Лабораторная работа № 16
Очистка хромсодержащих сточных вод методом восстановления
Цель работы: изучение процесса очистки сточных вод методом окисления-восстановления.
Теоретическое обоснование
Реакции окисления-восстановления — это одновременное окисление одних компонентов и восстановление других. Для обезвреживания применяют наиболее распространенные окислители и восстановители:
- окислители — кислород или воздух, озон, хлор, гипохлорит, перманганат калия, причем окислительная способность перманганата зависит от величины кислотности раствора;
- восстановители — хлорит, сульфат железа(II), гидросульфат, оксид серы(IV), сероводород;
- пероксид водорода может быть и окислителем и восстановителем. В кислой среде более отчетливо выражена окислительная функция пероксида водорода, а в щелочной — восстановительная.
Окислительно-восстановительные реакции применяют для превращения токсичных веществ в безвредные, а также для извлечения ценных компонентов.
Методы восстановительной очистки вод применяют в тех случаях, когда сточные воды содержат легко восстанавливающиеся вещества. Эти методы широко используют для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка.
Метод очистки сточных вод от веществ, содержащих шестивалентный хром, основан на восстановлении его до трехвалентного с последующим осаждением в виде гидроксида в щелочной среде. В качестве восстановителей могут быть использованы натриевые соли сернистой кислоты — сульфит (\(\text{Na}_2\text{SO}_3\)), гидросульфит (\(\text{NaHSO}_3\)).
Максимальная скорость и полнота реакции восстановления \(\text{Cr(VI)}\) в \(\text{Cr(III)}\) солями сернистой кислоты достигается при \(\text{pH} = 2-2,5\). При обработке хромсодержащих сточных вод солями сернистой кислоты проходят следующие химические реакции:
\[\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 3\text{HSO}_3^{-} + 5\text{H}^{+} \rightarrow 2\text{Cr}^{3+} + 3\text{SO}_4^{2-} + 4\text{H}_2\text{O}\] \[\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 3\text{SO}_3^{2-} + 8\text{H}^{+} \rightarrow 2\text{Cr}^{3+} + 3\text{SO}_4^{2-} + 4\text{H}_2\text{O}\]В качестве реагентов восстановителей могут быть использованы также отходы металлического железа (стальная стружка, скрап и т.д.) и сульфат железа(II).
В первом случае подкисленные до \(\text{pH} = 2-2,5\) сточные воды фильтруют через находящийся в реакторе слой железной стружки. Во втором случае раствор сульфата двухвалентного железа вводят в реактор, в который поступают сточные воды. В отличие от солей сернистой кислоты восстановление \(\text{Cr(VI)}\) солями двухвалентного железа протекает с достаточно высокой скоростью не только в кислой, но и в нейтральной и в щелочной средах по реакциям:
\[\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 6\text{Fe}^{2+} + 14\text{H}^{+} \rightarrow 6\text{Fe}^{3+} + 2\text{Cr}^{3+} + 7\text{H}_2\text{O}\] \[\text{CrO}_4^{2-} + 3\text{Fe(OH)}_2 + 4\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Cr(OH)}_3 + 3\text{Fe(OH)}_3 + 2\text{OH}^{-}\]Для осаждения \(\text{Cr(OH)}_3\) оптимальная величина \(\text{pH}\) составляет 8,5-9,0. Гидроксид хрома (III) обладает амфотерными свойствами и при \(\text{pH} \ge 12\) растворяется в избытке едкой щелочи с образованием хромитов в соответствии с уравнением реакции:
\[\text{Cr(OH)}_3 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCrO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}\]Поэтому необходимо избегать избыточного дозирования щелочи при нейтрализации хромсодержащих сточных вод.
Оборудование и реактивы: бюретка, конические колбы для титрования на 100 и 250 мл; \(N\) – фенилантраниловая кислота; 0,25 н раствор соли Мора, растворы восстановителей \(\text{Na}_2\text{S}\), \(\text{Na}_2\text{SO}_3\), \(\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\).
Порядок выполнения работы
1. Для определения исходной концентрации хрома в коническую колбу объемом 100 мл прилить 10 мл сточной воды, добавить индикатор \(N\) – фенилантраниловую кислоту и оттитровать раствором соли Мора до появления травянисто-зеленой окраски.
2. В 5 колб объемом 250 мл прилить по 50 мл сточной воды, прибавить 5, 10, 15, 20, 25 мл восстановителя (раствор восстановителя выбирается исходя из индивидуального задания). В колбу на 100 мл отобрать 10 мл очищенной сточной воды, добавить индикатор и оттитровать раствором соли Мора до окраски, наблюдаемой при титровании исходной сточной воды. Аналогичным способом выполнить титрование каждой пробы очищенной воды при соответствующем добавлении восстановителя.
3. Рассчитать эффективность очистки (\(\%\)), используя формулу:
\[\eta = \frac{V_1 - V_2}{V_1} \cdot 100\]где \(V_1\) – объем раствора соли Мора, пошедшего на титрование исходной сточной воды, мл; \(V_2\) – объем раствора соли Мора, пошедшего на титрование очищенной сточной воды, мл.
4. По полученным значениям степени очистки построить график зависимости степени очистки сточной воды от объема добавляемых реагентов, оценить эффективность работы каждого из используемых веществ.
Пример выполнения работы (с придуманными значениями)
Выбор восстановителя: Для примера выберем сульфит натрия (\(\text{Na}_2\text{SO}_3\)).
1. Определение исходной концентрации хрома:
Объем сточной воды для титрования: 10 мл.
Объем раствора соли Мора, пошедшего на титрование исходной сточной воды (\(V_1\)): 12,5 мл.
2. Очистка сточной воды и титрование очищенных проб:
Объем сточной воды для очистки в каждой колбе: 50 мл.
Объем очищенной сточной воды для титрования: 10 мл.
Таблица результатов:
| Номер колбы | Объем восстановителя (\(\text{Na}_2\text{SO}_3\)), мл | Объем раствора соли Мора (\(V_2\)), мл | Эффективность очистки (\(\eta\)), % |
| 1 | 5 | 10,0 | \(\frac{12,5 - 10,0}{12,5} \cdot 100 = 20\%\) |
| 2 | 10 | 7,5 | \(\frac{12,5 - 7,5}{12,5} \cdot 100 = 40\%\) |
| 3 | 15 | 5,0 | \(\frac{12,5 - 5,0}{12,5} \cdot 100 = 60\%\) |
| 4 | 20 | 2,5 | \(\frac{12,5 - 2,5}{12,5} \cdot 100 = 80\%\) |
| 5 | 25 | 1,0 | \(\frac{12,5 - 1,0}{12,5} \cdot 100 = 92\%\) |
3. Расчет эффективности очистки:
Расчеты приведены в таблице выше.
4. Построение графика:
На основе полученных данных можно построить график зависимости эффективности очистки от объема добавленного восстановителя. По оси X откладываем объем восстановителя (мл), по оси Y – эффективность очистки (%).
(Для школьника: здесь нужно нарисовать график. По оси X: 5, 10, 15, 20, 25. По оси Y: 20, 40, 60, 80, 92. Точки соединить плавной линией.)
Оценка эффективности: Из графика видно, что с увеличением объема добавленного восстановителя эффективность очистки возрастает. Наибольшая эффективность (92%) достигается при добавлении 25 мл \(\text{Na}_2\text{SO}_3\).
Требования к отчету
В отчете привести краткое описание работы, результаты восстановления сточных вод, сделать вывод о целесообразности использования исследованных видов восстановителей.
Вывод:
В ходе лабораторной работы было изучено влияние объема восстановителя (сульфита натрия) на степень очистки хромсодержащих сточных вод. Установлено, что с увеличением дозы восстановителя эффективность очистки возрастает. При добавлении 25 мл сульфита натрия была достигнута максимальная эффективность очистки в 92%. Это подтверждает целесообразность использования восстановительных методов для удаления шестивалентного хрома из сточных вод. Для достижения высокой степени очистки необходимо подбирать оптимальную дозировку реагента.
Задания для самоподготовки
1. В каких случаях применяют методы реагентного восстановления?
Ответ: Методы реагентного восстановления применяют в тех случаях, когда сточные воды содержат легко восстанавливающиеся вещества. Эти методы широко используют для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка, а также для превращения токсичных веществ в безвредные и извлечения ценных компонентов.
2. Реагенты, применяемые для осаждения примесей сточных вод.
Ответ: Для осаждения примесей в сточных водах могут применяться различные реагенты, в зависимости от типа примесей. Например, для осаждения трехвалентного хрома после его восстановления используют щелочи (например, \(\text{NaOH}\), \(\text{Ca(OH)}_2\)) для создания оптимального \(\text{pH}\) (8,5-9,0), при котором \(\text{Cr(OH)}_3\) выпадает в осадок. Также могут использоваться коагулянты (например, соли алюминия или железа) для укрупнения частиц и их последующего осаждения.
3. Влияние \(\text{pH}\) на процесс осаждения примесей.
Ответ: \(\text{pH}\) среды оказывает существенное влияние на процесс осаждения примесей. Для каждого конкретного вещества существует оптимальный диапазон \(\text{pH}\), при котором его осаждение происходит наиболее полно и эффективно. Например, для осаждения гидроксида хрома (III) оптимальное значение \(\text{pH}\) составляет 8,5-9,0. При слишком низких значениях \(\text{pH}\) осаждение может быть неполным, а при слишком высоких (например, \(\text{pH} \ge 12\) для \(\text{Cr(OH)}_3\)) осадок может растворяться, образуя растворимые соединения (например, хромиты), что снижает эффективность очистки.
4. Умягчение воды, виды реагентов, применяемые для умягчения воды.
Ответ: Умягчение воды – это процесс удаления из воды ионов жесткости, главным образом ионов кальция (\(\text{Ca}^{2+}\)) и магния (\(\text{Mg}^{2+}\)). Эти ионы вызывают образование накипи и снижают эффективность использования воды. Виды реагентов, применяемые для умягчения воды:
- Известкование: используется известь (\(\text{Ca(OH)}_2\)) для осаждения ионов кальция и магния в виде карбонатов и гидроксидов.
- Содо-известкование: комбинация извести и соды (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)) для удаления как временной, так и постоянной жесткости.
- Фосфаты: например, триполифосфат натрия, которые связывают ионы жесткости в растворимые комплексы, предотвращая их осаждение.
- Ионообменные смолы: наиболее распространенный метод, при котором ионы жесткости обмениваются на ионы натрия, содержащиеся в смоле.
5. Достоинства и недостатки метода осаждения.
Ответ:
Достоинства метода осаждения:
- Высокая эффективность: позволяет достичь высокой степени удаления многих загрязняющих веществ, особенно тяжелых металлов.
- Относительная простота: технологически метод достаточно прост в реализации, не требует сложного оборудования по сравнению с некоторыми другими методами.
- Экономичность: часто используются недорогие и доступные реагенты.
- Универсальность: может применяться для очистки сточных вод различного состава.
Недостатки метода осаждения:
- Образование большого количества осадка: образуется значительное количество шлама, который требует дальнейшей утилизации или переработки, что может быть дорогостоящим и экологически проблематичным.
- Необходимость контроля \(\text{pH}\): для эффективного осаждения требуется точный контроль и регулирование \(\text{pH}\) среды, что усложняет процесс.
- Вторичное загрязнение: при неправильном дозировании реагентов или неполном осаждении возможно вторичное загрязнение воды остаточными реагентами или растворимыми формами осажденных веществ.
- Неэффективность для некоторых веществ: не все загрязняющие вещества могут быть эффективно удалены методом осаждения (например, некоторые органические соединения).