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乾冰

鎖定
物理性質:白色晶體,常温下易昇華,汽化熱高,在常壓下昇華時可使周圍温度迅速下降,因此乾冰在空氣中昇華時會液化甚至進一步凝結空氣中的水蒸氣,形成的水蒸氣液滴或小冰晶附着在空氣中的灰塵上形成我們可見的白色煙霧。乾冰晶體結構為簡單立方,屬於分子晶體 [2]  。單個的二氧化碳分子以不同的取向位於立方體的頂點和麪心上,堆積形成乾冰晶體。
化學性質:乾冰的化學性質穩定,無味無毒,不可燃燒,也不支持燃燒。但空氣中若二氧化碳含量過高會刺激呼吸系統引起呼吸加快產生窒息的危險(即缺氧)。二氧化碳熱穩定性很高(2000℃時僅有1.8%分解)。乾冰屬於酸性氧化物,具有酸性氧化物的通性,與水反應生成碳酸
中文名
乾冰
外文名
dry ice; drikold; solid carbon dioxide
化學式
CO2
分子量
44.01
CAS登錄號
124-38-9
熔    點
-56.6 ℃(527kPa) [1] 
沸    點
-78.5 ℃(昇華) [1] 
水溶性
溶於水,部分生成碳酸
外    觀
白色冰狀固體
應    用
人工降雨,舞台表演,食品保鮮
危險性描述
乾冰若在密封條件下高於-78攝氏度可能會爆炸
晶體類別
分子晶體
蒸氣壓
1.013×105(-78.5 ℃) [1] 

乾冰生產方法

液態二氧化碳從液態二氧化碳儲槽內引出,噴射入乾冰機壓冰室腔室內。經過噴嘴的節流產生大量氣體二氧化碳和雪花狀乾冰固體。當固體乾冰堆積達到一定數量之後,液壓系統啓動,活塞將雪花狀乾冰壓實成乾冰塊,並將其從模頭端擠出。這時乾冰機末端的旋轉刀片啓動,將長條狀乾冰柱體打碎成所需長度的乾冰顆粒。 [3] 

乾冰使用及儲存注意事項

1.不能與液體混裝;
2.不能儲存於密閉容器中;不能在密閉空間中使用乾冰,否則可能引起窒息、爆炸;
3.冰不能與皮膚直接接觸,否則易引發凍傷。
乾冰的晶體結構示意圖 乾冰的晶體結構示意圖 [2]

乾冰應用場景

乾冰人工降雨

1946年,美國人Schaefer和Vonnegut發現乾冰和碘化銀可作為高效的冷雲催化劑,1947年4月開始進行飛機在雲中播撒乾冰的試驗 [4]  。此後,乾冰被越來越多地應用在人工降雨領域。乾冰人工降雨的原理是通過將乾冰裝入炮筒中打至指定區域,乾冰撒入空中迅速昇華,吸收大量熱量,使空氣中的水蒸氣液化凝聚,形成雨滴落下。
乾冰用於人工降雨示意圖 乾冰用於人工降雨示意圖

乾冰清洗行業

乾冰清洗主要有以下三種原理:
“能量轉移”:乾冰高速撞擊到被清洗表面,撞擊動能散逸,乾冰粒與清洗表面發生極其快速的熱轉移,二氧化碳瞬間昇華,污垢驟冷收縮、脆化而被衝下。
“低温龜裂”:不同熱膨脹係數的兩種不同材料,它們之間的温差會破壞兩種材料間的結合。乾冰粒(-78.5℃)衝擊處理物表面,使污垢冷凍至脆化及爆裂,產生“龜裂”,影響粘附污垢的機械性能,使污垢脱落。
“微爆炸”:乾冰粒鑽進污垢裂縫後,在幾千分之一秒內昇華,其體積瞬間膨脹600~800倍,將污垢剝離物件表面。
乾冰清洗設備一般可分為兩個部分:
① 乾冰粒制機。將液態CO2製作成一定規格的乾冰顆粒,這些顆粒通常是直徑為3 mm,長度為2.5 mm- 10 mm的高密度乾冰顆粒。
② 乾冰高壓清洗機。該設備一般需要4.0 bar以上、3 m3/min以上的潔淨壓縮空氣氣源。裝入清洗機內的高密度乾冰顆粒在壓縮空氣的驅動下,隨着壓縮空氣,經由特殊設計的噴槍系統混合、加速,噴射到被清洗物體表面。
乾冰清洗機噴射照片 乾冰清洗機噴射照片
乾冰被廣泛用於清理例如金屬 [5]  、模具 [6]  、生產設備 [7]  、古代文物 [8]  等各類表面污漬。其清洗過程無需降温和拆卸模具,避免了化學清洗法對模具的腐蝕和損害、機械清洗法對模具的機械損傷及劃傷,以及反覆裝卸導致模具精度下降等缺點。以下給出一些實例:
① 石油化工:乾冰清洗技術可用於石油化工過程中主風機、氣壓機、煙機、汽輪機、鼓風機等設備的鏽蝕灰塵清洗(不需拆下槳葉,省去重新調校槳葉的動平衡步驟);各式加熱爐、反應器等結焦結炭的清除;清洗換熱器上的聚氯乙烯樹脂;清除壓縮機、儲罐、鍋爐、反應釜、冷凝器,複雜機體等設備的油污鏽跡以及灰塵;
② 電力系統:可直接對室內外變壓器、絕緣器、配電櫃及電線、電纜進行帶電載負荷(37 kV以下)清洗;發電機、電動機、轉子、定子等部件無破損清洗;
③ 食品生產:乾冰清洗可以成功去除烤箱中烘烤的殘渣、膠狀物質和油污以及未烘烤前的生鮮製品混合物。有效清潔烤箱、混合攪拌設備、輸送帶、模製品、包裝設備、爐架、爐盤、容器、輥軸、冷凍機內壁、餅乾爐條等設備;
④ 汽車船舶行業:清洗汽車門皮、蓬頂、車廂、車底油污等無水漬殘留,不會引致水污染;汽車化油器清洗及汽車表面除漆;清除車船的引擎積碳(化學藥劑處理時間長,最少要用48小時以上,且藥劑對人體有害。乾冰清洗可以在10分鐘以內徹底解決積碳問題,即節省了時間又降低了成本,除垢率可達100%);清理船殼體、海水吸入閥、海水冷凝器和換熱器、機房、機械及電器設備等;
⑤ 航空航天領域:導彈、飛機噴漆和總裝的前置工序;複合模具、特殊飛行器的除漆;引擎積碳清洗;維修清洗(特別是起落架-輪倉區);飛機外殼的除漆;噴氣發動機轉換系統。可直接在機體工作,節省時間;
⑥ 印刷工業:乾冰清洗可去除各種油基、水基墨水和清漆,清理齒輪、導軌及噴嘴上的油污、積墨和染料,不僅能夠有效地確保印刷產品的質量,還能夠確保印刷設備不被磨損。
⑦ 文物清理:乾冰清洗技術可對文物標本表面上附着的泥土、可溶鹽、黴菌、沉積膜等污染物進行高效無損清洗。相對傳統的物理化學清洗方法,不僅提升了清潔效率和質量,對環境與工作人員健康也更友好。

乾冰冷鏈運輸

① 血漿、疫苗等特殊藥品的低温運輸;
② 電子低温材料,精密元器件的長短途運輸;
③ 高檔牛羊肉、海鮮等高檔食品的保鮮運輸。

乾冰裝飾特效

乾冰被廣泛用於舞台、劇場、影視、婚慶、慶典、晚會等製作雲海效果,以及餐桌菜品擺盤的煙霧效果。
乾冰形成的舞台煙霧效果 乾冰形成的舞台煙霧效果
參考資料
  • 1.    武漢大學,吉林大學等校編;曹錫章,宋天佑,王杏喬修訂.無機化學(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2011.
  • 2.    晶體學入門(一)乾冰是簡單立方還是面心立方?  .科學網
  • 3.    李晨泓,魏然,王盈.乾冰安全生產[J].科技資訊,2020,18(08):40-41.
  • 4.    “乾冰”是誰發明出來的,什麼時間怎麼發明的  .新浪網
  • 5.    李燁,張東,王萍等.乾冰噴射去除帶有油漆塗層金屬表面污染實驗[J].核技術,2012,35(07):557-560.
  • 6.    王超羣.激光和乾冰清洗輪胎模具技術與應用[J].輪胎工業,2018,38(10):579-582.
  • 7.    唐純.有機熱載體加熱爐(熱媒爐)的乾冰清洗[J].聚酯工業,2004(04):64-65.
  • 8.    臨夏州博物館"乾冰清洗技術對陶器文物清洗的探索"課題組,杜馬玉.乾冰清洗