معرفی اسید سولفوریک

اسید سولفوریک چیست و از کاربردهای گسترده آن چه می دانید؟
اسید سولفوریک یک مایع روغنی بی رنگ می باشد که با آزاد شدن گرما در آب حل می شود و برای فلزات و بافت ها خورنده است. این ترکیب در اثر تماس با چوب و بیشتر مواد آلی باعث خوردگی آنها می شود اما بعید است باعث آتش سوزی شود.

قرار گرفتن طولانی مدت در معرض غلظت کم یا غلظت زیاد این اسید می تواند منجر به اثرات سو بر سلامتی ناشی از استنشاق آن شود. این ترکیب نقش عمده ای در تولید کودها و شوینده ها دارد. همچنین به فراوانی در فرآیندهای صنعتی از حذف خوردگی از فلزات گرفته تا ساخت رنگ راه پیدا کرده است.

اسید سولفوریک یک اسید گوگرد است که از دو گروه اکسو و دو هیدروکسی تشکیل شده و به صورت کووالانسی به یک اتم گوگرد مرکزی پیوسته اند. به دلیل آب دوستی، اسید سولفوریک بی آب خالص در طبیعت وجود ندارد.

فعالیت آتشفشانی بسته به میزان فعالیت می تواند منجر به تولید اسید سولفوریک شود و آئروسل های اسید سولفوریک حاصل از فوران می توانند سال ها در استراتوسفر باقی بمانند. این ذرات معلق در هوا یک جزء از باران اسیدی هستند هر چند فعالیت های آتشفشانی کمترین تأثیر را در بارش اسیدی دارند

اما کمیاب بودن این ماده در طبیعت مختص به سیاره زمین است. ونوس، داغترین سیاره منظومه شمسی، دارای جو متشکل از دی اکسید کربن است که اثر گلخانه ای شدیدی ایجاد می کند. اما همچنین در ابرهای غلیظ اسید سولفوریک غوطه ور است که به باعث درخشندگی این سیاره می شود.

تاریخچه کشف اسید سولفوریک:
اسید های معدنی از دوران باستان شناخته شده هستند، اسید سولفوریک از حدود قرن سیزدهم مورد استفاده کیمیاگران قرار گرفته است.

این اسید ماده ای شیمیایی بود که از مدت ها قبل از اینکه کاملاً کشف شود، شناخته شده و مورد استفاده قرار می گرفت. با این وجود در قرن هفدهم، با سوزاندن مخلوطی از گوگرد و نمک پتاسیم یا نیترات پتاسیم، اسید سولفوریک در مقیاس صنعتی تولید می شد که نتیجه آن فرمول آشنای H2SO4 است. اسید سولفوریک یکی از اسیدهای معدنی قوی در کنار اسید کلریدریک و نیتریک است.

اسید سولفوریک اکنون از دی اکسید گوگرد در یک فرآیند کاتالیزوری که برای اولین بار در دهه 1830 ابداع شد، ساخته می شود اما نتیجه همان است، یک اسید قوی که بسیار خورنده است و در صورت مخلوط شدن با آب مقدار قابل توجهی گرما تولید می کند.

به همین دلیل است که همیشه این اسید باید به آب اضافه شود زیرا برعکس این عمل باعث پاشیده شدن اسید می شود که اسیب زیادی در پی دارد.

کاربردهای اسید سولفوریک:
این اسید برای اهداف گسترده ای هم در صنعت و هم در داخل کشور استفاده می شود. اسید سولفوریک در درجه اول در آسیا و آمریکای شمالی تولید می شود و در موارد زیر کاربرد دارد:

• کودها.
• پاک کننده لوله ها.
• مواد شوینده.
• رزین های مصنوعی.
• داروسازی.
• کاتالیزورهای نفتی.
• حشره کش ها.
• ضد یخ.
• باتری ها.
• رنگدانه هایی مانند رنگ، مینا و جوهر چاپ.

از آنجا که این اسید برای بسیاری از صنایع ضروری است، تولید ماده اولیه آن از اهمیت بیشتری برخوردار است. گوگرد مورد نیاز از چندین منبع قابل دستیابی است. در ابتدا، گوگرد مورد نیاز را از برخی از ذخایر آتشفشانی در سیسیل استخراج می‌کردند. در ابتدای قرن بیستم این منبع ناکافی بود، اما پیدا شدن یک منبع جدید با ذخیره گوگرد بسیار زیاد در جنوب ایالات متحده که در زیر زمین ذخیره شده بود، استخراج آن را افزایش یافت.

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی اسید سولفوریک:
اسید سولفوریک خالص در دمای 25 درجه سانتی گراد (77 درجه فارنهایت) دارای وزن مخصوص 1.830 است. در 10.37 درجه سانتی گراد (50.7 درجه فارنهایت) منجمد می شود. تحت تأثیر حرارت، اسید خالص تا حدی به آب و تری اکسید گوگرد تجزیه می شود که ماده اخیر به شکل بخار فرار می کند تا زمانی که غلظت اسید به 98.3 درصد کاهش یابد.

مخلوط اسید سولفوریک و آب در دمای ثابت 338 درجه سانتی گراد (640 درجه فارنهایت) در فشار جو می جوشد. اسید سولفوریک معمولاً با غلظت 78، 93 یا 98 درصد عرضه می شود.

اصطلاح بخار اسید سولفوریک یا اولئوم، به محلول های تری اکسید گوگرد در 100 درصد اسید سولفوریک گفته می شود. این محلول ها که معمولاً حاوی 20، 40 یا 65 درصد تری اکسید گوگرد هستندبرای تهیه مواد شیمیایی آلی مورد استفاده قرار می گیرند.

این اسید یکی از مهم ترین ترکیبات ساخته شده توسط صنایع شیمیایی است. به معنای واقعی کلمه برای تولید صدها ترکیب مورد نیاز است.

روش های تولید اسید سولفوریک:
فرآیند تولید اسید سولفوریک دارای چهار مرحله است:

1. استخراج گوگرد.
2. تبدیل گوگرد به دی اکسید گوگرد.
3. تبدیل دی اکسید گوگرد به تری اکسید گوگرد.
4. تبدیل تری اکسید گوگرد به اسید سولفوریک.

استخراج گوگرد:
مهم ترین منبع گوگرد بازیابی آن از گاز طبیعی و نفت است که حاوی ترکیبات گوگردی هستند. هم سولفید آلی و هم هیدروژن هر دو باید قبل از استفاده به عنوان سوخت یا مواد شیمیایی از بین بروند.

منبع مهم دیگر گوگرد دی اکسید گوگرد حاصل از تصفیه فلز است. بسیاری از سنگ معدن های فلزی به صورت سولفید ظاهر می شوند و حرارت داده می شوند و به عنوان مثال در تولید سرب اکسید و دی اکسید گوگرد تشکیل می شوند:

در سراسر جهان حدود 35٪ از گوگرد از طریق حرارت دادن سنگ سولفید از طریق دی اکسید گوگرد به دست می آید و این عمل در حال افزایش است.

زیرا کارخانه هایی که به طور سنتی دی اکسید گوگرد را به اتمسفر منتقل می کردند، آن را به عنوان اسید سولفوریک بازیابی می کنند. به طور خاص، چین بیشتر اسید سولفوریک خود را از پیریت ها، سنگ معدن سولفید آهن تولید می کند.

اسید سولفوریک از سولفات آمونیوم، یک محصول جانبی در تولید پلی (متیل 2-متیل پروپنوات) نیز به دست می آید و همچنین از اسید سولفوریک "مصرف شده" (یعنی استفاده شده) بازیابی می شود.

تبدیل گوگرد به دی اکسید گوگرد:
اگر گوگرد ماده اولیه باشد، ابتدا باید به دی اکسید گوگرد تبدیل شود. گوگرد مذاب در کوره پاشیده می شود و در انفجار هوای خشک در حدود 1300 K. سوزانده می شود. گوگرد با شعله آبی مشخص می سوزد:

از آنجا که از هوای اضافی استفاده می شود، گاز در حال ظهور حاوی حدود 10-12٪ دی اکسید گوگرد و 10٪ اکسیژن است. این گازها بسیار گرم هستند و بنابراین از طریق مبدل های حرارتی (دیگهای بخار حرارت) منتقل می شوند.

گازها تا حدود 700 K خنک می شوند و آب موجود در لوله های دیگ بخار به بخار تبدیل می شود. در ساخت یک تن اسید سولفوریک، یک تن بخار فشار قوی نیز تولید می شود.

تبدیل دی اکسید گوگرد به تری اکسید گوگرد (فرآیند تماس):
یک مخزن معمولی شامل یک مخزن استوانه ای است که به عنوان یک راکتور بستر ثابت با چهار بستر جداگانه کاتالیزوری شناخته می شود. مواد تا 700 K گرم می شود، که از طریق آن دی اکسید گوگرد و هوا عبور می کند:

کاتالیزور، اکسید وانادیوم (V) روی سیلیس، به طور کلی به صورت گلوله های کوچک است که به آنها سولفات سزیم به عنوان یک پروموتر اضافه شده است. عملکرد پروموتر این است که نقطه ذوب اکسید وانادیوم (V) را پایین بیاورد تا در 700 K ذوب شود.

همانطور که در نمودار نشان داده شده این فرآیند یک واکنش گرمازا است، بنابراین، برای عملکرد رضایت بخش تری اکسید گوگرد (نیاز به تبدیل بیش از 99.5٪)، تا آنجا که از لحاظ اقتصادی ممکن است از درجه حرارت پایین استفاده می شود. بنابراین، گرما از گاز خارج شده از هر بستر با استفاده از مبدل های حرارتی خارج می شود. تری اکسید گوگرد تولید شده بین بسترهای سوم و چهارم برداشته شده و به مرحله بعدی یعنی تبدیل تری اکسید گوگرد به اسید سولفوریک منتقل می شود.

تبدیل تری اکسید گوگرد به اسید سولفوریک:
تری اکسید گوگرد که در بستر سوم تشکیل شده است (و مقدار کمی از بستر چهارم) اکنون به اسید سولفوریک تبدیل می شود.

تری اکسید گوگرد با آب واکنش می دهد که واکنش را می توان به صورت زیر بیان کرد:
با این حال، از آنجا که یک افزایش دما اتفاق می افتد یک غبار اسید سولفوریک ایجاد می شود، که به سختی قابل کنترل است زیرا نمی توانیم از آب برای جذب آن استفاده کنیم. در عوض، اسید سولفوریک با غلظت حدود 98٪ استفاده می شود. برای نگه داشتن دما در حدود 400 K، گرما توسط مبدل های حرارتی حذف می شود.

موارد استفاده از اسید سولفوریک در جهان:
این اسید یکی از بیشترین مواد شیمیایی صنعتی است که در جهان استفاده می شود. تولید کودها، به ویژه کودهای فسفاته از اسید فسفریک در فرایند مرطوب، عمده مصرف نهایی اسید سولفوریک است که بیش از 60٪ کل مصرف جهانی در سال 2020 را به خود اختصاص داده است.

انتظار می رود که کاربردهای شستشوی فلز و اکسید فولاد با سرعت بالاتری رشد کنند. حدود 14٪ اسید سولفوریک جهانی برای حدود 20 فرآیند شیمیایی مصرف می شود. عامل اصلی رشد مصرف این اسید در سطح جهانی، با کاهش ترتیب استفاده تولید اسید فسفریک، آبشویی فلزات، سولفات آمونیوم و دی اکسید تیتانیوم است.

بخشی از تجارت اسید سولفوریک که در نتیجه محدودیت های زیست محیطی رشد کرده است، بخشی است که این ترکیب را بازیابی می کند. مقررات سختگیرانه زیست محیطی همراه با تأمین خواسته های مشتری و دستیابی به کارایی عملیاتی منجر به افزایش هزینه های مربوطه و به روزرسانی طرح ها در بین تولید کنندگان اسید سولفوریک می شود.

پیش بینی می شود طی پنج سال آینده تقاضای جهانی برای اسید سولفوریک افزایش یابد. چین بازار عمده ای است که بیش از 35٪ مصرف در سال 2020 را به خود اختصاص داده و پس از آن آمریکای شمالی با حدود 13٪ قرار دارد.

این اسید در آفریقا، آمریکای لاتین، اروپای شرقی و غربی و خاورمیانه نیز کاربران زیادی دارد. پیش بینی می شود که تقاضا برای تولید کود نیاز به خرید اسید سولفوریک را طی دوره پیش بینی شده به طور پیوسته افزایش دهد در حالی که انتظار می رود تقاضا برای استفاده شیمیایی و صنعتی با مقادیر بالاتری رشد کند.

این ترکیب گاهی اوقات (سلطان مواد شیمیایی) هم نامیده می شود زیرا در سراسر جهان با مقادیر زیادی تولید می شود. در حقیقت، استفاده سرانه اسید سولفوریک به عنوان یکی از شاخص های توسعه فنی یک کشور در نظر گرفته شده است. تولید سالانه در ایالات متحده که تولید کننده برتر جهان است، بیش از 39 میلیارد کیلوگرم (86 میلیارد پوند) است و ارزانترین اسید فله ای است

این ارقام مربوط به 2011 - 2012 است. پیش بینی می شد که تا سال 2012، تولید جهانی بیش از 250 میلیون تن و 260 میلیون تن و تا سال 2018 با روند صعودی حداقل تا سال 2023 پیشروی کند.

عوارض و خطرات اسید سولفوریک:
اسید سولفوریک غلیظ بسیار خورنده است و در صورت عدم کنترل صحیح باعث سوختگی جدی می شود. این ماده شیمیایی نه تنها باعث سوختگی شیمیایی می شود، بلکه باعث سوختگی ثانویه حرارتی در نتیجه دهیدراته شدن بافت هم می شود.

این ماده شیمیایی خطرناک در برخی موارد قادر به خورندگی پوست، کاغذ، فلزات و حتی سنگ است. اگر این ترکیب با چشم تماس مستقیم داشته باشد، می تواند باعث کوری دائمی شود. در صورت بلع، این ماده شیمیایی ممکن است باعث سوختگی داخلی، آسیب غیرقابل جبران عضو و احتمالاً مرگ شود.

قرار گرفتن در معرض آئروسل ها در غلظت های بالا منجر به تحریک شدید چشم و دستگاه تنفسی و آسیب به بافت ها می شود. قرار گرفتن مداوم در معرض آئروسل های اسید سولفوریک، حتی در غلظت های پایین، باعث فرسایش دندان های فرد می شود.

در محیط های آزمایشگاهی یا صنعتی، استفاده از PPE ( تجهیزات حفاظت فردی) مناسب هنگام دست زدن به اسید سولفوریک مهم است. در خانه، به احتمال زیاد هنگام استفاده از پاک کننده اسیدی لوله ها، با مقادیر غلیظ این ماده مواجه می شوید.

برای جلوگیری از این خطرات جدی (احتمالاً تهدید کننده زندگی)، رعایت نکات ایمنی روی برچسب پاک کننده ها بسیار مهم است.

چگونگی استفاده ایمن از اسید سولفوریک:
هنگام استفاده از اسید خالص در محیط آزمایشگاهی یا صنعتی، یا هنگام استفاده از محصولاتی که حاوی اسید سولفوریک غلیظ هستند، اولویت بندی اقدامات احتیاطی ایمنی مهم است.

هنگام استفاده از این اسید باید از تجهیزات محافظتی زیر استفاده شود:

• ماسک.
• دستکش بلند لاستیکی.
• چکمه.
• عینک ایمنی شیمیایی.
• محافظ صورت.

اصول کمک های اولیه پس از مواجهه با اسید سولفوریک:
قرار گرفتن در معرض این ماده می تواند به صورت تماس با پوست / بدن، بلع یا استنشاق بخارات صورت گیرد. هر نوع مواجهه می تواند خطرات جدی برای سلامتی شما داشته باشد و باید فوراً و به طور مناسب توسط یک پزشک متخصص کنترل شود تا آسیب ها و خطرات سلامتی را به حداقل برسانید.

• تماس با پوست: اگر این اسید با پوست شما تماس گرفت، بلافاصله ناحیه آسیب دیده را به آرامی با آب ولرم حداقل برای 30 دقیقه بدون وقفه شستشو دهید. بلافاصله به دنبال مراقبت های پزشکی باشید
• تماس با چشم: اگر این اسید به چشم شما وارد شد، بلافاصله چشم (ها) را حداقل برای 30 دقیقه با آب بشویید. بلافاصله به دنبال مراقبت های پزشکی باشید.
• بلع: در صورت مصرف خوراکی بلافاصله دهان خود را با آب بشویید. استفراغ ایجاد نکنید. دهان خود را به طور مداوم با آب بشویید و در اسرع وقت به دنبال مراقبت های پزشکی باشید.
• استنشاق: در صورت استنشاق آئروسل های این اسید، بلافاصله به دنبال هوای تازه و مراقبت های پزشکی باشید.

روش دخیره و دفع مناسب اسید سولفوریک:
این ترکیب یا محصولاتی که حاوی آن غلیظ هستند باید در یک منطقه خشک و خنک و دور از نور مستقیم خورشید و منابع گرمایی نگهداری شوند. برای جلوگیری از تجمع احتمالی بخارها، نباید این اسید را به مقدار زیاد در خانه نگهداری کرد. ظروف محصول باید به طور منظم توسط کارشناسان حرفه ای MSDS از نظر نشانه های آسیب یا نشت بررسی شود.

چه در حال تمیز کردن فاضلاب در خانه باشید و چه در حال کار با هر غلظت این ماده شیمیایی در محل کار حفظ ایمنی مناسب بسیار مهم است.