Diossido di carbonio (CO₂): caratteristiche, impatti e applicazioni industriali

Che cos’è l’anidride carbonica (CO₂)?

L'anidride carbonica o diossido di carbonio, un gas incolore e inodore, ha come costituenti un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno, ed è naturalmente presente in piccole quantità nell'atmosfera terrestre. È cruciale per la fotosintesi (le piante convertono la CO₂ in ossigeno) ed svolge anche un ruolo come gas serra significativo, che contribuisce al riscaldamento globale e al cambiamento climatico.

Il ciclo del carbonio descrive il movimento continuo di questo elemento tra l'atmosfera, gli oceani, la terra (piante, animali, microbi e suoli) e le formazioni geologiche. Sotto forma di CO₂, il carbonio aiuta a controllare la temperatura della Terra: una quantità insufficiente renderebbe il pianeta troppo freddo per mantenere in vita gli esseri viventi, mentre un eccesso aumenterebbe significativamente le temperature globali.

Le piante e il suolo giocano ruoli importanti in questo ciclo. Le piante scambiano costantemente carbonio con l'atmosfera, assorbendo l'anidride carbonica durante la fotosintesi (immagazzinandola nella loro biomassa e contribuendo al carbonio organico del suolo) e rilasciando ossigeno. Rilasciano anche CO₂ quando la materia organica si decompone.

Gli animali espirano anidride carbonica durante la fase di respirazione rilasciando inoltre CO₂ quando i loro corpi si decompongono. Gli oceani assorbono l'anidride carbonica atmosferica dissolvendola nelle loro acque superficiali; questo carbonio disciolto viene poi trasportato dalle correnti oceaniche e può essere incorporato nella vita marina o eventualmente affondare negli strati più profondi.

Anche i processi geologici naturali, come le eruzioni vulcaniche, rilasciano CO₂ nell'atmosfera. Questo scambio naturale mantiene un equilibrio delicato, regolando i livelli atmosferici di CO₂ prima di qualsiasi influenza umana significativa.

Proprietà chimico-fisiche del CO₂

L'anidride carbonica presenta proprietà chimico-fisiche distintive che ne determinano gli stati e il comportamento. Il CO₂ ha una struttura molecolare lineare, composta da un atomo di carbonio centrale legato a due atomi di ossigeno tramite doppi legami covalenti.

Stati fisici

A seconda della temperatura e della pressione, il CO₂ può esistere in diverse forme: gassosa, liquida, solida (nota come ghiaccio secco) e supercritica (sCO₂). Lo stato supercritico è una fase fluida in cui il CO₂ è mantenuto al di sopra della sua temperatura critica e della sua pressione critica, presentando proprietà sia liquide che gassose.
Di seguito alcune delle sue proprietà fisiche chiave:

• Peso molecolare: 44,01 g/mol
• Punto di sublimazione (a pressione atmosferica): -78,5°C
• Densità (gas a 0°C, 1 atm): 1,977 kg/m³ (circa 1,5 volte più denso dell'aria)
• Densità critica: 468 kg/m³
• Solubilità in acqua: Molto solubile (forma l'acido carbonico)
• Infiammabilità: Non infiammabile
• Tossicità: Non tossica a basse concentrazioni, ma presenta rischi a livelli più elevati.

Reattività e stabilità chimica

Il CO₂ è generalmente un gas stabile e relativamente inerte in condizioni standard, il che contribuisce alla sua elevata stabilità. Tuttavia, pur essendo stabile, il CO₂ partecipa a reazioni chiave come la fotosintesi e può reagire con certi metalli ad alte temperature.

Abbastanza e fonti di CO₂

Il diossido di carbonio è naturalmente presente nell'atmosfera terrestre in piccole quantità. Tuttavia, le attività umane hanno aumentato significativamente la sua concentrazione atmosferica dalla Rivoluzione Industriale in poi. Le concentrazioni medie mensili di anidride carbonica (CO₂) nell'atmosfera hanno raggiunto un livello record di 430,5 parti per milione (ppm) a maggio 2025. Questo rappresenta un aumento di circa il 22% rispetto ai livelli medi di CO₂ registrati a gennaio 1990.

Fonti naturali

Il ciclo del carbonio descrive il movimento continuo del carbonio tra l'atmosfera, gli oceani e la terra. Le fonti naturali includono:

• Piante e suoli: Scambiano costantemente carbonio con l'atmosfera, assorbendo CO₂ durante la fotosintesi e rilasciandola quando la materia organica si decompone.
• Animali: Espirano CO₂ con la respirazione e la rilasciano inoltre con la decomposizione.
• Oceani: Assorbono CO₂ atmosferica dissolvendola nelle loro acque superficiali; questo carbonio disciolto viene poi trasportato dalle correnti oceaniche e può essere incorporato nella vita marina o eventualmente affondare negli strati più profondi.
• Processi geologici: Come le eruzioni vulcaniche, rilasciano CO₂ nell'atmosfera. Questo scambio naturale mantiene un equilibrio delicato, regolando i livelli atmosferici di CO₂.

Fonti antropiche

Le attività umane hanno significativamente aumentato la CO₂ atmosferica, principalmente attraverso la combustione di combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale), la deforestazione e il prosciugamento delle zone umide. Altre fonti importanti di CO₂ includono:

• La produzione di cemento (la fonte più significativa di emissioni globali di CO₂).
• La produzione di acciaio.
• L'industria chimica.
• Anche alcune pratiche agricole, come la lavorazione del suolo o l'allevamento intensivo, contribuiscono al rilascio di CO₂.

Emissioni globali e ruolo nel riscaldamento climatico
Oltre al CO₂, altri gas serra generati dall'uomo (come metano, protossido di azoto, ozono e CFC) amplificano l'effetto serra. Nonostante metano e protossido di azoto abbiano un Potenziale di Riscaldamento Globale (PRG) più elevato per molecola, il CO₂ rimane il principale motore del cambiamento climatico. Ciò è dovuto all'immenso volume delle sue emissioni e alla sua durata di vita atmosferica eccezionalmente lunga, che lo rendono il maggiore contributo globale al riscaldamento climatico.

Produzione industriale e forniture

Il diossido di carbonio per uso industriale viene ottenuto da diverse fonti e sottoposto a rigorosi processi di purificazione. Sebbene una parte provenga da sorgenti naturali o sia un sottoprodotto di processi industriali, le moderne tecnologie di cattura della CO₂ sono sempre più importanti per ottenere CO₂ da destinare a vari usi.
Le principali tecnologie di produzione/cattura includono:

• Cattura post-combustione: Questo metodo, il più comune e maturo, estrae il CO₂ dai gas di scarico dopo la combustione di combustibili fossili, spesso usando solventi per separarla da altri gas.
• Ossicombustione: Implica la combustione di combustibili fossili in ossigeno puro anziché aria. Ciò produce un gas di scarico altamente concentrato, composto principalmente da CO₂ e H₂O, facilitando notevolmente la separazione e la purificazione della CO₂.
• Cattura diretta dall'aria (DAC - Direct Air Capture): Sebbene ancora nelle fasi iniziali di sviluppo e costosa, questa tecnologia permette di catturare la CO₂ direttamente dall'aria ambiente, offrendo un potenziale immenso per mitigare le emissioni diffuse.

Modalità di fornitura

Il CO₂ può essere fornita in diverse forme fisiche per adattarsi alle specifiche esigenze delle applicazioni industriali:

• Gassosa: Per utilizzi che richiedono CO₂ in fase gassosa.
• Liquida: La forma più comune per il trasporto e lo stoccaggio, conservata sotto pressione e a basse temperature.
• Solida (ghiaccio secco): Utilizzata principalmente per scopi di refrigerazione, dove la sua sublimazione diretta da solido a gas è vantaggiosa.
• Supercritica (sCO₂): Una fase fluida particolare con proprietà intermedie tra liquido e gas, impiegata in applicazioni specialistiche.

Soluzioni Air Liquide per la fornitura e la gestione del CO₂

Air Liquide è all'avanguardia nella gestione del CO₂, offrendo soluzioni innovative per accelerare la decarbonizzazione industriale e sostenere i progetti di transizione energetica dei nostri clienti. Proponiamo la fornitura di CO₂ a basso contenuto di carbonio (come la soluzione ECO ORIGIN™), prodotta da energia elettrica rinnovabile. Offriamo inoltre soluzioni per l'efficienza energetica e la valorizzazione, come l'Eco Chiller, che recupera l'energia frigorifera dalla vaporizzazione del CO₂ per ridurre il consumo energetico dei clienti. La nostra esperienza si estende alla gestione del CO₂, fornendo soluzioni avanzate per la purificazione e la liquefazione della CO₂ catturata, garantendone la qualità e il trasporto efficiente per varie applicazioni industriali.

Applicazioni industriali della CO₂

Il diossido di carbonio è un gas industriale estremamente versatile, con numerose applicazioni in un'ampia gamma di settori. Può essere utilizzato nelle sue forme gassosa, liquida e solida (nota come "ghiaccio secco"), nonché nel suo stato supercritico. È impiegato principalmente come refrigerante, come gas di protezione in saldatura o come agente di inertizzazione nelle industrie chimiche e alimentari.

Utilizzo in forma solida: ghiaccio secco per refrigerazione e logistica

Il CO₂ nella sua forma solida, il "ghiaccio secco", è ampiamente utilizzata per il controllo e il mantenimento della temperatura durante il trasporto e lo stoccaggio di alimenti e altri prodotti sensibili, come nel caso dei vaccini. La sua capacità di sublimare direttamente da solido a gas lo rende un refrigerante efficace senza lasciare residui liquidi.

Utilizzo in forma liquida e gassosa

• Industria alimentare e bevande: Il CO₂ (nelle sue forme gassosa e liquida) è impiegato per applicazioni di confezionamento in atmosfera protettiva (MAP) per prolungare la durata di conservazione dei prodotti alimentari. È essenziale per la carbonatazione delle bevande frizzanti, nella viticoltura e nell'estrazione della caffeina dal caffè sotto forma supercritica. Trova anche impiego in applicazioni criogeniche per il controllo della temperatura e la surgelazione.
• Saldatura: In saldatura MIG/MAG, il CO₂ serve da gas di protezione, preservando il bagno di fusione dall'ossidazione. In combinazione con l'argon, è utilizzata per migliorare la velocità di saldatura e ridurre la necessità di trattamenti post-saldatura.
• Inertizzazione: È anche un agente di inertizzazione in diverse industrie, inclusa quella chimica.
• Industria chimica, estrazione e pulizia: Il CO₂ in forma supercritica è utilizzato per estrarre composti da vari materiali, in particolare nelle industrie farmaceutica e cosmetica. La proiezione di ghiaccio secco o di CO₂ supercritica è impiegata per il lavaggio industriale. Nei laboratori, il CO₂ è usato per creare ambienti controllati, regolare il pH e per applicazioni criogeniche.
• Settore medico: Il CO₂ è impiegato nella crioterapia per l'eliminazione delle lesioni cutanee. È utilizzato con ossigeno di qualità medica per aiutare a stimolare la respirazione e come gas di insufflazione nelle chirurgie mini-invasive.
• Applicazioni ambientali: Il CO₂ è utilizzato per il trattamento dell'acqua (controllo e neutralizzazione del pH delle acque reflue), inclusa la messa in equilibrio calco-carbonico nella produzione di acqua potabile, e per la neutralizzazione degli effluenti alcalini, in sostituzione degli acidi forti.

Impatto ambientale del CO₂

Come menzionato in precedenza, il CO₂ è un gas serra che intrappola il calore nell'atmosfera. L'aumento delle concentrazioni atmosferiche di CO₂ provoca un incremento della temperatura media globale, traducendosi in ondate di calore più intense, frequenti e persistenti, oltre ad altri fenomeni meteorologici estremi come uragani potenti, forti piogge, inondazioni e siccità.

Ciò causa impatti significativi sugli ecosistemi sia acquatici che terrestri. Gli oceani assorbono l'anidride carbonica atmosferica, che si dissolve poi nell'acqua di mare. Questa maggiore dissoluzione altera il pH dell'oceano, diminuendolo e rendendolo più acido. Questa acidificazione degli oceani ha un impatto su numerose specie marine, in particolare organismi come ostriche e coralli, e può influenzare anche il comportamento di alcuni pesci. Sulla terra, l'aumento delle temperature e la modifica dei regimi di precipitazione possono portare a cambiamenti nei cicli di crescita delle piante, a un aumento della frequenza delle siccità con impatto sull'agricoltura e sulla biodiversità, e a un rischio maggiore di incendi boschivi.

Strategie per la riduzione delle emissioni 

Di fronte alla crescente preoccupazione globale per le emissioni di gas serra e agli impegni (come l'Accordo di Parigi per la neutralità carbonica entro il 2050), i quadri normativi si stanno evolvendo rapidamente. L'Unione Europea, in particolare, ha stabilito un solido insieme di regolamentazioni e norme per guidare la decarbonizzazione (Sistema di Scambio di Quote di Emissione (ETS), Pacchetto "Fit for 55", Meccanismo di Adeguamento del Carbonio alle Frontiere (MACF/CBAM).

Cattura, stoccaggio e utilizzo del CO₂ (CCUS): una soluzione sostenibile

La Cattura, l'Utilizzo e lo Stoccaggio del Carbonio (CCUS) rappresenta un insieme di tecnologie concepite per impedire al diossido di carbonio di penetrare nell'atmosfera o per rimuoverlo direttamente una volta emesso. Questo processo comprende tre fasi principali: la cattura, il trasporto e lo stoccaggio, nonché l'utilizzo.

1. Tecnologie di cattura del CO₂: Queste tecnologie estraggono  CO₂ dalle fonti industriali o direttamente dall'aria.
   • Cattura post-combustione: Questo metodo, il più comune e maturo, cattura il CO₂ dai gas di combustione dopo che i combustibili fossili sono stati bruciati. Spesso utilizza solventi o sorbenti per separare il CO₂ dagli altri gas.
   • Ossicombustione: Implica la combustione di combustibili fossili in ossigeno puro anziché in aria. Ciò produce un gas di combustione altamente concentrato, composto principalmente da CO₂ e H₂O, rendendo la separazione e la purificazione del CO₂ molto più facili.
   • Cattura diretta dall'aria (DAC): Permette di catturare il CO₂ direttamente dall'aria ambiente. Sebbene sia ancora in una fase di sviluppo precoce e costosa, la DAC possiede un immenso potenziale per mitigare le emissioni provenienti da fonti diffuse o per rimuovere il CO₂ già presente nell'atmosfera.
2. Trasporto e stoccaggio del CO₂ (CCS): Una volta catturata, il CO₂ viene generalmente compresso e trasportato, spesso tramite pipeline o navi, verso siti di stoccaggio a lungo termine appropriati. Lo stoccaggio geologico, un componente chiave del CCS, implica l'iniezione di CO₂ in profondità sotto terra in formazioni geologiche sicure, come acquiferi salini o giacimenti di petrolio e gas esauriti, dove viene sequestrata in modo permanente.
3. Utilizzo del CO₂ (CCU): Anziché uno stoccaggio permanente, il CO₂ catturato può essere anche utilizzato come una risorsa fondamentale in diversi processi industriali.
   • Prodotti chimici: Viene utilizzata come materia prima per produrre una gamma di prodotti chimici, inclusi polimeri, metanolo e urea.
   • Materiali: È incorporato in materiali da costruzione come il cemento e il calcestruzzo.
   • Carburanti di sintesi: Viene convertito in carburanti di sintesi (per esempio, gli e-carburanti) che possono sostituire i carburanti fossili, creando così un'economia circolare del carbonio.

Le tecnologie di CCUS giocano un ruolo essenziale nel raggiungimento degli obiettivi mondiali di decarbonizzazione, in particolare per le industrie pesanti (cemento, acciaio, chimica) dove le emissioni di CO₂ sono inerenti al processo e difficili da combattere in altro modo. Sono indispensabili per raggiungere la neutralità carbonica (net-zero emission).
Air Liquide, in collaborazione con altri partner, offre una soluzione completa per questa catena del valore.

Impatto sulla salute umana e precauzioni

Il CO₂ può presentare rischi significativi per la salute umana, particolarmente in spazi confinati o durante manipolazioni vicino a serbatoi o bombole di CO₂ compressa o ghiaccio secco. L'esposizione a forti concentrazioni di questo gas può causare diversi effetti indesiderati sul corpo, dovuti al suo impatto sui livelli di ossigeno e ai suoi effetti fisiologici diretti:

• Deterioramento respiratorio: Può provocare difficoltà respiratorie, affanno e distress respiratorio.
  Mal di testa e vertigini: Sintomi quali mal di testa, vertigini e disorientamento.
• Aumento del ritmo cardiaco: Il cuore può aumentare il battito per compensare la riduzione dei livelli di ossigeno.
• Confusione e disorientamento: Un'esposizione prolungata può influenzare la funzione cerebrale.
• Perdita di coscienza: In casi estremi, può portare alla perdita di coscienza o persino alla morte per privazione di ossigeno. Per mitigare questi rischi, vengono implementate diverse precauzioni di sicurezza, tra cui la sorveglianza della qualità dell'aria interna (con rilevatori di CO₂) che segnala scarsa ventilazione o contaminanti, e che invita a migliorare l’aerazione dell'ambiente interno.

Per mitigare questi rischi, vengono implementate diverse precauzioni di sicurezza. Tra le più importanti figura la sorveglianza della qualità dell'aria interna in strutture come scuole, uffici, ristoranti, strutture mediche e centri di trasporto. I rilevatori di gas CO₂ fungono da indicatori cruciali della qualità complessiva dell'aria interna, segnalando una scarsa ventilazione o la presenza di contaminanti. Rilevando livelli elevati di CO₂, questi sistemi stimolano indagini e miglioramenti per un ambiente interno più sicuro.