1、(2)(2)工艺流程题补充练习工艺流程题补充练习钒钒1.1.钒是一种重要的金属材料钒是一种重要的金属材料,其用途之一是制备催化剂其用途之一是制备催化剂,如接触法生产硫酸中如接触法生产硫酸中使用的催化剂使用的催化剂(主要成分主要成分V V2 2O O5 5、V V2 2O O4 4)。利用废催化剂回收制备。利用废催化剂回收制备V V2 2O O5 5的工艺流程的工艺流程如下如下:已知已知:20:20 时时,NH,NH4 4VOVO3 3的的K Kspsp=1.68=1.681010-2-2回答下列问题回答下列问题:(1)(1)步骤为提高浸取效率采取方法有步骤为提高浸取效率采取方法有_(_(任写两
2、条任写两条)。(2)(2)步骤中反应的氧化剂是步骤中反应的氧化剂是_。(3)(3)步骤中步骤中 被还原为被还原为ClCl-,该反应的离子方程式为该反应的离子方程式为_。3ClO(4)(4)步骤中步骤中,离子交换效率与离子交换效率与pHpH的关系如图的关系如图,为提高交换效率应控制的为提高交换效率应控制的pHpH范围范围是是_。(5)(5)步骤所发生反应的离子方程式为步骤所发生反应的离子方程式为_。若母液中若母液中 的浓度为的浓度为1.0 molL1.0 molL-1-1,c c(V )=_(V )=_。4NH3O(6)(6)全钒电池是以溶解在一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子全钒电池是以溶解
3、在一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子(V(V2+2+、V V3+3+、VOVO2+2+、V )V )为电极反应的活性物质。一种全钒电池原理如图为电极反应的活性物质。一种全钒电池原理如图,放电时放电时H H+从右从右向左移动。写出充电时阳极的电极反应式向左移动。写出充电时阳极的电极反应式_,_,当转移当转移0.1 mol0.1 mol电子时电子时,转移转移H H+的物质的量为的物质的量为_mol_mol。2O【解析解析】(1)(1)提高浸取的速率可以提高浸取的效率提高浸取的速率可以提高浸取的效率,因此因此,可采用增大接触面积可采用增大接触面积(粉碎废催化剂粉碎废催化剂)、升高浸取温度或搅拌等手
4、段、升高浸取温度或搅拌等手段;(2);(2)步骤中的反应方程式为步骤中的反应方程式为2V2V2 2O O5 5+2Na+2Na2 2SOSO4 4=4NaVO=4NaVO3 3+2SO+2SO2 2+O+O2 2,根据化合价变化判断只有根据化合价变化判断只有S:+6+4,S:+6+4,化化合价降低合价降低,发生了还原反应发生了还原反应,O:-20,O:-20化合价升高化合价升高,发生了氧化反应发生了氧化反应,所以氧化剂所以氧化剂为为NaNa2 2SOSO4 4;(3);(3)分析参与氧化还原反应的离子分析参与氧化还原反应的离子,根据电子转移守恒配平根据电子转移守恒配平,考虑反应考虑反应条件为碱
5、性环境条件为碱性环境,反应前加反应前加OHOH-,反应后生成水。即为反应后生成水。即为6VO6VO2+2+18OH+18OH-=6V +Cl6V +Cl-+9H+9H2 2O O。3ClO3O(4)(4)从图中可知从图中可知pHpH为为6 68 8时交换效率最高时交换效率最高;(5);(5)由由NaVONaVO3 3经沉钒得生成物经沉钒得生成物NHNH4 4VOVO3 3知知,此反应的离子反应方程式此反应的离子反应方程式:+V =NH:+V =NH4 4VOVO3 3,已知已知:20:20 时时,NH,NH4 4VOVO3 3的的K Kspsp=1.68=1.681010-2-2,的浓度为的浓
6、度为1.0 molL1.0 molL-1-1,代入溶度积常数的表达式代入溶度积常数的表达式c c()()c c(V )=1.68(V )=1.681010-2-2,所以所以c c(V )=1.68(V )=1.681010-2-2 molL molL-1-1;4NH3O4NH4NH3O3O(6)(6)放电时放电时H H+从右向左移动从右向左移动,则充电时则充电时H H+从左向右移动从左向右移动,表明电解池表明电解池(充电时充电时)的的阳极为左泵、阴极为右泵阳极为左泵、阴极为右泵,所以阳极反应为所以阳极反应为VOVO2+2+H+H2 2O-eO-e-=V +2H=V +2H+。当外。当外电路转移
7、电路转移0.1 mol0.1 mol电子时电子时,可知溶液中必转移可知溶液中必转移0.1 mol H0.1 mol H+。在阳极有。在阳极有0.1 mol 0.1 mol VOSOVOSO4 4变为了变为了0.05 mol(VO0.05 mol(VO2 2)2 2SOSO4 4+0.05 mol ,+0.05 mol ,产生的产生的0.2 mol H0.2 mol H+将有将有0.1 mol0.1 mol匹配匹配 ,0.1 mol,0.1 mol移向右泵移向右泵(阴极阴极)。2O24SO24SO答案答案:(1)(1)粉碎废催化剂、升高浸取温度或搅拌粉碎废催化剂、升高浸取温度或搅拌(任写两条任写
8、两条)(2)Na(2)Na2 2SOSO4 4(3)6VO(3)6VO2+2+18OH+18OH-=6V +Cl=6V +Cl-+9H+9H2 2O O(4)6(4)68 8(5)+V =NH(5)+V =NH4 4VOVO3 31.681.681010-2-2 mol molL L-1-1(6)VO(6)VO2+2+H+H2 2O-eO-e-=V +2H=V +2H+0.10.13ClO3O4NH3O2O2.(20202.(2020天津河东区模拟天津河东区模拟)钒被誉为钒被誉为“现代工业的味精现代工业的味精”,是发展现代工业、是发展现代工业、现代国防和现代科学技术不可缺少的重要材料现代国防和
9、现代科学技术不可缺少的重要材料,其氧化物二氧化钒其氧化物二氧化钒(VO(VO2 2)是一是一种新型热敏材料种新型热敏材料,五氧化二钒五氧化二钒(V(V2 2O O5 5)是接触法生成硫酸的催化剂。下列某化学是接触法生成硫酸的催化剂。下列某化学小组从废钒催化剂小组从废钒催化剂(V(V2 2O O5 5、V V2 2O O4 4、K K2 2SOSO4 4、SiOSiO2 2、FeFe2 2O O3 3、AlAl2 2O O3 3等等)中回收中回收V V2 2O O5 5并且并且利用回收的利用回收的V V2 2O O5 5制备制备VOVO2 2的氧钒的氧钒()()碱式碳酸铵晶体碱式碳酸铵晶体已知已
10、知:“酸浸酸浸”时时V V2 2O O5 5转化为转化为V ,VV ,V2 2O O4 4转化为转化为VOVO2+2+;有机萃取剂萃取有机萃取剂萃取VOVO2+2+的能力比萃取的能力比萃取V V 要强。要强。2O2O回答下列问题回答下列问题:(1)(1)写出写出“废渣废渣1 1”的主要成分的用途的主要成分的用途_(_(填两条填两条)。(2)(2)“萃取萃取”之前加入之前加入H H2 2C C2 2O O4 4的主要目的是的主要目的是_。(3)(3)“氧化氧化”过程中发生的离子方程式是过程中发生的离子方程式是_。(4)(4)该工艺中加入氯化铵该工艺中加入氯化铵“沉钒沉钒”是回收钒的关键之一是回收
11、钒的关键之一,加入氯化铵、氨水之后加入氯化铵、氨水之后的操作是的操作是_,_,该流程用到了过滤操作该流程用到了过滤操作,过滤和萃取分液都需用到的一种过滤和萃取分液都需用到的一种玻璃仪器是玻璃仪器是_。(5)(5)工艺中生成工艺中生成VOClVOCl2 2的同时生成一种无色无污染的气体的同时生成一种无色无污染的气体,该反应中氧化产物与该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为还原产物的物质的量之比为_;_;也可只用浓盐酸与也可只用浓盐酸与V V2 2O O5 5来制备来制备VOClVOCl2 2溶液溶液,该方法的化学方程式是该方法的化学方程式是_。【解析解析】根据工艺流程图分析根据工艺流程图分析
12、,废钒催化剂在废钒催化剂在H H2 2SOSO4 4酸浸下酸浸下,V,V2 2O O5 5转化为转化为V ,V ,V V2 2O O4 4转化为转化为VOVO2+2+,Fe,Fe2 2O O3 3、AlAl2 2O O3 3转化为转化为FeFe3+3+和和AlAl3+3+,废渣废渣1 1为为SiOSiO2 2,萃取前加入萃取前加入H H2 2C C2 2O O4 4,将将V V 还原为还原为VOVO2+2+,再用再用KClOKClO3 3氧化氧化,将将VOVO2+2+还原为还原为V ,V ,反应方程式为反应方程式为3H3H2 2O+6VOO+6VO2+2+=Cl+=Cl-+6V +6H+6V
13、+6H+,通过加入通过加入NHNH4 4ClCl和氨水沉钒和氨水沉钒,煅烧得到煅烧得到V V2 2O O5 5,再加入再加入6 mol6 molL L-1-1的盐酸和的盐酸和N N2 2H H4 42HCl2HCl与与V V2 2O O5 5反应得到反应得到VOClVOCl2 2,反应方程式为反应方程式为6HCl+2V6HCl+2V2 2O O5 5+N+N2 2H H4 42HCl=4VOCl2HCl=4VOCl2 2+N+N2 2+6H+6H2 2O,VOClO,VOCl2 2与与NHNH4 4HCOHCO3 3反应得到氧钒反应得到氧钒()()碱式碳酸铵晶体。碱式碳酸铵晶体。2O2O2O3
14、ClO2O(1)(1)根据上述分析根据上述分析,废渣废渣1 1主要成分为主要成分为SiOSiO2 2,其用途有制作石英玻璃、光导纤维、其用途有制作石英玻璃、光导纤维、光学仪器、工艺品、耐火材料等光学仪器、工艺品、耐火材料等;(2)(2)萃取前加入萃取前加入H H2 2C C2 2O O4 4,目的是将目的是将V V 还原为还原为VOVO2+2+,加强萃取效果加强萃取效果;(3)(3)加入加入KClOKClO3 3氧化氧化,将将VOVO2+2+氧化为氧化为V ,V ,离子方程式为离子方程式为3H3H2 2O+6VOO+6VO2+2+=ClCl-+6V +6H+6V +6H+;2O2O3ClO2O
15、(4)(4)加入氯化铵、氨水之后得到加入氯化铵、氨水之后得到NHNH4 4VOVO5 5,由可知由可知2020 25 25 时时K K2 2SOSO4 4溶解度最大溶解度最大便于除去便于除去,故得到故得到NHNH4 4VOVO5 5晶体的操作为蒸发至晶体的操作为蒸发至23(2023(20 25 25 均可均可)结晶结晶,趁热趁热过滤过滤,过滤和萃取分液都需要用到的玻璃仪器为烧杯过滤和萃取分液都需要用到的玻璃仪器为烧杯;(5)N(5)N2 2H H4 42HCl2HCl与与V V2 2O O5 5反应得到反应得到VOClVOCl2 2,反应方程式为反应方程式为6HCl+2V6HCl+2V2 2O
16、 O5 5+N+N2 2H H4 42HCl2HCl=4VOCl4VOCl2 2+N+N2 2+6H+6H2 2O,O,氧化产物为氧化产物为N N2 2,还原产物为还原产物为VOClVOCl2 2,物质的量之比为化学计量数物质的量之比为化学计量数之比之比,则氧化产物与还原产物的物质的量之比为则氧化产物与还原产物的物质的量之比为14,14,只用浓盐酸与只用浓盐酸与V V2 2O O5 5来制备来制备VOClVOCl2 2溶液时溶液时,反应方程式为反应方程式为6HCl(6HCl(浓浓)+V)+V2 2O O5 5=2VOCl2VOCl2 2+Cl+Cl2 2+3H+3H2 2O O。答案答案:(1
17、)(1)制作石英玻璃、光导纤维、光学仪器、工艺品、耐火材料等制作石英玻璃、光导纤维、光学仪器、工艺品、耐火材料等(填两条填两条,合理即可合理即可)(2)(2)将将V V 还原为还原为VOVO2+2+,利于后期萃取利于后期萃取(3)3H(3)3H2 2O+6VOO+6VO2+2+=+=ClCl-+6V +6H+6V +6H+(4)(4)蒸发至蒸发至23(2023(20 25 25 均可均可)结晶结晶,趁热过滤烧杯趁热过滤烧杯(5)14(5)146HCl(6HCl(浓浓)+V)+V2 2O O5 5=2VOCl=2VOCl2 2+Cl+Cl2 2+3H+3H2 2O O2O3ClO2O【加固训练加
18、固训练】(2020(2020南昌模拟南昌模拟)五氧化二钒及其他钒的化合物广泛应用于钢铁、有色合金、五氧化二钒及其他钒的化合物广泛应用于钢铁、有色合金、化工、炼油、玻璃及陶瓷等工业部门。可从含钒石煤灰渣中提钒化工、炼油、玻璃及陶瓷等工业部门。可从含钒石煤灰渣中提钒,该试验工艺该试验工艺流程如图流程如图:表表1 1灰渣主要化学成分分析灰渣主要化学成分分析/%/%V V2 2O O3 3SiOSiO2 2FeFe2 2O O3 3AlAl2 2O O3 3MgOMgOK K2 2O OCaOCaO烧失量烧失量1.261.2655.7155.716.346.347.547.541.261.263.19
19、3.191.411.4120.5520.55表表2 2中间盐主要成分分析中间盐主要成分分析/%(/%(以氧化物形式表示其含量以氧化物形式表示其含量)V V2 2O O3 3AlAl2 2O O3 3FeFe2 2O O3 3MgOMgOK K2 2O O5.925.921.701.7018.6318.632.112.113.383.38已知已知:石煤灰渣的化学成分分析见表石煤灰渣的化学成分分析见表1,1,中间盐的主要成分分析见表中间盐的主要成分分析见表2 2。矿物焙烧过程中矿物焙烧过程中,若温度过高若温度过高,易发生烧结易发生烧结,温度越高温度越高,烧结现象越严重。烧结现象越严重。萃取反应可以
20、表示为萃取反应可以表示为VOVO2+2+(HR+(HR2 2)PO)PO4 4(o)VOR(o)VOR2 2POPO4 4R(o)+HR(o)+H+,(o),(o)表示有机相表示有机相有机萃取剂有机萃取剂(HR(HR2 2)PO)PO4 4萃取萃取VOVO2+2+的能力比萃取的能力比萃取V V 要强。要强。2O请回答请回答:(1)(1)提高浸取率的方法有提高浸取率的方法有_,_,残渣的主要成分为残渣的主要成分为_。(2)(2)经几级萃取后经几级萃取后,有时候要适当加酸调整有时候要适当加酸调整pH,pH,结合萃取反应方程式结合萃取反应方程式,说明原因说明原因_。反萃取操作应加入反萃取操作应加入_
21、。(3)(3)中间盐溶解过程中中间盐溶解过程中,加铁粉的主要目的是加铁粉的主要目的是_。(4)(4)石煤中的钒以石煤中的钒以V()V()为主为主,有部分有部分V(),V(),很少见很少见V()V()。图。图1 1和图和图2 2分别为焙分别为焙烧温度和焙烧时间对钒浸出率的影响烧温度和焙烧时间对钒浸出率的影响,由图由图2 2可得最佳焙烧时间为可得最佳焙烧时间为_h,_h,由由图图1 1可得最佳焙烧温度为可得最佳焙烧温度为800800 850,850,焙烧温度在焙烧温度在850 850 以下时以下时,钒浸出率钒浸出率随焙烧温度的升高几乎直线上升的原因是随焙烧温度的升高几乎直线上升的原因是_,_,当焙
22、烧温度超过当焙烧温度超过850 850 以后以后,再提高温度再提高温度,浸出率反而下降的可能原因是浸出率反而下降的可能原因是_。(5)(5)反萃取液中的反萃取液中的VOVO2+2+,加入氯酸钠后被氧化为加入氯酸钠后被氧化为V ,V ,请写出该反应的离子方程请写出该反应的离子方程式式_。然后用氨水调节然后用氨水调节pHpH到到1.91.9 2.22.2沉钒沉钒,得多钒酸铵沉淀得多钒酸铵沉淀 化学式为化学式为(NH(NH4 4)2 2V V1212O O3131n nH H2 2O,O,再经固液分离、干燥、焙烧得五氧化二钒产品再经固液分离、干燥、焙烧得五氧化二钒产品,请写出此请写出此步反应的化学方
23、程式步反应的化学方程式_。2O【解析解析】(1)(1)加热加热,提高酸的浓度提高酸的浓度,粉碎等均可提高浸取率粉碎等均可提高浸取率;加硫酸酸浸后加硫酸酸浸后,二氧二氧化硅会沉淀出来化硅会沉淀出来,则残渣的主要成分为则残渣的主要成分为SiOSiO2 2;(2);(2)萃取反应根据萃取反应根据VOVO2+2+(HR+(HR2 2)PO)PO4 4(o)(o)VOR VOR2 2POPO4 4R(o)+HR(o)+H+可知可知,随着萃取过程的进行随着萃取过程的进行,水相中的氢离子浓度不断增水相中的氢离子浓度不断增大大,pH,pH有所下降有所下降,所以经几级萃取后需要调整所以经几级萃取后需要调整pH,
24、pH,反萃取时反萃取时,可加入适量硫酸溶可加入适量硫酸溶液液,使平衡向逆向移动使平衡向逆向移动,达到反萃取的目的达到反萃取的目的;(3);(3)由已知信息可知由已知信息可知,有机萃取剂有机萃取剂(HR(HR2 2)PO)PO4 4萃取萃取VOVO2+2+的能力比萃取的能力比萃取V V 要强要强,所以在中间盐溶液过程中所以在中间盐溶液过程中,加入还原加入还原剂铁粉剂铁粉,可将可将V V 还原为还原为VOVO2+2+,提高原料利用率提高原料利用率,便于后续萃取操作便于后续萃取操作;2O2O(4)(4)图图2 2可得浸出率随着焙烧时间呈增大趋势可得浸出率随着焙烧时间呈增大趋势,其最佳焙烧时间在其最佳
25、焙烧时间在1.51.5 2.0 h2.0 h均可均可;浸取率随温度的变化曲线如图浸取率随温度的变化曲线如图1,1,其原因是其原因是850 850 以前以前,随着焙烧温度的随着焙烧温度的升高升高,反应速率加快反应速率加快,生成的高价钒化合物更多生成的高价钒化合物更多,因此浸出率上升因此浸出率上升;850;850 以后以后,样品发生烧结样品发生烧结,温度越高温度越高,烧结现象越严重烧结现象越严重,从而使钒的浸出率下降从而使钒的浸出率下降;(5)(NH(5)(NH4 4)2 2V V1212O O3131n nH H2 2O O再经固液分离、干燥、焙烧得五氧化二钒产品再经固液分离、干燥、焙烧得五氧化
26、二钒产品,同时会有同时会有氨气与水生成氨气与水生成,其化学方程式为其化学方程式为(NH(NH4 4)2 2V V1212O O3131n nH H2 2O 6VO 6V2 2O O5 5+2NH+2NH3 3+(+(n n+1)H+1)H2 2O O。答案答案:(1)(1)加热加热,提高酸的浓度提高酸的浓度,粉碎等粉碎等SiOSiO2 2(2)(2)随着萃取过程的进行随着萃取过程的进行,水相中的水相中的pHpH有所下降有所下降,所以经几级萃取后需要调整所以经几级萃取后需要调整pHpHH H2 2SOSO4 4溶液溶液(3)(3)将将V V 还原为还原为VOVO2+2+(4)1.5(4)1.5
27、2.02.0850 850 以前以前,随着焙烧温度的升高随着焙烧温度的升高,反应速率加快反应速率加快,生成的高价生成的高价钒化合物更多钒化合物更多,因此浸出率上升因此浸出率上升850 850 以后以后,样品发生烧结样品发生烧结,温度越高温度越高,烧结现象越严重烧结现象越严重,从而使钒的浸出率下从而使钒的浸出率下降降2O(5)3H(5)3H2 2O+6VOO+6VO2+2+=Cl+=Cl-+6V +6H+6V +6H+(NH(NH4 4)2 2V V1212O O3131n nH H2 2O 6VO 6V2 2O O5 5+2NH+2NH3 3+(+(n n+1)H+1)H2 2O O3ClO2O
