Question

【題目】五氧化二釩用作冶金添加劑，占五氧化二釩總消耗量的 80%以上，其次是用作有機化工的催化劑。為了增加V2O5 的利用率，我們從廢釩催化劑（主要成分V2O5、VOSO4、K2SO4、SiO2 和Fe2O3 等） 中回收 V2O5 的一種生產工藝流程示意圖：

部分含釩物質在水中的溶解性如表所示，回答下列問題：

物質	VOSO4	V2O5	NH4VO3	(VO2)2SO4
溶解性	可溶	難溶	難溶	易溶

（1）①中廢渣的主要成分是 __________________________；①中V2O5 發生反應的離子方程式為 ___________________________ 。

（2）②、③中的變化過程可簡化為（下式中的R 表示 VO2+或 Fe3+，HA 表示有機萃取劑的主要成分）R2(SO4)n（水層）+2nHA（有機層） 2RA（有機層）+ nH2SO4（水層）。②中萃取時必須加入適量堿，其原因是 ______________________；實驗室進行萃取操作使用的玻璃儀器為 ______________________。

（3）實驗室用的原料中V2O5 占 6%（原料中的所有釩已換算成 V2O5）。取 100 g 該廢釩催化劑按工業生產的步驟進行實驗，當加入 100 mL 0.1 molL -1 的KClO3 溶液時，溶液中的釩恰好被完全處理，假設以后各步釩沒有損失，則該實驗中釩的回收率是 __________________[M(V2O5)＝182 gmol -1]。

（4）25℃時，取樣進行實驗分析，得到釩沉淀率和溶液 pH 之間的關系如表所示：

pH	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7	1.8	1.9	2.0
釩沉淀率/%	88.1	94.8	96.5	98.0	98.8	98.6	96.4	93.1

試判斷在實際生產時，⑤中加入 NH4Cl 調節溶液的最佳 pH為____________；若釩沉淀率為 93.1%時不產生 Fe(OH)3 沉淀，則此時溶液中 c(Fe3+)≤____________ （已知：25℃時Ksp[Fe(OH)3]＝2.6×10 -39）。

Answer 1

【答案】SiO2 V2O5+4H++SO32-=2VO2++SO42-+2H2O 加入堿，中和H2SO4，使平衡正移 分液漏斗、燒杯 91.0% 1.7 2.6×10 -3 molL -1

【解析】

生產流程：廢釩催化劑（主要成分V2O5、VOSO4、K2SO4、SiO2 和Fe2O3 等），據物質的水溶性確定，V2O5和SiO2難溶于水，因為亞硫酸根具有還原性，酸性條件下，能被五氧化二釩氧化生成硫酸根離子，離子反應方程式為：V2O5+SO32-+4H+=2VO2++SO42-+2H2O，過濾得到濾渣為二氧化硅，強酸性浸出液含有VO2+、K+、SO42-，加入有機萃取劑萃取分液得到有機溶液中VO2+，再加入X試劑進行反萃取分液，分離出有機層得到水層是含VO2+、Fe3+、SO42-的酸性水溶液，根據Rn+（水層）+nHA（有機層）RAn（有機層）+nH+（水層），加入的堿會和平衡體系中的氫離子反應促進平衡正向進行，加入硫酸抑制平衡正向進行，氯酸鉀具有氧化性，能將VO2+氧化為VO2+，加入氨水，調節溶液pH到最佳值，得到NH4VO3，最后焙燒得到五氧化二釩即可。

（1）根據上述分析可知①中廢渣的主要成分是二氧化硅，①中V2O5 發生反應的離子方程式為V2O5+4H++SO32-=2VO2++SO42-+2H2O，故答案為：SiO2；V2O5+4H++SO32-=2VO2++SO42-+2H2O；

（2）反萃取時，根據VOSO4 （水層）+2HA2（有機層）VOA2（有機層）+H2SO4（水層）可知，為提高②中萃取百分率，則加入堿中和硫酸使平衡正移、多次連續萃取，提高釩的萃取率；萃取分液操作時，用到的玻璃儀器有分液漏斗和燒杯，故答案為：加入堿，中和H2SO4，使平衡正移；分液漏斗、燒杯；

（3）結合得失電子守恒和原子守恒配平得到加入氯酸鉀時發生的反應的離子方程式為ClO3-+6VO2++6H+=6VO3++Cl-+3H2O，根據該離子方程式可得如下關系：3V2O5~6VO2+~ ClO3-，100mL0.1mol/L的KClO3溶液中ClO3-物質的量為n（ClO3-）=0.1L×0.1mol/L=0.01mol，則對應的V2O5的物質的量為0.03mol，質量為0.03mol×182g/mol=5.46g，則該實驗中釩的回收率是，故答案為：91.0%；

（4）從沉淀率和pH關系可知，隨pH增大，沉淀率先增大后減小，故沉淀率最大的pH即為最佳pH，pH=1.7時釩的沉淀率最大為98.8%，加入氨水調節溶液的最佳pH為為1.7，若釩沉淀率為93.1%時不產生Fe（OH）3沉淀，此時溶液pH=2，計算氫氧根離子濃度c（OH-）=10-12mol/L，K[Fe（OH）3]=2.6×10-39=c（Fe3+）c3（OH-），c（Fe3+）=2.6×10-3mol/L，故答案為：1.7；2.6×10-3mol/L。