大学化学, 2019, 34(9): 101-105 doi: 10.3866/PKU.DXHX201903034

化学实验

重金属化学试剂的回收再利用——以“三氯化六氨合钴实验”为例

田笑丛, 芦昌盛, 王凤彬, 刘斌, 马海凤, 王庆,

Recycle of Heavy Metal Chemical Reagents: A Case Study of "Preparation and Analyses of Complex[Co(NH3)6]Cl3"

TIAN Xiaocong, LU Changsheng, WANG Fengbin, LIU Bin, MA Haifeng, WANG Qing,

通讯作者: 王庆, Email: wangqing@nju.edu.cn

收稿日期: 2019-03-31   接受日期: 2019-05-15  

基金资助: 国家基金委基础科学人才培养基金条件建设项目.  J1210030
南京大学“十三五”实验教学改革研究课题.  SY201703

Received: 2019-03-31   Accepted: 2019-05-15  

Fund supported: 国家基金委基础科学人才培养基金条件建设项目.  J1210030
南京大学“十三五”实验教学改革研究课题.  SY201703

摘要

在三氯化六氨合钴制备和化学分析的原有实验基础上,我们设计了钴和银的回收再利用实验。钴和银都是重金属,对环境有污染;设计实验从产物三氯化六氨合钴中回收氯化钴,从化学分析氯含量实验产生的废弃物中回收硝酸银,最终实现重金属化学试剂的回收再利用。该实验设计有助于提高学生实验探究兴趣,降低实验室成本,以及通过实践增强学生的环保意识。

关键词: 大学化学实验 ; 重金属 ; 试剂再利用

Abstract

A new experiment, Recycle of cobalt and silver, has been designed, based on the original experiment "Preparation and analyses of complex[Co(NH3)6]Cl3". Both cobalt and silver are heavy metals, which can cause serious environmental pollution. In our experiments, cobalt chloride was recovered from the product[Co(NH3)6]Cl3, and silver nitrate was extracted from the byproduct in the process of chlorine content determination. Therefore, both the above-mentioned heavy metals can be recycled. Our experimental design has been proved to be able to promote studying interests of students, enhance environmental awareness of students, and in the meantime reduce experimental costs.

Keywords: General chemistry experiment ; Heavy metal ; Recycling of reagents

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本文引用格式

田笑丛, 芦昌盛, 王凤彬, 刘斌, 马海凤, 王庆. 重金属化学试剂的回收再利用——以“三氯化六氨合钴实验”为例. 大学化学[J], 2019, 34(9): 101-105 doi:10.3866/PKU.DXHX201903034

TIAN Xiaocong. Recycle of Heavy Metal Chemical Reagents: A Case Study of "Preparation and Analyses of Complex[Co(NH3)6]Cl3". University Chemistry[J], 2019, 34(9): 101-105 doi:10.3866/PKU.DXHX201903034

20世纪90年代初,美国化学会(ACS)提出了绿色化学(green chemistry)的理念,从预防污染的基本思想出发,在化学产品生产的始端就采用科学的预防手段,努力实现整个过程和终端均为零排放的目标[1, 2]。化学实验绿色化主要遵循3R原则:循环、减量、再利用(recycle, reduce and reuse)。2010至2011年,在ACS关于化学教育的期刊Journal of Chemical Education发表的论文中,有4篇展示了学生实验中对3R原则的运用[3-6]。许多教育工作者将绿色化学的理念应用到实验教学中,通过设计和改进实验以减少废弃物的产生[7, 8]

实验“三氯化六氨合钴(Ⅲ) ([Co(NH3)6]Cl3)的制备及组成分析”[9-13]具有较强的综合性,通过该实验的开展,可帮助学生进一步巩固无机制备、化学分析的基本操作,强化试剂的选择、用量以及反应条件的控制等实验技术提高学生的思考与动手能力,激发学习兴趣。在化合物制备和组成分析环节会产生废弃物,污染环境。训练学生在做实验过程中对所产生的废弃物进行有效地回收处理,从中回收金属Ag、Co,将部分废弃物再回收利用,这不仅可以增强学生的环保理念,有效地熟练实验操作,还能够引导学生深入思考,有利于早期对学生进行科学方法和科学思维的训练。

1 背景介绍

实验中采用H2O2作氧化剂,在足量氨和氯化铵存在条件下,选择活性炭作为催化剂将Co(Ⅱ)氧化为Co(Ⅲ),来制备三氯化六氨合钴(Ⅲ)配合物,反应式为:

将产物溶解在酸性溶液中,趁热过滤除去活性炭,然后在较高盐酸浓度下使产物结晶析出。

实验教学中,学生制备出三氯化六氨合钴(Ⅲ)并进行组成分析,其中进行组分分析需要产品1 g。学生的平均产品质量为5 g左右,按照每年培训250个学生计算,则每年实验后获得净余三氯化六氨合钴(Ⅲ)约1000 g。同时,制备过程中的滤液中也含有较多的金属钴。氯化钴是制备三氯化六氨合钴(Ⅲ)配合物的原料,从废液和产物中回收氯化钴,有利于实现钴的循环使用。

氯的测定(莫尔法)。在中性溶液中,以K2CrO4为指示剂,用AgNO3标准溶液滴定Cl-,称为莫尔法(Mohr’s method),于1856年由莫尔(Mohr K F)创立:

学生测定氯含量时,将产生大量的废液,其中废渣的主要成分为氯化银和少量的铬酸银。废渣的组成相对单一,因此可以从中回收银制备硝酸银,以便实现银的循环使用。

2 实验原理

钴的回收:

硝酸银回收:

3 实验内容

学生通过查阅资料,收集合成与分析方法,拟定实验方案,独立完成实验。

3.1 回收氯化钴

称取三氯化六氨合钴(Ⅲ) 2 g和含钴废液50 mL,加水溶解,再加入适量氢氧化钠,加热,有棕黑色沉淀产生;混合物煮沸后小火加热10 min,使沉淀完全,稍冷后过滤。得到的沉淀依次加入水、盐酸、过氧化氢,调节pH为3-3.5使之完全反应;蒸发浓缩结晶,产品称重,计算回收率。

3.2 回收硝酸银

在收集的“莫尔法测定氯离子含量”后的滴定废液中加入盐酸,调节pH至4‒5;加入固体氯化钾,使Ag2CrO4转化为AgCl;过滤,洗涤沉淀至滤液无色,用滤纸吸干,得到AgCl固体,避光保存。

下面分别采用固相反应、金属单质还原法、甲醛还原法制备硝酸银。

3.2.1 固相反应

准确称取5.00 g AgCl于干净的研钵中,加入1.5 g锌粉,用钵杵研磨混合物使其充分反应。然后加入1 : 1盐酸,减压过滤,用纯水洗涤沉淀至滤液中无Cl-,抽干得到银粉。银粉中加入6 mol·L-1硝酸,充分反应后过滤,转移滤液到柄皿中;加热蒸发至表面有结晶膜出现,取下冷却、自然结晶,产物在110 ℃烘干恒重后即可得到硝酸银。称重,计算产率。

3.2.2 氨性介质

准确称取5.00 g AgCl于烧杯中,加入25 mL浓氨水微热溶解;加入3 g Zn片反应30 min。加入1 : 1盐酸,反应至没有气泡产生;减压过滤,用纯水洗涤沉淀至无Cl-;将固体转移至烧杯,加入6 mol·L-1硝酸充分反应;减压过滤,转移滤液到柄皿中,加热蒸发至表面有结晶膜出现,取下冷却、结晶;产物在110 ℃烘干恒重后即可得到硝酸银。称重,计算产率。

用Zn粉代替Zn片,考查Zn粉用量的影响,其它条件不变,锌粉用量分别是1.5和1.13 g。用Cu片代替Zn片,考查实验结果。

3.2.3 甲醛还原

将4.25 g NaOH固体溶于125 mL蒸馏水中,边搅拌边加入5.00 g AgCl固体;接着加入20%甲醛溶液9.5 mL,继续搅拌并加热30 min至上层为褐色;冷却后过滤,银粉洗至无Cl-;将固体转移至烧杯,加入6 mol·L-1硝酸,减压过滤,转移滤液到柄皿中,加热蒸发至表面有结晶膜出现,取下冷却、结晶;产物在110 ℃烘干恒重后即可得到硝酸银。称重,计算产率。

3.3 实验结果
3.3.1 钴回收结果

钴的回收结果如表1所示,回收率可以达到98%,所以该实验方案具有可行性。可以有效利用合成的三氯化六氨合钴。另外学生能够知其然,并且知其所以然,节约药品,达到药品循环利用的目的。

表1   钴的回收结果

实验序号m(三氯化六氨合钴)/gm(氯化钴)/g回收率/%
120.9597.94
231.4498.63

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3.3.2 银回收结果

硝酸银的回收结果见表2,硝酸银的纯度分析采用电感耦合等离子发射光谱法,工作曲线见图1。采用固相反应法,金属Ag的转化率最高,硝酸银的纯度为96.32%,此法方便可行。但由于采用固相研磨,无法一次性处理大量废弃物品。在氨性介质中用Zn片还原时,即使Zn片大大过量,金属Ag的转化率最低,只有59.2%。这是由于固液两相接触差,反应速度慢,从而导致反应转化率偏低。改用锌粉做还原剂时,增加了反应物之间的接触面积,反应速度加快,使得产品转化率明显提高。锌粉用量为1.13 g时,硝酸银的纯度只有81.22%。此时Zn和AgCl的反应摩尔比为2 : 1,从化学反应方程式可以看出,反应物用量为等量比例关系,可以判定单质Ag的析出速率较慢,容易包覆在锌粉的表面,使得中间产物金属Ag的纯度降低,从而导致最终产品硝酸银的纯度降低。当锌粉用量为1.5 g时,锌粉过量30%,单质Ag的析出速率较快,可显著改善沉淀包覆现象,进而提高产品纯度。采用Cu片还原时,由于生成了非常稳定的[Cu(NH3)4]2+配离子,使得化学反应平衡右移,加快了置换反应的速率,从而可以获得较为满意的转化率;同时由于Cu片体积较大,容易与析出的单质Ag分离,可制得纯度很高的硝酸银。用甲醛为还原剂时,碱性介质的存在加速了还有反应的进行,可以得到比较满意的转化率;单质Ag容易与其它反应混合物分离,同样可以得到纯度很高的硝酸银。可以看出几种方案中,氨性介质中用Cu片还原以及甲醛还原的产品纯度高达99%,用这个纯度的硝酸银配制成溶液,可以用来滴定氯含量,从而使整个实验中的钴和银循环利用,达到节能减排的目的。

表2   硝酸银回收结果

实验方案实验条件m(AgCl)/g(原料)m(AgNO3)/g(产品)转化率/%纯度/%
固相反应Zn粉1.5 g5.004.9683.796.32
氨性介质Zn片3 g5.003.5159.295.72
氨性介质铜片5.004.5977.499.47
氨性介质Zn粉1.5 g5.004.8481.693.52
氨性介质Zn粉1.13 g5.004.5276.281.22
甲醛还原37%甲醛5mL5.004.4074.299.13

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图1

图1   银的ICP工作曲线图


4 结语

钴、银重金属的回收实验可以增强学生的环保意识,加强学生循环利用重金属的理念。该实验内容适合以多种形式开展,比如综合性实验或者设计实验,尤以设计实验最为合适。学生需要自行完成查阅文献,拟定实验方案,实际动手操作,总结实验成果全过程。在这个过程中不仅可以强化基本操作和技能训练,还可以锻炼学生查阅文献、撰写论文的能力,增强对学生创新意识的培养,全面提升学生素质。

参考文献

周先波; 王永红; 毛红雷; 魏曼晖. 实验室科学, 2013, 16 (2), 194.

DOI:10.3969/j.issn.1672-4305.2013.02.061      [本文引用: 1]

徐烜峰; 李维红; 边磊; 关玲; 李恩敬; 张奇涵. 大学化学, 2018, 33 (4), 41.

URL     [本文引用: 1]

Weires N. A. ; Johnston A. ; Warner D. L. ; Mccormick M. M. ; Hammond K. ; Mcdouga O. W. J. Chem. Educ. 2011, 88 (12), 1724.

[本文引用: 1]

Corcoran K. B. ; Rood B. E. ; Trogden B. G. J. Chem. Educ. 2011, 88 (2), 192.

URL    

Olson E. J. ; Buhlmann P. J. Chem. Educ. 2010, 87 (11), 1260.

Bladt D. ; Murray S. ; Gitch B. ; Trout H. ; Liberko C. J. Chem. Educ. 2011, 88 (2), 201.

URL     [本文引用: 1]

刘葵; 汪建民. 实验室研究与探索, 2012, 31 (3), 140.

DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2012.03.038      [本文引用: 1]

关玲; 徐烜峰. 实验技术与管理, 2011, 28 (3), 314.

URL     [本文引用: 1]

王康; 张家宝; 马永旺; 折彤彤; 田华; 韩晓霞. 大学化学, 2017, 32 (12), 74.

DOI:10.3866/PKU.DXHX201707013      [本文引用: 1]

陈虹锦; 马荔; 马欣; 谢少艾; 张卫. 实验室研究与探索, 2007, 26 (3), 30.

DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2007.03.011     

李淑妮; 翟全国; 蒋育澄; 胡满成. 大学化学, 2018, 33 (3), 36.

URL    

南京大学大学化学实验教学组. 大学化学实验, 第3版 北京: 高等教育出版社, 2018.

范勇; 屈学俭; 徐家宁. 基础化学实验, 第2版 北京: 高等教育出版社, 2015.

[本文引用: 1]

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