草酸銅制備的最佳工藝條件研究

王衛(wèi)兵

(運(yùn)城學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系， 山西 運(yùn)城 044000)

草酸銅，分子式CuC2O4，淺藍(lán)綠色固體粉末，有毒，不溶于乙酸、乙醇和水，可溶于氨水；主要用于高分子穩(wěn)定劑、有機(jī)反應(yīng)催化劑，還可用于磁感應(yīng)材料、金屬或合金粉體材料、顏料等[1-2]；可用于陶瓷材料的制備、涂料、電子、農(nóng)藥等方面，在處理含銅離子較多的污水中，可以通過(guò)制備草酸銅沉淀達(dá)到防止污染環(huán)境的作用[3]。草酸銅作為氧化銅的前驅(qū)物，在高溫條件下就可得到氧化銅，氧化銅在電子產(chǎn)品、制備銅鹽、玻璃和著色劑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是在多孔氧化銅吸附游離的重金屬離子方面需求較大[4]，因此研究草酸銅的生產(chǎn)工藝有著十分重要的意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 制備原理

以草酸鈉和硫酸銅為原料制備草酸鈉的化學(xué)反應(yīng)方程式：

Na2C2O4+CuSO4=CuC2O4↓+ Na2SO4

反應(yīng)過(guò)程中生成的草酸銅難溶于水，生成沉淀，可以通過(guò)抽濾得到草酸銅。

1.2 原料與試驗(yàn)儀器

原料：草酸鈉，分析純，天津華安化學(xué)試劑廠；硫酸銅，分析純，南京市瑞德化學(xué)品有限公司

試驗(yàn)儀器：低溫恒溫槽，DC-2006，上海衡平技術(shù)研究所；集熱式恒溫磁力攪拌器，DF-101，義烏 市平天儀器有限公司；循環(huán)水式多用真空泵和布氏漏斗，SHZ-DIII， 杭州市黑樺儀器有限責(zé)任公司;101-1型恒溫干燥箱，上海市大維儀器廠。

1.3 試驗(yàn)方案

為了研究主要影響因素對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法安排試驗(yàn)，主要影響因素為：草酸鈉的濃度，硫酸銅的濃度，反應(yīng)溫度，硫酸銅和草酸鈉的物質(zhì)的量配比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

草酸鈉的濃度(mol/L)： 0.5， 1.0， 1.5

硫酸銅的濃度(mol/L)： 1.0， 1.5， 2.0

反應(yīng)溫度(℃)： 50， 60， 70

物質(zhì)的量配比 ： 1∶1， 1.2∶1， 1.4∶1

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果Table 1 experiment result and data

對(duì)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得到了草酸銅生產(chǎn)的較好工藝條件：草酸鈉的濃度為0.5mol /L，硫酸銅的濃度1.5mol/L，反應(yīng)溫度70℃，硫酸銅和草酸鈉物質(zhì)的量配比1∶1，在以上基礎(chǔ)上通過(guò)單因素試驗(yàn)進(jìn)一步尋求提高產(chǎn)品產(chǎn)率的最佳工藝條件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 草酸鈉的濃度對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響

固定硫酸銅和草酸鈉物質(zhì)的量比1∶1，反應(yīng)溫度70℃，硫酸銅的濃度1.5mol/L，研究草酸鈉的濃度對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 草酸鈉濃度對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響Fig.1 impact of concentration of sodium oxalate on production yield

從圖1可以看出: 草酸鈉濃度為0.87mol/L的時(shí)候產(chǎn)率最高達(dá)到81%。當(dāng)草酸鈉的濃度在0.4～0.6mol/L之間，產(chǎn)率增加較快，在0.6～0.9mol/L之間草酸銅的產(chǎn)率增加緩慢，濃度在0.9～1.0mol/L之間草酸銅的產(chǎn)率開(kāi)始減少，總體趨勢(shì)是先增加后減少。在0.4～0.6mol/L的時(shí)候，產(chǎn)品呈現(xiàn)淡藍(lán)綠色，其中摻雜少量的藍(lán)色物質(zhì)(分析是硫酸銅在和草酸鈉反應(yīng)中生成氫氧化銅雜質(zhì))，在草酸鈉的濃度為0.4～0.6mol/L由于草酸鈉的濃度較低不能完全將硫酸銅能夠完全反應(yīng)，所以產(chǎn)率較低。在0.8mol/L的時(shí)候，產(chǎn)品呈現(xiàn)淡藍(lán)綠色，產(chǎn)品品質(zhì)較好。在0.9～1.0mol/L的時(shí)候完全呈現(xiàn)淡藍(lán)綠色，產(chǎn)品粉質(zhì)細(xì)膩，但產(chǎn)率不高，草酸鈉的濃度增大之后反應(yīng)過(guò)程中的飽和度增加，成核速率增加，團(tuán)聚速率減慢，導(dǎo)致產(chǎn)率降低，所以選擇草酸鈉的濃度為0.87mol/L。

2.2 硫酸銅和草酸鈉物質(zhì)的量配比對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響

固定反應(yīng)溫度70℃，硫酸銅的濃度1.5mol/L，草酸鈉的濃度為0.87mol/L，研究硫酸銅和草酸鈉物質(zhì)的量配比的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 硫酸銅和草酸鈉物質(zhì)的量比對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響Fig.2 impact of molar ratio on production yield

從圖2可知，當(dāng)物質(zhì)的量配比為1.2:1時(shí)，產(chǎn)率最高達(dá)到83.18%。圖中的大致趨勢(shì)是隨著硫酸銅和草酸鈉物質(zhì)的量配比增大，草酸銅的產(chǎn)率是先升高后降低。物質(zhì)的量配比為1∶1～1.2∶1區(qū)間時(shí)，由于反應(yīng)的飽和度過(guò)小，生成的產(chǎn)物少導(dǎo)致產(chǎn)率及較低；在1.3∶1-1.4∶1區(qū)間時(shí)，由于飽和度過(guò)高，生成產(chǎn)物的穩(wěn)定性不好所以產(chǎn)率較低，因此選擇硫酸銅和草酸鈉物質(zhì)的量配比1.2∶1。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響

固定硫酸銅的濃度1.5mol/L，草酸鈉的濃度為0.87mol/L，硫酸銅和草酸鈉物質(zhì)的量配比1.2∶1。研究溫度對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響Fig.3 impact of reaction temperature on production yield

由圖3可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為75℃草酸銅產(chǎn)率達(dá)到90.74%,圖中的大致趨勢(shì)是草酸銅產(chǎn)率隨著反應(yīng)溫度升高先增大后減小。當(dāng)溫度為50℃時(shí)產(chǎn)品上面有一層藍(lán)色氫氧化銅；當(dāng)反應(yīng)溫度60℃時(shí)產(chǎn)品上有一點(diǎn)藍(lán)色的雜質(zhì)；當(dāng)反應(yīng)溫度70℃時(shí)產(chǎn)品呈現(xiàn)淺藍(lán)綠色；當(dāng)溫度75℃時(shí)產(chǎn)品上沒(méi)有其他雜質(zhì)；當(dāng)反應(yīng)溫度為80℃產(chǎn)品中不存在雜質(zhì)是由于溫度較高反應(yīng)速率較快產(chǎn)物可能會(huì)分解，導(dǎo)致產(chǎn)率降低。反應(yīng)溫度在50～70℃由于溫度較低反應(yīng)速率較慢有些反應(yīng)物沒(méi)有參與反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)率較低，因此選擇反應(yīng)溫度為75℃。

2.4 硫酸銅濃度對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響

固定草酸鈉濃度0.87mol/L，硫酸銅和草酸鈉物質(zhì)的量配比1.2∶1，反應(yīng)溫度75℃。研究硫酸銅的濃度對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 硫酸銅的濃度對(duì)草酸銅產(chǎn)率的影響Fig.4 impact of the concentration of copper sulfate on production yield

由圖4可知，當(dāng)硫酸銅濃度為1.0mol/L 時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到92.88%。圖中可以看出硫酸銅濃度在0.8～1.0mol/L時(shí)，草酸銅的產(chǎn)率直線上升，在1.0～1.8mol /L草酸銅的產(chǎn)率直線下降。在0.8和1.0mol/L產(chǎn)品的顏色是淺藍(lán)綠色，狀態(tài)較為相近，產(chǎn)率相對(duì)較高。在1.0～1.8mol/L之間產(chǎn)品中又會(huì)摻雜少量藍(lán)色的氫氧化銅。是由于硫酸銅過(guò)量導(dǎo)致生成物少產(chǎn)率下降，溶液中多余的離子會(huì)結(jié)合生成氫氧化銅，因此選擇硫酸銅的濃度為1.0mol/L。

3 結(jié)論

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法和單因素試驗(yàn)確得到了制備草酸銅的最佳的實(shí)驗(yàn)條件為：草酸鈉的濃度0.87mol/L，硫酸銅和草酸鈉的物質(zhì)的量比1.2∶1，反應(yīng)溫度75℃，硫酸銅的濃度1.0mol/L，草酸銅的產(chǎn)率達(dá)到92.88%。