Ethylen glycol

Ethylen glycol (còn được gọi là ethane-1,2-diol) là một hợp chất hữu cơ có công thức (CH₂OH)₂. Nó được sử dụng chủ yếu trong sản xuất sợi polyester và các công thức chống ăn mòn. Ethylen glycol là một loại xi-rô không màu và không mùi, có độc tính vừa phải.

Sản xuất

Ethylen glycol được sản xuất từ ethylen (ethen), thông qua ethylen oxide trung gian. Ethylen oxide phản ứng với nước để tạo thành ethylen glycol theo phương trình hóa học:

C₂H₄O + H₂O → HO-CH₂CH₂-OH

Phản ứng này có thể được kích hoạt bởi một trong hai acid hoặc base, hoặc có thể xảy ra ở pH trung tính ở nhiệt độ cao. Năng suất cao nhất của ethylen glycol xảy ra ở pH acid hoặc trung tính với một lượng lớn nước. Dưới điều kiện này, sản lượng glycol ethylen có thể đạt được 90%. Các sản phẩm phụ chủ yếu là ethylen glycol oligomer diethylen glycol, triethylen glycol, và tetraethylen glycol. Khoảng 6,7 tỷ kg chất này đã được sản xuất hàng năm.

Một tính chọn lọc cao hơn đạt được bằng cách sử dụng quy trình OMEGA của Shell. Trong quy trình OMEGA, ethylen oxide lần đầu tiên được chuyển đổi với carbon dioxide (CO₂) thành ethylen carbonat để phản ứng với nước trong bước thứ hai để tạo ra ethylen glycol đơn chọn lọc. Carbon dioxide được giải phóng một lần nữa trong bước này và có thể được đưa trở lại quá trình xử lý. Carbon dioxide bắt nguồn từ việc sản xuất ethylen oxide, nơi mà một phần ethylen bị oxy hóa hoàn toàn.

Ethylen glycol được sản xuất từ carbon monoxide ở các quốc gia có trữ lượng than đá lớn. Các quốc gia có tiềm năng lớn về tổng hợp hóa học bao gồm Trung Quốc. Quá trình oxy hóa carbonylation methanol với dimethyl oxalat cung cấp một phương pháp tiếp cận tiềm năng cho sản xuất ethylen glycol dưới dạng ethylen glycol C₁. Dimethyl oxalat có thể được chuyển đổi thành ethylen glycol với hiệu suất cao (94,7%) bằng cách hydrogen hóa với xúc tác đồng:

Methanol có thể được tái chế. Do đó, quá trình sản xuất chỉ tiêu thụ carbon monoxide, hydrogen và oxy. Một nhà máy với công suất 200.000 tấn ethylen glycol mỗi năm ở Nội Mông Cổ, và một nhà máy thứ hai với công suất 250.000 tấn/năm đã được lên kế hoạch cho năm 2012 tại Hà Nam, Trung Quốc. Đến năm 2015, có ít nhất 17 nhà máy tương tự khác đang hoạt động ở Trung Quốc.

Các khía cạnh lịch sử và tự nhiên của ethylen glycol

Theo hầu hết các nguồn tin, nhà hoá học người Pháp Charles-Adolphe Wurtz (1817-1884) đã điều chế ra ethylen glycol lần đầu tiên vào năm 1856. Trước tiên ông đã điều chế 'ethylen iodide' (C₂H₄I₂) bằng bạc acetat và sau đó thủy phân sản phẩm 'Ethylen diacetat 'với kali hydroxide. Wurtz đã đặt tên hợp chất mới của mình là 'glycol' vì nó có các phẩm chất với cả cồn ethyl (với một nhóm hydroxyl) và glycerin (với ba nhóm hydroxyl). Năm 1859, Wurtz đã điều chế ethylen glycol bằng cách hydrat hóa chất ethylen oxide.

Tại Hoa Kỳ, việc sản xuất thương mại của ethylen glycol thông qua ethylen chlorohydrin bắt đầu vào năm 1917. Nhà máy glycol thương mại quy mô lớn đầu tiên được xây dựng vào năm 1925 tại Nam Charleston, Tây Virginia, bởi Carbide và Carbon Chemicals Co. (nay là Union Carbide Corp). Đến năm 1929, hầu hết các nhà sản xuất thuốc nổ đều sử dụng ethylen glycol. Năm 1937, Carbide bắt đầu nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình của Lefort cho quá trình oxy hóa giai đoạn hơi của ethylen đến ethylen oxide. Carbide duy trì một độc quyền về quá trình oxy hóa trực tiếp cho đến năm 1953, khi quá trình Thiết kế Khoa học đã được thương mại hoá và cung cấp giấy phép.

Sử dụng

Ethylen glycol chủ yếu được sử dụng trong các công thức chống ăn mòn (50%) và là nguyên liệu thô trong sản xuất polyeste như polyethylen terephthalat (PET) (40%).

Chất làm lạnh và chất chuyển nhiệt

Việc sử dụng chính của ethylen glycol là để truyền nhiệt trong các hệ thống, như là hệ thống làm mát cho ô tô và máy làm mát bằng chất lỏng. Ethylen glycol cũng thường được sử dụng trong các hệ thống điều hòa không khí mà đặt ở ngoài máy làm lạnh hoặc điều hòa không khí, hoặc các hệ thống cần làm mát dưới nhiệt độ đông của nước. Trong các hệ thống sưởi ấm/làm lạnh địa nhiệt, ethylen glycol là chất lỏng truyền nhiệt qua việc sử dụng một máy bơm nhiệt địa nhiệt. Ethylen glycol thu nhiệt từ nguồn (hồ, đại dương, giếng nước) hoặc tiêu hao nhiệt vào bồn rửa, phụ thuộc vào hệ thống đang sử dụng để sưởi ấm hoặc làm mát.

Ethylen glycol nguyên chất có năng lượng trao đổi nhiệt đặc biệt gấp đôi so với nước. Vì vậy, trong khi bảo vệ chống đông và tăng điểm sôi, ethylen glycol làm giảm dung tích nhiệt riêng của hỗn hợp nước so với nước tinh khiết. Một hỗn hợp 50/50 theo khối lượng có năng lượng trao đổi nhiệt riêng khoảng 3140 J/kg°C (0,75 BTU/lb°F), chiếm 3/4 dung tích nước tinh khiết, do đó cần tăng lưu lượng trong cùng hệ thống so với nước. Sự hình thành các bong bóng lớn trong dòng chảy làm mát bằng khí nén sẽ gây ức chế nghiêm trọng dòng chảy nhiệt từ dòng chảy đó, không khuyến khích cho quá trình trao đổi nhiệt do bong bóng nhỏ sinh ra. Bong bóng lớn trong dòng chảy làm mát sẽ tự duy trì hoặc phát triển lớn hơn, với sự mất mát làm mát tại chỗ đó. Với ethylen glycol tinh khiết, điểm sôi có thể đạt đến 200°C.

Chất chống đông

Ethylen glycol phá vỡ liên kết hydro khi hòa tan trong nước. Ethylen glycol nguyên chất đông ở khoảng -12°C (10.4°F), nhưng khi trộn với nước, hỗn hợp không dễ kết tinh, giảm điểm đông của hỗn hợp một cách đáng kể. Ví dụ, hỗn hợp 60% ethylen glycol và 40% nước đông ở -45°C (-49°F). Diethylene glycol hoạt động tương tự. Nó được sử dụng như là một chất lỏng đông cho kính chắn gió và máy bay. Khả năng chống ăn mòn của ethylen glycol làm cho nó trở thành thành phần của hỗn hợp đông lạnh để bảo vệ các mô và mô sinh học ở nhiệt độ thấp.

Tuy nhiên, điểm sôi của ethylen glycol trong nước tăng đơn giản với tỷ lệ phần trăm ethylen glycol tăng lên. Do đó, việc sử dụng ethylen glycol không chỉ làm giảm điểm đông, mà còn làm tăng điểm sôi để mở rộng phạm vi hoạt động của chất lỏng truyền nhiệt ở cả hai đầu thang nhiệt độ. Sự gia tăng điểm sôi là do ethylen glycol tinh khiết có điểm sôi cao hơn nhiều và áp suất hơi thấp hơn so với nước tinh khiết; không có sự ổn định hóa học đối với sự sôi của pha lỏng trong các hợp chất trung gian, vì có sự đóng băng.

Nguyên liệu cho polymer

Trong ngành công nghiệp nhựa, ethylen glycol là một nguyên liệu quan trọng để sản xuất sợi polyester và nhựa. Polyethylen terephthalat, được sử dụng để làm chai nhựa cho nước uống, được sản xuất từ ethylen glycol.

Ethylen glycol là nguyên liệu cho polyethylen terephthalat, được sản xuất trên quy mô hàng triệu tấn mỗi năm.

Các ứng dụng khác

Chất hút ẩm

Ethylen glycol được sử dụng trong ngành công nghiệp khí đốt tự nhiên để loại bỏ hơi nước từ khí tự nhiên trước khi gia công thêm theo cùng một cách như triethylen glycol (TEG).

Chất ức chế hydrat

Do điểm sôi cao và khả năng hút nước, ethylen glycol là chất làm khô hữu ích. Nó được sử dụng rộng rãi để ngăn chặn sự hình thành của clathrat khí tự nhiên (hydrat) trong các đường ống dẫn khí tự nhiên từ các cánh đồng khí xa tới các cơ sở chế biến khí. Sau khi được sử dụng để làm sạch và loại bỏ nước và muối vô cơ, ethylen glycol có thể được thu hồi và tái sử dụng như một chất ức chế.

Khí tự nhiên được làm khô bằng ethylen glycol. Trong ứng dụng này, ethylen glycol lưu thông từ đỉnh tháp xuống và tiếp xúc với hỗn hợp hơi nước và khí hydrocarbon đang tăng lên. Khí khô thoát ra từ đỉnh tháp. Glycol và nước được tách ra, và glycol được tái sử dụng. Ngoài việc loại bỏ nước, ethylen glycol còn có thể được sử dụng để làm giảm nhiệt độ hình thành của hydrat. Độ tinh khiết của glycol sử dụng để ức chế hydrate thường là khoảng 80%, so với 95 đến hơn 99% của triethylen glycol sử dụng để khử nước. Hơn nữa, tỷ lệ tiêm cho sự ức chế hydrate thấp hơn nhiều so với tốc độ tuần hoàn trong tháp khử nước glycol.

Các ứng dụng đặc biệt

Việc sử dụng ethylen glycol trong các ứng dụng không nghiêm trọng bao gồm sản xuất các tụ điện, là chất trung gian hóa học trong sản xuất 1,4-dioxan, và như phụ gia để ngăn ngừa sự ăn mòn trong hệ thống làm mát chất lỏng cho máy tính cá nhân và bên trong ống kính của TV chiếu sau. Nó cũng được sử dụng trong một số loại vắcxin, dù không phải là thành phần chính, cũng như trong đánh bóng giày và một số mực và thuốc nhuộm. Ethylen glycol cũng đã được sử dụng như một phương pháp điều trị cho gỗ bị thối và nấm, cả trong việc phòng ngừa và điều trị sau khi gỗ đã bị tổn thương, và được sử dụng trong một số trường hợp để bảo quản các mẫu vật sinh học, đặc biệt là trong giáo dục giải phẫu như một thay thế an toàn cho formaldehyde.

Một ứng dụng thú vị khác của ethylen glycol là trong xử lý thối rữa khô hoặc trắng trên gỗ, nơi mà nó thấm vào các vết thối rữa và sau đó giết chết các nấm. Lợi ích chính của phương pháp này là khả năng thấm của glycol và khả năng hấp thụ của gỗ đã bị tổn thương.

Ethylen glycol được sử dụng như một nhóm bảo vệ trong tổng hợp hữu cơ để bảo vệ các hợp chất carbonyl như xeton và aldehyde.

Các phản ứng hóa học

Ethylen glycol được sử dụng như một nhóm bảo vệ cho nhóm carbonyl trong tổng hợp hữu cơ. Xử lý một xeton hoặc aldehyde với ethylen glycol trong môi trường acid (ví dụ như acid p-toluenesulfonic; BF₃ • Et₂O) tạo thành 1,3-dioxolan tương ứng, giúp chống lại các base và nucleophile khác. Nhóm bảo vệ 1,3-dioxolan sau đó có thể được loại bỏ bằng quá trình thủy phân tiếp theo. Ví dụ, isophorone được bảo vệ bằng ethylen glycol và acid p-toluenesulfonic, sau đó loại bỏ nước bằng chưng cất azeotropic để đẩy phản ứng sang hướng sản phẩm mong muốn.

Rủi ro ngộ độc

Ethylen glycol là một chất độc vừa phải, với LD_Lo đường uống là 786 mg/kg đối với con người. Nguy cơ lớn là do vị ngọt của nó có thể thu hút trẻ em và động vật. Khi bị nuốt phải, ethylen glycol bị oxy hóa thành acid glycolic, và sau đó là acid oxalic, một chất độc. Những sản phẩm phụ độc hại này ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương trước tiên, sau đó là tim mạch và cuối cùng là thận. Nuốt phải có thể dẫn đến tử vong nếu không được điều trị kịp thời. Mỗi năm, có một số ca tử vong được ghi nhận tại Mỹ.

Đối với các sản phẩm chống đông cho ô tô, thay vì sử dụng ethylen glycol, có sẵn propylen glycol được coi là an toàn hơn. Propylen glycol được chuyển hóa trong cơ thể thành acid lactic, một sản phẩm phổ biến của sự trao đổi chất và hoạt động thể chất.

Úc, Anh và 17 bang của Hoa Kỳ (đến năm 2012) yêu cầu thêm denatonium benzoate, một loại chất đắng, vào các chất chống đông. Vào tháng 12 năm 2012, các nhà sản xuất chống đông tại Hoa Kỳ đã tự nguyện thêm một hương vị đắng vào tất cả các sản phẩm chống đông được bán trên thị trường tiêu dùng Mỹ.

Trong môi trường

Ethylen glycol là một hợp chất hóa học có chất lượng cao trong sản xuất; Nó phân hủy trong không khí trong khoảng mười ngày và trong nước hoặc đất trong vài tuần. Ethylen glycol đi vào môi trường qua việc phân tán các sản phẩm chứa nó, đặc biệt là tại các sân bay, nơi nó được sử dụng trong các chất làm sạch đường băng và máy bay. Dù ở liều thấp kéo dài, ethylen glycol không có độc tính đối với chương trình, nhưng ở liều gây tử vong gần (> = 1000 mg/kg mỗi ngày), ethylen glycol có thể gây dị tật thai nhi. 'Dựa trên một cơ sở dữ liệu rộng lớn, nó đã gây ra biến dạng xương và dị tật ở chuột và chuột do tất cả các đường tiếp xúc. Chất này đã được quan sát trong không gian bên ngoài.