Urea

-->Urea เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่ได้จาก metabolism ของโปรตีน สัตว์และคนขับถ่ายออกมากับปัสสาวะ เดิมนักเคมีเชื่อว่าไม่สามารถเตรียมได้จากปฏิกริยาของสารอนินทรีย์ แต่ในปี พ.ศ.2828 Friedrich Wohler ค้นพบวิธีสังเคราะห์จาก ammonium cyanate (NH4OCN) โดยเพียงแต่นำสารตัวนี้มาต้ม ปฏิกริยาเกิดขึ้นดังสมการ


NH4OCN = NH2CONH2



ในปี 1920 ได้มีการผลิต urea ในอุตสาหกรรม ขึ้นในเยอรมันและอเมริกา โดยอาศัยปฏิกริยา acid hydrolysis ของ CaCN2 ปฏิกริยาเกิดขึ้นดังสมการ



CaCN2 + CO2 + H2O = N2CN2 + CaCO3

H2CN2 + H2O = NH2CONH2



urea ที่ผลิตได้จากกระบวนการนี้มีความบริสุทธิ์ประมาณ 44% N (urea บริสุทธิ์ = 46.6 %) และมี dicyanodiamide (NH2C(NH)NHCN) เป็น by product ปนอยู่ด้วยประมาณ 1% สารตัวนี้เป็นพิษต่อพืช urea ที่ผลิตจากกระบวนการนี้จึงใช้เฉพาะเป็น feedstock ของอุตสาหกรรมพลาสติก ไม่สามารถใช้เป็นปุ๋ยได้





การสังเคราะห์ urea ในอุตสาหกรรม ปัจจุบันอาศัยปฏิกริยาระหว่าง NH3 กับ CO2 ปฏิกริยาเกิดขึ้นดังสมการ



2NH3 + CO2 = NH2 - CO - ONH4 H = -67,000 BTU

NH2-C-ONH4 = NH2-CO-NH2 + H2O H = +18,000 BTU



สาร NH2-CO-ONH4 เรียกว่า ammonium carbamate ส่วน NH2-CO-NH2 เรียกว่า carbamide



ปฏิกริยาทั้งสองเป็นปฏิกริยาผันกลับได้ ดังนั้นประสิทธิภาพของกระบวนการผลิตจึงขึ้นกับ อุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้นของสารแต่ละตัวในปฏิกริยา โดยทั่วไปมักใช้อุณหภูมิในช่วง 180-200 °C ความดัน 140-250 atm

Industrial process

1. Once-through process กระบวนการนี้นำสารตั้งต้น (NH3 และ CO2) ผ่านการทำปฏิกริยาเพียงครั้งเดียว จากนั้นลดความดันลงและเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น NH2-C-ONH4 ที่ยังไม่เกิดปฏิกริยาจะสลายตัวเป็น NH3 และ CO2 จับแก๊ส NH3 ด้วย H2SO4 หรือ HNO3 จะได้ (NH4)2SO4 หรือ NH4NO3 ออกมาจากกระบวนการด้วยแล้วแต่กรณีกระบวนการนี้มี NH3 ประมาณ 30% เท่านั้นที่เกิดปฏิกริยาเป็น urea กระบวนการนี้มีข้อดีที่ค่าใช้จ่ายในการก่อสร้าง โรงงานต่ำ แต่มีการสูญเสีย CO2 สูง การผลิต urea 1 ตัน จะมี (NH4)2SO4 เกิดขึ้นประมาณ 4 ตัน ในกรณีที่ใช้ H2SO4 จับแก๊ส NH3

2. Partial recycle process กระบวนการนี้หลังจากนำ NH3 และ CO2 ทำปฏิกริยาแล้ว นำของผสมที่ได้ไปผ่าน

decomposer 2-3 ตัว เพื่อให้ NH2-CO-ONH4 ที่ไม่เกิดปฏิกริยาสลายตัวเป็น NH3 และ CO2 จากนั้นนำแก๊สทั้งสองนี้จาก decomposer ตัวแรก (หรือ 1+2) กลับไปทำปฏิกริยาใหม่ ส่วนแก๊สที่เกิดจาก decomposer ความดันต่ำ (ตัวหลัง) นำไปทำปฏิกริยากับ H2SO4 กระบวนการนี้ผลิต urea 1 ตัน ได้ NH4SO4 1 ตัน

3. Total recycle process กระบวนการนี้จะนำ NH3 และ CO2 ที่ยังไม่เกิดปฏิกริยากลับไปทำปฏิกริยาใหม่ทั้งหมด ประสิทธิภาพการผลิตของกระบวนการนี้จึงสูงถึง 99% ต้นทุนในการผลิตของกระบวนการนี้สูงที่สุด







สมบัติของ Urea



สมบัติ

1. เป็นของแข็งสีขาว

2. moleoular weigth 60.06 g/mole

3. density (crystal) 1.32 g/cm3

4. density (fertilizer) 0.67 g/cm3

5. solubility 78 g/100 cm3 ที่ 5 °C และ 733.3 g/100 cm3ที่ 100 °C

6. melting point 132.7 °C

7. boiling point ไม่มี เนื่องจากสารตัวนี้สลายตัวก่อนอุณหภูมิถึงจุดเดือด (สลายตัว)

8. N content (pure) 46.67 %

9. N content (fertilizer) 45-46 %

10. Cristical humidity 80.0 % ที่อุณหภูมิ 20 °C

75.8 % ที่อุณหภูมิ 25 °C

72.5 % ที่อุณหภูมิ 30 °C





ปัญหาของปุ๋ย Urea

ปัญหาสำคัญในการใช้ urea เป็นปุ๋ยมี 2 อย่าง คือ

1. การดูดความชื้น ทำให้ยากต่อการเก็บรักษา การขนส่ง และการใช้ ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้หลายวิธี ได้แก่

Prilling หมายถึง ผลิต urea เป็นเม็ดเพื่อลด surface area

Conditioning หมายถึง การผสมสารดูดความชื้นลงไป ได้แก่ dolomite กากเมล็ดพืช rock phosphate เป็นต้น

ผลิตเป็นสารประกอบ CaSO4.4 (NH2)2

ผลิตเป็นปุ๋ยน้ำ เนื่องจาก urea เป็นแม่ปุ๋ย N ที่มี N อยู่มากที่สุด และใช้เป็นปุ๋ยทางใบได้ดี

ผลิตเป็นปุ๋ยละลายช้า

เคลือบเม็ดปุ๋ยด้วย wax

2. Biuret สาร biuret เป็นสารประกอบที่เกิดจากปฏิกริยาของ carbamide 2 molecule ที่อุณหภูมิสูง ปฏิกริยาเกิดขึ้นดังสมการ

2NH2CONH2 = NH2CONHCONH2 + NH3



ปฏิกริยานี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิ 130-150 °C สาร biuret ที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิต urea มักไม่เกิน 0.1% แต่ biuret จะเกิดขึ้นมากในกระบวนการ prilling หากควบคุมไม่ดีอาจมี biuret สูงถึง 2-5 % สารนี้มีพิษต่อพืช หากปนอยู่ใน urea > 2 % จะทำให้ใบพืชไหม้ และเมล็ดงอกช้า triunet สามารถเกิดขึ้นได้เช่นเดียวกับ biuret แต่สารตัวนี้ไม่มีพิษต่อพืช ปฏิกริยาเกิดขึ้นดังสมการ



3NH2CONH2 = (NH2(ONH)2CO + 2NH3








-->