اتیلن گلیکول، یک پلیمر بسیار کاربردی
اتیلن گلیکول یک ترکیب ارگانیک مهم و یک ماده میانجی شیمیایی است که در تولید بسیاری از مواد در فرآیندهای صنعتی متفاوت به کار برده می شود مانند حوزه انرژی، پلاستیک، خودروسازی و مواد شیمیایی. از آنجایی که این پلیمر از خواص ویژه ای بهره مند می باشد و همچنین مصارف تجاری متفاوتی دارد، بسیاری از سیستم‌های شیمیایی برای سنتز این ماده به وجود آمده است (مانند انواع کاتالیزوری و غیر کاتالیزوری). سنتز این پلیمر بیشتر از طریق فرایندهای واکنشی صورت می گیرد که از سوخت های فسیلی همانند نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ و یا منابع زیست توده ای گرفته می شوند. در این مقاله به ویژگی های گسترده ی اتیلن گلیکول و همچنین پیشرفت های علمی موجود در حوزه سنتز و مصارف این ماده پرداخته می شود. علاوه بر آن به چالش ها و فرصت های مرتبط با حوزه تحقیقاتی این ماده در آینده اشاره می‌شود.
مقدمه
اتیلن گلیکول به عنوان ساده‌ترین دیول موجود اولین بار در سال ۱۸۵۹ توسط یک شیمیدان فرانسوی با نام Charles-Adolphe Wurtz تولید شد. وی این کار را از طریق صابونی سازی اتیلن گلیکول دی استات با پتاسیم هیدروکسید انجام داد. اگر چه ماده یاد شده در مراحل اولیه تولید به میزان بسیار کمی ساخته می شد اما توسعه آن باعث شد تا انقلابی بزرگ در صنایع مواد انفجاری و خنک کننده در طی جنگ جهانی اول به وجود آید. شرکت کاربید موفق شد تا به اکسیداسیون فاز بخار اتیلن به اتیلن اکساید دست پیدا کند که نمونه اولیه از سنتز اتیلن گلیکول از طریق هیدراسیون می باشد و پس از آن ماده یاد شده بسیار رایج و ارزان شد و تولید صنعتی آن نیز از سال ۱۹۵۳ به میزان زیادی انجام شد. اخیراً تولید و مصرف جهانی ماده یاد شده حدود ۲۰ میلیون متریک تن در سال ۲۰۱۰ بوده و تخمین زده می‌شود که این مقدار هر سال به میزان ۵ تا ۱۰ درصد افزایش پیدا کند. اتیلن گلیکول در بسیاری از جنبه‌های زندگی امروزه دیده می شود به خصوص مواردی که در ارتباط با حوزه انرژی، مواد شیمیایی، خودروها، پارچه ها و وسایل حمل و نقل و فناوری های تولیدی می باشند. در حوزه‌های میان رشته‌ای نیز این ماده به مقدار فراوانی توجه افراد را به خود جلب نموده و تحقیقات زیادی در خصوص آن صورت گرفته است. در بخش متدولوژی های ترکیبی اتیلن گلیکول در صنایع سنتی و مدرن هم تلاش‌های بسیار زیادی صورت گرفته است تا این فرآیند ها بهبود پیدا کنند، عملکرد کاتالیزوری بهتر شود و همچنین میزان هزینه اولیه کاهش یابد. هم اکنون فناوری ابدارسازی اکسیداسیون اتیلن بیشترین سهم را به خود اختصاص می دهد. اتیلن اکسید به صورت تجاری از اتیلن و از طریق هیدروکربن هایی تولید می‌شود که از نفت به وجود می‌آیند. اگرچه کاهش منابع سوخت های فسیلی و افزایش نگرانی های حوزه سلامت محیط زیست باعث شده است تا فرایندهای اقتصادی با بازدهی بالای انرژی جایگزین مورد قبلی شوند. روش سنتز غیر مستقیم از گاز ترکیبی به میزان بسیار زیادی مورد استقبال قرار گرفته است و این فرآیند یک واکنش دو مرحله ای بوده و به صورت سنتی از گازهای نجیب به عنوان کاتالیزگر در سیستم های همگن استفاده میکند. هزینه‌های بالای عملیاتی و مشکلات موجود برای جداسازی کاتالیزگر و محصول باعث شدند تا توسعه کاتالیزگرهای همگن فلزی با مشکلات فراوانی روبرو شود. علاوه بر آن فناوری های موجود برای تبدیل مواد گرفته شده از زیست توده ها مانند سلولز و گلیسرول به اتیلن گلیکول از اهمیت زیادی برخوردار بوده و به عنوان روش های جایگزینی انتخاب شده است که سازگاری بالا با محیط زیست داشته و اطمینان بخش نیز می باشد. فراوانی پلیمر یاد شده ناشی از مصارف بسیار متفاوت آن می باشد. این موضوع حائز اهمیت می باشد که انواعی از انجمن های علمی توجه فراوانی برای به کارگیری پلیمری یاد شده در حوزه های متفاوت داشته اند مانند مواد ضد یخ و خنک کننده ها در خودروها، ماده ضد یخ برای شیشه جلوی خودرو و هواپیماها، رطوبت گیر برای تولید گاز طبیعی و پیشنهاداتی برای تولید فیبر های پلی استری و رزین ها. همچنین تلاش های بسیاری صورت گرفته است تا بتوان اصول موجود در تبدیل اتیلن گلیکول به هیدروژن و مواد شیمیایی را درک کرد. توسعه بسیاری نیز در فرآیندهای اتیلن گلیکول محور و به منظور سنتز ساختارهای نانو با اندازه کنترل شده ذرات صورت گرفته است. از آنجایی که منابع موجود برای اتیلن گلیکول بسیار فراوان می‌باشند و همچنین این ماده از مصارف متعددی نیز برخوردار است، تحقیقات موجود برای ساخت انواعی از روش های کاربردی و سنتزی با رویکرد محیطی، اقتصادی، انرژی محور و فناوری محور در طی چند دهه پیش به میزان زیادی انجام گرفته است. به عنوان مثال دیویس و دیگران تحقیقات در خصوص آسیب شناسی و آسیب‌شناسی تشریحی سمیت اتیلن گلیکول بر هر یک از ارگانهای بدن و روش های تشخیصی و درمانی ممکن پرداختند. Stapel و دیگران نیز وضعیت، آثار و خطرات ممکن محیطی اتیلن گلیکول را مورد مطالعه قرار دادند.
اتیلن گلیکول از چه خواصی برخوردار است؟
اتیلن گلیکول ساده ترین دیول موجود بوده و از انواع خواص بسیار منحصر به فرد برخوردار می باشد که ناشی از ساختار ویژه آن است. این ماده بی رنگ و بی بو و نسبتاً غیر فرار بوده و یک مایع رطوبت گیر با چسبندگی پایین می باشد. اتیلن گلیکول طعمی شیرین داشته و پس از بلع حس گرما را به زبان منتقل میکند. علاوه بر این ماده قابلیت ترکیب با بسیاری از حلال های قطبی مانند آب، الکل، گلیکول اتر ها و آستون را دارد و قابلیت انحلال آن در حلالهای غیرقطبی همانند بنزین، تولوئن، دی کلرو اتان و کلوروفرم بسیار پایین می باشد. متبلور سازی پلیمر یاد شده نیز با دشواری‌های بسیاری همراه است و زمانی که خنک شود یک ماده بسیار چسبنده را تشکیل می دهد که در نهایت وضعیت جامد پیدا می کند تا مواد شیشه مانند را به وجود آورد.
آیا اتیلن گلیکول یک ماده سمی است؟
اتیلن گلیکول به صورت ذاتی از سمیت کمی برخوردار است ولی شامل متابولیتهای مسموم کننده می باشد. در صورتی که فرد به میزان کمی از این ماده را مصرف کند اتیلن گلیکول بلافاصله توسط دهیدروژناز الکل و یا سایر آنزیم های کبدی به glycolaldehyde, glycolic acid (GA) و glyoxylic acid. تبدیل خواهد شد. درنهایت گلی اکسیلیک اسید این امکان را دارد که به اکسالیک اسید تبدیل شود و رسوباتی را در کلیه و سایر بافت ها ایجاد کند. مسمومیت ناشی از اتیلن گلیکول می‌تواند به روش‌های متفاوتی صورت بگیرد مانند بلع، جذب توسط پوست و یا تنفس. ممکن است متابولیت های سمی بر چندین ارگان اثر بگذارند اما معمولاً باعث ایجاد اختلالاتی در سیستم اعصاب مرکزی و همچنین بخش های قلبی ریوی و یا نارسایی کلیوی می شوند.
خلاصه، چالش ها و فرصت های پیش رو
در طی چندین دهه پیشرفت های بسیاری در حوزه رویکرد های سنتز و مصارف اتیلن گلیکول به وجود آمده و تلاش های بسیاری نیز در جهت بهبود روند های سنتزی و بهبود عملکرد کاتالیزوری، کاهش مصرف انرژی و آلودگی محیطی صورت گرفته است. زیست توده های تجدید پذیر همانند سلولز و سایر پلیول ها به عنوان مواد خامی برای تولید اتیلن گلیکول در نظر گرفته شده‌اند که می‌توانند پتانسیل بالایی برای تحقیقات پیش رو داشته باشند زیرا از خاصیت سازگاری با محیط زیست و مزیت های اقتصادی طولانی مدت برخوردارند.حائز اهمیت است که بدانیم روند تولید ماده یاد شده از تبدیل ذرت و نشاسته بسیار متفاوت می باشد که حتی مورد دوم نیز می‌تواند به عنوان رقیبی برای تولید مواد غذایی در نظر گرفته شود. از طرف دیگر مصارف متعدد اتیلن گلیکول محدود به تولید پلی استرها، خنک کننده ها و مواد ضد یخ نمیشود و این ماده در تسهیل توسعه فناوری های ساخت سلول سوختی و سنتز مواد شیمیایی ویژه نیز نقش دارد. پیش بینی می شود که تحقیقات بیشتری هم در آینده و در این حوزه صورت بگیرد به خصوص در بخش کشف منابع انرژی تجدید پذیر و تولید مواد شیمیایی با ارزش. اگرچه در این بخش هنوز چالش ها و مشکلاتی نیز وجود دارند که باید به آنها توجه کرد. پتانسیل بالایی برای توسعه فناوری های پربازده و سیستم های کاتالیزوری بهینه وجود دارد که باعث می شود تا تولید و مصرف اتیلن گلیکول به صورت منطقی صورت گیرد. اگرچه آبدار سازی اتیلن اکسید یک فناوری جامع برای تولید اتیلن گلیکول در زمان حاضر می باشد اما فقط سیستم های کاتالیزوری کمی بصورت کامل ارزیابی شده و در حوزه مواد تجاری به کار برده شده اند. طبیعت کاتالیزورها و مکانیزم های واکنشی آنها به درستی درک نمی شود به خصوص برای نمونه های فعال و یا نمونه هایی که از پایداری گرمایی پایینی برخوردارند بنابراین طراحی های منطقی و مناسبی برای فرآیندهای کاتالیزوری باید انجام گیرد تا بتواند بر مشکلات مرتبط با هزینه بالا و مصرف بالای انرژی و آب و همچنین پایداری پایین گرمایی غلبه نماید. تولید ایمن و مصرف هدفمند شاید پربازده ترین گزینه‌ها به منظور پیشگیری از ورود اتیلن گلیکول به محیط زیست درطی تولید، مصرف و جابجایی و یا مراحل پس از مصرف می باشد و در نهایت می توان از بروز خطر های ناخواسته برای افراد نیز جلوگیری نمود. توجه داشته باشید که میزان تقاضای جهانی برای اتیلن گلیکول همیشه بیشتر از ظرفیت تولیدی آن می باشد. بنابراین بهینه سازی و بهبود تکنولوژی های سنتی موجود همانند آبدار سازی اتیلن اکسید به همراه کشف فرایندهای جایگزین به خصوص انواعی که از خاصیت تجدید پذیری و سازگار با محیط زیست برخوردارند، می تواند به میزان بسیار بیشتری مورد توجه قرار بگیرد و در آینده نزدیک نیز به کار برده شود.
