Trong một nhà máy hóa chất, oleum được sản xuất từ quặng pyrite theo quy trình tiếp xúc kép – hấp thụ qua 3 giai đoạn chính:
• Giai đoạn 1: Quặng pyrite chứa 72,0% FeS2 về khối lượng (còn lại là tạp chất trơ không chứa sulfur) được nghiền mịn và đốt cháy hoàn toàn trong lò tầng sôi với luồng không khí khô dư (chứa 21% O2 và 79% N2 về thể tích). Tỉ lệ nạp nguyên liệu được khống chế ở mức 135 mol không khí trên 1 kg quặng. Xỉ lò thu được chỉ gồm Fe2O3 và tạp chất trơ.
• Giai đoạn 2: Hỗn hợp khí thu được ở giai đoạn 1 (sau khi lọc bụi tĩnh điện, rửa sạch và sấy khô) được đưa vào tháp tiếp xúc đa tầng có lớp xúc tác V2O5. Hiệu suất oxi hóa SO2 thành SO3 của toàn hệ thống đạt 96%.
• Giai đoạn 3: Khí SO3 tạo thành và dung dịch H2SO4 98% (với tỷ lệ khối lượng 124/45) được dẫn qua tháp hấp thụ oleum tưới ngược chiều. Toàn bộ SO3 bị hấp thụ tạo ra một loại oleum thương phẩm có dạng H2SO4.nSO3. Khí không bị hấp thụ thoát ra ở đỉnh tháp có chứa N2, O2 và SO2. Coi các khí này không bị hấp thụ vào dung dịch.
a) Tính phần trăm thể tích các khí thoát ra khỏi tháp ở giai đoạn 3.
b) Xác định công thức của oleum.
c) SO2 trong khí thải của nhà máy được xả trực tiếp ra môi trường thì có thể gây mưa acid. Giải thích bằng phương trình hóa học.
(a) 1 kg (1000 gam) quặng chứa nFeS2 = 1000.72%/120 = 6 mol
135 mol không khí gồm nO2 = 28,35 mol và nN2 = 106,65 mol
4FeS2 + 11O2 —> 2Fe2O3 + 8SO2
6………….16,5…………………….12
nSO2 phản ứng = 12.96% = 11,52
2SO2 + O2 —> 2SO3
11,52….5,76……11,52
Khí sau giai đoạn 3 gồm N2 (106,65), O2 (28,35 – 16,5 – 5,76 = 6,09) và SO2 (12.4% = 0,48), tổng 113,22 mol
Thành phần theo thể tích:
%N2 = 106,65/113,22 = 94,20%
%O2 = 6,09/113,22 = 5,38%
%SO2 = 0,48/113,22 = 0,42%
(b) Xét oleum tạo ra theo tỉ lệ 124 gam SO3 + 45 gam H2SO4 98%
nH2SO4 = 45.98%/98 = 0,45 mol
nH2O = 45.2%/18 = 0,05 mol
SO3 + H2O —> H2SO4
0,05…..0,05……….0,05
nH2SO4 tổng = 0,45 + 0,05 = 0,5 mol
nSO3 còn lại = 124/80 – 0,05 = 1,5 mol
—> n = 1,5/0,5 = 3: Oleum là H2SO4.3SO3
(c) Trong không khí, SO2 bị oxi hóa thành SO3 bởi xúc tác của các ion kim loại nặng:
2SO2 + O2 —> 2SO3
Sau đó H2SO4 được tạo ra và theo nước mưa rơi xuống, khiến pH nước mưa thấp bất thường (mưa acid):
SO3 + H2O —> H2SO4