Zpracování chemických zdrojů energie

Běžnou situací v každé domácnosti je, že nedávno zakoupené baterie již nejsou dobré. Nebo možná, že se staráme o životní prostředí a zároveň - o bohatství naší peněženky, máme baterie? Po čase také odmítnou spolupracovat. Takže do koše? Rozhodně ne! Když víme o hrozbách, které buňky způsobují v životním prostředí, budeme hledat shromažďovací bod.

kolekce

Jaký je rozsah problému, kterým se zabýváme? Zpráva hlavního inspektora životního prostředí z roku 2011 uvedla, že více než 400 milionů článků a baterií. Přibližně stejný počet spáchal sebevraždu.

Rýže. 1. Průměrné složení surovin (použité buňky) ze státních sbírek.

Musíme se tedy rozvíjet asi 92 tisíc tun nebezpečného odpadu obsahující těžké kovy (rtuť, kadmium, nikl, stříbro, olovo) a řadu chemických sloučenin (hydroxid draselný, chlorid amonný, oxid manganičitý, kyselina sírová) (obr. 1). Když je vyhodíme – po zkorodování nátěru – znečišťují půdu a vodu (obr. 2). Nedělejme takový „dárek“ okolí, potažmo sobě. Z tohoto množství 34 % připadalo na specializované zpracovatele. Zbývá tedy ještě mnoho udělat a není útěchou, že to není jen v Polsku?

Rýže. 2. Zkorodované povlaky buněk.

Už nemáme výmluvu, že nikam jít použité buňky. Každá prodejna, která prodává baterie a náhradní baterie, je od nás musí přijmout (stejně jako starou elektroniku a domácí spotřebiče). Také mnoho obchodů a škol má kontejnery, do kterých můžeme umístit klece. Takže se „neodmítejme“ a nevyhazujme použité baterie a akumulátory do koše. S trochou touhy najdeme shromažďovací bod a samotné spojky váží tak málo, že nás spojka neunaví.

Třídit

Stejně jako u ostatních recyklovatelné materiály, efektivní transformace dává smysl po třídění. Odpady z průmyslových závodů jsou obvykle kvalitativně jednotné, ale odpady z veřejných sbírek jsou směsí dostupných typů buněk. Tím se stává klíčová otázka segregace.

V Polsku se třídění provádí ručně, zatímco jiné evropské země již mají automatizované třídící linky. Používají síta s vhodnou velikostí ok (povolující separace buněk různých velikostí) a rentgen (třídění obsahu). Trochu jiné je i složení surovin ze sběren v Polsku.

Donedávna dominovaly naše klasické kyselé buňky Leclanche. Teprve nedávno se začala projevovat výhoda modernějších alkalických článků, které před mnoha lety dobyly západní trhy. Každopádně oba typy jednorázových článků tvoří více než 90 % sesbíraných baterií. Zbytek tvoří knoflíkové baterie (napájení hodinek (obr. 3) nebo kalkulačky), dobíjecí baterie a lithiové baterie do telefonů a notebooků. Důvodem tak malého podílu je vyšší cena a delší životnost oproti jednorázovým prvkům.

Rýže. 3. Stříbrný článek používaný k napájení náramkových hodinek.

Zpracování

Po rozchodu je čas na to nejdůležitější fázi zpracování - regenerace surovin. U každého typu se budou obdržené produkty mírně lišit. Techniky zpracování jsou však podobné.

mechanické zpracování spočívá v mletí odpadu v mlýnech. Vzniklé frakce se oddělují pomocí elektromagnetů (železo a jeho slitiny) a speciálních sítových systémů (ostatní kovy, plastové prvky, papír atd.). Zaleto metoda spočívá v tom, že není třeba pečlivě třídit suroviny před zpracováním, vada - velké množství nevyužitelného odpadu, který vyžaduje uložení na skládky.

Hydrometalurgická recyklace je rozpouštění buněk v kyselinách nebo zásadách. V další fázi zpracování se výsledné roztoky čistí a oddělují, například soli kovů, aby se získaly čisté prvky. Velký výhoda metoda se vyznačuje nízkou spotřebou energie a malým množstvím odpadu vyžadujícího likvidaci. Přeběhnout Tento způsob recyklace vyžaduje pečlivé třídění baterií, aby se zabránilo kontaminaci výsledných produktů.

Tepelné zpracování spočívá ve vypalování článků v pecích příslušné konstrukce. V důsledku toho se jejich oxidy taví a získávají (suroviny pro ocelárny). Zaleto metoda spočívá v možnosti použití netříděných baterií, vada a – spotřeba energie a tvorba škodlivých produktů spalování.

kromě recyklovatelné Články jsou po předběžné ochraně před vniknutím jejich složek do prostředí skladovány na skládkách. Jde však pouze o poloviční opatření, oddalující nutnost řešit tento druh odpadu a plýtvání mnoha cennými surovinami.

Některé živiny můžeme také obnovit v naší domácí laboratoři. Jedná se o součásti klasických prvků Leclanche - vysoce čistý zinek z kalíšek obklopujících prvek a grafitové elektrody. Alternativně můžeme oxid manganičitý oddělit ze směsi ve směsi - jednoduše svařit s vodou (k odstranění rozpustných nečistot, hlavně chloridu amonného) a přefiltrovat. Nerozpustný zbytek (kontaminovaný uhelným prachem) je vhodný pro většinu reakcí s MnO.₂.

Ale nejen prvky používané k napájení domácích spotřebičů jsou recyklovatelné. Zdrojem surovin jsou i staré autobaterie. Získává se z nich olovo, které se následně používá při výrobě nových přístrojů a likvidují se pouzdra a elektrolyt, který je plní.

Nikomu není třeba připomínat škody na životním prostředí, které může způsobit roztok toxických těžkých kovů a kyseliny sírové. Pro naši rychle se rozvíjející technickou civilizaci je příklad článků a baterií vzorem. Stále větším problémem není samotná výroba produktu, ale jeho likvidace po použití. Doufám, že čtenáři časopisu Mladý technik svým příkladem inspirují ostatní k recyklaci.

Pokus 1 – lithiová baterie

lithiové články používají se v kalkulačkách a pro udržení napájení BIOSu základních desek počítačů (obr. 4). Potvrdíme přítomnost kovového lithia v nich.

Rýže. 4. Lithium-manganový článek používaný k udržení napájení BIOSu základní desky počítače.

Po rozebrání prvku (například běžný typ CR2032) vidíme detaily konstrukce (obr. 5): černá stlačená vrstva oxidu manganičitého MnO₂, porézní separační elektroda napuštěná roztokem organického elektrolytu, izolující plastový kroužek a dvě kovové části tvořící pouzdro.

Rýže. 5. Součásti lithium-manganového článku: 1. Spodní část těla s vrstvou kovového lithia (záporná elektroda). 2. Separátor napuštěný roztokem organického elektrolytu. 3. Lisovaná vrstva oxidu manganičitého (kladná elektroda). 4. Plastový kroužek (izolátor elektrody). 5. Horní kryt (kladná svorka elektrody).

Menší (záporná elektroda) je pokryta vrstvou lithia, která na vzduchu rychle tmavne. Prvek je identifikován zkouškou plamenem. K tomu vezměte trochu měkkého kovu na konec železného drátu a vložte vzorek do plamene hořáku – karmínová barva indikuje přítomnost lithia (obr. 6). Kovové zbytky likvidujeme rozpuštěním ve vodě.

Rýže. 6. Vzorek lithia v plameni hořáku.

Umístěte kovovou elektrodu s vrstvou lithia do kádinky a nalijte několik cm³ voda. V nádobě dochází k prudké reakci doprovázené uvolňováním plynného vodíku:

Hydroxid lithný je silná báze a můžeme jej snadno otestovat indikátorovým papírkem.

Zkušenost 2 - alkalická vazba

Vyřízněte jednorázový alkalický prvek, například typ LR6 („prst“, AA). Po otevření kovového kalíšku je vidět vnitřní struktura (obr. 7): uvnitř je světlá hmota tvořící anodu (hydroxid draselný nebo sodný a zinkový prach) a kolem ní tmavá vrstva oxidu manganičitého MnO.₂ s grafitovým prachem (článková katoda).

Rýže. 7. Alkalická reakce anodové hmoty v alkalickém článku. Viditelná buněčná struktura: světlá anodotvorná hmota (KOH + zinkový prach) a tmavý oxid manganičitý s grafitovým prachem jako katodou.

Elektrody jsou od sebe odděleny papírovou membránou. Naneste malé množství světlé látky na testovací proužek a navlhčete jej kapkou vody. Modrá barva označuje alkalickou reakci anodové hmoty. Typ použitého hydroxidu se nejlépe ověří plamenovou zkouškou. Vzorek o velikosti několika makovic se nalepí na železný drát namočený ve vodě a vloží do plamene hořáku.

Žlutá barva označuje použití hydroxidu sodného výrobcem a růžovofialová barva označuje hydroxid draselný. Vzhledem k tomu, že sloučeniny sodíku kontaminují téměř všechny látky a plamenový test tohoto prvku je extrémně citlivý, může žlutá barva plamene maskovat spektrální čáry draslíku. Řešením je podívat se do plamene přes modrofialový filtr, kterým může být kobaltové sklo nebo roztok barviva v baňce (indigo nebo methylvioleť nalezená v dezinfekci na rány, pyoktan). Filtr absorbuje žlutou barvu, což vám umožní potvrdit přítomnost draslíku ve vzorku.

Kódy označení

Pro usnadnění identifikace typu buňky byl zaveden speciální alfanumerický kód. U nejběžnějších typů v našich domácnostech to vypadá takto: číslo-písmeno-písmeno-číslo, kde:

- první číslice je počet buněk; ignorováno pro jednotlivé buňky.

– první písmeno označuje typ buňky. Pokud chybí, jedná se o Leclancheův zinko-grafitový článek (anoda: zinek, elektrolyt: chlorid amonný, NH₄Cl, chlorid zinečnatý ZnCl₂, katoda: oxid manganičitý MnO₂). Jiné typy buněk jsou označeny následovně (namísto hydroxidu draselného se také používá levnější hydroxid sodný):

A, P – prvky zinek-vzduch (anoda: zinek, vzdušný kyslík je redukován na grafitové katodě);

B, C, E, F, G - lithiové články (anoda: lithium, ale mnoho látek se používá jako katody a elektrolyt);

H – Ni-MH nikl-metal hydridová baterie (metal hydrid, KOH, NiOOH);

K – Ni-Cd nikl-kadmiová baterie (kadmium, KOH, NiOOH);

L – alkalický prvek (zinek, KOH, MnO₂);

M – prvek rtuť (zinek, KOH; HgO), již nepoužívaný;

S – prvek stříbra (zinek, KOH; Ag₂O);

Z – prvek nikl-mangan (zinek, KOH, NiOOH, MnO₂).

- následující písmeno označuje tvar odkazu:

F - lamelové;

R - válcový;

S - obdélníkový;

P – současné označení buněk jiných než válcových tvarů.

– poslední obrázek nebo čísla udávají velikost reference (katalogové hodnoty nebo přímo udávající rozměry).

Příklady značení:

R03
 - zinko-grafitový článek velikosti malíčku. Další označení je AAA nebo micro.

LR6 - alkalický článek velikosti prstu. Další označení je AA nebo minion.

HR14  – Ni-MH baterie, pro velikost se používá i písmeno C.

KR20 – Ni-Cd baterie, jejíž velikost je rovněž označena písmenem D.

3LR12 - plochá baterie o napětí 4,5 V, složená ze tří alkalických článků.

6F22 - 9V baterie; šest jednotlivých planárních zinko-grafitových článků je uzavřeno v pravoúhlém pouzdře.

CR2032 – lithium-manganový článek (lithium, organický elektrolyt, MnO₂) o průměru 20 mm a tloušťce 3,2 mm.