VÌ SAO XĂNG DỄ BỐC CHÁY HƠN DẦU - Tạp Chí Hóa Học

Xăng và dầu hoả đều được chế tạo từ dầu mỏ.Xăng và dầulà “anh em với nhau”, vềphương diện hoá học chúng đều là hợp chất do hai loại nguyên tử cacbon và hyđro – các hyđrocacbon – tạo ra. Điểm khác nhau là ở chỗ xăng gồm có các phân tử có số nguyên tử cacbon trong phân tử từ 5 – 11, còn ở dầu hỏa số nguyên tử cacbon trong phân tử là 11 – 16. số nguyên tử cacbon trong phân tử hyđro cacbon khác nhau thì tính chất cháy cũng khác nhau. Với xăng ở nhiệt độ thường khi tiếp xúc vói ngọn lửa hoặc tia lửa là bốc cháy dễ dàng, còn dầu hoả ở nhiệt độ thường khi tiếp xúc vói lửa ngọn không bắt cháy được. Thế nhưng khi tẩm dầu hoả vào bấc đèn dùng ngọn lửa để châm thì bấc đèn sẽ cháy ngay. Vì sao vậy?

    Sự cháy của vật chất được chia thành bốn tình huống: Loại thứ nhất gọi là cháy lan rộng. Khí than trong phòng kín, khí hoá lỏng là nhiên liệu khí. Khi dòng khí thoát ra, sẽ lan toả trong không khí một mặt vừa trộn lẫn, một mặt vừa cháy. Loại thứ hai là chất cháy bay hơi: cồn, xăng, là nhiên liệu ở trạng thái lỏng. Thông thường bản thân nhiên liệu lỏng không cháy, nhưng sau khi bay hơi, hơii nhiên liệu sẽ trộn lẫn với không khí làm thành hỗn hợp dễ cháy. Loại thứ ba là sự cháy phân huỷ: đó là các chất rắn hoặc chất lỏng khó bay hơi. Sau khi chịu tác dụng của nhiệt sẽ phân huỷ thành các chất khí dễ cháy. Cuối cùng là loại chất cháy trên bề mặt. Than cốc thuộc loại này. Với loại chất cháy này sự cháy xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa không khí và vật rắn. Đặc điểm của sự cháy này là xảy ra không rõ rệt.

    Xăng và dầu hoả thuộc loại nhiên liệu lỏng bay hơi. Sự cháy của xàng và dầu hoả thuộc loại chất cháy do bay hơi. Sự cháy do các chất bay hơi có liên quan đến sự dẫn lửa và điểm bắt lửa của các nhiên liệu lỏng. Điểm bắt lửa liên quan đến nhiệt độ thấp để trên bề mặt nhiên liệu lỏng có thể biến thành hơi trộn lẫn với không khí thành hỗn hợp cháy. Ví dụ điểm bắt lửa (hay điểm chớp lửa) của xăng khoảng trên dưới -46°c. Điểm bắt lửa của dầu hoả từ 28 – 45°c. Những chất lỏng có điểm bắt lửa lớn hơn 45°c là những chất cháy được. Dầu mazut, dầu thực vật thuộc loại này. Những chất có điểm bắt lửa từ 22 – 45°c thuộc loại chất dễ cháy, dầu hoả thuộc loại chất dễ cháy. Các chất có điểm bắt lửa nhỏ hơn 22°c thuộc loại chất cháy nguy hiểm, cồn có điểm bắt lửa là1°c thuộc loại chất cháy nguy hiểm. Xăng có nhiệt độ bắt lửa thấp hơn thuộc loại chất cháy rất nguy hiểm.

Xăng có điểm bắt lửa thấp hơn nhiệt độ môi trường bên ngoài nhiều. Trên bề mặt của xăng ở nhiệt độ thường dễ bay hơi để tạo thành với không khí hỗn hợp cháy nên chỉcần tiếp xúc với lửa ngọn hoặc tia lửa là sẽ bắt cháy đùng đùng. Sau khi lớp hơi xăng trên mặt xăng lỏng bị cháy, xăng lại tiếp tục bay hơi mạnh hơn và sự cháy tiếp tục được duy trì.

Đối với dầu hoả thì tình hình có khác. Ví dụ khi nhiệt độ bên ngoài là 25°c, do chưa đạt đến điểm bắt lửa của dầu hoả nên trên bề mặt dầu hoả không có lượng hơi dầu đủ trộn với không khí thành hỗn hợp cháy nên sẽ không bắt được lửa để cháy. Vì vậy khi bạn đem que diêm đang cháy lại gần bề mặt dầu hoả, dầu hoả không thể nào cháy được. Nhưng nếu bạn lại tẩm dầu hoả vào bấc đèn thì tình hình lại khác. Khi tẩm dầu hoả vào bấc đèn (ví dụ làm bằng sợi vải, hay sợi bấc), dưới tác dụng của các mao quản trong sợi vải, dầu sẽ ngấm toàn bộ vào bấc đèn. Do bấc đèn là vật dễ cháy, nên khi đem châm lửa vào bấc đèn, nhiệt độ xung quanh sợi bấc sẽ lớn vượt quá điểm bắt lửa của dầu hoả nên làm cho dầu hoả trên bề mặt bấc đèn bốc cháy. Dầu hoả ở đầu sợi bấc đã cháy hết, dầu ở bên dưới lại được ngấm lên do lực mao quản, do đó sự cháy được duy tri lâu dài.

Sự cháy của dầu hoả nói chung gắn chặt với tim đèn. Nhưng nếu trong một số điều kiện đặc biệt, nhiệt độ xung quanh dầu hoả cao hon điểm bắt lửa, bấy giờ không cần có tim đèn dầu hoả vẫn bốc cháy. Ví dụ khi có một xe chở dầu đã bị cháy, nhiệt độ có thể lên đến mấy trăm độ. Trong điều kiện đó các nhiệt độ xung quanh đã vượt quá điểm bắt lửa của chất dễ cháy, kể cả các chất có điểm bắt lửa cao như dầu mazut, dầu ăn, thậm chí nhựa đường cũng sẽ cháy rất mãnh liệt, bấy giờ dĩ nhiên không cần đến tim đèn.

————–

Trước tiên, chúng ta thử tìm hiểu về quá trình pha methanol và các chất phụ gia vào xăng dầu và quá trình phát triển nhiên liệu sinh học trên thế giới để có tầm nhìn rộng hơn.

Quá trình pha methanol (CH3OH) vào xăng

Thật ra, methanol được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt xăng từ đầu thập niên 60, nhưng với số lượng hạn chế. Có lẽ là do chỉ số octan của methanol (114) cao so với xăng nên khó nổ máy và độ bốc cháy kém. Lúc đầu, methanol nguyên chất được dùng cho động cơ của những xe đua, chỉ vì methanol cháy mà không có khói như xăng dầu.

Người ta nghĩ rằng nếu hỏa hoạn có xảy ra trên đường đua thì cũng không làm giảm tầm nhìn của các tay đua đang điều khiển xe với tốc độ rất cao. Tuy nhiên, một vụ cháy nổ có sức tàn phá tại cuộc đua Indianapolis vào năm 1964 đã làm chết hai tay đua Sachs và Dave Mac Donald, khiến nước Mỹ phải quyết định loại methanol ra khỏi nhiên liệu dành cho các xe đua.

Mãi đến năm 1970 xăng methanol mới được phát triển bởi công ty Mobil dùng làm nhiên liệu cho xe. Một nhà máy đã được xây dựng ở Tân Tây Lan vào những năm 1980. Nhất là trong cuộc khủng hoảng dầu mỏ của OPEC năm 1973, Read và Lerner mới đề xuất dùng methanol làm nhiên liệu thay thế xăng dầu.

Năm 2006, IRL (Indy Racing League, tên cũ của Indycar), sử dụng một hỗn hợp gồm 10% ethanol và 90% methanol làm nhiên liệu cho xe. Bắt đầu từ 2007, IRL chuyển sang dùng ethanol tình khiết, E100 làm nhiên liệu do một số khuyết điểm và độc tính của methanol.

Các khuyết điểm và độc tính của methanol

Một trong những hạn chế của methanol làm nhiên liệu là ăn mòn một số kim loại, đặc biệt là nhôm: 6CH3OH + 2AL(OCH3)3à2AL +3H2 Các muối methoxid hòa tan trong methanol sôi trên bề mặt nhôm, có thể dễ dàng bị oxy hóa bởi oxy hòa tan (Trong trường hợp này, methanol có thể đóng vai trò là một chất oxy hóa khá mạnh). Do dó, methanol có thể bào mòn các chi tiết máy. Ngoài ra, methanol (do tính hòa tan cao su) có thể bào mòn hoặc làm giãn nở các joints, “phốt”, ống cao su gây ra sự rò rỉ nhiên liệu. Muốn tránh được , ta phải thay thế bằng cao su silicone.

Một khuyết điểm khác là methanol khó cháy hơn xăng (chỉ số octan = 114, cao hơn xăng). Vì thế, ta phải thêm vào một chất gọi là OR (Octan Reductor) để hạ chỉ số octan xuống. Đây là một chất có nhiệt độ bắt lửa rất thấp để bù lại tính chất khó bắt lửa của methanol.

Mặc dù methanol rẻ hơn xăng nhưng mức tiêu tốn nhiên liệu lại cao hơn xăng. Sử dụng methanol nhiên liệu có thể làm giảm khí thải độc của xăng dầu như benzen và 1-3-butadien, làm giảm hiệu ứng nhà kính. Nhưng methanol có thể hấp thụ qua da và hơi methanol qua phổi ảnh hưởng rất nhiều đến thần kinh thị giác (có thể gây mù).

Giả thiết về sự cháy nổ do pha methanol vào xăng

Ở Việt Nam, methanol rẻ hơn xăng A92 và ethanol nhiều. Giá 1 kg methanol khoảng 11.000 đồng. Ethanol 96% khoảng 17.000 đồng/kg. Vì vậy có khả năng xăng bị pha methanol.

Nghi án ở Indycar năm 1964 cho thấy là không thể pha trực tiếp methanol vào xăng mà không qua sự chế biến (trong các nhà máy) để trở thành một loại nhiên liệu mới – nhiên liệu methanol. Có thể đưa ra những giả thiết cho sự cháy nổ xe do xăng bị pha methanol như sau:

Giả thiết 1: Xăng bị pha methanol không nhiều

Nếu dùng xăng pha methanol lâu ngày, sự suy thoái động cơ và bộ chế hòa khí (do sự ăn mòn kim loại) và sự bào mòn, giãn nở các joints, “phốt” cao su, có thể gây ra sự rò rỉ nhiên liệu đưa đến sự cháy xe. Thêm vào đó là sự nóng lên của động cơ do kẹt xe càng kích hoạt cho sự cháy. Khi xăng rò rỉ hoặc khí hidro thoát ra từ phản ứng ăn mòn kim loại (có thể gây cháy, nổ).

Giả thiết 2: Xăng bị pha methanol nhiều

Để bù lại tính khó nổ của methanol, có thể người ta pha thêm một chất dễ bắt cháy là acetone vào. Hơi acetone nặng hơn không khí. Khi bị rò rỉ nhiên liệu, hơi acetone lan tỏa trên mặt đất khá xa. Nếu gặp nguồn lửa (như tàn thuốc), có thể gây cháy. Điều này giải thích tại sao xe đậu trong nhà xe lâu rồi mà vẫn cháy.

Trong quá trình đi tìm nguồn nhiên liệu sinh học để thay thế cho xăng dầu (vốn đang cạn dần và gây ô nhiễm nặng nề môi trường), đầu tiên người ta sử dụng methanol làm nhiên liệu.

Nhưng những tai nạn do nhiên liệu methanol như vụ Indycar (1964) khiến mọi người phải nghĩ đến việc chế biến methanol thành methanol nhiên liệu bằng cách thêm vào chất OR (Octan Reductor) để làm hạ chỉ số octan cho gần bằng với xăng A92, A95.

Một số chất trung hòa những acid sinh ra để chống ăn mòn các chi tiết máy vì methanol hút ẩm và hấp thụ các halogenur, sẽ làm tăng tính ăn mòn kim loại và tính oxy hóa.

Tuy nhiên, một số bất ổn vẫn đeo bám methanol nhiên liệu, khiến các nhà sản xuất nhiên liệu chuyển dần qua ethanol nhiên liệu.

Xuân Quỳnh – Tổng hợp