Mocznik (urea) – zastosowania, właściwości i znaczenie w przemyśle

Mocznik, znany również jako urea, to organiczny związek chemiczny o formule CO(NH₂)₂, który odgrywa kluczową rolę w wielu dziedzinach przemysłu i medycyny. Wywodzący się z cyklu ornitynowego, gdzie jest produktem przemiany amoniaku, stanowi istotny metabolit w organizmach żywych. Nic więc dziwnego, że obecnie ma szerokie zastosowanie i znaczenie w wielu sektorach przemysłu oraz w produktach kosmetycznych.

Opublikowano: 22-01-2025

Czym jest mocznik i jakie ma właściwości?

Mocznik (inaczej karbamid) to niepalna, krystaliczna substancja, zazwyczaj biała lub bezbarwna, o lekko amoniakalnym zapachu i słonawym smaku. Jest substancją higroskopijną, co oznacza, że łatwo absorbuje wilgoć z otoczenia, a także rozpuszcza się bardzo dobrze w wodzie. Podczas długotrwałego magazynowania w roztworach wodnych mocznik może ulegać rozkładowi, wytwarzając amoniak i dwutlenek węgla.

Mocznik techniczny znajduje zastosowanie w wielu branżach. Wykorzystywany jest jako komponent nawozów i dodatek do pasz zwierzęcych. Służy również jako surowiec w produkcji tworzyw sztucznych, impregnatów ognioodpornych oraz klejów.

W eksperymentach przeprowadzonych na zwierzętach mocznik wykazał niską toksyczność zarówno ostrą, jak i przewlekłą, oraz brak działania rakotwórczego czy negatywnego wpływu na zdolności rozrodcze. W Unii Europejskiej nie istnieje zharmonizowana klasyfikacja toksyczności mocznika. Substancja ta charakteryzuje się bardzo niską prężnością par, co oznacza, że narażenie na nią ma miejsce głównie poprzez inhalację pyłów. Aby chronić pracowników przed potencjalnymi problemami związanymi z obecnością pyłów mocznika w powietrzu, zaproponowano ustanowienie wartości najwyższego dopuszczalnego stężenia (NDS) na poziomie 10 mg/m^3. Taka wartość jest zgodna z normami dla innych pyłów, które nie są klasyfikowane jako toksyczne, ale mogą stanowić zagrożenie z powodu ograniczenia widoczności.

Ponadto:

  • Mocznik to higroskopijna substancja stała, która dobrze rozpuszcza się w wodzie, metanolu, etanolu, glicerolu, dimetylosulfotlenku (DMSO), kwasie octowym i stężonym kwasie chlorowodorowym.
  • W roztworach wodnych ulega powolnej hydrolizie, podczas której tworzą się amoniak i dwutlenek węgla. Proces hydrolizy może być przyspieszany przez ogrzewanie oraz dodatek kwasów lub zasad.
  • Mocznik charakteryzuje się bardzo słabą rozpuszczalnością w benzenie i chloroformie oraz słabo rozpuszcza się w eterze etylowym.
  • Mocznik może wchodzić w reakcje z niektórymi substancjami, tworząc produkty o silnych właściwościach wybuchowych (np. w przypadku reakcji z chloranami(I) sodu lub wapnia).

Proces produkcji mocznika — od surowca do finalnego produktu

#1. Synteza amoniaku

Produkcja mocznika rozpoczyna się od syntezy amoniaku, głównie metodą Habera-Boscha. Proces ten polega na reakcji azotu (N₂) z wodorem (H₂), których źródłem jest głównie gaz ziemny. Wysokie ciśnienie i temperatura (ok. 450°C i 200 atm) oraz obecność katalizatora na bazie żelaza umożliwiają przeprowadzenie tej egzotermicznej reakcji.

#2. Synteza mocznika

Następnym etapem jest reakcja amoniaku z dwutlenkiem węgla (CO₂) w celu wytworzenia mocznika. Proces ten odbywa się w dwóch głównych etapach. Pierwszy to reakcja tworzenia karbaminianu amonu, drugi — dekompozycja karbaminianu amonu. Karbaminian amonu jest następnie przekształcany w mocznik i wodę pod wysokim ciśnieniem (150-250 atm) i temperaturze (180-190°C).

#3. Kondensacja i krystalizacja

Powstały roztwór mocznika jest następnie skoncentrowany przez odparowanie wody w próżniowej aparaturze odparowującej. Proces ten prowadzi do uzyskania mocznika w postaci skoncentrowanego roztworu.

#4. Formowanie granul

Skoncentrowany roztwór mocznika jest chłodzony, a następnie granulowany w specjalnych granulatorach bębnowych lub płytowych, gdzie pod wpływem ruchu i dodatkowego chłodzenia mocznik krystalizuje się, formując granulki.

Granulki mocznika są następnie suszone w suszarkach bębnowych w celu usunięcia nadmiaru wilgoci i następnie chłodzone w chłodziarkach. Proces ten zapewnia stabilność granulek oraz optymalizuje ich właściwości fizyczne.

#5. Pakowanie i magazynowanie

Ostatecznie, gotowy mocznik jest pakowany do worków lub bezpośrednio transportowany do zbiorników magazynowych, skąd jest dystrybuowany do odbiorców końcowych.

Kobieta trzymająca próbówkę z mocznikiem, w tle rośliny w szklarni

Znaczenie mocznika w branżach przemysłowych

W technologii redukcji katalitycznej (SCR), mocznik pomaga obniżyć emisję tlenków azotu ze źródeł stacjonarnych i mobilnych. W przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym oraz chemii gospodarczej mocznik jest ceniony jako składnik wielu preparatów. Stosuje się go także do zwalczania oblodzeń na drogach, torach kolejowych i pasach startowych, a w przemyśle spożywczym dodaje się go do produktów piekarniczych, napojów alkoholowych oraz wyrobów żelatynowych.

Mocznik w rolnictwie

Dzięki wysokiej zawartości azotu (rzędu 46%), mocznik znajduje zastosowanie w programach nawożenia, wspierającym intensywny wzrost roślin. Współcześnie jest stosowany w formie granul lub roztworów, gdzie szybko hydrolizuje do amoniaku i dwutlenku węgla, co uwalnia azot dostępny dla roślin. Co jednak ważne — ze względu na wysoką lotność amoniaku, konieczne jest szybkie inkorporowanie mocznika w glebę po aplikacji, aby zminimalizować straty azotu.

Dowiedz się więcej: https://www.products.pcc.eu/pl/blog/czym-sa-nawozy-organiczne-i-co-warto-o-nich-wiedziec

Mocznik w kosmetyce

Urea mocznik jest jednym z najbardziej efektywnych składników nawilżających używanych w przemyśle kosmetycznym. Wchodzi w skład naturalnego czynnika nawilżającego (NMF) znajdującego się w keratynocytach, który jest kluczowy dla utrzymania odpowiedniego poziomu nawilżenia warstwy rogowej naskórka (tzw. humektant). Efektywność mocznika w kosmetykach zależy od jego stężenia: w niskich dawkach działa głównie nawilżająco, podczas gdy w wyższych stężeniach posiada właściwości keratolityczne. Co ciekawe — zastosowanie  znajdują także jego pochodne, np. alantoina, która wspomaga regenerację naskórka.[2]

Dowiedz się więcej: http://products.pcc.eu/pl/blog/sklad-kosmetykow/  oraz na https://www.products.pcc.eu/pl/inci/

Mocznik w przemyśle farmaceutycznym

W farmacji mocznik wykorzystywany jest jako środek osmotyczny w diuretykach oraz jako składnik kremów i maści leczących schorzenia dermatologiczne, tj. łuszczyca, egzema. Dowiedz się więcej na: https://www.products.pcc.eu/pl/k/branza-farmaceutyczna/

Mocznik w przemyśle tekstylnym

Co ciekawe mocznik stosowany jest także jako dodatek do barwników. Dzięki swoim właściwościom chemicznym poprawia rozpuszczalność i stabilność barwników, co jest kluczowe w produkcji wysoce intensywnych kolorów. Mocznik jest również używany w produkcji niektórych rodzajów tkanin sztucznych oraz jako składnik zmiękczający.

Mocznik w przemyśle chemicznym

Mocznik pełni rolę surowca w produkcji wielu produktów chemicznych, w tym produkcji żywic urea-formaldehydowych, które są szeroko stosowane jako kleje w przemyśle drzewnym i meblarskim. Żywice te charakteryzują się wyjątkową trwałością i odpornością na wilgoć, co jest wykorzystywane w produkcji płyty wiórowej i sklejki.

Magazyn z chemikaliami

Wpływ mocznika na środowisko — wyzwania i rozwiązania

Wyzwanie #1: Eutrofizacja wód powierzchniowych

Nadmierne stosowanie mocznika w rolnictwie może prowadzić do spłukiwania nadmiaru azotu do rzek i jezior. To z kolei może powodować eutrofizację, czyli nadmierny wzrost alg i innych roślin wodnych, co zakłóca równowagę ekosystemów i zmniejsza poziom tlenu w wodzie.

W obliczu tego wyzwania kluczowe jest wprowadzenie praktyk zarządzania nawożeniem, tj. zastosowanie technologii GPS do kontrolowania optymalnych dawek.

Wyzwanie #2: Emisja gazów cieplarnianych

Hydroliza mocznika w glebie prowadzi do produkcji amoniaku, który może przekształcić się w tlenki azotu (NOx) – potężne gazy cieplarniane. Emisja NOx przyczynia się do globalnego ocieplenia oraz problemów z jakością powietrza, dlatego też konieczna jest implementacja technologii redukcji emisji amoniaku i NOx w rolnictwie. Mowa tu o np. optymalizacji pH gleby i stosowaniu inhibitorów ureazy, które spowalniają rozkład mocznika.

Źródła:
  1. SKOWROŃ, J. Mocznik–frakcja wdychalna.
  2. Kapuścińska, A., & Nowak, I. (2014). Wykorzystanie mocznika i jego pochodnych w przemyśle kosmetycznym. Chemik, 68(2), 91-96.

Komentarze
Dołącz do dyskusji
Brak komentarzy
Oceń przydatność informacji
- (brak)
Twoja ocena