Spracovanie chemických zdrojov energie

Bežnou situáciou v každej domácnosti je, že nedávno zakúpené batérie už nie sú vhodné. Alebo sme si so starostlivosťou o životné prostredie a zároveň o bohatstvo našej peňaženky zaobstarali dobíjacie batérie? Po určitom čase aj oni odmietnu spolupracovať. Takže do koša? Rozhodne nie! Keďže poznáme hrozby, ktoré bunky v životnom prostredí spôsobujú, vyhľadáme zberné miesto.

Zbierka

Aký rozsah problémov riešime? V správe hlavného inšpektora životného prostredia z roku 2011 sa zistilo, že viac ako 400 miliónov článkov a batérií. Približne rovnaký počet spáchal samovraždu.

Ryža. 1. Priemerné zloženie surovín (použité bunky) zo štátnych zbierok.

Musíme sa teda rozvíjať asi 92-tisíc ton nebezpečného odpadu obsahujúce ťažké kovy (ortuť, kadmium, nikel, striebro, olovo) a množstvo chemických zlúčenín (hydroxid draselný, chlorid amónny, oxid manganičitý, kyselina sírová) (obr. 1). Keď ich vyhodíme – po skorodovaní náteru – znečisťujú pôdu a vodu (obr. 2). Nedávajme takýto „dar“ okoliu, a teda ani sebe. Z tohto množstva pripadlo 34 % špecializovaným spracovateľom. Preto je stále čo robiť a nie je útechou, že to nie je len v Poľsku?

Ryža. 2. Povlaky skorodovaných buniek.

Už nemáme výhovorky, že nie je kam ísť použité bunky. Každá maloobchodná predajňa, ktorá predáva batérie a ich náhrady, je povinná ich od nás prijať (rovnako ako starú elektroniku a domáce spotrebiče). Mnohé obchody a školy majú tiež kontajnery, do ktorých môžeme umiestniť klietky. Preto sa neospravedlňujme a nehádžme použité batérie a akumulátory do koša. Pri troche túžby nájdeme zberné miesto a samotné odkazy vážia tak málo, že nás odkaz neunaví.

triedenie

Rovnako ako u iných recyklovateľných materiálov, efektívna konverzia má zmysel po zoradení. Odpad z výrobných zariadení má vo všeobecnosti jednotnú kvalitu, ale odpad z verejných zbierok je zmesou dostupných typov buniek. Kľúčovou otázkou sa teda stáva segregácia.

V Poľsku sa triedi ručne, ale aj iné európske krajiny už majú automatizované triediace linky. Používajú sitá s vhodnou veľkosťou ôk (čo umožňuje oddelenie buniek rôznych veľkostí) a röntgen (triedenie obsahu). Trochu iné je aj zloženie surovín zo zberní v Poľsku.

Donedávna dominovali naše klasické kyslé bunky Leclanche. Len nedávno sa prejavila výhoda modernejších alkalických článkov, ktoré pred mnohými rokmi dobyli západné trhy. V každom prípade oba typy jednorazových článkov tvoria viac ako 90 % vyzbieraných batérií. Zvyšok tvoria gombíkové batérie (napájanie hodiniek (obr. 3) alebo kalkulačiek), dobíjacie batérie a lítiové batérie do telefónov a notebookov. Dôvodom tohto malého podielu je vyššia cena a dlhšia životnosť v porovnaní s jednorazovými prvkami.

Ryža. 3. Strieborný odkaz používaný na napájanie náramkových hodiniek.

spracovanie

Po rozchode je čas na to najdôležitejšie etapa spracovania – zhodnocovanie surovín. Pre každý typ budú výsledné produkty mierne odlišné. Technológie spracovania sú však podobné.

Mechanická recyklácia pozostáva z mletia odpadu v mlynoch. Výsledné frakcie sa oddeľujú pomocou elektromagnetov (železo a jeho zliatiny) a špeciálnych preosievacích systémov (iné kovy, plastové prvky, papier atď.). Zaleto metóda spočíva v tom, že nie je potrebné starostlivo triediť suroviny pred spracovaním, defekt – veľké množstvo nevyužiteľného odpadu vyžadujúceho likvidáciu na skládkach.

Hydrometalurgická recyklácia pozostáva z rozpúšťania buniek v kyselinách alebo zásadách. V ďalšom štádiu spracovania sa výsledné roztoky čistia a separujú, napríklad soli kovov, aby sa získali čisté prvky. Veľký výhoda Spôsob sa vyznačuje nízkou spotrebou energie a malým množstvom odpadu vyžadujúceho likvidáciu. defekt Tento spôsob recyklácie vyžaduje starostlivé triedenie batérií, aby sa zabránilo kontaminácii výsledných produktov.

Tepelné spracovanie spočíva vo vypálení článkov v peciach vhodnej konštrukcie. V dôsledku toho sa ich oxidy roztavia a získajú sa (suroviny pre oceliarne). Zaleto Metóda spočíva v možnosti použitia netriedených batérií, defekt a – spotreba energie a tvorba škodlivých produktov spaľovania.

okrem recyklovateľné Bunky sa po predbežnej ochrane pred uvoľnením ich zložiek do životného prostredia skladujú na skládkach. Ide však len o polovičné opatrenie, ktoré odsúva potrebu boja proti tomuto druhu odpadu a plytvaniu mnohými cennými surovinami.

Niektoré prospešné látky môžeme získať aj v domácom laboratóriu. Sú to komponenty klasických prvkov Leclanche - vysoko čistý zinok z pohárikov obklopujúcich prvok a grafitové elektródy. Prípadne môžeme zo zmesi v zmesi oddeliť oxid manganičitý - jednoducho ho prevariť s vodou (na odstránenie rozpustných nečistôt, hlavne chloridu amónneho) a prefiltrovať. Nerozpustný zvyšok (kontaminovaný uhoľným prachom) je vhodný pre väčšinu reakcií s MnO.₂.

Ale nielen prvky používané na napájanie domácich spotrebičov sú recyklovateľné. Zdrojom surovín sú aj staré autobatérie. Extrahuje sa z nich olovo, ktoré sa následne používa pri výrobe nových zariadení a likvidujú sa puzdrá a elektrolyt, ktorý ich napĺňa.

Nikomu netreba pripomínať škody na životnom prostredí, ktoré môžu spôsobiť jedovaté roztoky ťažkých kovov a kyseliny sírovej. Pre našu rýchlo sa rozvíjajúcu technologickú civilizáciu je vzorom príklad článkov a batérií. Rastúcim problémom nie je samotná výroba produktu, ale jeho likvidácia po použití. Dúfam, že čitatelia časopisu Mladý technik svojim príkladom inšpirujú ostatných k recyklácii.

Experiment 1 – Lítiová batéria

lítiové články používajú sa v kalkulačkách a na udržanie napájania BIOSu základných dosiek počítačov (obr. 4). Potvrdíme v nich prítomnosť kovového lítia.

Ryža. 4. Lítium-mangánový článok používaný na udržanie napájania systému BIOS základnej dosky počítača.

Po rozobratí prvku (napríklad bežný typ CR2032) môžeme vidieť detaily konštrukcie (obr. 5): čierna stlačená vrstva oxidu manganičitého MnO₂, porézna separačná elektróda impregnovaná roztokom organického elektrolytu, izolujúca plastový krúžok a dve kovové časti, ktoré tvoria puzdro.

Ryža. 5. Komponenty lítium-mangánového článku: 1. Spodná časť tela s vrstvou kovového lítia (záporná elektróda). 2. Separátor impregnovaný roztokom organického elektrolytu. 3. Lisovaná vrstva oxidu manganičitého (kladná elektróda). 4. Plastový krúžok (izolátor elektródy). 5. Horný kryt (kladná elektróda).

Menšia (záporná elektróda) ​​je pokrytá vrstvou lítia, ktorá na vzduchu rýchlo stmavne. Prvok sa identifikuje pomocou plameňového testu. Za týmto účelom vezmite trochu mäkkého kovu na koniec železného drôtu a vložte vzorku do plameňa horáka – karmínová farba indikuje prítomnosť lítia (obr. 6). Kovové zvyšky recyklujeme rozpustením vo vode.

Ryža. 6. Vzorka lítia v plameni horáka.

Vložte kovovú elektródu s vrstvou lítia do kadičky a nalejte niekoľko cm³ voda. V nádobe nastáva prudká reakcia sprevádzaná uvoľňovaním plynného vodíka:

Hydroxid lítny je silná zásada a ľahko ho otestujeme pomocou indikátorového papierika.

Pokus 2 – alkalická väzba

Vystrihnite jednorazový alkalický prvok, napríklad typ LR6 („prst“, AA). Po otvorení kovovej misky je viditeľná vnútorná štruktúra (obr. 7): vo vnútri je svetlá hmota tvoriaca anódu (hydroxid draselný alebo sodný a zinkový prach) a okolo nej tmavá vrstva oxidu manganičitého MnO.₂ s grafitovým prachom (článková katóda).

Ryža. 7. Alkalická reakcia hmoty anódy v alkalickom článku. Viditeľná bunková štruktúra: svetlá anódotvorná hmota (KOH + zinkový prach) a tmavý oxid manganičitý s grafitovým prachom ako katódou.

Elektródy sú od seba oddelené papierovou membránou. Naneste trochu svetlej látky na testovací prúžok a navlhčite ho kvapkou vody. Modrá farba označuje alkalickú reakciu anódovej hmoty. Typ použitého hydroxidu sa najlepšie overí skúškou plameňom. Vzorka veľkosti niekoľkých makových semien sa nalepí na železný drôt navlhčený vodou a vloží do plameňa horáka.

Žltá farba označuje, že výrobca použil hydroxid sodný a ružovofialová farba označuje hydroxid draselný. Keďže zlúčeniny sodíka kontaminujú takmer všetky látky a plameňový test na tento prvok je mimoriadne citlivý, žltá farba plameňa môže maskovať spektrálne čiary draslíka. Riešením je pozerať sa do plameňa cez modrofialový filter, ktorým môže byť kobaltové sklo alebo roztok farbiva v banke (indigová alebo metylfialová, nachádzajúca sa v dezinfekčnom prostriedku na rany pyoktán). Filter absorbuje žltú farbu, čo vám umožní potvrdiť prítomnosť draslíka vo vzorke.

Označovacie kódy

Na uľahčenie identifikácie typu bunky bol zavedený špeciálny alfanumerický kód. Pre najbežnejšie typy v našich domácnostiach má tvar: číslo-písmeno-písmeno-číslica, kde:

– prvá číslica – počet buniek; ignorované pre jednotlivé bunky.

– prvé písmeno označuje typ bunky. Ak nie je prítomný, je to zinkovo-grafitový Leclancheov článok (anóda: zinok, elektrolyt: chlorid amónny, NH₄Cl, chlorid zinočnatý ZnCl₂, katóda: oxid manganičitý MnO₂). Ostatné typy buniek sú označené nasledovne (namiesto hydroxidu draselného sa používa aj lacnejší hydroxid sodný):

A, P – prvky zinok-vzduch (anóda: zinok, vzdušný kyslík sa redukuje na grafitovej katóde);

B, C, E, F, G – lítiové články (anóda: lítium, ale mnohé látky sa používajú ako katódy a elektrolyty);

H – Ni-MH nikel-metal hydridová batéria (metal hydrid, KOH, NiOOH);

K – Ni-Cd nikel-kadmiová batéria (kadmium, KOH, NiOOH);

L – alkalický prvok (zinok, KOH, MnO₂);

M – prvok ortuti (zinok, KOH; HgO), už nepoužívaný;

S – strieborný prvok (zinok, KOH; Ag₂O);

Z – prvok nikel-mangán (zinok, KOH, NiOOH, MnO₂).

- nasledujúce písmeno označuje tvar odkazu:

F - lamelové;

R - valcový;

S - obdĺžnikový;

P – súčasné označenie buniek s inými ako valcovými tvarmi.

- konečné číslo alebo čísla označujú veľkosť odkazu (katalógové hodnoty alebo priamo udávajú rozmery).

Príklady označenia:

R03
 – zinkovo-grafitová bunka veľkosti malíčka. Ďalšie označenie je AAA alebo micro.

LR6 – alkalický článok veľkosti prsta. Ďalšie označenie je AA alebo minion.

HR14  – Ni-MH batéria, písmeno C sa používa aj na označenie veľkosti.

KR20 – Ni-Cd batéria, ktorej veľkosť je tiež označená písmenom D.

3LR12 – plochá batéria s napätím 4,5V, pozostávajúca z troch alkalických článkov.

6F22 - 9V batéria; šesť jednotlivých planárnych zinkovo-grafitových článkov je umiestnených v obdĺžnikovom kryte.

CR2032 – lítium-mangánový prvok (lítium, organický elektrolyt, MnO₂) s priemerom 20 mm a hrúbkou 3,2 mm.