سولفونات کلسیم چیست؟

سولفونات کلسیم از سال‌ها قبل به عنوان یکی از افزودنی‌های شیمیایی مهم مورد مصرف در صنعت بتن کاربرد داشته است. کلسیم یک پودر قهوه‌ای رنگ مایل به زرد قهوه‌ای است که از خمیر چوب سولفیت چوب نرم استخراج می‌شود. لیگنو سولفونات‌ها یا لیگنین سولفونیک پلیمرهای الکترولیتی آنیونی محلول در آب هستند.

خواص فیزیکی و شیمیایی لیگنو سولفونات کلسیم

لیگنو سولفونات که یک پلیمر طبیعی است و از ماده لیگنین به دست می‌آید برای اولین بار در دهه‌ی ۳۰ میلادی مورد استفاده قرار گرفت. چارچوب آلی لیگنو سولفونات کلسیم یک پلیمر تصادفی سولفونیزه شده از سه نوع از الکل‌ معطر است.

لیگنو سولفونات کلسیم

لیگنو سولفونات‌ها به طور عمده به عنوان روان کننده بتن یا کاهنده آب بتن مصرف می‌شوند. مکانیسم عمل لیگنو سولفونات‌ها بر پایه خاصیت پخش‌کنندگی ذرات سیمان در آب است. در سال‌های بعد کم کم مواد دیگری نیز به این صنعت معرفی شدند. موادی مانند ملامین فرمالدئید سولفونه SMF، نفتالن فرمالدئید سولفونه و اخیراً استری و اتری موسوم به . در این میان هم چنان صنعت لیگنو سولفونات توانسته است ایرادات ساختاری این ترکیبات را برطرف کرده و جایگاه خوبی برای لیگنو سولفونات در بین مواد کاهنده آب بتون حفظ کند. امروزه لیگنو سولفونات‌ها به تنهایی و یا در ترکیب با دیگر مواد در این صنعت به طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند.

نحوه‌ تهیه لیگنو سولفونات کلسیم

در خمیر چوبی که شامل ترکیباتی با پیوندهای اتری است، ترکیب الکتروفیل حاصل از تجزیه‌ی اتر با یون بی سولفیت (HSO۳− ) واکنش داده و سولفونات تولید می‌شود:

R-O-R’ + H+ → R+ + R’OH

R+ + HSO۳− → R-SO۳H

محل اصلی برای جداسازی اتر، کربن α (اتم کربن متصل به حلقه معطر) در پروپیل (سه کربن خطی) زنجیره جانبی است. واکنش‌های زیر ساختار اصلی لیگنوسولفونات‌ها را مشخص نمی‌کنند زیرا لیگنین و مشتقات آن ترکیبات پیچیده‌ای هستند و هدف ما این است که ساختار اصلی لیگنوسولفونات‌ها را به دست آوریم. گروه‌های R۱ و R۲ می‌توانند گروه‌های متنوعی از گروه‌های قابل یافت در ساختار لیگنین باشند. سولفونیزاسیون در زنجیره‌ی جانبی اتفاق می‌افتد، نه بر روی حلقه آروماتیک مانند p- تولوئن سولفونیک اسید.

لیگنو سولفونات کلسیم

طی فرآیند تولید و ساخت خمیر کاغذ از چوب عموما یک مایع اضافی تولید می‌شود. این مایع اضافی به عنوان یک محصول ضمنی حاوی مخلوطی پیچیده از مواد متفاوتی همچون فرآورده‌های تجزیه لگنین و سلولز، محصولات سولفوناتی لگنین، انواع گوناگون کربوهیدرات‌ها (شکرها) و اسید سولفروس‌های آزاد یا سولفات‌ها است.
پس از خنثی سازی و فرآیند رسوب‌گذاری و تخمیر، افزودنی لیگنوسولفونات بتون با شفافیت و خلوص گوناگون به دست می‌آید. میزان و درصد ترکیبات حاصل به فاکتورهایی همچون خنثی‌سازی قلیایی، فرآیند خمیری شدن، درجه تخمیر و حتی نوع و سن چوب بستگی دارد.

کاربردهای لیگنو سولفونات کلسیم

لیگنوسولفونات کلسیم را می‌توان به عنوان گیرنده، پرکننده، مایع ساز یا سورفکتانت در صنایع مختلف مورد استفاده قرار داد.
از آنجایی که ذرات سیمان به دلیل ریز و کوچک بودن، جاذبه‌ی سطحی بالایی دارند زمانی که در آب پخش می‌شوند به یکدیگر چسبیده و ایجاد توده‌های قفسی شکل می‌کنند. این ساختار بخشی از آب را در خود حبس کرده و میزان آب مؤثر را کاهش می‌دهد بنابراین خمیر ایجاد شده روانی نسبتاً کمی دارد. با اضافه کردن مواد روان کننده به مخلوط بتون، این ماده بر روی سطح ذرات سیمان جذب سطحی شده و ساختار قفسی شکل را می‌شکند. با شکسته شدن این ساختارها آب به دام افتاده آزاد می‌شود و باعث روان شدن مخلوط می‌گردد.

لیگنو سولفونات کلسیم

لیگنوسولفونات‌ها برای تولید گچ تخته نیز استفاده می‌شوند و با کاهش حجم آب، باعث کاهش درجه حرارت کوره شده و در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌شود. . همچنین این مواد برای ایجاد قابلیت پخش شدن در رنگ‌ها، آفت کش‌ها، کربن سیاه و دیگر مواد جامد و غیر محلول در آب استفاده می‌شوند. از دیگر موارد مصرف لیگنوسولفونات‌ها در تولید و دباغی چرم است. همچنین این ماده برای سرکوب کردن گرد و غبار در جاده‌ها استفاده می‌شود.

مونوپروپیلن گلیکول چیست؟

(نام آیوپاک: پروپان ۱و۲-دیول) ترکیبی آلی و سنتتیک با فرمول شیمیایی C۳H۸O۲ است. نام‌های دیگر این ماده عبارت‌اند از پروپیلن گلیکول، PG و MPG. مایعی ویسکوز، بی‌رنگ، تقریباً بی‌بو و با طعمی شیرین است. از لحاظ شیمیایی نوعی دی‌اُل‌ یا دیول (Diol) به حساب می‌آید و در بسیاری از حلال‌ها مانند آب، استون و کلروفرم به هر نسبتی نامحلول است. همچنین در گروه الکل‌ها قرار می‌گیرد.
در مقیاس انبوه تولید شده و معمولاً از آن در تولید پلی‌مرها استفاده می‌شود. کاربردهای دیگر آن در فرآوری مواد غذایی و به عنوان سیال انتقال حرارت در دمای پایین (مثل ضدیخ) است. استفاده از MPG در مواد غذایی به عنوان افزودنی، توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) تایید شده است.
مصرف MPG در صنایع غذایی و آرایشی بهداشتی مورد تایید اتحادیه اروپا است. عدد E آن در مورد استفاده‌های خوراکی E۱۵۲۰ (به عنوان نم نگهدار و حلال طعم‌دهنده‌ها) و در مورد استفاده‌های آرایشی E۴۰۵ (به عنوان امولسیون کننده) است.
گاهی به مونوپروپیلن گلیکول (آلفا) α-پروپیلن گلیکول نیز گفته می‌شود تا از (بتا) β-پروپیلن گلیکول (پروپان ۱و۳-دیول) افتراق داده شود.

ساختار و مشخصات

مونوپروپیلن گلیکول مایعی شفاف، بی‌رنگ و با خاصیت نم‌بینی (Hygroscopy) است. دارای یک کربن نامتقارن است؛ لذا دو انانتیومر دارد. MPG تجاری، مخلوطی راسمیک (حاوی هر دو انانتیومر) است. ایزومر خالص این ماده با هیدراته کردن ایزومر خالص به دست می‌آید.
ترکیب مونوپروپیلن گلیکول با آب، به دلیل اثر عدم انحلال حل‌شونده در حلال، باعث پایین آمدن نقطه‌ی انجماد آب می‌شود. به طور کلی، گلیکول‌ها موادی غیرخورنده با فراریت و سمیت بسیار کمی هستند. البته به جز اتیلن گلیکول (ماده‌ای کلیدی در ضدیخ‌ها) که برای انسان و بسیاری از حیوانات سمی است.
مونوپروپیلن گلیکول در سطح صنعتی و برای استفاده‌ی خوراکی از پروپیلن اکسید تهیه می‌شود. طبق آمار اعلام شده در سال ۱۹۹۰، تولید جهانی این ماده ۹۰۰ هزار تن در سال است.

کاربردهای مونوپروپیلن گلیکول

پلی‌مرها

۴۵ درصد تولیدات مونوپروپیلن گلیکول به عنوان ماده‌ی اولیه‌ی شیمیایی صرف تولید رزین پلی‌استرهای سیرنشده می‌شود. پروپیلن گلیکول با مخلوطی از مالئیک انیدرید سیرشده و واکنش داده و یک کوپلیمر یا بسپار ناهمگن تولید می‌کند. ایجاد اتصالات عرضی بیشتر در این پلی‌مر جزئی سیرنشده، موجب تولید پلاستیک‌های ترموست (گرماسخت) می‌‌شود.
مشابه به این کاربرد، مونوپروپیلن گلیکول را با پروپیلن اکسید واکنش داده تا اولیگومر و پل‌مرهایی تولید شود که برای تولید پلی‌اورتان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. چون در مقایسه با آب، MPG دیرتر تبخیر می‌شود، در رنگ‌های آکلریک ساختمانی برای به تاخیر انداختن خشک شدن رنگ کاربرد دارد.

حلال

مونوپروپیلن گلیکول حلالی بسیار عالی برای تولید جوهر چاپگر‌ها است. همچنین در تولید دترجنت‌های غیریونی استفاده می‌شود. این دترجنت‌ها در صنایع نفتی، فرآوری شکر و تولیدات کاغذ کاربرد دارند.

خوراکی و استنشاقی

مونوپروپیلن گلیکول به عنوان نم‌ نگهدار، حلال و نگهدارنده در خوراکی‌ها و دخانیات استفاده می‌شود. همچنین به همراه گلیسرین گیاهی، به عنوان یکی از مواد اولیه اصلی (۱ تا ۹۲ درصد) تشکیل دهنده‌ی مایع و کارتریج سیگارهای الکترونیکی و وِیپ‌ها استفاده شده و در بخش اتمایزر، آیروسوله می‌شود. از همین ویژگی برای تولید دود در کشتی‌ها و قطارها مدل استفاده می‌شود تا با یک دستگاه حرارتی کوچک دود بیشتری تولید شود.
از پروپیلن گلیکول در خوراکی‌های فراوانی استفاده می‌شود؛ مانند نوشیدنی‌های برپایه‌ی قهوه، شیرین‌کننده‌های مایع، بستنی، محصولات لبنی همزده و نوشیدنی‌های گازدار. وِیپورایزهایی که برای دارو رسانی استفاده می‌شوند، معمولاً حاوی این ماده هستند.

آرایشی بهداشتی

از MPG به عنوان نم نگهدار یا مرطوب کننده در ضدعفونی کننده‌های دست بر پایه‌ی الکل، برای جلوگیری از خشک شدن پوست استفاده می‌شود. در شامپوها، لوازم آرایشی و دستمال مرطوب مخصوص کودک نیز از پروپیلن گلیکول به عنوان مرطوب‌کننده استفاده می‌شود.
میزان استفاده از مونوپروپیلن گلیکول در تولید لوازم آرایشی به مرور زمان افزایش چشمگیری داشته است. مثلاً در ایالات متحده در سال ۱۹۹۴، ۵۶۷۶ محصول آرایشی از این ماده استفاده کرده بودند و این عدد در سال ۲۰۱۲ به ۹۰۹۴ رسید.

داروسازی

مونوپروپیلن گلیکول به عنوان حلال در داروسازی استفاده می‌شود. در فرمولاسیون بسیاری از داروهای خوراکی، تزریقی و موضعی مانند دیازپام و لورازپام، که در آب نامحلول هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در تولید برخی از قطره‌های اشک مصنوعی نیز استفاده از این ماده گزارش شده است.

ضدیخ و یخ‌زدایی

پروپیلن گلیکول همانند اتیلن گلیکول می‌تواند نقطه‌ی انجماد آب را کاهش دهد و در واقع خاصیت ضد یخی دارد. به همین جهت از این ماده در تولید مایع یخ‌زدای هواپیماها در فرودگاه‌ها استفاده می‌شود. چون پروپیلن گلیکول سمیت بسیار کمتری نسبت به اتیلن گلیکول دارد، به طور رایج در فرودگاه‌ها استفاده می‌شود. البته خاصیت یخ‌زدایی اتیلن گلیکول بیشتر است و هنوز بعضی از فرودگاه‌های دنیا از آن استفاده می‌کنند.
بخش اعظم مایع یخ‌زدای هواپیما به سطح هواپیما نمی‌چسبد و روی زمین می‌ریزد. معمولاً فرودگاه‌ها از سیستمی برای جمع‌آوری مایع اضافی استفاده می‌کنند تا MPG به زمین و آب‌ها سرایت نکند. چرا که تجزیه‌ی این ماده در طبیعت، اکسیژن زیادی نیاز دارد و ممکن است موجب خفگی موجودات آبزی شود.
مخلوط آب و پروپیلن گلیکول به عنوان ضد یخ را صورتی رنگ می‌کنند که نشان از غیرسمی بودن آن دارد. از مونوپروپیلن گلیکول برای تولید ضدیخ‌های دوستدار طبیعت به جای اتیلن گلیکول استفاده می‌شود. ضدیخ‌های ۶۰- درجه سانتی‌گراد با نسبت ۶ به ۴ و ضدیخ‌های ۴۵- درجه سانتی‌گراد به نسبت ۴ به ۶، حاوی پروپیلن گلیکول و آب هستند.

درمانی

در دامپزشکی از این ماده برای درمان هایپرکتونمی (توکسمی آبستنی) نشخوارکنندگان استفاده می‌شود. در نشخوارکننده‌گان باکتری‌هایی در دستگاه گوارش وجود دارند. این باکتری‌ها سلولز مصرفی حیوان را تخمیر و اسیدهای چرب تولید می‌کنند. با استفاده از این اسیدهای چرب در کبد نشخوارکننده، گلوکز ساخته می‌شود.
گاهی در بازه‌ای از دوران آبستنی جانور، مصرف انرژی جنین بیشتر از میزان انرژی دریافتی از غذای مادر می‌شود. در این حالت بدن جانور از چربی‌های بدن به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند. یکی از محصولات جانبی تجزیه‌ی چربی‌ها در بدن، اجسام کتونی هستند. تجزیه زیاد چربی‌ها باعث تجمع اجسام کتونی و مسمومیت جانور می‌شود.
برای درمان این بیماری در جانوران غیر نشخوار کننده، از گلوگز استفاده می‌شود. اما در نشخوارکنندگان نمی‌توان از گلوکز استفاده کرد. چون گلوکز توسط باکتری‌های بخشی از دستگاه گوارش، یعنی سیرابی، تجزیه شده و چیزی برای جانور نمی‌ماند. مونوپروپیلن گلیکول برخلاف گلوکز به صورت جزئی در سیرابی متابولیزه می‌شود. مقادیر باقی‌مانده جذب خون جانور شده و از آن در کبد برای تولید گلوکز استفاده می‌شود.

ایمنی استفاده برای انسان

مصرف خوراکی

مسمومیت حاد ناشی از مصرف خوراکی مونوپروپیلن گلیکول بسیار نادر است و برای مشاهده‌ی علائم آسیب‌ یا مسمومیت باید مقادیر بسیار زیادی از آن مصرف شود. MPG در بدن انسان به ، استیک اسید، لاکتیک اسید و پروپیون‌آلدهید متابولیزه می‌شود. یکی از موادی است که در فرآیند تجزیه‌ی گلوکز در بدن تولید شده و در مراحل دیگر تولید انرژی از آن استفاده می‌شود. استیک اسید در مواد غذایی وجود دارد و لاکتیک اسید نیز در بدن تولید می‌شود.
پروپیون‌آلدهید تنها ماده‌ای است که به طور بالقوه می‌تواند برای انسان سمی باشد. LD۵۰ (دوزی از یک ماده که باعث مرگ ۵۰ درصد از نمونه‌ها می‌شود) این ماده در موش‌های آزمایشگاهی ۲۰ گرم بر کیلوگرم به صورت خوراکی بوده که نشان‌دهنده‌ی سمیت کم این ماده است.
مسمومیت حاد زمانی رخ می‌دهد که غلظت ماده در پلاسمای خون ۴ گرم بر لیتر باشد که نیازمند مصرف خوراکی یا تزریقی (به عنوان ناقل در ویتامین‌ها و داروهای تزریقی) بسیار زیاد در مدت زمانی کوتاه است. چون مسمومیت با تقریباً غیرممکن است و اثرات مخرب بلند مدت هم ندارد، از سوی FDA به عنوان افزودنی مجاز شناخته می‌شود. مثلاً یکی از کاربردهای آن در خوراکی‌های یخ‌زده مثل بستنی و دسرهای یخ است.

تماس با پوست، چشم و استنشاق

تماس طولانی مدت پوست با MPG معمولاً موجب ناراحتی پوست نمی‌شود. پروپیلن گلیکول رقیق نشده می‌تواند موجب ناراحتی چشم و التهاب موقت ملتهمه (قرمزی چشم) شود که بعد از برطرف شدن تماس از بین می‌رود.
تماس با بخار پروپیلن گلیکول می تواند موجب ناراحتی دستگاه تنفسی و چشم شود. مونوپروپیلن گلیکول به تازگی در سیگارهای الکترونیکی و وِیپ‌ها به عنوان ناقل نیکوتین مورد استفاده قرار گرفته است و خطر خاصی برای مصرف کننده ندارد. اثرات بلندمدت استنشاق از طریق دستگاه‌های ویپورایزر هنوز مشخص نیست. استنشاق پروپیلن گلیکول می‌تواند در بعضی از افراد موجب ناراحتی شود. لذا توصیه می‌شود که از آن در تولید دودها و بخارهایی مانند دستگاه‌های دودزای جشن‌ها استفاده نشود.
نتایج مطالعه‌ی انجام شده توسط دانشگاه کارلستاد سوئد در سال ۲۰۱۰، بیانگر این بود که غلظتی‌هایی از پروپیلن گلیکول و اترهای گلیکول در هوای بسته، به ویژه هوای اتاق خواب‌ها، با افزایش خطر بیماری‌های متعدد تنفسی و سیستم‌ ایمنی در کودکان مرتبط است. طبق نتایج این مطالعه، خطر ابتلا به بیماری‌هایی مانند آسم، تب یونجه، اگزما و آلرژی‌ها بین ۵۰ تا ۱۸۰ درصد در کودکان افزایش می‌یابد. البته نویسندگان این مقاله متهم اصلی را اترهای گلیکول می‌دانند، نه پروپیلن گلیکول.
شواهدی مبنی بر این که مونوپروپیلن گلیکول ماده‌ای سرطان‌زا یا جهش‌زا باشد وجود ندارد.

استفاده تزریقی

پاسخ شدید به تزریق وریدی داروهای حاوی پروپیلن گلیکول (به عنوان ماده‌ای فرعی در دارو) در برخی افراد و بیشتر در مورد کسانی که دوزهای زیاد از دارو دریافت کرده‌اند، مشاهده شده است. پاسخ‌هایی شامل افت فشار خون، کاهش ضربان قلب، آریتمی قلبی، ایست قلبی، اسیدوز لاکتیک و همولیز (متلاشی شدن گلبول‌های قرمز) گزارش شده‌اند. درصد بالایی (۱۲ تا ۴۲ درصد) از پروپیلن گلیکول تزریق شده، به شکل دست نخورده توسط کلیه‌ها دفع می‌شوند. باقی‌مانده آن در کبد به شکل محلول در آب در آمده و دوباره از طریق ادرار دفع می‌شود. افزایش دوز مصرفی پروپیلن گلیکول، موجب کاهش فیلتراسیون گلومرولی (نرخ تراوش یک ماده از خون به ادرار در کلیه‌ها) می‌شود.

آلرژی

بین ۰.۸ تا ۳.۵ درصد از جمعیت نسبت به مصرف مونوپروپیلن گلیکول حساس هستند که البته این حساسیت به میزان مصرف پروپیلن گلیکول بستگی دارد. یعنی در ۰.۸ درصد افراد، محلول آبی ۱۰٪ MPG و در ۳.۵ درصد افراد، محلول آبی ۳۰٪ MPG موجب حساسیت می‌شود. علائم واکنش آلرژیک به مونوپروپیلن گلیکول شامل پوست خشک ملتهب در ناحیه‌ی صورت یا نقطه‌های قرمز کوچک در سطح بدن است.
به دلیل استفاده‌ی فراوان پروپیلن گلیکول در محصولات مصرفی مختلف و ایجاد واکنش‌های آلرژیک، این ماده در سال ۲۰۱۸ توسط یکی از انجمن‌های پوستی آمریکا به عنوان «ماده‌ی حساسیت‌زای سال» معرفی شد.

محیط زیست

مونوپروپیلن گلیکول به عنوان ماده‌ای که در حین تجزیه در آب‌های سطحی نیاز به سطوح بالایی از اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD) دارد، شناخته شده است. این فرآیند می‌تواند تا حد زیادی بر زندگی جانداران آبزی و سطح اکسیژن مورد نیاز آن‌ها برای ادامه‌ی حیات، تاثیر بگذارد. مقدار مصرف اکسیژن آب توسط جمعیت باکتری‌هایی که باعث تجزیه‌ی پروپیلن گلیکول می‌شوند، بسیار زیاد است.
کاهش اکسیژن آب می‌تواند باعث از بین رفتن یا کاهش جمعیت جانداران کف‌زی آب‌های سطحی شده و در چرخه‌ی غذایی اختلالی جدی ایجاد کند.