استخدام السائل الأخضر في تجهيز البوليمرات وتطبيقات التكتل

ما هي الـ(غرين سوليفتس)؟

والمذيبات الخضراء هي مذيبات مستمدة من موارد متجددة أو مصممة بحيث يكون لها تأثير بيئي ضئيل، فهي عادة ما تظهر سمية منخفضة، وقابلية عالية للتحلل الأحيائي، وتقلل من التقلبات، وتشمل الأمثلة المشتركة المياه، والمذيبات القائمة على أساس بيولوجي مثل الإيثانول وخيط الإيثيل، وثاني أكسيد الكربون الفوقي (السكو2).

وتصنف المذيبات التقليدية، مثل التلوين، وسيلين، واسيتون، وميل الميثيل، وكيتونات النسيج العضوي غير القابلة للتحلل، وأجهزة التنظيف ذات الصبغة الدرقية، وأجهزة التنظيف غير القابلة للاختراق، وأجهزة التنظيف ذات الصبغة الحرارية، وأجهزة التنظيف غير القابلة للتنظيف، وأجهزة التنظيف ذات الصبغة الحرارية، وأجهزة التنظيف المذيب.

أهم المواهب في الدير الأخضر

• Low toxicity]: Minimal acute and chronic health effects for workers and end users.
• High biodegradability]: Solvents that break down rapidly in the environment, reducing persistent and bioaccumulation.
• Reduced volatile]: انخفاض ضغط البخار يعني أقل تبخراً وانخفاض انبعاثات أكسيد الكربون.
• Renewable sourcing]: Derived from biobased feedstocks rather than finite oil resources.
• Comppatibility with green chemistry principles]: Designed to be safe, efficient, and waste-ningucing.

مزايا الـ "جرين سوفينتس" في عملية تجهيز البوليمر

ويُتيح إدماج المذيبات الخضراء في عملية المعالجة ببوليمر فوائد متعددة تتجاوز الامتثال البيئي، وتؤثر هذه المزايا على كل مرحلة من مراحل الإنتاج، من مصادر المواد الخام للتخلص من المواد الخام.

المنافع البيئية

كما أن المذيبات الخضراء تقلل بشدة من انبعاثات الأوعية المحتوية على أوعية الدموية، وهي سلائف للتنقيب الكيميائي الضوئي، وقد ربطت بأمراض الجهاز التنفسي، وباستبدال المذيبات التقليدية، يمكن للمجهزين أن يقللوا من آثار الكربون وأن يقللوا من إطلاق المواد السامة في الهواء والماء، مثلاً، فإن استخدام المياه كمذيب في البوليمرات الصنعية يزيل الحاجة إلى المذيبات العضوية بالكامل، بينما يمكن أن تكون نفايات ثاني أكسيد الكربون الفوقة الفوقية(2).

تحسين الصحة والسلامة

فسلامة العمال هي من الاعتبارات الحاسمة في مصانع تجهيز البوليمر، وكثيرا ما تشكل المذيبات التقليدية مخاطر الاستنشاق، وتهيج الجلد، ومخاطر الحريق، وتميل المذيبات الخضراء، على النقيض، إلى وجود نقاط وضحة أعلى، وانخفاض السمية الحادة، وأقل خصائص التهيج، والنظم المائية غير قابلة للنفخ، وعادة ما تكون للاحتياطات البيولوجية المحتوية على ضغط بخار منخفض، مما يقلل من تركيزات الشخصية.

الامتثال التنظيمي

وتشدد الوكالات البيئية في جميع أنحاء العالم الأنظمة المتعلقة بانبعاثات التحلل الحراري والملوثات الجوية الخطرة، وفي الولايات المتحدة، تقوم وكالة حماية البيئة بإنفاذ قواعد مثل المعايير الوطنية للانبعاثات للملوثات الجوية الخطرة وقانون الهواء النظيف، كما أن نظام الإبلاغ عن تغير المناخ في الاتحاد الأوروبي، ودليل التطهير المتعلق بالانبعاثات، يضعان حدودا صارمة على استخدام المذيبات والإطلاقات.

الأداء والكفاءة في العمليات

وعلى النقيض من الافتراضات المبكرة، كثيرا ما تضاهي المذيبات الخضراء أداء نظرائها التقليديين أو تتجاوزه، فعلى سبيل المثال، يكون لثاني أكسيد الكربون الفوقية القدرة على الانتشار الممتازة والتخريب، مما يتيح سرعة الخلاص والفصل الأنظف، ويمكن أن تؤدي عمليات التفرق بين البوليمرات المائية إلى إنتاج أفلام ذات تردد متفوق ومرونة، كما أن المذيبات البيولوجية مثل تفكك الكيل بمواهب كربونات الأقل.

تطبيقات في عمليات البوليمر

تشكيلة الحلول ورسم الأفلام

وهناك العديد من البوليمرات - مثل الخلايا، وبوليميتيد، وحامض البوليفيك، والكحول البوليفينيل - التي يتم تجهيزها عن طريق حلها في مذيب، وطرح الحل على طبقة فرعية، وتبخر المذيبات الفوقية لتشكيل فيلم، وتستعمل المذيبات الخضراء مثل الماء، والكحول الأحيائية، وثاني أكسيد الكربون المشبع بالفلور بصورة متزايدة في هذه العمليات.

(العملية المُبتذلة والمُبتلة)

وفي صناعة المنسوجات، كثيرا ما تُنثر البوليمرات في الألياف باستخدام أساليب مذيبة، وتُستخدم عملية ليوكول للألياف الخلوية العالية التحلل كبولي أكسيد النيتروز كمذيب مباشر، يتم استرداده وإعادة تدويره بالكامل تقريبا، مما يجعله بديلا خضراء لعملية الترسبات التي تستخدم كربونات السائل.

إعادة تدوير البوليمرات وتجديدها

وتؤدي المذيبات الخضراء دوراً هاماً في إعادة تدوير البوليمرات البوليمرات الصناعية بعد الاستهلاك، ويمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون الفائق الأهمية لاستخراج الملوثات من النفايات البلاستيكية، مما يتيح إعادة تدوير أنظف، ويمكن للمذيبات السائلة ذات القاعدة البيولوجية أن تحل بشكل انتقائي تعددات محددة، مما يتيح فصل مسارات النفايات المختلطة، وعلى سبيل المثال، تستخدم مادة إيثيل إيسيت لتفكي البوليستيرين الموسعة.

تنظيف المعدات المعالجة وتقليصها

وفي مجال معالجة البوليمرات، يتطلب البلاوغ والمتفجرات والمواد المطوية تنظيفاً دورياً لإزالة المخلفات، ويستخدم التنظيف التقليدي مذيبات عدائية مثل كلوريد الميثيل أو ميكروفون، كما تستخدم بدائل مذيبة خضراء مثل الدليمونين (المستمدة من القشريات)، ومستحضرات نظافة الكالسلين المائيينة للمياه، في ظروف فعالة وأقل ضرراً.

العصيان الخضراء في تطبيقات التكليف

وقد اعتمدت التكتلات، بما في ذلك الطلاءات والمفارش والمصاعد، تاريخيا على المذيبات لمراقبة القناع والوقت الجاف وممتلكات التطبيقات، والتحول نحو المذيبات الخضراء في هذا القطاع هو الذي يُعزى إلى أنظمة صارمة لنوعية الهواء والطلب الاستهلاكي على المنتجات ذات القيمة المنخفضة للمركبات.

التكتل عن طريق المياه

فالماء هو أكثر المذيبات الخضراء وضوحاً ويستخدم على نطاق واسع في المعاطف المولدة بالمياه، ويمكن أن تُنبَزَّق تركيبات الأكريكلي والبوليوريثان والأبوكسي في المياه، مما يقلل بشكل كبير من محتوى التحلل الحراري مقارنة بالنظم المذيبة المحمولة، وتُقدِّم المعاطف الحديثة المولدة للمياه تضاؤلاً ممتازاً وصعوبة وقابلية الطقس، مما يجعلها مناسبة للتكافل المعمارية في التطبيقات المتأخرة.

مرتفعات جداً ومفرقعات مُذيبة

وتخفض المعاطف العالية المذيبات المحتوى المذيب عن طريق زيادة نسبة الصلصة (الرين) إلى أقصى حد، وعندما تكون هناك حاجة إلى المذيبات، تستخدم بدائل مصممة أحيائياً مثل الأسيتاتيت أو أيزوبروبانول، وتخفض هذه المذيبات القدرة على التفاعل الكيميائي الضوئي عن التركيبات البلاستيكية التقليدية، مثلاً في أجهزة التكرير الآلي،

أشعة سينية شديدة الأهمية

وقد تم تسويق ثاني أكسيد الكربون الفوقية لأغراض رسم الرذاذ، ولا سيما في التطبيقات الآلية والصناعية، وفي هذه العملية، يتم حل راتنج التغليف في ثاني أكسيد الكربون الفوقية، ورش تحت ضغط شديد، ومع ظهور المذيبات، يعود ثاني أكسيد الكربون إلى الغاز ويمكن استخلاصه وإعادة استخدامه، مما يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة تصل إلى 80 في المائة مقارنة بنظم رش المواد الكيميائية التقليدية().

التكويجات القابلة للأكل مع السائل الأخضر

وتحتاج المعاطف التي تعمل بالأشعة فوق البنفسجية إلى مواسير تفاعلية تستخدم كمذيبات أو كاحتكارات تلتصق عند التعرض للضوء فوق البنفسج، حيث إن العديد من هذه المواسير تنتقل من مصانع الأكسيدات القائمة على النفط إلى بدائل ذاتية الوصل مستمدة من الزيوت النباتية أو الغليسيرول أو الخلوي.

دراسات الحالة والأمثلة الحقيقية على الصعيد العالمي

ثاني أكسيد الكربون الفوق الحرجة في التكتل الآلي

وفي منتصف العقد الأول من الألفية، استحدثت شركة تويوتا موتور عملية لرسم ثاني أكسيد الكربون فوق درجة حرارة بالنسبة لهيئات السيارات، ويستخدم النظام السائل المكون 2 كمذيب للطلاء، ويلغي المذيبات العضوية كليا تقريبا، وتخفض هذه العملية انبعاثات أكسيد الكربون بأكثر من 90 في المائة، وتخفض استهلاك الطاقة لأن ثاني أكسيد الكربون يتطلب قدرا أقل من الطاقة لتبخير أكثر من المذيبات التقليدية.

Ethyl Lactate in Industrial Coatings

(أ) إن مادة الـ (إيثيل) هي مذيبة مزودة بمذيبات بيولوجية مُنتجة من خمر الذرة (أو الكتلة الأحيائية الأخرى) - وهي تحتوي على ملاءات عالية للعديد من الراتنج، بما في ذلك النيتروزولوز، والبوليريثينات المتعددة السعة، وقد حلت عدة مذيبات صناعية مثل المذيبات التقليدية، والمايكلورين، والولوزات القابلة للمقارنة في المذيبات.

مولدات مائية بوليوريثان لتجميع المنسوجات

وقد حلت عمليات التفرق بين البوليوريثان المولدين بالمذيبات في العديد من عمليات الفرز بالنسيج، والرش اللامغنطي، والجلد الاصطناعي، وتستخدم وحدات الاحترار الحراري المياه كمذيب رئيسي، مع وجود محتوى منخفض جداً من الأورام الخبيثة، كما أن الشركات الرائدة مثل شركة كوفسترو ومؤسسة BASF قد قامت بتسوية تركيبات مذيبة ذات قدرة على إحداث الاحترار.

التحديات والحدود

ورغم المزايا الواضحة، فإن اعتماد المذيبات الخضراء على نطاق واسع يواجه عقبات عديدة.

التكلفة والتوافر

فغالبا ما تكون المذيبات القائمة على أساس بيولوجي أكثر تكلفة من البدائل التي تستخدمها النفط، مثلا، يمكن أن يكون سعر الأسيتات من مصادر متجددة هو أعلى بنسبة تتراوح بين 20 و50 في المائة من سعر الأسيتاتيت الاصطناعية، أما السوائل الأيونية والمذيبات الرحمية العميقة فتظل باهظة التكلفة لإنتاجها على نطاق واسع، ويمكن أن تشكل هذه أقساط السعر حاجزا للصنات ذات السعر العالي مثل تكاليف تجهيز السلع الأساسية.

قابلية الأداء للمقارنة

ولا توفر جميع المذيبات الخضراء معادلة للملاءة أو التبخر لكل تركيبة من البوليمر أو تركيبات الطلاء، فعلى سبيل المثال، ترتفع درجة حرارة المياه، مما يتطلب قدرا أكبر من الطاقة للجفاف أكثر من المذيبات العضوية، وقد يكون لبعض المذيبات ذات القاعدة الأحيائية نافذة أكثر صغرا للذوبان ذات الوزن البوليمرات العالية البوليمرات، وكثيرا ما تحتاج المصممات إلى إعادة تكييف ظروف التبنّد.

المعدات والتعديلات في الهياكل الأساسية

وقد يتطلب التحول من نظم المذيبات المحمولة إلى شبكات نقل المياه سفنا جديدة للخلط، ومضخات، وأفران جافة، ورشاً مقاوماً للتآكل، وتشمل نظم ثاني أكسيد الكربون الفائقة الأهمية معدات عالية الكساد ونوغاز الرش المتخصصة، مما يمثل استثماراً كبيراً في رأس المال، وقد تفتقر المؤسسات الصغيرة والمتوسطة الحجم إلى الموارد اللازمة لإعادة حساب خطوط إنتاجها.

الاسترداد وإعادة التدوير

وتصمم بعض المذيبات الخضراء، مثل ثاني أكسيد الكربون الفوقية والسائل الأيوني، لإعادة التدوير، ولكن كفاءة نظم الاسترداد تختلف من الناحية العملية، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف العمليات والطاقة، كما يمكن للمذيبات البيولوجية أن تشكل تحديات إذا ما أصبحت ملوثة بمنتجات الرطوبة أو التحلل، وما زالت تكنولوجيات الفصل والتنقية الفعالة تشكل مجالاً نشطاً من مجالات البحث.

سائقو الجهاز التنظيمي والاقتصادي

النظام البيئي الصارم

وتفرض الحكومات في جميع أنحاء العالم قيودا أشد صرامة على انبعاثات المركبات العضوية الثابتة، وفي الولايات المتحدة، فإن المعايير الوطنية للانبعاثات العضوية الثابتة بالنسبة للتلوثات المحفوظة، والحدود التي يفرضها مجلس الموارد الجوية في كاليفورنيا، دفعت صناعة الطلاء والمعاطف إلى تركيبات منخفضة التحلل، وبالمثل، فإن توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن بدائل الانبعاثات الناشئة عن المواد الكيميائية المذيبة يتطلب تخفيضات كبيرة في الانبعاثات المذيبة من المنشآت الصناعية.

نمو الأسواق والطلب على المستهلكين

وقد تم تقدير السوق العالمية للمذيبات الخضراء بنحو 1.5 بليون دولار في عام 2023 ومن المتوقع أن تنمو بمعدل نمو سنوي مركب يتراوح بين 7 و9 في المائة خلال العقد المقبل، وهذا النمو يغذيه زيادة الوعي بالقضايا البيئية ومعايير البناء الأخضر (LEED, BREEAM) والتزامات استدامة الشركات، وقد التزمت العديد من العلامات التجارية الرئيسية علناً بتخفيض آثار الكربون فيها والقضاء على المواد الكيميائية الخطرة من سلاسل الإمداد الخاصة بها.

الحوافز الاقتصادية والابتكار

كما أن الحوافز الحكومية للكيمياء المستدامة - مثل الائتمانات الضريبية للمنتجات التي تستخدم الكتلة الحيوية، ومنح البحوث المتعلقة بالكيمياء الخضراء، وسياسات الشراء التفضيلية - تساعد على زيادة التكاليف الأولية للمذيبات الخضراء، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الشركات التي تعتمد تكنولوجيات خضراء كثيرا ما تكتسب ميزة تنافسية من خلال التفريق في التسويق والوصول إلى الأسواق البيئية - الواعية، وقد زاد الاستثمار في رأس المال في عمليات الكيمياء الخضراء، مما أدى إلى تسريع عملية تطوير المذيبات الجديدة.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ويشير مسار المذيبات الخضراء في تجهيز البولمرات وملفاتها إلى تعميق التكامل مع مبادئ الاقتصاد الدائري وتكنولوجيات التصنيع المتقدمة.

Bio-Based Solvents from Waste Streams

وتمضي البحوث قدماً في إنتاج المذيبات من المخلفات الزراعية، والنفايات الغذائية، وحتى النفايات الصلبة البلدية، مثلاً يمكن إنتاج مادة غاما - فيلافيرولكتون من الكتلة الأحيائية الخبيثة، وتتوفر لها ملاءات ممتازة للبوليمرات، ويجري اختبار المذيبات العميقة الرحمية المستمدة من كلوريد الكولين والأحماض الأحيائية المحتوية على مواد كيميائية لتحلية المخلفات البيولوجية.

السائل المُلحوم والسائل المُتَعَدِّد

إن السوائل الأيونية - السوائل التي تُسدّ في درجة حرارة الغرفة - التوحيد النهائي عن طريق تغيير الأزواج المطوّرة للسيارات، وهي مصممة لحلّ البوليمرات المحددة، أو كعامل بلاستيك، أو لتحفيز ردود الفعل، وضغطها على البخار القريب من الزيرو يزيل انبعاثات الهواء، ويعاد تدوير الكثير منها، والحواجز الرئيسية هي حواجز عالية الحساسية وتكلفة جديدة.

تكنولوجيات فلويد خارقة الأهمية

وقد تم بالفعل إنشاء ثاني أكسيد الكربون الخارق في مجال الاستخراج والتنظيف، ولكن دوره في تجهيز البولمرات آخذ في الاتساع، ويقوم الباحثون بتطوير عمليات لرغاوي البوليمر، وحمل العوامل النشطة، وتعدد المقاييس في الماركتوكسينات (CCO2)، وقدرة الضبط الدقيق للكثافة الاصطناعية والخلاص من خلال درجات الحرارة وتسويات الضغط تجعل السكو2 منصة للصناعة الفموائية.

التصميم الحاسوبي والتكامل الكيمائي الأخضر

(ج) الأدوات الحاسوبية، بما في ذلك محاكاة الديناميات الجزيئية ونموذج الفرز المماثل للمذيبات الحقيقية، تتيح للعلماء التنبؤ بالتفاعلات بين الكائنات الحية والمذيبات البيئية قبل التوليف، مما يعجل باكتشاف المذيبات الخضراء الجديدة المصممة خصيصاً لاحتياجات التجهيز المحددة، وقد أصبح إدماج تقييم دورة الحياة في عملية اختيار المذيبات ممارسة معيارية، بما يكفل أن تكون المذيبات الجديدة صافية.

الأفكار الختامية

إن استخدام المذيبات الخضراء في عمليات تجهيز البوليمرات والتجهيز لم يعد تجربة متخصصة، بل هو ضرورة استراتيجية محركة من الضغوط التنظيمية، والطلب على الأسواق، والإدارة البيئية الحقيقية، وفي حين أن التحديات التي لا تزال قائمة فيما يتعلق بالتكلفة والأداء والهياكل الأساسية، فإن سرعة الابتكار سريعة، إذ أن من الطلاءات الآلية لثاني أكسيد الكربون إلى المعاطف المتعددة البولية المولدة للمياه ونظم التعافي من المذيبات الإيكولوجية القائمة على أساس بيولوجي، تدل على التقدم الحقيقي في المستقبل.