Лабораторная работа №5

Определение концентрации шестивалентного хрома в сточных

водах предприятия

Цель работы: обучение студентов определению концентрации и условий процесса восстановления шестивалентного хрома до трехвалентного.

Объем работы: 2 часа.

Сточные воды гальванических производств после процесса хромирования металлических изделий содержат хром ( VI ) в виде ионов Cr₂O₇^-2, которые образуются в результате использования хромового ангидрида СrO₃ для нанесения электролитического покрытия. Из концентрированных растворов хром может быть регенерирован.

Ионы хрома, как известно, являются наиболее токсичными среди других ионов тяжелых металлов ( ПДК_Cr+6 = 0,01 мг/л; ПДК_Cr+3 = 0,1 мг/л ). Сначала необходимо восстановить Cr ( VI ) до Cr ( III ) или Cr ( II ), а затем осадить его известью по реакции:

2Cr⁺³ + 3Ca(OH)₂ = 2Cr(OH)₃↓ + 3Ca⁺² ( 1 )

Осажденный Cr(OH)₃ можно легко регенерировать во вторичное сырье ( Cr₂O₃).

Для восстановления Cr(VI) можно использовать Fe, Fe(II) или О₂. Реакции восстановления описываются следующими уравнениями:

Cr₂O₇^-2 + 6Fe⁺² + 14H⁺ ⇄ 2Cr⁺³ + 6Fe⁺³ + 7H₂O ( 2 )

Cr₂O₇^-2 + 2Fe + 14H⁺ ⇄ 2Cr⁺³ + 2Fe⁺³ + 7H₂O ( 3 )

Cr₂O₇^-2 +6Fe⁺² + 11H⁺ ⇄ Fe(OH)₃↓ + 5Fe⁺³ +2Cr⁺³ + 4H₂O ( 4 )

Cr₂O₇^-2 + 6Fe⁺² + 8H⁺ ⇄ 2Fe(OH)₃↓ + 4Fe⁺³ + 2Cr⁺³ + H₂O ( 5 )

Cr₂O₇^-2 + 2Fe + 8H⁺ ⇄ 2Fe(OH)₃↓ + 2Fe⁺³ + H₂O ( 6 )

Fe + 2H⁺ + ½ O₂ ⇄ Fe⁺² + 2H₂O ( 7 )

Присутствие в этих реакциях ионов Н⁺ свидетельствует о кислой среде. Из практики известно, что наиболее хорошие результаты получаются при значении величины рН = 2,5 – 3,0.

Построение калибровочного графика

Из стандартного раствора бихромата калия ( Т_Cr+6 = 10 ^-5 г/мл ) готовят серию растворов с титром по хрому ( VI ) 1·10 ^-7 г/мл, 2·10 ^-7 г/мл, 3·10 ^-7 г/мл, 4·10 ^-7 г/мл, 5·10 ^-7 г/мл, 6·10 ^-7 г/мл, 7·10 ^-7 г/мл, отбирая соответственно 1 мл, 2 мл, 3 мл, 4 мл, 5 мл, 6 мл, 7 мл исходного раствора и разбавляя в колбе на 100 мл, предварительно добавив в каждую колбу 3 мл раствора H₂SO₄ и 1 мл раствора дифенилкарбазида. Дифенилкарбазид является реактивом на Cr (VI). В кислой среде он окисляется ионами Cr₂O₇ ^-2 с образованием растворимого соединения красно-фиолетового цвета. Полученные растворы фотометрируют с зеленым светофильтром в кюветах с толщиной слоя 1 см. Затем по полученным данным строят калибровочный график зависимости оптической плотности ( Д ) от концентрации хрома ( Т _Cr+6 ).

Ход работы.

Исследуемый хромсодержащий раствор сточных вод фотометрируют с зеленым светофильтром, отбирая 7 мм и разбавляя водой в колбе на 100 мл, предварительно добавив 3 мл раствора H₂SO₄ и 1 мл раствора дифенилкарбазида. Затем по калибровочному графику находят содержание Cr (VI) в исходном растворе сточных вод.

Для исследования кинетики процесса восстановления Cr (VI) в сточных водах в

5 колб ( или больших пробирок ) наливают по 20 мл сточных вод. Затем в 3 колбы добавляют по 2 грамма стальной стружки и взбалтывают с помощью мешалки: в течение 30 мин. колбу №1, в течение 45 мин. колбу №2 и в течение 60 мин. колбу №3. В оставшиеся колбы добавляют различное количество стальной стружки и взбалтывают с помощью мешалки одинаковое время ( 45 мин. ). В колбу №4 добавляют 2,8 грамма стальной стружки, а в колбу №5 добавляют 4 грамма стальной стружки ( табл.№1 ).

Остаточное количество невосстановленного Cr (VI) во всех колбах определяют аналогично определению Cr (VI) в исходном растворе сточных вод, отбирая из каждой колбы по 7 мл раствора сточных вод.

Расход железа ( г/л ) рассчитывают по наиболее вероятному механизму ( реакция №3 ).

Экспериментальные данные заносят в таблицу №1.

Таблица №1

№ опы- та	Время опыта ( мин.)	Количество восстанови- теля ( г )	Расход Fe по уравне- нию реакции (г/л)	Концентрация Cr(VI)
				начальная	конечная
1 2 3 4 5	30 45 60 45 45	2,0 2,0 2,0 2,8 4,0

По полученным расчетным данным строят графики зависимости остаточной концентрации Cr(VI) от времени восстановления и от количества железной стружки, взятой для восстановления Cr(VI).

Оптимальными являются те условия процесса восстановления, при которых удается достичь конечную концентрацию Cr(VI) в растворе менее 1 мг/л для использования воды в обороте, и не менее 0,01 мг/л для сброса воды в водоем. В случае невозможного достижения указанных условий в качестве оптимальных выбираются параметры, при которых достигнута наименьшая конечная концентрация Cr(VI) в растворе после восстановления.

По заданию преподавателя рассчитывают материальный баланс процесса восстановления хрома в 1 м³ сточных вод:

Исходные данные: V_{сточных вод} = 1 м³

m_Cr(VI) = ……….. кг

m_{стальной стружки} = ……кг

1. Восстановление Cr(VI):

рН = 2,5 – 4,0; время восстановления ….. мин.

2. Нейтрализация и осаждение хрома в виде Cr(OH)₃:

m Ca(OH)₂ = ……кг

3.Фильтрация и выделение осадка:

m Cr(OH)₃ = ….. кг

Итоговые данные:

Остаточная масса Cr(VI) ………….кг,

масса осажденного Cr(VI) ………..кг,

процент удаления Cr(VI)…………..%.

Контрольные вопросы:

1. На каком принципе основана работа ФЭК?

2. Как осуществляется количественное определение Cr(VI) в воде?

3. При каких концентрациях Cr(VI) сточную воду разрешается спускать в водоем?

4. С какой целью Cr(VI) восстанавливают до Cr(III)?

5. По какому уравнению реакции рассчитывают расход железа на восстановление Cr(VI) до Cr(III)?

6. Сделайте выводы по проведенным вами опытам. Выберите оптимальные условия процесса восстановления Cr(VI) стальной стружкой.

Лабораторный практикум №2

Мониторинг атмосферного воздуха

Одним из важнейших объектов окружающей среды является атмосферный воздух. Устойчивость биосферы зависит от его чистоты. Загрязнение воздуха отрицательно влияет на растения, животных, людей, строения, оборудование и различные материалы.

В качестве наиболее распространенных и опасных были выявлены восемь категорий загрязнителей: 1 – взвешенные вещества, которые могут переносить другие загрязнители, растворенные в них или адсорбированные на поверхности частиц;

2 – углеводороды и другие летучие органические соединения; 3 – угарный газ ( СО ); 4 – оксиды азота ( NO_x ); 5 – оксиды серы (в основном диоксид ( SO₂ )); 6 – свинец и другие тяжелые металлы; 7 – озон и другие фотохимические окислители; 8 – кислоты (в основном серная и азотная).

Контроль за состоянием атмосферного воздуха включает в себя изучение источников загрязнения, исследование химических и фотохимических превращений загрязняющих веществ, выявление наиболее токсичных веществ, изучение распространения загрязнителей с воздушными потоками, отбор и анализ загрязнителей. Надежность контроля за загрязнением наряду с рассмотренными выше факторами зависит от способа отбора проб. В зависимости от предполагаемого загрязнения воздуха отбор проб может производиться с концентрированием или без него.