Phosphoric acid: Ứng dụng và lưu ý khi sử dụng trong công nghiệp và đời sống

Phosphoric acid là gì?

Phosphoric acid hay axit photphoric là một hợp chất vô cơ có công thức hóa học H₃PO₄, thuộc nhóm axit oxophosphoric, gồm một nhóm oxo (=O) và ba nhóm hydroxy (-OH) liên kết cộng hóa trị với nguyên tử photpho trung tâm. Ở điều kiện thường, Phosphoric acid tồn tại dưới dạng chất lỏng trong suốt, không màu hoặc chất rắn kết tinh trong suốt. Dạng rắn tinh khiết nóng chảy ở 42,35 °C, có khối lượng riêng 1,834 g/cm³, và dung dịch thương mại phổ biến nhất là dung dịch 85% trong nước.

Hóa chất này có tính ăn mòn mạnh đối với kim loại và mô sinh học, do đó cần tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn khi sử dụng và bảo quản. Trong tự nhiên và sinh học, phosphoric acid đóng vai trò như một chất chuyển hóa trong cơ thể người và sinh vật, là thành phần trong phân bón, chất tẩy rửa, dung môi công nghiệp và phụ gia thực phẩm (E338) giúp điều chỉnh độ chua trong nước giải khát có gas, chế biến thực phẩm và dược phẩm.

Điều chế sản xuất Phosphoric acid

Trong công nghiệp thường sử dụng hai phương pháp là phương pháp ẩm ướt và phương pháp nhiệt.

Phương pháp ẩm ướt (hay còn gọi là phương pháp trích ly) là quy trình được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp để sản xuất Phosphoric acid quy mô lớn, đặc biệt trong ngành sản xuất phân bón. Nguyên liệu chính gồm quặng photphat (chủ yếu chứa canxi photphat​) và axit sunfuric đậm đặc​. Trước tiên, quặng photphat được nghiền nhỏ nhằm tăng diện tích tiếp xúc, sau đó được cho phản ứng trực tiếp với axit sunfuric trong các bể phản ứng khuấy liên tục. Quá trình này xảy ra ở nhiệt độ khoảng 70 - 80 °C, tạo ra Phosphoric acid ở dạng dung dịch và canxi sunfat kết tủa rắn, thường gọi là thạch cao.

Sau phản ứng, hỗn hợp được đưa qua hệ thống lọc để tách phần thạch cao ra khỏi dung dịch Phosphoric acid thô. Lượng axit thu được ban đầu sau đó được cô đặc bằng bay hơi chân không để đạt độ đậm đặc thương mại. Trong nhiều nhà máy, phần thạch cao phụ phẩm còn được tái sử dụng làm vật liệu xây dựng hoặc nguyên liệu sản xuất xi măng, giúp giảm thiểu chất thải.

Ưu điểm của phương pháp này là chi phí đầu tư và vận hành thấp, quy trình đơn giản, dễ áp dụng ở quy mô lớn, đặc biệt thích hợp để sản xuất Phosphoric acid dùng trong phân bón super photphat hoặc DAP (Diammonium phosphate). Tuy nhiên, nhược điểm đáng kể là sản phẩm tạo ra không tinh khiết, chứa nhiều tạp chất như flo, silic, asen và kim loại nặng, do đó chỉ thích hợp cho mục đích kỹ thuật hoặc nông nghiệp, chứ không đạt độ tinh khiết cần thiết cho ngành thực phẩm và dược phẩm.

Phương pháp nhiệt (phương pháp khô): Trong phương pháp này, nguyên liệu chính là photpho nguyên tố (P) - thường được thu từ quặng photphat sau khi hoàn nguyên bằng cacbon trong lò điện. Photpho được đốt cháy trong không khí hoặc oxy tinh khiết để tạo ra điphotpho pentaoxit (P₂O₅) - một oxit dạng bột trắng, dễ hút ẩm và tỏa nhiều nhiệt khi phản ứng với nước.

Sau đó, P₂O₅ được hòa tan từ từ trong nước để tạo ra Phosphoric acid (H₃PO₄) có độ tinh khiết rất cao. Quá trình này thường được thực hiện trong hệ thống kín có kiểm soát nhiệt độ để tránh sự giải phóng nhiệt quá mức gây nguy hiểm. Axit thu được có thể đạt độ tinh khiết trên 99%, do không lẫn tạp chất kim loại hoặc sunfat như ở phương pháp ẩm. Nhờ vậy, Phosphoric acid nhiệt được dùng trong công nghiệp điện tử, dược phẩm, và thực phẩm, nơi yêu cầu chất lượng cao.

Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là tiêu tốn nhiều năng lượng (do cần sản xuất và đốt photpho nguyên tố ở nhiệt độ cao khoảng 1500 °C) và chi phí vận hành lớn, nên chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng sản lượng Phosphoric acid toàn cầu - chủ yếu dùng cho các mục đích tinh khiết đặc biệt.

Trong phòng thí nghiệm, Phosphoric acid (H₃PO₄) có thể được điều chế bằng cách oxy hóa photpho bằng axit nitric đặc ở nhiệt độ cao. Đây là một phản ứng oxi hóa – khử điển hình, trong đó photpho (P) bị oxi hóa từ số oxi hóa 0 lên +5, còn axit nitric (HNO₃) đóng vai trò là chất oxi hóa, bị khử tạo thành khí nitơ đioxit (NO₂) có màu nâu đỏ đặc trưng.

Trong quá trình này, photpho rắn phản ứng mạnh với axit nitric đặc khi được đun nóng, tạo ra khói nâu đỏ do khí NO₂ thoát ra. Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch còn lại chứa Phosphoric acid, có thể được tinh chế bằng cách cô cạn và loại bỏ tạp chất. Sản phẩm thu được là dung dịch Phosphoric acid tinh khiết, không màu, sánh, tan tốt trong nước và có tính axit yếu hơn nhiều so với các axit vô cơ mạnh khác như HCl hay H₂SO₄.

Cơ chế hoạt động

Nhiều nghiên cứu cho thấy việc thêm phosphate vào khẩu phần ăn của loài gặm nhấm giúp giảm đáng kể tỷ lệ sâu răng, trong đó các dạng phosphate khác nhau mang lại hiệu quả khác nhau trong việc hạn chế tác động gây sâu răng của carbohydrate. Tác dụng bảo vệ răng của phosphate có thể xuất hiện ngay tại bề mặt răng trong quá trình ăn uống hoặc gián tiếp thông qua sự bài tiết phosphate trong nước bọt, góp phần trung hòa axit và tái khoáng men răng.

Phosphoric acid (H₃PO₄) là một trong những hóa chất vô cơ được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống nhờ tính chất axit yếu, ổn định và ít bay hơi.

• Trong nông nghiệp, đây là nguyên liệu quan trọng để sản xuất phân bón photphat như superphotphat đơn, superphotphat kép và amoni photphat (MAP, DAP), giúp cung cấp phosphat- dưỡng chất thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng.
• Trong công nghiệp thực phẩm, Phosphoric acid được dùng làm chất điều chỉnh độ chua (E338) trong nước giải khát có gas, mứt, phô mai chế biến và các sản phẩm sữa. Ngoài ra, nó còn giúp ức chế sự phát triển của vi sinh vật và tăng thời hạn bảo quản thực phẩm.
• Trong y học và dược phẩm, muối của Phosphoric acid được ứng dụng để điều chế thuốc nhuận tràng, dung dịch vệ sinh răng miệng và thuốc giảm đau răng tạm thời, cũng như làm chất đệm trong nhiều công thức thuốc.
• Trong công nghiệp hóa chất và kim loại, axit này được dùng để làm sạch bề mặt kim loại, loại bỏ gỉ sét, hoặc tạo lớp phủ photphat bảo vệ giúp chống ăn mòn. Nó cũng được dùng trong sản xuất chất tẩy rửa, phụ gia xi mạ, dầu nhờn và chất xúc tác.

Cách sử dụng Phosphoric acid (H₃PO₄) phụ thuộc rất nhiều vào mục đích ứng dụng. Dưới đây là cách dùng phổ biến theo từng lĩnh vực:

• Xử lý bề mặt kim loại: Dùng dung dịch H₃PO₄ pha loãng (khoảng 10 - 30%) để tẩy rỉ sét, làm sạch và tạo lớp phosphate bảo vệ chống ăn mòn trước khi sơn.
• Sản xuất phân bón: Axit được dùng để sản xuất phân lân (superphosphate, DAP, MAP) thông qua phản ứng với amoniac hoặc canxi photphat.
• Chất điều chỉnh độ chua (E338): Có mặt trong nước giải khát có gas, pho mát chế biến, thịt hộp, giúp ổn định hương vị và ức chế vi khuẩn. Ở dạng phụ gia thực phẩm, H₃PO₄ được sử dụng ở nồng độ rất thấp (vài phần nghìn), tuân thủ giới hạn do FAO/WHO quy định. Không được dùng trực tiếp ở dạng tinh khiết vì có thể gây bỏng niêm mạc và tổn thương đường tiêu hóa.
• Dung dịch súc miệng hoặc vệ sinh răng miệng: Chỉ sử dụng dạng pha loãng, thường dưới 0,1 - 0,3% H₃PO₄, có thể kết hợp với các muối phosphate khác để điều chỉnh pH.

Trong công nghiệp thực phẩm

Trong lĩnh vực công nghiệp và thực phẩm, Phosphoric acid được ứng dụng trong:

• H₃PO₄ là phụ gia thực phẩm (E338), đóng vai trò là chất điều chỉnh độ chua trong nước giải khát có gas như Coca-Cola, Pepsi…
• Được dùng để chống oxy hóa và bảo quản thực phẩm.
• Tham gia trong quá trình chế biến phô mai, thịt và đồ uống có gas, giúp ổn định hương vị và kéo dài thời hạn sử dụng.
• Phosphoric acid được xem là nguyên liệu chủ yếu trong quá trình sản xuất các loại phân bón.
• Phosphoric acid là chất tẩm gỗ chống cháy, chất chống ăn mòn kim loại. Nguyên liệu sản xuất thuỷ tinh gạch men, xử lý nước, xi mạ, sản xuất chất giặt tẩy.

Trong mỹ phẩm

Phosphoric acid được dùng để điều chỉnh pH trong các sản phẩm dưỡng da, dầu gội, sữa rửa mặt và nước hoa hồng.

Nhờ khả năng kháng khuẩn nhẹ, nó giúp tăng độ an toàn và ổn định cho các sản phẩm chăm sóc cá nhân.

Trong Y học và Dược phẩm

Phosphoric acid được dùng để bào chế thuốc nhuận tràng và thuốc giảm đau răng tạm thời.

Có mặt trong dung dịch vệ sinh răng miệng, giúp làm sạch và ức chế sự phát triển của vi khuẩn.

Được sử dụng như chất đệm (buffer) trong nhiều công thức thuốc, giúp duy trì độ pH ổn định cho dược phẩm.

Khi sử dụng Phosphoric acid (H₃PO₄), cần chú ý một số điểm quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình thao tác:

• Trang bị bảo hộ: Luôn mang găng tay, kính bảo hộ và khẩu trang để tránh tiếp xúc trực tiếp với da, mắt hoặc hít phải hơi axit.
• Xử lý khi bị dính axit: Nếu axit bắn vào da hoặc mắt, cần rửa ngay với nhiều nước sạch trong ít nhất 15 phút và nhanh chóng đến cơ sở y tế để được xử lý.
• Bảo quản đúng cách: Cất giữ trong chai thủy tinh hoặc nhựa chịu axit, đặt ở nơi khô ráo, thoáng mát, tránh ánh nắng trực tiếp và xa các nguồn nhiệt hoặc chất dễ cháy.
• Không xả thải bừa bãi: Tuyệt đối không đổ Phosphoric acid xuống cống, nguồn nước hay đất vì có thể gây ô nhiễm môi trường.
• Tuân thủ hướng dẫn: Chỉ sử dụng với liều lượng và mục đích được quy định trong công nghiệp, dược phẩm hoặc phòng thí nghiệm để đảm bảo an toàn cho người và môi trường.
• Không trộn lẫn với hóa chất khác: Tránh pha trộn Phosphoric acid với các chất oxy hóa mạnh (như nitric acid, potassium chlorate, hay hydrogen peroxide), vì có thể gây phản ứng mạnh hoặc phát nổ.
• Sử dụng dụng cụ phù hợp: Chỉ dùng dụng cụ làm bằng thủy tinh, nhựa chịu axit hoặc thép không gỉ, tuyệt đối không dùng vật liệu kim loại thông thường vì axit có thể ăn mòn.