مقدمة حول البتروكيماويات

البتروكيماويات (Petrochemicals) هي مواد كيميائية مصنوعة من البترول (النفط الخام-Crude Oil) والغاز الطبيعي، حيث يتكون هذان الأخيران من جزيئات الهيدروكربون، والتي تتكون بدورها من ذرة كربون واحدة أو أكثر مرتبطة بذرات الهيدروجين. في الوقت الحالي، يُعدّ النفط والغاز المصدرين الرئيسيين للمواد الخام في هذه الصناعة؛ وذلك لأنهما الأقل تكلفة، والأكثر إتاحة، ويمكن معالجتهما بسهولة أكبر. تستهلك جميع الصناعات البتروكيماوية حول العالم حوالي خمسة بالمئة فقط من النفط والغاز المستخدم إجمالياً خلال عام واحد.^[1]

لا يخفى على أحد التأثير الذي أحدثته البتروكيماويات في طعامنا وملابسنا ومنازلنا. فالمواد المركّبة البتروكيماوية تؤدي في الواقع أداءً أفضل بكثير من المواد الأولية التي تُستخدم لأداء نفس الأغراض؛ وذلك بسبب خصائصها الفريدة. فأيّ منتج يستطيع عقلك تخيله، تكون البتروكيماويات جزءاً منه. فقد أصبحت لبنة البناء الأساسية التي جعلت الحياة العصرية ممكنة، فكل شيء وأي شيء من الدهانات إلى البلاستيك، ومن بذلات الفضاء إلى الألواح الشمسية، ومن الأدوية إلى الهواتف المحمولة، كلها جزء ونتاج صناعات كبيرة تُدعى البتروكيماويات.^[2]

تاريخ صناعة البتروكيماويات

يمكن أن نرجع بدء استخدام البتروكيماويات إلى أيام مصر القديمة، فالمواد التي نعرفها اليوم باسم الإيثيلين (ethylene) والبولي إيثيلين (polyethylene) أُنتجت من قِبل المصريين القدماء عن طريق استعمال الغاز و نبات التين، كما تم العثور على البيتومين (bitumen) (الإسفلت) كأحد المواد المستخدمة في بناء الأهرامات وفي عمليات التحنيط التي كانت شائعة في ذلك الوقت. هذه المواد الثلاثة هي أساس الصناعات البتروكيماوية اليوم.

في العصر الحديث، تم استخراج أول المواد الكيميائية من البترول في عام 1872، حيث تم إنتاج الكربون الأسود (Carbon black) عن طريق الاحتراق غير الكامل للغاز الطبيعي، واستُخدم في إنتاج المطاط الصناعي. بعد ذلك بنحو خمسين سنة، بدأت صناعة البتروكيماويات، عندما افتتحت الشركة الأمريكية العملاقة ستاندرد أويل (Standard Oil) مصنعاً لإنتاج البروبلين في ولاية نيو جيرسي (New Jersey) في الولايات المتحدة الأمريكية.^[3]

وبالنسبة للمواد، ففي عام 1835 ترك الكيميائي الفرنسي هنري فيكتور رينيو (Henri Victor Regnault) كلوريد الفينيل (vinyl chloride) في الشمس، ولاحظ تكوّن مادة صلبة بيضاء في قاع القارورة هي كلوريد البوليفينيل (polyvinyl chloride) المعروف ب PVC. في عام 1839 اكتشف إدوارد سيمون Eduard) (Simon البوليسترين (polystyrene). في عام 1929 اخترع والتر بوك (Walter Bock) المطاط الاصطناعي الذي يتكون من الستايرين (styrene) والبيوتادين (butadiene)، ويُستخدم لصنع إطارات السيارات. في عام 1935 اخترع مايكل بيرين Michael) (Perrin البولي ايثيلين. بعد الحرب العالمية الثانية تم اكتشاف مادة البولي بروبيلين في أوائل الخمسينيات.^[4]

مراحل صناعة البتروكيماويات

تبدأ صناعة البتروكيماويات بالمواد الخام كما ذكرنا، وهي النفط الخام أو الغاز الطبيعي، والتي يتم تحويلها إلى منتجات أولية Primary) (products، وتعتبر تلك المرحلة هي المرحلة الأولى، ثم بعد ذلك يتم الحصول على مركبات بينيّة قبل الحصول على المنتج النهائي الجاهز للاستخدام.

1. المواد الأولية: تنقسم مواد البتروكيماويات الأولية إلى ثلاثة فروع رئيسية هي:

• الأوليفينات (olefins): مثل (الإيثيلين ethylene، البروبيلين propylene، والبيوتادين butadiene). والأوليفينات هي مركبات غير مشبعة من الكربون والهيدروجين تحتوي على ثلاث أو أربع ذرات من الكربون.

• العطريات (aromatics): مثل (البنزين benzene، التوليين toluene، والزيلين xylene). والعطريات هي مركبات حلقية تحتوي على ست ذرات من الكربون.

• الكحول: مثل الميثانول الذي تدل مجموعة الهيدروكسيل في تركيبه على أنه كحول.^[1]

ويتم الحصول على تلك المركبات من الزيت الخام عن طريق بضعة عمليات، فالأوليفينات الخفيفة مثل الإيثلين يمكن الحصول عليها مباشرة من أعمدة التقطير (distillation column)، فهي ذات وزن خفيف جداً مقارنة بالزيت الخام، بينما يمكن الحصول على باقي الأوليفينات عن طريق عملية تُدعى التكسير الحفزي للسوائل Fluid) (Catalytic cracking، حيث يتم استخدام عامل حفاز مع درجة حرارة لتكسير سلاسل الكربون الكبيرة إلى سلاسل أصغر.^[5]

على الجانب الآخر، يتم الحصول على العطريات عن طريق الإصلاح الحفزي (catalytic reforming) لمركب النفثا (naphtha)، حيث يتم تحويل النفثا الثقيلة ذات الكفاءة القليلة إلى مركبات عطرية ذات كفاءة عالية، وهو ما يُعبر عنه باستخدام رقم الأوكتان (Octane rating)، وهو نفس الرقم المستخدم في تحديد جودة البنزين.^[6]

2. المركبات البينية: تعتبر المركبات البينية أكثر تعقيداً من المركبات الأولية، ويمكن الحصول عليها مباشرة عن طريق التحول الكيميائي للمواد الاولية، أو بواسطة عمليات إضافة بعض العناصر مثل: الكلور أو النيتروجين أو الأكسجين. في بعض الحالات لا نحتاج إلى إضافة أي عنصر ويمكن تحويل المركبات الأولية إلى مركبات نهائية جاهزة للاستخدام مباشرة، على سبيل المثال يمكن بلمرة الإيثيلين مباشرة.^[1]

3. المركبات النهائية: في أغلب العمليات نحصل على المركب النهائي باستخدام البلمرة (Polymerization) للعنصر الذي تم الحصول عليه خلال الخطوتين السابقتين، وفي هذه الحالة يُدعى مونمر (Monomer)، ويتم استخدام تلك الطريقة في إنتاج البلاستيك والألياف.^[7]

تتنوع المركبات النهائية التي نحصل عليها، فهي تدخل في أغلب -إنْ لم يكن في كلّ- الصناعات. على سبيل المثال، تُستخدم تلك المنتجات في صنع ألياف النايلون التي تدخل في صناعة الملابس وعلب التعبئة، كما تدخل في صناعة البنسيلين (penicillin) والأسبرين (aspirin) والأطراف الصناعية، ومن المثير للدهشة أنّها تُستخدم كمواد حافظة للأطعمة، وتدخل في صناعة الشوكولا والأسمدة الصناعية.^[8]

مشاكل تواجه صناعة البتروكيماويات

تواجه صناعة البتروكيماويات العديد من التحديات في هذه الفترة والتي يمكن حصرها في الآتي:

1. ندرة المواد الأولية: تُعتبر منطقتا أمريكا الشمالية والشرق الأوسط المصدرين الرئيسيين للمواد الأولية المستخدمة في هذه الصناعة. لكن يوجد احتمالية أن تكون الإمكانات الاستثمارية محدودة خلال السنوات الخمسة القادمة، كما أنه من المتوقع أن ينخفض توافر المواد الأولية في أمريكا الشمالية خلال السنوات العشر القادمة، وهو ما سيؤثر سلباً على الصناعة ككل.
2. تقلب أسعار النفط: أسعار النفط الخام الذي يتم تكريره لإنتاج البنزين والإيثيلين والبروبيلين وغيرها من البتروكيماويات تشهد تقلّباً دائماً، فقد ارتفعت منذ عام 2005 حتى وصلت إلى 140 دولاراً أمريكياً للبرميل في عام 2008، إلا أنّ الأسعار انخفضت في عام 2014 لتصل من 108 دولاراً أمريكياً للبرميل إلى 34 دولاراً للبرميل بحلول يناير 2015. يتأثر سوق البتروكيماويات كثيراً بسبب تلك التقلبات الحادة في الأسعار، مما يؤدي إلى عدم اليقين وفقدان الثقة لدى المستثمرين الجدد.
3. تهميش بعض الصناعات البتروكيماوية لانخفاض أرباحها: خلال السنوات الماضية تم تقليص الكميات المنتجة من بعض المنتجات البتروكيماوية بشكل ملحوظ، وبالتحديد تلك التي تعتمد على مركبات عطرية. يرجع ذلك إلى أن شركات البتروكيماويات على مستوى العالم تعاني من تقلص هوامش الربح، بسبب ارتفاع تكلفة المواد الخام إلى جانب انخفاض سعر المنتجات منذ عام 2016.^[9]

إعداد: محمد شريف

تدقيق لغوي: رؤى زيات

تحرير: هدير جابر

المصادر

1. Petrochemicals [Internet]. [cited 2019 Sep 2]. Available from: http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/325petrochem.html
2. Petrochemicals [Internet]. [cited 2019 Sep 2]. Available from: https://www.afpm.org/industries/products/petrochemicals
3. News Mdm-. The history of petrochemicals [Internet]. Syntor. 2019 [cited 2019 Sep 2]. Available from: https://www.syntor.co.uk/petrochemical-history/
4. Timeline [Internet]. Petrochemicals Europe. [cited 2019 Sep 3]. Available from: https://www.petrochemistry.eu/about-petrochemistry/timeline/
5. Corma A, Corresa E, Mathieu Y, Sauvanaud L, Al-Bogami S, Al-Ghrami MS, et al. Crude oil to chemicals: light olefins from crude oil. Catal Sci Technol [Internet]. 2017 Jan 4 [cited 2019 Sep 3];7(1):12–46. Available from: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/cy/c6cy01886f
6. Catalytic Reforming – an overview | ScienceDirect Topics [Internet]. [cited 2019 Sep 3]. Available from: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/catalytic-reforming
7. Introduction to polymers [Internet]. OpenLearn. [cited 2019 Sep 3]. Available from: https://www.open.edu/openlearn/science-maths-technology/science/chemistry/introduction-polymers/content-section-0
8. Helmenstine AM, sciences PDDH holds a PD in biomedical, Writer I a S, educator, school consultant S has taught science courses at the high, college, et al. Petrochemicals You Use and Even Eat [Internet]. ThoughtCo. [cited 2019 Sep 2]. Available from: https://www.thoughtco.com/petrochemicals-and-petroleum-products-603558
9. Top 5 Challenges Petrochemical Industry to Face in 2019 | TechSci Research [Internet]. [cited 2019 Sep 3]. Available from: https://www.techsciresearch.com/blog/top-5-challenges-petrochemical-industry-to-face-in-2019/101.html