La glace carbonique : propriétés, production et applications du CO₂ solide

Contexte

La glace carbonique est le nom donné au dioxyde de carbone à l'état solide. Le dioxyde de carbone se trouve dans l'atmosphère terrestre ; c'est un gaz que les humains expirent et que les plantes utilisent pour la photosynthèse. Ce composé chimique est incolore, inodore, insipide et environ 1,5 fois plus dense que l'air. Le dioxyde de carbone passe de l'état gazeux à un solide blanc opaque sous pression et à basse température, se solidifiant à −78,5 °C (−109 °F). La glace carbonique est fabriquée principalement sous deux formes : soit en blocs de plus de 22,7 kg, soit en petits morceaux variant de la taille d'un grain de riz à des granulés plus gros. La glace carbonique ne fond pas, elle sublime, c'est-à-dire que le solide passe directement à l'état gazeux (en contournant l'état liquide) lorsque la température augmente et que le solide commence à se dissiper. Cette particularité crée un effet de fumée, et la glace carbonique semble fumer lors de la sublimation. Ainsi, elle est souvent utilisée pour simuler du brouillard ou de la fumée.

La glace carbonique n'est pas toxique en elle-même, mais la surface du solide est si froide qu'elle ne doit pas être touchée sans gants. De plus, bien que le gaz soit stable et inerte, il est plus lourd que l'air et peut se concentrer dans les zones basses ou espaces confinés. Lorsque la concentration de dioxyde de carbone dans l'air dépasse 5 %, le gaz devient toxique. Ainsi, toute zone où de la glace carbonique est utilisée doit être bien ventilée.

Il est relativement simple de transformer le dioxyde de carbone de gaz à solide. De nombreux fabricants de glace carbonique existent aux États-Unis, et la glace carbonique est expédiée dans tout le pays pour une variété d'usages. C'est un réfrigérant important pour garder les aliments au froid et prévenir la croissance bactérienne pendant l'expédition. La glace carbonique utilisée pour le refroidissement ou la congélation des aliments doit être très pure et considérée comme « qualité alimentaire » pour garantir que les aliments qu'elle touche ne soient pas contaminés. Comme le solide sublime au lieu de fondre, de grandes quantités de glace carbonique peuvent être placées dans des conteneurs d'expédition sans avoir à tenir compte du volume d'eau de fonte qui s'accumule quand la glace est utilisée comme réfrigérant. Les usages alimentaires sont étendus et incluent la congélation rapide d'aliments pour usage futur dans les usines de transformation, le ralentissement de la croissance de levure active dans les boulangeries, et le maintien des aliments au frais pour la restauration de l'industrie aérienne.

Autres usages : ralentir la croissance des bourgeons floraux dans les pépinières pour garder les plantes fraîches pour les consommateurs, congélation éclair dans l'industrie du caoutchouc pendant la fabrication, absorption des fuites de réfrigération à l'ammoniac, et création de fumée pour productions théâtrales. L'application significative la plus récente est le nettoyage cryogénique (ou sablage à la glace carbonique) où des granulés de glace carbonique sont projetés à grande vitesse sur une surface à nettoyer. Les granulés décapent les contaminants, subliment dans l'atmosphère et ne laissent aucun gaz toxique. Le seul résidu est la saleté ou la peinture laissée pour élimination.

Histoire

La glace carbonique n'a pas été inventée, ce sont les propriétés du dioxyde de carbone solide qui ont été découvertes au début du 20e siècle. Elle a été produite commercialement pour la première fois dans les années 1920 aux États-Unis. Une entreprise commerciale a déposé la marque dry ice en 1925 et le dioxyde de carbone solide est appelé glace carbonique depuis. Jusqu'à récemment, la glace carbonique était souvent appelée hot ice, référence au fait que toucher la surface froide donnait une sensation de brûlure.

Il semble que la Prest-Air Devices Company de Long Island, New York, ait produit la première glace carbonique avec succès en 1925. La même année, Schrafft's de New York a utilisé le produit pour empêcher sa célèbre crème glacée de fondre dans leur salon. La glace carbonique a été bien plus largement utilisée pour la réfrigération et la congélation des aliments au milieu du 20e siècle qu'aujourd'hui. Presque tous les glaciers du monde utilisaient la glace carbonique pour garder la crème glacée congelée jusqu'après la Seconde Guerre mondiale, quand la réfrigération électrique est devenue abordable et efficace. La fabrication de la glace carbonique n'a pas changé significativement depuis des décennies et est un processus relativement simple de pressurisation et de refroidissement du dioxyde de carbone gazeux. Les usages de la glace carbonique ont quelque peu diminué avec l'avènement d'une meilleure réfrigération électrique. Certains développements récents incluent l'utilisation de granulés pour le sablage ou nettoyage et son utilisation croissante dans le transport d'échantillons médicaux, y compris cœurs, membres et tissus, pour réimplantation et transplantation.

Matières premières

La seule matière première utilisée dans la fabrication de la glace carbonique est le dioxyde de carbone. Cette matière première est le sous-produit du raffinage des gaz émis lors de la fabrication ou du raffinage d'autres produits. La plupart du dioxyde de carbone utilisé pour la glace carbonique aux États-Unis provient du raffinage des gaz dégagés lors du raffinage du pétrole et de l'ammoniac. Le dioxyde de carbone émis lors de ces processus est aspiré et « lavé » pour éliminer les impuretés afin d'obtenir du dioxyde de carbone qualité alimentaire qui deviendra de la glace carbonique.

Le processus de fabrication

1. Le dioxyde de carbone est liquéfié par compression et refroidissement, se liquéfiant à une pression d'environ 395 kg/cm² (870 lb/in²) à température ambiante. Le dioxyde de carbone liquide est pompé, via des tuyaux, dans d'immenses réservoirs de stockage pour que les fabricants puissent prélever le liquide nécessaire.
2. Le dioxyde de carbone liquide est expédié en grandes quantités, pesant parfois plusieurs tonnes. Ainsi, la plupart des fabricants choisissent d'implanter leurs usines près des raffineries de pétrole ou d'ammoniac pour réduire les coûts de transport. Le liquide pressurisé et réfrigéré est acheminé directement dans un réservoir sous pression ou un wagon-citerne appartenant au fabricant et se dirige vers l'usine.
3. Le camion-citerne arrive à l'usine et déverse le dioxyde de carbone liquide dans d'immenses réservoirs sur place. Ces réservoirs maintiennent le liquide sous pression, le gardant réfrigéré pour qu'il reste à l'état liquide. Ces réservoirs sont situés le long du mur de l'usine et, par des tuyaux, le liquide est amené directement à l'intérieur quand nécessaire pour la fabrication.
4. Le dioxyde de carbone liquide est libéré, à nouveau par tuyauterie, des réservoirs adjacents à travers le mur de l'usine et dans la presse à glace carbonique. Lorsque le liquide passe d'un environnement hautement pressurisé à la pression atmosphérique, il se dilate et s'évapore à grande vitesse, ce qui le refroidit à son point de congélation, −78,3 °C (−109 °F). Une buse place le liquide dans le bloc supérieur d'une presse à glace carbonique, haute d'environ 4,9 m. Cette presse comprend un gros bloc en haut qui peut exercer une pression extrême sur le produit amené. Lorsque le dioxyde de carbone liquide frappe le bloc de la presse, il se solidifie immédiatement car il est maintenant à température ambiante. Le dioxyde de carbone ressemble maintenant à de la neige.
5. Cette neige, maintenant dans la partie supérieure de la presse, doit être compressée en un bloc de glace carbonique. Ainsi, cette partie supérieure monte et descend avec une pression extraordinaire (environ 60 tonnes), compactant la neige en un bloc solide. C'est un processus d'environ cinq minutes. Quand le bloc est solide, il mesure généralement environ 61 cm de large et 25 cm de haut, pesant environ 100 kg.
6. Ce bloc opaque blanc est poussé hors de la presse sur un rouleau. Une scie pneumatique coupe le bloc en deux et les blocs sont poussés vers une autre scie qui coupe les blocs plus petits à nouveau. Ainsi, le bloc unique fait dans la presse est maintenant en quatre pièces, chacune pesant environ 25 kg.
7. Les blocs plus petits sont mis dans des conteneurs qui les gardent au froid pour minimiser la sublimation. S'ils sont expédiés comme pièces non emballées, ils doivent être serrés dans un conteneur, La formation de la glace carbonique est une série de réactions chimiques. généralement quatre blocs, avec très peu d'air à l'intérieur pour réduire la sublimation. Si un bloc est retiré pendant l'expédition, les autres commenceront rapidement à se dissiper. De nombreux fabricants emballent les blocs dans du papier à l'aide de machines (il est sage de ne pas toucher la surface très froide) et les envoient aux distributeurs ou grossistes.

Contrôle qualité

Les problèmes de contrôle qualité tournent principalement autour du grade de dioxyde de carbone utilisé pour la glace carbonique qualité alimentaire. Récemment, le gouvernement fédéral a établi des normes assez strictes pour la pureté du dioxyde de carbone utilisé dans la fabrication, obligeant les fabricants à certifier et tester le dioxyde de carbone liquide utilisé, ainsi que la pureté du produit fabriqué.

D'autres problèmes de contrôle qualité incluent la vérification que les réservoirs et équipements fonctionnent précisément. Si la pression n'est pas correctement maintenue, le produit ne peut pas être produit. Déplacer le produit rapidement et efficacement de la découpe au stockage est très important, car la glace carbonique sublime rapidement à température ambiante, réduisant ainsi le poids et le prix du produit vendable. L'expédition doit emballer les blocs densément pour réduire la sublimation en transit.

Sous-produits/Déchets

Aucun produit chimique significatif n'est créé dans la production de glace carbonique. Puisque le produit est fait uniquement de dioxyde de carbone, quand il sublime, les gaz sont émis dans l'atmosphère. Le seul déchet détectable est la sublimation du produit en blocs, qui est maintenue au minimum.

Avenir

Bien que l'utilisation de la glace carbonique en réfrigération et stockage alimentaire puisse diminuer, son utilisation dans d'autres domaines est prometteuse. Comme mentionné, les nettoyeurs et opérateurs de machines s'intéressent aux petits granulés pour leur capacité à bombarder une maison ou une machine à haute pression, enlever la saleté ou autres contaminants, puis se dissiper dans l'atmosphère. Récemment, une compagnie de téléphone a utilisé des granulés de glace carbonique pour nettoyer en toute sécurité des équipements de test électroniques sensibles sans solvants dangereux. Les ateliers de carrosserie ont découvert qu'appliquer de la glace carbonique sur des bosses peut parfois éliminer la déformation. De plus, des tests sur les blocs de glace carbonique préconisent de les jeter dans les terriers de gophers pour éradiquer les nuisibles ou de les placer dans le jardin pour attirer les moustiques et les éloigner des humains.

Pour en savoir plus

Livres

Russell, Allan S. McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. Vol. 5. New York : 1997.

The Handy Science Answer Book. 2e éd. Detroit : 1997.

Autres

« Dry Ice. » About.com Web Page. Août 2001. < https://inventors.about.com/library/inventors/bldryice.htm >.

dryicelnfo.com Home Page. Juillet 2001. < https://www.dryiceinfo.com >.

Entretien avec Chuck Hines. Propriétaire de Arctic Dry Ice Company. Baltimore. 31 juillet 2001.

Nancy EV Bryk