Dioxyde de carbone
GENERALITES :
Le dioxyde de carbone est le résultat de la combinaison de deux éléments : un atome de carbone C et deux atomes d'oxygène O, soit CO2 (ou O=C=O).
Masse molaire 44,0098 g mol-1.
Il est produit par différents processus : notamment lors de la fermentation aérobie ou de la combustion de composés organiques, et lors de la respiration des êtres vivants et des végétaux. Pour ces derniers, la photosynthèse piège beaucoup plus de CO2 que sa respiration n'en produit.
On le trouve en faible proportion dans l'air atmosphèrique ou il est assimilé par les plantes qui, à leur tour, produisent de l'oxygène.

En 2018, il y est présent à 410,79 ppmv (parties par million en volume) - (Données du NOAA* et du Mauna Loa Observatory-MLO, 2018).
*(NOAA : National Oceanic and Atmospheric Administration, USA)
Augmentation globale d'environ 42 % en 177 ans.
Mais elle augmente rapidement, d'environ 1,43 ppmv/an, de par les activités humaines de consommation des combustibles fossiles : charbon, pétrole, gaz.

Selon la NOAA par ailleurs, le taux de concentration moyen de dioxyde de carbone dans l’atmosphère aurait donc atteint en avril 2019, 411,50 parties par million et par volume (411,50 ppmv), soit la teneur la plus élevée jamais mesurée.

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(moyennes mensuelles du CO2 dans la décénnie 2015-2020 et mesure globales du CO2 de 1980 à 2019 - source NOAA)

Les abondances moyennes mondiales des gaz à effet de serre majeurs (bien mélangés et à vie longue) - dioxyde de carbone, méthane, protoxyde d'azote, CFC-12 et CFC-11 - du réseau mondial d'échantillonnage de l'air NOAA sont relevées depuis le début de les gaz représentent environ 96% du forçage radiatif direct par les gaz à effet de serre à vie longue depuis 1750.

Nota : les proportions massiques peuvent être évaluées approximativement en multipliant les proportions volumiques par le rapport de la masse molaire du gaz considéré, divisé par la masse molaire théorique de l'air soit 28,95 g environ, par exemple dans le cas du CO2 ce rapport n' est pas négligeable puisqu'il vaut (12,011/28,95) = 0,41488, d'ou la teneur massique en CO2 dans l'air en avril 2019, égale à (411,50 x 0,41488) = 170,72 ppm en masse.

Rappel : c'est la photosynthèse qui maintient constant le taux d'oxygène O2 dans l'atmosphère terrestre et fournit toute la matière organique ainsi que l'essentiel de l'énergie utilisées par la vie sur Terre. Ce processus bioénergétique permet aux plantes, aux algues et à certaines bactéries, dites photoautotrophes, de synthétiser de la matière organique en utilisant la lumière du soleil. Des glucides, par exemple des oses tels que le glucose, sont synthétisés à partir du CO2 et de l'eau H2O avec libération d'oxygène O2 comme sous-produit de l'oxydation de l'eau.
NB. Le nombre de milliards de tonnes (Mdt) de CO2 relâchées dans l'atmosphère en 2018, s'élève à 36 831 Mdt (36, 831 Tt).
Les "plus mauvais élèves" sont la Chine et les États-Unis avec 27 % et 15 % des émissions respectivement (9% pour l'Union Européenne).
Ce classement est valable pour le total des émissions, mais les États-Unis, la Russie, l'Arabie saoudite et le Canada - lorsque l'on ramène cela par habitant - sont tous les quatre en tête du classement.

Effets écosystémiques de l'augmentation du taux de CO2 dans l'eau :
Le CO2 a un certain effet eutrophisant (c'est un nutriment de base, essentiel pour les plantes), mais il est aussi un facteur d'acidification des océans et de certaines masses d'eau douce, qui peut négativement interférer avec de nombreuses espèces (dont certaines microalgues et autres microorganismes aquatiques protégées par des structures calcaires que l'acide carbonique peut dissoudre). Effet important avant la fin du XXIe siècle...car le pH baisse et risque d'atteindre 7,8 (actuellement pH = 8) !
L'acidification favorise aussi la libération et la circulation et donc la biodisponibiltié de la plupart des métaux lourds, métalloïdes ou radionucléides (naturellement présent dans les sédiments ou d'origine anthropique depuis la révolution industrielle surtout).

VALEURS DE LA PRESSION PARTIELLE DE CO2 :
Dans l'atmosphère, elle était à la fin des années 1970 de 2.10-4 atm (0,203 hPa ), vingt ans plus tard, du fait de l'évolution des activités humaines elle est en moyenne en 1990 de 3,4.10-4 atm (0,344 hPa), et en 2018 de 3,89.10-4 atm (0,394 hPa), soit une augmentation de 48,5 % en presque 50 ans (presque 1% par an).
Nota : 1 atm = 1013,25 hPa
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C'est un gaz à effet de serre (GES, voir ici) dont la contribution relative à ce phénomène serait de 49 % (le méthane CH4 de 18 %).


(source : Sciences et Avenir, 04/2012)

Propriétés.
Le CO2 gazeux a une odeur très légèrement irritante, il est incolore et plus lourd que l'air (Masse Volumique : 1,87 kg m3-1 à 15°C).
En solution aqueuse, il forme l'acide carbonique H2CO3 ( H2O + CO2 <==> H2CO3 ) qui est trop instable pour pouvoir être isolé facilement.


Graphique de Pression de vapeur en fonction de la température :

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Le diagramme des phases du dioxyde de carbone (CO2, anhydride ou gaz carbonique) ci-dessous, montre que, contrairement à l'eau, la courbe solide (glace carbonique) et liquide (CO2 liquide) présente une pente positive : la glace de CO2 est plus dense que le gaz liquéfié.
Nota : Masse volumique de la phase liquide (à -20 °C et 19,7 bar) : 1032 kg/m3 et Masse volumique du solide : 1562 kg/m3.

Seul gaz présent sous quatre formes : solide, liquide, gazeuse et supercritique.


(rappel : 1 bar = 1000 hPa = 0,1 MPa)

La phase liquide ne peut exister qu'à une pression minimale de 519 kPa (5,19 bar ou 5,122 atm), et dans un intervalle de température allant de -56,6 °C (216,6 K, point triple) à 31,1 °C au maximum (304,3 K) à 7,38 MPa (73,8 bar ou 72,83 atm) - (point critique).

Par ailleurs, le Point triple ( Température = -56,6 °C (216,6 K) et Pression : 5180 hPa [5,18 bar ou 5,112 atm] ) est supérieur à la pression atmosphérique "normale" de 1013,25 hPa (1,013 bar), ainsi donc le CO2 liquide ne peut exister à cette pression (il ne peut donc fondre, ni bouillir à cette pression), par contre il peut se sublimer a toutes pressions inférieures.

Le Point Critique se situe donc à Pc = 7,38 MPa (73,8 bar ou 72,83 atm) et Tc = 31,3 °C (304,5 K) .

Le CO2 solide est appelé glace sèche (car elle ne fond pas, elle se sublime). Nota > aussi appelé : « glace carbonique », « neige carbonique », ou « Carboglace™ ».
A noter qu'à 1 atm (1013 hPa ou 1,013 bar), la température de sublimation de cette glace sèche est de -78,48 °C (194,67 K). L'enthalpie de sublimation est de 573 kJ·kg-1 (soit 25,2 kJ·mol-1),

Le CO2 se transporte habituellement à l'état liquide dans des cylindres d'acier sous pression (- 20°C et 20 bar).

Solubilité du gaz dans l'eau (à TPN >1013 hPa et 0 °C) : 1,7 vol/vol, et, 3350 mg/kg à 0 °C, 973 mg/kg à 40 °C et 576 mg/kg à 60 °C.

Solubilité du CO2 en mg par litre dans l'eau pure (pression atm. et sous pp du gaz) en fonction de la température :


Nota - l'équilibre :

CO2 gaz + H2O <<>> H2CO3

est réglé par la constante de Henry dont la valeur est (1013 hPa et 25 °C) :

KH = ( [H2CO3] / pCO2 ) = 10-1,46

avec pCO2 : pression partielle de CO2 et [H2CO3] : activité.

- Cette constante varie avec la température suivant l'expression empirique :

log KH = 1,46 + 0,0127 (t-25)

avec t, température en ° Celsius.

- Notons que l'activité [H2CO3] représente la molécule H2CO3 vraie (acide carbonique) et le CO2 dissous moléculaire présent à l'état de microbulles.

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Quelques caractéristiques :



Normalisation.
Norme sur les produits utilisés pour la production d’eau potable : bulletin officiel - Dioxyde de carbone, Anhydride carbonique : NF EN 936.

Utilisations. Généralités.
Le CO2 peut servir à beaucoup de choses dont la principale est l'extinction des feux. Beaucoup de datacenters (salles de serveurs d'ordinateurs) ou de salles des archives sont équipées d'un système qui, en cas d'incendie, remplit la salle de CO2 ce qui à comme effet d'éteindre le feu.
Il est aussi utilisé en aquariophilie pour une meilleure croissance des plantes.
Il permet de maîtriser le pH des effluents aqueux (excellente alternative au contrôle du pH par l'acide sulfurique).
Il peut aussi être utilisé sous forme liquide, comme :

et sous forme solide ou glace carbonique (appelée aussi Carboglace ou glace sèche). Cette glace carbonique se sublime en ne laissant aucun résidu et produit très rapidement une grande quantité de froid (150 fr/h/kg à -78,5 °C), l'homme lui a donc rapidement trouvé de multiples utilisations :

Comme l'eau, au delà de son point critique (voir plus haut), le dioxyde de carbone entre dans une phase appelée "supercritique".
La courbe d'équilibre liquide gaz est interrompue au niveau du point critique, assurant à la phase supercritique un continuum des propriétés physico-chimiques sans changement de phase. C'est une phase aussi dense qu'un liquide mais assurant des propriétés de transport (viscosité, diffusion) proche d'un gaz. Le dioxyde de carbone supercritique est utilisée comme solvant "vert", les extraits étant exempt de trace de solvant :






Applications industrielles.
Pâtes et papiers
Le dioxyde de carbone de réguler finement le pH des pâtes recyclées, mécaniques ou chimiques après un blanchiment alcalin. Il peut être également utilisé dans la neutralisation du "tall oil" et pour l'amélioration du fonctionnement des machines à papier.
Industrie chimique
Le dioxyde de carbone est utilisé en chimie de synthèse ou pour le contrôle de la température des réacteurs. Le CO2 est également mis en œuvre pour la neutralisation des effluents alcalins.
Il est utilisé sous des conditions supercritiques pour réaliser des purifications ou des opérations de teintures de fibres polymères ou végétales ou animales.
Industrie pharmaceutique
Le dioxyde de carbone est utilisé pour l'inertage, la synthèse chimique, l'extraction en phase supercritique (SFE), la neutralisation (pH) des effluents aqueux ou le transport de produits à basse température
(-78 °C or -108 °F).
Alimentaire et boissons
Le CO2 est utilisé dans le secteur alimentaire dans ces principaux domaines :

Santé
Le CO2 produit une atmosphère proches des conditions physiologiques lors de la manipulation d'organes artificiels.
Il est utilisé en mélange avec l'air ou l'oxygène pour doper la respiration.
Il sert aussi pour la dilatation chirurgicale par insufflation intra-abdominale.

Industrie des métaux
Le dioxyde de carbone est généralement utilisé pour la protection de l'environnement :

Laboratoires et analyses
Le CO2 est la phase mobile dans des procédés d'extraction ou de chromatographie en phase supercritique.

Électronique
Le dioxyde de carbone est généralement employé dans le traitement des eaux usées ou en tant que milieu de refroidissement durant les essais climatiques des composants électroniques.
Il peut servir à augmenter la conductivité de l'eau ultra-pure ou pour le nettoyage abrasifs de pièces sous forme de neige carbonique et dans le procédé propre de nettoyage des résines photosensibles au CO2 supercritique afin d'éviter l'utilisation de solvants organiques.

Environnement
L'injection de dioxyde de carbone permet de maîtriser le pH des effluents aqueux. Le CO2 est une excellente alternative au contrôle du pH par l'acide sulfurique.

Autres industries
Neige carbonique pour extincteurs.
Contrôle et régulation du pH des eaux usées, piscines, etc

MODE D'APPROVISIONNEMENT :
Le dioxyde de carbone peut être distribué :



Risques majeurs :

Lien (canadien) sur les effets du CO2 sur la santé.

FICHE TOXICOLOGIQUE (INRS) : fichier pdf à télécharger éventuellement (71 ko).

>>> Site du BRGM (captage/stockage du CO2).


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Sources d'une partie de ce document : >>> Air Liquide