Zarządzanie Środowiskiem Pracownia Powstawanie i utylizacja odpadów oraz zanieczyszczeń INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA nr 25 Depolimeryzacja polimerów naturalnych i syntetycznych Opracowała dr Hanna Wilczura-Wachnik Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii Zakład Dydaktyczny Technologii Chemicznej
Tworzywa sztuczne obecne w naszym Ŝyciu codziennym są uŝyteczne, ale mogą być takŝe źródłem zagroŝeń dla szeroko rozumianego środowiska naturalnego. Po spełnieniu swojej funkcji uŝytkowej zwykle trafiają na wysypiska odpadów. PoniewaŜ w ogromnej większości nie ulegają biodegradacji, stanowią coraz powaŝniejszy problem szczególnie na obszarach o wysokim wskaźniku zurbanizowania. W dalszym ciągu najpowszechniej stosowaną metodą utylizacji tworzyw sztucznych jest spalanie. Proces spalania pozwala z jednej strony pozbyć się znacznych ilości odpadków z wysypisk śmieci z drugiej jednak strony stanowi powaŝne zagroŝenie dla środowiska naturalnego ze względu na substancje toksyczne emitowane do otoczenia podczas jego przebiegu. Do najbardziej niebezpiecznych pod względem toksyczności produktów spalania i rozkładu róŝnych tworzyw sztucznych naleŝą: CO, HCN, HCl, NO x oraz CO 2. Inne produkty wydzielające się podczas spalania tworzyw sztucznych to na przykład: fosgen, HBr, nitrozwiązki, nienasycone związki organiczne, chlorowcopochodne organiczne, alkohole, aldehydy. Mają one silne własności toksyczne jednak ich udział procentowy w produktach spalania tworzyw sztucznych jest niewielki i dlatego nie są zaliczane do podstawowych produktów termicznego rozkładu i spalania tego typu materiałów. Alternatywą dla utylizacji odpadów z tworzyw sztucznych przez spalanie lub zatłaczanie jest powtórny przerób tzw. recykling tworzyw sztucznych oraz depolimeryzacja. Recykling od szeregu lat proponuje się jako efektywny sposób zapobiegania zbytniemu gromadzeniu tego typu odpadów na wysypiskach. Metoda ta, nie stała się dotychczas powszechną zapewne z powodu kłopotliwego w realizacji selekcjonowania zuŝytych wyrobów z tworzyw sztucznych. Poza recyklingiem istotne znaczenie w zagospodarowywaniu odpadów z tworzyw sztucznych ma depolimeryzacja (termiczna lub chemiczna). W wyniku proces depolimeryzacji odzyskuje się monomery. Zatem jest to proces odwrotny do reakcji polimeryzacji. Jego zaletą jest pozyskiwanie dodatkowych ilości surowców wyjściowych (monomerów) dla kolejnych polimeryzacji a następnie dodatkowych surowców w procesach wytwarzania tworzyw sztucznych i ostatecznie finalnych wyrobów uŝytkowych. 2
Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie chemicznej depolimeryzacji wybranych próbek polimerów syntetycznych i/lub naturalnych. Opis aparatury Rysunek 1 przedstawia schemat aparatury do pomiaru lepkości względnej przy uŝyciu lepkościomierza Ubbelohde. Układ składa się termostatu (akwarium wypełnione woda destylowana)(1), wiskozymetru Ubbelohde (2), termometru rtęciowego (3), termometru kontaktowego (4), mieszadła (5), chłodnicy palcowej (6), grzałki kwarcowej (7), układ zasilający grzałkę (8). Rysunek 1. Schemat aparatury Pomiar lepkości cieczy wykonuje się w warunkach stałej temperatury, którą zapewnia układ termostatujący: termometr kontaktowy (4) sterujący układem przekaźnika (8) zasilającym grzałkę kwarcową (7). Temperaturę 3
pomiaru ustawia się na termometrze kontaktowym. Chłodnica palcowa (6) wspomaga układ termostatujący w utrzymaniu zadanej temperatury. Mieszadło (5) mieszając wodę w termostacie równomiernie rozprowadza ciepło w układzie (nie występują gradienty temperatury). Termometr (3) słuŝy do pomiaru temperatury w układzie (zakłada się, Ŝe temperatura ta jest równa temperaturze cieczy wypełniającej wiskozymetr (2). Wiskozymetr Ubbelohde a (rysunek 2) składa się on z trzech rurek, łączących się w zbiorniku C. Rurka (1) w swojej dolnej części ma wbudowany zbiorniczek B, na którym zaznaczone są dwie kreski określające poziom, do jakiego naleŝy wypełnić wiskozymetr badaną cieczą. Rurka (3) składa się ze zbiorniczka A i kapilary z zaznaczonymi poziomami a 1 i a 2. Pomiar lepkości polega na zmierzeniu czasu przepływu cieczy między poziomami: a 1 i a 2. Aby wykonać pomiar wiskozymetr naleŝy napełnić badaną cieczą tak, aby poziom cieczy w zbiorniki B mieścił się pomiędzy zaznaczonymi kreskami na rurce (1). Następnie, rurkę (2) naleŝy zamknąć palcem i pompką podłączoną do rurki (3) zassać ciecz powyŝej poziomu a 1. Następną czynnością jest odłączenie pompki i zdjęcie palca z rurki (2). Otwarcie rurki (2) powoduje przerwanie słupa cieczy na poziomie b i zapewnienie powtarzalnej wysokości słupa cieczy h w kaŝdym pomiarze niezaleŝnie od objętości cieczy wprowadzonej do wiskozymetru. W konsekwencji rurka (2) połączona ze zbiornikiem C powoduje utrzymanie stałego ciśnienia hydrostatycznego cieczy w wiskozymetrze podczas pomiaru czasu przepływu objętości cieczy w zbiorniczku A między poziomami a 1 i a 2. Rysunek 2. Wiskozymetr Ubbelohde a 4
Wykonanie ćwiczenia Przed przystąpieniem do pomiaru lepkości roztworów polimerów naleŝy wyznaczyć ich gęstości przy uŝyciu piknometru. Instrukcja pomiaru znajduje się przy zestawie ćwiczeniowym. Pomiar lepkości względnej wiskozymetrem Ubbelohde a polega na zmierzeniu kolejno czasu wypływu rozpuszczalnika i roztworu polimeru. Temperaturę pomiaru podaje prowadzący ćwiczenie. Kolejność czynności przy pomiarze lepkości jest następująca: 1. Uruchomić termostatowanie: ustawić zadaną temperaturę na termometrze kontaktowym i włączyć mieszadło (w razie potrzeby włączyć przepływ wody chłodzącej). 2. Przepłukać wiskozymetr rozpuszczalnikiem, napełnić go rozpuszczalnikiem a następnie umieścić w termostacie na 10 minut. 3. Zmierzyć czas t o przepływu rozpuszczalnika między poziomami a 1 i a 2 zbiornika A przy pomocy stopera. Pomiar czasu przepływu powtórzyć 5-cio krotnie (do obliczeń stosować wartość średnią). 4. Wyjąć wiskozymetr z termostatu, wylać rozpuszczalnik, przepłukać roztworem polimeru, napełnić wiskozymetr badanym roztworem i umieścić w termostacie. Czas termostatowania powinien być taki sam jak w przypadku pomiaru dla rozpuszczalnika. Zmierzyć czas t przepływu roztworu w taki sam sposób jak w przypadku rozpuszczalnika. 5. Do roztworu polimeru dodać kwasu L-askorbinowego (lub innego oksy-reduktora) w ilości uzgodnionej z prowadzącym ćwiczenie i dokładnie wymieszać. 6. Napełnić wiskozymetr roztworem polimeru z dodatkiem kwasu L- askorbinowego i termostatować 10 minut. 7. Zmierzyć czas przepływu roztworu t po kolejnych 5, 10, 15 i 30. 8. Wykonać pomiary dla kolejnych roztworów polimerów powtarzając czynności 4 7. 9. Po wykonaniu wszystkich pomiarów wiskozymetr dokładnie przepłukać rozpuszczalnikiem. 10. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli arkusza wyników. 5
Opracowanie wyników pomiarów Tabela wyników pomiarów Czas przepływu rozpuszczalnika t 0 [s] rozpuszczalnik Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 Pomiar 4 Pomiar 5 wartość średnia Roztwór polimeru Czas przepływu roztworu t [s] Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 Pomiar 4 Pomiar 5 wartość średnia Roztwór polimeru + kwas L-askorbinowy Pomiar po 5 Pomiar po 10 Pomiar po 15 Pomiar po 30 Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 Pomiar 4 Pomiar 5 wartość średnia I. Obliczyć lepkość względną η wzgl badanych roztworów korzystając z równania: η wzgl ρ t = ρ 0 t 0 gdzie: ρ 0 [g/cm 3 ] gęstość rozpuszczalnika; ρ [g/cm 3 ] gęstość roztworu polimeru; t 0 [s] średni czas przepływu rozpuszczalnika; t [s] średni czas przepływu roztworu II. Wykreślić zaleŝność η wzgl = f(t) i zinterpretować. 6
Sprawozdanie z ćwiczenia naleŝy wykonać zgodnie poniŝszym wzorem: Sprawozdanie z ćwiczenia nr Asystent prowadzący ćwiczenie Data wykonania ćwiczenia Data oddania sprawozdania Wykonujący ćwiczenie: Tytuł ćwiczenia: 1. Cel ćwiczenia. 2. Przestudiowana literatura. 3. Teoretyczne podstawy eksperymentu. 4. Opis eksperymentu i wykonywanych czynności (w tym szkic zestawu eksperymentalnego, aparatury i spis chemikaliów). 5. Obserwacje i wyniki pomiarów. 6. Opracowanie wyników: równania reakcji, rachunkowe opracowanie otrzymanych wyników, źródła błędów. 7. Dyskusja otrzymanych wyników. 8. Wnioski (min. Czy cel ćwiczenia został osiągnięty). 7