هیدروژن پراکسید چگونه تولید می‌شود؟

از سفیدگری صنعتی خمیر کاغذ و تولید نیمه‌رساناهای پیشرفته گرفته تا تصفیه فاضلاب، هیدروژن پراکسید یکی از پرکاربردترین ترکیبات شیمیایی در جهان است. این ماده علاوه بر کاربردهای تجاری، برای مصارف روزمره مانند نظافت منزل و از بین بردن کپک نیز استفاده می‌شود.

ساختار مولکولی هیدروژن پراکسید در واقع همان ساختار آب است که یک اتم اکسیژن اضافی دارد. از آنجا که این ماده هیچ‌گونه پسماند شیمیایی سمی (مگر در صورت افزودن حلال‌ها) بر جای نمی‌گذارد، اغلب به عنوان یک «ماده شیمیایی سبز» شناخته می‌شود.

با وجود ساختار ساده هیدروژن پراکسید، تولید انبوه آن مستلزم فرآیندی شیمیایی، پیچیده و تحت کنترل دقیق است. بیایید نگاهی دقیق‌تر به نحوه تولید آن بیندازیم.

نکات کلیدی

• پراکسید هیدروژن تجاری فرمول شیمیایی ساده‌ای دارد، اما ساخت آن به این سادگی نیست.
• فرآیند آنتراکینون برای تولید پراکسید هیدروژن تجاری استفاده می‌شود.
• یدید پتاسیم تجزیه سریع پراکسید هیدروژن را کاتالیز می‌کند و اکسیژنی تولید می‌کند که هنگام به دام افتادن توسط صابون، کف ایجاد می‌کند.
• خواص اکسیدکننده قوی پراکسید هیدروژن، ذخیره‌سازی ایمن را بسیار مهم می‌کند.

فرآیند تولید

بیش از ۹۹ درصد از هیدروژن پراکسید تجاری جهان با استفاده از روشی تخصصی به نام «فرآیند آنتراکینون» (که نوعی واکنش خوداکسایش است) تولید می‌شود.

اگرچه معادله کلی این فرآیند نسبتاً ساده است، اما جزئیات و پیچیدگی‌های قابل‌توجهی در آن نهفته است.

ترکیب مستقیم گازهای هیدروژن و اکسیژن در مقیاس صنعتی، خطرات انفجار شدیدی به همراه دارد و نیازمند کاتالیزورها و سیستم‌های کنترلی بسیار تخصصی است؛ در مقابل، فرآیند آنتراکینون بر یک چرخه شیمیایی پیچیده متکی است تا بتواند اتم‌های هیدروژن را به شکلی ایمن به اکسیژن موجود در هوا منتقل کند.

فرآیند مرحله‌به‌مرحله آنتراکینون

هیدروژن پراکسید تاریخچه‌ای جالب دارد. این ماده نخستین بار در سال ۱۸۱۸ کشف شد و فرآیند آنتراکینون در اواخر دهه ۱۹۳۰ توسعه یافت. این روش پس از جنگ جهانی دوم به شیوه غالب تولید صنعتی تبدیل شد.

فرآیند آنتراکینون به صورت یک چرخه پیوسته عمل می‌کند. در این فرآیند، مولکول‌های آلی سنگینِ دخیل در واکنش مصرف نمی‌شوند، بلکه به‌طور مداوم بازیافت می‌گردند تا محصولی با بازده بالا تولید شود.

در حضور اکسیژن، آنتراهیدروکینون اکسید می‌شود. این عمل معمولاً با دمیدن هوای فشرده به درون محلول انجام می‌گیرد. مولکول‌های اکسیژن با محلول واکنش داده و هیدروژن پراکسید تولید می‌کنند؛ سپس این ماده به درون آب استخراج می‌شود تا بتوان آن را با ایمنی کامل تغلیظ و خالص‌سازی کرد.

مرحله ۱ – هیدروژناسیون

این فرآیند با یک آلکیلانتراکینون (مانند ۲-اتیل آنتراکینون) حل شده در یک محلول کاری تخصصی متشکل از ترکیبی از حلال‌های آلی قطبی و غیرقطبی آغاز می‌شود.

گاز هیدروژن در حضور یک کاتالیزور فلزی گرانبها، معمولاً پالادیوم، به این مخلوط وارد می‌شود. هیدروژن با آنتراکینون واکنش می‌دهد و آن را به آنتراهیدروکینون کاهش می‌دهد.

مرحله ۲ – فیلتراسیون

محلول کاری کاملاً فیلتر می‌شود تا کاتالیزور ارزشمند پالادیوم جدا و محافظت شود و از قابلیت استفاده مجدد آن در چرخه بعدی اطمینان حاصل شود.

مرحله ۳ – اکسیداسیون

هوای فشرده از طریق محلول آنتراهیدروکینون حباب‌دار می‌شود. بدون نیاز به یک کاتالیزور گران‌قیمت، یک واکنش خوداکسیداسیون خودبه‌خودی رخ می‌دهد.

اکسیژن هوا با آنتراهیدروکینون واکنش می‌دهد و اتم‌های هیدروژن را از ساختار شیمیایی آن جدا می‌کند. این امر مولکول را به حالت آنتراکینون اولیه خود برمی‌گرداند و همزمان پراکسید هیدروژن را سنتز می‌کند.

مرحله ۴ – استخراج مایع

در این مرحله، پراکسید هیدروژن تازه تشکیل شده در داخل محلول آلی به دام می‌افتد. از آنجا که در آب بسیار محلول است، مخلوط آلی به همراه آب خالص به یک ستون استخراج پمپ می‌شود.

آب، پراکسید هیدروژن را از لایه آلی استخراج می‌کند. سپس محلول آلی جدا، خشک و به ابتدای مرحله هیدروژناسیون بازگردانده می‌شود.

مرحله ۵ – خالص‌سازی

محلول آبی حاصل معمولاً حاوی حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد هیدروژن پراکسید است. برای دستیابی به گریدهای صنعتی و تجاری (مانند غلظت‌های ۵۰ یا ۷۰ درصد)، این مخلوط تحت فرآیند تقطیر در خلأ قرار می‌گیرد؛ در این فرآیند، آب اضافی در دماهای پایین تبخیر می‌شود تا از تجزیه حرارتی ماده جلوگیری گردد.

در محیط‌های تولید صنعتی، مقادیر بسیار کمی از پایدارکننده‌های شیمیایی، نظیر سدیم استانات یا انواع فسفات‌های آلی، به محلول افزوده می‌شود تا ایمنی حمل‌ونقل و نگهداری آن تضمین شود.

نگهداری ایمن هیدروژن پراکسید

هیدروژن پراکسید با غلظت بالا، به دلیل خاصیت اکسندگی قوی، نیازمند رعایت پروتکل‌های ایمنی دقیق و سخت‌گیرانه است. این ماده غیرقابل‌اشتعال است، اما در صورت تماس با مواد آلی مانند چوب، کاغذ یا البسه، می‌تواند به شدت به آتش‌سوزی‌های موجود دامن بزند و یا موجب احتراق خودبه‌خودی شود.

پراکسید هیدروژن باید در جای خشک و خنک (بین ۵ تا ۲۵ درجه سانتیگراد)، دور از گرما و نور مستقیم خورشید نگهداری شود. در حالی که مقادیر کمی از پراکسید خانگی با غلظت کم را می‌توان در بطری‌های شیشه‌ای تیره نگهداری کرد، انواع صنعتی با غلظت بالا باید در پلاستیک‌های سازگار با چگالی بالا (مانند HDPE) یا آلومینیوم و فولاد ضد زنگ مخصوص نگهداری شوند. ظروف صنعتی باید دارای درپوش‌های تهویه‌دار باشند تا از افزایش فشار جلوگیری شود، زیرا ظروف شیشه‌ای در صورت تجمع گاز اکسیژن می‌توانند خرد شوند.

چه چیزی باعث ایجاد کف پراکسید هیدروژن می‌شود؟

وقتی پراکسید هیدروژن با ترکیبات خاصی تماس پیدا می‌کند، تجزیه می‌شود. در آزمایش محبوب خمیردندان فیل، مایع ظرفشویی با محلول پراکسید هیدروژن مخلوط می‌شود. سپس، محلولی از یدید پتاسیم اضافه می‌شود.

یون یدید به عنوان یک کاتالیزور بسیار کارآمد عمل می‌کند. این یون سرعت آزاد شدن اتم اکسیژن اضافی پراکسید هیدروژن را افزایش می‌دهد. حجم ناگهانی و عظیم گاز اکسیژن آزاد شده فوراً توسط مایع ظرفشویی به دام می‌افتد و باعث می‌شود ستونی ضخیم و گرم از کف به ارتفاع چند متر به هوا پرتاب شود.

نتیجه‌گیری

در حالی که پراکسید هیدروژن ساختار مولکولی ساده‌ای دارد، تولید انبوه آن برای تولید ایمن گریدهای تجاری به فرآیند آنتراکینون متکی است. از هیدروژناسیون در مقیاس صنعتی گرفته تا واکنش‌های تولید کف چشمگیر، مدیریت این اکسیدکننده قدرتمند نیاز به کنترل شیمیایی دقیق و پروتکل‌های ذخیره‌سازی دقیق دارد. در نهایت، این تعادل پیچیده شیمی همان چیزی است که پراکسید هیدروژن را به ابزاری همه‌کاره در بسیاری از صنایع تبدیل می‌کند.