متانول به عنوان ماده شیمیایی پایه در صنایع مختلف

مقدمه

متانول که با نام الکل متیلیک یا الکل چوب نیز شناخته می شود ، یک ترکیب تک کربنه ساده است که نقشی بنیادی در دنیای صنعتی مدرن ایفا می کند. این مایع بی رنگ ساده ترین الکل (CH3OH) و یک ماده شیمیایی بسیار کاربردی است که در طیف گسترده ای از محصولات و فرایندها یافت می شود. از خوراک شیمیایی بنیادی گرفته تا یک سوخت پاک ، متانول به یک ماده شیمیایی ضروری تبدیل شده اند که محرک بسیاری از بخش های اقتصاد است.

تولید متانول و ویژگی های اصلی آن

متانول در سراسر جهان به صورت انبوه تولید می شود و عمدتاً از طریق تبدیل کاتالیستی گاز سنتز (مخلوط مونوکسید کربن و هیدروژن) حاصل از گاز طبیعی ، زغال سنگ یا زیست توده به دست می آید. این ترکیب یک الکل سبک و فرار می باشد که بوی مشخصی دارد و با آب و اکثر حلال های آلی قابل امتزاج است. به عنوان یک ماده پایه ، ویژگی های متانول از جمله محتوای بالای هیدروژن و احتراق پاک آن باعث جذابیت آن به عنوان سوخت و خوراک می شود. تولید صنعتی متانول برای پاسخ به تقاضای فزاینده گسترش یافته و سالانه به حدود ۱۰۰ میلیون تن متریک در جهان رسیده است. تولید متانول از خوراک های متنوع از جمله منابع تجدیدپذیری مانند پسماند کشاورزی یا CO2 بازیافتی نیز متانول را به عنوان یک ماده خام پایدار بالقوه در آینده مطرح کرده است.

متانول به عنوان خوراک صنایع شیمیایی

بخش عمده ای از متانول تولیدی در جهان به عنوان ماده اولیه برای سنتز سایر مواد شیمیایی استفاده می شود. متانول یک خوراک برای تولید ترکیبات ضروری مانند فرمالدهید ، اسید استیک ، متیل ترت بوتیل اتر (MTBE) و موارد دیگر است. در صنایع شیمیایی ساختار تک کربنه متانول آن را به ماده آغازگر ایده آلی برای محصولات کربن دار تبدیل می کند. برای مثال متانول به سادگی به فرمالدهید تبدیل می شود و سپس از فرمالدهید رزین ها ، پلاستیک ها و چسب هایی برای صنایع ساخت وساز و خودروسازی تولید می گردد. به طور مشابه متانول به اسید استیک تبدیل می شود که ماده کلیدی در تولید پلیمرهایی مانند الیاف پلی استر و پلاستیک PET است. مشتقات مهم دیگر شامل MTBE (افزودنی بنزین که اکتان سوخت را بالا می برد) و دی متیل اتر (یک پیشران تمیز اسپری ها و جایگزین گازوئیل) هستند. جدول زیر برخی از مواد شیمیایی کلیدی مشتق شده از متانول و کاربرد صنعتی آن ها را خلاصه می کند:

نقش متانول در تولید پلاستیک ها و پلیمرها

در صنعت پلاستیک متانول به عنوان یک منبع کربن برای بسیاری از مواد مصنوعی نقش غیرقابل جایگزینی دارد. بزرگ ترین نقش متانول در زندگی روزمره (محصولات رایج حاوی متانول) به عنوان پیش ماده تولید پلاستیک ها و پلیمرها است. از طریق فرآیندهایی مانند تبدیل متانول به اولفین ها (MTO)، متانول می تواند به مواد پتروشیمیایی حیاتی مانند اتیلن و پروپیلن تبدیل شود که با پلیمریزاسیون آن ها پلاستیک های رایج (مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن) تولید می شوند. علاوه بر این فرمالدهید مشتق از متانول پلیمریزه شده و پلاستیک های مهندسی مانند پلی استال (POM) را ایجاد می کند که برای ساخت قطعات بادوام مانند چرخ دنده ها و اجزای خودرویی استفاده می شوند. متیل متاکریلات حاصل از متانول نیز تولید پلیمرهای اکریلیک (PMMA) را تغذیه می کند که در ساخت شیشه های نشکن (جایگزین شیشه معمولی) و رنگ ها به کار می رود. حتی تولید الیاف پلی استر نیز با متانول مرتبط است : اسید استیک مشتق شده از متانول در فرایند ساخت الیاف پلی استر و بطری های PET مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع متانول در ریشه زنجیره تامین پلیمرها قرار دارد و امکان ایجاد بی شمار محصولات پلاستیکی را از منسوجات و بسته بندی گرفته تا قطعات خودرویی فراهم می کند.

متانول به عنوان سوخت و منبع انرژی

فراتر از تولید مواد شیمیایی متانول به عنوان یک حامل انرژی و سوخت مهم نیز عمل می کند. به عنوان یک سوخت مایع متانول می تواند در موتورهای احتراق داخلی وسایل نقلیه استفاده شود و مدت ها به دلیل عدد اکتان بالا و ماهیت پاک سوز خود یک سوخت مسابقه ای ترجیحی (خصوصاً در مسابقات ایندی کار) بوده است. متانول را می توان با بنزین ترکیب کرد تا انتشار آلاینده ها کاهش یابد. به عنوان مثال مخلوط هایی مانند M15 (حاوی ۱۵٪ متانول) و M85 (حاوی ۸۵٪ متانول) در برخی مناطق برای تامین سوخت خودروها بدون نیاز به تغییرات عمده در موتور به کار می روند. در دهه ۱۹۹۰ خودروهای با سوخت انعطاف پذیر توسعه یافتند که می توانستند با مخلوط های دارای درصد بالای متانول کار کنند. امروزه کشورهایی مانند چین به طور فعال استفاده از ترکیب متانول-بنزین را برای کاهش آلودگی هوا در شهرها و کاهش واردات نفت ترویج می کنند. متانول همچنین در تولید بیودیزل حیاتی است : این ماده با روغن های گیاهی یا چربی های حیوانی وارد واکنش ترانس استریفیکاسیون می شود تا استرهای متیل اسیدهای چرب (سوخت دیزل تجدیدپذیر) تولید شوند. به عنوان سوخت ، متانول در مقایسه با بنزین یا گازوئیل معمولی آلاینده های دوده و NOx کمتری تولید می کند و آن را به گزینه ای جذاب برای حمل و نقل پاک تر تبدیل کرده است.

استفاده از متانول به عنوان سوخت دریایی

صنعت کشتیرانی به طور فزاینده ای به متانول به عنوان سوخت دریایی روی آورده است تا مقررات سخت گیرانه تر انتشار آلاینده ها را رعایت کند. سوخت های سنتی کشتی ها حاوی گوگرد هستند و آلودگی قابل توجهی منتشر می کنند. در مقابل متانول فاقد گوگرد است و سوختن آن مقادیر بسیار کمتری از اکسیدهای نیتروژن (NOx)، اکسیدهای گوگرد (SOx) و ذرات معلق ایجاد می کند. موتورهای دریایی را می توان برای کار با متانول تطبیق داد یا طراحی نمود ، چه به صورت خالص و چه در سیستم های دوگانه سوز. پیشگامانی مانند برخی شرکت های کشتیرانی مسافری ، تبدیل موتور کشتی ها به سوخت متانول را آغاز کرده اند تا با استانداردهای زیست محیطی سازگار شوند (برای مثال الزامات سازمان بین المللی دریانوردی برای کاهش انتشار گوگرد). مزایای متانول در استفاده دریایی شامل حالت مایع آن در شرایط محیطی که ذخیره سازی سوخت را در مقایسه با LNG ساده تر می کند ، قابلیت تجزیه زیستی آن (کاهش اثر زیست محیطی در صورت نشت در دریا) و ایمنی نسبی آن (خطر آتش سوزی کمتر نسبت به بنزین) است. با تلاش جهانی برای یافتن سوخت های پاک تر ، متانول به عنوان گزینه ای عملی برای تامین نیروی کشتی ها با آلودگی کمتر مطرح شده است.

متانول در تولید برق و پیل های سوختی

نقش متانول در حوزه انرژی به تولید برق و فناوری های نوین پیل سوختی نیز گسترش می یابد. در برخی مناطق ، دیگ های صنعتی و کوره ها از متانول به عنوان سوخت برای تولید حرارت و برق استفاده می کنند که جایگزینی پاک تر برای زغال سنگ یا نفت کوره محسوب می شود. علاوه بر این متانول می تواند به دی متیل اتر (DME) تبدیل شود که قابلیت استفاده در توربین های گاز و موتورهای دیزل اصلاح شده برای تولید برق را دارد. یکی از کاربردهای ویژه متانول در پیل های سوختی مستقیم متانول (DMFC) است که در آن متانول مستقیماً بدون احتراق برای تولید برق به کار می رود. پیل های سوختی متانولی در دماهای پایین کار می کنند و می توان آن ها را بسیار کوچک ساخت ، بنابراین برای بسته های نیروی قابل حمل ، شارژرهای باتری و حتی منبع برق کمکی در وسایل نقلیه مناسب هستند. پیل های متانولی این امکان را دارند که دستگاه های الکترونیکی و تجهیزات خارج از شبکه را به شکلی بی صدا و کارآمد نیرو بخشند ، چگالی انرژی بالای متانول و حالت مایع آن ، نگهداری آن را نسبت به گاز هیدروژن آسان تر می کند. با پیشرفت این فناوری ها ، سیستم های قدرت مبتنی بر متانول می توانند راه حل های انرژی پاک برای نیروگاه های ثابت و تجهیزات الکترونیکی قابل حمل فراهم کنند.

کاربردهای متانول در صنعت خودروسازی

خرید متانول شیراز گالن 20 لیتری به طرق مختلف بر صنعت خودروسازی تاثیر می گذارد. گذشته از استفاده آن به عنوان سوخت جایگزین ، محصولات مشتق از متانول برای تولید و نگهداری خودروها ضروری هستند. بسیاری از مواد مصنوعی در خودروها منشا شیمی متانولی دارند : برای مثال قطعات پلاستیکی در داخل خودرو ، داشبوردها و چراغ ها اغلب از رزین ها و پلیمرهایی ساخته می شوند که از طریق متانول تولید شده اند (مانند شیشه اکریلیک برای چراغ های عقب یا پلی استال ها برای قطعات موتور). رزین ها و فوم های متانول بنیان در ساخت عایق های صوتی و فوم صندلی استفاده می شوند. در نگهداری خودرو متانول به عنوان ماده اصلی در مایع شیشه شور ماشین حضور دارد زیرا خاصیت ضدیخ دارد (نقطه انجماد مایع را پایین می آورد و از یخ زدگی شیشه ها در هوای سرد جلوگیری می کند). در گذشته متانول به عنوان ضدیخ در مایع خنک کننده موتور نیز استفاده می شد تا قبل از اینکه اتیلن گلیکول رایج شود. علاوه بر این برخی از ارتقاء دهنده های عملکرد موتور از تزریق آب-متانول برای افزایش قدرت استفاده می کنند. فرآیندهای رنگ و پوشش خودرو نیز از مشتقات متانول بهره می برند : رنگ ها و روکش های باکیفیت خودرو اغلب از حلال ها و افزودنی های مشتق از متانول برای خشک شدن سریع و دوام بالا استفاده می کنند. در مجموع از مرحله تولید در کارخانه تا استفاده نهایی توسط مصرف کننده ، خودروها برای عملکرد و ایمنی خود به مواد و سیالات مبتنی بر متانول متکی هستند.

مصالح ساختمانی و رزین های متانول پایه

صنعت ساخت وساز به شدت به مواد شیمیایی مشتق از متانول برای تولید مصالح با کارایی بالا وابسته است. رزین های فرمالدهید تولید شده از متانول در مرکز بسیاری از محصولات ساختمانی قرار دارند. رزین های اوره-فرمالدهید و فنول-فرمالدهید به عنوان چسب در تخته سه لایی ، تخته خرده چوب و لمینت ها عمل می کنند و الیاف چوب را در مبلمان و پنل های ساختمانی به هم می چسبانند. این رزین ها استحکام ساختاری و مقاومت در برابر آب را در محصولات چوبی مهندسی شده که برای کفپوش ، کابینت سازی و دیوارپوش ها به کار می روند فراهم می کنند. رزین های ملامین-فرمالدهید (یکی دیگر از محصولات مبتنی بر متانول) در لمینت ها و پوشش های سطحی صفحات کابینت و پانل های تزئینی استفاده می شوند و سختی و مقاومت حرارتی ایجاد می کنند. اسید استیک مبتنی بر متانول به تولید وینیل استات کمک می کند که با پلیمریزاسیون به پلی وینیل استات (PVA) تبدیل می شود ، همان چسب چوب یا چسب سفید معروف که به طور گسترده در ساخت وساز و کار با چوب مصرف می شود. در رنگ ها و پوشش های ساختمانی ، حلال هایی مانند متانول خود این ماده یا مشتقات آن به دستیابی به گرانروی مناسب و زمان خشک شدن مطلوب کمک می کنند. استفاده از متانول در مصالح ساختمانی باعث می شود که چسب های قوی, پوشش های بادوام و محصولات کامپوزیت چوبی فراهم شوند که ساخت بناهای مدرن را امکان پذیر می کنند.

کاربردهای پزشکی و دارویی متانول

در صنعت داروسازی ارزش متانول عمدتاً به عنوان حلال و واکنش گر در فرایندهای سنتزی است. بسیاری از مواد موثره دارویی API ها و ویتامین ها با استفاده از متانول به عنوان حلال تولید یا تخلیص می شوند ، زیرا قطبیت متانول و توانایی آن در حل کردن گستره وسیعی از ترکیبات بالا است. برای مثال در تولید کلسترول برخی آنتی بیوتیک ها (مانند استرپتومایسین) ، ویتامین ها مانند ویتامین A و E و هورمون ها اغلب متانول در مرحله ای برای استخراج یا تبلور حضور دارد. همچنین از متانول برای واسپیرایش اتانول (تولید الکل دناتوره یا الکل صنعتی) برای مصارف پزشکی و آزمایشگاهی استفاده می شود. مقدار کمی متانول به اتانول افزوده می شود تا آن را برای مصرف انسان نامناسب کند ، که این روش در ضدعفونی کننده ها یا معرف های آزمایشگاهی متداول است. در آزمایشگاه های پزشکی متانول برای ثابت کردن بافت ها و سلول ها روی لام های میکروسکوپ استفاده می شود (مثلاً در تهیه گسترش خون). البته باید احتیاط کرد : با وجود کاربردها در داروسازی ، متانول در صورت بلع برای انسان سمی است و رعایت دستورالعمل های ایمنی هنگام کار با آن در محیط های پزشکی ضروری است. صنعت داروسازی برای تولید داروها و محصولات پزشکی به متانول وابسته است که نقش آن را فراتر از صنایع سنگین و در حوزه سلامت و پزشکی نشان می دهد.

متانول در کشاورزی و صنایع وابسته

بخش کشاورزی به شیوه های متعددی از مواد شیمیایی مشتق از متانول بهره می برد. یکی از کاربردهای مهم سنتز آفت کش ها و علف کش ها است. از متانول برای تولید متیل آمین ها (مانند مونومتیل آمین ، دی متیل آمین) استفاده می شود که بلوک های ساختمانی برای چندین ترکیب شیمیایی کشاورزی هستند ، از جمله برخی علف کش ها و قارچ کش ها که از محصولات زراعی محافظت می کنند. علاوه بر این فرمالدهید حاصل از متانول برای ایجاد کودهای آزادسازی آهسته (مانند کود اوره-فرمالدهید) استفاده می شود که به تدریج نیتروژن را به خاک می افزایند. برخی ضدعفونی کننده های خاک و ضد باکتری ها نیز در گذشته حاوی ترکیبات مشتق از متانول بودند (برای مثال برمومتان یک ضدعفونی کننده خاک بود که از متانول ساخته می شد ، هرچند اکنون حذف شده است). خود متانول نیز به عنوان یک تقویت کننده رشد گیاه در دوزهای کم مورد پژوهش قرار گرفته است. محلول های رقیق متانول به صورت افشانه برگی آزمایشی برای بهبود رشد گیاهان در شرایط خاص استفاده شده اند ، هرچند هنوز به کار معمول تبدیل نشده است. در ماشین آلات کشاورزی ، بیودیزل تولیدشده با متانول به تراکتورها و ماشین آلات سوخت رسانی می کند و انتشارات کمتری نسبت به سوخت های فسیلی دارد. در مجموع متانول با امکان پذیر ساختن تولید مواد شیمیایی که عملکرد محصول را افزایش داده و از گیاهان محافظت می کنند و همچنین با فراهم کردن گزینه های سوخت پاک تر برای ماشین آلات کشاورزی به بخش کشاورزی کمک می کند.