POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TECHNOLOGII NIEORGANICZNEJ I NAWOZÓW MINERALNYCH Ćwiczenie nr 6 Adam Pawełczyk Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych USUWANIE SUBSTANCJI POŻYWKOWYCH ZE ŚCIEKÓW PRZEMYSŁOWYCH 6 WROCŁAW 2009 www.adampawelczyk.com/13.pdf
2 1. INFORMACJE WSTĘPNE W produkcji przemysłowej i rolniczej powstają ścieki zawierające często składniki odżywcze, które przedostając się do wód powierzchniowych i gruntowych wywołują negatywne skutki w środowisku (np. eutrofizację wód). Ścieki takie powinny być poddane procesom oczyszczania, co zapobiega degradacji środowiska, a równocześnie stwarza możliwości racjonalnego wykorzystania zawartych w nich substancji pożywkowych. Do usuwania zanieczyszczeń ze ścieków najczęściej stosuje się metody odwróconej osmozy, elektrodializę, odpędzanie, metody strąceniowe, procesy redukcji chemicznej i elektrochemicznej, procesy wymiany jonowej oraz procesy biologiczne. Przedmiotem ćwiczenia jest metoda usuwania substancji pożywkowych ze ścieków przy użyciu procesów wymiany jonowej z zastosowaniem zeolitów naturalnych. Zeolity są to uwodnione glinokrzemiany szkieletowe Na, Ca, Ba, Sr, K, Mn, Mg, w których w wolnych kanałach strukturalnych występują cząsteczki H 2 O (tzw. woda zeolitowa) oraz kationy jedno lub dwuwartościowe. Zeolity zbudowane są z obojętnej makrocząsteczki oraz grup jonoczynnych, zawierających jony ruchliwe, wymieniane z jonami obecnymi w roztworze. Jonity nieorganiczne naturalne, wykazują stosunkowo małą pojemność sorpcyjną, dlatego są rzadziej stosowane w praktyce niż organiczne. Przykładami takiego typu wymieniaczy jonowych są uwodnione glinokrzemiany potasowe lub sodowe, dolomit, silikażel, krzemiany metali ciężkich, zeolity, tlenki metali (np. Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ), które w zależności od ph roztworu wymieniają aniony lub kationy. Proces wymiany jonowej następuje między fazą stałą wymieniacza jonowego a fazą ciekłą, czyli roztworem wodnym elektrolitu, a jego skuteczność zależy od wielu czynników takich jak morfologia zeolitów, ich właściwości sorpcyjne, dawka, temperatura, ph fazy ciekłej, obecność zanieczyszczeń itp. Proces wymiany jonowej jest odwracalny i stechiometryczny. Odwracalność reakcji jonowymiennej daje możliwość prowadzenia nie tylko wymiany jonowej, ale także procesu odwrotnego regeneracji jonitu. Obecnie znanych jest około 40 typów zeolitów naturalnych, ale tylko siedem z nich: klinoptylolit, chabazyt, erionit, ferriryt, filipsyt, mordenit i analcym występują w złożach na tyle bogatych, że nadają się do eksploatacji.
3 2. WYKONANIE ĆWICZENIA Ćwiczenie polega na określeniu wpływu ilości zeolitu zastosowanego do oczyszczania ścieku oraz ph ścieku na końcowe stężenie substancji 3-, pożywkowych (jonów NH 4+, PO 4 NO 3-, K + ) w ścieku. W ćwiczeniu studenci określają tylko stężenie fosforanów w próbkach. Ocena procesu wymiany jonowej (stopnia oczyszczenia ścieku) prowadzona jest w warunkach statycznych, na podstawie analizy zawartości fosforanów w ściekach, po wprowadzeniu wzrastających dawek zeolitu, przy różnym odczynie ścieków. 1). Do sześciu kolb stożkowych (lub naczyń z tworzywa sztucznego) o pojemności 250 cm 3 odmierzyć po 50 cm 3 ścieku. Do każdego ścieku dodać różne dawki zeolitu (klinoptilolitu) w ilości 0, 1, 2, 4, 6 i 10 % mas w stosunku do ilości ścieku. Zawartość kolb intensywnie mieszać przez ok. 5 minut, a następnie pozostawić na około 15-20 minut. W zdekantowanych roztworach oznaczyć zawartość fosforanów. Korzystając z krzywej wzorcowej sporządzić wykres zależności stężenia P 2 O 5 od masy dodanego zeolitu. Do następnej części ćwiczenia pozostawić naczynie zawierające ściek i 4 % mas zeolitu. 2). Do naczynia (kolby) zawierającego zawiesinę z dodatkiem 4 % mas zeolitu (przygotowanej w punkcie 1) dodać 1 cm 3 roztworu NaOH o stężeniu 1 mol/ dm 3. Zawartość intensywnie mieszać przez ok. 5 minut, a następnie pozostawić na 15-20 minut. Oznaczyć zawartość fosforanów. Następnie do tego samego naczynia (kolby) dodać ponownie 1 cm 3 roztworu NaOH o stężeniu 1 mol/dm 3. Zawartość intensywnie mieszać przez ok. 5 minut, a następnie pozostawić na 15-20 minut. Ponownie oznaczyć zawartość fosforanów. Na wykresie przedstawić zależność stężenia P 2 O 5 w ścieku od ilości (w cm 3 ) dodanego roztworu NaOH lub od ph ścieku. Dane do krzywej wzorcowej mg P 2 O 5 Absorbancja 0 0 1 0,280 2 0,565 3 0,830 4 1,105
4 Krzywa wzorcowa zależności absorbancji roztworu od zawartości P 2 O 5 w próbce
5 Analiza stężenia P 2 O 5 w próbkach ścieków Pobrać 5 cm 3 (V 1 ) ścieku, przenieść do kolby na 50 cm 3 (V 2 ), dopełnić wodą destylowaną do kreski i wymieszać. Z kolby pobrać 2 cm 3 (V 3 ) roztworu i wprowadzić do kolby 100 cm 3. Dodać 10 cm 3 odczynnika analitycznego, tj. roztworu zawierającego metawanadan amonowy, molibdeniau amonowy oraz HNO 3 (1:2). Dopełnić kolbę do kreski wodą destylowaną i wymieszać. Zmierzyć absorbancję wobec roztworu wzorcowego (należy przygotować jeden dla wszystkich ćwiczących) nie zawierającego P 2 O 5. Roztwór wzorcowy jest to woda zawierająca tylko roztwór analityczny. Nie zawiera fosforanów. Po pomiarze w spektrofotometrze odczytać z krzywej wzorcowej ilość mg P 2 O 5 i przeliczyć ją na stężenie (C P2O5 ) według wzoru: C P2O5 = (mg P 2 O 5 V 2 ) / (V 1 V 3 ) [mg P 2 O 5 /cm 3 ] 3. OPRACOWANIE WYNIKÓW a) Przedstawić graficznie zależność stężenia fosforanów w ścieku od ilości wprowadzonego zeolitu. b) Przedstawić graficznie zależność stężenia fosforanów w ścieku od ph lub ilości wprowadzonego roztworu wodorotlenku sodu, dla próbki zawierającej 4 % mas zeolitu w stosunku do ścieku. W sprawozdaniu należy przedstawić krótki opis ćwiczenia, zależności w postaci graficznej oraz wnioski i ew. uwagi. 4. WYMAGANE WIADOMOŚCI - Podstawowe wiadomości o zeolitach i ich właściwościach - Zastosowanie zeolitów - Inne związane z wykonaniem ćwiczenia 5. LITERATURA 1. Kowal i inni Odnowa wody. Podstawy teoretyczne procesów Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1996, 2. A.M. Anielak Chemiczne i fizykochemiczne oczyszczanie ścieków PWN Warszawa 2000, 3. Kowal, Z. Kurowski, A. Lisowski Usuwanie azotu amonowego w procesie wymiany jonowej na klinoptylolicie Prace Naukowe Instytutu Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej vol.40 nr 20 Wrocław 1978, 4. K. Piaskowski, A. M. Anielak Zeolity naturalne i ich zastosowanie w oczyszczaniu wody oraz ścieków Ekologia i Technika vol. VII nr 2/2000,
6 5. A.M. Anielak, K. Piaskowski Skuteczność naturalnych zeolitów w usuwaniu związków fosforu z roztworów wodnych Gaz, Woda i Technika Sanitarna nr 5/2001. 6. Pawełczyk A., Application of zeolites in processes of pollutants removal from liquid wastes, Polish Journal of Chemical Technology, 2005, Vol. 7, No. 2, 40 45.