Исследование состава отработавших бытовых батареек
Авторы: учитель химии учитель химии ГБОУ школа 2007 |
Москва
2016
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 3
Цель и задачи проекта 4
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4
Классификация бытовых батареек 4
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 7
Методика исследования 7
Сбор батареек в школе 8
Опыт 1: Обнаружение лития 9
Опыт 2: Изменение уровня pH–среды 9
Опыт 3: Определение мутности воды 11
Выводы 12
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 13
ВВЕДЕНИЕ
Батарейки относятся к категории опасных твердых бытовых отходов (ТБО). По некоторым данным, на отработавшие батарейки приходится до 40% всех токсичных веществ, попадающих в окружающую среду вместе с ТБО [9]. Производство батареек и аккумуляторов постоянно растет. В связи с этим вопрос сбора, утилизации и переработки использованных батареек и аккумуляторов становиться все более актуальным.
В Европе вопросами утилизации батареек занимаются уже давно. Показатели по сбору батареек постоянно увеличиваются и на 2016 год составляют не менее 45% от общего количества. Почти во всех странах существует развитая инфраструктура раздельного сбора мусора [7–8] и пунктов приема опасных отходов. Переработкой батареек в Европе занимается более 40 компаний. При этом в производственный цикл для повторного использования возвращаются ценные металлы и вещества [4].
В нашей стране инфраструктура сбора батареек практически отсутствует. Информированность населения о вреде батареек очень низкая. Как следствие, собирается не более 1% от всего числа батареек. Большая часть батареек вывозится на полигоны ТБО, где в результате коррозии из них выделяются тяжелые металлы, которые поступая в почву, затем попадают в грунтовые воды или атмосферу и ухудшают экологию. Единственное предприятие, запустившее экспериментальную линию по безопасной переработке батареек, находится в Челябинске [10].
Для улучшения ситуации необходимо, с одной стороны, предоставлять населению больше объективной информации о вреде, который может оказать для экологии выброшенная батарейка. С другой стороны, нужно выявлять ценные вещества в составе батареек, которые позволили бы сделать выгодным процесс их утилизации.
Цель и задачи
Цель: исследовать состав бытовых батареек на наличие вредных для окружающей среды веществ.
Задачи:
- изучение литературы по классификации и составу бытовых батареек,
- проведение качественных реакций обнаружения некоторых вредных для экологии веществ в составе батареек, моделирование процесса загрязнения среды отработавшими батарейками и измерение некоторых показателей загрязнения.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Классификация бытовых батареек
Бытовая батарейка представляет собой компактный автономный источник постоянного тока, в которой химическая энергия активных веществ превращается в электрическую энергию.
Бытовые батарейки делятся на простые батарейки для одноразового использования и перезаряжаемые или аккумуляторные батарейки. Классификация батареек осуществляется по химическому составу анода, катода и электролита. Каждый тип батареек (за исключением самых старых – угольно–цинковых) имеет обозначение, которое используется при маркировке батарейки.
Угольно–цинковая батарейка
Угольно–цинковые – наиболее дешевые и очень распространенные батарейки. Они так называются потому, что в них в качестве анода выступает угольный стержень, а в качестве катода – цинковый стакан. Эти батарейки часто называют солевыми батарейками, т. к. в качестве электролита в них используются соли – хлорида аммония и хлорида цинка.
Типичный состав: диоксид марганца (MnO2) – 27%, цинк (Zn) – 23%, вода – 18%, уголь (С) – 10%, хлорида аммония (ZnCl) и хлорид цинка (NH4Cl) – 5%, железо (Fe) – 4%.
Для того чтобы цинковый стакан батарейки не разрушился, в состав солевой батарейки добавляют вещества, замедляющие коррозию – ингибиторы коррозии. Ингибиторы могут содержать токсичные вещества, такие как кадмий (Cd), свинец (Pb).
Марганцево–цинковая батарейка
Марганцево–цинковые (маркируются литерой L) – самый популярный тип батареек, постепенно вытесняющий с рынка солевые батарейки. В них в качестве электролита используется щелочь. Это самые распространенные батарейки, поэтому именно их часто называют просто щелочные батарейки.
Типичный состав: диоксид марганца (MnO2) – 37%, железо (Fe) – 23%, цинк (Zn) – 16%, вода – 9%, гидроксид калия (KOH) – 5%, уголь (С) – 4%, латунь – 2%.
В качестве ингибитора коррозии в щелочных батарейках могут использоваться свинец, индий, висмут, алюминий и др.
Литиево–марганцевая батарейка
Литиево–марганцевые батарейки (маркируются литерой C) используются в тех случаях, где нужна надежность и долговечность (в компьютерах, переносных и карманных устройствах, электронных часах и играх, фото и видеотехнике). Здесь используется органический электролит, обычно раствор перхлората лития (LiClO4).
Данная батарейка выпускается как цилиндрической форме, так и в форме “таблетки”. Типичный состав цилиндрической батарейки: железо (Fe) – 50%, диоксид марганца (MnO2) – 30%, пластик – 7%, диметоксиэтан – 6%, литий (Li) – 3%, уголь (С) – 2%, никель (Ni) – 2%.
Типичный состав батарейки в форме “таблетки”: железо (Fe) – 50%, диоксид марганца (MnO2) – 28%, хром (Cr) – 10%, пластик – 3%, литий (Li) – 3%, диметоксиэтан – 2%, уголь (С) – 2%, никель (Ni) – 2%.
В литиевых батарейках ввиду особенностей их производства исключено содержание таких токсичных веществ как свинец, кадмий и ртуть.
Серебряно–оксидная батарейка
Серебряно–оксидные батарейки (маркируются литерой S) используются в кварцевых часах, медицинской портативной (переносной) технике, сенсорных зажигалках и прочей высокоточной технике.
Типичный состав: железо (Fe) – 42%, оксид серебра (Ag2O) – 33%, цинк (Zn) – 9%, медь (Cu) – 4%, диоксид марганца (MnO2)– 3%, вода – 2%, пластик– 2%, никель (Ni) – 2%, гидроксид калия (KOH) – 1%, уголь (С) – 0.5%, ртуть (Hg) – 0.4%.
Воздушно–цинковая батарейка
Воздушно–цинковые батарейки (маркируются литерой P) используются в слуховых аппаратах.
Типичный состав: железо (Fe) – 42%, цинк (Zn) – 35%, вода – 10%, пластик– 4%, гидроксид калия (KOH) – 4%, уголь (С) – 1%, ртуть (Hg) – 1%.
Никель–металл–гидридный аккумулятор
Никель–металл–гидридный аккумулятор (обозначается NiMH) – наиболее распространенный тип перезаряжаемых батареек.
Типичный состав: никель (Ni) – 33%, железо (Fe) – 30%, лантаноиды – 10%, вода – 8%, кобальт (Co) – 3%, пластик– 5%, марганец (Mn) – 1%, цинк (Zn) – 1%.
Данные батарейки содержат металлы из группы лантаноидов, токсичность которых пока мало изучена.
Литий–ионный аккумулятор
Литий–ионный аккумулятор (обозначается Li–ion) – популярный тип аккумуляторов для таких устройств как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили.
Типичный состав: алюминий (Al) – 15–25%, уголь (С) – 0,1–1%, медь (Cu) – 5–15%, диэтилкарбонат – 1–10%, этиленкарбонат – 1–10%, этиловый метиловый карбонат – 1–10%, LiPF6– 1–5%, LiCoO2 – 25–45%, поливинилиденфторид– 0,5–2%.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Методика исследования
Для исследования имеет смысл отобрать батарейки, представляющие три наиболее распространенных вида: щелочные, солевые и литиевые батарейки.
В окружающей среде процесс разложения батареек, вымывания из них различных веществ, их дальнейшее растворение происходит за счет дождевых и почвенных вод. Поэтому моделирование процесса загрязнения можно провести в наиболее простой и, в то же время, близкой к реальности среде – воде. Для ускорения процесса батарейки следует предварительно распилить пополам.
В проекте традиционные методы химического анализа веществ можно дополнить использованием современных цифровых приборов. Так, можно использовать цифровую лабораторию по экологии [5], имеющуюся в поставке Курчатовского проекта [6].
Сбор батареек в школе
Для начала проекта следует организовать сбор батареек в школе.
Среди собранных батареек надо обратить внимание на солевые батарейки, содержащие в качестве ингибитора коррозии свинец – токсичный металл.
Проведенные эксперименты
Опыт 1: Обнаружение лития
Литиевые батарейки содержат литий в качестве катодного материала. Литий крайне агрессивный щелочной металл. При попадании на кожу вызывает ожоги, на воздухе воспламеняется. Работать с литием можно только в защитной одежде и очках.
Для обнаружения лития можно использовать свойство его соединений – окрашивать пламя в красный цвет. Если поднести распиленную литиевую батарейку к пламени, пламя станет более интенсивным и окрасится в красный цвет.
Опыт 2: Изменение уровня pH–среды
Электролиты щелочных и солевых батареек изменяют нормальный уровень кислотности среды, делая ее непригодной для употребления.
Распиленные батарейки были надо поместить в банки с дистиллированной или водопроводной водой. С помощью датчика pH цифровой лаборатории по экологии надо сначала измерить исходный уровень pH дистиллированной или водопроводной воды, уровень рН раствора с погруженными батарейками и продолжать измерение рН раствора в течение нескольких недель.
Опыт 3: Определение мутности воды
Для измерения мутности воды в проекте можно использовать датчик мутности (турбидиметр). Показатель мутности можно измерить в исходной дистиллированной или водопроводной воде и сосудах с батарейками через разное время после погружения батареек в воду.
