干電池的結構和廢舊電池的回收利用

一、問題的提出

現在人們在社會生活中幾乎一天也離不開電池。按我國年產電池180多億只計算,人均一年要消費6~7節電池,最常使用電池的是尋呼機、手機、袖珍收音機、隨身聽、遙控器等。電池的種類也各異,有鋅錳干電池、鋅銀電池、鋰電池、燃料電池等。這些電池的構造如何,基本工作原理是什么,重要用途有哪些,廢舊電池的危害在哪里……帶著這些問題,我們開展了這一課題的研究。 二、研究方案的設計
1.研究目的
(1)認識電池的分類、構造,基本工作原理,主要用途及對環境的危害。通過回收干電池,防治污染,變廢為寶,增強環保意識。
(2)根據C、MnO2、NH4Cl、ZnCl2等物質差異,聯系溶解、過濾、蒸發、結晶、加熱、灼燒等操作,探索將這幾種物質從混合物中逐一分離出來的方法及NH4+、Zn2+、MnO2的檢驗操作。
(3)通過實驗感悟求知過程,拓展所學的知識,鞏固實驗操作技能,鍛煉思維品質,培養創新能力。
(4)了解我國廢舊電池的回收情況以及回收存在的困難,廢舊電池的回收利用技術等。
2.研究方法
文獻法、實驗法、市場調查法。
3.研究過程
(1)準備。確定子課題:①電池的種類,②干電池的結構,③廢舊電池的危害,④廢舊電池的回收及利用。
(2)分子課題開展實驗活動。
(3)集中交流與討論。
4.總結研究成果。以小論文、市場調研表、實驗報告形式完成。
三、研究方案的實施
1.實驗過程
學生分子課題落實任務后,立即開展行動。①④兩個子課題的同學查閱大量的電子、教育、機械、衛生等方面的書籍,利用學校的電子閱覽室,下載了大量有關常見電池的介紹、電池發明、發展史、廢舊電池對環境的危害及回收技術等資料。②③兩個子課題的同學提前一周收集了廢舊干電池,帶著極大的好奇心,興致勃勃地動手“解剖”干電池。
【操作】用鉗子和剪刀剪開鋅筒,將鋅皮和碳棒分離出來,用毛刷洗干凈,電池內黑色粉末用藥匙移入小燒杯,其余雜物放入廢物箱。
【討論】電池內的黑色粉末包括哪些成分?哪些成分能被回收利用?電池的正負極電極反應分別是什么?
【結論】干電池是以Zn皮制成的圓筒形外殼作負極,頂端附有銅帽的石墨碳棒作正極,筒內填充ZnO、NH4Cl和淀粉糊的混合物,在石墨正極附近又裹著一層粉末狀的MnO2。
干電池的兩極反應為:
負極:Zn-2e-=2Zn2+
正極:2NH4++2e-=2NH3+H2
MnO2作為去氫劑,把新生成的“活性氫”氧化成水H2+2MnO2=Mn2O3+H2O,氨則與Zn2+結合成[Zn(NH3)4]2+。
面對自己解剖得到的產物,學生非常興奮,對于鋅皮,他們知道可以制氫氣；碳棒可作電極,二氧化錳可作制O2的催化劑,那么剩下的黑色物質還有什么成分,又有什么用途。對于他們的提問,我暗示他們用學過的化學知識來操作鑒定。
【操作】取固體溶于水,用玻璃棒攪拌,過濾,得到無色濾液和黑色濾渣,加熱,蒸發濾液至有晶體為止,得白色晶體；將濾渣加熱,蒸干,得到黑色固體。將白色晶體用溫水溶解,將濕潤的紅色石蕊試紙貼在表面皿底,蓋在小燒杯口。
現象:試紙變藍色,還可聞到刺激性氣味。
說明:干電池內有NH4+。
將少量黑色固體加入裝有H2O2的試管,并將一支帶火星的木條放入試管口。
現象:試管內有大量氣泡產生,帶火星的木條復燃。
說明:木條復燃,證明有O2產生,一定有起催化作用的物質。
附圖　實驗裝置
【思考】如何提純NH4Cl。學生設計的實
驗裝置如附圖。

【討論】如何用所回收的材料設計原電池裝置。
四、研究成果與收獲
1.通過解剖,學生掌握了電池的構造,了解了電池的工作原理,同時利用所回收的材料再次組裝原電池。
2.通過對資料的查閱,學生了解到廢舊電池對人類的危害。
廢舊電池中含有Hg、Pb、Cr、Ni等金屬及酸堿鹽等電解質溶液,對人體及生態環境有不同程度的危害。有資料顯示,一節一號電池爛在地里,能使一大片的土壤永遠失去利用價值；一粒紐扣電池可使600t水受到污染,相當于一個人一生的飲水量。若將廢舊電池混入生活垃圾一起填埋或隨手丟棄,滲出的Hg及重金屬物質會滲透于土壤,污染地下水,進而進入魚類、農作物中,破壞人類的生存環境。人體吸收到這些重金屬后,Hg會破壞人體中樞神經,Cr易引起人體慢性中毒,主要病癥有肺氣腫、骨質鈣化、貧血甚至造成人體癱瘓；而Pb進入人體最難排泄,它會干擾腎功能、生殖功能等。
3.拓寬了知識面,鍛煉了學生收集、處理信息的能力。
在進行干電池的解剖研究和廢舊電池的回收調查中,學生學會了簡單的調查、分類、分析、比較等知識,了解到鋅錳干電池的電池表示式為Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2；鋅銀電池Zn|KOH|Ag2O；鋰電池Li|MnO2；Li|CF2；鋅空氣電池Zn|KOH|O2；還有諸如海水電池,新型燃料電池,紐扣電池等。知道了1958年世界上第一個心臟起搏器內安裝了壽命最長、可靠性最高的鋰碳電池,這種電池在火箭、移動電話、筆記本電腦中廣泛使用。再比如廢舊電池的回收有濕法冶金、常壓冶金等。厚街中學高二(5)班的同學通過問卷、走訪、查閱文獻等,用幾個月的時間完成了“關于廢舊電池現狀調查與研究”的調查報告。結論是我國廢舊電池回收率只有1%~2%,他們對廢舊電池危害大而回收現狀差感到震驚。五名中學生在調查中發現,有近八成的居民認為廢舊電池回收活動“與自己無關”或“沒時間參加”,有87%的居民將廢舊電池與生活垃圾一起丟棄。
五、研究體會
通過調查,學生自發收集了關于廢舊電池的危害、回收及再利用等資料,并把這些材料裝訂成冊,分小區發小冊子并在居民小區設立了廢舊電池回收箱。同時向政府提出倡議,研發環保電池,電池生產廠家必須有相應的廢舊電池處理能力與再生能力,電池銷售商應采取措施(如以優惠價以舊換新等)以鼓勵電池回收并在電池上貼上電池回收種類,標明其成分。消費者可以拒絕購買無正確標識的電池產品。學生明白一個小小的電池竟然蘊藏如此多的學問,這增強了他們科學研究的信心,在研究過程中,學生在查找資料與實驗中也遇到了一定的困難,但在全體同學的團結合作下,他們解決了困難。培育科學的人生觀和世界觀,從我做起,從身邊的科學問起,保護環境,人人有責。