Ķīmijas tehnoloģija

Rūpnieciska mēroga destilācijas kolonnas

Ķīmijas tehnoloģija (no grieķu: xημεία, chēmeia — 'metālu sakausēšanas māka', τέχνη, tehnē — 'meistarība, māksla' un λογος, logos — 'mācība, jēdziens') ir zinātne par ķīmisko reakciju norisi, metodēm un īpatnībām rūpnieciskajos vai modelējošos procesos.

Ķīmijas tehnoloģijas procesā mainās izejmateriāla sastāvs vai tā iekšējā struktūra. Šajos procesos ķīmisku reakciju rezultātā rodas jaunas vielas, kurām ir citas ķīmiskās un fizikālās īpašības nekā izejmateriāliem. Piemēri: metālu iegūšana no rūdām, skābju, sārmu, sāļu ražošana utt. Ķīmijas tehnoloģijas procesā var rasties arī jauni materiāli - ķieģeļi, finieris, plēve, tinktūra, stikla šķiedra, kā arī produkti - pudeles, maisiņi, krūzes, laivu korpusi utt.

Ķīmijas tehnoloģijas speciālistu sauc par ķīmijas tehnologu.

Ķīmijas tehnoloģijas vēsture

Jau tūkstošiem gadu cilvēce ir pazīstama ar podniecības un metālapstrādes mākslu, ko var uzskatīt par ķīmijas tehnoloģijas pirmsākumiem. 18. gadsimta beigās un 19. gadsimta sākumā, feodālajai iekārtai sairstot un kapitālistiskajai attīstoties, sākās mūsdienu ķīmiskās rūpniecības veidošanās. Viens no ķīmijas tehnoloģijas kā zinātnes mūsdienu izpratnē pamatlicējiem ir krievu ķīmiķis, dzejnieks un vēsturnieks Mihails Lomonosovs, kurš 1748. gadā formulēja Matērijas un kustības nezūdamības vispārīgo principu. 1824. gadā franču fiziķis Sadī Karno savā darbā "Pārdomas par uguns kustības spēku un par mašīnām, kas spējīgas attīstīt šo spēku" (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance) bija pirmais, kas pētīja termodinamiku degšanas reakcijām tvaika dzinējos. 19. gadsimta 50. gados vācu fiziķis Rūdolfs Klauziuss attīstīja Karno atklātos principus ķīmiskām sistēmām jau atomu un molekulu līmenī. 19. gadsimta 70. gados amerikāņu matemātiķis un fiziķis Džozaija Gibss izveidoja uz matemātiku balstītu grafisku metodoloģiju , kā ar Klauziusa termodinamiku pētīt ķīmiskas sistēmas. 1882. gadā vācu fiziķis Hermanis fon Helmholcs publicēja nozīmīgu darbu termodinamikā, kas bija līdzīgs Gibsa darbam, bet ar lielāku uzsvaru uz elektroķīmiju. Šajā darbā viņš formulēja ķīmiskās reakcijas virzītājspēku jeb reakcijas brīvo enerģiju. Pēc šiem agrīnajiem atklājumiem sākās strauja ķīmijas tehnoloģijas kā zinātnes attīstība.

Ķīmiskās rūpniecības vēsture Latvijā

Par pirmo ievērojamo ķīmiskās rūpniecības attīstības posmu var uzskatīt hercoga Jēkaba laikus (17. gadsimta vidū), kad Kurzemes hercogistē plaši uzplauka dzelzs ieguve no vietējās purva rūdas, gatavoja ķieģeļus, dakstiņus, šaujampulveri, dedzināja kaļķus, kausēja stiklu, tecināja darvu un sveķus utt. Hercoga Jēkaba ieviestā saimniecība tika krietni paputināta Krievijas-Polijas-Zviedrijas kara laikā un vēlāk vairs neatguvās. Latvijas teritorijai nonākot Krievijas sastāvā, Rīga pamazām kļuva par impērijas rūpniecības centru. Ievērojama daļa cariskās Krievijas ķīmiskās rūpniecības uzņēmumu atradās Rīgā. Lielākie no tiem bija gumijas izstrādājumu fabrika Provodņiks, superfosfāta rūpnīca Mīlgrāvī, L. Kesela un Ko Anilīna krāsu rūpnīca, D. Leverkūza un dēlu Ultramarīna rūpnīca u.c. Pirmā pasaules kara laikā lielākā daļa no tām tika evakuētas uz Iekškrieviju un, Latvijai iegūstot neatkarību, vairs darbu neatsāka. Pēc Otrā pasaules kara Padomju okupācijas vara sāka strauju ķīmiskās rūpniecības attīstīšanu, no agrākajiem mazajiem uzņēmumiem un laboratorijām radot lielas rūpnīcas un kombinātus. Kā nozīmīgākās ražotnes minamas: Rīgas Laku un krāsu rūpnīca (agrākā L. Kesela un Ko Anilīna krāsu rūpnīca, no 1937. līdz 1951. gadam - Mārtiņa Kalniņa ķīmiskā fabrika), sadzīves ķīmijas preču apvienība Latvbithim ar ražotnēm Rīgā, Dobelē un Mārcienā, Slokas celulozes un papīra kombināts u.c. Olainē uzcelta ķīmiķu pilsēta, kurā ietilpa lieli medicīnisko preparātu, ķīmisko reaģentu, plastmasu un līmju ražotnes. Uzcelta Valmieras stikla šķiedras rūpnīca, Daugavpils ķīmiskās šķiedras rūpnīca, Līvānu bioķīmisko preparātu rūpnīca, Lodes, Kupravas un Usmas ķieģeļu un drenu cauruļu rūpnīcas, Ventspils šķidro komplekso minerālmēslu ražošanas ostas rūpnīca u.c. Pēc Latvijas neatkarības atgūšanas daudzi no šiem uzņēmumiem zaudēja savu nozīmi un bankrotēja. Mūsdienās nozīmīgākie ķīmiskās rūpniecības uzņēmumi ir Rīgas Laku un krāsu rūpnīca, medikamentu ražotājs Grindeks, cementa ražotne Cemex Brocēnos u.c.

Pašlaik ķīmijas tehnologa profesiju Latvijā var apgūt Rīgas Valsts tehnikumā un Rīgas Tehniskajā universitātē.

Klasiskā ķīmijas tehnoloģija

Klasiskā ķīmiskā rūpniecība ražo ļoti daudz dažādu veidu produktu — organiskas un neorganiskas vielas, keramiku, naftas produktus, lauksaimniecības ķimikālijas (minerālmēslus, pesticīdus, herbicīdus u.c.), plastmasas un elastomērus, sprāgstvielas, dažādus mazgājamos līdzekļus (ziepes, veļas pulverus, tīrīšanas līdzekļus), kosmētiku, pārtikas piedevas un medikamentus. Pārklājoties ar citām disciplīnām, tajā ietilpst arī koksnes izstrādājumu un pārtikas ražošana, vides tehnoloģija, kā arī naftas, stikla, krāsu, laku un citu pārklājumu ražošana.

Modernā ķīmijas tehnoloģija

Mūsdienās ķīmijas tehnoloģijas novirzieni sevī ietver arī tādu augsto tehnoloģiju produktu izgudrošanu, pētīšanu un ražošanu kā: produkti kosmosa izpētei, autorūpniecībai, biomedicīnai, elektronikai, militārajai rūpniecībai u.c. Kā piemērus te var minēt ultrastipras šķiedras, audumus, krāsjutīgas saules baterijas, adhezīvus, biosaderīgus materiālus implantiem un protēzēm, medikamentus utt. Daži ķīmijas tehnoloģijas novirzieni pārklājas ar bioloģiju un biomedicīnu. Daudzi ķīmijas tehnologi strādā pie tādiem bioloģijas projektiem kā biopolimēru (olbaltumvielu) pētījumiem un cilvēka genoma kartēšanas. Mūsdienās robeža starp ķīmiķiem un ķīmijas tehnologiem kļūst arvien šaurāka, jo arvien vairāk un vairāk ķīmijas tehnologu par pamatu inovācijām izmanto savas zināšanas ķīmijā, fizikā un matemātikā.

Ķīmijas tehnoloģijas pamatprocesu klasifikācija

Ķīmijas tehnoloģijai atbilstošos procesus iespējams klasificēt pēc vairākām pazīmēm. Atbilstoši pamatlikumiem, kuriem tie pakļauti, šos procesus var iedalīt:

• Hidromehāniskie procesi — pakļauti hidrodinamikas pamatlikumiem. Pie šiem procesiem pieder, piemēram, šķidrumu pārvietošana, nostādināšana, filtrēšana u.c. Hidromehāniskos procesus virza spiedienu starpība, centrbēdzes spēks.
• Siltuma procesi — saistīti ar temperatūras maiņu vidēs, kas piedalās procesā. Šādi procesi ir, piemēram, sildīšana, dzesēšana, ietvaicēšana u.c. Siltuma procesus virza temperatūru starpība.
• Masas apmaiņas (difūzijas) procesi — saistīti ar masas apmaiņu starp fāzēm. Pie šiem procesiem pieder, piemēram, sorbcija (absorbcija un adsorbcija), ekstrakcija, žāvēšana, pārtvaice (destilācija un rektificēšana) u.c. Šos procesus virza koncentrāciju starpība atsevišķās fāzēs.
• Mehāniskie procesi — pamatojas uz to, ka apstrādājamais materiāls tiek pakļauts mehāniskā spēka iedarbībai, piemēram, smalcināšana, sijāšana, cietu vielu transportēšana, presēšana u.c. Šos procesus virza mehāniskais spiediena spēks un centrbēdzes spēks.
• Ķīmiskie procesi — saistīti ar apstrādājamā materiāla ķīmiskās uzbūves maiņu, piemēram, hlorēšana, sulfurēšana, nitrēšana, neitralizēšana u.c. Ķīmiskos procesus virza ķīmiskā tieksme, temperatūra, spiediens un koncentrācija.

Procesus klasificē arī periodiskos un nepārtrauktos procesos. Periodiskā procesā tā atsevišķas stadijas notiek vienā aparātā dažādos laikos. Nepārtrauktā procesā tā atsevišķās stadijas realizē vienlaikus dažādos aparātos.

Ķīmijas tehnoloģijas procesu veikšana notiek laboratorijās, kas apgādātas ar speciālu aprīkojumu.

Procesus vēl iedala arī stacionāros procesos un nestacionāros procesos. Stacionāros procesos tos raksturojošie parametri (piemēram, temperatūra, spiediens, koncentrācija, plūsmas ātrums) laikā nemainās. Nestacionārie procesi mainās telpā un laikā. Nestacionārie procesi ir periodiski procesi. Ķīmijas tehnoloģijā pārsvarā ir stacionārie — nepārtrauktie procesi. Nepārtrauktos procesos ir nestacionāri posmi — uzsākot un beidzot procesu.

Literatūra

• F.Ošis, P.Vītols. Ķīmijas tehnoloģija; Zvaigzne: Rīga, 1980
• L.Osipovs. Ķīmijas tehnoloģijas pamatprocesi un aparāti; Zvaigzne: Rīga 1991