ドライアイス：固体CO₂の特性、製造、用途

概要

ドライアイスは二酸化炭素が固体状態にあるときの名称です。二酸化炭素は地球大気中に存在し、人間が呼気として排出し、植物が光合成で利用する気体です。この化合物は無色、無臭、無味、空気の約1.5倍の密度を持ちます。二酸化炭素は圧力下かつ低温で気体から不透明な白色固体へ転移し、−78.5℃（−109°F）で固化します。ドライアイスは主に2形態で製造されます：50ポンド（約22.7kg）超のブロック、または米粒大からペレット大までの小片。ドライアイスは融解せず昇華します。つまり温度上昇で固体が液体を経ずに直接気体へ変化し、消散していきます。この特異な性質により喫煙効果が生じ、ドライアイスは蒸気を上げているように見えます。したがって、霧や煙の演出によく用いられます。

ドライアイス自体は無毒ですが、固体表面は極めて低温のため、手袋なしで触れてはいけません。また気体は安定・不活性ですが、空気より重く低所や密閉空間に滞留しやすい性質があります。空気中の二酸化炭素濃度が5%を超えると毒性を示します。したがってドライアイス使用場所は十分な換気が必須です。

気体から固体への転移は比較的シンプルです。米国には多数のドライアイスメーカーがあり、全国各地へ多様な用途で出荷されています。食品の冷却・細菌増殖抑制のための重要な冷媒として輸送時に使用されます。食品冷却・冷凍用ドライアイスは非常に清潔で「食品グレード」と見なされる必要があり、接触する食品を汚染しないことを保証します。固体が融解ではなく昇華するため、大量のドライアイスを輸送容器に入れても、氷を冷媒としたときのような融解水の体積増大を考慮する必要がありません。食品関連用途は広範で、食品工場での急速冷凍、パン屋での酵母活性抑制、航空機内食の冷却保存等があります。

その他用途：苗床での花芽成長抑制による鮮度保持、ゴム製造時のフラッシュフリーズ、アンモニア冷媒漏洩吸収、演劇演出の煙発生。近年最も注目される用途はドライアイスブラスト（洗浄）で、高速でドライアイスペレットを対象表面に衝突させます。ペレットが汚染物質を剥離し、大気中へ昇華、有毒ガスを残しません。残留物は剥離された汚れや塗料のみで廃棄処分可能。

歴史

ドライアイスは発明されたのではなく、固体二酸化炭素の特性が20世紀初頭に発見されました。1920年代に米国で初の商業生産が開始。1925年に商業ベンチャーが「ドライアイス」の商標登録を行い、以来固体二酸化炭素はドライアイスと呼ばれるようになりました。比較的最近まで「ホットアイス（熱い氷）」と呼ばれることも多く、冷たい表面に触れると手が焼かれたように感じることからの呼称です。

ニューヨーク州ロングアイランドのプレスト・エア・デバイセズ社が1925年に最初にドライアイス製造に成功したと見られています。同年、ニューヨーク市のシュラフツが自店の名物アイスクリーム溶解防止に初めて採用。第二次世界大戦後、電気冷蔵が普及・効率化するまで、世界中のほぼ全てのアイスクリーム店がドライアイスでアイスクリームを冷凍保存していました。ドライアイス製造法は数十年間ほぼ変わらず、気体二酸化炭素を加圧・冷却する比較的単純なプロセスです。電気冷蔵の進歩でドライアイス用途は多少縮小しました。近年の新展開として、ブラスト洗浄用ペレット利用、心臓・四肢・組織等の医療検体輸送（再接合・移植用）での利用増が挙げられます。

原材料

ドライアイス製造の唯一の原材料は二酸化炭素です。この原料は他製品の製造・精製時に排出されるガスの精製過程で得られる副産物です。米国でドライアイス製造用の二酸化炭素の大半は、石油とアンモニアの精製時に発生するガスの精製由来です。これらのプロセスで排出される二酸化炭素を回収し、「スクラビング（洗浄精製）」して不純物を除去、最終的にドライアイスとなる食品グレード二酸化炭素を得ます。

製造工程

1. 二酸化炭素を圧縮・冷却して液化。室温で約870psi（約395kg/cm²）の圧力で液化。液体二酸化炭素を配管で巨大貯蔵タンクへ送り、ドライアイスメーカーが必要量を取り出せるようにする。
2. 液体二酸化炭素は数トン単位で大量輸送されるため、ほとんどのドライアイスメーカーは石油・アンモニア精製所の近くに工場を置き輸送コストを抑える。加圧冷却液体二酸化炭素は配管でメーカー所有の加圧タンクまたは鉄道タンク車へ直接送られ工場へ。
3. タンクローリーが工場に到着、敷地内の巨大タンクへ液体二酸化炭素を投入。タンクは加圧下で冷却保持され液体状態を維持。タンクは工場壁面に隣接配置され、配管で必要時に工場内へ直接導入。
4. 隣接タンクから配管で工場壁を貫通しドライアイスプレスへ液体二酸化炭素を放出。高圧環境から大気圧へ移行する際、急激に膨張・気化しながら高速で冷却、−78.3℃（−109°F）の凝固点に達する。ノズルで高さ約4.9m（16フィート）のドライアイスプレス上部ブロックへ液体を噴射。プレス上部の大型ブロックが投入物に極めて高い圧力をかける構造。液体二酸化炭素がプレスブロックに当たると常温下で即座に固化、雪のような状態になる。
5. 上部のこの「雪」をブロック状ドライアイスへ圧縮。プレス上部が約60トンの圧力で上下動し、雪を固体ブロックへ圧縮。約5分で完了。固化ブロックは幅約61cm（2フィート）、高さ約25cm（10インチ）、重量約100kg（220ポンド）。
6. 不透明白色のドライアイスブロックをプレスから押し出しローラーへ。空気圧ノコギリで半分に切断、さらにもう1台のノコギリで小ブロックへ再切断。プレスで作られた1ブロックが4ピース（各約25kg、55ポンド）になる。
7. 小ブロックを容器に入れ冷却保持、昇華を最小限に。裸のまま輸送する場合は密閉容器に4ブロック程度を隙間なく詰め、内部空気を極力排除して昇華抑制。輸送中に1ブロック取り出すと残りが急速に昇華し始める。多くのメーカーは機械で紙包装（極低温表面に触れないよう注意）し、卸売業者やディストリビューターへ出荷。

品質管理

品質管理の主眼は食品グレードドライアイス製造用二酸化炭素のグレードです。近年連邦政府がドライアイス製造用二酸化炭素の純度基準を厳格化し、メーカーに液体二酸化炭素と製品純度の認証・試験を義務付けました。

その他、タンクと設備の精密動作確認も重要。圧力が適切に維持されなければ製品化不可。切断から保管への迅速・効率的な移送が極めて重要で、ドライアイスは室温で急速昇華し、製品重量と価値が目減りします。輸送時もブロックを密に詰め、輸送中の昇華を抑制必須。

副産物・廃棄物

ドライアイス製造で有意な化学副産物は発生しません。原料が二酸化炭素のみのため、製品昇華時にはガスとして大気放出。検出可能な廃棄物はブロック形態での昇華損失のみで、これを最小限に抑えています。

将来展望

冷蔵・食品保存用途は減少傾向にありますが、他分野での用途に期待が持てます。前述の小型ペレットによる高圧ブラスト洗浄で汚れ・汚染物質を除去し大気へ消散する用途に、ハウスクリーニング業者と機械オペレーターが注目。最近電話会社が危険溶剤を使わず感度の高い電子試験装置をドライアイスペレットで安全洗浄。自動車鈑金修理ではボディのへこみにドライアイスを当てると変形が解消されるケースがあると発見。また、ドライアイスブロックをアナグマの巣穴に投入して駆除したり、裏庭に置いて蚊を誘引し人間から遠ざける試験も提唱されています。

参考文献

書籍

ラッセル、アラン・S著『McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology』第5巻。ニューヨーク：1997年。

『The Handy Science Answer Book』第2版。デトロイト：1997年。

その他

「Dry Ice.」『About.com Web Page.』2001年8月。 .

dryiceinfo.com Home Page. 2001年7月。 .

チャック・ハインズ、アークティック・ドライアイス社オーナーへのインタビュー。ボルチモア。2001年7月31日。

ナンシー・EV・ブライク