Wstęp

Dzięki Ignacemu Łukasiewiczowi nie doszło do sytuacji, w której ciężko rannego pacjenta nie można było ratować z powodu zapadnięcia zmroku. Około 180 lat temu naukowiec ten znalazł dla nafty zastosowanie praktyczne. Najpierw próbował wykorzystać istniejące modele lamp olejowych, ale przez brak dostosowania konstrukcji do paliwa, ich zbiorniki były rozsadzane. W następnym roku konstruuje jako pierwszy lampę naftową. Oświetla za przy jej pomocy wystawę w aptece. 31 lipca 1853 wprowadza lampy do szpitala powszechnego we Lwowie.

Odkrycie lampy naftowej było bardzo ważnym osiągnięciem. Wiązało się z próbami otrzymania paliwa wydajniejszego oraz tańszego niż dotychczas stosowane różne gatunki olejów oraz ich mieszanin.

W Polsce takie badania prowadził tylko Ignacy Łukasiewicz. Stosował frakcjonowaną destylację ropy naftowej. Uzyskał w ten sposób w temperaturze do 250°C substancję, która nie zawierała lekkich frakcji, następnie oddzielił go w odpowiedniej aparaturze od ciężkich węglowodorów. Kolejnym etapem była rafinacja stężonym kwasem siarkowym. Otrzymał w latach 1852-53 naftę. Była ona kilkukrotnie bardziej wydajna niż zwykłe świece, a znacznie tańsza od olejów oraz oświetlenia gazowego. Powszechnie stosowana była  dopiero w latach 1860-1865.

Odkrycie to miało bezpośredni wpływ na powstanie przemysłu naftowego. Budowane były na początku drobne spółki, a następnie wielkie kompanie.

Aktualnie lampy naftowe nie są już stosowane, ale ropa naftowa nadal jest na szeroką skalę wykorzystywana.

W skład ropy naftowej wchodzą: węglowodory (areny, alkany oraz cykloalkany), fenole, kwasy karboksylowe, pochodne tiofenu, tioalkohole, żywice, związki azotowe heterocykliczne oraz związki metaloorganiczne. Gęstość ropy naftowej waha się w się w granicach od 11-16 g/cm3. Skład ropy naftowej jest w dużej mierze uzależniony od obszaru, z którego jest wydobywana. Ropa naftowa ma barwę ciemnobrązową przechodzącą w czarną. Ropa naftowa składa się w głównie z węglowodorów ciekłych, w których mogą być rozpuszczony węglowodory stałe oraz gazowe. Zanieczyszczenia, które wchodzą w skład ropy naftowej to sole nieorganiczne oraz woda.

W ropie naftowej możemy wyróżnić trzy typy związków:

A) Związki nienasycone;

B) Kwasy naftalenowe (łańcuchy węglowe łączą się w pierścienie);

C) Parafiny (różna długość łańcuchów węglowych).

W ropie występują także śladowe ilości: żelaza, niklu, chromu, manganu, sodu, wodoru, rtęci, chlorku sodu, amoniaku oraz siarkowodoru. Obecnie jest znanych 600 związków wchodzących w skład ropy naftowej, jednakże ich ilość jest znacznie większa (około kilka tysięcy).

Parafiny to związki węglowodorowe charakteryzujące się różną długością łańcuchów węglowych. Do tego typu związków mogą należeć alkany. W zależności od czasu powstania ropy naftowej oraz od pochodzenia alkany mogą stanowić 30-80% wszystkich składników wchodzących w jej skład. Węglowodory zawierające więcej niż 17 atomów węgla to ciała stałe, węglowodory zawierające od 6-16 atomów węgla to ciecze, zaś węglowodory zawierające mniej niż 5 atomów węgla to gazy. Maksymalna ilość atomów węgla w cząsteczkach tych związków może wynosić 40.

Druga grupę tworzą kwasy naftalenowe, których łańcuchy węglowe nie są proste, tylko tworzą pierścienie cykliczne. Ma miejsce zależność: im większa jest ilość atomów węgla w cząsteczce, tym gęstość substancji ma większą wartość.

Związki nienasycone to grupa węglowodorów wchodzących w skład ropy naftowej, która posiada nienasycone wiązania pomiędzy atomami węgla. Nie wszystkie atomy węgla wchodzące w skład tych związków łączą się z innymi atomami za pomocą jednego wiązania. Warte do zapamiętania jest to, że ropa naftowa nie zawiera alkinów oraz alkenów.

Początki ropy naftowej

Istnieje teoria, że ropa naftowa mogła powstać na skutek działania bardzo wysokiego ciśnienia oraz temperatury na martwe szczątki zwierzęce oraz roślinne. Głoszone jest także nieorganiczna teoria powstawania ropy naftowej. W myśl tej teorii ropa powstała na skutek reakcji chemicznych mających miejsce pod skorupą ziemską. Teoria ta jest znacznie mniej wiarygodna niż poprzednia. Zgodnie z pierwszą, bardziej prawdopodobną teorią, ropę naftową tworzą złoża chemiczne, które powstały z drobnych szczątków organicznych zwierzęcych oraz roślinnych. Organizmy te żyły w morzach wiele milionów lat temu. Gdy umarły, to upadły na dno zbiornika, a tam zostały częściowo rozłożone przez bakterie. Szczątki organiczne zostały przykryte przez gliny, a te w wyniku działania wysokiego ciśnienia, w trakcie wielu milionów lat uległy przekształceniu w skałę nazywana łupkiem. Wysoka temperatura oraz ciśnienie spowodowały proces przekształcenia szczątków w gaz ziemny oraz ropę naftową (głównym składnikiem był metan). Wysokie ciśnienie stopniowo wypychało ropę oraz gaz ze skał i przez przepuszczalne warstwy skalne kierowały się ku górze. Największe ilości gazu oraz ropy zostały zablokowane pod nieprzepuszczalnymi warstwami w tzw. pułapkach.

Poszukiwanie ropy naftowej

Całkowite światowe zasoby tego surowca wyczerpią się w 2020 roku. Dlatego niesłychanie istotna sprawa jest poszukiwanie nowych złóż.

Stosowane są metody geofizyczne, metody grawitacyjne i metody magnetyczne

Wartość natężenia pola magnetycznego Ziemi nieustannie ulega zmianie. Wszystko jest uzależnione od struktury geologicznej Ziemi. Magnetyczności nie wykazują skały osadowe, ale skały będące pod nimi taka właściwość posiadają. Na wartość natężenie pola magnetycznego może wpływać układ warstw skalnych. Aby wykryć tzw. baseny sedymentacyjne oraz określić ich miąższość stosowany jest pomiar magnetyczny. Badanie magnetyczne mogą być wykorzystywane na każdym terenie, nawet jeżeli znajdują się pod powierzchnią dużych zbiorników wodnych. Przy pomocy magnetometru są przeprowadzane pomiary. Przyrząd ten jest ciągnięty lub przyczepiony do ogona samolotu. Zadaniem samolotu jest utrzymanie stałej wysokości nad terenem, który jest poddawany badaniom. W takich okolicznościach jest dokonywany odczyt natężenia pola magnetycznego.

Podobnie jak pole magnetyczne, pole grawitacyjne Ziemi ulega zmianie wraz z przebiegiem warstw skalnych. Przy pomocy pomiarów natężenia grawitacyjnego jesteśmy w stanie zdefiniować rozmiary oraz położenie basenów sedymentacyjnych. Podłoże wykazuje większą gęstość niż położone na nich skały osadowe. Dlatego też pole grawitacyjne w ich otoczenie wykazuje większą wartość. Przyrząd używany do pomiarów pola grawitacyjnego na morzu, lądzie oraz powietrzu to grawimetr. Gdy pomiary wykonywane są na morzu, to należy wówczas grawimetr zamontować na odpowiedniej platformie, aby uzyskać precyzyjne wyniki.

Pole akustyczne oraz fale sejsmiczne charakteryzujące się niską częstotliwością mogą być wykorzystywane w badaniach sejsmicznych do oznaczania układu warstw geologicznych. Sam wyraz „sejsmiczny” w tłumaczeniu z języka greckiego oznacza trzęsienie Ziemi. Trzęsienia Ziemi były już w rejestrowane w Chinach w II wieku. W XIX wieku stwierdzono, że skały wykazujące dużą gęstość, które leża pod powierzchnią skorupy ziemskiej, produkują wstrząsy sejsmiczne. Dlatego tez możliwe stało się badanie struktury oraz warstw skalnych, przy pomocy fal sejsmicznych. Fale sejsmiczne uzyskane podczas detonowania ładunków wybuchowych, ewentualnie zrzucania dużych mas na Ziemie, są wykorzystywane w geofizyce do różnego rodzaju badań skorupy ziemskiej. W tym celu wykorzystywane są także fale akustyczne uzyskiwane w wyniku zastosowania określonych generatorów o dużej mocy. Część energii fal, wędrującej w głębsze warstwy skorupy ziemskiej, jest odbijana w warstwę pomiędzy rożnymi typami skał. Następnie te fale są rejestrowane przy pomocy specjalnych detektorów, które są umiejscowione na określonym terenie. Uzyskujemy mapę skał, które zalegają pod powierzchnią danego obszaru. Mapa ta jest uzyskiwana na podstawie czasu rejestrowania fal oraz ich amplitudy.

.

Wydobywanie ropy naftowej

Jedynym definitywnym sposobem potwierdzającym znalezienie złoża ropy naftowej jest wykonanie próbnych odwiertów. Głębokość próbnych odwiertów może sięgać 8km w skorupie ziemskiej. Proces ten charakteryzuje się wysoką trudnością w realizacji, wysokimi kosztami oraz dużym nakładem pracy. Nigdy nie wiadomo także, czy znalezione źródło będzie w stanie zwrócić wkład pieniężny.

Przy końcu rur wiertniczych (długość 9m oraz średnica 13 cm) dołączone jest wiertło. Wieże wiertnicza odpowiada za umieszczenie rur na odpowiednim miejscu. Z obracającej się platformy są opuszczane w dół wiertła. Podczas wiercenia wiertła muszą być wymieniane ponieważ ulęgają stępieniu. W momencie, gdy wiertło jest zagłębione w skale na określona długość, to następna rura jest dołączana. W czasie wymiany wiertła wyjmowane są z rury wszystkie rury wiertnicze. Może to zając nawet cały dzień.

Warunkiem koniecznym do spełnienia, aby mogło powstać złoże ropy jest obecność warstwy zawierającej skały nieprzepuszczalne. Warstwa ta musi pokrywać skałę przepuszczalną.

Dawno temu podczas dochodzenia do złóż gazu oraz ropy, wykazujących wysokie ciśnienie, następował wytrysk odkrytego złoża, który mógł kończyć się eksplozją. Obecnie dzięki wlewanej do otworu płuczki (ciecz charakteryzująca się dużą gęstością) nieprzyjemne „niespodzianki” opisywane wcześniej zdarzają się dosyć rzadko. Płuczka równoważy ciśnienie złoża. Jest wlewana do wiertniczych rur, a usuwana jest otworem znajdującym się na końcu wiertła. Na powierzchnie wraca przez przestrzeń występującą pomiędzy ścianami otworu oraz rurami. Średnica wiertła jest znacznie większa niż średnica rur, dlatego tez możliwa jest do uzyskania wspomniana wyżej przestrzeń. Płuczka także stosowana jest do chłodzenia wiertła oraz jego smarowania podczas pracy. Wraz z płuczka na powierzchnię wypływają pokruszone kawałeczki skał (tzw. urobek), następnie ulęgają one sortowaniu oraz analizie. Na podstawie tych badań uzyskujemy informacje o układzie warstw geologicznych. Gdy wspólnie z płuczka na powierzchnie wypływa ropa, to natychmiast ulega ona badaniu pod kątem jej jakości oraz tempa wypływu. Na podstawie tych badań podejmowana jest decyzja odnośnie tego, czy odkryte złoże jest na tyle duże oraz charakteryzuje się odpowiednia jakością, aby można było rozpocząć przemysłową eksploatacje. Jeżeli decyzja jest pozytywna, to dochodzi do montowania odpowiednich, specjalistycznych urządzeń wydobywczych.

Sposoby przetwarzanie ropy naftowej

Przed przeróbka ropy naftowej ma miejsce usunięcie niechcianych składników. Są to związki zawierające siarkę oraz chlor. Są wyjątkowo niebezpieczne, gdyż są zdolne do reagowania z metalami. Zakład, który zajmuje się przerabianiem ropy naftowej to kombinat petrochemiczny. Jedną część kombinatu stanowi rafineria. W rafineriach ma miejsce przeróbka ropy naftowej (destylacja frakcyjna, rektyfikacja). Proces ten został wprowadzony przez polskiego chemika- Ignacego Łukasiewicza. Metoda ta polegała na rozdzieleniu cieczy na kilka frakcji oraz ich oczyszczeniu. Jest to tzw. przerób płytki, który składa się z destylacji ropy naftowej, w wyniku której otrzymujemy benzynę oraz olej opałowy. Następnie zachodzi rafinacja, która polega na odsiarczaniu

Druga część kombinatu stanowi zakład petrochemiczny.

Sposoby wykorzystania ropy naftowej

Surowiec ten jest wykorzystywany m.in.: w przemyśle, transporcie i innych gałęziach gospodarki. Ropa jest wykorzystywana w produkcji smarów, paliw, olejów silnikowych, nawierzchni asfaltowych, kosmetyków, barwników, substancji wybuchowych, leków, nawozów oraz włókien sztucznych, substancji owadobójczych, kauczuku, atramentu, plastiku i wielu innych produktów. Dzięki ropie naftowej mógł nastąpić szybki rozwój cywilizacji.

Pomimo tego, że życie bez ropy byłoby znacznie utrudnione, surowiec ten niesie ze sobą wiele niebezpieczeństw. Ropa naftowa może spowodować skażenie dużych składników wodnych podczas: katastrof morskich, czyszczenia tankowców, awarii na platformach wiertniczych. Największe szkody wyrządzają zatopione tankowce, które uległy uszkodzenia. Wyciekająca ropa naftowa może spowodować śmierć wielu gatunków ptaków oraz ryb i innych zwierząt morskich. Woda nie miesza się z woda naftową, gdyż jest cięższa od niej. W wyniku katastrof morskich zatonięciu ulegają tankowce. Wyciekająca z nich ropa, tworzy duże plamy na wodzie. Opadająca ropa wyrządza wiele krzywd organizmom wodnym. W wyniku konfliktu zbrojnego w Zatoce Perskiej miał miejsce wyciek ropy obejmujący obszar jednego m3. Szkodliwe działanie ropy jest także widoczne w dużych aglomeracjach miejskich. Coraz więcej osób posiada swój własny samochód. Silniki samochodowe napędzane na benzynę emitują do atmosfery szkodliwe węglowodoru, tlenki azotu, tlenek węgla oraz związki ołowiu. W wyniku tych zanieczyszczeń może tworzyć się smog- zanieczyszczona mgła unosząca się w powietrzu.

Benzyna stosowana do napędzania silników samochodowych powoduje skażenie powietrza. Spaliny pochodzące z samochodów składają się z tlenku azotu, tlenku węgla, ołowiu, węglowodorów. Zanieczyszczenia te są wynikiem powstałego smogu w dużych aglomeracjach miejskich (Meksyk, Los Angeles, Nowy York). Przyczyną kwaśnych deszczy jest wydzielany ze spalin samochodowych tlenek azotu. Kwaśne deszcze powodują skażenie jezior, rzek, niszczą obszary zalesione. Obecnie panuje tendencja do ograniczenia emisji spalin. Stosowana jest benzyna bezołowiowa. W wielu samochodach stosowane są specjalne katalizatory spalin, których zadaniem jest zredukowanie szkodliwych gazów emitowanych do atmosfery.

Gaz ziemny

Gaz ziemny to mieszanka węglowodorów gazowych (etan, metan, propan), węglowodorów ciekłych oraz pewnych ilości dwutlenku węgla, azotu, wodoru, siarkowodoru, gazów szlachetnych (argon, hel).

Gaz ziemny w skorupie ziemskiej występuje jako gaz lub jest związany w hydratach węglowodorów. Może także występować w formie rozpuszczonej, w wodzie podziemnej, ropie naftowej.

Dużą zaleta gazu ziemnego jest to, że możemy go zaliczyć do bardzo wydajnych paliw ekologicznych. W czasie jego wydobycia, a następnie transportowania są przestrzegane wszystkie zasady ochrony środowiska naturalnego.

Gaz ziemny może służyć do produkcji nawozów sztucznych, plastikowych sztućców.

Gaz ziemny jest bezwonny, bezbarwny i mniejszą gęstość niż powietrze. Charakterystyczny zapach gazu ziemnego jest uzyskiwany w procesie nawaniania. Tylko wtedy człowiek jest zdolny go wyczuć.