废干电池的综合利用实验报告.docx

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废干电池的综合利用实验报告

废干电池的综合利用实验报告

废干电池的综合利用

一、实验意义

人们通常称电池为“电的罐头”，它可以产生光、声、力、热和信息处理，给人们的生活带来很大的方便。

如果不合理回收，不仅造成资源浪费，也会给环境造成严重污染。

如电池中含有大量金属——锌、铅、镉、汞等，一节纽扣电池能污染60KL水，等等。

我国每年报废50万吨废锌锰电池，若能全部回收利用，可再生锰11万吨、锌7万吨、铜1.4万吨，是相当可观的资源。

因此，必须对废旧电池进行科学的合理回收，从而保护人类生存环境。

二、实验目的

1.了解废干电池对环境的污染的危害，以及有效成分的利用方法；

2.熟悉无机物的实验室制备、提纯、分析等方法与技能；

3.分析废干电池黑色粉体中二氧化锰、氯化锌、氯化铵、二氯化锰、碳粉的含量；分析锌片纯度；

4.利用黑色粉体制备二氧化锰、氯化铵，用废锌片制备七水硫酸锌

5.分析氯化铵、二氧化锰、七水硫酸锌的产率和纯度。

三、实验原理

日常生活中所用的干电池为锌锰电池。

其负极为电池壳体的锌电池，正极是被二氧化锰（为增弹导电性,填充有碳粉）包围的石墨电极,电解质是氯化锌及氯化铵的糊状物。

在使用过程中，锌皮消耗最多，二氧化锰只起氧化作用，糊状氯化铵作为电解质不会消耗，炭粉是填料。

为了防止锌皮因快速消耗而渗漏电解质，通常在锌皮中掺入汞，形成汞齐

电池反应为：

Zn+2NH4Cl+2MnO2→Zn（NH3）Cl2+2MnOOH.

锌锰电池的构造

主要成分：

1.二氧化锰（深褐色或黑色混有导电材料石墨或

乙炔黑）

2.锌筒

3.炭棒铜帽（导电）

4.电糊（几毫米宽的间隙中充填糊状电解质由浓

缩的氯化铵水溶液、微量升汞和氯化锌以及淀

粉组成）

5.封口剂（沥青树脂或石蜡的）

6．其他包装（1号废旧锌锰电池的组成，重量70

克左右，其中碳棒5.2克，锌皮7.0克，锰粉

25克，铜帽0.5克，其他32克）

在使用过程中，锌皮消耗最多，二氧化锰只起氧化作用，氯化铵做为电解质没有消耗，碳粉为填料，电池里黑色物质为二氧化锰，碳粉，氯化铵，氯化锌，氯化锰的混合物，回收时，剥去电池外层包装纸，用螺丝刀撬去顶盖，用小刀挖去盖下面的沥青层，即可用钳子慢慢拔出炭棒（连同铜帽），可留着作电解食盐水等的电极。

使黑色的物质混合物溶于水，滤液为NH4Cl,ZnCl2,MnCl2,混合物，滤渣为二氧化猛、碳粉及其它少数有机物，加热可除去碳粉和其他少数有机物，加酸溶解可分离出碳粉。

电池的锌壳，可用以制备锌盐。

本实验对废干电池进行如下回收：

锌皮制备ZnS04·7H20

废干电池回收二氧化锰

黑色糊状物

回收氯化铵

本实验流程如图：

纸等杂物滤液氯化锰、氯化锌、氯化铵

过滤

废电池

黑色粉体滤渣

二氧化锰、碳粉

锌皮硫酸锌七水硫酸锌

（1）锌分析

样品经过酸分解后，用氨水和氯化铵、硫酸铵、高硫酸铵使锌和其他元素分离，在PH值5.8~6.0的条件下，用硫代硫酸钠掩蔽铜，用氟化物掩蔽铝，以二甲酚橙作指示剂，用EDTA进行锌的滴定。

（2）氯化铵的提取与含量测定

电池中黑色混合物的滤液，是含有氯化铵和氯化锌混合的溶液。

依据两者溶

解度的不同

可回收氯化铵。

氯化铵和氯化锌两者在不同温度下的溶解度见下表：

氯化铵和氯化锌溶解度（单位：

g/100g水）

温度/K

273

283

293

303

313

333

353

363

373

氯化铵

29.4

33.2

37.2

31.4

45.8

55.3

65.6

71.2

77.3

氯化锌

342

363

395

437

452

488

541

614

（本表摘至《综合化学实验》科学出版社）

NH4Cl在100摄氏度挥发，338摄氏度开始分解，350摄氏度升华。

利用氯化铵溶解度的特点，通过反复抽提来提纯产品纯度。

氯化铵与甲醛作用生成六亚甲基四胺和盐酸，后者用NaOH标准液滴定，便可求出产品中NH4Cl的含量。

反应式为：

4NH4Cl+6HCHO→（CH2）6N4+4HCl+6H2O。

测定结果可以按下式计算：

W（氯化铵）=

*100%

（3）二氧化锰的提取和含量测定

提取:

将提取过滤所得的滤渣置于蒸发皿中，先用小火烘干，再在搅拌下用强火灼烧，以除去其中所含炭和有机物。

到不冒火星时，再灼烧5～10分钟，冷却后，再加水溶解，搅拌后过滤，再烘干滤渣既得二氧化锰。

测定应用草酸盐容量法滴定四价锰的含量。

草酸盐容量法是基于在硫酸介质

中，用过量的草酸盐将四价的猛还原成二价后在用高锰酸钾溶液滴定过量的草酸盐，从而计算二氧化锰的含量。

主要反应式如下：

Na2C2O4+2H2SO4+MnO2=====MnSO4+Na2SO4+2CO2↑+2H2O

5H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4=====2MnSO4+KSO4+10CO2↑+8H2O

酸度和光照对本方法影响较大。

（4）ZnSO4.7H2O的制备与纯度测定

ZnSO4.7H2O的制备:

锌皮可以与H2SO4反应：

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2

将溶液用NaOH调节PH=8使Zn2+完全沉淀，以达沉淀最大量，再加入稀硫酸，控制PH=4，此时Zn（OH）2溶解,最后将滤液酸化，蒸发浓缩，结晶，即得ZnSO4·7H2O。

ZnSO4+2NaOH=Zn（OH）2+Na2SO4；ZnSO4+7H2O=ZnSO4.7H2O

ZnSO4.7H2O纯度测定取制得的ZnSO4.7H2O1.0克，加水10ml溶解，定容到100ml，取10.00ml用EDTA标准液滴定。

四、实验仪器和药品

仪器：

天平，电子天平，分析天平、烧杯（50，100，200，300ml）、抽滤装置、蒸发皿、滤纸、普通漏斗、5ml和10ml刻度吸管，250ml锥形瓶（3个），铁架台，100ml和250ml容量瓶，洗液瓶，酒精灯、剪刀、PH试纸、电炉装置、玻璃棒等。

主要药品：

浓硫酸（2mol/L）、氢氧化钠、蒸馏水、草酸、双氧水（30%）、甲醛（40%）、酚酞指示剂、铬黑T指示剂、高锰酸钾固体、氨水、氯化铵、EDTA、三乙醇胺等。

五、实验步骤

1.材料准备

取废干电池一个，剥去电池外层包装纸，用螺丝刀撬去顶盖，用小刀挖去下面的沥青层，即可用钳子慢慢拔出碳棒（连同铜帽）。

用剪刀（或钢锯片）把废电池外壳剥开，即可取出里面黑色的物质干燥烧杯中，用蒸馏水冲洗干净碳棒和锌皮上的黑色粉末。

它为二氧化锰，碳粉、氯化铵，氯化锌等的混合物。

电池的锌壳可用以制备ZnSO4.7H2O.

2.从黑色混合物的滤液中提取氯化铵

取20克黑色粉末放入100ml烧杯中，加入50ml蒸馏水加热溶解，然后用抽滤机并水洗3次，滤液用以提取氯化铵，滤渣留用（以制备二氧化锰及锰的化合物）。

转入蒸发皿中,用加热蒸发,待蒸发皿底部有晶体析出且只剩余少量液体有晶体液膜时停止蒸发,将起抽滤。

最后得到白色晶体为氯化铵。

3.从黑色混合物的滤渣中提取二氧化锰

将上述滤渣放入蒸发皿中，先用小火烘干，再在搅拌下用强火灼烧，以除去

其中所含炭粉和有机物。

到不冒火星时停止加热，冷却后即得二氧化锰，称重记录。

4.从废电池锌壳制备七水硫酸锌：

废电池表面剥下的锌壳，可能粘有氯化锌、氯化铵及二氧化锰等杂质，应先用水刷洗除去，然后把锌皮剪碎。

锌皮上还有可能粘有石蜡、沥青等有机物，用水难以洗净，但它们不溶于酸，可将锌皮溶于酸后过滤除去。

称量4g锌片用水清洗干净，转入100ml小烧杯中，加适量2mol/L硫酸将其溶解，加热，待发应较快时停止加热。

过滤，将得到滤液加热近沸，加30%双氧水4滴，在不断搅拌的情况下滴加2mol/LNaOH调至PH=3后继续加2mol/LNaOH溶液直到溶液PH=8。

抽滤，将得到的白色滤渣转入大烧杯中加水搅拌，再抽滤，水洗3次。

将白色沉淀转入烧杯中边搅拌边滴加2mol/L硫酸，白色沉淀会逐渐溶解，滴加2mol/L硫酸直到溶液PH=4。

将滤液转入蒸发皿中用酒精灯加热蒸发，直到有晶体膜析出，停止加热，自然冷却后将得到白色针状晶体为七水硫酸锌。

用滤纸吸干，称量，计算产品ZnSO4.7H2O的产率。

5.EDTA的标定：

准确取ZnO0.4g于烧杯中，加水润湿，然后逐滴加入10ml6mol/LHCL，边加边搅拌至完全溶解，然后定容250ml。

取EDTA4.20g溶于250ml水。

取25ml移液管吸取标准锌溶液于250ml的锥形瓶中，逐滴加入6mol/L氨水，同时不断摇动直至出现氢氧化锌沉淀。

再加10ml氨水-氯化氨缓冲溶液、50ml水和少量固体铬黑T，用EDTA溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点。

记下EDTA的用量V,重复二次，计算EDTA的浓度。

6.高锰酸钾的标定：

准确称取0.10~0.15g草酸三份，分别置于250ml锥形瓶中，加60ml水使之溶解，加入15ml1：

5硫酸，加热到75~85摄氏度，立即用高锰酸钾溶液滴定到溶液呈微红色，而且半分钟内不消失即为终点（终点温度不低于60摄氏度）。

记下高锰酸钾消耗的体积，反复测定两次，计算高锰酸钾的浓度。

7.氯化氨的纯度分析：

用酸碱滴定法测定产品中氯化铵的含量。

称取0.40克样品氯化铵，用10ml蒸馏水溶解把溶液小心移入100ml容量瓶中，用水稀释至刻度线，摇匀。

取10.00ml后加入50%甲醛3ml，充分反应后以酚酞为指示剂，用0.2mol/L氢氧化钠标准溶液滴定至溶液变成淡红，30s不退色即为终点。

平行操作3次取NaOH标准溶液体积的平均值，然后计算。

WNH4CI=[（MNH4CI×CNaOH×VNaOH）/（1000×mNH4CI）]×100%

8.七水硫酸锌的纯度分析：

取产品1.00g用100ml蒸馏水溶解后用100ml容量瓶定容取10.00ml,用氨水调PH=10，以铬黑T为指示剂，用EDTA标准溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点，记录消耗EDTA标准溶液的体积，重复二次并计算其锌含量。

WZnSO4.7H2O=[（MZnSO4.7H2O×CEDTA×VEDTA）/1000×mZnSO4.7H2O]×100%

9.二氧化锰的纯度分析：

取0.10克产品溶于15ml0.6mol/L硫酸中，加入一定过量的H2C2O4（需精确称量），待二氧化锰与C2O42-作用完毕后，用高锰酸钾标准液滴定过量的C2O42-，记录高锰酸钾标准液的量即可算出二氧化锰含量。

WMnO2=（mH2C2O4/MH2C2O4-5/2CKMnO4×VKMnO4）×MMnO2/m×100%

10.锌片中含锌量的测定：

准确称取2.00g锌片于烧杯中，加适量2mol/L硫酸将其溶解，然后定容250ml，取10ml移液管吸取锌溶液于250ml的锥形瓶中，再加3~4ml氨水-氯化铵缓冲溶液（取6.75g氯化铵溶于20ml水，加入57ml15mol/l氨水，定容到100ml），50ml水和少量固体铬黑T指示剂，用用EDTA标准溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点。

记下EDTA的用量V,重复二次并计算锌的含量。

六、注意事项：

1.滴定时速度不能太快，以免滴定过量；当有颜色变化时要等颜色稳定后才判断终点。

2.注意各种仪器使用过程的操作规范。

3.使用电炉时注意用电安全，注意浓酸以及挥发性溶液的使用。

七、实验数据记录

1.取ZnO0.4012g，250ml容量瓶定容，取25.00ml用于EDTA的标定。

取EDTA4.20g，250ml容量瓶定容。

表1EDTA标定的记录

序号氧化锌质量/gEDTA初EDTA末总消耗

/mlcedta

读数/ml读数/ml/mlmol/L

10.0011.4011.40

20.40120.0011.6511.6511.580.04258

35.4017.1011.70

2.取三组草酸，用于高锰酸钾的标定；取KMnO40.40g，250ml容量瓶定容。

表2高锰酸钾标定的记录

序号草酸质量/gKMnO4初KMnO4末总消耗

/mlcKMnO4/

读数/ml读数/ml/mlmol/L

10.10100.0013.8013.80

20.10149.3524.5015.1514.000.03208

30.10099.3522.4013.05

3.取邻苯二甲酸氢钾4.0812g，100ml容量瓶定容，取10.00ml用于NaOH的标定。

取NaOH固体0.80g，100ml容量瓶定容。

表3NaOH标定的记录

序号邻苯二甲酸氢钾质量/gNaOH初/mlNaOH末/ml总消耗/ml

/mlcNaOH/mol/L

11.0011.0510.05

24.081211.0521.0010.9510.330.1935

321.0031.0010.00

4.20.00g黑色粉末中，提取得氯化铵晶体1.42g。

取氯化铵0.40g，100ml容量瓶定容，取10.00ml，用标准NaOH溶液来滴定。

表4产品中氯化铵纯度的测定记录

序号加入过量甲醛/mlNaOH初/mlNaOH终/ml总消耗V/ml

/ml

13.001.004.103.10

23.004.107.103.003.07

33.007.1010.203.10

5.取锌片4.00g，用2mol/L硫酸溶解；最后得到晶体7.20g，取1.00g晶体，100ml容量瓶定容，取10.00ml用标准的EDTA来滴定。

表5产品中七水硫酸锌纯度的测定记录

序号加入七水硫酸锌/g

/ml

/ml总消耗V/ml

/ml

13.7015.4511.65

21.0015.4527.4011.9511.73

327.4039.0011.60

6.20.00g黑色粉末中，提取得MnO29.55g，取0.10克产品，精确称取一定过量的草酸。

表6产品中MnO2纯度的测定记录

序号MnO2/g草酸/gKMnO4初/mlKMnO4终/ml总消耗V/ml

/ml

10.100.15050.0015.8015.80

20.100.15083.1019.6516.5516.17

30.100.15025.0021.1516.15

7.取锌片2.00g，用2M硫酸溶解250ml容量瓶定容，取10.00ml用标准的EDTA来滴定。

表7锌片中含锌量的测定记录

序号加入锌/g

/ml

/ml总消耗V/ml

/ml

10.0019.8019.80

22.0019.8038.6518.8519.67

321.4041.7520.35

8.实验结果一览表

产品

ZnSO4.7H2O

质量m=7.20g

NH4CI

质量m=1.42g

MnO2

质量m=9.55g

八、实验结果处理

1.锌皮纯度的计算

纯度：

W（Zn）=（MZn×CEDTA×VEDTA）/（1000×mZn）×100%

=（65.382×0.04258×19.67）/（1000×2.00×10/250）×100%

=68.45%

2.产品制备的有关计算

（1）.①产品七水硫酸锌中的纯度、产率的计算

纯度：

W（ZnSO4.7H2O）=（MZnSO4.7H2O×CEDTA×VEDTA）/（1000×mZnSO4.7H2O）×100%

=（287.447×0.04258×11.73）/（1000×1.00/10）×100%

=143.6%

产率：

w（ZnSO4.7H2O）=产品/理论产量×100%

=7.20/17.70×100%

=40.68%

②由于结晶过程水分丢失，可能产物是无水硫酸锌，则纯度、产率的计算如下：

纯度：

W（ZnSO4）=（MZnSO4×CEDTA×VEDTA）/（1000×mZnSO4）×100%

=（161×0.04258×11.73）/（1000×1.00/10）×100%

=80.41%

产率：

w（ZnSO4）=产品/理论产量×100%

=7.20/9.91×100%

=72.65%

（2）.产品氯化铵中的纯度、产率计算

纯度：

W（NH4CI）=（MNH4CI×CNaOH×VNaOH）/（1000×mNH4CI）×100％

=[（53.49×0.1935×3.07）/（1000×0.40/10）]×100％

=79.44％

产率：

w（NH4CI）=产品/电解质×100%

=1.42/20.00×100%

=7.10%

（3）.产品二氧化锰的纯度、产率的计算

纯度：

WMnO2=（mH2C2O4/MH2C2O4-5/2CKMnO4×VKMnO4）×MMnO2/m×100%

=（0.1505/90.04-5/2×0.03208×16.17/1000）×　86.94/0.10×100%

=32.57%

产率：

w（MnO2）=产品/电解质×100%

=9.55/20.00×100%

=47.75%

实验结果一览表

产品

ZnSO4.7H2O

质量m=7.20g

纯度:

143.6%

产率：

40.68%

ZnSO4

质量m=7.20g

纯度:

80.41%

产率：

72.65%

NH4CI

质量m=1.42g

纯度：

79.44％

产率：

7.10%

MnO2

质量m=9.55g

纯度:

32.57%

产率：

47.75%

锌皮纯度

68.45%

九、实验结果分析

一、MnO2、ZnSO4.7H2O和NH4CI的产率有所偏低。

1．黑色粉体在过滤前含有少量的杂质，这是造成最终产品产率不高的原因。

在制备二氧化锰的过程中，在强火灼烧搅拌下以除去其中的含炭粉和有机物，加热不均匀而且没有火星冒出，颜色没有完全变浅即说明了二氧化锰中的杂质并没有完全除去，而这一过程导致了在二氧化锰的测定中造成的干扰，这是影响二氧化锰的纯度低下的主要原因。

2．NH4Cl产率偏低的原因：

（1）电解质溶解未完全

（2）蒸发结晶时，由于加热过猛，发生晶体飞溅的现象（3）氯化铵的制备过程中，由于在加热浓缩溶液的表面晶膜的出现时间比较晚，所以在不断加热的情况下，氯化铵固体不断分解挥发，直至浓缩到最后得到的氯化铵的量少。

说明在浓缩结晶时，由于在100℃时，开始显著的分解地挥发，故要严格控制火候，避免造成无谓的NH4Cl固体损失。

3.ZnSO4.7H2O偏低的原因：

（1）溶解锌片时，由于我们在溶解锌片的过程中，反应在不断加热的情况下，随着反应的进行，硫酸中的水不断蒸发，结果相当于浓缩了酸的浓度，变成了浓硫酸，而浓硫酸会使锌片钝化，阻止锌片溶解进一步反应。

过夜时没有往硫酸中加入适量的蒸馏水以防止发生钝化的现象，使锌片不能完全溶解。

这是产品产率低下的主要原因。

（2）溶液转移过程中造成部分损失。

（3）在蒸发浓缩过程中有浓缩液飞溅出来，由于产品浓缩不是很干，需要依靠滤纸来吸干产品中液体，结果造成含针状的ZnSO4.7H2O晶体吸在滤纸上而不能弄下来，而且产品中的液体也含有未生成ZnSO4.7H2O晶体的成分。

（4）蒸发结晶时温暖过高且蒸发过快，导致失去部分结晶水，不能得到针状的ZnSO4.7H2O晶体，这是我们得到ZnSO4.7H2O偏低的最主要原因。

二、产品纯度分析的过程，主要有以下原因造成误差

1．由于所需的试剂都需要自己配制，而个人的原因，或多或少的会引入一些误差。

2．在分析各产品的纯度时，都要对相关试剂进行标定，标定过程相关试剂的配制也至关重要，比如缓冲溶液和氨水最好现配现用，否则会对结果造成较大偏差。

3．在滴定终点的判断过程中，由于有些实验现象的最终滴定现象不是很明显以及滴定到接近终点时滴定速度过快，这也在很大程度上造成实验数据结果的误差。

4．另外，在测量计算产品的纯度时，有可能因为产品中的杂质干扰，造成实验滴定时的偏差，从而对结果造成较大的影响。

三、在测

含量时用的是草酸盐容量法，在滴定时要注意：

A．温度：

在室温下此反应的速度缓慢，因此应将溶液加热至75~85℃；但温度不宜过高，否则在酸性溶液中会使部分草酸分解：

B.酸度：

溶液保持足够的酸度，一般开始时，溶液的酸度约为0.5~1mol/L。

酸度不够时，往往容易生成

沉淀；酸度过高时会促使草酸分解。

四、在锌片中含锌量的测定时溶解锌片时，锌片在硫酸中应慢慢溶解，以防止温度过高，硫酸中水分蒸发过多，导致硫酸溶液变浓，可能引起钝化的现象，导致部分锌不能溶解，从而得到较低的纯度。

四、对本次试验的综合看法与评价

这次实验总的来说，我们还是做的比较成功的。

经过分析，我知道配位滴定法对PH要求很严格。

针对此次废电池的回收利用的实验方案，我觉得有几点问题：

1．用PH试纸很难准确的把握其PH，建议改用酸度计以减小误差。

2.对于我们用的常规酸碱滴定管，每次滴定量应该超过20ml，这样能更好的减小误差。

3.制备氯化铵时，母液中的杂质没有除去，当时想用硫化钠去除，但是效果不好。

4．EDTA、高锰酸钾、氢氧化钠溶液的标定应算好要标定的浓度以及所要试剂的配制的量，尽量减少不必要的浪费。

在实验前，我们少了氢氧化钠溶液的标定的具体方案，我们是及时去查找资料才配置的，此方案还有些地方不够详细，还有待改进。

十．实验收获

1．通过本次实验，让我学会了如何用化学的方法分析日常生活用品所含的物质，以及对它进行分析的所含物质的含量，对它进行回收利用。

2．通过本次实验，让我进一步学习了溶液的配制，这在以前还不太会，现在学会了怎么计算配制试剂所需的物品的质量、体积，还有怎么算浓度，同时也学到了标定的具体方法，懂得了实验仪器的正确用法。

3．通过本次实验，让我们重新复习了几种常用的滴定方法：

酸碱滴定法（测铵根离子）、配位滴定法（测锌和锰离子）、氧化还原滴定法（测二氧化锰），清楚地了解了它们滴定反应所需要的条件及注意事项。

（1）酸碱滴定法（又称中和法）：

它是以质子传递反应为基础的一种滴定分析法，可用来测定酸、碱，其反应实质可用下式表示:

（2）配位滴定法（又称络合滴定法）：

它是以配位反应为基础的一种滴分析法，可用以对金属离子进测定，如用EDTA作配位剂，有如下反应：

式中：

表示二价金属离子，

表示EDTA的阴离子。

配位滴定法对PH要求极其严格。

（3）氧化还原滴定法：

它是以氧化还原反应为基础的一种滴定分析法，可用以测定具有氧化还原性质的物质及某些不具有氧化还原性性质的物质，如