کاربردهای گلیسیرین صنعتی در تولید مواد شیمیایی، رنگ ها و شوینده ها

گلیسیرین صنعتی محصول جانبی ارزشمند صنایع بیودیزل و صابون سازی به عنوان یک ماده اولیه حیاتی در تولید طیف گسترده ای از مواد شیمیایی رنگ ها و شوینده ها نقش ایفا می کند. این ماده با خواص منحصربه فرد شیمیایی و فیزیکی خود امکان تولید محصولاتی با کارایی و پایداری بالا را فراهم می آورد. در این مقاله به بررسی جامع کاربردهای گلیسیرین صنعتی در این صنایع پرداخته و اصول عملکرد اجزای اصلی مرتبط را بر اساس مبانی علمی و مهندسی تشریح خواهیم کرد.

تعریف و عملکرد فنی گلیسیرین صنعتی

گلیسیرین صنعتی که اغلب به عنوان گلیسرول خام نیز شناخته می شود محصول جانبی فرآیندهای تولید بیودیزل از روغن های گیاهی یا چربی های حیوانی و همچنین فرآیند صابون سازی است. در مقایسه با گلیسیرین با گرید دارویی یا غذایی گلیسیرین صنعتی معمولاً از خلوص کمتری برخوردار بوده و حاوی ناخالصی هایی نظیر متانول صابون نمک ها و مواد آلی غیرگلیسرولی (MONG) است. با این حال همین گلیسیرین ناخالص به دلیل در دسترس بودن و قیمت پایین تر به عنوان یک منبع تجدیدپذیر و پایدار برای تولید مواد شیمیایی مختلف رنگ ها و شوینده ها جذابیت فراوانی یافته است.

عملکرد فنی گلیسیرین صنعتی در این صنایع مبتنی بر خواص چندگانه آن به عنوان یک پلی ال (الکل چند عاملی) است. گلیسیرین دارای سه گروه هیدروکسیل (-OH) است که امکان انجام واکنش های شیمیایی متنوعی نظیر استریفیکاسیون اتریفیکاسیون اکسیداسیون و دهیدراسیون را فراهم می آورد. این واکنش ها پایه و اساس تولید بسیاری از مواد شیمیایی واسطه ای و نهایی هستند که در صنایع رنگ و شوینده کاربرد دارند. علاوه بر این خواص فیزیکی گلیسیرین نظیر ویسکوزیته بالا قابلیت حلالیت در آب و خاصیت رطوبت گیری (هیگروسکوپی) نیز در فرمولاسیون رنگ ها و شوینده ها برای بهبود عملکرد و ویژگی های محصول نهایی مورد استفاده قرار می گیرد.

اجزای اصلی و اصول کارکرد

اجزای اصلی مرتبط با کاربرد گلیسیرین صنعتی در صنایع شیمیایی رنگ و شوینده را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد :

• گلیسیرین صنعتی : ماده اولیه اصلی که ترکیب شیمیایی آن پروپان-۱۲۳-تری ال با فرمول شیمیایی C₃H₈O₃ است. کیفیت و ترکیب گلیسیرین صنعتی بسته به منبع و فرآیند تولید آن متفاوت است. استانداردهای ASTM D۷۶۹۳ و EN ۱۴۱۰۹ مشخصات گلیسیرین خام را تعیین می کنند.
• فرآیندهای شیمیایی تبدیل گلیسیرین : شامل واکنش های مختلف شیمیایی است که گلیسیرین را به مواد شیمیایی با ارزش افزوده تبدیل می کنند. این فرآیندها می توانند کاتالیزوری یا غیرکاتالیزوری باشند و در فاز مایع یا گازی انجام شوند. اصول ترمودینامیکی و سینتیکی حاکم بر این واکنش ها تعیین کننده راندمان و گزینش پذیری فرآیند است.
• تجهیزات فرآیندی : شامل راکتورها جداکننده ها مبدل های حرارتی و سایر تجهیزات مورد نیاز برای انجام فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی تبدیل گلیسیرین و فرمولاسیون محصولات نهایی است. اصول مهندسی شیمیایی و طراحی فرآیند در انتخاب و طراحی این تجهیزات نقش کلیدی دارد.
• فرمولاسیون رنگ ها و شوینده ها : شامل دانش و فناوری ترکیب مواد مختلف از جمله رزین ها پیگمنت ها حلال ها سورفکتانت ها افزودنی ها و گلیسیرین برای دستیابی به خواص مطلوب محصول نهایی است. اصول شیمی فیزیک کلوئیدها و پلیمرها در فهم و بهینه سازی عملکرد فرمولاسیون ها حائز اهمیت است.

اصول کارکرد این اجزا به صورت یکپارچه در راستای تولید محصولات نهایی عمل می کند. گلیسیرین صنعتی به عنوان ماده اولیه وارد فرآیندهای شیمیایی می شود در راکتورها تحت شرایط کنترل شده واکنش می دهد و به مواد شیمیایی واسطه ای یا نهایی تبدیل می گردد. این مواد شیمیایی سپس در فرمولاسیون رنگ ها و شوینده ها به عنوان اجزای اصلی یا افزودنی ها به کار می روند. تجهیزات فرآیندی نقش اساسی در انجام واکنش ها جداسازی محصولات و کنترل کیفیت فرآیند دارند.

کاربردهای گلیسیرین صنعتی

گلیسیرین صنعتی به دلیل خواص چندمنظوره خود کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارد :

۱. صنایع شیمیایی :

• تولید اپی کلروهیدرین (ECH) : اپی کلروهیدرین یک ماده شیمیایی واسطه ای مهم در تولید رزین های اپوکسی است که در صنایع رنگ پوشش چسب و کامپوزیت کاربرد دارند. گلیسیرین از طریق فرآیندهای مختلفی نظیر کلرزنی و سیکلیزاسیون به اپی کلروهیدرین تبدیل می شود. شرکت های بزرگی مانند Dow و Solvay از فناوری های پیشرفته برای تولید ECH از گلیسیرین استفاده می کنند. استاندارد ASTM D۷۴۳۱ مشخصات اپی کلروهیدرین را تعیین می کند.
• تولید پلی گلیسرول ها : پلی گلیسرول ها دسته ای از پلیمرهای خطی یا شاخه دار هستند که از پلیمریزاسیون گلیسیرین به دست می آیند. این مواد به عنوان سورفکتانت ها امولسیفایرها و مرطوب کننده ها در صنایع آرایشی و بهداشتی غذایی و دارویی کاربرد دارند. شرکت هایی مانند Evonik و Spiga Nord پلی گلیسرول ها را با گریدهای مختلف تولید می کنند.
• تولید ۱۳-پروپاندیول (PDO) : ۱۳-پروپاندیول یک دی ال است که به عنوان مونومر در تولید پلیمرهایی مانند پلی تری متیلن ترفتالات (PTT) کاربرد دارد. PTT یک پلی استر با خواص منحصربه فرد است که در صنایع نساجی پلاستیک و مهندسی کاربرد دارد. PDO از طریق دهیدراسیون گلیسیرین به دست می آید. شرکت DuPont با نام تجاری Sorona® پلیمر PTT را بر پایه PDO تولید می کند.
• تولید مواد شیمیایی ویژه : گلیسیرین همچنین به عنوان ماده اولیه در تولید طیف وسیعی از مواد شیمیایی ویژه نظیر گلیسرول استرها گلیسرول اترها اسید اکریلیک پروپیلن گلیکول و دی هیدروکسی استون (DHA) کاربرد دارد که در صنایع مختلف از جمله داروسازی آرایشی و بهداشتی غذایی و کشاورزی استفاده می شوند.

۲. صنایع رنگ :

• رزین های آلکیدی : گلیسیرین به عنوان یک پلی ال در تولید رزین های آلکیدی به کار می رود. رزین های آلکیدی از واکنش گلیسیرین اسیدهای چرب و اسیدهای چندبازی (مانند فتالیک انیدرید) تولید می شوند و به عنوان بخش اصلی رنگ های روغنی (حلال پایه) کاربرد دارند. رزین های آلکیدی به دلیل خواص چسبندگی براقیت و دوام بالا در رنگ آمیزی سطوح فلزی چوبی و ساختمانی استفاده می شوند. شرکت های تولیدکننده رنگ مانند AkzoNobel و PPG از رزین های آلکیدی در محصولات خود استفاده می کنند. استاندارد ASTM D۵۶۳ روش های آزمون رزین های آلکیدی را مشخص می کند.
• رنگ های پایه آب : گلیسیرین به عنوان یک حلال کمکی مرطوب کننده و نرم کننده (پلاستیسایزر) در رنگ های پایه آب کاربرد دارد. گلیسیرین به بهبود خواص جریان پذیری پایداری رنگ و جلوگیری از خشک شدن سریع رنگ کمک می کند. همچنین گلیسیرین به عنوان یک ماده غیر سمی و زیست تجزیه پذیر به فرمولاسیون رنگ های دوستدار محیط زیست کمک می کند.
• رنگ های صنعتی و خودرویی : در برخی از فرمولاسیون های رنگ های صنعتی و خودرویی نیز از گلیسیرین به عنوان یک افزودنی برای بهبود خواص رنگ مانند انعطاف پذیری و مقاومت به ترک خوردگی استفاده می شود.

۳. صنایع شوینده :

• سورفکتانت های گلیسیرینی : گلیسیرین به عنوان ماده اولیه در تولید سورفکتانت های غیریونی و آمفوتریک کاربرد دارد. این سورفکتانت ها به دلیل ملایمت زیست تجزیه پذیری و غیر سمی بودن در فرمولاسیون شوینده های ملایم شامپوها مایع های ظرفشویی و شوینده های بدن استفاده می شوند. شرکت هایی مانند BASF و Croda سورفکتانت های گلیسیرینی را با نام های تجاری مختلف عرضه می کنند.
• مایع های ظرفشویی و دستشویی : گلیسیرین به عنوان یک مرطوب کننده و نرم کننده پوست در مایع های ظرفشویی و دستشویی به کار می رود. گلیسیرین از خشک شدن و تحریک پوست دست در اثر تماس با شوینده ها جلوگیری می کند.
• شوینده های لباسشویی : در برخی از فرمولاسیون های شوینده های لباسشویی مایع نیز از گلیسیرین به عنوان یک حلال و بهبوددهنده ویسکوزیته استفاده می شود.
• صابون های گلیسیرینی : صابون های گلیسیرینی نوعی از صابون ها هستند که در فرآیند تولید آن ها گلیسیرین حفظ شده و یا به آن افزوده می شود. این صابون ها به دلیل خاصیت مرطوب کنندگی گلیسیرین برای پوست های خشک و حساس مناسب تر هستند.

بررسی استانداردهای گلیسیرین صنعتی

استانداردهای بین المللی :

• ASTM D۷۶۹۳ : استاندارد انجمن آمریکایی آزمایش و مواد (ASTM) برای مشخصات گلیسیرین خام که برای مصارف صنعتی و شیمیایی کاربرد دارد. این استاندارد ویژگی های فیزیکی و شیمیایی گلیسیرین خام نظیر خلوص گلیسرول محتوای متانول آب خاکستر مواد آلی غیر گلیسرولی (MONG) و pH را مشخص می کند.
• EN ۱۴۱۰۹ : استاندارد اروپایی برای گلیسیرین خام به عنوان محصول جانبی تولید بیودیزل. این استاندارد مشابه ASTM D۷۶۹۳ بوده و مشخصات کیفی گلیسیرین خام را تعیین می کند.
• ISO ۹۰۰۱ و ISO ۱۴۰۰۱ : استانداردهای سیستم مدیریت کیفیت (ISO ۹۰۰۱) و سیستم مدیریت محیط زیست (ISO ۱۴۰۰۱) که توسط سازمان بین المللی استانداردسازی (ISO) تدوین شده اند برای تضمین کیفیت و پایداری فرآیندهای تولید و کاربرد گلیسیرین صنعتی حائز اهمیت هستند.
• استانداردهای REACH و RoHS : مقررات REACH (ثبت ارزیابی مجوز و محدودیت مواد شیمیایی) و RoHS (محدودیت استفاده از مواد خطرناک در تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی) در اتحادیه اروپا بر استفاده ایمن و مسئولانه از مواد شیمیایی از جمله گلیسیرین صنعتی نظارت دارند.

فناوری های پیشرفته مرتبط :

• فناوری های خالص سازی گلیسیرین : به دلیل ناخالصی های موجود در گلیسیرین صنعتی فناوری های پیشرفته خالص سازی برای بهبود کیفیت و گسترش کاربردهای آن ضروری است. این فناوری ها شامل تقطیر خلاء تبادل یونی استخراج با حلال فیلتراسیون غشایی و جذب سطحی می شوند. فناوری های نوین مانند تقطیر غشایی و استخراج با سیال فوق بحرانی نیز در حال توسعه هستند.
• کاتالیزورهای نوین برای تبدیل گلیسیرین : توسعه کاتالیزورهای کارآمد و گزینش پذیر برای تبدیل گلیسیرین به مواد شیمیایی با ارزش افزوده از جمله زمینه های تحقیقاتی فعال است. کاتالیزورهای ناهمگن (جامد) و بیوکاتالیزورها (آنزیم ها) به دلیل مزایای زیست محیطی و اقتصادی مورد توجه ویژه ای قرار دارند. کاتالیزورهای نانوذره ای و کاتالیزورهای مبتنی بر مواد مزوپور از جمله کاتالیزورهای پیشرفته در این زمینه هستند.
• فرآیندهای بیوتکنولوژیکی تبدیل گلیسیرین : استفاده از میکروارگانیسم ها و آنزیم ها برای تبدیل گلیسیرین به مواد شیمیایی با ارزش افزوده از طریق فرآیندهای تخمیری و بیوکاتالیستی یک رویکرد پایدار و سازگار با محیط زیست است. تولید ۱۳-پروپاندیول اسید لاکتیک بیواتانول و پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA) از گلیسیرین با استفاده از فرآیندهای بیوتکنولوژیکی مورد توجه قرار گرفته است.
• بیورفای نری های مبتنی بر گلیسیرین : توسعه بیورفای نری هایی که گلیسیرین را به عنوان ماده اولیه اصلی در نظر گرفته و آن را به طیف وسیعی از محصولات شیمیایی سوخت ها و مواد زیستی تبدیل می کنند یک رویکرد جامع برای بهره برداری بهینه از گلیسیرین صنعتی است. این رویکرد به تحقق اقتصاد چرخشی و کاهش وابستگی به منابع فسیلی کمک می کند.

چالش ها و محدودیت های فنی

کاربرد گلیسیرین صنعتی با چالش ها و محدودیت های فنی نیز همراه است :

• ناخالصی های گلیسیرین صنعتی : گلیسیرین صنعتی به دلیل ناخالصی های موجود نیازمند فرآیندهای خالص سازی است که هزینه بر و پیچیده هستند. ناخالصی ها می توانند بر راندمان و گزینش پذیری واکنش های شیمیایی و کیفیت محصولات نهایی تأثیر منفی بگذارند.
• ویسکوزیته بالای گلیسیرین : ویسکوزیته بالای گلیسیرین حمل و نقل و فرآورش آن را دشوار می سازد. این مشکل به ویژه در فرآیندهای پیوسته و مقیاس بزرگ اهمیت بیشتری پیدا می کند.
• رقابت پذیری اقتصادی : قیمت گلیسیرین صنعتی تحت تأثیر نوسانات قیمت روغن های گیاهی و تقاضای بیودیزل قرار دارد. رقابت با مواد اولیه جایگزین و محصولات مشابه تولید شده از منابع فسیلی از چالش های اقتصادی کاربرد گلیسیرین صنعتی است.
• گزینش پذیری واکنش های شیمیایی : تبدیل گلیسیرین به مواد شیمیایی خاص نیازمند واکنش های شیمیایی گزینش پذیر و کاتالیزورهای مناسب است. دستیابی به گزینش پذیری بالا و کاهش تولید محصولات جانبی ناخواسته یک چالش فنی مهم است.
• پایداری فرآیند و عمر کاتالیزور : حفظ پایداری فرآیندهای شیمیایی تبدیل گلیسیرین در شرایط عملیاتی صنعتی و افزایش عمر کاتالیزورها برای کاهش هزینه های تولید و بهبود بهره وری ضروری است.

نکات کلیدی برای بهینه سازی و بهبود عملکرد

برای بهینه سازی و بهبود عملکرد کاربردهای گلیسیرین صنعتی نکات کلیدی زیر قابل توجه است :

• انتخاب گلیسیرین صنعتی مناسب : بر اساس نوع کاربرد و محصول نهایی انتخاب گلیسیرین صنعتی با مشخصات کیفی مناسب (خلوص میزان ناخالصی ها) ضروری است. در صورت نیاز استفاده از فرآیندهای پیش تیمار و خالص سازی اولیه گلیسیرین توصیه می شود.
• بهینه سازی فرآیندهای خالص سازی : انتخاب و بهینه سازی فرآیندهای خالص سازی گلیسیرین با توجه به نوع ناخالصی ها و سطح خلوص مورد نیاز می تواند هزینه ها را کاهش داده و کیفیت گلیسیرین را بهبود بخشد.
• توسعه کاتالیزورهای کارآمد و گزینش پذیر : تحقیق و توسعه کاتالیزورهای نوین با فعالیت و گزینش پذیری بالا برای واکنش های تبدیل گلیسیرین می تواند راندمان فرآیند و کیفیت محصولات را افزایش دهد.
• بهینه سازی شرایط واکنش : تعیین و بهینه سازی شرایط واکنش (دما فشار زمان نسبت مواد اولیه نوع حلال) برای هر فرآیند شیمیایی به منظور دستیابی به حداکثر راندمان و گزینش پذیری ضروری است.
• طراحی فرآیندهای یکپارچه : طراحی فرآیندهای یکپارچه و پیوسته برای تبدیل گلیسیرین و تولید محصولات نهایی می تواند هزینه های سرمایه گذاری و عملیاتی را کاهش داده و بهره وری را افزایش دهد.
• تمرکز بر فرآیندهای پایدار : استفاده از فرآیندهای شیمیایی و بیوتکنولوژیکی پایدار و سازگار با محیط زیست به منظور کاهش مصرف انرژی تولید پسماند و انتشار گازهای گلخانه ای از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
• توسعه فرمولاسیون های بهینه : در صنایع رنگ و شوینده توسعه فرمولاسیون های بهینه با استفاده از گلیسیرین و سایر مواد اولیه به منظور دستیابی به خواص مطلوب محصول نهایی و کاهش هزینه ها ضروری است.

نتیجه گیری

گلیسیرین صنعتی به عنوان یک محصول جانبی تجدیدپذیر و فراوان پتانسیل بالایی برای جایگزینی مواد اولیه فسیلی در صنایع شیمیایی رنگ و شوینده دارد. خواص منحصربه فرد شیمیایی و فیزیکی گلیسیرین امکان تولید طیف گسترده ای از مواد شیمیایی با ارزش افزوده رزین های آلکیدی رنگ های پایه آب سورفکتانت های ملایم و شوینده های زیست تجزیه پذیر را فراهم می آورد.

با وجود چالش های فنی و اقتصادی موجود پیشرفت های اخیر در فناوری های خالص سازی گلیسیرین کاتالیزورهای نوین فرآیندهای بیوتکنولوژیکی و طراحی فرآیندهای یکپارچه مسیر را برای بهره برداری گسترده تر و پایدارتر از گلیسیرین صنعتی هموار کرده است. توسعه و تجاری سازی فناوری های پیشرفته همراه با توجه به استانداردهای بین المللی و اصول مهندسی نقش کلیدی در تحقق پتانسیل کامل گلیسیرین صنعتی در صنایع مختلف ایفا خواهد کرد و به سوی اقتصاد چرخشی و کاهش وابستگی به منابع فسیلی گام برمی دارد.

سؤالات متداول

۱. سوال : مزایای استفاده از گلیسیرین صنعتی نسبت به مواد اولیه نفتی در تولید مواد شیمیایی رنگ و شوینده چیست؟

پاسخ : مزایای اصلی گلیسیرین صنعتی عبارتند از :

• تجدیدپذیری و پایداری : گلیسیرین صنعتی از منابع تجدیدپذیر (روغن های گیاهی و چربی های حیوانی) به دست می آید و استفاده از آن به کاهش وابستگی به منابع فسیلی و کاهش اثرات زیست محیطی کمک می کند.
• زیست تجزیه پذیری و غیر سمی بودن : گلیسیرین یک ماده زیست تجزیه پذیر و غیر سمی است که استفاده از آن در محصولات نهایی ایمنی مصرف کنندگان و حفاظت از محیط زیست را تضمین می کند.
• در دسترس بودن و قیمت مناسب : گلیسیرین صنعتی به عنوان یک محصول جانبی به وفور در دسترس بوده و قیمت آن نسبت به بسیاری از مواد اولیه نفتی مناسب تر است.
• خواص چندمنظوره : گلیسیرین دارای خواص شیمیایی و فیزیکی متنوعی است که امکان تولید طیف گسترده ای از محصولات با ارزش افزوده را فراهم می آورد.

۲. سوال : آیا گلیسیرین صنعتی می تواند به طور کامل جایگزین مواد اولیه نفتی در صنایع رنگ و شوینده شود؟

پاسخ : در حال حاضر گلیسیرین صنعتی نمی تواند به طور کامل جایگزین مواد اولیه نفتی در تمامی کاربردهای صنایع رنگ و شوینده شود. با این حال گلیسیرین صنعتی پتانسیل بالایی برای جایگزینی بخش قابل توجهی از مواد اولیه نفتی در این صنایع دارد. توسعه فناوری های پیشرفته و بهینه سازی فرآیندهای تولید می تواند دامنه کاربردهای گلیسیرین صنعتی را گسترش داده و سهم آن را در بازار مواد شیمیایی رنگ و شوینده افزایش دهد. در برخی از کاربردها مانند تولید رزین های آلکیدی رنگ های پایه آب و سورفکتانت های ملایم گلیسیرین صنعتی در حال حاضر جایگزین مناسبی برای مواد اولیه نفتی محسوب می شود.

۳. سوال : چه چالش های فنی و اقتصادی برای توسعه بیشتر کاربردهای گلیسیرین صنعتی وجود دارد و چگونه می توان بر آن ها غلبه کرد؟

پاسخ : چالش های اصلی شامل ناخالصی های گلیسیرین صنعتی ویسکوزیته بالا رقابت پذیری اقتصادی و نیاز به فرآیندهای شیمیایی گزینش پذیر است. برای غلبه بر این چالش ها راهکارهای زیر پیشنهاد می شود :

• توسعه فناوری های خالص سازی کارآمد و مقرون به صرفه : به منظور کاهش هزینه های خالص سازی و بهبود کیفیت گلیسیرین صنعتی.
• بهینه سازی فرآیندهای فرآورش گلیسیرین : برای کاهش ویسکوزیته و سهولت حمل و نقل و فرآورش گلیسیرین.
• توسعه کاتالیزورهای نوین و گزینش پذیر : برای افزایش راندمان و گزینش پذیری واکنش های شیمیایی تبدیل گلیسیرین.
• کاهش هزینه های تولید و بهبود رقابت پذیری : از طریق بهینه سازی فرآیندها افزایش مقیاس تولید و استفاده از فناوری های نوین.
• حمایت های دولتی و سیاست گذاری های مناسب : به منظور تشویق سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه و تجاری سازی فناوری های مبتنی بر گلیسیرین صنعتی.

با غلبه بر این چالش ها و بهره گیری از فرصت های موجود گلیسیرین صنعتی می تواند نقش مهمی در توسعه صنایع پایدار و کاهش وابستگی به منابع فسیلی ایفا کند.