Переробка хімічних джерел енергії

Часта ситуація в кожному будинку – нещодавно куплені батареї вже не годяться. А може, піклуючись про навколишнє середовище, а заразом — про багатство свого гаманця, ми обзавелися акумуляторними батареями? Через якийсь час вони також відмовляться співпрацювати. Так на смітник? Точно ні! Знаючи про загрози, які клітини викликають у навколишньому середовищі, ми шукатимемо точку збору.

Колекція

З яким масштабом проблеми маємо справу? У звіті Головного інспектора з охорони навколишнього середовища за 2011 рік зазначено, що більше 400 мільйонів елементів та батарей. Приблизно стільки ж наклали на себе руки.

Рис. 1. Середній склад сировини (використаних клітин) із державних колекцій.

Тож треба розвиватися близько 92 тис. тонн небезпечних відходів містять важкі метали (ртуть, кадмій, нікель, срібло, свинець) та ряд хімічних сполук (гідроксід калію, хлорид амонію, діоксид марганцю, сірчана кислота) (рис. 1). Коли ми їх викидаємо – після корозії покриття – вони забруднюють ґрунт та воду (рис. 2). Не робитимемо такий «подарунок» навколишньому середовищу, а значить і самим собі. Із цієї суми 34% припало на спеціалізовані переробники. Тож треба ще багато зробити, і це не втіха, що не тільки в Польщі?

Рис. 2. Корродовані покриття осередків.

У нас більше немає виправдання, що нема куди піти використані клітини. Кожна торгова точка, торгує батарейками та його заміною, повинна прийняти в нас (як і, як і стару електроніку і побутову техніку). Також у багатьох магазинах та школах є контейнери, в які ми можемо покласти клітки. Так що давайте не будемо «відмазуватись» і не викидати використані батарейки та акумулятори у сміття. За невеликого бажання ми знайдемо точку збору, а самі ланки важать так мало, що посилання нас не втомить.

Сортування

Як і з іншими матеріали, що переробляються, ефективне перетворення має сенс після сортування. Відходи з виробничих підприємств зазвичай однорідні за якістю, але відходи з громадських колекцій є сумішшю наявних типів клітин. Таким чином, ключове питання стає сегрегація.

У Польщі сортування проводиться вручну, а в інших європейських країнах вже є автоматизовані сортувальні лінії. Вони використовують сита з відповідними розмірами осередків (що дозволяє поділ клітин різного розміру) та рентген (сортування контенту). Склад сировини з колекцій у Польщі також дещо відрізняється.

Донедавна домінували наші класичні кислотні клітини Лекланша. Тільки недавно стала помітна перевага сучасніших лужних елементів, які багато років тому завоювали західні ринки. У будь-якому випадку, на обидва типи одноразових елементів припадає більше 90% батарейок, що збираються. Решта — кнопкові батареї (живлення годинника (рис. 3) або калькуляторів), акумулятори та літієві батареї для телефонів та ноутбуків. Причиною такої невеликої частки є більш висока ціна та триваліший термін служби порівняно з одноразовими елементами.

Рис. 3. Срібна ланка, що використовується для живлення наручного годинника.

Обробка

Після розлучення настав час для найважливішого етап переробки - Відновлення сировини. Для кожного типу отримані продукти трохи відрізнятимуться. Проте технології обробки аналогічні.

Механічна переробка полягає у подрібненні відходів на млинах. Отримані фракції поділяють за допомогою електромагнітів (залізо та його сплави) та спеціальних систем сит (інші метали, пластмасові елементи, папір тощо). Затоплено метод полягає в тому, що немає необхідності ретельно сортувати сировину перед переробкою, дефект – велика кількість непридатних відходів, які потребують захоронення на полігонах.

Гідрометалургійний рециклінг полягає у розчиненні клітин у кислотах або основах. На наступному етапі переробки одержані розчини очищають і відокремлюють, наприклад, солі металів, для отримання чистих елементів. Великий перевага метод відрізняється низьким енергоспоживанням та малою кількістю відходів, що вимагають поховання. дефект Цей метод переробки вимагає ретельного сортування акумуляторів, щоб уникнути забруднення одержуваних продуктів.

Термічна переробка полягає у випаленні клітин у печах відповідної конструкції. В результаті плавляться та виходять їх оксиди (сировина для сталеливарних заводів). Затоплено метод полягає у можливості використання несортованих акумуляторів, дефект і – споживання енергії та утворення шкідливих продуктів горіння.

крім перероблений Осередки зберігаються на полігонах після попереднього захисту від попадання їх компонентів у навколишнє середовище. Однак це лише півзаходи, що відкладають необхідність боротьби з цим видом відходів та відходами багатьох цінних сировинних матеріалів.

Ми також можемо відновити деякі корисні речовини у домашній лабораторії. Це компоненти класичних елементів Лекланша – високочистий цинк із чашок, що оточують елемент, та графітові електроди. Як варіант, ми можемо виділити діоксид марганцю із суміші всередині суміші – просто прокип'ятити його з водою (для видалення розчинних домішок, в основному хлориду амонію) та профільтрувати. Нерозчинний залишок (забруднений вугільним пилом) підійде для більшості реакцій за участю MnO.₂.

Але не тільки елементи, які використовуються для живлення побутової техніки, підлягають вторинній переробці. Старі автомобільні акумулятори також є джерелом сировини. З них вилучають свинець, який потім використовують у виробництві нових приладів, а корпуси та електроліт, що заповнює їх, утилізують.

Нікому не потрібно нагадувати про екологічні збитки, які можуть бути завдані токсичним важким металом і розчином сірчаної кислоти. Для нашої технічної цивілізації, що стрімко розвивається, приклад осередків і акумуляторів є зразком. Зростаючою проблемою є виробництво самого продукту, яке утилізація після використання. Сподіваюся, що своїм прикладом читачі журналу «Юний технік» надихнуть інших на переробку.

Експеримент 1 – літієва батарея

літієві елементи вони використовуються в калькуляторах і для живлення BIOS материнських плат комп'ютерів (рис. 4). Підтвердимо наявність у них металевого літію.

Рис. 4. Літій-марганцевий елемент, який використовується для підтримки живлення BIOS материнської плати комп'ютера.

Після розбирання елемента (наприклад, звичайного типу CR2032) можна побачити деталі структури (рис. 5): чорний спресований шар діоксиду марганцю MnO₂, пористий електрод-сепаратор, просочений розчином органічного електроліту, що ізолює пластикове кільце та дві металеві деталі, що утворюють корпус.

Рис. 5. Компоненти літій-марганцевого елемента: 1. Нижня частина корпусу із шаром металевого літію (негативний електрод). 2. Сепаратор, просочений розчином органічного електроліту. 3. Пресований шар діоксиду марганцю (позитивний електрод). 4. Пластмасове кільце (електродний ізолятор). 5. Верхній корпус (виведення позитивного електрода).

Найменший з них (негативний електрод) покритий шаром літію, який швидко темніє на повітрі. Елемент ідентифікується за допомогою випробування полум'ям. Для цього на кінець залізного дроту візьміть трохи м'якого металу та вставте зразок у полум'я пальника – карміновий колір свідчить про наявність літію (рис. 6). Ми утилізуємо залишки металів, розчиняючи їх у воді.

Рис. 6. Зразок літію в полум'ї пальника.

Помістіть металевий електрод із шаром літію в хімічну склянку і налийте на кілька см.³ вода. У посудині відбувається бурхлива реакція, що супроводжується виділенням газоподібного водню:

Гідроксид літію є сильною основою і ми можемо легко перевірити його за допомогою індикаторного паперу.

Досвід 2 – лужний зв'язок

Виріжте одноразовий лужний елемент, наприклад типу LR6 (“палець”, AA). Після розкриття металевої чашки видно внутрішню структуру (рис. 7): усередині світла маса, що утворює анод (гідроксід калію або натрію і цинковий пил), і темний шар діоксиду марганцю MnO, що оточує його.₂ з графітовим пилом (катод осередку).

Рис. 7. Лужна реакція анодної маси в лужному осередку. Видима осередкова структура: світла анодоутворююча маса (КОН + цинковий пил) і темний діоксид марганцю з графітовим пилом як катод.

Електроди відокремлені одна від одної паперовою діафрагмою. Нанесіть трохи легкої речовини на тест-смужку та змочіть її краплею води. Синій колір свідчить про лужну реакцію анодної маси. Тип гідроксиду, що використовується, найкраще перевірити випробуванням полум'ям. Зразок розміром з кілька насіння маку приклеюють до змоченої води залізним дротом і поміщають в полум'я пальника.

Жовтий колір свідчить про використання виробником гідроксиду натрію, а рожево-фіолетовий колір – гідроксиду калію. Оскільки сполуки натрію забруднюють практично всі речовини, а полум'яна проба на цей елемент надзвичайно чутлива – жовтий колір полум'я може маскувати спектральні лінії калію. Рішення полягає в тому, щоб дивитися на полум'я через синьо-фіолетовий фільтр, яким може бути кобальтове скло або розчин барвника в колбі (індиго або метиловий фіолетовий, що міститься в дезінфікуючому засобі для ран, піоктані). Фільтр поглине жовтий колір, що дозволить вам підтвердити наявність калію у зразку.

Коди позначення

Для полегшення ідентифікації типу клітин запроваджено спеціальний буквено-цифровий код. Для найпоширеніших у наших будинках видів він має вигляд: число-літера-буква-цифра, де:

– перша цифра – кількість осередків; ігнорується для одиночних осередків.

– перша літера позначає тип комірки. Коли він відсутній, це цинк-графітовий осередок Лекланша (анод: цинк, електроліт: хлорид амонію, NH₄Cl, хлорид цинку ZnCl₂, катод: діоксид марганцю MnO₂). Інші типи осередків позначені таким чином (замість гідроксиду калію також використовується більш дешевий гідроксид натрію):

A, P – цинково-повітряні елементи (анод: цинк, кисень повітря відновлюється на графітовому катоді);

B, C, E, F, G – літієві елементи (анод: літій, але як катоди та електроліт використовуються багато речовин);

H - Ni-MH нікель-металогідридний акумулятор (металогідрид, KOH, NiOOH);

K - Ni-Cd нікель-кадмієвий акумулятор (кадмій, КОН, NiOOH);

L – лужний елемент (цинк, KOH, MnO₂);

M – ртутний елемент (цинк, KOH; HgO), що більше не використовується;

S - Срібний елемент (цинк, KOH; Ag₂ПРО);

Z - нікель-марганцевий елемент (цинк, KOH, NiOOH, MnO₂).

– наступна літера вказує форму ланки:

F - Пластичастий;

R - Циліндричний;

S - Прямокутний;

P - Поточне позначення осередків з формами, відмінними від циліндричних.

– підсумкова цифра або цифри означають розмір посилання (каталожні значення або розміри, що прямо дають).

Приклади маркування:

R03
 – цинк-графітовий осередок розміром з мізинець. Інше позначення – ААА чи мікро.

LR6 – лужний осередок розміром із палець. Інше позначення - АА або міньйон.

HR14  – Батарея Ni-MH, літера C також використовується для позначення розміру.

KR20 – Ni-Cd акумулятор, розмір якого також позначений літерою D.

3LR12 - Плоска батарея напругою 4,5В, що складається з трьох лужних елементів.

6F22 - Акумулятор 9В; шість окремих планарних цинк-графітових осередків укладено у прямокутний корпус.

CR2032 - літій-марганцевий елемент (літій, органічний електроліт, MnO₂) діаметром 20 мм та товщиною 3,2 мм.