Исследовательские работы моих учеников

Министерство образования и науки Республики Крым

Республиканское внешкольное учебное заведение

«Малая академия наук учащейся молодежи

Республики Крым «Искатель»

Ялтинский филиал Малой академии наук учащейся молодежи Республики Крым «Искатель»

Отделение: физика

Секция: экспериментальная физика

Базовая дисциплина: физика

Гальванические элементы, их использование и проблемы утилизации

Автор:

Страховская Диана Витальевна, ученица 9 класса Муниципального казенного общеобразовательного учреждения «Ялтинская Среднеобразовательная школа № 11» муниципального образования городской округ Ялта Республики Крым

Научный руководитель:

Дашко Виктор Николаевич, учитель физики муниципального казенного общеобразовательного учреждения «Ялтинская Среднеобразовательная школа № 11» муниципального образования городской округ Ялта Республики Крым, специалист высшей категории старший учитель

г. Ялта – 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………3-4

ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

1.История создания химических источников тока и принцип их действия

1.1.История создания химических источников тока

1.2.Принцип действия химических источников тока

2.Классификация устройств и их эксплуатация.

2.1. Гальванический элемент

2.2. Электрический аккумулятор

2.3.Топливный элемент

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.Регенерация и утилизация некоторых видов гальванических элементов

3.1 Регенерация гальванических элементов

3.2..Утилизация некоторых видов гальванических элементов

4. ВЫВОДЫ

5. ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение

Экономическое развитие каждой страны зависит от способа решения трех важных проблем: получения энергии, развитие экономики и состояние экологии. Люди придумали огромное количество приборов и машин, но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора, химических источников тока и двигателя, человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства.

Еще в древности ученые получили в свое распоряжение могучий источник электричества, но очень громоздкий и опасный — молнию. Тем не менее, даже с помощью таких неудобных приборов и источников энергии, как вращающийся круг из серы, лейденская банка и молния, им удалось сделать еще один серьезный шаг в изучении новых явлений. И сделал его ученый, избравший своей специальностью совсем другую область науки — анатомию. Кстати, мы редко задумываемся над тем, что первые, и наиболее важные, открытия в любой области знания совершают специалисты других разделов науки. Ведь не могут существовать, например, инженеры-электрики, когда еще неизвестно, что такое электричество… Может быть, такая закономерность не только естественна при зарождении новой ветви на древе знания, но и полезна для его постоянного пышного роста?

Каждый человек хотя бы раз в жизни сталкивался с вопросом замены химических источников тока. В часах, в калькуляторе, в пультах, в весах, фонариках, лампах и многом другом. Несмотря на такое повсеместное пользование многие из людей не знают, что относится к химическим источникам тока, что такое гальванический элемент, чем отличаются батарейки от аккумуляторов и из чего они состроят. Так что же такое современная батарейка? Как она появилась? Кто смог изобрести такую полезную вещь и как понять, чем руководствоваться при их покупке? Как их утилизировать и как продлить их работу?

Исследования последних лет позволили разработать целый ряд химических аккумуляторов, каждых из которых имеет свои преимущества, но ни одно из современных решений в этой области не обеспечивает полного превосходства над другими. В свое время казалось, что никель-кадмиевые аккумуляторы заменят никель-гидридные, затем широко рекламировались литиевые, а сейчас пророчат вытеснение литий-ионных батарей литий-полимерными элементами. Да, никель-гидридные аккумуляторы в значительной степени потеснили никель-кадмиевые, но таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток при низкой стоимости и длительном сроке службы, они обеспечить не смогли, и полноценной замены так и не произошло. Аналогичная ситуация складывается и с литиевыми технологиями.

Целью моей работы являются определение характера и причины использования гальванических элементов, способы их утилизации, проведение исследований в области их переработки с целью защиты окружающей среды.

В связи с этим необходимо решить следующие задачи:

• Обратить внимание на химический состав элементов, входящих в состав гальванических элементов, их влияние на окружающую среду.

• Определить принцип действия гальванических элементов –химических источников тока.

• Сравнить параметры гальванических элементов различных категорий.

• Предложить альтернативные способы получения электрической энергии, отличные от нынешних источников.

• Способы переработки использованных аккумуляторов и батареек.

Глава 1

История создания химических источников тока и принцип их действия

1.1.История создания химических источников тока

Луиджи Гальвани (Приложение А) возглавил кафедру анатомии в Болонье в 1759 году, когда ему было всего 22 года, и долгие годы спокойно и вдумчиво исследовал костное строение птиц. Лишь через 12 лет он начал интересоваться электрическими явлениями и только в 1790 году, когда ему исполнилось 53 года, сделал свое удивительное наблюдение, благодаря которому его имя сохранилось в истории науки.

Лягушке Л. Гальвани давно следует поставить памятник: ей выпала честь открыть человечеству существование электрических токов внутри живых существ.

Рассказывают, что открытие Гальвани — целая цепь случайностей: заболевшей жене Гальвани прописали целительный бульон из лягушачьих лапок, Гальвани сам готовил этот бульон, чистил только что пойманную лягушку и однажды прикоснулся скальпелем к ее обнаженному нерву…

Все, что было до этого знаменательного момента, видимо, навсегда останется тайной, ибо именно с него начинает Гальвани, как выразился бы современный ученый, экспериментальную часть своей статьи «Об электрических силах при мускульных движениях», опубликованной в 1791 году.

Гальвани не останавливается на этом и соединяет скальпель с «электрической машиной»: сокращения мышц многократно увеличиваются. Впечатление такое, что лягушка ожила!

У Гальвани вскоре появятся тысячи подражателей и последователей, жаждавших убедиться собственными глазами, как лягушка «оживает» под действием электрического тока…

Среди последователей Луиджи Гальвани нашелся один внимательный физик, профессор университета в Италии Алессандро Вольта(Приложение Б), заметивший одну незначительную деталь опытов с «животным электричеством», на которую не обратил внимания сам Гальвани: когда к лягушке присоединяли провода из разнородных металлов, мышечные сокращения становились сильнее.

Вольта решил, что два металла, разделенные телом, в котором много воды, хорошо проводящей электрический ток (лягушка, без сомнений, может быть отнесена к таким телам), рождают свою собственную электрическую силу. Смелое и неожиданное предположение!

Решающий эксперимент Вольта провел на самом себе. «Я накладываю на глазное яблоко конец оловянного листочка, беру в рот серебряную монету или ложку и затем привожу обе эти обкладки в соприкосновение при помощи двух металлических острий,— описывал Вольта свой оригинальный физический опыт.— Это оказывается достаточным, чтобы тотчас же или каждый раз, как производится соприкосновение, получить явление света или преходящей молнии в глазу».

Позже он провел еще один, более удачный, опыт с лимонным соком, который он использовал в качестве электролита. Алессандро Вольт собрал простое устройство из двух металлических пластин – цинковой и медной, обернул их кожаной салфеткой, пропитанной лимонным соком и выявил разность потенциала между пластинами! Сок лимона вступил с металлами в химическую реакцию, в результате которой образовался электрический ток. Такой тип источников тока называется гальваническими элементами, по имени итальянского анатома и физиолога Гальвани, впервые наблюдавшего это явление в подобном опыте в 1789 году.

Вольт создал еще одно нехитрое устройство, подтверждающее его теорию, состоявшее из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором.

Электрохимические батареи, которые сначала все называли «вольтовыми столбами», начали свое победное шествие по земному шару.

Из лабораторий ученых они сейчас проникли всюду, путешествуя в самые отдаленные уголки земли,— ведь удобные переносные радиоприемники, магнитофоны, телевизоры работают в местах, где нет знакомой электрической розетки от центральной электросети, благодаря маленьким и емким электрохимическим батарейкам, а автомобили трогаются в путь, получив сильный импульс электрического тока от большой стартерной электрохимической батареи.

В декабре 1801 года Алессандро Вольта после доклада перед Французской Академией наук получает из рук Наполеона Большую золотую медаль, присуждаемую за выдающиеся достижения в науке. Вольту в это время было 56 лет, он опровергает своей судьбой устоявшееся мнение, что открытия в физике совершаются только до 30 лет…

Через двадцать лет был изобретен еще один источник тока — термоэлектрический. Оказалось, что, нагревая теплом руки, пламенем свечи или керосиновой лампы спай двух проволочек из разных металлов, можно с других, свободных концов проволочек «снять» заметный электрический сигнал.Причину возникновения термоэлектрического эффекта физики смогли объяснить до конца только в тридцатые годы нашего столетия. Свободные электроны в одной из проволочек под действием теплоты быстрее двигаются к холодному концу, чем в другой! Разница в количестве электронов приводит к появлению электрического напряжения между двумя проволочками. Если их присоединить к внешней электрической цепи, то в ней потечет электрический ток — количество электронов во всех участках цепи начнет выравниваться…

«Внуки» столбов Вольта — удобные, маленькие, легкие современные батарейки прочно вошли в нашу жизнь.

Кстати, сам Вольта скромно именовал свое изобретение «искусственным электрическим органом» и предложил в честь Гальвани называть электрохимические батарейки «гальваническими элементами». Вольта подал своим многочисленным потомкам в науке пример, достойный подражания. И не потому ли так часто до сих пор применяются слова: гальванические элементы, которые давно уже пишутся без кавычек…

1.2. Принцип действия химических источников тока

Современные автономные источники питания внешне имеют мало общего с устройством, созданным Алессандро Вольта, однако базовый принцип остался неизменным. В основе любого источника тока, а батарейка не что иное, как источник тока, лежит простая схема: анод-катод, а между ними электролит(Приложение В). Возникновение электрического тока – это побочный результат окислительно-восстановительной реакции идущей между электродами. За счет различной природы материала анода и катода, при их погружении в электролит возникает разность потенциалов – напряжение, из-за чего и возникает электрический ток. Химические источники тока носят свое название из-за природы возникновения тока: химическая энергия активных веществ непосредственно превращается в электрическую энергию. Они делятся на две группы – первичные и вторичные.

В первичных элементах питания химические реакции являются необратимыми, а во вторичных – обратимыми. Соответственно – вторичные элементы, которые известным нам как аккумуляторы, можно восстановить (зарядить) и использовать заново.

Начало промышленного производства первичных химических источников тока было заложено в 1865 г. французом Ж. Л. Лекарше, предложившим марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом. В 1880 г. Ф. Лаландом (Приложение Г) был создан марганцево-цинковый элемент с загущенным электролитом. Впоследствии этот элемент был значительно улучшен.

Существенное улучшение характеристик было получено при применении электролитического диоксида марганца на катоде и хлорида цинка в электролите. До 1940 г. марганцево-цинковый солевой элемент был практически единственным используемым первичным химическим источником тока. Несмотря на появление в дальнейшем других первичных источников тока с более высокими характеристиками, марганцево-цинковый солевой элемент используется в очень широких масштабах, в значительной мере благодаря его относительно невысокой цене.

Одним из важнейших факторов при разработке батарей (а также любого устройства, питающегося от них) является достижение максимальной удельной емкости для элемента заданного (минимального) размера и веса. Химические реакции, протекающие внутри элемента, определяют и его емкость, и физические размеры. В принципе, вся история разработки батарей сводится к нахождению новых химических систем и упаковке их в корпуса как можно меньших размеров.

Сегодня производится множество разных типов элементов питания, некоторые из которых были разработаны еще в 19-ом веке, а другие едва отметили десятилетие.

Глава 2

Классификация устройств и их эксплуатация.

2.1.Гальванический элемент

"Пальчиковая форма" батареек выбрана не случайно. При одинаковой емкости высокий и узкий цилиндр – пальчик - имеет меньшее внутреннее сопротивление и лучше рассеивает тепло.

Требования Международной электрической комиссии относительно унификации размеров источников тока позволяют заменять батарейки одного производителя на другого, тем самым, создавая возможности для вольного потребительского выбора. На батарейке можно увидеть сразу несколько обозначений ее размеров. По российскому законодательству цилиндрические батарейки в зависимости от диаметра и высоты обозначают от R06 до R27, американские нормы диктуют буквенную маркировку. Для бытовой техники могут быть нанесены дополнительные надписи. Например, наиболее распространенная "пальчиковая" батарейка R6 имеет диаметр 14,5 мм и высоту 50,5 мм, она же имеет обозначение АА и MIGNON.

Различные устройства работают с различным напряжением, поэтому и у батареек оно должно быть разным. Кроме того, напряжения разных типов батареек зависит от используемого электролита. К примеру, литиевые батарейки имеют номинальное напряжение 3 V, щелочные — 1,5 V. Ёмкость батареек рассчитывается из объёма активных элементов, помещаемых в корпус батарейки. Однако рассчитанная подобным образом ёмкость не может быть использована для определения работоспособности батареек и имеет название «расчетная ёмкость».

Фактическая же ёмкость зависит от множества факторов:

• уровень зарядки;

• режим использования;

• температура окружающей среды;

• ток отсечки (Напряжение, при котором устройство не работает даже при сохранённом заряде батарейки. Например, батарейка, которая уже не работает в фотоаппарате, зачастую продолжает работать в часах или пультах управления).

Каждая ячейка электрической батарейки вырабатывает ток 1.5 вольта, что немного по сравнению с 220-вольтовым напряжением в бытовой электросети, поэтому батарейки не опасны для потребителя. Любая батарейка, напряжение которой превышает 1,5 вольта (например, 6 вольт) - это, в сущности, комплект соединенных последовательно батареек по 1,5 вольта. Исключением являются перезаряжаемые никелево-кадмиевые батарейки, напряжение которых в заряженном состоянии только 1,2 вольта.

Количество электричества в батарейках измеряется в ампер - или миллиампер-час. Если, к примеру, заряд батарейки равен 1,0 ампер-часу, а электрический прибор, в котором она работает, требует тока в 200 миллиампер (т.е. в 0,2 ампера), срок действия батарейки вычисляется по следующей формуле:

1,0(заряд батарейки) : 0,2(необходимое количество тока) = 5ч.(срок действия)

Саморазряд – это следствие нерабочего состояния батарейки, который ведет к потере емкости. Саморазряд может возникать по двум причинам. Во-первых, это касается новой продукции с момента выпуска и до начала использования. Во-вторых, если использовать ресурс батарейки с достаточно длинными промежутками-перерывами.

Причина саморазряда кроется в самой батарейке - неустойчивости электродов, загрязнении электролита. За нормированный срок хранения батарейка теряет порядка 30% своей начальной емкости. Наиболее сильно разряжается батарейка в начале хранения. Также саморазряд возрастает при повышении температуры. Типы гальванических элементов представлены в таблице приложения (приложение Д)

2.2.Электрический аккумулятор

Электрический аккумулятор — источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве и в других сферах.

Первый прообраз аккумулятора, который, в отличие от батареи Алессандро Вольты, можно было многократно заряжать, был создан в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. При пропускании через данное устройство тока от вольтова столба оно само стало вести себя как источник электричества.

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуляторную батарею.

Рассмотрим некоторые виды аккумуляторов.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в среде серной кислоты. Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):

Анод:

PbO₂ +SO₄ ^2-+4H⁺+2e^- PbSO₄+2H₂O

Катод:

PbO₂ +SO₄^2—2e^- PbSO₄

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи

В качестве электролита литий-полимерного аккумулятора используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя. Используется в мобильных телефонах, цифровой технике.

Ёмкость аккумулятора — это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл. Ёмкость аккумулятора указывается производителем.

В настоящее время всё чаще на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике используется внесистемная единица — ватт-час. 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

Плотность энергии — количество энергии на единицу объёма или единицу веса аккумулятора.

Еще одна характеристика – саморазряд. Для Ni-Cd аккумуляторов считают допустимым не более 10% саморазряда за первые 24 часа после проведения зарядки. Для Ni-MH саморазряд чуть меньше. У Li-ion он пренебрежимо мал и значительно себя проявляет в течение месяцев.

В свинцово-кислотных герметичных аккумуляторах саморазряд составляет около 40% за 1 год при условии 20°С и 15% при 5°С. Если температуры хранения более высокие, то саморазряд возрастает: батареи при 40°С теряют емкости 40% всего за 4-5 месяцев.

Необходимо беречь аккумуляторы от огня и воды, чрезмерного нагревания (охлаждения), резких перепадов температур.

Нельзя использовать аккумуляторы при температурах выше +40°С и ниже -25°С.

Нарушение температурного режима может привести к сокращению срока службы или потере работоспособности.

Тип аккумулятора определяется используемыми материалами. Различают следующие:

• La-Ft – лантан-фторидный аккумулятор

• Li-Ion – литий-ионный аккумулятор (3,2-4,2 V)

• Li-Co – литий-кобальтовый аккумулятор, (3,6 V)

• Li-Po – литий-полимерный аккумулятор (3,7 V)

• Li-Ft – литий-фторный аккумулятор

• Li-Mn – литий-манганный аккумулятор (3,6 V)

• LiFeS – литий-железно-сульфидный аккумулятор (1,35 V)

• LiFeP или LFP – Литий-железно-фосфатный аккумулятор (3,3 V)

• LiFeYPO4 – литий-железо-иттрий-фосфатный

• Li-Ti – литий-титанатный аккумулятор (3,2 V)

• Li-Cl – литий-хлорный аккумулятор (3,99 V)

• Li-S – литий-серный аккумулятор (2,2 V)

• LMPo – литий-металл-полимерный аккумулятор

• Fe-air – железо-воздушный аккумулятор

• Na/NiCl – никель-солевой аккумулятор (2,58 V)

• Na-S – натрий-серный аккумулятор, (2 V)

• Ni-Cd – никель-кадмиевый аккумулятор (1,2 V)

• Ni-Fe – железо-никелевый аккумулятор (1,2–1,9 V)

• Ni-H2 – никель-водородный аккумулятор (1,5 V)

• Ni-MH – никель-металл-гидридный аккумулятор (1,2 V)

• Ni-Zn – никель-цинковый аккумулятор (1,65 V)

• Pb – свинцово-кислотный аккумулятор (2 V)

• Pb-H – свинцово-водородный аккумулятор

• Ag-Zn – серебряно-цинковый аккумулятор (1,85 V)

• Ag-Cd – серебряно-кадмиевый аккумулятор (1,6 V)

• Zn-Br – цинк-бромный аккумулятор (1,8 V)

• Zn-air – цинк-воздушный аккумулятор

• Zn-Cl – цинк-хлорный аккумулятор

• RAM – щелочной элемент (1,5 V)

• Ванадиевый аккумулятор (1,41 V)

Отдельным видом аккумуляторов можно назвать внешний аккумулятор.

Внешний аккумулятор (аккумуляторная батарея) — устройство для многократной подзарядки мобильного устройства (телефона, смартфона, планшетного компьютера) при отсутствии источника переменного тока (электросети).

Причиной появления этих устройств стало то, что при активном использовании современных смартфонов и планшетов заряда их аккумуляторов хватает на сравнительно короткое время - полдня или день. Для их зарядки в полевых условиях и были разработаны портативные аккумуляторы. Типичный вес таких устройств - от нескольких сотен грамм, ёмкость от нескольких тысяч мА·ч до 10-20 мА·ч, с их помощью можно перезарядить телефон два-три раза. Чаще всего они предоставляют для подключения порт USB, некоторые имеют разъёмы или переходники для популярных мобильных телефонов. Самые ёмкие устройства могут иметь переходники для зарядки ноутбуков. Иногда на внешних аккумуляторах имеется индикатор заряда или встроенный светодиодный фонарик.

Для заряда аккумуляторов применяется несколько методов. Как правило, метод заряда зависит от типа аккумулятора и обеспечивается зарядным устройством.

Можно выделить несколько видов заряда.

Самый длительный и безопасный метод заряда - медленный заряд постоянным током. Подходит для большинства типов аккумуляторов.

Быстрый заряд - выполняется повышенным постоянным током. Возможен разогрев аккумулятора и даже его разрушение.

Реверсивный заряд выполняется чередованием длинных импульсов заряда с короткими импульсами разряда. Реверсивный метод наиболее полезен для заряда NiCd и NiMH аккумуляторов, для которых характерен так называемый «эффект памяти».

Еще один вид заряда – это заряд с измерением скорости нарастания напряжения или тока. Различные типы аккумуляторов имеют различные зарядные диаграммы, зарядное устройство анализирует изменение тока заряда и/или напряжения на выводах аккумулятора и определяет состояние полного заряда.

Аккумуляторы имеют широкое и разнообразное применение. Они служат для освещения железнодорожных вагонов, автомобилей, для запуска автомобильного двигателя. Батареи аккумуляторов питают электроэнергией подводную лодку под водой. Радиопередатчики и научная аппаратура на искусственных спутниках Земли также получают электропитание от аккумуляторов, установленных на спутнике.

2.3. Топливный элемент

Топливный элемент(приложение Е) — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Естественным топливным элементом является митохондрия живой клетки. Митохондрии перерабатывают органическое «горючее» — пируваты и жирные кислоты, синтезируя АТФодновременно создавая разность электрических потенциалов на своей внешней мембране. Однако копирование этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах лишено смысла, так как на долю электрической разности потенциалов приходится ничтожная доля химической энергии исходных веществ: почти вся энергия передаётся молекулам АТФ.

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %).

КПД, определённый по теплоте химической реакции, может быть и выше 100 % из-за того, что в работу может превращаться и теплота окружающей среды. Здесь тем не менее нет никакого противоречия с ограничениями на КПД тепловых машин, поскольку топливные элементы не работают по замкнутому циклу и реагирующие вещества не возвращаются в начальное состояние. При химической реакции в топливном элементе в электрическую энергию превращается в конечном счёте не теплота реагентов, а их внутренняя энергия и, возможно, некоторое количество теплоты из окружающей среды.

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 г. английским ученым У. Гроувом, который обнаружил, что процесс электролиза обратим, то есть водород и кислород можно объединить в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электричества. Свой прибор, где удалось провести эту реакцию, ученый назвал "газовой батареей", и это был первый топливный элемент. Однако в последующие 100 лет эта идея не нашла практического применения.

В 1937 г. профессор Ф.Бэкон начал работы над своим топливным элементом. К концу 1950-х он разработал батарею из 40 топливных элементов, имеющую мощность 5 кВт. Такую батарею можно было применить для обеспечения энергией сварочного аппарата или грузоподъемника. Батарея работала при высоких температурах порядка 200°С и более и давлениях 20-40 бар. Кроме того, она была весьма массивна.

Топливные элементы первоначально применялись только в космической отрасли, однако в настоящее время сфера их применения непрерывно расширяется. Их применяют в стационарных электростанциях, в качестве автономных источников тепло- и электроснабжения зданий, в двигателях транспортных средств, в качестве источников питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств пока не покинула стен лабораторий, другие уже коммерчески доступны и давно применяются. Данные по применению топливных элементов занесены в таблицу (приложение Ж)

В воздух выделяется лишь водяной пар, который не наносит вреда окружающейсреде.

Глава 3

Регенирация и утилизация некоторых видов гальванических элементов

3.1 Регенирация гальванических элементов

Идея восстановления разряженных гальванических элементов подобно аккумуляторным батареям не нова. Восстанавливают элементы с помощью специальных зарядных устройств. Практически установлено, что лучше других поддаются регенерации наиболее распространенные стаканчиковые марганцево-цинковые элементы и батареи. Хуже восстанавливаются галетные марганцево-цинковые батареи.

Наилучший способ регенерации химических источников питания - пропускание через них асимметричного переменного тока, имеющего положительную постоянную составляющую. Простейшим источником асимметричного тока является однополупериодный выпрямитель на диоде, шунтированном резистором. Выпрямитель подключают к вторичной низковольтной (5-10 в) обмотке понижающего трансформатора, питающегося от сети переменного тока. Однако такое зарядное устройство имеет невысокий к. п. д.- около 10% и, кроме этого, заряжаемая батарея при случайном отключении напряжения, питающего трансформатор, может разряжаться.

Лучших результатов можно достигнуть, если применять зарядное устройство, выполненное по схеме, представленной на рисунке(приложение З). В этом устройстве вторичная обмотка II питает два отдельных выпрямителя на диодах Д1 и Д2, к выходам которых подключены две заряжаемые батареи Б1 и Б2.

Параллельно диодам Д1 и Д2 включены конденсаторы C1 и С2. На рисунке(приложение И) показана осциллограмма тока, проходящего через батарею. Заштрихованная часть периода - это время, в течение которого через батарею протекают импульсы разрядного тока.

Эти импульсы, очевидно, особым образом влияют на ход электрохимических процессов в активных материалах гальванических элементов. При отсутствии импульсов разрядного тока (что бывает при отсоединении конденсатора, включенного параллельно диоду) регенерация элементов практически прекращалась.

Опытным путем установлено, что марганцево-цинковые гальванические элементы сравнительно мало критичны к величине постоянной составляющей и форме отрицательных импульсов зарядного тока. Это позволяет использовать зарядное устройство без дополнительной регулировки постоянной и переменной составляющих зарядного тока для восстановления, различных элементов и батарей. Отношение постоянной составляющей тока заряда к эффективному значению его переменной составляющей должно быть в пределах 5 к 25.

Производительность зарядного устройства можно повысить, включая для заряда по несколько элементов последовательно. При этом необходимо учесть, что в процессе заряда э. д. с. элементов может возрастать до 2-2,1.в. Исходя из этого и зная напряжение на вторичной обмотке трансформатора, определяют число одновременно заряжаемых элементов.

3.2.Утилизация некоторых видов гальванических элементов

Захоронение определенных видов отходов на полигонах является невыгодным в экономическом отношении из-за занятия пахотных и других угодий, а также сооружения дорогостоящих специальных полигонов. Захоронение отходов небезопасно и с точки зрения охраны окружающей среды, поскольку отходы, являясь продуктами с токсичными свойствами и нестабильного химического характера, могут мигрировать в виде летучих компонентов в воздушную среду или же в форме растворимых соединений переходить в грунтовые воды, а затем ассимилироваться в растениях и попадать в корм животных и в пищу людям.

Более перспективным является путь утилизации ряда отходов в строительстве, а также их использование в качестве полупродуктов в промышленности. В настоящее время около 25 % производимых в нашей стране химических отходов используется повторно. Тем не менее, следует отметить, что процессы рециркуляции металлов из отходов экономически выгодны в тех случаях, когда их концентрация достаточно высока, а технология рециркуляции малоэнергоемка. Гальванические отходы, как правило, содержат относительно невысокие концентрации цветных ценных металлов. Кроме того, форма их нахождения в составе гальванических отходов и близость их химических свойств требуют понимания специальных химических методов выделения. Поэтому рециркуляция металлов из гальванических отходов является экономически не выгодным мероприятием. Единственным, перспективным, получившим развитие утилизации гальванических отходов, является их применение в качестве добавок в различных строительных материалах. С одной стороны добавки гальванических отходов в строительных материалах улучшают эксплуатационно-технические качества последних, - с другой, не требуют экономических затрат на мероприятия, направленные на предотвращение их неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Однако при этом следует отметить, что утилизация гальванических отходов в строительные материалы требует санитарно-гигиенической оценки как самих гальванических отходов, так и материалов с их добавками. Это объясняется тем, что гальванические отходы включают в своем составе катионы биологически активных металлов, состав которых, в зависимости от производства, весьма неоднородный.

Также батарейки можно утилизировать путем переработки их на специализированых заводах.

Переработка аккумуляторов и батареек – это проблема, которая сейчас встала перед всеми странами мира. Основная цель переработки аккумуляторов заключается в предотвращении попадания опасных веществ в окружающую среду.

Единственный в России завод по переработке батареек, находится он в Челябинске, компания по переработке называется Мегаполисресурс.

Этот завод испозьзует следующую техналогию переработки:

батарейки изначально дробят в несколько этапов и при помощи магнита отделяют железо, из оставшейся полиметаллической смеси при помощи гидрометаллургии выделяют сульфаты цинка, марганца, и графит.

Соли металлов извлекаются при помощи специальных установок. Сначала соли растворяются, а потом кристаллизуются.

Способы переработки батарей, направленны на восстановление различных материалов.

​ Свинец может быть восстановлен отделением до переработки различных материалов, из которых сделана батарея (свинец, пластик, кислота и т.д.); либо батареи могут быть переработаны целиком в специальной металлургической печи, где металлы выделяются в конце процесса.

Никель-кадмиевые батареи могут быть переработаны похожим способом, при котором восстанавливается кадмий и железо-никелевый сплав для производства стали.

Батареи, содержащие ртуть, чаще всего перерабатываются вакуумно-температурным способом, при котором ртуть испаряется. Она конденсируется и при понижении температуры затвердевает, после чего может быть снова введена в производственный цикл.

Никель-металлгидридные батареи перерабатываются механическим разделением материалов (пластика, водорода и никеля) в вакуумной камере для предотвращения утечки водорода.

Литий-ионные батареи в настоящее время перерабатываются путем пиролиза (термического распада) с первичным восстановлением содержащихся металлов.

Цинк-карбоновые (воздушные) и щелочно-марганцевые батареи могут быть переработаны различными методами, включающими в себя плавку и другие металлургические процессы нагревания, приводящие к восстановлению металлического содержимого (в частности, цинка).

Следует обратить внимание на то, что процесс переработки может стать рентабельным для предприятия только при наличии достаточно больших объемов сырья. В настоящий момент переработка одного килограмма батареек обходится предприятию примерно в 70 рублей, и это без учета транспортировки батареек из других городов. Поэтому важной работой становится налаживание сотрудничества предприятия с другими бизнес-компаниями, государством и населением. И "Мегполисресурс" не просто дает технологию и возможность переработки батареек в России, но и активно ведет эту работу.

Выводы :

В наше время людям требуется всё больше и больше энергии, поскольку они придумывают всё больше и больше новых изобретений, для которых требуется энергия не зависящая от сети.

В работе речь идет о принципах действий гальванических элементов, возможных экологически-чистых источниках энергии, которыми бы люди не загрязняли окружающий мир, о причинах их использования, о способах их утилизации и регенирации .

В ходе данной работы было определено, что возможно экологически чисто утилизировать и вторично исползовать гальванические элементы.

К основным компонентам загрязнения окружающей среды от неправильной утилизации гальванических элементов относятся цинк, никель, хром, олово, висмут, свинец, кадмий, ртуть, железо, медь и др. В отходах разных производств, изученных нами, концентрации тяжелых металлов заметно колебались: цинк – 100-5740, никель – 2-200, хром – 50-5020, свинец – 137-600, медь – 500-5600, кобальт – 8-30, олово – до 72600, висмут – около 100, кадмий – около 54, ртуть – около 0,01, железо – около 1100, сурьма – около 200 мг/кг.

Значительные концентрации тяжелых металлов могут вызывать ишемическую болезнь сердца и выступать в качестве возможных химических канцерогенов от их воздействия возникает бронхиальная астма, различные заболевания крови. Особой опасностью для здоровья человека обладает свинец. Он вызывает нейротоксичное действие, хроническую нефропатию, сердечно-сосудистые заболевания, а совместное его воздействие с кадмием приводит к врожденным аномалиям развития новорожденных детей.

Решая вторую задачу работы я рассмотрела принцип действия гальванических элементов как химических источников тока,их состав и период эксплуатации.

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита.

Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы.

Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Также я сравнила параметры гальванических элементов различных категорий и поняла,что их емкость и цена сильно зависят друг от друга, чем больше цена,тем больше емкость,а чем меньше цена,соответственно, меньше емкость.

Я считаю,что переработку и утилизацию батареек можно будет осуществлять в полном размере только при осознанности и поддержке всех граждан России. Но одного мнения мало и я решила провести небольшой опрос на тему:«как вы утилизируете батарейки?». Результаты меня поразили, их просто выкидывают. На основании этого я пришла к выводу ,что желание человека облегчить свою жизнь и не желание куда-либо ходить и что либо сдавать загубит любой гениальный проэкт.Для более экологичного использования энергии , я бы использовала аккомуляторы ,которые ,в отличии от батареек можно использовать в течении долгого времени и заряжать на более долгий срок или использовать в быту и жизни топливные элементы.