废旧电池的回收利用研究性学习案例.docx

1、废旧电池的回收利用研究性学习案例废旧电池的回收利用研究性学习案例首峰中学化学教研组 陈燕娇一、研究案例的背景：环境是人类生存和发展的基本条件，是物质文明建设的基础。环境污染和生态破坏，工作和生活环境质量恶化，威胁着人民群众的健康。保护环境，实质就是保护物质生产活动持续稳定、协调发展的物质基础。一粒小小的钮扣电池可污染600立方米水，相当于一个人一生的饮水量；一节干电池可污染12立方米水、一立方米土壤，并造成永久性公害人们在日常生活中，使用过的废旧干电池，一直没有得到很好的回收利用，造成了浪费，也污染了环境。其实，被废弃的干电池，其锌壳只损耗了一小部分，二氧化锰也只起了一点氧化的作用，碳粉、石墨

2、棒和铜帽还远远没有被消耗。如果能加以回收和利用，就具有很好经济效益和社会效益。二、研究的目的意义：了解原电池的反应原理，初步掌握科学研究的基本方法；了解干电池的基本结构；明确废物分类回收的意义，增强环保意识。三、研究的主要内容：查阅资料，明确干电池的基本反应原理，巩固原电池原理的相关知识。 通过解剖废干电池，了解干电池的结构，并绘制干电池的结构图。 将解剖废干电池得到的废物分类回收提纯，提高实验技能，增强环保意识。 四、研究的步骤：阅读教材中相关内容，查阅相关文献资料，明确干电池基本反应原理。根据反应原理和相关资料介绍，结合实物绘制干电池结构原理图。 解剖几个废干电池，验证绘制的结构原理图的正

3、确性，并作适当修改。根据解剖废干电池得到的废物种类进行分类提纯回收，写出实验报告。撰写研究心得和废物分类回收利用的重要意义等方面的论文。五、教学过程化学电池的原理化学电源是一种直接把化学能转变为电能的装置，习惯上称作电池。电池由正极、负极、电解质、隔膜和容器五个部分组成，其中最主要的是正极、负极和电解质三个部分。 一般地，电池放电时，负极上总是发生氧化反应，并放出电子；而正极上总是获得电子，发生还原反应。但有些电池的反应，并不都是按氧化还原反应进行，而是以“嵌入脱嵌”的方式进行。 1构成原电池的条件 （1）电极材料是由活性物质与导电极板所构成，所谓活性物质是指在电极上可进行氧化还原的物质。两电

4、极材料活性不同，在负极上发生氧化反应；正极上发生还原反应。（2）电解液：含电解质（3）构成回路。2原电池正负极的确定将铜锌两种金属放在电解质溶液中，用导线连接，便构成原电池的两极，如图1由于Cu、Zn两种金属电势高低不同，所以存在着电势差电子总是从低电势的极流向高电势的极电势的高低一般可根据金属的活泼性确定：金属越活泼其电极电势就越低，金属越不活泼其电极电势就越高由于锌比铜活泼，所以电子总是从锌极流向铜极电化学上把电子流出的极定为负极，流入的极定为正极如图1.所示，锌为负极，铜为正极。电极反应：负极：Zn-2e-Zn2+正极：2H+ 2e-H2以上介绍了铜锌原电池，我们也可以利用同样的原理，把

5、其他的氧化还原反应设计成各种不同的电池。在这些电池中，一般都用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子；在电池内部，两极之间填充电解液。放电时，负极上的电子通过导线流向用电器，从正极流回电池，形成电流。 图1. 铜锌原电池原理 图2.干电池原理示意图下面，简单介绍一种比较常见的电池干电池。手电筒中的干电池一般是普通的锌锰干电池，它的结构和反应原理如下：锌锰电池内的主要反应：负极（锌筒）：Zn-2e-=Zn2+（氧化反应）正极（碳棒）：2MnO2+2NH4+2e-=Mn2O3+2NH3+H20总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2+M

6、n2O3+2NH3+H2干电池的外壳是金属锌，作负极，中心碳棒（石墨）是正极，碳律周围由一层纸质包裹的黑色物质，这是石墨粉和二氧化锰的混合物，纸质和锌壳之间填满了糊状白色电解液，其成分是氯化铵、氯化锌和淀粉糊。干电池放电主要是通过锌筒上失去电子，而被氧化成Zn2+而进入电解质溶液中，电解质溶液中的NH4+获得电子被还原成NH3，从而使灯泡在电子转移的过程中获得电能而发光。化学电池的种类化学电池：借助于化学能直接转变为电能的装置。化学电池的主要部分是电解质溶液，和浸在溶液中的正极和负极，使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。化学电池放电到一定程度，电能减弱，有的经充电复原又可使用，

7、这样的电池叫蓄电池，如铅蓄电池、银锌电池等；有的不能充电复原，称为原电池，如干电池、燃料电池等。 下面介绍化学电池的种类： 1干电池：普通锌锰干电池的简称，在一般手电筒中使用锌锰干电池，是用锌皮制成的锌筒作负极兼做容器，中央插一根碳棒作正极，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液；电池顶端用蜡和火漆封口。在石墨周围填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂吸收正极放出的H2，防止产生极化现象，即作去极剂，淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速率。 电

8、极反应为：负极 Zn2 eZn2+ 正极 22 e2NH3H2 H22MnO2Mn2O3H2O 正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+4NH3ZnNH342+ 干电池的总反应式：Zn2NH4Cl2MnO2ZnNH32Cl2Mn2O3H2O或 2Zn4NH4Cl2MnO2ZnNH32Cl2ZnCl2Mn2O3H2O 正极生成的氨被电解质溶液吸收，生成的氢气被二氧化锰氧化成水。干电池的电压15 V16 V。在使用中锌皮腐蚀，电压逐渐下降，不能重新充电复原，因而不宜长时间连续使用。这种电池的电量小，在放电过程中容易发生气涨或漏液。而今体积小，性能好的碱性锌锰干电池是电解液由原来的中性变为离子导

9、电性能更好的碱性，负极也由锌片改为锌粉，反应面积成倍增加，使放电电流大加幅度提高。碱性干电池的容量和放电时间比普通干电池增加几倍。2铅蓄电池：铅蓄电池可放电亦可充电，具有双重功能。它是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，用含锑5%8%的铅锑合金铸成格板，在正极格板上附着一层PbO2，负极格板上附着海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液密度为125128 g / cm3中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。放电的电极反应为：负极：Pb2e PbSO4正极：PbO24H+2e PbSO42H2O 铅蓄电池的电压正常情况下保持20 V，当电压下降到185 V时，即当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度

10、达118 g / cm3时即停止放电，而需要将蓄电池进行充电，其电极反应为： 阳极：PbSO42H2O2e PbO24H+ 阴极：PbSO42e Pb 当密度增加至128 g / cm3时，应停止充电。这种电池性能良好，价格低廉，缺点是比较笨重。 蓄电池放电和充电的总反应式：PbO2Pb2H2SO4 2PbSO42H2O 目前汽车上使用的电池，有很多是铅蓄电池。由于它的电压稳定，使用方便、安全、可靠，又可以循环使用，因此广泛应用于国防、科研、交通、生产和生活中。 3银锌蓄电池 银锌电池是一种高能电池，它质量轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。目前，有一种类似干电池的充电电

11、池，它实际是一种银锌蓄电池，电解液为KOH溶液。 常见的钮扣电池也是银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极盒一端充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质溶液隔开。 负极：Zn2OH2e ZnOH2 正极：Ag2OH2O2e 2Ag2OH 银锌电池跟铅蓄电池一样，在使用放电一段时间后就要充电，充电过程表示如下： 阳极：2Ag2OH2e Ag2OH2O 阴极：ZnOH22e Zn2OH 总反应式：ZnAg2OH2O ZnOH22Ag一粒钮扣电池的电压达159

12、V，安装在电子表里可使用两年之久。4燃料电池：燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的一种原电池，所以燃料电池也是化学电源。它与其它电池不同，它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮存在电池内，而是在工作时，不断地从外界输入，同时把电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名符其实地把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的正极和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、煤气、发生炉煤气、水煤气、甲烷等气体；从正极连续通入氧气或空气。电解液可以用碱如氢氧化钠或氢氧化钾等把两个电极隔开。化学反应的最终产物和燃烧时的产物相同。燃料电池的特点是能量利用率高，设备

13、轻便，减轻污染，能量转换率可达70%以上。当前广泛应用于空间技术的一种典型燃料电池就是氢氧燃料电池，它是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活化电极，碳电极上嵌有微细分散的铂等金属作催化剂，如铂电极、活性炭电极等，具有很强的催化活性。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。 电极反应式为：负极 H22H 2H2OH2 e2H2O 正极 22H2O4 e4OH 电池总反应式为：2H222H2O 另一种燃料电池是用金属铂片插入KOH溶液作电极，又在两极上分别通甲烷燃料和氧气氧化剂。电极反应式为：负极：CH410OH8e 7H2O；正极：4H2O2O28e 8OH。电池总反应式

14、为：CH42O22KOHK2CO33H2O目前已研制成功的铝空气燃料电池，它的优点是：体积小、能量大、使用方便、不污染环境、耗能少。这种电池可代替汽油作为汽车的动力，还能用于收音机、照明电源、野营炊具、野外作业工具等。5锂电池：锂电池是金属锂作负极，石墨作正极，无机溶剂亚硫酰氯SO2Cl2在炭极上发生还原反应。电解液是由四氯铝化锂LiAlCl4溶解于亚硫酰氯中组成。它的总反应是锂与亚硫酰氯发生反应，生成氯化锂、亚硫酸锂和硫。 8Li3SO2Cl26LiClLi2SO32S 锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其它金属作负极相比较，能在较小的体积和质量下能放出较多的电能，放电时

15、电压十分稳定，贮存时间长，能在21633441K温度范围内工作，使用寿命大大延长。锂电池是一种高能电池，它具有质量轻、电压高、工作效率高和贮存寿命长的优点，因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起博器上，以及作为火箭、导弹等的动力资源。 微型电池：常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池是锂电池。这种电池容量大，电压稳定，能在567711温度范围内正常工作。 6海水电池 1991年，我国首创以铝空气海水电池为能源的新型电池，用作海水标志灯已研制成功。 该电池以取之不尽的海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光，其能量比干电池高2050倍。负极

16、材料是铝，正极材料可以用石墨。电极反应式为：负极反应：Al3 eAl3+， 正极反应：2H2OO24 e4OH。 电池总反应式为：4Al3O26H2O4AlOH3 7溴锌蓄电池 国外新近研制的的基本构造是用碳棒作两极，溴化锌溶液作电解液。电极反应式为：负极反应：Zn2eZn2+ 正极反应：Br22e2Br 电池总反应式为：ZnBr2ZnBr2 8特种电池在电池家族中，不经化学反应却能产生电流的电池也异军突起。如太阳能电池就是利用晶体硅和非晶体硅为材料制成的一种将太阳能转化为电能的装置。这种电池前景广阔，据预测，到21世纪中期，全世界电力总耗量的20%30%将由太阳能电池提供。废旧电池的危害随着

17、经济和科技的发展,电池在我们生活中的扮演着越来越重要的角色，使用量也正迅速增加,几乎渗透到我们生活的每一个角落,然而这些使用后的废旧电池却未能得到妥善的处理,虽然废旧电池的体积和质量都非常小，但它含有多种金属物质,如果处理不当就会污染到水源、土壤、空气等,进而直接或间接危害到人们的健康,影响人们的正常生活。我们希望通过这次研究性学习，让人们更多的了解废旧电池的危害和回收状况。保护环境人人有责,希望大家能够从身边小事做起,从回收废旧电池做起,希望政府机关(特别是有关环保这方面的单位)能够增强执法和宣传的力度,希望拥有才学的专家、学者,拥有财力的商家共同来关注废旧电池的回收状况,多研究一些处理方法

18、，变害为利。我们知道，个人的力量也许微不足道，但把我们全人类每个人的力量联合起来，筑成一道环境的“绿色长城”，便足以托起一种文明，一种可持续发展的文明。 废旧电池简介 1.电池的组成：干电池、充电电池的组成成分：锌皮（铁皮）、碳棒、汞、硫酸化物、铜帽；蓄电池以铅的化合物为主。举例：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。 2.电池的种类：电池主要有一次性电池、二次电池和汽车电池。一次性电池包括纽扣电池、普通锌锰电池和碱电池，一次性电池多含汞。二次电池主要指充电电池，其中含有重金属镉。汽车废电池中含有酸和重金属铅。 3.电池数

19、量：DC、MP3等数码产品在以超猛的速度发展，而且都在使用着电池，电池的使用量在迅速增加，如果再不付诸行动的话，电池山的现象迟早会发生。 废旧电池的危害 1.废旧电池的危害性一粒纽扣电池可污染60万升水，等于一个人一生的饮水量。一节电池烂在地里，能够使一平方米的土地失去利用价值，所以把一节节的废旧电池说成是“污染小炸弹”一点也不过分。我们日常所用的普通干电池，主要有酸性锌锰电池和碱性锌锰电池两类，它们都含有汞、锰、镉、铅、锌等各种金属物质，废旧电池被遗弃后，电池的外壳会慢慢腐蚀，其中的重金属物质会逐渐渗入水体和土壤，造成污染。重金属污染的最大特点是它在自然界是不能降解，只能通过净化作用，将污染

20、消除，同时也由于重金属容易在生物体内积蓄，从而随时间的推移达到一定量之后，产生致畸或致癌变的结果，最终导致生物体死亡，重金属对人体产生危害的另一个途径是通过食物链传递。鱼虾吃了含有重金属的浮游生物后，重金属在鱼虾体内积蓄，人再吃了这样的鱼虾后，重金属就会在人体内积蓄,达到一定程度后也会对人的身体产生严重影响。因而废旧电池的危害主要集中在其中所含的少量的重金属上 金属种类危害的表现 锰过量的锰蓄积于体内引起神经性功能障碍，早期表现为综合性功能紊乱。较重者出现两腿发沉，语言单调，表情呆板，感情冷漠，常伴有精神症状。 锌锌的盐类能使蛋白质沉淀,对皮膜粘膜有刺激作用。当在水中浓度超过10-50毫史/升

21、时有致癌危险，可能引起化学性肺炎。铅：铅主要作用于神经系统、活血系统、消化系统和肝、肾等器官能抑制血红蛋白的合成代谢过程，还能直接作用于成熟红细胞，对婴幼儿影响甚大，它将导致儿童体格发育迟缓，慢性铅中毒可导致儿童的智力低下。 镍镍粉溶解于血液，参加体内循环，有较强的毒性，能损害中枢神经，引起血管变异，严重者导致癌症。 汞它在这些重金属污染物中是最值得一提的，这种重金属，对人类的危害，确实不浅，长期以来，我国在生产干电池时，要加入一种有毒的物质汞或汞的化合物，我国的碱性干电池中的汞的含量达到1-5%,中性干电池为0.025%,全国每年用于生产干电池的汞具有明显的神经毒性,此外对内分泌系统、免疫系

22、统等也有不良影响，1953年，发生在日本九州岛的震惊世界的水俣病事件，给人类敲响了汞污染的警钟。重金属污染，威胁着人类的健康，人类如果忽视对重金属污染的控制，最终将吞下自酿的苦果，因此，加强废旧电池的回收就日显重要了。 2.废旧电池危害的其他表现：目前世界上生活垃圾主要是卫生填埋、焚烧、堆肥和再利用这四种方式，混入生活垃圾的废旧电池在这四个过程中的污染作用体现在： 处理方式危害的表现 填埋 废旧电池的重金属通过渗透作用污染水体和土壤 焚烧 废旧电池在高温下，腐蚀设备，某些重金属在焚烧炉中挥发在飞灰中，造成大气污染；焚烧炉底重金属堆积，给产生的灰渣造成污染。 堆肥 废旧电池的重金属含量较高，造成

23、堆肥的质量下降。 再利用 一般采用反射炉火冶金法，工艺虽然容易掌握但是回收率只有82%，其余的铅以气体和粉尘的形态出现，同时冶炼过程中的二氧化硫会进入空气中，造成二次污染，直接危害操作工人的健康。 废旧电池的回收及利用 由于资源紧张和治理环境的需要，世界各国都对废电池的回收利用予以高度的重视，电池的管理刻不容缓，如何使废电池资源化和无害化已迫在眉睫。近年来，随着人们环保意识的日益加强，一些大中城市开始回收废电池，在商场、居民区、学校等处设立废电池回收箱，已初见成效，但尚属起步。1999年在清华大学召开的“废电池环境管理研讨会”上呼吁国家应尽快出台相应的法规、政策以规范管理。国家环保总局曾委托清

24、华大学调查国内废电池的产量、流向及种类，为制定有关政策作准备。 废电池回收利用技术简介1锌锰干电池 湿法冶金法该法基于，可溶于酸的原理，将电池中的，与酸作用生成可溶性盐进入溶液，溶液经过净化后电解生产金属锌和电解或生产其它化工产品、化肥等。湿法冶金又分为焙烧浸出法和直接浸出法。焙烧浸出法是将废电池焙烧，使其中的氯化铵、氯化亚汞等挥发成气相并分别在冷凝装置中回收，高价金属氧化物被还原成低价氧化物，焙烧产物用酸浸出，然后从浸出液中用电解法回收金属，焙烧过程中发生的主要反应为：=（）（）浸出过程发生的主要反应：2=2=电解时，阴极主要反应：2-= ( M 指金属)直接浸出法是将废干电池破碎、筛分、洗

25、涤后，直接用酸浸出其中的锌、锰等金属成分，经过滤，滤液净化后，从中提取金属并生产化工产品。反应式为：4=22=6=23=（）2（）氧化剂2电池中的以的形式回收，反应式如下：2（）（无定型胶体）（结晶体） 常压冶金法该法是在高温下使废电池中的金属及其化合物氧化、还原、分解和挥发以及冷凝的过程。方法一：在较低的温度下，加热废干电池，先使汞挥发，然后在较高的温度下回收锌和其它重金属。方法二：先在高温下焙烧，使其中的易挥发金属及其氧化物挥发，残留物作为冶金中间产品或另行处理。湿法冶金和常压治金处理废电池，在技术上较为成熟，但都具有流程长、污染源多、投资和消耗高、综合效益低的共同缺点。1996年，日本T

26、DK公司对再生工艺作了大胆的改革，变回收单项金属为回收做磁性材料。这种做法简化了分离工序，使成本大大降低，从而大幅度提高了干电池再生利用的效益。近年来，人们又开始尝试研究开发一种新的冶金法真空冶金法：基于废电池各组分在同一温度下具有不同的蒸气压，在真空中通过蒸发与冷凝，使其分别在不同温度下相互分离从而实现综合利用和回收。由于是在真空中进行，大气没有参与作业，故减小了污染。虽然目前对真空冶金法的研究尚少，且还缺乏相应的经济指标，但它明显克服了湿法冶金法和常压冶金法的一些缺点，因而必将成为一种很有前途的方法。2镍镉电池电池含有大量的，和，其中是钢铁、电器、有色合金、电镀等方面的重要原料。是电池、颜

27、料和合金等方面用的稀有金属，又是有毒重金属，故日本较早即开展了废镍隔电池再生利用的研究开发，其工艺也有干法和湿法两种。干法主要利用镉及其氧化物蒸气压高的特点，在高温下使镉蒸发而与镍分离。湿法则是将废电池破碎后，一并用硫酸浸出后再用分离出镉。3铅蓄电池铅蓄电池的体积较大而且铅的毒性较强，所以在各类电池中，最早进行回收利用，故其工艺也较为完善并在不断发展中。在废铅蓄电池的回收技术中，泥渣的处理是关键，废铅蓄电池的泥渣物相主要是4，等。其中是主要成分，它在正极填料和混合填料中所占重量为4146和2428。因此，还原效果对整个回收技术具有重要的影响，其还原工艺有火法和湿法两种。火法是将与泥渣中的其它组

28、分4，等一同在冶金炉中还原冶炼成。但由于产生和高温尘第二次污染物，且能耗高，利用率低，故将会逐步被淘汰。湿法是在溶液条件下加入还原剂使还原转化为低价态的铅化合物。已尝试过的还原剂有许多种。其中，以硫酸溶液中4还原法较为理想，并具有工业应用价值。硫酸溶液中还原，还原过程可用下式表示：（固）24（液）24（液）=4（固）（4）（液）2此法还原过程稳定，速度快，还可使泥渣中的金属铅完全转化，并有利于的还原：（固）（）（液）=（固）2（液）（固）（固）2（液）=2（固）2还原剂可利用钢铁酸洗废水配制，以废治废。-电池、新型的锂离子电池随着近年手持电话和电子设备的发展得到了大量的应用。在日本，-电池的产

29、量，1992年达1800万只，1993年达7000万只，到2000年已占市场份额的近50%。可以预计，在不久的将来，将会有大量的废-电池产生。这些废-电池的正、负极材料中含有许多有用金属，如镍、钴、稀土等。因此，回收-电池是十分有益的，有关它们的再生利用技术亦在积极开发中。科技尤其是信息技术的发展，使得世界对电池的需求只会增多而不会减少，随之造成的电池污染和天然能源的消耗也将大大增加。各种回收利用技术虽日臻完善但毕竟治标不治本。因此科学家们提出了发展有利于环境保护与可持续发展的新型绿色环保电池。新型绿色环保电池是指近年来已投入使用或正在研制开发的一类高性能、无污染的电池。目前已经大量使用的金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、正在推广应用的无汞碱性锌锰原电池和可充电电池都属于这一范畴；正在研制开发的聚合物锂或锂离子蓄电池、燃料电池、电化学贮能超级电容器等也可列入这一范畴。从普莱德发明第一只铅蓄电池以来，化学电池已经有了140年的历史，其家族也日益壮大。但是，大量生产电池而造成的资源消耗和废电池所带来的环境污染也是有目共睹的。早在1992年，巴西召开的世界环境发展大会上通过的21世纪议程中就已明确提出了可持续发展的方针。与地球和谐相处，走保护环境和可持续发展的道路，是工业发展的大势所趋。加强废电池的环境管理：出台相应的法规政策并不断完善和发展废电池回收技术