Очистка веществ другими химическими методами

МИНОБРНАУКИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Челябинский государственный  университет»

(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»)

Химический факультет

Кафедра химической технологии и вычислительной химии

 

 

 

 

 

ОТЧЕТ

Очистка веществ  другими химическими методами

 

 

 

Выполнила: Волкова О.А.

 

Ястребова  А.В.

 

Группа: Х – 403

Проверил : Кимяшов  А.А.

Работа защищена:

"____"______________

Оценка: ____________

 

 

 

 

Челябинск 2012г.

Химические методы связаны с  расходом различных реагентов и потому достаточно дороги. Их применяют для удаления растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения, а иногда для дополнительной очистки сточных вод до или после биологической очистки. С помощью химической очистки наиболее часто удаляют ионы тяжелых металлов.

 

 К основным  методам химической очистки относят  нейтрализацию и окисление. 

 

Нейтрализация - обработка воды щелочами или кислотами, известью, содой, аммиаком и т.п. с  целью обеспечения заданной величины водородного показателя рН. Применяется во многих отраслях промышленности. Самый простой возможный способ нейтрализации сточных вод - смешение кислых и щелочных стоков на предприятии. На практике также применяются такие способы, как нейтрализация сточных вод реагентами (растворы кислот, негашеная известь, гашеная известь, кальцинированная сода, аммиак и др.), а также фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, доломит, магнезит, мел и др.). Наиболее дешевым и доступным реагентом является Са (ОН)2.

 

Окисление - метод очистки стоков, основанный на применении различных окислителей: газообразного и сжиженного хлора, диоксида хлора, гипохлората кальция и натрия, хлорной извести, кислорода воздуха и технического кислорода. Метод используется для обезвреживания стоков, содержащих токсичные соединения (цианиды, комплексные цианиды меди и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод или очищать другими методами: стоки участков гальванических покрытий в машиностроении и приборостроении, стоки производств свинцово-цинковых и медных руд в горнодобывающей промышленности, стоки цехов варки целлюлозы в целлюлозобумажной промышленности и т.д.

 

 В процессе  окисления токсичные загрязнения,  содержащиеся в сточных водах,  в результате химических реакций  становятся менее токсичными и затем удаляются из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому ее применяют только тогда, когда загрязняющие вещества, например цианиды, растворенные соединения мышьяка и др., нецелесообразно или нельзя извлечь другими способами.

 

Окисление активным хлором - один из наиболее распространенных способов очистки стоков от ядовитых цианидов, сероводорода, гидросульфида, метилмеркаптана (рис.21). Окисление  цианидов активным хлором до цианатов происходит за счет атомарного кислорода по схеме:

 СN - +ОСl- → СNО- + Сl-  (2.4)

 

 Образовавшиеся  цианаты легко гидрализуются  до карбонатов:

 СNО- + 2 Н2О  → СО32- + N Н4+  (2.5 )

 

 Товарный  хлорат кальция содержит до 33% «активного» хлора, а гипохлорит  кальция - до 60%.

 

 

 Рис.21. Схема установки для  очистки сточных вод активным  хлором:

1 - баллон с хлором, 2 - фильтр, 3 - редуктор, 4 - ротаметр, 5 и 6 - манометры, 

7 - предохранительный клапан, 8 - смеситель, 9 - эжектор, 10 - контактный аппарат. 

 

 

Окисление кислородом воздуха наиболее часто используют для очистки воды от двухвалентного железа путем аэрирования воздуха через сточную воду. Реакция протекает по схеме:

4 Fe2+ + О2 + 2 Н2 О = 4 Fe3 + + 4 ОН- ,

Fe3 + +3 Н2О = Fe (ОН)3 + 3 Н+ (2.6)

 

 Образовавшийся гидроксид железа отстаивают в контактном резервуаре, а затем отфильтровывают.

 

Озонирование основано на высокой  окислительной способности озона, который при нормальной температуре  разрушает многие органические компоненты сточных вод. При этом одновременно происходят обесцвечивание и обеззараживание сточной воды, а также насыщение ее кислородом (рис. 22).

 

 Длительность процесса очистки  сточных вод значительно сокращается  при совместном использовании  ультразвука и озона или ультрафиолетового  облучения и озона.

 

 

 

 Рис. 22. Схема установки для  очистки сточных вод методом  озонирования:

1 - смеситель, 2 - насос, 3 - барботажный  адсорбер, 4 - сборник, 

5 - озонаторная установка, 6 - аппарат  для очистки отходящих газов. 

 

Очистку восстановлением используют тогда, когда сточные воды содержат легко восстанавливаемые вещества. Эти методы широко употребительны для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка. Так, для восстановления ртути и ее соединений предложено применять сульфид железа, боргидрид и гидросульфит натрия, гидразин, железный порошок, алюминиевую пудру и другие.

 

 

 

 

 

 

Химическое осаждение

Одним из простейших методов разделения веществ, в частности очистки  реактивов, является перевод примеси (или основного вещества) в осадок. Это может быть достигнуто, если при действии подходящего реагента удаляемый компонент смеси образует малорастворимое соединение, например, выделение примеси Fe3+ в NH4Cl при действии NH4OH:

Fe3+ + 3NH4OH а  Fe(OH)3в + 3NH4+

Значительно чаще приходится иметь  дело с такими комбинациями ионов, каждый из которых может реагировать с реактивом - осадителем, давая малорастворимые вещества. В этом случае необходимо использовать различие в произведениях растворимости (ПР), создавая условия, в которых электролиты, имеющие наибольшую растворимость (наибольшее значение ПР), остаются в растворе. Так, для отделения примеси Ba2+ в солях Sr2+ достаточно добавить к раствору очищаемой соли небольшое количество H2SO4. Если учесть, что ПРBaSO4=0,87·10-10, а ПРSrSO4=2,8·10-7, то ясно, что менее растворимый BaSO4 будет выпадать в осадок в первую очередь и только после почти полного его выделения оставшаяся H2SO4 осадит некоторое количество Sr2+ в виде SrSO4.

Часто для выделения примесей в  виде осадков используют твердые фазы. Например, для удаления примеси Fe3+ в ZnSO4 осаждают щелочью в небольшой части раствора смесь Zn(OH)2 и Fe(OH)3, отмывают осадок водой и вносят его в очищаемый раствор. Растворимости Zn(OH)2 и Fe(OH)3 резко отличаются (ПРZn(OH)2=7,1·10-18, ПРFe(OH)3=3,2·10-38), поэтому более растворимый осадок Zn(OH)2 будет осаждать из раствора Fe3+ в виде Fe(OH)3:

3Zn(OH)2 + 2Fe3+ а 2Fe(OH)3в + 3Zn2+

Процесс идет практически до конца, что следует из значения константы  равновесия*6:

Большое значение имеют также методы разделения двух веществ, основанные на осаждении одного из них при одновременном связывании второго в устойчивый растворимый комплекс*7.

Зависимость характера осадка от условий  осаждения применительно к получению  чистых веществ изучалась В. А. Соколом и А. В. Бромбергом с сотр*8.

В настоящее время все шире используются органические осадители, позволяющие  добиваться высокой степени очистки  от примесей, например, осаждение купфероном или оксимами.

Широко применяется также метод  соосаждения примесей с неорганическими или органическими коллекторами, т. е. с веществами, при осаждении которых одновременно соосаждается и удаляемая примесь. Этот метод обеспечивает очень высокую степень очистки, недостижимую при обычном осаждении*9. Так, для глубокой очистки раствора ZnSO4 от примеси As и др. добавляют Fe2(SO4)3, а затем вносят пасту ZnCO3. Выпадающая Fe(OH)3 сорбирует из раствора примеси As, P и Sb.

 

 

Транспортные реакции

Этот метод широко используется при получении особо чистых веществ  для полупроводниковой техники и радиоэлектроники. Принцип его состоит в том, что очищаемое твердое или жидкое вещество А, взаимодействует по обратимой реакции с газообразным веществом В, образует газообразный продукт С, переносимый (транспортируемый) в другую часть системы, где вследствие изменения условий происходит его разложение с выделением чистого вещества А:

Aтв,жидк + Bгаз  Cгаз

Классическим примером транспортной реакции является очистка металлического никеля через его карбонил (метод  Монда). Порошок никеля обрабатывают при 45-50 °С окисью углерода:

Ni + 4CO  Ni(CO)4

Газообразный Ni(CO)4 поступает в другую часть реакционного аппарата, где  при 180-200 °С разлагается, давая чистый никель, а CO снова направляют в процесс.

Метод транспортных реакций применяется  для получения различных веществ как простых, так и сложных. В качестве транспортирующего агента часто используют галогены, галогеноводороды, водяной пар, кислород, водород и др. Например, при получении особо чистых веществ Ni, Cu, Fe, Cr, Si, Ti, Hf, Th, V, Nb, Ta и U применяют иод.

Направление транспорта (из зоны с  низкой температурой в зону с высокой  температурой или наоборот) определяется термодинамическими свойствами (знаком теплового эффекта). При экзотермических  реакциях транспорт вещества производится в более нагретую зону, как в приведенном примере с очисткой Ni*10.

Метод транспортных реакций удобен для очистки от элементов, отличающихся по своим химическим свойствам от основного элемента. Для глубокой очистки от элементов - аналогов он мало пригоден. Достоинством транспортных реакций является возможность

проведения всех операций в стерильных условиях, поскольку эти реакции  проходят в замкнутом объеме и  без больших количеств реагентов.

 

 

 

Экстракция

Экстракционный метод разделения веществ применяют уже в  течение многих десятилетий, особенно в аналитической химии, но только в последнее время он приобрел очень важное значение для получения чистых и сверхчистых веществ*13. Метод основан на извлечении одного из компонентов раствора с помощью несмешивающегося с раствором органического растворителя. Экстрагируемый компонент распределяется между раствором и слоем органического растворителя в отношении, зависящем от коэффициента распределения:

K = Cорг/Cраств

Достоинства экстракционного метода следующие:

а) экстракцию можно проводить из чрезвычайно разбавленных растворов (при достаточно большом коэффициенте распределения); б) при экстрагировании не происходит соосаждения и экстрагируемое вещество может быть количественно выделено в чистом виде; в) метод позволяет разделять такие вещества, которые не удается разделить иными методами, например, при очистке солей уранила от примеси Fe, B, Mo и др.

В большинстве  случаев экстракции подвергаются соединения катионов с органическими реагентами (дитизоном, оксином и др.). В качестве органических растворителей часто используют диэтиловый эфир, хлороформ, амины и сложные эфиры, в частности трибутилфосфат.