Chất hoá học NH3 (amoniac)

Amoniac , còn được gọi là NH₃ , là một chất khí không màu, có mùi đặc biệt bao gồm các nguyên tử nitơ và hydro. Nó được tạo ra một cách tự nhiên trong cơ thể con người và trong tự nhiên — trong nước, đất và không khí, ngay cả trong các phân tử vi khuẩn nhỏ. Đối với sức khỏe con người, amoniac và ion amoni là những thành phần quan trọng của quá trình trao đổi chất.

Ứng dụng của amoniac trong đời sống và công nghiệp

1. Sản xuất phân bón

Ở Mỹ tính đến năm 2019, khoảng 88% amoniac được sử dụng làm phân bón dưới dạng muối, dung dịch hoặc dạng khan của nó. Khi bón vào đất, nó giúp tăng năng suất của các loại cây trồng như ngô và lúa mì. [56] 30% lượng nitơ nông nghiệp được sử dụng ở Mỹ ở dạng amoniac khan và 110 triệu tấn được sử dụng trên toàn thế giới mỗi năm. 

2. Tiền chất của các hợp chất nitơ 

Amoniac trực tiếp hoặc gián tiếp là tiền chất của hầu hết các hợp chất chứa nitơ. Hầu như tất cả các hợp chất nitơ tổng hợp đều có nguồn gốc từ amoniac. Một dẫn xuất quan trọng là axit nitric . Vật liệu quan trọng này được tạo ra thông qua quá trình Ostwald bằng cách oxy hóa amoniac với không khí trên chất xúc tác bạch kim ở 700–850 ° C (1,292–1,562 ° F), ≈9 atm.

Axit nitric được sử dụng để sản xuất phân bón , chất nổ và nhiều hợp chất hữu cơ.

Amoniac cũng được sử dụng để tạo ra các hợp chất sau: Hydrazine, Hydrogen cyanide, Hydroxylamine và amoni cacbonat , Phenol , Urê , Axit amin , Acrylonitrile.

Amoniac cũng có thể được sử dụng để tạo ra các hợp chất trong các phản ứng không được đặt tên cụ thể. Ví dụ về các hợp chất như vậy bao gồm: amoni peclorat , amoni nitrat , formamit , dinitơ tetroxit , alprazolam , etanolamin , etyl cacbamat , hexamethylenetetramin và amoni bicacbonat .

3. Chất tẩy rửa

Amoniac gia dụng là một dung dịch NH₃ trong nước, và được sử dụng làm chất tẩy rửa đa năng cho nhiều bề mặt. Vì amoniac tạo ra độ sáng bóng tương đối không có vệt, một trong những công dụng phổ biến nhất của nó là làm sạch thủy tinh, đồ sứ và thép không gỉ. Nó cũng thường được sử dụng để làm sạch lò nướng và các vật dụng ngâm để làm sạch bụi bẩn nướng trên lò. Amoniac gia dụng có nồng độ theo trọng lượng từ 5 đến 10% amoniac. Các nhà sản xuất sản phẩm tẩy rửa của Hoa Kỳ được yêu cầu cung cấp bảng dữ liệu an toàn vật liệu của sản phẩm trong đó liệt kê nồng độ được sử dụng. 

Amoniac gia dụng là một dung dịch NH3 trong nước, và được sử dụng làm chất tẩy rửa đa năng cho nhiều bề mặt. 

4. Lên men 

Dung dịch amoniac từ 16% đến 25% được sử dụng trong công nghiệp lên men như một nguồn nitơ cho vi sinh vật và để điều chỉnh pH trong quá trình lên men.

5. Chất kháng khuẩn cho các sản phẩm thực phẩm 

Trong một nghiên cứu, amoniac khan đã tiêu diệt 99,999% vi khuẩn gây bệnh động vật trong 3 loại thức ăn chăn nuôi , nhưng không tiêu diệt được thức ăn ủ chua .

Amoniac khan hiện được sử dụng thương mại để giảm hoặc loại bỏ sự nhiễm vi sinh vật đối với thịt bò. Thịt bò nạc mịn (thường được gọi là " chất nhờn màu hồng ") trong ngành công nghiệp thịt bò được làm từ thịt bò vụn béo (c. 50–70% chất béo) bằng cách loại bỏ chất béo bằng cách sử dụng nhiệt và ly tâm, sau đó xử lý với amoniac để tiêu diệt E. coli . Quy trình này được Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ coi là hiệu quả và an toàn dựa trên một nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp điều trị này làm giảm vi khuẩn E. coli xuống mức không thể phát hiện được. 

6. Điện lạnh

Do đặc tính hóa hơi của amoniac, nó là một chất làm lạnh hữu ích. Nó thường được sử dụng trước khi xuất hiện các chlorofluorocarbon (Freons). Amoniac khan được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng làm lạnh công nghiệp và sân chơi khúc côn cầu vì hiệu quả năng lượng cao và chi phí thấp. Nó có nhược điểm là độc hại và yêu cầu các thành phần chống ăn mòn, điều này hạn chế việc sử dụng trong gia đình và quy mô nhỏ. Cùng với việc sử dụng trong làm lạnh nén hơi hiện đại , nó được sử dụng trong một hỗn hợp cùng với hydro và nước trong tủ lạnh hấp thụ . Các chu kỳ Kalina, ngày càng có tầm quan trọng đối với các nhà máy điện địa nhiệt, phụ thuộc vào phạm vi sôi rộng của hỗn hợp amoniac-nước. Chất làm mát amoniac cũng được sử dụng trong bộ tản nhiệt S1 trên Trạm Vũ trụ Quốc tế theo hai vòng được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ bên trong và cho phép các thí nghiệm phụ thuộc vào nhiệt độ. 

Tầm quan trọng tiềm tàng của amoniac như một chất làm lạnh đã tăng lên khi phát hiện ra rằng CFCs và HFCs thông khí là những khí nhà kính cực kỳ mạnh và ổn định. 

7. Để xử lý khí thải 

Amoniac được sử dụng để lọc SO₂ khỏi quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, và sản phẩm thu được được chuyển thành amoni sunfat để sử dụng làm phân bón. Amoniac trung hòa các chất ô nhiễm nitơ oxit (NO_x ) do động cơ diesel thải ra. Công nghệ này, được gọi là SCR ( khử xúc tác chọn lọc ), dựa trên chất xúc tác dựa trên vanadia.

Amoniac có thể được sử dụng để giảm thiểu sự tràn phosgene ở dạng khí.

8. Làm nhiên liệu 

Mật độ năng lượng thô của amoniac lỏng là 11,5 MJ / L, bằng khoảng một phần ba so với động cơ diesel . Có cơ hội chuyển đổi amoniac trở lại thành hydro, nơi nó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu hydro hoặc nó có thể được sử dụng trực tiếp trong pin nhiên liệu amoniac trực tiếp oxit rắn nhiệt độ cao để cung cấp nguồn năng lượng hiệu quả không thải ra khí nhà kính.

Sự chuyển đổi amoniac thành hydro thông qua quá trình natri amide, để đốt cháy hoặc làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton, có khả năng. Việc chuyển đổi thành hydro sẽ cho phép lưu trữ hydro ở gần 18 % trọng lượng so với ≈5% đối với hydro dạng khí dưới áp suất.

Động cơ amoniac hoặc động cơ amoniac, sử dụng amoniac làm chất lỏng hoạt động , đã được đề xuất và đôi khi được sử dụng.

Nguyên tắc tương tự như nguyên tắc được sử dụng trong đầu máy không lửa , nhưng với amoniac làm chất lỏng hoạt động, thay vì hơi nước hoặc khí nén. Động cơ amoniac đã được sử dụng thử nghiệm vào thế kỷ 19 bởi Goldsworthy Gurney ở Anh và tuyến Xe điện Đại lộ St. Charles ở New Orleans vào những năm 1870 và 1880, và trong Thế chiến II, amoniac được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe buýt ở Bỉ.

Amoniac đôi khi được đề xuất như một giải pháp thay thế thực tế cho nhiên liệu hóa thạch cho động cơ đốt trong. Chỉ số octan cao của nó là 120  và nhiệt độ ngọn lửa thấp cho phép sử dụng tỷ lệ nén cao mà không bị phạt do tạo ra NO_x cao. Vì amoniac không chứa carbon nên quá trình đốt cháy của nó không thể tạo ra carbon dioxide , carbon monoxide , hydrocacbon hoặc muội than .

Mặc dù việc sản xuất amoniac hiện tạo ra 1,8% lượng khí thải CO₂ toàn cầu, một báo cáo của Hiệp hội Hoàng gia năm 2020  tuyên bố rằng amoniac "xanh" có thể được sản xuất bằng cách sử dụng hydro cacbon thấp (hydro xanh và hydro xanh). Hoàn toàn khử cacbon trong sản xuất amoniac và hoàn thành các mục tiêu không có thực có thể đạt được vào năm 2050.

Tuy nhiên, không thể dễ dàng sử dụng amoniac trong các động cơ chu trình Otto hiện có vì phạm vi dễ cháy rất hẹp của nó , và cũng có những rào cản khác đối với việc sử dụng ô tô rộng rãi. Về nguồn cung cấp amoniac thô, các nhà máy sẽ phải được xây dựng để tăng mức sản xuất, đòi hỏi nguồn vốn và năng lượng đáng kể. Mặc dù nó là hóa chất được sản xuất nhiều thứ hai (sau axit sulfuric), quy mô sản xuất amoniac chỉ chiếm một phần nhỏ trong việc sử dụng xăng dầu trên thế giới. Nó có thể được sản xuất từ ​​các nguồn năng lượng tái tạo, cũng như than đá hoặc năng lượng hạt nhân. Đập Rjukan 60 MW ở Telemark , Na Uy sản xuất amoniac trong nhiều năm từ năm 1913, cung cấp phân bón cho phần lớn châu Âu.

So với hydro làm nhiên liệu , amoniac tiết kiệm năng lượng hơn nhiều và có thể được sản xuất, lưu trữ và phân phối với chi phí thấp hơn nhiều so với hydro phải được nén hoặc ở dạng chất lỏng đông lạnh.

Động cơ tên lửa cũng được cung cấp nhiên liệu bằng amoniac. Các phản ứng Motors XLR99 động cơ tên lửa mà powered X-15 máy bay nghiên cứu hypersonic sử dụng amoniac lỏng. Mặc dù không mạnh bằng các loại nhiên liệu khác nhưng nó không để lại muội than trong động cơ tên lửa có thể tái sử dụng và mật độ của nó xấp xỉ với mật độ của chất ôxy hóa, ôxy lỏng, điều này giúp đơn giản hóa thiết kế của máy bay.

Amoniac xanh được coi là nhiên liệu tiềm năng cho các tàu container trong tương lai. Vào năm 2020, các công ty Giải pháp năng lượng DSME và MAN đã công bố việc đóng một con tàu dựa trên amoniac, DSME có kế hoạch thương mại hóa nó vào năm 2025.

9. Như một chất kích thích 

Dấu hiệu chống meth trên bể chứa amoniac khan, Otley, Iowa . Amoniac khan là một loại phân bón nông trại phổ biến, cũng là một thành phần quan trọng trong việc tạo ra methamphetamine. Năm 2005, Iowa đã sử dụng tiền trợ cấp để phát hàng nghìn ổ khóa nhằm ngăn chặn tội phạm xâm nhập vào bể chứa. 

Amoniac, là hơi được giải phóng bởi các muối có mùi , được sử dụng đáng kể như một chất kích thích hô hấp. Amoniac thường được sử dụng trong sản xuất methamphetamine bất hợp pháp thông qua quá trình khử bạch dương .

Phương pháp Birch sản xuất methamphetamine rất nguy hiểm vì kim loại kiềm và amoniac lỏng đều rất dễ phản ứng, và nhiệt độ của amoniac lỏng làm cho nó dễ bị sôi bùng nổ khi thêm chất phản ứng. 

11. Dệt may

Amoniac lỏng được sử dụng để xử lý vật liệu bông, tạo ra các đặc tính như chất làm mềm , sử dụng chất kiềm. Đặc biệt, nó được sử dụng để giặt sơ đồ len.

12. Tăng ga 

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, amoniac ít đậm đặc hơn khí quyển và có khoảng 45-48% sức nâng của hydro hoặc heli . Amoniac đôi khi được sử dụng để lấp đầy bóng bay thời tiết như một khí nâng . Do có nhiệt độ sôi tương đối cao (so với heli và hydro), amoniac có thể được làm lạnh và hóa lỏng trên khí cầu để giảm lực nâng và thêm dằn (và quay trở lại dạng khí để tăng lực nâng và giảm chấn lưu).

13. Chế biến gỗ 

Amoniac đã được sử dụng để làm sẫm màu gỗ sồi trắng làm bằng gỗ quý trong Đồ thủ công & Thủ công mỹ nghệ và đồ nội thất theo phong cách Mission. Khói amoniac phản ứng với tannin tự nhiên trong gỗ và khiến gỗ thay đổi màu sắc.