Dầu khoáng là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan
Dầu khoáng là hỗn hợp phức tạp của các hợp chất hydrocarbon lỏng thu được từ quá trình chế biến dầu thô, chủ yếu gồm paraffin, naphthene và aromatic, có độ tinh khiết cao, ổn định hóa học và khả năng chịu nhiệt tốt. Dầu khoáng phân loại thành base oil, dầu cách điện và dầu kỹ thuật, tuân theo tiêu chuẩn API và IEC với độ nhớt, điểm chớp cháy, tính ổn định oxy hóa phục vụ công nghiệp, điện lực và mỹ phẩm.
Khái niệm và định nghĩa Dầu khoáng
Dầu khoáng (mineral oil) là hỗn hợp phức tạp của các hợp chất hydrocarbon không phân nhánh và phân nhánh, thường thu được từ quá trình chế biến dầu thô. Thành phần chính bao gồm các hydrocarbon paraffin (alkane), naphthene (cycloalkane) và một tỷ lệ thấp các hợp chất aromatic. Dầu khoáng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp bôi trơn, cách điện, mỹ phẩm và dược phẩm nhờ tính ổn định hóa học, độ tinh khiết cao và khả năng chịu nhiệt.
Về mặt phân loại, dầu khoáng chia thành dầu bôi trơn (base oil), dầu cách điện (transformer oil) và dầu kỹ thuật (industrial oil), mỗi loại được tinh chế và bổ sung phụ gia khác nhau để đạt yêu cầu kỹ thuật. Dầu bôi trơn base oil thường tuân theo tiêu chuẩn API (American Petroleum Institute) về độ nhớt và độ tinh khiết; dầu cách điện phải đáp ứng tiêu chuẩn IEC (International Electrotechnical Commission) về điện trở suất và điểm chớp cháy.
- Base oil: Ứng dụng bôi trơn động cơ, truyền động cơ học.
- Transformer oil: Cách điện và làm mát máy biến áp.
- Industrial oil: Truyền nhiệt, thủy lực và truyền động công nghiệp.
Thông tin chi tiết về dầu khoáng và các sản phẩm từ dầu mỏ tham khảo tại U.S. Energy Information Administration và American Petroleum Institute.
Thành phần hóa học và công thức phân tử
Thành phần chính của dầu khoáng là các hydrocarbon mạch thẳng (n-alkane), hợp chất cyclo (naphthene) và một phần nhỏ các hydrocarbon thơm (aromatic). Các hydrocarbon này có công thức chung của alkane: , trong đó n dao động từ 10 đến 50 tùy loại dầu và cấp độ chưng cất.
Tỷ lệ và cấu trúc phân tử thay đổi tuỳ thuộc nguồn dầu thô và quá trình tinh chế. Dầu paraffin-rich có ưu điểm độ nhớt cao và ổn định oxy hóa tốt; dầu naphthenic-rich mang lại tính linh động ở nhiệt độ thấp; aromatic-rich được ứng dụng làm dung môi nhưng giới hạn trong bôi trơn do tính oxy hóa kém hơn.
| Thành phần | Công thức điển hình | Đặc tính nổi bật |
|---|---|---|
| Paraffin | C20H42 | Ổn định, độ nhớt cao |
| Naphthene | C20H38 | Linh động tốt ở nhiệt độ thấp |
| Aromatic | C20H30 | Dung môi mạnh, oxy hóa kém |
Phân tích thành phần thường dùng kỹ thuật GC–MS (Gas Chromatography–Mass Spectrometry) và FTIR (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy) để xác định tỷ lệ hydrocarbon và các tạp chất.
Quy trình khai thác và chế biến
Khai thác dầu khoáng bắt đầu từ thăm dò dầu khí bằng địa chấn 2D/3D và khoan thăm dò. Sau khi xác định mỏ, dầu thô được bơm lên mặt đất và đưa vào trạm xử lý sơ bộ, nơi tách khí, tách nước và cặn trước khi chuyển đến nhà máy lọc dầu.
Tại nhà máy lọc dầu, dầu thô được chưng cất phân đoạn (fractional distillation) để phân tách theo nhiệt độ sôi. Các phân đoạn nhẹ như naphtha, kerosene, diesel được thu ở nhiệt độ thấp, trong khi phần nặng hơn (base oil) với nhiệt độ sôi từ 350 °C trở lên được thu cuối cùng.
| Phân đoạn | Nhiệt độ chưng cất (°C) | Sản phẩm chính |
|---|---|---|
| Naphtha | 30 – 200 | Nhiên liệu xăng, hóa dầu |
| Diesel/Kerosene | 200 – 350 | Nhiên liệu diesel, dầu hoả |
| Base oil | > 350 | Dầu bôi trơn, dầu cách điện |
Giai đoạn tinh chế tiếp theo gồm khử tạp sulfur, hydro hóa (hydrotreating) và xử lý chất màu (dewaxing) để đạt độ tinh khiết và độ nhớt theo tiêu chuẩn ASTM D445 và ISO 3104.
Các loại dầu khoáng thương mại
Dựa trên quá trình tinh chế và bổ sung phụ gia, dầu khoáng thương mại chia thành ba nhóm chính: dầu paraffinic, dầu naphthenic và dầu aromatic. Mỗi nhóm có ưu nhược điểm riêng, phù hợp ứng dụng cụ thể trong công nghiệp, mỹ phẩm và dược phẩm.
Dầu paraffinic (Group I–III theo phân loại API) thường có độ nhớt ổn định, khả năng chống oxy hóa cao và dễ bổ sung phụ gia. Dầu naphthenic (Group I–II) thích hợp cho ứng dụng ở nhiệt độ thấp nhờ điểm đông thấp. Dầu aromatic (Group IV–V) có giá thành cao, được dùng làm dung môi và trong sản xuất sơn, vecni.
- Group I: Tinh chế bằng dung môi, độ tinh khiết trung bình.
- Group II–III: Hydro hóa sâu, độ tinh khiết cao, ổn định oxy hóa.
- Group IV–V: PAO và ester tổng hợp, ứng dụng đa năng nhưng chi phí cao.
Thông tin chi tiết về phân loại base oil theo API và các tiêu chuẩn quốc tế xem tại API Base Oil Terminology.
Tính chất vật lý và hóa học
Dầu khoáng có đặc tính vật lý phụ thuộc vào thành phần hydrocarbon và mức độ tinh chế. Độ nhớt (kinematic viscosity) là chỉ số quan trọng nhất, đo khả năng chảy tự do của dầu; giá trị thường được xác định ở 40 °C và 100 °C theo tiêu chuẩn ASTM D445. Độ nhớt cao giúp dầu bôi trơn tốt ở nhiệt độ cao nhưng giảm khả năng lưu thông ở nhiệt độ thấp.
Trọng lượng riêng (density) của dầu khoáng dao động 0,85–0,90 g/cm³ ở 15 °C, ảnh hưởng đến áp suất thủy lực và khả năng làm mát trong ứng dụng công nghiệp. Điểm đông (pour point) và điểm chớp cháy (flash point) quyết định phạm vi nhiệt độ sử dụng an toàn, trong đó điểm đông từ –5 °C đến –40 °C và điểm chớp cháy thường > 150 °C.
| Chỉ tiêu | Giá trị điển hình | Đơn vị |
|---|---|---|
| Độ nhớt @ 40 °C | 10–100 | cSt |
| Độ nhớt @ 100 °C | 2–15 | cSt |
| Trọng lượng riêng | 0,85–0,90 | g/cm³ |
| Điểm đông | –5 đến –40 | °C |
| Điểm chớp cháy | > 150 | °C |
Khả năng chịu oxy hóa (oxidation stability) và chịu nhiệt (thermal stability) của dầu khoáng được cải thiện bằng phụ gia chống oxy hóa và khử nhũ hóa; điều này giúp kéo dài tuổi thọ dầu khi tiếp xúc với không khí và nhiệt độ cao.
Ứng dụng trong công nghiệp
Dầu khoáng là nền tảng cho nhiều ứng dụng công nghiệp nhờ tính linh hoạt và ổn định. Trong ngành ô tô và cơ khí, dầu bôi trơn động cơ, hộp số và ổ trục giảm ma sát, mài mòn, đồng thời hỗ trợ làm mát và giữ sạch bề mặt kim loại.
Dầu cách điện (transformer oil) sử dụng trong máy biến áp và tụ bù để cách điện và làm mát. Tiêu chuẩn IEC 60296 quy định độ tinh khiết, điện trở suất và điểm chớp cháy để đảm bảo an toàn hoạt động dưới điện áp cao.
- Công nghiệp ô tô: động cơ, hộp số, hệ thống thủy lực.
- Ngành điện lực: dầu cách điện máy biến áp, bộ điều chỉnh điện áp.
- Mỹ phẩm & dược phẩm: thành phần kem dưỡng da, dầu massage với độ tinh khiết y sinh.
- Sản xuất nhựa & sơn: dung môi, chất làm mềm và chất tách khuôn.
Thông tin về ứng dụng dầu cách điện có thể tham khảo tại IEC Standards và tài liệu hướng dẫn của NEMA.
Tiêu chuẩn và phân loại quốc tế
Phân loại và kiểm định dầu khoáng dựa trên nhiều tiêu chuẩn quốc tế. ASTM D445 và ISO 3104 quy định phương pháp xác định độ nhớt; ASTM D287 và ISO 3106 dùng để xác định trọng lượng riêng. API (American Petroleum Institute) chia base oil thành Group I–III theo phương pháp tinh chế và chỉ số độ nhớt (VI) API Base Oil Terminology.
Hệ thống chỉ số IP (Institute of Petroleum) gồm IP 227 (điểm chớp cháy) và IP 15 (điểm đông) được sử dụng rộng rãi tại châu Âu. ISO 6743-1 định nghĩa dầu bôi trơn theo ứng dụng cơ khí, còn IEC 60296 quy định cho dầu cách điện.
Tác động môi trường và an toàn
Dầu khoáng có thể gây ô nhiễm đất và nguồn nước khi rò rỉ hoặc xả thải không đúng quy định. Hydrocarbon trong dầu gây suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng sinh thái và sức khỏe con người. Việc xử lý dung dịch dầu thải và đất nhiễm phải tuân thủ ISO 14001 và các quy định của cơ quan môi trường quốc gia.
An toàn vận chuyển và bảo quản dầu khoáng liên quan đến nguy cơ cháy nổ và nhiễm độc. Điểm chớp cháy cao giúp giảm nguy cơ cháy, nhưng khi tiếp xúc oxy hóa lâu dài, dầu có thể hình thành cặn carbon dễ bắt lửa. Công tác phòng cháy chữa cháy phải tuân thủ NFPA 30 (Flammable and Combustible Liquids Code).
- Xử lý nước thải: tách dầu bằng thiết bị tách ly kết tủa (API separator).
- Xử lý đất nhiễm: sinh học (bioremediation) hoặc hóa học (oxidation).
- Bao bì và tồn trữ: thùng thép chống cháy, khu vực thông gió.
Phương pháp phân tích và đo lường
Phân tích dầu khoáng sử dụng nhiều kỹ thuật hiện đại để xác định thành phần và độ tinh khiết. GC–MS (Gas Chromatography–Mass Spectrometry) cho phép phân tích định tính và định lượng hydrocarbon mạch thẳng, thơm và tạp chất; FTIR (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy) đánh giá nhóm chức và mức độ oxy hóa.
DSC (Differential Scanning Calorimetry) đo điểm chớp cháy và nhiệt độ biến tính; ASTM D1500 xác định màu sắc và ASTM D445 đo độ nhớt. Sử dụng kết hợp nhiều phương pháp giúp đảm bảo kết quả chính xác và phát hiện sớm sự suy giảm chất lượng dầu.
Xu hướng nghiên cứu và phát triển bền vững
Xanh hóa dầu khoáng là hướng đi quan trọng để giảm tác động môi trường và phát thải khí nhà kính. Nghiên cứu dầu gốc sinh học (bio-based oils) từ dầu thực vật hoặc chất thải nông nghiệp với cấu trúc ester cho kết quả chống oxy hóa và sinh học phân hủy tốt hơn.
Công nghệ tái chế dầu đã qua sử dụng (used oil recycling) qua quá trình lọc chân không, khử tạp và hydro hóa giúp tái tạo base oil đạt tiêu chuẩn Group II/III. Sử dụng blockchain để theo dõi vòng đời dầu và đảm bảo quy trình tái chế minh bạch đang được thử nghiệm tại EU IEA Oil Market Report.
- Bio-lubricants: cải thiện phân hủy sinh học, giảm độc tính.
- Re-refining: hydro hóa, khử tạp, phân đoạn chưng cất.
- Giám sát carbon: đánh dấu và báo cáo lượng phát thải chuỗi giá trị.
Tài liệu tham khảo
- U.S. Energy Information Administration. “Petroleum & Other Liquids.” eia.gov/petroleum.
- American Petroleum Institute. “Base Oil Terminology.” api.org.
- ASTM International. “Standard Test Methods for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids.” ASTM D445.
- International Electrotechnical Commission. “IEC 60296: Power Transformers – Insulating Liquids – Unused Mineral Insulating Oils for Transformers and Switchgear.”
- NFPA. “NFPA 30: Flammable and Combustible Liquids Code.”
- Mackay, D. et al. “Handbook of Physical-Chemical Properties and Environmental Fate for Organic Chemicals.” CRC Press, 2006.
Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề dầu khoáng:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7