AWANS INFORMACJE Dla nauczyciela Dla ucznia LOGOWANIE


Katalog

Mateusz Zawadzki, 2013-10-14
Opole

Chemia, Skrypty

Schemat utylizacji odpadów chemicznych na wybranych przykładach

- n +

1. Wstęp

Nie ulega jakimkolwiek wątpliwościom, że substancje chemiczne mają pozytywny wpływ na jakość życia ludzi. Chodzi tu na przykład o produkty farmaceutyczne, kosmetyki lub środki gwarantujące bezpieczeństwo żywności. Jednak z drugiej strony substancje chemiczne mogą być niebezpieczne dla ludzi i środowiska. Związki stałe mogą gromadzić się w organizmie, a metale ciężkie mogą zatruwać wodę, ryby i glebę. Aby uniknąć niepożądanych skutków należy nie tylko dobrze zbadać właściwości substancji chemicznych, ale świadomie i odpowiedzialnie nimi gospodarować.
Jednym z głównych celów powinno być zapewnienie wysokiego poziomu ochrony zdrowia ludzkiego i środowiska przy jednoczesnym zagwarantowaniu wysokiej wydajności
i jakości chemikaliów, z którymi ma do czynienia człowiek. Aby zrealizować ten cel chemicy, powinni wykorzystywać w swojej działalności dostępną wiedzę specjalistyczną, techniczną i naukową, do oceny ryzyka, na przykład dokonując oceny toksyczności związków chemicznych i biologicznych, których zastosowanie może być szkodliwe, jak również do utylizacji odpadów poprodukcyjnych.
Definicja odpadów została sformułowana w Ustawie z 27 kwietnia 2001r. – O odpadach (Dz.U. 2001 nr 62 poz. 628, z późń. zm.) Według niej odpady oznaczają każdą substancję lub przedmiot należący do jednej z kategorii, określonych w załączniku nr 1 do ustawy, których posiadacz pozbywa się, zamierza pozbyć się lub do ich pozbycia się jest obowiązany. Inaczej mówiąc, są to zużyte przedmioty oraz substancje stałe i ciekłe powstające w związku
z bytowaniem człowieka lub działalnością gospodarczą, nieprzydatne w miejscu i czasie,
w którym powstały, uciążliwe dla środowiska.
Odpady można podzielić ze względu na:
• skład chemiczny,
• właściwości,
• na miejsce ich powstawania,
• sposób ich unieszkodliwienia lub wykorzystania,
• czy ze względu na zagrożenie dla środowiska.
Rodzaj i ilość wytwarzanych odpadów zależy od typu surowców i stosowanej technologii produkcji, postępu technicznego, konsumpcji dóbr materialnych oraz kultury i etyki ekologicznej. Każdy niezagospodarowany i nie mający określonego przeznaczenia produkt (surowiec, materiał, produkt finalny) nabywa właściwości odpadu. Każdy odpad staje się surowcem lub materiałem z chwilą jego zagospodarowania lub przeznaczenia do zagospodarowania.
Dla pełnej charakterystyki odpadów koniecznym jest określenie:
• źródeł, warunków i wielkości wytwarzanych odpadów;
• pełnej charakterystyki właściwości fizyko-chemicznych i biologicznych;
• toksykologicznego zagrożenia dla środowiska;
• możliwości utylizacji odpadów z uwzględnieniem warunków technologicznych
i ekonomicznych;
• sposobów przetwarzania odpadów w formie nie zagrażającej środowisku;
• geologiczno-technicznych uwarunkowań składowania odpadów.
Najogólniej można podzielić odpady na odpady przemysłowe i komunalne. W obu tych kategoriach wydziela się ponadto odpady niebezpieczne.
Odpady chemiczne, które powstają w wyniku prac naukowych, badawczych, czy też przy produkcji są odpadami niebezpiecznymi, dlatego tak ważne jest ich zagospodarowanie przez unieszkodliwianie i utylizację. Właściwie powstawanie odpadów powinno być eliminowane lub ograniczane przez wytwarzających odpady i ich odbiorców niezależnie od stopnia uciążliwości bądź zagrożeń dla życia lub zdrowia ludzi oraz dla środowiska, a także niezależnie od ich ilości lub miejsca powstawania.
Działania powodujące lub mogące powodować powstawanie odpadów powinny być planowane, projektowane i prowadzone tak, aby:
• zapobiegały powstawaniu odpadów;
• zapewniały bezpieczne dla środowiska wykorzystywanie odpadów, jeżeli nie udało się zapobiec ich powstaniu;
• zapewniały zgodny z zasadami ochrony środowiska sposób postępowania z odpadami, których powstaniu nie udało się zapobiec lub nie udało się wykorzystać.
Wytwarzający odpady jest obowiązany do stosowania takich sposobów produkcji i form usług lub wykorzystywania takich surowców i materiałów, które zapobiegają powstawaniu odpadów albo pozwalają utrzymać na możliwie najniższym poziomie ich ilość, a także zmniejszają uciążliwość bądź zagrożenie odpadów dla życia lub zdrowia i dla środowiska przyrodniczego.
Jednym ze sposobów zagospodarowania odpadów jest ich unieszkodliwienie. Ustawa
o odpadach z 27 kwietnia 2001 roku określa definicję unieszkodliwiania odpadów - poddanie odpadów procesom przekształceń biologicznych, fizycznych lub chemicznych określonym w załączniku nr 6 do ustawy, w celu doprowadzenia ich do stanu, który nie stwarza zagrożenia dla życia, zdrowia ludzi lub dla środowiska.
Często określenie to jest porównywane znaczeniowo z pojęciem utylizacja - synonim słowa unieszkodliwianie - w rzeczywistości pojęcie to zasadniczo oznacza wykorzystanie odpadów jako surowców wtórnych do dalszego przerobu, a więc dotyczy tylko jednej z opcji systemu unieszkodliwiania.
W dalszej części pracy przedstawię schemat postępowania z odpadami chemicznymi, na przykładzie dwóch związków: nieorganicznego kwasu fluorowodorowego i związku organicznego, jakim jest metanoamina (metyloamina).

2. Schemat postępowania z odpadami kwasu fluorowodorowego

W laboratoriach najczęściej używany jest 38-40% roztwór wodny fluorowodoru (HF). Kwas fluorowodorowy jest związkiem należącym do kategorii bardzo toksycznych i silnie żrących (H 300/310/330, oraz 1A i H 314). Jest też związkiem bardzo reaktywnym – reaguje gwałtownie z metalami, metalami alkalicznymi i ich wodorotlenkami, mocnymi zasadami, związkami krzemu, utleniaczami (np. nadmanganian potasu).
Nie tylko kwas fluorowodorowy jest groźny dla środowiska. Pierwiastkowy fluor jak
i jony fluorkowe są silnie toksyczne. Wymienione związki zaburzają procesy enzymatyczne w komórkach hamując oddychanie tkankowe, przemianę węglowodanów, lipidów oraz syntezę hormonów. Dlatego też tak ważne jest, by unieszkodliwianie odpadów tego kwasu nie zakończyło się utworzeniem związku bardziej toksycznego.
Dobrym przykładem związku, którego można bezpiecznie użyć do neutralizacji odpadów kwasu fluorowodorowego jest wodorotlenek wapnia. Ta zasada, w postaci zawiesiny (mleko wapienne) lub proszku, jest powszechnie dostępna w laboratoriach,
a w połączeniu z HF daje trudno rozpuszczalną w wodzie sól - fluorek wapnia:

Ca(OH)2(s) + 2HF(aq) ↔ CaF2(s) + 2H2O

Fluorek wapnia występuje naturalnie w przyrodzie, w postaci minerału – fluorytu, dlatego też logicznym wydaje się wniosek, że związek ten nie będzie szczególnie szkodliwy i tak rzeczywiście jest. Toksyczność ostrą wykazuje dopiero przy podaniu doustnym i to powyżej
4 mg na kg masy ciała (LD50 doustnie - szczur – 4,25 mg/kg). Wprawdzie wykazuje drażniące właściwości na skórę (H 315) i oczy, pod warunkiem dostania się do spojówki (H 319), natomiast w kontakcie ze śluzówką dróg oddechowych może wywołać jej podrażnienie
(H 335), jednak nie stanowi zagrożenia, bowiem podobne właściwości wykazuje sól kuchenna (NaCl), z którą mamy kontakt niemal codziennie. Ponadto fluorek wapnia jest jednym z niewielu związków, które bez obaw można usunąć w postaci stałej, po uprzednim odsączeniu, wraz z odpadami komunalnymi, lub w postaci rozcieńczonego roztworu wodnego (o ile ilość odpadów nie przekracza jednorazowo 100 g) wprowadzić do systemu kanalizacyjnego.
Innymi zaletami stosowania wodorotlenku wapnia do neutralizacji odpadów HF jest niski koszt, oraz prostota metody. Wodorotlenek wapnia jest tanim odczynnikiem, powszechnym w laboratoriach. Sama zaś reakcja nie wymaga stosowania skomplikowanej aparatury, czy wykorzystania złożonych technik laboratoryjnych.
Całkowitą neutralizację związku stwierdzimy, gdy przestanie strącać się osad fluorku wapnia. Wówczas należy ostrożnie poddać ogrzewaniu ciecz zdekantowaną znad osadu. Jeżeli jej temperatura wrzenia będzie wyższa niż 100°C (dla 38-40% HF ≈ 120°C), oznacza to, że neutralizacja nie zaszła całkowicie i zlewki pozostałe po unieszkodliwianiu kwasu, należy ponownie poddać działaniu Ca(OH)2.
Należy pamiętać o bezwzględnym zachowaniu środków bezpieczeństwa przy neutralizacji kwasu fluorowodorowego. Cały proces należy wykonywać w odzieży ochronnej (fartuch, rękawice gumowe, okulary ochronne) i pod działającym wyciągiem.

3. Schemat postępowania z odpadami metanoaminy

W syntezie organicznej powszechne zastosowanie, ze względu na zasadowy charakter, znalazły aminy. Aminy są organicznymi pochodnymi amoniaku, w którym jeden, dwa, lub trzy atomy wodoru zostały zastąpione przez podstawniki alifatyczne lub aromatyczne.
Metyloamina (nazwa systematyczna zalecana przez IUPAC – metanoamina), jest aminą pierwszorzędową, dostępną w handlu w postaci 40% roztworu wodnego. Wykorzystywana jest ona do syntez, jednak ze względu na skrajną łatwopalność (H 224) i groźne dla zdrowia właściwości (H 315/318/335), praca z nią wymaga zastosowania stosownych środków ostrożności (praca pod działającym wyciągiem, w odzieży ochronnej). Metyloamina ma bardzo nieprzyjemny, rybi, zapach. Działa silnie drażniąco na śluzówkę oka i dróg oddechowych, a także powoduje podrażnienia skóry, dlatego też tak istotne jest rozsądne gospodarowanie odczynnikiem, by uniknąć produkcji nadmiernych ilości odpadów. Omawiana amina nie może być usunięta w niezmienionej postaci do środowiska. Została ona zakwalifikowana do związków szkodliwych dla wody 2 klasy. Nawet minimalne ilości metyloaminy powodują skażenie wód powierzchniowych, gruntowych i wody pitnej.
Ogólnie zaleca się, by roztwory amin ostrożnie neutralizować się przy pomocy rozcieńczonego HCl lub H2SO4. Powstają wówczas sole amoniowe wg ogólnego schematu:

CH3NH2 + HA ↔ CH3NH2+A-

Po neutralizacji kontroluje się wartość pH która powinna wynosić 6 – 8, a same zlewki wprowadza do pojemnika S (roztwory soli). Proponowane przeze mnie metoda, choć nieco bardziej skomplikowana, prowadzi do uzyskania mniej szkodliwych produktów.
Jak już wspomniałem, metanoamina jest aminą pierwszorzędową. Można wykorzystać ten fakt i przeprowadzić jej unieszkodliwianie z użyciem kwasu azotowego (III). Reakcja z HNO2 jest reakcją charakterystyczna dla amin, pozwalającą zdeterminować ich rzędowość. Alifatyczne aminy pierwszorzędowe poddane działaniu tego kwasu, w temperaturze poniżej 5ºC, tworzą nietrwałe sole diazoniowe, które natychmiast ulegają rozpadowi do alkoholu
i cząsteczkowego azotu. Ze względu na to, że kwas azotowy (III) istnieje w sensie in statu nascendi, na zlewki metyloaminy należy działać azotanem (III) sodu z dodatkiem rozcieńczonego kwasu (np. HCl):

NaNO2(aq) + HCl(aq) ↔ HNO2(aq) + NaCl
HNO2(aq) + CH3CH2(aq) ↔ CH3OH + N2(g) + H2O

Oddestylowany metanol, uzyskany w reakcji metanoaminy z kwasem azotowym (III), może być ponownie wykorzystany do innych reakcji, co wpasowuje się w trend utylizacji odpadów chemicznych. Warto też wspomnieć, że metanol jest dużo mniej szkodliwy (H 301, H 311, H 331 – działa toksycznie po połknięciu, w kontakcie ze skórą lub w następstwie wdychania), niż np. chlorowodorek metyloaminy (H 302,
H 315, H 319, H 335 – działa szkodliwie po połknięciu i drażniąco na skórę, oczy i drogi oddechowe), uzyskiwany przez neutralizację metyloaminy rozcieńczonym kwasem solnym.
Metanol może być usunięty wraz z wodą poreakcyjną, do pojemnika oznaczonego symbolem O (ciekłe organiczne, bez fluorowców). Azot wydzielający się
w trakcie reakcji, nie jest szkodliwy, bowiem występuje powszechnie w atmosferze.
Przedstawiona przeze mnie metoda, choć wymaga zastosowania bardziej skomplikowanych technik laboratoryjnych (obniżenie temperatury układu poniżej 5ºC w łaźni lodowej) oraz dodatkowych odczynników (NaNO2, rozcieńczony kwas), jest lepsza niż przeprowadzenie metyloaminy w sól amoniową, ponieważ otrzymujemy produkty całkowicie bezpieczne dla środowiska (azot, woda) oraz uzyskujemy związek, który można ponownie zastosować w laboratorium (metanol).
Gdy po neutralizacji metyloaminy przestaną wydzielać się pęcherzyki gazu, należy poddać uzyskany roztwór powolnemu ogrzewaniu. Jeżeli jego temperatura wrzenia będzie niższa niż 64,5°C, wówczas neutralizację należy powtórzyć, bowiem w roztworze znajduje się jeszcze metyloamina.

4. Bibliografia
• Z. Dobkowska, K.M. Pazdro – „Szkolny poradnik chemiczny”, WSiP,
Warszawa 1990;
• R. T. Morrison, R. N. Boyd – „Chemia organiczna. Tom 1”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997;
• J. Chojnicka, J. Zagórska – „Utylizacja odpadów przemysłu chemicznego”, biuletyn PARP, Warszawa 2010;
• Dz.U. 2001 nr 62 poz. 628 – Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach;
• Karta charakterystyki produktu – Metyloamina (roztwór 40% w wodzie) do syntezy, Scharlab S.L., listopad 2011;
• Karta charakterystyki produktu – Kwas fluorowodorowy 38-40% ekstra czysty, Merck KGaA, listopad 2011;
• Karta charakterystyki produktu – Calcium fluoride, Sigma-Aldrich, listopad 2011;
• Karta charakterystyki produktu – Metanol czystość hiper do syntez, Merck KGaA, marzec 2012;
• Karta charakterystyki produktu – Metyloamina, chlorowodorek, Sigma-Aldrich, październik 2012;
Zgłoś błąd    Wyświetleń: 1697


Uwaga! Wszystkie materiały opublikowane na stronach Profesor.pl są chronione prawem autorskim, publikowanie bez pisemnej zgody firmy Edgard zabronione.


BAROMETR


1 2 3 4 5 6  
Oceń artukuł!



Ilość głosów: 0

Serwis internetowy, z którego korzystasz, używa plików cookies. Są to pliki instalowane w urządzeniach końcowych osób korzystających z serwisu, w celu administrowania serwisem, poprawy jakości świadczonych usług w tym dostosowania treści serwisu do preferencji użytkownika, utrzymania sesji użytkownika oraz dla celów statystycznych i targetowania behawioralnego reklamy (dostosowania treści reklamy do Twoich indywidualnych potrzeb). Informujemy, że istnieje możliwość określenia przez użytkownika serwisu warunków przechowywania lub uzyskiwania dostępu do informacji zawartych w plikach cookies za pomocą ustawień przeglądarki lub konfiguracji usługi. Szczegółowe informacje na ten temat dostępne są u producenta przeglądarki, u dostawcy usługi dostępu do Internetu oraz w Polityce prywatności plików cookies.
Dowiedz się więcej.