Question

【题目】生产工艺的实现，涉及能源消耗、环境保护、综合经济效益等等。

Ⅰ.(1)下列单元操作中采用了热交换工艺设备，以利用化学反应中放出的热量，达到节能减排效果的有_______(填序号)。

A. 电解食盐水制烧碱 B. 合成氨中的催化合成

C. 硫酸生产中的催化氧化 D. 煅烧石灰石制取生石灰

Ⅱ.以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生成硫酸的催化剂。从废钒催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为：

物质	V2O5	V2O4	K2SO4	SiO2	Fe2O3	Al2O3
质量分数/%	2.20~2.90	2.8~3.32	22~28	60~65	1~2	<1

以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：

回答下列问题：

(2)“酸浸”时V2O4转化为VO2+，反应的离子方程式为_________，同时V2O5转化为VO2+。“废渣1”的主要成分是________。

(3)“氧化”中使VO2+变为VO2+，则“氧化”环节中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_____。

(4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为：4ROH+V4O124-R4V4O12+4OH(以ROH为强碱性阴离子交换树脂）。为了提高化洗脱效率，淋洗液应该呈_______性(填“酸”“碱”“中”)。

(5)检验“流出液”中含量最多的阳离子，其实验操作步骤是____。

(6)“煅烧”中发生反应的化学方程式2NH4VO3V2O5+H2O+2NH3↑，写出“沉钒”过程的离子方程式__________。

(7)若有100 kg该废钒催化剂，若转化中钒元素利用率为80%，则最多可回收到V2O5__kg(保留小数点后一位)。

Answer 1

【答案】BC V2O4+4H+=2VO2++2H2O SiO2 1：6 碱 用铂丝蘸取“流出液”在无色火焰上灼烧，隔着蓝色钴玻璃观察，火焰呈紫色，则证明含钾离子 4NH4++V4O124- =4NH4VO3↓ 5.2

【解析】

I.(1)根据反应过程中能量变化分析；

II. 从废钒催化剂中回收V2O5，由流程可知，“酸浸”时V2O5转化为VO2+，V2O4转成VO2+。Fe2O3、Al2O3均转化为金属阳离子，只有SiO2不溶，则过滤得到的滤渣1为SiO2，然后加氧化剂KClO3，将VO2+变为VO2+，再加KOH时，铁离子、铝离子转化为Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀，同时中和硫酸，过滤得到的滤渣2为Fe(OH)3、Al(OH)3，“离子交换”和“洗脱”可简单表示为：4ROH+V4O124-R4V4O12+4OH-，由ROH为强碱性阴离子交换树脂可知，碱性条件下利用反应逆向移动，流出液中主要为硫酸钾，“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀，“煅烧”时分解生成V2O5，以此解答该题。

(1) A. 电解食盐水制烧碱是电能转化为化学能，不涉及热交换器的使用，A不符合题意；

B. N2与H2合成NH3的反应是放热反应，可利用热交换器使反应放出的热量给需要反应的N2、H2先进行预热，达到能量的充分利用及节能减排的效果，B符合题意；

C. 硫酸生产中SO2氧化产生SO3的反应是放热反应，可利用热交换器使反应放出的热量给需要反应的SO2、O2先进行预热，使反应混合物温度升高，达到能量的充分利用及节能减排的效果，C符合题意；

D. 煅烧石灰石制取生石灰的反应是吸热反应，不需要使用热交换器，D不符合题意；

故合理选项是BC；

II.(2) “酸浸”时V2O4转化为VO2+，根据电荷守恒、原子守恒，可得该反应的离子方程式为V2O4+4H+=2VO2++2H2O；“废渣1”的主要成分是SiO2；

(3)加氧化剂KClO3，可以将VO2+变为VO2+，KClO3被还原产生KCl，Cl元素化合价由反应前KClO3中的+5价变为反应后KCl中的-1价，降低6价，V元素化合价由反应前VO2+中是+4价变为反应后VO2+中的+5价，升高1价，根据氧化还原反应中元素化合价升降总数相等，可知化合价升降最小公倍数是6，所以KClO3与VO2+反应的物质的量的比是1：6，即“氧化”环节中氧化剂KClO3与还原剂VO2+的物质的量之比为1：6；

(4)根据平衡移动原理，要提高化洗脱效率，应该使化学平衡逆向移动，应该增大溶液中c(OH-)，即淋洗液应该呈碱性；

(5)根据流程图可知“流出液”中主要为硫酸钾，含量最多的阳离子是K+，检验K+存在的方法是利用焰色反应，实验操作步骤是用铂丝蘸取“流出液”在无色火焰上灼烧，隔着蓝色钴玻璃观察，火焰呈紫色，则证明含K+；

(6)“煅烧”中发生反应的化学方程式是2NH4VO3V2O5+H2O+2NH3↑，则“沉钒”过程中加热NH4Cl会与溶液中的V4O124-反应形成NH4VO3，该反应的离子方程式为：4NH4++V4O124- =4NH4VO3↓；

(7)若有100 kg该废钒催化剂，由于其中V2O5的含量为2.20~2.90%，V2O4的含量为2.8~3.32%，若转化中钒元素利用率为80%，则最多可回收到V2O5的质量为m(V2O5)=(100 kg×2.90%+100 kg×3.32%×)×80%=5.2 kg。