هیدروژنه کردن
هیدروژنه کردن در شیمی و به خصوص در صنایع غذایی عبارت است از واکنش گاز هیدروژن (H2) با یک ماده شیمیایی سیر نشده و تولید ماده اشباع که عمدتاً در حضور کاتالیست مناسب همانند نیکل، پالادیوم، پلاتینیوم انجام می شود. این واکنش معمولا برای اشباع کردن هیدروکربنها استفاده میشود. در واقع طی این فرایند تعداد پیوند های دوگانه و سه گانه کاهش میابد. هیدروژن خالص معمولا به صورت تک اتمی یافت نمیشود، بلکه آن را به صورت جفت در مولکول های دواتمی (H2) میابیم. کاتالیست یا کاتالیزور هم ماده است که در واکنش ها استفاده میشود تا آن واکنش در دمای پایین تر و سرعت بیشتری به وقوع بپیوندد. البته هر واکنشی کاتالیست های مخصوص به خود را دارد. در نتیجه هیدروژنه کردن (هیدروژناسیون) بدون حضور کاتالیزور نیاز به دمای بالایی دارد.
از نظر تجاری و صنعتی هیدروژن به صورت مولکول گازی دواتمی H2 در سیلندرهای تحت فشار ذخیره میشود. در واکنش هیدروژناسیون اغلب از گاز هیدروژن با فشار بیشتر از یک اتمسفر استفاده میشود که به‌طور معمول نیز مستقیما آن را از سیلندر ها انتقال داده میشود؛ اما در بعضی از مواقع از پمپ های تقویت کننده برای بالا بردن فشار استفاده میشود. در بسیاری از کاربرد ها هیدروژن از مولکول های دهنده مانند اسید فرمیک ، ایزوپروپانول ، دی هیدروآنتراسن گرفته میشود. این اهداکنندگان هیدروژن در نهایت به ترتیب به دی اکسید کربن ، استون و آنتراسن تبدیل میشوند.
صاحبان فرایند ممکن است تأمین هیدروژن خود را از یک شرکت گاز صنعتی تحویل گرفته یا با اجاره تجهیزات تولید، در محل هیدروژن تولید و مصرف کنند. راه دیگر که صاحبان فرایند می توانند هیدروژن را تولید کنند از طریق یک منبع بازرگانی هیدروژن است. در این مدل ، صاحبان فرایند هیدروژن خود را از یک شرکت صنعتی که منبع هیدروژن مازاد دارد یا هیدروژن را به عنوان محصولی فرعی در پروسه خود تولید می کند (مثلاً الکترولیز سدیم کلرید برای ساختن گاز کلر ) خریداری می کنند.
به‌طور کلی کاتالیزورها به دو دسته همگن و ناهمگن تقسیم میشوند. کاتالیزورهای همگن آن هایی هستند که در حلال حاوی بستر (جایگاه) اشباع نشده حل می شوند و کاتالیزورهای ناهمگن آنهایی هستند که در چنین شرایطی قرار نمیگیرند؛ مثلا در حلال گازی قرار میگیرند. به جز در مواردی اندک، مولکول های H2 در صورت عدم وجود کاتالیزور نسبت به هیدروکربن ها واکنش ناپذیر هستند. پلاتین ، پالادیوم ، رودیوم و روتنیوم کاتالیزورهایی بسیار فعال هستند که در دماهای پایین تر و فشارهای پایین H2 عمل می کنند. کاتالیزورهای فلزی ارزان قیمت ، به ویژه آنهایی که بر پایه نیکل هستند (مانند نیکل Raney و نیکل Urushibara) نیز به عنوان گزینه های اقتصادی ساخته شده اند ، اما آنها اغلب کندتر هستند و به دماهای بالاتر احتیاج دارند.
کاتالیزورهای ناهمگن برای هیدروژناسیون از نظر صنعتی شایع تر هستند. در صنعت، برای ساخت کاتالیزورهای فلزات گرانبها، آنها را به صورت پودرهای دانه ریز بر روی تکیه گاه ها جاگذاری میکنند که ارزان قیمت، حجیم و متخلخل هستند؛ همانند گرانول (کربن فعال) ، آلومینا ، کربنات کلسیم یا سولفات باریم. به عنوان مثال ، پلاتین روی کربن با کاهش اسید کلروپلاتینیک درجا در کربن تولید می شود. مونه هایی از این کاتالیزورها روتنیوم 5% روی کربن فعال یا پلاتین 1% روی آلومیناست. اما کاتالیزورهای از پایه فلزی مانند نیکل رانلی معمولاً بسیار ارزانتر هستند.
کاتالیزور ها آلکین ها را تنها به اندازه آلکن کاهش می دهند. مثلا کاتالیزور Lindlar برای تبدیل فنیل استیلن به استایرن استفاده میشود.
در زیر فرایند هیدروژنه کردن مالئیک اسید در حضور کاتالیست پالادیوم نشان داده شده است.
البته اکسیژن را نیز می توان تا حدی هیدروژنه کرد تا پراکسید هیدروژن به دست آورد ، اگرچه این فرایند تجاری سازی نشده است.
هیدروژنه کردن کاتالیزوری کاربرهای زیاد و متنوعی در صنعت دارد. در واقع هیدروژنه کردن صنعتی متکی به کاتالیزورهای ناهمگن است. هیدروژناسیون برای استحکام ، حفظ یا تصفیه بسیاری از محصولات ، مواد اولیه یا مواد تشکیل دهنده استفاده می شود. آمونیاک ، سوخت ها (هیدروکربن ها) ، الکل ها ، داروهای دارویی ، مارگارین ، پلیول ها ، پلیمرهای مختلف و مواد شیمیایی (کلرید هیدروژن و پراکسید هیدروژن) محصولاتی هستند که با استفاده از فرایند هیدروژناسیون فراوری می شوند.
بزرگترین کاربرد هیدروژنه کردن در این زمینه برای فراوری روغن های گیاهی است. روغنهای گیاهی معمولی پر هستند از اسیدهای چرب اشباع نشده (حاوی بیش از یک پیوند مضاعف کربن-کربن). هیدروژنه کردن جزئی آنها ،اکثر پیوندها ، اما نه همه این پیوندهای دوتایی کربن-کربن را کاهش می دهد. درجه هیدروژناسیون با محدود کردن مقدار هیدروژن ، دمای واکنش و زمان و کاتالیزور کنترل می شود.
هیدروژناسیون جزئی روغن گیاهی معمولی را به مارگارین معمولی تبدیل میکند. در این فرایند بیشتر پیوند های مضاعف C = C حذف می شود که باعث افزایش نقطه ذوب محصول می گردد. هیدروژناسیون روغنهای گیاهی مایع را به چربیهای جامد یا نیمه جامد تبدیل می کند ، مانند مواد موجود در مارگارین. تغییر درجه اشباع چربی برخی از خصوصیات فیزیکی مهم مانند دامنه ذوب را تغییر می دهد ، به همین دلیل روغنهای مایع، نیمه جامد می شوند. چربی های جامد یا نیمه جامد برای پخت ترجیح داده می شوند زیرا نحوه مخلوط کردن چربی با آرد باعث ایجاد بافت مطلوب در محصول پخته شده می شود. از آنجا که روغنهای گیاهی هیدروژنه جزئی شده نسبت به چربی های حیوانات ارزان تر هستند ، به‌طور وسیعی مورد استفاده قرار میگیرند و خصوصیات مطلوب دیگری نیز دارند (مانند افزایش پایداری اکسیداتیو و ماندگاری بیشتر).
یک عارضه جانبی هیدروژنه ناقص که دارای پیامدهایی برای سلامتی انسان است ، ایزومراتیز برخی از پیوندهای کربن اشباع نشده باقی مانده به ایزومرهای ترانس آنها است. چربی های ترانس (ناشی از هیدروژناسیون جزئی) در بیماری های گردش خون از جمله بیماری های قلبی نقش دارند.
همین‌طور شربت D-Sorbitol با استفاده از هیدرولیز نشاسته ها برای ساخت دکستروز ساخته می شود ، سپس دکستروز برای ایجاد سوربیتول یا الکل قند هیدروژنه می شود.
در فرایندهای پتروشیمی ، از هیدروژناسیون برای تبدیل آلکن ها و آروماتیک ها به آلکانهای اشباع (پارافین) و سیکلوآلکان ها (نفتن) استفاده می شود که کمتر سمی هستند و واکنش پذیر نیستند. با توجه به روغن‌های مایع که بعضی اوقات برای مدت طولانی در هوا باقی میمانند ، هیدروکربن‌های اشباع شده دارای خواص ذخیره سازی عالی هستند.
در صنعت نفت از هیدروژناسیون در فرایندی به نام هیدروکراکینگ استفاده می شود که زنجیره های طولانی کربنی هیدروژنی نفت خام سنگین را به فرآورده های سبکتر نظیر دیزل ، بنزین و سوخت جت می شکند.
یک ظرف تحت فشار بزرگ است که شامل یک عنصر گرمایش یا ژاکت و همزن است. بستر گرم می شود و کاتالیزور در بستر به حالت تعلیق در می آید. سپس هیدروژن با فشار وارد می شود و از همزن برای اطمینان از اختلاط کامل مواد اولیه شیمیایی ، هیدروژن و ذرات کاتالیزور استفاده می شود.
این فرایند برای شروع نیاز به گرما دارد ، اما معمولا به محض شروع هیدروژناسیون با شدت زیادی، گرمازا می‌شود. سپس ماده هیدروژنه شده برای جدا کردن ذرات کاتالیزور فیلتر می شود. این روش هیدروژناسیون معمولاً برای پردازش چربی های خوراکی و ساخت داروهای دارویی استفاده می شود. مقدار ورودی هیدروژن به راکتور هیدروژنه سازی وابسته است به مقدار تکامل هیدروژناسیون.
یک راکتور به شکل لوله با یک عامل گرمایشی یکپارچه و یک بستر کاتالیزور ثابت است. هیدروژن در فشار بالا وارد می شود و در کل ماده به صورت گاز توزیع می شود. بستر گرم شده از طریق راکتور تحت فشار گردش می کند و هیدروژن و ماده را در بستر کاتالیزور ثابت قرار می دهد. در این روش هیدروژن استفاده نشده بازیافت می شود. این کارآمدترین طراحی راکتور هیدروژناسیون است ، در تصفیه نفت و در کاربردهای تولید دارویی در مقیاس کوچک و بزرگ استفاده می شود. این طراحی راکتور نیاز به حجم زیادی از هیدروژن در فشار بالا دارد.