Лабораторная работа 6. Очистка сточных вод от тяжелых металлов

Цель работы

Изучение сорбционных методов очистки сточных вод от тяжелых металлов на примере ионов Сu²⁺.

Теоретическая часть

Данная работа посвящена вопросу очистки сточных вод от тяжелых металлов сорбционными методами.

Вследствие технического прогресса отдельные химические элементы, такие как ртуть, кадмий, свинец, никель, кобальт, марганец, стали добываться и сбрасываться в таких количествах, что водные системы просто неспособны их переработать.

Из используемых в промышленности семидесяти металлов периодической системы 56 являются переходными. Эти d–металлы обладают способностью образовывать металлоорганические комплексы более высокой токсичности, чем неорганические соединения металлов.

Загрязнение данными веществами подавляет деятельность водных экосистем, что способствует выживанию патогенных микробов и вирусов или же их бурному развитию. Опасность заключается в том, что происходит накопление (кумуляция) токсичных элементов или ихсоединений в отдельных звеньях экосистем и геосистем, телах и органах живых организмов.

Тяжелые металлы оказывают на организм человека и животных нейротоксическое действие, влияют на кислородный режим различных систем, тормозят (или ускоряют) окислительно–восстановительные процессы, нарушают нормальное функционирование кровеносной системы, вызывают заболевания дыхательных путей, желудочно–кишечного тракта и пр.

Предельно допустимые концентрации тяжелых металлов лежат в пределах 0,5·10^–3÷ 1мг/л.

Концентрация тяжелых металлов в сточных водах предприятий металлургической, машиностроительной рудодобывающей промышленности, заводов по производству минеральных удобрений, кислот, в промывочных водах электростанций значительно превышает ПДК. Следовательно, на каждом таком предприятии необходима установка для выделения и утилизации тяжелых металлов, позволяющая очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с дальнейшим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки является сорбция. Сорбцией (от лат. "sorbeo" – поглощаю, втягиваю) называется любой процесс поглощения одного вещества (сорбата) другим (сорбентом), независимо от механизма поглощения.

В данной работе в качестве сорбента используется хитозан – природный полиэлектролит, получаемый из хитина. Хитин – наиболее распространенный после целлюлозы полимер природного происхождения, являющийся основной частью покровных тканей членистоногих (ракообразных, паукообразных), насекомых, а также оболочек клеток грибов и некоторых зеленых водорослей. Благодаря своему природному происхождению хитозан биосовместим, экологически безопасен, может быть подвержен органическому разложению. Сорбционные свойства хитозана обусловлены наличием у него близкорасположенных амино– и гидроксильных групп. Рассмотрим механизмы взаимодействия.

Реакция в гидроксильной группе протекает следующим образом: ионы водорода ОН–группы заменяются на эквивалентное количество ионов металла. Такая замена возможна благодаря ослаблению связи кислород–водород из–за перераспределения электронной плотности в молекуле.

Реакция хемосорбции по аминогруппе осуществляется за счет не спаренных атомных электронов, вступающих с ионами металлов в донорно–акцепторную связь.

Так как в молекуле хитозана амино– и гидроксильные группы расположены рядом, происходит образование прочных хелатных соединений с ионами металла. При создании необходимых условий для реакции образуется нерастворимое в воде соединение, легко отделяющееся при отстаивании.

Для оценки содержания ионов Сu в воде используется способность Сu образовывать ярко окрашенные комплексные соединения. Так, если к раствору Сu приливать аммиак, то жидкость начнет окрашиваться в интенсивный темно–синий цвет. Такая окраска обусловлена образованием сложных ионов [Сu(NН₃)₄]²⁺. Сравнивая окраску обработанных хитозаном медных растворов с окраской калибровочных, можно судить о содержании меди в воде.

Применяемое оборудование

1. Фотометр КФК-3

2. Микропипетки мерные.

3. Стаканы стеклянные лабораторные, вместимостью 50 мл.

4. Основной исходный раствор ионов меди с концентрацией 1 мг/л.

5. 4% –ный раствор хитозана.

6. Аммиак.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации фотометра КФК–3.

2. Приготовить 1 л исходного раствора CuSO₄ с концентрацией С_С_u = 1 г/л и снять кривую светопропускания τ(λ). Записать полученные значения в таблицу 1.

Таблица 1 – Данные для определения длины волны

λ, нм
τ, %

Выбрать длину волны, на которой значение τ наименьшее. На этой длине волны будут производиться все дальнейшие измерения.

3. Снять и построить калибровочный график τ(С_С_u). Для этого приготовить 5 пробирок с концентрацией CuSO₄ 120, 100, 75, 50, 25 мг/л. Для этого использовать исходный стандартный раствор с концентрацией меди 1 мг/мл. С помощью фотометра КФК-3 снять показания τ и внести полученные значения в таблицу 2. Построить калибровочный график.

Таблица 2 – Данные для построения калибровочного графика

С_кр, мг/л
τ, %

4.Приготовить 350–400 мл раствора с содержанием меди 150 мг/мл. Разделить этот раствор на пробы по 50 мл.

5. При помощи микропипетки прилить ко всем приготовленным пробам по 0,7–0,9 мл аммиака.

6. В пробы, приготовленные в п.4 ввести различные дозы хитозана (от 1 до 15 мл).

7. После выпадения осадка сравнить интенсивность окраски очищенных растворов с калибровочными растворами. С помощью калибровочной характеристики оценить остаточную концентрацию меди. Заполнить таблицу 3.

Таблица 3 – Данные для определения оптимальной дозы сорбента