Prerada kemijskih izvora energije

Česta situacija u svakom domu je da nedavno kupljene baterije više ne odgovaraju. Ili smo možda, brinući o okolišu, a ujedno i o bogatstvu svog novčanika, nabavili punjive baterije? Nakon nekog vremena i oni će odbiti suradnju. Pa u smeće? Apsolutno ne! Poznavajući prijetnje koje stanice uzrokuju u okolišu, potražit ćemo sabirno mjesto.

Zbirka

Koliki je razmjer problema s kojim se suočavamo? Izvješće glavnog inspektora zaštite okoliša iz 2011. godine pokazalo je da više od 400 milijuna ćelija i baterija. Otprilike isti broj izvršio je samoubojstvo.

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

Zato se trebamo razvijati oko 92 tisuće tona opasnog otpada koji sadrže teške metale (živu, kadmij, nikal, srebro, olovo) i niz kemijskih spojeva (kalijev hidroksid, amonijev klorid, mangan dioksid, sumporna kiselina) (slika 1). Kad ih bacimo - nakon što je premaz korodirao - zagađuju tlo i vodu (slika 2). Ne darujmo takav “dar” okolini, a samim time ni sebi. Od toga je 34% otišlo specijaliziranim prerađivačima. Dakle, ima još puno toga za učiniti, a nije li utjeha što nije samo u Poljskoj?

Riža. 2. Korodirani premazi stanica.

Više nemamo izgovora da nikamo ne idemo korištene stanice. Svaka poslovnica koja prodaje baterije i zamjenske baterije dužna je prihvatiti ih od nas (kao i staru elektroniku i kućanske aparate). Također, mnoge trgovine i škole imaju kontejnere u koje možemo staviti kaveze. Dakle, nemojmo se „odricati“ i ne bacati iskorištene baterije i akumulatore u smeće. Uz malo želje pronaći ćemo mjesto okupljanja, a same poveznice toliko su malo teške da nas poveznica neće umoriti.

sortiranje

Kao i kod drugih materijali koji se mogu reciklirati, učinkovita transformacija ima smisla nakon sortiranja. Otpad iz proizvodnih pogona obično je ujednačen u kvaliteti, ali otpad iz javnih prikupljanja mješavina je dostupnih vrsta ćelija. Dakle, ključno pitanje postaje segregacija.

U Poljskoj se sortiranje obavlja ručno, dok druge europske zemlje već imaju automatizirane linije za sortiranje. Koriste sita s odgovarajućim veličinama oka (dopuštaju odvajanje stanica različitih veličina) i rentgen (razvrstavanje sadržaja). Sastav sirovina iz zbirki u Poljskoj također je malo drugačiji.

Donedavno su dominirale naše klasične kisele Leclanche stanice. Tek u posljednje vrijeme uočava se prednost modernijih alkalnih stanica, koje su prije mnogo godina osvojile zapadna tržišta. U svakom slučaju, obje vrste jednokratnih ćelija čine više od 90% prikupljenih baterija. Ostalo su gumbaste baterije (napajanje satova (slika 3) ili kalkulatora), punjive baterije i litijeve baterije za telefone i prijenosna računala. Razlog tako malog udjela je viša cijena i duži vijek trajanja u odnosu na jednokratne elemente.

Riža. 3. Srebrna karika koja se koristi za napajanje ručnih satova.

Obrada

Nakon prekida, vrijeme je za ono najvažnije faza obrade – oporaba sirovina. Za svaku vrstu, dobiveni proizvodi bit će malo drugačiji. Međutim, tehnologije obrade su slične.

mehanička obrada sastoji se u mljevenju otpada u mlinovima. Dobivene frakcije se odvajaju pomoću elektromagneta (željezo i njegove legure) i posebnih sustava sita (drugi metali, plastični elementi, papir itd.). Zaleto metoda leži u činjenici da nema potrebe pažljivo sortirati sirovine prije obrade, mana – velika količina neupotrebljivog otpada koji zahtijeva odlaganje na odlagališta.

Hidrometalurška reciklaža je otapanje stanica u kiselinama ili bazama. U sljedećoj fazi obrade, dobivene otopine se pročišćavaju i odvajaju, na primjer, metalne soli, kako bi se dobili čisti elementi. Velik prednost metodu karakterizira niska potrošnja energije i mala količina otpada koji zahtijeva odlaganje. Mana Ova metoda recikliranja zahtijeva pažljivo sortiranje baterija kako bi se izbjegla kontaminacija rezultirajućih proizvoda.

Termička obrada sastoji se u pečenju ćelija u pećnicama odgovarajuće izvedbe. Kao rezultat, njihovi oksidi se tope i dobivaju (sirovine za čeličane). Zaleto metoda se sastoji u mogućnosti korištenja nerazvrstanih baterija, mana i – potrošnja energije i stvaranje štetnih produkata izgaranja.

osim reciklirati Stanice se pohranjuju na odlagalištima nakon prethodne zaštite od prodiranja njihovih komponenti u okoliš. No, to je samo polovična mjera koja odgađa potrebu rješavanja ove vrste otpada i otpada mnogih vrijednih sirovina.

Neke korisne tvari možemo obnoviti i u kućnom laboratoriju. 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 ga prokuhati s vodom (kako bismo uklonili topive nečistoće, uglavnom amonijev klorid) i filtrirati. Netopljivi ostatak (kontaminiran ugljenom prašinom) prikladan je za većinu reakcija koje uključuju MnO.₂.

No ne samo da se elementi koji se koriste za napajanje kućanskih aparata mogu reciklirati. Stari automobilski akumulatori također su izvor sirovina. Iz njih se vadi olovo koje se potom koristi u proizvodnji novih uređaja, a kućišta i elektrolit koji ih puni se zbrinjavaju.

Nitko se ne mora podsjećati na štetu okolišu koju mogu prouzročiti otrovni teški metali i otopina sumporne kiseline. Za našu tehničku civilizaciju koja se brzo razvija, primjer ćelija i baterija je uzor. Sve veći problem nije sama proizvodnja proizvoda, već njegovo zbrinjavanje nakon upotrebe. Nadam se da će čitatelji časopisa "Mladi tehničar" svojim primjerom potaknuti i druge na recikliranje.

Eksperiment 1 – Litijeva baterija

litijeve stanice koriste se u kalkulatorima i za održavanje napajanja BIOS-a matičnih ploča računala (slika 4). Potvrdimo prisutnost metalnog litija u njima.

Riža. 4. Litij-manganska ćelija koja se koristi za održavanje napajanja BIOS-a matične ploče računala.

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

Riža. 5. Komponente litij-manganske ćelije: 1. Donji dio tijela sa slojem metalnog litija (negativna elektroda). 2. Separator impregniran otopinom organskog elektrolita. 3. Prešani sloj mangan dioksida (pozitivna elektroda). 4. Plastični prsten (izolator elektroda). 5. Gornje kućište (izvod pozitivne elektrode).

Manja (negativna elektroda) presvučena je slojem litija koji brzo tamni na zraku. Element se identificira ispitivanjem plamenom. Da biste to učinili, uzmite malo mekog metala na kraju željezne žice i umetnite uzorak u plamen plamenika - boja karmina označava prisutnost litija (slika 6). Metalne ostatke recikliramo otapanjem u vodi.

Riža. 6. Uzorak litija u plamenu plamenika.

Stavite metalnu elektrodu sa slojem litija u čašu i ulijte nekoliko cm³ voda. U posudi se događa burna reakcija, praćena oslobađanjem plinovitog vodika:

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

Pokus 2 – alkalna veza

Izrežite jednokratni alkalni element, na primjer tipa LR6 ("prst", AA). Nakon otvaranja metalne čašice vidljiva je unutarnja struktura (slika 7): unutra se nalazi svijetla masa koja čini anodu (kalijev ili natrijev hidroksid i cinkova prašina), a okružuje je tamni sloj mangan dioksida MnO.₂ s grafitnom prašinom (stanična katoda).

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

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

Žuta boja označava da je proizvođač koristio natrijev hidroksid, a ružičasto-ljubičasta boja označava kalijev hidroksid. Budući da natrijevi spojevi kontaminiraju gotovo sve tvari, a test plamena za ovaj element je izuzetno osjetljiv, žuta boja plamena može prikriti spektralne linije kalija. Rješenje je promatranje plamena kroz plavo-ljubičasti filter, koji može biti kobaltno staklo ili otopina boje u tikvici (indigo ili metilviolet, koji se nalazi u sredstvu za dezinfekciju rana pioktanu). Filtar će apsorbirati žutu boju, omogućujući vam da potvrdite prisutnost kalija u uzorku.

Šifre oznaka

Kako 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 znamenka – broj ćelija; zanemaruje se za pojedinačne ćelije.

– prvo slovo označava tip ćelije. Kada nije prisutna, to je cink-grafitna Leclanche ćelija (anoda: cink, elektrolit: amonijev klorid, NH₄Cl, cink klorid ZnCl₂, katoda: mangan dioksid MnO₂). Ostale vrste stanica označene su kako slijedi (jeftiniji natrijev hidroksid također se koristi umjesto kalijevog hidroksida):

A, P – elementi cink-zrak (anoda: cink, kisik iz zraka reducira se na grafitnoj katodi);

B, C, E, F, G – litijeve ćelije (anoda: litij, ali mnoge tvari se koriste kao katode i elektroliti);

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

K – Ni-Cd nikal-kadmijeva baterija (kadmij, KOH, NiOOH);

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

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

S – element srebra (cink, KOH; Ag₂OKO);

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

- sljedeće slovo označava oblik veze:

F – lamelasti;

R – cilindrični;

S – pravokutni;

P – trenutna oznaka ćelija čiji oblici nisu cilindrični.

– konačni broj ili brojevi označavaju veličinu reference (kataloške vrijednosti ili izravno davanje dimenzija).

Primjeri označavanja:

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

LR6 – lužnata stanica veličine prsta. Druga oznaka je AA ili minion.

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

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

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

6F22 – 9V baterija; šest pojedinačnih planarnih cink-grafitnih ćelija smješteno je u pravokutno kućište.

CR2032 – element litij-mangan (litij, organski elektrolit, MnO₂) promjera 20 mm i debljine 3,2 mm.