ró nomodułowe szkła wodne sodowe

Proceedings of ECOpole
Vol. 1, No. 1/2
2007
Wiesław KOŹLAK1
BADANIA METODĄ TURBIDYMETRYCZNĄ UKŁADÓW
„RÓŻNOMODUŁOWE SZKŁA WODNE SODOWE - WYBRANE
SOLE KADMU”
TURBIDIMETRIC STUDIES ON SYSTEMS COMPOSED OF SODIUM WATER
GLASSES OF DIFFERENT MODULI AND SELECTED CADMIUM SALTS
Streszczenie: Spośród bardzo wielu przykładów wykorzystania szkieł wodnych sodowych w różnych dziedzinach
przemysłu i gospodarki, a jednocześnie o nieznanych mechanizmach ich działania, w literaturze światowej
nieznaczna ilość informacji dotyczy reagowania krzemianów sodu z solami nieorganicznymi, które zawierają jony
m.in. toksycznych metali powodujące zanieczyszczenia ekosystemów. Metodą turbidymetryczną, polegającą
na otrzymywaniu rozpuszczalnego koloidalnego krzemianu, badano układy zawierające szkła wodne sodowe
produkcji szwedzkich zakładów Eka-Chemicals oraz wybrane sole kadmu. Z przebiegu krzywych zmętnienia
(zależność mętności [NTU] od czasu [min]) wynika, że tworzenie się koloidalnych krzemianów kadmu zależy
od rodzaju zastosowanej soli oraz rodzaju szkła wodnego charakteryzowanego przez moduł krzemianowy Mk,
a zatem i skład chemiczny jego roztworów wodnych. Na podstawie reakcji szkieł wodnych z solami kadmu
dokonano oceny możliwości ich zastosowania do usuwania jonów Cd2+ z mediów m.in. ze ścieków
przemysłowych i komunalnych.
Słowa kluczowe: szkła wodne sodowe, sole kadmu, turbidymetria, koloidalne krzemiany kadmu, ścieki
W glebach kadm występuje w postaci rozproszonej, nie tworzy samodzielnych złóż
minerałów. Charakterystyczną właściwością tego pierwiastka w środowisku wodnym
i glebowym, decydującą o bardzo dużych zdolnościach migracyjnych jest szeroki zakres
trwałości akwajonu [Cd(H2O)6]2+ i innych jego związków kompleksowych w zakresie pH
od 1 do 8. W osadach dennych zawartości kadmu bywają aż 50-krotnie większe niż
w glebach i to jest jedną z przyczyn ograniczających wykorzystanie osadów pościekowych.
W
powietrzu
atmosferycznym,
zanieczyszczonym
emisjami
z
elektrowni
i elektrociepłowni, kadm występuje w stanie rozpylonym (Cd0 lub CdO) [1-3].
Właściwości kadmu, jego toksyczność i wpływ na organizmy żywe
Kadm jest metalem miękkim, srebrzystobiałym, odpornym na działanie powietrza
(pokrywa się ochronną warstwą tlenku). Przy ogrzaniu do temperatury wrzenia wydziela
żółtobrązowe pary. Ogrzany w powietrzu pali się, dając brązowe pary CdO. Łatwo reaguje
z kwasami. Jest bardzo toksyczny i rakotwórczy, unieczynnia enzymy, łącząc się
z grupami –SH, i powoduje spustoszenie organizmu, a więc odwapnienie i deformację
kości, zanik mięśni, węchu, impotencję, nadciśnienie oraz nowotwory, zwłaszcza
gruczołów rozrodczych. W moczu pojawia się dopiero po uszkodzeniu nerek, np. po
tygodniu od zarażenia. Wraz z uszkodzeniem nerek wzrasta ilość Cd w moczu [4]. Objawy
zatrucia kadmem mogą się pojawić po kilku latach (drapanie i suchość w gardle, ból i ucisk
w klatce piersiowej, duszność, sinica, niewydolność krążenia i oddychania, niekiedy
nudności i wymioty oraz ból głowy). Zatrucie kadmem przypomina zatrucie tlenkami azotu
1
Instytut Chemii, Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii, Politechnika
ul. I. Łukasiewicza 17, 09-400 Płock, tel./fax 024 262 36 91, e-mail: [email protected]
Warszawska,
160
Wiesław Koźlak
[1, 4]. Kadm dostaje się do organizmu drogą oddechową i pokarmową. Zatrucie przez
przewód pokarmowy spowodowane jest często pożywieniem z zamrażalnika o ściankach
kadmowych. W soku żołądkowym kadm wchodzi w reakcję z kwasem solnym, dając
CdCl2, który powoduje ostre stany zapalne przewodu pokarmowego [4].
Należy do pierwiastków, dla których system korzeniowy roślin nie stanowi żadnej
bariery. Dodatkowo niektóre rośliny, np. tytoń, kumulują go w liściach. Osoby palące
lub przebywające z palaczami w tym samym pomieszczeniu są narażone na oddziaływanie
aerozolu zawierającego kadm w ilościach 0,1÷0,2 mg na każdy wypalony papieros.
Resorpcja kadmu i jego związków z układu oddechowego jest dosyć duża, sięga nawet do
40%. Znacznie mniejsze ilości kadmu są pobierane przez przewód pokarmowy około 6%. Resorpcja może ulec zwiększeniu przy małej zawartości w diecie związków
wapnia i żelaza. Kadm zakłóca metabolizm białek, ogranicza przyswajanie żelaza,
zwiększa wydalanie wapnia [5-7].
Chociaż kadm jest stosunkowo rzadkim pierwiastkiem, obecnie zaliczono go
do substancji poważnie zanieczyszczających środowisko. Najbardziej znany przykład
skażeń kadmem pochodzi z Japonii w postaci choroby Itai-itai. Objawami są bóle
w kościach i stawach, kaczkowaty chód spowodowany zniekształceniem kości, a w stanach
późniejszych podatność na złożone złamania. Zanieczyszczenie wody, żywności
i powietrza przyczynia się do skażenia środowiska życia człowieka. Kadm kumuluje się
w wątrobie oraz nerkach i w sposób widoczny wpływa na pozbawienie aktywności
enzymów zawierających siarkę. Wydalanie z moczem i przez przewód trawienny jest
bardzo powolne, co sprawia, że kadm stwarza bardzo poważne niebezpieczeństwo. Ostatnio
dym tytoniowy jest uważany za czynnik zawierający kadm, szkodliwy zarówno
dla palaczy, jak i niepalących. Wysokie ciśnienie krwi i niektóre choroby przewlekłe, jak
bronchit i rozedma płuc, mogą mieć związek z powolnym zatruwaniem się niewielkimi
dawkami kadmu [8, 9].
Zanieczyszczenie wody związkami kadmu może być spowodowane przez ścieki
przemysłowe lub może pochodzić z procesów korozji przewodów, pokrytych powłokami
galwanicznymi. Ostatnio kadm znajduje coraz szersze zastosowanie w przemyśle oraz m.in.
w reaktorach atomowych, gdzie służy do pochłaniania neutronów. Ponadto kadm może
występować w ściekach z galwanizerni, z niektórych zakładów chemicznych,
metalurgicznych, wzbogacania rud oraz z produkcji akumulatorów, środków
owadobójczych i innych [10-13].
Ze względu na właściwości toksyczne kadm może wywierać szkodliwy wpływ
na działanie oczyszczalni ścieków oraz procesy samooczyszczania wód powierzchniowych.
W mniejszym stopniu kadm wpływa ujemnie na organoleptyczne właściwości wody.
Stwierdzono, że już 0,1 mg/dm3 kadmu działa hamująco na procesy biochemiczne
w środowisku wodnym (BZT), a zwłaszcza na fazę nitryfikacji, podczas gdy smak
metaliczny nadaje wodzie dopiero ok. 25 mg/ dm3 Cd, a zmętnienie wody wywołuje
ok. 1÷2 mg/ dm3 Cd wskutek wytracenia się jego węglanów lub wodorotlenków [5].
Część doświadczalna
Badaniami objęto szkła wodne sodowe produkcji szwedzkich zakładów
Eka-Chemicals w Bohus Div PK Sektor CS o składzie chemicznym podanym w tabeli 1.
Badania metodą turbidymetryczną układów „Różnomodułowe szkła wodne sodowe - wybrane sole kadmu” 161
Tabela 1
Charakterystyka badanych szkieł wodnych
Rodzaj
szkła
wodnego
1
2
3
4
Zawartość
Na2O
[% mas.]
7,0
9,8
9,1
8,5
Zawartość
SiO2
[% mas.]
22,0
31,0
29,0
28,1
Moduł
krzemianowy
(Mk)
3,243
3,264
3,289
3,412
Wzór krzemianu
Na2O ⋅ MkSiO2
Na2O ⋅ 3,243SiO2
Na2O ⋅ 3,264SiO2
Na2O ⋅ 3,289SiO2
Na2O ⋅ 3,412SiO2
Spośród soli kadmu wykorzystano: CdCl2 ⋅ 2,5H2O; CdBr2 ⋅ 4H2O; Cd(NO3)2 ⋅ 4H2O.
Stężenie Cd2+ w badanych układach wynosiło 8 mmol/dm3.
W badaniach właściwości fizykochemicznych struktury szkieł wodnych i ich
roztworów wodnych oraz układów zawierających krzemiany metali alkalicznych [14-16]
najwłaściwsza wydaje się metoda turbidymetryczna [17-20]. Zasadę tej metody, metodykę
wykonania pomiarów oraz aparaturę opisano we wcześniejszych pracach [17-20].
Wyniki badań
Przykładowe wyniki badań w postaci zależności zmętnienia od czasu, tzw. krzywe
zmętnienia, przedstawiono na rysunkach 1-4.
Rys. 1. Wykres zależności zmętnienia od czasu w układzie szkło wodne nr 1 - sole kadmu
Charakter przebiegu krzywych zmętnienia we wszystkich badanych układach jest
podobny. Krzemian kadmu powstaje natychmiast, tj. w początkowej fazie pomiaru
(t = 0 min), i nie obserwuje się przyrostu wartości zmętnienia w czasie. Wartości
zmętnienia są zróżnicowane i zależą od rodzaju szkła wodnego; i tak największe są dla
162
Wiesław Koźlak
szkieł nr 1 (Mk = 3,243) i nr 4 (Mk = 3,412), mieszczące się w granicach od 140 do 360
NTU, a najmniejsze dla szkła wodnego nr 2 (Mk = 3,264) w zakresie od 35 do 90 NTU.
Zróżnicowany jest również wpływ anionu soli na wartości zmętnień i można je
uszeregować w następującej kolejności:
Br − > Cl − > NO 3−
Rys. 2. Wykres zależności zmętnienia od czasu w układzie szkło wodne nr 2 - sole kadmu
Rys. 3. Wykres zależności zmętnienia od czasu w układzie szkło wodne nr 3 - sole kadmu
Badania metodą turbidymetryczną układów „Różnomodułowe szkła wodne sodowe - wybrane sole kadmu” 163
Rys. 4. Wykres zależności zmętnienia od czasu w układzie szkło wodne nr 4 - sole kadmu
Wnioski
Dodatek soli kadmu do szkła wodnego powoduje wytrącanie się koloidalnych
krzemianów, które powstają natychmiast, tj. w początkowej fazie pomiaru, bez dalszego
przyrostu zmętnienia w czasie.
Rodzaj krzemianu, skład molekularny jego roztworów wodnych oraz rodzaj
zastosowanej soli wpływają w sposób znaczący na tworzenie się koloidalnych krzemianów
kadmu.
Uwzględniając toksyczność kadmu i jego soli, szkła wodne sodowe mogą być
zastosowane do usuwania jonów Cd2+ z mediów, m.in. ścieków przemysłowych
i komunalnych.
Podsumowanie
W dotychczasowych badaniach oddziaływania różnomodułowych szkieł wodnych
z solami wybranych metali m.in. II grupy, żelaza i manganu, zwrócono uwagę,
że w większości przypadków tworzą się koloidalne krzemiany tych metali [19, 21, 22].
Wyniki prezentowane w tej pracy powinny pobudzić do dalszych badań, szczególnie
rozszerzając je na sole pierwiastków dodatkowych. Mogą one stworzyć możliwości
znaczniejszej aplikacji szkieł wodnych m.in. w rozwiązywaniu problemów z zakresu
ochrony środowiska, tym bardziej, że wykazano [23, 24], iż szkła wodne są przyjazne
środowisku przyrodniczemu.
Szerokie zastosowanie metali i ich związków powodują zanieczyszczenia ekosystemu
i dlatego muszą istnieć skuteczne metody ich usuwania z mediów, w których są
niepożądane.
164
Wiesław Koźlak
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
Bezak-Mazur E.: Elementy toksykologii środowiskowej. Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2001.
Alloway B.J. i Ayres D.C.: Chemiczne podstawy zanieczyszczenia środowiska. WN PWN, Warszawa 1999.
Zakrzewski S.F.: Podstawy toksykologii środowiska. WN PWN, Warszawa 1995.
Skinder N.W.: Chemia a ochrona środowiska. WSiP, Warszawa 1995.
Hermanowicz W., Dożańska W., Dojlido J. i Koziorowski B.: Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków.
Arkady, Warszawa 1976.
Kabata-Pendias A. i Pendias H.: Pierwiastki śladowe w środowisku biologicznym. Wyd. Geolog., Warszawa
1979.
Harper H.A., Rodwel V.W. i Mayes P.A.: Zarys chemii fizjologicznej. PZWL, Warszawa 1983.
Dutkiewicz T.: Chemia toksykologiczna. PZWL, Warszawa 1974.
Stasiak J. i Stasiak K.: Problemy środowiska przyrodniczego. PWN, Warszawa 1983.
Sienko J.M. i Plane R.A.: Chemia. Podstawy i zastosowanie. WNT, Warszawa 1992.
Lee J.D.: Zwięzła chemia nieorganiczna. WN PWN, Warszawa 1994.
Bielański A.: Chemia ogólna i nieorganiczna. PWN, Warszawa 1976.
Pauling L. i Pauling P.: Chemia. PWN, Warszawa 1983.
Koźlak W.: Studia nad niektórymi właściwościami i strukturą wodnych roztworów krzemianów
technicznych, rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska 1980.
Iler R.K.: The chemistry of silica. J. Wiley, New York 1979.
Vail J.G.: Soluble Silicates. Reinhold, New York 1952.
Koźlak W.: Badania turbidymetryczne układów: szkło wodne sodowe - wybrane sole żelaza. Chemik, 2006,
6, 337-340.
Koźlak W.: The turbidimetric studies on the sodium water glass - selected iron salts systems. Ann. Pol.
Chem. Soc., 2004, 3, 252-255.
Koźlak W.: Badania porównawcze dotyczące tworzenia się koloidalnych krzemianów manganu i żelaza
w aspekcie antykorozyjnego działania szkieł wodnych sodowych. Ochr. przed Korozją, 2007, 2, 45-49.
Koźlak W.: Badania składu molekularnego stężonych (fabrycznych) sodowych szkieł wodnych. Przem.
Chem., 1992, 71(7), 279-283.
Koźlak W.: Badania turbidymetryczne układów: szkło wodne sodowe - wybrane sole pierwiastków II grupy.
Chemik, 2007, w druku.
Koźlak W.: An attempt to evaluate the interaction between sodium silicates of different moduli and selected
salts of II group elements. Polish J. Appl. Chem., 2007, in press.
Koźlak W.: Co wiemy o szkle wodnym. Aura, 2007, (7), 20-21.
Nowak M., Smolarek A., Koźlak W.: Szkło wodne sodowe przyjazne środowisku przyrodniczemu. Materiały
XXXIV Międzynarodowego Seminarium Kół Naukowych. UMW, Olsztyn 2005, cz. II, 143-144.
TURBIDIMETRIC STUDIES ON SYSTEMS COMPOSED OF SODIUM WATER
GLASSES OF DIFFERENT MODULI AND SELECTED CADMIUM SALTS
Summary: From among many examples of applications of sodium water glasses in various industry and economy
branches, where at the same time their action mechanism is still unknown, described in the literature, only a small
amount of information regards the reactions of sodium silicates with inorganic salts, containing ions of toxic
metals, causing the pollution of eco-systems. By means of the turbidimetric method, based on the formation
of soluble colloidal silicate, systems containing sodium water glasses produced by Eka-Chemicals (Sweden)
and selected cadmium salts. Basing on the course of turbidity curves (function of turbidity [NTU] in time [min])
it can be observed that the formation of colloidal cadmium silicates depend on the type of used salt and the type
of water glass characterized by silicate modulus Mk and chemical composition of its aqueous solution. Basing on
the reactions of water glasses with cadmium salts the possibilities of their use to remove Cd2+ ions from communal
and industrial wastewaters were evaluated.
Keywords: sodium water glasses, cadium salts, turbidimetry, colloidal cadium silicates, waste water