Comparative Evaluation of Catalytic Methods for Soybean Oil Epoxidation: Physicochemical Characterization and Process Performance

تقدم الطبيعة مجموعة واسعة من الزيوت، من زيت الزيتون في تتبيلة السلطة إلى زيت عباد الشمس في مقلاة القلي. ومن بين هذه الزيوت، يتميز زيت الصويا بتعدد استخداماته بشكل خاص، حيث يعمل كقاعدة لكل شيء بدءاً من المواد الغذائية وصولاً إلى المواد الصناعية. ومع ذلك، فإن هذا الزيت في حالته الطبيعية يكون سائلًا للغاية وتفاعليًا كيميائيًا بشكل مفرط للعديد من التطبيقات الشاقة. ولجعله مفيدًا لأشياء مثل البلاستيك المرن، أو المواد اللاصقة المتينة، أو زيوت التشحيم، يجب على العلماء تعديل بنيته الجزيئية. يكمن المفتاح في هذا التحول في الروابط المزدوجة للزيت، وهي اتصالات محددة بين ذرات الكربون تجعل الزيت غير مستقر وعرضة للتحلل. ومن خلال إضافة الأكسجين بعناية إلى هذه الروابط المزدوجة، يمكن للباحثين قفلها في حلقات ثلاثية الجوانب ضيقة. هذه العملية، المعروفة باسم "الأكسدة الإيبوكسيدية" (epoxidation)، تحول الزيت السائل إلى مادة أكثر استقرارًا ومتانة يمكنها تحمل الحرارة والضغط دون أن تتحلل. لقد كان التحدي دائمًا يتمثل في إيجية الوصفة الكيميائية الصحيحة لإجراء هذا التحول بكفاءة دون إتلاف الحلقات الجديدة بمجرد تشكلها.

في دراسة حديثة، سعى باحث في جامعة إيران للعلوم والتكنولوجيا إلى حل هذا اللغز من خلال مقارنة ثلاثة نهج كيميائية مختلفة لأكسدة زيت الصويا إيبوكسيديًا. لم يكن الهدف ابتكار طريقة جديدة، بل معرفة أي من الأنظمة الثلاثة المعتمدة يعمل بشكل أفضل عند اختباره تحت نفس الظروف تمامًا. أخذ العالم زيت صويا مكرر وأخضعه لثلاث معالجات متميزة، جميعها عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 6س 65 درجة مئوية مع تحريك مستمر. استخدمت الطريقة الأولى حمض الفورميك الممزوج مع بيروكسيد الهيدروجين. وأضافت الطريقة الثانية كمية صغيرة من حمض الكبريتيك إلى خليط حمض الفورميك نفسه لمعرفة ما إذا كانت القوة الإضافية ستساعد. أما الطريقة الثالثة فقد استبدلت حمض الفورميك تمامًا بحمض الخليك الثلجي، وهو شكل أقوى وأكثر تركيزًا من الخل، مقترنًا ببيروكسيد الهيدروجين. ومن خلال إبقاء كل متغير آخر متماثلاً، استطاع الباحث عزل تأثير الحمض المستخدم في كل تفاعل.

كشفت النتائج عن فائز واضح. أنتج النظام الذي يستخدم حمض الخليك الثلجي المنتج الأعلى جودة. في هذه الدفعة، تم تحويل ما يقرب من 99 بالمائة من الروابط المزدوجة الأصلية بنجاح إلى حلقات الأكسجين المطلوبة. احتوى الزيت النهائي على 6.8 بالمائة من الأكسجين بالوزن محبوسًا داخل هذه الحلقات، وهو رقم يشير إلى مستوى عالٍ جدًا من التحويل. في المقابل، عانت الطريقة التي استخدمت حمض الفوريك وحده، حيث نجحت في تحويل حوالي 93 بالمائة فقط من الروابط وتركت المنتج النهائي يحتوي على نسبة أكسجين أقل بلغت 3.5 بالمائة. أدت إضافة حمض الكبريتيك إلى خليط حمض الفورميك إلى تحسين النتائج قليلاً، لكنها لم تضاهِ أداء نظام حمض الخل. كما أنتجت طريقة حمض الخليك منتجًا أكثر نقاءً، مع أدنى مستويات من النواتج الثانوية غير المرغوب فيها وأقل قدر من الحمض المتبقي في الزيت.

بعيدًا عن الأرقام الكيميائية، حكت التغيرات الفيزيائية للزيت القصة نفسها. أصبح الزيت المعالج بحمض الخليك أكثر سمكًا وكثافة، وهي خصائص أساسية لاستخدامه كمادة ملدنة أو مادة تشحيم. كما احتفظ بلون فاتح وواضح، مما يشير إلى أن التفاعل الكيميائي كان نظيفًا ولم يتسبب في إنشاء شوائب داكنة ومتحللة. تركت الطريقتان الأخريان الزيت داكنًا قليلاً وأقل استقرارًا. تشير الدراسة إلى أن نظام حمض الخل يعمل بشكل جيد لأنه يخلق بيئة لطيفة تبني حلقات الأكسجين بسرعة مع حمايتها من التفكك، وهي المشكلة التي عانت منها أنظمة حمض الفورميك الأكثر حدة. ورغم أن طريقة حمض الفورميك معروفة بسرعتها، إلا أن هذا البحث يظهر أنها غالبًا ما تضحي بسلامة المنتج النهائي. لذلك، يوفر نهج حمض الخل توازنًا متفوقًا، حيث يقدم مادة عالية الجودة ومستقرة في وقت معقول، مما يجعله المسار الأكثر واعدًا لتحويل زيت الصוيا إلى مواد صناعية عالية الأداء.