Question

【題目】生產(chǎn)工藝的實現(xiàn)，涉及能源消耗、環(huán)境保護、綜合經(jīng)濟效益等等。

Ⅰ.(1)下列單元操作中采用了熱交換工藝設(shè)備，以利用化學反應(yīng)中放出的熱量，達到節(jié)能減排效果的有_______(填序號)。

A. 電解食鹽水制燒堿 B. 合成氨中的催化合成

C. 硫酸生產(chǎn)中的催化氧化 D. 煅燒石灰石制取生石灰

Ⅱ.以硅藻土為載體的五氧化二釩(V2O5)是接觸法生成硫酸的催化劑。從廢釩催化劑中回收V2O5既避免污染環(huán)境又有利于資源綜合利用。廢釩催化劑的主要成分為：

物質(zhì)	V2O5	V2O4	K2SO4	SiO2	Fe2O3	Al2O3
質(zhì)量分數(shù)/%	2.20~2.90	2.8~3.32	22~28	60~65	1~2	<1

以下是一種廢釩催化劑回收工藝路線：

回答下列問題：

(2)“酸浸”時V2O4轉(zhuǎn)化為VO2+，反應(yīng)的離子方程式為_________，同時V2O5轉(zhuǎn)化為VO2+。“廢渣1”的主要成分是________。

(3)“氧化”中使VO2+變?yōu)?/span>VO2+，則“氧化”環(huán)節(jié)中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為_____。

(4)“離子交換”和“洗脫”可簡單表示為：4ROH+V4O124-R4V4O12+4OH(以ROH為強堿性陰離子交換樹脂）。為了提高化洗脫效率，淋洗液應(yīng)該呈_______性(填“酸”“堿”“中”)。

(5)檢驗“流出液”中含量最多的陽離子，其實驗操作步驟是____。

(6)“煅燒”中發(fā)生反應(yīng)的化學方程式2NH4VO3V2O5+H2O+2NH3↑，寫出“沉釩”過程的離子方程式__________。

(7)若有100 kg該廢釩催化劑，若轉(zhuǎn)化中釩元素利用率為80%，則最多可回收到V2O5__kg(保留小數(shù)點后一位)。

Answer 1

【答案】BC V2O4+4H+=2VO2++2H2O SiO2 1：6 堿 用鉑絲蘸取“流出液”在無色火焰上灼燒，隔著藍色鈷玻璃觀察，火焰呈紫色，則證明含鉀離子 4NH4++V4O124- =4NH4VO3↓ 5.2

【解析】

I.(1)根據(jù)反應(yīng)過程中能量變化分析；

II. 從廢釩催化劑中回收V2O5，由流程可知，“酸浸”時V2O5轉(zhuǎn)化為VO2+，V2O4轉(zhuǎn)成VO2+。Fe2O3、Al2O3均轉(zhuǎn)化為金屬陽離子，只有SiO2不溶，則過濾得到的濾渣1為SiO2，然后加氧化劑KClO3，將VO2+變?yōu)?/span>VO2+，再加KOH時，鐵離子、鋁離子轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀，同時中和硫酸，過濾得到的濾渣2為Fe(OH)3、Al(OH)3，“離子交換”和“洗脫”可簡單表示為：4ROH+V4O124-R4V4O12+4OH-，由ROH為強堿性陰離子交換樹脂可知，堿性條件下利用反應(yīng)逆向移動，流出液中主要為硫酸鉀，“沉釩”得到偏釩酸銨(NH4VO3)沉淀，“煅燒”時分解生成V2O5，以此解答該題。

(1) A. 電解食鹽水制燒堿是電能轉(zhuǎn)化為化學能，不涉及熱交換器的使用，A不符合題意；

B. N2與H2合成NH3的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，可利用熱交換器使反應(yīng)放出的熱量給需要反應(yīng)的N2、H2先進行預(yù)熱，達到能量的充分利用及節(jié)能減排的效果，B符合題意；

C. 硫酸生產(chǎn)中SO2氧化產(chǎn)生SO3的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，可利用熱交換器使反應(yīng)放出的熱量給需要反應(yīng)的SO2、O2先進行預(yù)熱，使反應(yīng)混合物溫度升高，達到能量的充分利用及節(jié)能減排的效果，C符合題意；

D. 煅燒石灰石制取生石灰的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，不需要使用熱交換器，D不符合題意；

故合理選項是BC；

II.(2) “酸浸”時V2O4轉(zhuǎn)化為VO2+，根據(jù)電荷守恒、原子守恒，可得該反應(yīng)的離子方程式為V2O4+4H+=2VO2++2H2O；“廢渣1”的主要成分是SiO2；

(3)加氧化劑KClO3，可以將VO2+變?yōu)?/span>VO2+，KClO3被還原產(chǎn)生KCl，Cl元素化合價由反應(yīng)前KClO3中的+5價變?yōu)榉磻?yīng)后KCl中的-1價，降低6價，V元素化合價由反應(yīng)前VO2+中是+4價變?yōu)榉磻?yīng)后VO2+中的+5價，升高1價，根據(jù)氧化還原反應(yīng)中元素化合價升降總數(shù)相等，可知化合價升降最小公倍數(shù)是6，所以KClO3與VO2+反應(yīng)的物質(zhì)的量的比是1：6，即“氧化”環(huán)節(jié)中氧化劑KClO3與還原劑VO2+的物質(zhì)的量之比為1：6；

(4)根據(jù)平衡移動原理，要提高化洗脫效率，應(yīng)該使化學平衡逆向移動，應(yīng)該增大溶液中c(OH-)，即淋洗液應(yīng)該呈堿性；

(5)根據(jù)流程圖可知“流出液”中主要為硫酸鉀，含量最多的陽離子是K+，檢驗K+存在的方法是利用焰色反應(yīng)，實驗操作步驟是用鉑絲蘸取“流出液”在無色火焰上灼燒，隔著藍色鈷玻璃觀察，火焰呈紫色，則證明含K+；

(6)“煅燒”中發(fā)生反應(yīng)的化學方程式是2NH4VO3V2O5+H2O+2NH3↑，則“沉釩”過程中加熱NH4Cl會與溶液中的V4O124-反應(yīng)形成NH4VO3，該反應(yīng)的離子方程式為：4NH4++V4O124- =4NH4VO3↓；

(7)若有100 kg該廢釩催化劑，由于其中V2O5的含量為2.20~2.90%，V2O4的含量為2.8~3.32%，若轉(zhuǎn)化中釩元素利用率為80%，則最多可回收到V2O5的質(zhì)量為m(V2O5)=(100 kg×2.90%+100 kg×3.32%×)×80%=5.2 kg。