CÁC sản PHẨM POLYMER đi từ NGUYÊN LIỆU hóa dầu

Phần lớn lượng dầu mỏ được sử dụng là làm nguyên liệu cho các động cơ, phần còn lại là sử dụng cho những mục đích khác.. Dầu hỏa được sử dụng như là một nguồn nguyên liệu đầu để điều chế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM

KHOA HOÁ



SEMINAR MÔN HỌC:

HÓA HỌC DẦU MỎ

ĐỀ TÀI:

DẦU MỎ

VÀ CÁC SẢN PHẨM POLYMER ĐI TỪ

NGUYÊN LIỆU HÓA DẦU

GV hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Phương Phong

SV thực hiện: Lê Thị Phương Nhung 0714151



Tháng 10/2011

MỤC LỤC

I. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU DẦU MỎ

Dầu mỏ là một chất lỏng nhớt được tìm thấy bên dưới bề mặt của trái đất được tinh chế để làm cho nhiên liệu, nhựa và hàng hoá khác Dầu là không tìm thấy trong các

bể lớn Thay vào đó, nó thường bị mắc kẹt trong lỗ chân lông bằng sa thạch hay đá xốp khác

Hình 1: Dàn khoan khai thác dầu mỏ trên biển

Dầu mỏ không phải là một hợp chất duy nhất Nó thường được tìm thấy cùng với khí thiên nhiên Dầu mỏ khai thác được bao gồm một hỗn hợp của các chuỗi hydrocarbon có độ dài khác nhau, dao động từ C5H12 đến C42H86 vá các một số khí hydrocarbon liên quan, với 1 đến 4 phân tử carbon Khi dầu mỏ được đốt cháy, các chuỗi hydrocarbon cộng với oxy được chuyển đổi thành CO2 và H2O (nước), và năng lượng được giải phóng

Dầu mỏ được hình thành từ hàng triệu năm trước, từ phần còn lại của những loài tảo biển nhỏ và động vật thời tiền sử sống trong vùng biển hoặc hồ Những loài tảo biển

và động vật chết và chìm xuống dưới đáy biển Dần dần, hình thành lớp bùn và trầm tích bao phủ còn lại của chúng, gây ra nhiệt và áp suất Theo nhiệt và áp suất đó, một

phản ứng hóa học diễn ra, sự chuyển đổi giữa hydro và carbon từ xác thực vật và động vật phân hủy, hình thành hỗn hợp các hydrocacbon mà chúng ta biết đó là dầu khỏ

Dầu mỏ được tìm thấy được rất ít nơi trên thế giới, vì những nơi có điều kiện phù hợp mới được hình thành và được tìm thấy từ đó

Phần lớn lượng dầu mỏ được sử dụng là làm nguyên liệu cho các động cơ, phần còn lại là sử dụng cho những mục đích khác Biểu đồ bên dưới cho thấy phần lớn (46%) lượng dầu mỏ được sử dụng làm chất đốt Phần sử dụng cao tiếp theo là các sản phẩm chưng cất chiếm khoảng 20% Sản phẩm chưng cất bao gồm xăng diesel (sử dụng cho

xe tải và các động cơ) và lò sưởi ở các nhà phía đông bắc Dầu hỏa còn được sử dụng cho các loại máy bay, có rất nhiều loại phương tiện giao thông sử dụng dầu hỏa ở Mỹ Ngoài ra còn được sử dụng làm nhựa đường hay nguyên liệu bôi trơn trong các động cơ

Phần còn lại trên biểu đồ khá nhỏ, phần lớn là sử dụng trong các ngành hóa học Dầu hỏa được sử dụng như là một nguồn nguyên liệu đầu để điều chế nhựa, sợi tổng hợp, thuốc nhuộm, chế phẩm từ dược, chất tẩy, thuốc diệt cỏ và côn trùng và rất nhiều sản phẩm khác mà chúng ta sử dụng hằng ngày

Hình 2: Biểu đồ thể hiện tỷ lệ % dầu mỏ dùng cho các mục đích (năm 2006)

Dầu mỏ được đưa đến các nhà máy lọc tinh chế nơi mà được loại bỏ các chất tạp

và được chia thành nhiều phân đoạn khác nhau tùy theo mục tiêu sử dụng Như chúng ta

đã ghi chú trước đó, dầu hỏa là một hỗn hợp nhiều hidrocacbon từ C5 đến C42 Những hydrocarbon này có những tính chất vật lý hoàn toàn khác nhau bao gồm nhiệt độ sôi và các hằng số vật lý khác Những mạch nhỏ từ 1 đến 4 cacbon là những chất khí ở nhiệt

độ phòng Những mạch cacbon từ 5 đến 10 là chất lỏng nhưng sôi ở nhiệt độ thấp Những mạch dài nhất thường được dung làm nhựa đường

Trong quá trình lọc tinh chế, quá trình chưng cất phân đoạn được sử dụng để tách hỗn hợp nhiều chất thành những thành phần khác nhau Dầu hỏa được gia nhiệt thành dạng hơi, sau đó được làm lạnh ở nhiều tầng khác nhau với từng nhiệt độ khác nhau Bởi vì các hidrocacbon mạch ngắn sôi ở nhiệt độ thấp hơn những hidrocacbon mạch dài, do vậy dầu hỏa được phân chia thành nhiều thành phần tùy theo mục đích sử dụng Phần khí hay những hidrocacbon mạch ngắn sẽ ở tầng trên cùng và những mạch dài hơn

sẽ ở tầng thấp hơn

Hình 3: Quá trình chưng cất phân đoạn

(tách thành các thành phần khác nhau dùng cho các mục đích khác)

IV. GIÁ TRỊ VÀ NHỮNG BẤT LỢI CỦA DẦU MỎ

1. GIÁ TRỊ

Năng lượng được tạo ra từ dầu mỏ có giá trị cao hơn những dạng năng lượng khác Có rất nhiều lý do:

− Chúng phong phú vì tiềm năng Dầu mỏ có hàm lượng rất cao ở Mỹ, ước chừng khoảng 40% năng lượng chúng ta sử dụng Than đá và khí thiên nhiên chỉ ước chừng khoảng một nửa so với dầu mỏ khoảng 23% Những nguồn năng lượng khác chỉ là một con số bé khi so sánh với dầu mỏ

− Một điều khác dầu mỏ là chất lỏng cho nên nó dễ dàng dự trữ và vận chuyển Hãy thử tượng tưởng lấp đầy 1 chiếc xe tăng bằng than đá

− Khả năng sử dụng đến mức tối đa Nếu một trong chúng ta đã tìm hiểu qua việc đốt cháy calories khi nấu ăn và ăn uống thì đều biết một điều là dầu có nhiều calories hơn tất cả những dạng thức ăn khác Điều này hoàn toàn tương tự với xăng, xăng có thể cung cấp 115.000 Btu mỗi can, tương đương với 29000 calories (nếu như so sánh với lượng thức ăn cung cấp thì nó sẽ là kilocalories) mỗi can Ethanol, là một dẫn xuất của alcol, khi đốt cháy mỗi thùng chỉ cung cấp khoảng 2/3 năng lượng khi so sánh với dầu hỏa

− Giá trị thấp Vào thời xưa, dầu mỏ có giá trị rất thấp bởi vì chúng chỉ được sử dụng để thu thập dầu Vào ngày đầu của sản xuất cần sử dụng hết lượng dầu mỏ thu thập để có có thể chiết được 100 thùng dầu bằng sức người và các yếu tố khác Gần đầy chỉ cần khoảng 15 thùng dầu để có thể chiết được lượng dầu tương đương

− Năng lượng tạo ra khá thích hợp cho sử dụng qua lại Nếu như cần sử dụng 15 thùng dầu để có thể tạo ra 100 thùng dầu thể sử dụng thì điều này khá hợp lý vì năng lượng được tạo ra từ chúng có giá trị hơn hẳn giá trị bna đầu cung cấp cho việc xây dựng đường sá và phục vụ cho cuộc sống cho chúng ta

− Xây dựng cơ sở hạ tầng Gần như tất cá các phương tiện sử dụng như xe hơi, xe tải, máy bay và các những nông cụ đều sử dụng chất đốt đê vận hành Nếu như trên lý thuyết có một loại năng lượng có thể thay thế chúng thì cần phải có một loại năng lượng rất lớn và chính điều này làm tốn rất nhều năng lượng Ngay cả

khi có những thiết bị cải tiến khoa học, lợi tức đem lại từ dầu mỏ và các nguồn khoáng sản cũng cần rất nhiều thời gian để có thể thay thế toàn bộ những thiết bị

sử dụng nguồn năng lượng mới

− Không có khả năng thay thế Nhất là trong thời đại ngày nay, ứng dụng của dầu

mỏ đã trở thành một điều không thể thay thế, chúng ta đang phụ thuộc vào nó rất nhiều Chúng ta không cần lo lắng lắm trong khi chúng ta đang tìm hiểu về năng lượng gió và năng lượng mặt trời

− Cũ kỹ Sự can kiệt của dầu mỏ ngày càng gần Sự can kiệt có thể bắt đầu trong vài thập kỷ tới

− Không than thiện với môi trường Vấn đề này bao gồm ba vấn đề hoàn toàn khác nhau

− Hiện tượng nóng lên toàn cầu, dầu mỏ gây ra hiện tượng nóng lên tương đương khoảng 80% so với than đá vì lượng carbon dioxide thải ra khi đốt cháy nhưng chỉ bằng 40% khi đốt cháy các khí thiên nhiên Khi chúng ta sử dụng dầu mỏ, tổng lượng carbon dioxide thải ra bằng tổng lượng than đá và khí thiên nhiên thải ra,

− Ô nhiễm không khí Khí thải, những khí thải khi vận hành máy bay, và hơn nữa một số loai6 chất gây ung thư là sản phẩm của việc đốt cháy dầu mỏ

− Ảnh hưởng môi trường sống Sự tràn dầu, ô nhiễm dầu ở Canadian, nơi cần rất nhiều thời gian để tách toàn bộ dầu ra khỏi nước khi có sự tràn dầu xảy ra

Các vật liệu polymer ngày nay được sử dụng rộng rãi trong đời sống Nó thay thế một phần các vật liệu truyền thống như gỗ, conton, vải sợi, sắt, nhôm, thủy tinh, nhựa poly ester, nylon, sợi acrylic, hỗn hợp với sợi tự nhiên được ứng dụng sản xuất quần áo

Quá trình polymer hóa có thể tạo ra các vật liệu có độ cứng hơn cả thép, nhưng

có nhược điểm là nhiệt độ nóng chảy thấp (148oC đối với polyetylen)

Các vật liệu này được sử dụng trong các ngành xây dựng, điện tử……trong đó phát triển nhất là ứng dụng trong ngành cơ khí vì có các đặc tính: độ bền nhiệt cao, tính dẻo, trơ về mặt hóa học, chống ăn mòn

Nylon, poly carbonat, polyeter sulfon, polyacetal là các vật liệu đại diện cho nhóm này

Hình 4: Sản phẩm từ nhựa nhiệt dẻo PET

a. Nylon

Được sản xuất bằng phương pháp ngưng tụ giữa những amino acid hoặc bằng cách mở vòng lactam như caprolactam

b. Polycarbonate

Được sử dụng chính trong các ngành kỹ thuật đặc trưng khác nhau

Phương pháp khác để tổng hợp polycarbonat là phản ứng trao đổi giữa bisphenol

A hoặc một bisphenol tương tự với diphenyl carbonat

Polycarbonat có đặc tính dẻo nổi bật, nó được dùng để thay thế kim loai, thủy tinh trong các ứng dụng cần tính chịu nhiệt đến 125oC có trọng lượng nhẹ, giá thành thấp dể dàng tổng hợp

c. Polyeter sulfon (PES)

Vật liệu này có khả năng chịu nhiệt đến 200oC hoặc sử dụng ở nhiệt độ rất thấp

mà không làm thay đổi tính chất vật lý của nó

Polyeter sulfon có thể tổng hợp từ phản ứng giữa muối K hay Na của bisphenol

A và 4,4-diclorodiphenyl sulfon Trong phản ứng này bisphenol A là một chất thân hạch

Polyeter sulfon có tính chất giống như polycarbonate nhưng có độ bền nhiệt cao hơn, và ổn định

d. Polyetylen terephtalat(PET) được tổng hợp bằng cách ester hóa terephtalic

acid (TPA) và etylen glycol hoặc transester hóa dimetyl terephtalat và etylen glycol

Hình 5: Quy trình tổng hợp polyetylen-terephtalat

PET là một nhựa nhiệt dẻo quan trọng, có nhiệt độ nóng chảy cao, giá thành rẻ

e. Polyacetal

Được tổng hợp bằng cách polyme hóa formaldehyd, xảy ra với sự hiện diện của acid Lewis và 1 lượng nhỏ nước, ở nhiệt độ phòng

Số lượng mắc xích của polyacetal từ 500 đến 3000 Có khả năng chịu được va đập, cứng, và có hệ số ma sát thấp

Các vật liệu trong nhóm này được tổng hợp bằng phản ứng ngưng tụ Một số các loại nhựa nhiệt rắn tiêu biểu: polyurethane, nhựa epoxy, nhựa phenolic, nhựa urea và melamine formaldehyd

a. Polyurethan

Polyurethan được tổng hợp bằng phản ứng ngưng tụ polyol và diisocyanat

Phản ứng này không tạo sản phẩm phụ, tùy loại polyol sử dụng mà ta thu được polyurethane có cấu trúc cứng hoặc linh động

Ứng dụng chủ yếu của polyuerthan là tạo bọt Tùy vào điều kiện phản ứng và các loại polyol mà sản phẩm tạo ra biến đổi về độ dẻo và độ cứng Sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực đồ gia dụng, vận chuyển, xây dựng còn có các sản phẩm như đồ chơi, vải sợi, bao bì, giày dép, quần áo

b. Nhựa epoxy

Nhựa epoxy được tổng hợp từ phản ứng giữa epiclorohydrin và diphenol (thường dùng bisphenol A)

Nhựa epoxy có số lượng mắc xích từ 1000 đến 10000 Những phân tử có khối lượng lớn như phenoxy thường thực hiện phản ứng thủy phân để tạo các loại nhựa trong suốt và không chứa nhóm epoxy, ứng dụng chủ yếu làm các vật liệu xốp, tạo cầu nối với diisocianat hoặc cyclic anhyrid

Có tính chất bám dính rất mạnh trên bề mặt kim loại, trơ về mặt hóa học, độ bền cao Nó có độ bền nhiệt lên đến 500oC

c. Polyester chưa no

Ứng dụng để tạo lớp phủ hoặc kết hợp với styrene

d. Nhựa phenol-formaldehyd

Tổng hợp từ phản ứng giữa phenol và formaldehyde với xúc tác acid (gọi là novalac), baz (gọi là resol)

Tính chất trọng nhất của nhựa phenolic là độ cứng, kháng ăn mòn, tránh bị thủy phân bằng nước, rẻ hơn so với các polymer khác

Các hợp chất trong nhóm này được ứng dụng làm bột gỗ, dầu, sợi thủy tinh

Phenolic còn được sử dụng làm chất dính, sơn, gỗ cho xây dựng, một vài chi tiết trong động cơ xe hơi, nhựa trao đổi ion

e. Nhựa amino

Nhựa amino là sản phẩm ngưng tụ nhiệt từ formaldehid với ure hoặc melamin Melamin được ngưng tụ từ 3 phân tử urea:

Phản ứng giữa melamin và formaldehyde tạo thành metylolmelamin

Nhựa amino sạch và cứng hơn so với phenolic nhưng khả năng chịu va đập và chịu nhiệt thấp hơn Nhựa melamin chịu nhiệt tốt hơn, chống thấm nước và cứng hơn so với nhựa ure

Ứng dụng quan trọng của nhựa amino là làm chất dính

Là những polymer dây dài, có tính chất vật lý và hóa học phù hợp với các đặc điểm sử dụng trong cơ khí Có tính chất hóa học ổn định, chống mài mòn, cứng Được ứng dụng làm các sản phẩm như vỏ xe, dây điện, vỏ bọc dây cáp

a. Polyme butadiene và copolymer

Butadiene được tổng hợp sử dụng những gốc tự do hoặc ion

cis-1,4-polybutadien có tính co giãn cao, chống mài mòn, chống oxi hóa nhưng độ cứng thấp

Cao su styrene-butadien (SBR) được sử dụng rộng rãi, có thể tổng hợp pollyme hóa đống thời butadiene (75%) và styrene (25%) sử dụng chất khơi màu là gốc tự do

b. Polyisoren

Tổng hợp bằng cách khơi màu bằng gốc tự do Thông thường cho một hỗn hợp sản phẩm isome vì nó có thể cộng vào 3 vị trí 1,2-, 1,4- và

3,4-Hình 6: Quy trình tổng hợp cis-polyisopren

Polyisopren ứng dụng để tạo cao su lưu hóa cis-polyisopren có đặc tính giống cao su thiên nhiên, có độ co giãn cao, khả năng chịu nhiệt cao Ứng dụng trong những sản phẩm công nghiệp trans-Polyisopren có tính chất giống như cao su Gutta-được điều chế từ là và vỏ cây sapotacea, khác biệt với cao su dạng cis và không thể lưu hóa

Ngoài ra, còn có các loại cao su khác Polycloropren, cao su butyl, cao su etylen-propylen, transpolypentame (TPR)

Sợi tổng hợp có thể sản xuất từ vật liệu tự nhiên: tơ, long cừu, bônn hoặc từ tơ nhân tạo, chúng được tổng hợp từ các monomer bằng cách polymer hóa Các lại polyme này có điểm nóng chảy cao, điểm kết tinh cao, bền nhiệt

Hình 7: Công nghệ sản xuất xơ sợi tổng hợp polyester

f. Sợi polyester

Polyester là lớp quan trọng nhất trong sợi tổng hợp polyester được tổng hợp bằng phản ứng ester hóa 1 diol và 1 diacid

Sợi polyester có thể được pha trộn với sợi tự nhiên như bong, lông cừu Sản phẩm này có chất lượng tốt hơn, dùng làm trang phục cho nam và nữ, vali, khăn trải giường,…

g. Polyamid (sợi nylon)

Polyamid là nhóm lớn thứ hai của sợi tổng hợp sau polyester Được tổng hợp từ phản ứng giữa 1 dicarboxylic acid và 1 diamin, mở vòng lactam, hoặc bằng cách polymer hóa 1 ω-amino acid Chẳng hạn như Nylon 6,6 được tổng hợp từ phản ứng giữa hexamethylenediamine và adipic acid

VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Chemistry of petrochemiscal Processess, Sami Matar, Ph.D

[2] http://www.energybullentin.net/node/40533