Метанол

Метанолот (исто така наречен метил алкохол и дрвен шпирт, меѓу другите имиња) е органска хемикалија и наједноставен алифатичен алкохол, со формулата CH<sub>3</sub>OH (метил група поврзана со хидроксилна група, често скратено како MeOH). Тоа е лесна, испарлива, безбојна, запалива течност со специфичен алкохолен мирис сличен на мирисот на етанол (алкохол за пиење).
Метанолот го добил името дрвен алкохол бидејќи некогаш се произведувал главно со деструктивна дестилација на дрво. Денес, метанолот главно се произведува индустриски со хидрогенизација на јаглерод моноксид.
Метанолот се состои од метил група поврзана со поларна хидроксилна група. Со повеќе од 20 милиони тони произведени годишно, тој се користи како претходник на други стокови хемикалии, вклучувајќи формалдехид, оцетна киселина, метил терц-бутил етер, метил бензоат, анизол, пероксидни киселини, како и мноштво повеќе специјализирани хемикалии.
1 Појава
Мали количини на метанол се присутни кај нормални, здрави луѓе. Едно истражување открило средна вредност од 4,5 ppm во издишениот здив на испитаниците. Просечниот ендоген метанол кај луѓето од 0,45 g/d може да се метаболизира од пектинот кој се наоѓа во овошјето; еден килограм јаболко произведува до 1,4 g пектин (0,6 g метанол.)
Метанолот се произведува од анаеробни бактерии и фитопланктон.
1.1 Меѓуѕвездена средина
Метанолот исто така се наоѓа во изобилство во областите на вселената што формираат ѕвезди и се користи во астрономијата како маркер за таквите региони. Тој е откриен преку неговите спектрални емисиони линии.
Во 2006 година, астрономите користејќи ја низата радио телескопи MERLIN во опсерваторијата Jodrell Bank откриле голем облак од метанол во вселената со големина од 463 тераметри (288  милијарди милјаи). Во 2016 година, астрономите откриле метанол во форма на диск што формира планета околу младата ѕвезда TW Hydrae со помош на радио телескопот Атакама со голем милиметар.
2 Безбедност
Метанолот е многу запалив. Неговите пареи се малку потешки од воздухот, можат да патуваат и да се запалат. Пожарите на метанол треба да се изгаснат со сува хемикалија, јаглерод диоксид, прскање со вода или пена отпорна на алкохол.
2.1 Токсичност
Внесувањето дури 10 mL (0,34 US fl oz) чист метанол може да преизвика потенцијално фатални последици, може да предизвика трајно слепило со уништување на оптичкиот нерв. 30 mL (1,0 US fl oz). Просечната смртоносна доза е 100 mL (3,4 US fl oz), т.е. 1-2 mL/kg телесна тежина чист метанол. Референтната доза за метанол е 0,5 mg/kg на ден. Токсичните ефекти започнуваат неколку часа по ингестијата, а противотровите честопати можат да спречат трајно оштетување. Поради сличностите во изгледот и мирисот со етанол (алкохолот во пијалаците), тешко е да се направи разлика помеѓу двете; таков е случајот и со денатурираниот алкохол, фалсификуваните пијалаци или алкохолните пијалаци со многу низок квалитет.
Метанолот е токсичен со два механизми. Прво, метанолот може да биде фатален поради ефектите врз централниот нервен систем, делувајќи како депресив на централниот нервен систем на ист начин како и труењето со етанол. Второ, во процесот на токсикација, тој се метаболизира во мравја киселина (која е присутна како формат јон) преку формалдехид во процес инициран од ензимот алкохол дехидрогеназа (ADH) во црниот дроб. Метанолот се претвора во формалдехид преку алкохол дехидрогеназа (ADH), а формалдехидот се претвора во мравја киселина (формат) преку алдехид дехидрогеназа (ALDH). Конверзијата во формат преку ALDH продолжува целосно, без да остане забележлив формалдехид. Форматот е токсичен бидејќи ја инхибира митохондријалната цитохром c оксидаза, предизвикувајќи хипоксија на клеточно ниво и метаболна ацидоза, меѓу различните други метаболички нарушувања.
Епидемии на труење со метанол се случиле првенствено поради контаминација на пиење алкохол. Ова е почеста појава во светот. Во 2013 година, повеќе од 1700 случаи се случиле во Соединетите држави. Засегнатите често се возрасни мажи. Резултатите може да бидат добри со ран третман. Токсичноста на метанолот била опишана уште во 1856 година.
Поради неговите токсични својства, метанолот често се користи како денатурант адитив за етанолот произведен за индустриска употреба. Овој додаток на метанол го ослободува индустрискиот етанол (попознат како „денатуриран алкохол“ или „метилиран шппирт“) од акциза на алкохол во САД и други земји.
За време на пандемијата СОВИД-19, Управата за храна и лекови на САД (ФДА) открила дека се продаваат голем број производи за дезинфекција на раце кои биле означени дека содржат етанол, но биле позитивни на контаминација со метанол. Поради токсичните ефекти на метанолот кога се апсорбира преку кожата или се внесува, за разлика од релативно побезбедниот етанол, ФДА наредила отповикување на таквите производи за дезинфекција на раце кои содржат метанол и издала предупредување за увоз за да се спречи нелегално влегување на овие производи на американскиот пазар.
3 Апликација
3.1 Формалдехид, оцетна киселина, метил tert-бутил етер
Метанолот првенствено се претвора во формалдехид, кој е широко користен во многу области, особено во полимерите. Конверзијата вклучува оксидација:
:2 CH3OH + O2 -> 2 CH2O + 2 H2O
Оцетнка киселина може да се произведе од метанол.
Метанолот и изобутенот се комбинираат за да се добие метил терц-бутил етер (MTBE). MTBE е главен октански засилувач во бензинот.
3.2 Метанол до јаглеводороди, олефини и бензин
Кондензацијата на метанол за производство на јаглеводороди, па дури и ароматични системи е основата на неколку технологии поврзани со гас до течности. Тие вклучуваат метанол во јаглеводороди (MtH), метанол во бензин (MtG), метанол до олефини (MtO) и метанол до пропилен (MtP). Овие конверзии се катализирани од зеолити како хетерогени катализатори. Процесот MtG некогаш бил комерцијализиран во Motunui во Нов Зеланд.
3.3 Адитиви за бензин
Европската директива за квалитет на горивото им овозможува на производителите на гориво да мешаат до 3% метанол, со еднаква количина на растворувач, со бензинот што се продава во Европа. Кина користи повеќе од 4,5 милијарди литри метанол годишно како транспортно гориво во мешавини на ниско ниво за конвенционални возила и мешавини на високо ниво во возила дизајнирани за горива со метанол. Меѓутоа, во последниве години, повеќето модерни возила што трошат бензин може да користат различни алкохолни горива, што резултира со слични или повисоки коњски сили, но за едноставна промена во софтверските поставки на возилото и евентуално заптивка или дел од цевка од 50 центи.
3.4 Други хемикалии
Метанолот е претходник на повеќето едноставни метиламини, метил халиди и метил етери. Метилестрите се произведуваат од метанол, вклучувајќи трансестерификација на масти и производство на биодизел преку трансестерификација.
3.5 Ниши и потенциални употреби
3.5.1 Носачи на енергија
Метанолот е ветувачки енергетски носач бидејќи, како течност, полесно се складира од водородот и природниот гас. Неговата енергетска густина е, сепак, помала од метанот, на кг. Неговата густина на енергија на согорување е 15,6 MJ/L (LHV), додека густината на етанолот е 24 и бензинот е 33 MJ/L.
Дополнителни предности на метанолот се неговата подготвена биоразградливост и ниската еколошка токсичност. Не опстојува ниту во аеробни (присутни со кислород) ниту во анаеробни (отсутни) средини. Полуживотот на метанолот во подземните води е само еден до седум дена, додека многу вообичаени компоненти на бензинот имаат полуживот во стотици дена (како што е бензенот на 10-730 дена). Бидејќи метанолот се меша со вода и биоразградлив, малку е веројатно дека ќе се акумулира во подземните води, површинските води, воздухот или почвата..
3.5.2 Гориво
Метанолот повремено се користи за гориво на мотори со внатрешно согорување. Согорува формирајќи јаглерод диоксид и вода:
: 2 CH3OH + 3 O2 -> 2 CO2 + 4 H2O
Метанолското гориво е предложено за копнен транспорт. Главната предност на економичноста на метанол е тоа што може да се прилагоди на бензинските мотори со внатрешно согорување со минимална промена на моторите и на инфраструктурата што испорачува и складира течно гориво. Неговата енергетска густина, сепак, е помала од бензинот, што значи дека ќе биде потребно почесто полнење. Сепак, тоа е еквивалентно на супер високооктански бензин во коњски сили, а повеќето модерни системи за вбризгување гориво контролирани од компјутер веќе можат да го користат.
Метанолот е алтернативно гориво за бродовите што и помага на бродската индустрија да ги исполни сè построгите регулативи за емисии. Тоа значително ги намалува емисиите на сулфур оксиди (SOx), азотни оксиди (NOx) и честички. Метанолот може да се користи со висока ефикасност во морски дизел мотори по мали модификации со користење на мала количина на пилот гориво (Двојно гориво).
Во Кина, метанолот ги снабдува индустриските котли, кои интензивно се користат за производство на топлина и пареа за различни индустриски апликации и за греење на станбени простории. Неговата употреба го поместува јагленот, кој е под притисок од сè построгите еколошки регулативи.
Горивните ќелии со директен метанол се единствени по нивната работа со ниски температури и атмосферски притисок, што им овозможува да бидат многу минијатуризирани. Ова, во комбинација со релативно лесното и безбедно складирање и ракување со метанол, може да ја отвори можноста за потрошувачката на метанол во електроника на погон на горивни ќелии, како што се лаптоп компјутери и мобилни телефони.
Метанолот е исто така широко употребувано гориво во печките за кампување и пловење. Метанолот добро согорува во горилник без притисок, така што шпоретите за алкохол често се многу едноставни, понекогаш малку повеќе од една чаша за чување гориво. Овој недостаток на сложеност ги прави омилени на планинарите кои поминуваат подолго време во дивината. Слично на тоа, алкохолот може да се желати за да се намали ризикот од истекување или истурање, како кај брендот „Стерно“.
Метанолот се меша со вода и се вбризгува во дизел и бензински мотори со високи перформанси за зголемување на моќноста и намалување на температурата на влезниот воздух во процес познат како вбризгување на метанол во вода.
3.5.3 Други апликации
Метанолот се користи како денатурант за етанолот, а производот е познат како „денатуриран алкохол“ или „метилиран шпирт“. Ова било вообичаено користено за време на забраната на САД за да се обесхрабри консумацијата на пијалак, но на крајот предизвикала неколку смртни случаи. Овие типови на практики сега се нелегални во САД, бидејќи се сметаат за убиство.
Метанолот се користи како растворувач и како антифриз во цевководите и течност за миење на шофершајбните. Метанолот се користел како антифриз за течноста за ладење за автомобили во раните 1900-ти. Од мај 2018 година, метанолот бил забранет во ЕУ за употреба при миење или одмрзнување на шофершајбната поради ризикот од човечка конзумација, како резултат на труења со метанол во Чешка во 2012 година.
Во некои станици за третман на отпадни води, мала количина на метанол се додава во отпадната вода за да се обезбеди извор на јаглерод за бактериите коишто денитрифицираат, кои ги претвораат нитратите во азотен гас и ја намалуваат нитрификацијата на чувствителните водоносни слоеви.
Метанолот се користи како средство за разбојување при електрофореза на полиакриламид гел.
4 Продукција
4.1 Синтеза од гас
Јаглерод моноксид и водород реагираат преку катализатор и произведуваат метанол. Денес, најшироко користен катализатор е мешавина од бакар и цинк оксид, поддржани на алумина, како што првпат се користело од ICI во 1966 година. Реакцијата
:CO + 2 H2 -> CH3OH
се одликува со висока селективност (>99,8%). Производството на синтезен гас од метан произведува три мола водород за секој мол јаглерод моноксид, додека синтезата троши само два мола гас водород по мол јаглерод моноксид. Еден начин за справување со вишокот водород е да се инјектира јаглерод диоксид во реакторот за синтеза на метанол, каде што исто така реагира и формира метанол според равенката
:CO2 + 3 H2 -> CH3OH + H2O.
Во однос на механизмот, процесот се случува преку почетната конверзија на CO во CO<sub>2</sub>, wпотоа се хидрогенизира::CO2 + 3 H2 -> CH3OH + H2O
каде нуспроизводот H<sub>2</sub>O се рециклира преку реакцијата на поместување вода-гас
:CO + H2O -> CO2 + H2.
Ова дава севкупна реакција
:CO + 2 H2 -> CH3OH,
што е исто како што е наведено погоре. Во процес тесно поврзан со производството на метанол од синтезен гас, внесување на водород и CO<sub>2</sub> може да се користи директно. Главната предност на овој процес е тоа што е заробен CO<sub>2</sub> и водородот добиен од електролиза може да се користи, отстранувајќи ја зависноста од фосилните горива.
4.2 Биосинтеза
Каталитичката конверзија на метанот во метанол се врши од ензими вклучувајќи метански монооксигенази. Овие ензими се оксигенази со мешана функција, т.е. оксигенацијата е поврзана со производство на вода и NAD<sup>+</sup>::CH4 + O2 + NADPH + H^+ -> CH3OH + H2O + NAD^+ .
Се одликуваат и ензимите зависни од Fe и Cu. Преземени се интензивни, но главно неплодни напори за да се имитира оваа реактивност. Метанолот полесно се оксидира од суровина метан, така што реакциите имаат тенденција да не бидат селективни. Постојат некои стратегии за да се заобиколи овој проблем. Примерите вклучуваат Шилов системи и зеолити кои содржат Fe- и Cu. Овие системи не мора да ги имитираат механизмите што ги користат металоензимите, туку црпат одредена инспирација од нив. Активните места може значително да се разликуваат од оние познати во ензимите. На пример, двонуклеарно активно место е предложено во ензимот sMMO, додека мононуклеарно железо (алфа-кислород) е предложено во Fe-зеолитот.
Глобалните емисии на метанол од растенијата се проценуваат на помеѓу 180 и 250 милиони тони годишно. Ова е меѓу два и три пати поголемо од вештачкото индустриско производство на метанол.
5 Спецификација за квалитет и анализи
Метанолот е комерцијално достапен во различни степени на чистота. Комерцијалниот метанол е генерално класифициран според степените на чистота на ASTM А и АА. И чистотата и степенот А и степенот АА се 99,85% метанол по тежина. Метанолот „АА“ содржи и траги на етанол.
Метанолот за хемиска употреба вообичаено одговара на степенот АА. Покрај водата, типичните нечистотии вклучуваат ацетон и етанол (кои многу тешко се одвојуваат со дестилација). УВ-вис спектроскопијата е пригоден метод за откривање на ароматични нечистотии. Содржината на вода може да се одреди со титрација на Карл-Фишер.
6 Историја
Во процесот на балсамирање, Старите Египќани користеле мешавина од супстанции, вклучувајќи метанол, кој го добивале од пиролиза на дрво. Чистиот метанол, сепак, првпат бил изолиран во 1661 година од Роберт Бојл, кога го произвел преку дестилација на буксус (шимширова). Подоцна станал познат како „пироксилен шпирт“. Во 1834 година, француските хемичари Жан-Батист Думас и Јуџин Пелигот го утврдиле неговиот елементарен состав..
Тие, исто така, го вовеле зборот „метилен“ во органската хемија, формирајќи го од грчкиот methy = „алкохолна течност“ + hȳlē = „шума, дрво, дрво, материјал“. „Метилен“ означувал „радикал“ кој содржи околу 14% водород по тежина и содржел еден јаглероден атом. Ова би било CH<sub>2</sub>, но во тоа време се мислело дека јаглеродот има атомска тежина само шест пати поголема од водородот, па формулата била CH. Потоа метанолот бол наречен дрвниот алкохол (l'esprit de bois) „бихидрат де метилен“ (бихидрат затоа што се мислело дека формулата е C<sub>4</sub>H<sub>8</sub>O<sub>4</sub> = (CH)<sub>4</sub>(H<sub>2</sub>O)<sub>2</sub>). Терминот „метил“ е изведен во околу 1840 година со формирање назад од „метилен“, а потоа се применува за да се опише „метил алкохол“. Ова било скратено на "метанол" во 1892 година од страна на Меѓународната конференција за хемиска номенклатура.. Наставката -yl, која, во органската хемија, формира имиња на јаглеродни групи, е од зборот метил.
Францускиот хемичар Пол Сабатиер го претстави првиот процес што може да се користи за синтетички производство на метанол во 1905 година. Германските хемичари Алвин Миташ и Матијас Пјер, кои работеле за Badische-Anilin & Soda-Fabrik (BASF), развиле средство за претворање на синтетниот гас (мешавина од јаглерод моноксид, јаглерод диоксид и водород) во метанол и добиле патент. Според Bozzano и Manenti, процесот на BASF за прв пат бил искористен во Леуна, Германија во 1923 година. Работните услови се состоеле од „високи“ температури (помеѓу 300 и 400 °C) и притисоци (помеѓу 250 и 350 atm) со катализатор на цинк/хром оксид.
Американскиот патент 1,569,775 (Предлошка:Патент) бил аплициран на 4 септември 1924 година и издаден на 12 јануари 1926 година на BASF; процесот користел катализатор на хром и манган оксид со екстремно енергични услови: притисоци кои се движат од 50 до 220 атм и температури до 450 °C. Современото производство на метанол е поефикасно со употреба на катализатори (најчесто бакар) способни да работат при пониски притисоци. Современиот процес на метанол низок притисок (LPM) бил развиен од ICI кон крајот на 1960-тите Предлошка:Патент со технолошки патент одамна истечен.
За време на Втората светска војна, метанолот се користел како гориво во неколку дизајни на германски воени ракети, под името M-Stoff, и во приближно 50/50 мешавина со хидразин, познат како C-Stoff.
Употребата на метанол како моторно гориво привлекло внимание за време на нафтените кризи во 1970-тите. До средината на 1990-тите, во САД биле воведени над 20.000 „возила со флексибилно гориво“ (FFV) со метанол, способни да работат на метанол или бензин. Почетокот на 1990-тите производителите на автомобили престанале да градат FFV со метанол до крајот на 1990-тите, пренасочувајќи го своето внимание кон возилата со гориво со етанол. Додека програмата за метанол FFV била технички успех, зголемувањето на цените на метанолот во средината до крајот на 1990-тите за време на периодот на пад на цените на бензинските пумпи го намалиле интересот за горивата со метанол.
Во раните 1970-ти, Mobil развил процес за производство на бензин гориво од метанол.
Помеѓу 1960-тите и 1980-тите, метанолот се појавил како претходник на хемикалиите за суровина оцетна киселина и оцетна анхидрид. Овие процеси вклучуваат синтеза на оцетна киселина Монсанто, Катива и процес на оцетен анхидрид во Тенеси Истман.