XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ БАТАРЕЕК НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Повод - Бородкин Тимофей Михайлович 1Бариленко С.С. 1

---

1ФГКОУ "Ставропольское президентское кадетское училище"

Казановская Е.Б. 1Вдовиченко О.В. 1

---

1ФГКОУ "Ставропольское президентское кадетское училище"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Различными аккумуляторами и батарейками мы пользуемся повсеместно. Это и карманный фонарик, и электронные часы, и пульт управления проектором, и проведение лабораторных работ на уроках физики, а также в процессе службы: в походе, при использовании автономных станций, устройств, военнослужащему необходимо пользоваться батарейками. Возникает ряд вопросов: какие батарейки наиболее эффективны и обладают лучшими электрическими свойствами? Как их правильно использовать, а затем утилизировать? Необходимо оценить степень экологической опасности использованных батареек для человека и окружающей среды и привлечь внимание к экологической проблеме использованных батареек и необходимости их правильной утилизации. Как в походных условиях автономного использования техники продлить ресурс батарейки?

Нами была сформулирована цель работы: изучить физико-химические свойства батареек для разработки предложений по их использованию и утилизации.

Для решения поставленной цели были осуществлены следующие основные задачи:

Изучить состав и строение щелочной и солевой батареек, разработать и изготовить устройство для выяснения их физических и химических характеристик.

Провести социологический опрос среди кадет и сотрудников СПКУ о необходимости утилизации батареек, изучить влияние тяжелых металлов, содержащихся в батарейках на живую среду и растительные организмы.

Проверить экспериментальным путем способы реабилитации батареек.

Сформулировать практические рекомендации по использованию химических источников тока и способах утилизации.

Гипотеза:мыпредполагаем,что батарейки негативно воздействуют на окружающую среду, поэтому необходимо найти способы их восстановления или утилизации.

Методология и методы исследования. В работе использованы физико-химические, биохимические методы исследования, а также методы математической и статистической обработки полученных данных. Применены общепринятые методы научного познания: поисковый, анкетирование, эксперимент, наблюдение, сравнение.

Приборы и оборудование: разрядное устройство, амперметр, вольтметр, батарейки различного типа, датчик портативный pН-метр Цифровой лаборатории по химии SCIENCE CUBE, химические реактивы.

Научное и практическое значение работы заключается в обосновании способов утилизации батареек, подбор наиболее результативных приемов восстановления батареек, сведения об этом могут быть использованы в качестве рекомендаций для применения обучающимися и сотрудниками учреждения. Данная исследовательская работаповышает уровень экологической культуры школьников и взрослых по вопросам охраны окружающей среды.

ГЛАВА 1. Обзор литературы

Состав и принцип работы солевых и щелочных батареек

Для определения электрических свойств батареек выбрано два вида: щелочная и солевая. Солевые батарейки - источники электрического тока, возникающего в простейшем устройстве благодаря химической реакции. Вид элементов считается наиболее дешевым, но с малой энергоемкостью, поэтому хорошо подходят для маломощных устройств. В приборах с высоким энергопотреблением, либо с характерными скачками тока нагрузки и температуры, они проработают недолго, поэтому не используются [4]. Устройство солевой батарейки достаточно простое и представляет собой (рис.1 стр.XII): катод - он же корпус солевой батарейки сделан из высоко очищенного цинка, с улучшенными антикоррозийными свойствами и высокой степенью очистки (минус). Анод - агломерат, изготовлен методом прессовки, смесь MnO_2, графита, с пропиткой электролитом (плюс). Электролит - хлорид аммония либо хлорид цинка, с добавлением загустителя (крахмал). Угольный токовод - проходит по центру, обработан парафиновым составом. Газовая камера - находится вверху, предназначена для сбора газов от химической реакции Защитный футляр - картонный или жестяной для защиты от коррозии, протечек электролита. Щелочная батарея имеет изнаночное строение если сравнивать ее с солевыми источниками тока (рис.2 стр. 12).

Влияние использованных батареек на окружающую среду

Неправильно утилизированные батарейки оказывают негативное влияние на окружающую среду. Мы не задумываемся о последствиях, когда выбрасываембатарейкувмусорноеведро.Батарейки содержат различные тяжелые металлы, которые даже в небольших количествах могут причинить вред здоровью человека. Это цинк, марганец, кадмий, никель, ртуть и др. После выбрасывания батарейки коррозируют (их металлическое покрытие разрушается), и тяжелые металлы попадают в почву и грунтовые воды. Из грунтовых вод эти металлы могут попасть в реки и озера или в артезианские воды, используемые для питьевого водоснабжения. Ионы тяжелых металлов легко проникают в почву, подземные воды, накапливаются в растениях. Человек, являясь конечным звеном пищевой цепи, испытывает на себе наибольшую опасность токсического воздействия меди, железа, кадмия, марганца и других металлов [6].

Свинец накапливается в почках, вызывает нервные расстройства и заболевание мозга. Ртуть влияет на нервную систему, мозг, почки, печень. Вызывает ухудшение зрения, слуха, нервные расстройства, заболевания дыхательной системы, нарушения двигательного аппарата. Ртуть – самое опасное вещество, относится к 1-му классу опасности, может попасть в организм человека как из воды, так и при употреблении в пищу продуктов, приготовленных из отравленных растений или животных, поскольку этот металл имеет свойство накапливаться в тканях живых организмов. Кадмий накапливается в печени, почках, щитовидной железе, костях, вызывает дерматит, провоцирует развитие рака. Никель и цинк – наиболее часто повреждают поджелудочную железу, кишечник, печень, головной мозг. Щелочи – прожигают слизистые оболочки и кожу. Избыточное накопление марганца в организме сказывается, в первую очередь, на центральной нервной системе, ухудшается память, повышенная утомляемость, сонливость. Марганец является ядом, поражающим также легкие, сердечно – сосудистую систему, вызывает аллергический эффект.

Способы утилизации батареек

Вопросы сбора, утилизации и переработки использованных батареек чрезвычайно актуальныв настоящее время. Утилизация этих отходов является одной из самых сложных проблем переработки вторичного сырья. Практически во всех батарейках содержатся токсичные вещества в виде различных металлов и химических соединений, которые при разрушении корпусовбатареекпопадаютвприроднуюсреду.Во время переработки батареек из них извлекаются металлы, которые затем вторично включаются в состав новых изделий. Целью такого процесса становится сохранение электроэнергии и сырья.

На сегодняшний день экологически чистой и рентабельной технологии, которая позволила бы переработать отработанные аккумуляторные батареи, не существует [7]. В США пункт приема, куда можно выкинуть использованные батарейки, есть при каждом магазине, который осуществляет их продажу. Сбор и переработка элементов возложена на продавцов и дистрибьюторов соответствующей продукции, а финансировать все необходимые мероприятия обязаны производители. Количество ежегодно перерабатываемых элементов питания в США составляет до 60%. В Японии ведутся разработки по переработке батареек, поэтому их пока что старательно собирают и хранят на складах с соблюдением требований безопасности. В Австралии самый высокий показатель утилизации батареек – 80%. Изделия, которые не в состоянии утилизировать самостоятельно, отправляются в Европу [8]. В России в 1998 году введен в действие Федеральный закон «Об охране окружающей среды», который регулирует отношения в сфере взаимодействия общества и природы. Но из 20 тысяч тонн батареек, которые выбрасываются ежегодно перерабатывается не более 1,7%. Функционирует только два предприятия по переработке батареек «Мегаполисресурс» в Челябинске и «Национальная экологическая компания» в Ярославле. Ежегодно завод готов перерабатывать 15 тысяч тонн батареек. Но для того чтобы переработать батарейки нужно их собрать. Работы в этом направлении ведутся, но пока очень медленно.

Глава 2. Результаты исследований и их обсуждение

2.1. Социологический опрос кадет и сотрудников СПКУ

Мыпровелианкетированиесредисвоиходноклассниковсцельюузнать насколько они осведомлены о негативном воздействии батареек на окружающую среду. Были заданы следующие вопросы: «Нужно ли утилизировать батарейки? Откуда вы узнали об утилизации батареек? Как вы поступаете с отработанными батарейками? Какое ваше личное отношение к проблеме?» Результаты анкетирования: 90%респондентов считают эту проблему важной и понимают, что батарейки нужно утилизировать отдельно от других отходов, но 0% кадет следуют этому правилу, 5 % считают проблему неважной и 5% - безразлично. 60% кадет узнали о проблеме в СПКУ, 30% - из интернета и 10% из телевидения (рис. 3-6, стр. 13).

2.2. Исследование электрических свойств батареек

Первичные источники – батарейки, как и вторичные – аккумуляторы, характеризуются несколькими основными параметрами, которые определяют длительность и качество их работы в технических устройствах. Одним из определяющих параметров является емкость, это количественная величина, показывающая сколько электрической энергии можно получить от работы элемента под током разряда в течении некоторого времени [3]. В международной системе единиц (СИ) единица измерения принята в кулонах. 1 Кл = 1А*с – количество электрической энергии при токе 1 А за 1 с. Практически используют внесистемную единицу 1А*ч = 3600Кл, т. е мы имеем не емкость, а электрический заряд или количество электричества. При расчетах принято буквенное обозначение – C_б, мА*ч. Физически это означает электрический заряд при токе 1 А в течение часа. Емкость батарейки можно рассчитать по формуле: C_б = I _{н *} t, где: C_б – емкость батареи, мА*ч; I _н – ток нагрузки, мА; t – время работы, ч. [5].

Для того чтобы установить, какая из батареек (солевая или щелочная) является более эффективной и энергетически выгодной, мы решили экспериментально определить некоторые из характеристик этих химических источников тока (максимальное напряжение и емкость) [1, 2]. При проведении экспериментов использовались измерительные приборы амперметр и вольтметр. Но, к сожалению производители не указывают энергоемкость батарейки, т.е. время, в течение которого батарейка будет выдавать то напряжение (указанное на корпусе), которое необходимо данному потребителю. Емкость показывает сколько электрической энергии можно получить от работы элемента под током разряда в течении некоторого времени. Так же неизвестно, сколько времени батарейка хранилась в магазине и соблюдаются ли требования по условиям хранения. 

Нами разработано устройство для определения емкости батареек. Установка состоит из источника тока (испытуемой батарейки), реостата, играющего роль потребителя, амперметра и вольтметра, соединительных проводов. Принципиальная схема показана на рис. 7 стр. XIV. Пределы измерения амперметра – 600 мА, вольтметра – 6 В. Цена деления амперметра – 20 мА, вольтметра – 0,1 В. Погрешность измерений амперметра – 20 мА, вольтметра – 0,1 В. Для определения энергоемкости батарейки она помещалась в специальный держатель, подключались измерительные приборы и каждые 45 минут (1 час) снимались показания амперметра и вольтметра. Для испытаний были взяты три щелочных батарейки и три солевых. Все щелочные батарейки показали приблизительно одинаковый результат (таблица 1).

Таблица 1. Зависимость напряжения разряда щелочных батареек от времени

По полученным табличным данным построен график зависимости напряжения от времени U = U(t) для щелочной батарейки (рис. 8 стр. 14). Заявленное напряжение солевой батарейки 1,5 В, но при установке ее в разрядное устройство на начало эксперимента вольтметр показал всего 1,3 В (таблица 2).

Таблица 2. Зависимость напряжения разряда солевых батареек от времени

Для солевой батарейки №3 (дешевле) (таблица 3).

Таблица 3. Зависимость напряжения разряда солевых батареек №2 от времени

По полученным табличным данным построен график зависимости напряжения от времени U = U(t) для солевых батареек. (рис. 9 стр. XIV). Рассчитаем энергоемкость щелочной батарейки: С_б = 200 мА* 6ч = 1200 мА*ч. Емкость солевой батарейки №1 С_б = 200 мА* 2ч = 400 мА*ч.

Стоимость щелочной батарейки в 3 раза больше, но и ёмкость также в три раза больше. С точки зрения экономической выгоды солевые батарейки уступают щелочным. Мы рекомендуем пользоваться щелочными батарейками.

2.3. Проверка способов восстановления отработавших батареек

В различных источниках представлены рекомендации по восстановлению отработавших батареек, причем заряжать их как аккумуляторные батарейки опасно для жизни и здоровья, может нарушится корпус и произойти взрыв. Мы провели следующие способы: помять батарейку, опустить в кипяток, выдержать в солевом растворе (для солевой), выдержать в щелочном растворе (для щелочной батарейки). Щелочные батарейки разряжали до напряжения 1 В. Солевые до 0,8 В. Для щелочной батарейки результаты представлены в таблице 4, для солевой – в таблице 5. (рис. 10-12 стр. 15)

Таблица 4. Способы восстановления щелочных батареек

По результатам эксперимента можно заметить, что после механического воздействия на щелочную батарейку, она дает напряжение 1,2 ± 0,1 В, но после помещения ее в установку ток разряда поддерживался около 15 минут. Остальные способы результата не дали.

Таблица 5. Способы восстановления солевых батареек

По результатам эксперимента можно увидеть, что после помещения солевой батарейки в кипяток, она дает напряжение 1,4 ± 0,1 В, но после помещения ее в установку необходимого тока нет. В процессе проведения экспериментов нами было замечено, что после проведения опыта батарейки восстанавливались, например, в конце эксперимента, разрядив батарейку до 0,5 В, на следующий день она давала напряжение 1,2 В, но поместив ее в установку до 1 В напряжение падало за два часа, при требуемом токе разряда. Вывод: с экономической точки зрения выгоднее пользоваться щелочными батарейками, емкость которых в три раза больше солевых батареек. Никакие способы восстановления не работают. Батарейки необходимо утилизировать.

2.4. Исследование водородного показателя в пробе воды, в которую погружены использованные батарейки

В стеклянные конические колбы налили 250 мл воды и положили 2 батарейки (щелочную и солевую), предварительно деформировав их корпус. Ежедневно проводили измерение водородного показателя с помощью портативного рН-метра (таблица 6).

Таблица 6. Результаты измерения рН – среды батареек

Вывод:Наблюдаем постепенное изменение цвета воды и выпадение осадка коричневогоцвета.Водороднойпоказательза5сутокизменилсяот6,7до9,3 единиц рН.Следовательно, среда раствора стала щелочная (рис. 14).

2.5. ОбнаружениеионовPb²⁺,Fe²⁺,Fe³⁺,Cu²⁺в составе пальчиковых батареек.

Мы провели серию экспериментов на наличие ионов некоторых металлов с водой, в которой находились отработанные батарейки.

Качественная реакция наPb²⁺. К 1 мл пробы добавили 1 мл йодида калия.Наблюдали выпадение осадка светло-желтого цвета. Затем прилили 2 мл дистиллированной водыи 3 мл уксусной кислоты, нагрели до растворения осадка и охладили. Наблюдали образование кристаллов желтого цвета (йодид свинца): Рb²⁺+2KI=РbI^2-+2К⁺

Качественная реакция на ионы железа Fe²⁺, Fe³⁺. К1млисследуемойводыдобавили2-3каплирастворасернойкислотыи2-3 капли раствора гексацианоферрата (III) калия. Наблюдаемобразованиеосадкатурнбулевойсини-темно-синегоцвета. К₃[Fe(CN)₆]+Fe²⁺=KFe[Fe(CN)₆])↓+K⁺

К1млисследуемойводыприбавить2-3каплирастворасолянойкислотыи 2-3 капли раствора реактива - роданида калия (KSCN). Образуется роданид железа кроваво-красного цвета: Fe³⁺+SCN^-=Fe(SCN)₃

Качественная реакция на ион меди Сu²⁺. В фарфоровую чашку поместили 5 мл исследуемой воды, выпарили досуха и на периферийную часть пятна нанесли каплю концентрированного раствора аммиака.Даннаяреакцияпротекаетприусловии,чтоводородныйпоказатель больше 9, в ходе реакции образуются аммиакаты- соединения ярко-синего цвета. Мы наблюдали появление синего пятна, что свидетельствует о присутствии ионов меди в пробе воды. Cu²⁺+4NH₃+Н₂О=[Cu(NH₃)₄](ОН)₂

Вывод:Результатыэкспериментовдоказали,чтовпробеисследуемойводы содержатсяионыметаллов:Pb²⁺,Fe²⁺,Fe³⁺Cu²⁺.Следовательно,этиметаллы содержатся в пальчиковых батарейках.

2.6. Влияние водного раствора соли и кислой среды на металлический корпус отработанной батарейки

Мы решили проверить, как влияют растворы солей на корпус отработанных батареек. Для этого поместили отработанные щелочные и солевые батарейки в химические стаканы с раствором медного купороса. В результате отработанная батарейка начала сначала темнеть, а затем ржаветь. Это означает, что в химических реакциях с другими металлами, в том числе, тяжелыми, содержащимися в батарее, медный купорос имеет свойство обмениваться ионами. В результате образуются соли тяжелых металлов. Это происходит и в естественных условиях, образовавшиеся соли тяжелых металлов попадают в почву и в грунтовые воды и загрязняют их.

Так как почвы могут иметь кислую или щелочную среду, мы решили исследовать, как будет вести себя отработанная батарейка, попав в подобные условия. Для этого мы взяли две отработанные батарейки и поместили их в пробирки с газоотводной трубкой, добавили раствор соляной кислоты так, чтобы батарейки оказались полностью погруженными в нее. Наблюдали выделение бесцветного газа, который собрали в чистую пробирку, перевернутую вверх дном, и поднесли к открытому пламени. Раздался хлопок, это выделившийся водород. В результате наблюдаем потемнение, затем ржавление и образование пленки. Выброшенные отработанные батарейки, попав в кислые или засоленные почвы, могут реагировать с имеющимися там кислотами и солями, происходит образование солей тяжелых металлов (рис.15-16, стр. 18).

2.7. Влияниеионовтяжелыхметалловнарастительныйорганизм

Дляданногоисследованиявкачестверастительногообъекта мыиспользовали семена фасоли.В чашки посадили одинаковое количество семян фасоли, поставили их на подоконник в химической лаборатории. Контрольный образец поливаливодопроводнойводой,аопытныйобразец- «токсичной»водой» от отработанных батареек. Семена проросли на второй день, но их количество было больше в контрольном образце.По мере роста и развития проростков сталипоявляться отличия внешнего вида опытного и контрольного образца. Они отличались высотой и цветом: растения, которые поливали «токсичной» водой (опытный образец) плохо росли, были ниже, имели бледно-зеленую окраску, слабые стебли (рис.17, стр. 18).

ВЫВОДЫ

При выполнении научно – исследовательской работы были изучены литературные источники, узнали виды батареек, состав, принцип их работы, их преимущества и недостатки, влияние на живую природу, растительные организмы человека.

Впроцессепроведенногоэкспериментасделаны выводы:

Мы изучили физические и химические свойства батареек, разработали и изготовили устройство для выяснения их характеристик, экспериментальным путем доказали, что никакие методы восстановления батареек не работают.

Экспериментальным путем доказали, что впальчиковыхбатарейкахсодержатсяионыметаллов: Pb²⁺,Fe²⁺,Fe³⁺,Cu²⁺. Наша гипотеза подтвердилась. Химические вещества, содержащиеся в отработанных источниках питания, оказывают вредное воздействие на воду, растительные организмы. Вот почему так важно правильно утилизировать батарейки.

Составили рекомендации по утилизации и батареек: запрещается выкидывать батарейки в мусорное ведро, для сбора отработанных батареек необходимо использовать специальные ёмкости (пластиковые бутылки или полиэтиленовые пакеты), необходимо в крупных магазинах организовать пункт приема отработанных батареек. Покупать батарейки нужно с маркировкой «без кадмия», «без ртути».

Ежегодно в мире выбрасывается более 15 миллионов батареек.Экологи подсчитали, что одна «пальчиковая» батарейка заражает 20м² почвы или 400 литров воды. При утилизации же обычнаябатарейка получает новую жизнь, так как 98% её начинки после переплавки снова идут в дело.Для этого нужно создавать перерабатывающие производства, которые работают с соблюдениемэкологическихисанитарныхнормпотехнологияминенаносят вред окружающей среде.Также необходимо проводить агитационную и разъяснительную работу, воспитывать экологическую культуру у взрослых и детей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Абакумова Ю.П. Химические источники тока. - СПб: СПбГУПС, 2004. - 26с.

Варенцов В.К. Химия. Электрохимические процессы и системы: учебно-методическое пособие. – НГТУ, 2013 г.. – 60 с.

Гальперштейн Л.Я. Забавная физика. Знай и умей – М.: Детская литература, 1994 – 255с.

Дамаскин Б.Б. Электрохимия. Учебник для вузов. – М.: Химия, КолосС, 2006– 672 с.

Ефремов Б. Что нужно знать пользователю химических источников тока (марганцево-цинковых гальванических элементов) // Электронные компоненты, №1, 2001 - с. 56-61.

Бельдеева Л.Н. Утилизация отработанных малогабаритных химических источников тока марганцево-цинковой системы/ Ползуновский вестник, №3, 2004 – с. 212-214.

Гринин А. С. Промышленные и бытовые отходы: хранение, утилизация, переработка. –М.: ФАИР-ПРЕСС, 2002– 336 с.

Константинов В.М. Экологические основы природопользования: учеб. для учр. сред. проф. образования/ В. М. Константинов. – 14-е изд.,–М.: «Академия», 2013. – с. 240

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунок 7. Схема установки разряда батареек

Рисунок 10. Установка для определения электрических характеристикбатареек и измерение электрических характеристик батареек

Рисунок 11. Проведение эксперимента №1. Помять плоскогубцами

Рисунок 12. Проведение эксперимента №3. Батарейки в растворе щелочи

1 день 2 день Через 5 дней

Рисунок 13. Фото (начало эксперимента) – поместили отработанные батарейки в воду на 1, 2, через 5 дней от начала эксперимента

Рисунок 14. Фото измерения водородного показателяв пробе воды,вкоторойпогруженыдеформированныебатарейки

Рисунок 15. Влияние кислой и солевой среды на металлический корпус отработанной батарейки. №1-2 батарейки в растворе медного купороса,

№3-4 – в растворе разбавленной соляной кислоты

Рисунок 16. Состояние батареек через 1 месяц

Рисунок 17. Влияние ионов тяжелых металлов на растительный организм