اتانول: از ساختار تا کاربرد

مقدمه

اتانول (Ethanol) که با نام‌های الکل اتیلیک، الکل غلات، الکل نوشیدنی یا به سادگی الکل نیز شناخته می‌شود، یک ترکیب شیمیایی آلی با فرمول C₂H₅OH است. این ماده یک الکل ساده است که به‌صورت مایعی شفاف، بی‌رنگ، قابل اشتعال (با شعله آبی-زرد می‌سوزد) و با بوی خاص در دمای اتاق وجود دارد. به عنوان یک آرام‌بخش روان‌گردان، این ماده مؤثر در نوشیدنی‌های الکلی و دومین ماده مخدر پرمصرف در جهان پس از کافئین است.

تاریخچه

شیمیدان فرانسوی آنتوان لاوازیه (Antoine Lavoisier) اتانول را به عنوان ترکیبی از کربن، هیدروژن و اکسیژن توصیف کرد و در سال ۱۸۰۷ نیکولاس تئودور (Nicolas-Théodore) فرمول شیمیایی اتانول را تعیین کرد. پنجاه سال بعد، آرچیبالد اسکات کوپر (Archibald Scott Couper) فرمول ساختاری اتانول را منتشر کرد که یکی از اولین فرمول‌های ساختاری تعیین شده بود.

اتانول برای اولین بار به صورت مصنوعی در سال ۱۸۲۵ توسط مایکل فارادی (Michael Faraday) تهیه شد. او دریافت که اسید سولفوریک می‌تواند حجم زیادی از گاز زغال سنگ را جذب کند. او محلول حاصل را به هنری هنل (Henry Hennell)، یک شیمیدان بریتانیایی داد، که در سال ۱۸۲۶ دریافت که این محلول حاوی "اسید سولفووینیک" (اتیل هیدروژن سولفات) است. در سال ۱۸۲۸، هنل و شیمیدان فرانسوی گورجس سیمون (Georges-Simon) به طور مستقل کشف کردند که اسید سولفووینیک می‌تواند به اتانول تجزیه شود. بنابراین، در سال ۱۸۲۵ فارادی ناخواسته کشف کرده بود که اتانول می‌تواند از اتیلن (یک جزء گاز زغال سنگ) توسط هیدراتاسیون کاتالیز شده با اسید تولید شود، فرآیندی مشابه سنتز کنونی اتانول به صورت صنعتی.

اتانول از اوایل سال ۱۸۴۰ به عنوان سوخت چراغ در ایالات متحده استفاده می‌شد، اما مالیات وضع شده بر الکل صنعتی در طول جنگ داخلی این استفاده را غیراقتصادی کرد. این مالیات در سال ۱۹۰۶ لغو شد. استفاده از آن به عنوان سوخت خودرو در سال ۱۹۰۸ با فورد مدل T برمیگردد که قادر به کار با بنزین یا اتانول بود.

خواص فیزیکی

اتانول یک مایع فرار، بی‌رنگ و دارای بوی مختصری است. خواص فیزیکی اتانول عمدتاً ناشی از حضور گروه هیدروکسیل و کوتاهی زنجیره کربنی آن است. گروه هیدروکسیل اتانول قادر به تشکیل پیوند هیدروژنی است که باعث می‌شود ویسکوزیته بیشتری داشته و فراریت کمتری نسبت به ترکیبات آلی با قطبیت کمتر و وزن مولکولی مشابه، مانند پروپان داشته باشد. دمای شعله آدیاباتیک اتانول برای احتراق در هوا ۲۰۸۲ درجه سانتی‌گراد است.

اتانول کمی انکسارپذیرتر از آب است و ضریب شکست آن ۱.۳۶۲۴۲ (در طول موج ۵۸۹.۳ نانومتر و دمای ۱۸.۳۵ درجه سانتی‌گراد) می‌باشد. نقطه سه‌گانه اتانول ۱۵۰ ± ۲۰ کلوین است.

خواص حلالیت

اتانول یک حلال همه‌کاره است که با آب و بسیاری از حلال‌های آلی از جمله اسید استیک، استون، بنزن، تتراکلرید کربن، کلروفرم، دی اتیل اتر، اتیلن گلیکول، گلیسرول، نیترومتان، پیریدین و تولوئن قابل امتزاج است. کاربرد اصلی آن به عنوان حلال در ساخت تنتورید، شربت‌های سرفه و غیره است. همچنین با هیدروکربن‌های آلیفاتیک سبک مانند پنتان و هگزان و با کلریدهای آلیفاتیک مانند تری‌کلرواتان و تترا کلرواتیلن قابل امتزاج است.

امتزاج پذیری اتانول با آب در تضاد با عدم امتزاج پذیری الکل‌های با زنجیره بلندتر (پنج اتم کربن یا بیشتر) قرار دارد، که میزان امتزاج پذیری آنها با آب با افزایش تعداد اتم‌های کربن به شدت کاهش می‌یابد. امتزاج پذیری اتانول با آلکان‌ها به آلکان‌های تا آندکان محدود می‌شود: مخلوط‌های آن با دودکان و آلکان‌های بالاتر در زیر دمای معینی (حدود ۱۳ درجه سانتی‌گراد برای دودکان) شکاف امتزاج نشان می‌دهند. این شکاف امتزاج با آلکان‌های بالاتر تمایل به گسترده‌تر شدن دارد و دمای امتزاج کامل افزایش می‌یابد.

اتانول خالص به دلیل پیوند هیدروژنی به حدی جاذب رطوبت است که به راحتی آب را از هوا جذب می‌کند. ماهیت قطبی گروه هیدروکسیل باعث می‌شود اتانول بسیاری از ترکیبات یونی از جمله هیدروکسیدهای سدیم و پتاسیم، کلرید منیزیم، کلرید کلسیم، کلرید آمونیوم، برمید آمونیوم و برمید سدیم را حل کند. کلریدهای سدیم و پتاسیم به میزان کمی در اتانول حل می‌شوند. از آنجا که مولکول اتانول همچنین یک انتهای غیرقطبی دارد، مواد غیرقطبی از جمله بیشتر اسانس‌های گیاهی و عوامل طعم‌دهنده، رنگ‌دهنده و دارویی متعدد را نیز حل خواهد کرد.

روش‌های تولید اتانول

تخمیر زیستی (بیولوژیکی): در این روش، قندهای موجود در مواد گیاهی مانند نیشکر، ذرت، یا گندم توسط مخمرها به اتانول و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌شوند. این روش معمولاً برای تولید اتانول زیستی (Bioethanol) استفاده می‌شود که به‌عنوان سوخت زیستی کاربرد دارد.

روش شیمیایی: اتانول می‌تواند از طریق هیدراتاسیون اتیلن (C₂H₄) در حضور کاتالیزورهای اسیدی تولید شود. این روش بیشتر در صنایعی که به اتانول با خلوص بالا نیاز دارند، استفاده می‌شود.

استفاده از دی‌اکسید کربن (CO₂): در این روش کربن دی اکسید به عنوان ماده اولیه است که یک فناوری نوین و دوست‌دار محیط‌زیست محسوب می‌شود. در این روش، CO₂ از منابع صنعتی یا جو گرفته شده و با استفاده از فرآیندهای الکتروشیمیایی یا کاتالیزوری، به اتانول تبدیل می‌شود. این فرآیند معمولاً شامل استفاده از برق تجدیدپذیر برای فعال‌سازی واکنش‌های شیمیایی در حضور کاتالیزورهایی مانند مس یا نانوذرات خاص است. هدف اصلی این روش، کاهش گازهای گلخانه‌ای و تولید سوخت‌های پایدار است، هرچند هنوز در مراحل تحقیقاتی و توسعه قرار دارد و به‌طور گسترده تجاری‌سازی نشده است.

خالص‌سازی

هیدراتاسیون اتیلن یا تخمیر، مخلوط اتانول-آب تولید می‌کند. برای اکثر مصارف صنعتی و سوختی، اتانول باید تخلیص شود. تقطیر جزئی در فشار اتمسفر می‌تواند اتانول را تا ۹۵.۶٪ وزنی (۸۹.۵٪ مولی) تغلیظ کند. این مخلوط یک آزئوتروپ با نقطه جوش ۷۸.۱ درجه سانتی‌گراد (۱۷۲.۶ درجه فارنهایت) است و نمی‌توان آن را بیشتر با تقطیر تخلیص کرد. افزودن یک عامل همراه‌ساز (entraining agent) مانند بنزن، سیکلوهگزان یا هپتان، اجازه تشکیل یک آزئوتروپ سه‌گانه جدید متشکل از اتانول، آب و عامل همراه‌ساز را می‌دهد. این آزئوتروپ سه‌گانه با نقطه جوش پایین‌تر به صورت ترجیحی حذف می‌شود که منجر به تولید اتانول بدون آب می‌شود.

جدا از تقطیر، اتانول را می‌توان با افزودن یک ماده خشک‌کننده مانند الک‌های مولکولی، سلولز یا آرد ذرت خشک کرد. مواد خشک‌کننده را می‌توان خشک و مجدداً استفاده کرد. از الک‌های مولکولی می‌توان برای جذب انتخابی آب از محلول ۹۵.۶٪ اتانول استفاده کرد. الک‌های مولکولی با اندازه منافذ ۳ آنگستروم (نوعی زئولیت) به طور مؤثر مولکول‌های آب را جدا کرده در حالی که مولکول‌های اتانول را خارج می‌کنند. گرم کردن الک‌های مرطوب، آب را خارج می‌کند و امکان احیای توانایی خشک‌کنندگی آنها را فراهم می‌آورد.

همچنین می‌توان از غشاها برای جداسازی اتانول و آب استفاده کرد. جداسازی‌های مبتنی بر غشا مشمول محدودیت‌های آزئوتروپ آب-اتانول نیستند زیرا جداسازی‌ها بر اساس تعادل بخار-مایع نیستند. غشاها اغلب در فرآیندی به نام تقطیر غشایی هیبریدی استفاده می‌شوند. این فرآیند از یک برج تقطیر پیش‌تغلیظ به عنوان اولین مرحله جداسازی استفاده می‌کند. جداسازی بیشتر سپس با یک غشا که در حالت تراوش بخار یا تراوش تبخیری عمل می‌کند، انجام می‌شود. تراوش بخار از یک خوراک غشایی بخار استفاده می‌کند و تراوش تبخیری از یک خوراک غشایی مایع.

روش دیگری تحت عنوان نمک‌زنی وجود دارد، بدین ترتیب که با استفاده از کربنات پتاسیم برای بهره‌برداری از عدم حلالیت آن، باعث جدایش فاز بین اتانول و آب می‌شود. این روش ناخالصی بسیار کمی از کربنات پتاسیم در الکل باقی می‌گذارد که می‌توان آن را با تقطیر حذف کرد. این روش در تخلیص اتانول توسط تقطیر بسیار مفید است، زیرا اتانول با آب آزئوتروپ تشکیل می‌دهد.

کاربردهای اتانول

اتانول به دلیل ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی خود، کاربردهای متنوعی در حوزه‌های مختلف دارد که در ادامه به برخی از مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌کنیم:

1. کاربرد در صنعت پزشکی و بهداشتی

اتانول یک گزینه کارآمد و مؤثر در از بین بردن ویروس‌ها و پاتوژن‌های باکتریایی است که در بسیاری از محیط‌های پزشکی برای جلوگیری از انتقال بیماری‌ها استفاده می‌شود. خاصیت ضدباکتریایی اتانول به این معنی است که در برابر طیف گسترده‌ای از پاتوژن‌ها، از جمله ویروس‌ها و حتی قارچ‌ها، مؤثر است.

به عنوان مثال، مواد ضدعفونی‌کننده دست که اصلی‌ترین ماده تشکیل‌دهنده آن‌ها اتانول است، از زمان همه‌گیری کووید-۱۹ به یک ضرورت جهانی تبدیل شده‌اند. این مواد یکی از اولین مراحل در بهداشت دست هستند که به کاهش انتقال ویروس کمک می‌کنند.

تولید دارو: به عنوان حلال در ساخت بسیاری از داروها (مانند شربت های سرفه، تنتورها) و همچنین به عنوان ماده نگهدارنده در برخی از فرآورده های دارویی به کار می رود.

ضدعفونی کنندگی: در غلظت های خاص (معمولا around 70%) می تواند با از بین بردن دیواره سلولی میکروارگانیسم ها، آن ها را غیرفعال کند. به همین دلیل یک ماده رایج در دستمال‌های پزشکی و به عنوان پاک‌کننده زخم محسوب می‌شود. این ماده به ضدعفونی کردن بریدگی‌های جزئی، ساییدگی‌ها و سایر آسیب‌ها کمک می‌کند. همچنین به طور گسترده در بیمارستان‌ها و محیط‌های پزشکی برای اهداف استریلیزاسیون استفاده می‌شود. این ماده به تمیز کردن ابزار جراحی و تجهیزات پزشکی کمک کرده و از بهداشت اطمینان حاصل کرده و از عفونت جلوگیری می‌کند.

مواد اولیه آرایشی و بهداشتی: اتانول معمولاً در تولید محصولات مراقبت از پوست و زیبایی استفاده می‌شود. این ماده به عنوان حلال در بسیاری از فرمولاسیون‌ها عمل کرده و به حل کردن مواد اولیه و بهبود جذب کمک می‌کند. همچنین به دلیل توانایی در تبخیر سریع و به جا گذاشتن رایحه، در عطرها و دئودورانت‌ها استفاده می‌شود.

2. سوخت و انرژی

اتانول جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی انبوه است که انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش داده و به مقابله با تغییرات آب‌وهوایی کمک می‌کند. با استفاده از اتانول به عنوان سوخت زیستی، می‌توان به تنوع بخشیدن به منابع انرژی مورد نیاز برای توسعه مناطق دورافتاده بر پایه کشت زیست‌توده و کاهش واردات سوخت‌های فسیلی پرهزینه کمک کرد. این ماده می‌تواند به‌صورت خالص یا به‌صورت مخلوط با بنزین (مانند E10 حاوی 10% اتانول یا E85 حاوی 85% اتانول) در خودروها استفاده شود. این خودروها (خودروهای چندسوخته یا FFVs) به مصرف‌کنندگان امکان انتخاب سوخت بر اساس در دسترس بودن و قیمت را می‌دهند و در نتیجه مصرف سوخت‌های فسیلی کاهش یافته و استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر ترویج می‌شود.

به عنوان مثال، برزیل به عنوان الگویی در تولید اتانول از نیشکر شناخته می‌شود و به عنوان یک رهبر جهانی در تولید سوخت زیستی ایفای نقش می‌کند. این کشور نقش مهمی در کاهش انتشار کربن و وابستگی به سوخت‌های فسیلی دارد.

اتانول معمولاً به عنوان سوخت در وسایل نقلیه موشکی دوپایه (پیشران مایع) اولیه، در conjunction با یک اکسید کننده مانند اکسیژن مایع استفاده می‌شد. موشک بالستیک A-4 آلمان در جنگ جهانی دوم که به عنوان آغازگر عصر فضا شناخته می‌شود، از اتانول به عنوان تشکیل‌دهنده اصلی B-Stoff استفاده می‌کرد. تحت چنین نامگذاری، اتانول با ۲۵٪ آب مخلوط می‌شد تا دمای محفظه احتراق کاهش یابد. اگرچه الکل‌ها با توسعه سوخت‌های موشکی با چگالی انرژی بالاتر به طور کلی از رده خارج شدند، اما اتانول در هواپیماهای مسابقه‌ای سبک‌وزن جدید با پیشران موشکی مورد استفاده قرار گرفته است.

شومینه‌های اتانول را می‌توان برای گرمایش خانه یا تزیینات استفاده کرد. اتانول همچنین می‌تواند به عنوان سوخت اجاق گاز برای پخت و پز استفاده شود.

3. صنایع شیمیایی

اتانول یک جزء ضروری در صنعت شیمی برای تولید بسیاری از ترکیبات آلی و حدواسط‌ها است. به عنوان یک حلال و معرف چندمنظوره، منجر به تولید بی‌شمار مواد شیمیایی از جمله اتیلن، اسید استیک، اتیل استات و بوتادی‌ان می‌شود که مواد اولیه مورد استفاده برای تولید پلاستیک، الیاف، داروها و صنایع شیمیایی عمومی هستند.

اتانول به‌عنوان یک حلال در تولید رنگ‌ها، رزین‌ها، چسب‌ها، و مواد آرایشی استفاده می‌شود. همچنین در ساخت عطر، ادکلن، دئودورانت و لوازم آرایشی به عنوان حلال و عامل سریع خشک شونده کاربرد دارد.

4. صنایع غذایی و نوشیدنی‌ها

اتانول به طور طبیعی یک عامل نگهدارنده است و اغلب به محصولات غذایی اضافه می‌شود تا عمر مفید آن‌ها و ایمنی میکروبی را حفظ کند. از سوی دیگر، کارخانه‌های فرآوری مواد غذایی از روش اتانول برای به کارگیری اقدامات بهداشتی استفاده می‌کنند تا از افت استانداردهای بهداشتی و آلودگی جلوگیری شود.

به عنوان مثال، اتانول در تولید سرکه استفاده می‌شود که عمدتاً به عنوان سلطان نگهداری شناخته می‌شود. اسید استیک یک محصول جانبی از تخمیر اتانول است و به عنوان بازدارنده رشد میکروارگانیسم‌های فاسدکننده در سرکه عمل می‌کند.

5. کشاورزی

اتانول تخمیر شده از محصولات کشاورزی، روش‌های جدید کشاورزی برای کشاورزی پایدار را تشویق می‌کند و جریان‌های جدیدی از سود را برای کشاورزان فراهم می‌کند که به کاهش اثرات منفی زیست‌محیطی کشاورزی سنتی کمک می‌کند. علاوه بر این، تولید اتانول عمدتاً به گونه‌ای طراحی شده است که از بقایای زیست‌توده استفاده کرده و بهره‌وری منابع را افزایش دهد.

به عنوان مثال، در ایالات متحده، تولید اتانول بر پایه ذرت، مناطق روستایی نیروی کار کشاورزی را تقویت کرده و اشتغال زمستانی در بخش‌های کشاورزی، فرآوری و توزیع ایجاد کرده است. علاوه بر این، محصولات جانبی متمایز اتانول مانند دانه‌های تقطیر شده می‌توانند به صنعت دامداری تغذیه شوند که به نوبه خود آن را پایدارتر می‌کند.

6. پاکسازی محیط زیست و مدیریت پسماند

ویژگی‌های حلالیت اتانول، آن را برای پروژه‌های پاکسازی آب و خاک قابل استفاده می‌سازد، به‌ویژه زمانی که برای محدود کردن آلودگی در آب و خاک به کار می‌رود. علاوه بر این، فرآیندهای تخمیر اتانول می‌توانند برای تبدیل به سوخت‌ها و مواد شیمیایی ارزشمند استفاده شوند تا پسماندهای دفنی و انتشار گازهای گلخانه‌ای کاهش یابد.

به عنوان مثال، پاکسازی زیستی با اتانول در درمان مناطق آلوده به نفت استفاده می‌شود، جایی که اتانول رشد میکروب‌های بومی را برای تجزیه آلاینده‌های آلی هیدروکربنی تحریک می‌کند.

7. کاربرد در تحقیقات علمی

در آزمایشگاه‌ها، اتانول به‌عنوان یک حلال برای استخراج مواد، تثبیت نمونه‌های بیولوژیکی، و آماده‌سازی محلول‌های شیمیایی استفاده می‌شود. همچنین، در میکروبیولوژی برای استریل کردن تجهیزات کاربرد دارد. همچنین در فرآیندهایی مانند ته‌نشینی DNA استفاده می شود.

همچنین اتانول در تولید پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر (بیوپلاستیک) نقش دارد که جایگزین‌های سازگارتر با محیط زیست برای پلاستیک‌های سنتی مبتنی بر نفت هستند.

8. کاربردهای دیگر

در روش‌های استخراج روغن شاهدانه اغلب از اتانول به عنوان حلال استخراج و همچنین به عنوان حلال پس از پردازش برای حذف روغن‌ها، موم‌ها و کلروفیل از محلول در فرآیندی به نام وینترایزیشن (winterization) استفاده می‌کنند. به دلیل نقطه انجماد پایین (۱۱۴- درجه سانتی‌گراد یا ۱۷۳- درجه فارنهایت) و سمیت کم، اتانول گاهی اوقات در آزمایشگاه‌ها (همراه با یخ خشک یا سایر خنک‌کننده‌ها) به عنوان حمام خنک‌کننده برای نگهداری ظروف در دمای پایین‌تر از نقطه انجماد آب استفاده می‌شود. به همین دلیل، آن را به عنوان سیال فعال در دماسنج‌های الکلی نیز به کار می‌برند.

نکات ایمنی

با وجود کاربردهای فراوان، اتانول یک ماده قابل اشتعال است و باید دور از منابع حرارت و شعله نگهداری شود. مصرف خوراکی آن خارج از مصارف غذایی مجاز، می تواند منجر به مسمومیت، اعتیاد و آسیب های کبدی شدید شود. استفاده از اتانول صنعتی (که با مواد مضری مانند متانول دناتوره شده) برای مصارف خوراکی به‌شدت خطرناک و کشنده است.

نتیجه‌گیری

اتانول به‌عنوان یک ترکیب شیمیایی چندمنظوره، نقش مهمی در زندگی مدرن ایفا می‌کند. از کاربردهای پزشکی و بهداشتی گرفته تا استفاده به‌عنوان سوخت تجدیدپذیر و حلال صنعتی، این ماده جایگاه ویژه‌ای در صنایع مختلف دارد. با پیشرفت فناوری و توجه به پایداری محیط‌زیست، انتظار می‌رود که استفاده از اتانول زیستی در آینده افزایش یابد. با این حال، مدیریت منابع و بهینه‌سازی فرآیندهای تولید اتانول برای کاهش هزینه‌ها و اثرات زیست‌محیطی همچنان یک چالش مهم است.