干電池的結(jié)構(gòu)和廢舊電池回收利用

1、潛能開發(fā)自主學(xué)習(xí)模塊課題干電池的結(jié)構(gòu)和廢舊電池的回收利用 姓名：謝洪杰 學(xué)號：201003110533 姓名： 學(xué)號： 姓名： 學(xué)號：一、問題的提出現(xiàn)在人們在社會生活中幾乎一天也離不開電池。按我國年產(chǎn)電池180多億只計(jì)算,人均一年要消費(fèi)67節(jié)電池,最常使用電池的是尋呼機(jī)、手機(jī)、袖珍收音機(jī)、隨身聽、遙控器等。電池的種類也各異,有鋅錳干電池、鋅銀電池、鋰電池、燃料電池等。這些電池的構(gòu)造如何,基本工作原理是什么,重要用途有哪些,廢舊電池的危害在哪里帶著這些問題,我們開展了這一課題的研究。二、研究方案的設(shè)計(jì)1.研究目的(1)認(rèn)識電池的分類、構(gòu)造,基本工作原理,主要用途及對環(huán)境的危害。通過回收干電池,防

2、治污染,變廢為寶,增強(qiáng)環(huán)保意識。2)根據(jù)C、MnO2、NH4Cl、ZnCl2等物質(zhì)差異,聯(lián)系溶解、過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶、加熱、灼燒等操作,探索將這幾種物質(zhì)從混合物中逐一分離出來的方法及NH4+、Zn2+、MnO2的檢驗(yàn)操作。(3)通過實(shí)驗(yàn)感悟求知過程,拓展所學(xué)的知識,鞏固實(shí)驗(yàn)操作技能,鍛煉思維品質(zhì),培養(yǎng)創(chuàng)新能力。(4)了解我國廢舊電池的回收情況以及回收存在的困難,廢舊電池的回收利用技術(shù)等。2.研究方法文獻(xiàn)法、實(shí)驗(yàn)法、市場調(diào)查法。3.研究過程(1)準(zhǔn)備。確定子課題:電池的種類,干電池的結(jié)構(gòu),廢舊電池的危害,廢舊電池的回收及利用。(2)分子課題開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。(3)集中交流與討論。4.總結(jié)研究成果。以小

3、論文、市場調(diào)研表、實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式完成。三、研究方案的實(shí)施1.實(shí)驗(yàn)過程學(xué)生分子課題落實(shí)任務(wù)后,立即開展行動(dòng)。兩個(gè)子課題的同學(xué)查閱大量的電子、教育、機(jī)械、衛(wèi)生等方面的書籍,利用學(xué)校的電子閱覽室,下載了大量有關(guān)常見電池的介紹、電池發(fā)明、發(fā)展史、廢舊電池對環(huán)境的危害及回收技術(shù)等資料。兩個(gè)子課題的同學(xué)提前一周收集了廢舊干電池,帶著極大的好奇心,興致勃勃地動(dòng)手“解剖”干電池?！静僮鳌坑勉Q子和剪刀剪開鋅筒,將鋅皮和碳棒分離出來,用毛刷洗干凈,電池內(nèi)黑色粉末用藥匙移入小燒杯,其余雜物放入廢物箱?！居懻摗侩姵貎?nèi)的黑色粉末包括哪些成分?哪些成分能被回收利用?電池的正負(fù)極電極反應(yīng)分別是什么?【結(jié)論】干電池是以Zn皮制

4、成的圓筒形外殼作負(fù)極,頂端附有銅帽的石墨碳棒作正極,筒內(nèi)填充ZnO、NH4Cl和淀粉糊的混合物,在石墨正極附近又裹著一層粉末狀的MnO2。干電池的兩極反應(yīng)為:極:Zn-2e-=2Zn2+正極:2NH4+2e-=2NH3+H22+MnO2作為去氫劑,把新生成的“活性氫”氧化成水H2+2MnO2=Mn2O3+H2O,氨則與Zn結(jié)合成Zn(NH3)42+。面對自己解剖得到的產(chǎn)物,學(xué)生非常興奮,對于鋅皮,他們知道可以制氫氣；碳棒可作電極,二氧化錳可作制O2的催化劑,那么剩下的黑色物質(zhì)還有什么成分,又有什么用途。對于他們的提問,我暗示他們用學(xué)過的化學(xué)知識來操作鑒定?！静僮鳌咳」腆w溶于水,用玻璃棒攪拌,過

5、濾,得到無色濾液和黑色濾渣,加熱,蒸發(fā)濾液至有晶體為止,得白色晶體；將濾渣加熱,蒸干,得到黑色固體。將白色晶體用溫水溶解,將濕潤的紅色石蕊試紙貼在表面皿底,蓋在小燒杯口?，F(xiàn)象:試紙變藍(lán)色,還可聞到刺激性氣味。說明:干電池內(nèi)有NH4+。將少量黑色固體加入裝有H2O2的試管,并將一支帶火星的木條放入試管口。現(xiàn)象:試管內(nèi)有大量氣泡產(chǎn)生,帶火星的木條復(fù)燃。說明:木條復(fù)燃,證明有O2產(chǎn)生,一定有起催化作用的物質(zhì)。附圖 實(shí)驗(yàn)裝置【思考】如何提純NH4Cl。學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如附圖。【討論】如何用所回收的材料設(shè)計(jì)原電池裝置。四、研究成果與收獲1.通過解剖,學(xué)生掌握了電池的構(gòu)造,了解了電池的工作原理,同時(shí)利用

6、所回收的材料再次組裝原電池。2.通過對資料的查閱,學(xué)生了解到廢舊電池對人類的危害。廢舊電池中含有Hg、Pb、Cr、Ni等金屬及酸堿鹽等電解質(zhì)溶液,對人體及生態(tài)環(huán)境有不同程度的危害。有資料顯示,一節(jié)一號電池爛在地里,能使一大片的土壤永遠(yuǎn)失去利用價(jià)值；一粒紐扣電池可使600t水受到污染,相當(dāng)于一個(gè)人一生的飲水量。若將廢舊電池混入生活垃圾一起填埋或隨手丟棄,滲出的Hg及重金屬物質(zhì)會滲透于土壤,污染地下水,進(jìn)而進(jìn)入魚類、農(nóng)作物中,破壞人類的生存環(huán)境。人體吸收到這些重金屬后,Hg會破壞人體中樞神經(jīng),Cr易引起人體慢性中毒,主要病癥有肺氣腫、骨質(zhì)鈣化、貧血甚至造成人體癱瘓；而Pb進(jìn)入人體最難排泄,它會干擾

7、腎功能、生殖功能等。3.拓寬了知識面,鍛煉了學(xué)生收集、處理信息的能力。在進(jìn)行干電池的解剖研究和廢舊電池的回收調(diào)查中,學(xué)生學(xué)會了簡單的調(diào)查、分類、分析、比較等知識,了解到鋅錳干電池的電池表示式為Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2；鋅銀電池Zn|KOH|Ag2O；鋰電池Li|MnO2；Li|CF2；鋅空氣電池Zn|KOH|O2；還有諸如海水電池,新型燃料電池,紐扣電池等。知道了1958年世界上第一個(gè)心臟起搏器內(nèi)安裝了壽命最長、可靠性最高的鋰碳電池,這種電池在火箭、移動(dòng)電話、筆記本電腦中廣泛使用。再比如廢舊電池的回收有濕法冶金、常壓冶金等。厚街中學(xué)高二(5)班的同學(xué)通過問卷、走訪、查閱文獻(xiàn)等,用

8、幾個(gè)月的時(shí)間完成了“關(guān)于廢舊電池現(xiàn)狀調(diào)查與研究”的調(diào)查報(bào)告。結(jié)論是我國廢舊電池回收率只有1%2%,他們對廢舊電池危害大而回收現(xiàn)狀差感到震驚。五名中學(xué)生在調(diào)查中發(fā)現(xiàn),有近八成的居民認(rèn)為廢舊電池回收活動(dòng)“與自己無關(guān)”或“沒時(shí)間參加”,有87%的居民將廢舊電池與生活垃圾一起丟棄。五、研究體會通過調(diào)查,學(xué)生自發(fā)收集了關(guān)于廢舊電池的危害、回收及再利用等資料,并把這些材料裝訂成冊,分小區(qū)發(fā)小冊子并在居民小區(qū)設(shè)立了廢舊電池回收箱。同時(shí)向政府提出倡議,研發(fā)環(huán)保電池,電池生產(chǎn)廠家必須有相應(yīng)的廢舊電池處理能力與再生能力,電池銷售商應(yīng)采取措施(如以優(yōu)惠價(jià)以舊換新等)以鼓勵(lì)電池回收并在電池上貼上電池回收種類,標(biāo)明其成

9、分。消費(fèi)者可以拒絕購買無正確標(biāo)識的電池產(chǎn)品。學(xué)生明白一個(gè)小小的電池竟然蘊(yùn)藏如此多的學(xué)問,這增強(qiáng)了他們科學(xué)研究的信心,在研究過程中,學(xué)生在查找資料與實(shí)驗(yàn)中也遇到了一定的困難,但在全體同學(xué)的團(tuán)結(jié)合作下,他們解決了困難。培育科學(xué)的人生觀和世界觀,從我做起,從身邊的科學(xué)問起,保護(hù)環(huán)境,人人有責(zé)。附：廢舊電池簡介1. 電池的組成：干電池、充電電池的組成成分：鋅皮（鐵皮）、碳棒、汞、硫酸化物、銅帽；蓄電池以鉛的化合物為主。舉例：1號廢舊鋅錳電池的組成，重量70克左右，其中碳棒5.2克，鋅皮7.0克，錳粉25克，銅帽0.5克，其他32克。2. 電池的種類：電池主要有一次性電池、二次電池和汽車電池。一次性電池

10、包括紐扣電池、普通鋅錳電池和堿電池，一次性電池多含汞。二次電池主要指充電電池，其中含有重金屬鎘。汽車廢電池中含有酸和重金屬鉛。3. 電池?cái)?shù)量：DC、MP3等數(shù)碼產(chǎn)品在以超猛的速度發(fā)展，而且都在使用著電池，電池的使用量在迅速增加，如果再不付諸行動(dòng)的話，電池山的現(xiàn)象遲早會發(fā)生。廢電池看上去很不起眼，可是害處卻很大。如果你知道電池中含有的汞、鎘、鉛等金屬物質(zhì)的危害，你也就知道廢電池的厲害了。廢舊電池電池的危害電池產(chǎn)品對環(huán)境的危害主要是酸、堿等電解質(zhì)溶液和重金屬的污染。不同類型的電池污染物也不同。一般來說，電池中的有害物質(zhì)主要有Zn、Hg、CNi、Pb等重金屬；鉛蓄電池中的H2S04；各種堿性電池中的

11、KOH和鋰電池中的IiPP6電解液等。Hg及其化合物，特別是有機(jī)汞化物，具有極強(qiáng)的生物毒性、較快的生物富集速率和較長的腦器官生物半衰期。Cd易在動(dòng)植物體內(nèi)富集，影響動(dòng)植物的生長，具有很強(qiáng)的毒性。Pb對人的胸、腎臟、生殖、心血管等器官和系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，表現(xiàn)為智力下降、腎損傷、不育及高血壓等。Zn，Ni的毒性相對較小，但超過一定濃度范圍時(shí)，會對人體產(chǎn)生不良影響和危害。廢舊電池中的酸、堿解質(zhì)溶液會影響土壤利水系的pH值，使土壤和水系酸性化或堿性化。電池電解質(zhì)構(gòu)成污染的主要組份是其中的可溶重金屬，特別是鉛蓄電池電解液中大量的硫酸鉛和鎳鎘電池中的氫氧化鎘。電池中的重金屬離子在土壤或水體中溶解并被植物的

12、根系吸收，當(dāng)牲畜以植物為食料時(shí)，體內(nèi)就積累了重金屬。人類食人含重金屬的糧食、蔬菜和肉類、水，順著這條食物鏈，重金屬就會在人體里富集。由于重金屬離子在人體里難以排泄，最終會損害人的神經(jīng)系統(tǒng)及肝臟功能。廢電池的回收利用研究21 廢電池再生利用現(xiàn)狀國內(nèi)使用最多的工業(yè)電池為鉛蓄電池，鉛占蓄電池總成本50以上，主要采用火法、濕法冶金工藝以及固相電解還原技術(shù)。外殼為塑料，可以再生，基本實(shí)現(xiàn)無二次污染。小型二次電池目前使用較多的有鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池，鎳鎘電池中的鎘是環(huán)保嚴(yán)格控制的重金屬元素之一，鋰離子電池中的有機(jī)電解質(zhì)，鎳鎘、鎳氫電池中的堿和制造電池的輔助材料銅等重金屬，都構(gòu)成對環(huán)境的污染。小型二次電池

13、目前國內(nèi)的使用總量只有幾億只，且大多數(shù)體積較小，廢電池利用價(jià)值較低，加上使用分散，絕大部分作生活垃圾處理，其回收存在著成本和管理方面的問題，再生利用也存在一定的技術(shù)問題。民用干電池是目前使用量最大、也是最分散的電池產(chǎn)品，國內(nèi)年消費(fèi)80億只。主要有鋅錳和堿性鋅錳兩大系列，還有少量的鋅銀、鋰電池等品種。鋅錳電池、堿性鋅錳電池、鋅銀電池一般都使用汞或汞的化合物作緩蝕劑，汞和汞的化合物是劇毒物質(zhì)。廢電池作為生活垃圾進(jìn)行焚燒處理時(shí)，廢電池中的Hg、Cd、Pb、Zn等重金屬一部分在高溫下排人大氣，一部分成為灰渣，產(chǎn)生二次污染。22 廢舊干電池再生利用技術(shù)a人工分選回收利用技術(shù)一般是將干電池分類后，進(jìn)行簡單

14、的機(jī)械剖開，人工分離出鋅皮、塑料蓋、炭棒等，殘存的Mn02、水錳石等混合物送人回磚窯煅燒，制成脫水的Mn02，此法簡單易行，但占用勞動(dòng)力較多，經(jīng)濟(jì)效益不大。 b火法回收利用技術(shù)一般是將干電池分類、破碎后，送入回轉(zhuǎn)窯，在11001300攝氏度的的高溫下，鋅及氯化鋅被氧化為氧化鋅隨煙氣排出，用旋風(fēng)除塵器回收氧化鋅，殘存的二氧化錳及水錳石進(jìn)入殘?jiān)龠M(jìn)一步回收錳等物質(zhì)，此法簡便易行，一般的冶煉廠勿需增加設(shè)備即可回收鋅。c濕法回收利用技術(shù)根據(jù)鋅、二氧化錳可溶于酸的原理，將廢舊干電池分類、破碎后，置于浸出槽中，加入稀硫酸(100120gL)進(jìn)行浸出，得到硫酸鋅溶液，可用電解法制得金屬鋅，濾渣經(jīng)洗滌分離出

15、銅帽、炭棒后，剩余物Mn02、水錳石經(jīng)煅燒后制得Mn02。所用方法有焙燒一浸出法和直接浸出法。濕法與火法相比較，具有投資少，成本低，建廠速度快，利潤高、工藝靈活等優(yōu)勢，但不能保障有害成份完全回收。3 廢電池回收利用過程中二次污染的防治以上的三種回收方法皆簡單易行，但各有不足，存在著二次污染的問題，通過大量實(shí)驗(yàn)測定，我們得到了防治二次污染的可行方法。首先將廢舊干電池分類，以機(jī)械進(jìn)行剖開后，分離出銅帽、鋅皮，可分別回收利用。剩余的炭包物質(zhì)經(jīng)磁選除鐵后，按1：4的固液比用水浸制1小時(shí)，取上層清液進(jìn)行蒸發(fā)、結(jié)晶，沉淀物的主要成份是Mn02、MnO(OH)、乙炔黑、碳棒等物質(zhì)，加入回轉(zhuǎn)窯煉到600攝氏度

16、，產(chǎn)生的煙氣經(jīng)冷凝后可得凝縮液，定期清洗即可得純汞。同時(shí)也防止汞蒸氣污染環(huán)境。在煅燒的過程中，混合物中大量的乙炔黑與碳，將Mn02還原為MnO。其反應(yīng)過程如下：2Mn0 2 +C->2MnO+C0 2把此煅燒物按固液比1：4加入濃度小于2molL硫酸溶液中，在溫度80下浸制1小時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)：MnO+H 2 S0 4 ->MnS0 4 +H 2 0得到硫酸錳鹽溶液，同時(shí)，也將引人其他可溶性重金屬硫酸鹽。所得的鋅皮及銅等金屬可直接重熔利用，氯化銨可以制肥料或提純作為化工試劑，硫酸錳是動(dòng)、植物生長的激素成份，可用于油漆油墨的吹干劑和一些有機(jī)合成反應(yīng)的催化劑，此外也用于造紙、陶瓷、印染和電解錳的生產(chǎn)試劑。表1為鋅錳干電池可回收物質(zhì)的成份。這種回收方法投資較少，采用的設(shè)備簡單，易于在中小城市得以實(shí)現(xiàn)，從而免除了廢舊電池的運(yùn)輸問題。廢電池回收之后的溶液，濃縮并與EDTA反應(yīng)生成金屬絡(luò)合物，可以徹底消除二次污染。經(jīng)測定，回收廢電池后的溶液中所含重金屬量符合國家環(huán)保