Khí công nghiệp CO₂ – Khái niệm, đặc tính và vai trò trong công nghiệp

Khí công nghiệp CO₂ – Khái niệm, đặc tính và vai trò trong công nghiệp

1. CO₂ là gì?

• CO₂ (carbon dioxide, hay còn gọi là khí cacbonic, khí thán, anhydrit cacbonic) là hợp chất hóa học gồm một nguyên tử carbon và hai nguyên tử oxy, công thức hóa học là CO₂.

• Ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ ~ 25 °C, áp suất ~ 1 atm), CO₂ là một khí không màu, không mùi, không độc (ở nồng độ thấp) và không hỗ trợ cháy.

• CO₂ nặng hơn không khí (khoảng 1,5 lần) nên khi thoát ra môi trường, nó thường lắng xuống ở những vùng thấp, dễ tích tụ trong các không gian kín.

• Ở điều kiện áp suất và nhiệt độ thích hợp, CO₂ có thể tồn tại ở dạng lỏng hoặc rắn (băng khô) — đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp.

CO₂ được sản xuất từ nhiều nguồn: từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, từ các quy trình hóa chất công nghiệp (ví dụ sản xuất amoniac, phân bón), từ lên men trong ngành thực phẩm – đồ uống, hoặc được tái thu hồi từ khí thải công nghiệp.

Khi dùng trong công nghiệp, CO₂ được tinh chế đạt tiêu chuẩn yêu cầu (độ tinh khiết cao, không lẫn tạp chất) và cung cấp trong bình khí cao áp, bồn chứa lỏng, ISO tank, v.v. 

2. Ứng dụng chính của khí công nghiệp CO₂

Khí CO₂ có nhiều ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp khác nhau nhờ các tính chất như lạnh hóa, áp lực, tính trơ (không cháy) và khả năng tương tác hóa học. Dưới đây là các ứng dụng tiêu biểu:

2.1 Ứng dụng trong hàn, cắt kim loại

• CO₂ thường được dùng làm khí che chắn (shielding gas) trong hàn MIG/MAG (Metal Inert Gas / Metal Active Gas), đặc biệt khi hàn thép cacbon hoặc thép mỏng. CO₂ giúp bảo vệ vùng hàn khỏi oxy hóa và tạp chất từ môi trường.

• Trong một số trường hợp, CO₂ được pha trộn với argon hoặc các khí khác để cải thiện tính ổn định của hồ quang và chất lượng mối hàn.

• Lợi ích: giảm chi phí khí, hiệu suất hàn cao hơn, giảm xử lý sau hàn.

2.2 Làm lạnh, đông lạnh, vận chuyển thực phẩm

• CO₂ (dạng lỏng hoặc dạng “snow” / băng khô) dùng để đông lạnh thực phẩm, giữ cho nhiệt độ sản phẩm ổn định trong quá trình vận chuyển hoặc lưu kho.

• Trong ngành thực phẩm và đồ uống, CO₂ dùng để tạo khí trong nước ngọt, nước có ga, rượu vang, bia, khí hóa các loại nước giải khát.

• CO₂ còn dùng để kiểm soát bầu không khí bảo quản (modified atmosphere packaging – MAP) cho trái cây, rau, thực phẩm tươi sống để kéo dài thời gian bảo quản.

2.3 Sản xuất hóa chất và vật liệu

• CO₂ là nguyên liệu để sản xuất ure: CO₂ + 2 NH₃ → (NH₂)₂CO + H₂O (quá trình thường được ứng dụng trong ngành phân bón).

• Dùng trong các ứng dụng siêu tới hạn (supercritical CO₂) như dung môi chiết xuất (tinh dầu, hợp chất dược liệu) do CO₂ siêu tới hạn có khả năng hòa tan tốt mà khi tách chỉ cần giảm áp là hồi phục.

• Trong ngành dầu khí, CO₂ được dùng để tăng thu hồi dầu — khi hòa tan vào dầu thô dưới lòng đất, nó làm giảm độ nhớt và giúp dầu di chuyển dễ hơn. 

• CO₂ còn có vai trò trong xử lý nước, sản xuất polyme, xử lý các khí thải (thu hồi và tái sử dụng CO₂) …

2.4 Ứng dụng đặc thù khác

• Trong công nghệ hiệu ứng đặc biệt: tạo khói, hiệu ứng “bong bóng khô”, “máy khói” sử dụng CO₂ để đẩy dung dịch khói ra không khí.

• Trong nông nghiệp – nhà kính: bơm CO₂ để điều chỉnh nồng độ CO₂ trong nhà kính, thúc đẩy quang hợp, tăng năng suất cây trồng (đặc biệt trong trồng rau thủy canh).

• Trong y tế: CO₂ được dùng trong một số ứng dụng (ví dụ phối khí trong kỹ thuật sinh lý, điều chỉnh O₂/CO₂, phẫu thuật nội soi CO₂) — tuy nhiên cần dùng CO₂ cấp y tế đạt chuẩn.

3. Quy trình sản xuất, thu hồi và cung cấp CO₂ công nghiệp

3.1 Sản xuất và thu hồi CO₂

CO₂ công nghiệp có thể được tạo ra hoặc thu hồi từ các nguồn sau:

• Khí thải từ các quá trình công nghiệp (như sản xuất phân bón, nhiệt điện, lọc dầu, hóa chất). Các hệ thống thu hồi CO₂ (carbon capture) có thể tách CO₂ từ khí hỗn hợp, nén và tinh chế.

• Từ quá trình lên men (ví dụ trong ngành bia, rượu) hoặc từ quá trình sinh học — nhưng CO₂ lấy từ nguồn này thường chứa tạp chất, cần xử lý trước khi dùng trong ứng dụng công nghiệp.

• Mua từ các nhà sản xuất khí công nghiệp/chuyên doanh, nơi họ sản xuất CO₂ từ quy trình tổng hợp hoặc thu hồi, tinh chế theo tiêu chuẩn cấp công nghiệp.

Sau khi thu được, CO₂ sẽ được nén, làm lạnh (nếu cần) để chuyển sang dạng lỏng hoặc được hóa lỏng trực tiếp trong bình/bồn chứa, sau đó phân phối cho khách hàng.

3.2 Cung cấp và phân phối CO₂

Các hình thức cung cấp phổ biến tại Việt Nam và quốc tế:

• Bình khí cao áp: CO₂ được nạp trong bình thép chịu áp lực, phổ biến từ 10 lít, 14 lít, 40 lít, 47 lít, 50 lít … tùy nhu cầu. 

• ISO tank, LGC tank: cho nhu cầu lớn, vận chuyển đường biển hoặc đường bộ.

• Bồn công nghiệp: đối với các nhà máy công nghiệp lớn có nhu cầu CO₂ lớn, họ có thể dùng bồn chứa lỏng tại chỗ và hệ thống ống dẫn.

• Hệ thống nạp tại chỗ: nhà máy/cơ sở có thể lắp đặt trạm nạp CO₂ hoặc tiếp nhận từ xe bồn chuyên dụng.

Trong nước, nhiều công ty khí cung cấp CO₂ công nghiệp, nạp khí và giao hàng trên toàn quốc. Thường họ hỗ trợ kiểm định, giao hàng tận nơi, cung cấp bình và dịch vụ nạp.

4. An toàn khi sử dụng CO₂ công nghiệp

Mặc dù CO₂ ở nồng độ thấp không độc, nhưng khi sử dụng trong môi trường công nghiệp, cần chú ý các vấn đề an toàn:

4.1 Rủi ro khi hít phải CO₂ cao

• Khi CO₂ tích tụ trong không gian kín, nồng độ cao có thể làm giảm hàm lượng oxy, gây ngạt.

• Ở nồng độ ≥ 8‑10 %, CO₂ có thể gây ảnh hưởng đến nhịp tim, hô hấp.

• Cần hệ thống thông gió tốt, cảnh báo nồng độ CO₂ (cảm biến CO₂) khi làm việc trong không gian đóng kín.

4.2 Áp suất và nguy cơ nổ

• Bình chứa CO₂ chịu áp lực cao, nếu thiết bị, van, hàn mối nối không đảm bảo, có thể rò rỉ, vỡ bình.

• Khi chuyển đổi trạng thái (lỏng → khí) trong bình, CO₂ có thể tạo áp lực rất nhanh. Cần van an toàn, van giảm áp để điều chỉnh dòng ra.

• Tránh đun nóng bình chứa hoặc để bình trong ánh nắng trực tiếp.

4.3 Đóng băng và lạnh sâu

• Khi CO₂ lỏng hoặc băng khô tiếp xúc trực tiếp với da, có thể gây bỏng lạnh (frostbite).

• Khi khí CO₂ thoát nhanh ra ngoài, có thể kéo nhiệt dẫn đến băng cục, đóng băng các thiết bị, đường ống…

4.4 Tương tác với vật liệu

• CO₂ ẩm có thể tạo thành axit cacbonic, ăn mòn một số vật liệu không chống ăn mòn.

• Các vật liệu đường ống, van, khóa, gioăng cần chọn loại chịu áp lực cao, chống ăn mòn và phù hợp tiêu chuẩn CO₂.

4.5 Kiểm định và bảo trì

• Bình, đường ống, van phải được kiểm định định kỳ theo tiêu chuẩn áp lực.

• Khi thay bình mới, cần xả khí dư, kiểm tra rò rỉ.

• Nhân viên phải được đào tạo an toàn, hiểu tinh chất CO₂, biết cách xử lý sự cố rò rỉ.

5. Thị trường và giá CO₂ công nghiệp ở Việt Nam

5.1 Nhu cầu thị trường

• Các ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm – đồ uống, kim loại – hàn, dược phẩm, hóa chất, dầu khí, nông nghiệp (nhà kính) có nhu cầu CO₂ lớn.

• Trong bối cảnh xu hướng xanh – giảm khí thải, nhiều nhà máy tìm cách thu hồi CO₂ từ khí thải và tái sử dụng, làm giảm chi phí mua ngoài.

• Nhu cầu sử dụng CO₂ trong bảo quản thực phẩm và logistics lạnh ngày càng tăng.

5.2 Giá CO₂ công nghiệp

Giá CO₂ công nghiệp phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ tinh khiết, thể tích, loại bình/bồn, khoảng cách vận chuyển, chi phí nạp, thu hồi, thị trường cung – cầu.

Do giá biến động theo chi phí nhiên liệu, vận chuyển, khấu hao bình, chi phí bảo trì, nên khi làm SEO hoặc viết bài giới thiệu sản phẩm nên cập nhật giá mới thường xuyên.

5.3 Cạnh tranh và lợi thế

• Các doanh nghiệp khí trong nước có lợi thế về chi phí vận chuyển, khả năng phục vụ nhanh cho các tỉnh thành.

• Việc mua CO₂ từ các nhà máy sản xuất lớn, tích hợp thu hồi CO₂ từ quy trình hóa chất có thể giúp giảm chi phí.

• Dịch vụ hỗ trợ kiểm định, giao hàng tận nơi, cho thuê bình, bảo trì thiết bị là yếu tố cạnh tranh quan trọng.