Przetwarzanie chemicznych źródeł energii

Częstą sytuacją w każdym domu jest to, że niedawno zakupione baterie nie są już dobre. A może dbając o środowisko, a jednocześnie – o zasobność naszego portfela, dorobiliśmy się baterii? Po jakimś czasie i oni odmówią współpracy. Więc do śmietnika? Absolutnie nie! Wiedząc o zagrożeniach, jakie komórki powodują w środowisku, będziemy szukać punktu zbornego.

Kolekcja

Jaka jest skala problemu, z którym mamy do czynienia? Raport Głównego Inspektora Ochrony Środowiska z 2011 r. wskazuje, że ponad 400 milionów ogniw i baterii. Mniej więcej tyle samo popełniło samobójstwo.

Ryż. 1. Przeciętny skład surowców (zużytych ogniw) ze zbiorów państwowych.

Więc musimy się rozwijać około 92 tys. ton odpadów niebezpiecznych zawierające metale ciężkie (rtęć, kadm, nikiel, srebro, ołów) oraz szereg związków chemicznych (wodorotlenek potasu, chlorek amonu, dwutlenek manganu, kwas siarkowy) (ryc. 1). Kiedy je wyrzucamy – po skorodowaniu powłoki – zanieczyszczają glebę i wodę (ryc. 2). Nie róbmy takiego „prezentu” środowisku, a co za tym idzie sobie. Z tej kwoty 34% przypadło na wyspecjalizowanych przetwórców. Jest więc jeszcze wiele do zrobienia i czy nie jest pocieszeniem, że nie tylko w Polsce?

Ryż. 2. Skorodowane powłoki ogniw.

Nie mamy już wymówki, by nigdzie nie iść używane ogniwa. Każdy punkt sprzedaży baterii i zamienników jest zobowiązany do ich odebrania (także starej elektroniki i AGD). Również wiele sklepów i szkół posiada pojemniki, w których możemy umieścić klatki. Dlatego nie „odrzucajmy” i nie wyrzucajmy zużytych baterii i akumulatorów do kosza. Przy odrobinie chęci znajdziemy punkt zlotu, a same ogniwa ważą tak mało, że ogniwo nas nie zmęczy.

Сортировка

Podobnie jak w przypadku innych materiały nadające się do recyklingu, wydajna transformacja ma sens po sortowaniu. Odpady z zakładów przemysłowych są zwykle jednolitej jakości, ale odpady z publicznych zbiórek są mieszanką dostępnych typów komórek. Tak więc kluczowym pytaniem staje się: segregacja.

W Polsce sortowanie odbywa się ręcznie, podczas gdy inne kraje europejskie posiadają już automatyczne linie sortujące. Używają sit o odpowiednich rozmiarach oczek (pozwalających separacja komórek o różnych rozmiarach) i RTG (sortowanie treści). Nieco inny jest również skład surowców z kolekcji w Polsce.

Do niedawna dominowały nasze klasyczne kwasowe komórki Leclanche. Dopiero od niedawna zauważalna jest przewaga bardziej nowoczesnych ogniw alkalicznych, które wiele lat temu podbiły rynki zachodnie. W każdym razie oba typy jednorazowych ogniw stanowią ponad 90% zebranych baterii. Reszta to baterie guzikowe (zasilające zegarki (rys. 3) lub kalkulatory), akumulatorki i baterie litowe do telefonów i laptopów. Powodem tak małego udziału jest wyższa cena i dłuższa żywotność w porównaniu do elementów jednorazowych.

Ryż. 3. Srebrny link używany do zasilania zegarków naręcznych.

Przetwarzanie

Po rozstaniu czas na najważniejszą rzecz etap przetwarzania - odzysk surowców. W przypadku każdego rodzaju otrzymane produkty będą nieco inne. Jednak techniki przetwarzania są podobne.

obróbka mechaniczna polega na rozdrabnianiu odpadów w młynach. Powstałe frakcje są rozdzielane za pomocą elektromagnesów (żelazo i jego stopy) oraz specjalnych systemów sit (inne metale, elementy z tworzyw sztucznych, papier itp.). Zaleto metoda polega na tym, że nie ma potrzeby dokładnego sortowania surowców przed obróbką, wada - duża ilość odpadów nieprzydatnych, które wymagają składowania na składowiskach.

Recykling hydrometalurgiczny to rozpuszczanie komórek w kwasach lub zasadach. W kolejnym etapie przetwarzania powstałe roztwory są oczyszczane i rozdzielane np. sole metali, w celu uzyskania czystych pierwiastków. Duża zaleta metoda charakteryzuje się niskim zużyciem energii oraz niewielką ilością odpadów wymagających utylizacji. Wada Ta metoda recyklingu wymaga starannego sortowania baterii, aby uniknąć zanieczyszczenia powstałych produktów.

Obróbka termiczna polega na rozpaleniu ogniw w piecach o odpowiedniej konstrukcji. W efekcie ich tlenki są topione i otrzymywane (surowce dla hut). Zaleto metoda polega na możliwości używania baterii niesortowanych, wada oraz – zużycie energii i wytwarzanie szkodliwych produktów spalania.

Oprócz nadające się do recyklingu Ogniwa składowane są na składowiskach po wstępnym zabezpieczeniu przed przedostaniem się ich składników do środowiska. Jest to jednak tylko półśrodek, odsuwający w czasie konieczność postępowania z tego typu odpadami i marnowaniem wielu cennych surowców.

Niektóre składniki odżywcze możemy również przywrócić w naszym domowym laboratorium. To elementy składowe klasycznych elementów Leclanche – wysokiej czystości cynk z miseczek otaczających element oraz elektrody grafitowe. Alternatywnie możemy oddzielić dwutlenek manganu od mieszaniny w mieszaninie - wystarczy zagotować z wodą (aby usunąć rozpuszczalne zanieczyszczenia, głównie chlorek amonu) i przefiltrować. Nierozpuszczalna pozostałość (zanieczyszczona pyłem węglowym) nadaje się do większości reakcji z udziałem MnO.₂.

Ale nie tylko elementy wykorzystywane do zasilania urządzeń AGD nadają się do recyklingu. Stare akumulatory samochodowe są również źródłem surowców. Pozyskiwany jest z nich ołów, który jest następnie wykorzystywany do produkcji nowych urządzeń, a obudowy i wypełniający je elektrolit są utylizowane.

Nikomu nie trzeba przypominać o szkodach dla środowiska, jakie mogą wyrządzić toksyczne roztwory metali ciężkich i kwasu siarkowego. Dla naszej szybko rozwijającej się cywilizacji technicznej przykład ogniw i baterii jest wzorem. Coraz większym problemem nie jest produkcja samego produktu, ale jego utylizacja po zużyciu. Mam nadzieję, że czytelnicy magazynu Młody Technik swoim przykładem zainspirują innych do recyklingu.

Eksperyment 1 - bateria litowa

ogniwa litowe są wykorzystywane w kalkulatorach oraz do podtrzymania zasilania BIOS-u płyt głównych komputerów (rys. 4). Potwierdźmy obecność w nich metalicznego litu.

Ryż. 4. Ogniwo litowo-manganowe służące do podtrzymania zasilania systemu BIOS płyty głównej komputera.

Po zdemontowaniu elementu (np. zwykłego typu CR2032) możemy zobaczyć szczegóły konstrukcji (rys. 5): czarna ściśnięta warstwa dwutlenku manganu MnO₂, porowata elektroda separatora impregnowana roztworem elektrolitu organicznego, izolująca pierścień z tworzywa sztucznego i dwie metalowe części tworzące obudowę.

Ryż. 5. Elementy ogniwa litowo-manganowego: 1. Dolna część korpusu z warstwą metalicznego litu (elektroda ujemna). 2. Separator impregnowany roztworem elektrolitu organicznego. 3. Sprasowana warstwa dwutlenku manganu (elektroda dodatnia). 4. Plastikowy pierścień (izolator elektrody). 5. Górna obudowa (dodatni zacisk elektrody).

Mniejsza (elektroda ujemna) pokryta jest warstwą litu, który w powietrzu szybko ciemnieje. Element jest identyfikowany za pomocą testu płomienia. Aby to zrobić, weź kawałek miękkiego metalu na koniec żelaznego drutu i włóż próbkę do płomienia palnika - karminowy kolor wskazuje na obecność litu (ryc. 6). Pozostałości metali usuwamy rozpuszczając je w wodzie.

Ryż. 6. Próbka litu w płomieniu palnika.

Umieść metalową elektrodę z warstwą litu w zlewce i wlej kilka cm³ woda. W naczyniu dochodzi do gwałtownej reakcji, której towarzyszy uwolnienie gazowego wodoru:

Wodorotlenek litu jest mocną zasadą i możemy go łatwo przetestować papierkiem wskaźnikowym.

Doświadczenie 2 - wiązanie alkaliczne

Wytnij jednorazowy element alkaliczny, na przykład typ LR6 („palec”, AA). Po otwarciu metalowego kubka widoczna jest struktura wewnętrzna (rys. 7): wewnątrz znajduje się lekka masa tworząca anodę (wodorotlenek potasu lub sodu i pył cynkowy) oraz otaczająca ją ciemna warstwa dwutlenku manganu MnO.₂ z pyłem grafitowym (katoda ogniwa).

Ryż. 7. Reakcja alkaliczna masy anodowej w ogniwie alkalicznym. Widoczna struktura komórkowa: lekka masa anodotwórcza (KOH + pył cynkowy) i ciemny dwutlenek manganu z pyłem grafitowym jako katodą.

Elektrody są oddzielone od siebie papierową membraną. Na pasek testowy nanieść niewielką ilość lekkiej substancji i zwilżyć go kroplą wody. Kolor niebieski wskazuje na alkaliczny odczyn masy anodowej. Rodzaj użytego wodorotlenku najlepiej zweryfikować testem płomieniowym. Próbkę wielkości kilku ziaren maku przykleja się do żelaznego drutu nasączonego wodą i umieszcza w płomieniu palnika.

Kolor żółty wskazuje na użycie przez producenta wodorotlenku sodu, a kolor różowo-fioletowy na wodorotlenek potasu. Ponieważ związki sodu zanieczyszczają prawie wszystkie substancje, a test płomienia na ten pierwiastek jest niezwykle czuły, żółty kolor płomienia może maskować linie widmowe potasu. Rozwiązaniem jest spojrzenie na płomień przez niebiesko-fioletowy filtr, którym może być szkło kobaltowe lub roztwór barwnika w kolbie (indygo lub fiolet metylowy znajdujący się w płynie do dezynfekcji ran, pyoktan). Filtr wchłonie żółty kolor, co pozwoli potwierdzić obecność potasu w próbce.

Kody oznaczenia

Aby ułatwić identyfikację typu komórki, wprowadzono specjalny kod alfanumeryczny. Dla najczęściej spotykanych typów w naszych domach wygląda to tak: liczba-litera-litera-liczba, gdzie:

- pierwsza cyfra to liczba komórek; ignorowane dla pojedynczych komórek.

– pierwsza litera oznacza typ komórki. Gdy go nie ma, jest to ogniwo cynkowo-grafitowe Leclanche'a (anoda: cynk, elektrolit: chlorek amonu, NH₄Cl, chlorek cynku ZnCl₂katoda: dwutlenek manganu MnO₂). Inne typy komórek są oznaczone w następujący sposób (tańszy wodorotlenek sodu jest również używany zamiast wodorotlenku potasu):

A, P – elementy cynkowo-powietrzne (anoda: cynk, tlen atmosferyczny jest redukowany na katodzie grafitowej);

B, C, E, F, G - ogniwa litowe (anoda: lit, ale wiele substancji stosuje się jako katody i elektrolit);

H – akumulator Ni-MH niklowo-wodorkowy (metalowodorkowy, KOH, NiOOH);

K – akumulator Ni-Cd niklowo-kadmowy (kadm, KOH, NiOOH);

L – pierwiastek alkaliczny (cynk, KOH, MnO₂);

M – pierwiastek rtęci (cynk, KOH; HgO), nie jest już używany;

S – pierwiastek srebrny (cynk, KOH; Ag₂O);

Z – pierwiastek niklowo-manganowy (cynk, KOH, NiOOH, MnO₂).

- następująca litera wskazuje kształt linku:

F - blaszkowaty;

R - cylindryczny;

S - prostokątny;

P – dotychczasowe oznaczenie komórek o kształtach innych niż cylindryczny.

– końcowa cyfra lub cyfry wskazują wielkość referencji (wartości katalogowe lub bezpośrednio podając wymiary).

Przykłady znakowania:

R03
 - ogniwo cynkowo-grafitowe wielkości małego palca. Innym oznaczeniem jest AAA lub mikro.

LR6 - ogniwo alkaliczne wielkości palca. Innym oznaczeniem jest AA lub minion.

HR14  – Akumulator Ni-MH, litera C oznacza również rozmiar.

KR20 – Akumulator Ni-Cd, którego rozmiar jest również oznaczony literą D.

3LR12 - płaska bateria o napięciu 4,5 V, składająca się z trzech ogniw alkalicznych.

6F22 – bateria 9V; sześć pojedynczych płaskich ogniw cynkowo-grafitowych jest zamkniętych w prostokątnej obudowie.

CR2032 – ogniwo litowo-manganowe (lit, elektrolit organiczny, MnO₂) o średnicy 20 mm i grubości 3,2 mm.