Hydrogen peroxide là chất gì? Các phương pháp điều chế H2O2

Hydrogen peroxide hay còn được biết đến là oxy già là một hợp chất hóa học quen thuộc được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất. Vậy H2O2 có nguy hiểm không? Có những phương pháp điều chế nào sẽ được giải đáp qua bài viết sau.

1. Hydrogen peroxide là gì?

- Hydrogen peroxide có tên thường gọi là oxy già, một chất oxi hoá lỏng, không màu.

- Công thức hoá học: H2O2.

H2O2 là chất gì?

- Trong cơ thể người, nó tồn tại trong các túi lysosome bạch cầu, đảm nhiệm chức năng miễn dịch, bảo vệ cơ thể trước các tác nhân gây hại (vi khuẩn, virus) xâm nhập từ môi trường bên ngoài. Do đó, nó có tác dụng khử trùng nhẹ nên được ứng dụng trong dược phẩm làm thuốc sát trùng.

- Tên gọi khác: Hydroperoxide, hydro dioxit.

2. Tính chất lý hóa nổi bật của Hydrogen peroxide

2.1. Tính chất vật lý

- Trạng thái: Tồn tại dưới dạng rắn, lỏng và khí, thông thường là dạng lỏng không màu, trong suốt.

- Có mùi tương đối gắt.

- Áp suất hóa hơi (mm HG): 23 mmHg .

- Tỷ trọng hơi (Không khí=1): 1,1

- Tan tốt trong nước.

- Độ PH: 2,5 – 3,5.

- Khối lượng riêng (kg/m3): 1.1.

- Nhiệt độ sôi (0C): 108°C.

- Nhiệt độ nóng chảy (0C): 33°C.

- Tỷ lệ hóa hơi: >1.

- Phân tử gam: 34,01g/mol.

- Độ nhớt: 1,245 cP ở 20 độ C.

Tính chất vật lý của H2O2

- Cấu tạo: Có hình dạng xiên lệch do lực đẩy giữa các liên kết đơn O-O là trên nguyên tử oxy. Liên kết hydro ảnh hưởng đến góc liên kết tạo ra sự khác biệt giữa dạng tinh thể với dạng hơi, trong các tinh thể có những khoảng rộng.

2.2. Tính chất hoá học

2.2.1. Phản ứng phân hủy

- H2O2 dễ phân ly thành nước và oxy. Quá trình phản ứng có kèm theo tỏa nhiệt.

2H2O2→ 2H2O+ O2 + Nhiệt lượng

- Quá trình phân hủy chịu tác động của nhiệt độ, nồng độ của peroxide, độ pH và các tác nhân khác có trong dung dịch. 

- Để quá trình phân huỷ diễn ra nhanh hơn cần có tác nhân xúc tác là kiềm như mangan dioxit, kali pemanganat, bạc hoặc enzyme catalase và chất ổn định là axit.

- Nếu chất xúc tác là Fe2+ hoặc Ti3+, phản ứng phân hủy sẽ tạo ra hỗn hợp H2O2 và Fe2+ hoặc Ti3+ được biết đến như thuốc thử Fenton.

2.2.2. Phản ứng oxi hóa-khử

- Dung dịch H2O2 có thể bị oxy hóa- khử nhiều loại ion vô cơ tạo ra khí oxy. Fe hoá trị II  trong dung dịch axit bị oxy hóa lên hoá trị III. Phương trình phản ứng

2Fe2+ + H2O2 + 2H+ → 2Fe3+ + 2H2O2

- Trong môi trường kiềm, Mn2+ bị oxy hóa thành Mn4+ ( MnO2), Fe hoá trị III lại bị  khử thành sắt hoá trị II.

2Fe3+ + H2O2 + 2OH- → 2Fe2+ + 2H2O + O2

- Đóng vai trò là chất khử trong hóa hữu cơ theo phương trình sau:

Ph-S-CH3 + H2O2 → Ph-S(O)-CH3 + H2O (xúc tác TiCl3)

- Bên cạnh đó, nó còn được sử dụng để epoxide hóa các anken như axit acrylic hay oxy hóa các alkyl borane thành rượu.  

2.2.3. Tính chất của  axit yếu

- Hydro peroxide là một axit yếu với pH = 4.5, có thể tạo ra các hydro peroxit, peroxit hay các dẫn xuất của nhiều kim loại hoặc tạo ra các peroxo anion theo phản ứng anion.

Na2B4O7 + 4H2O2 + 2NaOH → 2Na2B2O7(OH)4 + H2O

- Oxy hóa các axit cacboxylic RCOOH thành các axit peroxy RCOOH.

- Tác dụng với axeton cho sản phẩm là axeton peroxit.

- Tác dụng với ozon để tạo ra hydro trioxit.

- Tác dụng với urê tạo thành cacbamua peoxit - chất làm trắng răng.

2.2.4. Tính bazơ

- Ngoài tính chất của axit yếu nó cũng là một bazơ yếu, thậm chí còn yếu hơn cả nước. Tuy nhiên, nó có thể tác dụng được với các axit rất mạnh để tạo ra một số sản phẩm.

3. Các phương pháp điều chế Hydrogen peroxide

Trước đây, H2O2 được sản xuất theo phương pháp điện phân axit Sunfuric, Amoni Bisulfat (NH4HSO4) hay Peoxit Bari. Nhưng do các phương pháp này cần tốn rất nhiều điện năng và nhiên liệu, sản xuất với chi phí cao nên trong công nghiệp người ta ít dùng đến phương pháp này. Phương pháp được áp dụng phổ biến hiện nay đó chính là sử dụng công nghệ oxy hóa Anthraquinon AO với tác nhân xúc tác là paladi. Để điều chế hoá chất này, có thể thực hiện theo 2 cách sau đây:

3.1. Phương pháp Hydro hóa xúc tác tầng sôi

Phương này ít được áp dụng bởi vì có một vài nhược điểm sau:

- Các thiết bị sử dụng khá phức tạp.

- Tốn rất nhiều năng lượng để hoạt động và đặc biệt quá trình này có thể kéo theo khả năng gây cháy nổ. 

- Đã ghi nhận nhiều trường hợp cháy nổ xảy ra tại một số nhà máy ở Anh, Pháp, Cộng hòa Liên bang Đức…

3.2. Phương pháp Hydro hóa xúc tác tầng cố định

Quy trình điều chế Hydrogen peroxide (H2O2) theo phương pháp Anthraquinol xúc tác Paladi trên tầng cố định được thực hiện theo những công đoạn sau:

Điều chế H2O2 ở quy mô công nghiệp

3.2.1. Giai đoạn Hydro hóa

- Nguyên liệu: Hỗn hợp dung dịch gồm có Anthraquinone (thường dùng 2- Ethyl Anthraquinone) để làm chất mang, những chất thơm nặng, dung môi hỗ trợ phản ứng là Tri-izo octyl phosphate (TOP). Chuẩn bị các chất này theo một tỷ lệ nhất định rồi đưa những nguyên liệu trên vào tháp Hydro hóa cùng với hydro.Trong điều kiện áp suất, nhiệt độ và có mặt chất xúc tác paladi, anthraquinone trong hỗn hợp dung dịch sẽ phản ứng với hidro tạo thành anthraquinol tương ứng. Kết thúc quá trình, hỗn hợp dung dịch sẽ được đưa sang tháp phản ứng oxi hoá.

3.2.2. Giai đoạn oxy hóa

Tại đây, anthraquinol sẽ kết hợp với oxy để tạo ra Hydrogen peroxide (H2O2) trở lại nguyên dạng anthraquinone ban đầu.Hỗn hợp dung dịch ra khỏi tháp oxy hóa sẽ được chuyển đến giai đoạn chiết tách, tinh lọc để lấy sản phẩm.

3.2.3. Giai đoạn chiết tách, tinh lọc

H2O2 sẽ được tách chiết kiểu lỗ đĩa và được tiến hành chiết suất bằng nước khử khoáng theo quy trình:

- Hỗn hợp dung dịch thoát ra khỏi tháp oxi hoá được đưa vào đáy tháp chiết.

- Nước khử khoáng đi vào từ đỉnh tháp, ngược với chiều di chuyển với hỗn hợp chứa H2O2. - Vì H2O2 tan hoàn toàn trong nước nên nó sẽ bị hòa tan hết trong nước khử khoáng trước khi đi ra ngoài tháp chiết.

- Sau đó, H2O2 được chiết có lẫn tạp chất gồm chất thơm nặng, Tri-izo octyl sẽ được đưa sang tháp tinh lọc màng. Trong hỗn hợp dung dịch trên, H2O2 chiếm nồng độ 27,5%. Hỗn hợp dung dịch sau khi chiết suất hết H2O2 đi vào đáy tháp được xử lý bằng dung dịch kiềm được chuyển vào từ đỉnh tháp để tách nước trước khi quay trở lại quá trình hydro hóa. Dung dịch kiềm sau khi kết thúc quá trình được đưa sang thiết bị phân ly tách tạp chất rồi mới cô đặc để phục vụ cho mục đích tái sử dụng.

3.2.4. Giai đoạn cô đặc dung dịch Hydrogen peroxide

Sau giai đoạn chiết và tinh lọc sẽ thu được H2O2 nồng độ 27,5%. Ở nồng độ này, có thể đưa sản phẩm tiêu thụ trực tiếp trên thị trường, còn nếu muốn đạt được nồng độ cao hơn, cần phải trải qua quá trình cô đặc như sau:

- Dung dịch Hydrogen peroxide loãng trong thùng chứa được chuyển qua máy bơm, lọc, gia nhiệt rồi chuyển vào thiết bị bay hơi kiểu tháp đệm. Tuỳ vào nhiệt độ sôi của từng chất mà tách được nước và Hydrogen peroxide theo những nồng độ cần thiết như 30%, 50%, 70%. Quá trình được thực hiện trong điều kiện chân không.

Ngoài phương pháp trên, H2O2 còn được tổng hợp từ 2-etyl-9, 10-dihydroxyanthracene thành 2-ethylanthraquinone. Trải qua quá trình tự oxy hóa và hydro peroxide sử dụng oxy từ không khí. Dẫn xuất anthraquinon được tách ra khỏi hỗn hợp rồi khử ngược trở lại thành hợp chất dihydroxy bằng khí H2.

Trên đây là thông tin về hóa chất Hydrogen peroxide, nếu bạn đọc có bất kỳ thắc mắc nào có thể liên hệ với chúng tôi. LabVIETCHEM - Địa chỉ uy tín chuyên cung cấp hóa chất, thiết bị, dụng cụ phòng thí nghiệm.