Переработка химических источников энергии
Частая ситуация в каждом доме – недавно купленные батарейки уже не годятся. А может быть, заботясь об окружающей среде, а заодно — о богатстве своего кошелька, мы обзавелись аккумуляторными батареями? Через какое-то время они тоже откажутся сотрудничать. Так в мусорку? Точно нет! Зная об угрозах, которые клетки вызывают в окружающей среде, мы будем искать точку сбора.
чогултуу
С каким масштабом проблемы мы имеем дело? В отчете Главного инспектора по охране окружающей среды за 2011 год указано, что более 400 миллионов элементов и батарей. Примерно столько же покончили с собой.
Рис. 1. Средний состав сырья (использованных клеток) из государственных коллекций.
Так что надо развиваться около 92 тыс. тонн опасных отходов содержащие тяжелые металлы (ртуть, кадмий, никель, серебро, свинец) и ряд химических соединений (гидроксид калия, хлорид аммония, диоксид марганца, серная кислота) (рис. 1). Когда мы их выбрасываем – после коррозии покрытия – они загрязняют почву и воду (рис. 2). Не будем делать такой «подарок» окружающей среде, а значит и самим себе. Из этой суммы 34% пришлось на специализированные переработчики. Поэтому предстоит еще многое сделать, и это не утешение, что не только в Польше?
Рис. 2. Корродированные покрытия ячеек.
У нас больше нет оправдания, что некуда уйти использованные клетки. Каждая торговая точка, торгующая батарейками и их заменой, обязана принять их у нас (так же, как и старую электронику и бытовую технику). Также во многих магазинах и школах есть контейнеры, в которые мы можем положить клетки. Так что давайте не будем «отмазываться» и не выбрасывать использованные батарейки и аккумуляторы в мусор. При небольшом желании мы найдем точку сбора, а сами звенья весят так мало, что ссылка нас не утомит.
сорттоо
Башкалар сыяктуу перерабатываемые материалы, эффективное преобразование имеет смысл после сортировки. Отходы с производственных предприятий обычно однородны по качеству, но отходы из общественных коллекций представляют собой смесь имеющихся типов клеток. Таким образом, ключевой вопрос становится сегрегация.
В Польше сортировка производится вручную, а в других европейских странах уже есть автоматизированные сортировочные линии. Они используют сита с соответствующими размерами ячеек (что позволяет разделение клеток разного размера) и рентген (сортировка контента). Состав сырья из коллекций в Польше также немного отличается.
До недавнего времени доминировали наши классические кислотные клетки Лекланша. Только недавно стало заметно преимущество более современных щелочных элементов, которые много лет назад завоевали западные рынки. В любом случае, на оба типа одноразовых элементов приходится более 90% собираемых батареек. Остальное — кнопочные батарейки (питание часов (рис. 3) или калькуляторов), аккумуляторы и литиевые батареи для телефонов и ноутбуков. Причиной такой небольшой доли является более высокая цена и более длительный срок службы по сравнению с одноразовыми элементами.
Рис. 3. Серебряное звено, используемое для питания наручных часов.
кайра иштетүү
После расставания пришло время для самого важного этап переработки – восстановление сырья. Для каждого типа полученные продукты будут немного отличаться. Однако технологии обработки аналогичны.
Механическая переработка заключается в измельчении отходов на мельницах. Полученные фракции разделяют с помощью электромагнитов (железо и его сплавы) и специальных систем сит (другие металлы, пластмассовые элементы, бумага и т.д.). Күн чыгышы метод заключается в том, что нет необходимости тщательно сортировать сырье перед переработкой, жетишпегендик – большое количество непригодных отходов, требующих захоронения на полигонах.
Гидрометаллургический рециклинг заключается в растворении клеток в кислотах или основаниях. На следующем этапе переработки полученные растворы очищают и отделяют, например, соли металлов, для получения чистых элементов. Большой пайда метод отличается низким энергопотреблением и малым количеством отходов, требующих захоронения. Кемчилик Этот метод переработки требует тщательной сортировки аккумуляторов во избежание загрязнения получаемых продуктов.
Термическая переработка заключается в обжиге клеток в печах соответствующей конструкции. В результате плавятся и получаются их оксиды (сырье для сталелитейных заводов). Күн чыгышы метод заключается в возможности использования несортированных аккумуляторов, жетишпегендик и – потребление энергии и образование вредных продуктов горения.
тышкары перерабатываемый Ячейки хранятся на полигонах после предварительной защиты от попадания их компонентов в окружающую среду. Однако это лишь полумера, откладывающая необходимость борьбы с этим видом отходов и отходами многих ценных сырьевых материалов.
Мы также можем восстановить некоторые полезные вещества в домашней лаборатории. Это компоненты классических элементов Лекланша — высокочистый цинк из чашек, окружающих элемент, и графитовые электроды. Как вариант, мы можем выделить диоксид марганца из смеси внутри смеси – просто прокипятить его с водой (для удаления растворимых примесей, в основном хлорида аммония) и профильтровать. Нерастворимый остаток (загрязненный угольной пылью) подойдет для большинства реакций с участием MnO.2.
Но не только элементы, используемые для питания бытовой техники, подлежат вторичной переработке. Старые автомобильные аккумуляторы также являются источником сырья. Из них извлекают свинец, который затем используют в производстве новых приборов, а корпуса и заполняющий их электролит утилизируют.
Никому не нужно напоминать об экологическом ущербе, который может быть нанесен токсичным тяжелым металлом и раствором серной кислоты. Для нашей стремительно развивающейся технической цивилизации пример ячеек и аккумуляторов является образцом. Возрастающей проблемой является не производство самого продукта, а его утилизация после использования. Надеюсь, что своим примером читатели журнала «Юный техник» вдохновят и других на переработку.
Эксперимент 1 – литиевая батарея
литиевые элементы они используются в калькуляторах и для поддержания питания BIOS материнских плат компьютеров (рис. 4). Подтвердим наличие в них металлического лития.
Рис. 4. Литий-марганцевый элемент, используемый для поддержания питания BIOS материнской платы компьютера.
После разборки элемента (например, обычного типа CR2032) мы можем увидеть детали структуры (рис. 5): черный спрессованный слой диоксида марганца MnO2, пористый электрод-сепаратор, пропитанный раствором органического электролита, изолирующий пластиковое кольцо и две металлические детали, образующие корпус.
Рис. 5. Компоненты литий-марганцевого элемента: 1. Нижняя часть корпуса со слоем металлического лития (отрицательный электрод). 2. Сепаратор, пропитанный раствором органического электролита. 3. Прессованный слой диоксида марганца (положительный электрод). 4. Пластмассовое кольцо (электродный изолятор). 5. Верхний корпус (вывод положительного электрода).
Меньший из них (отрицательный электрод) покрыт слоем лития, который быстро темнеет на воздухе. Элемент идентифицируется с помощью испытания пламенем. Для этого на конец железной проволоки возьмите немного мягкого металла и вставьте образец в пламя горелки – карминовый цвет свидетельствует о наличии лития (рис. 6). Мы утилизируем остатки металлов, растворяя их в воде.
Рис. 6. Образец лития в пламени горелки.
Поместите металлический электрод со слоем лития в химический стакан и налейте на несколько см3 вода. В сосуде происходит бурная реакция, сопровождающаяся выделением газообразного водорода:
Гидроксид лития является сильным основанием, и мы можем легко проверить его с помощью индикаторной бумаги.
Опыт 2 – щелочная связь
Вырежьте одноразовый щелочной элемент, например, типа LR6 (“палец”, AA). После вскрытия металлической чашки видна внутренняя структура (рис. 7): внутри светлая масса, образующая анод (гидроксид калия или натрия и цинковая пыль), и окружающий его темный слой диоксида марганца MnO.2 с графитовой пылью (катод ячейки).
Рис. 7. Щелочная реакция анодной массы в щелочной ячейке. Видимая ячеистая структура: светлая анодообразующая масса (КОН + цинковая пыль) и темный диоксид марганца с графитовой пылью в качестве катода.
Электроды отделены друг от друга бумажной диафрагмой. Нанесите немного легкого вещества на тест-полоску и смочите ее каплей воды. Синий цвет свидетельствует о щелочной реакции анодной массы. Тип используемого гидроксида лучше всего проверить испытанием пламенем. Образец размером с несколько семян мака приклеивают к смоченной водой железной проволоке и помещают в пламя горелки.
Желтый цвет свидетельствует об использовании производителем гидроксида натрия, а розово-фиолетовый цвет – гидроксида калия. Так как соединения натрия загрязняют практически все вещества, а пламенная проба на этот элемент чрезвычайно чувствительна – желтый цвет пламени может маскировать спектральные линии калия. Решение состоит в том, чтобы смотреть на пламя через сине-фиолетовый фильтр, которым может быть кобальтовое стекло или раствор красителя в колбе (индиго или метиловый фиолетовый, содержащийся в дезинфицирующем средстве для ран, пиоктане). Фильтр поглотит желтый цвет, что позволит вам подтвердить присутствие калия в образце.
Коды обозначения
Для облегчения идентификации типа клеток введен специальный буквенно-цифровой код. Для наиболее распространенных в наших домах видов он имеет вид: число-буква-буква-цифра, где:
– первая цифра – количество ячеек; игнорируется для одиночных ячеек.
– первая буква обозначает тип ячейки. Когда он отсутствует, это цинк-графитовая ячейка Лекланша (анод: цинк, электролит: хлорид аммония, NH4Cl, хлорид цинка ZnCl2, катод: диоксид марганца MnO2). Другие типы ячеек помечены следующим образом (вместо гидроксида калия также используется более дешевый гидроксид натрия):
A, P – цинково-воздушные элементы (анод: цинк, кислород воздуха восстанавливается на графитовом катоде);
B, C, E, F, G – литиевые элементы (анод: литий, но в качестве катодов и электролита используются многие вещества);
H – Ni-MH никель-металлогидридный аккумулятор (металлогидрид, KOH, NiOOH);
K – Ni-Cd никель-кадмиевый аккумулятор (кадмий, КОН, NiOOH);
L – щелочной элемент (цинк, KOH, MnO2);
M – ртутный элемент (цинк, KOH; HgO), больше не используется;
S – серебряный элемент (цинк, KOH; Ag2О);
Z – никель-марганцевый элемент (цинк, KOH, NiOOH, MnO2).
– кийинки тамга шилтеменин формасын көрсөтөт:
F – пластинчатый;
R – цилиндрический;
S – прямоугольный;
P – текущее обозначение ячеек с формами, отличными от цилиндрических.
– итоговая цифра или цифры означают размер ссылки (каталожные значения или прямо дающие размеры).
Белгилөө мисалдары:
R03
– цинк-графитовая ячейка размером с мизинец. Другое обозначение – ААА или микро.
LR6 – щелочная ячейка размером с палец. Другое обозначение – АА или миньон.
HR14 – Батарея Ni-MH, буква C также используется для обозначения размера.
KR20 – Ni-Cd батареясы, анын көлөмү да D тамгасы менен белгиленген.
3LR12 – плоская батарея напряжением 4,5В, состоящая из трех щелочных элементов.
6F22 – батарея 9В; шесть отдельных планарных цинк-графитовых ячеек заключены в прямоугольный корпус.
CR2032 – литий-марганцевый элемент (литий, органический электролит, MnO2) диаметром 20 мм и толщиной 3,2 мм.
