در این مقاله می‌خوانید:
هیدروکربن‌ها از جمله ترکیباتی هستند که در ساختار آن‌ها فقط دو عنصر دیده می‌شود: کربن و هیدروژن. این ترکیب در ظاهر ساده به نظر می‌رسد اما نقش‌هایی بسیار پیچیده و گسترده در اقتصاد، صنعت و حتی سیاست جهانی دارند. حضور این مواد در نفت خام، گاز طبیعی، زغال‌سنگ و بسیاری از فرآورده‌های شیمیایی نشان می‌دهد که چقدر جهان مدرن به آن‌ها وابسته است. در این مقاله از پارس هوای البرز، با تعریف دقیق‌تر هیدروکربن، دسته‌بندی‌ها و کاربردهای متنوع آن آشنا خواهیم شد.
هیدروکربن چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟
استفاده از هیدروکربن‌ها به‌عنوان منبع انرژی به قرن‌ها قبل برمی‌گردد. زمانی که مردم برای روشنایی از نفت خام یا روغن‌های طبیعی استفاده می‌کردند، هنوز کسی نمی‌دانست این مایع‌ها ترکیب‌هایی از هیدروکربن هستند. با شروع انقلاب صنعتی، استفاده از زغال سنگ و سپس نفت افزایش پیدا کرد. کشف منابع گازی و توسعه پالایشگاه‌ها باعث شد تا هیدروکربن‌ها به عنصر اصلی در تولید انرژی تبدیل شوند.
در طول قرن بیستم، تقریباً تمام کشورها به سوخت‌های فسیلی وابسته شدند. نفت و گاز، نه فقط در خودروها و کارخانه‌ها، بلکه در تولید برق، گرمایش خانه‌ها و حتی صنایع کشاورزی استفاده می‌شدند. به مرور، این ترکیبات پایه‌ی اقتصاد جهانی شدند و نقش مهمی در توسعه کشورها پیدا کردند.
همان‌طور که گفتیم هیدروکربن‌ها، ساده‌ترین ترکیبات آلی هستند که از کنار هم قرار گرفتن اتم‌های کربن و هیدروژن تشکیل می‌شوند. این ترکیبات، اساس تولید انرژی در منابع فسیلی را تشکیل می‌دهند. در شکل گیری آن‌ها، ساختار زنجیره‌ای یا حلقوی اهمیت زیادی دارد و بر نوع کاربردشان اثر می‌گذارد.
ویژگی‌های اصلی این ترکیبات عبارتند از:
- واکنش پذیری متغیر بسته به نوع پیوند (تک‌پیوند، دوپیوند، سه‌پیوند یا رزونانسی)
- قابلیت اشتعال بالا
- پایداری شیمیایی در شرایط مختلف
- بدون رنگ و غالباً بدون بو
- قابل تبدیل به حالت‌های مختلف (گاز، مایع) با تغییر دما و فشار
- وزن مولکولی متنوع بر اساس طول زنجیره
انواع هیدروکربن ها
هیدروکربن‌ها در چهار گروه اصلی دسته بندی می‌شوند. این دسته بندی بر اساس نوع پیوند بین اتم‌ها در ساختار آن‌ها انجام شده است. هر گروه ویژگی‌های خاصی دارد و در صنعت، استفاده متفاوتی پیدا کرده است.
1. آلکان‌ها
ساختار این گروه ساده است. فقط پیوندهای مستقیم بین اتم‌ها وجود دارد. این ترکیبات در سوخت‌هایی مثل گاز طبیعی، گازوئیل و بنزین دیده می‌شوند.
- واکنش پذیری آن‌ها پایین است.
- در دمای معمولی می‌توانند گاز، مایع یا جامد باشند.
- کاربردشان در تولید انرژی و سوخت زیاد است.
2. آلکن‌ها
در ساختار این ترکیبات، پیوندی وجود دارد که باعث می‌شود راحت‌تر واکنش بدهند و نسبت به آلکان‌ها فعال‌تر باشند. در صنعت، از آن‌ها برای ساختن مواد شیمیایی استفاده می‌شود. همچنین در تولید پلاستیک نقش دارند و بیشتر در صنایع پتروشیمی دیده می‌شوند.
3. آلکین‌ها
این گروه از نظر واکنش‌پذیری، قوی‌تر از دو گروه قبلی است. استفاده از آن‌ها در فرآیندهای خاص انجام می‌شود. برخی ترکیبات این دسته در جوشکاری استفاده می‌شوند. ساختار آن‌ها متفاوت است و نیاز به شرایط خاص برای نگهداری دارند.
4. ترکیبات آروماتیک
ساختار این ترکیبات به شکل حلقه است. ترکیب‌هایی مثل بنزن در این گروه قرار می‌گیرند. این گروه پایداری بالایی دارد. در صنایع دارویی، تولید رنگ، مواد معطر و بعضی پلاستیک‌ها کاربرد دارد. حضور آن‌ها در صنایع شیمیایی بسیارگسترده است.
هیدروکربن‌های مایع
در شرایط معمول، برخی از هیدروکربن‌ها به‌صورت مایع دیده می‌شوند. این گروه بیشتر شامل ترکیباتی با زنجیره کربنی متوسط تا بلند هستند که نقطه جوش آن‌ها به‌گونه‌ای است که در دمای اتاق به صورت مایع باقی می‌مانند. نفت خام نمونه‌ای از این گروه به‌حساب می‌آید.
در فرآیند تقطیر نفت خام، ترکیبات مایع مانند بنزین، نفت سفید، گازوئیل و نفت کوره از آن جدا می‌شوند. ویژگی این ترکیبات شامل موارد زیر است:
- اشتعال پذیرند و انرژی زیادی تولید می‌کنند.
- به راحتی در ظروف صنعتی ذخیره و حمل می‌شوند.
- برای سوخت وسایل نقلیه، تولید برق و حرارت کاربرد دارند.
در پالایشگاه‌ها، این هیدروکربن‌های مایع وارد واحدهای مختلفی مانند «کراکینگ»، «آلکیلاسیون» و «ریفورمینگ» می‌شوند تا به محصولات با ارزش افزوده بیشتر تبدیل شوند. حتی بسیاری از مواد اولیه صنایع پتروشیمی، مثل اتیلن یا پروپیلن، در نتیجه همین فرآیندها از این ترکیبات استخراج می‌شوند.
هیدروکربن‌های گازی
در ترکیبات گازی، با هیدروکربن‌هایی مواجهیم که تعداد اتم‌های کربن در ساختارشان کمتر است. این مواد معمولاً وزن مولکولی پایینی دارند و در شرایط دمای اتاق به صورت گاز باقی می‌مانند. متان، اتان، پروپان و بوتان از جمله شناخته شده‌ترین این ترکیبات‌اند که در مصارف خانگی، صنعتی و پالایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
حجم زیاد این گازها در حالت عادی باعث شده تا برای حمل و نقل یا نگهداری، تحت فشار بالا یا دمای پایین فشرده شوند. در این حالت، به شکل مایع در می‌آیند و به‌عنوان گاز مایع شده یا ال پی جی شناخته می‌شوند. حضور گسترده این نوع هیدروکربن‌ها در گاز طبیعی باعث شده تا در صنایع پتروشیمی نیز کاربرد فراوانی داشته باشند.
ویژگی‌های رایج این گروه:
- فراریت بالا
- اشتعال پذیری زیاد
- وزن سبک
- عدم انحلال پذیری در آب
- کاربرد گسترده در گرمایش، تولید برق، سوخت خودرو و تولید مواد شیمیایی
قابلیت کنترل و ذخیره این ترکیبات در حجم بالا، آن‌ها را به بخش جدایی ناپذیر از زنجیره انرژی تبدیل کرده است.
کاربرد هیدروکربن‌ها
هیدروکربن‌ها در بسیاری از صنایع امروزی نقش محوری دارند و نمی‌توان جایگزین مستقیمی برای گستره وسیع کاربردهای آن‌ها در نظر گرفت. یکی از مهم‌ترین حوزه‌هایی که این ترکیبات در آن نقش دارند، صنعت نفت است. بسیاری از سوخت‌های فسیلی از جمله بنزین، گازوئیل و مازوت، از هیدروکربن‌ها مشتق می‌شوند و پایه تولید و مصرف انرژی در بخش حمل‌ونقل و تأسیسات صنعتی به شمار می‌روند.
در کنار صنعت نفت، صنعت پتروشیمی به شکل گسترده‌ای بر هیدروکربن‌ها متکی است. ترکیباتی مانند اتیلن و پروپیلن، که از فرآوری هیدروکربن‌های سبک به دست می‌آیند، برای تولید انواع پلاستیک‌ها، رنگ‌ها، لاستیک‌ها و بسیاری از مواد شیمیایی صنعتی به کار می‌روند. در واقع، هیدروکربن‌ها ستون فقرات زنجیره تولید در پتروشیمی به حساب می‌آیند.
صنعت خودروسازی نیز از این ترکیبات بی‌نیاز نیست. از مشتقات هیدروگربنی در فرآیند تولید قطعات خودرو مانند روانکارها، روغن‌های موتور، گریس‌ها و حتی قطعات پلیمری به وفور استفاده می‌شود. همچنین، در صنایع آرایشی و بهداشتی نیز برخی محصولات پایه‌ای مانند وازلین، پارافین و روغن‌های معدنی، همگی از خانواده هیدروکربن‌ها هستند.
صنایع دارویی و غذایی هم بی‌تأثیر از این ترکیبات نیستند. بسیاری از حلال‌ها، حامل‌ها و حتی طعم‌دهنده‌های مصنوعی، ریشه در ساختارهای هیدروکربنی دارند. ترکیباتی مانند متانول، اتانول و پروپان، بسته به میزان خلوص، در این صنایع به‌عنوان مواد کمکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
یکی دیگر از کاربردهای این مواد استفاده از آن‌ها به عنوان گاز مبرد در یخچال‌ها، سیستم‌های تهویه مطبوع و تجهیزات تبرید می‌باشد.
در مجموع، هیدروکربن‌ها فقط مواد سوختنی نیستند؛ بلکه بخش بزرگی از زیرساخت تولید صنعتی به حضور آن‌ها وابسته است. بدون این ترکیبات، نه‌تنها صنایع انرژی، بلکه بخش بزرگی از فناوری‌های تولید، بسته‌بندی، نگهداری و حتی حمل و نقل با اختلال جدی مواجه می‌شدند.
اثرات منفی هیدروکربن‌ها بر محیط‌زیست
با وجود تمام کاربردهایی که هیدروکربن‌ها دارند، اثرات منفی آن‌ها بر محیط‌زیست قابل انکار نیست. سوختن هیدروکربن‌ها باعث آزاد شدن گازهایی مثل دی‌اکسید کربن می‌شود. این گاز یکی از عوامل اصلی گرم‌شدن زمین و تغییرات اقلیمی است.
همچنین بخوانید: اثر گلخانه‌ای چیست؟
نشت نفت در دریاها یا آلودگی هوا در شهرها از دیگر مشکلات استفاده بی‌رویه از هیدروکربن‌هاست. سوخت‌های فسیلی منابعی هستند که تجدید نمی‌شوند. یعنی اگر تمام شوند، نمی‌توان دوباره آن‌ها را ایجاد کرد. به همین دلیل، بسیاری از کشورها به دنبال جایگزین‌هایی برای آن‌ها هستند.
چرا هنوز از هیدروکربن‌ها استفاده می‌شود؟
با وجود پیشرفت فناوری، هنوز بخش بزرگی از جهان به هیدروکربن‌ها وابسته است. دلیل اصلی، در دسترس بودن این منابع و ارزان بودن آن‌هاست. تولید برق با گاز طبیعی یا حرکت خودرو با بنزین، در حال حاضر ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر از گزینه‌های جایگزین است.
از طرف دیگر، زیرساخت‌های جهان بر پایه هیدروکربن‌ها ساخته شده‌اند. تغییر این زیرساخت‌ها به انرژی‌های پاک، زمان و هزینه زیادی می‌خواهد. به همین دلیل، حتی کشورهایی که به دنبال انرژی‌های نو هستند، هنوز به سوخت‌های فسیلی وابسته‌اند.
جایگزین هیدروکربن
با افزایش نگرانی درباره آثار منفی استفاده از سوخت‌های هیدروکربنی، توجه به منابع انرژی جایگزین بیشتر شده است. در سال‌های اخیر، کشورهای مختلف سعی کرده‌اند سهم انرژی‌های پاک را در تولید برق و سایر مصارف خود افزایش دهند. منابعی مانند انرژی خورشیدی، باد و زمین گرمایی، به عنوان جایگزین‌های اصلی در نظر گرفته شده‌اند. این منابع به دلیل عدم وابستگی به سوخت فسیلی، تأثیر کمتری بر محیط‌زیست دارند و می‌توانند در بلند مدت نقش مؤثری در کاهش آلودگی ایفا کنند. اما واقعیت این است که هیدروکربن‌ها هنوز هم منبع اصلی انرژی در جهان هستند. پیش‌بینی می‌شود که استفاده از آن‌ها در چند دهه آینده ادامه داشته باشد.
در همین حال، بسیاری از پژوهشگران به دنبال راه‌هایی هستند تا این ترکیبات را با آسیب کمتر برای محیط‌زیست استفاده کنند. مثلاً استفاده از فیلترهای صنعتی، بازیافت گازها و کاهش مصرف سوخت در وسایل نقلیه.