Электрохимические методы получения оксида цинка из цинковых отходов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА ЦИНКА ИЗ ЦИНКОВЫХ ОТХОДОВ

У.Б.Курбанов,

С.К.Туртабаев,

Б.Ш.Кедельбаев²

Бурное развитие промышленного производства и увеличение спроса на электронику, а также её неправильная эксплуатация неизбежно приводит к увеличению количества различных отходов, которые загрязняют окружающую среду вредными, а порой и очень опасными веществами. Основными составляющими этих загрязнений являются тяжелые металлы, содержащиеся в элементах питания (в аккумуляторах, батареях и т. д.) Основной причиной появления элементов питания среди отходов являются: поломка из-за нарушения правил хранения, перевозки, неправильной эксплуатации, заводской брак и в связи с истечением срока годности. Многие люди не замечают специальный знак , который означает: «Не выбрасывать, необходимо сдать в специальный пункт утилизации».

И этот знак на батарейке или аккумуляторах стоит неспроста! По утверждению сотрудников Государственного Биологического Музея им. К. А. Тимирязева, одна пальчиковая батарейка, беспечно выброшенная в мусорное ведро, может загрязнить тяжёлыми металлами около 20 квадратных метров земли. А в лесной зоне это территория обитания двух деревьев, двух кротов, одного ёжика и нескольких тысяч дождевых червей! В батарейках содержится множество различных металлов - ртуть, никель, кадмий, свинец, литий, марганец и цинк, которые имеют куммулятивное свойство, т. е. накапливаться в живых организмах, в том числе и в организме человека, и наносить существенный вред здоровью.

Свинец. Накапливается в основном в почках. Вызывает также заболевания мозга, нервные расстройства.

Кадмий. Накапливается в печени, почках, костях и щитовидной железе. Является канцерогеном, то есть провоцирует рак.

Ртуть. Влияет на мозг, нервную систему, почки и печень. Вызывает нервные расстройства, ухудшение зрения, слуха, нарушения двигательного аппарата, заболевания дыхательной системы. Наиболее уязвимы дети. Металлическая ртуть -- яд. По степени воздействия на организм человека ртуть относится к 1-му классу опасности -- «чрезвычайно опасные вещества». Независимо от путей поступления в организм ртуть накапливается в почках.

Цинк. Польза и вред цинка имеют между собой тонкую грань, которую лучше узнать в теории, чем на практике. Когда цинк в организме человека присутствует в избыточных количествах, иммунная система начинает работать несогласованно. Если цинк в организме человека содержится количестве 150-600 мг, наступает состояние отравления. Со всеми признаками интоксикации. То есть появляется тошнота, слабость. Такое количество цинка можно получить, если пить воду, которая продолжительное время стояла в посуде с оцинкованными стенками. Кроме того, такая вода отрицательно подействует на желудок.

Следует помнить, что чистый металлический цинк нейтрален человеческому здоровью. И главная опасность исходит, когда он находится в соединениях с другими элементами. Например, очень опасен фосфид цинка, который входит в состав средств против грызунов.

Марганец. Проникает через лёгкие, в меньшей степени - через желудочно-кишечный тракт и кожу. Накапливается в лёгких, мозгах, костях, печени. Головной мозг наиболее чувствителен к избытку марганца, уже на начальных стадиях реакция. При поражении центральной нервной системы появляются судороги, нарушается речь, координация движений. Серьезно страдают внутренние органы, появляется половая дисфункция. Возникают тяжелые нарушения психики. Ученые выяснили, что в домах, где питьевая вода содержала значительное количество марганца, дети сильно отставали по умственному развитию. [3]

Ядовитые вещества из батареек, в любом случае проникают в почву, в подземные воды, попадают в наше с вами море и в наши с вами водохранилища, из которых мы пьем воду, не думая, что вредные химические соединения (из вашей же батарейки, выброшенной неделю назад в мусоропровод) с кипячением не исчезают, не убиваются - они ведь не микробы. Вопрос о сборе и переработке элементов питания по-разному решается в разных странах мира:

• в Японии батарейки старательно собирают и хранят до тех времен, когда будет изобретена оптимальная перерабатывающая технология;

• в Евросоюзе при производстве батареек в их стоимость изначально закладывается процент на утилизацию, и покупатель в магазине, сдав старые батарейки, получит ценовую скидку на батарейки новые. Сданное перерабатывается, причем эффективность такого процесса довольно высока. Лидером является Бельгия, в которой до 50% элементов питания направляется на переработку;

• в городах США и Канады во многих присутственных местах установлены контейнеры для батареек.

На настоящий день все типы батарей, выпускаемые в Европе, могут быть переработаны независимо от того, перезаряжаемы они или нет. Для переработки не имеет значения, заряжена ли батарея, частично разряжена или разряжена целиком. После сбора батарей они подлежат сортировке и далее в зависимости от того, к какому типу они принадлежат, батареи отсылаются на соответствующий завод по переработке. К примеру, щелочные батареи перерабатываются в Великобритании, а никель-кадмиевые - во Франции. Переработкой батарей в Европе занимается около 40 предприятий. Во Франции из 1 000 кг солевых и алкалиновых батареек получается:

- 350 кг ферромарганца, который используется в производстве нержавеющей стали, - 280 кг оксида цинка в металлической форме (кровельное покрытие, водосточные трубы), или в форме хлорида цинка (в других батарейках),

- 190 кг шлака используется в качестве минерального продукта (материал для насыпей). [3]

Статистика

По результатам исследования 3800 домохозяйств в России в среднем за 2011 год на семью приходилось 18, 8 батареек или 6, 96 батареек на человека. Подсчитано, что ежегодно на свалках одной Москвы оказывается более 15 миллионов батареек.

Во всём цивилизованном мире отработанные батарейки собирают и утилизируют отдельно от бытового мусора.

На сегодняшний день из-за дешевизны и доступности большое распространение получила марганцево-цинковая батарейка. Марганцево-цинковый элемент, также известный как элемент Лекланше - это первичный химический источник тока, в котором катодом является диоксид марганца MnO₂ (пиролюзит) в смеси с графитом (около 9, 5 %), электролитом - раствор хлорида аммония NH₄Cl, анодом - металлический цинк Zn. Является самым известным первичным элементом (батарея одноразового использования), который сегодня широко используется в переносных устройствах. В качестве электродов в «сухом элементе» выступают цинковый стакан и угольный стержень. Поэтому сухой элемент называют ещё угольно-цинковым элементом. Положительным электродом «+» является угольный стержень а отрицательным -- цинковый стакан. Угольный стержень окружен смесью диоксида марганца MnO₂ и угля (сажи). В качестве электролита выступает раствор хлорида аммония NH₄Cl с небольшой добавкой хлорида цинка ZnCl₂, загущённый крахмалом и мукой - это необходимо для того, чтобы электролит не мог вытечь или высохнуть при хранении и эксплуатации элемента. Тем не менее при неправильной эксплуатации или слишком длительном хранении электролит всё же может потечь или высохнуть. [4]

Стоит так же отметить, что и в России начинают активно перерабатывать гальванические элементы. В 2013 году запущена первая в России линия переработки батареек в Челябинске, сюда привозят отработанные элементы питания со всей страны. Сбор отработанных элементов питания в Москве существует уже несколько лет, но утилизировать их было негде. В октябре на челябинском перерабатывающем заводе заработала линия переработки отслуживших свой срок батареек. Батарейки, которые были собраны в домах и офисах россиян, теперь будут утилизировать в Челябинске. Главными посредниками между потребителем и заводом намереваются стать общественные организации и крупные торговые сети. Из батареек получают железо, цинк, графит и соли. За один цикл, который длится в среднем четыре дня, завод может переработать до двух вагонов батареек [5].

Для создания эффективных электрохимических методов переработки данных отходов, прежде всего целесообразно исследовать электрохимические свойства различных соединений цинка. Исследования электрохимических свойств активно ведутся уже не первый год. Многие ученые используют электрохимические методы для получения тех или иных соединений цинка. Известно что можно получить соли цинка при поляризации переменным током. При поляризации переменным током в растворе серной и соляной кислот, можно получить сульфат [6] и хлорид цинка [7]. В этих работах показана возможность реакции получения солей цинка под действием электрического тока, а так же эти работы характеризуются высокими показателями ВТ, около 90 % и более. Из полученных солей оксид цинка можно получить двумя способами. Первый способ- термическое разложение, но это требует больших энергозатрат, темперетура может достигать 800 °С и выше. Поэтому более эффективным является второй способ - перевод солей цинка в гидроксид, под действием щелочи. Температура разложения гидроксида цинка 125 °С. Главным недостатками этого способа являются применение сильных минеральных кислот и большое количество повторяющихся промежуточных операций, таких как фильтрование, промывка, сушка осадка т. д.

Так же существуют и альтернативные способы электрохимического получения оксида цинка. Поляризация цика проводится в растворе соли, что в свою очередь снижает расходы на реактивы. В качестве электролита могут использоватся хлорид натрия [8], сульфат натрия [9], карбонат натрия [10] и другие относительно доступные соли. Главное преимущество этих методов это отсутствие едких кислот т. е. применение растворов солей, доступность реактивов и самое главное - образование гидроксида и оксида цинка во время электролиза. А это значительно сокращает количество промежуточных операций и исключает необходимость применения щелочей, что опять же является экономически более выгодным и безопасным.

цинковый электрохимический утилизации батарейка

Литература

1. http://www.makulaturu.ru/articles/utilizaciya-batareek-i-akkumulyatorov-v-rossii

2. http://сдайбатарейку.рф/

3. http://mejdura.ru/tag/vred-marganca

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Марганцево-цинковый_элемент

5. http://ria.ru/science_video/20131106/974909601.html

6. Баешов А. Б., Сарбаева Г.Т. Электрохимическое свойство цинкового электрода при поляризации трёхфазным переменным током в растворе соляной кислоты. известия НАН РК, серия хим.технологии, №2.2010 г, 21-24 с

7. Баешов А. Б., Битурсын С.С., Сарбаева Г.Т. и др., Растворение цинкового электрода в растворе серной кислоты при поляризации переменным током, известия НАН РК, серия хим.технологии, №1.2014, 76-81 с.

8. Коробочкин В. В., Коновалов Д. В., Ханова Е. А. Электрохимический синтез оксида цинка с использованием переменного тока. Известия Томского политехнического университета. 2013. №5 стр. 67-71

9. Пат. 21329 Республика Казахстан, С25В 1/20. Способ получения оксида цинка./Баешов А. Б., Баешова А. К., Битурсын С. С., Баетова К. Ж. опуб.15.06.2009. Бюл. №6

10. Битурсын С. С., Баешов А. Б., Сарбаева Г.Т., Растворение цинкового электрода в растворе карбоната натрия при поляризации переменным током.

Размещено на Allbest.ru