معماری
اتانول

اتانول

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 ۹۵% الکل و ۵% آب است. بنابراین جزء تقطیر شده مخلوط اتانول و آب نمی‌تواند خالصتر از ۹۵ 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، ۴۳- درجه سانتی‌گراد است، درحالی‌که نقطه جوش اتانول ۷۸ 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 %۸۵ – ۷۰ 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 ، مکمل سوخت خودروها

زمانیکه برای جهانیان و به ویژه کشورهای پیشرفته صنعتی، روشن شد که نه منابع انرژی ارزان و فراوان حاصل از سوختهای فسیلی آنقدر که تصور می‌شد دوام خواهند داشت و نه محیط‌زیست بس گرانبهای بشر که با این سرعت رو به تخریب است به شکل گذشته خود باز خواهد گشت ، مسأله ضرورت بهره‌گیری از انرژیهای تجدیدپذیر و تمیز و پاک 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 کردن سوختهای فسیلی به عنوان نیروی محرک این صنعت با سوختهای حاصل از منابع تجدیدپذیر و بدون ضرر برای محیط‌زیست و سلامت انسانها در رأس هرم توجه کشورهای صنعتی و مصرف‌کنندگان عمده انرژی تجدیدناپذیر قرار گرفت و تجربه عملی دو دهه اخیر اتانول (الکل اتیلیک) را بعنوان تنها آلترناتیو عملی، اقتصادی و قابل قبول برای محیط‌زیست جهانی مطرح کرد.

متأسفانه تاکنون به دو دلیل عمده جایگزین‌سازی سوختهای فسیلی بوسیله اتانول در صنعت حمل‌ونقل جهان به کندی و تنها با گستردگی محدود صورت گرفته است.

  1. فراوانی و ارزانی نسبی سوختهای فسیلی (بنزین و گازوئیل)
  2. کمبود 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 یک راهکار اساسی مورد بررسی قرار گیرد و مسئولین اجرایی کشور در زمینه‌های برنامه‌ریزی، کشاورزی، صنایع بازرگانی و محیط‌زیست دست به دست نمایندگان مجلس شورای اسلامی این راهکار را به مرحله اجرا درآورند.

* مزایای زیست‌محیطی استفاده از اتانول بعنوان مکمل بنزین

اقدامات شرکت توسعه نیشکر و صنایع جانبی در راستای تحقق جایگزینی اتانول بجای MTBE

اتانول چیست ؟

اتانول یا الکل اتیلیک با فرمول شیمیایی C2H5OH مایعی است زلال و بی‌رنگ با بوی تند که با هر نسبتی با آب ترکیب می‌شود. به آسانی می‌سوزد و بر اثر احتراق آن، آب و گازکربنیک 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 الکل از غلات، سیب‌زمینی، چوب، کاغذ باطله و بسیاری محصولات کشاورزی و ضایعات غذایی دیگر نیز قابل استحصال است. بطور کلی هر چیز که 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 ۱۸۸۰ میلادی و زمانی بازمی گردد که هنری فورد برای اولین بار اتومبیلی را طراحی کرد که فقط با اتانول کار می‌کرد. در تجربیات بعدی اتومبیلهایی ساخته شد که با مخلوط بنزین و اتانول کار می کرد و سرانجام چهار نسل پس از تجربه اولیه ، هم اکنون بنزین مخلوط با اتانول بیش از ۱۰% مصرف سوخت اتومبیل در ایالات متحده آمریکا 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 مکانیکی در سیستم سوخت خودروهای بنزینی میتوان ۵ تا ۱۰% اتانول به بنزین افزود و با اینکار ضمن بالا بردن درجه اکتان، شاهد کاهش آلاینده‌های خروجی از اگزوز خودروها بود. بزرگترین تولیدکنندگان اتانول در جهان کشورهای برزیل، آمریکا، کانادا، روسیه، هندوستان و چین هستند .

اتیلن گلیکول

اتیلن گلیکول مایعی بیرنگ و با بویی ملایم است که نقطه جوش آن ۱۹۷ درجه سانتیگراد و نقطه انجماد آن ۱۳- درجه سانتیگراد است. این ماده به هر نسبتی با آب مخلوط میشود و در الکل، اتر واستون نیز به صورت محلول درمی آید. مهمترین مصرف اتیلن گلیکول در تهیه الیاف مصنوعی، فیلم ونوار است. از این فراورده همچنین در تهیه ضدیخ، رزین پلی استر غیراشباع، مواد منفجره، فیبر، کاغذ،چرم، پوششهای حفاظتی، جوهر چاپ و صنایع نساجی استفاده میشود.

اتیلن گیلکول به‌عنوان حلال رنگ‌ها، پلاستیک‌ها، و مواد داروئى مورد استفاده قرار مى‌گیرد و در ساختن مواد منفجره، مواد آتش‌زنه، ابرها، مایعات هیدرولیک، تمیز‌کننده‌هاى windshiled، ضدٌ یخ‌زدگى رادیاتور، و مواد یخ‌زدا به‌کار مى‌رود. مقادیرى به کمى ۱۲۰mg یا ۱/۰ mL/kg مى‌تواند خطرناک باشد. تظاهرات شامل تهوع، استفراغ، لکنت زبان، آتاکسی، نیستاگموس، لتارژی، بوى شیرین در تنفس، کوما، تشنج، کلاپس قلبى عروقی، و مرگ مى‌باشد. هیپوکلسمى در نیمى از بیماران به‌وجود مى‌آید. اسیدوز متابولیک گپ‌آنیونی، اسمولالیته سرم بالا، و کریستالورى اگزالات مى‌تواند حاکى از تشخیص باشد. ممکن است با ایجاد اسید گلیکولیک نارسائى کلیوى حاصل شود.

پس از لاواژ GI مى‌توان از شارکول فعال شده استفاده کرد و حفاظت راه‌هاى هوائى باید بلافاصله آغاز شود. نمک‌هاى کلسیم باید به‌صورت وریدى به میزان ۱mL/min با دوز کلى ۱۴-۷ mL (محلول ۱۰% رقیق شده ۱۰:۱) داده شود. اسیدوز متابولیک باید به‌وسیله بیکربنات سدیم درمان شود. فنى‌توئین و بنزودیازپین‌ها براى تشنج داده مى‌شوند. اتانول و فومپیزول به الکل دهیدروژناز با میل بیشترى نسبت به اتیلن‌گلیکول متصل مى‌شوند و تولید متابولیت‌هاى توکسیک بلوکه مى‌شوند. اتانول هنگامى تجویز مى‌شود که سطح اتیلن‌گلیکول (۳mmol/L< (۲۰mg/dL باشد و اسیدوز وجود داشته باشد. اتانول به‌صورت زیر داده مى‌شود: دوز لودینگ ۱۰mg/kg اتانول ۱۰% وریدى یا ۱mL/kg اتانول ۹۵% خوراکی، دوز نگه‌دارنده ۵/۱ ml/kg/h اتانول ۱۰% وریدى و ۳mL/kg/h اتانول ۱۰% در حین دیالیز مى‌باشد. یک سطح اتانول سرمى ≥۲۰mmol/L (۱۰۰mg/dL) براى مهار الکل دهیدروژناز لازم است، و این سطوح باید دقیقاً مانیتور شوند. فومپیزول در ۱۰۰mL محلول وریدى ترقیق مى‌شود و در مدت ۳۰ دقیقه با یک دوز لودینگ ۱۵mg/kg و به‌دنبال آن ۱۰mg/kg هر ۱۲ ساعت در چهار دوز و ۱۵mg/kg پساز آن تا سطح اتیلن گلیکول زیر ۱۰mg/dL) ۵/۱ mmol/L) سقوط کند ادامه داده مى‌شود. در بیمارانى که به درمان فوق پاسخ نمى‌دهند، یا وقتى سطوح سرمى (۸mmol/L ≤ (۵۰mg/dL است، و در نارسائى کلیوی، همودیالیز اندیکاسیون دارد. تیامین و پیریدوکسین نیز به‌صورت کمکى داده مى‌شوند.

اتیلن کلیگول ، مهمترین سیال در مایعات خنک کننده

در گذشته از آب به دلیل قیمت ارزان و خاصیت انتقال حرارتی آن به عنوان مایع خنک کننده در بخش های داخلی موتور استفاده می شد. اما با گذشت زمان و پیشرفت تکنولوژی مشخص شد کاربرد آب به تنهایی به عنوان خنک کننده دارای معایب مختلف است که می توان به موارد زیر اشاره کرد:

پایین بودن نقطه جوش آب یکی از ویژگی های منفی آن است. با پیشرفت صنایع خودرو سازی و تولید حرارت بیشتر در موتورهای جدید، آب در سیستم خنک کننده بخار شده و موجب اختلال در این سیستم می شود.

بالا بودن نقطه انجماد آب و افزایش حجم حدود۹ درصدی آن (برخلاف سایر ترکیبات شیمیایی که در اثر انجماد کاهش حجم می یابند) موجب تخریب رادیاتور و حتی بخشی از موتور خواهد شد.

خوردگی و زنگ زدگی فلزات مصرفی در سیستم خنک کننده توسط آب بسیار شدید است.

تا سال۱۹۲۰ میلادی متانول بدست آمده از تقطیر چوب، بیشترین کاربرد را در ساخت ضد یخ داشت. الکل اتیلیک، گلیسیرین، کلرور کلسیم و همچنین آب نمک مایعاتی بودند که به عنوان خنک کننده به کار می رفتند. آب شکر و مخلوط آب عسل نیز به مقدار محدود به عنوان مایع

خنک کننده کاربرد داشتند. همچنین نفت و روغن های نفتی که با آب مخلوط نمی شوند نیز به عنوان مایع خنک کننده کاربردهای محدودی داشتند.

در طول سال های۱۹۲۰ تا۱۹۳۰ میلادی و با توسعه صنعت خودروسازی، مصرف مایعات خنک کننده موتور نیز افزایش چشمگیری پیدا کرد. در این سالها الکل اتیلیک به دلیل قیمت ارزان و تولید مناسب به عنوان بهترین مایع خنک کننده موتور به کار گرفته شد و به تدریج استفاده از ترکیبات یاد شده هر یک به دلایلی منسوخ شد. در این میان کاربرد ضد یخ پایه الکلی، به دلیل پایین بودن نقطه جوش مخلوط آب و الکل، تبخیر سریع الکل و احتمال آتش گرفتن آن و همچنین سمّی بودنِ متانول که موجب صدمه به سرنشینان می شد، نامناسب تشخیص داده شد. مصرف گلیسیرین نیز تابع بازار تولید و مصرف بود. مصرف کلسیم کلرید و آب نمک نیز که در بعضی نواحی به عنوان مایع ضدیخ به کار

می رفت، به دلیل خاصیت شدید خورندگی، به میزان قابل توجهی محدود شد. همچنین استفاده از محلول شکر و یا عسل در آب به دلیل نیاز به محلول های غلیظی از این مواد برای نزول نقطه انجماد منسوخ شد.

در این سالها روغن های نفتی که به علت نقطه انجماد پایین و عدم خوردگی مورد توجه قرار گرفته بودند، به دلایلی از جمله نیاز به حجم بیشتری از سیال (به علت عدم اختلاط با آب)، گران بودن، اثر نامطلوب بر لوله های لاستیکی و خطر آتشگیری، دیگر مورد استفاده قرار نگرفت. همچنین بکارگیری مایعاتی از قبیل روغن های معدنی و نفتی به دلیل پایین بودن قابلیت انتقال حرارتی و افزایش گرانروی آنها در فصل زمستان (که موجب کاهش تبادل حرارتی

می شود) متوقف شد. علاوه بر دلایل یاد شده هنگام استفاده از این ترکیبات، اگر درجه نشان دهنده دما در خودرو خراب می شد، بالا رفتن حرارت مایع خنک کننده معلوم نمی شد و بدین ترتیب این ترکیبات در حرارت های بالا موجب ذوب لحیم های موجود در رادیاتور و سوختن موتور می شد.

در برخی موارد از متوکسی و پروپانول که یک گلیکول اتر است به عنوان ضدیخ استفاده

می شد، که مزیت آن سازگاری با روغن موتور و مخلوط شدن با آن (در صورت ایجاد نشت) بود. ولی به دلیل پایین بودن نقطه اشتعال، نقطه جوش و قیمت بالا کاربرد آن منسوخ شد.

در سال۱۹۲۵ میلادی برای اولین بار مصرف اتیلن گلیکول به عنوان خنک کننده موتور رواج پیدا کرد. در ابتدا مصرف این ماده کم بود ولی به تدریج با آگاهی بیشتر نسبت به مزایای محصول تولیدی، مصرف آن افزایش یافت و در حال حاضر بیشترین مصرف اتیلن گلیکول به منظور تولید سیال خنک کننده موتور است.

با افزایش مصرف اتیلن گلیکول و کاربردهای مناسب آن برای سیال خنک کننده موتور، به تدریج مصرف متانول، الکل اتیلیک و سایر مواد شیمیایی برای تولید ضد یخ کاهش یافت مصرف این مواد در فرمولاسیون مایعات خنک کننده موتور در سال۱۹۵۰ به کلی منسوخ شد به گونه ای که تولید و مصرف اتیلن گلیکول از۴۹ میلیون لیتر به۷۱ میلیون لیتر در سال رسید.

در جدول۱ به مقایسه خواص فیزیکی گلیکول ها با سایر ترکیبات مصرفی به عنوان ضد یخ اشاره شده است.

محلول۴۴ تا۷۰ درصد اتیلن گلیکول در آب، سیستم رادیاتور را در بالاترین ظرفیت طراحی شده نگه می دارد و به این ترتیب با استفاده از این محلول مطمئن می شویم که موتور به دلیل جوش آوردن صدمه نخواهد دید. علاوه بر این، اختلاط نسبت معینی از اتیلن گلیکول با آب، عمل خنک کردن را در دامنه وسیعی از دما انجام می دهد و نقطه انجماد آب را به میزان کافی پایین می برد.

یکی دیگر از مزایای به کارگیری اتیلن و پروپیلن گلیکول به عنوان سیال پایه در فرمولاسیون ضد یخ، پایین بودن میزان آثار مخرب زیست محیطی این ترکیبات است. اتیلن و پروپیلن گلیکول می توانند پس از مصرف وارد محیط آبی شوند. هر دو محلول قابلیت حلالیت بالا داشته و میزان آثار زیان بار این دو ماده برای ماهی ها، حیات وحش، حیات گیاهی و میکروارگانسیم ها پایین است. تجزیه بیوشیمیایی این دو ماده سریع و کامل انجام می شود.

پاسخ دهید