Hydrogen Peroxide (Oxy Già): Tất tần tật về tính chất, ứng dụng và cách sử dụng an toàn

Hydrogen peroxide (H2O2), hay còn gọi là oxy già, là một hợp chất hóa học quen thuộc trong đời sống và công nghiệp. Dung dịch này trong suốt, không màu, có tính oxy hóa mạnh và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp, và đời sống hàng ngày. Tuy nhiên, H2O2 cũng tiềm ẩn những nguy hiểm nhất định nếu không được sử dụng đúng cách.

Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về đặc tính, quy trình sản xuất, ứng dụng đa dạng và những lưu ý quan trọng để sử dụng hydrogen peroxide một cách an toàn và hiệu quả.

1. Tìm hiểu về đặc điểm vật lý và hóa học của Hydrogen Peroxide

Hydrogen peroxide (H2O2) có những đặc trưng riêng biệt về cả tính chất vật lý lẫn hóa học:

• Tên gọi khác: Hydro dioxit, hydroperoxide
• Trạng thái tồn tại: Rắn, lỏng, khí (tùy điều kiện nhiệt độ và áp suất)
• Công thức hóa học: H2O2
• Màu sắc: Trong suốt, không màu
• Mùi: Mùi hăng, gắt đặc trưng
• Áp suất hóa hơi: 23 mmHg (ở điều kiện tiêu chuẩn)
• Tỷ trọng hơi (so với không khí): 1.1 (ở điều kiện tiêu chuẩn)
• Độ hòa tan trong nước: Tan hoàn toàn
• Độ pH: Axit yếu (2.5 – 3.5)
• Khối lượng riêng: 1.1 kg/m3
• Nhiệt độ sôi: 108°C
• Nhiệt độ nóng chảy: -0.43°C (dạng khan) và -11°C (dạng ngậm nước)
• Tỷ lệ hóa hơi: >1
• Phân tử gam: 34.01 g/mol
• Độ nhớt: 1,245 cP ở 20 °C

Cấu trúc phân tử của hydro peroxide có dạng “xiên lệch” do lực đẩy giữa các liên kết đơn O-O. Liên kết hydro ảnh hưởng đến góc liên kết, tạo sự khác biệt giữa dạng tinh thể và dạng hơi, với các khoảng trống trong tinh thể.

1.1. Tính chất phân hủy

Hydrogen peroxide không bền và dễ bị phân hủy thành nước và oxy, đồng thời giải phóng nhiệt:

2 H2O2 → 2 H2O + O2 + Nhiệt lượng

Quá trình phân hủy này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, nồng độ H2O2, độ pH và sự có mặt của các chất ổn định hoặc tạp chất. Các chất xúc tác như mangan dioxit (MnO2), kali permanganat (KMnO4), bạc (Ag) hoặc enzyme catalase có thể đẩy nhanh quá trình phân hủy. Môi trường kiềm làm tăng tốc độ phân hủy, trong khi môi trường axit có tác dụng ổn định.

Khi có mặt các ion kim loại như Fe2+ hoặc Ti3+, quá trình phân hủy tạo ra hỗn hợp được gọi là thuốc thử Fenton, có khả năng oxy hóa mạnh.

1.2. Phản ứng oxy hóa khử

H2O2 thể hiện tính oxy hóa và khử trong nhiều phản ứng hóa học:

• Tính oxy hóa: Trong môi trường axit, H2O2 oxy hóa nhiều ion vô cơ, ví dụ Fe2+ thành Fe3+:

  2Fe2+ + H2O2 + 2H+ → 2Fe3+ + 2H2O

• Tính khử: Trong môi trường kiềm, H2O2 có thể khử một số chất, ví dụ Mn2+ thành Mn4+ (MnO2), Fe3+ thành Fe2+:

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

Trong hóa hữu cơ, H2O2 được sử dụng làm chất oxy hóa để chuyển hóa các hợp chất, ví dụ oxy hóa sulfide thành sulfoxide:

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

Ngoài ra, H2O2 còn tham gia vào phản ứng epoxi hóa alken và oxy hóa alkylboran thành rượu.

1.3. Khả năng tạo thành hợp chất peroxide

H2O2 là một axit yếu (pKa = 11.62). Nó có thể tạo thành các hydroperoxit, peroxit hoặc dẫn xuất với nhiều kim loại, hoặc tạo ra các peroxoanion:

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

H2O2 cũng oxy hóa các axit cacboxylic (RCOOH) thành các axit peroxy (RCOOOH). Nó còn tác dụng với axeton tạo thành axeton peroxit, với ozon tạo thành hydro trioxit và với ure tạo ra carbamide peroxide (sử dụng trong làm trắng răng).

1.4. Tính bazơ

H2O2 là một bazơ yếu, yếu hơn cả nước. Tuy nhiên, nó có thể tạo ra một số sản phẩm khi tác dụng với các axit rất mạnh.

2. Quy trình sản xuất Hydrogen Peroxide

Hydrogen peroxide có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm điện phân axit sunfuric, amoni bisulfat hoặc sử dụng peoxit bari. Tuy nhiên, do tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí cao, các phương pháp này ít được sử dụng trong công nghiệp.

Phương pháp phổ biến nhất hiện nay là sử dụng công nghệ oxy hóa Anthraquinol (AO) với chất xúc tác paladi. Phương pháp này có hai biến thể:

2.1. Phương pháp Hydro hóa xúc tác tầng sôi

Phương pháp này có nhược điểm là thiết bị phức tạp, tiêu thụ nhiều năng lượng và tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

2.2. Phương pháp Hydro hóa xúc tác tầng cố định

Phương pháp này an toàn hơn, ít gây cháy nổ hơn so với phương pháp tầng sôi.

Quy trình sản xuất H2O2 theo phương pháp Anthraquinol xúc tác Paladi trên tầng cố định bao gồm các giai đoạn chính:

2.3. Giai đoạn Hydro hóa

Hỗn hợp dung dịch chứa Anthraquinone (thường là 2-Ethyl Anthraquinone), chất mang, dung môi (Tri-izo octyl phosphate – TOP) được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định. Các hợp chất thơm được chưng cất chân không trước khi sử dụng. Hỗn hợp này được rửa sạch bằng nước khử khoáng và xử lý bằng H2O2 để loại bỏ tạp chất.

Hỗn hợp nguyên liệu và hydro được đưa vào tháp hydro hóa, sử dụng nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác paladi. Anthraquinone phản ứng với hydro tạo thành anthraquinol tương ứng. Sau đó, hỗn hợp dung dịch được chuyển sang tháp oxy hóa.

2.4. Giai đoạn oxy hóa

Trong tháp oxy hóa, anthraquinol kết hợp với oxy để tạo ra H2O2 và đồng thời hoàn nguyên anthraquinone trở lại.

Hỗn hợp dung dịch sau khi ra khỏi tháp oxy hóa được chuyển sang giai đoạn chiết tách và tinh lọc để thu được sản phẩm H2O2.

2.5. Giai đoạn chiết tách, tinh lọc

H2O2 được chiết tách từ hỗn hợp dung dịch bằng nước khử khoáng trong tháp chiết kiểu lỗ đĩa. Nước khử khoáng được đưa vào từ đỉnh tháp, chảy ngược chiều với H2O2. Do H2O2 tan hoàn toàn trong nước, nó sẽ hòa tan vào nước khử khoáng và được tách ra ở đáy tháp.

Dung dịch H2O2 tiếp tục được đưa sang tháp lọc để loại bỏ các tạp chất như chất thơm nặng, TOP, thu được H2O2 nồng độ khoảng 27.5%.

Hỗn hợp dung dịch sau khi chiết H2O2 được xử lý bằng dung dịch kiềm để tách nước trước khi quay trở lại quá trình hydro hóa. Dung dịch kiềm sau đó được đưa sang thiết bị phân ly để tách tạp chất và cô đặc để tái sử dụng.

2.6. Giai đoạn cô đặc dung dịch Hydrogen Peroxide

H2O2 nồng độ 27.5% có thể được sử dụng trực tiếp. Để có nồng độ cao hơn, dung dịch được cô đặc bằng cách sử dụng thiết bị làm bay hơi kiểu tháp đệm. Nước và H2O2 có nhiệt độ sôi khác nhau, cho phép tách nước và thu được H2O2 với nồng độ mong muốn (30%, 50%, 70%). Quá trình này được thực hiện trong điều kiện chân không.

Ngoài ra, H2O2 còn có thể được sản xuất từ 2-etyl-9,10-dihydroxyanthanracen thành 2-etylanthraquinon qua quá trình tự oxy hóa và sử dụng oxy từ không khí. Sau đó, dẫn xuất anthraquinon được tách ra và khử ngược trở lại thành hợp chất dihydroxy bằng khí hydro.

3. Ứng dụng đa dạng của Hydrogen Peroxide trong đời sống và công nghiệp

Hydrogen peroxide có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

3.1. Khử trùng và sát khuẩn bể bơi

H2O2 nồng độ 35%-50% khi kết hợp với tia UV tạo ra các gốc oxy hóa mạnh, có khả năng khử trùng và sát khuẩn nước hiệu quả, giúp trung hòa lượng clo dư thừa, an toàn và tiết kiệm chi phí.

3.2. Ứng dụng trong gia đình

• Làm trắng răng: Súc miệng bằng dung dịch H2O2 3% pha loãng với nước theo tỉ lệ 1:1 giúp tẩy ố vàng trên răng.
• Trị mụn trứng cá: Chấm nhẹ dung dịch H2O2 lên mụn giúp kháng khuẩn, giảm viêm.
• Dưỡng tóc: Xịt dung dịch H2O2 nồng độ thấp lên tóc sau khi gội giúp giữ màu và tăng độ bóng.
• Sát trùng vết thương: H2O2 nồng độ thấp (dưới 3%) được dùng để sát trùng vết thương nhỏ, loại bỏ mô chết.
• Chăm sóc cây trồng: H2O2 giúp tăng cường sự phát triển của rễ cây, xử lý rễ bị úng thối.

3.3. Ứng dụng trong công nghiệp

• Sản xuất chất tẩy rửa: Sản xuất natri percacbonat, natri perborat trong bột giặt.
• Sản xuất hóa chất: Sản xuất hợp chất peroxide hữu cơ như dibenzoyl peroxit (chất mồi gốc tự do trong phản ứng trùng hợp), epoxit, điều chế axit axetic.
• Nhiên liệu: Làm chất đẩy cho động cơ đẩy nhỏ trong vệ tinh, tàu vũ trụ.

3.4. Ứng dụng trong y tế

• Điều trị bệnh (nghiên cứu): Một số người cho rằng H2O2 có thể dùng trong liệu pháp siêu oxy hóa để điều trị ung thư, AIDS, tuy nhiên chưa có bằng chứng khoa học chứng minh tính an toàn và hiệu quả.
• Khử trùng: H2O2 được sử dụng làm chất khử trùng, khử khuẩn.

4. Mức độ nguy hiểm và biện pháp phòng ngừa khi sử dụng Hydrogen Peroxide

Hydrogen peroxide có thể gây nguy hiểm nếu không được sử dụng đúng cách:

• Tiếp xúc với da: Gây phỏng, khô, nứt da, loét (nếu tiếp xúc lâu).
• Tiếp xúc với mắt: Tổn thương mô, kích thích đường hô hấp.
• Uống phải: Gây phân hủy trong dạ dày, giải phóng khí gây chảy máu trong.
• Hít phải: Gây chóng mặt, đau đầu, nôn ói, ảnh hưởng thần kinh, hôn mê, tổn thương phổi, khó thở.
• Cháy nổ: Hơi H2O2 có thể kích nổ ở nhiệt độ cao hoặc khi tiếp xúc với hydrocacbon, dầu mỡ, rượu, cetone, axit axetic, amin và photpho. H2O2 đổ vào vải hoặc vật liệu dễ cháy có thể gây tự bốc cháy.

5. Biện pháp xử lý sự cố khi tiếp xúc với Hydrogen Peroxide

• Tiếp xúc với da: Cởi bỏ quần áo, rửa kỹ bằng nước sạch và xà phòng.
• Tiếp xúc với mắt: Tháo kính áp tròng (nếu có), rửa mắt bằng nước sạch trong ít nhất 15 phút và đến cơ sở y tế.
• Tiếp xúc với đường hô hấp: Đưa nạn nhân đến nơi thoáng khí, nếu cần thiết thì đưa đến cơ sở y tế.
• Tiếp xúc với đường tiêu hóa: Không gây nôn, gọi cấp cứu ngay lập tức.
• Hỏa hoạn, cháy nổ: Mặc trang phục bảo hộ, sử dụng bình thở oxy, sử dụng các chất chữa cháy phù hợp (bọt, nước, bột khô, CO2, cát, đất), sơ tán người, làm mát các thùng chứa lân cận.
• Rò rỉ hóa chất: Loại bỏ các thiết bị nhiễm bẩn, cách ly khu vực, đứng ở đầu hướng gió, loại bỏ vật liệu dễ cháy, ngăn chặn hóa chất lan tràn, thông báo cho chính quyền địa phương.

6. Bảo quản và cất giữ Hydrogen Peroxide an toàn

• Tránh ánh nắng trực tiếp.
• Đậy kín nắp thùng chứa.
• Bảo quản nơi khô ráo, thoáng mát, thông gió tốt.
• Không chứa chung với axit nitric.
• Không lưu trữ trong thùng kim loại hoặc thùng không khô ráo.
• Ghi nhãn an toàn rõ ràng, tránh xa tầm tay trẻ em.

7. Lời kết

Hydrogen peroxide là một hóa chất hữu ích với nhiều ứng dụng, nhưng cũng tiềm ẩn những nguy cơ nhất định. Việc hiểu rõ về tính chất, ứng dụng và các biện pháp an toàn là rất quan trọng để sử dụng H2O2 một cách hiệu quả và an toàn trong cả công nghiệp và đời sống hàng ngày.