اسید سولفوریک (سولفات هیدروژن، H₂SO₄) که در گذشته به آن جوهر گوگرد نیز گفته می شد، اسید معدنی بسیار قوی است که به هر نسبتی در آب حل می شود و دارای 0/5=pH می باشد. این اسید دارای مولکول های قطبی بوده که می توانند با یکدیگر پیوند هیدروژنی برقرار کنند، لذا اسید سولفوریک مایعی با نقطه جوش بالا و ویسکوز (گرانروی زیاد) به شمار می رود.
اسید سولفوریک میل ترکیبی زیادی با آب دارد و در اثر واکنش با آن گرمای شدیدی آزاد می نماید. افزودن آب به اسید سولفوریک غلیظ بسیار خطرناک است، زیرا در اثر حرارت حاصل از واکنش اسید و آب، آب گرم ممکن است به اطراف پراکنده شود، زیرا آب به دلیل دانسیته پایین تر تمایل دارد روی اسید قرار گیرد.
اسید سولفوریک به عنوان یکی از پر مصرف ترین مواد اولیه صنعت است. از این ماده در صنایع دارویی، شوینده، کاغذ، پالایشگاه های نفت، تصفیه خانه های آب، کارخانه های تولید الکل و … استفاده می شود. به طور کلی در تمام مواردی که نیاز به کنترل pH و یا تولید ترکیبات سولفات باشد، از این اسید استفاده می شود.

اولین بار جابر حیان در مورد تقطیر شوره یا زاج سبز که منجر به تولید اسید سولفوریک می شود، سخن می گوید. اما در بسیاری از متون، کشف اسید سولفوریک را به زکریای رازی نسبت داده اند. وی با تقطیر خشک کانی هایی که شامل سولفات آهن (II) (زاج سبز) و سولفات مس (II) (کات کبود) توانست اسید سولفوریک به دست آورد.
در اثر حرارت دادن هر یک از این نمک ها اکسید آهن (II) و اکسید مس (II) به همراه آب و گوگرد تری اکسید حاصل می شود، که به واسطه ترکیب آب و گوگرد تری اکسید، محلول رقیق اسید سولفوریک ایجاد می شود.

در قرن هجدهم، جان گلوبر، اسید سولفوریک را از سوزاندن گوگرد و نیترات پتاسیم در مجاورت بخار آب تهیه کرد. در سال های بعد، جان روبک اسید سولفوریک را با غلظت 40-35% در ظروف سربی تولید می‌کرد.
در سال ۱۸۲۷ با معرفی برج‌های سربی برای بازیافت اکسیدهای نیتروژن توسط گیلوساک قدم مهمی در تولید اسید سولفوریک برداشته شد و نخستین بهینه‌سازی انجام یافته بر روی آن مبتنی بر افزودن هوای محیط به سیستم به منظور پیشرفت بیشتر واکنش بود. همچنین به جای استفاده از سیستم ناپیوسته (batch) از سیستم پیوسته‌ سوزاندن گوگرد در آن استفاده گردید.
32 سال بعد جان گلاور اولین برج حذف نیتروژن و افزایش غلظت اسید سولفوریک را معرفی نمود. برج‌ های گیلوساک و گلاور اولین برج حذف نیتروژن و افزایش غلظت اسیدسولفوریک را معرفی نمود. برج‌های گیلوساک و گلاور بخش‌های اصلی سیستمی را که ما امروزه به نام فرآیند تولید اسید سولفوریک در اتاق سربی می‌شناسیم را تشکیل می‌دهند.
کارهای ابتدایی روی فرآیند مجاورت (تماسی) توسط فیلیپس در سال 1831 انجام گرفت. در آن زمان تحقیقات روی انجام واکنش بین گوگرد دی اکسید و اکسیژن با نسبت های استوکیومتری متمرکز بود. در سال ۱۹۰۱ با گشوده شدن رموز پارامترهای فرآیندی واکنش اکسیداسیون کاتالیکی گوگرد دی اکسید توسط شرکت BASF فرآیند مدرن مجاورت (تماسی) متولد شد و اولین کارخانه تولید اسید سولفوریک به روش مجاورت (تماسی) توسط آن شرکت و در آمریکا ساخته شد.

حال با گذشت بیش از یک قرن از معرفی فرآیند مجاورت (تماسی)، اگرچه مبانی مورد استفاده آن در کارخانه‌های تولید اسید سولفوریک ثابت باقی مانده ولی واحدها، بزرگتر و پیچیده‌تر شده‌اند و با اینکه صنعت تولید اسید سولفوریک یک صنعت قدیمی محسوب می‌شود ولی توسعه‌ پیوسته‌‌ آن برای ساخت واحدهای بهینه‌تر ادامه دارد. در واحدهای امروزی ساخت اسید سولفوریک هدف بر روی کاهش آلودگی‌ها، بهبود بازده و ایمنی، کاهش هزینه های ساخت و بهره برداری متمرکز شده است.

تولید اسید سولفوریک

اسید سولفوریک، یکی از مهم‌ترین مواد شیمیایی در صنعت است که با استفاده از فرآیند مجاورت (تماسی) تولید می‌شود. به طور کلی فرآیند تولید اسید سولفوریک چهار مرحله دارد:

1- استخراج گوگرد

2- تبدیل گوگرد به گوگرد دی اکسید
3- تبدیل گوگرد دی اکسید به گوگرد تری اکسید
4- تبدیل گوگرد تری اکسید به اسید سولفوریک

یکی از مهمترین منابع تهیه گوگرد، نفت و گاز طبیعی است. ترکیبات حاوی گوگرد هم به شکل ترکیبات آلی و هم ترکیبات معدنی (مانند هیدروژن سولفید)، هر دو باید از نفت یا گاز طبیعی که به عنوان سوخت یا مواد خام شیمیایی به کار می روند، زدوده شوند. یکی دیگر از منابع گوگرد به شکل گوگرد دی اکسید حاصل تصفیه فلزات است. بسیاری از سنگ معادن فلزات به شکل ترکیبات سولفیدی بوده که پس از حرارت دادن آنها اکسید فلزات و گوگرد دی‌اکسید تولید می‌شود.
به عنوان مثال در تولید سرب،             2PbS + 3O₂  ——–> 2PbO + 2SO₂
فلزاتی مانند مس، روی، آهن، مولیبدیم و نیکل را نیز از سنگ معدن سولفیدی آنها استحصال می کنند.

از منابع دیگر تولید گوگرد دی اکسید می توان به احتراق گاز H₂S و یا بازیافت اسید سولفوریک مصرف شده اشاره نمود.
در روش صنعتی تولید اسید سولفوریک، ابتدا گوگرد با خلوص بالا را با گرم کردن غیر مستقیم، به وسیله کویل بخار، به حالت مایع در می‌آورند. گوگرد در دمای ۱۵۰ درجه سانتی گراد به حالت مایع در می‌آید. و به راحتی می‌توان آن را به کمک پمپ مخصوص، جهت سوزاندن به درون کوره احتراق انتقال داد.

مقدار جرم گوگرد مذاب منتقل شده به درون کوره احتراق باید تنظیم شود. این عمل به دو روش زیر انجام می‌شود:

1- کنترل مسیر برگشتی به درون حوضچه
2- تنظیم سوزن مشعل کوره

با توجه به گنجایش هر کوره، به ازای هر تن اسید ۹۸ درصد، ۲۰۰ کیلوگرم گوگرد وارد کوره می‌شود. گوگرد در کوره احتراق در دمای ۱۰۰۰-۹۵۰ درجه سانتی گراد به گوگرد دی‌اکسید تبدیل می‌شود.            گرما + S + O₂  ———>  SO₂
اکسیژن نیز از طریق هوای فشرده توسط دمنده هوا تامین می‌شود و پیش از ورود به کوره، برای جلوگیری از پایین آمدن دمای کوره، توسط مبدل گرمایی تا دمای ۱۵۰ درجه سانتی گراد گرم ‌می‌شود. پنتا اکسید وانادیم به عنوان کاتالیزور تبدیل SO₂ به SO₃ در برج مخصوص که به صورت چهار لایه قرار گرفته، استفاده می شود. هر دو لایه، متصل به هم بوده و تنها با یک صفحه فلزی مشبک از یکدیگر جدا شده‌اند. مقدار کاتالیزور در این چهار لایه متفاوت بوده، به طوری که لایه چهارم که پایین‌ترین لایه است شامل ۷۰ درصد کاتالیزگر و بقیه لایه‌ها به ترتیب حاوی ۲۰، ۷ و ۳ درصد کاتالیز هستند.
مقدار کل کاتالیزور به ازای هر تن اسید ۹۸ درصد ۲۰۰ کیلوگرم است. گاز SO₂ تولید شده دمای بالایی دارد و اگر با این دما وارد برج حاوی کاتالیزور شود موجب تخریب کاتالیزور می‌شود. لذا پیش از ورود به برج دمای آن می بایست کاهش یابد. برای این منظور پیش از ورود این گاز به برج نخست آن را وارد دیگ تولید بخار می‌کنند. تا گرمای خود را به آب درون دیگ منتقل کرده، تا دمای ۵۰۰ درجه سانتی گراد خنک شود.
در این مرحله احتمال وجود ذره های گرد و غبار و سیلیس و عنصرهایی مانند سرب و آرسنیک (ناخالصی های احتمالی گوگرد) در گاز حاصل از احتراق وجود دارد، بنابراین برای جلوگیری از ورود آن‌ها به برج حاوی کاتالیزور، باید گاز را از صافی سیلیسی ویژه گذراند. در این صافی افزون بر به دام انداختن ناخالصی‌ها، با تزریق هوای خشک و خنک به گاز، کمبود اکسیژن نیز برطرف شده ، دما به ۴۵۰ درجه سانتی گراد می‌ر‌سد که دمایی مناسب برای ورود به برج کاتالیزور است. واکنش تبدیل SO₂ به SO₃ در برج گرماده است.

همانطور که گفته شد گرمای زیاد به کاتالیزور آسیب می رساند، لذا برای جلوگیری از این مشکل گاز SO₃ وارد مبدل گرمایی می‌شود و تا دمای ۴۵۰ درجه سانتی گراد خنک می‌شود. گاز SO₃ تولید شده به منظور از دست دادن مقدار ناچیز SO₂ همراه خود می بایست از لایه های سوم و چهارم کاتالیزور نیز بگذرد تا باقیمانده SO₂ نیز به SO₃ تبدیل شود. گاز SO₃ خارج شده از لایه‌ چهارم وارد مبدل گرمایی دیگری شده و تا ۲۴۰ درجه سانتی گراد خنک می‌شود. آنگاه وارد برج اولئوم و سرانجام وارد برج اسید می‌شود.
در برج های نهایی گاز SO₃ و اسید سولفوریک، در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند. به این ترتیب که اسید سولفوریک به صورت پاششی از بالای برج به پایین حرکت می‌کند و گاز از پایین برج روانه‌ بالای برج می‌شود. طی این حرکت گاز SO₃ جذب اسید شده و اولئوم (اسید سولفوریک دودکننده یا پیروسولفوریک اسید) را ایجاد می‌کند که همان اسید سولفوریک با درصد بالایی از SO₃ است.

کاربرد اسید سولفوریک

از آنجا که اسید سولفوریک در صنعت و کشاورزی مصرف بسیار زیادی دارد، میزان مصرف این ماده را در یک کشور را می توان به عنوان شاخص خوبی جهت محاسبه روند اقتصادی یک جامعه صنعتی منظور کرد. سولفوریک اسید جزء مواد شیمیایی پر مصرف بوده و در طیف وسیعی کاربرد دارد. عمده‌ترین استفاده آن در کارخانه‌های تولید کود شیمیایی، استخراج فلزات، واکنش های شیمیایی، تصفیه پساب‌ها و پالایشگاه‌های نفت می باشد.
می توان گفت عمده ترین کاربرد اسید سولفوریک در تهیه کود شیمیایی سولفاته می باشد به طوری که حدود شصت درصد بازار مصرف این محصول به تولید کودهای شیمیایی اختصاص دارد.

اسید سولفوریک در اثر واکنش با اسید نیتریک، یون نیترونیوم تولید می‌کند که در فرآیند نیترو‌دار کردن ترکیبات استفاده می‌شود، و با توجه به اینکه فرآیند نیترودار کردن در صنایع تولید مواد منفجره مانند تولید تری‌ نیترو تولوئن (TNT)، نیترو گلیسیرین و… استفاده می‌شود. لذا از اسید سولفوریک در صنعت تولید مواد منفجره نیز استفاده می شود.

اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت در باطری های اسیدی مورد استفاده قرار می گیرد.
همچنین اسید سولفوریک به عنوان عامل آبگیری بسیار قوی در واکنش های شیمیایی کاربرد دارد به طوری که در اکثر واکنش های شیمیایی به عنوان عامل هیدراتاسیون مورد استفاده قرار می گیرد. در تولید میوه ای خشک نیز به مقدار بسیار ناچیز به منظور جذب آب از اسید سولفوریک استفاده می شود.

کودهای شیمیایی

امروزه با رشد روز افزون جمعیت جهان و محدودیت زمین های کشاورزی افزایش میزان بهره وری و راندمان تولید محصول از خاک به ازای هر واحد بسیار حائز اهمیت می باشد. از آنجا که کودهای حیوانی تنها فیزیک خاک را تغییر می دهند و خاک را برای رشد آماده می سازند، از نظر مواد مغذی برای گیاه بسیار فقیر هستند. لذا به منظور بالا بردن بهره وری خاک، استفاده از کودهای شیمیایی ضرورت شناخته شده ای است.

1- اسید فسفریک
اسید فسفریک خود ماده اولیه تولید کودهای فسفاته می باشد. بخش عمده ای از اسید سولفوریک تولید شده صرف تولید اسید فسفریک به روش مرطوب (wet process) می شود. لازم به یادآوری است که در تولید اسید فسفریک به روش کوره ای از اسید سولفوریک استفاده نمی شود. از اسید فسفریک تولید شده از روش مرطوب پس از خالص سازی علاوه بر کودهای شیمیایی فسفاته در صنایع دیگر نیز به جای استفاده از اسید فسفریک تولید شده به روش کوره ای مورد استفاده قرار می گیرد.
با توجه به میزان مصرف بسیار زیاد اسید فسفریک و به دلیل بهره گیری از اسید سولفوریک در تولید آن، بازار مصرف اسید سولفوریک بسیار متاثر از بازار اسید فسفریک و کودهای شیمیایی تولیده شده از آن است.

2- کود آمونیوم سولفات
در تولید کود آمونیوم سولفات که یکی از کودهای پرمصرف کشاورزی است، از اسید سولفوریک و آمونیاک استفاده می شود.

3- کود سوپر فسفات (سوپر فسفات نرمال، NSP)
این کود فسفاته بر اثر واکنش بین اسید سولفوریک و سنگ فسفات تولید می شود. در این فرآیند فسفات موجود در سنگ فسفات، به مونو کلسیم فسفات مونوهیدرات تبدیل می شود. این نوع کود شیمیایی کمترین مقدار از P₂O₅ را در بین تمام کودهای شیمیایی فسفاته دارا می باشد که باعث محدود شدن مصرف آن می شود.

4- استفاده از خود اسید سولفوریک، مقدار کمی از اسید سولفوریک در کودهای شیمیایی به صورت مستقیم در مخلوط کودهای مایع مورد استفاده قرار می گیرد.

صنایع معدنی و فلزی

از اسید سولفوریک در استخراج بسیاری از فلزات استفاده می شود.

1- استخراج فلزاتی چون مس، روی و سرب
در استخراج و تغلیظ سنگ معدن فلزات مس، روی و سرب از اسید سولفوریک استفاده می شود.

2- استخراج اورانیوم و وانادیوم
در اوایل دهه 1980 مقدار بسیار زیادی از اسید سولفوریک جهت استخراج اورانیوم و به دنبال آن محصول جانبی آن که وانادیم بود، گردید. اما به دنبال محدودیت های ایجاد شده توسط سازمان ملل متحد به منظور استخراج اورانیوم، مصرف اسید سولفوریک در این حوزه با کاهش زیادی روبرو شد.

3- صنایع آهن و فولاد
از اسید سولفوریک در صنایع فولاد به منظور بازیافت گازهای آمونیاک که منجر به تولید نمک آمونیوم سولفات (محصول جانبی در صنایع فولاد) می شود و همچنین برای رسوب زدایی در عملیات اکسیدهای فلزی، چربی ها، نمک ها و حتی زنگ زدایی از سطح فولاد، استفاده می شود.

4- تولید نمک سولفات
از اسید سولفوریک در تولید نمک های سولفات مس (کات کبود)، منگنز، نیکل، آهن (زاج سبز و زاج سفید)، سدیم، آلومینیوم و روی استفاده می شود.

سایر مصارف اسید سولفوریک

* از اسید سولفوریک در تولید روغن موتور و همچنین در تصفیه روغن های موتور کار کرده و نیز در تولید گریس استفاده می شود.

* از اسید سولفوریک در تصفیه آب و پساب و کنترل pH احیای رزین های مبدل یونی به منظور رسوب دهی یون ها و در نهایت تولید آب عاری از یون استفاده می شود.
* در صنعت چرم به منظور حذف چربی از چرم خام کاربرد دارد.
* در صنعت لاستیک سازی جهت انجام شستشو و کنترل pH مورد استفاده واقع می شود.
* در نساجی از اسید سولفوریک جهت تثبیت رنگ پارچه، نخ و همچنین خنثی سازی استفاده می شود.
* در صنایع شوینده در واحد سولفوناسیون و تولید محلول چربی گیر از اسید سولفوریک استفاده می گردد.

* از اسید سولفوریک در تهیه اسیدهایی مانند اسید نیتریک و اسید کلریدریک استفاده می شود. به عنوان مثال در اثر واکنش اسید سولفوریک با نمک سدیم کلرید (نمک خوراکی)، اسید کلریدریک حاصل می شود.

ایمنی اسید سولفوریک

اسید سولفوریک توسط OSHA جز مواد خطرناک در نظر گرفته شده است چرا که اسید سولفوریک ماده ای خورنده و به شدت واکنش پذیر است. همچنین از نظر سلامت جسمانی دارای خطرات خاص می باشد.

* در صورت تماس با چشم، موجب آسیب های شدید و حتی کوری می شود. لذا حتما می بایست از عینک های حفاظتی در برابر پاشیده شدن اسید سولفوریک استفاده شود.
* در اثر تماس اسید سولفوریک با پوست باعث تحریک شدید پوست، سوختگی شدید، تاول و درماتیت می شود. لذا استفاده از لباسهای حفاظتی آزمايشگاه مناسب ضروری است.
* در اثر خوردن اسید سولفوریک سوختگی های شدیدی در دهان، مری ایجاد شده و درد شکمی به همراه استفراغ و اسهال خونی به دنبال خواهد داشت. همچنین در اثر ورم گلو، خفگی رخ می دهد و امکان سوراخ شدن معده و مری نیز وجود دارد.
* در اثر تنفس با غلظت 5 میلی گرم در متر مکعب علائمی نظیر تحریک بینی و گلو، سردرد، کاهش تنفس و یا تخریب ظرفیت تهویه ای را به همراه خواهد داشت. همچنین نشانه های ثانوی بیماری شامل ادم ریوی، خشکی ریه، سیانوز، فشار پائین، برونشت و یا آمفیزم خواهد بود. لذا هنگام کار با اسید سولفوریک حتماً باید از ماسک تنفسی مناسب استفاده نمود.
از جمله مواد ناسازگار با اسید سولفوریک می توان به بیشتر فلزات، اكسيد فلزات، بازها، الكل ها، اكـسيد كـننده های قوی و اسيدها اشاره نمود. اسید سولفوریک به دلیل خورندگی بسیار زیادی که دارد، به عنوان حلال برای اکثر فلزات کاربرد دارد.

مرجع مواد شیمیایی ایران