متانول سوختی و متانول شیمیایی ( کاربرد به عنوان سوخت یا خوراک )

مقدمه

متانول یک الکل بسیار همه کاره است که هم به عنوان سوخت و هم به عنوان یک خوراک شیمیایی حیاتی در صنایع مختلف استفاده می‌شوند. این ترکیب ساده تک کربنه که اغلب الکل چوب نامیده می شود، به یکی از پر مصرف ترین مواد شیمیایی آلی در سراسر جهان تبدیل شده است. متانول به طور پاک می سوزد تا به موتور ها نیرو بدهد و انرژی تولید کند، و در عین حال به عنوان یک سنگ بنای اساسی برای بی شمار محصول در صنعت شیمیایی عمل می کند. در سال های اخیر متانول به عنوان یک سوخت جایگزین که می تواند به کاهش انتشار آلاینده ها در حمل و نقل زمینی و دریایی کمک کند، بار دیگر مورد توجه قرار گرفته است. همزمان نقش آن به عنوان یک ماده خام ضروری برای تولید پلاستیک ها، حلال ها و سایر مواد شیمیایی بر اهمیت آن در بخش تولید تاکید می کند. در این مرور جامع، متانول سوختی و متانول شیمیایی را بررسی می کنیم، از نحوه تولید متانول گرفته تا کاربرد آن به عنوان سوخت و به عنوان خوراک شیمیایی، و همچنین مزایا و چالش هایی که متانول در هر دو زمینه دارد.

متانول چیست؟

متانول که با نام متیل الکل نیز شناخته می شود، ساده ترین الکل با فرمول شیمیایی CH3OH است. این ماده یک مایع سبک و بی رنگ است که قابل اشتعال و فرار بوده و بویی ملایم و کمی شیرین دارد. بر خلاف اتانول (الکل نوشیدنی)، متانول حتی در مقادیر کم برای انسان بسیار سمی است. در گذشته، متانول را از طریق تقطیر خشک چوب تولید می کردند، به همین دلیل گاهی به آن الکل چوب گفته می شود. امروزه عمدتاً از گاز سنتز حاصل از گاز طبیعی یا سایر هیدروکربن ها تولید می شود. متانول صنعتی و آزمایشگاهی (تفاوت در خلوص) از نظر کاربرد و میزان ناخالصی با یکدیگر تفاوت دارند؛ نوع صنعتی معمولاً برای سوخت، تولید فرمالدهید و کاربردهای شیمیایی به کار می‌ رود، در حالی که نوع آزمایشگاهی با خلوص بالاتر برای مصارف تحلیلی و تحقیقاتی استفاده می‌ شود. ساختار مولکولی متانول از یک اتم کربن متصل به سه اتم هیدروژن و یک گروه هیدروکسیل تشکیل شده است که آن را به کوچک ترین عضو خانواده الکل ها تبدیل می کند. متانول به راحتی با آب و اکثر حلال های آلی مخلوط می شود. با داشتن نقطه جوش حدود ۶۵ درجه سانتی گراد، متانول سریع تر از آب تبخیر می شود. ویژگی های کلیدی آن از جمله عدد اکتان بالا هنگام استفاده به عنوان سوخت و قابلیت شرکت در واکنش های شیمیایی متعدد متانول را به ماده ای فوق العاده همه کاره برای کاربرد های انرژی و صنعتی تبدیل کرده است. متانول همچنین از جمله مواد شیمیایی آلی است که تولید آن در سطح جهان بسیار بالا است؛ سالانه بیش از ۱۰۰ میلیون تن متانول مصرف می شود که این امر نقش حیاتی آن در اقتصاد مدرن را نشان می دهد.

تولید متانول

امروزه تولید متانول عمدتاً بر پایه واکنش شیمیایی گاز سنتز قرار دارد؛ گاز سنتز مخلوطی از هیدروژن (H2) و مونوکسید کربن (CO) است. مرسوم ترین خوراک گاز طبیعی است که آن را با بخار واکنش می دهند تا گاز سنتز تولید شود؛ سپس این گاز سنتز به صورت کاتالیستی به متانول تبدیل می شود. در واحدهای بزرگ مقیاس، از کاتالیزورهای پایه مس استفاده می شود تا CO، CO2 و H2 تحت فشار بالا و دمای متوسط واکنش داده و متانول مایع تولید شود. در مناطقی که گاز طبیعی ارزان در دسترس نیست، از زغال سنگ استفاده می شود. زغال سنگ را ابتدا به گاز سنتز تبدیل کرده و سپس با یک فرایند سنتز مشابه، متانول تولید می کنند. این مسیر تبدیل زغال سنگ به متانول در کشورهایی مانند چین اهمیت زیادی دارد. متانول همچنین می تواند از منابع تجدیدپذیر تولید شود: زیست توده را می توان به گاز سنتز تبدیل کرد، یا دی اکسید کربن را جذب و با هیدروژن سبز هیدروژنه کرد تا متانول سبز به دست آید. این مسیرهای پایدار به دلیل کاهش ردپای کربن متانول مورد توجه بیشتری قرار گرفته اند. در گذشته، متانول یکی از محصولات جانبی فرآوری چوب بود، اما روش های تولید امروزی فرآیندهایی پیوسته و با بهره وری بسیار بالا هستند. تنوع خوراک ها از گاز طبیعی و زغال سنگ گرفته تا زیست توده و حتی CO2 سبب شده است که فرآیند تولید متانول بتواند با شرایط مختلف منابع به خوبی تطبیق یابد.

متانول به عنوان سوخت

از دیرباز متانول به عنوان یک سوخت جایگزین بالقوه برای موتورهای احتراق داخلی شناخته شده است. می توان از آن در موتورهای اشتعال جرقه ای (بنزینی) هم به صورت خالص و هم به صورت مخلوط با بنزین استفاده کرد. در واقع، تیم های مسابقه ای با کارایی بالا به مدت چندین دهه از سوخت متانول استفاده می کردند، زیرا عدد اکتان بالا و احتراق خنک تر آن امکان قدرت بیشتر را فراهم می کرد. امروزه علاقه فزاینده ای به سوخت های مخلوط متانول-بنزین مانند M15، M85 و حتی M100 برای خودروهای معمولی دیده می شود، به ویژه در مناطقی مانند چین که ترکیبات متانول-بنزین به طور گسترده آزمایش شده اند. متانول همچنین می تواند به سوخت های دیگر تبدیل شود. برای مثال از آن برای تولید MTBE (افزودنی بنزین جهت افزایش عدد اکتان) استفاده می شود، و با آبگیری متانول، دی متیل اتر (یک سوخت جایگزین دیزل) تولید می شود. علاوه بر این، متانول در برخی کاربردهای تخصصی نیز به عنوان سوخت عمل می کند مانند پیل های سوختی مستقیم متانولی و حتی در اجاق های پخت و پز یا چراغ های الکلی. در هنگام سوختن، نبود پیوندهای کربن-کربن در متانول به این معنی است که هیچ دوده ای تولید نمی کند و انتشار گوگرد یا ذرات بسیار ناچیزی دارد، که از بسیاری جهات آن را به سوختی پاک تر نسبت به بنزین یا گازوئیل معمولی تبدیل می کند. در محیط های صنعتی، حتی از متانول در بویلرها و توربین ها به عنوان جایگزینی برای سوخت های فسیلی آلاینده تر استفاده می شود که نشان دهنده همه کاره بودن آن به عنوان یک منبع انرژی است.

متانول به عنوان خوراک شیمیایی

فراتر از نقش آن به عنوان سوخت، متانول به عنوان یک ماده اولیه اساسی در صنعت شیمیایی اهمیت حتی بیشتری دارد. بخش عمده ای از متانول تولید شده در جهان به عنوان خوراک برای تولید سایر مواد شیمیایی و محصولات استفاده می شود. یکی از کاربردهای اصلی متانول در تولید فرمالدهید است که بخش قابل توجهی از تقاضای متانول را به خود اختصاص می دهد. فرمالدهید حاصل از متانول سپس برای ساخت رزین ها، چسب ها، پلاستیک ها و محصولات چوبی (مانند تخته سه لا و تخته خرده چوب) مورد استفاده قرار می گیرد. مشتق عمده دیگر، اسید استیک است که یک ماده شیمیایی ضروری برای ساخت پلیمرها، الیاف (مانند پلی استر) و حلال ها است. متانول همچنین در سنتز بی شمار ترکیب دیگر نقش دارد: از آن برای ساخت متیل ترت بوتیل اتر (MTBE) جهت اختلاط در سوخت، متیل متاکریلات برای پلاستیک های اکریلیک, و طیفی از حلال ها، ضد یخ ها و محصولات واسطه شیمیایی استفاده می شود. در واقع بسیاری از محصولات روزمره از رنگ ها و فوم ها گرفته تا الیاف مصنوعی و مواد بسته بندی، ریشه در متانول دارند. واکنش پذیری و ساختار ساده متانول آن را به یک بلوک سازنده مناسب تبدیل کرده است و به شیمی دانان اجازه می دهد متانول را به انبوهی از محصولات ارزشمند در بخش های گوناگون تبدیل کنند.

متانول سوختی در برابر متانول شیمیایی

اگرچه متانول از نظر شیمیایی همان ماده است – چه به عنوان سوخت و چه به عنوان ماده شیمیایی اما کاربردهای مختلف به الزامات خلوص متفاوتی نیاز دارند. متانول گرید شیمیایی که اغلب به آن گرید AA گفته می شود معمولاً دارای خلوص بسیار بالایی است، حدود ۹۹٫۸۵٪ متانول با ناخالصی های جزئی (مثل آب یا اتانول). این سطح از خلوص برای فرآیندهای شیمیایی مهم است، زیرا آلاینده ها می توانند کاتالیزورها و واکنش ها را مسموم یا مختل کنند. از سوی دیگر، متانول گرید سوختی می تواند اندکی خلوص کمتری داشته باشد (معمولاً ۹۸ تا ۹۹٪ متانول). موتورها عموماً نسبت به ناخالصی ها و حتی مقداری آب در متانول تحمل بیشتری دارند. در این میان خرید متانول کاوه مخزن IBC برای صنایع و مصرف‌ کنندگان بزرگ، گزینه‌ ای اقتصادی و مطمئن به شمار می‌ رود، زیرا این نوع بسته‌ بندی امکان حمل‌ و نقل ایمن، ذخیره‌ سازی طولانی‌ مدت و استفاده مستقیم در خطوط تولید را فراهم می‌ کند. در واقع استفاده از متانول با خلوص پایین تر برای سوخت می تواند هزینه های تولید را کاهش دهد، زیرا به عملیات تقطیر کمتر شدیدی نیاز دارد. متانول سوختی ممکن است همچنین شامل افزودنی هایی مانند بازدارنده های خوردگی یا رنگ دهنده ها باشد (به ویژه اگر به صورت تجاری به عنوان سوخت عرضه شود) تا کارکرد ایمن آن تضمین شده و از آسیب به سیستم سوخت جلوگیری شود. تفاوت کلیدی این است که متانول شیمیایی برای واکنش پذیری و ثبات در سنتز صنعتی بهینه شده است، در حالی که متانول سوختی برای هزینه کمتر و عملکرد کافی در کاربردهای احتراقی بهینه گشته است. به عنوان مثال در متانول گرید شیمیایی میزان آب تا حدود ۰٫۱٪ وزنی محدود می شود، در حالی که متانول گرید سوختی می تواند مقداری رطوبت بیشتر را بدون ایجاد مشکل در احتراق تحمل کند.

مزایای سوخت متانول

متانول به عنوان سوخت دارای چندین مزیت قابل توجه است. اولاً، متانول دارای عدد اکتان بسیار بالایی حدود ۱۱۰ RON است که به معنای مقاومت آن در برابر کوبش موتور می باشد. این ویژگی به موتورهای بهینه سازی شده برای متانول امکان می دهد از نسبت های تراکم یا فشار توربو بالاتری استفاده کنند که به بهره وری و توان خروجی بیشتری منجر می شود. متانول همچنین پاک تر از بنزین یا گازوئیل می سوزد: هیچ گوگردی ندارد، عملاً هیچ دوده یا ذرات معلقی تولید نمی کند و مقادیر کمتری از مواد سمی مانند بنزن را منتشر می کند. احتراق متانول می تواند (در صورت به کارگیری فناوری های مناسب موتور) اکسیدهای نیتروژن (NOx) کمتری تولید کند، و به علت محتوای کربن پایین تر متانول، میزان دی اکسید کربن آزاد شده به ازای واحد انرژی نیز کمتر است. مزیت دیگر این است که متانول در دمای محیط یک مایع است و ذخیره سازی، حمل و نقل و سوخت گیری آن آسان می باشد (بر خلاف سوخت های گازی مانند هیدروژن). همچنین متانول در آب و خاک زیست تخریب پذیر است، بنابراین آسیب های زیست محیطی ناشی از نشت آن در مقایسه با سوخت های نفتی کمتر شدید است. نکته مهم اینکه متانول را می توان از منابع تجدیدپذیر مانند زیست توده یا CO2 جذب شده با هیدروژن سبز تولید کرد، بنابراین در صورت تولید از این منابع راهی به سوی سوخت پاک تر و پایدار فراهم می کند.

مقایسه متانول با سوخت های دیگر: نکات کلیدی

برای درک ویژگی های متانول به عنوان سوخت، بهتر است آن را با سایر سوخت های رایج مانند اتانول، بنزین و گازوئیل مقایسه کنیم. متانول و اتانول هر دو سوخت الکلی هستند، در حالی که بنزین و گازوئیل سوخت های هیدروکربنی حاصل از پالایش نفت می باشند. یکی از تفاوت های عمده، میزان انرژی است: متانول به ازای هر لیتر انرژی بسیار کمتری نسبت به بنزین یا گازوئیل دارد. این چگالی انرژی حجمی پایین تر بدان معناست که برای پیمودن مسافت یکسان، متانول بیشتری لازم است که یک نقطه ضعف برای برد وسایل نقلیه محسوب می شود. با این حال عدد اکتان متانول بسیار بالاتر از بنزین است و نشان دهنده مقاومت بیشتر در برابر کوبش و امکان بازده بالاتر موتور است. در مقابل، سوخت دیزل چگالی انرژی بالایی دارد اما در نوع دیگری از موتور (اشتعال تراکمی) استفاده می شود و نمی توان آن را بر اساس عدد اکتان مقایسه کرد (دیزل با عدد ستان سنجیده می شود). متانول همچنین در ساختار مولکولی خود اکسیژن دارد، در حالی که بنزین و گازوئیل فاقد اکسیژن هستند. این امر به احتراق پاک تر متانول کمک می کند (دود و مونوکسید کربن کمتری تولید می شود). جدول زیر تفاوت های کلیدی برخی خواص متانول و چند سوخت دیگر را نشان می دهد و توضیح می دهد که چرا متانول رفتار متفاوتی دارد و چه مزایا یا محدودیت هایی برای آن وجود دارد. تفاوت مهم دیگر در اشتعال پذیری و ایمنی است: بخارات بنزین در دماهای بسیار پایین تری مشتعل می شوند (نقطه اشتعال حدود ۴۰- درجه سانتی گراد) در حالی که نقطه اشتعال متانول ۱۱ درجه است. گازوئیل حتی فراریت کمتری دارد (نقطه اشتعال بالای ۵۲ درجه سانتی گراد). متانول همچنین برای انسان سمی است (مصرف آن حتی در مقادیر کم می تواند باعث کوری یا مرگ شود)، در حالی که اتانول (الکل نوشیدنی) قابل مصرف است. بخارات بنزین و گازوئیل نیز سمی هستند و حاوی ترکیبات سرطان زا می باشند.

کاربردهای سوخت متانول در حمل و نقل

متانول به طرق مختلف برای تأمین سوخت حمل و نقل جاده ای آزموده و به کار گرفته شده است. یکی از روش های معمول، مخلوط کردن متانول با بنزین است. برای مثال، مخلوط هایی مانند M5 ۵٪ متانول، M15 ۱۵٪ یا حتی M85 (۸۵٪ متانول) در خودروهایی که برای سوخت های الکلی طراحی یا اصلاح شده اند به کار رفته اند. در دهه های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰، برخی خودروهای انعطاف پذیر سوخت در ایالات متحده قادر بودند با مخلوط M85 متانول کار کنند و متانول به عنوان سوخت خودرو در برنامه های آزمایشی کالیفرنیا استفاده شد. امروزه گسترده ترین استفاده از سوخت متانول در چین است، جایی که مخلوط های متانول-بنزین مانند M15 در برخی مناطق عرضه می شوند و خودروهای اختصاصی با سوخت ۱۰۰٪ متانول (از جمله اتوبوس ها و تاکسی ها) به کار گرفته شده است. این کاربردها از عدد اکتان بالای متانول بهره می برند تا خودروها را با آلایندگی نسبتاً پایین به حرکت درآورند. دنیای مسابقات اتومبیل رانی نیز از لحاظ تاریخی از متانول استفاده کرده است، برای دهه ها، خودروهای مسابقه ای در مسابقه ایندیاناپولیس ۵۰۰ با متانول خالص کار می کردند که این به خاطر ویژگی های عملکردی و ایمنی متانول بود (آتش متانول را می توان با آب خاموش کرد). با تنظیم مناسب موتور و به کارگیری مواد سازگار (برای مدیریت خورندگی متانول)، وسایل نقلیه از خودروهای سواری گرفته تا کامیون های سنگین می توانند به طور موثری با متانول خالص یا سوخت های مخلوط حاوی متانول کار کنند.

متانول به عنوان سوخت دریایی

صنعت کشتیرانی در حال بررسی متانول به عنوان یک جایگزین پاک تر برای سوخت های رایج دریایی مانند نفت کوره (مازوت) است. کشتی هایی که با متانول کار می کنند انتشار اکسیدهای گوگرد (SOx) بسیار کمتری دارند، تقریباً صفر، زیرا متانول فاقد گوگرد است. انتشار اکسیدهای نیتروژن (NOx) و ذرات معلق نیز در مقایسه با سوختن گازوئیل یا نفت کوره به طور قابل توجهی کاهش می یابد. این ویژگی ها متانول را به گزینه ای جذاب برای مالکان کشتی تبدیل می کند که به دنبال رعایت مقررات سختگیرانه انتشار آلاینده ها هستند. سازندگان، موتورهای دریایی دوگانه سوزی توسعه داده اند که قادر به استفاده از متانول هستند؛ معمولاً این موتورها نسخه های اصلاح شده دیزل هستند که از مقدار کمی سوخت دیزل یا ماده کمکی برای احتراق متانول در سیلندر استفاده می کنند. چندین پروژه آزمایشی و به کارگیری تجاری نیز تاکنون انجام شده است. برای مثال، یک کشتی بزرگ مسافری در اروپا برای استفاده از متانول بازسازی شدند و اخیراً برخی شرکت های بزرگ کشتیرانی کشتی های جدیدی را سفارش داده اند که با سوخت متانول کار خواهند کرد. استفاده از متانول در کشتی ها برای برد مشابه به حجمی تقریباً دو برابر سوخت نیاز دارد (به دلیل چگالی انرژی پایین تر)، اما سهولت استفاده از یک سوخت مایع و مزایای زیست محیطی آن را به راه حلی امیدبخش برای حمل و نقل دریایی سبزتر تبدیل کرده است. با افزایش تولید متانول سبز (از منابع تجدیدپذیر)، استفاده از متانول در موتورهای دریایی می تواند ردپای کربن حمل و نقل اقیانوسی را به طور محسوسی کاهش دهد.

پیل های سوختی متانول و ذخیره سازی انرژی

متانول در فناوری های نوظهور پیل سوختی و به عنوان یک حامل انرژی مناسب نقش دارد. در پیل های سوختی مستقیم متانول (DMFC)، متانول به طور مستقیم به پیل سوختی خورانده می شود و نیازی به تبدیل آن به هیدروژن نیست. این پیل های سوختی می توانند در دماهای نسبتاً پایین عمل کنند و برای کاربردهایی مانند بسته های برق قابل حمل، تجهیزات نظامی و وسایل نقلیه کوچک توسعه یافته اند. جذابیت متانول در اینجا، سهولت ذخیره سازی و حمل آن در مقایسه با گاز هیدروژن است، یک سوخت مایع چگالی انرژی بسیار بالاتری دارد و حمل آن از هیدروژن فشرده ساده تر است. فراتر از پیل های مستقیم، متانول را می توان در صورت نیاز ریفرم کرده و به هیدروژن برای پیل های سوختی استاندارد (PEM) تبدیل کرد، به طوری که خودروها یا سیستم های پیل سوختی هیدروژنی بتوانند متانول را به عنوان سوخت مایع (گاهی به عنوان حامل هیدروژن) با خود حمل کنند. از نظر ذخیره انرژی، متانول به عنوان راهکاری برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر مورد توجه قرار گرفته است: برق اضافی (ناشی از باد، خورشید و غیره) می تواند برای تولید متانول از CO2 و آب استفاده شود و عملاً آن انرژی را در قالب شیمیایی ذخیره کند. این انرژی ذخیره شده را می توان بعدها با سوزاندن متانول یا به کارگیری آن در پیل های سوختی آزاد کرد و بدین ترتیب یک چرخه انرژی تجدیدپذیر را امکان پذیر ساخت.