从废锌锰电池中提取有用物质

从废锌锰电池中提取有用物质 陈媛媛 指导教师 程孟琪 (安顺学院化学系03化教 贵州 561000) 摘 要: 废干电池中以锌锰电池消耗量最大，占电池总产量的90%以上，其废弃物中主要有锌、锰、铜等重金属。通过实验的设计可从废旧锌锰电池中，回收锌皮(制备ZnSO?7HO)、铜帽、氯化氨、42二氧化锰等物质。全文详细论述了废干电池的危害以及探究处理废电池可行途径 关键字: 废锌锰电池 危害 回收利用 可行性研究 1.引言 电池是我们日常生活中最常见的商品之一。照相机、录音机、MP3、CD、CV、门铃、遥控器等,都离不开电池。我国是民用电池的生产和消费大国,年产量达150亿只,消耗量达到了80亿只,主要为锌锰电池,平均每一个中国人一年就要消费5只电池。随意丢弃电池，不仅严重污染环境，危害人体健康，而且浪费了国家有限的资源。据测定1节1号电池能使一平方米的土壤板结,使土壤中的脲 ,酶、氯化氢酶、转化酶的活性下降而且,通过植物进入到人体内的重金属无法排 [1]除体外,影响身体健康。同时,废旧电池的随意丢弃将造成严重的资源流失。以每年生产100亿只电池计算，全年将要消耗15.6万吨锌、22.6万吨锰、2080吨铜、2.7万吨氯化铵、4.3万吨碳棒;由此可知，废旧电池的处理与综合利用，对保护环境、保护资源具有重大意义，鉴于此方面的目的，笔者通过实验方案的设计，探究实验室处理废干电池的可行途径。 2.实验原理 本实验处理的是锌-锰碱性干电池，该电池负极为电池流体的锌电极，正极是能被MnO包围着的石墨电极，电解质是糊状物氯化铵。 2 电池反应:Zn+2NHCl+2MnO=2Zn(NH) Cl+MnO+HO 4232232 在使用过程中，锌皮被不断的消耗，MnO起氧化作用，糊状氯化铵作为2 电解质没有被消耗，碳粉是填料，处理回收的废电池可以获得多种物质，如;锌、汞、MnO、氯化铵和碳粉等，使其变废为宝。 2 并对回收到的产品检验纯度: 10 1.MnO纯度的检验: 2 W=,{[m,(5/2)M×C V ]×87.3}m×M , MnO2H2C2O4H2C2O4KMnO4KMnO4 MnO2H2C2O4 ×100% 2. NHCl纯度的测定: 4 W=[(M×C×V)/1000×m]×100% NH4ClNH4ClNaOHNaOHNH4Cl 3. ZnSO?7HO纯度的测定: 42 W=[(M×C×V)/1000×m]×100% ???ZnSO47H2O ZnSO47H2OEDTAEDTA ZnSO47H2O,.实验部分 3.1 实验仪器和药品 3.1.1 仪器:天平、电子称、烧杯(250ml、100ml、50ml)、玻璃棒、抽滤装置、滤纸、普通漏斗、蒸发皿、酒精灯、剪刀、PH试纸、 3.2.2 药品:废干电池、甲醛(40%)、酚酞、草酸、高锰酸钾(0.1mol/L)、硫酸(2mol/L、8mol/L)、NaOH(0.1mol/L)、硝酸(2mol/L)、盐酸(2mol/L)、双氧水(3%)、硝酸银(0.1mol/L)、K4[Fe[CN]](0.2mol/L)、铬蓝K-柰酚绿指示剂、6 EDTA(0.02mol/L) 3.2实验步骤: 3.2.1 材料准备: 取1号废锌锰电池一只，剥去电池外层包装纸，用螺丝刀撬去盖顶，用小刀挖去盖下面的沥青层，即可用钳子慢慢拔出碳棒(连同铜冒)。用剪刀把废电池外壳剥开，即可取出黑色物质;它为MnO、氯化铵、ZnCl、碳粉等的混合物质。22 废电池表面剥下锌壳，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，(这些也要转移到黑色粉末中过滤液体中)。 把废干电池分解为三个部份: 第一部份:黑色物质的滤渣(包含有MnO、碳粉、等混合物质) 2 第二部份:黑色物质的滤液(包含有氯化铵、ZnCl) 2 第三部份:废干电池的外壳——锌片 3.2.2 黑色物质的滤渣: ?提取MnO 2 将滤渣用水冲洗2—3次放入蒸发皿中，先用小火烘干，称重为27克，再搅 11 拌下用强火灼烧，以除去其中的碳粉和少量有机物，到不冒火星时，再灼烧5—10分钟，冷却后即得MnO称量为20克。利用差量法就可计算得到碳粉在黑色粉2 末中的含量为6克。 ?验证二氧化锰 在两个试管中分别加入3%的过氧化氢溶液3ml和合成洗涤剂溶液3—4滴。在其中的一个试管里加入少量制取的黑色固体，若反应相对于另一个试管反应速度迅速加快，则黑色固体为二氧化锰。 ?二氧化锰的纯度检验 在二氧化锰产品中加入草酸固体，在硫酸的作用下沸水浴中溶解，用高锰酸 2+钾滴定到终点为粉红色。反应式为:MnO+HCO+H+?Mn+CO?+4HO 222422 ,4+2+2MnO+5HCO+6H?2Mn+10CO?+8HO 22422 3.2.3 黑色物质的滤液 ?提取氯化铵 称取20g黑色混合物放入烧杯，加入20毫升蒸馏水，搅拌，加热溶解，抽滤，滤液用以提取氯化铵，滤渣留用，以制备MnO及锰的化合物。把滤液放入2 蒸发皿，加热蒸发，至滤液中有晶体出现时，改用小火加热，并不断搅拌(以防止局部过热导致氯化铵分解而且在温度过高时氯化铵也会分解)。待蒸发皿中只留有少量母液时，停止加热，冷却后即得氯化铵固体，用滤纸吸干，称量。用酸碱滴定法测定产品中氯化铵的含量。而氯化铵结晶转移后烧杯中还剩有少量的母液，将这少量的母液转移到蒸发皿中或者小烧杯中继续水浴加热蒸发结晶。 ?氯化铵的纯度的测定 所提取出来的氯化铵产品中的氯化铵的含量可由酸式滴定法测定，氯化铵与甲醛作用生成六亚甲基四胺和盐酸，后者用氢氧化钠液滴定，以酚酞为指示剂，到达终点时为红色。反应式为:4NHCl+6HCHO=(CH)N+4HCl+6HO 426423.2.4 从废干电池锌片制备ZnSO?7HO 42 ?锌片既是电池的负极，又是电池的壳体，锌是两性金属，能溶于酸或碱，在常温下锌与碱反应极慢，与酸反应则很快。 用HSO溶解锌皮制备ZnSO:Zn+HSO= ZnSO+H 2442442 锌片中的杂质铁也同时溶解:Fe + HSO=FeSO+ H 2442 12 2+3+为了使ZnSO?7HO品质高需将Fe氧化为Fe:: 42 FeSO+HO+HSO=3HO+Fe(SO) 422 242243 2+3+将溶液用NaOH调节PH=8使Zn和Fe完全沉淀，以达沉淀最大量: ZnSO+2NaOH=Zn(OH) + NaSO Fe(SO)+6NaOH=2Fe(OH) + NaSO 4224243324再加入稀硫酸，控制PH=4，此时Zn(OH)2溶解而Fe(OH)不溶，即可除去 3 Fe(OH)最后将滤液酸化，蒸发浓缩，结晶，以及得到ZnSO?7HO。 342 ?具体处理方法如下: 将处理过的锌片剪碎，锌皮上还可能粘有石蜡，沥青等有机物，用水难以清洗，但他们不溶于酸，可将锌皮溶于硫酸后过滤除去，取滤液进行下面的步骤。 将洁净的锌片(越碎越好溶解)以约30ml的硫酸(2mol/L)溶解。加热，待反应较快时停止加热。澄清后过滤，把滤液加热接近沸腾。加入3%的双氧水，在不断搅拌下滴加2mol/L氢氧化钠，逐渐有大量白色氢氧化锌沉淀生成。当加入氢氧化钠时，充分搅拌下继续滴加至溶液H=8为止，用布氏漏斗减压抽滤，P 用大量水洗涤滤渣，取后期滤液2毫升，加2mol/L硝酸溶液2—3滴和0.1mol/L硝酸银溶液2---3滴振荡试管，观察现象(可用蒸馏水对照)如有浑浊，说明沉淀中含有可溶性杂质，继承用去离子水洗涤，直至滤液中不再含氯离子时为止，弃去滤液。 将氢氧化钠沉淀转入烧杯中，取2mol/L硫酸约30ml，滴加到氢氧化锌中(不断搅拌)，当溶液H=4时，即使还有少量白色沉淀未溶，也无需再加酸，加热P 搅拌后会逐渐溶解，将溶液加热至沸，即使铁离子水解完全，生成氢氧化铁沉淀，趁热过滤，弃去沉淀。在除铁的滤液中，滴加2mol/L硫酸，使溶液PH=2将其转入蒸发皿，在水浴上蒸发，浓缩，至液面上出现晶膜后停止加热。自然冷却后，用布氏漏斗减压抽滤，将晶体放在两层滤纸间吸干，称量。 2+?ZnSO?7HO的纯度检验:Zn含量的测定:称取产品置于锥形瓶中，加42 蒸馏水溶解，加入三乙醇胺后摇匀，再加H=10NH-NHCl缓冲溶液，摇匀，加P34 入米粒大小的铬蓝K-奈酚绿指示剂，以EDTA标准溶液滴定 3.2.5产品纯度的检验结果 1、MnO纯度的检验: 2 ?称取约1.0克的产品置于锥形瓶中，加1.2克的草酸固体，再加50ml的 13 8mol/LHSO左右，沸水浴加热，使MnO完全溶解，抽滤取滤液，用0.1mol/L242 KMnO溶液至粉红色即为终点。 4 ?消耗0.1mol/LKMnO体积为0.0493L,计算出MnO纯度为71.3% 42 2、NHCl纯度的测定: 4 ?称取约0.2克NHCl产品置于锥形瓶中，加蒸馏水约30ml，加2ml的40%4 甲醛，用1ML0.1mol/LNaOH中和甲醛中的甲酸，以酚酞2-3滴为指示剂，摇匀，放置1min，然后用0.1mol/LNaOH标准溶液滴定至粉红色，30秒不退色即为终点。 ?消耗0.1mol/LNaOH体积为0.0253L，计算出NHCl纯度67.4% 4 3、ZnSO?7HO纯度的测定: 42 2+?Zn的检验:称取ZnSO?7HO产品0.2克置于锥形瓶中，加蒸馏水约 42 30ml，加4ml的三乙醇胺后摇匀，再加5ml的H=10NH-NHCl缓冲溶液，摇P34 匀，加入米粒大小的铬蓝K-奈酚绿指示剂，以0.02mol/L的EDTA标准溶液滴定呈兰色即为终点。 ?消耗0.02mol/L的EDTA标准溶液体积为0.0276，计算出ZnSO?7HO42纯度为79.2% 4.实验结果与讨论 处理1节废干电池的相关数据见表1: 表1. 废干电池中回收物质质量、回收率及纯度 物质七水硫酸废干电池 铜 碳棒 二氧化锰 氯化铵 锌片 *项目 数据 锌 质量(g) 60 0.8 8 15 2 6 19 回收率(%) ______ _____ ______ 25 3.3 10 73.1 纯度(%) ______ _____ ______ 71.3 67.4 ______ 79.2 *注:ZnSO?7HO是用锌片制备 42 在处理废干电池中，可回收铜，碳棒，二氧化锰，氯化铵，锌片等物质，铜和碳棒可直接在实验室中使用，例如碳棒做电解实验中的电极等。从实验数据可知，回收到的二氧化锰量多，回收率和纯度高，在实验室的回收中具有经济效益。虽然氯化铵和锌片回收率低，但氯化铵纯度高，可直接作实验室补充药品，锌片 14 可用来制化合物，如制备七水硫酸锌得到的量多，回收率高，纯度高，也可直接为实验室补充药品。所以，从废锌锰电池中提取有用物质的设计方案是可行的。实验表明，1节废干电池就可回收到多种有用物质，如果把每年消耗的几十亿电池收集进行处理回收，不仅会带来巨大的经济效益，使有限资源的得到再次利用，同时起到了保护环境的作用。 参考文献: [1]李朝略主编,化工小商品生产法(第一集),湖南科学技术出版社 1983.11 实验 [2]中山大学等校编,无机化学实验,高等教育出版社,1983.3 [3]陈寿椿编,重要无机化学反应(二版)上海科学技术出版社,1983.12 [4]上海化工学院无机化学教研组编,无机化学实验,人民教育出版社,1979.2 [5]江体乾编,化工工艺手册,上海科学技术出版社,1992.2 [6]天津化工研究院主编,无机盐工业手册,化学工业出版社,1981.11 [7]日本化学会编，无机化合物合成手册(第二卷)，化学工业出版社，1986.3 15 16