اسید سولفوریک چه کاربردهایی دارد؟

اسید سولفوریک، معروف به اسید باتری، زیربنای بسیاری از فرایندهای صنعتی است و از آن به‌عنوان «پادشاه مواد شیمیایی» نام می‌برند. این ماده به دلیل واکنش‌پذیری بالا، خورندگی و توانایی جذب رطوبت در صنایع مختلفی مانند کشاورزی، نفت و پتروشیمی، تولید محصولات شیمیایی، فرآوری و استخراج فلزات به کار می‌روند. با این حال کار با اسید سولفوریک چالش‌های مخصوص به خود را نیز دارد که در برخی موارد همچون سولفورزدایی، باید با مواد ایمنی همچون سولفورین جایگزین شود. در این مطلب، مهم‌ترین کاربردهای اسید سولفوریک در صنایع مختلف را بررسی می‌کنیم و در انتها چالش های کار با این ماده شیمیایی و راهکارهای مربوط به رفع آن‌را توضیح می‌دهیم.

همچنین بخوانید:

♣ اسید نیتریک | از ماده اولیه تا کاربردهای صنعتی

♣ مروری بر کاربردهای اسید هیدروکلریک در صنایع گوناگون

اسید سولفوریک چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

اسید سولفوریک یا سولفات هیدروژن با فرمول شیمیایی (H₂SO₄) یکی از اسیدهای معدنی قوی است که از اتم‌های گوگرد، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. این اسید، محلولی بسیار خورنده با رنگ روغنی شفاف است که در حالت عادی بویی بسیار تند دارد. در خالص‌ترین فرم، اسید سولفوریک PH معادل 0.5 دارد و با جرم مولکولی ۹۸.۰۷۹ گرم بر مول و چگالی ۱.۸۴ کیلوگرم بر لیتر، نقطه جوشی معادل ۳۳۷ درجه سانتی گراد دارد. این اسید کاملا قابل مخلوط شدن با آب است و در غلظت‌های مختلف (معمولا ۱۰ تا ۹۸ درصد) واکنش گرمازا و شدیدی ایجاد می‌کند که کاربردهای مختلفی در صنایع دارد.

مهم‌ترین کاربردهای اسید سولفوریک

اسید سولفوریک به دلیل ویژگی‌هایی مانند قدرت اسیدی بالا، خاصیت آب‌گیری، و قابلیت واکنش‌پذیری زیاد، در صنایع گوناگونی از جمله کشاورزی، شیمیایی، خودروسازی، فولاد، پتروشیمی و تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار می‌گیرد. میزان مصرف سالانه اسید سولفوریک در هر کشور معمولاً به عنوان شاخصی از سطح توسعه صنعتی آن کشور در نظر گرفته می‌شود. در ادامه، به مهم‌ترین کاربردهای این اسید در صنایع مختلف اشاره شده است:

الف) صنایع کشاورزی

حدود نیمی از اسید سولفوریک تولیدی در جهان برای تولید کود شیمیایی به‌خصوص کودهای نیتروژنه و  فسفاته مانند سوپر فسفات آهک و سولفات آمونیوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرایند تولید کود در این صنعت طی مراحل ترکیب اسید سولفوریک با سنگ فسفات، آزاد شدن فسفر و خنثی کردن با آمونیاک و آهک انجام می‌گیرد. در کشاورزی نوین، استفاده از این کودها موجب افزایش حاصلخیزی خاک، رشد سریع‌تر گیاهان و بهبود کیفیت محصولات کشاورزی شده است. با توسعه صنعتی و رشد جمعیت در کشورهای در حال توسعه، تقاضا برای این کودها و در نتیجه مصرف اسید سولفوریک نیز روندی افزایشی دارد.

ب) تولید باتری‌

یکی از شناخته‌شده‌ترین کاربردهای اسید سولفوریک، در ساخت باتری‌های سرب–اسیدی است. این باتری‌ها که الکترولیت آن‌ها از محلول رقیق‌شده اسید سولفوریک با غلظت حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد تشکیل شده، در اثر واکنش شیمیایی بین سرب و دی‌اکسید سرب، الکترون آزاد کرده و جریان الکتریکی تولید می‌کنند. از این رو به آن اسید باتری می گوییم.
باتری‌های سرب-اسیدی به دلیل قابلیت شارژ مجدد، قیمت مناسب و توان خروجی بالا در خودروها، تجهیزات صنعتی، سامانه‌های برق اضطراری (UPS)، نیروگاه‌های خورشیدی، تجهیزات بیمارستانی و ماشین‌آلات کشاورزی کاربرد گسترده‌ای دارند. البته به دلیل واکنش‌های برگشت‌ناپذیر در طول زمان، عمر مفید این باتری‌ها محدود است و پس از چند سال نیاز به تعویض دارن

ج) شوینده‌های خانگی

خاصیت قوی لکه‌بری، چربی‌زدایی و ضدعفونی‌کنندگی اسید سولفوریک باعث شده تا از آن در صنایع تولید شوینده‌ها نیز استفاده شود. در غلظت‌های پایین، این اسید برای تولید مواد شوینده خانگی مانند پودر لباسشویی، صابون، مایع ظرف‌شویی و محلول‌های تمیزکننده سطوح به کار می‌رود. اسید سولفوریک همچنین جزء اصلی برخی بازکننده‌های لوله فاضلاب و چربی‌زداهای صنعتی است، زیرا قادر است ترکیبات آلی و رسوبات چرب را تجزیه کند. البته در استفاده از محلول‌های غلیظ آن باید احتیاط شود، چراکه می‌تواند موجب سوختگی‌های شدید شیمیایی و آسیب به پوست یا دستگاه تنفسی گردد.

د) فرآوری و استخراج فلزات

در صنایع فلزی، اسید سولفوریک نقش مهمی در پاک‌سازی، آماده‌سازی و استخراج فلزات دارد. در فرآیند اسیدشویی یا پیکلینگ (Pickling)، از محلول‌های رقیق اسید سولفوریک برای حذف زنگ، اکسید و ناخالصی‌ها از سطح فولاد و آهن پیش از آبکاری یا رنگ‌کاری استفاده می‌شود. این مرحله موجب افزایش چسبندگی پوشش و جلوگیری از خوردگی فلز در آینده می‌شود.
همچنین، در فرآیندهای هیدرومتالوژی و استخراج فلزات، اسید سولفوریک در غلظت‌های ۱۰ تا ۳۰ درصدی برای انحلال فلزات از سنگ معدن به کار می‌رود. در فرآیند لیچینگ (Leaching)، این اسید با اکسیدهای فلزی واکنش داده و فلزاتی مانند مس، روی، نیکل و اورانیوم را به صورت محلول‌های سولفاته استخراج می‌کند. معمولاً اسید استفاده‌شده پس از جداسازی فلزات، بازیابی و مجدداً در چرخه تولید مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ه) پالایش نفت

در پالایشگاه‌های نفت، اسید سولفوریک به عنوان کاتالیست در فرآیند آلکیلاسیون به کار می‌رود. این واکنش، بین ایزوبوتان و الفین‌ها انجام شده و منجر به تولید آلکیلات با عدد اکتان بالا می‌شود. بنزین حاصل از این فرآیند سوختی با کیفیت بالاتر و احتراق کامل‌تر دارد که موجب کاهش انتشار آلاینده‌ها و افزایش بازدهی موتور می‌شود. همچنین از اسید سولفوریک برای گوگردزدایی فرآورده‌های نفتی استفاده می‌شود تا مقدار گوگرد موجود در گازوئیل و نفت سفید به حد مجاز زیست‌محیطی برسد.

و) تصفیه فاضلاب

در تصفیه‌خانه‌های صنعتی، اسید سولفوریک نقش کلیدی در تنظیم pH و حذف فلزات سنگین از پساب‌ها دارد. فاضلاب‌های قلیایی با افزودن مقدار کنترل‌شده‌ای از این اسید خنثی‌سازی می‌شوند و یون‌های فلزی موجود در آن (مانند آهن، مس و کروم) به شکل سولفات‌های نامحلول ته‌نشین می‌گردند. این روش یکی از مؤثرترین و اقتصادی‌ترین شیوه‌ها برای کاهش آلودگی‌های صنعتی و رعایت استانداردهای زیست‌محیطی است.

مقالات مرتبط:

حذف روغن های امولسیونی و پسماندهای چرب از پساب صنعتی

فناوری های نوین زنگ زدایی | از ژل های زنگبر تا بخار فوق داغ

سایر کاربردهای صنعتی اسید سولفوریک

علاوه بر موارد فوق، اسید سولفوریک در صنایع مختلف دیگری نیز نقش دارد:

• تولید کاغذ: سفید کردن خمیر کاغذ و افزایش کیفیت آن
• تولید مواد شیمیایی: مانند اسیدهیدروکلریک، اسید فسفریک، اسید نیتریک و نمک‌های سولفاته
• تولید پارچه: ریون، پارچه‌های نیمه مصنوعی و قابل تنفس
• پتروشیمی: کاتالیست برای حذف ناخالصی‌های گازوئیل و شیرین سازی مشتقات نفتی
• آزمایشگاه‌های شیمیایی: جهت انجام آنالیزهای کمی، تیتراسیون‌ها، هضم نمونه‌ها و خشک‌کردن گازها به دلیل خاصیت قوی آب‌گیری و واکنش‌پذیری آن.

چالش‌های کاربرد اسید سولفوریک در صنعت

با وجود مزیت‌های بسیاری که اسید سولفوریک در صنعت دارد، برخی چالش‌های فرایندی در استفاده موثر از این اسید نیاز به استفاده از راهکارهای جایگزین را ضروری می‌سازد.

1. تشکیل لجن اسیدی

لجن اسیدی در اثر واکنش اسید سولفوریک با ترکیبات آلی بوجود می‌آید. این ماده تیره رنگ و چسبناک بسیار خورنده است و مشکلات بسیاری از نظر زیست محیطی و فرایندی به شرح زیر ایجاد می‌کند.

• خوردگی شدید تجهیزات: تجریب تدریجی لول‌ها، مخزن و پمپ‌ها
• آسیب به محیط زیست: آلودگی شدید خاک و آب‌های زیر زمینی در اثر دفع نادرست
• افت کارآیی فرایند: گرفتگی مسیرها در اثر تجمع لجن و نیاز به توقف دوره‌ای برای شستشو
• افزایش هزینه عملیاتی: نیاز به تجهیزات خاص برای دفع صحیح لجن

برای جلوگیری از تشکیل لجن اسیدی لازم است علاوه بر استفاده از غلظت‌های مناسب اسید سولفوریک، افزودنی‌های خاص نیز در برخی مراحل فرایندی استفاده کرد. همچنین کاربرد موادی مانند سولفورین برای کاهش اسیدیته، تثبیت ترکیبات گوگردی و جلوگیری از تشکیل لجن غلیظ نیز بسیار کمک کننده است. در برخی موارد که از اسید سولفوریک برای حذف رنگ و رسوبات از سطوح استفاده می‌کنند، دسکالین جایگزین ایمن‌تری نسبت به اسید سولفوریک خواهد بود و با کاهش احتمال خوردگی تجهیزات، طول عمر آن‌ها را نیز افزایش می‌دهد. البته این ماده به  دلیل  عملکرد مشابه با اسید باتری در برخی سیستم‌های تصفیه آب و فاضلاب به عنوان تنظیم‌کننده PH و در فرایند پالایش سوخت‌ها و روغن‌های صنعتی میزان تشکیل لجن اسیدی را کاهش می‌دهد و جایگزین کارآمدتری است.

2. انتشار گاز دی اکسید گوگرد

فرایند تولید و مصرف اسید سولفوریک در صنعت می‌تواند باعث انتشار دی اکسید گوگرد شود که یکی از عوامل آلودگی محیط زیست و باران‌های اسیدی است. برای رفع این مشکل در صنعت، از فرایند تماس دو مرحله‌ای و نصب اسکرابر با هدف جذب گاز تولیدی و تبدیل مجدد آن به اسید باتری استفاده می‌کنند.

3. خورندگی بالا

اسید سولفوریک ماده‌ای بسیار خورنده است که باعث آسیب تجهیزات صنعتی و همچنین سلامت کارکنان می‌شود. برای این منظور در فرایندهایی که از این اسید استفاده می‌شود، باید تجهیزات از جنس مواد مقاوم به خوردگی مانند تفلون یا آلیاژهای خاص باشند. همچنین لازم است پرسنل نیز از دستکش‌های نیتریلی و عینک ایمنی استفاده کنند و هم‌زمان نکات ایمنی کار با این اسید را نیز آموزش ببینند. در صورت نیاز به کار بردن مواد جایگزینی مانند سولفورین با عملکرد مشابه در برخی فرایندها نیز راهکار مناسبی است.

4. مصرف بالای انرژی

فرایندهای شیمیایی تولید مواد با اسید سولفوریک و تصفیه آن نیاز به انرژی بالایی دارد که باعث تولید بیشتر گازهای گلخانه‌ای می‌شود. برای رفع این چالش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر به‌جای سوخت‌های فسیلی و کاتالیزورهای با کیفیت در فرایند تولید با هدف کاهش انتشار گازهای سمی بسیار کارآمد است.

5. دفع پسماند

اسید مصرفی و محصولات جانبی سولفات در صورت مدیریت نادرست پسماندها، منابع آبی را آلوده می‌کنند. برای رفع این مشکل خنثی‌سازی اسید با آهک با هدف تولید سولفات کلسیم که قابل استفاده مجدد در صنعت ساختمان است، یکی از راهکارهای مهم محسوب می‌شود. سیستم‌های الکتروشیمیایی بازیافت اسید برای استفاده مجدد از اسید مصرف شده نیز راهکار دیگر رفع این مشکل است.

6. حمل و نقل و نگهداری

مدیریت ایمن در جابجایی و نگهداری اسید باتری عامل اصلی حفظ سلامت کارکنان و محیط زیست است. برای این منظور توجه به موارد زیر بسیار اهمیت دارد:

• حمل و نقل: استفاده از تجهیزات ایمنی فردی مانند دستکش نیتریلی، شیلد صورت، سیستم تهویه مناسب، استفاده از پمپ‌های خودکار برای تزریق محلول‌های ۱۰ و ۲۰ درصدی اسید به فرایند
• نگهداری: ذخیره در مخازن فولاد کربنی یا پلی اتیلنی در دمای ۱۰ تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد، برچسب‌گذاری استاندارد
• جلوگیری از نشتی: خنثی‌سازی نشت اسید با جوش شیرین، جذب با شن یا خاک رس و دفع مطابق مقررات ایمنی

کلام آخر:

سولفوریک اسید محور اصلی تولید بسیاری از مواد شیمیایی در صنعت و تسهیل‌کننده فرایندها است. با این حال استفاده از آن نیازمند رعایت دقیق استانداردها و نکات ایمنی است تا آسیب احتمالی به تجهیزات و سلامت پرسنل به حداقل برسد. هر چند مدیریت صحیح کاربرد اسید باتری، تا حد زیادی چالش‌های مصرف آن در صنعت را کاهش می‌دهد. دو کاتالیست سولفورین و دسولفاکس صنایع آرال شیمی، در حین فرآیند گوگردزدایی از مشتقات نفتی، علی رغم اسید سولفوریک، هیچ گونه لجن اسیدی تولید نمی کنند و در سیستم‌های بازیافتی اسید نیز اثرات زیست محیطی را به حداقل می‌رساند.