甲醇(Methanol)

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甲醇(Methanol)

甲醇(Methanol)

甲醇(Methanol)

甲醇又称木精,其化学式为CH3OH(经常简写为MeOH),是有毒的化合物,即使只喝入少量甲醇也会造成目盲。它是最简单的醇类,为易挥发、无色、可燃的有毒液体,有独特气味,与乙醇(酒精)类似,但甜度较高。在室温时,甲醇为极性液体可与水互溶,可作为抗冻剂、溶剂、燃料及乙醇的变性剂。甲醇也可经由转酯作用(transesterification),製造生质柴油。

甲醇是许多种细菌厌氧代谢后的天然产物,因此在环境中无所不在。因此,甲醇蒸气在空气中占有微量的比例。氧气在阳光的照射下,经由数天时间,可把空气中的甲醇氧化成二氧化碳与水。

甲醇在空气中燃烧,形成二氧化碳与水:
2 CH3OH + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O
在明亮的阳光照射之下,甲醇的火焰几乎为无色,不易察觉,因此,甲醇火焰附近必须提高警觉,注意安全。

甲醇因为具有毒性,常常添加在工业酒精中作为变性剂。因为酒精为可饮用酒类的主要成分,将被课以税金,添加甲醇可使变性酒精只能作为工业用途,免除烈酒的重税。因为甲醇曾经为木材乾馏的副产品,所以又称为木精。目前甲醇的生产法是经由多步骤合成:天然气或煤气与水蒸气在炉中经重组反应,形成氢气与一氧化碳;接下来,氢气与一氧化碳在高压与催化剂作用之下再发生反应,生成甲醇。利用许多可再生的生质材料如木材、纸浆中的黑色汁液,经由气化反应,也可产生甲醇。

历史
古埃及人在为尸体涂布香料时,使用了一种混合物,其中的成分包含了甲醇,那是他们裂解木材製得的。到了1661年,波以耳(Robert Boyle)蒸馏黄杨木製取甲醇,这是纯的甲醇首次被分离出来,稍后甲醇被称为火精(pyroxylic spirit)。在1834年,法国化学家杜马士(Jean-Baptiste Dumas)和皮里哥(Eugene Peligot)测定出甲醇的元素组成。

在1923年,BASF化工厂的德国化学家米塔许(Alwin Mittasch)和皮耳(Mathias Pier)发展出一套製程,可把合成气(包含了一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合物)製成甲醇。

製法
时至今日,合成气大多经由天然气中的甲烷製得,而非由煤製取。商业上有三种可行的製法。在4 Mpa(10-20 atm)中等压力与高温(850 ℃)时,在镍的催化之下,甲烷与水蒸气依下列反应方程式生成合成气:
CH4 + H2O → CO + 3 H2
此反应通常称为水蒸气-甲烷重组反应(简称SMR),属吸热反应,因热转换的问题,使其催化反应器的大小与压力受到限制。甲烷也可与氧分子反应,进行部分氧化,产生合成气,如下列反应方程式:
2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2
此一反应属放热反应,释出的热可驱动水蒸气-甲烷重组反应。若把这两种反应结合在一起,又称为自热重组反应。

利用水煤气转化反应(water-gas shift reaction)可调整CO与H2的比例,使其适于进行甲醇合成反应。
CO + H2O → CO2 + H2,
接着,一氧化碳与氢气在第二种催化剂上反应,产生甲醇。目前,本反应使用最广泛的催化剂是铜、氧化锌与矾土的混合物,此一催化剂是1966年由ICI公司最早使用。在5-10 Mpa(50 – 100 atm)和250 ℃时,此催化剂可催化一氧化碳与氢气产生甲醇。
CO + 2 H2 → CH3OH

值得一提的是,由甲烷製造合成气时,每生成一莫耳一氧化碳可生成3莫耳氢气;但合成甲醇时,每消耗一莫耳一氧化碳,只消耗2莫耳氢气。为了处理多余的氢气,可把二氧化碳注入合成甲醇的反应器中,使其依下列反应方程式反应,形成甲醇:
CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O

天然气是製甲醇时最经济与广泛应用的原料,也可以使用其他原料製甲醇。尤其在中国,用煤作为原料以製造甲醇,愈来愈常见。而且,用来製造甲醇的生质气化反应技术也已成熟。

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