Nadtlenek wodoru

Czysty nadtlenek wodoru jest bezbarwną cieczą mieszającą się z wodą. Często jest dostarczany jako roztwór 40% (w/w), ale można go również otrzymać do około 70% (w/w). Jest używany głównie jako wybielacz.

Zastosowania nadtlenku wodoru

Bielące właściwości nadtlenku wodoru są wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu. Być może najbardziej znanym na co dzień jej zastosowaniem jest produkcja zastrzeżonych produktów używanych do prania ubrań, na przykład w niektórych formach VanishTM. Duże ilości nadtlenku wodoru są wykorzystywane do produkcji nadboranu sodu i nadwęglanu sodu, które są używane jako środki wybielające w detergentach płynnych i stałych. Nadboran sodu, NaBO3.4H2O, wytwarza się przez dodanie nadtlenku wodoru do roztworu metaboranu sodu i wodorotlenku sodu. Nadwęglan sodu wytwarza się przez dodanie nadtlenku wodoru do roztworu węglanu sodu.

Rysunek 1 Zastosowania nadtlenku wodoru.

Ryc. 2 Zimorodek jest w stanie żerować w uprzednio zanieczyszczonej rzece, która została oczyszczona przez potraktowanie roztworem nadtlenku wodoru.
Za uprzejmą zgodą firmy Solvay.    

Podczas gdy jego użycie w detergentach powoduje duże ilości nadtlenku wodoru, większość jest wykorzystywana w roztworze do wybielania papieru (zwiększając jego jasność), pulpy drzewnej i tkanin. Ostatnio uruchomiono bardzo duże zakłady w Antwerpii (Belgia) oraz w kompleksie przemysłowym w Map Ta Phut (Tajlandia). Trzeci duży zakład budowany jest na wschodnim wybrzeżu Arabii Saudyjskiej, nad Zatoką Perską, w Jubail. Wszystkie trzy zakłady będą produkować nadtlenek wodoru, który będzie wykorzystywany do produkcji epoksypropanu (tlenku propylenu) poprzez bezpośrednie utlenianie propenu. Z kolei epoksypropan będzie wykorzystywany głównie do produkcji poliuretanów.

Rysunek 3 Widok kompleksu petrochemicznego Man Ta Phut w Zatoce Tajlandzkiej, w pobliżu granicy z Kambodżą. W kompleksie uruchomiono niedawno instalację do produkcji nadtlenku wodoru. Jest w stanie wyprodukować ponad 330 000 ton nadtlenku wodoru rocznie, co jest największą tego typu instalacją na świecie. Zdjęcie przedstawia wieże destylacyjne używane do oddzielania alkanów od gazu ziemnego. Wodór potrzebny do wytworzenia nadtlenku wodoru pochodzi z metanu w gazie ziemnym.
Za uprzejmą zgodą Love Krittaya (Wikimedia Commons)    

Roczna produkcja nadtlenku wodoru

(w przeliczeniu na H2O2 100%)

Świat 4.3 mln ton1    

Chiny 1.5 mln ton2    

400 000 ton USA2    

Belgia 300 000 ton2    

Tajlandia 300 000 ton2    

Kanada 200 000 ton2    

Dane z:
1. Merchant Research and Consulting Ltd. 2015
2. Dane szacunkowe z Merchant Research and Consulting Ltd. 2015

Produkcja nadtlenku wodoru

Ponad 99% nadtlenku wodoru powstaje w procesie autooksydacji.

Główne etapy to:
a) uwodornienie antrachinonu
b) utlenianie powstałego antrachinolu
c) ekstrakcja roztworu nadtlenku wodoru
d) oczyszczanie i zatężanie nadtlenku wodoru

Rysunek 4 Widok zakładu produkcyjnego nadtlenku wodoru w Leuna koło Lipska w Niemczech.
Za uprzejmą zgodą Arkema.    

Proces

Reakcje podsumowano na rysunku 4.

(a) Uwodornienie antrochinonu

W procesie na ogół stosuje się 2-etylo pochodną antrachinonu.

Roztwór 2-etyloantrachinonu w układzie mieszanych rozpuszczalników zawierający niepolarny węglowodór i rozpuszczalnik polarny oraz zawiesinę katalizatora na bazie niklu lub palladu na stałym nośniku uwodornia się gazowym wodorem w temperaturze ok. 320 K. Redukcja do 2-alkiloantrachinolu. Katalizator usuwa się przez filtrację i zawraca.

(b) Utlenianie antrachinolu

Roztwór 2-etyloantrachinolu jest następnie utleniany powietrzem do wodoronadtlenku, który reaguje w wodzie, tworząc 2-etyloantrachinon i wytwarzając rozcieńczony roztwór nadtlenku wodoru.

Rysunek 5 Wytwarzanie nadtlenku wodoru przy użyciu 2-etyloantrachinonu.

Zatem ogólna reakcja jest następująca:

Rysunek 6 Instalacja utleniacza do produkcji nadtlenku wodoru w Jarrie, na południe od Grenoble we Francji.
Za uprzejmą zgodą Arkema.    

(c) Ekstrakcja roztworu nadtlenku wodoru

W celu ekstrakcji nadtlenku w postaci wodnego roztworu zawierającego 40% nadtlenku wodoru dodaje się wodę. Warstwę rozpuszczalnika organicznego zawraca się do jednostki uwodorniania w celu dalszej reakcji.

(d) Oczyszczanie i zatężanie nadtlenku wodoru

Wodny roztwór nadtlenku wodoru traktuje się rozpuszczalnikami organicznymi i przepompowuje powietrze w celu usunięcia pozostałości chinonu i rozpuszczalników i wytworzenia standardowego 40% produktu. Niektóre zastosowania wymagają produktu o wyższym stężeniu, który jest wytwarzany przez zagęszczanie próżniowe lub destylację do stężeń do 70%.

Nadtlenek wodoru w swojej najczystszej postaci jest z natury stabilny. Jednak w kontakcie z niektórymi zanieczyszczeniami (głównie metalami ciężkimi) może się rozkładać. Dlatego do produktu zwykle dodaje się stabilizatory. Działają one kompleksując ze śladami obecnych jonów metali przejściowych, które w przeciwnym razie katalizują rozkład nadtlenku wodoru. Typowymi stabilizatorami są cynian(IV) sodu (hydrolizuje do wodorotlenku cyny(IV)) i różne fosforany.

 Rysunek 7 Roztwór nadtlenku wodoru jest rozładowywany, podróżując z miejsca, w którym został wytworzony. Jest używany do produkcji hydrazyny. Hydrazyna jest używana jako propelent w większości satelitów i jako prekursor azydku sodu (środek tworzący gaz w poduszkach powietrznych) i różnych pestycydów.

Za uprzejmą zgodą Arkema.