Charakterystyka i zastosowanie glikolu etylenowego

Właściwości fizykochemiczne glikolu etylenowego

Glikol etylenowy o wzorze sumarycznym CH₂OH_2, znany również jako 1,2-etanodiol, jest popularnym związkiem organicznym. Karta charakterystyki glikolu etylenowego, ale również innych substancji, to podstawowe źródło na temat ich właściwości fizycznych i chemicznych. Glikol etylenowy jest głównym składnikiem środków przeciw zamarzaniu w systemach HVAC i systemach samochodowych. Wzór glikolu jednoznacznie wskazuje na jego przynależność do grupy chemicznej, jaką są alkohole dihydroksylowe, nazywane inaczej diolami. Zatem glikol jako alkohol jest bezbarwną cieczą o dużej lepkości i słodkim smaku. Oprócz doskonałej mieszalności z wodą, jest również bardzo dobrze rozpuszczalny w aldehydach, ketonach i kwasie octowym, natomiast w ogóle nie rozpuszcza się w czterochlorku węgla. W produkcji jest stosunkowo tani. Jego wadę stanowi krystalizacja w niskich temperaturach i niższa (w porównaniu z glikolem propylenowym) zdolność do przyjmowania ciepła (około 50% pojemności cieplnej wody).

Glikol etylenowy charakteryzuje się wysoką temperaturą wrzenia (197ᵒC) posiadając jednocześnie niewielką masę cząsteczkową. Jest to efekt silnej asocjacji cząsteczek w fazie ciekłej, spowodowanej tworzeniem się wiązań wodorowych. W czystej postaci glikol etylenowy zamarza w temperaturze około -13°C, ale mieszanina glikol etylenowy : woda może pozostać płynna w znacznie niższych temperaturach. Na przykład, mieszanina 40 % wody i 60 % glikolu może wytrzymać temperatury do około -37ᵒC. Należy zaznaczyć, że glikol etylenowy miesza się z wodą w nieograniczonym stosunku. Jest to spowodowane obecnością dwóch grup hydroksylowych w strukturze.

Przeglądając literaturę bądź oferty producentów, można natknąć się na określenie glikol monoetylenowy, w skrócie MEG. Jednak należy mieć na uwadze, że glikol monoetylenowy, a etylenowy to ta sama substancja.

Glikol etylenowy – otrzymywanie

Glikol etylenowy na skale przemysłową wytwarza się poprzez hydrolizę tlenku etylenu, otrzymywanego w procesie utleniania etylenu.

Produkcja tlenku etylenu

W pierwszym etapie produkcji glikolu etylenowego, etylen i tlen są wprowadzane do reaktora wielokanałowego. Reakcja zachodzi w fazie gazowej w obecności srebra jako katalizatora opartego na tlenku glinu. Reakcja jest silnie egzotermiczna i w jej trakcie uwalniane są duże ilości ciepła.

Produkcja i oczyszczanie glikolu etylenowego

Tlenek etylenu wchodzi w reakcję z CO₂ tworząc węglan etylenu, który jest następnie hydrolizowany do glikolu etylenowego. Obie reakcje są przeprowadzane w fazie ciekłej przy użyciu jednorodnych katalizatorów kwasowych. Strumień CO₂ z wcześniejszych etapów reakcji jest zawracany do reaktora z węglanem etylenu. Glikol etylenowy zostaje następnie oczyszczany w dwóch kolumnach destylacyjnych, w których usuwana z produktu jest woda. Katalizator jest oddzielany i zawracany do reaktorów w obiegu zamkniętym.

Glikol etylenowy i glikol propylenowy – podstawowe różnice

Jedną z głównych różnic pomiędzy glikolem etylenowym, a glikolem propylenowym jest poziom toksyczności. Glikol etylenowy jest toksyczny, a glikol propylenowy nie. W zastosowaniach, w których toksyczność nie ma znaczenia, glikol etylenowy jest często najlepszym wyborem dla nośnika ciepła. Nie należy stosować glikolu etylenowego, jeśli istnieje możliwość jego połknięcia lub przypadkowego kontaktu z żywnością lub wodą pitną. Nie należy go również stosować w systemach ogrzewania lub chłodzenia obiektów takich jak zakłady przetwórstwa spożywczego lub inne zakłady, w których wytwarzane są produkty przeznaczone do konsumpcji. Gdy wymagana jest niska toksyczność, glikol propylenowy jest powszechnie stosowany ze względu na niską toksyczność ostrą po podaniu doustnym.

Oba rodzaje glikoli różnią się pomiędzy sobą właściwościami fizycznymi. Odmienne są również ich właściwości chemiczne. Glikol etylenowy jest szeroko stosowany tam, gdzie wydajność jest ważna i nie ma bezpośredniego kontaktu z ludźmi lub zwierzętami. Glikol etylenowy odznacza się doskonałą wymianą ciepła i ochroną przed zamarzaniem. Niska lepkość glikolu wpływa na doskonałą wydajność wymiany ciepła, a właściwości transportowe przewyższają glikol propylenowy w niższych temperaturach. Ponieważ jednak glikol propylenowy charakteryzuje się wyższym ciepłem właściwym, konieczne jest krążenie większej ilości glikolu etylenowego w celu przekazania tej samej ilości energii, którą posiada glikol propylenowy. Roztwory glikolu propylenowego mają wyższą lepkość i temperaturę krzepnięcia niż glikol etylenowy w tych samych warunkach. Przede wszystkim w niższych temperaturach glikol propylenowy jest mniej wydajny termicznie niż glikol etylenowy.

Glikol etylenowy – zastosowanie

Ze względu na powszechne zastosowanie w branży motoryzacyjnej, warto zadać sobie pytanie: co to jest glikol etylenowy oraz jakie są jego zastosowania i właściwości. Glikol etylenowy jest szeroko wykorzystywany w wielu aplikacjach przemysłowych i komercyjnych. Produkt ten pojawia się także w szeregu popularnych artykułów gospodarstwa domowego, takich jak detergenty, kosmetyki, farby czy rozpuszczalniki do tworzyw sztucznych.

Pozostałe zastosowania, w których znajdziemy glikol to:

• produkcja włókien szklanych wykorzystywanych do produktów, takich jak skutery wodne, wanny i piłki do kręgli.
• produkcja atramentu do długopisów i innych rodzajów atramentów. Glikol etylenowy zwiększa lepkość tuszu i zmniejsza prawdopodobieństwo jego odparowania.
• płynne nośniki ciepła, takie jak przemysłowe chłodziwa do sprężarek gazu, systemów grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych oraz lodowisk. Glikol etylenowy nadaje odpowiednie właściwości chłodziwom przemysłowym, które pomagają im przepływać przez systemy chłodzenia i wytrzymać ekstremalne temperatury.

Glikol etylenowy w płynach chłodniczych

Ze względu na właściwości glikol etylenowy (obok glikolu propylenowego) to popularny składnik płynów chłodniczych do silników spalinowych. Głównym zadaniem płynu chłodniczego jest skuteczny odbiór energii cieplnej z silnika i rozpraszanie jej poprzez chłodnicę, do otoczenia. Płyn chłodniczy zatem zapobiega zamarzaniu silnika w zimie i jednocześnie działa jako czynnik chłodzący podczas wysokich temperatur w lecie. Poza odbiorem ciepła z silnika, płyn chłodniczy musi spełnić szereg, nie mniej ważnych funkcji, takich jak:

• ochrona przed zamarzaniem – glikol etylenowy jako składnik środków przeciw zamarzaniu wpływa na ulepszone właściwości wymiany ciepła, w tym niższą lepkość dynamiczną i wyższą przewodność cieplną
• ochrona przed kawitacją – płyn chłodniczy tworzy skuteczną powłokę ochronną przed zamarzaniem, wrzeniem i kawitacją, uniemożliwiając powstawanie wżerów kawitacyjnych
• zabezpieczenie przed korozją różnych elementów silnika i całego układu chłodzenia – można to uzyskać dzięki zawartości synergicznych inhibitorów korozji chroniących metale, które są powszechnie stosowane w tego typu systemach. Pomaga to zapewnić długą żywotność i wysoką wydajność cieplną
• ochrona przed powstawaniem i odkładaniem się zanieczyszczeń w układzie

Glikol etylenowy jako składnik środków przeciw zamarzaniu ma ulepszone właściwości wymiany ciepła, w tym niższą lepkość dynamiczną i wyższą przewodność cieplną. Płyny na bazie glikolu etylenowego mogą być z powodzeniem wykorzystywane w instalacjach wykonanych z metali oraz ich stopów takich jak: miedź, mosiądz, stal, żeliwo czy aluminium. W takich układach chłodniczych można bez przeszkód używać wszystkich popularnych uszczelnień.

Przyszłość płynów chłodniczych

Czynniki takie jak rosnące zapotrzebowanie na pojazdy o wysokich osiągach i zwiększone stosowanie wysokiej jakości zaawansowanych technologicznie dodatków uzupełniają rozwój światowego rynku motoryzacyjnego środków przeciw zamarzaniu. Jednak wahania cen surowców (ropa naftowa) i rosnący popyt na pojazdy elektryczne zasilane z akumulatorów hamują nieco rozwój tego sektora. Dostępność nowych, przyjaznych dla środowiska, biotechnologicznych czynników chłodniczych i przeciw zamarzaniu z pewnością uzupełni rozwój rynku motoryzacyjnych środków przeciw zamarzaniu w najbliższej przyszłości i spowoduje zwiększenie jakości obecnie stosowanych.

Grupa PCC posiada w ofercie glikol etylenowy (CAS 9005-07-6). Dostępny glikol etylenowy spełnia funkcję emulgatorów i olejów smarowych szczególnie w przemyśle motoryzacyjnym. Stanowi doskonały komponent do produkcji płynów chłodniczych o szczególnych wymaganiach.

Szkodliwość glikolu etylenowego

Glikol etylenowy jest toksyczny dla ludzi i powoduje szereg problemów fizjologicznych, w tym śmierć (Centrum Kontroli Chorób szacuje śmiertelną dawkę od 1400 do 1600 mg/kg). W  organizmie ludzkim jest wchłaniany przez skórę (droga dermalna), drogi oddechowe oraz z przewodu pokarmowego. W związku z tym nie należy stosować glikolu etylenowego do aplikacji, w których możliwe jest skażenie wody pitnej. Nie należy go również stosować w systemach ogrzewania lub chłodzenia w obiektach, takich jak zakłady przetwórstwa spożywczego lub inne zakłady, w których wytwarzane są produkty przeznaczone do konsumpcji.

Glikol  etylenowy w postaci pary może doprowadzić do utraty przytomności, natomiast w niewielkich stężeniach powoduje podrażnienie nosa i gardła. Znacznie poważniejsze są skutki połknięcia glikolu etylenowego. Jego toksyczność wynika głównie z akumulacji toksycznych metabolitów. Glikol etylenowy silnie działa na ośrodkowy układ nerwowy (OUN). Wywołuje ostre działanie podobne do działania etanolu. Ten wpływ na ośrodkowy układ nerwowy przeważa w pierwszych godzinach po ekspozycji. Nierozpoznane lub nieleczone przyjmowanie glikolu etylenowego może prowadzić do ciężkiego uszkodzenia ciała, a nawet śmierci.

Glikol etylenowy – FAQ

1. Czy można mieszać glikol etylenowy z propylenowym?

Odpowiedzi na to pytanie szuka każdy właściciel samochodu, który zastanawia się czy można mieszać płyny chłodnicze na bazie różnych glikoli. Nie powinno się tego robić. W przypadku glikolu etylenowego i propylenowego główna różnica to gęstość tych substancji. W praktyce trudno jest zmierzyć odporność płynu na zamarzanie, a to może skutkować kłopotami w porze zimowej.

2. Jak odróżnić glikol etylenowy od propylenowego?

Dostępna jest metoda rozróżniania tych dwóch glikoli. Wykorzystuje różnice we właściwościach fizycznych, gęstości właściwej, a także współczynniku załamania światła pomiędzy glikolem etylenowym i propylenowym. Ten ostatni stanowi bardzo pomocny parametr określający, z którym związkiem mamy do czynienia. Kilka kropel substancji umieszcza się na pryzmacie specjalnego przyrządu, tzw. refraktometru i odczytuje współczynnik załamania światła, umożliwiający identyfikacje.

3. Czym różni się glikol etylenowy od glicerolu?

Obydwa związki należą do tej samej grupy chemicznej, czyli alkoholi. Różnią się ilością grup hydroksylowych –OH w cząsteczce. Glicerol jest pochodną propanu (propanotriol), natomiast glikol etylenowy to pochodna etanu (etanodiol). W roztworach wodnych obniżają temperaturę krzepnięcia, a także podwyższają temperaturę wrzenia. Mając do wyboru glicerol oraz glikol etylenowy warto rozważyć zastosowanie pierwszego z wymienionych, ponieważ jest on bezpieczniejszy w użytkowaniu. Jego negatywny wpływ na środowisko również jest mniejszy.

4. Gdzie można kupić glikol etylenowy?

W sklepach lub hurtowniach chemicznych można bez problemu nabyć glikol etylenowy. Cena tej substancji mieści się w stosunkowo szerokim zakresie. Warto zwracać uwagę, aby nabywać towar o najwyższej jakości. W swojej ofercie odczynników, glikol etylenowy posiada również Grupa PCC (numer CAS 9005-07-6).

5. Zatrucia glikolem etylenowym – objawy?

Zatrucie glikolem etylenowym bardzo często przypomina stan upojenia alkoholowego. Dostrzegalna jest niezborność ruchów, senność, przyspieszenie oddechu, podwyższenie ciśnienia krwi czy w niektórych przypadkach drgawki. Zatrucia glikolem etylenowym nie można bagatelizować. Po 24  godzinach pojawiają się pierwsze symptomy niewydolności nerek. Zatrucie powoduje niewydolność krążenia, a nawet głębokie uszkodzenie ośrodkowego układu nerwowego.

6. Jak odróżnić glikol etylenowy od glukozy?

Te dwa związki możemy odróżnić od siebie wykonując popularną próbę Trommera. Glukoza należy do tzw. aldoz, które z kolei zaliczamy do aldehydów. Aldehydy, jak wiadomo, ulegają próbie Trommera, w przeciwieństwie do dioli (np. glikol etylenowy), które tej próbie nie ulegają. Całe doświadczenie polega na redukcji (za pomocą badanej substancji) wodorotlenku miedzi (II) CuOH₂ o niebieskim zabarwieniu do tlenku miedzi (I) Cu₂O o ceglastym zabarwieniu, w środowisku zasadowym.