XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Переработка стекла методом выщелачивания

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Васильев А.Н. 1

---

1МАОУ "СОШ №134"

Зонова В.Ю. 1

---

1МАОУ "СОШ №134"

Работа в формате PDF

2.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Стекло широко применяется человеком практически во всех сферах деятельности из-за его прозрачности, устойчивости к воздействию воды и воздуха, сравнительной прочности, безопасности для организма человека, низкой стоимости и других полезных свойств. Изделия из стекла окружают нас повсюду, нелегко назвать другой материал с таким же широким спектром применения. Поэтому для стекла характерен крупный масштаб производства. Проблема стекла, как и любого другого материала, заключается в том, что при большом объёме производства неминуемо появляются тонны непригодных и отслуживших свой срок изделий, мусора. Стеклянный мусор опасен по ряду причин[1]:

Цельные изделия из стекла сохраняются в почве без разложения на протяжении тысяч лет.

Битое стекло под действием физических и химических процессов выделяет в почву отравляющие щёлочи. Стеклянные изделия могут стать причиной пожаров. Осколки стекла могут травмировать людей, диких и домашних животных.

Существует метод переработки стекла, основанный на переплавке мусора одинакового цвета и формирования из стекломассы заготовок для повторного производства. Процесс может осуществляться неограниченное количество раз, однако не способен поменять цвет и качество стекла, к тому же он требует использования дополнительного кварцевого песка и других веществ. Именно поэтому актуальна разработка новых методов переработки стекла, исключающих указанные проблемы.

Гипотеза: предположим, что этих недостатков можно избежать, используя для переработки стекла его способность разлагаться в расплавах сильных щелочей. Тогда мы сможем разделить стекло на составные части и удалить красящие примеси, чтобы из полученных компонентов сделать сырьё с нужными свойствами.

Объектом проекта выступает переработка стекла.

Предметом является переработка стекла методом выщелачивания.

Целью проекта будет являться разработка метода переработки стекла при помощи расплавов щелочей, позволяющего разложить стекло на достаточно чистые, пригодные для использования в промышленности компоненты.

Задачи проекта:

Изучить литературу по теме проекта.

Создать теоретическую основу для проведения переработки на практике.

Подтвердить теорию опытом, реализующим предложенный способ переработки.

Для достижения поставленной цели и выполнения задач будут использованы такие методы, как изучение и анализ литературы, составление схем и таблиц, проведение опыта.

Продукт проекта будет применим на практике при переработке стекла и при создании стекла с особыми свойствами.

Глава 1. Изучение химических свойств стекла при помощи анализа литературы, разработка теоретического материала на основе изученного для осуществления переработки.

1. 1. Строение и химические свойства стекла

Чтобы понять, как использовать взаимодействие стекла с щелочами, необходимо рассмотреть процесс с точки зрения химии.

Идеально чистое стекло представляет собой смесь оксидов кальция, натрия и кремния, объединённых единой кристаллической решёткой, и имеет формулу: CaO × Na₂O × 6SiO₂

Рисунок 1 - Изображение кристаллической решётки стекла (только диоксид кремния)

Не трудно заметить, что больше всего в составе стекла диоксида кремния, который вступает в реакцию с щелочами с образованием силикатов. В результате кристаллическая решётка нарушается и распадается, происходит своеобразное растворение стекла:

CaO × Na₂O × 6SiO₂+ 12NaOH = 6Na₂SiO₃ + CaO + Na₂O + 6H₂O

Однако, этой реакции недостаточно для успешной переработки, поскольку нам необходимо получить применимые в промышленности вещества, которые можно было бы легко разделить в получившейся смеси продуктов. При этом важно учитывать побочные реакции, происходящие в результате взаимодействия продуктов основной реакции – оксидов щелочных металлов и воды.

Для удобной работы была создана схема, предусматривающая и побочные реакции, и необходимость в получении легко разделимых продуктов. Схема поделена на три ветки, соответственно трём составляющим стекла (каждой ветке присвоен цвет, для более удобной работы), и на два этапа, отражающих реакцию растворения и реакцию приведения продуктов к состоянию, в котором их можно легко разделить[1].

ЭТАП 1

ЭТАП 2

Продукты реакций: NaOH (р), Ca(OH)₂ (м), SiO₂ (н).

Схема1 - для отслеживания побочных реакций

В результате переработки идеального стекла мы получаем растворимый гидроксид натрия, малорастворимый гидроксид кальция и нерастворимый диоксид кремния. Разделить смесь можно, растворив гидроксиды в большом количестве воды, попутно отфильтровав нерастворимый диоксид кремния, после чего разделить щелочи, используя их различие в растворимости[2].

Но целью проекта является создание способа переработки цветного стекла, что подразумевает проведение реакций с красящими примесями. Такие реакции можно отследить, ориентируясь по схеме идеального стекла. Результат такой работы удобно выразить в виде таблицы. В качестве примера представлена таблица по переработке широко распространённого коричневого стекла с примесью оксида железа (2) в качестве красителя:

Этап 1

Этап 2

Таблица реакций 1 , проходящих при переработке коричневого стекла.

В итоге работы с конкретно данной примесью не происходит никаких побочных реакций по цветным веткам, а продукт реакции – метагидроксид железа, является нерастворимым, что позволяет легко отделить его от смеси вместе с диоксидом кремния по вышеописанному способу. После этого необходимо провести разделение уже диоксида кремния и метагидроксида железа, что можно сделать при помощи воздействия на смесь любой сильной кислоты с образованием растворимой соли железа, кроме фтороводородной, так как она приведет к нежелательной реакции с диоксидом кремния. К примеру можно использовать хлороводородную (соляную) кислоту:

FeO(OH) + SiO₂ + 6HCl = FeCl₃ + 3H₂O + SiO₂

Видно, что диоксид кремния не вступает в реакцию, в то время как метагидроксид железа превращается в растворимы хлорид железа (3), который легко отделяется при помощи растворения и фильтрации смеси[3].

Результатом реакций, описанных в теоретической части является ряд химических соединений, которые очищаются друг от друга растворением, осаждением и химическими превращениями, связанными со сменой растворимости. Важно заметить, что получившиеся гидроксиды нельзя использовать для производства нового стекла, для начала необходимо получить из них карбонаты. Сделать это можно при помощи взаимодействия растворов гидроксидов с углекислым газом:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO3 + H₂O

Для гидроксида кальция.

И

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ = H₂O

Для гидроксида натрия.

Последняя реакция протекает именно таким образом только при использовании концентрированного гидроксида натрия.

Теперь подтвердим теорию практической деятельностью, проведя ряд указанных реакций, показывающих состоятельность гипотезы.

Глава 2. Проведение опыта, доказывающего состоятельность гипотезы на практике.

2.1 Проведение основной реакции

Из предыдущей главы следует, что для осуществления переработки стекла необходимо провести реакцию стекла с расплавом гидроксида натрия. Для этого использовалось прозрачное стекло, которое было предварительно измельчено до нескольких фракций от пыли до осколков 1-7 мм в длину и ширину. К стеклу добавляли гидроксид натрия в соотношении 1 к 1, исходя из расчётов:

m(Na₂O×CaO×6SiO₂) = 5г

m(NaOH) = ?

n = m/M

m = n×M

Na₂O×CaO×6SiO₂+ 12NaOH = 6Na₂SiO₃ + 6H₂O + Na₂O + CaO

n(Na₂O×CaO×6SiO₂) = 5/(23+23+16)+(40+16)+(6(28+16+16)) = 5/478 = 0,01 моль

n(NaOH) = 0,01×12 = 0,12 моль

m(NaOH) = 0,12×(23+16+1) = 0,12×40 = 4,8г (округляем до 5г, необходим избыток)

Реакция проводилась в 3 глазурованных керамических тиглях, поверхность которых тоже вступила в реакцию, оказав незначительное влияние на ход опыта. Тигли нагревались в муфельной печи до 1200 ˚C, после чего медленно остывали в течении 8 часов, обеспечивая подходящую среду для протекания реакции. В результате в тиглях образовалась голубоватая твердая масса, представляющая собой продукт реакции, внутри которой были различимы крупные осколки стекла, тоже покрытые этой массой. Смена цвета уже свидетельствует о том, что химическая реакция прошла. Глазурь на стенках тиглей была покрыта трещинами, сами стенки тоже были треснуты, преимущественно на дне. На месте реакции щелочи с керамикой образовался яркий зелёный налёт[4].

Рисунок 2 - Внешний вид тиглей и их содержимого после реакции

Содержимое тиглей однородно с встречающимися кусочками стёкол. Кусочки подверглись воздействию щёлочи и высокой температуры, вступили в реакцию с внешней стороны, внутри стали хрупкими настолько, что их можно крошить пальцами или пинцетом без особых усилий.

Рисунок 3 - Внешний вид наружного слоя кусочков стекла и их внутреннего содержимого, сравнение размеров осколков с делениями на линейке

Однако, внешних признаков недостаточно, чтобы судить о правильности всей гипотезы. Для её подтверждения нужно установить, что продукты реакции на практике совпадают с предполагаемыми в теории. Для этого необходим материал для исследования, который был получен в результате «вскрытия» тигля номер 1. В качестве материала выделаются крупные осколки стекла и мелкие осколки стекла и голубоватой смеси продуктов реакции, стенки тигля с налётом из продуктов реакции.

Рисунок 4 - Материал для исследования

В результате исследования необходимо установить совпадение полученных веществ с предполагаемыми. В результате реакции должны были получится гидроксиды натрия и кальция, а так же силикат натрия. Гидроксид натрия не нуждается в обнаружении, поскольку являлся исходным участником реакции. Определим присутствие силиката натрия и гидроксида кальция [5].

Для начала убедимся в том, что смесь действительно содержит в себе гидроксиды. Подтверждение этого не гарантирует факта успешно проведённой реакции, поскольку щёлочь присутствовала в качестве исходного вещества, тем не менее необходимо перестраховаться и проверить её наличие, измерив водородный показатель.

Для этого в пробирку помещаем несколько небольших осколков продукта и один крупный.

Рисунок 5 – Промежуточный результат

Заливаем содержимое пробирки водой, наблюдаем выделение пузырьков, что свидетельствует о бурной диссоциации, характерной для гидроксида натрия.

Измеряем уровень pH полученного раствора. Получаем результат около 13-14 уровня, что говорит о щелочной среде раствора, теперь можно уверенно продолжать исследование продолжать исследование.

2.2. Определение присутствия силиката натрия в продукте реакции.

Силикат натрия обладает особым свойством – он способен повышать вязкость своего щелочного раствора. Подобное явления точно указывает на присутствие этого вещества в растворе. Таким образом, для обнаружения силиката необходимо приготовить раствор продукта реакции. В качестве материала выбран налёт со стенок тигля из-за наиболее низкого содержания в нём нерастворимых частиц стекла. Готовим раствор.

Рисунок 6 – Промежуточный результат

После осаждения взвеси в растворе наблюдаем, что жидкость приобрела постоянную форму и только слегка колеблется у поверхности. Можно переворачивать и встряхивать пробирку, при этом содержимое остаётся внутри.

Рисунок 7 – Перевернутая пробирка

После перемешивания содержимого пробирки стеклянной палочкой, оно снова стало жидким. Наличие в продукте реакции силиката натрия доказано.

2.3. Обнаружение ионов кальция в составе продукта реакции вне кристаллической решётки стекла.

Определить присутствие гидроксида кальция в продукте реакции без специального оборудования не возможно из-за специфики свойств других компонентов продукта. Решить эту проблему можно, осуществив ряд химических превращений с участием гидроксида кальция, по итогам которых можно будет без проблем определить ионы кальция, свидетельствующие о присутствии гидроксида этого металла в продукте основной реакции.

Для начала в пробирке нагреем воду до кипения (100˚C), под действием воды, нагретой до такой температуры, силикат натрия разлагается до гидроксида натрия и диоксида кремния (избавится от силиката необходимо для успешного проведения дальнейших реакций).

Рисунок 8 - Кипячение воды в пробирке.

В кипящую воду добавляем кусочки продукта небольшого размера, кипятим 10 минут, наблюдаем возникновение нерастворимой взвеси вследствие разложения силиката натрия:

Na₂SiO₃ + H₂O = 2NaOH + SiO₂

Рисунок 9 – Кусочки продукта

Рисунок 10 - Разложение силиката натрия.

После разложения силиката натрия добавляем в остывший раствор избыток уксусной кислоты, чтобы получить из нерастворимого гидроксида кальция растворимый ацетат кальция:

Ca(OH)₂ + 2CH₃COOH = (CH₃COO)₂Са + 2H₂O

Параллельно проходит нейтрализация гидроксида натрия уксусной кислотой:

NaOH + 2CH₃COOH = CH₃COONa + H₂O

После реакции получаем раствор ацетата натрия, ацетата кальция и осадок диоксида кремния с кусочками стекла. Видно, что почти весь гидроксид кальция прореагировал и растворился, оставив кусочки стекла прозрачными, без белой оболочки.

Рисунок 11 - Реакция щелочей с уксусом, прозрачные стёкла в диоксиде кремния.

Для определения ионов кальция в растворе необходимо удалить из него осадок, так как качественная реакция на кальций будет именно с выпадением осадка. Пропускаем раствор через бумажный фильтр. Диоксид кремния со стеклом остаётся в пробирке и на фильтре.

Рисунок 12 - Фильтрация раствора.

Теперь переходим к определению ионов кальция в очищенном растворе. Для этого к нему приливаем избыточное количество ортофосфорной кислоты. Происходят реакции ионного обмена между ацетатом натрия и ортофосфорной кислотой и ацетатом кальция и ортофосфорной кислотой с образованием соответствующих фосфатов:

3 CH₃COONa (р) + H₃PO₄ (р) = Na₃PO₄ (р) + 3CH₃COOH (р)

3(CH₃COO)₂Ca (р) + 2H₃PO₄ (р) = Ca₃(PO₄)₂ (н) + 6CH₃COOH (р)

При этом все исходные вещества и продукты реакции растворимы, кроме фосфата кальция, который выпадает в осадок. Появление осадка и будет признаком присутствия ионов кальция в растворе и, следовательно, гидроксида кальция в продукте основной реакции. Сразу после добавления ортофосфорной кислоты наблюдается помутнение раствора, для ускорения реакции нагреваем сосуд, образуются небольшие белые нерастворимые хлопья. Спустя сутки на дне пробирки скопилось небольшое количество белого осадка, который можно заметить, если приподнять его в воде при помощи стеклянной палочки.

Рисунок 13 - Образование мутной взвеси фосфата кальция.

Рисунок 14 - Возникновение и осаждение хлопьев фосфата кальция.

Рисунок 15 - Взвесь фосфата кальция, поднятая стеклянной палочкой после суток осаждения.

Таким образом, нам удалось доказать присутствие в продукте ионов кальция вне кристаллической решётки стекла, то есть подтвердить образование гидроксида кальция.

Заключение.

Анализируя работу, можно сделать вывод о том, что гипотеза, выдвинутая в введении, подтверждается в теории и на практике. Продуктом проекта является ряд теоретических сведений, включая авторскую схему, который может найти свое применение в переработке стеклянного мусора или в качестве альтернативного способа получения диоксида кремния.

Список литературы

1.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE

2.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B8%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%B0%D1%80%D1%8B

3.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE#%D0%A1%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2_%D0%B8_%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B8_%D1%81%D1%82%D1%91%D0%BA%D0%BE%D0%BB

4.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE#%D0%A1%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0_%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%B0

5.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE#%D0%9D%D0%B0%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%B5%D0%B2%D0%BE-%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE