Urea (Carbamide) - Tính chất Lý hóa và Ứng dụng Công nghiệp

1. Giới thiệu Tổng quan

Urea (CO(NH₂)₂), còn được gọi là carbamide, là một hợp chất hữu cơ quan trọng trong công nghiệp hóa chất. Được Friedrich Wöhler tổng hợp lần đầu vào năm 1828, urea đánh dấu bước ngoặt trong lịch sử hóa học hữu cơ khi chứng minh rằng các hợp chất hữu cơ có thể được tổng hợp từ các chất vô cơ.

Hiện tại, urea là một trong những hóa chất được sản xuất với khối lượng lớn nhất thế giới, với sản lượng hàng năm vượt 200 triệu tấn. Ứng dụng chính của urea tập trung vào ba lĩnh vực: nông nghiệp (phân bón), công nghiệp (nhựa, chất khử), và luyện kim (tách kim loại).

2. Tính chất Lý hóa Chi tiết

2.1 Công thức Phân tử và Cấu trúc

Công thức phân tử: CO(NH₂)₂

Khối lượng phân tử: 60,06 g/mol

Cấu trúc: Urea có cấu trúc phẳng với nguyên tử carbon ở trung tâm liên kết với một nguyên tử oxy (liên kết đôi) và hai nhóm amino -NH₂. Góc liên kết O=C-N là 121°, góc H-N-H là 120°.

2.2 Tính chất Vật lý

• Trạng thái: Chất rắn kết tinh màu trắng
• Điểm nóng chảy: 132,7°C
• Điểm sôi: Phân hủy trước khi sôi (~150°C)
• Khối lượng riêng: 1,335 g/cm³ (20°C)
• Độ tan trong nước: 1080 g/L (20°C), 1670 g/L (40°C)
• Độ tan trong ethanol: 50 g/L (25°C)
• pH dung dịch 1%: 7,2 (gần trung tính)
• Nhiệt độ phân hủy: 152-156°C

2.3 Tính chất Hóa học

2.3.1 Phản ứng Thủy phân

Urea bị thủy phân trong môi trường axit hoặc kiềm:

CO(NH₂)₂ + H₂O + H⁺ → CO₂ + 2NH₄⁺

CO(NH₂)₂ + 3OH⁻ → CO₃²⁻ + 2NH₃ + H₂O

2.3.2 Phản ứng với Enzyme Urease

CO(NH₂)₂ + H₂O → CO₂ + 2NH₃ (có mặt urease)

2.3.3 Phản ứng Nhiệt phân

Khi nung nóng, urea trải qua các phản ứng phức tạp:

2CO(NH₂)₂ → H₂N-CO-NH-CO-NH₂ + NH₃ (biuret)

3. Ứng dụng trong Nông nghiệp

3.1 Làm Phân bón Nitơ

Urea là loại phân bón nitơ phổ biến nhất thế giới với hàm lượng nitơ 46%, cao nhất trong các loại phân đơn. Ưu điểm vượt trội:

• Hàm lượng nitơ cao (46% N)
• Độ tan cao, dễ hấp thụ
• Không để lại tàn dư muối có hại
• Chi phí vận chuyển thấp do tỷ lệ dinh dưỡng/khối lượng cao
• Ổn định trong điều kiện thường, dễ bảo quản

3.2 Cơ chế Hoạt động trong Đất

Khi bón vào đất, urea trải qua quá trình chuyển hóa phức tạp:

1. Giai đoạn hòa tan: Urea hòa tan nhanh trong nước đất
2. Giai đoạn thủy phân enzyme: Enzyme urease trong đất xúc tác phân hủy urea thành ammonia và CO₂
3. Giai đoạn chuyển hóa nitơ: NH₃ được chuyển thành NH₄⁺, sau đó nitrat hóa thành NO₃⁻
4. Giai đoạn hấp thụ: Cây trồng hấp thụ NH₄⁺ và NO₃⁻ qua rễ

3.3 So sánh với các Loại Phân Khác

4. Ứng dụng trong Công nghiệp

4.1 Sản xuất Nhựa Urea-Formaldehyde

Đây là ứng dụng công nghiệp lớn thứ hai của urea (sau phân bón). Nhựa UF được sản xuất qua phản ứng ngưng tụ:

CO(NH₂)₂ + HCHO → [-NH-CO-NH-CH₂-]ₙ + H₂O

Ứng dụng của nhựa UF:

• Sản xuất ván dăm, ván ép (80% tổng sản lượng)
• Keo dán gỗ công nghiệp
• Đúc đồ điện, thiết bị gia dụng
• Sơn, vecni công nghiệp

4.2 Chất Khử NOₓ trong Khí thải (SCR)

Công nghệ Selective Catalytic Reduction sử dụng urea để khử NOₓ:

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O

Ưu điểm của hệ thống SCR-Urea:

• Hiệu suất khử NOₓ cao (>90%)
• Không tạo sản phẩm phụ độc hại
• Urea an toàn hơn ammonia lỏng
• Nhiệt độ hoạt động rộng (200-500°C)

4.3 Các Ứng dụng Khác

• Dệt may: Chất hoàn tất chống nhăn, chống co rút vải
• Mỹ phẩm: Chất giữ ẩm trong kem dưỡng da (1-10%)
• Dược phẩm: Chất mang thuốc, ổn định protein
• Thực phẩm: Chất bảo quản, điều chỉnh pH (hạn chế)
• Làm sạch: Chất khử trùng, tẩy rửa công nghiệp

5. Ứng dụng trong Tách Vàng ra khỏi Quặng

5.1 Cơ chế Hóa học của Quá trình

Urea hoạt động như một ligand tạo phức với Au³⁺ trong môi trường axit, tạo thành phức tan:

Au³⁺ + 3CO(NH₂)₂ → [Au(CO(NH₂)₂)₃]³⁺

Quá trình tách vàng bằng urea dựa trên nguyên lý:

1. Hòa tan có chọn lọc: Au được oxy hóa thành Au³⁺ bởi O₂/H⁺
2. Tạo phức ổn định: Au³⁺ tạo phức tan với urea
3. Tách phức khỏi quặng: Phức Au-urea hòa tan vào dung dịch
4. Thu hồi vàng: Khử Au³⁺ thành Au kim loại bằng các chất khử

5.2 Ưu điểm so với Cyanide

5.3 Quy trình Kỹ thuật

Giai đoạn 1: Tiền xử lý quặng

• Nghiền quặng đến độ mịn 200-400 mesh
• Tuyển nổi loại bỏ sulfide cản trở (nếu cần)
• Rang oxy hóa ở 450-550°C (với quặng có sulfide cao)

Giai đoạn 2: Hòa tan

• Nồng độ urea: 2-5 M
• pH: 1-2 (điều chỉnh bằng H₂SO₄)
• Nhiệt độ: 60-80°C
• Thời gian: 8-24 giờ
• Tỷ lệ rắn/lỏng: 1:3 đến 1:5

Giai đoạn 3: Tách rắn-lỏng

• Lọc áp suất hoặc ly tâm
• Rửa cặn bằng dung dịch urea loãng
• Thu dung dịch chứa phức Au-urea

Giai đoạn 4: Thu hồi vàng

• Khử bằng zinc bột: Zn + 2Au³⁺ → Zn²⁺ + 2Au
• Khử điện hóa ở cathode
• Kết tủa bằng ascorbic acid
• Luyện thành vàng thỏi

5.4 Hiệu quả và Hạn chế

Hiệu quả:

• Tỷ lệ thu hồi Au: 75-92% (phụ thuộc loại quặng)
• Độ tinh khiết sản phẩm: 90-95%
• Thời gian xử lý: Tương đương cyanide
• Khả năng xử lý quặng phức tạp tốt

Hạn chế:

• Chi phí hóa chất cao hơn cyanide 20-30%
• Tiêu thụ acid cao do môi trường pH thấp
• Hiệu quả giảm với quặng có hàm lượng đồng cao
• Cần kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt
• Chưa được thương mại hóa rộng rãi

Lưu ý kỹ thuật: Quá trình tách vàng bằng urea đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm pilot. Một số công ty đã bắt đầu ứng dụng thương mại ở quy mô nhỏ, đặc biệt tại các khu vực có quy định môi trường nghiêm ngặt.

6. Khía cạnh Kinh doanh và Thị trường

6.1 Thị trường Toàn cầu

Thị trường urea toàn cầu có quy mô khoảng 70-80 tỷ USD/năm với các đặc điểm:

• Sản lượng: ~200 triệu tấn/năm, tăng trưởng 2-3%/năm
• Các nhà sản xuất lớn: Trung Quốc (28%), Nga (7%), Ấn Độ (7%), USA (6%)
• Giá thị trường: 300-600 USD/tấn (biến động theo mùa vụ và giá khí tự nhiên)
• Tiêu thụ chính: Phân bón (80%), Công nghiệp (20%)

6.2 Cơ cấu Chi phí Sản xuất

6.3 Cơ hội Kinh doanh

Thị trường phân bón:

• Nhu cầu tăng do tăng trưởng dân số và cải thiện năng suất
• Xu hướng sử dụng phân bón có hiệu quả cao
• Thị trường các nước đang phát triển mở rộng

Thị trường công nghiệp:

• Ứng dụng SCR-Urea tăng mạnh do quy định môi trường
• Công nghiệp nhựa UF ổn định
• Các ứng dụng mới: tách kim loại, dược phẩm

7. An toàn và Môi trường

7.1 An toàn Lao động

Độ độc:

• LD50 (chuột): 8471 mg/kg (độc tính thấp)
• Không gây kích ứng da nghiêm trọng
• Có thể gây kích ứng mắt ở nồng độ cao
• Hít phải bụi có thể gây ho, khó thở tạm thời

Biện pháp bảo hộ:

• Đeo khẩu trang chống bụi khi xử lý
• Sử dụng kính bảo hộ khi pha chế dung dịch
• Rửa tay sau khi tiếp xúc
• Thông gió tốt nơi làm việc

7.2 Tác động Môi trường

Tích cực:

• Phân hủy sinh học hoàn toàn thành CO₂, H₂O và NH₃
• Không tích lũy trong môi trường
• Không độc hại với động vật thủy sinh ở nồng độ thường
• Thay thế được các hóa chất độc hại (như cyanide)

Tiêu cực:

• Góp phần eutrophication nếu thải không kiểm soát
• Sản xuất tạo CO₂ (1,5 tấn CO₂/tấn urea)
• Bón thừa có thể gây ô nhiễm nước ngầm (nitrate)
• Bay hơi NH₃ góp phần axit hóa môi trường

7.3 Quy định và Tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn sản phẩm (ISO 5315):

• Hàm lượng nitơ tối thiểu: 46%
• Độ ẩm tối đa: 0,5%
• Biuret tối đa: 1,2%
• Kích thước hạt: 1-4 mm (90%)

Giới hạn thải (WHO/EPA):

• Nước thải: NH₃-N < 10 mg/L
• Không khí: NH₃ < 25 mg/m³ (8h TWA)
• Nước sinh hoạt: Nitrate < 45 mg/L

Kết luận: Urea là một hóa chất đa năng với tiềm năng ứng dụng rộng lớn. Với 50 năm kinh nghiệm của bạn, việc phát triển các ứng dụng mới như tách vàng sạch có thể mở ra hướng kinh doanh mới, đặc biệt trong bối cảnh các quy định môi trường ngày càng nghiêm ngặt. Tuy nhiên, cần cân nhắc kỹ các yếu tố kỹ thuật và kinh tế để đảm bảo khả năng cạnh tranh trên thị trường.