| Wydział: Metali Nieżelaznych | Data wykonania ćwiczenia: 14.03.2016 |
|---|---|
| KIERUNEK: METALURGIA | ROK STUDIÓW: III |
| PRZEDMIOT: Podstawy recyklingu metali | NUMER ĆWICZENIA: 2 |
TYTUŁ ĆWICZENIA: Wytop ołowiu ze szlamów pochodzących z rozbiórki akumulatorów |
|
| Grupa nr: 1 | Data oddania sprawozdania: 21.03.2016 |
Zespół nr: 2
|
Data oddania sprawozdania do poprawy: |
Wstęp teoretyczny
Złom akumulatorowy stanowi ok. 65% surowców zużywanych do produkcji ołowiu rafinowanego w Polsce. Stopień odzysku ołowiu ze złomów i odpadów metalicznych w odniesieniu do konsumpcji tego metalu w krajach wysokorozwiniętych osiąga poziom ponad 70%. W Polsce stopień przerobu złomu akumulatorowego wynosi ponad 95%.
Przemysł akumulatorowy zużywa blisko 80% całkowitej produkcji ołowiu. Z ekologicznego i ekonomicznego punktu widzenia istotną sprawą jest organizacja sprawnego systemu zbiórki zużytych akumulatorów, łącznie z zawartym w nich kwasem siarkowym.
Złom akumulatorowy w przeszłości był przerabiany łącznie z pierwotnymi koncentratami ołowiu. Aktualnie odzysk ołowiu ze złomu akumulatorowego jest prowadzony w zakładach wtórnego przerobu, według specjalnie opracowanych procesów.
Pasta akumulatorowa stanowi około 45% masy zużytego akumulatora i jest prawie w całości siarczanem (VI) ołowiu (II) (PbSO4). Innym bardzo uciążliwym innym bardzo uciążliwym składnikiem akumulatora są odpady składające się z PCV, ebonitu, włókna szklanego i dlatego po umyciu i oczyszczeniu z ołowiu ten odpad składowany jest na wysypisku. Pasta i odpady metalowe są wsadowane do pieca obrotowego wraz z koksikiem jako reduktorem, sodą jako topnikiem oraz wiórami żelazowymi, których zadaniem jest wychwytywanie siarki.
Analiza chemiczna substancji występujących w procesie pozwala dokonać jego podziału na dwa etapy:
Etap pierwszy odpowiada zużyciu węgla w ilości 0-0,2%. W tym zakresie uzysk ołowiu maleje i osiąga minimum przy zawartości wegla 0,2%, jest to związane z maksymalną zawartością PbS we wsadzie. Ołów reaguje z siarczanem sodu, węglem i CO zgodnie z reakcją:
Pb + Na2SO4 + C + CO = Na2CO3 + PbS + CO2
Przy małej zawartości węgla we wsadzie nie tworzy się siarczan (VI) sodu, ale siarczan(II) ołowiu(II). Natomiast przy większych zawartościach węgla we wsadzie proces może być opisany przez reakcję:
Na2CO3 + 2PbS + Fe = Na2S + FeS + 2PbO + CO
PbO + C = Pb + CO
W Wyniku zachodzenia tych reakcji wzrasta uzysk ołowiu.
Przebieg ćwiczenia
Otrzymany do badania szlam akumulatorowy odsypaliśmy w sporej ilości do porcelanowego moździeża, gdzie został następnie przez nas ugnieciony. Odważyliśmy 70,002 grama ubitego szlamu do dużej próbki.
Następnie odważyliśmy 8,403 grama proszku żelaza, 2,799 grama węglanu sodowego Na2CO3 oraz 4,003 grama koksiku. Po odważeniu zmieszaliśmy dokładnie wszystkie odważone produkty, a mieszaninę wsypaliśmy do tygla i przykryliśmy pokrywką.
Następnie z pomocą prowadzącego zajęcia umieściliśmy tygiel w piecu rozgrzanym do 1000°C na czas 45 minut.
Po upłynięciu czasu, również z pomocą prowadzącego tygiel został wyciągnięty z pieca, a produkt przelany do wygrzanej kokili. Podczas odlewania staraliśmy się, aby odlać do kokilki sam ołów, natomiast zgorzelina która pozostała w tyglu, została wraz w resztkami ołowiu wytrzepana na cegłę na stanowisku oraz wszystko pozostawiliśmy do ostygnięcia.
Po ostygnięciu, umyliśmy pod bieżącą wodą urobek ze zgorzeliny, wysuszyliśmy przez 5 minut w suszarce nastawionej na 100°C i zważyliśmy.
Obliczanie stopnia uzysku ołowiu.
Wiemy, że szlam zawiera 65,5% ołowiu, który występuje w postaci: PbO – 2,6%, PbO2 – 19,9% i PbSO4 – 43%.
Do badania użyliśmy 70,002 g szlamu akumulatorowego, a więc powinniśmy uzyskać ok 45,851 g Pb.
70,002 [g] · 0,655 = 45,851 [g]
Uzyskany przez nas ołów ważył 44,978 gram.
Stopień uzysku ołowiu wyniósł zatem:
$$\frac{44,978\ \lbrack g\rbrack}{45,851\ \lbrack g\rbrack}*100\% \approx \mathbf{98,1\%}$$
Obliczone zmiany entalpiiswobodnej ∆GT0 oraz log KP przedstawione w tabelach oraz na wykresach.
Do wyliczenia potrzebnych wartości użyliśmy programu HSC Chemistry.
PbSO4 + 4CO(g) = PbS + 4CO2(g)
| T | deltaH | deltaS | deltaG | K | Log(K) |
|---|---|---|---|---|---|
| K | kcal | cal/K | kcal | ||
| 500,000 | -74,055 | 0,129 | -74,120 | 2,514E+032 | 32,400 |
| 550,000 | -74,160 | -0,072 | -74,121 | 2,853E+029 | 29,455 |
| 600,000 | -74,244 | -0,217 | -74,113 | 9,955E+026 | 26,998 |
| 650,000 | -74,330 | -0,355 | -74,099 | 8,250E+024 | 24,916 |
| 700,000 | -74,437 | -0,514 | -74,078 | 1,349E+023 | 23,130 |
| 750,000 | -74,572 | -0,700 | -74,047 | 3,795E+021 | 21,579 |
| 800,000 | -74,756 | -0,937 | -74,007 | 1,657E+020 | 20,219 |
| 850,000 | -74,993 | -1,223 | -73,953 | 1,038E+019 | 19,016 |
| 900,000 | -75,283 | -1,555 | -73,884 | 8,768E+017 | 17,943 |
| 950,000 | -75,631 | -1,931 | -73,797 | 9,517E+016 | 16,979 |
| 1000,000 | -76,036 | -2,346 | -73,690 | 1,277E+016 | 16,106 |
| 1050,000 | -76,501 | -2,800 | -73,561 | 2,054E+015 | 15,313 |
| 1100,000 | -77,027 | -3,288 | -73,409 | 3,857E+014 | 14,586 |
| 1150,000 | -81,669 | -7,371 | -73,192 | 8,144E+013 | 13,911 |
| 1200,000 | -82,253 | -7,868 | -72,811 | 1,827E+013 | 13,262 |
| 1250,000 | -82,823 | -8,334 | -72,406 | 4,576E+012 | 12,660 |
| 1300,000 | -83,380 | -8,771 | -71,978 | 1,264E+012 | 12,102 |
| 1350,000 | -83,925 | -9,182 | -71,529 | 3,808E+011 | 11,581 |
| 1400,000 | -79,934 | -6,307 | -71,105 | 1,262E+011 | 11,101 |
| 1450,000 | -89,960 | -13,259 | -70,735 | 4,596E+010 | 10,662 |
| 1500,000 | -90,298 | -13,488 | -70,066 | 1,620E+010 | 10,209 |
PbS+ Fe = Pb + FeS
| T | deltaH | deltaS | deltaG | K | Log(K) |
|---|---|---|---|---|---|
| K | kcal | cal/K | kcal | ||
| 500,000 | 0,671 | 4,985 | -1,822 | 6,257E+000 | 0,796 |
| 550,000 | 0,900 | 5,423 | -2,082 | 6,722E+000 | 0,827 |
| 600,000 | 1,204 | 5,945 | -2,363 | 7,259E+000 | 0,861 |
| 650,000 | 2,420 | 7,966 | -2,758 | 8,458E+000 | 0,927 |
| 700,000 | 2,460 | 8,025 | -3,158 | 9,681E+000 | 0,986 |
| 750,000 | 2,465 | 8,033 | -3,559 | 1,090E+001 | 1,037 |
| 800,000 | 2,439 | 7,999 | -3,960 | 1,208E+001 | 1,082 |
| 850,000 | 2,324 | 7,859 | -4,357 | 1,319E+001 | 1,120 |
| 900,000 | 2,186 | 7,702 | -4,746 | 1,421E+001 | 1,153 |
| 950,000 | 2,031 | 7,534 | -5,127 | 1,512E+001 | 1,180 |
| 1000,000 | 1,859 | 7,358 | -5,499 | 1,592E+001 | 1,202 |
| 1050,000 | 1,675 | 7,179 | -5,863 | 1,661E+001 | 1,220 |
| 1100,000 | 1,481 | 6,998 | -6,217 | 1,719E+001 | 1,235 |
| 1150,000 | 1,280 | 6,820 | -6,562 | 1,767E+001 | 1,247 |
| 1200,000 | 0,926 | 6,518 | -6,896 | 1,803E+001 | 1,256 |
| 1250,000 | 0,930 | 6,522 | -7,222 | 1,831E+001 | 1,263 |
| 1300,000 | 0,945 | 6,533 | -7,548 | 1,858E+001 | 1,269 |
| 1350,000 | 0,972 | 6,554 | -7,875 | 1,884E+001 | 1,275 |
| 1400,000 | -3,506 | 3,324 | -8,159 | 1,879E+001 | 1,274 |
| 1450,000 | -3,523 | 3,312 | -8,325 | 1,799E+001 | 1,255 |
| 1500,000 | 4,135 | 8,384 | -8,441 | 1,698E+001 | 1,230 |
PbSO4 + Na2CO3 + CO(g) = Pb + Na2SO4 + 2CO2(g)
| T | deltaH | deltaS | deltaG | K | Log(K) |
|---|---|---|---|---|---|
| K | kcal | cal/K | kcal | ||
| 500,000 | -2,898 | 36,418 | -21,107 | 1,685E+009 | 9,226 |
| 550,000 | -0,417 | 41,248 | -23,104 | 1,518E+009 | 9,181 |
| 600,000 | -0,617 | 40,901 | -25,158 | 1,461E+009 | 9,165 |
| 650,000 | 0,202 | 42,287 | -27,285 | 1,495E+009 | 9,175 |
| 700,000 | -0,275 | 41,582 | -29,382 | 1,494E+009 | 9,174 |
| 750,000 | -0,750 | 40,920 | -31,440 | 1,453E+009 | 9,162 |
| 800,000 | -0,892 | 40,738 | -33,482 | 1,405E+009 | 9,148 |
| 850,000 | -1,134 | 40,445 | -35,512 | 1,354E+009 | 9,132 |
| 900,000 | -1,480 | 40,050 | -37,525 | 1,297E+009 | 9,113 |
| 950,000 | -1,931 | 39,563 | -39,516 | 1,234E+009 | 9,091 |
| 1000,000 | -2,487 | 38,992 | -41,480 | 1,165E+009 | 9,066 |
| 1050,000 | -3,151 | 38,345 | -43,413 | 1,089E+009 | 9,037 |
| 1100,000 | -3,924 | 37,626 | -45,313 | 1,008E+009 | 9,004 |
| 1150,000 | -15,928 | 26,988 | -46,964 | 8,434E+008 | 8,926 |
| 1200,000 | -11,224 | 31,067 | -48,504 | 6,832E+008 | 8,835 |
| 1250,000 | -12,263 | 30,218 | -50,036 | 5,611E+008 | 8,749 |
| 1300,000 | -13,324 | 29,386 | -51,526 | 4,603E+008 | 8,663 |
| 1350,000 | -14,407 | 28,569 | -52,975 | 3,774E+008 | 8,577 |
| 1400,000 | -15,512 | 27,765 | -54,383 | 3,093E+008 | 8,490 |
| 1450,000 | -26,226 | 20,330 | -55,705 | 2,493E+008 | 8,397 |
| 1500,000 | -27,279 | 19,616 | -56,704 | 1,830E+008 | 8,262 |
Wnioski.
Otrzymany przez nas uzysk ołowiu wyniósł 98,1%, co stanowi naszym zdaniem znakomity wynik, świadczący o bezbłędnie przeprowadzonym doświadczeniu. Zauważamy tym samym, iż odzysk ołowiu ze zużytych akumulatorów jest bardzo wydajnym sposobem na recykling tego surowca.
Analizując wykresy możemy stwierdzić, że w przypadku reakcji PbSO4 + 4CO(g) = PbS + 4CO2(g) wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również entalpia swobodna reakcji, natomiast wartość log K wtedy maleje. Natomiast w przypadku wykresów dla dwóch pozostałych reakcji entalpia swobodna przyjmuje wartości malejące wraz ze wzrostem temperatury. Log K dla reakcji PbS+ Fe = Pb + FeS ma tendencję wzrostową, aż do temperatury ok. 1400 K gdzie zaczyna się delikatny spadek, zaś dla reakcji
PbSO4 + Na2CO3 + CO(g) = Pb + Na2SO4 + 2CO2(g) spada, gdy temperatura jest coraz wyższa.
Literatura:
[1]. Marian Kucharski: Recykling Metali Nieżelaznych