پیرولیز — به زبان ساده

پیرولیز یا آذرکافت به تجزیه حرارتی مواد در دمای بالا و اتمسفر خنثی می‌گویند. پیرولیز شامل تجزیه شیمیایی و برگشت‌ناپذیر است. از پیرولیز به طور عمده در فرآوری مواد آلی استفاده می‌شود. به طور کلی، پیرولیز مواد آلی، ترکیبات فراری را به همراه رسوب غنی از کربن بدست می‌دهد. فرآیندهایی که در آن،‌ بیشترِ رسوبات باقی‌مانده،‌ حاوی کربن باشند،‌ موسوم به «کربونیزه کردن» (Carbonization) هستند.

از پیرولیز به طور عمده در صنایع شیمیایی همچون تولید اتیلن بهره می‌گیرند. کاربردهای ایده‌آل پیرولیز شامل موارد زیر است:

• تبدیل «سوخت زیستی» (Biomass) به «گاز سنتز» (Syngas) و «زغال زیستی» (Biochar)
• بازیافت پلاستیک‌ها تبدیل آن‌ها به نفت
• تبدیل زباله‌ها به مواد یکبار مصرف

پیرولیز یکی از انواع واکنش‌های تجزیه شیمیایی است که در دمایی بالاتر از نقطه جوش آب و دیگر حلال‌ها انجام می‌شود. آذرکافت با سایر فرآیندهایی همچون احتراق و هیدرولیز تفاوت دارد چراکه به طور معمول شامل اضافه کردن ریجنت‌های دیگری همچون اکسیژن یا آب نمی‌شود. این فرآیند به تولید مواد جامد، مایع و گاز، مانند زغال و قیر منتهی خواهد شد.

انواع پیرولیز

همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد،‌ یک پیرولیز کامل در نهایت به تولید رسوبی جامد و غنی از کربن منتهی می‌شود. انواع اصلی پیرولیز در زیر آورده شده‌اند:

فیلم آموزش شیمی 3 – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

• تقطیر خشک: در تولید سولفوریک اسید از سولفات‌ها
• «تقطیر تخریبی» (Destructive Distillation): در تولید زغال، کُک، و کربن فعال
• کاراملیزه کردن قند
• پخت و پز در دمای بالا همچون سرخ‌کردن، گریل‌ کردن و تُست کردن
• سوزاندن زغال‌سنگ جهت تولید زغال
• کراکینگ هیدروکربن‌های سنگین‌تر و تبدیل آن‌ها به اجزای سبک در پالایش نفت خام
• «گسست پلیمری حرارتی» (Thermal Depolymerization) و تبدیل پلاستیک‌ها و مواد پلیمری به مونومر و اولیگومر
• «پیرولیز هیدروس» (Hydrous Pyrolysis) در فرآوری نفت خام
• کاتاژنز: شامل تبدیل مواد آلی مدفون به سوخت‌های فسیلی

مکانیسم کلی پیرولیز

پیرولز به طور کلی عبارتست از حرارت دادن مواد در دمایی بالاتر از دمای تجزیه و شکستن پیوندهای شیمیایی در مولکول‌های این مواد. این مواد بعد از تجزیه شدن، به مولکول‌های کوچک‌تری تبدیل خواهند شد که ممکن است با یکدیگر برای تولید موادی با جرم مولی بالاتر ترکیب شوند. در بیشتر مواقع، مقادیری از اکسیژن، آب یا موادی دیگر حضور دارند و در نتیجه، فرآیندهایی همچون احتراق، هیدرولیز و سایر واکنش‌های شیمیایی در کنار پیرولز رخ می‌دهند که در مواردی همچون سوزاندن هیزم برای تولید زغال و همچنین کراکینگ نفت خام،‌ این مواد به طور آگاهانه وارد واکنش می‌شوند.

در مقابل، مواد را می‌توان تحت شرایط خلاء یا در یک اتمسفر بی‌اثر حرارت داد تا از انجام واکنش‌های ناخواسته جلوگیری شود. علاوه بر این، انجام پیرولیز در محیط خلا، کاهش نقطه جوش «محصولات فرعی» (by-Products) و افزایش بازیافت آن‌ها را به همراه خواهد داشت. زمانی که ماده‌ای آلی در فضایی باز حرارت ببیند، فرآیندهای زیر به صورت مجزا یا تداخلی رخ خواهند داد:

• در دمایی کمتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد، مواد فرار، شامل مقداری آب، تبخیر می‌شوند. در این شرایط، برخی مواد حساس به دما همچون ویتامین C و پروتئین‌ها ممکن است به صورت جزئی یا کامل تجزیه شوند.
• در دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد یا کمی بالاتر از آن، آب باقیمانده‌ در مواد، از آن خارج خواهد شد. البته، آب موجود در ساختار بلوری مواد هیدراته (آبدار) ممکن است در دمایی بالاتر تخلیه شود. تکمیل این فرآیند به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد و به همین دلیل، تا زمان تکمیل فرآیند، دما افزایش نخواهد یافت. همچنین برخی از مواد جامد، مانند چربی‌ها، قندها و موم، در این حالت ذوب و از یکدیگر جدا می‌شوند.
• در دماهای بین ۱۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد، بسیاری از مولکول‌های آلی شکسته خواهند شد. جدول زیر، این مواد را به همراه دمای تجزیه آن‌ها نشان می‌دهد:

• گازها و مواد فرار، از نمونه تحت پیرولیز خارج خواهند شد اما برخی از این مواد به طور مجدد و به شکل دود، میعان می‌کنند که البته این فرآیند هم جاذب انرژی است.
• برخی از مواد فرار، با سوختن خود، ایجاد شعله می‌کنند. در این حالت، مواد فرار، غنای بیشتری از کربن پیدا می‌کنند و درشت‌مولکول‌هایی را با رنگ قهوه‌ای تا مشکی ایجاد می‌کنند. در این حالت معمولا گفته می‌شود که ماده، کربونیزه یا زغال شده است.
• در دمای 200-300 درجه سانتی‌گراد، اگر اکسیژن خارج نشده باشد، ذراتِ کربونیزه شده در واکنشی به شدت گرماده، بدون ایجاد شعله، شروع به سوختن می‌کنند. زمانی که سوختن کربن آغاز شود، دما به طور خود‌به‌خودی افزایش خواهد یافت و مواد به صورت «اخگر» (Ember) شروع به درخشیدن و آزاد کردن مونواکسید و دی‌اکسید کربن می‌کنند. در این مرحله، نیتروژن موجود در ماده، اکسید و به $$NO_2$$ یا $$N_2O_3$$ تبدیل می‌شود. گوگرد و دیگر مواد همچون کلر و آرسنیک نیز در این شرایط اکسید و به مواد فرار تبدیل خواهند شد.
• با پایان یافتن فرآیند، خاکستری حاوی مواد غیرآلی با نقطه ذوب بالا باقی می‌ماند. فلزات باقی مانده در ماده اصلی، به طور معمول به صورت اکسید یا کربنات دیده می‌شوند و فسفر موجود در استخوان‌ها، فسفولیپیدها و نوکلئیک اسیدها هم به صورت فسفات حضور دارند.

کاربردهای پیرولیز

پیرولیز، کاربردهای زیادی در زندگی روزمره و در صنعت دارد که در ادامه به آن‌ها خواهیم پرداخت.

فیلم آموزش شیمی ۲ – پایه یازدهم | رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک در فرادرس

کلیک کنید

پخت و پز

در تهیه غذاها،‌ به وفور از پیرولیز استفاده می‌کنیم. کاراملی کردن قندها، یک پیرولیز به شمار می‌رود که در نهایت، طعم و رنگ غذا تغییر پیدا می‌کند. البته این فرآیند، همیشه مطلوب نیست مانند سوختن و سیاه شدن غذا.

کُک، کربن، زغال

کربن و مواد غنی از کربن، خواص مطلوبی دارند اما حتی در دماهای بالا هم غیرفرار هستند. در نتیجه، از پیرولیز برای تولید انواع مختلفی از ترکیبات کربن استفاده می‌شود که در سوخت،‌ تولید فولاد و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پیرولیز چوب

زغال، سوخت بهتری نسبت به چوب است چراکه در مقایسه با آن، دود کمتری تولید می‌کند. استفاده از زغال در مکان‌هایی که از چوب به عنوان سوخت استفاده می‌کردند،‌ مقدار آلودگی هوا را به شدت کاهش داد. فرآیند تولید کک شامل حرارت دادن مواد در کوره‌هایی با دمای بیش از ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد است که در نتیجه مولکول‌های این مواد به مواد فرار سبک‌تری تبدیل خواهند شد. این مواد فرار،‌ از کوره خارج می‌شوند و ماده‌ای متخلخل حاوی کربن و خاکستر را به جای می‌گذارند. مقدار مواد فرار، به طور معمول بین ۲۰-۳۰ درصد وزنی را تشکیل می‌دهند.

تولید فولاد

از پیرولیز با دمای بالا در مقیاس صنعتی برای تبدیل زغال به کک استفاده می‌شود و در مهندسی مواد کاربرد فراوان دارد که از آن‌جمله می‌توان به تولید فولاد اشاره کرد که نیاز به دمای بالا دارد. البته، کک را می‌توان از طریق روش‌های فرآوری نفت خام نیز تولید کرد.

فیبر کربن

فیبر کربن، رشته‌هایی از کربن است که بمنظور تولید الیاف کربنی از آن استفاده می‌شود. در تولید فیبر کربن، از ریسندگی پلیمری مخصوص و پیرولیز مواد در دمای بالا بهره می‌گیرند.

تولید اتیلن

پیرولیز در تولید اتیلن نیز کاربرد دارد. اتیلن ماده‌ای است که سالانه بیش از 110 میلیون تن از آن به صورتی صنعتی به تولید می‌رسد. در این فرآیند، هیدروکربن‌های نفت خام در حضور بخار، تا دمای 600 درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بینند. به این فرآیند، «کراکینگ بخار» (Steam Cracking) می‌گویند. از اتیلن تولیدی در ساخت ضدیخ، PVC و بسیاری از پلیمرها همچون پلی‌اتیلن و پلی‌استایرن بهره می‌گیرند.

 بازیافت

از پیرولیز می‌توان در بازیافت پلاستیک‌ها استفاده کرد. اصلی‌ترین کاربرد آن، کاهش حجم زباله‌های تولیدی است. در حقیقت، پیرولیز منجر به تولید دوباره مونومرها و تبدیل آن‌ها به پلیمر می‌شود. البته در عمل، این فرآیند،‌ به لحاظ زیست‌محیطی و اقتصادی مناسب نیست.

پاکسازی حرارتی

از پیرولیز به منظور پاکسازی حرارتی و حذف مواد آلی همچون پلیمرها، پلاستیک‌ها و پوشش‌های آلی از قطعات و محصولات تولیدی استفاده می‌شود. در طول زمان پاک‌سازی حرارتی، در دمایی بین 310-540 درجه سانتی‌گراد، مواد آلی از طریق پیرولیز و اکسیداسیون به مواد آلی فرار، هیدروکربن و گاز کربونیزه تبدیل می‌شوند. سیستم‌های مختلفی از پاکسازی حرارتی بهره می‌گیرند که در زیر به برخی از آن‌ها اشاره شده است:

• حمام نمک مذاب: از قدیمی‌ترین روش های پاکسازی به شمار می‌آید که به کمک حمامی از نمک ذوب شده انجام می‌شود. البته این روش حاوی گاز سمی و خطرناک هیدروژن سیانید است.
• سیستم‌های بستر سیال: این سیستم‌ها از ماسه و اکسید آلومینیوم بمنظور ایجاد حرارت استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها نیز سرعت بالایی در پاکسازی دارند و ماسه و اکسید آلومینیوم نیز ذوب نمی‌شود. علاوه بر این، این روش فاقد هر نوع بو یا بخارات نامطبوع است و به طور معمول، فرآیند پاکسازی بین یک تا دو ساعت زمان می‌برد.
• آون (فر) خلا: این نوع سیستم‌ها، پیرولیز را در خلا بکار می‌گیرند که سبب جلوگیری از ایجاد فرآیند احتراق ناخواسته در داخل محفظه پاکسازی می‌شوند و معمولا فرآیند پاکسازی بین 8-30 ساعت به طول می‌انجامد.

سنتز مواد شیمیایی

از پیرولیز برای تولید مواد شیمیایی نیز استفاده می‌کنند. در تولید موادی همچون «پنتابوران» (Pentaborane) و «دکابوران»‌ (Decaborane) و همچنین نانوذرات زیرکونیوم و اکسیدها از پیرولیز بهره می‌گیرند.

پیرولیز لاستیک

از پیرولیز به عنوان فرآیندی برای بازیافت لاستیک و تایرهای خودرو استفاده می‌کنند. با توجه به اینکه لاستیک خودرو‌ها و وسایل نقلیه، حجم عظیمی از زباله‌ها را تشکیل می‌دهد، پیرولیز و بازیافت آن‌ها راهکار بسیار مناسبی برای کاهش حجم زباله تولیدی به شمار می‌آید.

واکنش پیرولیز چیست؟

واکنش‌های پیرولیز را بسته به نوع حرارت به دو دسته «پیرولیز آهسته»‌ (Slow Pyrolysis) و «پیرولیز سریع» (Fast Pyrolysis) می‌توان تقسیم‌بندی کرد. در فرآیند پیرولیز آهسته، زمان بیشتری برای حرارت دادن صرف می‌شود. واکنش‌های پیرولیز را معمولا در فضای بی‌اثر انجام می‌دهند. واکنش استوکیومتری پیرولیز آهسته برای تولید زغال در زیر آورده شده است:

$$\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{10} \mathrm{O}_{5} \rightarrow 3.74 \mathrm{C}+2.65 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+1.17 \mathrm{CO}_{2}+1.08 \mathrm{CH}_{4}$$

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش ترمودینامیک مهندسی شیمی
• سیستم فلر (Flare) در صنعت و طراحی آن — به زبان ساده
• ثابت تعادل — از صفر تا صد

^^