Влияние производства серной кислоты на биосферу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

по охране окружающей среды

Влияние производства серной кислоты на биосферу



Содержание

Введение

1. Общая характеристика серной кислоты

2. Производство серной кислоты контактным способом

3. Окисление SO2 в SO3 кислородом (получение триоксида серы)

4. Поглощение триоксида серы. Получение H2SO4

5. Экологические проблемы, связанные с производством серной кислоты, и способы их решения



Введение

Цель моего реферата - изучить влияние производства серной кислоты на биосферу.

Для этого я поставил следующие задачи:

- Изучить литературу по данному вопросу;

- Рассмотреть технологию производства серной кислоты;

- Выделить экологические проблемы, связанные с производством кислоты;

- Оформить рисунки, схемы, подготовить презентацию.

Широкое применение серная кислота находит в органическом синтезе, в производстве красок, пластмасс, взрывчатых веществ, различных медицинских препаратов.

По мере расширения производства химических продуктов увеличивается производство серной кислоты.



Серная кислота - бесцветная жидкость без запаха. Смешивается с водой во всех соотношениях, растворение сопровождается выделением значительного количества тепла, паров и газов.

Чрезвычайно агрессивное вещество, поражает дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывает затруднение дыхания, кашель, нередко - ларингит, трахеит, бронхит и т. д.

Пролив отработанной серной кислоты на почву полностью уничтожает почвенную микрофлору, живые организмы, семена и корни растений и делает почву непригодной для роста и развития растений и живых организмов в будущем.

Воздействие серной кислоты на организм человека. Класс опасности II. При вдыхании паров серной кислоты возникает раздражение и ожог глаз, слизистых оболочек носоглотки, гортани, носовые кровотечения, боль в горле, охриплость голоса из-за спазма голосовой щели, развивается отек голосовых связок, гортани, легких, вызывающий резкое затруднение дыхания. Лицо отравившегося человека становится синюшным, зрачки расширяются. Попадание серной кислоты в глаза грозит потерей зрения. При попадании серной кислоты на кожу возникают трудно поддающиеся лечению химические ожоги, при которых редко возникают пузыри, так как в своем большинстве они относятся к ожогам III и IV степени. Тяжесть поражения кожи и слизистых оболочек при химическом ожоге зависит от концентрации кислоты, длительности ее действия на ткани и площади ожога. Однако, при длительном воздействии, вызвать ожог может и слабый раствор серной кислоты. Ожог может существенно углубиться за 20-30 мин., если его распространению способствует пропитанная кислотой одежда.

Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.



1. Общая характеристика серной кислоты

Безводная серная кислота - тяжелая бесцветная маслянистая жидкость, растворяющаяся в воде в любых соотношениях.

Она гигроскопичная, нелетучая, без запаха, не проводит электрический ток. При температуре 10,3°C затвердевает, образуя кристаллы, похожие на лёд. Температура кипения составляет 296,2°С, при дальнейшем повышении температуры она разлагается.

Плотность 1,83 г/мл (200°С). Это молекулярное вещество, относящееся к сильным двухосновным кислотам, структура которого соответствует модели, изображённой на рисунке в введении.

Химические свойства серной кислоты во многом зависят от её концентрации. В лабораториях и промышленности применяют разбавленную и концентрированную серную кислоту, хотя это деление условно (четкую границу между ними провести нельзя).

Взаимодействие с металлами.

Разбавленная серная кислота взаимодействует с некоторыми металлами, например с железом, цинком, магнием, с выделением водорода:

Fe + H2SО4 = FeSO4 + H2^

Некоторые малоактивные металлы, такие как медь, серебро, золото, с разбавленной серной кислотой не реагируют.

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Она окисляет многие металлы.

Продуктами восстановления кислоты обычно является оксид серы (IV), сероводород и сера (H2S и S образуется в реакциях кислоты с активными металлами - магнием, кальцием, натрием, калием и др.).

Примеры реакций:



Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2+ 2H2O

Mg + 2H2SO4 = MgSO4 + SO2+ 2H2O или

4Mg + 5H2SO4 = 4MgSO4 + H2S + 4H2O

Серная кислота высокой концентрации (практически безводная) не взаимодействует с железом в результате пассивации металла.

Явление пассивации связано с образованием на поверхности металла прочной сплошной пленки, состоящей из оксидов или других любых соединений, которая препятствует контакту металла с кислотой.

Благодаря пассивации можно перевозить и хранить концентрированную серную кислоту в стальной таре.

Концентрированная серная кислота пассивирует также алюминий, никель, хром, титан.

Взаимодействие с неметаллами.

Концентрированная серная кислота может окислять неметаллы, например:

S + 2H2SO4 = 3SO2 + 2H2O

Окислительные свойства концентрированной серной кислоты могут также проявляться с некоторыми сложными веществами - восстановителями, например:

2KBr + 2H2SO4 = Br2 + SO2 + K2SO4 + 2H2O

Взаимодействие с основными оксидами и основаниями.

Серная кислота проявляет все типичные свойства кислот.

Так, она реагирует с основными и амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей.

Как двухосновная кислота H2SO4 образует два типа солей:

- средние соли - сульфаты;

- кислые соли - гидросульфаты.

Примеры реакций:

Сульфат алюминия:

Al2O3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2O

Сульфат калия:

2KOH + H2SO4 = K2SO4 + 2H2O

Гидросульфат калия:

KOH + H2SO4 = KHSO4 + H2O

Гидросульфаты образуются, когда кислота берётся в избытке.

Многие соли серной кислоты выделяются из растворов виде кристаллогидратов, например:

Al2 (SO4)3 +•18H2O

Na2SO4 •+ 10H2O

Взаимодействие с солями.

С некоторыми солями кислота вступает в реакции обмена, например:

CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O

BaCl2+ H2SO4 = ВаSO4 + 2HCl

Последняя реакция является качественной на серную кислоту и ее соли: об их присутствии в растворе судят по образованию белого осадка BaSO4, который практически не растворяется в концентрированной азотной кислоте.

Взаимодействие с водой.

При растворении в воде серная кислота активно взаимодействует с ней образуя гидраты:

nH2O + H2SO4 = H2SO4 + nH2O

Благодаря способности связывать воду серная кислота является хорошим осушителем.

2. Производство серной кислоты контактным способом

Исходным сырьём для производства серной кислоты могут быть: сера, сероводород, сульфиды металлов.

Рассмотрим производство серной кислоты контактным способом, при котором исходным сырьём является пирит FeS2.

Весь процесс можно разбить на три последовательных стадии:

- получение диоксида серы;

- окисление его до триоксида;

- поглощение триоксида серы.

Конструкция аппаратуры.

Для обжига колчедана применяются специальные печи.

Наиболее эффективны печи со взвешенным («кипящим») слоем колчедана.

В печах такой конструкции частицы колчедана находятся во взвешенном состоянии благодаря потоку воздуха, который подается противотоком (снизу через решетку в печи).

А колчедан в свою очередь поступает через загрузочное отверстие в верхней части печи.

Эффективность работы таких печей (1800 кг/м. куб. в сутки) намного выше, чем соответствующих аппаратов другой конструкции.

Обжиг пирита, получение диоксида серы. Очистка печного газа:

4FeS2 + 11O2 =2Fe2O3 + 8SO2 + Q

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800С.

Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалено красного цвета.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается.

Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe2O3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве). Таким образом выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

В результате обжига пирита получается обжиговый газ, состав которого: SO2, O2, который, кроме диоксида серы, содержит кислород, азот, пары воды и другие примеси.

Некоторые из этих примесей вредны для последующих процессов производства кислоты, поэтому обжиговый газ подвергают тщательной очистке от твердых частиц и влаги.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз).

Для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы - SO2 и кислорода - О2.

3. Окисление SO2 в SO3 кислородом (получение триоксида серы)

2SO2 + O2 =2SO3 + Q

Протекает в контактном аппарате. Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (полученияSO3):

а) температура:

Прямая реакция является экзотермической (+Q), согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в системе необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путём химики-технологи установили, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO3 является температура 400-500°С. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Установили, что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия(V) - V2O5.

б) давление:

Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2VSO2 и 1VO2), а справа - 2V SO3. Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать.

Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении.

Прежде чем смесь SO2 и O2 попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С.

Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок.

Внутри трубок проходит горячий SO3 из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO2 и О2 продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате.

Температура 400-500°С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO2 в SO3. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления оксида серы (IV) - SO2 в оксид серы (VI) - SO3.

Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

4. Поглощение триоксида серы. Получение H2SO4

Протекает в поглотительной башне, в которую поступает полученный оксид серы (VI).

А почему оксид серы SO3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде:

SO3 + H2O = H2SO4

Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар).

Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту.

Два процента воды - это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным.

Оксид серы очень хорошо растворяется в рассматриваемой кислоте, образуя олеум:

H2SO4 * nSO3

Уравнение реакции этого процесса:

nSO3 + H2SO4 =H2SO4 * nSO3

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад.

Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Олеум может быть разбавлен водой до серной кислоты нужной концентрации.



5. Экологические проблемы, связанные с производством серной кислоты, и способы их решения

Научно-техническая революция и связанный с ней интенсивный рост химического производства, вызывает существенные негативные изменения в окружающей среде. Например, отравление пресных вод, загрязнение земной атмосферы, истребление животных и птиц.

В результате мир оказался в тисках экологического кризиса. Важно подчеркнуть, что в сернокислотном производстве перерабатывают и получают такие вещества, как сероводород H2S, оксид серы (IV) SO2, оксид серы (VI) SO3, серную кислоту H2SO4.

Эти вещества, присутствуя в воздухе, вредно отражаются на здоровье людей, губительно действуют на растения, разрушают постройки.

Именно поэтому уделяется серьезное внимание проблеме охраны окружающей среды от загрязнения.

Можно выделить целый ряд экологических проблем, связанных с производством серной кислоты:

1. Связана с обжигом серного колчедана FeS2 и других сульфидных руд. При обжиге, протекающем в «кипящем слое», получающийся оксид металла, напри мер Fe2O3, выделяется в атмосферу:

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

Это можно объяснить тем, что для аппаратов обжига в «кипящем слое» требуется порошок руды, подвергшийся сильному измельчению. В результате обжига образуется оксид железа или другого металла с очень маленькими частицами. С улавливанием этих частиц фильтры могут не справиться. Частицы оксида могут попасть в атмосферу при выгрузке из печи. Попадание в атмосферу измельченных оксидов железа или других металлов называют металлизацией атмосферы.

2. При производстве серной кислоты в атмосферу попадает много оксида серы (IV):

2SO2 + O2 = 2SO3

Это связано с тем, что производственные установки не всегда герметичны, а также с тем, что иногда автоматические системы управления не справляются с работой, что приводит к аварийным выбросам.

3. Для производства серной кислоты нередко используется сера, получаемая из сероводорода (это вещество является отходом ряда производств). Производится сера с помощью неполного окисления сероводорода. Эта технологическая схема несовершенна - около 20% серы идет на образование оксида серы (IV), который выделяется в атмосферу. В ходе производства возможны выбросы в атмосферу оксида серы (VI) и серной кислоты:

SO3+ H2O = H2SO4

4. Взаимодействуя с другими компонентами воздуха и атмосферной влагой, оксид серы (VI) образует мельчайшие частицы сульфатных солей.

Вместе с капельками серной кислоты они при определенных условиях (дождях, бурях) образуют «кислотные осадки», которые губят лесные массивы, нарушают жизнедеятельность водных экосистем, вызывают серьезные нарушения здоровья животных и человека, особенно их дыхательной системы. Эти выбросы считаются аварийными, но они возможны и, к сожалению, случаются нередко. Способы решения экологических проблем, связанных с производством серной кислоты:

1. Один из способов разрешения экологических проблем - использование технологических схем, сводящих к минимуму загрязнение атмосферы:

1) непрерывность процесса;

2) циркуляционные процессы (непрореагировавшие вещества возвращаются в сферу реакции);

3) принцип противотока (увеличивается площадь поверхности реагирующих веществ и скорость реакции);

4) комплексное использование сырья, безотходная технология;

5) выбор оптимального сырья и режима его переработки.

В мире около 80% серной кислоты производится из серы, а не из пирита FeS2. Это позволяет избежать металлизации атмосферы.

2. Еще один важный путь - это совершенствование технологического оборудования, в частности различных фильтров и поглотителей. Большое значение имеет профилактический ремонт оборудования, а также установка современных автоматических систем управления производством.

Вредные выбросы сернокислых заводов следует оценивать не только по действию содержащегося в них оксида серы (IV) на расположенные вблизи предприятия зоны, но и учитывать другие факторы - увеличение количества случаев респираторных заболеваний человека и животных, гибель растительности и подавление ее роста, разрушение конструкций из известняка и мрамора, повышение коррозионного износа металлов. По вине “кислотных” дождей повреждаются и памятники архитектуры.

В зоне до 300 км. от источника загрязнения (SO2) опасность представляет серная кислота, в зоне до 600 км. - сульфаты. Серная кислота и сульфаты замедляют рост сельскохозяйственных культур. Закисление водоемов (весной при таянии снега), вызывает гибель икры и молоди рыб. Помимо экологического ущерба налицо экономический ущерб - громадные суммы каждый год теряются при раскисление почв.

3. Рассмотрим химические методы отчистки: наиболее перспективны методы, основанные на:

- поглощение оксида серы (IV) известняком;

- поглощение раствором сульфита - гидросульфита аммония;

- поглощение щелочным раствором алюмината натрия;

- интерес также представляют каталитические методы окисления оксида серы (IV) в присутствии оксида ванадия (V).

Мне кажется, что всем отходам должно быть придумано повторное применение, так как сложно представить полностью безотходное производство.

Вклад химии в защиту окружающей среды может стать значительно больше, если будет изучен процесс взаимодействия человека и природы.

Наибольшей преградой на пути к безопасному использованию химических веществ является недостаточность знаний.

Этапы решения экологических проблем.

В начале важно подчеркнуть, что в сернокислотном производстве перерабатывают и получают такие вещества, как сероводород H2S, оксид серы (IV) SO2, оксид серы (VI) SO3, серную кислоту H2SO4. Эти вещества, присутствуя в воздухе, вредно отражаются на здоровье людей, губительно действуют на растения, разрушают постройки и т. п.

Именно поэтому уделяется серьезное внимание проблеме охраны окружающей среды от загрязнения.

Далее можно выделить целый ряд экологических проблем, связанных с производством серной кислоты. Первая связана с обжигом серного колчедана FeS2 и других сульфидных руд.

При обжиге, протекающем в «кипящем слое», получающийся оксид металла, например Fe2O3, выделяется в атмосферу:

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O2 + 8SO2

Это можно объяснить тем, что для аппаратов обжига в «кипящем слое» требуется порошок руды, подвергшийся сильному измельчению. В результате обжига образуется оксид железа или другого металла с очень маленькими частицами. С улавливанием этих частиц фильтры могут не справиться. Частицы оксида могут попасть в атмосферу при выгрузке из печи. Попадание в атмосферу измельченных оксидов железа или других металлов называют металлизацией атмосферы. При производстве серной кислоты в атмосферу попадает много оксида серы:

2SO2 + O2 = 2SO3

Это связано с тем, что производственные установки не всегда герметичны, а также с тем, что иногда автоматические системы управления не справляются с работой, что приводит к аварийным выбросам.

Для производства серной кислоты нередко используется сера, получаемая из сероводорода (это вещество является отходом ряда производств). Производится сера с помощью неполного окисления сероводорода. кислота экология здоровье

Эта технологическая схема настолько несовершенна, что около 20% серы идет на образование оксида серы, который выделяется в атмосферу.

В ходе производства возможны выбросы в атмосферу оксида серы и серной кислоты:

SO3 + Н2О = H2SO4

Эти выбросы считаются аварийными, но они возможны и, к сожалению, случаются нередко. Один из способов разрешения экологических проблем - использование технологических схем, сводящих к минимуму загрязнение атмосферы:

1) непрерывность процесса;

2) циркуляционные процессы (не прореагировавшие вещества возвращаются в сферу реакции);

3) принцип противотока (увеличивается площадь поверхности реагирующих веществ и скорость реакции);

4) комплексное использование сырья, безотходная технология;

5) выбор оптимального сырья и режима его переработки.

Так, например, в мире около 80% серной кислоты производится из серы, а не из пирита FeS2. Это позволяет избежать металлизации атмосферы.

Еще один важный путь - это совершенствование технологического оборудования, в частности различных фильтров и поглотителей. Большое значение имеет профилактический ремонт оборудования, а также установка современных автоматических систем управления производством.

Размещено на Allbest.ru