CN110433523A - 基于声波干预的硫酸铜结晶方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于声波干预的硫酸铜结晶方法，硫酸铜作为应用广泛的化工原料，为获得较好的晶体大小、形貌和品质，现有的方法主要从结晶工艺条件的优化和晶体生长动力学角度进行改进。这些改进方法要求严格控制实验条件，原理和流程较为复杂，不利于大规模推广。为此，提出一种基于声波干预的结晶改进方法，在硫酸铜滤液蒸发浓缩和冷却结晶的过程中播放旋律优美的乐曲，固液分离，制得精制CuSO₄·5H₂O晶体。该方法实现简单快捷，获得了较好结晶效果。

Description

基于声波干预的硫酸铜结晶方法

技术领域

本发明属于硫酸铜结晶技术领域，具体涉及基于声波干预的硫酸铜结晶方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

硫酸铜作为一种重要的化工原料，广泛用于工农业生产中。目前，中国市场上的五水硫酸铜晶体主要采用蒸发冷却结晶法制备，产品质量良莠不齐，普遍存在晶体粒径小、晶型差的问题。而不少文献报道，大粒径的五水硫酸铜晶体晶型更为完整，纯度更高，质量更好，在实际生产、教学和生活中会有更方便的应用。(《提高硫酸铜质量的生产实践》刘毅等，《旋流流化床中五水硫酸铜结晶生长动力学研究》段兰娟等，《“晶体的制备”实验分析》，朱华英。)

为制备形貌规则的大晶体，现有已报道的方法重点考察了蒸发温度、蒸发时间、晶种量、冷却速度和时间等条件对晶体生长的影响，但均基于传统的蒸发冷却结晶法，要得到较大粒径和较规则形貌的晶体需严格控制条件，在实际生产中实现较为困难。另外，部分学者从晶体生长动力学角度进行原理分析，得出较好的晶体生长条件，虽然可以为实际生产提供理论指导和实验依据，但原理较为复杂，与生产实际结合还需相当长的周期。

现有技术中曾报道通过超声波的引入强化结晶过程。这些研究的结果表明，虽然超声波的引入可以加快结晶速度，但并不利于得到大粒径、形貌规则的硫酸铜晶体。相反，大功率超声波的引入反而会使晶体颗粒变小、不规则并结聚。并且一定频率的超声波还会给环境带来噪声污染。

在典型的硫酸铜提纯结晶的实验方法中，先采用生成沉淀并过滤的方法除去粗硫酸铜中的Fe²⁺和Fe³⁺杂质，再将含硫酸铜的滤液转入蒸发皿中，用稀硫酸酸化后加热蒸发浓缩，至溶液表面出现晶膜，冷却结晶，固液分离后得到精制CuSO₄·5H₂O晶体。但发明人发现：传统的蒸发冷却结晶条件下得到的晶体往往为细小粉末状颗粒(如图1所示)。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种基于声波干预的硫酸铜结晶新方法。为改善硫酸铜结晶效果，在现有方法蒸发冷却结晶步骤中加入了一个声波干预环节，即引入旋律优美的音乐曲目，可以在不改变任何其他条件下获得更为理想的硫酸铜晶体(粒径更大，形貌更规则)，从而为制备高质量的硫酸铜晶体提供新的生产工艺思路。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于声波干预的硫酸铜结晶方法，包括：

在硫酸铜滤液蒸发浓缩和冷却结晶的过程中播放旋律优美的乐曲，固液分离，即得精制CuSO₄·5H₂O晶体。

本申请研究发现：由于音乐是一种波动，利用美好乐曲在硫酸铜滤液蒸发冷却结晶过程中构建较好的波动场，能够获得更为理想的晶体。如：听了经典名曲的硫酸铜滤液能形成与曲目主题相对应的美好结晶。

因此，本文提出在硫酸铜结晶过程中加入声波干预的方法改进结晶效果，为硫酸铜晶体的制备提供了新思路。为说明声波干预的方法和效果，以典型的无机化学实验中“硫酸铜的提纯”实验过程作为基础，论述加入声波干预的环节和方法，并通过对传统方法和加入声波干预后的结晶效果对比，说明所提方法的有效性。

本申请研究发现：若音乐播放设备距离硫酸铜滤液过远，波动对硫酸铜晶体成型的影响较小，无法获得预期的晶体；若音乐播放设备距离硫酸铜滤液过近，声波会对滤液表面产生一定的冲击，影响结晶的均匀性。因此，在一些实施例中，所述音乐播放设备距硫酸铜滤液容器的水平距离为10-20厘米，音乐的音量约为40-50分贝，可以有效地构建出波动场，所制备的硫酸铜呈漂亮的、较大的柱状结晶。

本申请中对音乐的曲目并不作特殊的限定。在一些实施例中，所述音乐的曲目为《Let it go》、《神话》、《雪绒花》、《少女时代》、《万物生》、《Good time》、《爱的旋律》、《幸福的距离》中的至少一种，所制备的硫酸铜结晶粒径较大，形貌良好。

在一些实施例中，所述硫酸铜滤液为除去杂质Fe²⁺和Fe³⁺的粗硫酸铜滤液，有效地改善了硫酸铜的品质，提高了纯度。

在一些实施例中，所述除杂的方法为：沉淀并过滤。粗硫酸铜含有不溶性杂质和可溶性杂质FeSO₄、Fe₂(SO₄)₃，不溶性杂质可用过滤法除去，可溶性杂质需要先用氧化剂H₂O₂氧化Fe²⁺为Fe³⁺，然后调节溶液的pH值为4，使Fe³⁺水解成Fe(OH)₃沉淀而除去。

在一些实施例中，所述硫酸铜滤液蒸发浓缩的具体条件为：将硫酸铜滤液转入蒸发皿中，用1mol·L^-1稀硫酸酸化，调节pH至1-2，然后将蒸发皿放于石棉网上，酒精灯加热，同时开始在水平距离蒸发容器10-20厘米处播放音量约为40-50分贝的乐曲，蒸发浓缩溶液至表面出现一层晶膜。其中，酸化有效增大了H⁺浓度，抑制Cu²⁺水解。

在一些实施例中，所述冷却结晶的具体条件为：继续播放乐曲，同时将蒸发皿从热源上取下，静置自然冷却至室温，使CuSO₄·5H₂O晶体充分结晶析出。此时，其他微量可溶性杂质因为量比较少，尚处于未饱和状态，故留在母液中，后续通过固液分离，可以得到纯度较高的硫酸铜晶体。

本发明还提供了任一上述的基于声波干预的硫酸铜结晶方法制备的精制CuSO₄·5H₂O晶体照片。

本发明还提供了上述的CuSO₄·5H₂O晶体在电镀、印染、颜料或农药领域的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)为改善硫酸铜结晶效果，在现有方法蒸发冷却结晶步骤中加入了一个声波干预环节，可以在不改变任何其他步骤和条件下获得更为理想的硫酸铜晶体，从而为大规模制备高质量的硫酸铜晶体提供新的生产工艺思路。

(2)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是对比例1按传统结晶方法所得的硫酸铜晶体(细小粉末状)；

图2是实施例1播放冰雪奇缘主题曲《Let it go》所得的硫酸铜晶体(冰柱状)；

图3是实施例1先播放《神话》、再播放冰雪奇缘主题曲《Let it go》所得的硫酸铜晶体(冰花状)；

图4是实施例1播放《雪绒花》所得的硫酸铜晶体(雪绒花状)；

图5是实施例1播放《少女时代》所得的硫酸铜晶体(玫瑰花状)；

图6是实施例1播放《万物生》所得的硫酸铜晶体(块状多边形)；

图7是实施例1播放《Good time》所得的硫酸铜晶体(扇形)；

图8是实施例1播放《爱的旋律》所得的硫酸铜晶体(心形)；

图9是实施例1播放《幸福的距离》所得的硫酸铜晶体(长条形)。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对传统的蒸发冷却结晶法制备的五水硫酸铜晶体普遍存在产品质量良莠不齐、晶体粒径小、晶型差的问题，本发明提出一个声波干预环节，可以在不改变任何其他条件下获得更为理想的硫酸铜晶体，从而为大规模制备高质量的硫酸铜晶体提供新的生产工艺思路。

以下通过具体的实施例对本申请的技术方案进行说明。

实施例1：

基于这种波动干预原理，在硫酸铜溶液蒸发冷却结晶过程中加入一个声音干预的环节，即如果在硫酸铜结晶过程中播放美好音乐，构建较好的波动场，硫酸铜能形成很好的晶形。

粗硫酸铜提纯结晶步骤如下：称取4g粗硫酸铜(含纯五水硫酸铜的质量百分数约为98％)于烧杯中，加入20ml去离子水搅拌溶解。在溶液中加入质量浓度为3％的H₂O₂溶液10滴，加热并逐滴加入0.5mol·L^-1NaOH溶液直至pH为4。再加热片刻并放置，使红棕色Fe(OH)₃沉降。趁热过滤，将硫酸铜滤液置于洁净蒸发皿中。在滤液中滴入1mol·L^-1稀硫酸至体系pH为1-2，然后将蒸发皿放于石棉网上加热，此时引入声波干预环节，在水平距离蒸发容器15厘米处播放音量为40分贝的乐曲，蒸发浓缩至液体表面出现一层晶膜，停止加热。静置自然冷却至室温，放置20分钟，待硫酸铜晶体充分结晶析出后，停止声波干预环节。抽滤，收集晶体于干净的滤纸上。

这一声音干预环节的设立是在不改变原有实验过程其他环节的条件下进行的。引入声音的时间段为将硫酸铜滤液蒸发浓缩和冷却结晶的过程中。音乐播放设备为手机，置于水平距离蒸发皿15厘米处，音量为40分贝。对比教科书中的经典结晶方法，实验结果非常令人惊喜。为体现不同声音干预的不同效果，标定了不同的音乐曲目下所制备的晶体。

为体现方法的有效性，20个实验小组(2人为1小组)进行相关操作，有16组得到了漂亮的、较大的柱状结晶，比例为80％。而没有加入声音干预的操作流程，得到漂亮晶体的比例仅为5％。

实验结果发现，受到不同乐曲音波干预的硫酸铜晶体的形貌各为不同。听音乐的晶体长成了与曲目主题相吻合的样子。如：听了电影《冰雪奇缘》主题曲《Let it go》的硫酸铜结晶形貌犹如影片中美丽的冰柱(图2)，而另一组先听了《神话》又听《Let it go》的硫酸铜则结晶形成较为细小的“冰花”(图3)。享受了《雪绒花》的硫酸铜真的结晶出了美丽的“绒花”(图4)。听了《少女时代》的结晶如一朵盛开的玫瑰(图5)。《万物生》下块状晶体生长得郁郁葱葱(图6)。《Good time》里扇形硫酸铜晶体闪闪发光，好像在对着世界微笑(图7)。《爱的旋律》下晶体中心似为心形，闪烁着爱的光芒(图8)。《幸福的距离》里长条形晶体透明、温润而安详(图9)。

本发明在传统方法较为宽和的蒸发冷却结晶条件下引入音乐，短时间内就可方便地得到较大的硫酸铜柱状晶体。需要说明的是，这里照片呈现的是柱状晶体的聚集体，其不同形貌(冰柱、绒花、玫瑰等)应是由柱状晶体按不同方式自然排列在一起而形成的。并且从光泽度上看，本方法比传统方法得到的晶体光泽度更好，品质更优。实验过程中还发现以下特殊现象：反复播放一首乐曲的结晶较大(如图2)，而采用两首曲子进行干预的结晶较小(如图3)。可能因为“专注”的信息会使晶体长得更大。

由于本方法测试是在实验室环境下针对典型实验过程进行的，如果需要应用于生产流程，则需根据蒸发浓缩和冷却结晶的实际环境和生产设备，设置专用的播放设备，并优选合适的旋律和音量，以得到更好的结晶效果。

本申请进行的粗硫酸铜提纯的实验，结果发现，与传统方法(对比例1)相比，引入声波干预后的方法提纯产率更高(所实验的曲目产率均在70％以上。乐曲《万物生》所得产率最高，为92％)。这可能是因为音乐波的引入更有利于溶液中离子、分子的规则排列形成结晶。同时，大晶体应比传统方法得到的小颗粒晶体纯度更好。

在研制产品时，为得到粒径大、形貌较好的晶体，我们选择的均为旋律优美、祥和舒畅、充满正能量的音乐，以便引入好的波动场。若音乐较为嘈杂、含负能量信息，则结晶效果较差。

对比例1

粗硫酸铜提纯方法同实施例1，不同之处在于，未引入声波干预环节。晶体为细小粉末状，光泽度差(图1)，产率为60％。

对比例2

粗硫酸铜提纯结晶方法同实施例1，不同之处在于，声波干预环节采用单一音符1(do)或2(re)或3(mi)——简谱中的音符。

单一音符的波动场属于固定频率干预，不及优美旋律乐曲的波动场能量信息更为丰富、和谐，结晶效果不如播放乐曲好。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于声波干预的硫酸铜结晶方法，其特征在于，包括：

在硫酸铜滤液蒸发浓缩和冷却结晶的过程中播放音乐，固液分离，即得精制CuSO₄·5H₂O晶体。

2.如权利要求1所述的基于声波干预的硫酸铜结晶方法，其特征在于，所述音乐播放设备距离硫酸铜滤液容器水平距离10-20厘米。

3.如权利要求1所述的基于声波干预的硫酸铜结晶方法，其特征在于，所述音乐的音量为40-50分贝。

4.如权利要求1所述的基于声波干预的硫酸铜结晶方法，其特征在于，所述音乐的曲目为《Let it go》、《神话》、《雪绒花》、《少女时代》、《万物生》、《Good time》、《爱的旋律》、《幸福的距离》中的至少一种。

5.如权利要求1所述的基于声波干预的硫酸铜结晶方法，其特征在于，所述硫酸铜滤液为除去杂质Fe²⁺和Fe³⁺的粗硫酸铜滤液。

6.如权利要求5所述的基于声波干预的硫酸铜结晶方法，其特征在于，所述除去杂质的方法为：沉淀并过滤。

7.如权利要求1所述的基于声波干预的硫酸铜结晶方法，其特征在于，所述硫酸铜滤液蒸发浓缩的具体条件为：将硫酸铜酸化，调节pH至1-2，然后加热，同时开始在距离容器10-20厘米处播放乐曲，直至溶液表面出现一层晶膜。

8.如权利要求1所述的基于声波干预的硫酸铜结晶方法，其特征在于，所述冷却结晶的具体条件为：蒸发浓缩后继续播放乐曲，同时将硫酸铜从热源上取下，静置自然冷却至室温，使CuSO₄·5H₂O晶体充分结晶析出。

9.权利要求1-8任一项所述的基于声波干预的硫酸铜结晶方法制备的精制CuSO₄·5H₂O晶体。

10.权利要求9所述的CuSO₄·5H₂O晶体在电镀、印染、颜料或农药领域的应用。