Prerada hemijskih izvora energije

Uobičajena situacija u svakom domu je da nedavno kupljene baterije više nisu dobre. Ili smo možda, vodeći računa o životnoj sredini, a istovremeno - o bogatstvu našeg novčanika, dobili baterije? Nakon nekog vremena i oni će odbiti saradnju. Znači u smeću? Apsolutno ne! Znajući o prijetnjama koje ćelije uzrokuju u okolini, tražit ćemo mjesto okupljanja.

Kolekcija

Koje su razmere problema sa kojima se suočavamo? Izvještaj glavnog inspektora za životnu sredinu iz 2011. ukazuje da je više od 400 miliona ćelija i baterija. Otprilike isti broj izvršio je samoubistvo.

Rice. 1. Prosječni sastav sirovina (korištenih ćelija) iz državnih zbirki.

Zato moramo da se razvijamo oko 92 hiljade tona opasnog otpada koji sadrže teške metale (živa, kadmijum, nikl, srebro, olovo) i niz hemijskih jedinjenja (kalijum hidroksid, amonijum hlorid, mangan dioksid, sumporna kiselina) (Sl. 1). Kada ih bacimo - nakon što je premaz korodirao - one zagađuju tlo i vodu (Sl. 2). Nemojmo praviti takav "poklon" okolini, a samim tim i sebi. Od ovog iznosa 34% otpada na specijalizovane prerađivače. Dakle, ima još dosta toga da se uradi, a nije uteha što nije samo u Poljskoj?

Rice. 2. Korodirani premazi ćelija.

Više nemamo izgovora da nigdje ne idemo korištene ćelije. Svaka poslovnica koja prodaje baterije i zamjenske baterije dužna je da ih primi od nas (kao i staru elektroniku i kućne aparate). Takođe, mnoge prodavnice i škole imaju kontejnere u koje možemo da stavimo kaveze. Dakle, nemojmo se "odricati" i ne bacati iskorištene baterije i akumulatore u smeće. Uz malo želje naći ćemo mjesto okupljanja, a same karike su tako malo teške da nas karika neće umoriti.

Sortiranje

Kao i kod drugih materijali koji se mogu reciklirati, efikasna transformacija ima smisla nakon sortiranja. Otpad iz industrijskih postrojenja obično je ujednačen po kvalitetu, ali otpad iz javnih zbirki je mješavina dostupnih tipova ćelija. Dakle, ključno pitanje postaje segregacija.

U Poljskoj se sortiranje vrši ručno, dok druge evropske zemlje već imaju automatizovane linije za sortiranje. Koriste sita s odgovarajućim veličinama oka (dozvo razdvajanje ćelija različitih veličina) i rendgen (sortiranje sadržaja). Sastav sirovina iz zbirki u Poljskoj je također malo drugačiji.

Donedavno su dominirale naše klasične kisele Leclanche ćelije. Tek odnedavno se uočava prednost modernijih alkalnih ćelija, koje su prije mnogo godina osvojile zapadna tržišta. U svakom slučaju, obje vrste jednokratnih ćelija čine više od 90% prikupljenih baterija. Ostalo su dugmaste baterije (napajanje satova (slika 3) ili kalkulatora), punjive baterije i litijumske baterije za telefone i laptopove. Razlog za tako mali udio je viša cijena i duži vijek trajanja u odnosu na jednokratne elemente.

Rice. 3. Srebrna veza koja se koristi za napajanje ručnih satova.

Obrada

Nakon raskida, vrijeme je za ono najvažnije faza obrade - oporaba sirovina. Za svaku vrstu, primljeni proizvodi će se malo razlikovati. Međutim, tehnike obrade su slične.

mehanička obrada sastoji se od mljevenja otpada u mlinovima. Dobijene frakcije se odvajaju pomoću elektromagneta (gvožđe i njegove legure) i specijalnih sistema sita (drugi metali, plastični elementi, papir, itd.). Zaleto metoda leži u činjenici da nema potrebe pažljivo sortirati sirovine prije obrade, defekt - velika količina neupotrebljivog otpada koji zahtijeva odlaganje na deponijama.

Hidrometalurška reciklaža je otapanje ćelija u kiselinama ili bazama. U sljedećoj fazi obrade, dobiveni rastvori se pročišćavaju i odvajaju, na primjer, metalne soli, kako bi se dobili čisti elementi. Veliki prednost metod karakteriše niska potrošnja energije i mala količina otpada koji zahteva odlaganje. Defect Ova metoda recikliranja zahtijeva pažljivo sortiranje baterija kako bi se izbjegla kontaminacija rezultirajućih proizvoda.

Termička obrada sastoji se u pečenju ćelija u pećima odgovarajuće izvedbe. Kao rezultat, njihovi oksidi se tope i dobijaju (sirovine za čeličane). Zaleto metoda se sastoji u mogućnosti korištenja nesortiranih baterija, defekt i – potrošnja energije i stvaranje štetnih produkata sagorevanja.

osim reciklabilno Ćelije se skladište na deponijama nakon prethodne zaštite od prodiranja njihovih komponenti u okolinu. Međutim, ovo je samo polovična mjera, koja odgađa potrebu bavljenja ovom vrstom otpada i otpadom mnogih vrijednih sirovina.

Također možemo vratiti neke od nutrijenata u našoj kućnoj laboratoriji. To su komponente klasičnih Leclanche elemenata - cink visoke čistoće iz čašica koje okružuju element i grafitne elektrode. Alternativno, možemo odvojiti mangan dioksid iz smjese unutar smjese - jednostavno je prokuhati s vodom (da biste uklonili rastvorljive nečistoće, uglavnom amonijum hlorid) i filtrirajte. Nerastvorljivi ostatak (kontaminiran ugljenom prašinom) pogodan je za većinu reakcija koje uključuju MnO.₂.

Ali ne samo da se elementi koji se koriste za napajanje kućnih aparata mogu reciklirati. Stari automobilski akumulatori su takođe izvor sirovina. Iz njih se izdvaja olovo koje se potom koristi u proizvodnji novih uređaja, a kućišta i elektrolit koji ih puni se zbrinjavaju.

Nikoga ne treba podsjećati na ekološku štetu koju mogu uzrokovati toksični teški metali i otopina sumporne kiseline. Za našu tehničku civilizaciju koja se brzo razvija, primjer ćelija i baterija je uzor. Sve veći problem nije proizvodnja samog proizvoda, već njegovo odlaganje nakon upotrebe. Nadam se da će čitaoci časopisa "Mladi tehničar" svojim primerom inspirisati i druge na recikliranje.

Eksperiment 1 - litijumska baterija

litijumske ćelije koriste se u kalkulatorima i za održavanje napajanja BIOS matičnih ploča računara (slika 4). Potvrdimo prisustvo metalnog litijuma u njima.

Rice. 4. Litijum-manganska ćelija koja se koristi za održavanje napajanja BIOS-a matične ploče računara.

Nakon rastavljanja elementa (na primjer, uobičajenog tipa CR2032), možemo vidjeti detalje strukture (slika 5): crni komprimirani sloj mangan-dioksida MnO₂, porozna separator elektroda impregnirana otopinom organskog elektrolita, koja izolira plastični prsten i dva metalna dijela koja formiraju kućište.

Rice. 5. Komponente litijum-manganske ćelije: 1. Donji deo tela sa slojem litijum metala (negativna elektroda). 2. Separator impregniran rastvorom organskog elektrolita. 3. Presovani sloj mangan dioksida (pozitivna elektroda). 4. Plastični prsten (izolator elektrode). 5. Gornje kućište (terminal pozitivne elektrode).

Manja (negativna elektroda) je prekrivena slojem litija, koji brzo potamni na zraku. Element se identifikuje testom plamena. Da biste to učinili, uzmite malo mekog metala na kraju željezne žice i ubacite uzorak u plamen gorionika - boja karmina ukazuje na prisustvo litijuma (slika 6). Ostatke metala zbrinjavamo otapanjem u vodi.

Rice. 6. Uzorak litijuma u plamenu gorionika.

Stavite metalnu elektrodu sa slojem litijuma u čašu i sipajte nekoliko cm³ vode. U posudi se javlja burna reakcija, praćena oslobađanjem plinovitog vodika:

Litijum hidroksid je jaka baza i lako ga možemo testirati indikatorskim papirom.

Iskustvo 2 - alkalna veza

Izrežite alkalni element za jednokratnu upotrebu, na primjer, tipa LR6 („prst“, AA). Nakon otvaranja metalne čaše, vidljiva je unutrašnja struktura (slika 7): unutra se nalazi lagana masa koja formira anodu (kalijev ili natrijum hidroksid i cinkova prašina) i tamni sloj mangan dioksida MnO koji ga okružuje.₂ sa grafitnom prašinom (ćelijska katoda).

Rice. 7. Alkalna reakcija anodne mase u alkalnoj ćeliji. Vidljiva ćelijska struktura: svijetla masa koja stvara anodu (KOH + cink prah) i tamni manganov dioksid sa grafitnom prašinom kao katodom.

Elektrode su odvojene jedna od druge papirnatom dijafragmom. Nanesite malu količinu lagane supstance na test traku i navlažite je s kapljicom vode. Plava boja označava alkalnu reakciju anodne mase. Vrsta upotrijebljenog hidroksida najbolje je provjeriti testom plamena. Uzorak veličine nekoliko zrna maka zalijepi se na željeznu žicu natopljenu vodom i stavi u plamen plamenika.

Žuta boja označava upotrebu natrijum hidroksida od strane proizvođača, a ružičasto-ljubičasta boja označava kalijum hidroksid. Budući da jedinjenja natrijuma kontaminiraju gotovo sve tvari, a plameni test za ovaj element je izuzetno osjetljiv, žuta boja plamena može prikriti spektralne linije kalija. Rješenje je u gledanju plamena kroz plavo-ljubičasti filter, koji može biti kobaltno staklo ili otopina boje u tikvici (indigo ili metil ljubičasta koja se nalazi u sredstvu za dezinfekciju rana, pioktanu). Filter će apsorbirati žutu boju, omogućavajući vam da potvrdite prisustvo kalija u uzorku.

Šifre oznaka

Da bi se olakšala identifikacija tipa ćelije, uveden je poseban alfanumerički kod. Za najčešće tipove u našim domovima, to izgleda ovako: broj-slovo-slovo-broj, gdje je:

- prva cifra je broj ćelija; zanemareno za pojedinačne ćelije.

– prvo slovo označava tip ćelije. Kada je odsutna, to je Leclancheova cink-grafitna ćelija (anoda: cink, elektrolit: amonijum hlorid, NH₄Cl, cink hlorid ZnCl₂, katoda: mangan dioksid MnO₂). Druge vrste ćelija su označene na sledeći način (jeftiniji natrijum hidroksid se takođe koristi umesto kalijum hidroksida):

A, P – cink-vazdušni elementi (anoda: cink, atmosferski kiseonik se redukuje na grafitnoj katodi);

B, C, E, F, G - litijumske ćelije (anoda: litijum, ali mnoge supstance se koriste kao katode i elektrolit);

H – Ni-MH nikl-metal hidridna baterija (metal hidrid, KOH, NiOOH);

K – Ni-Cd nikl-kadmijum baterija (kadmijum, KOH, NiOOH);

L – alkalni element (cink, KOH, MnO₂);

M – živin element (cink, KOH; HgO), više se ne koristi;

S – srebrni element (cink, KOH; Ag₂O);

Z – nikl-mangan element (cink, KOH, NiOOH, MnO₂).

- sljedeće slovo označava oblik veze:

F - lamelarni;

R - cilindrični;

S - pravougaona;

P – trenutna oznaka ćelija sa oblicima koji nisu cilindrični.

– konačna slika ili brojke označavaju veličinu reference (kataloške vrijednosti ili direktno davanje dimenzija).

Primjeri označavanja:

R03
 - cink-grafitna ćelija veličine malog prsta. Druga oznaka je AAA ili mikro.

LR6 - alkalna ćelija veličine prsta. Druga oznaka je AA ili minion.

HR14  – Ni-MH baterija, slovo C se također koristi za veličinu.

KR20 – Ni-Cd baterija, čija je veličina takođe označena slovom D.

3LR12 - prazna baterija napona 4,5 V, koja se sastoji od tri alkalne ćelije.

6F22 – 9V baterija; šest pojedinačnih ravnih cink-grafitnih ćelija zatvoreno je u pravougaono kućište.

CR2032 – litijum-mangan ćelija (litijum, organski elektrolit, MnO₂) prečnika 20 mm i debljine 3,2 mm.