อะโรมาติก : การผลิต การใช้ประโยชน์ และปัญหา MO Memoir : Wednesday 10 October 2555

เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้เป็นการปูพื้นฐานสำหรับงานวิจัยที่จะมอบหมายให้นิสิตรหัส ๕๕ ดำเนินการ โดยจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับภาคกว้างของปัญหาก่อน จะได้มองเห็นภาพใหญ่ว่างานที่จะมอบหมายให้ทำนั้นมีความสำคัญอย่างไร และงานของแต่คนนั้นอยู่ตรงส่วนไหนของภาพใหญ่ทั้งหมด รายละเอียดแนวทางการทำงานนั้นจะไปปรากฏในบันทึก "แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๕ (ตอนที่ ๑)" ซึ่งคาดว่าจะอีกไม่กี่วันจะตามหลังมา

อีกเรื่องคือเราอาจจะมี workshop เล็ก ๆ เป็นครั้งที่สอง คราวนี้จะเป็นเรื่องเกี่ยวกับพื้นฐานเครื่อง GC และการอ่านผลโครมาโทแกรม โดยจะนำเอาเนื้อหาใน memoir ฉบับเก่า ๆ มาเล่าให้ฟังกัน กำหนดวันคร่าว ๆ คือพฤหัสบดีที่ ๑๘ ตุลาคม ๒๕๕๕ คงใช้เวลาทั้งเช้าและบ่าย ส่วนห้องที่จะจัดจะแจ้งให้ทราบอีกที ผมประมาณว่าจะเปิดโอกาสให้คนนอกกลุ่มที่สนใจเข้าร่วมฟังด้วย รวมทั้งหมดไม่ควรจะเกิด ๒๐ คน จะพยายามจัดให้มีของว่างให้ทั้งเช้าและบ่าย (ส่วนข้าวเที่ยงขอไม่เลี้ยงนะ)

๑. ภาพโดยทั่วไปของการผลิตและการใช้งานอะโรมาติก

ในโรงกลั่นน้ำมันหรือโรงผลิต aromatic นั้น จะใช้กระบวนการ Platinum reforming หรือที่นิยมเรียกสั้น ๆ ว่า Platforming ในการเปลี่ยนไฮโดรคารบอนโซ่ตรงให้กลายเป็นวง aromatic กระบวนการนี้จะนำเอาไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรงช่วง C₆-C₈ มาเปลี่ยนโครงสร้างให้กลายเป็นวง aromatic โดย

C₆ จะกลายเป็น Benzene (C₆H₆)

C₇ จะกลายเป็น Toluene (C₆H₅-CH₃)

C₈ จะกลายเป็น Xylene (C₆H₄-(CH₃)₂) เป็นหลัก โดยมี Ethyl benzene (C₆H₅-CH₂CH₃) ร่วมอยู่ด้วย

ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเรียก Reformat หรือ BTX (ย่อมาจากคำหน้าชื่อผลิตภัณฑ์หลักแต่ละตัว)

๒. การใช้งานเบนซีน

เบนซีนนั้นใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต

- ไซโคลเฮกเซน (Cyclohexane - C₆H₁₂) โดยการเติมไฮโดรเจนกลับเข้าไปที่วงแหวน ไซโคลเฮกเซนใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต caprolactam ซึ่งนำไปสู่การผลิตเส้นใยไนลอน

- เอทิลเบนซีน โดยนำเบนซีนมาทำปฏิกิริยากับเอทิลีน เส้นทางนี้เป็นเส้นทางหลักในการผลิตเอทิลเบนซีน เอทิลเบนซีนที่ได้จะถูกเปลี่ยนไปเป็น Styrene (C₆H₅-CH=CH₂) ซึ่งเป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิสไตรีน (Polystyrene - PS) โรงงานที่ผลิตพอลิสไตรีนก็มักจะมีหน่วยผลิตเอทิลเบนซีนและสไตรีนของตัวเอง

- คิวมีน (Cumene - C₆H₅-(CH₃CHCH₃)) โดยนำเบนซีนไปทำปฏิกิริยากับโพรพิลีน คิวมีนนี้ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตฟีนอล (Phenol - C₆H₅-OH) โดยจะได้อะซีโทน (acetone - H₃C-CO-CH₃) เป็นผลิตภัณฑ์ร่วม โรงงานที่ผลิตฟีนอลก็มักจะมีหน่วยผลิตคิวมีนของตัวเองเช่นเดียวกัน

- มาเลอิกแอนไฮดราย (Maleic anhydride - C₄H₂O₃) ซึ่งผลิตจากปฏิกิริยา gas phase partial oxidation เบนซีนโดยตรง มาเลอิกแอนไฮดรายนี้ใช้การผลิตพอลิเอสเทอร์ไม่อิ่มตัว (Unsaturated polyester - มีพันธะคู่ C=C อยู่ในโมเลกุล) แต่เส้นทางนี้กำลังถูกแทนที่ด้วยเส้นทางที่เริ่มจากไฮโดรคาร์บอน C₄

ผลิตภัณฑ์จากเบนซีนสี่ตัวข้างต้นเป็นการใช้งานหลักของเบนซีนในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี นอกจากนี้ยังมีการใช้งานเบนซีนในรูปของสารเร่งออกเทนในน้ำมันแก๊สโซลีน (ขอเรียกน้ำมัน "แก๊สโซลีน" แทนน้ำมัน "เบนซิน" เนื่องจากเกรงว่าจะไปสับสนกับเบนซีนที่สะกดคล้าย ๆ กัน) แต่เนื่องจากเบนซีนจัดว่าเป็นสารก่อมะเร็ง มาตรฐานน้ำมันในปัจจุบันจึงกำหนดให้ปริมาณเบนซีนในน้ำมันแก๊สโซลีนไว้ไม่เกิน 1% (โดยน้ำหนัก) ลดลงจากเดิมที่ยอมให้มีได้ถึง 3%

สารเคมีแต่ละตัวหน้าตาเป็นอย่างไรก็เอารูปมาให้ดูแล้ว ที่เรียกไซลีนว่าเป็น ออโธ เมตา หรือพารา แทนที่จะเรียกเป็น 1,2- 1,3- หรือ 1,4- หรือชื่อสามัญนั้นก็เพราะในวงการเขาเรียกกันอย่างนี้ ไม่ได้ใช้ระบบ IUPAC

 

๓. การใช้งานโทลูอีน

โทลูอีนนั้นมีที่ใช้งานน้อยกว่าในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี โดยใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต

- กรดเบนโซอิก (Benzoic acid - C₆H₅-COOH) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาออกซิไดซ์หมู่ -CH₃ ให้กลายเป็น -COOH

- ฟีนอล ซึ่งเป็นการออกซิไดซ์เพื่อตัดหมู่ -CH₃ ให้กลายเป็น -OH แต่การผลิตฟีนอลด้วยเส้นทางนี้ต่ำกว่าเส้นทางผ่านทางคิวมีนมาก

เนื่องจากโทลูอีนมีความเป็นพิษที่ต่ำกว่าเบนซีนมาก จึงถูกนำไปใช้เป็นตัวทำละลายและสารเร่งออกเทนในน้ำมันแก๊สโซลีน (น้ำมันแก๊สโซลีนของบ้านเรายอมให้มีอะโรแมติกรวมทั้งหมดได้ถึง 35% โดยน้ำหนัก)

๔. การใช้งานไซลีน

ไซลีนที่ผลิตได้นั้นมีอยู่ด้วยกัน 3 ไอโซเมอร์คือ ออโธไซลีน (ortho-xylene หรือ o-xylene หรือ 1,2-dimethyl benzene) เมตาไซลีน (meta-xylene หรือ m-xylene หรือ 1,3-dimethyl benzene) และพาราไซลีน (para-xylene หรือ p-xylene หรือ 1,4-dimethyl benzene) ไซลีนที่อยู่ในรูปไซลีนผสมทั้งสามไอโซเมอร์นี้เรียกว่า mixed-xylene ใช้เป็นตัวทำละลายหรือสารเพิ่มออกเทนในน้ำมันแก๊สโซลีน แต่ก็ยังมีการแยกออกแต่ละไอโซเมอร์ออกมาเพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีดังนี้

ออโธไซลีนใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตฟาทาลิกแอนไฮดราย (phthalic anhydride) โดยผลิตจากปฏิกิริยา gas phase partial oxidation ออโทไซลีนกับอากาศโดยตรง ส่วนใหญ่ของฟาทาลิกแอนไฮดรายที่ผลิตได้นั้นจะนำไปผลิตเป็น plasticizer สำหรับผสมกับ PVC เพื่อผลิตเป็นหนังเทียม

เมตาไซลีนไม่มีการใช้งานที่เด่นชัดในการใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี

พาราไซลีนใช้เป็นสารตั้งต้นในการกรดเทอฟาทาลิก (C₆H₄(COOH)₂) โดยผลิตจากปฏิกิริยา liquid phase partial oxidation พาราไซลีนกับอากาศโดยตรง กรดเทอฟาทาลิกที่ได้จะนำไปผลิตเป็นพอลิเอสเทอร์โดยทำปฏิกิริยากับเอทิลีนไกลคอล (ethylene - HO-CH₂-CH₂-OH) หรือเอทิลีนออกไซด์ (C₂H₄O) จะได้พอลิเมอร์ที่เรียกว่าพอลิเอทิลีนไกลคอล (Polyethylene terephthalate) หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า PET ซึ่งมีทั้งเกรดเป็นเส้นใยที่นำมาทำเสื้อผ้าที่เราสวมใส่ (ที่เรียกว่าเส้นใยพอลิเอสเทอร์) และที่นำไปเป่าเป็นขวดบรรจุของเหลวต่าง ๆ

๕. เชื้อเพลิง ตัวทำละลาย หรือสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี

อะโรมาติกที่กล่าวมานั้นสามารถนำไปใช้เป็น เชื้อเพลิง ตัวทำละลาย หรือสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ก็ได้ แต่การจำหน่ายเพื่อเป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีจะได้ราคาที่ดีกว่า ในบรรดาอะโรมาติกที่กล่าวมาข้างต้นนั้น โทลูอีนและเมตาไซลีนเป็นสารที่มีความต้องการใช้งานเป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีน้อยที่สุด ด้วยเหตุนี้จึงได้มีความพยายามที่จะเปลี่ยนสารทั้งสองตัวนี้ให้กลายเป็นสารตัวอื่นที่สามารถนำไปเป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีได้

๖. Xylene isomerisation

กระบวนการ xylene isomerisation เป็นการเปลี่ยนเมตาไซลีนไปเป็นออโธไซลีนหรือพาราไซลีน ในกระบวนการนี้จะมีการตัดหมู่ -CH₃ หมู่หนึ่งออกจากวงแหวน และนำไปเชื่อมต่อใหม่ที่อีกตำแหน่งหนึ่งของวงแหวนเดิม (ที่ไม่ใช่ตำแหน่ง meta) ก็จะทำให้ได้ออโธไซลีนหรือพาราไซลีน

แต่ถ้าหมู่ -CH₃ ที่ถูกตัดออกมานั้นไปเชื่อมต่อเข้ากับไซลีนอีกโมเลกุลหนึ่ง ก็จะทำโมเลกุลไซลีนเดิมกลายเป็นโทลูอีน (เพราะเหลือ -CH₃ เพียงแค่หมู่เดียว) ส่วนไซลีนอีกโมเลกุลนั้นก็จะกลายเป็น trimethylbenzene ไป

๗. Toluene disproportionation reaction

โทลูอีนสองโมเลกุลสามารถทำปฏิกิริยากัน โดยที่โมเลกุลหนึ่งนั้นจะถูกตัดเอาหมู่เมทิล -CH₃ ออกและนำหมู่ -CH₃ ที่ตัดออกมานี้ไปต่อเข้ากับโทลูอีนอีกโมเลกุลหนึ่ง ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์คือเบนซีนและไซลีน

ไซลีนที่ได้นั้นจะประกอบด้วยไอโซเมอร์สามตัวรวมกัน ซึ่งจะนำไปเข้ากระบวนการ xylene isomerisation ต่อเพื่อเปลี่ยนเมตาไซลีนให้กลายเป็นออโธไซลีนหรือพาราไซลีนอีกที ส่วนเบนซีนที่ได้นั้นก็สามารถนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีได้ดังที่กล่าวไว้ในข้อ ๒.

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาหนึ่งที่ทำให้มีการผลิตเบนซีนเพิ่มขึ้น นอกเหนือไปจากปฏิกิริยา Platforming

๘. ปัญหาของเบนซีน

เมื่อร่างกายของคนเราได้รับสารเคมีเข้าไป ร่างกายจะขับออกโดยการเปลี่ยนสารประกอบนั้นให้กลายเป็นสารประกอบที่ละลายน้ำได้ เพื่อที่จะได้ระบายออกผ่านทางปัสสาวะ

เนื่องจากโมเลกุลอะโรมาติกเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว ดังนั้นเมื่อร่างกายรับเข้าไปก็จะไปสะสมในไขมัน ในการขับโมเลกุล อะโรมาติกออกจากร่างกาย ร่างกายจะต้องทำการออกซิไดซ์โมเลกุลเหล่านี้ให้เกิดหมู่ฟังก์ชันที่มีขั้ว เพื่อที่จะได้ละลายน้ำได้ และเข้าสู่ระบบโลหิตก่อนจะไปถูกขับออกทางปัสสาวะผ่านทางไต

สารประกอบอะโรมาติกที่มีหมู่อัลคิลเกาะอยู่นั้น ร่างกายจะทำการออกซิไดซ์หมู่อัลคิลให้กลายเป็นหมู่ที่มีขั้ว (เช่นเปลี่ยนหมู่ -CH₃ ให้กลายเป็น -COOH) แทนที่จะทำการออกซิไดซ์วงแหวนโดยตรง ทั้งนี้เพราะการออกซิไดซ์หมู่อัลคิลนั้นทำได้ง่ายกว่าการออกซิไดซ์วงแหวน

แต่เนื่องจากเบนซีนไม่มีหมู่อัลคิลเกาะอยู่ ดังนั้นการขับเบนซีนออกจากร่างกายจึงต้องพึ่งปฏิกิริยาการออกซิไดซ์วงแหวนโดยตรง ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการออกซิไดซ์วงแหวนเบนซีนนี้ถูกจัดว่าเป็นสารก่อมะเร็ง

ในอดีตนั้นเบนซีนส่วนที่เกินความต้องการของอุตสาหกรรมปิโตรเคมีสามารถผลักเข้าสู่การผลิตน้ำมันแก๊สโซลีนได้ แต่ในปัจจุบันเนื่องจากมีการจำกัดปริมาณเบนซีนในน้ำมันแก๊สโซลีนให้ต่ำลงไปอีก และในบางกระบวนการนั้นก็ได้มีการใช้สารตั้งต้นตัวอื่นมาใช้แทนเบนซีน (เช่นการผลิตมาเลอิกแอนไฮดรายที่เปลี่ยนจากเบนซีนไปเป็นไฮโดรคาร์บอน C₄) ทำให้การใช้งานเบนซีนนั้นถูกจำกัดมากยิ่งขึ้น และนี่คือโจทย์ที่เราได้รับมาว่าจะจัดการอย่างไรกับเบนซีนส่วนเกินนี้

หวังว่าตอนนี้พวกคุณคงจะได้เห็นภาพกว้าง ๆ ของเรื่องราวทั้งหมดแล้วว่างานที่จะมอบหมายให้ทำนั้นเกี่ยวข้องกับอะไรบ้าง คอยติดตามตอนต่อไปก็แล้วกัน