اتیلن اکساید (Ethylene Oxide)

اتیلن اکساید (Ethylene Oxide ,EO)با فرمول شیمیایی C₂H₄O یکی از مهم‌ترین ترکیبات آلی صنعتی در دنیا می باشد. این گاز بی‌رنگ، قابل اشتعال و با بوی شیرین اتری است که در دمای محیط به راحتی به حالت گاز می باشد (نقطه جوش 10.7 °C). اتیلن اکساید به دلیل حلقه‌ی سه‌اتمی بسیار واکنش‌پذیر (حلقه اپوکسید) یکی از فعال‌ترین عوامل آلکیله‌کننده و استریل‌کننده در صنعت به حساب می آید. تولید جهانی آن در سال ۲۰۲۴ حدود ۳۲–۳۴ میلیون تن برآورد شده و بزرگ‌ترین تولیدکنندگان آن کشورهای آمریکا، چین، عربستان سعودی، هلند و ایران هستند.

تاریخچه مختصر

اتیلن اکساید اولین بار در سال ۱۸۵۹ توسط شیمیدان فرانسوی چارلز آدولف وورتز  با واکنش اتیلن کلروهیدرین و پایه تولید شد. اما تولید صنعتی آن تا سال ۱۹۱۸ آغاز نشد. در سال ۱۹۳۱ شرکت آمریکایی Union Carbide روش مستقیم اکسیداسیون اتیلن با هوا و کاتالیست نقره را معرفی کرد که انقلابی در صنعت به پا کرد. از دهه ۱۹۶۰ به بعد، این روش مستقیم تقریباً تمام تولید جهانی را به خود اختصاص داد.

روش‌های تولید صنعتی اتیلن

• روش مستقیم اکسیداسیون اتیلن (روش غالب امروز)

این روش بیش از ۹۹٪ تولید جهانی را شامل می‌شود:

C₂H₄ + ½O₂ → C₂H₄O ΔH = -105 kJ/mol

شرایط واکنش اتیلن

• کاتالیست: نقره روی حامل α-آلومینا (با افزودنی‌های سزیم، کلر و گاهی رنیوم برای افزایش گزینش‌پذیری)
• دما: ۲۲۰–۲۷۰ درجه سانتی‌گراد
• فشار: یک تا دو و نیم مگاپاسکال
• اکسیژن: یا هوا (روش قدیمی) یا اکسیژن خالص (روش جدیدتر و اقتصادی‌تر)
• گزینش‌پذیری: ۸۵–۹۳٪ (در بهترین واحدها تا ۹۴٪)
• تبدیل اتیلن در هر پاس: ۷–۱۵٪ (به دلیل واکنش گرمازا و خطر انفجار)

واکنش‌های جانبی مهم اتیلن

C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂Oاحتراق کامل:

احتراق جزئی و تولید فرمالدئید، استیل‌آلدئید و غیره

 چرخه فرآیند اتیلن

1. اکسیداسیون در راکتورهای لوله‌ای ثابت یا بستری سیال
2. جذب اتیلن اکساید در آب (تشکیل محلول ۱–۲٪)
3. استریپینگ و بازیابی با بخار
4. تقطیر و خالص‌سازی تا بیش از ۹۹/۹۵٪

در این روش اتیلن و اکسیژن خالص روی کاتالیست نقره در ۲۲۰–۲۷۰ درجه سانتی گراد و فشار ۱۰–۲۵ بار واکنش می‌دهند و اتیلن اکساید تولید می‌کنند. تبدیل در هر پاس فقط ۷–۱۵٪ است تا از ایجاد انفجار جلوگیری شود. گزینش‌پذیری ۹۰–۹۴٪ و بازده کلی بالای ۸۵٪ است. محصول با جذب در آب و تقطیر خالص می‌شود. این روش کم‌پسماند، اقتصادی و تنها روش مورد استفاده در تمام واحدهای جدید دنیا و ایران می باشد.

• روش کلروهیدرینی (تقریباً منسوخ شده)

هنوز در برخی کشورها (از جمله ایران در پتروشیمی اراک تا دهه ۹۰ شمسی) استفاده می‌شود:

1. اتیلن + هیپوکلریت ← اتیلن کلروهیدرین
2. اتیلن کلروهیدرین + آهک ← اتیلن اکساید + نمک و آب آلوده

معایب: مصرف آهک زیاد، پسماند کلرید کلسیم عظیم، آلودگی محیطی بالا.

ایران در حال حاضر دو واحد بزرگ تولید اتیلن اکساید دارد:

• پتروشیمی مارون
• پتروشیمی مورنا

• روش‌های تحقیقاتی (هنوز صنعتی نیستند)

• اکسیداسیون با پراکسید هیدروژن (H₂O₂)
• استفاده از CO₂ به عنوان اکسیدان
• تولید از اتیلن زیستی

 این روش‌ها برای محیط زیست ضرری ندارند اما بسیار گران‌قیمت و غیراقتصادی می باشند.

خواص فیزیکی و شیمیایی مهم

• جرم مولی: 50.44 گرم بر مول
• چگالی مایع (در دمای ۱۰ درجه سانتی گراد): 0.781 گرم بر سانتی‌متر مکعب
• حلالیت در آب: کاملاً محلول
• فشار بخار در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد: 1.46 بار
• محدوده انفجاری در هوا: 3-100% حجمی (بسیار خطرناک!)
• دارای بوی شیرین در غلظت‌های بالا، اما در غلظت‌های خطرناک ممکن است حس نشود.

اتیلن اکساید بسیار واکنش‌پذیر است و با آب، الکل‌ها، آمین‌ها، آمونیاک، اسیدها و بازها به سرعت واکنش می‌دهد و مشتقات مختلفی تولید می‌کند.

کاربردهای اصلی اتیلن اکساید

حدود ۶۰–۷۰٪ از اتیلن اکساید مستقیماً به اتیلن گلیکول تبدیل می‌شود و تنها 0.05% از آن به صورت خالص برای استریلیزاسیون و سایر کاربردها استفاده می‌شود.

۱. تولید اتیلن گلیکول‌ها (بزرگ‌ترین مصرف‌کننده)

• مونواتیلن گلیکول: (MEG) ۸۸٪ از گلیکول‌ها، ماده اولیه پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) و ضد یخ ها می باشند.
• دی‌اتیلن گلیکول: (DEG) قابل استفاده به عنوان حلال، نرم‌کننده، ماده اولیه رزین‌های پلی‌استر غیراشباع
• تری‌اتیلن گلیکول: (TEG)قابل استفاده به عنوان خشک‌کننده گاز طبیعی، نرم‌کننده

۲. تولید اتوکسیلات‌ها و اتانول‌آمین‌ها

• اتوکسیله کردن الکل‌های چرب : مناسب برای تولید سورفکتانت‌های غیر یونی که در ساخت شوینده‌ها، امولسیفایرها کاربرد دارند.
• واکنش با آمونیاک جهت تولید مونو، دی و تری‌اتانول‌آمین (MEA, DEA, TEA) که در ساخت شوینده‌ها، جذب CO₂، تولید سیمان و محصولات آرایشی بهداشتی کاربرد دارند.

۳. استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی (کاربرد حیاتی)

اتیلن اکساید تنها ماده استریل‌کننده گازی است که برای وسایل حساس به حرارت و رطوبت (کاتتر، پروتز، ابزارهای الکترونیکی پزشکی) مجاز است. در آمریکا حدود ۵۰٪ تجهیزات پزشکی یک‌بار مصرف با EO استریل می‌شوند.

مکانیسم: حلقه اپوکسید با گروه‌های آمینی، سولفیدریلی و کربوکسیلی پروتئین‌ها و DNA میکروارگانیسم‌ها واکنش داده و آن‌ها را آلکیله می‌کند.

مزایا این روش نسبت به سایر روش‌ها:

• نفوذ عالی در مواد بسته‌بندی شده
• دمای پایین (۳۰–۶۰ درجه سانتی گراد)
• عدم آسیب به قطعات پلاستیکی و الکترونیکی

معایب و چالش‌ها:

• سمی و سرطان‌زا
• تولید کننده محصولات جانبی مانند اتیلن کلروهیدرین و اتیلن گلیکول که سمی می باشند و به راحتی جذب بدن می شوند.
• زمان طولانی آئراسیون (در زمینه اتیلن اکساید به مرحله بسیار مهم حذف گاز اتیلن اکساید باقی‌مانده و محصولات جانبی سمی آن از داخل تجهیزات پزشکی یا مواد استریل‌شده گفته می‌شود.

در دهه اخیر به دلیل نگرانی‌های زیست‌محیطی و سلامتی، EPA آمریکا محدودیت‌های شدیدی وضع کرده و بسیاری از مراکز استریلیزاسیون EO در آمریکا تعطیل شده‌اند.

جایگزین‌های در حال توسعه برای این ترکیب: پراکسید هیدروژن پلاسما، اوزون، پرتو گاما، اشعه الکترونی.

۴. تولید سایر مواد شیمیایی

• گلیکول اترها (سلوسولو، بوتوکسی‌اتانول): قابل استفاده در تولید حلال های رنگ، جوهر های چاپ و پاک‌کننده ها
• پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) : مورد استفاده در ساخت محصولات دارویی، آرایشی و روان‌کننده
• پلی‌کربوکسیلات اترها: مورد استفاده در تولید فوق‌روان‌کننده های بتن

سمیت و خطرات بهداشتی

اتیلن اکساید یک گاز خفه‌کننده، محرک شدید و سرطان‌زای می باشد. مواجهه مزمن با غلظت‌های پایین از این ماده باعث لنفوم، لوسمی و سرطان پستان می‌شود. حد مجاز مواجهه شغلی در آمریکا ۱ ppm (۸ ساعته) و در ایران ۱ ppm است. همچنین این ماده برای باروری خطرناک تلقی می شود.

به دلیل قابلیت انفجار بسیار بالا، تمام واحدهای تولید و مصرف EO با سیستم‌های ایمنی پیشرفته و سیستم‌های تخلیه اضطراری کار می‌کنند.

آینده و روندهای جهانی برای این ترکیب

• تلاش برای افزایش گزینش‌پذیری کاتالیست به بالای ۹۵٪
• فرآیندهای جدید مبتنی بر CO₂ (تبدیل مستقیم CO₂ و اتیلن به EO در حضور کاتالیست‌های خاص، هنوز در مرحله آزمایشگاهی)
• کاهش مصرف EO خالص در استریلیزاسیون و حرکت به سمت جایگزین‌های سالم تر
• تولید اتیلن اکساید از منابع زیستی (مانند پروژه ساخت اتیلن از اتانول زیستی در برزیل)

نتیجه‌گیری

اتیلن اکساید با وجود سمیت و خطرات بالا، همچنان یکی از ستون‌های اصلی صنعت پتروشیمی و تجهیزات پزشکی است. هیچ ماده‌ای تاکنون نتوانسته همزمان نقش آن را در تولید پلی‌استر، ضد یخ، سورفکتانت و استریلیزاسیون تجهیزات حساس اجرا کند. آینده این صنعت به توسعه کاتالیست‌های کاراتر، روش‌های تولید سبزتر و طرفدار محیط زیست و یافتن جایگزین‌های ایمن‌تر برای کاربرد در استریلیزاسیون بستگی دارد.