環工單元操作報告

一、實驗目的

1. 了解硫化物沉澱法（Sulfide Precipitation）處理含銅廢水之基本原理與操作方法。
2. 藉由瓶杯試驗（Jar Test）探討不同硫化鈉（Na₂S）添加倍率（1倍、1.2倍、1.5倍理論量）對銅離子去除效率之影響。
3. 探討不同快混攪拌時間（5分鐘、10分鐘、30分鐘）對硫化銅沉澱效果之差異。
4. 配合聚合氯化鋁（PAC）混凝劑之添加，觀察膠羽形成與沉澱分離效果，並以分光光度計量測處理後水樣之吸光值，評估最佳操作條件。

二、實驗原理

硫化物沉澱法係利用硫離子（S²⁻）與重金屬離子結合，生成溶解度極低之金屬硫化物沉澱，以達到去除廢水中重金屬離子之目的。硫化銅（CuS）之溶度積常數（Ksp = 6.3 × 10⁻³⁶）遠低於氫氧化銅（Ksp = 2.2 × 10⁻²⁰），因此硫化物沉澱法之去除效率優於傳統氫氧化物沉澱法。

主要反應式：

由於硫化銅顆粒極為細小，呈膠體狀態懸浮於水中，不易自然沉降。因此實驗中添加 PAC（聚合氯化鋁，Polyaluminium Chloride）作為混凝劑，利用其電性中和與架橋作用，使微小之 CuS 膠體粒子聚集成較大之膠羽（Floc），加速沉澱分離。

理論計算：

氯化銅（CuCl₂·2H₂O）分子量為 170.49 g/mol，取 5g 溶於 2.5L 水中。

硫化鈉（Na₂S·9H₂O）分子量為 240.18 g/mol。依化學計量比 1:1，理論上每莫耳 Cu²⁺ 需要 1 莫耳 Na₂S。

1 倍理論量 Na₂S = 1.407g（取三份，分別用於不同快混時間測試）；1.2 倍 = 1.688g；1.5 倍 = 2.11g。

三、實驗對象

以氯化銅（CuCl₂·2H₂O）配製之模擬含銅廢水，濃度約為 2 g/L（取 5g 氯化銅溶於 2.5L 二段水）。

四、實驗藥品

1. 氯化銅（Cupric Chloride, CuCl₂·2H₂O）— SHIMAKYU'S PURE CHEMICALS，500g 裝
2. 硫化鈉（Sodium Sulfide, Na₂S·9H₂O）— SHIMAKYU CHEMICAL
3. 聚合氯化鋁 PAC（Polyaluminium Chloride）溶液
4. 二段水（去離子水）2.5 公升

五、實驗設備

1. Precisa XS 225A 精密電子天平（精度 0.0001g）
2. Jar Tester 瓶杯試驗機（SHIN KWANG MACHINERY, SK 型）
3. 離心機
4. HODO UV/VIS 分光光度計
5. 1000 mL 玻璃燒杯（SCHOTT DURAN）× 5
6. 量筒、滴管、藥匙、離心管、比色管

六、實驗步驟

1. 取 5 克的氯化銅（CuCl₂·2H₂O），使用精密天平秤量後放入 2.5 公升的二段水中，攪拌使其完全溶解，配製成模擬含銅廢水。
2. 將 2.5 公升含銅溶液均分為 5 等份，每份約 500 mL，分別倒入 5 個 1000 mL 燒杯中。
3. 秤取硫化鈉（Na₂S）分別為 1.407g（取三份，作為 1 倍理論量）、1.688g（1.2 倍理論量）、2.11g（1.5 倍理論量），分別加入對應之燒杯中。
4. 將燒杯放入 Jar Tester 瓶杯試驗機上，1 倍理論量之三組分別以不同時間進行快混攪拌：5 分鐘、10 分鐘、30 分鐘；1.2 倍及 1.5 倍理論量之組別快混 5 分鐘。
5. 快混結束後，各組加入 5 mL PAC（聚合氯化鋁）混凝劑。
6. 加入 PAC 後，以 100 rpm 快混 1 分鐘，再以 30 rpm 慢混 20 分鐘，促進膠羽形成。
7. 靜置沉澱後，取各組上層液放入離心管，以離心機離心 20 分鐘，使殘餘懸浮物沉降。
8. 取離心後之上層澄清液，裝入比色管，放入分光光度計量測吸光值（Absorbance）。
9. 記錄各組吸光值，比較不同條件下之處理效果。

七、實驗結果

利用硫化物沉澱法配合 PAC 混凝處理含銅廢水，各組實驗條件與分光光度計量測之吸光值結果如下表所示：

結果分析：

1. 快混時間之影響（第 1～3 組）：在相同 Na₂S 用量（1 倍理論量 1.407g）下，快混時間由 5 分鐘延長至 30 分鐘，吸光值由 0.853 降至 0.451，顯示延長快混時間有助於硫化銅反應更加完全，去除效率明顯提升。
2. Na₂S 添加倍率之影響（第 1、4、5 組）：在相同快混時間（5 分鐘）下，1.2 倍理論量（第 4 組）之吸光值最低（0.382），處理效果最佳。1.5 倍理論量（第 5 組）之吸光值反而回升至 0.518，推測為過量硫化鈉導致水中殘留硫離子干擾量測或產生膠體狀硫化物再懸浮。
3. 綜合分析，最佳操作條件為 Na₂S 添加量 1.2 倍理論量（1.688g），快混 5 分鐘，配合 5mL PAC 混凝處理後，可獲得最低吸光值 0.382，銅離子去除效果最佳。

八、實驗照片紀錄

取5克的氰化銅 放入2.5公升的水

圖說：使用 Precisa XS 225A 精密電子天平歸零，準備秤量氯化銅藥品

圖說：秤取 5.0529g 氯化銅（CuCl₂·2H₂O）置於燒杯中

單元操作實驗溶液

圖說：實驗所用之氯化銅（Cupric Chloride）試藥瓶

圖說：實驗所用之硫化鈉（Sodium Sulfide）試藥瓶

將2.5公升的二段水分成5等份

圖說：將氯化銅溶液倒入燒杯中，準備分裝

圖說：使用量筒將 2.5 公升含銅溶液均分為 5 等份（每份 500 mL）

取硫化鈉分別為1.407g.1.688g.2.11g理論量

圖說：使用精密天平歸零，準備秤量硫化鈉

圖說：秤取不同劑量之硫化鈉，分別為 1.407g（1倍理論量×3份）、1.688g（1.2倍）、2.11g（1.5倍）

快混5分鐘.10分鐘.30分鐘

圖說：將五組燒杯置於 Jar Tester 瓶杯試驗機上進行快混攪拌

圖說：快混攪拌過程中，溶液逐漸由藍綠色轉為深色，表示硫化銅沉澱反應正在進行

快混完 加入5ml PAC 再快混100rpm 1分鐘,慢混30rpm 20分鐘

圖說：快混結束後，使用滴管加入 5mL PAC（聚合氯化鋁）混凝劑

圖說：加入 PAC 後再以 100rpm 快混 1 分鐘，隨後以 30rpm 慢混 20 分鐘促進膠羽形成

取上層液 放入離心機20分鐘

圖說：靜置沉澱後，以滴管取各燒杯上層澄清液置入離心管

圖說：取出上層液放入離心管，可觀察到沉澱物已沉降至燒杯底部，上層液逐漸澄清

放入分光光度計 測吸光值

圖說：將離心後之上層液裝入比色管，準備放入分光光度計量測

圖說：使用 HODO UV/VIS 分光光度計量測各組樣品之吸光值（Absorbance）

九、實驗結果討論

1. 本實驗以硫化物沉澱法處理含銅廢水，驗證了硫化鈉可有效與銅離子反應生成硫化銅沉澱，配合 PAC 混凝劑可促進膠羽生成與固液分離。
2. 實驗結果顯示，Na₂S 添加量並非越多越好。1.2 倍理論量即達最佳去除效果，過量（1.5 倍）反而使吸光值上升，可能原因包括：(a) 過量之硫離子本身具有顏色，干擾分光光度計量測；(b) 過量硫化物可能導致膠體再穩定化，不利於沉澱。
3. 快混時間對反應效率有顯著影響。在 1 倍理論量條件下，30 分鐘快混之吸光值（0.451）遠優於 5 分鐘快混（0.853），說明充分之攪拌有助於提高反應完成度。
4. PAC 混凝劑在本實驗中扮演關鍵角色，可將細小之 CuS 膠體粒子凝聚成較大膠羽，大幅改善固液分離效率。
5. 實際工業應用上，應綜合考量藥劑成本、處理效率及二次污染風險，建議採用 1.2 倍理論量之 Na₂S 搭配適量 PAC，並確保足夠之攪拌反應時間。