Question

人造金刚石酸洗废液中含有大量的Ni²⁺、Mn²⁺、Co²⁺离子，不经处理排放危害极大。某工厂技术人员设计了创新方案，使有害离子的浓度降低到排放标准，同时得到了纯度较高的镍粉。
废液经分析组成如下：

在强酸性的废液中加入NaOH调节pH到2，在搅拌下加入饱和Na₂CO₃溶液和NaClO除去Mn²⁺、Co²⁺，并控制pH不超过3.5（Na₂CO₃需缓慢加入，防止产生大量CO₂而冒槽），过滤后电解含Ni²⁺的过滤液，以镍铬钛不锈钢片为阴极，以铅片为阳极，电解后在阴极得到镍粉。回答下列问题
⑴　调节强酸性废液至pH=2，可否直接用饱和Na₂CO₃溶液？分析你的原因
⑵　写出除去废液中Mn²⁺、Co²⁺的反应方程式
⑶　搅拌过程中Ni不被沉淀下来，实际操作中是如何实现？
⑷　电解过程中电流效率与pH的关系如下图，试分析如下图所示变化的原因.并选择电解的最佳pH值

Answer 1

⑴　不可以，将产生大量CO₂而冒槽  （1分）
⑵　
   （2分）
⑶　根据废液离子浓度分析结果，控制NaClO用量，可使Mn²⁺，Co²⁺沉淀完而Ni²⁺不被沉淀。（1分）

⑷　pH较低时，将产生大量氢气，电流效率低；pH>4.5时，将产生Ni(OH)₂沉淀，Ni²⁺浓度下降，不利于Ni的析出。（2分）选择在4.0-4.5左右  （1分）

⑴认真阅读试题可从题中获得相关信息，当溶液酸性太强时，直接加入饱和Na₂CO₃溶液会产生大量的CO₂，从而发生冒槽。
⑵Mn²⁺、Co²⁺在碱性增强的条件下，被ClO^－氧化并生成沉淀，通过过滤的方法可以除去这两种杂质离子——这是溶液中除杂最常用的方法之一，如Fe²⁺的除杂。
Mn²⁺在碱性条件下，被氧化为+4，以MnO₂的形式被除去，离子方程式为：

Co²⁺在碱性条件下不稳定，生成Co(Ⅲ)的氢氧化物，离子方程式如下：

在书写离子方程式的时候，也应该结合题意，溶液由于pH＜3.5，仍为酸性条件，所以CO₃^2-结合H⁺，生成CO₂气体。
⑶Ni(Ⅲ)和Co(Ⅲ)都有很强的氧化性，但Ni(Ⅲ)非常不稳定，氧化性比Co(Ⅲ)化合物的氧化性强，因此只要ClO^-适量，即使Ni²⁺被氧化生成了三价镍的化合物，也会被未参加反应的Co²⁺、Mn²⁺还原为Ni²⁺。因此防止Ni²⁺被沉淀的方法就是控制ClO^-的用量。
⑷从图中曲线变化趋势可以看出，当溶液酸性较大时，电解效率很低，随着pH的增大，电解效率增大，但是当pH＞4.5后，电解率与溶液pH变化不明显。因此此处要重点分析pH较小时电解效率不高，以及pH较大时电解效率也不高的原因。
由于H⁺、Ni²⁺都能在电极的阴极放电，所以当pH较小，也即[H⁺]较大时，将产生大量的氢气，造成电解效率较低。当pH较大时，由于Ni²⁺生成了难溶物，溶液中[Ni²⁺]减小，也造成电解效率低。因此，从图中可以看出来，最佳的pH范围大约为4.0～4.5。