Исследование качественного и количественного химического состава шлама водозабора МГКУП «Горводоканал»

Полученные образцы исследовались влажными и высушенными при комнатной температуре. Для проведения исследования были использованы стандартные тигли для ДТА из Al2O3. Нагревание проводилось в атмосфере воздуха и в токе азота, скорость нагревания при этом составила 10 °С/мин.

Была получена следующая дериватограмма шлама. (Приложение 1)

На дериватограмме заметна стадия удаления гидратной воды до температуры 2300С. При нагревании до 5400С происходит отщепление гидроксильных групп и образование Fe2O3 и Fe3O4 при прокаливании до температуры 6800С.

Состав твердых продуктов реакции был установлен расчетным путем по потере массы. Кроме того, состав полученных продуктов был подтвержден данными ИК-спектроскопии.

Продукт, полученный при прокаливании в воздушной атмосфере кроме Fe3O4 содержал небольшие примеси Fe2О3. Прокаливание в токе N2 позволило получить Fe3O4 без примесей Fe2О3. Это превращение вероятно протекает в соответствии с уравнением реакции:

                                               (2.1)

Нагревание в потоке сухого азота позволило сделать более отчетливыми стадии удаления разных типов воды.

По данным дериватографических исследований и ИК-спектрометрии,  образцы соответствовали составу FeOOH*nH2O, где n ≈ 1

2.3. Предварительные испытания

Открытие ионов железа(II). На фильтровальную бумагу наносится 2-3 капли исследуемого раствора. В центр образовавшегося пятна наносится 1 капля K3[Fe(CN)6]. Образование синего пятна турнбулевой сини Fe3[Fe(CN)6]2,  свидетельствует о наличии ионов железа(II).

Открытие ионов железа (III). На фильтровальную бумагу наносится 2-3 капли исследуемого раствора. В центр образовавшегося пятна наносится 1 капля K4[Fe(CN)6]. При наличии ионов железа (III) образуется синий осадок берлинской лазури Fe4[Fe(CN)6]3., что и наблюдалось в нашей исследуемой пробе.

2.4. Систематический ход анализа

10-15 капель исследуемого раствора помещаем в пробирку, добавляем 5 капель 2 н. раствора хлористоводородной кислоты и 5 капель 2 н. раствора серной кислоты – осадок не выпадает, следовательно проводим анализ раствора.

Отделение ионов кальция (II). К раствору добавляется этиловый спирт, слегка нагревается и отстаивается. Наблюдаем небольшое помутнение раствора, однако осадок не выпадает. Это свидетельствует о том, что в растворе есть только следы ионов кальция.

Отделение катионов III группы от катионов IV и V групп. К полученному раствору  после удаления спирта кипячением   прибавляем несколько капель пероксида водорода и избыточное количество 2 н. раствора гидроксида натрия, нагревают в течение 3 — 5 мин и тщательно перемешивают стеклянной палочкой. Избыток пероксида водорода удаляют кипячением.   Образовавшийся осадок отделяем центрифугированием. В осадке Fe(OH)3, H2MnO3, Co(OH)3, Cd(OH)2, Ni(OH)2 Cu(OH)2,Mg(OH)2, HgO, Bi(OH)3, SbO(OH)2.

Отделение  Sb(III)- ионов в виде сурьмяной кислоты. Полученный осадок растворяют при слабом нагревании в небольшом количестве 2 н. раствора азотной кислоты в присутствии пероксида водорода. При этом Н2МnО3 и Со(ОН)3 переходят в Мn2+- и Со2+-ионы. Осадок не образовался.

Отделение катионов IV группы от катионов V группы. К полученному раствору прибавляем 2 н. раствор карбоната натрия. Осадок не образовался. Раствор анализируем по схеме анализа катионов пятой аналитической группы (Cu+2, Co+2, Ni+2, Cd+2, Hg+2).

        Отделение Hg+2 и Cu+2 ионов в виде сульфидов. 10 капель исследуемого

раствора помещаем в пробирку, прибавляем 2 н. раствор серной кислоты

до кислой реакции, 2 — 3 мл 2 н. раствора тиосульфата натрия, нагреваем. Осадок не выпадает. В растворе остались ионы Co+2, Ni+2, Cd+2.

Открытие  Co+2-, Ni+2-, Cd+2-ионов. Раствор делим на три части, в которых открываем каждый из этих ионов отдельно. А) Co+2 –ионы открываем, добавляя к одной части раствора 2-3 капли 2 н. раствора уксусной кислоты и 5-6 капель 6 н. раствора нитрита калия. В присутствии Co+2-ионов должен образоваться желтый кристаллический осадок K3[Co(NO2)6]. Но осадок не образовался. Б) Ni+2- ионы открываем добавлением к другой части раствора 2 н. водного раствора аммиака до щелочной реакции и 2-3 капли спиртового раствора диметилглиоксима. В присутствии Ni+2-ионов должен образоваться ярко-красный осадок диметилглиоксимата никеля. Но осадок не образовался. В) Cd+2-ионы открываем, действуя на третью часть раствора раствором K[BiI4].  В присутствии Cd+2 –ионов должен образоваться черный осадок, но осадок не образовался.

Таким образом, на основании проведенного качественного анализа можно сделать вывод о том, что в исследуемой пробе содержатся ионы Fe(II), Fe(III) и следы Ca(II)-ионов.

2.5. Определение содержания железа (II) и железа (III) при их совместном присутствии в шламе

Восстановление в редукторе Джонса

Схема редуктора приведена на рис 2.2. Как видно из рисунка, столб цинка помещен на фильтрующем слое, а конец трубки редуктора опущен в приемную колбу (колба для титрования). В роли трубки использовали бюретку. Фильтрующий слой сделан из измельченного стекла. Цинк измельчали до диаметра 1-2 мм и покрывали медью.

рис.2.2  Схема редуктора Джонса

Ход восстановления:

Для анализа была сделана модель растворенного в кислоте шлама. Для этого навеска соли Мора с известной массой растворялась в воде и железо частично окислялось раствором перманганата калия, добавленным в недостаточном количестве. Таким образом, в растворе находились ионы Fe2+ и Fe3+.

Процесс восстановления в редукторе проводили при комнатной температуре. Растворы пропускали  со скоростью 100 мл в минуту в следующем порядке: сначала 50 мл 2 н. серной кислоты, затем 50 мл анализируемого раствора, после этого снова 25 мл 2 н. серной кислоты, и, наконец 100 мл воды, чтобы вымыть восстановленный раствор и кислоту.

             Таблица 2.1

Экспериментальные данные

Как видно из полученных данных, восстановление железа (III) происходило частично. Полное восстановление происходит при пропускании растворов в следующем порядке: сначала 50 мл 2 н. серной кислоты, затем 250 мл анализируемого раствора, после этого снова 50 мл 2 н. серной кислоты, и, наконец, 100 мл воды, чтобы вымыть восстановленный раствор и кислоту.

В результате были получены большие объемы растворов, которые неудобно титровать. Кроме того, сам процесс восстановления проходил с бурным выделением водорода, в результате чего раствор вспенивался и разбрызгивался, что делало количественный анализ затруднительным.

Гидроксиламин

Восстановление железа (III) происходило в 2н H2SO4 при температуре 35-40оС в соответствии с реакцией:

2NH2OH + 4Fe(III) = N2O + 4Fe(II) + 2H2O + 4H+                     (2.2)

После охлаждения раствора железо(II) оттитровывали перманганатом калия.

Навеска гидроксиламина была взята  с заведомым избытком.

Таблица 2.2

Экспериментальные данные

Из результатов следует, что навеска гидроксиламина должна быть точно рассчитана из массы железа (III). Если взять небольшой избыток, оставшийся в растворе гидроксиламин реагирует с перманганатом калия, давая тем самым погрешность результата.

Определение общего железа

При восстановлении цинком навеску соли железа помещали в круглодонную колбу, туда же добавляли 50 мл разбавленной (1:4) серной кислоты, затем в колбу высыпали рассчитанное (с большим избытком) количество цинковой пыли или стружек. Колбу закрывали пробкой, снабженной клапаном Бунзена и нагревали на водяной бане до полного растворения цинка. Колбу устанавливали под наклоном во избежание разбрызгивания. После растворения цинка раствор охлаждали и количественно переносили в мерную колбу, перемешивали и титровали перманганатом до появления слабо-розовой окраски.

Результат отработки методики:

Объем анализируемого раствора 250 мл

Объем для титрования 10 мл

Нормальность раствора KMnO4 0,056 экв/л

Таблица 2.3

Экспериментальные данные