Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Hóa Học: Nghiên Cứu Công Nghệ Tổng Hợp Kali Picrat Quy Mô 500g

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu công nghệ tổng hợp kali picrat quy mô 500 gmẻ, ứng dụng trong lĩnh vực hóa học và công nghiệp.

• Tác giả: Trương Đình Đạo
• Người hướng dẫn: Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu công nghệ tổng hợp Kali Picrat quy mô 500 g/mẻ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KALIPICRAT
• 1.1. Cấu tạo, tính chất của Kali Picrat và axit picric
• 1.1.1. Kali picrat
• 1.1.1.1. Cấu tạo PK có công thức phân tử là C6H2N3O7K, công thức cấu tạo có dạng: C6H2(NO2)3OK
• 1.1.1.2. Tên gọi theo danh pháp quốc tế là kali 2,4,6 trinitrophenolat, còn tên thường gọi là PK
• 1.1.1.3. Thuốc nổ PK lần đầu tiên được điều chế ở dạng không tinh khiết bởi JR Glauber khoảng giữa thế kỷ 17
• 1.1.2. Tính chất vật lý
• 1.1.3. Tính chất hóa học
• 1.1.4. Tính chất nổ cháy
• 1.2. Các phương pháp điều chế kalipicrat
• 1.2.1. Tổng hợp axit picric
• 1.2.2. Tổng hợp Kali picrat
• 1.2.3. Ứng dụng của Kali Picrat
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp tổng hợp Kali Picrat
• 2.4. Dụng cụ và hóa chất thí nghiệm
• 2.5. Phương pháp xác định nhiệt độ bùng cháy
• 2.6. Phương pháp xác định hàm ẩm và chất bay hơi
• 2.7. Phương pháp xác định hàm lượng Kali
• 2.8. Phương pháp xác định kích thước hạt
• 2.9. Phương pháp xác định nhiệt độ nóng chảy
• 2.10. Phương pháp xác định các liên kết phân tử bằng phổ hồng ngoại
• 2.11. Phương pháp xác định phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
• 2.12. Phương pháp xác định mật độ rắc
• 2.13. Phương pháp xác định nhiệt lượng cháy
• 2.14. Phương pháp xác định thể tích khí sinh ra sau khi cháy
• 2.15. Phương pháp tính hiệu suất thu sản phẩm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xây dựng điều kiện kỹ thuật sản phẩm kali picrat
• 3.2. Lựa chọn hệ thiết bị
• 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến hiệu suất thu sản phẩm trung gian axit picric
• 3.4. Phương án tổng hợp axit picric
• 3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nitro hóa đến hiệu suất tổng hợp axit picric
• 3.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ axit nitric đến hiệu suất tổng hợp axit picric
• 3.7. Nghiên cứu ảnh hưởng của modul axit đến hiệu suất tổng hợp axit picric
• 3.8. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nitroa hóa đến hiệu suất tổng hợp axit picric
• 3.9. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến hiệu suất thu sản phẩm kali picrat
• 3.10. Xây dựng phương án tổng hợp kali picrat
• 3.11. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng trung hòa đến hiệu suất thu kali picrat
• 3.12. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ làm lạnh đến hiệu suất thu sản phẩm kali picrat
• 3.13. Xây dựng quy trình tổng hợp thuốc nổ Kali picrat
• 3.14. Quy trình công nghệ tổng hợp axit picric
• 3.15. Quy trình công nghệ tổng hợp kali picrat
• 3.16. Tổng hợp thuốc nổ Kali picrat
• 3.17. Tổng hợp axit picric
• 3.18. Tổng hợp kali picrat
• 3.19. Chế tạo PK-5 và đánh giá chất lượng sản phẩm
• 3.19.1. Chế tạo PK-5
• 3.19.2. Thử nghiệm đo đạc các chỉ tiêu kỹ thuật sản phẩm PK-5
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Công nghệ tổng hợp kali picrat

Luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ tổng hợp kali picrat ở quy mô 500g/mẻ, nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất trong ngành công nghiệp quốc phòng. Kali picrat là một hợp chất quan trọng trong các phương tiện cháy có điều khiển thời gian, đặc biệt là trong sản xuất PK-5. Nghiên cứu này xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp, bao gồm nhiệt độ, thời gian, và nồng độ axit nitric. Kết quả cho thấy, sử dụng axit nitric 80% với tỷ lệ modul bằng 5 lần số mol phenol ở nhiệt độ 95-100°C trong 180 phút là điều kiện tối ưu để tổng hợp axit picric, tiền chất của kali picrat.

1.1. Phương pháp tổng hợp hóa học

Quá trình tổng hợp kali picrat bắt đầu từ việc nitro hóa phenol để tạo ra axit picric, sau đó trung hòa với kali cacbonat. Phương pháp này đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ các thông số như nhiệt độ nitro hóa (95-100°C) và thời gian phản ứng (180 phút). Tổng hợp hóa học ở quy mô 500g/mẻ đã được thực hiện thành công với hiệu suất 56%, đáp ứng yêu cầu chất lượng cho sản xuất.

1.2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ

Các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ axit nitric, và thời gian phản ứng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tổng hợp. Nghiên cứu chỉ ra rằng, nhiệt độ nitro hóa cao hơn 100°C làm giảm hiệu suất do tạo ra sản phẩm phụ. Nồng độ axit nitric 80% và tỷ lệ modul 5:1 là tối ưu để đạt hiệu suất cao nhất.

II. Ứng dụng của kali picrat trong kỹ thuật hóa học

Kali picrat được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hóa học ứng dụng, đặc biệt là trong công nghiệp quốc phòng. Nó là thành phần chính của PK-5, một loại chất cháy chậm được sử dụng trong các cơ cấu mở bảo hiểm của nhiều thiết bị quân sự. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp quy trình tổng hợp hiệu quả mà còn mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực khác như pháo hoa và chất nổ công nghiệp.

2.1. Ứng dụng trong công nghiệp quốc phòng

Kali picrat là thành phần không thể thiếu trong PK-5, chiếm 92% khối lượng. PK-5 được sử dụng trong các thiết bị cháy có điều khiển thời gian, đảm bảo độ chính xác và an toàn trong các hoạt động quân sự. Nghiên cứu này giúp chủ động nguồn cung cấp kali picrat trong nước, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu.

2.2. Tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Ngoài công nghiệp quốc phòng, kali picrat có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất pháo hoa và chất nổ công nghiệp. Tính chất nổ cháy của nó phù hợp để tạo ra âm thanh và ánh sáng trong các sự kiện giải trí. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho các ứng dụng thương mại của kali picrat.

III. Đánh giá giá trị và ứng dụng thực tiễn

Luận văn đã chứng minh tính khả thi của việc tổng hợp kali picrat ở quy mô 500g/mẻ, đáp ứng nhu cầu sản xuất trong nước. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị khoa học mà còn mang lại lợi ích thực tiễn lớn, đặc biệt trong việc chủ động nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp quốc phòng. Nghiên cứu hóa học này cũng góp phần phát triển công nghệ sản xuất trong nước, giảm chi phí và tăng tính tự chủ.

3.1. Giá trị khoa học

Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp kali picrat ở quy mô lớn, đóng góp vào lĩnh vực kỹ thuật hóa học. Các kết quả thực nghiệm và phân tích chi tiết cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Việc tổng hợp kali picrat ở quy mô 500g/mẻ giúp đáp ứng nhu cầu sản xuất PK-5 trong nước, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu. Nghiên cứu này cũng mở ra cơ hội ứng dụng kali picrat trong các lĩnh vực khác như pháo hoa và chất nổ công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kali Picrat (PK) là một hợp chất quan trọng trong ngành công nghiệp quốc phòng, đặc biệt được sử dụng trong các phương tiện cháy có điều khiển thời gian. Nhu cầu sử dụng Kali Picrat trong nước hiện nay dao động khoảng 30-50 kg mỗi năm, tuy nhiên sản xuất trong nước mới chỉ đáp ứng được quy mô nhỏ, khoảng 50 g/mẻ trong phòng thí nghiệm, chưa đủ để phục vụ sản xuất quy mô công nghiệp. Việc nâng công suất tổng hợp lên quy mô 500 g/mẻ là cần thiết nhằm chủ động nguồn nguyên liệu, đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển công nghệ tổng hợp Kali Picrat quy mô 500 g/mẻ, đạt yêu cầu chất lượng phục vụ sản xuất các sản phẩm cháy có điều khiển thời gian như PK-5. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp như nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ modul axit, nồng độ axit nitric trong giai đoạn nitro hóa axit picric, cũng như nhiệt độ trung hòa và làm lạnh trong giai đoạn tổng hợp Kali Picrat. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất tổng hợp đạt 56%, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm Kali Picrat phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật, góp phần chủ động nguồn nguyên liệu cho công nghiệp quốc phòng trong nước, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu và nâng cao năng lực sản xuất nội địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính trong quá trình tổng hợp Kali Picrat:

1. Lý thuyết phản ứng nitro hóa và sunphonic hóa phenol: Quá trình tổng hợp axit picric bắt đầu bằng phản ứng sunphonic hóa phenol với axit sunphuric đậm đặc, tạo thành axit phenolđisunphonic, sau đó nitro hóa bằng axit nitric đậm đặc để tạo axit picric. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, nồng độ axit và tỉ lệ modul axit ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tinh khiết của axit picric.

2. Lý thuyết phản ứng trung hòa axit picric với kali cacbonat: Giai đoạn tổng hợp Kali Picrat là phản ứng trung hòa axit picric bằng dung dịch kali cacbonat, tạo ra Kali Picrat, nước và khí CO2. Nhiệt độ phản ứng và điều kiện làm lạnh ảnh hưởng đến sự kết tinh và chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Các khái niệm chính bao gồm: sunphonic hóa phenol, nitro hóa axit phenolđisunphonic, phản ứng trung hòa, hiệu suất tổng hợp, độ tinh khiết sản phẩm, và các chỉ tiêu kỹ thuật như nhiệt độ bùng cháy, hàm lượng Kali, kích thước hạt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp Kali Picrat quy mô 500 g/mẻ tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẻ tổng hợp với các điều kiện công nghệ khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xác định nhiệt độ bùng cháy bằng thiết bị DT-400.
• Đo hàm lượng ẩm và chất bay hơi theo tiêu chuẩn TQSA 1270:2006.
• Xác định hàm lượng Kali bằng máy quang kế ngọn lửa.
• Phân tích kích thước hạt qua phương pháp sàng lụa.
• Đo nhiệt độ nóng chảy bằng thiết bị EZ-Melt SRS.
• Phân tích cấu trúc phân tử bằng phổ hồng ngoại (IR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR).
• Xác định mật độ rắc và nhiệt lượng cháy bằng thiết bị chuyên dụng.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024, bao gồm các giai đoạn: tổng hợp axit picric, tổng hợp Kali Picrat, đánh giá chất lượng sản phẩm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nitro hóa axit picric: Nhiệt độ nitro hóa trong khoảng 95-100 °C cho hiệu suất thu axit picric cao nhất, đạt khoảng 84% so với lý thuyết. Nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn làm giảm hiệu suất do phản ứng không hoàn toàn hoặc tạo sản phẩm phụ.

2. Ảnh hưởng của nồng độ axit nitric: Sử dụng axit nitric với nồng độ 80% và tỉ lệ modul axit bằng 5 lần số mol phenol tối ưu cho quá trình nitro hóa, giúp tăng hiệu suất thu axit picric lên 85% và giảm tạp chất.

3. Ảnh hưởng của thời gian nitro hóa: Thời gian nitro hóa 180 phút được xác định là phù hợp để đạt hiệu suất tối ưu, đảm bảo phản ứng hoàn toàn và hạn chế sự hình thành sản phẩm phụ.

4. Điều kiện trung hòa và làm lạnh trong tổng hợp Kali Picrat: Nhiệt độ trung hòa Kali Picrat với kali cacbonat ở 85-90 °C và làm lạnh sản phẩm đến 10-15 °C giúp kết tinh Kali Picrat đạt chất lượng cao, hàm lượng Kali ≥ 99%, độ ẩm ≤ 0,3%, kích thước hạt đồng đều, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

Hiệu suất tổng hợp Kali Picrat đạt 56%, cao hơn đáng kể so với quy mô phòng thí nghiệm 50 g/mẻ trước đây. Kết quả phân tích phổ IR và NMR xác nhận cấu trúc phân tử của sản phẩm đúng với Kali Picrat chuẩn. Nhiệt độ bùng cháy của sản phẩm đạt 300-331 °C, phù hợp với yêu cầu an toàn trong sử dụng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu suất cao là do kiểm soát chặt chẽ các thông số công nghệ như nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ modul axit trong giai đoạn nitro hóa, cũng như điều kiện trung hòa và làm lạnh trong giai đoạn tổng hợp Kali Picrat. So với các nghiên cứu trước đây, việc áp dụng axit nitric 80% và duy trì nhiệt độ nitro hóa ổn định đã giúp tăng hiệu suất và giảm tạp chất.

Kết quả này phù hợp với các báo cáo trong ngành công nghiệp hóa chất quốc tế, đồng thời chứng minh tính khả thi của quy trình tổng hợp Kali Picrat quy mô pilot 500 g/mẻ tại Việt Nam. Việc nâng công suất từ 50 g/mẻ lên 500 g/mẻ đã tạo ra sự thay đổi đáng kể về điều kiện công nghệ, đòi hỏi nghiên cứu chuyên sâu để đảm bảo chất lượng và an toàn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của hiệu suất axit picric vào nhiệt độ nitro hóa, nồng độ axit nitric và thời gian phản ứng, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm Kali Picrat ở quy mô 50 g và 500 g.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình nitro hóa axit picric: Áp dụng nhiệt độ 95-100 °C, nồng độ axit nitric 80%, tỉ lệ modul axit 5 lần mol phenol và thời gian 180 phút để đạt hiệu suất cao nhất. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn sản xuất pilot. Chủ thể thực hiện: bộ phận kỹ thuật sản xuất.

2. Kiểm soát nhiệt độ trung hòa và làm lạnh trong tổng hợp Kali Picrat: Duy trì nhiệt độ trung hòa 85-90 °C và làm lạnh sản phẩm đến 10-15 °C để đảm bảo kết tinh tốt và chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: trong quy trình sản xuất. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật vận hành dây chuyền.

3. Đầu tư hệ thống thiết bị tự động và kiểm soát chất lượng: Trang bị hệ thống đo nhiệt độ, pH tự động và thiết bị lọc chân không để nâng cao độ ổn định và đồng đều của sản phẩm. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: ban quản lý dự án và phòng kỹ thuật.

4. Đào tạo nhân sự và xây dựng quy trình vận hành chuẩn: Tổ chức đào tạo chuyên sâu về công nghệ tổng hợp Kali Picrat và quy trình kiểm soát chất lượng nhằm nâng cao năng lực sản xuất. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: phòng đào tạo và quản lý nhân sự.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu chi tiết về quy trình tổng hợp Kali Picrat, các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp phân tích chất lượng sản phẩm, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất hóa chất quốc phòng: Áp dụng quy trình tổng hợp Kali Picrat quy mô pilot để nâng cao năng lực sản xuất, chủ động nguồn nguyên liệu, giảm chi phí nhập khẩu.

3. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng sản phẩm hóa chất: Tham khảo các tiêu chuẩn kỹ thuật và phương pháp đánh giá chất lượng Kali Picrat để xây dựng quy chuẩn và kiểm soát chất lượng sản phẩm trong ngành.

4. Các nhà thiết kế và vận hành dây chuyền sản xuất hóa chất: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế, vận hành và tối ưu hóa dây chuyền sản xuất Kali Picrat quy mô công nghiệp, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy trình tổng hợp Kali Picrat gồm những giai đoạn chính nào?
   Quy trình gồm hai giai đoạn chính: sunphonic hóa phenol để tạo axit phenolđisunphonic, sau đó nitro hóa để tạo axit picric; tiếp theo là phản ứng trung hòa axit picric với kali cacbonat để tổng hợp Kali Picrat.

2. Yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất tổng hợp axit picric?
   Nhiệt độ nitro hóa và nồng độ axit nitric là hai yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tinh khiết của axit picric.

3. Tại sao cần nâng quy mô tổng hợp từ 50 g/mẻ lên 500 g/mẻ?
   Việc nâng quy mô giúp đáp ứng nhu cầu sản xuất lớn hơn, cải thiện chất lượng sản phẩm đồng đều và tăng hiệu suất, đồng thời giảm chi phí sản xuất so với quy mô nhỏ.

4. Chất lượng Kali Picrat được đánh giá dựa trên những chỉ tiêu nào?
   Các chỉ tiêu chính gồm màu sắc, nhiệt độ bùng cháy (300-331 °C), hàm lượng Kali ≥ 99%, hàm lượng ẩm ≤ 0,3%, kích thước hạt đồng đều và độ tinh khiết sản phẩm.

5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn trong quá trình tổng hợp Kali Picrat?
   Kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, thời gian phản ứng, sử dụng thiết bị phù hợp, đào tạo nhân sự và tuân thủ quy trình vận hành chuẩn là các biện pháp đảm bảo an toàn.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp Kali Picrat quy mô 500 g/mẻ với hiệu suất đạt 56%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật sản phẩm.
• Nhiệt độ nitro hóa 95-100 °C, nồng độ axit nitric 80%, tỉ lệ modul axit 5 lần mol phenol và thời gian 180 phút là điều kiện tối ưu cho giai đoạn tổng hợp axit picric.
• Nhiệt độ trung hòa Kali Picrat 85-90 °C và làm lạnh đến 10-15 °C giúp kết tinh sản phẩm đạt chất lượng cao.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần chủ động nguồn nguyên liệu cho công nghiệp quốc phòng trong nước.
• Đề xuất tiếp tục đầu tư thiết bị tự động, đào tạo nhân sự và mở rộng quy mô sản xuất trong thời gian tới để nâng cao năng lực sản xuất Kali Picrat.

Áp dụng quy trình nghiên cứu vào sản xuất pilot, đồng thời triển khai các giải pháp tối ưu hóa và kiểm soát chất lượng nhằm mở rộng quy mô sản xuất Kali Picrat phục vụ công nghiệp quốc phòng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KALIPICRAT 1. Cấu tạo, tính chất của Kali Picrat và axit picric 1. Kali picrat a) Cấu tạo PK có công thức phân tử là C6H2N3O7K, công thức cấu tạo có dạng: C6H2(NO2)3OK. Cấu tạo PK có thể mô tả như hình 1.

Cấu tạo thuốc nổ Kali picrat [23] Tên gọi theo danh pháp quốc tế là kali 2,4,6 trinitrophenolat, còn tên thường gọi là PK. Thuốc nổ PK lần đầu tiên được điều chế ở dạng không tinh khiết bởi JR Glauber khoảng giữa thế kỷ 17 bằng cách hòa tan gỗ trong axit nitric sau đó trung hòa bằng kali cacbonat. PK bắt đầu được sử dụng làm chất nổ từ năm 1869 tuy nhiên do một số nhược điểm mà hiện nay nó chỉ còn được ứng dụng trong các thành phần hỏa thuật, hỗn hợp mồi nổ hoặc trong một số thành phần của nhiên liệu liệu tên lửa rắn. b) Tính chất vật lý PK là hợp chất tồn tại ở dạng tinh thể hình kim có màu vàng hơi đỏ (vàng cam), nó chỉ có duy nhất một trạng thái tinh thể và không bị biến đổi ở các điều kiện khác nhau như khi thay đổi nhiệt độ.

PK có mật độ tinh thể vào khoảng 1,852 g/cm3. Theo một số tài liệu tham khảo nhiệt độ nóng chảy của PK là 250°C [18] hoặc 310°C [29], nhiệt độ bùng cháy khoảng 331°C [18]. 5 Ở nhiệt độ thường, PK ít tan trong nước, ít tan trong các dung môi hữu cơ như cồn, ete, axeton, độ tan của nó tăng lên khi tăng nhiệt độ. Độ tan trong nước ở 25°C là 0,5 g/100 g nước, ở 100°C là 25 g/100 g nước.

Độ tan trong 100 g etanol là 0,2 g. Độ tan của PK trong nước và một số dung môi hữu cơ ở nhiệt độ 24 °C được thể hiện trong bảng 1. Độ tan của picrat trong một số dung môi (%) [20] Dung môi Metyl ancol Ete Axeton Nước Picrat PK 0.2 Ngoài ra PK còn tan ít trong các dung môi hữu cơ phân cực khác như piridin, axeton nitrin, metyletylketon. c) Tính chất hóa học PK giống như amoni picrat và axit picric, khi tiếp xúc với các kim loại (ví dụ như chì, canxi, sắt) tạo thành các picrat là những chất nổ nhạy hơn và nguy hiểm hơn.

PK có thể phản ứng với các axit mạnh hơn như H2SO4 giải phóng axit picric, việc giải phóng axit picric có thể dẫn đến axit này phản ứng với các vật liệu gang, thép trong đạn dược tạo thành picrat có độ nhạy cao gây nguy hiểm cho quá trình bảo quản và sử dụng. Do vậy trong sản phẩm PK không được lẫn các tạp chất của kim loại chì, canxi hay các axit mạnh. Khi chịu tác động của nhiệt độ hoặc tia lửa, ngọn lửa, PK cháy phát ra ánh sáng chói, tỏa ra lượng nhiệt tương đối lớn, phương trình cháy của PK như sau (khi cháy trong điều kiện có oxi không khí) [28]: C6H2N3O7K 6CO2 + 0,5K2O + 1,5N2 + 2H2O + 2317,67 Kcal/kg 6 d) Tính chất nổ cháy PK là chất nổ nhạy với tia lửa và xung kích thích dạng nhiệt. PK khi tiếp xúc với tia lửa nó bùng cháy kèm theo âm thanh lớn, nó thường được ứng dụng trong các thành phần cháy tạo âm thanh hoặc trong pháo hoa để tạo tiếng rít cùng với ánh sáng.

Nếu đốt cháy trong không gian hạn chế nó sẽ phát nổ. Khi phân hủy nổ trong môi trường thể tích không đổi (không có mặt của oxi không khí) thành phần sản phẩm nổ tạo ra thay đổi phụ thuộc vào mật độ của PK, dưới đây là phương trình phân hủy nổ của PK: 16C6H2N3O7K 4KCN + 6K2CO3 + 21CO2 + 52CO + 22N2 + 6CH4 + 4H2 + 7C Trong tất cả các trường hợp phân hủy nổ đều tạo ra nhiều cacbon xuất hiện ở dạng bụi màu đen (như bồ hóng). Sản phẩm phản ứng nổ như trên là do cân bằng oxi âm 45 % như đối với axit picric, khi kết hợp với các hợp chất chứa nhiều oxi khác như picrat hay clorat sản phẩm phân hủy sẽ triệt để hơn, tuy nhiên những hỗn hợp này gặp phải những khó khăn khác như độ nhạy va đập tăng. Trong số các picrat của axit picric thì PK là một trong những muối kém nhạy với va đập.

Độ nhạy va đập (theo tiêu chuẩn quả nặng 10 kg thả từ độ cao 25 cm) là 40% [18], độ nhạy va đập (tính theo chiều cao gây nổ 100 % các mẫu thử nghiệm khi thả quả nặng 2 kg) được thể hiện trong bảng 1.2 Độ nhạy va đập của một số picrat [32] Picrat Độ nhạy (cm) Tbc ( °C) NH4 - 290 Na 80 360 K 75 331 Zn 60 315 Cu 7 310 Pb 5 260 Ag 5 - Fe 7 300 7 Hỗn hợp của PK với các tác nhân oxi hóa (như kali nitrat) có thể đốt cháy mà không nổ, nhưng nhạy với va đập. PK nhạy hơn so với axit picric cả về độ nhạy với xung cơ học lẫn xung nhiệt tuy nhiên độ nhạy cơ học của nó kém hơn so với các picrat khác như picrat sắt, picrat chì. PK tương đối bền nhiệt, khi điều chế PK từ kali cacbonat hay các nguyên liệu mà sản phẩm thu được còn chứa hợp chất cacbonat sẽ làm cho PK phân hủy sớm hơn.Tính chất của axit picric Axit picric có tên gọi đầy đủ là 2,4,6-trinitrophenol. Công thức phân tử là C6H3N3O7 và công thức cấu tạo như sau [26] : OH O2N NO2 NO2 a) Tính chất vật lý Axit picric là các tinh thể hình lá mỏng, khi kết tinh từ dung dịch rượu tạo thành các tinh thể hình kim màu vàng sáng.

Nhiệt độ đóng rắn của axit picric là 121,3 °C, nhiệt độ nóng chảy là 122,5 °C (dạng tinh khiết) [26]. Tinh thể của axit picric có màu vàng chanh ít tan trong nước, tan tốt hơn trong các dung môi hữu cơ. Độ tan của axit picric trong nước theo nhiệt độ trong bảng 1. Độ tan của axit picric trong nước [18] Hàm lượng axit picric (g) Nhiệt độ (oC) Trong 100g dung dịch Trong 100g dung môi 0 0,67 0,68 10 0,80 0,81 20 1,10 1,11 30 1,38 1,40 40 1,75 1,78 50 2,15 2,19 60 2,77 2,81 70 3,35 3,47 80 4,22 4,41 90 5,44 5,72 100 6,75 7,24 Axit picric tan tốt hơn trong các dung môi hữu cơ khác tùy theo nhiệt độ cũng như nồng độ của dung môi hữu cơ và được thể hiện trong bảng 1.

Độ tan của axit picric trong một số dung môi hữu cơ [18] Nhiệt độ Dung môi Lượng dung môi Lượng axit picric o ( C) Etanol 25 100 phần 7,452 phần Đietyl ete 13 100 phần 1,08 phần Đietyl ete (bão hòa nước) 13 100 phần 4,00 phần Benzene 6 100 phần 3,50 phần Benzene 15 100 phần 5,9 phần Toluene 20 100 ml dung môi 12,0 g Amyl ancol 20 100 ml dung môi 1,755 g Độ tan trong dung dịch metanol, etanol, axeton thể hiện trong bảng 1. Độ tan của axit picric trong một số dung dịch môi hữu cơ [18] Nồng độ dung dịch hữu Số gam picric trong 100g dung môi ở 25 °C cơ (%) Metanol Etanol Axeton 0 1,3 1,3 1,3 30 2,4 3,1 9,5 60 7,1 10,5 46,7 80 - 13,8 87,8 81 - 13,8 - 85 - 13,2 - 90 16,0 12,3 - 100 21,1 8,0 43 Trong 100 g rượu ở 20 °C hòa tan 6,23 g axit picric, và ở điểm sôi hòa tan được 66,2 g. Trong 1 lít ete khan ở 13 °C hòa tan được 10,8 g axit picric, khi hàm lượng nước trong ete là 0,8% thì hòa tan được 36,8 g, còn khi chứa 1% nước thì hòa tan được 40 g. Axit picric tan nhiều trong benzen.

Độ tan của picric trong benzen ở các nhiệt độ khác nhau được trình bày trong bảng 1. Độ tan của axit picric trong benzen ở các nhiệt độ khác nhau [18] Nhiệt độ (°C) Độ tan của picric trong 100g benzene (g) 5 3,7 15 7,29 20 9,55 75 96,77 b) Tính chất hóa học Axit picric là một axit hữu cơ, trong dung dịch và ở trạng thái ẩm nó có thể phản ứng với nhiều kim loại, các oxit kim loại hoặc hidroxit kim loại tạo thành muối 10 picrat. Các picrat đều có tính nhạy nổ hơn so với picric, nhạy nhất là các picrat kim loại nặng, ít nhạy nhất là picrat các kim loại kiềm và amoni. Khi bị khử axit picric tạo thành triaminophenol.

Phản ứng này được sử dụng để đuổi axit picric trong nước rửa có thể làm bẩn và gây ô nhiễm ao hồ chứa. Axit picric bị oxi hóa bởi các tác nhân oxi hóa mạnh. Axit nitric không tác dụng với picric mà chỉ hòa tan nó, nhưng khi đun sôi axit nitric oxi hóa nó đến axit oxalic. Picric bị oxi hóa trong dung dịch sôi của amoni pesunphat: (NH4)2S2O8 + C6H2(NO2)3OH → (NH4)2S2O3 + CO2 + HNO3 + HCN Khi bị oxi hóa bởi các tác nhân yếu, ví dụ như với natri sunphit, natri hidrosunphit hoặc sắt sunphit, axit picric tạo thành axit picramic, một chất trung gian được sử dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp thuốc nhuộm và nguyên liệu đầu cho việc điều chế dinitrodiazophenol (một loại thuốc nổ) [5].

Hypoclorit khi có nước ở 85 °C chuyển axit picric thành clopicrin [18]: C6H2(NO2)3OH + 11 HClO → 3 CCl3NO2 + 3 CO2 + 6 H2O + 2 HCl Đun sôi trong dung dịch của natri hiđroxit đậm đặc axit picric bị phân hủy theo phương trình: NaOH C6H2(NO2)3OH NH3 + HCN + HNO2 Axit picric tương tác với clo, nước cường toan, kali clorat khi có mặt của HCl dẫn đến sự hình thành của cloranyl và cloropicrin [18]: O Cl Cl Cl2 C6H2(NO2)3OH CCl3NO2 + Cl Cl O Khi có ẩm axit picric phân hủy các nitrat xenlulo và glixerin, cũng như amoni nitrat tách ra HNO3. Vì vậy không sử dụng axit picric trong hỗn hợp với các chất này. Trong quá trình sản xuất axit picric, các muối picrat có thể tạo thành khi rửa và sấy do có các muối trong nước rửa. Vì vậy khi rửa axit picric phải sử dụng nước nhẹ, còn trước khi sấy cần ép hết nước khỏi sản phẩm sấy.

11 c) Tính chất nổ cháy Ở nhiệt độ bảo quản thường axit picric rất bền, nó không bị phân hủy dưới ánh sáng mặt trời. Khi nung nóng đến 160 °C axit picric bắt đầu phân hủy yếu, ở 200-210 °C axit picric phân hủy mạnh, còn ở 300-310 °C xảy ra bùng cháy. Phản ứng phân hủy của axit picric theo Kast [18] như sau: 16C6H2 (NO2)3OH = 32CO2 + 40CO + 4CH4 + 2H2O + 3C2H2 + 3HCN + 4,5H2 + 21,5N2 + 2NH4HCO3 + 9C Theo một số tài liệu khác [25] phản ứng phân hủy axit picric có dạng: 2C6H2(NO2)3OH = CO2 + C + 10 CO +2 H2O + H2 + 3 N2 Cân bằng oxi (khi oxi hóa đến CO2 và H2O) là -45 %. Ở 122,5 °C axit picric nóng chảy không phân hủy, ở trạng thái lỏng có màu vàng nâu, khi tăng nhiệt độ kèm theo sự thăng hoa chậm.