اتانول
تاریخچه
اتانول برای انسان از دوران باستان شناخته شده بود، زیرا این ماده ، جزء اصلی مشروبات الکلی است. جداسازی آن بصورت اتانول نسبتا خالص احتمالا اولین بار توسط "جابر بن حیان" که صنعت تقطیر را گسترش داد، انجام شده است. البته بیشتر گمان می‌رود که اتانول خالص توسط "محمد زکریای رازی" دانشمند ایرانی تولید شده باشد.
فرایند تولید
اتانول مورد استفاده در نوشابه‌های الکلی توسط فرایند تخمیر از متابولیسم گلوکز توسط گونه مخصوصی از مخمرها در غیاب اکسیژن تولید می‌شود و در پایان فرایند تخمیر غلظت اتانول را با تقطیر بالا می‌برند. برای مخلوط اتانول با آب بالاترین نقطه آزئوتروپ جوش برای 95% الکل و 5% آب است. بنابراین جزء تقطیر شده مخلوط اتانول و آب نمی‌تواند خالصتر از 95 درصد باشد. برای تولید اتانول خالصتر ، مقدار کمی بنزن به آن اضافه می‌شود.
بنزن ، آزئوتروپ سه‌گانه ای با آب و اتانول تشکیل می‌دهد و مخلوط دوباره تقطیر می‌شود. نتیجه این فرایند بدست آوردن اتانول بدون آب است. با این همه چند ppm بنزن در اتانول باقی می‌ماند که جذب آن در بدن از مشخصه‌های آسیب کبدی است که در افراد الکلی دیده می‌شود.
تولید اتانول صنعتی
اتانول سوخت نسبتا خوبی برای موتورهاست و در صنعت ، بصورتهای مختلفی استفاده می‌شود. اتانول مورد مصرف در صنعت را معمولا از واکنش کاتالیزوری آب با اتیلن تولید می‌کنند. این یک واکنش افزایشی است که در آن یک مولکول آب شکافته شده ، قطعات حاصل از آن به اتمهای کربن در پیوند دوگانه اضافه می‌شود. این فرایند ، تولید اتانول اقتصادی‌تر از تولید آن با مخمر است.
امروزه برای تولید تجارتی آسان آن تخمیر مواد آلی زائد مانند خرده چوب و خاک اره پیشنهاد شده است. اتانول صنعتی برای مصرف انسان ، نامناسب است، زیرا به آن ، مقادیر کمی متانول و مواد سمی دیگر اضافه می‌شود.
خواص فیزیکی
اتانول ، مایعی قابل احتراق و بی‌رنگ بوده ، یکی از انواع الکلهای موجود در نوشابه‌های الکلی است. گرانروی آن ، مانند آب است و بوی نسبتا تندی دارد. در صنعت بعنوان حلال و ماده واسطه شیمیایی برای تولید بیشتر ترکیبات آلی استفاده می‌شود. بدلیل تشکیل پیوند هیدروژنی با هر نسبتی در آب حل می‌شود. اتانول در مقایسه با ترکیبات آلی که وزن مولکولی یکسانی با آن دارند، نقطه جوش بالاتری دارد.
به عنوان مثال نقطه جوش پروپان که تقریبا وزن مولکولی برابری با اتانول دارد، 43- درجه سانتی‌گراد است، درحالی‌که نقطه جوش اتانول 78 درجه سانتی‌گراد است. دلیل این اختلاف ، وجود پیوندهای هیدروژنی مربوط به گروه OH است که نیروی جاذبه میان مولکولهای مجاور را افزایش می‌دهد. اتانول خاصیت ضعیف اسیدی و بازی از خود نشان می‌دهد که خاصیت بازی آن بدلیل جفت الکترون تنهای اکسیژن بوده و خاصیت اسیدی آن ، بخاطر پیوند هیدروژن با عنصر الکترونگاتیو اکسیژن است. اتانول با فلزات فعال ( Na و K و Mg و … ) وارد واکنش شده ، اتوکسید ایجاد می‌کند.
کاربرد
اتانول بدلیل نقطه ذوب پائین در صنعت ضدیخ‌سازی استفاده می‌شود. حلال بسیار خوبی است و در صنعت عطرسازی ، رنگسازی و … استفاده می‌شود. محلول %85 – 70 آن بعنوان محلول ضدعفونی کننده کاربرد دارد. اتانول با تغییر دادن پروتئین و حل کردن چربی ، میکرو ارگانیسمهای آنها را از بین می‌برد. البته این عمل فقط در برابر باکتریها و ویروسها و قارچها موثر است، ولی در مقابل هاگ ، باکتریها تاثیری ندارد. اتانول همچنین در صنایع مشروبات الکلی به میزان گسترده ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نکته مهم
مصرف بیش از حد مشروبات الکلی ، بدلیل وجود اتانول در ترکیب آنها باعث ایجاد عوارض بسیاری در سلامتی انسان می‌شود که عبارتند از :
عوارض حاد
تهوع ، استفراغ ، افسردگی ، تنگی نفس.
عوارض مزمن
اعتیاد به الکل (الکسیم) ، سایروز کبدی ، تاثیر در سلسله اعصاب مرکزی ، تاثیر در حافظه در بلند مدت.
اتانول ، مكمل سوخت خودروها
زمانیكه برای جهانیان و به ویژه كشورهای پیشرفته صنعتی، روشن شد كه نه منابع انرژی ارزان و فراوان حاصل از سوختهای فسیلی آنقدر كه تصور می‌شد دوام خواهند داشت و نه محیط‌زیست بس گرانبهای بشر كه با این سرعت رو به تخریب است به شكل گذشته خود باز خواهد گشت ، مسأله ضرورت بهره‌گیری از انرژیهای تجدیدپذیر و تمیز و پاك بعنوان مسأله اصلی رو در روی تمدّن چهره نشان داد
روشن است از این میان، با توجه به نقش اصلی صنعت حمل‌ونقل در تمدن امروز بشر بحث جایگزین كردن سوختهای فسیلی به عنوان نیروی محرك این صنعت با سوختهای حاصل از منابع تجدیدپذیر و بدون ضرر برای محیط‌زیست و سلامت انسانها در رأس هرم توجه كشورهای صنعتی و مصرف‌كنندگان عمده انرژی تجدیدناپذیر قرار گرفت و تجربه عملی دو دهه اخیر اتانول (الكل اتیلیك) را بعنوان تنها آلترناتیو عملی، اقتصادی و قابل قبول برای محیط‌زیست جهانی مطرح كرد.
متأسفانه تاكنون به دو دلیل عمده جایگزین‌سازی سوختهای فسیلی بوسیله اتانول در صنعت حمل‌ونقل جهان به كندی و تنها با گستردگی محدود صورت گرفته است.
1. فراوانی و ارزانی نسبی سوختهای فسیلی (بنزین و گازوئیل)
2. كمبود تولید و عرضه اتانول در سطح جهان در مقایسه با نیاز بازار مصرف و قیمت بیشتر اتانول در مقایسه با سوختهای فسیلی
از این رو بهره جستن از اتانول در بنزین بدون سرب مورد استفاده در ایران باید به عنوان یك راهكار اساسی مورد بررسی قرار گیرد و مسئولین اجرایی كشور در زمینه‌های برنامه‌ریزی، كشاورزی، صنایع بازرگانی و محیط‌زیست دست به دست نمایندگان مجلس شورای اسلامی این راهكار را به مرحله اجرا درآورند.
* مزایای زیست‌محیطی استفاده از اتانول بعنوان مكمل بنزین
اقدامات شركت توسعه نیشكر و صنایع جانبی در راستای تحقق جایگزینی اتانول بجای MTBE
اتانول چیست ؟
اتانول یا الكل اتیلیك با فرمول شیمیایی C2H5OH مایعی است زلال و بی‌رنگ با بوی تند كه با هر نسبتی با آب تركیب می‌شود. به آسانی می‌سوزد و بر اثر احتراق آن، آب و گازكربنیك حاصل می شود. با سرعت تبخیر می‌شود و هیچگونه اثر زیست‌محیطی نامطلوب از خود به جا نمی گذارد.
اتانول از تخمیر گیاهان قندی بدست می‌آید. این الكل از غلات، سیب‌زمینی، چوب، كاغذ باطله و بسیاری محصولات كشاورزی و ضایعات غذایی دیگر نیز قابل استحصال است. بطور كلی هر چیز كه قند، نشاسته و سلولز داشته باشد پس از تخمیر و تقطیر قابلیت تبدیل شدن به اتانول را دارد.
تاریخچه استفاده از اتانول به عنوان سوخت
استفـاده از اتـانول به عنـوان سوخت اتـومبیل بـه 1880 میلادی و زمانی بازمی گردد كه هنری فورد برای اولین بار اتومبیلی را طراحی كرد كه فقط با اتانول كار می‌كرد. در تجربیات بعدی اتومبیلهایی ساخته شد كه با مخلوط بنزین و اتانول كار می كرد و سرانجام چهار نسل پس از تجربه اولیه ، هم اكنون بنزین مخلوط با اتانول بیش از 10% مصرف سوخت اتومبیل در ایالات متحده آمریكا را به خود اختصاص داده است.
اتانول به ندرت به صورت خالص به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرد و بیشتر بسته به شرایط با نسبت‌های مختلفی با بنزین مخلوط می شود. بدون انجام تغییرات مكانیكی در سیستم سوخت خودروهای بنزینی میتوان 5 تا 10% اتانول به بنزین افزود و با اینكار ضمن بالا بردن درجه اكتان، شاهد كاهش آلاینده‌های خروجی از اگزوز خودروها بود. بزرگترین تولیدكنندگان اتانول در جهان كشورهای برزیل، آمریكا، كانادا، روسیه، هندوستان و چین هستند .
اتيلن گليکول
اتيلن گليكول مايعي بيرنگ و با بويي ملايم است كه نقطه جوش آن 197 درجه سانتيگراد و نقطه انجماد آن 13- درجه سانتيگراد است. اين ماده به هر نسبتي با آب مخلوط ميشود و در الكل، اتر واستون نيز به صورت محلول درمي آيد. مهمترين مصرف اتيلن گليكول در تهيه الياف مصنوعي، فيلم ونوار است. از اين فراورده همچنين در تهيه ضديخ، رزين پلي استر غيراشباع، مواد منفجره، فيبر، كاغذ،چرم، پوششهاي حفاظتي، جوهر چاپ و صنايع نساجي استفاده ميشود.
اتيلن گيلکول به‌عنوان حلال رنگ‌ها، پلاستيک‌ها، و مواد داروئى مورد استفاده قرار مى‌گيرد و در ساختن مواد منفجره، مواد آتش‌زنه، ابرها، مايعات هيدروليک، تميز‌کننده‌هاى windshiled، ضدٌ يخ‌زدگى رادياتور، و مواد يخ‌زدا به‌کار مى‌رود. مقاديرى به کمى ۱۲۰mg يا ۱/۰ mL/kg مى‌تواند خطرناک باشد. تظاهرات شامل تهوع، استفراغ، لکنت زبان، آتاکسي، نيستاگموس، لتارژي، بوى شيرين در تنفس، کوما، تشنج، کلاپس قلبى عروقي، و مرگ مى‌باشد. هيپوکلسمى در نيمى از بيماران به‌وجود مى‌آيد. اسيدوز متابوليک گپ‌آنيوني، اسمولاليته سرم بالا، و کريستالورى اگزالات مى‌تواند حاکى از تشخيص باشد. ممکن است با ايجاد اسيد گليکوليک نارسائى کليوى حاصل شود.
پس از لاواژ GI مى‌توان از شارکول فعال شده استفاده کرد و حفاظت راه‌هاى هوائى بايد بلافاصله آغاز شود. نمک‌هاى کلسيم بايد به‌صورت وريدى به ميزان ۱mL/min با دوز کلى ۱۴-۷ mL (محلول ۱۰% رقيق شده ۱۰:۱) داده شود. اسيدوز متابوليک بايد به‌وسيله بيکربنات سديم درمان شود. فنى‌توئين و بنزوديازپين‌ها براى تشنج داده مى‌شوند. اتانول و فومپيزول به الکل دهيدروژناز با ميل بيشترى نسبت به اتيلن‌گليکول متصل مى‌شوند و توليد متابوليت‌هاى توکسيک بلوکه مى‌شوند. اتانول هنگامى تجويز مى‌شود که سطح اتيلن‌گليکول (۳mmol/L< (۲۰mg/dL باشد و اسيدوز وجود داشته باشد. اتانول به‌صورت زير داده مى‌شود: دوز لودينگ ۱۰mg/kg اتانول ۱۰% وريدى يا ۱mL/kg اتانول ۹۵% خوراکي، دوز نگه‌دارنده ۵/۱ ml/kg/h اتانول ۱۰% وريدى و ۳mL/kg/h اتانول ۱۰% در حين دياليز مى‌باشد. يک سطح اتانول سرمى ≥۲۰mmol/L (۱۰۰mg/dL) براى مهار الکل دهيدروژناز لازم است، و اين سطوح بايد دقيقاً مانيتور شوند. فومپيزول در ۱۰۰mL محلول وريدى ترقيق مى‌شود و در مدت ۳۰ دقيقه با يک دوز لودينگ ۱۵mg/kg و به‌دنبال آن ۱۰mg/kg هر ۱۲ ساعت در چهار دوز و ۱۵mg/kg پساز آن تا سطح اتيلن گليکول زير ۱۰mg/dL) ۵/۱ mmol/L) سقوط کند ادامه داده مى‌شود. در بيمارانى که به درمان فوق پاسخ نمى‌دهند، يا وقتى سطوح سرمى (۸mmol/L ≤ (۵۰mg/dL است، و در نارسائى کليوي، همودياليز انديکاسيون دارد. تيامين و پيريدوکسين نيز به‌صورت کمکى داده مى‌شوند.
اتيلن كليگول ، مهمترين سيال در مايعات خنك كننده
در گذشته از آب به دليل قيمت ارزان و خاصيت انتقال حرارتي آن به عنوان مايع خنك كننده در بخش هاي داخلي موتور استفاده مي شد. اما با گذشت زمان و پيشرفت تكنولوژي مشخص شد كاربرد آب به تنهايي به عنوان خنك كننده داراي معايب مختلف است كه مي توان به موارد زير اشاره كرد:
پايين بودن نقطه جوش آب يكي از ويژگي هاي منفي آن است. با پيشرفت صنايع خودرو سازي و توليد حرارت بيشتر در موتورهاي جديد، آب در سيستم خنك كننده بخار شده و موجب اختلال در اين سيستم مي شود.
بالا بودن نقطه انجماد آب و افزايش حجم حدود9 درصدي آن (برخلاف ساير تركيبات شيميايي كه در اثر انجماد كاهش حجم مي يابند) موجب تخريب رادياتور و حتي بخشي از موتور خواهد شد.
خوردگي و زنگ زدگي فلزات مصرفي در سيستم خنك كننده توسط آب بسيار شديد است.
تا سال1920 ميلادي متانول بدست آمده از تقطير چوب، بيشترين كاربرد را در ساخت ضد يخ داشت. الكل اتيليك، گليسيرين، كلرور كلسيم و همچنين آب نمك مايعاتي بودند كه به عنوان خنك كننده به كار مي رفتند. آب شكر و مخلوط آب عسل نيز به مقدار محدود به عنوان مايع
خنك كننده كاربرد داشتند. همچنين نفت و روغن هاي نفتي كه با آب مخلوط نمي شوند نيز به عنوان مايع خنك كننده كاربردهاي محدودي داشتند.
در طول سال هاي1920 تا1930 ميلادي و با توسعه صنعت خودروسازي، مصرف مايعات خنك كننده موتور نيز افزايش چشمگيري پيدا كرد. در اين سالها الكل اتيليك به دليل قيمت ارزان و توليد مناسب به عنوان بهترين مايع خنك كننده موتور به كار گرفته شد و به تدريج استفاده از تركيبات ياد شده هر يك به دلايلي منسوخ شد. در اين ميان كاربرد ضد يخ پايه الكلي، به دليل پايين بودن نقطه جوش مخلوط آب و الكل، تبخير سريع الكل و احتمال آتش گرفتن آن و همچنين سمّي بودنِ متانول كه موجب صدمه به سرنشينان مي شد، نامناسب تشخيص داده شد. مصرف گليسيرين نيز تابع بازار توليد و مصرف بود. مصرف كلسيم كلريد و آب نمك نيز كه در بعضي نواحي به عنوان مايع ضديخ به كار
مي رفت، به دليل خاصيت شديد خورندگي، به ميزان قابل توجهي محدود شد. همچنين استفاده از محلول شكر و يا عسل در آب به دليل نياز به محلول هاي غليظي از اين مواد براي نزول نقطه انجماد منسوخ شد.
در اين سالها روغن هاي نفتي كه به علت نقطه انجماد پايين و عدم خوردگي مورد توجه قرار گرفته بودند، به دلايلي از جمله نياز به حجم بيشتري از سيال (به علت عدم اختلاط با آب)، گران بودن، اثر نامطلوب بر لوله هاي لاستيكي و خطر آتشگيري، ديگر مورد استفاده قرار نگرفت. همچنين بكارگيري مايعاتي از قبيل روغن هاي معدني و نفتي به دليل پايين بودن قابليت انتقال حرارتي و افزايش گرانروي آنها در فصل زمستان (كه موجب كاهش تبادل حرارتي
مي شود) متوقف شد. علاوه بر دلايل ياد شده هنگام استفاده از اين تركيبات، اگر درجه نشان دهنده دما در خودرو خراب مي شد، بالا رفتن حرارت مايع خنك كننده معلوم نمي شد و بدين ترتيب اين تركيبات در حرارت هاي بالا موجب ذوب لحيم هاي موجود در رادياتور و سوختن موتور مي شد.
در برخي موارد از متوكسي و پروپانول كه يك گليكول اتر است به عنوان ضديخ استفاده
مي شد، كه مزيت آن سازگاري با روغن موتور و مخلوط شدن با آن (در صورت ايجاد نشت) بود. ولي به دليل پايين بودن نقطه اشتعال، نقطه جوش و قيمت بالا كاربرد آن منسوخ شد.
در سال1925 ميلادي براي اولين بار مصرف اتيلن گليكول به عنوان خنك كننده موتور رواج پيدا كرد. در ابتدا مصرف اين ماده كم بود ولي به تدريج با آگاهي بيشتر نسبت به مزاياي محصول توليدي، مصرف آن افزايش يافت و در حال حاضر بيشترين مصرف اتيلن گليكول به منظور توليد سيال خنك كننده موتور است.
با افزايش مصرف اتيلن گليكول و كاربردهاي مناسب آن براي سيال خنك كننده موتور، به تدريج مصرف متانول، الكل اتيليك و ساير مواد شيميايي براي توليد ضد يخ كاهش يافت مصرف اين مواد در فرمولاسيون مايعات خنك كننده موتور در سال1950 به كلي منسوخ شد به گونه اي كه توليد و مصرف اتيلن گليكول از49 ميليون ليتر به71 ميليون ليتر در سال رسيد.
در جدول1 به مقايسه خواص فيزيكي گليكول ها با ساير تركيبات مصرفي به عنوان ضد يخ اشاره شده است.
محلول44 تا70 درصد اتيلن گليكول در آب، سيستم رادياتور را در بالاترين ظرفيت طراحي شده نگه مي دارد و به اين ترتيب با استفاده از اين محلول مطمئن مي شويم كه موتور به دليل جوش آوردن صدمه نخواهد ديد. علاوه بر اين، اختلاط نسبت معيني از اتيلن گليكول با آب، عمل خنك كردن را در دامنه وسيعي از دما انجام مي دهد و نقطه انجماد آب را به ميزان كافي پايين مي برد.
يكي ديگر از مزاياي به كارگيري اتيلن و پروپيلن گليكول به عنوان سيال پايه در فرمولاسيون ضد يخ، پايين بودن ميزان آثار مخرب زيست محيطي اين تركيبات است. اتيلن و پروپيلن گليكول مي توانند پس از مصرف وارد محيط آبي شوند. هر دو محلول قابليت حلاليت بالا داشته و ميزان آثار زيان بار اين دو ماده براي ماهي ها، حيات وحش، حيات گياهي و ميكروارگانسيم ها پايين است. تجزيه بيوشيميايي اين دو ماده سريع و كامل انجام مي شود.