اهمیت متانول در صنعت و زندگی

مقدمه

متانول یک ماده شیمیایی ساده اما به شکل شگفت آوری همه کاره است که در صنعت مدرن و زندگی روزمره نقشی حیاتی ایفا می کند. این ماده که به عنوان الکل متیلیک یا الکل چوب نیز شناخته می شود ، ساده ترین عضو خانواده الکل ها است با فرمول CH3OH . متانول مایعی بی رنگ و اشتعال پذیر با بویی متمایز است که قابلیت حل شدن در آب و بسیاری حلال های دیگر را دارد. این الکل تک کربنه از نظر مولکولی شاید کوچک باشد ، اما تأثیری بسیار بزرگ دارد زیرا به عنوان سنگ بنای بی شماری از محصولات عمل می کند و یک سوخت با احتراق پاک تر محسوب می شود. از کارخانه هایی که پلاستیک و سوخت تولید می کنند تا محصولات روزمره در خانه های ما ، اهمیت متانول را نمی توان ناچیز دانست.

متانول چیست؟

از دیدگاه شیمیایی ، متانول چیست؟ متانول یک نوع الکل است به این معنا که مولکول آن دارای یک گروه هیدروکسیل (-OH) متصل به یک اتم کربن است. در واقع ساده ‌ترین الکل به شمار می ‌رود که از یک اتم کربن ، سه اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است فرمول شیمیایی آن CH3OH است. متانول در دمای اتاق مایعی سبک و فرار است که در حدود ۶۵ درجه سانتی ‌گراد به جوش می ‌آید. متانول لقب الکل چوب را کسب کرده است زیرا زمانی آن را با تقطیر چوب در غیاب هوا تولید می ‌کردند. امروزه متانول خالص به طور معمول از طریق فرآیند های شیمیایی تولید می ‌شود نه تقطیر چوب. متانول با شعله ای پاک می ‌سوزد (که در روشنایی روز تقریباً نامرئی به نظر می ‌رسد) و دی اکسید کربن و آب آزاد می کند. اما برخلاف خویشاوند نزدیکش یعنی اتانول (الکل نوشیدنی) ، متانول در صورت نوشیدن حتی مقادیر کم برای انسان بسیار سمی است. با وجود سمی بودن ویژگی های شیمیایی متانول آن را فوق العاده مفید کرده است. این ماده به آسانی در آب و سایر مواد حل می ‌شود و به همین دلیل یک حلال و واکنش گر عالی به شمار می آید. سادگی و واکنش پذیری متانول باعث می‌ شود که بتوان آن را به مجموعه گسترده ای از مواد شیمیایی و سوخت های ارزشمند دیگر تبدیل کرد و همین امر نشان می ‌دهد چرا متانول یکی از مهم ‌ترین مواد پایه شیمیایی در جهان محسوب می ‌شود.

تولید متانول

تولید مدرن متانول عمدتاً بر پایه شیمی گاز سنتز است ، که از ترکیب مونوکسید کربن (CO) و هیدروژن (H₂) حاصل می ‌شود. این گاز سنتز معمولاً از ریفرمینگ بخار گاز طبیعی یا گازی ‌سازی زغال ‌سنگ و زیست ‌توده به دست می ‌آید. در حضور کاتالیزورهای مسی و تحت دما و فشار بالا ، واکنش CO و H₂، متانول (CH₃OH) را با بازده بالا تولید می ‌کند. گاز طبیعی رایج ‌ترین خوراک است اما در مناطق دارای منابع فراوان زغال ‌سنگ یا برای اهداف پایدار ، روش ‌های جایگزین مانند گازگیری زیست ‌توده یا تولید متانول سبز نیز استفاده می ‌شوند. متانول سبز از ترکیب CO₂ جذب‌ شده و هیدروژن تجدیدپذیر (از الکترولیز آب با انرژی پاک) ساخته می ‌شود و ردپای کربنی پایینی دارد. امروزه ظرفیت تولید جهانی از مرز ۱۰۰ میلیون تن در سال گذشته است و این ماده نقشی کلیدی در صنایع شیمیایی و انرژی ایفا می‌ کند.

متانول به عنوان ماده اولیه شیمیایی

خرید متانول شیراز نقش کلیدی به ‌عنوان ماده اولیه در صنایع شیمیایی دارد و مبنای تولید بسیاری از ترکیبات پرکاربرد است. حدود یک ‌سوم تولید جهانی آن به فرمالدهید تبدیل می‌ شود که در ساخت پلاستیک‌ ها ، رزین ‌ها و چسب‌ ها کاربرد دارد. مشتق مهم دیگر اسید استیک است که در تولید پلیمرها ، الیاف ، حلال ‌ها و حتی به ‌صورت سرکه در صنایع غذایی استفاده می‌ شود. متانول همچنین برای تولید متیل ترت بوتیل اتر (MTBE) جهت بهبود احتراق بنزین ، دی ‌متیل اتر (DME) به ‌عنوان سوخت و پیشران اسپری ‌ها ، متیل ‌آمین ‌ها در داروسازی و کشاورزی و کلرومتان ‌ها در ساخت سیلیکون‌ ها به ‌کار می ‌رود. از طریق واکنش ‌هایی مانند اکسیداسیون ، هیدروژناسیون ، آب ‌گیری و کربونیل ‌دار کردن این ترکیب ساده به مجموعه ‌ای گسترده از مواد شیمیایی و سوخت ‌های ارزشمند تبدیل می ‌شود. جدول زیر چند نمونه از مواد شیمیایی مهم مشتق شده از متانول و کاربردهای آن ها را نشان می ‌دهد:

همان طور که در بالا نشان داده شد ، ارزش متانول با توجه به محصولات مهمی که به تولیدشان کمک می ‌کند چند برابر می ‌شود. بدون متانول تولید اقتصادی و کافی بسیاری از این مواد شیمیایی و محصولات روزمره دشوار می ‌بود.

پلاستیک ها و مواد مصنوعی حاصل از متانول

متانول نقشی اساسی در دنیای پلاستیک ‌ها و مواد مصنوعی دارد و از طریق مشتقاتی مانند فرمالدهید و اسید استیک ، مسیر تولید انواع پلیمرها را فراهم می ‌کند. رزین‌ های فرمالدهید مانند اوره ‌فرمالدهید و فنول ‌فرمالدهید در ساخت چسب‌ ها ، پلاستیک ‌ها ، تخته‌ های فشرده، لمینت ‌ها و لوازم برقی به ‌کار می ‌روند. پلی ‌استال (POM) ، یک پلاستیک مهندسی مقاوم از پلیمریزاسیون فرمالدهید تولید شده و در قطعات خودرو و دستگاه‌ های الکترونیکی استفاده می ‌شود. اسید استیک مشتق ‌شده از متانول برای تولید پلی‌ وینیل‌ استات (در رنگ ‌ها و چسب ‌ها) ، سلولز استات (در منسوجات و فیلم عکاسی) و PET (برای بطری ‌ها و الیاف پلی ‌استر) ضروری است. همچنین فناوری تبدیل متانول به اولفین (MTO) در کشورهایی با منابع نفتی محدود ، متانول را به اتیلن و پروپیلن واحدهای سازنده پلی ‌اتیلن و پلی ‌پروپیلن تبدیل می ‌کند. از بسته ‌بندی ‌های غذایی تا قطعات خودرو و تجهیزات روزمره ردپای متانول در بخش بزرگی از محصولات پلاستیکی مدرن دیده می ‌شود.

رنگ ها ، چسب ها و مواد ساختمانی

مشتقات متانول نقش مهمی در ساخت‌ وساز و بهبود خانه دارند. رنگ‌ ها و پوشش‌ ها اغلب حاوی ترکیباتی از متانول هستند ؛ اسید استیک مشتق ‌شده از آن در تولید بسپارهای رنگ و افزودنی ‌ها به‌ کار می ‌رود و موجب چسبندگی بهتر و دوام بیشتر رنگ می ‌شود. چسب ‌های صنایع چوب مانند آن ‌هایی که در تخته چندلایه ، MDF و لمینت استفاده می ‌شوند معمولاً از رزین ‌های اوره ‌فرمالدهید یا فنولیک ساخته شده‌ اند که مستقیماً از فرمالدهید و در نتیجه از متانول مشتق می ‌شوند. این رزین‌ ها استحکام و ماندگاری بالای پانل ‌های چوبی را تضمین می ‌کنند. متانول همچنین در تولید غیرمستقیم درزگیرها و فوم ‌ها نقش دارد. برای مثال برخی درزگیرهای سیلیکونی از کلرومتان حاصل از متانول ساخته می ‌شوند. به این ترتیب از رنگ ‌ها و چسب‌ ها تا درزگیرها شیمی متانول بی‌ صدا اما حیاتی ، دوام ، زیبایی و عملکرد محصولات ساختمانی را تضمین می‌ کند.

کاربردهای متانول در داروسازی و کشاورزی

متانول و مشتقاتش در داروسازی و کشاورزی کاربرد گسترده ‌ای دارند. در صنعت داروسازی متانول به‌ عنوان حلال یا ماده اولیه در سنتز داروها ، ویتامین ‌ها و مکمل ‌ها به ‌کار می‌ رود. تولید آنتی ‌بیوتیک ‌هایی مانند استرپتومایسین، برخی ویتامین ‌های گروه B ، هورمون ‌ها و داروهای کاهنده کلسترول اغلب به ترکیبات مشتق از متانول وابسته است. خاصیت حلالیت و خلوص بالای آن برای استخراج و خالص ‌سازی ترکیبات نیز ارزشمند است. همچنین فرمالین محلولی از فرمالدهید مشتق از متانول به ‌طور گسترده در پزشکی به‌ عنوان ضدعفونی‌ کننده و نگهدارنده نمونه ‌ها استفاده می ‌شود. در کشاورزی متانول از طریق تولید متیل ‌آمین ‌ها در ساخت آفت ‌کش ‌ها ، قارچ‌ کش ‌ها و تنظیم ‌کننده ‌های رشد گیاه نقش دارد و در برخی افزودنی ‌های کود شیمیایی نیز وجود دارد. گاهی به‌ عنوان حلال در فرمولاسیون آفت ‌کش ‌ها یا در کاربردهای آزمایشی برای افزایش رشد گیاهان استفاده می ‌شود. به این ترتیب متانول مستقیماً در بهبود سلامت انسان و حفاظت از محصولات کشاورزی سهم مهمی ایفا می ‌کند.

متانول به عنوان حلال صنعتی

متانول یکی از حلال‌ های قدیمی و پرکاربرد در صنایع و آزمایشگاه ‌هاست. ویژگی ‌هایی مانند اندازه مولکولی کوچک ، قطبیت و امتزاج‌ پذیری با آب و روغن ‌ها ، آن را برای حل طیف گسترده ‌ای از ترکیبات ایده ‌آل می ‌سازد. در صنعت متانول در تولید جوهر ، رزین ، رنگ و دارو به‌ عنوان حلال واکنش‌ دهنده ‌ها و برای کنترل شرایط واکنش استفاده می ‌شود. همچنین در فرمولاسیون رنگ ‌ها ، پاکسازی تجهیزات و آماده ‌سازی سطوح برای چسب و پلاستیک کاربرد دارد. در آزمایشگاه‌ ها متانول حلال استاندارد کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) و آنالیزهای طیف ‌سنجی است و برای استخراج ترکیبات و نگهداری نمونه ‌ها به ‌کار می‌ رود. این ماده در ژل ‌های سوختی ، الکل دناتوره و به‌ عنوان ضدیخ در خطوط نفت و گاز نیز استفاده می ‌شود. سرعت تبخیر بالا و عدم باقی ‌ماندن رسوب ، متانول را به حلالی همه‌ کاره و ارزشمند برای محیط‌ های صنعتی و پژوهشی تبدیل کرده است.

متانول به عنوان سوخت وسایل نقلیه

متانول علاوه بر کاربردهای صنعتی یک منبع انرژی مهم است و می ‌تواند به‌ عنوان سوخت موتورهای احتراق داخلی استفاده شود. در دنیای موتور اسپورت ، خودروهای مسابقه ‌ای مانند ایندیا ناپولیس 500 سال ‌ها با متانول خالص کار کرده ‌اند ، زیرا عدد اکتان بالای آن امکان استفاده در موتورهای با تراکم بالا و تولید توان بیشتر را فراهم می ‌کند. سوخت ‌های ترکیبی مانند M15 (15٪ متانول) یا درصدهای بالاتر در کشورهای مختلف آزمایش شده ‌اند تا مصرف بنزین و آلایندگی کاهش یابد. در چین حتی خودروها و اتوبوس ‌ها با متانول خالص یا درصد بالا سوخت ‌گیری می ‌شوند. هر چند متانول انرژی حجمی کمتری از بنزین دارد ، اما هزینه پایین‌ تر و کارایی بالاتر در موتورهای خاص این ضعف را جبران می‌ کند. برای استفاده باید سامانه سوخت از مواد مقاوم به خوردگی ساخته شود. مزایای زیست ‌محیطی شامل کاهش دوده و NOx است و تبخیر متانول در ورودی هوا موجب خنک ‌سازی و افزایش توان موتور می ‌شود. همچنین متانول را می‌ توان از منابع تجدیدپذیر تولید کرد ، که آن را به گزینه ‌ای آینده‌ دار برای سوخت پاک و جایگزین در حمل‌ و نقل بدل می ‌سازد.

متانول به عنوان سوخت دریایی

متانول به‌ عنوان سوختی پاک برای صنعت حمل ‌و نقل دریایی در حال گسترش است. برخلاف نفت کوره سنگین ، متانول بدون گوگرد می ‌سوزد و هیچ SOx تولید نمی ‌کند ، ضمن اینکه دوده و ذرات معلق بسیار کمتری ایجاد می‌ کند. در موتورهای دریایی ویژه متانول همچنین می ‌تواند انتشار NOx را نسبت به دیزل دریایی کاهش دهد. این مزایا موجب اجرای پروژه‌ های پایلوت و تجهیز تانکرها و کشتی ‌های مسافری مدرن به سوخت متانول شده است. متانول در دمای محیط مایع است و نسبت به LNG که نیاز به سرمایش شدید دارد ، ذخیره و بانکرینگ ساده ‌تری دارد ، هرچند به اصلاحاتی برای مقابله با خورندگی و سمیت نیاز است. سوخت ‌رسانی آن مشابه سوخت‌ های متداول بوده و پذیرش آن را در بنادر آسان‌ تر می‌ کند. از نظر ایمنی ، نقطه اشتعال بالاتر و زیست ‌تخریب ‌پذیری متانول خطر نشت را کاهش می ‌دهد. با افزایش مقررات کاهش آلایندگی استفاده از متانول در کشتی ‌های کانتینری ، مسافری و نفتکش رو به رشد است و این سوخت در مسیر تبدیل ‌شدن به گزینه ‌ای پایدار برای حمل‌ و نقل دریایی جهانی قرار دارد.

متانول برای تولید انرژی

متانول علاوه بر حمل‌ و نقل در تولید برق و تأمین حرارت نیز کاربرد دارد. در کشورهایی مانند چین دیگ ‌های صنعتی و کوره ‌ها به ‌جای زغال ‌سنگ یا نفت سنگین با متانول کار می ‌کنند و بخار موردنیاز کارخانه‌ ها یا گرمایش ساختمان‌ ها را تأمین می ‌نمایند. این جایگزینی دود و گوگرد حاصل از سوخت ‌های فسیلی سنگین را حذف کرده و کیفیت هوای شهری را بهبود می ‌بخشد. دیگ‌ های سوخت متانول می‌ توانند مقررات سختگیرانه آلایندگی را رعایت کنند و گرما و انرژی مطمئنی فراهم آورند. در مقیاس کوچک ‌تر ژنراتورهای برق پشتیبان (مثلاً برای دکل ‌های مخابراتی) و حتی برخی توربین‌ های گازی یا نیروگاه‌ های سیکل ترکیبی می ‌توانند با متانول کار کنند ، به ‌ویژه در مناطقی که گاز طبیعی کمیاب است. در بخش خانگی اجاق ‌های ویژه پخت‌ و پز و گرمایش با متانول سوختی پاک و بی ‌دود ارائه می ‌دهند که عمدتاً CO₂ و بخار آب تولید می‌ کند. این فناوری در مناطق در حال توسعه برای کاهش مشکلات تنفسی ناشی از دود و فراهم‌کردن سوخت کارآمد در حال ترویج است.

سلول های سوختی متانولی و اقتصاد متانول

متانول در فناوری ‌های نوین به‌ ویژه پیل ‌های سوختی و به‌ عنوان حامل انرژی در اقتصاد متانول آینده جایگاه ویژه ‌ای یافته است. در پیل سوختی مستقیم متانول (DMFC) ، متانول مایع مستقیماً به برق و حرارت تبدیل می‌ شود و برای کاربردهایی مانند شارژرهای قابل‌حمل ، لیفتراک ‌ها و تجهیزات دورافتاده که ذخیره هیدروژن دشوار است ، ایده ‌آل محسوب می ‌شود. مزیت آن سهولت ذخیره و حمل سوخت مایع نسبت به هیدروژن فشرده است. همچنین متانول می ‌تواند در پیل‌ های سوختی هیدروژنی متداول از طریق ریفورمینگ به هیدروژن تبدیل و درجا مصرف شود ؛ رویکردی که در خودروها و سامانه ‌های بزرگ ‌تر آزمایش می ‌شود. مفهوم اقتصاد متانول این ایده ‌ها را گسترش داده و متانول را به ‌عنوان حامل انرژی و ماده اولیه جهانی جایگزین نفت در نظر می‌ گیرد. در این سناریو ، برق تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن به‌ کار می ‌رود که سپس با CO₂ بازیافتی ترکیب شده و متانول سبز تولید می ‌شود. این متانول می‌ تواند برای حمل ‌و نقل دریایی ، هوایی و زمینی ، تولید سوخت جت و ساخت مواد شیمیایی و پلاستیک ‌ها استفاده شود و همزمان انتشار خالص گازهای گلخانه ‌ای را کاهش دهد. مایع بودن متانول و زیرساخت جهانی موجود برای سوخت‌ های مایع ، گذار به این اقتصاد را ساده ‌تر می ‌کند. این رویکرد در حال حاضر با پروژه‌ های تبدیل برق به متانول و توسعه کاربردهای حمل ‌و نقلی در حال پیشرفت است.