الصناعات الكيميائية

كان حمض الكبريتيك من أوائل المواد الكيميائية التي تم إنتاجها بكميات كبيرة عبر العمليات الصناعية . في عام 1736، طوّر الصيدلي جوشوا وارد عملية لإنتاجه تتضمن تسخين الكبريت مع نترات البوتاسيوم، مما يسمح للكبريت بالأكسدة والتفاعل مع الماء. وكان هذا أول إنتاج عملي لحمض الكبريتيك على نطاق واسع. وفي عام 1749، أنشأ جون روبوك وصموئيل غاربيت أول مصنع كبير لإنتاج حمض الكبريتيك في بريستونبانز، اسكتلندا ، حيث استخدما غرف تكثيف من الرصاص. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

في أوائل القرن الثامن عشر، كان يتم تبييض الأقمشة بمعالجتها بالبول الراكد أو الحليب الحامض وتعريضها لأشعة الشمس لفترات طويلة، مما أدى إلى اختناق حاد في الإنتاج. وبحلول منتصف القرن ، بدأ استخدام حمض الكبريتيك كعامل أكثر فعالية، بالإضافة إلى الجير ، ولكن اكتشاف مسحوق التبييض على يد تشارلز تينانت هو الذي حفز إنشاء أول مشروع صناعي كيميائي ضخم. صُنع مسحوقه بتفاعل الكلور مع الجير المطفأ الجاف ، وأثبت أنه منتج رخيص وناجح. افتتح تينانت مصنع سانت رولوكس للمواد الكيميائية ، شمال غلاسكو ، وارتفع الإنتاج من 52 طنًا فقط عام 1799 إلى ما يقرب من 10000 طن بعد خمس سنوات فقط. ^{[ 3 ]}

استُخدم رماد الصودا منذ القدم في صناعة الزجاج والمنسوجات والصابون والورق ، وكان مصدر البوتاس تقليديًا رماد الخشب في أوروبا الغربية . وبحلول القرن الثامن عشر، أصبح هذا المصدر غير مُجدٍ اقتصاديًا بسبب إزالة الغابات، فقدمت الأكاديمية الفرنسية للعلوم جائزة قدرها 2400 ليفر فرنسي لمن يبتكر طريقة لإنتاج القلويات من ملح البحر ( كلوريد الصوديوم ). حصل نيكولا لوبلان على براءة اختراع عملية لوبلان عام 1791، ثم أنشأ مصنعًا يحمل اسمه في سان دوني . ^{[ 4 ]} إلا أنه حُرم من جائزته المالية بسبب الثورة الفرنسية . ^{[ 5 ]}

في بريطانيا، لاقت عملية لوبلان رواجًا واسعًا. ^{[ 5 ]} أنشأ ويليام لوش أول مصنع للصودا في بريطانيا في مصنع لوش، ويلسون، وبيل على نهر تاين عام 1816، إلا أنه ظل محدود النطاق بسبب الرسوم الجمركية المرتفعة المفروضة على إنتاج الملح حتى عام 1824. وعندما أُلغيت هذه الرسوم، تمكنت صناعة الصودا البريطانية من التوسع بسرعة. وأصبحت مصانع جيمس موسبرات الكيميائية في ليفربول ومجمع تشارلز تينانت بالقرب من غلاسكو أكبر مراكز إنتاج المواد الكيميائية في العالم. وبحلول سبعينيات القرن التاسع عشر، تجاوز إنتاج بريطانيا من الصودا، الذي بلغ 200 ألف طن سنويًا، إنتاج جميع دول العالم مجتمعة.

بدأت هذه المصانع الضخمة بإنتاج مجموعة أوسع من المواد الكيميائية مع نضوج الثورة الصناعية . في البداية، كانت كميات كبيرة من النفايات القلوية تُطلق في البيئة نتيجةً لإنتاج الصودا، مما استدعى سنّ أحد أوائل التشريعات البيئية عام ١٨٦٣. نصّ هذا التشريع على تفتيش دقيق للمصانع وفرض غرامات باهظة على المخالفين لحدود التلوث. كما طُوّرت طرقٌ لاستخلاص منتجات ثانوية مفيدة من القلويات.

طُوِّرت عملية سولفاي على يد الكيميائي الصناعي البلجيكي إرنست سولفاي عام 1861. وفي عام 1864، أنشأ سولفاي وشقيقه ألفريد مصنعًا في شارلوروا ببلجيكا. وفي عام 1874، توسعا إلى مصنع أكبر في نانسي بفرنسا. أثبتت العملية الجديدة أنها أكثر اقتصادية وأقل تلويثًا من طريقة لوبلان، وانتشر استخدامها على نطاق واسع. في العام نفسه، زار لودفيج موند سولفاي للحصول على حقوق استخدام عمليته، وأسس مع جون برونر شركة برونر، موند وشركاه ، وأنشأوا مصنعًا لسولفاي في وينينغتون بإنجلترا. كان لموند دورٌ محوري في نجاح عملية سولفاي تجاريًا. فقد أدخل عليها عدة تحسينات بين عامي 1873 و1880، مما أدى إلى إزالة المنتجات الثانوية التي قد تعيق إنتاج كربونات الصوديوم في العملية.

بدأ تصنيع المنتجات الكيميائية من الوقود الأحفوري على نطاق واسع في أوائل القرن التاسع عشر. ففي عام ١٨٢٢، بدأت معالجة مخلفات قطران الفحم ومحلول الأمونيا الناتج عن إنتاج غاز الفحم المستخدم في إضاءة الغاز في مصانع بونينغتون الكيميائية في إدنبرة لإنتاج النفتا ، وزيت القار (الذي سُمي لاحقًا بالكريوزوت )، والقار ، والسخام ( أسود الكربون )، وكلوريد الأمونيوم . ^{[ ٦ ]} وفي وقت لاحق، أُضيف إلى خط الإنتاج سماد كبريتات الأمونيوم ، ومواد رصف الطرق الإسفلتية ، وزيت الكوك، وفحم الكوك .

شهد أواخر القرن التاسع عشر طفرة هائلة في كل من كمية الإنتاج وتنوع المواد الكيميائية المصنعة. ونشأت صناعات كيميائية ضخمة في ألمانيا، ثم في الولايات المتحدة لاحقاً.

كان السير جون لوز رائدًا في إنتاج الأسمدة الاصطناعية للزراعة في مركز روثامستيد للأبحاث الذي أنشأه خصيصًا لهذا الغرض . وفي أربعينيات القرن التاسع عشر، أنشأ مصانع ضخمة بالقرب من لندن لإنتاج سوبر فوسفات الجير . وفي نفس الفترة، حصل تشارلز جوديير في الولايات المتحدة وتوماس هانكوك في إنجلترا على براءات اختراع لعمليات فلكنة المطاط . واكتشف ويليام هنري بيركن أول صبغة اصطناعية في لندن ، حيث حوّل الأنيلين جزئيًا إلى مزيج خام، وعند استخلاصه بالكحول، أنتج مادة ذات لون أرجواني داكن. كما طوّر بيركن أول العطور الاصطناعية. وسرعان ما هيمنت الصناعة الألمانية على مجال الأصباغ الاصطناعية، حيث أنتجت الشركات الثلاث الكبرى ، باسف وباير وهوكست، مئات الأنواع المختلفة من الأصباغ. وبحلول عام 1913، كانت الصناعات الألمانية تنتج ما يقرب من 90% من إمدادات العالم من الأصباغ، وتبيع حوالي 80% من إنتاجها في الخارج. ^{[ 7 ]} في الولايات المتحدة، كان استخدام هربرت هنري داو للكيمياء الكهربائية لإنتاج مواد كيميائية من المحلول الملحي نجاحًا تجاريًا ساهم في تعزيز صناعة الكيماويات في البلاد. ^{[ 8 ]}

تطلّب تطوير الأصباغ الاصطناعية ترجمة الاكتشافات المختبرية إلى عمليات صناعية واسعة النطاق، ما استلزم مهارات تقنية جديدة وأنظمة إنتاج مصنعية متطورة. ونشأت خلال هذه الفترة مصانع كيميائية متطورة، تعكس أساليب الإنتاج في الثورة الصناعية. ^{[ 9 ]} ويعتبر المؤرخون صناعة الأصباغ الاصطناعية من أوائل الصناعات القائمة على العلم، حيث أدى البحث العلمي فيها مباشرةً إلى منتجات تجارية جديدة. كما مثّلت مختبرات الأصباغ الكيميائية البيئة التي أُرسيت فيها ممارسات البحث والتطوير الصناعي لأول مرة في ألمانيا أواخر القرن التاسع عشر. ^{[ 10 ]}

يمكن تتبع تاريخ صناعة البتروكيماويات إلى مصانع النفط التي أسسها الكيميائي الاسكتلندي جيمس يونغ والكندي أبراهام بينيو جيسنر . أما أول بلاستيك فقد اخترعه ألكسندر باركس ، عالم المعادن الإنجليزي . في عام 1856، حصل على براءة اختراع لمادة باركسين ، وهي مادة سليلوزية مصنوعة من نيتروسليلوز معالج بمجموعة متنوعة من المذيبات. ^{[ 11 ]} وقد استبقت هذه المادة، التي عُرضت في معرض لندن الدولي عام 1862، العديد من الاستخدامات الجمالية والعملية الحديثة للبلاستيك. بدأ ويليام ليفر وشقيقه جيمس الإنتاج الصناعي للصابون من الزيوت النباتية عام 1885 في لانكشاير، بالاعتماد على عملية كيميائية حديثة اخترعها ويليام هوف واتسون، والتي استخدمت الجلسرين والزيوت النباتية . ^{[ 12 ]}

بحلول عشرينيات القرن العشرين، اندمجت شركات الكيماويات لتشكل تكتلات ضخمة ؛ مثل آي جي فاربن في ألمانيا، ورون بولانك في فرنسا، وإمبريال للصناعات الكيميائية في بريطانيا. وأصبحت دوبونت شركة كيماويات رئيسية في أوائل القرن العشرين في أمريكا.

المواد الكيميائية الأساسية، أو "المواد الكيميائية السلعية"، هي فئة كيميائية واسعة تشمل البوليمرات، والمواد البتروكيماوية السائبة والوسائط، والمشتقات الأخرى والمواد الصناعية الأساسية، والمواد الكيميائية غير العضوية ، والأسمدة .

تُعدّ البوليمرات أكبر قطاع من حيث الإيرادات، وتشمل جميع فئات البلاستيك والألياف الصناعية. أما الأسواق الرئيسية للبلاستيك فهي التغليف ، تليها قطاعات البناء المنزلي، والحاويات، والأجهزة المنزلية، والأنابيب، والنقل، والألعاب.

• يُستخدم البولي إيثيلين (PE)، وهو المنتج البوليمري الأكبر حجماً ، بشكل رئيسي في أغشية التعبئة والتغليف وفي أسواق أخرى مثل زجاجات الحليب والحاويات والأنابيب.
• يستخدم كلوريد البولي فينيل (PVC)، وهو منتج آخر ذو حجم كبير، بشكل أساسي في صناعة الأنابيب لأسواق البناء وكذلك التكسية الخارجية، وبدرجة أقل بكثير، مواد النقل والتعبئة والتغليف.
• يستخدم البولي بروبيلين (PP)، وهو مشابه في الحجم للبولي فينيل كلوريد (PVC)، في أسواق تتراوح من التعبئة والتغليف والأجهزة والحاويات إلى الملابس والسجاد.
• يُستخدم البوليسترين (PS)، وهو نوع آخر من البلاستيك ذو الحجم الكبير، بشكل أساسي في الأجهزة المنزلية والتغليف بالإضافة إلى الألعاب والترفيه.
• تشمل الألياف المصنعة الرائدة البوليستر والنايلون والبولي بروبيلين والأكريليك ، مع تطبيقات تشمل الملابس والمفروشات المنزلية والاستخدامات الصناعية والاستهلاكية الأخرى.

المواد الخام الرئيسية للبوليمرات هي مواد بتروكيماوية بكميات كبيرة مثل الإيثيلين والبروبيلين والبنزين.

تُصنع البتروكيماويات والمواد الكيميائية الوسيطة بشكل أساسي من غاز البترول المسال والغاز الطبيعي ومشتقات النفط الخام . تشمل المنتجات ذات الحجم الكبير الإيثيلين والبروبيلين والبنزين والتولوين والزيلين والميثانول ومونومر كلوريد الفينيل والستايرين والبيوتادين وأكسيد الإيثيلين . تُعد هذه المواد الكيميائية الأساسية أو السلعية المواد الأولية المستخدمة في تصنيع العديد من البوليمرات وغيرها من المواد الكيميائية العضوية الأكثر تعقيدًا ، لا سيما تلك المصنعة للاستخدام في فئة المواد الكيميائية المتخصصة .

وتشمل المشتقات الأخرى والصناعات الأساسية المطاط الصناعي ، والمواد الخافضة للتوتر السطحي ، والأصباغ والملونات ، وزيت التربنتين ، والراتنجات ، والكربون الأسود ، والمتفجرات ، ومنتجات المطاط، وتساهم بنحو 20 بالمائة من المبيعات الخارجية للمواد الكيميائية الأساسية.

تشكل المواد الكيميائية غير العضوية (حوالي 12% من الناتج الإجمالي) أقدم فئات المواد الكيميائية. وتشمل منتجاتها الملح ، والكلور ، والصودا الكاوية ، وكربونات الصوديوم ، والأحماض (مثل حمض النيتريك ، وحمض الفوسفوريك ، وحمض الكبريتيك )، وثاني أكسيد التيتانيوم ، وبيروكسيد الهيدروجين .

تُعد الأسمدة أصغر فئة (حوالي 6 بالمائة) وتشمل الفوسفات والأمونياوالمواد الكيميائية البوتاسية .

تشمل علوم الحياة (التي تمثل حوالي 30% من الناتج المحلي الإجمالي لقطاع الكيمياء) المواد الكيميائية والبيولوجية المتخصصة، والمستحضرات الصيدلانية ، والتشخيصات، ومنتجات صحة الحيوان ، والفيتامينات ، والمبيدات . ورغم أن حجمها أصغر بكثير من قطاعات الكيمياء الأخرى، إلا أن منتجاتها تتميز بأسعار مرتفعة - تتجاوز عشرة دولارات للرطل - ومعدلات نمو تتراوح بين 1.5 و6 أضعاف الناتج المحلي الإجمالي ، وإنفاق على البحث والتطوير يتراوح بين 15 و25% من المبيعات. وعادةً ما تُنتج منتجات علوم الحياة بمواصفات عالية وتخضع لرقابة دقيقة من قبل الهيئات الحكومية مثل إدارة الغذاء والدواء. وتشكل المبيدات، التي تُسمى أيضاً "مواد حماية المحاصيل"، حوالي 10% من هذه الفئة، وتشمل مبيدات الأعشاب ، ومبيدات الحشرات ، ومبيدات الفطريات . ^{[ 15 ]}

تُعدّ المواد الكيميائية المتخصصة فئةً من المواد الكيميائية عالية القيمة نسبيًا وسريعة النمو، ولها أسواق منتجات نهائية متنوعة. تتراوح معدلات نموها عادةً بين مرة وثلاث مرات من الناتج المحلي الإجمالي، بأسعار تتجاوز دولارًا واحدًا للرطل. وتتميز هذه المواد عمومًا بجوانبها الابتكارية، حيث تُباع المنتجات بناءً على وظائفها لا على مكوناتها الكيميائية. تشمل هذه المنتجات المواد الكيميائية الإلكترونية، والغازات الصناعية ، والمواد اللاصقة والمانعة للتسرب، بالإضافة إلى الطلاءات، ومواد التنظيف الصناعية والمؤسسية، والمحفزات. في عام 2012، وباستثناء المواد الكيميائية الدقيقة، بلغ حجم سوق المواد الكيميائية المتخصصة العالمي 546 مليار دولار، موزعةً كالتالي: 33% للدهانات والطلاءات ومعالجات الأسطح، 27% للبوليمرات المتقدمة، 14% للمواد اللاصقة والمانعة للتسرب، 13% للمضافات، و13% للأصباغ والأحبار. ^{[ 16 ]}

تُباع المواد الكيميائية المتخصصة على أنها مواد فعالة أو مواد لتحسين الأداء. وفي بعض الأحيان تكون عبارة عن مخاليط من تركيبات مختلفة، على عكس " المواد الكيميائية الدقيقة "، التي تكون في الغالب منتجات أحادية الجزيء.

تشمل المنتجات الاستهلاكية المبيعات المباشرة للمواد الكيميائية مثل الصابون والمنظفات ومستحضرات التجميل . وتتراوح معدلات النمو النموذجية بين 0.8 و1.0 ضعف الناتج المحلي الإجمالي .

نادرًا ما يتعرض المستهلكون للمواد الكيميائية الأساسية. أما البوليمرات والمواد الكيميائية المتخصصة فهي مواد يتعاملون معها يوميًا في كل مكان. ومن أمثلتها البلاستيك، ومواد التنظيف، ومستحضرات التجميل، والدهانات والطلاءات، والإلكترونيات، والسيارات، ومواد البناء. ^{[ 16 ]} تُسوّق شركات الكيماويات هذه المنتجات المتخصصة لقطاعات التصنيع اللاحقة تحت مسميات مثل المبيدات الحشرية ، والبوليمرات المتخصصة ، والمواد الكيميائية الإلكترونية، والمواد الفعالة بالسطح ، والمواد الكيميائية المستخدمة في البناء، والمنظفات الصناعية، والنكهات والعطور ، والطلاءات المتخصصة، وأحبار الطباعة، والبوليمرات القابلة للذوبان في الماء، والمضافات الغذائية ، والمواد الكيميائية المستخدمة في صناعة الورق ، والمواد الكيميائية المستخدمة في حقول النفط، والمواد اللاصقة البلاستيكية، والمواد اللاصقة والمانعة للتسرب ، والمواد الكيميائية المستخدمة في مستحضرات التجميل ، والمواد الكيميائية المستخدمة في إدارة المياه ، والمحفزات ، والمواد الكيميائية المستخدمة في صناعة النسيج. ونادرًا ما تُورّد شركات الكيماويات هذه المنتجات مباشرةً إلى المستهلك.

يقوم المجلس الأمريكي للكيمياء سنوياً بحساب حجم إنتاج الولايات المتحدة لأهم 100 مادة كيميائية. في عام 2000، بلغ إجمالي حجم إنتاج هذه المواد 502 مليون طن، بزيادة عن 397 مليون طن في عام 1990. تميل المواد الكيميائية غير العضوية إلى أن تكون الأكبر حجماً، ولكن عائداتها بالدولار أقل بكثير نظراً لانخفاض أسعارها. وكانت المواد الإحدى عشرة الأولى من بين أهم 100 مادة كيميائية في عام 2000 هي: حمض الكبريتيك (44 مليون طن)، النيتروجين (34)، الإيثيلين (28)، الأكسجين (27)، الجير (22)، الأمونيا (17)، البروبيلين (16)، البولي إيثيلين (15)، الكلور (13)، حمض الفوسفوريك (13)، وفوسفات ثنائي الأمونيوم (12).

يوجد في الولايات المتحدة 170 شركة كيميائية كبرى. ^{[ 19 ]} وتعمل هذه الشركات على الصعيد الدولي، حيث تمتلك أكثر من 2800 منشأة خارج الولايات المتحدة، بالإضافة إلى 1700 شركة تابعة أو فرعية أجنبية. ويبلغ إنتاج الولايات المتحدة من المواد الكيميائية 750 مليار دولار سنويًا. ويحقق قطاع الصناعات الكيميائية الأمريكي فوائض تجارية كبيرة، ويوظف أكثر من مليون شخص في الولايات المتحدة وحدها. كما يُعد هذا القطاع ثاني أكبر مستهلك للطاقة في مجال التصنيع، وينفق أكثر من 5 مليارات دولار سنويًا على مكافحة التلوث.

تُعدّ قطاعات الكيماويات والبلاستيك والمطاط من أكبر القطاعات الصناعية في أوروبا. ^{[ 20 ]} وتُوفّر هذه القطاعات مجتمعةً حوالي 3.2 مليون وظيفة في أكثر من 60 ألف شركة. ومنذ عام 2000، مثّل قطاع الكيماويات وحده ثلثي فائض الميزان التجاري الصناعي للاتحاد الأوروبي.

في عام 2012، شكّل قطاع الكيماويات 12% من القيمة المضافة للصناعات التحويلية في الاتحاد الأوروبي. ولا تزال أوروبا أكبر منطقة تجارية للمواد الكيميائية في العالم، إذ تستحوذ على 43% من صادرات العالم و37% من وارداته، على الرغم من أن أحدث البيانات تُظهر أن آسيا تقترب منها بنسبة 34% من الصادرات و37% من الواردات. ^{[ 21 ]} ومع ذلك، لا تزال أوروبا تحقق فائضًا تجاريًا مع جميع مناطق العالم باستثناء اليابان والصين، حيث كان هناك توازن تجاري في مجال الكيماويات في عام 2011. ويبلغ فائض أوروبا التجاري مع بقية دول العالم اليوم 41.7 مليار يورو. ^{[ 22 ]}

على مدى العشرين عامًا بين عامي 1991 و2011، شهدت صناعة الكيماويات الأوروبية نموًا مطردًا في مبيعاتها، حيث ارتفعت من 295 مليار يورو إلى 539 مليار يورو. ومع ذلك، انخفضت حصة الصناعة الأوروبية في سوق الكيماويات العالمي من 36% إلى 20%. ويعود هذا الانخفاض إلى الزيادة الهائلة في الإنتاج والمبيعات في الأسواق الناشئة كالهند والصين. ^{[ 23 ]} وتشير البيانات إلى أن 95% من هذا التأثير يعود إلى الصين وحدها. وفي عام 2012، أظهرت بيانات المجلس الأوروبي لصناعة الكيماويات أن خمس دول أوروبية تستحوذ على 71% من مبيعات الكيماويات في الاتحاد الأوروبي، وهي: ألمانيا، وفرنسا، والمملكة المتحدة، وإيطاليا، وهولندا. ^{[ 24 ]}

شهدت الصناعة الكيميائية نمواً في الصين والهند وكوريا والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا ونيجيريا والبرازيل. ويعود هذا النمو إلى تغيرات في توافر المواد الخام وأسعارها، وتكاليف العمالة والطاقة، واختلاف معدلات النمو الاقتصادي، والضغوط البيئية.

وكما تبرز الشركات كمنتجين رئيسيين في الصناعة الكيميائية، يمكننا أيضًا النظر على نطاق عالمي أوسع إلى ترتيب الدول الصناعية، فيما يتعلق بقيمة الإنتاج الذي يمكن أن تصدره دولة أو منطقة بمليارات الدولارات. ورغم أن صناعة الكيمياء عالمية النطاق، فإن الجزء الأكبر من الإنتاج الكيميائي العالمي البالغ 3.7 تريليون دولار أمريكي تتركز في عدد قليل من الدول الصناعية. فقد أنتجت الولايات المتحدة وحدها ما قيمته 689 مليار دولار أمريكي، أي 18.6% من إجمالي الإنتاج الكيميائي العالمي في عام 2008. ^{[ 25 ]}