Tìm hiểu về xăng, nhiên liệu phổ biến cho ô tô và xe máy

07:02 SA @ Thứ Sáu - 19 Tháng Mười, 2012

Thành phần cấu tạo của xăng

Xăng là hỗn hợp của các chất hydrocarbon không thơm (aliphatic hydrocarbon). Nói cách khác, xăng là nhóm hợp chất hữu cơ có công thức phân tử CnH2n+2 , gồm mạch carbon thẳng chứa từ 7 – 11 nguyên tử C, và các guyên tử hydrogen. Dưới đây là các dạng công thức cấu tạo của xăng.

Các loại phân tử hydrocarbon phổ biến trong thành phần của xăng

Khi chúng ta đốt xăng cháy hoàn toàn, trong điều kiện đủ oxigen, nó sẽ tạo ra khí carbonic (CO2 ) từ các nguyên tử C, và hơi nước (H2O) từ các nguyên tử H, đồng thời phản ứng cháy này sẽ tỏa ra rất nhiều nhiệt. Một gallon xăng (3,85 lit), khi cháy hoàn toàn sẽ tỏa ra 132x106 joules nhiệt năng, hay tương đương 36.650 watt-hours. Để dễ hình dung năng lượng chứa trong 1 gallon xăng (3,85 lít) nhiều ít ra sao, chúng ta thử làm vài so sánh như sau: • Nếu bạn sống ở Hà Nội, Đà Lạt hay ở những vùng núi cao, vào những ngày mùa đông lạnh lẽo bạn muốn sưởi ấm căn phòng của mình. Bạn lấy ra một máy sưởi 1500 W, cắm điện và bật quạt sưởi ở số mạnh nhất. Lượng nhiệt tỏa ra trong 24 giờ từ chiếc máy sưởi này khi hoạt động như vậy, sẽ tương đương với nhiệt năng của 1 gallon xăng khi cháy tỏa ra, đã nói ở trên. • Chúng ta cũng thường nói về calorie của thực phẩm, tức năng lượng do thực phẩm cung cấp khi cơ thể chúng ta tiêu hóa và hấp thu hoàn toàn lượng thực phẩm đó. Nếu qui đổi năng lượng tạo ra khi đốt cháy 1 gallon xăng ra số calorie, con số này sẽ là 31.000 calorie. Tương đương với năng lượng của 110 chiếc bánh mì kẹp thịt hamburger của tiệm Mac Donalds, hay của Kentucky Fried Chicken – KFC.

Nguồn gốc của xăng

Xăng là sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô. Dầu thô được khoan và bơm lên từ lòng đất, là một chất lỏng hơi sệt, màu nâu sẫm, nó là một hỗn hợp của rất nhiều loại hydrocarbon có công thức cấu tạo khác nhau. Mỗi loại hydrocarbon có chiều dài và cấu tạo phân tử khác nhau sẽ có các tính chất hóa, lý khác nhau. Mạch carbon càng dài, trọng lượng phân tử càng lớn hơn. Hợp chất hydrocarbon có từ 1 đến 4 nguyên tử C như Methane (CH4), Ethane (C2H6), Propane (C3H8), và Butane (C4H10) là các chất khí ở nhiệt độ thường. Với số nguyên tử C từ 5 – 18, là các hydrocarbon ở dạng lỏng. Với số nguyên tử C ≥ 19, hợp chất hydrocarbon là các chất rắn ở nhiệt độ thường. Tất nhiên chúng ta dễ suy luận là các hydrocarbon có mạch carbon càng dài sẽ có độ sôi càng cao. Dựa vào đặc tính này mà các kỹ sư có thể thiết kế tháp chưng cất để tách các loại hydrocarbon khác nhau ra từng nhóm riêng biệt từ dầu thô. Trong nhà máy lọc dầu như Dung Quất ở Bình Sơn, Quảng Ngãi, quá trình chưng cất dầu thô xãy ra như vậy. Dầu thô được đun nóng liên tục và các loại hydrocarbon như các chất khí, dung môi hữu cơ, xăng, dầu hỏa, dầu diesel, dầu nhờn, paraffin… được tách ra từ cột tháp chưng cất ở những tầng có nhiệt độ ngưng tụ khác nhau. Nhóm hydrocarbon ở nhiệt độ sôi thấp sẽ được tách ra trước tiên nằm ở phần cao nhất của tháp chưng cất. Về phía đáy tháp là các hydrocarbon nặng hơn được tách ra. Chúng ta có thể hiểu rõ hơn qui trình chưng cất dầu thô, hay còn gọi là qui trình lọc dầu, từ sơ đồ bên dưới.

Sơ đồ tháp chưng cất dầu thô

Dầu thô (crude oil) được đun nóng bốc hơi và tách ra theo từng nhóm trong tháp chưng cất phân đoạn (distillation column), ở các khoảng nhiệt độ khác nhau, có thể diễn tả sơ lược: 1. Cao nhất trong tháp là các chất khí (gas) với số nguyên tử C ≤ 4, được tách ra ở nhiệt độ 20º C. 2. Nhóm hỗn hợp dung môi (naptha) có số nguyên tử C từ 5 - 8, được tách ra khi đun dầu thô từ 40º C - 70º C. 3. Nhóm hợp hỗn hợp, gồm các hydrocarbon có công thức phân tử C7H16 đến C11H24 trộn lẫn vào nhau, được gọi là xăng, và được dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Nhiệt độ bốc hơi của hỗn hợp này thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, do vậy khi ta làm đổ xăng trên đất nó sẽ bốc hơi rất nhanh. 4. Tiếp theo nhóm xăng là các hydrocarbon thuộc nhóm dầu hỏa (kerosene), công thức cấu tạo của chúng có từ 12 – 15 nguyên tử C. 5. Tiếp theo dầu hỏa, xuống bên dưới của tháp chưng cất, là dầu diesel, và kế bên dưới dầu diesel là loại dầu nặng hơn dùng để đốt lò sưởi. 6. Tiếp xuống phía dưới là dầu nhờn bôi trơn động cơ, hay còn gọi với tên thông dụng là nhớt máy, nhớt động cơ (lubricating oil). Mạch carbon của nhóm này khá lớn, do vậy mà chúng không thể bốc hơi ở nhiệt độ thường. Bạn cũng biết rằng bên trong động cơ đang hoạt động, dầu nhờn thường xuyên ở nhiệt độ 121º C mà không bị bốc hơi (nhìn lại trên sơ đồ tháp chưng cất, bạn sẽ hiểu vì sao). Các chất bôi trơn này gồm nhiều loại, từ loại lỏng cho động cơ; đặc sánh hơn cho các hộp số mạnh (gear oil); dặc hơn nữa như mỡ bôi trơn cơ phận (grease). Va-zơ-lin (vasoline) dùng để bôi chống khô da khi trời lạnh cũng thuộc về nhóm này. Khi mạch phân tử dài hơn 20 nguyên tử C, các hydrocarbon ở thể rắn và có tên gọi là paraffin hay sáp. 7. Cuối cùng là nhựa đường, hay dầu hắc dùng để trải đường cho xe chạy. Tất cả các sản phẩm trên đều lấy ra từ dầu thô. Và các bạn thấy là chỉ dựa vào chiều dài khác nhau của mạch Carbon (C) mà chúng ta có thể tách các nhóm hợp chất hữu cơ Hydrocarbon ra, bằng phương pháp chưng cất theo cột bốc hơi phân đoạn.

Chỉ số Octane của xăng

Nếu bạn có kiến thức về động cơ đốt trong, bạn hiểu rắng đa phần động cơ ô tô là loại động cơ xăng 4 -Thì, tức là quá trình hoạt động của động cơ xãy ra theo chu trình 4 giai đoạn: Nén, Nổ, Xả và Nạp. Ở giai đoạn Nén (compression stroke), pit-tông (piston) ép hỗn hợp gồm không khí và hơi xăng trong xy-lanh (cylinder) trước khi hỗn hợp này bị đốt bằng tia lửa điện từ bu-gi (spark plug) và gây nổ. Hệ số nén của động cơ(compression ratio) thông thường là 8 trên 1. Bạn có thể tìm hiểu về động thì xem link: wikipedia.org/wiki/Động_cơ_đốt_trong ). Chỉ số Octane của xăng sẽ nói lên được áp suất mà hỗn hợp xăng và không khí có thể bị nén trong xi-lanh động cơ, trước khi bu-gi đánh lửa gây nổ. Nếu hỗn hợp hơi xăng và không khí này bị nén chưa đạt tới tỉ số nén 8 và đã phát nổ (nổ trước khi bu-gi đánh lửa), nó sẽ tạo ra các va đập bên trong và có thể gây hư hại, cũng như làm giảm công suất động cơ. Loại xăng có chỉ số Octane thấp, như xăng 87 bán trên thị trường hiện nay, có tỉ số nén thấp nhất trước khi bị kích nổ bởi bu-gi. Tỉ số nén của động cơ sẽ xác định chỉ số Octane của nhiên liệu dành cho nó. Nếu chúng ta muốn tăng mã lực của động cơ, chỉ bằng cách thay đổi nhiên liệu, chúng ta phải chọn loại xăng nào có chỉ số Octane cao, tức tỉ số chịu nén cao. Tóm lại, động cơ sẽ hoạt động tối hảo ở tỉ số nén cao nhất của nó, sẽ đòi hỏi nhiên liệu tốt hơn, với chỉ số Octane cao. Và sự bất tiện ở đây, khi chúng ta muốn động cơ xe hoạt động hoàn hảo, đó là chúng ta phải mua loại xăng tốt hơn với giá đắt hơn. Nhưng đến đây, có lẽ bạn sẽ thắc mắc: Tại sao lại gọi là chỉ số Octane? Và có điều gì liên quan đến hydrocarbon Octane - C8H18, có trong thành phần của xăng? Đúng vậy, xăng là một hỗn hợp của các hydrocarbon có mạch Carbon từ C7 đến C11. Trong đó, thành phần Heptane - C7H16, chịu nén rất dở, chỉ cần tăng áp suất lên một chút là nó đã phát nổ mà không cần tia lửa điện của bu-gi trong xi-lanh động cơ. Octane ngược lại, chịu nén được dưới áp suất rất cao. Lọai xăng Octane 87 bán trên thị trường có nghĩa là gồm 87% Octane và 13% Heptane (hay của một hỗn hợp hydrocarbon có khả năng chịu nén tương đương với tỉ lệ 87/13 của 2 loại trên). Nếu động cơ của xe bạn hoạt động với tỉ số nén cao hơn, bạn nên chọn loại xăng có chỉ số Octane cao hơn xăng 87.

Các chất phụ gia cho thêm vào xăng

Trong thời gian Chiến Tranh Thế Giới lần I, các nhà hóa học đã tìm ra rằng nếu cho thêm chất phụ gia là Tetra-Ethyl Chì (tetraethyl lead - TEL) vào trong xăng, sẽ làm tăng chỉ số Octane của xăng lên một cách “trên cả tuyệt vời” ! Các loại xăng rẻ tiền, chỉ cần cho vào một ít phụ gia này, là có tỉ số chịu nén tăng lên rất cao, tương tự như loại xăng có chỉ số Octane lớn. Điều này dẫn đến là “xăng có chì” (leaded gasoline), đã một thời được bán rộng rãi trên khắp thế giới. Chẳng may, khi cho thêm phụ gia này vào xăng đã xãy ra các hiệu ứng phụ độc hại như sau: • Bầu khí quyển trên hành tinh của chúng ta chẳng bao lâu được phát hiện là có một màn mỏng bụi chì bao phủ. Và bạn đã biết rồi, là chì rất độc cho rất nhiều loài sinh vật sống trên trái đất, trong đó có chính chúng ta. • Chất Tetraethyl Chì này sau khi ra khỏi buồng đốt đã tạo ra một lớp chì áo bọc các kim loại như Cerium, Sắt, Manganese, Nickel… của bộ Xúc Tác Chuyển Đổi Khí Độc (catalytic converter) ở bên trong ống xả, và làm vô hiệu hóa nhanh chóng bộ phận này. Khi chất phụ gia chứa chì này bị cấm không được sử dụng nữa, xăng đã đồng loạt tăng giá, bởi vì các nhà máy lọc dầu không còn có thể sản xuất xăng rẻ tiền với chỉ số Octane thấp được nữa (tại Bắc Mỹ và một số nước châu Âu xăng chứa chì bị cấm sử dụng vào đầu thập niên 1990). Tuy vậy, ngày nay loại máy bay cánh quạt vẫn còn phải sử dụng xăng pha chì. Lý do là động cơ máy bay cánh quạt hoạt động ở tỉ số nén cực lớn, cần loại xăng có chỉ số Octane 115. Trong trường hợp này chất Tetraethyl Lead vẫn đóng vai trò quan trọng. May thay, các loại máy bay cánh quạt chiếm tỉ lệ không lớn trong hoạt động của ngành hàng không. Riêng may bay phản lực, động cơ của chúng sử dụng dầu phản lực, một loại dầu Kerosene (tương tự dầu hỏa), do vậy không sử dụng chất phụ gia Tetraethyl Lead .

Bộ xúc tác chuyển đổi khí độc thành vô hại (Catalytic Converter) ở ống xả xe hơi (st)

Một loại chất phụ gia được dùng phổ biến khác trong xăng, đó là chất MTBE – Methyl Tertiary Butyl Ether, một hợp chất được tạo ra từ rượu Methanol. Chất này được cho vào xăng với 2 công dụng: Làm tăng chỉ số Octane và là chất cung cấp thêm Oxygen (oxygenate) cho phản ứng nổ trong buồng đốt của động cơ. Với đặc tính thứ 2, chất MTBE là chất phụ gia lý tưởng vì giúp đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, tăng công suất máy, giảm lượng hydrocarbon dư, mà đồng thời cũng giảm lượng khí Carbon Mono-oxide (CO) thải ra khí quyển. Chất MTBE được bắt đầu cho vào xăng sau khi đạo luật về Khí Quyển Sạch (Clean Air Act) ra đời vào năm 1990, đã chấm dứt việc sử dụng phụ gia chì. Qui định của đạo luật này cũng chỉ cho phép tỉ lệ của chất phụ gia MTBE trong xăng là 10 -15% mà thôi. Lý do: chất MTBE này cũng chẳng mấy tốt lành cho sức khỏe con người, vì nó được coi là chất gây ung thư (carcinogenic). MTBE tan rất dễ trong nước, và nếu xăng có chứa chất này bị dò rỉ ra môi trường, nó có thể ngấm xuống các mạch nước ngầm làm ô nhiễm các giếng nước. Hợp chất để có thể thay thế MTBE trong xăng mà không gây độc hại gì là rượu Ethanol thông dụng. Tuy nhiên, chẳng may Ethanol cũng chẳng rẻ gì để pha trộn vào xăng. Những vấn đề còn tồn tại với xăng Có 2 vấn đề gây ô nhiễm môi trường do xăng tạo ra khi cháy trong động cơ. Vấn đề đầu tiên liên quan đến khói bụi và ảnh hưởng đến tầng ozone ở những thành phố lớn. Vấn đề thứ hai liên quan đến khí carbonic và “các loại khí nhà kính”. Thật ra, một cách lý tưởng là xăng sẽ cháy hoàn toàn trong buồng đốt (cylinder), chỉ tạo ra hơi nước và khí carbonic (CO2) mà thôi. Nhưng chẳng may động cơ đốt trong không được hoàn hảo lắm, khi đốt cháy xăng trong buồng nổ (cylinder), nó cũng tạo ra các loại khí sau, rất độc hại: • Khí Carbon Monoxide (CO), là một loại khí độc chết người • Các loại khí Nitrogen oxide, như NO, NO2, tạo ra các đám sương màu cam bao phủ các đô thị lớn, và là tác nhân chính gây mưa acid • Các loại hydrocarbon chưa cháy hết trong buồng đốt động cơ và bị thải ra. Đây là nguyên nhân tác hại chính đến tầng ozone Bộ Xúc Tác Chuyển Đổi khí thải độc thành vô hại (catalytic converter) ở các ống xả của xe hơi (đáng lẽ cũng nên có ở xe máy, nhất là tại VN với lượng xe máy lưu thông rất lớn), sẽ giúp hạn chế sự ô nhiễm này. Tuy nhiên, cho đến nay các công ty sản xuất xe hơi vẫn chưa đầu tư nghiên cứu hoàn thiện đúng mức bộ Xúc Tác Chuyển Đổi. Và do vậy sự ô nhiễm gây ra bởi các loại ô tô, xe máy và các nhà máy nhiệt điện chạy bằng xăng dầu, vẫn là đề tài gây bức xúc cho người dân ở các đô thị lớn trên toàn thế giới. Nhưng giả sử, xăng cháy hoàn toàn trong buồng đốt thì nó sẽ chỉ tạo ra hơi nước và khí Carbonic – CO2. Khí Carbonic này, nếu ở một lượng lớn, vẫn tạo ra vấn đề đối với môi trường sống trên trái đất. Theo công thức cấu tạo CnH2n+2, khối lượng của hydrocarbon chủ yếu là khối lượng của các nguyên tử C. Một gallon xăng (3,85 lít) khi bị đốt cháy hoàn toàn sẽ sinh ra 2,5 kg khí Carbonic và thải vào khí quyển. Nếu chỉ tính riêng một mình nước Mỹ không thôi, cũng đã thải ra khoảng 900.000 tấn khí Carbonic trong một ngày, từ lượng xe lưu thông và các nhà máy nhiệt điện. Con số này là con số khổng lồ, nhưng chúng ta không hoàn toàn ý thức được sự tác hại của nó lên đời sống của chính chúng ta. Carbonic, CO2 là một loại khí nhà kính. Chính nó góp phần tạo nên biến đổi khí hậu đột ngột trên hành tinh này. Hệ quả là mực nước biển dâng cao hơn, gây ngập lụt các miền duyên hải và diện tích canh tác trồng trọt, hay sinh sống của con người và các loài sinh vật khác bị giảm thiểu. Và hệ lụy gây ra bởi xăng và động cơ đốt trong cho môi trường, vẫn chưa dừng lại ở đó. Nhiều tác hại vẫn đang còn tiềm tàng, chưa được khám phá hết. Sau cùng, ảnh hưởng của xăng dầu đối với nền kinh tế và chính trị của các quốc gia. Giá xăng dầu liên tục tăng trong những thập niên gần đây là một trong những nguyên nhân gây bất ổn về kinh tế cũng như chính trị của thế giới nói chung. Nguyên nhân chủ yếu, đó là các hoạt động chính của xã hội loài người hiện đại quá lệ thuộc vào nguồn tài nguyên dầu mỏ; xăng dầu tựa như là nguồn năng lượng tạo ra nền văn minh và chính trị hiện đại của thế giới. Bao lâu chúng ta chưa tìm được phương thức để cân bằng được một cách hợp lý giữa sử dụng xăng dầu và các nguồn năng lượng khác, nền kinh tế và chính trị của thế giới sẽ vẫn đối mặt với các vấn đề như đã và đang xãy ra.