Wydział: Metali Nieżelaznych
Kierunek: Metalurgia
Przedmiot: Utylizacja i neutralizacja odpadów
Temat: Utylizacja kwaśnych roztworów zawierających metale ciężkie

1. Wstęp teoretyczny

Utylizacja jest to wykorzystanie (pot. zniszczenie) surowców odpadowych lub materiałów, które straciły wartość użytkową, np. makulatury w papiernictwie, złomu w hutnictwie czy fekaliów w nawożeniu.

Ścieki to zużyte ciecze, roztwory, koloidy lub zawiesiny, a także odpadowe ciała stałe odprowadzane za pomocą rurociągów do odbiorników naturalnych jakimi mogą być zbiorniki lub cieki wodne, doły gnilne itp. Ze względu na dużą szkodliwość biologiczną ścieków, zarówno komunalnych jak i przemysłowych, przed odprowadzeniem do odbiornika powinno się poddawać je utylizacji.

W procesach oczyszczania ścieków stosuje się metody mechaniczne, chemiczne, biologiczne, mieszane i dezynfekcję.

Metody chemiczne i fizykochemiczne są stosowane coraz częściej w momencie, kiedy w ściekach znajdują się duże ilości zanieczyszczeń, których źródłem jest przemysł.

Roztwory zawierające metale ciężkie neutralizuje się poprzez utlenienie lub redukcje. Dzieki temu metale ciężkie zostają wytrącone z roztworu i można je przefiltrować.

Neutralizacja jest to proces chemiczny zobojętniania ścieków o odczynie kwaśnym lub zasadowym. Stosowana przed bezpośrednim odprowadzeniem do odbiorników lub przed spustem do kanalizacji miejskiej. CaO i MgO maja wyskoki poziom dopuszczalności w składzie ścieków, w przeciwieństwie do Na.

1. Przebieg ćwiczenia

Do zlewki o pojemności 500 cm³ odmierzyliśmy roztwór o składzie: Cu - 5 g/dm³ i H₂SO₄ -100g/dm³. Połowę kwasu zneutralizowaliśmy za pomocą CaO. W tym celu odmierzyliśmy 28,570 g CaO i powoli zaczęliśmy dodawać go do roztworu z włączonym cały czas mieszadłem dla równomiernego rozprowadzenia tlenku w roztworze. Po upływie 30 minut przefiltrowaliśmy pulpę. Osad umieściliśmy w suszarce w 105°C aż do wysuszenia, po czym zważyliśmy osad na wadze laboratoryjnej. Resztę H₂SO₄ zneutralizowaliśmy za pomocą MgO. Odważyliśmy 23,644 g MgO i powoli dodawaliśmy do roztworu, który umieściliśmy w łaźni wodnej w temperaturze 50°C. Chcieliśmy uzyskać pH o wartości około 8. Co jakiś czas sprawdzaliśmy odczyn roztworu z pomocą papierka uniwersalnego. Niestety pH nie było odpowiednio zasadowe, a więc dodaliśmy jeszcze 10,010 g, a potem kolejne 10,008 g i ostatecznie jeszcze kilka gramów NaOH. Wpłynęło to na szybkość zmiany pH, natomiast nie miało wpływu na ilość pozostałych reagentów. Osad przefiltrowaliśmy i wysuszyliśmy w ten sam sposób jak poprzednio i zważono.

1. Obliczenia

• Obliczenia ilości powstałego gipsu, związków miedzi i siarczanu magnezu:

- gips:

H₂SO₄+CaO → CaSO₄*H₂O↓

98 g H₂SO₄ − 152, 16 g CaSO₄ * H₂O

50 g H₂SO₄ − x g CaSO₄ * H₂O

x = 77, 63 g CaSO₄ * H₂O

2CaSO₄* H₂O + 3H₂O → 2(CaSO₄*2H₂O)

77, 63 g CaSO₄ − x g 2(CaSO₄ * 2H₂O)

152, 16 g CaSO₄ − 308 g 2(CaSO₄ * 2H₂O) 

x = 157, 14 g 2(CaSO₄ * 2H₂O) 

$$\frac{157,14\ g\ 2\left( \text{CaS}O_{4}*2H_{2}O \right)}{2} = 78,57\ g\ CaSO_{4}*2H_{2}O$$

Wartość zmierzona podczas doświadczenia – 27,099 g CaSO₄

- ile powinno osadzić się związków miedzi (stosunek Cu(OH)₂ do CuSO₄ – 1:1):

2CuSO₄+2H₂O→H₂SO₄+[Cu(OH)₂*CuSO₄]↓

128 g Cu − 257, 17 g [Cu(OH)₂ * CuSO₄]

5 g Cu − x g[Cu(OH)₂ * CuSO₄] 

x = 10, 046 g[Cu(OH)₂ * CuSO₄] 

lub

CuSO₄+2H₂O→H₂SO₄+Cu(OH)₂

64 g Cu − 98 g Cu(OH)₂

5 g Cu − x g Cu(OH)₂ 

x = 7, 66 g Cu(OH)₂ 

Wartość zmierzona podczas doświadczenia – 49,692 g związków miedzi.

Wynika to z tego, że CaO nie przereagowało w całości, potrzebne więc były większe ilości tlenku magnezu do podwyższenia pH roztworu.

- siarczan magnezu:

MgO +  H₂SO₄→MgSO₄(aq)+H₂O

40, 3 g MgO − 120, 37 g MgSO₄

43, 662 g MgO − x g MgSO₄ 

x = 130, 41 MgSO₄

1. Wnioski

W przeprowadzonym doświadczeniu i na podstawie sporządzonych obliczeń mogliśmy zauważyć, że:

• CaO, jako czysty odczynnik chemiczny, jest bardzo słabo reaktywne . W związku z tym w doświadczeniu otrzymaliśmy o wiele mniej gipsu, niż wynikałoby to z równań stechiometrycznych, ponieważ CaO pokrywa na powierzchni CaSO₄;

• W przesączonej pulpie CaSO₄ zostają śladowe ilości Cu (delikatnie błękitny osad), co również miało wpływać na pomiar;

• W wyniku dodania CaO do roztworu, powstaje gips krystaliczny, czyli dwuwodny siarczan wapnia CaSO4_*2H2O;

• Dodatek MgO w ilości obliczonej ze stechiometrii nie spowodował zmiany kwasowości roztworu, co oznacza, że CaO nie przereagowało w całości, tzn., że stężenie jonów H+ było większe niż wynika ze stechiometrii;

• W trakcie dodawania MgO do mieszanego roztworu dodaliśmy nieznaczne ilości NaOH, aby przyspieszyć zmianę kwasowości roztworu. Dodatek NaOH nie miał znaczącego wpływu na pozostałe parametry procesu;

• Magnez rozpuszcza się w roztworze, a w osadzie pozostaje miedź - jest to korzystne przy wyższych temperaturach. Magnez możemy ewentualnie wytrącić przez krystalizację lub suszenie rozpylające;

• Przy pH=8 związki Cu występują w postaci Cu(OH)2* CuSO4 (zasadowy siarczan miedzi) w stosunku 1:1.