Лабораторная работа № 8. Улавливание меди из сточных вод гальванических производств методом цементации

Цементация - процесс вытеснения металла из раствора, основанный на окислительно-восстановительной реакции между атомами более активного металла (цементатора) и ионами менее активного (цементируемого) металла

Цель работы - исследовать процесс цементации, провести очистку сточной воды от меди.

Теоретические основы.

Термодинамическая возможность протекания цементации определяется соотношением величин электродных потенциалов. Вытесняющий металл (цементатор) должен иметь более отрицательный потенциал, чем вытесняемый φ^о(Fe²⁺/Fe) <  φ^о(Cu²⁺/Cu). По мере выделения меди ее концентрация уменьшается, а концентрация железа возрастает не эквивалентную величину. Это приводит к уменьшению φ(Cu²⁺/Cu) и росту φ(Fe²⁺/Fe). Процесс протекает до установления равновесия, при котором оба потенциала становятся равными.

Механизм и кинетика цементации весьма сложны. Процесс начинается на катодных участках и протекает подобно работе короткозамкнутого гальванического элемента. Последовательные стадии цементации включают транспорт ионов через диффузионный и двойной электрический слой и электрохимические превращения на поверхности металла. Последние также являются многостадийными. Катодный процесс включает в себя дегидратацию иона, сорбцию его на поверхности, разряд с образованием атома металла, образование зародыша кристаллизации и пристройку к кристаллической решетке. Подобное рассмотрение механизма возможно и для анодного процесса. Любая из последовательных стадий может быть лимитирующей (наиболее медленной).

Экспериментальная часть.

Оборудование и реактивы:

- промывные воды с содержанием меди 2 г/дм³;

• иономер;

• фотоколориметр;

• стаканы объемом 150 см³- 5 шт;

• колбы мерные на 50 см³ - 6 шт;

• железо восстановленное;

• пипетки объемом 5 см³ - 3 шт;

• кислота серная С_н = 2 моль/ дм³;

• индикатор ПАР - 0,1% раствор;

• стаканы на 50 см³ 10 шт.

Порядок работы.

1. В три стакана налить по 100 см³ исходного раствора соли меди. Первый оставить в качестве контрольного, во второй добавить 10 см³ 2М серной кислоты в третий - 2 см³ концентрированной H₂ SO₄. Во всех стаканах измерить величину рН.

2. В каждый стакан внести по 1 г восстановленного железа. Содержимое стаканов перемешивать каждые 2 мин. Из последних двух стаканов каждые 5 мин отбирать пробы по 5 см³ в стаканы на 50 см³. Всего отобрать по 5 проб. Затем определить остаточное содержание меди в каждой пробе. Для этого в каждый стакан с пробой по каплям прибавить концентрированный раствор аммиака (С = 25 %) до появления запаха аммиака. Осадок гидроксида железа отделить фильтрованием в мерную колбу на 50 см³. Добавить в фильтрат 5 см³ 2 н раствора серной кислоты, 5 см³ 0.05% раствора ПАР и долить водой до метки. Раствор перемешать и фотометрировать в кювете с толщиной светопоглощающего слоя 2 см при λ= 540 нм по сравнению с холостым опытом.

3. Для построения градуировочного графика берут раствор, содержащий 1 г/дм³ меди, и в мерной колбе разбавляют 1:100 дистиллированной водой. Полученный рабочий раствор наливают в мерные колбы на 50 см³ по 1, 2, 4, 6, 8 и 10 см³ соответственно. Затем добавляют 5 см³раствора ПАР, 3 см³ 2 н раствора серной кислоты и доводят водой до метки. Оптическую плотность определяют, как указано выше. При недостатке времени с разрешения преподавателя можно воспользоваться заранее построенным градуировочным графиком.

4. Результаты опытов заносят в таблицу. По ним строят графики зависимости концентрации меди в растворе от времени и степени извлечения меди из раствора от времени.

5. Написать уравнения протекающих реакций. Охарактеризовать влияние рН и продолжительности процесса на степень осаждения меди.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность процесса цементации?

2. Как оценить термодинамическую возможность ее осуществления?

3. Из каких стадий состоит механизм процесса цементации?

4. Какие процессы определяют скорость цементации при диффузионном и кинетическом режиме ее протекания?

5. Назовите области применения цементации.

6. Какое аппаратурное оформление может иметь этот процесс?

Литература?