ปิโตรเลียม

ีรถบรรทุกน้ำมันพลิกคว่ำของสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก โดยรถบรรทุกน้ำมัน พยายามจะแซงรถบัสคันหนึ่งแต่ก็เกิดพลิกคว่ำก่อน ขณะที่น้ำมันเริ่มรั่วไหล ออกมาจากรถ แทนที่ผู้คนในบริเวณดังกล่าวจะหนีออกมา  ขณะที่รถบรรทุกน้ำมันพลิกคว่ำ มีทั้งเด็กผู้หญิงและผู้ชายแม้กระทั่งทหารของสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโกแห่เข้าไปรองน้ำมัน และไม่ฟังคำเตือนของทหารยูเอ็นชาวปากีสถาน  จากนั้นไม่นานก็เกิดระเบิด ขณะที่ผู้ที่เสียชีวิตส่วนหนึ่งอยู่ในโรงภาพยนตร์และบาร์ใกล้เคียง

ที่มา  :  https://www.krobkruakao.com

ในชีวิตประจำวันนักเรียนเกี่ยวข้องกับปิโตรเลียมอย่างไรบ้าง

กลุ่มสาระการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์  ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่  4 

 ความหมายของปิโตรเลียม
        น้ำมันปิโตรเลียมหรือน้ำมันดิบ เกิดขึ้นในธรรมชาติจากการทับถมของซากพืชและสัตว์เป็นเวลานานนับล้าน ๆ ปี  พบอยู่ตามชั้นของหินและมักจะมีแก๊สธรรมชาติเกิดปนอยู่ด้วย  เชื่อกันว่าแก๊สธรรมชาติและน้ำมันปิโตรเลียมเหล่านี้เกิดจากสารอินทรีย์  เช่น คาร์โบไฮเดรตไขมันและโปรตีนในซากพืชและสัตว์ที่ตายทับถมกันเป็นเวลานานสารเหล่านี้จะถูกย่อยสลายจนกลายเป็นปิโตรเลียมภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน  ด้วยเอนไซม์จากจุลินทรีย์  โดยมีความร้อนและความดันจากชั้นหินและดินเป็นตัวช่วย
        
        

                                                   รูป 1 กระบวนกาารเกิดปิโตรเลียม  
                                            ที่มา https://www.panyathai.or.th/wiki/images
        การสำรวจหาแหล่งปิโตรเลียมหรือแหล่งน้ำมันดิบอาจจะทำได้หลายวิธีเช่น  ทางธรณีวิทยา  โดยใช้ข้อมูลพื้นฐานจากภาพถ่ายดาวเทียม  ภาพถ่ายแผนที่อากาศ  แผนที่และรายงานทางธรณีวิทยา หลังจากนั้นจึงสำรวจธรณีวิทยาพื้นผิวโดยการเก็บและวิเคราะห์ตัวอย่างดินจากผิวดิน  การสำรวจทางธรณีวิทยาจะช่วยให้คาดคะเนโครงสร้างและชนิดของหินว่ามีโอกาสเก็บกักปิโตรเลียมมากน้อยเพียงใดนอกจากนี้การสำรวจทางธรณีฟิสิกส์  จะสามารถบอกแหล่ง ขอบเขตและลักษณะโครงสร้างและรูปทรงของแอ่งเก็บกักปิโตรเลียม โดยวิธีวัดความเข้มของสนามแม่เหล็กโลก ทำให้ทราบชนิด  ความหนา  ขอบเขต  ความกว้างใหญ่ของแอ่งและความลึกของชั้นหิน  การวัดความโน้มถ่วงของโลกทำให้ทราบว่าชั้น หินบริเวณนั้นเป็นชนิดใด  การวัดคลื่นความไหวสะเทือนทำให้ทราบรูปร่าง และลักษณะโครงสร้างของแหล่งชั้นหินอย่างละเอียด   ทำให้นักธรณีวิทยาสามารถระบุได้ว่าชั้นหินบริเวณใดมีโอกาสเป็นแหล่ง  ปิโตรเลียม และมีปริมาณมากน้อยเพียงใด หลังจากทราบข้อมูลเบื้องต้นว่ามีโอกาสที่จะพบแหล่งปิโตรเลียม  จึงจะดำเนินการค้นหาแหล่งปิโตรเลียมที่แน่นอนเพื่อทำการขุดเจาะต่อไป

         การกลั่นปิโตรเลียม
         การกลั่นปิโตรเลียม ส่งผ่านสารประกอบไฮโดรคาร์บอนผ่านท่อเข้าไปในเตาเผาที่มีอุณหภูมิ  320 – 385  องศาเซลเซียส  น้ำมันดิบที่ผ่านเตาเผาจะมีอุณหภูมิสูงจนบางส่วนเปลี่ยนสถานะเป็นไอปนไปกับของเหลวส่งสารประกอบไฮโดรคาร์บอนทั้งที่เป็นของเหลวและไอผ่านเข้าไปในหอกลั่นซึ่งจะมีอุณหภูมิแตกต่างกันชั้นบนมีอุณหภูมิต่ำชั้นล่างมีอุณหภูมิสูงดังนั้นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีมวลโมเลกุลต่ำและจุดเดือดต่ำจะระเหยขึ้นไปและควบแน่นเป็นของเหลวบริเวณชั้นที่อยู่ส่วนบนของหอกลั่นส่วนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีมวลโมเลกุลสูงและจุดเดือดสูงกว่าจะควบแน่นเป็นของเหลวอยู่ในชั้นต่ำลงมาตามช่วงอุณหภูมิของจุดเดือด   เมื่อนำไปกลั่นในตอนแรกจะได้ผลิตภัณฑ์หลักคือ  น้ำมันเบนซิน (petrol หรือ gasoline)  น้ำมันก๊าด (kerosene)  , gas oil (เช่น น้ำมันดีเซล น้ำมันหล่อลื่น)  และน้ำมันเตา  (fuel oil)  ส่วนที่เหลือนำไปกลั่นใหม่ภายใต้ความดันต่ำ ๆ  จะได้เป็นไข  (paraffin wax)  และบิทูเมน (bitumen)  เป็นต้น  ปริมาณขององค์ประกอบต่าง ๆ ของน้ำมันจะไม่เท่ากัน จะขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดของน้ำมันดิบนั้น

ู                                                                 รูป 2 การกลั่นปิโตรเลียม  
              ที่มา https://4.bp.blogspot.com/_XSX6sFjDKN4/TK2GMHlhO0I/AAAAAAAAABU/iivuRlk11QE/s1600/bcp11.png

    ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่นปิโตรเลียม

แก๊สปิโตรเลียม        petroleum gas จุดเดือดต่ำกว่า 30 องศาเซลเซียส  ประโยชน์ใช้เป็นเชื้อเพลิง เช่น buta gas ทำสารเคมีและวัสดุสังเคราะห์
      น้ำมันเบนซินหรือแนฟทาเบา (gasoline or light naphtha) จุดเดือด0 - 65 องศาเซลเซียส ประโยชน์ใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์แก๊สโซลีน
      แนฟทาหนัก  (heavy naphtha) จุดเดือด65 - 170 องศาเซลเซียส  ประโยชน์ใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์แก๊สโซลีน และเป็นตัวทำละลาย
      น้ำมันก๊าด  (kerosine) จุดเดือด170 - 250 องศาเซลเซียส  ประโยชน์ใช้เป็นเชื้อเพลิงให้แสงสว่าง  หุงต้ม และเป็นเชื้อเพลิงของเครื่องบินไอพ่น
      น้ำมันดีเซล  (diesal oil) จุดเดือด250 - 340  องศาเซลเซียส  ประโยชน์ใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซล
      น้ำมันหล่อลื่น  (lubricating oil) จุดเดือด340 - 500 องศาเซลเซียส  ประโยชน์ใช้เป็นน้ำมันหล่อลื่น  น้ำมันเครื่อง
      ไข (wax) จุดเดือด340 - 500  องศาเซลเซียส  ประโยชน์ใช้ทำเทียนไข  เครื่องสำอาง ยาขัดมัน และเป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตผงซักฟอก
      น้ำมันเตา   (fuel oil) จุดเดือดสูงกว่า 500 องศาเซลเซียส  ประโยชน์ใช้เป็นเชื้อเพลิงเครื่องจักร
      บิทูเมน   (bitumen) จุดเดือดสูงกว่า 500  องศาเซลเซียส  ประโยชน์ใช้เป็นยางมะตอยสำหรับสร้างถนน เป็นของแข็งที่อ่อนตัวและเหนียวหนืดได้เมื่อถูกความร้อน ใช้เป็นวัตถุกันซึม เช่น อุดรูของหลังคาได้

                                                                                                                                   
                                            
                                                                         รูป 3  หอกลั่น ภายในโรงกลั่นน้ำมัน

                                                             ที่มา : https://www.wrg-whv.de/en_new/procedure.htm

              เลขออกเทนกับคุณภาพของน้ำมันเบนซิน

         น้ำมันเบนซินที่ใช้กับเครื่องจักรซึ่งมีระบบการเผาไหม้ภายใน ถ้าเป็นน้ำมันที่มีคุณภาพดีจะทำให้เครื่องยนต์เดินเรียบไม่มีการกระตุก  แต่ถ้าน้ำมันมีคุณภาพไม่ดี จะทำให้เครื่องยนต์เดินไม่เรียบ  เกิดการกรตุกเป็นระยะ ซึ่งการกระตุกของเครื่องยนต์นี้ ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานหรือสิ้นเปลืองน้ำมันเพิ่มขึ้น ดังนั้นการกำหนดคุณภาพของน้ำมันเบนซิน จึงนิยมพิจารณาจากอัตราการกระตุกของเครื่องยนต์  ถ้าทำให้เครื่องยนต์เกิดการกระตุกมาก  จะจัดว่าเป็นน้ำมันที่มีคุณภาพไม่ดี  ถ้าทำให้เครื่องยนต์ไม่กระตุก หรือกระตุกน้อยมากจะจัดว่าเป็นน้ำมันที่มีคุณภาพดี  การวัดอัตราการกระตุก นิยมบอกกันเป็น “เลขออกเทน”  (Octane  number) ถ้าน้ำมันมีเลขออกเทนสูง  จะมีคุณภาพดี ทำให้เครื่องยนต์เดินเรียบ มีการกระตุกน้อย  ถ้าน้ำมันมีเลขออกเทนต่ำ  จะมีคุณภาพไม่ดี ทำให้เครื่องยนต์กระตุกมากสิ้นเปลืองน้ำมัน เนื่องจากน้ำมันเบนซินที่กลั่นได้ มีไฮโดรคาร์บอนที่มี  5 - 1 อะตอม เป็นส่วนใหญ่ทำให้มีสมบัติแตกต่างกันไปตามชนิดและปริมาณของไฮโดรคาร์บอน  จากการศึกษาไฮโดรคาร์บอนที่เป็นไอโซเมอร์กัน พบว่า ไฮโซเมอร์ที่มีโครงสร้างแบบโซ่กิ่งใช้เป็นเชื้อเพลิงที่มีคุณภาพดีกว่าแบบโซ่ตรง  โดยเฉพาะไอโซเมอร์ของออกเทนที่เรียกว่า ไอโซออกเทน  ใช้เป็นเชื้อเพลิงที่เหมาะสมกับเครื่องยนต์แก๊สโซลีนมาก ทำให้เครื่องยนต์เดินเรียบ  และพบว่า เฮปเทน หรือนอร์มอลเฮปเทน  ซึ่งเป็นไฮโดรคาร์บอนแบบโซ่ตรงมีคุณภาพไม่เหมาะกับเครื่องยนต์เพราะทำให้เครื่องยนต์กระตุก

การกำหนดเลขออกเทนจึงอาศัยไอโซออกเทนและเฮปเทนเป็นหลัก ดังนี้
กำหนด  เฮปเทนมีเลขออกเทน   =  0
   ไอโซออกเทนมีเลขออกเทน   =  100
ค่าออกเทนอื่น ๆ ได้จากการผสมระหว่าง เฮปเทนกับไอโซออกเทน โดยคิดจาก % ของไอโซออกเทนในสารผสม  เช่น
*   ถ้ามีไอโซออกเทน  90 %   มีเฮปเทน  10 %  เรียกว่ามีเลขออกเทน  90
*   ถ้ามีไอโซออกเทน  60 %   มีเฮปเทน  40 %  เรียกว่ามีเลขออกเทน  60

 น้ำมันเบนซินที่มีสมบัติการเผาไหม้เช่นเดียวกับไอโซออกเทน  จึงมีเลขออกเทน 100 ในขณะที่น้ำมันเบนซินที่มีสมบัติการเผาไหม้เช่นเดียวกับเฮปเทนจะมีเลขออกเทนเป็น  0
น้ำมันเบนซินที่มีสมบัติการเผาไหม้เช่นเดียวกับเชื้อเพลิงที่ประกอบด้วยไอโซออกเทน 90 %   และ เฮปเทน 10 %  เรียกว่ามีเลขออกเทนเป็น  90   และ น้ำมันเบนซิน ที่มีสมบัติการเผาไหม้เช่นเดียวกับเชื้อเพลิงที่ประกอบด้วย ไอโซออกเทน 95 %    และ เฮปเทน 5 %  เรียกว่ามีเลขออกเทนเป็น  95 เป็นต้น

การปรับปรุงคุณภาพของน้ำมันเบนซิน
  การปรับปรุงคุณภาพของน้ำมันเบนซินก็คือการเพิ่มเลขออกเทนให้แก่น้ำมันนั่นเองทั้งนี้เพราะน้ำมันที่มีเลขออกเทนสูงจะทำให้เครื่องยนต์เกิดการกระตุกน้อยกว่า น้ำมันที่เลขออกเทนต่ำ กล่าวได้ว่าน้ำมันที่มีเลขออกเทนสูงจะมีคุณภาพดีกว่าพวกที่มีเลขออกเทนต่ำ  ในการกลั่นน้ำมันดิบจะมีส่วนหนึ่งของน้ำมันที่มีเลขออกเทนสูง  และมีบางส่วนที่มีเลขออกเทนต่ำ โดยเฉพาะส่วนที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่  ถ้าเราต้องการให้ได้น้ำมันที่มีเลขออกเทนสูงทั้งหมดต้องลงทุนเพิ่มขึ้นอีกมากทำให้มีราคาแพงดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงได้พยายามหาวิธีเพิ่มคุณภาพ หรือเพิ่มเลขออกเทนของน้ำมันเบนซินด้วยการเติมสารบางอย่างลงไป  ซึ่งสารที่เติมลงไปนั้นจะช่วยให้เครื่องยนต์ลดการกระตุก  พบว่าถ้าเติมเตตระเอทิลเลด(C₂H₅)₄Pbจำนวนหนึ่งลงไปในน้ำมันเบนซินจะช่วยทำ

ให้เครื่องยนต์เกิดการกระตุกน้อยลงเป็นการเพิ่มเลขออกเทนของน้ำมันใหมีคุณภาพสูงขึ้น  เรียกสารซึ่งมีสมบัติในการลดการกระตุกของเครื่องยนต์ว่า  สารกันกระตุก (antiknock) สารกันกระตุกนอกจากเตตระเอทิลเลดแล้วยังมีเตตะเมทิลเลด  (CH₃)₄Pb  สารทั้งสองชนิดเป็นของเหลว ใส ไม่มีสี  ไม่ละลายน้ำ แต่ละลายในเบนซิน เมื่อน้ำมันถูกเผาไหม้ เตตะเอทิลเลดจะกลายเป็นออกไซด์ และคาร์บอนเนตของตะกั่วปนละอองปนอยู่ในอากาศ  ซึ่งเป็นพิษต่อมนุษย์และสัตว์  โดยสะสมอยู่ในตับทำให้ตับมีประสิทธิภาพในการทำงานลดต่ำลง การเติมสารกันกระตุกทำให้น้ำมันมีสมบัติดีขึ้น แต่อย่างไรก็ตามเนื่องจากเป็นสารตะกั่วเมื่อเกิดการเผาไหม้ จะเกิดตะกั่วและตะกั่วออกไซด์ ไปจับที่ลูกสูบของเครื่องยนต์ ซึ่งเป็นผลเสียต่อตัวเครื่องยนต์  ดังนั้นในเวลาต่อมาจึงได้มีการแก้ไขให้ดีขึ้นโดยการเติมสารผสมระหว่าง เอทิลีนไดโบรไมด์ และเอทิลีนไดคลอไรด์ ซึ่งเรียกรวมกันว่า  เอทิล ฟลูอิด (ethyl  fluid) ลงไป สารทั้งสอง 2  ชนิดที่เติมลงไปนี้จะสามารถทำปฏิกิริยากับตะกั่วกลายเป็น เลดโบรไมด์ และเลดคลอไรด์ ซึ่งไม่จับลูกสูบของเครื่องยนต์ แต่กลับกลายเป็นไอปนออกมากับท่อไอเสีย  ซึ่งก่อให้เกิดอากาศเป็นพิษเนื่องจากสารตะกั่ว ดังนั้นการเติมสารเหล่านี้ลงไปในน้ำมัน แม้จะเพิ่มเลขออกเทนของน้ำมันได้แต่ก็มีผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมทำให้อากาศเป็นพิษ  ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้พยายามหาวิธีปรับปรุงคุณภาพของน้ำมันให้ดีขึ้นโดยให้เกิดผลเสียน้อยที่สุด  บางประเทศจึงใช้สารเคมีชนิดอื่น  เช่น เมทิลเทอร์เชียรีบิวทิลอีเทอร์ (MTBE) แทนสารประกอบตะกั่ว และเรียกน้ำมันเบนซินชนิดนี้ว่า น้ำมันไร้สารตะกั่ว หรือ ยูแอลจี (ULG = unleaded gasoline)

 เลขซีเทนกับน้ำมันดีเซล
 เลขซีเทน  (Cetane number)  ใช้กำหนดคุณภาพของน้ำมันดีเซล  เช่นเดียวกับเลขออกเทนที่ใช้กำหนดคุณภาพของน้ำมันเบนซิน  โดยกำหนดให้สารซีเทน (C₁₆H₃₄)  มีเลขซีเทนเท่ากับ 100  และแอลฟาเมทิลแนพทาลีน (C₁₁H₁₀)  มีเลขซีเทนเท่ากับ  0
 สูตรโครงสร้างของซีเทนและแอลฟาเมทิลแนพทาลีน เป็นดังนี้

 การเพิ่มคุณภาพและปริมาณของน้ำมัน

 การเพิ่มเลขออกเทนของน้ำมัน นอกจากจะทำได้โดยการเติมสารกันกระตุกลงไปแล้ว ยังสามารถทำได้อีกหลายวิธี ทั้งนี้ได้จากการศึกษาโครงสร้างของไฮโดรคาร์บอนที่ใช้เป็นน้ำมัน  บางโครงสร้างจะมีเลขออกเทนสูง และบางโครงสร้างจะมีเลขออกเทนต่ำ  เมื่อกลั่นน้ำมันดิบจะได้ไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างต่าง ๆ ปนกันออกมา ถ้าทราบว่าโครงสร้างแบบใดมีเลขออกเทนสูงก็พยายามเปลี่ยนโครงสร้างของไฮโดรคาร์บอนอื่น ๆ ที่มีเลขออกเทนต่ำให้กลายเป็นส่วนที่มีเลขออกเทนสูง  ซึ่งจะทำให้คุณภาพของน้ำมันดีขึ้น

ในชีวิตประจำวันนักเรียนใช้นำ้มันเบนซินี่มีเลขออกเทนเท่าใดหรือดีเซลที่มีเลขซีเทนเท่าใด

 ให้นักเรียนบอกมลพิษที่เกิดขึ้นจากการใช้ผงลิตภัณฑ์ปิโตรเคมี

สามารถบูรณาการกับกลุ่มสาระการงานอาชีพและเทคโนโลยีเรื่องการทำ e-book
    สามารถบูรณาการกับกลุ่มสาระสังคมศึกษา  ศาสนา และวัฒนธรรมเรื่องความรับผิดชอบต่อหน้าที่
ที่มา : https://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&id=3734