Tin tức & Sự kiện

Hydro peroxid (H₂O₂), còn được gọi là hydrogen peroxide, là một hợp chất oxy hóa mạnh có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Ứng dụng của hợp chất này trải dài từ xử lý nước thải, tẩy trắng trong công nghiệp giấy và dệt, đến làm chất khử trùng trong y tế và thực phẩm. Trên thị trường hóa chất toàn cầu, nhu cầu sử dụng hydro peroxid ngày càng tăng, với sản lượng dự kiến đạt khoảng 3,8 triệu tấn vào năm 2009 và tiếp tục tăng trưởng trong những năm tiếp theo.

Tuy nhiên, sản xuất hydro peroxid không hề đơn giản. Trong nhiều thập kỷ, quy trình sản xuất chủ yếu dựa vào phương pháp gián tiếp với xúc tác anthraquinon, vốn phức tạp, tiêu tốn năng lượng và khó kiểm soát ô nhiễm. Gần đây, một bước tiến quan trọng trong công nghệ hóa học đã được ghi nhận: phương pháp sản xuất H₂O₂ bằng phản ứng trực tiếp giữa hydro (H₂) và oxy (O₂) với sự hỗ trợ của xúc tác kim loại quý. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về tiến trình nghiên cứu, vai trò của xúc tác, và tiềm năng ứng dụng thực tế của phương pháp trực tiếp trong sản xuất hydro peroxid.

Vai trò thiết yếu của hydro peroxid trong công nghiệp

Hydro peroxid là một chất oxy hóa mạnh, nhưng ổn định trong điều kiện nhiệt độ thường và được ưa chuộng nhờ khả năng phân hủy thành nước và oxy – không tạo ra sản phẩm phụ độc hại. Tính chất này khiến H₂O₂ trở thành lựa chọn thân thiện với môi trường trong nhiều quy trình công nghiệp.

Trong ngành dệt nhuộm, H₂O₂ được sử dụng để tẩy trắng sợi vải thay thế clo, góp phần giảm phát thải độc hại. Trong sản xuất giấy, nó giúp cải thiện độ trắng và chất lượng bột giấy mà không làm hỏng cấu trúc cellulose. Ngoài ra, H₂O₂ cũng được ứng dụng trong xử lý nước, làm sạch thiết bị y tế, và khử trùng thực phẩm. Vì vậy, việc nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong sản xuất H₂O₂ luôn là một trong những ưu tiên hàng đầu của ngành hóa chất.

Phương pháp sản xuất hydro peroxid truyền thống

Từ trước đến nay, phương pháp sản xuất hydro peroxid phổ biến nhất là quy trình anthraquinon – một chu trình gián tiếp sử dụng chất trung gian hữu cơ và các bước phản ứng riêng biệt để tạo ra sản phẩm cuối cùng.

Trong quy trình này, anthraquinon được hydro hóa để tạo ra anthrahydroquinon, sau đó chất này được oxy hóa để giải phóng H₂O₂ và tái sinh anthraquinon. Mặc dù hiệu quả chuyển hóa cao và đã được tối ưu qua nhiều thập kỷ, phương pháp này có một số nhược điểm như chi phí vận hành cao, yêu cầu hệ thống xử lý dung môi phức tạp và phát sinh khí thải.

Đặc biệt, tính an toàn trong quá trình vận hành luôn là mối lo ngại vì sử dụng các chất hữu cơ dễ bay hơi. Do đó, ngành công nghiệp hóa chất luôn kỳ vọng tìm ra một quy trình đơn giản hơn, hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn để thay thế.

Phương pháp sản xuất trực tiếp: Tiềm năng lớn, thách thức không nhỏ

Ý tưởng sản xuất hydro peroxid bằng phản ứng trực tiếp giữa hydro và oxy đã được giới khoa học đề cập từ lâu. Về lý thuyết, chỉ cần cho hai khí phản ứng trực tiếp trong điều kiện thích hợp sẽ tạo ra H₂O₂ theo phản ứng:

H₂ + O₂ → H₂O₂

Tuy nhiên, quá trình này gặp phải một rào cản lớn về mặt kỹ thuật: phản ứng giữa hydro và oxy rất dễ xảy ra theo hướng tạo ra nước (H₂O) thay vì H₂O₂. Điều này không những làm giảm hiệu suất thu hồi H₂O₂ mà còn làm tăng nguy cơ phát sinh nhiệt và cháy nổ nếu không kiểm soát tốt. Do đó, vấn đề quan trọng nằm ở việc tìm ra hệ xúc tác đủ chọn lọc để thúc đẩy phản ứng tạo H₂O₂ thay vì tạo nước.

Đột phá từ nhóm nghiên cứu tại Đại học Cardiff, Vương quốc Anh

Một bước tiến đột phá đã được công bố bởi giáo sư Graham J. Hutchings cùng nhóm nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Cardiff (Wales, Anh). Nhóm của ông đã phát triển một phương pháp xử lý nền xúc tác carbon bằng axit (nitric hoặc acetic), sau đó đưa vào hệ xúc tác kim loại quý gồm vàng (Au) và palađi (Pd). Nhờ bước xử lý sơ bộ này, các hạt xúc tác nano hình thành có kích thước nhỏ hơn, phân bố đều hơn trên bề mặt và đặc biệt là ít bị chuyển hóa H₂O₂ thành nước.

Cấu trúc hạt nano Au–Pd sau xử lý axit được quan sát bằng kính hiển vi điện tử hiện đại cho thấy các tâm hoạt tính của xúc tác phân tán đồng đều, tạo điều kiện tối ưu để phản ứng xảy ra theo hướng mong muốn. Quan trọng hơn, xúc tác này có thể tái sử dụng nhiều lần, giúp giảm chi phí trong sản xuất công nghiệp.

Tăng độ chọn lọc và giảm phụ phẩm: Đột phá về hiệu quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy, quy trình mới không chỉ giảm tỷ lệ chuyển hóa H₂O₂ thành H₂O mà còn tăng độ chọn lọc cho phản ứng chính. Điều này mở ra khả năng sản xuất H₂O₂ ở điều kiện nhẹ hơn, an toàn hơn, đồng thời tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu.

Việc xử lý nền xúc tác bằng axit được cho là giúp tạo ra các vị trí hoạt tính phù hợp, đồng thời ức chế các trung tâm phản ứng không mong muốn – nơi mà H₂O₂ có thể bị phân hủy tiếp thành nước. Nhờ đó, hiệu suất tổng thể được nâng cao một cách đáng kể.

Khả năng ứng dụng trong sản xuất thực tế

Dù còn trong giai đoạn thử nghiệm phòng thí nghiệm, phương pháp sản xuất H₂O₂ trực tiếp bằng xúc tác Au–Pd đã chứng minh được tính khả thi cao. Các bước tiếp theo sẽ cần tập trung vào việc mở rộng quy mô phản ứng, kiểm tra độ ổn định của xúc tác qua nhiều chu kỳ hoạt động, và xây dựng các mô hình thử nghiệm bán công nghiệp.

Nếu thành công, phương pháp này có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào hệ thống anthraquinon, đồng thời mở ra hướng tiếp cận xanh hơn, linh hoạt hơn trong sản xuất hydro peroxid. Các cơ sở sản xuất nhỏ có thể áp dụng quy trình này mà không cần đầu tư hệ thống tái chế dung môi đắt đỏ, tạo điều kiện phát triển ngành hóa chất ở những khu vực đang phát triển.

Những thách thức còn tồn tại

Dù nhiều triển vọng, phương pháp sản xuất H₂O₂ trực tiếp vẫn đối mặt với một số thách thức:

Thứ nhất là chi phí xúc tác, do kim loại vàng và palađi thuộc nhóm kim loại quý có giá thành cao. Việc tìm ra công thức xúc tác thay thế rẻ hơn nhưng vẫn giữ được tính chọn lọc là mục tiêu nghiên cứu tiếp theo.

Thứ hai là an toàn vận hành, bởi phản ứng giữa hydro và oxy luôn tiềm ẩn rủi ro phát nổ nếu không kiểm soát tốt nhiệt độ và áp suất. Các yêu cầu về hệ thống thiết bị, cảm biến, và vật liệu xây dựng phải được tính toán kỹ càng để đảm bảo an toàn tối đa.

Cuối cùng là việc chuẩn hóa điều kiện phản ứng để có thể áp dụng rộng rãi trên quy mô công nghiệp, đảm bảo ổn định về chất lượng và hiệu suất.

Việc phát triển phương pháp sản xuất hydro peroxid bằng phản ứng trực tiếp là một bước tiến đáng kể trong ngành hóa chất. Đây không chỉ là giải pháp kỹ thuật tối ưu mà còn là bước đi đúng đắn theo xu hướng hóa học xanh – nơi hiệu suất, an toàn và bảo vệ môi trường được đặt lên hàng đầu.

Kết quả nghiên cứu từ Đại học Cardiff mở ra cánh cửa mới cho việc sản xuất H₂O₂ hiệu quả hơn, ít ô nhiễm hơn và phù hợp hơn với nhu cầu hiện đại. Dù còn nhiều thách thức phía trước, những nỗ lực hiện tại đang đặt nền móng vững chắc cho tương lai sản xuất hydro peroxid bền vững.