Kwas siarkowy: krew przemysłu chemicznego

• Strona główna
• Artykuły
• Kwas siarkowy: krew przemysłu chemicznego

2016-11-17  / Autor: Anna Jarosik

Od lat główną siłą napędzającą branżę kwasu siarkowego jest produkcja nawozów sztucznych, głównie nawozów fosforanowych (np. fosforan amonu i monopotasowy). Istotny wpływ na jej pomyślność ma również produkcja środków konserwujących, tworzyw sztucznych, jak również rosnące wydobycie metali. W efekcie kwas siarkowy

Związek nie do zastąpienia

Kwas siarkowy (H₂SO₄) to jeden z najpopularniejszych nieorganicznych związków chemicznych, wykorzystywany w kluczowych syntezach chemicznych. Ze względu na szeroki zakres zastosowań klasyfikowany jest jako substancja wielkotonażowa. Mimo zaostrzania się przepisów, uważany jest za surowiec niezbędny, wpływający na różne gałęzie gospodarki. Produkowany i zużywany jest w ogromnych ilościach. Często nazywa się go „krwią przemysłu chemicznego”, gdyż stanowi podstawowy kwas mineralny i jeden z najmocniejszych kwasów nieorganicznych z grupy tlenowych kwasów siarki. Używany jest w kluczowych syntezach, zarówno w przemyśle chemicznym, jak i w przetwórstwie.

Mimo mocno toksycznego działania – jest substancją duszącą, żrącą i drażniącą – jego szerokie zastosowanie obejmuje takie dziedziny, jak pirotechnika, petrochemia, tworzywa sztuczne i segment kwasów nieorganicznych.

Bezwodny kwas siarkowy jest gęstą, oleistą cieczą, cięższą od wody, o ostrym, duszącym zapachu. Dodatkowo charakteryzuje się silnymi właściwościami higroskopijnymi, pochłaniając wodę z otoczenia, a nawet niektóre związki. W formie stężonej posiada silne właściwości utleniające. Podgrzany do temperatury ok. 100°C reaguje z miedzią i srebrem, z wydzielaniem ditlenku siarki (SO₂). Istotne jest również to, iż odpowiada za niszczenie struktury białka. Równocześnie doprowadza do zwęglenia większości związków organicznych, które zawierają tlen, np. cukrów. Powodem tego jest wspomniana wcześniej silna higroskopijność.

W Polsce, poza komercyjną i efektywną metodą kontaktową, czysty kwas siarkowy powstaje jako tzw. produkt uboczny przy produkcji miedzi, która jest jednym z najważniejszych metali wydobywanych na świecie (przypada na nią ok. 16% ogólnej wartości wszystkich metali wydobywanych ze złóż).

Odpowiednio dobrany proces produkcyjny kwasu siarkowego ma ogromne znaczenie dla przemysłu, stąd kluczową dla całego rynku kwestią jest jego cena. Ważne jest, aby cena za litr kwasu siarkowego utrzymywała się na niezmiennym i stosunkowo niskim, lecz ekonomicznie opłacalnym poziomie.

Otrzymywanie kwasu siarkowego

Obecnie kwas siarkowy na skalę komercyjną otrzymuje się głównie metodą kontaktową przez utlenianie ditlenku siarki (SO₂), tlenku pochodzącego ze spalania siarki bądź siarczków metali, np. pirytu. Spalanie odbywa się przy użyciu tlenu z powietrza i ma miejsce na katalizatorze wanadowym, czyli na pentatlenku wanadu, który osadzony jest na żelu krzemionkowym. Z kolei żel krzemionkowy aktywowany jest tlenkami metali alkalicznych. Jako substancję pochłaniającą wykorzystuje się zwykle stężony kwas siarkowy, który znacznie lepiej niż woda absorbuje tritlenek siarki (SO₃). W powietrzu SO₃ tworzy koloidalny roztwór stałych cząstek, słabo zwilżanych przez wodę.

Powstający roztwór tritlenku siarki w 100% kwasie siarkowym, zwany oleum, jest wciąż rozcieńczany wodą. W ten sposób właśnie powstaje kwas siarkowy. Co ciekawe również samo oleum posiada wiele przemysłowych zastosowań. Bierze udział w produkcji niektórych materiałów wybuchowych i w sulfonowaniu związków organicznych.

Możliwość otrzymywania kwasu siarkowego stwarza również tzw. metoda komorowa. Cechuje się ona jednak dużo mniejszą wydajnością i wymaga większego nakładu pracy. Polega na utlenianiu SO₂ do SO₃ za pośrednictwem tlenków azotu krążących w obiegu zamkniętym, a następnie reakcji SO₃ z wodą.

Stosunkowo ciekawą metodą otrzymywania kwasu siarkowego jest także tzw. denitracja, czyli „odpędzanie” z parą wodną kwasu azotowego z mieszaniny kwasów, stanowiącej produkt uboczny produkcji azotanów organicznych. W samym procesie otrzymywania kwasu siarkowego nie jest to jednak najefektywniejsza metoda i uznawana jest ona raczej za proces oczyszczający tzw. odpad poprodukcyjny.

Różnorodne zastosowanieH₂SO₄

Kwas siarkowy służy m.in. do produkcji innych kwasów: kwasu azotowego i fosforowego, do wyrobu barwników (atramentu), włókien sztucznych, środków wybuchowych, środków konserwujących, papieru, a nawet nawozów sztucznych. Przykładowo wśród włókien sztucznych wytwarzanych przy zastosowaniu H₂SO₄ znajduje się m.in. sztuczny jedwab, natomiast wśród materiałów wybuchowych można wymienić proch, trotyl i dynamit. Kwas siarkowy używany jest również do oczyszczania olejów, nafty i parafiny, do rafinacji tłuszczów i olejów oraz do osuszania gazów przemysłowych. Na szeroką skalę stosuje się go w produkcji środków piorących, leków oraz jako elektrolit w akumulatorach kwasowo-ołowiowych. Te ostatnie, mimo licznych wad, wciąż są jednymi z najbardziej popularnych rodzajów akumulatorów elektrycznych i występują w niemal wszystkich samochodach. Kwas siarkowy wykorzystywany jest również do produkcji izopropanolu, etanolu oraz środków konserwujących. Bardzo potrzebny jest w metalurgii i górnictwie, gdzie stosuje się go w procesach wzbogacania rud miedzi oraz wytrawiania arkuszy stali w zwojach.

Ten ostatni proces wygląda w ten sposób, iż arkusze stali zanurzane są w kadziach z kwasami o różnym stężeniu. Ma to na celu oczyszczenie powierzchni arkusza z ewentualnych produktów korozji, tlenków, rdzy lub zgorzeliny. Jest to czynność niezbędna przed dalszą obróbką, tj. przed cynkowaniem, cynowaniem i emaliowaniem.

Jednocześnie kwas siarkowy jest często używanym odczynnikiem w laboratoriach technologicznych oraz w syntezie organicznej do sulfonowania i podczas nitrowania czy estryfikacji. Bez wykorzystania go przeprowadzenie wielu podstawowych i ważnych dla przemysłu reakcji chemicznych byłoby niemożliwe lub nieopłacalne. Oto bowiem przy wysokiej cenie technicznego kwasu siarkowego, często używanego w ilościach przemysłowych, koszty wytworzenia innych produktów byłyby niewspółmiernie wysokie, a technologia produkcji mało ekonomiczna.

Rynek kwasu siarkowego

Dzięki intensywnemu rozwojowi przemysłu oraz pomimo nadpodaży na globalnym rynku, wciąż obserwuje się rosnące zapotrzebowanie na czysty kwas siarkowy. Przy okazji wpływa to na jego cenę. W tej chwili, mimo częstych wahań cen surowców i walut, cena kwasu siarkowego osiągnęła dość zadowalający poziom ok. 20 groszy za litr.

Interesującym kierunkiem, często obieranym przez producentów kwasu siarkowego, są prace nad innowacyjnymi rozwiązaniami poszerzającymi zakres jego zastosowań. Przykładowo KGHM Polska Miedź opracowała metodę używania kwasu siarkowego w produkcji miedzi katodowej. Produkcja polega na pozyskiwaniu miedzi tzw. metodą solvent extraction and electrowinning (SX-EW), a dokładnie rozpuszczaniu rudy miedzi. Rozpuszczoną ciecz poddaje się następnie elektrolizie, czyli przepływowi prądu. Wówczas, praktycznie od razu, pojawia się na katodzie miedź. W ramach procesu niezbędny jest właśnie kwas siarkowy. Przywołane rozwiązanie wpływa na nieustanny wzrost innowacyjności w technikach sterowania, kontroli procesów i operacjach technologicznych dotyczących produkcji H₂SO₄.

Czynnikiem silnie determinującym kształt branży jest panująca na globalnym rynku kwasu siarkowego nadpodaż wynikająca z jego nadprodukcji. Redukuje to cenę surowca i czasami obniża jego jakość. Od lat największe zapotrzebowanie na H₂SO₄ wykazują producenci nawozów sztucznych oraz firmy z branży celulozowej. Co ważne, w sytuacji gdy na świecie panuje wspomniana nadpodaż, stan taki korzystnie wpływa na wzrost zainteresowania omawianym produktem ze strony  mniejszych sektorów, które zwykle potrzebują skromniejszych ilości kwasu.

Według danych GUS za 2014 r. wielkość produkcji kwasu siarkowego w Polsce w przeliczeniu na 100% wyniosła ok. 1,55 mln ton, natomiast w 2015 r. było to już 1,70 mln ton. Wielkość produkcji w UE szacowana jest na ponad 11 mln ton rocznie, zaś wartość rynku wynosi 540 mln euro. W ujęciu globalnym skala produkcji to już ok. 200 mln ton.

Głównym surowcem, z którego otrzymywany jest kwas siarkowy jest siarka, na której bazuje ponad 60% światowej produkcji kwasu. Równocześnie 90% wydobywanej siarki idzie na potrzeby produkcji kwasu siarkowego. Polska posiada 750 mln ton udokumentowanych złóż siarki, występujących w okolicach Tarnobrzega, w rejonie Staszowa oraz koło Lubaczowa – najczęściej w sąsiedztwie gipsów i wapieni. W naszym kraju mieści się ponadto jedyna na świecie kopalnia siarki, czyli Kopalnia Siarki Osiek, która należy do Grupy Azoty.

Mocne strony polskiego rynku

Najmocniejszą stroną polskiego rynku kwasu siarkowego jest fakt, iż posiadamy wieloletnie doświadczenie technologiczne w jego produkcji. Dodatkowo mamy bezpośredni i ułatwiony dostęp do surowców, co korzystnie wpływa na ewentualne koszty transportu.

Kolejną mocną stroną jest wykształcona i stabilna kadra pracownicza oraz dostęp do zaplecza badawczo-naukowego. Powoduje to, iż procesy technologiczne są nieustannie optymalizowane pod kątem finalnych zastosowań, a zakres wykorzystania kwasu siarkowego poszerzany o nowe aplikacje. Co istotne, dzięki wiedzy i doświadczeniu producenci kwasu siarkowego regularnie dostosowują linie produkcyjne do zaostrzających się wymagań prawnych. Również zakłady produkujące kwas siarkowy zlokalizowane są w pobliżu źródeł surowców, często będących ich własnością, co pozytywnie wpływa na tempo produkcji, zwiększa jej efektywność i w efekcie podnosi konkurencyjność cenową. Jako surowiec strategiczny, kwas siarkowy od lat ma ustabilizowaną pozycję na rynku nawozowym. To wszystko powoduje, że rynek zbytu dla kwasu siarkowego jest w naszym kraju wysoce przewidywalny, stosunkowo bezpieczny.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 5/2016 "CHEMII I BIZNESU". ZAPRASZAMY

przemysł chemicznykwas siarkowy