آفاق الصناعة وتكنولوجيا معالجة N-methylpyrrolidone (NMP)

N-methylpyrrolidone (NMP) هو مذيب غير ذائب يتميز بقطبية عالية ونقطة غليان عالية ولزوجة منخفضة وتطاير منخفض واستقرار حراري وكيميائي عالٍ. وباعتباره مذيبًا عالي الأداء، فإنه يستخدم على نطاق واسع في إنتاج بطاريات أيونات الليثيوم وتخليق البوليمر والمواد الكيميائية الإلكترونية والدهانات العازلة والعديد من المجالات الأخرى.

يمكن تقسيم مصادر NMP إلى فئتين: NMP الاصطناعية وNMP المستعادة. ويشير NMP الاصطناعي إلى منتجات NMP التي يتم الحصول عليها عن طريق التخليق الكيميائي. ويتمثل مسار الإنتاج الصناعي في إنتاج منتجات NMP عن طريق تكثيف جاما-بوتيرولاكتون (GBL) وأحادي ميثيل أمين كمواد خام. يشير استرداد NMP إلى إعادة تدوير سائل نفايات NMP المستخدم كمذيب بعد الاسترداد والتنقية.

سوق NMP ضخم وآخذ في الارتفاع
في السنوات الخمس إلى العشر الماضية، نظرًا للتطور السريع لصناعة بطاريات الليثيوم، نما حجم استهلاك NMP بسرعة. في عام 2022، بلغ استهلاك الصين من مادة NMP حوالي 1.52 مليون طن، يبلغ استهلاكها في مجال الليثيوم حوالي 1.428 مليون طن، وهو ما يمثل حوالي 94.01 تيرابايت من إجمالي استهلاك الصين. ومع التوسع المستمر في سوق سيارات الطاقة الجديدة، ازداد الطلب على بطاريات الليثيوم أيضًا. ومن المتوقع أن يصل استهلاك الصين من بطاريات الليثيوم غير الميثيلين إلى 3.44 مليون طن بحلول عام 2025. وبين عامي 2022 و2025، سيبلغ معدل النمو السنوي المركب للاستهلاك حوالي 31.31 تيرابايت 3 طن. وبالإضافة إلى استخدامه في مجال بطاريات الليثيوم أيون، يمكن استخدام NMP كسائل لإزالة مقاوم للضوء وعامل تنظيف لوحة عرض أشباه الموصلات في مجال المواد الكيميائية الإلكترونية. وفي تخليق البوليمرات، يمكن استخدامه كمذيب تفاعل للبوليمرات الخاصة مثل البارا-أراميد وكبريتيد البولي فينيلين والبولي إيميد.

تقنية تخليق NMP
في تخليق NMP، تستخدم معظم الشركات المصنعة نزع هدرجة 1، 4-بيوتانيديول (BDO) لإنتاج GBL، ثم الأمونيا والتكثيف لإنتاج NMP. وتستخدم ميتسوبيشي كيميكال كيميكال هدرجة أنهيدريد المالئيك لإنتاج GBL، والذي يتم بعد ذلك نزع الأمونيا وتكثيفه لإنتاج NMP.
وقد تم تحقيق الإنتاج الصناعي لـ NMP في وقت سابق وأصبحت عملية الإنتاج ناضجة. وفي الوقت الحاضر، فإن المسار التقني الصناعي لإنتاج NMP في العالم هو في الأساس GBL وتكثيف أحادي ميثيل أمين NMP. ووفقًا لظروف التفاعل المختلفة، يمكن تقسيمه إلى تفاعل غير تحفيزي وتفاعل تحفيزي، والأول هو عملية الإنتاج التي تستخدمها معظم شركات الإنتاج.
تم تطوير مادة الـ NMP الخالية من المحفزات لـ GBL وأحادي ميثيل أمين التكثيف الخالي من المحفزات بواسطة E. Path وآخرون في عام 1936، وتم تصنيعها لأول مرة بواسطة شركة BASF في ألمانيا وشركة GAF في الولايات المتحدة، وهي تقنية إنتاج NMP الأكثر استخدامًا في الوقت الحاضر. ونظرًا لأن عملية إنتاج NMP غير التحفيزية غالبًا ما تتطلب درجة حرارة عالية وضغطًا ومتطلبات معدات عالية واستهلاكًا مرتفعًا للطاقة، ويمكن أن يقلل استخدام المحفزات من ظروف التفاعل ويوفر الطاقة. لذلك، في السنوات الأخيرة، بدأ العديد من الباحثين في الداخل والخارج في الاهتمام بدور المحفزات في هذه العملية. في عام 2008، اعتمدت كيمياء شجرة الكمثرى في كوريا الجنوبية تكنولوجيا التوليف الحفاز للمنخل الجزيئي ZSM، والتي يمكن أن تقلل من ظروف التفاعل إلى حد ما.

وفي الصين، تستخدم شركة سينوبك سينوبك النحاس والزنك والزنك والزر كعامل حفاز لنزع الهيدروجين من مادة BDO والأمين لإنتاج مادة NMP. على الرغم من أن العملية الحفازة لها مزايا واضحة، إلا أنه بسبب بعض المشاكل الهندسية (مثل عمر المحفز، وما إلى ذلك)، هناك عدد قليل من التطبيقات الصناعية في الوقت الحاضر.

يعتمد إنتاج NMP على عملية تحفيزية، ويمكن لمحفز السيريوم الأرضي النادر المركب الجديد من الزيوليت ZSM الذي طورته شركة Maige Chemical بشكل مستقل أن يسرع بشكل فعال من سرعة الحلقة المغلقة لـ NMH الوسيطة.

سوق استرداد وتنقية NMP له آفاق واسعة
لا يوجد عائق كبير أمام الدخول في صناعة NMP، لأن صناعة الليثيوم في المراحل النهائية من صناعة الليثيوم مستمرة في الازدهار، وبدأت المزيد والمزيد من الشركات في إنتاج NMP، وأصبحت الصناعة أكبر وأكبر. يمكن إعادة تدوير معظم NMP المستخدم كمذيب، مما يوفر التكاليف ويقلل من التأثير البيئي. ووفقًا لبيانات الصناعة، يتطلب الأمر 1500 طن من NMP لإنتاج بطارية طاقة بقدرة 1 جيجاوات ساعة. ومع النمو السريع في إنتاج بطاريات الطاقة المحلية، تطور سوق إعادة تدوير وتنقية مادة NMP بسرعة. ومنذ عام 2021، شهد سوق استعادة وتنقية NMP نموًا هائلاً، وفي العام نفسه، تم تركيب عدد كبير من أجهزة استعادة وتنقية NMP في الصين، حيث بلغت الطاقة الإجمالية السنوية للاسترداد أكثر من 400,000 طن. ووفقًا لاتجاه إنتاج بطاريات الطاقة في عام 2022، سيتعين إعادة تدوير وتنقية 825,000 طن من مادة NMP على مدار العام، ومن المتوقع أن تتجاوز قدرة الاسترداد والتنقية مليون طن.
في الوقت الحاضر، أصبحت مركبات الطاقة الجديدة اتجاه التنمية السائد، والصين هي أكبر سوق إنتاج وسوق استهلاكية لمركبات الطاقة الجديدة وبطاريات الطاقة، ومن المتوقع في السنوات القليلة المقبلة، أن تنمو بمعدل 20% إلى 30% سنويًا، ولا تزال تنقية إعادة تدوير NMP تتمتع بإمكانيات تطوير سوق جيدة.

تنقسم إعادة تدوير NMP بشكل أساسي إلى وضعين، أحدهما هو أن يقوم مستخدمو NMP بإعادة تدوير أنفسهم لتشكيل دورة داخلية، والآخر هو تكليف الشركات المصنعة بتنقيح أو شراء منتجات NMP المكررة من الشركات المصنعة. ومن بين الشركات المصنعة لـ NMP، هناك شركات متخصصة في المنتجات الاصطناعية أو المنتجات المعاد تدويرها، وهناك شركات لديها قدرات تصنيع وإعادة تدوير على حد سواء.

تقنية إعادة تدوير NMP
تتضمن تقنية استرداد وتنقية غازات NMP استرداد وتنقية جزءين، استرداد غازات ذيل NMP في الوقت الحالي عمليات المعالجة الرئيسية هي: عملية التكثيف + عملية امتزاز عجلة قرص العسل، وعملية التكثيف + عملية رش الماء وعملية رش الماء متعدد المراحل.

1. عملية التكثيف + عملية الامتزاز: يتم تبريد غاز ذيل الطلاء أولاً، ويتم تجميع معظم غاز NMP، ثم تتم معالجة غاز الذيل إلى المعيار من خلال عداء الامتزاز، ويتم إرجاع غاز الذيل الممتص إلى الطرف الأمامي.
   2، عملية رش الماء: استخدام خصائص NMP القابلة للذوبان في الماء، وامتصاص الماء من NMP، بحيث تكون معايير انبعاثات العادم. لكل عملية نطاق تطبيق ومزايا وعيوب خاصة بها، والتي يجب اختيارها وفقًا لحالة الإنتاج الفعلية والخبرة الهندسية. عندما يتم نقل NMP من غاز الذيل إلى محلول مائي أو تكثيفه في سائل، يتشكل سائل نفايات NMP، وغالبًا ما تفشل نقاوته في تلبية متطلبات إنتاج البطاريات، ويحتاج إلى مزيد من التنقية قبل إعادة استخدامه.

تقنية تنقية NMP
يحتوي سائل نفايات NMP عمومًا على NMP والماء والأمينات والشوائب العضوية الأخرى، لأن سائل نفايات NMP من فئة البطاريات يستخدم مباشرةً لإنتاج الأقطاب الكهربائية، من أجل الحفاظ على اتساق البطارية، فإن نقاء الاسترداد مرتفع جدًا.
في الوقت الحاضر، يعتمد التيار الرئيسي لإعادة تدوير NMP من الدرجة الإلكترونية السائدة على تكنولوجيا التصحيح، والفرق هو أن العملية وتصميم المعدات الأساسية مختلفة، ويمكن تحقيق جودة المنتج ومعدل الاسترداد. في ظل خلفية السعر المرتفع والاستهلاك المرتفع ل NMP، فإن الاتجاه العام هو اختيار عملية تنقية ذات جودة عالية وعائد مرتفع واستهلاك منخفض.

في الصين، يعتمد نظام تنقية نفايات سائل نفايات NMP في تيانجين تشونغفو لحماية البيئة في الصين على تقنيات أساسية مثل تقنية المعالجة المسبقة، وتقنية التقطير الدقيق، والترشيح عالي الدقة والامتصاص، وتحسين شبكة نقل الحرارة وغيرها من تقنيات تعزيز العملية لتنقية مذيب NMP إلى مستوى البطارية. يُذكر أن شركة Zhongfu لحماية البيئة هي واحدة من أوائل الشركات التي طورت تكنولوجيا تنقية NMP، في وقت مبكر من عام 2014، بالتعاون مع BYD لتنفيذ أبحاث وتطوير تكنولوجيا تنقية مذيب NMP واستخدام الموارد وتحويل النتائج، وهي الأولى في البلاد التي تقوم ببناء جهاز تنقية مذيب NMP، لتحقيق إعادة استخدام NMP في تنقية المصنع. منذ ذلك الحين، تم تشغيل عدد من مشاريع تنقية مذيبات NMP، مع أكثر من 30 حالة ذات صلة. وقد تعاونت الشركة مع العديد من الشركات الرائدة في صناعة بطاريات الليثيوم مثل BYD، ويوي ليثيوم إنيرجي، وHaichen New Energy، وBang Pu Cycle، وتتمتع بسمعة جيدة في السوق في مجال تنقية NMP.