加载中
加载中
表情图片
评为精选
鼓励
加载中...
分享
加载中...
文件下载
加载中...
修改排序
加载中...
二氧化硫的催化氧化
痕夜汐泽
痕夜汐泽2025/01/12原创 化学 IP:云南

硫酸,作为一种无机强酸,在农业,药品制造,有机合成等方面均有大量使用。如今,我国是世界上硫酸第一生产大国。硫酸的制备方法,也在不断革新、进步。在此文中,我将详细介绍几种关于爱好者的硫酸制备方法。希望借此与大家探讨研究,优化制备流程。


  • 第一种方法具有悠久的历史,即对于硫酸盐的高温干馏法制三氧化硫,并用浓硫酸吸收。用胆矾脱水后的反应方程式如下:

CuSO4==SO3+CuO

在650摄氏度时,无水硫酸铜分解,从而得到三氧化硫。该反应需要持续提供高温环境。该法对于爱好者来说太过麻烦且危险,耗时耗能,产率低下,并且高温下三氧化硫可能进一步分解:

SO3==SO2+O2

选成产率堪忧,因此,该法并不能成为有效的三氧化硫的产生方式。但不论如何,我还是怀着钻研的态度进行了一次实验。

首先,我采用石英管作为反应装置,外部缠绕电热丝组成一个简易的管式炉,在外包3层石棉布后最高温度1300摄氏度。但经过900摄氏度的温度下,接收瓶中并未吸收到任何三氧化硫。

IMG_20250102_162109.jpg

上图是我的工作台。经过实践,无水硫酸铜分解生成三氧化硫必须在远高于650度的温度下才能进行,且效率极低IMG_20250106_160016.jpg

可以观察到我取出的煅烧后的无水硫酸铜样品只是变成了白色粉末,脱出了胆矾的结晶水同时因为管内的一些杂质导致生成的一些黄色的物质。做实验在我使用了15克的胆矾之后并没有产生任何的三氧化硫。因此该方法几乎不可行,已被我弃用。

  • 第二种方法便是电解法。该方法的情况同样不乐观。但是我同样进行了尝试,实验报告如下:

电极选择 阳极:PbO2 阴极:锌锰干电池外层铁筒

IMG_20250106_171529.jpg

安装图如上,因为二氧化铅电极是从废旧的铅酸蓄电池中回收而来,虽有些残破,但是还能用,并且并没有发生任何的腐蚀,工作一切正常。

电解液:硫酸铜饱和溶液

IMG_20250106_171538.jpg电解时电压为13.3伏,电流为1.55安

电解硫酸铜的反应方程式为:CuSO4 + 2H2O = Cu + O2 ↑+ 2H2SO4


在电解硫酸铜的过程中,硫酸铜溶液中的铜离子(Cu²⁺)在阴极上得到电子被还原成金属铜(Cu),而水分子在阳极上失去电子被氧化成氧气(O2)和氢离子(H⁺)。这些氢离子与溶液中原有的硫酸根离子结合,形成硫酸(H2SO4)。

IMG_20250109_232727.jpg

过约六小时的电解,约500毫升的饱和硫酸铜溶液电解完成变为浅绿色至无色液体,PH值约为2。浓度十分低,几乎无实际作用,因此需要对其加热浓缩。

IMG_20250110_061142.jpg

经过加热浓缩最终得到黄绿色的带有许多杂质的85%左右的硫酸。但是这么一大瓶稀硫酸最终只获得了实际大约15毫升的浓硫酸,并且不可避免的掺杂有铁离子,铜离子等杂质。于实验极其不利

于是,该种方法也应该被剔除。

此外,关于各大网站上流行的使用草酸与硫酸铜生成草酸铜沉淀和硫酸,仅凭借微不足道的沉淀溶解平衡拉动反应进行,实在是低效且无用的。耗费大量人力物力,并且没有实现爱好者的目标。

  1. 基于此,我联想到了二氧化硫的催化氧化即硫酸的工业制法。此法在kechuang上已有成功先例,因此我将进行尝试。这也是耗费我最多时间的一次尝试,下面是我的所有实验流程。希望能与大家共同交流学习

二氧化硫转化为三氧化硫的催化剂有多种: 铂 五氧化二钒 三氧化二铬 氧化铜、氧化铝、三氧化二铁等。我将在此文中探究铂催化剂,五氧化二钒-硫酸盐-硅藻土催化剂 ,三氧化二铬催化剂,三氧化二铁催化剂。在此文中,我将尝试五氧化二钒催化剂。 首先,我并没有条件获得试剂级的五氧化二钒,因此,自行制备出高纯度的五氧化二钒是有必要的。

于是我用代购处购买的罗恩的偏钒酸钠与氯化铵行反应,沉淀出偏钒酸铵,然后用偏钒酸铵洗涤干燥后进行煅烧,以下是实验流程:

IMG_20250110_235232.jpg

将偏钒酸钠与氯化铵一摩尔比1比2的配比投入反应(实际上氯化铵应过量一些)

首先,取偏钒酸钠固体并将其溶解在水中,使用温度计时刻监视溶液温度,待溶液温度达到50℃时迅速倾入氯化铵固体(此处若采用硝酸铵固体更佳,但考虑到成本问题,及硝酸铵另有他用,故采用氯化铵,但是在之后的煅烧过程中煅烧时间应延长,并通入空气)


IMG_20250103_215013.jpg

若采用氯化铵,会导致偏钒酸铵中不可避免的混入少量氯化铵杂质,使用硝酸铵便无此忧(上图为使用氯化铵沉淀的偏钒酸铵在锻烧过程中石英管一侧产生酸性气体,一侧产生碱性气体:即发生了氯化铵杂质在高温下的分解反应NH4Cl→NH3+HCl

冰水洗涤沉淀后,转移至蒸发皿中干燥至成为块状固体

Screenshot_20250111_001552_com.huawei.himovie.jpg

此时在150-200℃下,偏钒酸铵已分解,但是生成的是水合氨钒盐,必须经过在石英管中450-550℃煅烧1.5小时后才可得到五氧化二钒

Screenshot_20250111_001524_com.huawei.himovie.jpg

之后经过粉碎放入石英管内煅烧,切忌不可在坩埚中加热偷懒!

IMG_20250103_232942.jpg

曾有一次煅烧中温度上升至590℃以上,导致V2O5部分分解:2V2O5→2V2O4+O2↑

幸好之后黑色的V2O4经过重新回炉500℃通空气煅烧下又生成了V2O5

2V2O4+O2→V2O5

  • 本人尝试了许多次V2O5的制备,曾多次失败,生产出各种良莠不齐的五氧化二钒,当然,它们作为催化剂原料投入反应后均失败了,下面仅展示制备最成功的一次产品图片

IMG_20250104_154634.jpg

可以看到此次产品为本人工艺的顶峰,黄色的五氧化二钒粉末在阳光下熠熠生辉…令我欣喜若狂。于是我们已经有了二氧化硫的催化氧化的主要材料

接下来我尝试了使用自制的五氧化二钒制备催化剂

主要材料为氢氧化钾 碳酸氢钠 五氧化二钒 硫酸 硅藻土

配方(来自kechuang 赵冥毅 在此致敬)16g氢氧化钾,3.8g碳酸氢钠,8g五氧化二钒,9mlKK鲨鱼,80g硅藻土

步骤一:将氢氧化钾,碳酸氢钠溶于水中,而后倾入五氧化二钒,得到红绿混色溶液,再缓缓少量多次加入稀释冷却后的KK鲨鱼,溶液中产生红色的五氧化二钒胶体,而后倾入40g硅藻土搅拌20min,转移研磨,加入40g剩余硅藻土与1.8g硫磺,研磨40min

步骤二:转至敞口容器中120摄氏度翻炒干燥1.5h,压碎结块。

步骤三:送入石英管中600摄氏度通氧煅烧2h即可获得成品催化剂

以下是本人实践过程


IMG_20250104_170102.jpg

这是偏钒酸钾偏钒酸钠混合溶液中加入硫酸后生成的含有五氧化二钒混液,但是并没有赵冥毅同志文章中说的悬浊液的现象,原因未知,并且在赵冥毅的文章中,他所配置的偏钒酸钾,偏钒酸钠溶液是红色的强碱性溶液,但是经过本人实践产生的却是绿色的强碱性溶液,红色是在引入了硫酸之后才变红的,这一点让我很不解。

同时可以观察到生成的是一些红色的沉淀,而不是五氧化二钒的胶体,也许是我那么多次催化剂制备失败的十分关键的原因。

IMG_20250104_205747.jpg

无论如何,都做到了这一步,只有硬着头皮进行下去了。于是接照流程开始研磨,并加入硫磺造孔

IMG_20250104_205914.jpg

使用的是片状工业硫磺

IMG_20241222_171403.jpg

翻炒干燥,得到红橙色粉末

之后将催化剂送入石英管中,600度下通氧煅烧两个小时,下面直接放成品图IMG_20250105_103809.jpg

观察到为黄色粉末,具有工业上五氧化二钒催化剂的颜色,但是与赵冥毅文章中的颜色完全不同,并且经过测试,该催化剂似乎并没有催化作用……

也就是说失败了……

失败原因正在整理,可能会在之后的文章中进行叙述,是本人第一次发文,嗯…希望能与大家共同切磋交流,共同进步

之后我将会尝试使用三氧化二铬博士催化剂以及三氧化二铁二氧化锰等,尝试对二氧化硫进行催化氧化,敬请期待⊹꙳ ˶˙ᵕ˙˶ ⊹꙳


来自:数理化 / 化学动手实践:实验报导
0
1
新版本公告
~~空空如也

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

所属专业
所属分类
上级专业
同级专业
插入公式
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也