【以草酸為原料生產(chǎn)草酸銅的工藝條件研究6300字（論文）】

以草酸為原料生產(chǎn)草酸銅的工藝條件研究目錄TOC\o"1-2"\h\u18669以草酸為原料生產(chǎn)草酸銅的工藝條件研究 1191871前言 2154871.1草酸銅的物理與化學(xué)性質(zhì) 2115711.2草酸銅的用途 2180461.3草酸銅的生產(chǎn)方法 2179441.4課題研究背景及意義 4316942實驗部分 4144132.1實驗儀器和試劑 4144292.2實驗原理 5277022.3實驗注意事項 5303392.4實驗方案 5246412.5實驗過程與結(jié)果 6231753實驗結(jié)果與討論 743273.1CuSO4和H2C2O4摩爾配比對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響 7233293.2H2C2O4濃度對草酸銅產(chǎn)率的影響 8239613.3CuSO4濃度對草酸銅產(chǎn)率的影響 9305093.4反應(yīng)溫度對草酸銅產(chǎn)率的影響 10148914產(chǎn)品表征 11107414.1掃描電子SEM表征 12144574.2XRD表征 1268375結(jié)論 135213參考文獻(xiàn) 15摘要:草酸銅是一種應(yīng)用廣泛的化工原料，可用作有機反應(yīng)催化劑、高分子穩(wěn)定劑、還可用于磁感應(yīng)材料、陶瓷材料、催化劑制備。本文以草酸和硫酸銅為原料，利用直接沉淀法來生產(chǎn)草酸銅，通過用正交實驗法，分別考察了草酸濃度、硫酸銅濃度、反應(yīng)溫度、硫酸銅與草酸物質(zhì)的量比對草酸銅產(chǎn)率的影響，獲得了制備草酸銅的最佳工藝條件。實驗結(jié)果表明：當(dāng)草酸濃度為1.7mol/L,硫酸銅的濃度為1.4mol/L，反應(yīng)溫度為80℃，硫酸銅與草酸的摩爾配比為0.88：1，草酸銅的最高產(chǎn)率達(dá)到81.2%。最后用對產(chǎn)品分別進(jìn)行了XRD與SEM表征，XRD譜圖出峰位置與標(biāo)準(zhǔn)譜圖基本一致，掃描出來的產(chǎn)品形狀為球形，粒度分布比較均勻，所得的粒度范圍為0.5~4um.關(guān)鍵詞:草酸銅，最佳工藝條件,正交實驗法，直接沉淀法1前言1.1草酸銅的物理與化學(xué)性質(zhì)草酸銅，別名乙二酸銅，分子式為CuC2O4，常溫下無氣味，淺藍(lán)色粉末，有毒，可溶于氨水，不溶于水、乙醇和乙酸?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，密度為1.28g/cm3，沸點為365.1℃，在高溫400℃的煅燒中可生成黑色的氧化銅。1.2草酸銅的用途草酸銅是一種常見的化工原料，可在一些有機反應(yīng)中做催化劑、還可在生活中用于染色材料和電材料的制備；草酸銅可以作為對有機物苯直接氧化得到苯酚的催化劑（苯酚是一種生活中非常重要的有機化工產(chǎn)品，在制備醫(yī)藥、材料和煉油等工業(yè)中有著不可替代的作用）；草酸銅還可作為其他產(chǎn)品的催化劑廣泛的應(yīng)用于人們的生活當(dāng)中[1-5]。通過生成草酸銅沉淀來治理銅離子污染的水域，在常溫條件下不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是在高溫400℃下可被煅燒成氧化銅，氧化銅主要用作催化劑和電路材料的制備、電材料制備以及其他人造材料的制備和農(nóng)藥制備等，并且草酸銅在惰性氣體的保護(hù)下高溫可生成銅粉，銅粉在提高燒結(jié)式熱管的性能中有著不可替代的作用[6-8]。1.3草酸銅的生產(chǎn)方法草酸銅制備一般用直接沉淀法，就是將幾種含有催化作用的離子溶液混合起來，在恒溫中充分?jǐn)嚢枞芙?，過濾出來沉淀物，然后在恒溫干燥箱中進(jìn)行干燥或者煅燒從而得到所需要的產(chǎn)物，直接沉淀法所需的設(shè)備和方法簡單，產(chǎn)品成本低廉等優(yōu)點[9-10]。在一些實驗室中，也有用微乳液法制備金屬鹽，微乳液制備簡單、需要成本不高、可以循環(huán)使用等優(yōu)點也是制備超細(xì)微粒的一種常用的方法[11]。然而在近幾年還出現(xiàn)了反萃沉淀法，以萃取劑溶液反萃組成的有機相溶液中的銅離子，獲取CuC2O4超細(xì)粉體。以下是幾種常用的制備草酸銅的方法。1.3.1草酸法在實驗室，常用草酸和硫酸銅為原料制備草酸銅，通過正交實驗法對草酸銅在不同條件下的產(chǎn)率進(jìn)行了研究。陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院的王偉濤團(tuán)隊使用沉淀法制備草酸銅來作為有機物苯的催化劑，主要是：將所制得的草酸溶液緩慢滴加到有硫酸銅溶液的錐形瓶中，在室溫下反應(yīng)一段時間，將生成的沉淀抽濾，并洗滌，得到的產(chǎn)品在100℃干燥10ｈ，即可得到草酸銅的斜方晶系晶體。1.3.2草酸鈉法目前比較常見的制備草酸銅的方法是，以草酸鈉和硫酸銅為原料生產(chǎn)草酸銅。王衛(wèi)兵等在2020年通過正交實驗法研究了各個物質(zhì)的濃度、反應(yīng)溫度和物質(zhì)的摩爾比對草酸銅產(chǎn)率的影響，實驗得出在最佳生產(chǎn)條件下草酸銅的產(chǎn)率最好可以高達(dá)92.88%。1.3.3草酸氨法山東理工大學(xué)的王衛(wèi)偉、姚佳良等利用氯化銅和草酸氨在水浴中加熱反應(yīng)兩個小時，反應(yīng)液冷卻到室溫后，用超聲波離心機進(jìn)行離心并且用溶液洗滌草酸銅兩到三次，然后在400℃的條件下煅燒兩個小時得到草酸銅產(chǎn)品，最后用獲得的草酸銅來制備氧化銅。這個實驗表明銅離子和草酸根離子很容易在水溶液中發(fā)生水解，銅離子和草酸根離子的比例會相會影響各自的水解反應(yīng)，進(jìn)而來控制生成草酸銅的形核過程。在溶液中形成沉淀物需要經(jīng)過形核和生長兩個部分來完成，而溶液中的離子濃度和離子的擴散速度都會影響生長的過程。此實驗中的草酸氨是弱酸弱堿鹽，如果改變了銅離子和草酸根離子的濃度，則會影響它們在水溶液中的水解速度，從而使溶液的pH值發(fā)生改變，最終會影響草酸銅的生長情況。所以這就需要找出最適合的濃度比例和合適的反應(yīng)溫度，來制備出最優(yōu)的草酸銅。1.3.4其它方法隨著對產(chǎn)品要求和實驗方法不斷提高，人們在不斷探索著新的方法，比如微乳液法，用微乳液法形成的粒子具有很多優(yōu)點：第一，由于用微乳液法形成的分散相的液滴非常小，并且形成的液滴很均勻，所以在使用它作為整個反應(yīng)的介質(zhì)來制備超細(xì)微粒的時候，由于反應(yīng)物分別被分隔在不同的微區(qū)之中，以此來限制反應(yīng)物之間的相互影響，并且這樣也可以控制粒子的生長，從而得到超細(xì)的微粒。第二，微乳液法制備超細(xì)微粒的反應(yīng)設(shè)備與實驗制備方法簡單，而且參與反應(yīng)的介質(zhì)可以在實驗中循環(huán)利用，以此來降低實驗的成本，因而現(xiàn)在許多草酸鹽制備都應(yīng)用這個方法。而且近年來也開始使用反萃沉淀法制備超細(xì)草酸銅沉淀，該實驗是石磊老師的團(tuán)隊做出的，主要是在一定的萃取劑和稀釋劑中，萃取鹽溶液中的銅離子，并且反萃沉淀中的銅離子，將所獲得到草酸銅沉淀進(jìn)行多次的洗滌、過濾、干燥，最后就可以得到草酸銅的超細(xì)粉體。這個實驗的反應(yīng)條件易于控制，并且所制得的草酸銅粉末的純度高、顆粒小，在SEM圖中可以看出，由此方法制的草酸銅分布均勻。所以這個方法在制備一些金屬鹽的超細(xì)粉末中應(yīng)用非常廣泛。1.4課題研究背景及意義在日常生活中，草酸銅的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注，草酸銅不僅可作為氧化銅的前驅(qū)物，也經(jīng)常用生成草酸銅沉淀來治理污水中銅離子的過量問題。并且日常生活中也離不開草酸銅，它是一種常見的催化劑，比如把草酸銅直接加入有機化合物苯中直接氧化生成苯酚，而苯酚在醫(yī)藥以及農(nóng)藥方面的作用是其他物質(zhì)無法所替代的；草酸銅也可以在高溫中煅燒生成氧化銅，氧化銅在電池、陶瓷等工藝方面也有著及其重要的作用。所以研究如何制備氧化銅的前驅(qū)物-草酸銅具有十分重要的意義。隨著日常生活對草酸銅需求的增加，在草酸銅的制備上研究者一直在不斷地進(jìn)行一些工藝研究。近年來王衛(wèi)偉教授在用氯化銨制備草酸銅的實驗中研究了反應(yīng)物的濃度以及實驗中各因素對草酸銅的影響。呂軍軍老師也研究了在不同條件下將生成的草酸銅作為催化劑對有機物性能的影響。國內(nèi)化工企業(yè)在在引進(jìn)國外的生產(chǎn)工藝后，同時也在不斷進(jìn)行生產(chǎn)工藝的改進(jìn)與完善，并且取得了不錯的效果。比如用微乳液法制備超細(xì)微粒的草酸銅，具有制作成本低、反應(yīng)介質(zhì)可以無限循環(huán)、并且制備的產(chǎn)物比較細(xì)致均勻等的特點。本文以草酸和硫酸銅為原料生產(chǎn)制備草酸銅，并且采用正交實驗法先獲得初步的制備條件，再采用單因素分解法分別研究了硫酸銅和草酸的摩爾量配比、草酸的濃度、硫酸銅的濃度、反應(yīng)溫度等對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響，進(jìn)一步確定了草酸銅生產(chǎn)的最優(yōu)條件。2實驗部分2.1實驗儀器和試劑2.1.1實驗試劑無水硫酸銅，98%，河南榮達(dá)化學(xué)試劑廠；草酸，分析純，河南榮達(dá)化學(xué)試劑廠。2.1.2實驗儀器低溫恒溫槽，QC-2088，廣西丙天儀器；抽濾裝置，天輝循環(huán)水真空泵,旋片水循環(huán)負(fù)壓真空泵貨號H4000，本經(jīng)德化機械自動化有限公司；鼓風(fēng)干燥箱HYG-2058A，天水科技公司；分析天平，上海民橋精密儀器有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，齊魯儀器；燒杯；容量瓶。2.2實驗原理以草酸和硫酸銅為原料，通過發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)來制備草酸銅，其反應(yīng)方程如下：CuSO4+H2C2O4=CuC2O4↓+H2SO4由于反應(yīng)生成的草酸銅即CuC2O4不溶于水，但是生成的硫酸易溶于水，這樣有利于主產(chǎn)物的分離，反應(yīng)完畢后，通過過濾的方法來制備草酸銅。2.3實驗注意事項1、在過濾的時候，由于草酸銅粒度比較小，所以應(yīng)該用兩層或者三層的濾紙來進(jìn)行過濾，以此來減少損耗。2、由于草酸和硫酸銅在本實驗的濃度下都比較容易結(jié)晶，所以在使用前一定要主要觀察容量瓶的底部是否有結(jié)晶，如有結(jié)晶應(yīng)及時加熱，以免濃度不夠。2.4實驗方案本實驗采用正交法設(shè)計實驗，正交法可以解決多因素的影響問題，可以在實驗中挑選出最優(yōu)的組合水平，從而得到較為理想的實驗數(shù)據(jù)。正交法的優(yōu)勢：通過表格可以清晰得出實驗的方案；可以用最少的實驗最快得出需要的實驗數(shù)據(jù)；可以減少多次實驗帶來的誤差。表2.1正交表L9(34)序號ABCD結(jié)果123456789111222333123123123123231312123312231X1X2X3X4X5X6X7X8X9根據(jù)實驗?zāi)康摹嶒炈?、變化因素等，本實驗選用了正交表L9(34)，主要研究四個不同的變量(H2C2O4濃度、CuSO4濃度、反應(yīng)溫度、CuSO4和H2C2O4的摩爾配比)對草酸銅產(chǎn)率的影響。具體數(shù)據(jù)見下表表2.2各因素及影響序號123草酸的濃度(mol/L)0.51.01.5硫酸銅的濃度(mol/L)0.51.01.5反應(yīng)溫度(℃)556575n（CuSO4/H2C2O4）11.31.52.5實驗過程與結(jié)果2.5.1實驗過程（1）溶液配制用電子天平分別稱取實驗所需濃度的硫酸和草酸樣品放入燒杯中溶解，然后用容量瓶定容，再將配好的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)瓶中待用。（2）實驗過程在200mL圓底燒瓶中加入對應(yīng)濃度的硫酸銅溶液，200mL圓底燒瓶中加入草酸溶液，分別置于恒溫槽中，設(shè)置對應(yīng)實驗的溫度，在達(dá)到指定的溫度之后，用量筒稱量計算好的硫酸銅，緩慢加入草酸溶液中，并且不斷進(jìn)行攪拌，放入恒溫磁力攪拌器中連續(xù)反應(yīng)一個小時，將所得的反應(yīng)物靜置十分鐘后進(jìn)行抽濾，洗滌2-3次，將抽濾好的產(chǎn)品放入臺式鼓風(fēng)干燥箱中100℃干燥30分鐘即可得產(chǎn)品，對所得的產(chǎn)品進(jìn)行稱重，記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，計算出此次實驗的產(chǎn)率。表2.3實驗結(jié)果序號H2C2O4濃度mol·L-1CuSO4濃度mol·L-1反應(yīng)溫度℃n(CuSO4)/n(H2C2O4）草酸銅產(chǎn)率/%1234567890.50.50.51.01.01.01.51.51.50.51.01.50.51.01.50.51.01.55565756575557555651：11.3：11.5：11.5：11：11.3：11.3:11.5:11:16.6%12.6%5.2%3.4%26.4%10.1%8.5%17.7%49.5%2.5.2數(shù)據(jù)分析表2.4實驗結(jié)果分析數(shù)據(jù)C(H2C2O4)C(CuSO4)反應(yīng)溫度N(CuSO4/(H2C2O4）K1KB1=24.4KA1=18.5KC1=34.4KD1=82.5K2KB2=39.9KA2=56.7KC2=55.5KD2=31.2K3KB3=75.7KA3=64.8KC3=40.1KD3=26.3K1KB1=8.13KA1=6,17KC1=11.47KD1=27.5K2KB2=13.3KA2=18.9KC2=18.5KD2=10.4K3KB3=25.23KA3=21.6KC3=13.37KD3=8.77極差R2=17.1R1=15.43R3=7.03R4=18.73通過表2.4進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析，H2C2O4濃度為1.5mol/L，CuSO4的濃度為1.5mol/L，反應(yīng)溫度為65℃，硫酸銅對比草酸的摩爾配比為1：1時可以得到草酸銅制備的較好實驗條件：每個因素對產(chǎn)率的影響從高到低依次排列為：硫酸銅溶液和草酸溶液的摩爾配比、H2C2O4的濃度、CuSO4的濃度、反應(yīng)溫度。在上述的較好的水平上尋找各因素的最佳水平，最后，對制備出的最終產(chǎn)品進(jìn)行XRD表征和SEM表征，得到產(chǎn)品純度、粒度大小及所得產(chǎn)品的形狀。3實驗結(jié)果與討論3.1CuSO4和H2C2O4摩爾配比對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響固定硫酸銅的濃度為1.5mol/L，草酸的濃度為1.50mol/L，恒溫水浴鍋的溫度為65℃，改變硫酸銅與草酸的摩爾配比，并且在磁力攪拌器中反應(yīng)一個小時，得出的實驗結(jié)果如表3.1和圖3.1所示。表3.1摩爾配比對草酸銅產(chǎn)率的影響摩爾比0.80.91.01.11.21.3產(chǎn)率%67.074.339.824.533.025.9圖3.1.硫酸銅與草酸物質(zhì)的量配比對草酸銅產(chǎn)率的影響由圖3.1可知，隨著硫酸銅與草酸的摩爾比的增大，制備的草酸銅的產(chǎn)率先增大后減少，這是由于銅離子和草酸根離子的濃度同時影響著產(chǎn)品的生成速率，當(dāng)銅離子的濃度太大時，會影響草酸根的水解，造成草酸根的濃度下降，不利于產(chǎn)物的生成；銅離子濃度過小，反應(yīng)速率過慢，也不利于產(chǎn)品的生成。這是由于配比較小時，反應(yīng)液中銅離子的量相對不足，會導(dǎo)致產(chǎn)率較少；配比增大時候，有利于生成草酸銅；但是當(dāng)配比大于0.88后，銅離子的水解過程加強，又因為銅離子的水解是吸熱反應(yīng)，會使吸收較多的熱量，不利于草酸的電離，所以會使產(chǎn)率降低。3.2H2C2O4濃度對草酸銅產(chǎn)率的影響改變草酸的濃度，固定硫酸銅的濃度為1.50mol/L，反應(yīng)溫度為65°C，其中CuSO4:H2C2O4的配比為0.88:1，在磁力攪拌器中反應(yīng)一小時，所得硫酸銅產(chǎn)率的變化見表3.2和圖3.2。表3.2草酸濃度對草酸銅產(chǎn)率的影響草酸濃度mol/L1.01.21.51.61.71.8草酸銅產(chǎn)率/%30.043.056.058.078.063.0圖3.2.草酸濃度對草酸銅產(chǎn)率的影響由圖3.2可以看出，隨著草酸濃度的增加，生成的草酸銅產(chǎn)率隨著先增加后減少。當(dāng)草酸的濃度達(dá)到1.7mol/L時，生成的草酸銅產(chǎn)率最高達(dá)到78%。這是由于當(dāng)草酸濃度較低時，電離出的草酸根濃度較小，因而化學(xué)反應(yīng)速率較慢，生成的產(chǎn)品較少；隨著草酸濃度的增大，電離出草酸根濃度較大，化學(xué)反應(yīng)速率加快，產(chǎn)品的產(chǎn)率逐漸增大；但是草酸濃度過高時，化學(xué)反應(yīng)速率加快，由于草酸銅的制備為吸熱反應(yīng)，需要吸收較多的熱量。3.3CuSO4濃度對草酸銅產(chǎn)率的影響改變原料中硫酸銅的濃度，固定草酸的濃度為1.7mol/L,恒溫水浴鍋溫度為65°C，其中CuSO4:H2C2O4的配比為0.88:1，在磁力攪拌器中反應(yīng)一小時，其實驗結(jié)果如表3.3和圖3.3。硫酸銅濃度mol/L1.21.31.41.51.61.7草酸銅產(chǎn)率/%68.272.379.374.770.267.8表3.3硫酸銅濃度對草酸銅產(chǎn)率的影響圖3.3硫酸銅濃度對草酸銅產(chǎn)率的影響由圖3.3可以看出，隨著硫酸銅濃度的增大，草酸銅的產(chǎn)率先增大后減少，由圖可知當(dāng)硫酸銅的濃度達(dá)到1.4mol/L時，草酸銅的最高產(chǎn)率可達(dá)79.3%。這是由于硫酸銅濃度較小，因而化學(xué)反應(yīng)速率較慢，生成產(chǎn)品較少；隨著硫酸銅濃度增大，電離出銅離子濃度較大，化學(xué)反應(yīng)加快，生成產(chǎn)品增多；但是硫酸銅濃度過大時，化學(xué)反應(yīng)速率加劇，由于草酸銅的制備為吸熱反應(yīng)，需要吸收較多的熱量。3.4反應(yīng)溫度對草酸銅產(chǎn)率的影響固定草酸的濃度為1.7mol/L，硫酸銅的濃度為1.4mol/L，，硫酸銅和草酸的摩爾配比為0.88：1，只改變恒溫水浴鍋中反應(yīng)的溫度，得出的實驗結(jié)果如表3.4和圖3.4所示。表3.4反應(yīng)溫度對草酸銅產(chǎn)率的影響溫度/℃606570758085草酸銅產(chǎn)率/%12.930.56069.781.271.5圖3.4反應(yīng)溫度比對草酸銅產(chǎn)率的影響從圖3.4可知，隨著恒溫水浴鍋中溫度的增高，生成草酸銅的產(chǎn)率也是先增大后減少。由表可以看出在反應(yīng)溫度達(dá)到80℃時，草酸銅的產(chǎn)率最高為81.2%。這是由于產(chǎn)品的生成快慢與溫度有關(guān)，增大反應(yīng)溫度會影響溶液中離子的反應(yīng)頻率。而草酸根和銅離子都可以從反應(yīng)溶液中電離直接獲得，而增大溫度有利于溶液中各離子的相互碰撞，草酸與硫酸銅的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，增大溫度有利于生成草酸銅；同時由于銅離子的水解反應(yīng)也是吸熱反應(yīng)，溫度過高，有利于銅離子的水解，可能還會引發(fā)其他的反應(yīng)，不利于產(chǎn)品的生成。4產(chǎn)品表征4.1掃描電子SEM表征采用荷蘭飛納的掃描電子顯微鏡對產(chǎn)品進(jìn)行表征分析，主要參數(shù)為:Vacc=3kV，Mag=x30.0k,WD=8.2mm。圖4.1草酸銅的掃描圖通過圖片可以看出，草酸銅成品為球狀，粒度分布比較均勻，粒度范圍為0.5～4um之間4.2XRD表征為了進(jìn)一步證明所得草酸銅的純度，對所得的產(chǎn)品進(jìn)行了XRD表征。將產(chǎn)品的XRD譜圖和標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行對比，所得產(chǎn)品出峰位置基本一致，在22.91°、35.90°、39.05°、42.27°、46.78°、52.04°等角度出現(xiàn)特征衍射峰,而且沒有雜相，說明產(chǎn)品的純度較高。圖4.2草酸銅的譜圖圖4.3草酸銅得標(biāo)準(zhǔn)譜圖5結(jié)論通過對實驗結(jié)果進(jìn)行分析與討論，得到草酸銅的最佳生產(chǎn)條件為：CuSO4濃度為1.4mol/L，H2C2O4的濃度為1.7mol/L，溫度為