Lyijykammiomenetelmä

Lyijykammiomenetelmä eli lyijykammioprosessi on teollinen menetelmä rikkihapon tuottamiseen. Menetelmän kehitti brittiläinen lääkäri John Roebuck vuonna 1746. Nykyään lyijykammiomenetelmän on korvannut parempisaantoisempi kontaktimenetelmä.

Historiaa 

Ennen lyijykammiomenetelmän kehittämistä rikkihappoa valmistettiin hauraisiin lasiastioihin. Ne Roebuck korvasi puurakenteisilla kammioilla, joiden sisäseinät oli päällystetty lyijylevyillä, mistä tuli prosessin nimitys. Lyijy oli tuohon aikaan yksi harvoista rikkihappoa sietävistä halvoista materiaaleista. 

Alkuperäisessä Roebuckin lyijykammiomenetelmässä rikkihaponvalmistuksessa tarvittavat kaasut rikkidioksidi ja typen oksidit saatiin aikaan kuumentamalla rikin ja nitraattisuolojen seosta. Kammion lattialla oli vettä, johon reaktiossa syntyvät kaasut liukenivat. Tällä menetelmällä saatiin aikaiseksi rikkihappoliuosta, joka oli väkevyydeltään 35–45-prosenttista. Väkevämpää rikkihappoa tuotettiin haihduttamalla. 

Lyijykammiomenetelmää parantelivat monet henkilöt. Ranskalaiset Charles Bernard Desormes ja Nicolas Clément osoittivat vuonna 1793, että tarvittavaa nitraattimäärää voitiin huomattavasti pienentää päästämällä reaktiokammioon myös happea. Vuonna 1803 Charles Tennant rakensi reaktiotilasta erillisen rikinpolttouunin.  Tärkeimmät tekniset parannukset tekivät Joseph-Louis Gay-Lussac ja John Glover. Gay-Lussac suunnitteli vuonna 1827 nimeään kantavan tornin, jota käytetään reaktiossa syntyvien typen oksidien keräämiseen ja niiden käyttämiseen uudelleen. Keksintö ei levinnyt laajalle ennen vuotta 1859, jolloin Glover rakensi toisen tornin, jossa voitiin ottaa talteen vielä enemmän typen oksideja. Tämä vähensi edelleen reaktiossa tarvittavan nitraattien määrää.  Myöhemmin typen oksidit tuotettiin lähinnä polttamalla ammoniakkia. Vuodesta 1818 alkaen rikin poltto korvattiin pyriitin ja muiden rikkiä sisältävien mineraalien kuumentamisella. Malmit olivat alkuainerikkiä halvempia ja lisäksi niistä syntyvä metallijäte voitiin käyttää hyödyksi muun muassa raudan ja kuparin valmistuksessa.

Menetelmä 

Lyijykammiomenetelmässä tapahtuvat reaktiot ovat monimutkaisia, eikä kaikista reaktiomekanismeista ole täyttä yksimielisyyttä. Rikkidioksidi ja typen oksidit johdetaan 6–8 metriä korkeaan Glover-torniin. Torni on puoliksi täynnä rikkihappoa kestäviä kiviä ja tiiliä. Tornin huipulla on järjestelmä, josta torniin ruiskutetaan korkeamman Gay-Lussacin tornin pohjalta tulevaa erittäin väkevää rikkihappoa. Rikkihappo sisältää prosessissa välituotteena syntyvää nitrosyylirikkihappoa. Tornissa rikkidioksidi reagoi nitrosyylirikkihapon ja veden kanssa muodostaen rikkihappoa ja typpimonoksidia. Osa typpimonoksidista reagoi rikkidioksidin ja hapen sekä veden kanssa muodostaen uudelleen nitrosyylirikkihappoa. Lämpötila tornissa on 130 °C 
2 NOHSO4 + SO2 + H2O → 3 H2SO4 + 2 NO

Kaasut johdetaan Gloverin tornista kahteen tai kolmeen lyijylevyseinäiseen reaktiokammioon. Kammioissa oleva kaasuseos sisältää rikkidioksidia, happea, typpimonoksidia ja typpidioksidia. Lämpötila kammioissa ei ole reaktioiden aikana vakio ja se vaihtelee 30–65 asteen välillä. Kammiossa tapahtuvat reaktiot ovat:
NO + ½ O2 → NO2
2SO2 + 3 NO2 + H2O → NOHSO4 + NO
2 NOHSO4 + H2O → H2SO4 + NO + NO2

Syntyvä reaktio kerääntyy kammioiden pohjalle, josta se poistetaan. Kaasumaiset aineet johdetaan 12–15 metriä korkeaan Gay-Lussacin torniin. Torni on täytetty rikkihappoa kestävillä kivillä ja tiilillä. Tornin huipusta ruiskutetaan Gloverin tornista tulevaa rikkihappoa. Tornissa tapahtuu kaksi reaktiota:
H2SO4 + NO + NO2 → 2 NOHSO4 + H2O
H2SO4 + N2O4 → NOHSO4 + HNO3

Näin muodostuu seos, joka sisältään rikkihappoa, typpihappoa ja nitrosyylirikkihappoa. Tämä seos johdetaan Gloverin torniin, jossa vapautuu reaktioissa tarvittavaa typpimonoksidia. Typpimonoksidi on siis prosessissa katalyytti. Kaikki typen oksidi ei kuitenkaan täysin kierrä reaktioissa vaan typen oksideita täytyy lisätä polttamalla ammoniakkia ja johtamalla kaasut Gloverin torniin. 

Lyijykammiomenetelmällä voidaan tuottaa rikkihapon vesiliuosta, jonka happopitoisuus on 62–77 prosenttia. Hapossa on usein epäpuhtauksina arseenitrioksidia, lyijysulfaattia, seleenihapoketta ja typpihapoketta sekä lisäksi pieniä määriä metalleja. Kontaktimenetelmällä voidaan tuottaa 99,5-prosenttista rikkihappoa, josta tehdään laimeampia vesiliuoksia.

Katso myös
 Kammiohappo

Lähteet 

Kemialliset reaktiot
Teolliset prosessit