Question

3．减少SO₂的排放、回收利用SO₂已成为世界性的研究课题．我国研究人员设计的利用低品位软锰矿浆（主要成分是MnO₂）吸收高温焙烧废渣产生的SO₂来制备硫酸锰的生产流程如图1：

浸出液的pH＜2，其中的金属离子主要是Mn²⁺，还含有少量的Fe²⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Pb²⁺等其他金属离子．有关金属离子的半径以及形成氢氧化物沉淀时的pH如表所示，阳离子吸附剂吸附金属离子的效果如图2所示．

离子	离子半径（pm）	开始沉淀时的pH	完全沉淀时的pH
Fe2+	74	7.6	9.7
Fe3+	64	2.7	3.7
Al3+	50	3.8	4.7
Mn2+	80	8.3	9.8
Pb2+	121	8.0	8.8
Ca2+	99

已知PbO₂的氧化性大于MnO₂的氧化性．请回答下列问题：
（1）废渣的主要成分是硫铁矿，1molFeS₂高温焙烧转移11mol电子．
（2）在氧化后的浸出液中加入石灰浆，用于调节浸出液的pH，pH应调节至4.7～8.3．
（3）阳离子吸附剂用于除去杂质金属离子．决定阳离子吸附剂吸附效果的因素是BCD（填写序号）．
A．溶液的pH
B．金属离子的电荷
C．金属离子的半径
D．吸附时间
（4）操作a包括蒸发、浓缩、结晶等过程．

Answer 1

分析 高温焙烧含硫废渣产生的SO₂废气，软锰矿浆的主要成分是MnO₂，通入SO₂浸出液的pH＜2，其中的金属离子主要是Mn²⁺，则MnO₂与SO₂发生氧化还原反应，浸出液还含有少量的Fe²⁺、Al³⁺等其他金属离子，Fe²⁺具有还原性，可以被MnO₂在酸性条件下氧化成Fe³⁺，在氧化后的液体中加入石灰浆，杂质中含有Fe²⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Pb²⁺四种阳离子，由沉淀的pH范围知，Fe²⁺的沉淀与Mn²⁺离子的沉淀所需的pH接近，而Fe³⁺则相差很远，故可以将Fe²⁺氧化成Fe³⁺而除杂．从吸附率的图可以看出，Ca²⁺、Pb²⁺的吸附率较高，故只要调节pH值在4.7～8.3间，Fe³⁺、Al³⁺阳离子通过调pH值，转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，同时生成微溶的硫酸钙，过滤，滤渣主要有氢氧化铁、氢氧化铝、硫酸钙，由于制取的MnSO₄•H₂O含有结晶水，故操作a采用蒸发浓缩结晶的方法，得到MnSO₄•H₂O，
（1）根据反应：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，可知1mol FeS₂与O₂反应，转移11mol电子；
（2）从吸附率的图可以看出，Ca²⁺、Pb²⁺的吸附率较高，故只要调节pH值在4.7～8.3间，大于4.7可以将Fe³⁺和Al³⁺除去，小于8.3是防止Mn²⁺也沉淀；
（3）结合半径，分析右图知，图中离子从上至下，半径有减小趋势，对应的吸附率减小．随着时间的递增，所有离子的吸附率均增大；另Fe³⁺和Al³⁺离子所带电荷数大，其吸附率低；
（4）由于制取的MnSO₄•H₂O含有结晶水，故采用蒸发浓缩结晶的方法．

解答 解：高温焙烧含硫废渣产生的SO₂废气，软锰矿浆的主要成分是MnO₂，通入SO₂浸出液的pH＜2，其中的金属离子主要是Mn²⁺，则MnO₂与SO₂发生氧化还原反应，浸出液还含有少量的Fe²⁺、Al³⁺等其他金属离子，Fe²⁺具有还原性，可以被MnO₂在酸性条件下氧化成Fe³⁺，在氧化后的液体中加入石灰浆，杂质中含有Fe²⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Pb²⁺四种阳离子，由沉淀的pH范围知，Fe²⁺的沉淀与Mn²⁺离子的沉淀所需的pH接近，而Fe³⁺则相差很远，故可以将Fe²⁺氧化成Fe³⁺而除杂．从吸附率的图可以看出，Ca²⁺、Pb²⁺的吸附率较高，故只要调节pH值在4.7～8.3间，Fe³⁺、Al³⁺阳离子通过调pH值，转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，同时生成微溶的硫酸钙，过滤，滤渣主要有氢氧化铁、氢氧化铝、硫酸钙，由于制取的MnSO₄•H₂O含有结晶水，故操作a采用蒸发浓缩结晶的方法，得到MnSO₄•H₂O，
（1）根据反应：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，可知1mol FeS₂与O₂反应，转移11mol电子，
故答案为：11；
（2）杂质中含有Fe²⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Pb²⁺四种阳离子，由沉淀的pH范围知，Fe²⁺的沉淀与Mn²⁺离子的沉淀所需的pH接近，而Fe³⁺则相差很远，故可以将Fe²⁺氧化成Fe³⁺而除杂．从吸附率的图可以看出，Ca²⁺、Pb²⁺的吸附率较高，故只要调节pH值在4.7～8.3间，大于4.7可以将Fe³⁺和Al³⁺除去，小于8.3是防止Mn²⁺也沉淀，浸出液中剩余的Pb²⁺、Ca²⁺可通过吸附方法除去，
故答案为：4.7～8.3；
（3）图中离子从上至下，半径有减小趋势，对应的吸附率减小．随着时间的递增，所有离子的吸附率均增大；另Fe³⁺和Al³⁺离子所带电荷数大，其吸附率低，
故答案为：BCD；
（4）从溶液中获得溶质，应采用蒸发、浓缩、结晶的方法，故答案为：蒸发、浓缩、结晶．

点评 本题以制备硫酸锰的生产流程为知识载体，考查化学反应的书写，及除杂中的问题，题目难度中等，本题注意把握数据处理能力和图象分析能力．