ليجنوسولفونيت الصوديوم هو منتج ثانوي لعملية اللب الكبريتيت. وهو أكثر مشتقات اللجنين تسويقًا في العالم، حيث يمثل أكثر من 901 تيرابايت 3 تيرابايت من سوق اللجنين. وهو عبارة عن مسحوق أو سائل بني اللون ذو قابلية ممتازة للذوبان في الماء ويستخدم على نطاق واسع في العديد من الصناعات، بما في ذلك البناء والزراعة والتعدين.
لاستكشاف إمكانية الاستعاضة عن المواد الكيميائية الاصطناعية الحالية، يجري التحقيق في إمكاناتها للتنمية المستدامة. وفيما يلي شرح للمعارف الأساسية والتطبيقات الصناعية.
1. ما هو ليجنوسلفونات الصوديوم؟
ليجنوسلفونات الصوديوم (الصيغة الكيميائية C2OH24Na2O1OOS2، رقم التسجيل في سجل دائرة المستخلصات الكيميائية 8061-51-6) هو نوع من البوليمر الأنيوني متعدد الإلكتروليتات. وتتراوح أوزانه الجزيئية من 1,000 إلى 140,000 داي، ويعتمد ذلك على مصادر الخشب وظروف المعالجة. يظهر على شكل مسحوق أو سائل بني إلى أسود، مع زيادة اللزوجة مع زيادة التركيز. ويُستخدم بشكل أساسي كمادة مشتتة ومادة رابطة ومستحلب.
مجموعة السولفو (-SO3 一) سالبة الشحنة؛ ويمكن امتصاصها على سطح جسيم موجب الشحنة، مما يمنع تجمع الجسيمات. هذا هو مبدأ عمل وظيفته كمشتت للجسيمات، وهو أيضًا الأساس الكيميائي للتطبيق العام في صناعات مثل الخرسانة والسيراميك والتعدين.
اللجنين العادي غير قابل للذوبان في الماء، ويصبح اللجنين العادي غير قابل للذوبان في الماء بسبب إضافة مجموعة السلفو. إنه يوسع نطاق التطبيق بشكل كبير بسبب الراحة والاستخدام الخالي من المذيبات.
2. من أين يأتي ليجنوسلفونات الصوديوم؟
تأتي ليجنوسلفونات الصوديوم من محلول نفايات عملية لب الكبريتيت. بعد المعالجة تحت درجة حرارة عالية وضغط عالٍ من قبل مصنع الورق باستخدام حمض الكبريتيت والكبريتات، يتم استخلاص السليلوز من الخشب، وتتبقى كمية كبيرة من ليجنوسلفونات الصوديوم في محلول النفايات. ويمكن صنع المنتج النهائي بعد التركيز والتنقية. والمواد الخام هي في الأساس من الأخشاب اللينة (مثل خشب التنوب والصنوبر) والأخشاب الصلبة، ويتم تصنيع ما يقرب من 7 ملايين طن من ليجنوسلفونات الصوديوم سنويًا باستخدام هذه المواد الخام.
وبخلاف ليجنوسلفونات الصوديوم، يبقى أيضًا في محلول النفايات كل من الهيميسليلوز والسكريات والمواد العضوية الأخرى. وسيقوم المصنع الحديث باستخلاص الإيثانول وزراعة الخميرة من محلول النفايات، مما يمكن أن يستفيد بالكامل من محلول النفايات ويحقق صفر نفايات.
الصين هي أكبر منتج في العالم للليغنوسولفونيت الصوديوم. وتتمثل المادة الخام الرئيسية في محلول النفايات من مصنع للورق، في حين أن بعض المصانع قد تنتج أيضًا من اللجنين كرافت باستخدام طريقة ما بعد الكبريتون، نظرًا للطلب الكبير من السوق.
3. من الذي اخترع ليجنوسلفونات الصوديوم؟
تقدم أمريكي يُدعى بنجامين تيلغمان بطلب للحصول على براءة اختراع لعملية لب اللب الكبريتي في فيلادلفيا بالولايات المتحدة في عام 1867. ويقال إن الإلهام جاء من ملاحظة تليين الخشب بعد نقعه في ماء الكبريت. وقد أرسى هذا الاكتشاف الأساس لصناعة لب الورق ولب الورق الكبريتي الحديث.
في عام 1874، قام مهندس كيميائي سويدي يُدعى كارل دانيال إيكمان بتسويق هذه التقنية تجاريًا، مع إنشاء أول مصنع للورق الكبريتيت. ويتم التعامل مع لجنوسلفونات الصوديوم، كمنتج ثانوي لهذه التقنية، كنفايات يتم تصريفها مباشرة وتلويث الأنهار.
بدأ الباحثون في دراسة القيمة التجارية لمحلول النفايات حتى القرن العشرين. ونظرًا لتشديد اللوائح البيئية، اضطرت المصانع إلى إيجاد طريقة لمعالجة محلول النفايات، وهو ما تبين أنه اكتشاف التطبيق العام للليغنوسلفونات الصوديوم.
4. أنواع ليجنوسلفونات الصوديوم
يمكن أن يتحد اللجنوسلفونات القشرية مع كاتيونات مختلفة، مثل الصوديوم (Na⁺ Na) أو الكالسيوم (Ca2⁺ Ca2⁺) أو المغنيسيوم (Mg²⁺) أو الأمونيوم (NH₄⁺). لجنوسلفونات الصوديوم هو مزيج من اللجنوسلفونات والصوديوم. وهو شائع في السوق مع قابلية ممتازة للذوبان في الماء ومجموعة واسعة من التطبيقات. قابلية ذوبان لجنوسلفونات الكالسيوم في الماء أقل، ولكن تكلفتها معقولة نسبيًا. يُستخدم اللجنوسلفونات المغنيسيوم لأغراض محددة معينة.
عندما يتم تصنيف لجنوسلفونات الصوديوم حسب الشكل المادي، فإن المسحوق الجاف يمثل حوالي 581 تيرابايت 3 طن من الإنتاج العالمي في عام 2024. واستخدامه الرئيسي هو المضافات الخرسانية. يمثل الشكل السائل 42%، ويستخدم بشكل رئيسي في علف الحيوانات الزراعية. عند تصنيف لجنوسلفونات الصوديوم حسب درجة النقاء، تُستخدم الدرجة القياسية في البناء والزراعة، وتُستخدم الدرجة المكررة في علف الحيوانات وصناعة الأغذية، بينما تُستخدم الدرجات عالية النقاء في المستحضرات الصيدلانية والمواد الكيميائية الدقيقة.
من الجدير بالذكر الانتباه إلى محتوى الرطوبة وقيمة الأس الهيدروجيني (عادةً 8-11) ومحتوى السكر المخفض في المسحوق الجاف أثناء الشراء، حيث تؤثر هذه المؤشرات على أداء تطبيق الخرسانة. قد تختلف مواصفات المنتج بشكل كبير بين الموردين المختلفين، ويوصى بطلب ورقة بيانات فنية مكتملة (TDS).
5. كيف يتم إنتاج لجنوسلفونات الصوديوم؟
هناك عدة خطوات في عملية التصنيع:
يتم وضع رقائق الخشب في جهاز هضم منقوع بمحلول حامض الكبريت تحت درجة حرارة 130-160 درجة مئوية ودرجة حموضة 1.5-5 لمدة 4-14 ساعة. |
↓
يتم سلفنة اللجنين، ويتم تحفيز مجموعات حمض السلفونيك المحبة للماء وتصبح قابلة للذوبان في الماء. |
↓
تتم معالجة محلول النفايات الذي يحتوي على 50-60% من المواد الصلبة الجافة من اللجنوسلفونات عن طريق التركيز التبخيري والترشيح الفائق والتنقية بالتبادل الأيوني. |
↓
يتم الحصول على منتج المسحوق النهائي بعد التجفيف بالرش. |
إن مفتاح الإنتاج بأكمله هو عملية السلفنة، التي تحول اللجنين الكاره للماء إلى مادة محبة للماء، وهي المصدر الأساسي لجميع وظائف اللجنين الصوديوم.
قد تطبق بعض المصانع عملية السلفنة على اللجنين كرافت، حيث تتفاعل مادة الفورمالدهايد مع كبريتيت الصوديوم تحت درجات حرارة عالية. ويمكن أن تنتج منتجات ذات هياكل مختلفة قليلاً ولكن بوظائف مماثلة. وتكتسب هذه الطريقة أهمية متزايدة نظرًا لأن التوافر العالمي للكريفت ليجنين الكرافت يتجاوز بكثير التوافر الناتج عن عملية الكبريتيت.
6. استخدامات لجنوسلفونات الصوديوم
ويتمثل الاستخدام الرئيسي للجنوسلفونات الصوديوم في صناعة التشييد والبناء، والذي يمثل 401 تيرابايت3 طن من الاستهلاك العالمي. وباعتباره عاملًا مخفضًا للمياه في الخرسانة، يمكن أن يقلل ليجنوسلفونات الصوديوم من استهلاك المياه بمقدار 121 تيرابايت 3 تيرابايت. ويمكنه تحسين القوة والمتانة، وكذلك تأخير وقت التثبيت. في عام 2024، تُستخدم هذه المادة المضافة في حوالي 220 مليون طن من الخرسانة. وبخلاف صناعة البناء والتشييد، تمثل الزراعة حوالي 25%، في حين يتم استخدام 20% من ليجنوسلفونات الصوديوم في المعادن والتعدين.
في جانب الزراعة، يُستخدم ليجنوسلفونات الصوديوم في مادة رابطة لحبيبات علف الحيوانات، ومكيف للتربة، وعامل سماد بطيء الإطلاق. أما في مجال المعادن والتعدين، فيُستخدم كمادة رابطة للمساحيق المعدنية ومادة مضافة لسوائل الحفر. وبالإضافة إلى ذلك، تمت الموافقة على المنتجات المكررة من ليجنوسلفونات الصوديوم من قبل إدارة الأغذية والعقاقير الأمريكية لاستخدامها في المواد الملامسة للأغذية والأعلاف الحيوانية.
كما تتطور التطبيقات الناشئة بسرعة. ويجري الآن التحقيق في استخدام لجنوسلفونات الصوديوم كمادة مضافة للأقطاب الكهربائية في صناعة بطاريات الرصاص الحمضية التي قد تحسن أداء الشحن والتفريغ. ويمكن أيضًا معالجته كمادة ماصة للمعادن الثقيلة في معالجة مياه الصرف الصحي، والتي يمكن أن تزيل المعادن الثقيلة مثل الرصاص أو الكادميوم من مياه الصرف الصحي بتكلفة منخفضة نسبيًا.
7. مزايا ليجنوسلفونات الصوديوم
بالمقارنة مع مخفض الماء الاصطناعي مثل البولي كربوكسيل الفائق الملدن (PCE)، تبلغ تكلفة لجنوسلفونات الصوديوم حوالي $50 للطن الواحد، وهو ما يعادل عُشر تكلفة PCE فقط. الأداء أكثر من كافٍ للبناء العام. مخفض الماء الاصطناعي مطلوب فقط في المباني الشاهقة أو الخرسانة عالية الأداء.
وتشمل المزايا الأخرى قابليته الممتازة للذوبان في الماء وسهولة استخدامه. إلى جانب ذلك، فهو صديق للبيئة لأنه قابل للتحلل الحيوي وقابل للتجديد، حيث أنه منتج ثانوي في مصنع الورق. كما أن لجنوسلفونات الصوديوم متعدد الوظائف حيث يمكن استخدامه في صناعات متعددة. ويمكن استخدامه كمادة حافظة نظراً لخصائصه الطبيعية المضادة للبكتيريا.
أحد القيود المفروضة على لجنوسلفونات الصوديوم هو أنه غير مناسب للمنتجات البيضاء أو ذات الألوان الفاتحة بسبب مظهره المائل إلى البني إلى الأسود. كما أن محتوى الكبريت الذي يبلغ حوالي 5% يجعل المنتج غير مناسب لبعض التطبيقات المتطورة (مثل الاستخدامات الصيدلانية). وهذا ما يفسر سبب استمرار الطلب على اللجنين العضوي الأكثر تكلفة بسبب نقاوته العالية.
8. لماذا تعتبر لجنوسلفونات الصوديوم مهمة للاستدامة
في الإنتاج السنوي من لجنوسلفونات الصوديوم في مصنع للورق، فإن جزء الاستخدام التجاري يعادل تحويل النفايات إلى مواد خام قيمة. ويمكن أن يؤدي استبدال المواد الكيميائية الاصطناعية بكل طن من لجنوسلفونات الصوديوم إلى تقليل ما يقرب من 1.5 طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
يتم تيسير استبدال المواد المضافة الاصطناعية بلجنوسلفونات الصوديوم من خلال تسجيل المواد الكيميائية وتقييمها وترخيصها وتقييدها (REACH) وشهادة منتجات مواد البناء الخضراء الصينية. ويعد هذا التوجه السياسي مفيدًا لتطوير الصناعة على المدى الطويل بسبب الطلب المتزايد على المواد الحيوية على مستوى العالم. بلغ حجم السوق العالمي حوالي 4.6 مليار يوان صيني (يوان صيني) في عام 2024، ومع النمو المستقر، من المتوقع أن يصل إلى 5 مليارات يوان في عام 2030.
9. أسئلة وأجوبة حول لجنوسلفونات الصوديوم
س: ما الفرق بين لجنوسلفونات الصوديوم ولجنوسلفونات الصوديوم؟ ج: اللجنو سلفونات هو المصطلح الشائع، وقد يتكون من كاتيونات مختلفة مثل الكالسيوم أو المغنيسيوم أو الأمونيوم. يشير ليجنوسلفونات الصوديوم تحديدًا إلى النوع الذي يحتوي على أيونات الصوديوم، وهو النوع الأكثر شيوعًا في السوق، ويتميز بقابلية ممتازة للذوبان في الماء. |
س: ما هو التفاعل المحدد للجنوسلفونيت الصوديوم والأسمنت؟ ج: تمتص مجموعة سولفو على سطح جزيئات الأسمنت وتمنع تجمع الجزيئات، مما يجعل ملاط الأسمنت أكثر سيولة ويقلل من استهلاك الماء ويزيد من القوة النهائية. |
س: هل يمكن أن يحل ليجنوسلفونات الصوديوم محل مخفض الماء الاصطناعي تمامًا؟ ج: يمكن أن يحل ليجنوسلفونات الصوديوم محل مخفض الماء الاصطناعي في الإنشاءات العامة. ومع ذلك، في تشييد المباني الشاهقة أو الخرسانة عالية الأداء، لا يزال مخفض الماء الاصطناعي مثل البولي كربوكسيلات الفائق الملدن (PCE) مفضلًا بسبب ارتفاع معدل خفض المياه. |
س: هل ليجنوسلفونيت الصوديوم آمن؟ ج: تمت الموافقة على المنتجات المكررة من ليجنوسلفونات الصوديوم من قبل إدارة الأغذية والعقاقير الأمريكية لاستخدامها في المواد الملامسة للأغذية والأعلاف الحيوانية. كما يصنف ليجنوسلفونات الصوديوم من الدرجة الصناعية على أنه ذو سمية منخفضة، مع حماية أساسية فقط في التشغيل اليومي. |
س: ما هي مدة صلاحية ليجنوسلفونات الصوديوم؟ ج: يمكن تخزين المسحوق الجاف لمدة عامين في ظروف جافة ومحكمة الغلق، ويمكن تخزين النوع السائل لمدة 6-12 شهرًا. من الضروري تجنب درجات الحرارة العالية وأشعة الشمس المباشرة. |
س: أين الموردون الرئيسيون؟ ج: يقع الموردون الرئيسيون في الصين، مثل Kingsun Chemicals وShenyang Xingzhenghe. يوصى بطلب ورقة بيانات فنية مكتملة (TDS) وتقرير اختبار الطرف الثالث أثناء الشراء. |
