پارسا فلاح
سولفات مس (CuSO4) یکی از مهمترین ترکیبات مس است که نهتنها در کشاورزی بهعنوان قارچکش و کود میکروالمنت بهکار میرود، بلکه در صنایع شیمیایی، آبکاری، نساجی، رنگسازی و همچنین بهعنوان ماده اولیه برای استخراج و بازیابی مس مورد استفاده قرار میگیرد. تولید سولفات مس از دیرباز با روشهای گوناگونی صورت گرفته است؛ از حل کردن مستقیم مس یا اکسیدهای آن در اسید سولفوریک گرفته تا استفاده از اکسیدکنندههای قویتر به منظور تسریع انحلال و تشکیل یون مس دو ظرفیتی.
یکی از روشهای جذاب و کارآمد که در دهههای اخیر مورد توجه قرار گرفته، تولید سولفات مس به روش هوادهی است. در این روش، فلز مس در حضور اسید سولفوریک، با اکسیژن موجود در هوا اکسید و به سولفات مس تبدیل میشود. این روش ضمن کاهش هزینهها، امکان استفاده از قراضه مس را نیز فراهم کرده و از نظر اقتصادی و زیستمحیطی مقرون بهصرفه است.
تولید سولفات مس را میتوان از روشهای مختلفی انجام داد. یکی از رایجترین روشها، حل کردن فلز مس یا اکسید مس در اسید سولفوریک غلیظ و گرم است. در این روش، با افزایش دما و تنظیم غلظت اسید، مس بهصورت یون Cu²+ آزاد شده و در نهایت، با آنیون سولفات (SO4²–) ترکیب شده و سولفات مس تشکیل میشود. در اینحالت اگرچه واکنش امکانپذیر است، اما بهدلیل پتانسیل اکسایش-کاهش، حل شدن مس در اسید سولفوریک رقیق بدون حضور یک عامل اکسنده کافی، به راحتی رخ نمیدهد.
از این رو در برخی روشها از مواد اکسیدکننده مانند نیتریک اسید یا پراکسید هیدروژن استفاده میشود تا ابتدا مس به یونهای مس(II) تبدیل شود، سپس با سولفات ترکیب و سولفات مس تشکیل گردد. با اینحال، استفاده از چنین اکسیدکنندههایی هزینههای جانبی، خطرات ایمنی و مشکلات زیستمحیطی را افزایش میدهد.
از دیگر روشها بهجز تولید سولفات مس به روش هوادهی که در ادامه به آن خواهیم پرداخت، میتوان به استفاده از روشهای الکتروشیمیایی اشاره کرد. در این روشها، از یک سلول الکتروشیمیایی استفاده میشود که در آن، مس در آند اکسید شده و در محیط اسید سولفوریک، یونهای مس (II) تشکیل میشود. این یونها سپس با سولفات ترکیب شده و سولفات مس تولید میشود. روشهای الکتروشیمیایی گرچه خلوص بالایی را تأمین میکنند، اما به تجهیزات گرانتر و مصرف انرژی الکتریکی بیشتری نیاز دارند. در مجموع، انتخاب روش تولید بسته به هزینهها، در دسترس بودن تجهیزات، خلوص محصول مورد نظر و میزان تولید مدنظر میتواند متفاوت باشد.
در روش تولید سولفات مس به روش هوادهی، از هوای محیط بهعنوان منبع اکسیژن استفاده میشود تا فلز مس در حضور اسید سولفوریک به سولفات مس تبدیل گردد. این روش امکان استفاده از قراضه و ضایعات مس را فراهم میکند و ضمن کاهش هزینههای ناشی از خرید اکسیدکنندههای خارجی، از منظر زیستمحیطی نیز ارجح است. روند کلی این فرآیند شامل چند مرحله مهم است: انحلال فلز مس، اکسیداسیون توسط هوادهی، غلیظسازی محلول، کریستالگیری و خالصسازی.
در گام نخست تولید سولفات مس به روش هوادهی، فلز مس بهصورت قراضه، ورقههای نازک، تراشه یا هر شکل دیگر در یک راکتور قرار داده میشود. این راکتور حاوی محلول رقیق اسید سولفوریک است. معمولاً غلظت اسید سولفوریک را در حدود 10 تا 20 درصد وزنی نگه میدارند. انتخاب این محدوده غلظت برای برقراری تعادلی است که در آن هم سرعت انحلال مس مناسب باشد و هم خوردگی و اتلاف تجهیزات به حداقل برسد. مس در اسید سولفوریک رقیق، بدون حضور عامل اکسیدکننده به سختی حل میشود، زیرا برای تبدیل مس فلزی (Cu) به یون مس(II) (Cu²⁺)، واکنش اکسایش نیازمند پذیرش الکترون توسط یک گونه اکسیدکننده است. در اینجا اکسیژن هوا (O2) نقش کلیدی دارد.
پس از قرار دادن مس در محلول اسید سولفوریک، هوای فشرده یا اکسیژن از طریق نازلها، پمپها یا سیستمهای پخشکننده وارد راکتور میشود. اکسیژن با سطح مس تماس پیدا میکند و در حضور یونهای H+، به اکسایش مس کمک میکند. واکنش کلی را میتوان بهصورت زیر بیان کرد:
2Cu (s) + O2 (g) + 2H2SO4 (aq) → 2CuSO4 (aq) + 2H2O (l)
در این مرحله از تولید سولفات مس به روش هوادهی، حرارتدهی سیستم میتواند سرعت واکنش را افزایش دهد. معمولاً دمای عملیاتی بین 60 تا 90 درجه سلسیوس تنظیم میشود. افزایش دما حلالیت مس در محیط اسیدی را تقویت کرده و تحرک مولکولی را بالا میبرد. این امر سبب میشود اکسیژن سریعتر با مس واکنش دهد و غلظت سولفات مس در محلول افزایش یابد. همچنین هم زدن مداوم و مؤثر برای توزیع یکنواخت هوا در محلول و جلوگیری از ایجاد لایههای غلیظ محلی از یون مس ضروری است. با پیشرفت واکنش، مس به تدریج اکسید و حل میشود و یونهای Cu²+ در محلول افزایش مییابند.
زمانی که غلظت یونهای مس در محلول اسید سولفوریک به میزان مناسب رسید، باید فرآیند را متوقف کرد. اگر در این مرحله از تولید سولفات مس به روش هوادهی ناخالصیهایی در محلول وجود داشته باشد (مانند ذرات فلزی دیگر، اکسیدها یا حتی ترکیبات نامحلول ناشی از قراضه مس)، از فیلتراسیون برای جداسازی جامدات معلق استفاده میشود. این کار به حصول محلول شفاف و خالصتر کمک میکند.
سپس محلول سولفات مس با اعمال روشهای تغلیظ، نظیر تبخیر کنترلشده بخشی از آب، به سمت تشکیل کریستالهای سولفات مس سوق داده میشود. در این مرحله، محلول به حدی تبخیر میشود تا از نظر ترمودینامیکی تمایل به کریستالیزاسیون سولفات مس پنجآبه (CuSO4·5H2O) پدید آید. با سرد شدن محلول، کریستالهای آبیرنگ و شفاف سولفات مس تهنشین میشوند و قابل جداسازی هستند.
کریستالهای تشکیلشده، از محلول جدا شده و آبگیری میشوند. در این مرحله از فرایند تولید سولفات مس به روش هوادهی، خشک کردن کریستالها در دمای ملایم (معمولاً 40 تا 60 درجه سلسیوس) انجام میگیرد. هدف از این خشک کردن، حذف رطوبت اضافی سطح کریستالها و دستیابی به محصولی با خلوص و پایداری بالا است. محصول نهایی با درصد خلوص قابلقبول به دست آمده و قابل عرضه به بازار است. در صورت نیاز به خلوص بالاتر، میتوان از مراحل خالصسازی اضافی، مانند دوباره کریستالیزاسیون بهره برد.
تولید سولفات مس به روش هوادهی، نیازمند تجهیزاتی است که ضمن تأمین شرایط بهینه واکنش، مقاومت مناسبی در برابر محیط اسیدی و اکسیدکننده از خود نشان دهند. نخستین و مهمترین بخش، راکتور است. جنس راکتور باید در برابر اسید سولفوریک و حضور اکسیژن مقاوم باشد. معمولاً از فولاد زنگنزن (استنلس استیل) یا آلیاژهای مقاوم به خوردگی و پوششهای پلیمری مخصوص استفاده میشود. انتخاب جنس راکتور، تأثیر مستقیمی بر طول عمر تجهیزات و هزینههای نگهداری دارد.
سیستمهای هوادهی نیز بخشی کلیدی از تجهیزات هستند. پمپها، کمپرسورها، اسپارجرها (پخشکنندههای هوا) و نازلهای ورودی هوا، باید بهگونهای طراحی شوند که هوای ورودی بهصورت یکنواخت در سرتاسر محلول توزیع شود. این امر تضمینکننده واکنش مؤثر بین اکسیژن هوا و مس خواهد بود. همزنها یا سیستمهای چرخاننده مکانیکی نیز برای یکنواختسازی دما، غلظت و اکسیژن محلول بهکار میروند. کنترل سرعت همزنی، اندازه و شکل پروانه همزن و شرایط مکانی آنها بر راندمان تولید تأثیرگذار است.
فیلتراسیون و سیستمهای جداسازی جامد-مایع نیز به منظور حذف ذرات ناخالصی ضروری هستند. این بخش میتواند شامل فیلترهای تحت فشار، فیلتر خلأ یا غشاهای نیمهتراوا باشد. در ادامه، تجهیزات تبخیرکننده و کریستالیزورها برای تغلیظ و تشکیل بلورهای سولفات مس بهکار میروند. این واحدها باید قابل تنظیم باشند تا کاربر بتواند با کنترل دما، فشار و سرعت تبخیر، به شرایط بهینه برای کریستالگیری برسد.
در مرحله نهایی از فرایند تولید سولفات مس به روش هوادهی، خشککنها برای حذف رطوبت اضافی از کریستالهای تولیدی مورد استفاده قرار میگیرند. خشککنهای حرارتی با جریان هوای گرم ملایم یا خشککنهای خلأ که به دمای پایینتری نیاز دارند، از گزینههای موجود هستند. انتخاب تجهیزات مورد نیاز وابسته به ظرفیت تولید، سطح خودکارسازی فرآیند و اهداف اقتصادی و زیستمحیطی کارخانه است.
بیشتر بخوانید: روش های تولید سولفات مس
استفاده از فرایند تولید سولفات مس به روش هوادهی مزایای قابلتوجهی دارد. نخستین مزیت، عدم نیاز به استفاده از اکسیدکنندههای شیمیایی پرهزینه و گاه خطرناک است. اکسیژن هوا منبعی ارزان، فراوان و در دسترس است که ضمن کاهش هزینههای تولید، ایمنی فرآیند را نیز ارتقاء میبخشد. از سوی دیگر، این روش بهویژه زمانی جذاب میشود که مواد اولیه، قراضه یا ضایعات مس باشد. استفاده از قراضه مس بهعنوان خوراک، ضمن کاهش هزینههای تأمین مس خام، گامی در جهت بازیافت منابع و کاهش ضایعات صنعتی است. این امر از منظر زیستمحیطی ارزشمند است و باعث کاهش استخراج مس از معادن میشود.
تولید سولفات مس به روش هوادهی، از دیدگاه اقتصادی نیز بهصرفه است. هرچند ممکن است سرعت واکنش در مقایسه با برخی روشهای شیمیایی اکسیدکننده دیگر کمتر باشد، ولی حذف هزینههای خرید اکسیدکنندههای گرانقیمت و کاهش خطرات ایمنی ناشی از کار با مواد شیمیایی شدیداً خورنده، اثرات مثبتی بر هزینه تمامشده دارد. افزون بر این، انرژی مورد نیاز برای اعمال فشار یا افزایش دما در مقایسه با روشهای الکتروشیمیایی میتواند در حد قابلقبولی باقی بماند.
با اینحال، تولید سولفات مس به روش هوادهی خالی از عیب نیست. از جمله معایب این روش، وابستگی بالای آن به شرایط عملیاتی دقیق است. حفظ دما، pH، نرخ جریان هوا و سرعت همزدن برای تضمین عملکرد مطلوب ضروری است. هر گونه انحراف از شرایط بهینه میتواند راندمان را کاهش دهد یا باعث تشکیل محصولات جانبی ناخواسته شود.
همچنین، تولید سولفات مس به روش هوادهی ممکن است برای تولید در مقیاسهای بسیار بزرگ با توجه به موانع انتقال جرم و نیاز به هوادهی گسترده پیچیدهتر شود. کنترل مصرف انرژی، افزایش کارایی پخش هوای محیط در محلول و مدیریت خوردگی تجهیزات از چالشهای این روش بهشمار میآید.
همچنین در قیاس با برخی روشهای شیمیایی قدرتمند، سرعت اکسایش و حل شدن مس در روش هوادهی کمتر است. این امر میتواند زمان اقامت مس در راکتور و میزان مورد نیاز اسید سولفوریک و هوا را افزایش دهد. گرچه این مسأله گاه با افزایش دما، بهبود طراحی راکتور یا ارتقاء سیستمهای هوادهی قابل رفع است، اما در برخی شرایط صنعتی، زمان طولانیتر واکنش میتواند عاملی محدودکننده باشد.
در بُعد زیستمحیطی، گرچه در این روش نیاز به اکسیدکنندههای خطرناک کاهش مییابد، اما همچنان مدیریت پسابهای حاوی مس و اسید سولفوریک و کنترل انتشار بخارات اسیدی مهم است. سیستمهای تهویه، جمعآوری و خنثیسازی بخارات و رعایت استانداردهای ایمنی برای پرسنل از الزامات اجتنابناپذیر در هر روشی است که با اسید سولفوریک و فلزات سنگین سر و کار دارد.
شرکت آپادانا پارسه زنجان شیمی، تأسیسشده در سال ۱۳۷۶، با بیش از دو دهه تجربه در تولید محصولات شیمیایی صنعتی، بهویژه سولفات مس با خلوص ۹۹٪ بدون استفاده از اسید نیتریک، فعالیت میکند. این شرکت با ظرفیت تولید روزانه ۳۰ تن انواع سولفاتها، محصولات خود را در دانهبندیهای مختلف برای مصارف کشاورزی، دامداری و صنعتی ارائه میدهد. کیفیت بالای تولیدات آپادانا پارسه زنجان شیمی، امکان رقابت با محصولات خارجی را فراهم کرده و صادرات به کشورهایی نظیر ترکیه، ارمنستان، عراق و گرجستان را میسر ساخته است.
سخن پایانی
تولید سولفات مس به روش هوادهی، روشی کارآمد و مقرونبهصرفه است که با استفاده از اکسیژن هوا بهعنوان اکسیدکننده، ضمن کاهش هزینهها و خطرات حاصل از مواد اکسیدکننده شیمیایی، امکان بهرهبرداری از قراضه مس را فراهم میکند. این فرآیند بهدلیل نیاز به کنترل دقیق شرایط عملیاتی و تجهیزات مقاوم به خوردگی، پیچیدگیهای خاص خود را دارد، اما با رعایت اصول علمی و فنی، میتوان به محصولی با کیفیت، خلوص و صرفه اقتصادی دست یافت. روش هوادهی با توجه به ملاحظات زیستمحیطی و فشار فزاینده بر منابع معدنی، میتواند روشی پایدار و مناسب برای تولید سولفات مس در صنایع مختلف باشد.
تولید سولفات مس به روش هوادهی، باعث میشود سولفات مس صنعتی با خلوص و پایداری بیشتری تولید شود. کنترل شرایط واکنش و حذف برخی ناخالصیها به ارتقای کیفیت و کاهش هزینههای جانبی میانجامد.
در نتیجهی این تغییرات، قیمت سولفات مس در بازار رقابتیتر شده و برای مصرفکنندگان جذابیت بالاتری ایجاد میکند. این عوامل در مجموع تجربه خرید سولفات مس را برای مصرفکنندگان بهبود داده و آنها را به انتخاب این محصول ترغیب میکند.
شرکت آپادانا پارسه زنجان شیمی با بیش از چند دهه فعالیت در حوزه تولید محصولات شیمیایی صنعتی، به تولید و صادرات انواع سولفات مس بدون اسید نیتریک پرداخته و توانسته پاسخگوی نیازهای مشتریان در صنایع مختلف باشد.
