廢干電池的綜合利用

1、廢干電池的綜合利用生物與化學工程學院一、實驗目的及要求1熟悉無機物的實驗室制備、提純、分析等方法與技能；2、分析廢干電池黑色粉體中二氧化錳、氯化鋅、氯化銨、二氯化錳、碳粉的含量；分析鋅 片純度；3、利用黑色粉體制備二氧化錳、氯化銨，用廢鋅片制備七水硫酸鋅，并分析氯化銨、二氧 化錳、七水硫酸鋅的產(chǎn)率和純度。二、 實驗原理（電池結構、電池反應、電池消耗后可收利用的組回分及回收原理等）； 電池的結構按結構分：采用面粉、淀粉和電解液形成的凝膠作為正負極間的隔離層的，稱為糊式電池；鋅錳電池是將鋅片擠壓或卷焊成圓筒形作為電池的負極并兼作容器；將MnO2與乙炔黑、石墨、固體NH4- Cl,按一定比例混合，加

2、適當?shù)碾娊庖簤褐瞥呻娦荆ㄌ堪?電芯周圍包上綿紙,在其中心插入炭棒,炭 棒上戴上銅帽，即構成電池的正極。用 二氧化錳：俗稱錳粉。 是正極的活性物質， 直接參加電化學反應，是決定電池電荷量的主 要材料。根據(jù)其制備方法可以分為天然二氧化錳、化學二氧化錳和電解二氧化錳。其中電解二氧化錳的電化學活性最高，化學二氧化錳次之。 石墨：正極原料之一。有顯晶型（俗稱鱗片狀）和隱晶型（俗稱土狀）兩種。石墨不參加 電化學反應，有良好的導電性，具有吸附性和粘著性。摻入電芯中可以提高電芯的導電性。它粘著在多孔錳粉的周圍吸收一定量的電液，使電芯保持一定的水分，可充分提高錳粉的利用率。 乙炔黑：在正極中的作用與石墨相似。

3、它的比重很小、顆粒較細，平均直徑為3545毫微米，比表面為 6070m2/g，導電性僅次于石墨,分散性、吸水性遠優(yōu)于石墨。 鋅：負極活性物質，兼作電池的容器和負極引電體， 是決定電池貯存性能的主要材料。在鋅片中含有少量的鎘和鉛。鎘能增強鋅的強度，鉛能改進鋅的延展加工性能。鎘與鉛均能 提高氫在鋅電極上的過電位，減少鋅電極的自放電， 減緩鋅片的腐蝕和氫氣的釋放。鋅片中若含有Cu、Fe、Ni等，將降低H2在鋅電極上析出的過電位，加速電池在貯存過程中的自放電，因此這些有害雜質必須嚴格控制。 氯化銨：是鋅錳電池電解液的主要成分。其作用是：補充放電過程中由于正極反應減少的H+;在正極中也加入一定量的固體氯

4、化銨，以補充放電時電解液中氯化銨的減少；增 強電解液的導電性。 氯化鋅：用于電解液中。主要作用有：減緩鋅片腐蝕，保持電解液中的水分，破壞淀粉的鏈狀結構，加快電解液的糊化速度，減少正極電芯在放電過程中pH值的提高。 面粉、淀粉：主要作用是使電解液糊化后成為不流動的隔離層，使它既有良好的離子導電性，又能固定電芯，便于攜帶使用；對鋅片有保護作用，可減緩鋅片的腐蝕。面粉比淀粉粘性好，粘附力強，保持水分性能好，不易沉淀。所以在配制電解液時，淀粉、面粉互相 搭配使用 采用漿層紙為隔離層的稱為 紙板電池；采用高分子薄膜材料為隔離層的稱為薄膜電池。 以下是堿性鋅錳干電池的反應。正極為陰極反應：MnO 2+H2

5、O+eM nO（OH）+OHMnO(OH在堿性溶液中有一定的溶解度Mn O(OH)+H2O+OHH Mn (OH)4Mn (0H)4 +e Mn (OH)42-負極為陽極反應：Zn+20H-t Zn (OH)2+2eZn(O H)2+2OH-t Zn(O H)42總的電池反應為：Zn+M nO 2+2H2O+4QH Mn (OH)42- +Z n(OH)42 酸性鋅錳干電池反應 : 正極為陰極，錳由四價還原為三價2MnO 2+2H2O+2e2 Mn O(OH)+2OH負極為陽極，鋅氧化為二價鋅離子：Zn+2NH4OZ n(N H3)2CI2+2H+2e總的電池反應為：2MnO 2+Z n+2N

6、H4GI2M nO (OH)+Z n(NH3)2CI2電池使用后可以回收的部分：二氧化錳、氯化鋅、氯化銨、鋅片中的鋅回收原理：二氧化錳從濾渣中提取 MnO2 ，黑色混合物的濾渣中含有二氧化錳、 炭粉和其他少量有機物。 將濾渣 用水沖洗 56 次后濾干固體，放入鐵坩堝中，先低溫烘干，然后在攪拌下高溫灼燒以除去 炭粉和有機物，到不冒火星時，再灼燒 510min ，冷卻后得到 MnO2 。鋅片中回收鋅鋅片中鋅由于酸浸濾液的酸性較強 , 須先用堿調至近中性 , 加入高錳酸鉀將溶液中的 Fe(2) Mn2+等氧化，過濾后即可除去 Fe3+、Fe2+、Mn2+等雜質，根據(jù)氫氧化鋅的兩性特征，在過量堿的條件

7、下鋅會以Z No2-2牙的形式溶解，從而與其它難溶的氫氧化物雜質分離。在過濾后的含 Z nO Z 濾液中加入酸 , 鋅又會以氫氧化鋅的形式沉淀出來 , 通過控制一定的適 宜條件使 Z n (OH)2 轉化為 z n o 的晶形沉淀 ，提取氯化銨和氯化鋅將電池里的黑色混合物放在水里攪拌溶解并過濾， 將部分濾液放在蒸發(fā)皿中， 加熱蒸發(fā)， 待 蒸發(fā)皿底部有晶體析出且只剩余少量液體是停止蒸發(fā)，將其抽濾。 所的濾渣烘干， 最后得到白色晶體為氯化銨。將所得濾液轉入蒸發(fā)皿用酒精燈加熱蒸發(fā)，最后得到的粉末為氯化鋅。 稱量所得氯化銨和氯化鋅。三、實驗儀器和藥品； 實驗用品：小刀、電熱套、火柴、試管、鐵架臺、蒸發(fā)

8、皿、表面皿、帶火星木條； 雙氧水、濃硝酸、稀鹽酸、舊干電池(包括方案中所需儀器名稱及規(guī)格、所需藥品名稱及規(guī)格)四、詳細的實驗方法和步驟；電子分析天平稱量各部分的質量 ， 并計算百分含量。鋅的提取 電池中的鋅皮既是電池的負極，又是電他的殼體。當電池報廢后，鋅皮一般仍大部分留存， 將其回收利用，既能節(jié)約資源，又能減少對環(huán)境的污染。鋅是兩性金屬， 能溶于酸或堿， 在常溫下，鋅片和堿的反應較慢， 而鋅與酸的反應則快得多。因此，本實驗采用稀硫酸溶解回收的鋅皮以制取硫酸鋅 4 ：Zn 十 H2SO4=ZnSO十 H 2此時，鋅皮中含有的少量雜質鐵也同時溶解，生成硫酸亞鐵：Fe 十 H2S04=FeS04十

9、 H2因此，所得的硫酸鋅溶液中，需先用過氧化氫將Fe2+氧化為Fe3+:2 FeS04 十 H202 十 H2S04=Fe2(S04)3 十 2 H20然后用氫氧化鈉溶液調節(jié)溶液的pH= 8,使Zn2+、Fe3+生成氫氧化物沉淀：ZnS04 十 2NaOH=Zn(OH)2f Na2S04Fe2(S04)3 十 6NaOH=2Fe(OH)3f 3Na2S04再加入稀硫酸，控制溶液 pH= 4,(氫氧化鐵在pH2.2開始沉淀，所以，這樣操作難以把握 堿的用量！過量堿不行嗎？ )此時氫氧化鋅溶解而氫氧化鐵不溶,可過濾除去氫氧化鐵,最 后將濾液酸化、蒸發(fā)濃縮、結晶，即得ZnS04 - 7 H20。氯化

10、銨和氯化鋅的回收取 2(12)節(jié) 5號華太電池拆分得到的碳粉于研缽中研細, 置于 500mL 燒杯中，加入480mL蒸餾水，20 C下攪拌、浸泡 3 h,使氯化銨充分溶解。減壓過濾，得到 的濾液，調pH值為2, 100 C下加熱蒸發(fā)，當有少量晶膜出現(xiàn)時即停止加熱，冷卻。過濾,取電池中的黑色物質倒入燒杯中，加入蒸餾水50ml，攪拌溶解。過濾、水洗濾渣2次，將濾液搜集到 250ml 的燒杯中；用加熱套將濾液加熱到 100度,并不斷攪拌,使 NH4Cl 晶體析 出，用冰水冷卻至 283K,這時有大量的NHCI晶體析出，用吸濾法分離母液，所得NHCI晶體放在以稱量的表面皿中，于電熱恒溫鼓風干燥箱50

11、C下干燥1 h,稱量,將所得濾液轉入蒸發(fā)皿用酒精燈加熱蒸發(fā),最后得到的粉末為氯化鋅。稱量所得氯化銨和氯化鋅。 二氧化錳的提取 將回收氯化銨后的濾渣于馬弗爐中 750 焙燒 1 h， 碳和汞基本被除盡 ， 錳的高價氧化物 還原為氧化錳7。焙燒碳粉的最佳酸解條件是：取5. 40 g焙燒碳粉，加20 mL硝酸(1 :1) , 40 mL 3% 的H2O2, 60 C攪拌1 h,鋅的浸取率可達 91.7%,錳的浸取率可達 98. 3%。 向硝酸錳濾液中加入過量的 0. 50 mo l/LN a2 CO3 制得碳酸錳 ， 滴加速度不能過快 ， 以免 局部堿性過大而使二價錳氧化。抽濾 , 沉淀水洗、干燥

12、,碳酸錳在 350 下分解 12 m in 得二氧化錳 3. 77 g, 錳的回收率為 93. 2%。該方法簡單易行 , 對設備要求不高 , 錳的回收 效率較高。碳酸錳加熱分解制備二氧化錳 , 反應方程式如下 ：Mn(NO3 ) 2 + Na2CO3 =MnCO3 + N aNO3MnCO3 + O2=MnO2 + CO2錳回收率 ：R = m /m 100%式中 m 制得二氧化錳中錳的質量 , g;m 焙燒碳粉中相應金屬的質量 , g鋅皮的利用制取氯化鋅： 將廢鋅皮用水沖洗干凈后,放入燒杯中加入稀鹽酸,待完全反應后,過濾,將濾液放入蒸發(fā) 皿中邊加熱邊攪拌。 有無色氣體放出。有白色晶體生成。

13、蒸發(fā)皿中白色晶體為氯化鋅,是一種重要的化工原料。Zn+2HCI=Z nCI2+H才ZnO+2HCl=ZnCl2+H2O含量分析而NH4CI是一元弱酸其解離常數(shù)太小Ka =5.6 10-10 , c=0.1mol.L-1 。所以CKa 10Kw,C/Kb100,故b，pOH=5.23,pH=8.77故采用酚酞（8.210.0 ）作指示劑。滴定完畢后，各組分的含量為：CNaOH VNaOH M HClCNaOH VNaOH M NH 4ClwhciWnh4ciV混合液v混合液4.1 0.1mol/L NaOH標準溶液的配制與標定4.1.1 0.1mol/L NaOH 的配制用臺秤稱取約2.0g固體

14、NaOHF 500mL的燒杯中，加入適量去離子水，稀釋至500ml，邊加邊攪拌使其完全溶解，轉入塑料試劑瓶中，搖勻備用。4.1.2 0.1mol/L NaOH 的標定在稱量瓶中以差減法稱量鄰苯二甲酸氫鉀約為4-5g1份于100ml小燒杯中，加入40-50ml蒸餾水溶解。溶解完后轉入 250ml容量瓶中，加蒸餾水至刻度，搖勻。用25.00ml移液管移取鄰苯二甲酸氫鉀于250ml錐形瓶中，加入2-3滴酚酞指示劑，充分搖勻，用已配好的NaOH溶液滴定，待錐形瓶中顏色有無色變?yōu)槲⒓t色且半分鐘不褪色為終點， 記下讀書，平行3份，計算NaOH的濃度。4.2 混合液中各組分含量的測定4.2.1 HCl含量的

15、測定用移液管平行移取三份25.00mL混合液分別置于250mL錐形瓶中，加2-3滴甲基紅指示劑，充分搖勻，用上述 NaOH標準溶液滴定至溶液呈現(xiàn)橙黃色，并持續(xù)半分鐘不褪色即為終點， 記錄所用NaOH溶液的體積，并計算 HCI含量和相對平均偏差（W 0. 3%）o4.2.2 NH4CI 含量的測定在上述溶液中，繼續(xù)加入10mL預先中和好的甲醛溶液，加入2滴酚酞指示劑，充分搖勻，放置1分鐘，用標定好的NaOH標準溶液滴定至溶液呈現(xiàn)微橙色（黃色與粉紅色的混合色） ， 并持續(xù)半分鐘不褪色即為終點，記錄所用NaOH溶液的體積，并計算 NH4CI含量和相對平均偏差（W 0.2%） o6、氯化氨的純度分析稱

16、取0.20克氯化銨產(chǎn)品，用 10ml蒸餾水溶解后于 250ml容量瓶中定容，取 10ml加入50% 甲醛3ml，充分反應后以酚酞為指示劑，用 0.1mol/L的NaOHW定至淺粉紅色，平行滴定 3 次。100%M NH4CI CNaOH VNaOH 氯化銨=1000 mNH4CI4.3 實驗完畢后，將儀器洗滌干凈，廢液回收到廢液桶中，整理好實驗臺，并登記實驗數(shù) 據(jù)。（注：因為NaOH溶液不穩(wěn)定，易與空氣中的 CO2發(fā)生反應，故不能作基準物質，用標定法 配制其標準溶液，先粗配成近似于所需濃度的溶液， 再用另一種基準物質鄰苯二甲酸氫鉀滴定其濃度。）二氧化錳含量7、二氧化錳純度分析取2g產(chǎn)品溶于硫酸

17、中，加入一定過量的草酸，待二氧化錳與草酸根離子作用完畢后，用高 錳酸鉀標準液滴定過量的草酸，即可求出二氧氣化錳的含量，做三次實驗。M MnO2m(mH2C2O2M h2C2O2CKMnO 42 4VKMnO4)100%七水硫酸鋅的純度分析：取產(chǎn)品0.2g用100ml蒸餾水溶解，用氨水調PH=10以鉻黑T為指示劑，用EDTA滴定其鋅 含量。WZnSO4- 7H2O=(M ZnSO4 - 7H2CK CEDT從 VEDTA)/1000X m ZnSO4- 7H2OX 100%五、參考文獻；7Zha ngH, Fe i C 乙 Zha ng D B, e t aDegrada tion of 4ni

18、trophe nol in aqueous m edium by E lectroFenton m ethodJ . Journa l ofH azardousM ater ia Is, 2007, 145: 227232.六、附表（方案中涉及到的各種濃度溶液的配制，包括緩沖溶液的配制、標準溶液的標定方法）5.1 0.1mol/LNaOH 溶液標定的數(shù)據(jù)處理項目123m稱量瓶+KHP/g19.1341m稱量瓶+剩余KHP/g14.3801mKHP/g4.7540VNaOH初讀數(shù) /mL0.000.000.00VNaOK讀數(shù) /mL23.2823.3323.35VNaOH/mL23.2823.3

19、323.35CNaOH/mol/L0.10010.09990.0998CNaOH/mol/L 平0.0999相對偏差/%0.200200.000000.10010相對平均偏差/%0.10010mKHPCNaOH 氫氧化鈉的濃度為：5.2 HCl含量的測定伽咖彎昆合液 1000/10項目123V混合液/mL25.00cNaOH/ mol/L0.0999VNaOH初讀數(shù) /mL0.000.000.00VNaOK讀數(shù) /mL22.3122.3922.35VNaOH/mL22.3122.3922.35cHCl/ mol/L0.08920.08950.0893平均 cHCl/ mol/L0.0893wH

20、Cl/g/L3.2513.2623.255平均 wHCl/ g/L3.256相對偏差/%-0.153560.18428-0.030712相對平均偏差/%0.122855.3 NH4CI含量的測定項目123V混合液/mL25.00cNaOH/ mol/L0.0999VNaOH初讀數(shù) /mL0.000.000.00VNaOK讀數(shù) /mL24.5124.5524.53VNaOH/mL24.5124.5524.53NH4Cl 的濃度 / mol/L0.09790.09810.0980NH4Cl的平均濃度/ mol/L0.0980NH4Cl的含量/ g/L5.2375.2475.242NH4Cl的平均含量/ g/L5.242相對偏差/%-0.095380.095380.00000相對平均偏差/%0.063591、 剪開電池稱取的