. व ३१^० से.) यांमधील कोणत्याही तापमानाला द्रवीकरण दाबापर्यंत संपीडन (दाब देऊन) करून व संघनन–उष्णता (वायूचे द्रवात रूपांतर होताना बाहेर पडणारी उष्णता) प्रशीतनाने (थंड करून) द्रव काबन डाय-ऑक्साइड तयार करतात. द्रवीकरणासाठी पुढील दोन पद्धती वापरतात. पहिल्या पद्धतीत वायूच्या क्रांतिक तापमानाला द्रवीकरण करतात. शीतनासाठी पाणी वापरतात. या पद्धतीत वायूचे ७७ किग्रॅ./सेंमी². दाबाला संपीडन करून त्याचे ३२^० से. ला ‌शीतन करतात. नंतर त्या वायूतून संघनित (द्रवरूप झालेली) वाफ व वंगण तेल वेगळे करण्यासाठी वायू गाळून घेतात व गाळलेल्या वायूचे, पाण्याने थंड केलेल्या संघनकात द्रवीकरण करतात. दुसऱ्या पद्धतीत १६–२४ किग्रॅ./सेमी². दाबाखाली व -१२^० से. ते -२३^० से. या तापमानावर द्रवीकरण करतात. संपीडन वायूचे द्रवीकरण करण्यापूर्वी तो २६·५^० ते ४·५^० से. पर्यंत थंड करतात, तसेच त्यामधील वंगण तेल व संघनित वाफही काढून टाकतात. नंतर सक्रियित ॲल्युमिना, बॉक्साइट किंवा सिलिका जेल यांच्या साहाय्याने वायूचे निर्जलीकरण करतात. नंतर प्रशीतकाने थंड केलेल्या संघनकात त्याचे द्रवीकरण करतात.

द्रव कार्बन डाय-ऑक्साइड वाहतुकीसाठी सर्वसाधारण तापमानाला सिलिंडरामध्ये (सु. २५ किग्रॅ. किंवा त्याहून कमी) भरतात. मोठ्या प्रमाणावर – १८^० से. व २१ किग्रॅ./सेंमी². दाबाखाली असलेल्या प्रशीतन केलेल्या व उष्णता निरोधित टाकीतून त्याची साठवण आणि वाहतूक केली जाते.

शुष्क बर्फ : घन कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे हे व्यापारी नाव आहे. पाण्याच्या बर्फाप्रमाणे वितळून पाणी न होता, शुष्क बर्फाचे एकदम कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूत रूपांतर होते. या बर्फाने थंड केलेला पदार्थ जशाच्या तसा शुद्ध स्वरूपात मिळतो. मीठ व पाण्याचा बर्फ यांच्या मिश्रणाने तापमान – १८^० से. पर्यंत कमी करता येते, तर शुष्क बर्फाने ते – ७८.८^० से. पर्यंत कमी करता येते. शुष्क बर्फात योग्य प्रमाणात ॲसिटोन किंवा अल्कोहोल मिसळल्यास – ११०^० से. एवढे तापमान मिळू शकते. शुष्क बर्फाची घनता पाण्याच्या बर्फाच्या १·७ पट असते. वजनानुसार शुष्क बर्फाचा प्रशीतन परिणाम पाण्याच्या बर्फाच्या दुप्पट असतो.

शुष्क बर्फ बनविण्यासाठी द्रव कार्बन डाय-ऑक्साइडाचा वापर केला जातो. सामान्यत: २२ किग्रॅ. वजनाचे विविध आकारांचे ठोकळे जलीय दाबयंत्राने बनविले जातात. साठवण व वाहतूक करताना संप्लवनाने १०% तूट येते हे गृहीत धरतात.

शुष्क बर्फ थोड्या प्रमाणात पाहिजे असल्यास द्रव कार्बन डाय-ऑक्साइडाच्या सिलिंडराच्या तोंडास कापडी पिशवी बांधून सिलिंडर उपडा करतात. त्याबरोबर द्रव कार्बन डाय-ऑक्साइड बाहेर पडतो व त्याचा वायू बनतो. यावेळी बाष्पीभवन उष्णतेचे (घन वा द्रवाचे बाष्पात रूपांतर होताना शोषल्या जाणाऱ्या उष्णतेचे) शोषण होते व द्रवाचे तापमान कमी होऊन द्रव गोठतो व कापसासारखा घनरूप कार्बन डाय-ऑक्साइड पिशवीवर जमा होतो. या पद्धतीत १५–२०% द्रवाचा शुष्क बर्फ होतो व बाकीचा हवेत मिसळतो.

मोठ्या प्रमाणात शुष्क बर्फाची निर्मिती १९२४ नंतर करण्यात येऊ लागली. या पद्धतीत बाष्पीभवन झालेला वायू वाया जाऊ न देता त्याचे परत द्रवीकरण करतात. शीत कोठडी वापरून व उष्णता विनिमयकाची (उष्णतेची अदलाबदल करणाऱ्या उपकरणाची) योजना करून थंड झालेल्या वायूच्या साहाय्याने द्रव थंड करतात. ह्यामुळे निर्मिती खर्च कमी होतो. त्रिप्रावस्था  बिंदूवर द्रवाचे शुष्क बर्फात रूपांतर करतात. या पद्धतीत बाष्पीभवन झालेल्या वायूचा परत द्रव करून तो द्रव वापरतात. म्हणून यास चक्रीय पद्धत म्हणतात. या पद्धतीत थोडे यांत्रिक फेरफार केलेल्या साधी चक्रीय पद्धत, पूर्वशीतन चक्रीय पद्धत, ब्लीडर पद्धत इ. पद्धती शुष्क बर्फाच्या निर्मितीत वापरतात. शीत कोठडीचा उपयोग केल्यामुळे निर्मितीचा खर्च कमी होतो व ५०% द्रवाचा बर्फ तयार होतो.

साठवण व वाहतूक : कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूची उपलब्धता व शुष्क बर्फाची मागणी यांवर निर्मिती अवलंबून असते. कारण दाबयंत्रातून बर्फ बाहेर काढताच त्याचे संप्लवन होते. निर्मिती व वापर यांतील अवधी वाढल्यास शुष्क बर्फाची निर्मिती खर्चाची होते. क्राफ्ट कागदाने आवेष्टित केल्यास शुष्क बर्फाभोवतीच्या वायूचा आंशिक दाब वातावरणीय दाबापेक्षा जास्त होऊन साठवणीतील व्यय कमी होतो व बर्फ जास्त काळ टिकतो. याचबरोबर साठवणीच्या वेळी तापमान कमी असल्यास व्ययाचे प्रमाण कमी असते. म्हणून साठवण व वाहतूक उपकरणे बुचाच्या काही सेंमी. जाडीच्या थराने विलेपित करतात. उपकरणे नेहमी वरच्या बाजूने उघडतात. संप्लवनाने तयार झालेला वायू जड असल्याने तो उपकरणाच्या तळाशी व बर्फाभोवती राहतो.

उपयोग : कार्बन डाय-ऑक्साइडचा वायुरूप, द्रवरूप व घनरूप या तिन्ही स्थितीत उपयोग केला जातो.

वायुस्थितीत त्याचा सर्वांत मोठा उपयोग म्हणजे वातयुक्त पेये हा होय. तसेच हा वायू दाबाखाली रबर व प्लॅस्टिक यांमध्ये घालतात व नंतर दाब कमी करताच वायू सुटून बुडबुडेयुक्त पदार्थ तयार होतात. कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू नुसताच किंवा इतर वायूंबरोबर जास्त प्रमाणात मिसळून, वायूमिश्रणाचा स्फोट होऊ नये यासाठी प्रतिबंधक म्हणून वापरतात. पादपगृहात (नियंत्रित परिस्थितीत वनस्पतींचे संवर्धन करण्याकरिता वापरण्यात येणाऱ्या काचगृहात) अल्प प्रमाणात कार्बन डाय-ऑक्साइड ठेवल्यास झाडांची वाढ होण्यास मदत होते. ओतकाम, संरक्षित चाप वितळजोडकामात (वेल्डिंगमध्ये), कत्तलखान्यातील जनावरे बेशुद्ध करण्यासाठी, कापडनिर्मितीत, क्षारीय अपशिष्ट (टाकाऊ) पाण्याच्या उदासिनीकरणासाठी, कातडी कमावण्यासाठी, काही कार्बनी रसायनांच्या निर्मितीत, साखर शुद्ध करण्यासाठी तसेच सॉल्व्हे पद्धतीने धुण्याचा सोडा तयार करण्यासाठी या वायूचा उपयोग करतात. आग विझविण्यासाठीही त्याचा उपयोग करतात.

द्रव स्थितीत त्याचा उपयोग मोठ्या प्रमाणावर केला जात आहे. शुष्क बर्फापेक्षा द्रव कार्बन डाय-ऑक्साइड वापरणे सुलभ असते. आइस्क्रीम ठेवण्याच्या प्रशीतकात त्याचा अंत:क्षेप केल्यास (आत घुसविल्यास) तापमान एकदम कमी होते. कोळशाच्या खाणीत सुरुंग लावण्यासाठी त्याचा बराच काळ उपयोग करण्यात येत होता. खनिज तेल आणि नैसर्गिक वायूच्या विहिरींतही त्याचा उपयोग करतात. श्वासोच्छवासाच्या विकारांत इतर वायूंबरोबर तो वापरतात. आगनिवारण उपकरणात त्याचा उपयोग करतात. अणुकेंद्रीय विक्रियकांत (अणुभट्ट्यांत) शीतक माध्यम म्हणून याचा मोठ्या प्रमाणावर उपयोग होत आहे.

शुष्क बर्फाचा मुख्य उपयोग आइस्क्रीम, मांस, अंडी, मासे, फळे इ. खाद्यपदार्थ उद्योगांत प्रशीतनासाठी केला जातो. डीडीटीचे चूर्ण करताना, साच्यातील रबरी वस्तू बनविताना, प्रयोगशाळांत व रुग्णालयांतही त्याचा उपयोग करतात. त्याचा काही प्रमाणात धातूच्या ओतकामात व वितळजोडकामात उपयोग केला जातो.

संदर्भ : Faith, W. L. and Others, Industrial Chemicals, New York, 1965

मिठारी, भू. चिं.

“