Wydział Metali Nieżelaznych		Data wykonania ćwiczenia: 15.10.2013.
KIERUNEK: Zarządzanie i inżynieria produkcji		NR ĆWICZENIA: II
TYTUŁ ĆWICZENIA: Wytop ołowiu ze szlamu z rozbiórki akumulatorów
Grupa nr:	Data oddania sprawozdania:		Data zaliczenia sprawozdania:
		Data oddania sprawozdania do poprawy:		Data zaliczenia ćwiczenia:

Wytop ołowiu ze szlamu z rozbiórki akumulatorów

Wprowadzenie

Akumulator składa dwóch rodzajów płyt ołowiowych wykonanych w postaci kraty i wypełnionych substancją czynną. Płyty dodatnie, wypełnione dwutlenkiem ołowiu i ujemne wypełnione ołowiem w postaci gąbczastej, umieszczone są w szklanym lub ebonitowym naczyniu i zalane 22-35% roztworem kwasu siarkowego o gęstości 1,18 do 1,24 g/cm3. Elektrolit pokrywa płyty całkowicie. Najczęściej w naczyniu szklanym lub ebonitowym wypełnionym elektrolitem umieszcza się kilka płyt ujemnych, przedzielonych płytami dodatnimi. Płyt ujemnych jest o jedną więcej niż dodatnich, ponieważ na obu końcach szeregu powinny być płyty ujemne, które są odporniejsze na uszkodzenia. Płyty tej samej biegunowości połączone są ze sobą za pomocą mostka ołowianego. Aby zapobiec zetknięciu się płyt o różnej biegunowości, oddziela się je od siebie rurkami szklanymi lub nie przewodzącymi przekładkami porowatymi nasiąkniętymi elektrolitem.

Podczas ładowania zachodzą następujące reakcje:

Na katodzie: PbSO4 + 2H+ + 2e- = Pb + H2SO4

Na anodzie: PbSO4 + SO42-+ 2H2O - 2e- = PbO2+ 2H2SO4

Podczas rozładowywania zachodzą następujące reakcje chemiczne:

Na płycie dodatniej: PbO2 +2H++ H2SO4+ 2e- = PbSO4+ 2H2O

Na płycie ujemnej: Pb+ SO42- = PbSO4+ 2e-

W stanie rozładowanym obydwie elektrody są więc pokryte siarczanem ołowiowym PbSO4, a stężenie kwasu siarkowego w roztworze znacznie zmalało.

Typowy akumulator do samochodu osobowego jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną (SEM) równą 2,1 V. Cały akumulator generuje zatem napięcie znamionowe  równe 12,6V. Rezystancja wewnętrzna akumulatora jest bardzo mała, umożliwiając przepływ bardzo dużych prądów. Z tego powodu znalazły zastosowanie jako akumulatory rozruchowe silników spalinowych. 

Część eksperymentalna

Na wadze analitycznej odmierzono:

- 100 g szlamu akumulatorowego,

- 12 g wiórów (lub proszku) żelaza,

- 4 g węglanu sodu (Na2CO3)

- 4 g koksiku.
Następnie wszystkie składniki zmieszano i wsypano do tygla. Ponownie odmierzono składniki tak aby drugi tygiel miał jak najbardziej zbliżoną wagę do pierwszego. Oba umieszczono w piecu na czas 35 i 70 minut, w temperaturze 1000°C. Po upływie 35 minut wyciągnięto pierwszy tygiel. Następnie płynny metal odlano do w formie ściętego stożka, ostudzono i zważono. Powtórzono te same operacje z drugim tyglem po następnych 35 minutach. Porównano otrzymane wyniki

Obserwacje własne

Kiedy tygle umieszczano w piecu jego temperatura spadła do około 960°C Po zamknięciu pieca temperatura wciąż spadała aż do 920°C co związane było z potrzebą ogrzania materiału umieszczonego w piecu.

Obliczenia

Szlam zawiera 70% ołowiu, który występuje w postaci PbO - 2,6 %, PbO2 - 19,9 % i PbSO4 - 43 %.

Tabela.1

	Próbka 1	Próbka 2
masa próbki [g]	66,393	68,235
czas przebywania w piecu [min]	35	70
Uzysk [%]	94,84714286	97,30051

Obliczenie Uzysku dla próbki numer 2

(66,393*100)/70=97,30051%

Obliczenia zmiany entalpii swobodnej dla reakcji:

1. PbSO₄ + 4CO = PbS + 4CO₂

2. PbS + Fe = Pb + FeS

3. PbSO₄ +Na₂CO₃ +CO = Pb + Na₂SO₄ +2CO₂

w zakresie zakresie temperatur 500-1500 K.

Wzory na zmianę entalpii swobodnej dla reakcji:

1.

2.

3.

dla każdego składnika odczytujemy z tablic termodynamicznych dla danych temperatur.

Przykład

Obliczamy zmianę entalpii swobodnej dla pierwszej reakcji w temperaturze 500K:

PbSO₄ + 4CO = PbS + 4CO₂

=-239,095 kcal*mol^-1

=-50,428 kcal*mol^-1

=-120,131 kcal*mol^-1

= -35,579 kcal*mol^-1

= -35,579+4*(-120,131)-(4*(-50,428)+(-239,095)) = -75,08 [kcal *mol^-1]

Tabela.2

PbSO4 + 4CO = PbS + 4CO2		PbS + Fe = Pb + FeS		PbSO4 +Na2CO3 +CO = Pb + Na2SO4 +2CO2
Temp. [K]	[kcal *mol^-1]	Temp. [K]	[kcal *mol^-1]	Temp. [K]	[kcal *mol^-1]
500	-75,08	500	-0,741	500	-21,641
600	-75,325	600	-1,437	600	-25,702
700	-74,947	700	-2,741	700	-29,916
800	-75,233	800	-3,299	800	-34,004
900	-75,091	900	-4,266	900	-38,029
1000	-74,863	1000	-5,259	1000	-41,958
1100	-74,54	1100	-6,015	1100	-45,768
1200	-73,885	1200	-6,792	1200	-48,925
1300	-73,011	1300	-7,552	1300	-51,93
1400	-72,505	1400	-8,159	1400	-55,38
1500	-71,866	1500	-8,441	1500	-56,7

Wykres. 1

Obliczenie stałej równowagi lgKp

W celu wyznaczenia lgK_p korzystamy ze wzoru:
= -RT lnK_p

Stała gazowa R = 8,314 J/mol*K

1kcal = 4186J

1J = 1/4186 kcal = 0,000238 kcal

1J - 0,000238 kcal

8,314 J - x kcal

x = 1,978 *10^-3 kcal

R = 1,978 *10 ^-3 kcal/mol*K

Przykład

Obliczamy dla reakcji

PbSO₄ + 4CO = PbS + 4CO₂

Tabela.3

PbSO4 + 4CO = PbS + 4CO2		PbS + Fe = Pb + FeS		PbSO4 +Na2CO3 +CO = Pb + Na2SO4 +2CO2
Temp. [K]	lg Kp	Temp. [K]	lg Kp	Temp. [K]	lg Kp
500	32,98	500	0,33	500	9,51
600	27,57	600	0,53	600	9,41
700	23,51	700	0,86	700	9,39
800	20,65	800	0,91	800	9,33
900	18,32	900	1,04	900	9,28
1000	16,44	1000	1,15	1000	9,21
1100	14,88	1100	1,20	1100	9,14
1200	13,52	1200	1,24	1200	8,95
1300	12,33	1300	1,27	1300	8,77
1400	11,37	1400	1,28	1400	8,69
1500	10,52	1500	1,24	1500	8,30

Wykres.2

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia można stwierdzić że zwiększenie czasu przebywania próbki w piecu z 35 do 75 minut nie zwiększa wymiernie uzysku wytapianego ołowiu, gdyż po 35 minutach uzyskano 66,393g natomiast po 70 minutach 68,235g. Uzysk w naszym przypadku wynosi odpowiednio 94,84714286 i 97,30051%. W podanych temperaturach (500-1500K) entalpia swobodna reakcji jest ujemna. Dzięki czemu wiadomo że w takich warunkach reakcja przechodzi samorzutnie. Waga próbek powstałych podczas zajęć może odbiegać od prawidłowych wyników z powodu pozostałości po formie która osadzała się w niewielkich ilościach na odlanych próbkach. Można stwierdzić że proces wytapiania ołowiu ze szlamu z rozbiórki akumulatorów jest łatwy do przeprowadzenia gdyż w warunkach laboratoryjnych uzysk wynosił ponad 94% .

Literatura

Wykłady prof. Stanisława Pietrzyka

http://www.orzel-bialy.com.pl/procesy-produkcyjne.html

Recykling Metali Nieżelaznych Marian Kucharski

---