Kwas siarkowy – żrąca krew przemysłu

H₂SO₄ to żrąca krew przemysłu, tętniąca w niezliczonych instalacjach produkcyjnych na całym świecie. Z kwasem siarkowym pracują profesjonaliści operujący w różnych branżach przemysłowych. Do wielu badań i eksperymentów wykorzystują go naukowcy, a przy jego pomocy wiedzę zdobywają w pracowniach chemicznych studenci oraz uczniowie. Dziś trudno sobie wyobrazić funkcjonowanie współczesnej gospodarki bez kwasu siarkowego. Jego właściwości sprawiają, że jest niezastąpionym surowcem oraz reagentem, trudnym do wyparcia nawet przez najbardziej innowacyjne związki chemiczne wprowadzane na rynek przez producentów chemikaliów.

Charakterystyka i właściwości H₂SO₄

Kwas siarkowy to jeden z najmocniej działających kwasów mineralnych. Stanowi on oleistą, ciężką i bezbarwną ciecz o niesamowicie silnych właściwościach higroskopijnych. W swojej stężonej formie posiada także silne właściwości utleniające. Kwas siarkowy niezwykle dobrze rozpuszcza się w wodzie we wszystkich proporcjach, wydzielając spore ilości ciepła. Z tego właśnie powodu przy jego rozcieńczaniu należy bezwzględnie pamiętać o nalewaniu kwasu do wody, a nie odwrotnie. Możliwe jest wytworzenie kwasu siarkowego nawet o stężeniu 99%, jednakże utrata tlenku siarki w okolicach temperatury wrzenia powoduje, że wytwarza się azeotrop z wodą o stężeniu 98,3%. Z tego powodu stężony kwas siarkowy zazwyczaj przechowywany jest w formie 98% roztworu. Oczywiście H₂SO₄ może występować w wielu stężeniach. Najszerzej stosowanymi roztworami wodnymi kwasu siarkowego są:

– 10% – tzw. mocno rozcieńczony kwas siarkowy, stosowany zazwyczaj jako środek odwadniający, regulator pH i odczynnik laboratoryjny,

– 29-32% – wykorzystywany w popularnych akumulatorach kwasowo-ołowiowych,

– 62-70% – pełni rolę tzw. kwasu nawozowego,

– 77-80% – wykorzystywany w procesie otrzymywania H₂SO₄ metodą komorową oraz stosowany do produkcji soli glauberskiej, czyli siarczanu sodu (Na₂SO₄),

– 98% – wspomniany już wcześniej stężony kwas siarkowy.

Otrzymywanie kwasu siarkowego

Przemysłowo kwas siarkowy otrzymywany jest metodą kontaktową poprzez utlenienie dwutlenku siarki, który pochodzi głównie z procesów spalania siarki lub siarczków metali (np. pirytu). Proces wytwarzania kwasu siarkowego przy użyciu siarki można podzielić na trzy etapy. Pierwszy z nich polega na wytwarzaniu dwutlenku siarki. Następnie ditlenek siarki utleniany jest do tritlenku siarki. Ostatni etap polega na przemianie tlenku siarki (VI) w kwas siarkowy.

Spalanie siarki prowadzone jest w nadmiarze powietrza w celu jej całkowitego przereagowania pod ciśnieniem około 0,5 MPa. Cały proces prowadzony jest w temperaturze około 150^oC w zbiornikach wyłożonych grubą warstwą cegły ognio- i kwasoodpornej. Stopiona siarka filtrowana jest w celu usunięcia zanieczyszczeń (jest to głównie żelazo oraz związki organiczne). Często do procesu wprowadzane jest także wapno, tak aby zmniejszyć kwasowość stopionej siarki, ograniczając tym samym jej właściwości korozyjne. Stopiona siarka jest pompowana do palnika, gdzie następnie jest spalana. Mieszanina dwutlenku siarki i powietrza wychodząca z palnika jest następnie przepuszczana przez filtr, na którym usuwane są wszelkie zanieczyszczenia.

W kolejnym etapie dwutlenek siarki przekształcany jest w trójtlenek siarki poprzez reakcję z tlenem w obecności katalizatora. Powszechnie stosowanym katalizatorem jest pięciotlenek wanadu (V₂O₅), a jako jego nośnik używany jest zdyspergowany siarczan potasu. Funkcję podłoża dla tego katalizatora pełni zazwyczaj krzemionka lub glinokrzemiany, które charakteryzują się bardzo dużą porowatością, zapewniając tym samym dużą powierzchnię do zachodzenia reakcji. Szybkość zachodzącego procesu jest także zależna od temperatury. W praktyce jest ona utrzymywana w granicach około 500^oC, tak aby zapewnić odpowiednią szybkość reakcji, przy możliwie wysokiej konwersji.

Ostatni etap wytwarzania kwasu siarkowego polega na absorpcji SO₃ w stężonym H₂SO₄ lub oleum, w celu zapobiegania tworzenia się trudnej do skondensowania tzw. mgły kwasu siarkowego. Kwas siarkowy o stężeniu 98% krąży z taką szybkością, że nowo absorbowany SO₃ powoduje bardzo niewielki wzrost jego stężenia. Cały proces jest przeprowadzany w temperaturze około 70^oC, maksymalizując tym samym efektywność absorpcji SO₃. Dodatkowo do zbiornika kwasu dodawana jest także woda rozcieńczająca kwas do odpowiedniego stężenia. Strumień kwasu siarkowego jest stale spuszczany i chłodzony przez płytowe wymienniki ciepła przed umieszczeniem w zbiornikach magazynowych. Całkowita konwersja siarki do kwasu siarkowego wynosi około 99%.

Zastosowanie kwasu siarkowego

Kwas siarkowy ma ogromne znaczenie w wielu gałęziach przemysłu. Największe zużycie H₂SO₄ obserwowane jest w przemyśle nawozowym.  Ma to związek głównie z  produkcją superfosfatów oraz fosforanu i siarczanu amonu. Kwas siarkowy ma także duże znaczenie w przypadku produkcji innych kwasów, np. kwasu solnego, azotowego i fosforowego. Wykorzystywany jest także w produkcji materiałów wybuchowych jako jeden z surowców do produkcji trotylu (TNT). Z kolei w branży petrochemicznej H₂SO₄ służy głównie do osuszania olejów, nafty i parafiny. Pełni on także rolę katalizatora w reakcji otrzymywania izooktanu, będącego jednym z głównych komponentów benzyn. Kwas siarkowy jest również stosowany w górnictwie i metalurgii, gdzie wykorzystywany jest w procesach wzbogacania rud miedzi. H₂SO₄ jest także elektrolitem w popularnych akumulatorach kwasowo-ołowiowych. Oprócz tego, kwas siarkowy ma szerokie zastosowanie w branży detergentów (np. w produkcji laurylosiarczanu sodu) oraz w przemyśle kosmetycznym, gdzie wykorzystywany jest do produkcji surowców i półproduktów (np. azotanu srebra), a także wody utlenionej czy substancji zapachowych.

Tak szerokie zastosowanie kwasu siarkowego powoduje, że w przypadku jego braku niemożliwe lub po prostu nieopłacalne byłoby przeprowadzenie wielu podstawowych i niezwykle ważnych procesów przemysłowych.

Kwas siarkowy w Grupie PCC

PCC Rokita posiada stabilną pozycję dostawcy wodnego kwasu siarkowego o stężeniu 77%. H₂SO₄ jest wytwarzany w Kompleksie Chloru metodą kontaktową, co gwarantuje bardzo wysoką czystość i powtarzalność otrzymywanego produktu. Oferta kwasu siarkowego prezentowana przez Grupę PCC skierowana jest przede wszystkim do producentów nawozów fosforowych, papieru oraz soli glauberskiej, czyli siarczanu sodu (Na₂SO₄). Ten ostatni produkt może być także wykorzystywany w produkcji ścieru drzewnego, szkła, barwników oraz detergentów. Siarczan sodu ma również zastosowanie w medycynie jako środek przeczyszczający.

Kwas siarkowy jest surowcem niezbędnym w wielu procesach technologicznych, a jego niezwykle różnorodny rynek stoi u progu wielu wyzwań. Obawy dotyczące niekorzystnego wpływu na środowisko mogą zrównoważyć lub nawet osłabić popyt na ten popularny surowiec. Jest jednak faktem, że H₂SO₄, pomimo tego że jest obecny w chemii od lat, nie traci na swojej popularności i nadal jest jednym z najbardziej niezbędnych surowców chemicznych wykorzystywanych w przemyśle na masową skalę.