Тахничка школа у Бору

Београдска 10, Бор

Матурски рад из предмета

Прерада и одлагање отпадних вода

ЕФИКАСНОСТ УКЛАЊАЊА ЦИНКА ИЗ

ОТПАДНИХ ВОДА ТАЛОЖЕЊЕМ НАТРИЈУМ

ХИДРОКСИДОМ И НАТРИЈУМ КАРБОНАТОМ

Ментор: Ученик:

Славољуб Костић, проф Кристијан Неграновић, IV-2

Бор, јун 2015. год.

С А Д Р Ж А ЈСтрана

1. Увод 3

2. ЦИЉ РАДА 4

3. тЕОРИЈСКИ ПРИСТУП РАДУ 5

3.1. Хемијско таложење (преципитација)...........................................................................5

4. Експериментална мерења и дискусија резултата рада 8

4.1. Припрема раствора ZnSO4..............................................................................................84.2. Припрема раствора натријум хидроксида...................................................................84.3. Припрема раствора натријум карбоната......................................................................94.4. Примењене технике рада при уклањању бакра из симулираних отпадних вода таложењем натријум хидроксидом и натријум карбонатом.............................................94.5. Дискусија утицаја употребљене дозе натријум хидроксида и натријум карбоната и промене рН на ефикасност таложења...........................................................................14

5. Закључак 18

6. Литература 19

2

УВОД

Цинк: (Zn, латински- zincum) је метал из групе IIB. Има 23 изотопа чије се атомске масе налазе између 57 и 78, од којих су постојани 64, 66, 67, 68 и 70.Откривен је у Индији или Кини пре 1500. п. н. е. У Европу је донесен тек у 17. веку. Метални цинк је блештаво бео, крхак метал. На ваздуху подлеже оксидацији слично алуминијуму, али га слој оксида штити од даље корозије. Цинк је врло реактиван, како у киселој, тако и у базној средини. Најпознатије једињење цинка је његов оксид ZnO, који се користи као додатак за боје и лакове. Цинк је један од микроелемената и налази се у многим ензимима. Између осталог има удела и у минерализацији костију, синтези беланчевина, зарастању рана, утиче на рад имунолошког система, правилну расподелу инсулина и штедњу холестерола и витамина А. Има удела и у регулацији крвног притиска и срчаног ритма.Одрасле особе дневно треба да га уносе у организам најмање 5 милиграма, а препоручује се око 15-20 милиграма. Недостатак цинка узрокује: малокрвност, успоравање темпа раста, споро зарастање рана, запаљења коже. Недостатак цинка код деце изазива нижи раст и спорији умни развој. Цинк делује као лек за болести желуца, реуматизам, кожне болести Систематско узимање неких лекова и алкохола утиче на смањење количине цинка у човековом организму. Соли цинк (II) изазивају рак уколико се уносе у великим количинама.Од многих примена цинка, издвајамо следеће:

Превлачење лима у циљу заштите од корозије Као састојак многих легура, посебно са бакром За електричне пећи За запрашивање биљних култура у баштама, јер има инсектицидно

дејство.

2. ЦИЉ РАДА

Одређивање ефикасности уклањања цинка таложењем у зависности од рН (дозе NaOH i Na2CO3) отпадне воде.

4

3. ТЕОРИЈСКИ ПРИСТУП РАДУ

3.1. Хемијско таложење (преципитација)

Метода хемијског таложења заснива се на превођењу растворених материја отпадних вода са погодним реагенсима у нерастворена једињења, која се затим уклањају таложењем или флотацијом ( уколико се ради о већим концентрацијама) или филтрацијом ( у случају малих концентрација). Метода је погодна за уклањање растворених материја из отпадних вода, које се, због агресивности или токсичности или неразградивости материја које садрже, тешко могу или их је немогуће биолошки пречистити. Уклањање тешких метала је карактеристична примена хемијског таложења као и таложења фосфата. Тешки метали (М) се преводе у нерастворне хидроксиде са калцијумхидроксидом (кречом) или натријумхидроксидом. На пример:

М2+ + Са(ОН)2 --> M(OH)2 + Ca2+..............3.1.1.Ефикасност пречишћавања је задовољавајућа: преостала концентрација

тешких метала је обично мања од 1,0 mg/l, у неким случајевима мања и од 0,1 mg/l. Ефикасност пречишћавања зависи у првом реду од pH, пошто је већина хидроксида метала амфотерна. У случају да отпадне вода садржи тешке метале чији хидроксиди имају најмању растворљивост на различитим pH, уклањање хемијским таложењем мора се извести вишестепени поступак. У сваком степену се мора обезбедити оптимални pH. Међутим, вишестепени рад се ретко примењује јер је апаратура много сложенија и поступак скупљи. Тешки метали се могу ефикасније исталожити као сулфиди, чија је растворљивост далеко мања од хидроксида и нису амфотерни као хидриксиди. За превођење метала у сулфиде користе се растворни сулфиди, обично натријумсулфид или натријумбисулфат, или слабо растворниб сулфиди, најчешће феросулфиди. На пример:

М2+ + FeS --> MS + Fe2+..............3.1.2.

Озбиљни недостаци поступка таложења тешких метала сулфидима су настајање токсичног гасовитог водониксулфида и висак сулфида ( неопходан да би реакција таложења текла квантитативно) у пречишћеној одпадној води који такође морају да се уклањају, нарочито када се за то таложење користе растворљиви сулфиди. Ови недостаци могу се у великој мери компензовати воћењем поступка на pH преко 8 и прецизном контролим додавања сулфида. Поједини тешки метали ( кадмијум, олово, бакар) се из отпадне воде могу уклонити као карбонати, са ефикасношћу пречишћавања равној ефикасности таложења са хидроксидима. За таложење се користи обично натријумкарбонат.

М2+ + Na2CO3 --> MCO3 + 2Na+..............3.1.3. Предност таложења са карбонатом је рад на нижим pH, тако да није потребна каснија неутрализација пречишћене отпадне воде ( за таложење кадмијума и олова као хидроксида потребан је pH преко 10, а као карбонат pH 7,5 до 8,5).

5

Метали растворени у отпадној води могу се исталожити са натријумборхидридом као елементарни метали:

4М2+ + NaBH4 + 2 H2O --> NaBO2 + 4M + 8H+..............3.1.4.4M2+ + NaBO4 + 8OH --> NaBO2 + 4M + 6H2O..............3.1.5.

Ефикасност таложења се одвија у опсегу pH од 8 до 11, а оптимални pH се одређује експериментално. Овај поступак је погодан за рециклирање метала из отпадних вода.

Ефикасност хемијског таложења тешких метала зависиће и од тога да ли у отпадним видама има материја које ометају таложење, на пример цијанид и амонијак. Такаве материје се морају уклонити предходнимк пречишћавањем отпадних вода.

Хемијским таложењем се такође врши и уклањање фосфата из отпадних вода и то у оквиру примарниг или секундарног пречишћавања или као посебан степен након секундарног пречишћавања.

Фосфор из отпадних вода се уз азот, сматра главним узрочником еутрофизације водотокова и акомулација у које се отпадне воде испуштају. Фосфор се мора уклонити и у случајевима када је азот уклоњен, јер сваки вишак фосфора може да подстакне раст плаво-зелених алги које имају способност усвајања азота директно из ваздуха, тако да се њиховим угинућем и распадом ослобађајуи асимилабилне форме азота које поспешују еутрофизацију.

Уклањање фосфора хемијским таложењем се врши помоћу креча, алуминијумсулфата, феро и фери сулфата. Додатком креча (Са( ОH)2) у отпадну воду која садржи растворљиве фосфате настају тешко растворни фосфати калцијума и то најчешће: 3HPO4 + 5Ca2+ + 4 OH --> Ca5OH(PO4)3 + 3H2O..............3.1.6.

Растворљивост насталог хидриксиапатита зависи од pH и због тога се успешно таложење фосфора може постићи једино при pH вредностима већим од 9. Фосфати се оваквим третманом своде на 1 mg/l у пречишћеној отпадној води. Дозу креча за таложење фосфата из воде може знатно да увећа карбонатна тврдоћа (настају СаСО3 и МgCO3).

Када се отпадној води која садржи фосфате додају соли алуминијума или гвожђа као што су Аl2(SO4)3, FeSO4, FeCl3, стварају се врло тешко растворни фосфати алуминијума или гвожђа, који се обично уклањају таложењем. Уз висак таложних соли: од 50 до 150% у односу на стехиометријске количине постиже се велика ефикасност уклањања фосфата, преко 90%, и осигурава се да преостала концентрација фосфата у пречишћеној водибуде мања од 1 mg/l.

Fe3++ PO43- --> FePO4 ..............3.1.7.

Паралелно са овим тече реакција:Fe3+ + 3H2O --> Fe(OH)3 + 3H+..............3.1.8.

Из једначина које теку паралелно, следи да је при таложењу фосфата потребно додати вишак гвожђа да би се компензовао утрошак изазван његовом хидролизом. Таложење фосфата хидратисанима Al2(SO4)3 се врши по следећим хемизмом:

6

Al2(SO4)3- 18H2O + 2 PO43---> 2AlPO4

3- + 3SO42- + 18H2O..............3.1.9.

Дозе таложених соли су у општем случају у опсегу 1-3 рачунато као јон метала према фосфору, а у пракси се одређују посебно за сваки случај у лабораторији експериментом. Оптималне pH вредности су за: Fe3+ 5-5,5; a Al3+ 6. Централни део за извођење хемијског таложења је реактор или базен са мешалицом у коме се доводе у контакт одпадне воде и средства за таложење. Постројење је опремљено отговарајућим пумпама за дозирање средства за таложење, као и судовима за припрему тих средстава. Предходно се морају дефинисати параметри процеса: доза средстава за таложење, оптимални pH, таложне карактеристике насталих суспендованих честица, доза коагуланта и флокуланта, преостала концентрација тешких метала и фосфата. Ова испитивања се врше у лабораторији на бази ''џaр тест''- a.

У овом раду су коришћена два таложна реагенса: натријум хидроксид и натријум карбонат.Хемизам таложења цинка са NaOH и Na2CO3 приказује се следећим реакцијама:

ZnSO4 + 2NaOH → Zn(OH)2 + Na2SO4...............3.1.10.

ZnSO4 + Na2CO3 → ZnCO3 + Na2SO4...............3.1.11.

7

4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА МЕРЕЊА И ДИСКУСИЈА РЕЗУЛТАТА РАДА

4.1. Припрема раствора ZnSO4

За припрему 0,01М раствора коришћен је цинк сулфат следећих карактеристика:Произвођач: КемикаМолекулска формула: ZnSO4 x 7H2O Мол. маса: 287,54g/molЦинков сулфатЗагреб Кемика ЈугославијаСадржај ZnSO4 x 7H2O: 99,5%

Припрема раствора је вршена по следећој процедури:Потребна маса олово нитрата, коју треба одмерити за израду 1 литра 0,01М раствора се израчунава на следећи начин:

М(Pb(NO3)2)= 161.47 g/molC=0.01mol/dm3

m (ZnSo4)=VxCx М(ZnSo4)=1.0dm3x0.01mol/dm3x 161.47 g/molm (ZnSO4)=16.147 gОдмерено је 16,147 грама чистог олово нитрата, пребачено у чашу,

додато око 100 милилитара дестиловане воде, а након растварања пажљиво пребачено у нормални суд запремине 1 литар. Додата је дестилована вода до црте, раствор је хомогенизован и на тај начин припремљен за потребе експеримента.

4.2. Припрема раствора натријум хидроксида У овом експерименталном раду коришћен је натријум хидроксид следећих карактериситка:Произвођач: ЦЕНТРОХЕМ д.о.о Вука Караџића бб 22300 Стара ПазоваНазив: НАТРИЈУМ ХИДРОКСИДМолекулска формула: NaOH Моларна маса Мр: 40,00 g/molКвалитет: п.а. > 98% Број анализе – Серија 166/01/12

Припрема раствора је вршена по следећој прцедури:Потребна маса натријум хидроксида, коју треба одмерити за израду 100 милилитара 1М раствора се израчунава на следећи начин:

М(NaOH)=40.00 g/molC=1mol/dm3

m (NaOH)=VxCx М(NaOH)=0.1dm3x1mol/dm3x40.00 g/molm (NaOH)=4.0000g

8

Дакле, одмерено је 4 грама чистог натријум хидроксида, пребачено у чашу, додато око 50 милилитара дестиловане воде, а након растварања пажљиво пребачено у нормални суд запремине 100 милилитара. Додата је дестилована вода до црте, раствор је хомогенизован и на тај начин припремљен за потребе експеримента.

4.3. Припрема раствора натријум карбоната У овом експерименталном раду коришћен је натријум карбонат анхидровани следећих карактериситка:Произвођач: ЦЕНТРОХЕМ д.о.о Вука Караџића бб 22300 Стара ПазоваНазив: НАТРИЈУМ КАРБОНАТ анхидрованМолекулска формула: Na2CO3 Моларна маса Мр: 105,99g/mol SODIUM CARBONATE anhydrousFine i spacialty chemicalsКвалитет:п.а.Припрема раствора је вршена по следећој прцедури: Потребна маса натријум карбоната, коју треба одмерити за израду 100 милилитара 1М раствора се израчунава на следећи начин:

М(Na2CO3)=105.99 g/molC=1mol/dm3

m (Na2CO3)=VxCx М(Na2CO3)=0.1dm3x1mol/dm3x105.99 g/molm (Na2CO3)=10.5990gДакле, одмерено је 10.5990 грама чистог натријум карбоната, пребачено

у чашу, додато око 50 милилитара дестиловане воде, а након растварања пажљиво пребачено у нормални суд запремине 100 милилитара. Додата је дестилована вода до црте, раствор је хомогенизован и на тај начин припремљен за потребе експеримента.

4.4. Примењене технике рада при уклањању бакра из симулираних отпадних вода таложењем натријум хидроксидом и натријум карбонатом

Принцип рада: У водени раствор ZnSO4 у растућим дозама додају се NaOH i Na2CO3 уз потпуно мешање. За сваку дозу се мери рН-раствора и прати ефикасност таложења Zn2+ јона. Оцена ефикасности (од 1 до 5) се врши на основу величине талога, брзине таложења, компактности и крупноће честица талога, мутноће раствора итд.

Параметри који утичу на ефикасност таложења цинка су: доза NaOH и Na2CO3;

pH отпадне воде (воденог раствора);

мешање приликом дозирања;

време реакције.

9

Задатак: 1. На бази експеримента оценити ефикасност таложења цинка NaOH и

Na2CO3.

2. Одредити оптималну рН вредност за таложење цинка NaOH и Na2CO3.

3. Извршити оптимални избор средстава (NaOH и Na2CO3) и дозе за таложење цинка.

4. На основу експериментом добијених ефикасности (Е%) и измерених рН-вредности одредити графички зависност ефикасности пречишћавања заложења Zn2+ (ордината) од рН вредности (апсциса).

5. Објаснити, на основу добијеног графика, у виду закључака значај и суштину оптималне рН вредности у пречишћавању цинка из отпадних вода процесом таложења.

Апаратура и реактиви: чаше, V=250cm3;

мензура, V=100cm3;

пипете;

магнетна мешалица

рН-метар;

0,01mol/dm3 раствор ZnSO4

1mol/dm3 раствор NaOH

1mol/dm3 раствор Na2CO3

Опрема и контролисани параметри при извођењу огледа:За потребе рада коришћена је следећа опрема:

- Магнетна мешалица AMTAST Basic (слика 4.3.1.)- рН метар 3110 set 2 (слика 4.3.2.)

У току експерименталног рада контролисани су дледећи параметри:- температура реактива (21-22оС)- број обртаја магнетног мешача 500rpm- тачност мерења рН на рН метру је подешена на две децимале

Поступак: У две серије од 5 чаша (укупно 10 чаша) V=250cm3 сипати супстанце према табелама (4.4.1.) и (4.4.1.). Раствор ZnSO4 (С=0,01mol/dm3 ) представља симулирану отпадну воду, којој се додаје раствор NaOH и Na2CO3 (С=1mol/dm3 ) у растућим дозама. Затим се раствор интензивно меша на магнетној мешалици цукцесивно садржаје сваке чаше по 10 минута. Време реакције је 15 до 20 минута. У току наведеног времена реакције посматрати брзину таложења цинка по чашама у зависности од средстава и дозе за таложења.

10

Опрема и контролисани параметри при извођењу огледа:За потребе рада коришћена је следећа опрема:

- Магнетна мешалица AMTAST Basic (слика 4.3.1.)- рН метар 3110 set 2 (слика 4.3.2.)

У току експерименталног рада контролисани су дледећи параметри:- температура реактива (21-22оС)- број обртаја магнетног мешача 500rpm- тачност мерења рН на рН метру је подешена на две децимале

Слика 4.4.1. Магнетна мешалица типа AMTAST Basic која је коришћена у експерименталном раду

Слика 4.4.1. рН метар типа 3110 set 2 који је коришћен у експерименталном раду за мерење рН вредности

Табела 4.4.1. Редослед додавања и количина за извођење процеса таложења цинка из водених раствора натријум хлоридом

Раствор (cm3)

Чаша1

Чаша2

Чаша3

Чаша4

Чаша5

ZnSO4 100 100 100 100 100NaOH 1 1,5 2 2,5 3

11

Табела 4.4.2. Редослед додавања и количина супстанци за извођење процеса таложења цинка из водених раствора натријум хидроксидом

Раствор (cm3)

Чаша1

Чаша2

Чаша3

Чаша4

Чаша5

ZnSO4 100 100 100 100 100 Na2CO3 0,5 1 1,5 2 2,5

Након 15 до 20 минута колико је било потребно да се издвоје талози Zn(OH)2 и ZnCO3 приступа се оцени ефикасности таложења. Оцена ефикасности се врши на бази величине талога, компакности и крупноће честица талога, мутноће раствора након таложења итд. Оцена ефикасности таложења се врши од 1 до 5 по следећој скали:

1. Мали талог, ситне честице талога и мутан раствор (најмања ефикасност).

2. Већи талог, веће честице талога и слабије мутан раствор (већа ефикасност у односу на 1. и мања у односу на 3.).

3. Значајно већи талог, значајно веће честице талога и бистар раствор (већа ефикасност у односу на 2. и мања у односу на 4.).

4. Велики талог, крупне честице талога и бистар раствор (већа ефикасност у односу на 3. и мања у односу на 5.).

5. Највећи талог, највеће честице талога и бистар раствор (највећа ефикасност).

Критеријуми за оптимални избор средстава (NaOH и Na2CO3) за таложење цинка су:

ефикасност пречишћавања,

мањи утрошак за исту или бољу ефикасност пречишћавања,

ефикасност таложења у опсегу рН вредности од 6,5 до 8,5, што је еколошки прихватљиво за испуштање отпадних вода у све врсте реципијената и не захтева додатни утрошак хемикалија за корекцију рН.

Табела 4.4.3. Оцена ефкасности таложења цинка NaOH у зависности од измерене рН вредности

Чаша1

Чаша2

Чаша3

Чаша4

Чаша5

Е 1 2 4 5 4рН 6,86 7,61 11,43 11,71 11,80

12

Слика 4.4.3. Визуелни приказ ефикасности таложења натријум хидроксидом

Табела 4.4.4. Оцена ефкасности таложења цинка Na2CO3 у зависности од измерене рН вредности

Чаша1

Чаша2

Чаша3

Чаша4

Чаша5

Е 1 2 3 3 3рН 5,56 5,25 5,24 6,24 6,30

Слика 4.4.3. Визуелни приказ ефикасности таложења натријум

хидроксидом

13

4.5. Дискусија утицаја употребљене дозе натријум хидроксида и натријум карбоната и промене рН на ефикасност таложења

Слика 4.5.1. Графички приказ ефикасности (визуелна процена) третираног раствора цинк сулфата 1М раствором натријум хидроксида у зависности од дозе 1М раствора натријум хидроксида

Слика 4.5.2. Графички приказ ефикасности (визуелна процена) третираног раствора цинк сулфата 1М раствором натријум хидроксида у зависности од рН третираног раствора

14

Слика 4.5.3. Графички приказ промене рН третираног раствора цинк сулфата 1М раствором натријум хидроксида од дозе 1М раствора натријум хидроксида

Са графика 4.5.1., 4.5.2. 4.5.3. видимо да је највећа ефикасност натријум хидроксида као таложног агенса при дози од 2,5. милилитара, али да за задње три тачке на графицима имамо знатан пораст рН вредности који је изнад еколошки прихватљиве границе. Постоји нагли скок рН вредности између дозе од 1,5 и дозе од 2 милилитра једномоларног раствора натријум хидроксида са 7,61 на 11,43.

Слика 4.5.4. Графички приказ ефикасности (визуелна процена) третираног раствора цинк сулфата 1М раствором натријум карбоната у зависности од дозе 1М раствора натријум карбоната

15

Слика 4.5. 5. Графички приказ ефикасности (визуелна процена) третираног раствора цинк сулфата 1М раствором натријум карбоната у зависности од рН третираног раствора

Са слика 4.5.4. и 4.5.5. видимо да је ефикасност са натријум карбонатом као

таложним реагенсом релативно слабија и да ниједна доза натријум карбоната

не даје максималну ефикасност.

Слика 4.5.6. Графички приказ промене рН третираног раствора цинк сулфата 1М раствором натријум карбоната од дозе 1М раствора натријум карбоната

Са слике 4.5.6. видимо да је промена рН много блажа него што је то случај са натријум хидроксидом.

16

Са графика 4.5.4., 4.5.5. и 4.5.6. видимо да оцене ефикасности таложења нису, ни за једну дозу натријум карбоната, прешле оцену 3. Са дуге стране пак, рН вредности се крећу у еколошки прихватљивом опсегу и то важи за све дозе једномоларног раствора натријум карбоната. Постојимали скок рН између доза 1,5 и 3 милилитра раствора натријум карбоната, али он ни изблиза није толико велики као код раствора натријум хидроксида као таложним средством

17

5. ЗАКЉУЧАК

На основу изведених испитивања и обрађених резултата можемо закључити следеће:

- И натријум хидроксид и натријум карбонат се могу у користити као таложна средства за пречишћавање отпадне воде која садржи јоне цинка.

- Натријум хидроксид даје за одређену дозу (2,5 милилитра) даје идеалан талог али рН није у еколошки прихватљивом опсегу те захтева додатну корекцију рН која би поскупела поступак.

- Доза од 1,5 милилитра натријум хидроксида је у еколошки прихватлљивом опсегу, али осена квалитета таложења је 2 што значи да квалитет талога није задовољавајући и да је раствор изнад талога мутан. То значи да би у процес уклањања цинка морали да уведемо додатне операције нпр. филтрирања или да драстично продужимо време таложења што знатно поскупљује процес и умањује капацитет постројења.

- Натрујум карбонат је нешто неефикасније средство за уклањање цинка из отпадне воде јер ни једна од наведених доза не даје талог и расвор иделаних карактериситка, али се може користи као таложни рагенс јер постоје дозе у тачкама 4. и 5. (односе се на дозе од 2 и 2,5 милилитра) која даје ефикасност 3 а рН раствора је 6.24 и 6.30 што је у еколошки дозвољеном опсегу. Ниједна од доза раствора натријум карбоната не излази из еколошки дозвољеног опсега.

- Ако брзина формирања талога у раствору није од важности за процес пречишћавања и уколико је цена коштања таложног реагенса одлучујући фактор, може се користити јефтинији реагенс. Уколико то није случај, потребно је експериментисати са већим дозама раствора натријум карбоната или користити натријум хидроксид као таложно средство уз обавезну корекцију рН вредности неким од поступака неутрализације.

18

6. ЛИТЕРАТУРА

1. Јосип Барас; ''Прерада и одлагање отпадних вода''; Завод за уџбенике

Београд;

2. Заштита вода – практикум први део; Факултет заштите на раду у Нишу

3. Јосип Барас, Нада Петровић; ''Загађивање и заштита вода; Завод за

уџбенике Београд;

19

Датум предаје: ______________

Комисија:

Председник _______________

Испитивач _______________

Члан _______________

Коментар:

Датум одбране: _____________ Оцена__________ (___)

20