Question

【題目】生產工藝的實現，涉及能源消耗、環境保護、綜合經濟效益等等。

Ⅰ.(1)下列單元操作中采用了熱交換工藝設備，以利用化學反應中放出的熱量，達到節能減排效果的有_______(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既避免污染環境又有利于資源綜合利用。廢釩催化劑的主要成分為：

物質	V2O5	V2O4	K2SO4	SiO2	Fe2O3	Al2O3
質量分數/%	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轉化為VO2+，反應的離子方程式為_________，同時V2O5轉化為VO2+。“廢渣1”的主要成分是________。

(3)“氧化”中使VO2+變為VO2+，則“氧化”環節中氧化劑與還原劑的物質的量之比為_____。

(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”中發生反應的化學方程式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，若轉化中釩元素利用率為80%，則最多可回收到V2O5__kg(保留小數點后一位)。

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)根據反應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轉化為VO2+，V2O4轉成VO2+。Fe2O3、Al2O3均轉化為金屬陽離子，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+變為VO2+，再加KOH時，鐵離子、鋁離子轉化為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的反應是放熱反應，可利用熱交換器使反應放出的熱量給需要反應的N2、H2先進行預熱，達到能量的充分利用及節能減排的效果，B符合題意；

C. 硫酸生產中SO2氧化產生SO3的反應是放熱反應，可利用熱交換器使反應放出的熱量給需要反應的SO2、O2先進行預熱，使反應混合物溫度升高，達到能量的充分利用及節能減排的效果，C符合題意；

D. 煅燒石灰石制取生石灰的反應是吸熱反應，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轉化為VO2+，根據電荷守恒、原子守恒，可得該反應的離子方程式為V2O4+4H+=2VO2++2H2O；“廢渣1”的主要成分是SiO2；

(3)加氧化劑KClO3，可以將VO2+變為VO2+，KClO3被還原產生KCl，Cl元素化合價由反應前KClO3中的+5價變為反應后KCl中的-1價，降低6價，V元素化合價由反應前VO2+中是+4價變為反應后VO2+中的+5價，升高1價，根據氧化還原反應中元素化合價升降總數相等，可知化合價升降最小公倍數是6，所以KClO3與VO2+反應的物質的量的比是1：6，即“氧化”環節中氧化劑KClO3與還原劑VO2+的物質的量之比為1：6；

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

(5)根據流程圖可知“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，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”中發生反應的化學方程式是2NH4VO3V2O5+H2O+2NH3↑，則“沉釩”過程中加熱NH4Cl會與溶液中的V4O124-反應形成NH4VO3，該反應的離子方程式為：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%，若轉化中釩元素利用率為80%，則最多可回收到V2O5的質量為m(V2O5)=(100 kg×2.90%+100 kg×3.32%×)×80%=5.2 kg。