Ethanol là gì? Và ứng dụng Ethanol trong đời sống

Ethanol (còn được gọi là rượu etylic, rượu ngũ cốc, rượu uống hoặc đơn giản là rượu) là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học CH3CH2OH. Nó là một loại rượu, với công thức cũng được viết là C2H5OH, C2H6O hoặc EtOH, trong đó Et là viết tắt của etyl. Ethanol là một chất lỏng không màu dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi đặc trưng giống như rượu vang và vị cay nồng. Nó là một loại thuốc giải trí thần kinh và là thành phần hoạt chất trong đồ uống có cồn.

Ethanol được sản xuất tự nhiên bởi quá trình lên men đường bởi nấm men hoặc thông qua các quá trình hóa dầu như hydrat hóa ethylene. Trong lịch sử, nó được sử dụng như một loại thuốc gây mê nói chung, và có các ứng dụng y tế hiện đại như một chất khử trùng, khử trùng, dung môi cho một số loại thuốc và thuốc giải độc cho ngộ độc metanol và ngộ độc ethylene glycol. Nó được sử dụng làm dung môi hóa học và trong quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ và làm nguồn nhiên liệu. Ethanol cũng có thể được khử nước để tạo ra ethylene, một nguyên liệu hóa học quan trọng. Tính đến năm 2006, sản lượng ethanol trên thế giới là 51 gigalit (1,3 × 1010 US gallon), chủ yếu đến từ Brazil và Hoa Kỳ.

Ứng dụng của Ethanol

Thuốc mê

Ethanol là loại thuốc an thần lâu đời nhất được biết đến, được sử dụng làm thuốc gây mê toàn thân trong quá trình phẫu thuật ở Mesopotamia cổ đại và thời trung cổ. Nhiễm độc nhẹ bắt đầu với nồng độ cồn trong máu là 0,03-0,05% và gây hôn mê thuốc mê ở mức 0,4%. Tuy nhiên, việc sử dụng này có nguy cơ cao gây ngộ độc rượu chết người và hít phải phổi khi nôn mửa, dẫn đến việc sử dụng các chất thay thế trong thời cổ đại, chẳng hạn như thuốc phiện và cần sa, và sau đó là dietyl ete bắt đầu từ những năm 1840.

Thuốc sát trùng

Ethanol được sử dụng trong khăn lau y tế và phổ biến nhất là trong gel khử trùng tay kháng khuẩn như một chất khử trùng có tác dụng diệt khuẩn và chống nấm. Ethanol giết chết vi sinh vật bằng cách hòa tan lớp lipid kép màng của chúng và làm biến tính protein của chúng, đồng thời có hiệu quả chống lại hầu hết các vi khuẩn, nấm và vi rút. Tuy nhiên, nó không hiệu quả đối với bào tử vi khuẩn, nhưng điều đó có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng hydro peroxide.

Dung dịch ethanol 70% hiệu quả hơn ethanol nguyên chất vì ethanol dựa vào các phân tử nước để có hoạt tính kháng khuẩn tối ưu. Ethanol tuyệt đối có thể vô hiệu hóa vi khuẩn mà không tiêu diệt chúng vì cồn không thể thấm hoàn toàn vào màng vi khuẩn. Ethanol cũng có thể được sử dụng làm chất khử trùng và sát trùng vì nó gây mất nước cho tế bào bằng cách phá vỡ sự cân bằng thẩm thấu qua màng tế bào, do đó nước sẽ rời khỏi tế bào dẫn đến chết tế bào.

Thuốc giải độc

Ethanol có thể được sử dụng làm thuốc giải độc cho ngộ độc ethylene glycol và ngộ độc metanol. Ethanol phục vụ quá trình này bằng cách hoạt động như một chất ức chế cạnh tranh với methanol và ethylene glycol đối với rượu dehydrogenase. Mặc dù có nhiều tác dụng phụ hơn, nhưng ethanol rẻ hơn và sẵn có hơn fomepizole, cũng được sử dụng làm thuốc giải độc cho ngộ độc metanol và ethylene glycol

Dung môi thuốc

Ethanol, thường ở nồng độ cao, được sử dụng để hòa tan nhiều loại thuốc không tan trong nước và các hợp chất liên quan. Ví dụ, các chế phẩm dạng lỏng của thuốc giảm đau, thuốc ho và cảm lạnh, nước súc miệng có thể chứa tới 25% etanol và có thể cần tránh ở những người có phản ứng bất lợi với etanol như phản ứng hô hấp do rượu. Ethanol hiện diện chủ yếu dưới dạng chất bảo quản chống vi trùng trong hơn 700 chế phẩm dạng lỏng bao gồm acetaminophen, chất bổ sung sắt, ranitidine, furosemide, mannitol, phenobarbital, trimethoprim/sulfamethoxazole và thuốc ho không kê đơn.

Dược học

Ở động vật có vú, ethanol chủ yếu được chuyển hóa ở gan và dạ dày nhờ men rượu dehydrogenase (ADH). Các enzyme này xúc tác quá trình oxy hóa ethanol thành acetaldehyd (etanal)

CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+

Khi có mặt ở nồng độ đáng kể, quá trình chuyển hóa etanol này còn được hỗ trợ thêm bởi enzym cytochrom P450 CYP2E1 ở người, trong khi một lượng nhỏ cũng được chuyển hóa bởi catalase.

Chất trung gian thu được, acetaldehyde, là một chất gây ung thư được biết đến và gây độc tính ở người lớn hơn đáng kể so với bản thân ethanol. Nhiều triệu chứng điển hình liên quan đến say rượu—cũng như nhiều nguy cơ sức khỏe thường liên quan đến việc tiêu thụ ethanol trong thời gian dài—có thể là do độc tính acetaldehyde ở người.

Quá trình oxy hóa tiếp theo của acetaldehyd thành axetat được thực hiện bởi các enzym aldehyde dehydrogenase (ALDH). Một đột biến trong gen ALDH2 mã hóa cho một dạng không hoạt động hoặc rối loạn chức năng của enzym này ảnh hưởng đến khoảng 50% dân số Đông Á, góp phần gây ra phản ứng đỏ mặt do rượu đặc trưng có thể gây đỏ da tạm thời cũng như một số bệnh liên quan và thường khó chịu, các triệu chứng ngộ độc acetaldehyde. Đột biến này thường đi kèm với một đột biến khác trong enzyme khử hydro rượu ADH1B ở khoảng 80% người Đông Á, giúp cải thiện hiệu quả xúc tác chuyển đổi ethanol thành acetaldehyde

Giải trí

Là một chất ức chế hệ thần kinh trung ương, ethanol là một trong những loại thuốc thần kinh được tiêu thụ phổ biến nhất.

Mặc dù rượu có đặc tính kích thích thần kinh, gây nghiện và gây ung thư, nhưng nó luôn sẵn có và được bán hợp pháp ở hầu hết các quốc gia. Có luật quy định việc bán, xuất/nhập khẩu, đánh thuế, sản xuất, tiêu thụ và sở hữu đồ uống có cồn. Quy định phổ biến nhất là cấm trẻ vị thành niên.

Ứng dụng làm nhiên liệu

Nhiên liệu động cơ

Việc sử dụng ethanol đơn lẻ lớn nhất là làm nhiên liệu động cơ và phụ gia nhiên liệu. Brazil nói riêng phụ thuộc rất nhiều vào việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu động cơ, một phần do vai trò là một trong những nhà sản xuất ethanol hàng đầu thế giới. Xăng bán ở Brazil chứa ít nhất 25% ethanol khan. Ethanol ngậm nước (khoảng 95% ethanol và 5% nước) có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho hơn 90% ô tô chạy bằng xăng mới được bán trong nước.

Hoa Kỳ và nhiều quốc gia khác chủ yếu sử dụng hỗn hợp xăng/etanol E10 (10% etanol, đôi khi được gọi là gasohol) và E85 (85% etanol). Theo thời gian, người ta tin rằng một phần nguyên liệu của thị trường xăng trị giá ≈150 tỷ US-gallon (570.000.000 m3) mỗi năm sẽ bắt đầu được thay thế bằng ethanol nhiên liệu.

Luật pháp Úc giới hạn việc sử dụng ethanol tinh khiết từ chất thải mía ở mức 10% trong ô tô. Những chiếc xe cũ hơn (và những chiếc xe cổ được thiết kế để sử dụng nhiên liệu đốt cháy chậm hơn) nên nâng cấp hoặc thay thế các van động cơ.

Theo một nhóm vận động trong ngành, ethanol làm nhiên liệu làm giảm lượng khí thải carbon monoxide có hại, hạt vật chất, oxit nitơ và các chất ô nhiễm hình thành tầng ozone khác từ ống xả. Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne đã phân tích lượng khí thải nhà kính của nhiều tổ hợp động cơ và nhiên liệu khác nhau, và phát hiện ra rằng hỗn hợp dầu diesel sinh học/dầu mỏ (B20) cho thấy mức giảm 8%, hỗn hợp ethanol E85 thông thường giảm 17% và ethanol xenlulô giảm 64% so với nguyên chất. xăng. Ethanol có chỉ số octan nghiên cứu (RON) lớn hơn nhiều so với xăng, nghĩa là nó ít bị bắt lửa trước hơn, cho phép đánh lửa sớm hơn, đồng nghĩa với nhiều mô-men xoắn hơn và hiệu quả hơn cùng với lượng khí thải carbon thấp hơn.

Quá trình đốt cháy etanol trong động cơ đốt trong tạo ra nhiều sản phẩm của quá trình đốt cháy không hoàn toàn do xăng tạo ra và lượng lớn hơn đáng kể formaldehyde và các chất có liên quan như acetaldehyde. Điều này dẫn đến phản ứng quang hóa lớn hơn đáng kể và nhiều ôzôn ở mặt đất hơn. Dữ liệu này đã được tổng hợp thành Báo cáo Nhiên liệu sạch so sánh lượng khí thải nhiên liệu và cho thấy khí thải ethanol tạo ra lượng ôzôn gấp 2,14 lần so với khí thải xăng. Khi điều này được thêm vào Chỉ số ô nhiễm cục bộ tùy chỉnh của Báo cáo nhiên liệu sạch, mức độ ô nhiễm cục bộ của ethanol (ô nhiễm góp phần tạo ra sương khói) được xếp hạng 1,7, trong đó xăng là 1,0 và con số cao hơn biểu thị mức độ ô nhiễm lớn hơn. Ủy ban Tài nguyên Không khí California đã chính thức hóa vấn đề này vào năm 2008 bằng cách công nhận các tiêu chuẩn kiểm soát đối với formaldehyde là một nhóm kiểm soát khí thải, giống như NOx thông thường và khí hữu cơ phản ứng (ROG).

Hơn 20% ô tô Brazil có thể sử dụng 100% ethanol làm nhiên liệu, bao gồm động cơ chỉ sử dụng ethanol và động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt.[58] Động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt ở Brazil có thể hoạt động với tất cả ethanol, xăng hoặc bất kỳ hỗn hợp nào của cả hai. Tại Hoa Kỳ, các phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt có thể chạy bằng 0% đến 85% ethanol (15% xăng) do hỗn hợp ethanol cao hơn chưa được phép hoặc hiệu quả. Brazil hỗ trợ đội xe ô tô chạy bằng ethanol này với cơ sở hạ tầng quốc gia lớn sản xuất ethanol từ mía trồng trong nước.

Khả năng trộn lẫn cao của etanol với nước khiến nó không phù hợp để vận chuyển qua các đường ống hiện đại như hydrocacbon lỏng. Các thợ máy đã chứng kiến ​​các trường hợp hư hỏng ngày càng tăng đối với động cơ nhỏ (đặc biệt là bộ chế hòa khí) và cho rằng thiệt hại là do khả năng giữ nước của ethanol trong nhiên liệu tăng lên

Nhiên liệu tên lửa

Ethanol thường được sử dụng làm nhiên liệu trong các phương tiện tên lửa lưỡng đẩy (chạy bằng chất lỏng) thời kỳ đầu, kết hợp với chất oxy hóa như oxy lỏng. Tên lửa đạn đạo A-4 của Đức trong Thế chiến II (được biết đến nhiều hơn với tên tuyên truyền V-2), được cho là đã bắt đầu thời đại vũ trụ, sử dụng ethanol làm thành phần chính của B-Stoff. Theo danh pháp như vậy, ethanol được trộn với 25% nước để giảm nhiệt độ buồng đốt. Nhóm thiết kế của V-2 đã giúp phát triển tên lửa của Hoa Kỳ sau Thế chiến thứ hai, bao gồm cả tên lửa Redstone chạy bằng nhiên liệu ethanol, tên lửa đã phóng vệ tinh đầu tiên của Hoa Kỳ. Rượu không còn được sử dụng rộng rãi khi nhiên liệu tên lửa đậm đặc năng lượng hơn được phát triển, mặc dù ethanol hiện đang được sử dụng trong máy bay đua chạy bằng tên lửa hạng nhẹ.

Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu thương mại hoạt động bằng khí tự nhiên, hydro hoặc metanol đã được cải tạo. Ethanol là một chất thay thế hấp dẫn do sẵn có rộng rãi, chi phí thấp, độ tinh khiết cao và độc tính thấp. Có rất nhiều khái niệm về pin nhiên liệu đã được đưa vào thử nghiệm bao gồm pin nhiên liệu ethanol trực tiếp, hệ thống cải cách nhiệt tự động và hệ thống tích hợp nhiệt. Phần lớn công việc đang được tiến hành ở cấp độ nghiên cứu mặc dù có một số tổ chức đang bắt đầu thương mại hóa pin nhiên liệu ethanol.

Sưởi ấm và nấu ăn

Lò sưởi Ethanol có thể được sử dụng để sưởi ấm nhà hoặc để trang trí. Ethanol cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu bếp để nấu ăn.

Nguyên liệu

Ethanol là một thành phần công nghiệp quan trọng. Nó được sử dụng rộng rãi làm tiền chất cho các hợp chất hữu cơ khác như etyl halogenua, etyl este, dietyl ete, axit axetic và etyl amin.

Dung môi

Ethanol được coi là một dung môi phổ quát, vì cấu trúc phân tử của nó cho phép hòa tan cả các hợp chất kỵ nước, ưa nước và không phân cực. Vì etanol cũng có nhiệt độ sôi thấp nên dễ dàng loại bỏ khỏi dung dịch đã được sử dụng để hòa tan các hợp chất khác, khiến nó trở thành chất chiết xuất phổ biến cho dầu thực vật. Các phương pháp chiết xuất dầu cần sa thường sử dụng etanol làm dung môi chiết xuất,[69] và cũng là dung môi sau xử lý để loại bỏ dầu, sáp và chất diệp lục khỏi dung dịch trong một quá trình được gọi là đông hóa.

Ethanol được tìm thấy trong sơn, cồn thuốc, bút đánh dấu và các sản phẩm chăm sóc cá nhân như nước súc miệng, nước hoa và chất khử mùi. Polysacarit kết tủa từ dung dịch nước với sự có mặt của rượu và kết tủa etanol được sử dụng vì lý do này trong quá trình tinh chế DNA và RNA.