متانول و کاربردهای آن

متانول یا متیل الکل که به عنوان الکل چوب یا کاربینول نیز شناخته می‌شود، که دارای فرمول شیمیایی (CH₃OH) است. متانول ساده‌ترین الکل و یکی از پرکاربردترین الکل‌ها است. متانول یک مایع بی‌رنگ و قابل اشتعال، با نقطه جوش 64.7 ℃ و نقطه ذوب -97.6℃ است. این ماده در طبیعت به عنوان محصول جانبی در تجزیه مواد آلی موجود در جانداران یافت می‌شود. متانول به دلیل ویژگی‌های شیمیایی خاص خود، در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد.

برای اولیل بار در سال 1661 توسط سررابرت‌ بویل از طریق تقطیر سرکه چوب خام (pyroligneous acid) بر روی محلول اشباع شده کلسیم هیدروکسید (milk of lime) بدست آمد و ساختار آن تا 2 قرن بعد هم ناشناخته باقی‌مانده بود تا اینکه در سال 1800، ج.و.لیبینگ و ج.ب.ا.دوماس به صورت مستقل از هم توانستند ساختار الکل چوب را شناسایی کنند. در بازه زمانی 1830-1923 الکل چوب بدست آمده از تقطیر چوب به عنوان یه منبع مهم در تهیه متانول شناخته شده بود.

در سال 1926 پاول ساباتیر با استفاده از کاتالیست پایه نیکل توانست متانول را از طریق هیدروژن دار کردن کربن مونوکسید تولید کند. اگرچه قبل از آن شرکت BASF کاتالیست‌های پایه فلزی را برای هیدروژن دار کردن در فشار بالا توسعه داده بودند، به نحوی که تا بیش از 45 سال به عنوان یک تکنولوژی غالب در تهیه متانول مورد استفاده قرار میگرفت.

متانول می تواند از چندین ماده اولیه حاوی کربن مانند گاز طبیعی ، زغال سنگ ، زیست توده و CO₂ تولید شود. در نمودار زیر میزان تولید متانول را مشاهده میکنید که نشان از اهمییت بالای آن دارد.

خرید متانول

تولید متانول با استفاده از گاز طبیعی

در حال حاضر حدودا 90% متانول از گاز طبیعی تولید میشود. این فرایند نسبتا ساده بوده و دارای سه مرحله است:

• تولید مواد اولیه
• انجام واکنش شیمیایی برای تولید الکل
• جداسازی و تصفیه الکل تولید شده برای دستیابی به محصول نهایی با خلوص بالا

مخلوط مواد اولیه (H₂, CO, CO₂) عمدتا توسط فرایند اصلاح بخار (Steam Reforming) و فرایند اصلاح خودگرمایی (Autothermal Reforming) گاز طبیعی تولید میشود. با این حال  با اکسیداسیون جزئی متان یا مواد مختلف مبتنی بر کربن مانند زغال سنگ، روغن‌های سنگین یا بیوگاز نیز بدست می‌آید.

روش BASF

در سال 1923 دو دانشمند به نام‌های آ.میتاش و م.پیر در حال مطالعه بر روی سنتز آمونیاک با استفاده از کاتالیست‌های فلزی (فرایند هابر-بوش) بودند، کشف کردند که هیدروژناسیون کربن مونوکسید با استفاده از کاتالیست پایه آهن در دمای بیش از 500℃ و فشار 100بار منجر به تولید متانول در کنار سایر محصولات میشود.
بالاخره در سال 1925 ، استفاده از کاتالیست ZnO/Cr₂O₃ و ZnO/CuO بهترین نتیجه در سنتز متانول با استفاده از کاتالیست‌های پایه فلزی بدست آمد.

روش ICI

در دهه 1960، روش ICI (روش جانسون متی) که مبتنی بر فشار پایین (35-54 بار) و دمایی در محدوه 200-300℃ بود، توانست بر روش BASF که نیازمند دما و فشار بالا بود، غلبه کند. در این روش از یک کاتالیست جدید پایه مس (Cu/ZnO/Al₂O₃) که فعالیت و گزینش‌پذیری بیشتری را داشت، استفاده شد.

تولید متانول با استفاده از زغال‌سنگ و زیست توده

این فرایند بسیار شبیه به فرایند تولید متانول از طریق گازهای طبیعی است و همانند آن دارای سه مرحله تولید مواد اولیه، سنتز متانول و خالص سازی متانول است.

در ابتدا زغال سنگ یا زیست توده را وارد گازفایر یا گازساز میکنند که محصولات گازی تولید شده شامل: CH₄, CO₂, H₂, CO و گازهای آلکالین میباشد. این فرایند در دمای بالا و با حضور اکسیژن انجام میشود. حضور اکسیژن برای انجام واکنش در مقیاس زیاد ضروری است چرا که عدم حضور اکسیژن منجر به پلیمریزاسیون کربن (char, tar) تولید شده میشود. در شرایط نرمال، برای احتراق کامل مقدار اکسیژن باید کمتر از 30% باشد. سپش واکنش تولید متانول انجام شده و در نهایت خالص سازی متانول انجام میشود.

کاربردهای متانول

استفاده به عنوان مواد اولیه برای سنتز شیمیایی:

حدود 70% از متانول تولید شده در سراسر جهان در سنتز مواد شیمیایی استفاده میشود. به ترتیب اهمیت شامل فرمالدهید، متیل ترشوبوتیل اتر، استیک اسید، دی متیل اتر، پروپن، متیل متاکریلات و دی متیل ترفتالات میباشد. استفاده از انژی و سوخت، به طور مستقیم یا به شکل محصولات پایین دستی متانول در اقتصادهای نوظهور امروزی اهمیت بیشتری پیدا میکند.

فرمالدهید: یکی از مهمترین محصولات تولید شده از متانول است. 28% از متانول تولید شده در سراسر جهان برای سنتز فرمالدهید مصرف میشود. تمامی فرآیندهای مورد استفاده بر اساس اکسیداسیون متانول با اکسیزن جوی است. تفاوت اصلی آنها در دما و ماهیت کاتالیزور مورد استفاده است.

میتل ترشیوبوتیل اتر (MTBE): از طریق واکنش متانول با ایزوبوتن در شرایط اسید تولید میشود. این اتر، یک تقویت کننده اکتان ایده‌آل است و به دلیل معرفی درجه های بدون سرب بنزین و آگاهی از مضر بودن احتمالی اجزای با اکتان بالا در دهه های گذشته مهم شد. اگرچه به دلیلی مسائل ایمنی (فشار بسیار بالای متیل ترشیوبوتیل اتر در مخازن ذخیره‌سازی)، این محصول در چند سال گذشته به خصوص در کشورهای غربی به خوبی مورد پذیرش واقع نشده است. که باعث کاهش تولید متانول از 27% در سال 1996 یه 11% در سال 2011 شده است. امروزه بیشترعلاقه عمومی به سمت اتیل ترشیوبوتیل اتر رفته است. با این وجود تولید متیل ترشیوبوتیل اتر به دلیل افزایش استفاده و ظرفیت تولید در اقتصادهای نوظهور مانند آسیا و خاورمیانه، احتمالا دوباره افزایش خواهد یافت.

استیک اسید: حدود 11% از متانول تولید شده برای سنتز استیک اسید استفاده میشود. استیک اسید از طریق کربونیل‌دار کردن با کربن مونوکسید در فاز مایع و با استفاده از کاتالیست‌های همگن نیکل-ید، رودیوم-ید، کبالت-ید تولید میشود.

کاربردهای متانول به عنوان منبع انرژی

اگرچه متانول به عنوان یک جایگزین برای محصولات نفتی است ولی اگر از آن به عنوان سوخت استفاده شود، بسیار گران خواهد بود. در نتیجه بحران نفت در اوایل دهه 1970 ، تعدادی از پروژه ها بر اساس این فرض آغاز شد که استفاده از متانول تولید شده از زغال سنگ در میان مدت اقتصادی تر از استفاده از محصولات نفتی خواهد بود. تقریبا تمام پروژه های بزرگ برای استفاده از زغال سنگ در آن زمان متوقف شده است. امروز ، وضعیت دوباره تغییر کرده است. به ویژه در اقتصادهای نوظهور مانند چین و هند ، زغال سنگ به عنوان مواد اولیه برای انرژی و محصولات شیمیایی اهمیت پیدا می کند، به ویژه اگر هیچ گاز طبیعی در دسترس نباشد. این موضوع که زغال سنگ یک ماده اولیه مهم در چند دهه آینده خواهد بود، به طور گسترده پذیرفته شده است. امروزه متانول تولیدی از زغال سنگ با فرآیند فیشر-تروپس سنتز میشود. استفاده از متانول به عنوان سوخت موتور از دهه 1920 بارها مورد بحث قرار گرفته است. استفاده از آن تاکنون به موتورهای با عملکرد بالا برای اتومبیل‌های مسابقه‌ای و هواپیماها محدود شده است. احتراق متانول در موتورهای چهار زمانه برای مدت طولانی مورد توجه قرار گرفته است. متانول از بسیاری جهات سوخت ایده آل است. به دلیل گرمای بالای تبخیر و ارزش کالری نسبتا کم ، دمای محفظه احتراق به طور قابل توجهی پایین تر از سوخت های موتور معمولی به دست می آید که به دلیل انتشار کمتر اکسید نیتروژن ، هیدروکربن و مونوکسید کربن است.

خواص مهم متانول برای استفاده به عنوان سوخت با خواص سوخت معمولی (بنزین) مقایسه می شود در زیر آروده شده است:

محدودیت بیشتر در استفاده از متانول در بنزین با افزایش فشار بخار بنزین اعمال می شود. عامل دیگر این است که متانول افزایش فشار بخار بوتان که به عنوان تقویت کننده اکتان ارزان استفاده میشود را باعث میشود. با این وجود ، متانول توانایی خود را برای استفاده به عنوان سوخت جایگزین بدون گوگرد در آزمایش برای اتومبیل های مسافرتی ، اتوبوس ها و کامیون ها ثابت کرده است.

کاربردهای متانول در صنعت داروسازی

متانول به عنوان حلال در فرآیندهای تولید و خالص سازی بسیاری از داروها، از جمله آنتی‌بیوتیک‌ها، ویتامین‌ها، مسکن‌ها و ضد التهاب‌ها، داروهای قلبی-عروقی و… استفاده می‌شود. این حلالیت بالا به متانول اجازه می‌دهد ترکیبات مختلف را به خوبی حل کرده و جداسازی کند.

کاربردهای دیگر متانول

نقطه انجماد پایین و امتزاج پذیری بالای آن با آب، به آن اجازه میدهد تا به شکل خالص یا مخلوط با آب و گلیکول در سیستم های خنک کننده استفاده شود. همچنین به عنوان ضد یخ درسیستم‌های گرمایشی و خنک کننده استفاده می شود. در مقایسه با سایر ضد یخ های رایج (اتیلن گلیکول ، پروپیلن گلیکول و گلیسرول) ، مزیت ویسکوزیته پایین تر در دمای پایین را دارد. با این حال ، دیگر به عنوان ضد یخ موتور استفاده نمی شود؛ در عوض از محصولات مبتنی بر گلیکول استفاده می شود. مقادیر زیادی متانول برای محافظت از خطوط لوله گاز طبیعی در برابر تشکیل هیدرات گاز در دمای پایین استفاده می شود. متانول به گاز طبیعی در ایستگاه پمپاژ اضافه می شود ، به شکل مایع در خط لوله منتقل می شود و در پایان خط لوله بازیابی می شود. متانول می تواند پس از حذف آب گرفته شده از گاز طبیعی با تقطیر بازیافت شود. متانول همچنین به عنوان عامل جذب در اسکرابرهای گاز استفاده می شود. حذف CO₂ و H₂S با متانول در دمای پایین این مزیت را دارد که آثار متانول در گاز تصفیه شده به طور کلی، آنقدر اندک است که در فرآیندهای بعدی تداخلی ایجاد نمیکند.

نگهداری و حمل و نقل

مقادیر کم متانول (کمتر از 10 لیتر) برای استفاده آزمایشگاه‌ها و صنایع در بطری‌های شیشه‌ای یا قوطی‌های فلزی نگهداری میشوند. نگهداری و انتقال متانول تا حجم 200 لیتر از بشکه‌های فلزی استفاده میشود. برخی بطری‌ها و ظروف پلاستیکی به دلیل نفوذپذیری و خطر حل شدن شان قابل استفاده نیستند. پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و پلی‌پروپیلن (PP) مناسب هستند، در حالی که پلی‌وینیل کلراید (PVC) و پلی‌آمیدها مناسب نیستند.

مقادیر زیادی متانول در مخازنی که از نظر طراحی و ساخت مشابه مخازن محصولات نفتی هستند، ذخیره می‌شوند؛ معمولاً از مخازن استوانه‌ای با ظرفیت‌هایی از چند صد متر مکعب تا بیش از 100000 متر مکعب استفاده می‌شود. در مخازن با سقف ثابت، برای جلوگیری از تشکیل اتمسفر قابل اشتعال در فضای بالای سطح مایع، باید اقدامات ویژه‌ای مانند استفاده از نیتروژن به کار گرفته شود چرا که در صورت نوسان سطح، امکان انتشار متانول وجود دارد. برای جلوگیری از این مشکلات، مخازن بزرگ اغلب به سیستم تصفیه (اسکرابر) یا سقف‌های شناور مجهز می‌شوند؛ بنابراین باید به جلوگیری از ورود آب باران توجه ویژه‌ای کرد.

حدود 30% از متانول تولید شده در سراسر جهان باید توسط دریا به کشورهای مصرف‌کننده (ژاپن، اروپا، ایالات متحده) حمل شود. تانکرهای ویژه‌ای با ظرفیت‌های تا 40000 تن برای این منظور موجود هستند. در آسیا، تمایل به تانکرهایی با ظرفیت 50000 تا 70000 تن است. به دلیل حمل و نقل با کشتی‌های غیر اختصاصی، امکان ورود ناخالصی‌ها به متانول به دلیل تغییر مکرر بار وجود دارد، تحلیل پیش از تحویل معمولاً ضروری است.

متانول به عنوان یک ترکیب شیمیایی مهم و پرکاربرد در صنایع مختلف، نقش کلیدی در تولید بسیاری از محصولات دارد. با این حال، به خاطر خطرات بالقوه آن برای سلامتی، باید در استفاده و حمل‌ونقل آن دقت لازم به عمل آید.