Có hỗn hợp khí CO2 và O2 làm thế nào để thu được khí O2 từ hỗn hợp trên

Carbon dioxide hay cacbonic Oxide (tên gọi khác: thán khí, anhydride carbonic, khí carbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyển Trái Đất, bao gồm một nguyên tử carbon và hai nguyên tử oxy. Là một hợp chất hóa học được biết đến rộng rãi, nó thường xuyên được gọi theo công thức hóa học là CO2. Trong dạng rắn, nó được gọi là băng khô hoặc đá khô.

Carbon dioxide
Có hỗn hợp khí CO2 và O2 làm thế nào để thu được khí O2 từ hỗn hợp trên
Băng khô được sử dụng để làm lạnh đồ uống tại Công viên trung tâm, thành phố New York, Hoa Kỳ
  • Làm lạnh thực phẩm, các mẫu sinh học và các mặt hàng mau hỏng khác.
  • Sản xuất "sương mù băng khô" để tạo các hiệu ứng đặc biệt. Khi băng khô tiếp xúc với nước thì carbon dioxide đóng băng thăng hoa thành hỗn hợp khí carbon dioxide lạnh và không khí lạnh ẩm ướt. Điều này sinh ra sự ngưng tụ và hình thành sương mù; xem thêm máy tạo sương mù. Hiệu ứng sương mù của hỗn hợp băng khô với nước được tạo ra tốt nhất là với nước ấm.
  • Các viên nhỏ băng khô (thay vì cát) được bắn vào bề mặt cần làm sạch. Băng khô không cứng như cát, nhưng nó tăng tốc quá trình bằng sự thăng hoa để "không còn gì" tồn tại trên bề mặt cần làm sạch và gần như không tạo ra nhiều bụi gây hại phổi.
  • Tăng gây mưa từ các đám mây hay làm giảm độ dày của mây nhờ sự kết tinh nước trong mây.
  • Sản xuất khí carbon dioxide do cần thiết trong các hệ thống như thùng nhiên liệu hệ thống trơ trong các máy bay B-47.
  • Các ống lót trục bằng đồng thau hay kim loại khác được cho vào băng khô để làm chúng co lại sao cho chúng sẽ khớp với kích thước trong của lỗ trục. Khi các ống lót này ấm trở lại, chúng nở ra và trở nên cực kỳ khít nhau.

Tiếp xúcSửa đổi

Do các đặc trưng cụ thể của mình, băng khô đòi hỏi phải có sự phòng ngừa đặc biệt khi tiếp xúc. Nó cực lạnh vì vậy không nên cho tiếp xúc trực tiếp với da (nghĩa là cần đeo găng cách nhiệt thích hợp). Nó thường xuyên thăng hoa thành khí cacbonic, vì thế nó không thể lưu trữ trong các thùng chứa có nắp đậy do áp suất tạo ra sẽ nhanh chóng phá vỡ thùng do bị nổ. Khí thăng hoa cần thông gió tốt; nếu không nó có thể tràn ngập không gian quanh đó và làm cho người ta nghẹt thở. Sự quan tâm đặc biệt đối với các thiết bị thông gió là cần thiết. Những người tiếp xúc với băng khô cần phải được cảnh báo là carbon dioxide nặng hơn không khí và sẽ chìm xuống dưới sàn. Một số thị trường đòi hỏi những người mua băng khô phải từ 18 tuổi trở lên.

Sinh họcSửa đổi

Carbon dioxide là sản phẩm cuối cùng trong cơ thể sinh vật có sự tích lũy năng lượng từ việc phân hủy đường hay chất béo với oxy như là một phần của sự trao đổi chất của chúng, trong một quá trình được biết đến như là sự hô hấp của tế bào. Nó bao gồm tất cả các loài thực vật, động vật, nhiều loại nấm và một số vi khuẩn. Trong các động vật bậc cao, carbon dioxide di chuyển trong máu từ các mô của cơ thể tới phổi và ở đây nó bị thải ra ngoài.

Hàm lượng carbon dioxide trong không khí trong lành là khoảng 0,04%, và trong không khí bị thải ra từ sự thở là khoảng 4,5%. Khi thở trong không khí với nồng độ cao (khoảng 5% theo thể tích), nó là độc hại đối với con người và các động vật khác.

Hemoglobin, phân tử chuyên chở oxy chính trong hồng cầu, có thể chở cả oxy và carbon dioxide, mặc dù theo các cách thức hoàn toàn khác nhau. Sự suy giảm liên kết với oxy trong máu do sự tăng mức carbon dioxide được biết đến như là hiệu ứng Haldane, và nó là quan trọng trong việc vận chuyển carbon dioxide từ các mô tới phổi. Ngược lại, sự tăng áp suất thành phần của CO2 hay pH thấp hơn sẽ sinh ra sự rút bớt oxy từ hemoglobin. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Bohr.

Theo nghiên cứu của USDA [1][liên kết hỏng], sự thở của một người trung bình mỗi ngày sinh ra khoảng 450 lít (khoảng 900 gam) carbon dioxide.

CO2 được vận chuyển trong máu theo ba cách khác nhau. Phần lớn trong chúng (khoảng 80%90%) được các enzym cacbonic anhydraz chuyển hóa thành các ion bicacbonat HCO3 trong các tế bào hồng cầu. 5%10% được hòa tan trong huyết tương và 5%10% liên kết với hemoglobin thành các hợp chất cacbamin. Phần trăm chính xác phụ thuộc vào đó là máu ở động mạch hay tĩnh mạch.

Hemoglobin liên kết với CO2 không giống như liên kết với oxy; CO2 liên kết với các nhóm chứa N trên 4 chuỗi globin. Tuy nhiên, do các hiệu ứng khác khu vực hoạt hóa trên phân tử hemoglobin, liên kết của CO2 làm giảm lượng oxy được liên kết đối với áp suất thành phần nhất định của oxy.

Carbon dioxide có thể là một trong các chất trung gian để tự điều chỉnh việc cung cấp máu theo khu vực. Nếu nồng độ của nó cao thì các mao mạch nở ra để cho nhiều máu hơn đến các mô.

Các ion bicacbonat là chủ yếu trong việc điều chỉnh pH của máu. Do tần suất thở có ảnh hưởng tới mức CO2 trong máu, nên nhịp thở quá chậm hay quá nông sẽ sinh ra hiện tượng nhiễm axít hô hấp,trong khi nhịp thở quá nhanh sinh ra trong các chứng thở quá nhanh sẽ dẫn đến nhiễm kiềm hô hấp.

Một điều thú vị là mặc dù oxy là chất cần thiết của quá trình trao đổi chất của cơ thể, nhưng không phải nồng độ thấp của oxy kích thích sự hô hấp mà lại là nồng độ cao của carbon dioxide. Kết quả là, sự hô hấp trong không khí loãng (áp suất thấp) hay hỗn hợp khí không có oxy (ví dụ nitơ nguyên chất) dẫn đến sự bất tỉnh mà không cần có các vấn đề về hệ hô hấp của cá thể đó. Nó là đặc biệt nguy hiểm cho các phi công lái máy bay chiến đấu bay ở cao độ lớn, và nó cũng là lý do giải thích tại sao các hướng dẫn tại các máy bay thương mại trong trường hợp sụt áp suất trong khoang thì người ta cần phải sử dụng mặt nạ thở oxy cho chính mình trước khi giúp người khácnếu không thì chính người đó sẽ chịu rủi ro bất tỉnh mà không hề được cảnh báo trước về nguy hiểm sắp xảy ra.

Thực vật hấp thụ carbon dioxide từ khí quyển trong quá trình quang hợp. Carbon dioxide được thực vật (với năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời) sử dụng để sản xuất ra các chất hữu cơ bằng tổ hợp nó với nước. Các phản ứng này giải phóng ra oxy tự do. Đôi khi carbon dioxide được bơm thêm vào các nhà kính để thúc đẩy thực vật phát triển. Thực vật cũng giải phóng ra CO2 trong quá trình hô hấp của nó, nhưng tổng thể thì chúng làm giảm lượng CO2.

Các giới hạn của OSHA cho nồng độ carbon dioxide tại nơi làm việc là 0,5% cho thời gian dài, tối đa tới 3% cho phơi nhiễm ngắn (tối đa 10 phút). OSHA cho rằng các nồng độ trên 4% là "nguy hiểm ngay lập tức đối với sức khỏe và sự sống". Những người thở không khí chứa trên 5% carbon dioxide trên 30 phút có các triệu chứng tăng anhydride cacbonic máu cấp tính, trong khi việc thở với nồng độ carbon dioxide từ 7%10% có thể làm bất tỉnh trong vài phút. Carbon dioxide, dù là dạng khí hay dạng rắn, chỉ được tiếp xúc trong các môi trường/khu vực thông gió tốt.

Xem thêm: Khí trong máu động mạch.

Khí quyển Trái ĐấtSửa đổi

Nồng độ CO2 trong khí quyển, đo tại Mauna Loa.

Vào thời điểm năm 2004, khí quyển Trái Đất chứa khoảng 0,038% theo thể tích (380 µL/L hay ppm) hoặc 0,053% theo trọng lượng là CO2. Nó tương đương với 2,7 × 1012 tấn CO2. Do có nhiều đất đai hơn (và vì thế nhiều thực vật hơn) nên ở bắc bán cầu khi so với nam bán cầu có sự dao động hàng năm vào khoảng 5 µL/L, sự dao động này lên tới đỉnh vào tháng 5 và xuống tối thiểu vào tháng 10 khi kết thúc mùa sinh trưởng ở bắc bán cầu, khi mà khối lượng các chất sinh học trên hành tinh là lớn nhất.

Mặc dù nồng độ thấp nhưng CO2 là một thành phần cực kỳ quan trọng trong khí quyển Trái Đất, do nó hấp thụ bức xạ hồng ngoại và làm tăng hiệu ứng nhà kính.

Carbon dioxide nguyên thủy trong khí quyển của Trái Đất được tạo ra trong hoạt động của các núi lửa; nó là cốt yếu để làm ấm và ổn định khí hậu dẫn đến sự sống. Hoạt động núi lửa ngày nay giải phóng khoảng 130230 triệu tấn carbon dioxide mỗi năm. Lượng khí này xấp xỉ 1% lượng carbon dioxide do các hoạt động của con người tạo ra.

Sự thải khí carbon dioxide toàn cầu từ năm 1751 đến năm 2004.

Từ đầu thời kỳ cách mạng công nghiệp, nồng độ CO2 trong khí quyển đã tăng khoảng 110 µL/L hay khoảng 40%, phần lớn trong số này được giải phóng từ năm 1945 đến nay. Các đo đạc hàng tháng tại Mauna Loa [2] Lưu trữ 2004-12-10 tại Wayback Machine từ năm 1958 chỉ ra sự tăng từ 316 µL/L trong năm đó tới 376 µL/L năm 2003, tổng thể tăng 60 µL/L trong lịch sử 44 năm đo đạc. Các nhiên liệu hóa thạch như than và dầu mỏ bị đốt là nguyên nhân chính trong sự gia tăng của CO2 do con người tạo ra; Sự tàn phá rừng là nguyên nhân thứ hai. Năm 1997, các đám cháy than bùn ở Indonesia có thể giải phóng tới 13%40% lượng dioxide carbon do nhiên liệu hóa thạch tạo ra. Nhiều công nghệ khác nhau đã được giới thiệu nhằm làm giảm lượng carbon dioxide dư thừa khỏi khí quyển. Không phải toàn bộ lượng CO2 được giải phóng ra tồn tại trong không khí; một số được các đại dương hoặc sinh quyển hấp thụ. Tỷ lệ CO2 tỏa ra trên sự tăng của CO2 trong khí quyển được biết đến như là tỷ lệ bay lên (Keeling và những người khác, 1995); nó dao động theo các trung bình ngắn hạn nhưng thông thường là 57% cao hơn đối với các chu kỳ dài hơn (5 năm).

Ô nhiễm khói và ôzôn từ các đám cháy ở Indonesia năm 1997.

Thuyết "sự ấm toàn cầu" (GWT) dự báo là sự gia tăng lượng CO2 trong khí quyển có xu hướng làm trầm trọng thêm hiệu ứng nhà kính và vì thế góp phần vào sự ấm toàn cầu. Hiệu ứng của carbon dioxide tạo ra từ sự cháy đối với khí hậu được gọi là hiệu ứng Callendar.

Thay đổi trong quá khứSửa đổi

Nồng độ CO2 trong 400.000 năm gần đây

Phương pháp trực tiếp nhất để đo nồng độ carbon dioxide trong khí quyển cho các thời kỳ trước việc lấy mẫu trực tiếp là đo các bọt khí bị giữ lại trong các chỏm băng ở Nam Cực hay Greenland. Nghiên cứu được chấp nhận rộng rãi nhất là từ các loại lấy từ Nam Cực và chỉ ra rằng mức CO2 trong khí quyển là khoảng 260280 µL/L ngay trước khi khí thải công nghiệp bắt đầu và nó không dao động nhiều với mức này trong khoảng 10.000 năm trước đó.

Ghi chép về lõi băng dài nhất đến từ Đông Nam Cực, tại đó băng được lấy mẫu đến niên đại khoảng 650.000 năm trước. [3] Trong thời gian này, nồng độ carbon dioxide trong khí quyển đã dao động trong khoảng 180210 µL/L trong các thời kỳ băng hà, tăng lên tới 280300 µL/L trong các thời kỳ giữa các kỷ băng hà ấm áp hơn.

Một số nghiên cứu đã gây tranh luận về sự ổn định của mức CO2 trong thời kỳ giữa các kỷ băng hà gần đây nhất (10.000 năm cuối). Dựa trên phân tích các lá hóa thạch, Wagner và những người khác cho rằng mức CO2 trong thời kỳ 710.000 năm trước là cao hơn một cách đáng kể ( 300 µL/L) và chứa các thay đổi đáng kể mà có thể có tương quan với các thay đổi khí hậu. Các tuyên bố khác gây tranh cãi là giả thiết cho rằng chúng có lẽ phản ánh các vấn đề định cỡ hơn là các thay đổi thực sự của CO2. Liên quan đến tranh cãi này là các quan sát lõi băng ở Greenland thông thường cho các giá trị của CO2 cao hơn và biến đổi nhiều hơn so với các phép đo tương tự tại Nam Cực. Tuy nhiên, các nhóm chịu trách nhiệm cho các đo đạc này (ví dụ Smith và những người khác tin rằng các thay đổi trong lõi băng Greenland được tạo ra do sự phân hủy tại chỗ (in situ) của bụi calci cacbonat tìm thấy trong băng. Khi mức độ bụi trong các lõi băng Greenland là thấp gần như bằng mức ở lõi băng Nam Cực thì các báo cáo của các nhà nghiên cứu cũng gần như cho một kết quả giữa các phép đo tại hai nơi này.

Các thay đổi của carbon dioxide từ thời Phanerozoic (542 triệu năm trước). Thời kỳ gần đây nằm bên trái của biểu đồ, và nó dường như là 550 triệu năm trước thì nồng độ carbon dioxide cao hơn đáng kể so với ngày nay.

Trên biểu thời gian dài hơn, các phép đo đại diện khác nhau được sử dụng để cố gắng xác định mức carbon dioxide trong khí quyển hàng triệu năm trước. Các phép đo này bao gồm các tỷ lệ đồng vị bo và carbon trong các dạng trầm tích đại dương nào đó cũng như số lượng khí khổng quan sát được trên các lá hóa thạch. Trong khi các phép đo này ít chính xác hơn về nồng độ carbon dioxide so với việc đo lõi băng thì ở đây có chứng cứ cho thấy các nồng độ CO2 rất cao (> 3.000 µL/L) trong khoảng 600400 triệu năm trước và trong khoảng 200150 triệu năm trước.[4] Lưu trữ 2007-04-27 tại Wayback Machine. Trên biểu thời gian dài, hàm lượng CO2 khí quyển được xác định theo cân bằng giữa các quá trình địa hóa học (bao gồm carbon hữu cơ bị chôn vùi trong các trầm tích, đá silicat phong hóa) và tác động của núi lửa. Hiệu ứng ròng của sự không cân bằng nhẹ trong chu trình carbon trên hàng chục đến hàng trăm triệu năm đã làm giảm CO2 khí quyển. Các tốc độ của các quá trình này là cực chậm; vì thế chúng có mối tương quan bị giới hạn đối với các phản ứng của CO2 khí quyển trong việc thoát ra trong hàng trăm năm sau. Trong thời gian gần đây, nồng độ CO2 khí quyển vẫn tiếp tục theo đà suy giảm kể từ khoảng 60 triệu năm trước, và ở đây cũng có chứng cứ địa hóa học cho thấy nồng độ đã nhỏ hơn 300 µL/L vào khoảng 20 triệu năm trước. Nồng độ CO2 thấp có thể đã là tác nhân kích thích cho sự tiến hóa của các thực vật [[Sự cố định carbon C4|C4]], là những loài đã tăng đáng kể về số lượng trong khoảng 75 triệu năm trước. Mặc dù các nồng độ CO2 thời đó đã vượt quá trong vòng các kỷ nguyên địa chất diễn ra sớm hơn, các nồng độ carbon dioxide hiện nay có lẽ là cao hơn so với bất kỳ thời gian nào trong vòng 20 triệu năm qua [5][liên kết hỏng] nhưng lại là thấp hơn so với bất kỳ thời gian nào trong lịch sử nếu ta nhìn vào thang thời gian dài hơn 50 triệu năm.

Thủy quyển Trái ĐấtSửa đổi

Các đại dương của Trái Đất chứa một lượng khổng lồ carbon dioxide trong dạng các ion bicacbonat và cacbonatnhiều hơn rất nhiều so với lượng CO2 trong khí quyển. Bicacbonat được tạo ra trong các phản ứng của đá, nước và carbon dioxide. Dưới đây là ví dụ về sự hòa tan calci cacbonat:

CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2 HCO3

Các phản ứng tương tự như thế có xu hướng tạo ra các thay đổi đệm của CO2 khí quyển. Các phản ứng giữa carbon dioxide và các loại đá không cacbonat cũng bổ sung thêm bicacbonat vào biển cả, chúng sau đó phản ứng theo chiều ngược lại của phản ứng trên để tạo ra các loại đá cacbonat và giải phóng một nửa các bicacbonat thành CO2. Hàng trăm triệu năm qua chúng đã tạo ra một lượng lớn đá cacbonat. Nếu tất cả các loại đá cacbonat trong lớp vỏ Trái Đất được chuyển hóa ngược lại thành carbon dioxide thì lượng khí này sẽ nặng gấp 40 lần toàn bộ khí quyển.

Phần chủ yếu của CO2 được bổ sung vào khí quyển cuối cùng sẽ bị các đại dương hấp thụ trong dạng các ion bicacbonat, nhưng quá trình này phải mất hàng trăm năm do phần lớn nước biển lại không ở gần bề mặt.

Trong vũ trụSửa đổi

Carbon dioxide là thành phần chính của khí quyển Sao Hỏa, và là một thành phần quan trọng của khí quyển Sao Kim. Có giả thuyết cho rằng vào thời kỳ hệ Mặt Trời mới hình thành, các hành tinh nằm ở vòng trong (Trái Đất, Sao Hỏa, Sao Kim) đều có khí quyển khá giống nhau và chứa nhiều thán khí. Thán khí cũng có mặt ở dạng băng khô trên các sao chổi.

Chất khí này đã được quan sát là có mặt ở khoảng không vũ trụ, gần những sao thuộc thế hệ 2 hoặc thế hệ 3, nơi mà sản phẩm của quá trình phản ứng nhiệt hạch trong các sao đã tích tụ nhiều carbon và oxy. Có thể đặt giả thuyết rằng chất khí này có mặt trong khí quyển của các hành tinh thuộc vòng trong bay quanh các sao thuộc thế hệ từ 2 trở đi.

Lịch sửSửa đổi

Carbon dioxide là một trong các khí đầu tiên được miêu tả như là chất hiện hữu trong không khí. Vào thế kỷ XVII, nhà hóa học người Flanders là Jan Baptist van Helmont đã quan sát thấy khi ông đốt than củi trong bình kín thì khối lượng còn lại của tro là thấp hơn so với khối lượng nguyên thủy của than củi. Diễn giải của ông là phần còn lại của than củi đã được biến tố thành chất không nhìn thấy mà ông gọi là "khí" hay "linh hồn hoang dã" (spiritus sylvestre).

Các thuộc tính của carbon dioxide được nhà vật lý người Scot là Joseph Black nghiên cứu nhiều hơn trong thập niên 1750. Ông phát hiện ra là đá vôi (calci cacbonat) có thể nung nóng hay xử lý bằng các axit để sinh ra khí mà ông gọi là "không khí cố định". Ông quan sát thấy không khí cố định nặng hơn không khí và không hỗ trợ sự cháy cũng như sự sống của động vật. Ông cũng phát hiện là nó có thể, khi cho chạy qua dung dịch nước của vôi tôi (calci hydroxide) làm kết tủa calci cacbonat và sử dụng hiện tượng này để minh họa rằng carbon dioxide là sản phẩm của sự hô hấp của động vật và lên men vi sinh vật. Năm 1772, Joseph Priestley sử dụng carbon dioxide tạo ra từ phản ứng của axit sunfuric với đá vôi để điều chế nước soda, ví dụ đầu tiên được biết của đồ uống cacbonat hóa nhân tạo.

Carbon dioxide được Humphrey Davy và Michael Faraday hóa lỏng lần đầu tiên năm 1823 bằng tăng áp suất. Mô tả đầu tiên về carbon dioxide rắn là của Charles Thilorier, là người năm 1834 đã mở thùng chứa carbon dioxide lỏng bị nén, chỉ để tìm sản phẩm được tạo ra do bị làm lạnh vì sự bay hơi nhanh của carbon dioxide lỏng và thấy "tuyết" của CO2 rắn.

Xem thêmSửa đổi

  • Khí thiên nhiên
  • Nhiên liệu hóa thạch
  • Khí nhà kính
  • Chu trình carbon

Tham khảoSửa đổi

  • Friederike Wagner, Bent Aaby và Henk Visscher (2002) Rapid atmospheric CO2 changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event, PNAS 99 (19): 12011-12014 DOI: 10.1073/pnas.182420699
  • Andreas Indermühle, Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999) Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations, Science 286 (5446): 1815 DOI: 10.1126/science.286.5446.1815a Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations Science URL truy cập 26 tháng 5 năm 2005
  • H.J. Smith, M Wahlen và D. Mastroianni (1997) The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition, Geophysical Research Letters 24(1) 1-4
  • Joseph Priestley (1772) Observations on Different Kinds of Air, Philosophical Transactions 62: 147-264
  • Humphry Davy (1823) On the Applicatin of Liquids Formed by the Condensation of Gases as Mechanical Agents, Philosophical Transactions 113: 199-205

Liên kết ngoàiSửa đổi

  • Thẻ an toàn hóa chất số 0021
  • CID280 từ PubChem
  • Thông tin về băng khô Lưu trữ 2004-04-03 tại Wayback Machine
  • Bassam Z. Shakhashiri Hóa chất trong tuần: Carbon dioxide Lưu trữ 2004-12-10 tại Wayback Machine
  • Keeling, C.D. và T.P. Whorf Ghi chép về carbon dioxide trong khí quyển tại Mauna Loa Lưu trữ 2004-12-10 tại Wayback Machine, 2002
  • Cập nhật Mauna Loa 2004
  • Carbon dioxide, CO2: Thuộc tính, sử dụng, ứng dụng
  • Wiki hóa điện toán[liên kết hỏng]
  • Biểu đồ pha theo áp suất-nhiệt độ của carbon dioxide Lưu trữ 2008-02-16 tại Wayback Machine