Sumporna kiselina: sastav, proizvodni procesi, industrijska upotreba i sigurnost

Ovaj spoj se toliko široko koristi u industrijama diljem svijeta da njegova upotreba čak određuje razinu razvoja u tom sektoru unutar zemalja. Proizvodnja sumporne kiseline izuzetno je visoka jer posjeduje mnoge kvalitete koje je čine izvrsnom za proizvodnju određenih materijala koji su vrlo popularni u cijelom svijetu. Ima karakteristike koje joj daju korozivna moć nevjerojatno, otuda i njegovo ime.

U srednjem vijeku ovaj spoj je bio poznat kao vitriol ulje, kojemu su ime dali alkemičari tog vremena, otprilike između 8. i 9. stoljeća. To su ujedno bila i najvažnija stoljeća u odnosu na njegovo otkriće i početak proučavanja njegovih funkcija.

Postoji nekoliko postupaka za dobivanje sumporne kiseline, a jedan od njih je sljedeći proces olovne komore Najstariji od svih, koji se još uvijek može vidjeti u povijesnim kontekstima ili starijim objektima. Dugo se uobičajeno koristio u industriji gnojiva kako bi se olakšala njegova proizvodnja.

Postupci za dobivanje ove kiseline mogu biti vrlo opasni ako se ne znaju točno svi koraci koje treba slijediti, jer ona proizvodi velike količine topline A zauzvrat, njezino tijelo je vrlo vruće, tako da bi svako prskanje moglo uzrokovati teške opekline.

Sastav sumporne kiseline

Ovo je jedan od najčešće korištenih spojeva u svijetu, a industrija koja koristi najviše sumporne kiseline je proizvođači gnojivaNajjača karakteristika ove kiseline je da je komponenta izuzetno korozivno, a njegova ispravna kemijska formula je H₂SO₄.

Sumporna kiselina je komponenta s najvećom proizvodnjom u svijetuTo je zato što posjeduje određene karakteristike koje omogućuju proizvodnju bezbroj derivata, a može se koristiti i za sinteza drugih tvari kao što su kiseline, sulfati, fosfatna gnojiva, deterdženti i širok raspon organskih i anorganskih spojeva.

U davna vremena bio je poznat kao ulje ili duh vitriola, jer se dobivao od minerala generički poznatih kao žestine (kristalni sulfati različitih metala). Ovaj spoj se općenito može dobiti iz sumpornog dioksida postupkom koji se naziva oksidacija dušikovim oksidima u vodenoj otopiniili katalitičkom oksidacijom u kontaktnom procesu. Nakon što se dobije, potrebno je provesti druge procese kako bi se povećati koncentraciju istog do vrijednosti blizu 98% težine za industrijsku upotrebu.

Dva atoma vodika u ovoj molekuli vezana su za dva atoma kisika. Ovisno o otopini, ovi vodici mogu biti... ograditi se u vodi, oslobađajući protone (H⁺) i dajući mu snažan kiseli karakter.

Molekula kiseline ima neobičan oblik iskrivljeni piramidalni ili tetraedarskiKarakterizira ga atom sumpora u središtu, dok se atomi kisika mogu vidjeti u četiri kuta. U vodi se ponaša kao jaka kiselina u svojoj prvoj disocijaciji, što rezultira anionom hidrogensulfata (HSO₄^-), iako se u drugoj disocijaciji predstavlja kao slaba kiselina, što rezultira sulfatnim anionom (SO₄^2-).

Fizikalna i kemijska svojstva sumporne kiseline

Osim svog sastava, sumporna kiselina posjeduje i niz fizikalno-kemijska svojstva što objašnjava zašto je tako svestran i, istovremeno, tako opasan.

• Kemijska formula: H₂SO₄.
• Približna molarna masa: X.
• Gustoća (koncentrirana kiselina): oko 1,84 g / cm3 na sobnoj temperaturi, što ukazuje na to da je mnogo gušći nego voda.
• Točka taljenja: blizu 10 ° C, tako da može djelomično se stvrdnuti u vrlo hladnim okruženjima.
• Vrelište: oko 337 ° C, što ga čini tekućinom s visoka točka vrelišta.
• Topivost u vodi: potpuno mješljivoali raspad je snažan egzotermna (Oslobađa puno topline).
• pH (vrlo koncentrirana kiselina): mlađi od 1, što ukazuje na izrazito visoku kiselost.
• Izgled: tekućina bezbojan ili blago žućkast, uljnat i viskozan, s jedva primjetnim mirisom, ali koji se može povezati sa sumpornim spojevima kada su prisutne nečistoće.
• Dodatna svojstva: to je spoj higroskopan (apsorbira vodu iz okoline), oksidans, s velikim dehidracijska moć (sposoban za uklanjanje vode iz mnogih tvari, čak i organskih, poput šećera i tkiva).

Ova svojstva objašnjavaju zašto se sumporna kiselina koristi kao sredstvo za dehidraciju za sušenje plinova i tekućina, kao što su oksidans u kemijskim reakcijama i kao bitna komponenta u brojnim sintetskim procesima.

Stvaranje sumporne kiseline

Može se naći u raznim komercijalnim područjima u različitim prezentacijama, od najčišćih do svih vrsta smjesa dobivenih iz njih, koje se mjere pomoću stupnjevi čistoće i koncentracija.

Da bi se formirala sumporna kiselina, potrebno je proći kroz određene procese, među kojima su najpoznatiji i najčešće korišteni oni olovna komora i postupak kontaktaPrva je najstarija metoda za dobivanje ovog spoja i, iako danas kontaktni proces dominira industrijskom proizvodnjom, olovne komore su dugo bile tehnika koju je koristila industrija gnojiva i još se uvijek mogu vidjeti u starim objektima ili u povijesnim kontekstima.

Ovaj spoj je moguće dobiti u laboratorijima. postiže se propuštanjem struje sumpornog dioksida plina u otopini vodikovog peroksida. Koncentracija sumporne kiseline ovim postupkom postiže se isparavanje vode dok se ne postigne željena razina koncentracije.

Postupak kontakta

U ovom procesu dobivanja sumporne kiseline može se uočiti smjesa plinova koja sadrži otprilike između 7 i 10% iz OS-a₂, prema izvoru proizvodnje, i približnu vrijednost između 11 i 13% kisika. Ova smjesa se zatim... prethodno zagrijavanje i otklanjanje pogrešaka s najvećom strogošću kako bi se uklonile nečistoće poput prašine, spojeva arsena ili drugih tvari koje mogu oštetiti sljedeći katalizator.

Nakon što se smjesa plinova pročisti koliko je god moguće, propušta se kroz pretvarač jednog ili više katalitičkih slojeva, u kojima se tradicionalno koristio platinasti katalizator i, naknadno, vanadijev pentoksid na čvrstim nosačima. U tim katalitičkim slojevima događa se sljedeće: oksidacija SO2₂ a SO₃Obično se koriste dva ili više pretvarača ili nekoliko kreveta u seriji kako bi se postigla maksimalna moguća učinkovitost.

Proizvodnja ovog spoja putem izgaranje elementarnog sumpora Obično ima bolju energetsku ravnotežu, što ne zahtijeva nužno rigorozne sustave pročišćavanja koji su obvezni u drugim slučajevima. Kada se sumporov dioksid stvara prženjem sulfidnih minerala, poput pirita, obično je potrebna složenija obrada plina.

Velika je razlika između SO proizvodnja₂ izgaranjem sumpora i druga metoda poznata kao prženje piritapogotovo ako su to arsen. To je zato što drugi ostavlja mnogo u konačnom rezultatu nečistoće koji se nikada ne može u potpunosti eliminirati.

U postrojenju u normalnom pogonu izvedba pretvorbe SO₂ do SO₃ kreće se od 96% g. 97%jer se njegova učinkovitost s vremenom smanjuje. Taj se učinak češće opaža u postrojenjima koja koriste početne pirite s visokim udjelom arsena, koji se ne može u potpunosti ukloniti iz spoja i stoga prati plinove koji prolaze kroz proces katalize, uzrokujući trovanje katalizatoraTo je glavni uzrok naglog pada performansi.

U drugom konvertoru, plinovi imaju vrijeme zadržavanja od približno 2 do 4 sekundi, a u ovom slučaju temperatura mora biti između 500 i 600 ºC kako bi se postigla optimalna konstanta ravnoteže i maksimalna konverzija uz najnižu moguću cijenu.

Nakon prethodnog procesa, plinovi iz katalize se hlade na temperaturu blisku 100 ° C, a zatim prođite kroz oleumski toranjZahvaljujući tome postiže se djelomična, a ne potpuna apsorpcija SO₂.₃Preostali plinovi iz ovog procesa prolaze kroz drugi toranj gdje se spoj čisti i ispire koncentriranom sumpornom kiselinom. Nakon što su svi ovi koraci završeni, otpad se uklanja. otpadni plinovi kroz dimnjak u atmosferu, zadovoljavajući stroge ekološke zahtjeve.

Tijekom ovog procesa, ogromna količina vrućina (egzotermna reakcija), koja se u mnogim modernim postrojenjima koristi za proizvodnju vodena para i od njega, električna energijaU postrojenjima velikog kapaciteta, vrlo značajan dio te topline prodaje se kao para ili se koristi interno za napajanje drugih industrijskih procesa, čime se poboljšava ukupna energetska učinkovitost.

Proces vodeće komore

Ovaj poseban proces je najstarija poznata metoda za proizvodnju i dobivanje sumporne kiseline. U njemu, SO₂₃ plinovito ulazi u reaktor poznat pod nazivom glover toranj, gdje se podvrgava procesu pranja s dušikov vitriolšto je sumporna kiselina s otopljenim dušikovim oksidima i česticama ugljikovog dioksida, koja je pak pomiješana s dvije vrste dušikovog oksida: dušikovim monoksidom (NO) i dušikovim dioksidom (NO₂).₂).

Velik dio ovdje korištenog sumporovog(IV) oksida oksidira se u sumporov(VI) oksid i otapa u kiseloj kupelji kako bi se formirao tzv. kiselina u tornjukarakteristično za Gloverov toranj. Ovaj sustav koristi ciklus dušikovog oksida kao oksidirajuće i regenerativne međuprodukte unutar procesa.

Nakon što plinske smjese prođu kroz Gloverov toranj, odvode se u komora obložena olovom (otuda i njihov naziv) gdje se tretiraju s puno vode. Ove komore imaju različite oblike ovisno o kriterijima proizvođača, među kojima su najčešći kvadrat ili one koje imaju oblik sličan onome od konus.

Sumporna kiselina kondenzira se na stijenkama, nastala nizom reakcija, i nakuplja se na dnu komore obložene olovom. Tipično se može uočiti prisutnost između 3 do 6 kamera uzastopno. Konačni proizvod dobiven iz ovih komora obično je poznat kao kiselina za kameruili češće kao kiselina za gnojivobudući da je njegova koncentracija obično niža od koncentracije kiseline dobivene kontaktnim postupkom.

U završnoj fazi ovog procesa, plinovi se propuštaju kroz još jedan reaktor koji se naziva Gay-Lussacov toranjgdje započinje kontinuirani proces čišćenja korištenjem koncentriranih, hladnih kiselina iz Gloverovog tornja. Konačno, neobrađeni plinovi se ispuštaju u atmosferu, idealno s najnižim mogućim sadržajem onečišćujućih tvari.

Povijest sumporne kiseline

Njihovo podrijetlo seže u srednji vijek, kada su, umjesto znanstvenika, bili alkemičari Oni koji su eksperimentirali s tvarima dobivenim iz zemlje, od kojih je većina bila prirodna, iako su neki uspjeli proizvesti spojeve. To je slučaj s Džabir Ibn Hajjan, koji je bio jedan od pionira u opisu sumporne kiseline korištenjem metoda koje su uključivale destilaciju sulfatnih minerala i smjesa s drugim spojevima.

Kasnije, u sljedećim stoljećima, kiselina se počela detaljno proučavati, jer su prepoznate njezine izvanredne kvalitete i potencijalne upotrebe za proizvodnju novih artefakata i proizvoda. Ovaj je proces stekao popularnost tijekom tog doba kroz rasprave i knjige Arapa i Perzijanaca, a kasnije i europskih alkemičara.

U Europi u to vrijeme, posebno u srednjem vijeku, sumporna kiselina bila je poznata kao vitriolVitriol, ili spoj vitriola, vitriolna tekućina ili ulje vitriola, dobiven je iz kristala sulfatne soli. Riječ vitriol dolazi iz latinskog. staklasto tijelo, što se odnosi na kristalne soli sulfata, a njegov prijevod na španjolski bio bi kristal.

Ova komponenta, od samog početka, pokazala se vrlo zanimljivom alkemičarima, toliko da se u određenim vremenima smatrala mogućim filozofski kameniako je među njegovim najčešćim primjenama bila reagiranje tvari radi promatranja promjena boje, taloga i transformacija.

Johann Glauber, njemački kemičar nizozemskog podrijetla, uspio je dobiti sumpornu kiselinu, ili vitriol, postupkom izgaranje sumpora kalijevim nitratom u prisutnosti vodene pare. To je bilo zato što se, kako se kalijev nitrat razgrađuje, moglo vidjeti kako sumpor oksidira u SO₂.₃koji je, kada se kombinira s vodom, dao spoj. To je postala izvrsna metoda za komercijalizaciju sumporne kiseline jer ju je bilo jednostavnije proizvesti. masovna proizvodnja.

Otprilike sredinom 18. stoljeća, oko 1746. godine, počela se koristiti metoda komore obložene olovom, što je stabiliziralo industriju proizvodnje olova i omogućilo širu trgovinu. Kasnije, u 19. stoljeću, razvijeni su održiviji i učinkovitiji procesi; 1831. godine uveden je pristup koji je, uz naknadna poboljšanja katalizatora i apsorpcije, doveo do... postupak kontakta koji danas osigurava većinu opskrbe.

Početne razine koncentracije starih procesa bile su relativno niske, otprilike jedna 40%Međutim, to je poboljšano proučavanjem karakteristika spoja, što je dovelo do proizvodnje novih proizvoda koji su zahtijevali veće koncentracije. S poboljšanjima katalizatora i apsorpcijskih sustava, sumporna kiselina počela se proizvoditi u sve čišćim i koncentriranijim oblicima, postajući stup moderne kemijske industrije i ključni pokazatelj stupnja industrijalizacije zemalja.

Sumporna kiselina 98%-tne i druge koncentracije

U industrijskom sektoru, jedna od najvažnijih prezentacija je 98% sumporna kiselinašto se smatra praktički koncentriranim. Ova čistoća je temeljna za provođenje procesa koji zahtijevaju precizna kontrola kiselosti i minimizirati prisutnost vode.

Iz ove koncentrirane kiseline moguće je pripremiti otopine različitih koncentracija. komercijalne koncentracijekoji su prilagođeni specifičnim primjenama u industriji, poljoprivredi, automobilskoj industriji ili čišćenju. Neke uobičajene koncentracije su:

• 30-40%: koristi se u određenim površinskim tretmanima i specifičnim formulacijama, s umjerenom, ali i dalje vrlo korozivnom kiselošću.
• 50-60%koristi se u industrijskim procesima koji zahtijevaju ravnotežu između reaktivnosti i rukovanja, na primjer, u nekim fazama proizvodnje gnojiva ili deterdženata.
• 98%visoko koncentrirana kiselina, tipična za kontaktni proces, koristi se kao osnovna sirovina za većinu industrijskih primjena i za proizvodnju oleum (smjesa sumporne kiseline sa SO)₃).

Kontroliranje koncentracije je ključno, jer je bitno za učinak drugih. viskoznostje Kapacitet reakcije, rizik od korozije opreme i materijala, kao i sigurnosnih zahtjeva pri prijevozu i skladištenju.

Primjena i mjere opreza pri sumpornoj kiselini

Nakon što se upoznaju svi aspekti i povijest prvog dobivanja ovog spoja, izuzetno je važno znati što je njegovo najčešće primjene i Mjere opreza to se mora uzeti u obzir, jer se u većini tih procesa tvar zagrijava do te mjere da bi u slučaju kontakta mogla ozbiljno opeći bilo koga.

Najčešći programi

• neki industrijski procesi Proizvođačima drva i papira potrebna je sumporna kiselina, kao i tekstilnoj industriji, gdje se koristi za obrada vlakana i podešavanje pH u različitim fazama obrade.
• Industrija proizvodnje gnojiva zabilježila je povećanu potrošnju i potražnju za ovim spojem, budući da su njegove komponente vrlo učinkovite za... proizvodnja fosfatnih gnojiva i anorganski. To je zato što djeluje kao reagens za proizvodnju fosforna kiselina y amonijev sulfat, između ostalog, koji se koriste kao gnojiva.
• U većini slučajeva ovaj spoj se koristi kao sirovinaiako se rijetko odražava u konačnom proizvodu. Intervenira kao katalizator, dehidracijsko ili oksidacijsko sredstvo u mnogim procesima kemijske sinteze.
• Među najvažnijim upotrebama su prerada nafteObrada čelika (kiseljenje i čišćenje metalnih površina), proizvodnja pigmenata, izrada eksplozivi, plastika, sintetička vlakna i deterdženti, kao i vađenje obojeni metali kao što su bakar, nikal ili cink.
• Služi kao metoda za obrada metala razni materijali poput čelika, bakra, vanadija, između ostalog, uklanjanje površinskih oksida i priprema površina za premaze, pocinčavanje ili naknadne tretmane.
• U nekim zemljama njegova upotreba je strogo pod nadzorom vlasti jer se može koristiti u proizvodnji ilegalnih droga ili eksploziva, kao i zbog opasnosti za okoliš ako se s njim nepravilno rukuje.
• Njegova najizravnija upotreba, da tako kažem, je u proizvodnji sulfonirani surfaktanti, koji se ugrađuju organskom sulfonacijom ili sulfuracijom, temeljnim procesima u industrijama deterdženti i sredstva za čišćenje.
• u automobilska industrija Koristi se u olovne baterijegdje otopina sumporne kiseline djeluje kao elektrolit, omogućujući pohranu i oslobađanje električne energije.
• u farmaceutska industrija Uključen je u sintezu brojnih aktivnih sastojaka i pomoćnih tvari, zbog svoje uloge kao sredstva za sulfoniranje, dehidraciju i podešavanje pH vrijednosti u fazama reakcije i pročišćavanja.
• U polju čišćenje i održavanje kućanstvaU kontroliranim koncentracijama i pod određenim formulacijama, koristi se u nekim deblokatori i sredstva za čišćenje odvoda, koristeći njihovu sposobnost otapanja organskih tvari. Međutim, njihova upotreba mora biti izuzetno oprezna.

Mjere opreza

Proizvodni procesi sumporne kiseline mogu biti izuzetno opasni jer se u većini, ako ne i u svim slučajevima, spoj zagrijava na ekstremne temperature. Stoga je bitno zapamtiti da se prilikom razrjeđivanja mora pravilno pripremiti. izliveno na vodu i nikada obrnuto, jer to može uzrokovati agresivnih prskanja što može uzrokovati teške opekline kože.

Sumporna kiselina je vrlo korozivno, oksidirajuće i dehidrirajućeStoga, kontakt s tkivima može ih ozbiljno oštetiti. Čak i minimalna količina sumporne kiseline u kontaktu s kožom može uzrokovati kemijske opekline vrlo ozbiljno. Kontakt s očima može uzrokovati trajno oštećenje pa čak i sljepoću.

Također morate biti oprezni Ne udisati isparenja ili aerosoli koji se oslobađaju reakcijama sumporne kiseline s drugim tvarima, jer uzrokuju otežano disanje i osjećaj peckanja u dišnim putovima. Dugotrajna izloženost maglicama sumporne kiseline povezana je s kroničnim iritacijama, pa čak i povećanim rizikom od ozbiljnih respiratornih problema.

Iako sama sumporna kiselina Nije zapaljivo, u kontaktu s određenim metalima oslobađa hidrogenTo je lako zapaljiv i eksplozivan plin. Nadalje, može biti zapaljiv u kombinaciji s drugim materijalima, čak i vodom, ako se s njim ne rukuje pravilno, zbog... egzotermna reakcija koji se proizvodi kada se oboje pomiješa.

Jedna od najvažnijih mjera opreza je da se ova kiselina uvijek mora dodati u vodu i nikada obrnuto. Budući da razrjeđivanje sumporne kiseline oslobađa puno topline, izlijevanje vode na sumpornu kiselinu moglo bi izazvati burnu egzotermnu reakciju koja bi generirala prskanje i opasne pare.

U slučaju kontakta s kožom, nemojte odmah primijeniti vodu pod tlakom na veliku količinu koncentrirane kiseline bez prethodnog ukloniti višak i djelomično neutralizirati, jer toplina nastala razrjeđivanjem može pogoršati ozljedu. Preporučuje se slijediti postupke navedene u sigurnosno-tehnički list proizvoda, koristeći obilne otopine sapuna ili blaga neutralizirajuća sredstva kada je to preporučeno, a zatim ispirite tekućom vodom dulje vrijeme.

Za rješavanje toga, korištenje osobna zaštitna oprema Odgovarajuća osobna zaštitna oprema (OZO): rukavice otporne na kemikalije, zaštitne naočale ili štitnici za lice, zaštitna odjeća, maske ili oprema za disanje kada postoji rizik od udisanja para ili aerosola te prikladna obuća. Skladištenje treba biti u spremnicima. odobreno i otporno na koroziju, kao što su polietilen visoke gustoće ili posebne staklene posude, na hladnim, prozračenim mjestima i dalje od nekompatibilnih tvari (jake baze, reaktivni metali, redukcijska sredstva, zapaljivi organski materijali itd.).

Kompatibilnosti i nekompatibilnosti sumporne kiseline

Prilikom projektiranja ili korištenja postrojenja koja rukuju sumpornom kiselinom, bitno je znati što materijali su kompatibilni a što su oni? inkompatibilan ili opasno.

• Kompatibilan: voda (uvijek dodajući kiselinu u vodu), otporni plastični materijali kao što su polietilen visoke gustoće (HDPE), neki fluoropolimeri i borosilikatno staklo ili otporne keramike.
• Nekompatibilno: reaktivni metali (aluminij, cink, magnezij itd., koji stvaraju vodik), zapaljivi organski materijali, jake alkalne tvari (hidroksidi), redukcijska sredstva (sulfiti, nitriti itd.) i tvari koje mogu izazvati burne ili nekontrolirane egzotermne reakcije.

Ispravan odabir materijala i projektiranje odgovarajućih sustava za zadržavanje i ventilaciju značajno smanjuju rizike povezane s curenjem, korozijom opreme i nesrećama.

Sumporna kiselina postala je bitan input za modernu industriju, fundamentalna u proizvodnji gnojiva, rafiniranju nafte, sintezi bezbrojnih kemijskih spojeva te u proizvodnji baterija, deterdženata, vlakana i naprednih materijala. Temeljito razumijevanje njezinih svojstava, povijesti, proizvodnih procesa i, prije svega, sigurnosnih mjera za rukovanje i skladištenje, omogućuje nam da maksimalno iskoristimo njezin potencijal, a istovremeno kontroliramo rizike za ljude i okoliš.