Επεξεργασία χημικών πηγών ενέργειας

Μια κοινή κατάσταση σε κάθε σπίτι είναι ότι οι μπαταρίες που αγοράσατε πρόσφατα δεν είναι πλέον καλές. Ή μήπως, φροντίζοντας το περιβάλλον, και ταυτόχρονα - για τον πλούτο του πορτοφολιού μας, πήραμε μπαταρίες; Μετά από λίγο καιρό θα αρνηθούν και αυτοί να συνεργαστούν. Στα σκουπίδια λοιπόν; Με τίποτα! Γνωρίζοντας για τις απειλές που προκαλούν τα κύτταρα στο περιβάλλον, θα αναζητήσουμε ένα σημείο συγκέντρωσης.

Συλλογή

Με τι κλίμακα προβλήματος έχουμε να κάνουμε; Η έκθεση του Γενικού Επιθεωρητή Περιβάλλοντος του 2011 διαπίστωσε ότι περισσότερα από 400 εκατομμύρια κύτταρα και μπαταρίες. Περίπου ο ίδιος αριθμός αυτοκτόνησε.

Ρύζι. 1. Μέση σύνθεση πρώτων υλών (μεταχειρισμένα κύτταρα) από κρατικές συλλογές.

Πρέπει λοιπόν να αναπτυχθούμε περίπου 92 χιλιάδες τόνοι επικίνδυνων αποβλήτων που περιέχει βαρέα μέταλλα (υδράργυρος, κάδμιο, νικέλιο, άργυρος, μόλυβδος) και μια σειρά από χημικές ενώσεις (υδροξείδιο του καλίου, χλωριούχο αμμώνιο, διοξείδιο του μαγγανίου, θειικό οξύ) (Εικ. 1). Όταν τα πετάμε - αφού έχει διαβρωθεί η επίστρωση - μολύνουν το έδαφος και το νερό (Εικ. 2). Ας μην κάνουμε τέτοιο «δώρο» στο περιβάλλον, άρα και στον εαυτό μας. Από το ποσό αυτό, το 34% αντιστοιχούσε σε εξειδικευμένους μεταποιητές. Επομένως, υπάρχουν ακόμη πολλά που πρέπει να γίνουν, και δεν είναι παρηγοριά ότι δεν είναι μόνο στην Πολωνία;

Ρύζι. 2. Διαβρωμένες επικαλύψεις κυψελών.

Δεν έχουμε πλέον τη δικαιολογία ότι δεν υπάρχει πού να πάμε χρησιμοποιημένα κύτταρα. Κάθε κατάστημα λιανικής πώλησης που πουλά μπαταρίες και τις αντικαταστάσεις τους είναι υποχρεωμένο να τις δέχεται από εμάς (καθώς και παλιές ηλεκτρονικές και οικιακές συσκευές). Επίσης, πολλά καταστήματα και σχολεία έχουν δοχεία στα οποία μπορούμε να βάλουμε τα κλουβιά. Ας μην δικαιολογούμαστε λοιπόν και ας πετάμε χρησιμοποιημένες μπαταρίες και συσσωρευτές στα σκουπίδια. Με λίγη επιθυμία, θα βρούμε ένα σημείο συλλογής, και οι ίδιοι οι σύνδεσμοι ζυγίζουν τόσο λίγο που ο σύνδεσμος δεν θα μας κουράσει.

Ταξινόμηση

Όπως και με άλλους ανακυκλώσιμα υλικά, η αποτελεσματική μετατροπή έχει νόημα μετά την ταξινόμηση. Τα απόβλητα από τις εγκαταστάσεις παραγωγής είναι γενικά ομοιόμορφα σε ποιότητα, αλλά τα απόβλητα από δημόσιες συλλογές είναι ένα μείγμα διαθέσιμων τύπων κυττάρων. Γίνεται λοιπόν το βασικό ερώτημα διαχωρισμός.

Στην Πολωνία, η ταξινόμηση γίνεται χειροκίνητα, αλλά άλλες ευρωπαϊκές χώρες έχουν ήδη αυτοματοποιημένες γραμμές ταξινόμησης. Χρησιμοποιούν κόσκινα με κατάλληλα μεγέθη ματιών (κάτι που επιτρέπει διαχωρισμός κυττάρων διαφορετικών μεγεθών) και ακτινογραφία (ταξινόμηση περιεχομένου). Η σύνθεση των πρώτων υλών από συλλογές στην Πολωνία είναι επίσης ελαφρώς διαφορετική.

Μέχρι πρόσφατα, κυριαρχούσαν τα κλασικά μας όξινα κύτταρα Leclanche. Μόλις πρόσφατα έγινε αισθητό το πλεονέκτημα των πιο σύγχρονων αλκαλικών κυψελών, που κατέκτησαν τις δυτικές αγορές πριν από πολλά χρόνια. Σε κάθε περίπτωση, και οι δύο τύποι κυψελών μιας χρήσης αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το 90% των μπαταριών που συλλέγονται. Τα υπόλοιπα είναι μπαταρίες κουμπιών (ρολόγια τροφοδοσίας (Εικ. 3) ή αριθμομηχανές), επαναφορτιζόμενες μπαταρίες και μπαταρίες λιθίου για τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές. Ο λόγος για αυτό το μικρό μερίδιο είναι η υψηλότερη τιμή και η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής σε σύγκριση με τα στοιχεία μιας χρήσης.

Ρύζι. 3. Ασημένιος σύνδεσμος που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία ρολογιών χειρός.

Επεξεργασία

Μετά τον χωρισμό, ήρθε η ώρα για το πιο σημαντικό στάδιο επεξεργασίας - ανάκτηση πρώτων υλών. Για κάθε τύπο, τα προϊόντα που λαμβάνονται θα είναι ελαφρώς διαφορετικά. Ωστόσο, οι τεχνικές επεξεργασίας είναι παρόμοιες.

Μηχανική ανακύκλωση αποτελείται από άλεσμα απορριμμάτων σε μύλους. Τα κλάσματα που προκύπτουν διαχωρίζονται χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνήτες (σίδηρος και τα κράματά του) και ειδικά συστήματα κοσκίνισης (άλλα μέταλλα, πλαστικά στοιχεία, χαρτί κ.λπ.). Ζαλέτο η μέθοδος είναι ότι δεν χρειάζεται να ταξινομήσετε προσεκτικά τις πρώτες ύλες πριν από την επεξεργασία, ελάττωμα - μεγάλη ποσότητα αχρησιμοποίητων απορριμμάτων που απαιτούν απόρριψη σε χώρους υγειονομικής ταφής.

Υδρομεταλλουργική ανακύκλωση αποτελείται από τη διάλυση των κυττάρων σε οξέα ή βάσεις. Στο επόμενο στάδιο της επεξεργασίας, τα προκύπτοντα διαλύματα καθαρίζονται και διαχωρίζονται, για παράδειγμα, μεταλλικά άλατα, για να ληφθούν καθαρά στοιχεία. Μεγάλο πλεονέκτημα Η μέθοδος χαρακτηρίζεται από χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μικρή ποσότητα απορριμμάτων που απαιτούν διάθεση. Ελάττωμα Αυτή η μέθοδος ανακύκλωσης απαιτεί προσεκτική ταξινόμηση των μπαταριών για να αποφευχθεί η μόλυνση των προϊόντων που προκύπτουν.

Θερμική επεξεργασία συνίσταται στο ψήσιμο των κυψελών σε φούρνους κατάλληλου σχεδιασμού. Ως αποτέλεσμα, τα οξείδια τους λιώνουν και λαμβάνονται (πρώτες ύλες για χαλυβουργεία). Ζαλέτο Η μέθοδος συνίσταται στη δυνατότητα χρήσης μη ταξινομημένων μπαταριών, ελάττωμα και – κατανάλωση ενέργειας και παραγωγή επιβλαβών προϊόντων καύσης.

εκτός από ανακυκλώσιμο Τα κύτταρα αποθηκεύονται σε χώρους υγειονομικής ταφής μετά από προκαταρκτική προστασία από την απελευθέρωση των συστατικών τους στο περιβάλλον. Ωστόσο, αυτό είναι μόνο ένα ημίμετρο, αναβάλλοντας την ανάγκη καταπολέμησης αυτού του είδους αποβλήτων και της σπατάλης πολλών πολύτιμων πρώτων υλών.

Μπορούμε επίσης να αποκαταστήσουμε ορισμένα από τα θρεπτικά συστατικά στο εργαστήριο του σπιτιού μας. Αυτά είναι τα συστατικά των κλασικών στοιχείων Leclanche - ψευδάργυρος υψηλής καθαρότητας από τα κύπελλα που περιβάλλουν το στοιχείο και ηλεκτρόδια γραφίτη. Εναλλακτικά, μπορούμε να διαχωρίσουμε το διοξείδιο του μαγγανίου από το μείγμα μέσα στο μείγμα - απλά το βράζουμε με νερό (για να αφαιρέσουμε τις διαλυτές ακαθαρσίες, κυρίως το χλωριούχο αμμώνιο) και το φιλτράρουμε. Το αδιάλυτο υπόλειμμα (μολυσμένο με σκόνη άνθρακα) είναι κατάλληλο για τις περισσότερες αντιδράσεις που περιλαμβάνουν MnO.₂.

Αλλά όχι μόνο τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία των οικιακών συσκευών είναι ανακυκλώσιμα. Οι παλιές μπαταρίες αυτοκινήτων είναι επίσης πηγή πρώτων υλών. Από αυτά εξάγεται μόλυβδος, ο οποίος στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την παραγωγή νέων συσκευών και απορρίπτονται οι θήκες και ο ηλεκτρολύτης που τις γεμίζει.

Σε κανέναν δεν χρειάζεται να υπενθυμίζεται η περιβαλλοντική ζημιά που μπορεί να προκληθεί από τοξικά διαλύματα βαρέων μετάλλων και θειικού οξέος. Για τον ταχέως αναπτυσσόμενο τεχνολογικό μας πολιτισμό, το παράδειγμα των κυψελών και των μπαταριών αποτελεί πρότυπο. Το αυξανόμενο πρόβλημα δεν είναι η παραγωγή του ίδιου του προϊόντος, αλλά η απόρριψή του μετά τη χρήση. Ελπίζω ότι με το παράδειγμά τους οι αναγνώστες του περιοδικού Young Technician θα εμπνεύσουν άλλους να ανακυκλώσουν.

Πείραμα 1 - μπαταρία λιθίου

κύτταρα λιθίου χρησιμοποιούνται σε αριθμομηχανές και για τη διατήρηση της τροφοδοσίας του BIOS των μητρικών καρτών υπολογιστών (Εικ. 4). Ας επιβεβαιώσουμε την παρουσία μετάλλου λιθίου σε αυτά.

Ρύζι. 4. Κυψέλη λιθίου μαγγανίου που χρησιμοποιείται για τη διατήρηση της ισχύος στο BIOS της μητρικής πλακέτας του υπολογιστή.

Αφού αποσυναρμολογήσουμε το στοιχείο (για παράδειγμα, ο συνήθης τύπος CR2032), μπορούμε να δούμε τις λεπτομέρειες της δομής (Εικ. 5): ένα μαύρο συμπιεσμένο στρώμα διοξειδίου του μαγγανίου MnO₂, ένα πορώδες διαχωριστικό ηλεκτρόδιο εμποτισμένο με διάλυμα οργανικού ηλεκτρολύτη, που μονώνει έναν πλαστικό δακτύλιο και δύο μεταλλικά μέρη που σχηματίζουν το περίβλημα.

Ρύζι. 5. Συστατικά μιας κυψέλης λιθίου μαγγανίου: 1. Το κάτω μέρος του σώματος με ένα στρώμα από μέταλλο λιθίου (αρνητικό ηλεκτρόδιο). 2. Διαχωριστής εμποτισμένος με διάλυμα οργανικού ηλεκτρολύτη. 3. Πεπιεσμένη στρώση διοξειδίου του μαγγανίου (θετικό ηλεκτρόδιο). 4. Πλαστικός δακτύλιος (μόνωση ηλεκτροδίου). 5. Επάνω περίβλημα (θετικός ακροδέκτης ηλεκτροδίου).

Το μικρότερο (το αρνητικό ηλεκτρόδιο) καλύπτεται με ένα στρώμα λιθίου, το οποίο σκουραίνει γρήγορα στον αέρα. Το στοιχείο αναγνωρίζεται με δοκιμή φλόγας. Για να το κάνετε αυτό, πάρτε λίγο μαλακό μέταλλο στο άκρο του σύρματος σιδήρου και εισάγετε το δείγμα στη φλόγα του καυστήρα - το χρώμα καρμίνης υποδηλώνει την παρουσία λιθίου (Εικ. 6). Απορρίπτουμε τα υπολείμματα μετάλλων διαλύοντάς τα στο νερό.

Ρύζι. 6. Δείγμα λιθίου σε φλόγα καυστήρα.

Τοποθετήστε ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο με μια στρώση λιθίου σε ένα ποτήρι ζέσεως και ρίξτε μερικά εκατοστά³ νερό. Μια βίαιη αντίδραση εμφανίζεται στο δοχείο, συνοδευόμενη από την απελευθέρωση αερίου υδρογόνου:

Το υδροξείδιο του λιθίου είναι μια ισχυρή βάση και μπορούμε εύκολα να το δοκιμάσουμε χρησιμοποιώντας χαρτί δείκτη.

Εμπειρία 2 - αλκαλικός δεσμός

Κόψτε ένα αλκαλικό στοιχείο μιας χρήσης, για παράδειγμα, τύπου LR6 («δάχτυλο», AA). Μετά το άνοιγμα του μεταλλικού κυπέλλου, η εσωτερική δομή είναι ορατή (Εικ. 7): στο εσωτερικό υπάρχει μια ελαφριά μάζα που σχηματίζει μια άνοδο (υδροξείδιο του καλίου ή νατρίου και σκόνη ψευδαργύρου) και ένα σκούρο στρώμα διοξειδίου του μαγγανίου MnO που την περιβάλλει.₂ με σκόνη γραφίτη (κυτταρική κάθοδος).

Ρύζι. 7. Αλκαλική αντίδραση της μάζας ανόδου σε αλκαλικό στοιχείο. Ορατή κυτταρική δομή: ελαφριά μάζα σχηματισμού ανόδου (KOH + σκόνη ψευδαργύρου) και σκούρο διοξείδιο του μαγγανίου με σκόνη γραφίτη ως κάθοδο.

Τα ηλεκτρόδια χωρίζονται μεταξύ τους με ένα χάρτινο διάφραγμα. Εφαρμόστε λίγη ελαφριά ουσία στη δοκιμαστική ταινία και βρέξτε την με μια σταγόνα νερό. Το μπλε χρώμα υποδηλώνει μια αλκαλική αντίδραση της μάζας της ανόδου. Ο τύπος του χρησιμοποιούμενου υδροξειδίου επαληθεύεται καλύτερα με δοκιμή φλόγας. Ένα δείγμα μεγέθους πολλών σπόρων παπαρούνας κολλάται σε ένα σιδερένιο σύρμα βρεγμένο με νερό και τοποθετείται στη φλόγα ενός καυστήρα.

Το κίτρινο χρώμα υποδηλώνει τη χρήση υδροξειδίου του νατρίου από τον κατασκευαστή και το ροζ-μοβ χρώμα υποδηλώνει υδροξείδιο του καλίου. Δεδομένου ότι οι ενώσεις νατρίου μολύνουν σχεδόν όλες τις ουσίες και η δοκιμή φλόγας για αυτό το στοιχείο είναι εξαιρετικά ευαίσθητη, το κίτρινο χρώμα της φλόγας μπορεί να κρύψει τις φασματικές γραμμές του καλίου. Η λύση είναι να κοιτάξετε τη φλόγα μέσω ενός μπλε-ιώδους φίλτρου, το οποίο μπορεί να είναι γυαλί κοβαλτίου ή ένα διάλυμα βαφής στη φιάλη (λουλακί ή βιολέτα μεθυλίου που βρίσκεται στο απολυμαντικό του τραύματος, πυοκτάνιο). Το φίλτρο θα απορροφήσει το κίτρινο χρώμα, επιτρέποντάς σας να επιβεβαιώσετε την παρουσία καλίου στο δείγμα.

Κωδικοί ονομασίας

Για τη διευκόλυνση της αναγνώρισης τύπου κυττάρου, εισήχθη ένας ειδικός αλφαριθμητικός κωδικός. Για τους πιο συνηθισμένους τύπους στα σπίτια μας, έχει τη μορφή: αριθμός-γράμμα-γράμμα-ψηφίο, όπου:

- το πρώτο ψηφίο είναι ο αριθμός των κελιών. αγνοείται για μεμονωμένα κύτταρα.

– το πρώτο γράμμα υποδεικνύει τον τύπο κελιού. Όταν απουσιάζει, είναι κυψέλη ψευδαργύρου-γραφίτη Leclanche (άνοδος: ψευδάργυρος, ηλεκτρολύτης: χλωριούχο αμμώνιο, NH₄Cl, χλωριούχος ψευδάργυρος ZnCl₂, κάθοδος: διοξείδιο του μαγγανίου MnO₂). Άλλοι τύποι κυττάρων επισημαίνονται ως εξής (το φθηνότερο υδροξείδιο του νατρίου χρησιμοποιείται επίσης αντί για υδροξείδιο του καλίου):

A, P – στοιχεία ψευδαργύρου-αέρα (άνοδος: ψευδάργυρος, το ατμοσφαιρικό οξυγόνο ανάγεται σε μια κάθοδο γραφίτη).

B, C, E, F, G - κύτταρα λιθίου (άνοδος: λίθιο, αλλά πολλές ουσίες χρησιμοποιούνται ως κάθοδοι και ηλεκτρολύτης).

H – Μπαταρία Ni-MH νικελίου-υδριδίου μετάλλου (υδρίδιο μετάλλου, KOH, NiOOH);

K – Μπαταρία Ni-Cd νικελίου-καδμίου (κάδμιο, KOH, NiOOH);

L – αλκαλικό στοιχείο (ψευδάργυρος, ΚΟΗ, MnO₂);

M – στοιχείο υδραργύρου (ψευδάργυρος, ΚΟΗ, HgO), δεν χρησιμοποιείται πλέον.

S – στοιχείο αργύρου (ψευδάργυρος, ΚΟΗ, Αγ₂ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ);

Z – στοιχείο νικελίου-μαγγανίου (ψευδάργυρος, ΚΟΗ, NiOOH, MnO₂).

- το ακόλουθο γράμμα δείχνει το σχήμα του συνδέσμου:

F - ελασματοειδές;

R - κυλινδρικό?

S - ορθογώνιο

P – η τρέχουσα ονομασία κυψελών με σχήματα διαφορετικά από τα κυλινδρικά.

– το ή τα τελικά σχήματα υποδεικνύουν το μέγεθος της αναφοράς (τιμές καταλόγου ή δίνοντας απευθείας διαστάσεις).

Παραδείγματα επισήμανσης:

R03
 - μια κυψέλη ψευδαργύρου-γραφίτη στο μέγεθος ενός μικρού δαχτύλου. Μια άλλη ονομασία είναι AAA ή micro.

LR6 - ένα αλκαλικό κύτταρο στο μέγεθος ενός δακτύλου. Ένας άλλος χαρακτηρισμός είναι AA ή minion.

HR14  – Μπαταρία Ni-MH, το γράμμα C χρησιμοποιείται και για μέγεθος.

KR20 – Μπαταρία Ni-Cd, το μέγεθος της οποίας σημειώνεται επίσης με το γράμμα D.

3LR12 - μια επίπεδη μπαταρία με τάση 4,5 V, που αποτελείται από τρία αλκαλικά στοιχεία.

6F22 – Μπαταρία 9V; έξι μεμονωμένες επίπεδες κυψέλες ψευδαργύρου-γραφίτη περικλείονται σε μια ορθογώνια θήκη.

CR2032 – κυψέλη λιθίου-μαγγανίου (λίθιο, οργανικός ηλεκτρολύτης, MnO₂) με διάμετρο 20 mm και πάχος 3,2 mm.