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. 1 倍理論量各組（第 1～3 組）表現極佳：在 Na₂S 用量為 1 倍理論量（1.407g）之條件下，三組吸光值分別為 -0.002、0.011、-0.006，皆趨近於零甚至呈現負值（儀器零點誤差範圍內），顯示 1 倍理論量之硫化鈉即可幾乎完全去除溶液中之銅離子，銅離子去除效率極高。三組間差異極小，表示在 1 倍理論量下，快混時間（5、10、30 分鐘）對去除效果之影響並不顯著。
2. 超量添加（第 4、5 組）反而造成高吸光值：1.2 倍理論量（第 4 組，吸光值 2.329）與 1.5 倍理論量（第 5 組，吸光值 2.178）之吸光值遠高於 1 倍理論量各組。此現象推測原因為：過量之硫化鈉溶解於水中後，殘餘之硫離子（S²⁻）及多硫化物本身具有顏色（呈黃褐色），造成分光光度計量測時產生高吸光值，並非銅離子殘留所致。過量硫化物亦可能導致溶液 pH 值大幅升高，產生膠體狀硫化物再懸浮，影響水質澄清度。
3. 綜合分析，最佳操作條件為 Na₂S 添加量 1 倍理論量（1.407g），配合 5mL PAC 混凝處理後，即可達到接近完全去除銅離子之效果（吸光值趨近於零）。過量添加硫化鈉不僅無法提升去除效率，反而因殘餘硫化物造成水質惡化與量測干擾，應避免超量投藥。

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，1 倍理論量之 Na₂S（1.407g）即可達到幾乎完全去除銅離子之效果，三組吸光值皆趨近於零。然而，超量添加（1.2 倍及 1.5 倍理論量）反而造成吸光值大幅上升至 2.329 及 2.178，推測原因為過量之硫離子及多硫化物本身帶有顏色，干擾分光光度計量測，且過量硫化物可能導致溶液 pH 急遽升高，產生膠體狀硫化物再懸浮。
3. 在 1 倍理論量條件下，不同快混時間（5、10、30 分鐘）之吸光值差異極小（-0.002、0.011、-0.006），均趨近於零，顯示硫化銅之沉澱反應速度極快，5 分鐘之快混攪拌即足以使反應完全。延長快混時間並未產生顯著之額外效益。
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。本實驗結果證實採用 1 倍理論量之 Na₂S 即可達到最佳處理效果，搭配適量 PAC 混凝劑進行固液分離。過量投藥不僅浪費藥劑成本，更可能造成水質二次污染，應嚴格控制投藥量。