TKP4105/TKP4110 Fentonoksidasjon Arbeidsplan

Transkript

1 TKP4105/TKP4110 Fentonoksidasjon Arbeidsplan Audun F. Buene Elise Landsem Gruppe B19 Veileder: Tom G. Skog Laboratorie: K4-213 Utføres: 9. Oktober 2012

2 Innhold 1 Introduksjon 1 2 Teori Fentonoksidasjon Kinetikk Eksperimentelt Fremgangsmåte Fremstilling av løsninger A Sikkerhetsanalyse og kjemikaliekort 7 1 Introduksjon Dette eksperimentet ble utført som en del av faget TKP4110 Reaksjonsteknikk ved NTNU, høsten Hensikten med oppgaven var å demonstrere mulighetene for å bruke en moderne in-situ spektroskopimetode, UV-VIS spektroskopi, for å undersøke reaksjonskinetikk. I eksperimentet ble det undersøkt hvordan reaksjonskinetikken påvirkes av endring i temperatur og konstrasjonen av katalysatoren Fe(II). Det skal også undersøkes om antakelsen om at dette er en pseudo-første ordens reaksjon er gyldig. 1

3 2 Teori 2.1 Fentonoksidasjon Fentonoksidasjon er brukt i oksidering av avfallsstoffer i avløpsvann. Selve oksideringen skjer med hydroksylradikaler, som er katalysert av jernioner. Vesentlige reaksjoner for forsøket er: Fe(II) + H 2 O 2 Fe(III) + OH + OH (2.1) Fe(III) + H 2 O 2 Fe(II) + HOO + H + (2.2) HO + H 2 O 2 HOO + H 2 O (2.3) HO + Fe(II) Fe(III) + OH (2.4) Fe(III) + HOO Fe(II) + O 2 H + (2.5) Fe(II) + HOO + H + Fe(III) + H 2 O 2 (2.6) 2HOO H 2 O 2 + O 2 (2.7) HO + H + + e H 2 O (2.8) 2.2 Kinetikk Det er mange reaksjoner som inngår i dette eksperimentet, noe som gjør at studien av kinetikken blir ganske komplisert. Et generelt uttrykk for nedbrytingen av organiske forurensninger er gitt ved: r = dc RH dt = k OH c HO c RH + i k axi c axi c RH (2.9) Uttrykket over kan forenkles som pseudo-første orden, ved å gjøre noen antakelser. Hydroksylradikalet antas å være det eneste aktive oksidasjonsmiddelet, slik at leddene med subskript ax i kan neglisjeres. Konsentrasjonen av HO er ikke så lett å måle, men denne kan antas å være konstant ved gitte betingelser. Uttrykket i 2

4 Ligning 2.9 forenkler seg dermed til: r = dc RH dt = k app c RH (2.10) hvor k app er den observerte hastighetskonstanten. Hvis man intergrerer opp denne formelen, står man igjen med et uttrykk for konsentrasjonen av organiske forurensinger: ln c RH = ln c RH0 k app t (2.11) Absorbans skal benyttes for å måle konsentrasjonen av NBB i løsningen, som er relatert via følgende formel: A = ε RH c RH l (2.12) hvor ε RH er molar absorpsjonskoeffisient, c RH er konsentrasjonene av organsik forurensning og l er lengden lyset vandrer i prøven. Siden konsentrasjonen og absorbansen er direkte proporsjonale, kan konsentrasjonen substitueres med absorbansen, og Ligning 2.11 kan skrives om til: Til slutt Arrhenius ligning for k app : ln A RH 0 A RH = k app t (2.13) k app = Ae Ea RT (2.14) hvor A er absorbans, E a aktiveringsenergi, R den universelle gasskonstant og T temperatur i Kelvin. 3

5 3 Eksperimentelt Eksperimentet er beskrevet i dokumentet Kinetic studies using UV-VIS spectroscopy - Fenton reaction [1]. 3.1 Fremgangsmåte Spektrometer og ph-meter ble kalibrert i forkant av veileder. På laboratoriet ble først lampen til spektrometeret skrudd på, og løsninger til de åtte eksperimentene ble lagd som beskrevet i Tabell 3.1. Deretter ble følgende fremgangsmåte brukt for hvert eksperiment: ph på Naphtol-løsningen ble justert før jernsulfat ble tilsatt under omrøring. Reaksjonskolben ble nøye dekket med aluminiumsfolie for å unngå direkte lys på proben. Temperaturen ble justert og proben tilsatt. Til slutt ble lagring av spektra startet og hydrogenperoksid ble tilsatt som siste steg. 3.2 Fremstilling av løsninger 20 mg/l Naphtol blue black: 2 liter skal lages gram NBB kan da løses i vann, og volumet fylles opp til 2 liter. FeSO 4 7 H 2 O: M FeSO4 7 H 2 O = g/mol. For 1 liter løsning med X g FeSO 4 7 H 2 O: c FeSO4 = X [g FeSO 4 7 H 2 O] [g FeSO 4 7 H 2 O/mol] = Y [mol FeSO 4/ L sol.] (3.1) H 2 SO 4 : Har 4 M løsning. For å lage 1 M løsning må startløsningen fortynnes 1:4 med vann. c H2 SO 4 = c 0(H 2 SO 4 ) 4 (3.2) NaOH: M NaOH = g/mol. 1 M NaOH-løsning kan lages ved at gram NaOH (s) veies ut, og vann tilsettes til løsningen har et totalt volum på 100 ml. H 2 O 2 : Utlevert konsentrasjon er c 0, og ønsket konsentrasjon er c. Tetthetene til 4

6 vann og hydrogenperoxid kan antas å være like. Dette kan oppnås ved å: c H2 O 2 = 370 [g H 2O 2 /1000 g] [g H 2 O 2 /mol] = [mol H 2O 2 / L sol.] (3.3) Tabell 3.1: Detaljert oversikt over forsøkskriterier for hvert eksperiment. Gjengitt slik oppgitt i utdelt regenark. Eksp. nr. Temp. [ C] H 2 O 2 [ml sol.] ph Naphtol Blue [ml sol.] Black Totalt volum [ml] Jernsulfat [mg/250ml] 5

7 Trondheim, 8. oktober 2012 Elise Landsem Audun F. Buene Referanser [1] Felleslab; Kinetic studies using UV-VIS spectroscopy, Fenton reaction, laboratorieoppgave. 6

8 A Sikkerhetsanalyse og kjemikaliekort NTNU Norges teknisknaturvitenskapelige universitet Kjemikaliekort STOFFNAVN Naphtol Blue Black FORMEL C 22H 14N 6Na 2O 9S 2 HELSEFARE Grad 2 FYSIKALSKE DATA VERNETILTAK Molvekt Form Farge BRANNFARE Grad 0 616,49 g/mol Pulver Mørk brun REAKSJONSFARE Grad 0 Bruk gassmaske ved behov. Benytt hansker. Bruk beskyttelsesbriller. Beskytt hud og kropp etter mengde og konsentrasjon som håndteres. ADMINISTRATIV NORM HELSEFARE Innånding Svelging Hud Øyne Kan gi irritasjon ved innånding. Kan være skadelig ved svelging. Kan være skadelig ved absorbsjon gjennom huden. Irriterer huden. Irriterer øynene. BRANNSLUKKING Bruk vannspray, alkoholresistant skum, tørre kjemikalier eller karbondioksid. MERKNADER Unngå sterke oksiderende midler. Danner farlige produkter ved brann: karbonoksider, nitrogenoksider, svoveloksider, natriumoksider. FØRSTEHJELP ØYNE Rens kontinuerlig med vann I flere minutter. Fjern kontaktlinser hvis disse er tilstede og det er enkelt å gjøre dette. Fortsett rensingen, minst 15 minutter. Konsulter med lege. HUD Vask med såpe og store mengder vann. Konsulter med lege. SVELGING Aldri gi noe via munn til en bevistløs person. Rens munn med vann. Konsulter med lege. INNÅNDING Flytt personen til et område med frisk luft. Hvis personen ikke puster skal kunstig åndedrett gis. Konsulter med lege. SPESIELLE MERKNADER SPILL/ RESTER LAGRING Samles opp og destrueres i henhold til lokale retningslinjer. Beholderen skal være godt lukket og oppbevares på et tørt og godt ventilert sted.

9 side 1 av NTNU Risikovurdering Nummer Dato HMS-avd. HMSRV2601. Hazardous activity identification process Godkjent av Side Erstatter HMS Unit: Kjemisk prosessteknologi Date: Line manager: Øyvind Gregersen Participants in the identification process (including their function): Short description of the main activity/main process: Comment Existing safety measures Existing documentation Laws, regulations etc. Responsible person ID no. Activity/process Safety goggles, lab coat Kinetic studies using UV-VIS spectroscopy, Fenton reaction T.G.S Fenton oxidation

10 side 2 av NTNU Utarbeidet av Nummer Dato Risk assessment HMS-avd. HMSRV Godkjent av Side Erstatter HMS /KS Unit: Kjemisk prosessteknologi Date: ### Line manager: Øyvind Gregersen Participants in the identification process (including their function): Signatures: ID no. Activity from the identification process form Potential undesirable incident/strain Likelihood: Likelihood (1-5) Human (A-E) Consequence: Environment (A-E) Economy/ material (A-E) Reputation (A-E) Risk value Human Comments/status Suggested measures Hyrdogen peroxide Spillage 2 B A A A 2B Goggles, lab coat, gloves 1 2 Napthol blue black Spillage 2 B A A A 2B Goggles, lab coat, gloves 3 4