હાઇડ્રોજનીકરણ (hydrogenation)

હાઇડ્રોજનીકરણ (hydrogenation) : હાઇડ્રોજનની અન્ય તત્વ કે સંયોજન, સામાન્ય રીતે અસંતૃપ્ત (unsaturated) કાર્બનિક સંયોજન, સાથેની રાસાયણિક પ્રક્રિયા. રાસાયણિક ઇજનેરીમાં બે પ્રકારની ક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે : (i) એકમ-પ્રચાલન (unit operation) અને (ii) એકમ-પ્રક્રમ (unit process). પ્રથમ પ્રકારમાં પદાર્થના માત્ર ભૌતિક બંધારણમાં જ ફેરફાર થાય છે જ્યારે બીજામાં પદાર્થના રાસાયણિક બંધારણમાં તો ફેરફાર થાય જ છે; પણ ભૌતિક બંધારણમાં ફેરફાર થાય કે ન પણ થાય. વિવિધ એકમ-પ્રચાલનોમાં ઑક્સિજનીકરણ, હાઇડ્રોજનીકરણ, નાઇટ્રોજનીકરણ, સલ્ફોનેશન વગેરેનો સમાવેશ થાય છે.

હાઇડ્રોજનીકરણ ઘણાં પરિબળો પર આધાર રાખે છે; જેમ કે, તાપમાન, દબાણ, દ્રાવક (કે જેમાં પ્રક્રિયા થાય છે.), ઉદ્દીપક વગેરે. સામાન્યત: તાપમાન કે દબાણ વધારવાથી, તેમજ પ્રક્રિયા-મિશ્રણને હલાવવાથી (વલોવવાથી) પ્રક્રિયાની ઝડપ અમુક હદ સુધી વધારી શકાય છે. ઉદ્દીપકો પણ પ્રક્રિયામાં અગત્યનો ભાગ ભજવે છે. ઉદ્દીપકની માત્રા વધારવાથી પ્રક્રિયા ઝડપથી સમતોલન પ્રાપ્ત કરે છે, પણ ઉદ્દીપકની કિંમત ધ્યાનમાં રાખીને તેની માત્રામાં વધારો કરાય છે. હાઇડ્રોજનીકરણ માટે વપરાતાં ઉદ્દીપકો બે પ્રકારનાં હોય છે : (i) વિષમાંગ (heterogeneous) ઉદ્દીપકો કે જેમાં ઉદ્દીપકની ભૌતિક અવસ્થા પ્રક્રિયકો કે નીપજો કરતાં જુદી હોય છે. આવાં ઉદ્દીપકો તરીકે વિવિધ ધાતુઓ (દા. ત., નિકલ, કૉપર, પ્લૅટિનમ, કોબાલ્ટ, ઝિંક વગેરે) કે તેમના ઑક્સાઇડોનો ઉપયોગ થાય છે. (ii) સમાંગ (homogeneous) ઉદ્દીપકો. આવાં ઉદ્દીપકો ઔદ્યોગિક રીતે બહુ પ્રચલિત નથી.

પ્રક્રિયા વાયુરૂપ કે પ્રવાહી માધ્યમમાં થાય છે. સામાન્ય રીતે પ્રવાહી માધ્યમમાં થતી પ્રક્રિયા વધુ પ્રચલિત છે.

હાઇડ્રોજનીકરણના ઘણા પ્રકારો છે : (i) પ્રક્રિયાશીલ (reactive) અણુઓના હાઇડ્રોજનનું ઉમેરાવું; (ii) હાઇડ્રોજનના ઉમેરા સાથે આરંભક (starting) અણુનું વિદલન (cleavage) અથવા હાઇડ્રોજનોલિસિસ (hydrogenolysis); (iii) જેમાં સમાવયવીકરણ (isomerization), ચક્રીકરણ (cyclization) વગેરે થતું હોય તેવી પ્રક્રિયાઓ. અન્ય પ્રક્રિયાઓ કે જેમાં આણ્વીય હાઇડ્રોજન અને ઉદ્દીપકો સંકળાયેલાં હોય તેમાં અપચયનીય (reductive) એમિનેશન (amination) એટલે કે હાઇડ્રોઍમોનોલિસિસ (hydroammonolysis) તથા હાઇડ્રૉફૉર્માઇલેશન(hydroformylation)ને પણ ગણાવી શકાય.

હાઇડ્રોજનીકરણ અને અપચયન કે જેમાં ઑક્સિજન કે અન્ય તત્વ(ઘણુંખરું નાઇટ્રોજન, સલ્ફર, કાર્બન કે હેલોજન)ના પરમાણુઓ ખેંચી લેવામાં આવે અથવા તેમાં હાઇડ્રોજન અણુ ઉમેરાય, બન્ને એકબીજાના પર્યાયરૂપ (synonymous) શબ્દો છે.

ઔદ્યોગિક પ્રવિધિઓમાં હાઇડ્રોજનીકરણ ખૂબ મોટા પાયે વપરાય છે. આનાં અગત્યનાં ઉદાહરણોમાં મિથેનોલ, પ્રવાહી ઇંધનો, હાઇડ્રોજનીકૃત (hydrogenated) વાનસ્પતિક તેલો, કાર્બૉક્સિલિક ઍસિડમાંથી ચરબીજ આલ્કોહૉલ, આલ્ડિહાઇડમાંથી આલ્કોહૉલ, ફિનૉલમાંથી સાઇક્લોહેક્ઝેનોલ, બેન્ઝિનમાંથી સાઇક્લોહેક્ઝેન તથા નાયલૉન માટે એડિપોનાઇટ્રાઇલમાંથી હેક્ઝામિથિલીનડાઇએમાઇનના સંશ્લેષણને ગણાવી શકાય.

હાઇડ્રોજનોલિસિસ (હાઇડ્રોજન દ્વારા વિદારણ) : હાઇડ્રોજનના ઉમેરાવા સાથે જ સંબંધિત અણુનું વિદારણ થતું હોય તેવી પ્રક્રિયા. તે જળવિભાજન (hydrolysis) કે જેમાં પાણી દ્વારા અને ઍમોનોલિસિસ (ammonolysis) કે જેમાં એમોનિયા દ્વારા આબંધ(bond)નું વિદારણ થાય છે તેને અનુરૂપ શબ્દ છે. હાઇડ્રોજનોલિસિસ દ્વારા તૂટતા રાસાયણિક આબંધોમાં કાર્બન-કાર્બન, કાર્બન-ઑક્સિજન, કાર્બન-સલ્ફર અને કાર્બન-નાઇટ્રોજનનો સમાવેશ થાય છે. ટોલ્યુઇનનું હાઇડ્રોડિઆલ્કાઇલેશન (hydrodealkylation) અને મિથાઇલ લૉરેટનું અપચયન એ આનાં ઉદાહરણો છે :

CH₃(CH₂)₁₀COOCH3 + H₂ → CH₃(CH₂)₁₀CH₂OH + CH₃OH

મિથાઇલ        લોરેટ           લૉરાઇલ      આલ્કોહૉલ     મિથેનૉલ

ઉદ્દીપકીય (catalytic) હાઇડ્રોજનીકરણ : ઉદ્દીપકની હાજરીમાં અનેક કાર્બનિક સંયોજનોનું હાઇડ્રોજનીકરણ કરી શકાય છે; જેમ કે એસીટીલિન સંયોજનોમાં બે મોલ હાઇડ્રોજન ઉમેરાતાં સંતૃપ્ત હાઇડ્રોકાર્બન બને છે : જેમાં R તથા R´

Re ≡ Re´ = 2H₂ → RCH₂CH₂R´

એલિફૅટિક, ઍરોમેટિક કે અન્ય સમૂહો છે. યોગ્ય પરિસ્થિતિમાં હાઇડ્રોજનીકરણ પ્રક્રિયા મધ્યવર્તી ઓલીફિન (olefin) સોપાને અટકાવી શકાય છે.

ઓલીફિનોનું ઉદ્દીપકીય હાઇડ્રોજનીકરણ પ્રવાહી અથવા વાયુ પ્રાવસ્થા(phase)માં કરી શકાય છે અને તેનો આધાર તેઓના અણુભાર ઉપર રહે છે. સામાન્યત: ઉદ્દીપક તરીકે નિકલ તથા કોઈ વાર પ્લૅટિનમ કે પેલેડિયમ વપરાય છે.

ઍરોમેટિક સંયોજનોનું અપચયન વાયુમય પ્રાવસ્થામાં સામાન્ય દબાણે અથવા પ્રવાહી પ્રાવસ્થા માટે હાઇડ્રોજનના 200 વાતાવરણ (2 × 10⁴ કિલોપાસ્કલ) દબાણે કરી શકાય છે. આ રીતે બેન્ઝિન, ટોલ્યુઇન, પૅરાસાઇમીન(p-cymene)નું નિકલ ઉદ્દીપકની હાજરીમાં અપચયન કરવામાં આવે છે. નેપ્થેલીન તથા તેને સંબંધિત સંયોજનોના અપચયન દ્વારા ટેટ્રા અથવા કોઈ વાર ડેકાહાઇડ્રોનેપ્થેલીન મળે છે.

આલ્ડિહાઇડ તથા કીટૉન જેવાં કાર્બોનિલ સંયોજનોનું અપચયન કરતાં સંબંધિત આલ્કોહૉલ બને છે : RCOR´ + H₂ → RCH(OH)R´, જેમાં R એલિફેટિક કે ઍરોમેટિક સમૂહ તથા R´ પણ તે જ સમૂહ અથવા હાઇડ્રોજન પરમાણુ હોઈ શકે. મોટે ભાગે R ઍરોમેટિક સમૂહ હોય ત્યારે અપચયન આલ્કોહૉલ સોપાને અટકાવવું મુશ્કેલ બનતાં અંતિમ નીપજ RCH₂R´ બને છે. સામાન્ય રીતે કીટૉનને મુકાબલે આલ્ડિહાઇડનું અપચયન ઝડપી હોય છે. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઈથર બનતો અટકાવવા 1 %થી 10 % પાણી ઉમેરવું જરૂરી બને છે.

અન્ય પ્રવિધિઓ : સોયાતેલ, કપાસિયાનું તેલ, મગફળીનું તેલ વગેરેના ઘનીકરણ માટે મોટા પાયા ઉપર આંશિક હાઇડ્રોજનીકરણ કરવામાં આવે છે. આ રીતે બનતી ઘન ચરબીને માર્જરીન, સાબુ ઉપરાંત અન્ય ખાદ્યસામગ્રીમાં તથા ઔદ્યોગિક નીપજોમાં વાપરવામાં આવે છે. વનસ્પતિ-ઘી ખાવામાં પણ વપરાય છે.

આ પ્રવિધિ દ્વારા ઍસિડમાંથી આલ્કોહૉલ પણ મેળવી શકાય છે :

RCOOH + 2H₂ → RCH₂OH + H₂O

મોટા પાયે મિથેનૉલ બનાવવા માટે કાર્બન મૉનૉક્સાઇડની હાઇડ્રોજન સાથે ખૂબ ઊંચા દ્બાણે તથા 400° સે. તાપમાને Zn, Cr, Mn કે OHના ઑક્સાઇડો ઉદ્દીપક તરીકે વપરાય છે :

CO + 2H₂ → CH₃OH

આ ઉપરાંત કાર્બન મૉનૉક્સાઇડનું વિવિધ હાઇડ્રૉકાર્બનોમાં તેમજ ઉચ્ચ આલ્કોહૉલમાં પરિવર્તન પણ કરી શકાય છે.

આ ઉપરાંત પેટ્રોલિયમ, ડામર (tar) અને કોલસાનું હાઇડ્રોજનીકરણ, (i) મૂળ નીપજોને સુધારવા, (ii) ભારે તેલ (heavy oil) જેવી નીચી ગુણવત્તાવાળાં દ્રવ્યોને કીમતી ઇંધનોમાં ફેરવવાં અને (iii) લિગ્નાઇટ અને કોલસા જેવાં ઘન ઇંધનોને પ્રવાહી ઇંધનોમાં ફેરવવા પણ ઉપયોગમાં લેવાય છે.

હાઇડ્રોજનીકરણમાં ઉપયોગમાં લેવાતા રિઍક્ટર(reactor)નો ઉદ્દેશ હાઇડ્રોજન, જેનું હાઇડ્રોજનીકરણ કરવાનું છે તે પદાર્થ તથા ઉદ્દીપકને ઑક્સિજનની ગેરહાજરીમાં એકબીજાના ઘનિષ્ઠ સંપર્કમાં લાવવાનો છે. આ માટે કોઈ એક ચોક્કસ દ્રાવકનો ઉપયોગ થાય છે. વિવિધ પ્રકારનાં રિઍક્ટર નીચે પ્રમાણે છે : (i) સ્લરી રિઍક્ટર (slurry reactor), (ii) ટપક સંસ્તર રિઍક્ટર (trickle bed reactor) અને (iii) બુદબુદ સ્તંભ રિઍક્ટર (bubble column reactor).

પ્રથમ પ્રકારના રિઍક્ટરનો ઉપયોગ કપાસિયા, સૂર્યમુખી કે સોયાબીન જેવા કુદરતી તેલના આંશિક હાઇડ્રોજનીકરણ માટે થાય છે. ખાદ્ય તેલો બનાવવા માટે તે ઉપયોગી છે. આ તેલના મુખ્ય સંઘટક તરીકે અસંતૃપ્ત ચરબીજ ઍસિડના ગ્લિસરાઇડ હોય છે. હાઇડ્રોજનીકરણ બાદ તેનાં ઉપચયન પરત્વે સ્થિરતા આવે છે.

મિલિંદ જોષીપુરા

જ. પો. ત્રિવેદી