XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Литий и его путь: от батарейки до экологической проблемы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Черепанов Ф.М. 1

---

1МАОУ ОШ 7

Одинцова И.Н. 1Черепанова Н.Н. 2

---

1МАОУ ОШ 7

2МАОУ Средняя школа №3

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Каждый день мы сталкиваемся с устройствами, работающими на литиевых батарейках. Телефоны, планшеты, ноутбуки, электромобили – они стали неотъемлемой частью нашей жизни. Но мало кто задумывается о том, какой путь проходит литий, прежде чем оказаться в этих устройствах, и что происходит с ним после того, как батарейка выходит из строя.

Я задумался: так ли хороши литиевые батарейки для нашей планеты, как нам говорят? Ведь все вокруг твердят про экологию, бережное отношение к природе. Вот я и решил разобраться!

Проблема: отсутствие достаточной информации об экологических последствиях добычи, использования и утилизации лития для обучающихся школ. Недостаточное внимание к проблеме переработки отработанных литиевых батареек.

Цель проекта: изучить жизненный цикл лития, от его добычи до утилизации батареек, и выявить связанные с этим экологические проблемы.

Задачи проекта:

1. Узнать, что такое литий и где он встречается в природе.

2. Изучить процесс добычи лития и его влияние на окружающую среду.

3. Описать устройство и принцип работы литиевых батареек.

4. Проанализировать способы утилизации литиевых батареек и их эффективность.

Предложить собственные способы уменьшения экологического вреда от использования литиевых батареек.

Гипотеза: использование литиевых батареек, несмотря на их удобство и широкое распространение, может представлять серьезную угрозу для окружающей среды, если не организовать правильную систему их утилизации.

Методы исследования: изучение литературы и интернет-источников, анализ статистических данных, посещение пунктов приема отработанных батареек.

1. Теоретическая часть

Современный мир все больше зависит от портативной электроники и электромобилей, а это, в свою очередь, ведет к стремительному росту производства литий-ионных аккумуляторов. Но, прежде чем мы продолжим говорить о проблемах утилизации и экологических последствиях, необходимо разобраться с самым главным – с тем, что же такое литий, какие у него свойства и откуда он берется. Именно поэтому, в первом разделе моей теоретической части, я расскажу о литии и его распространении в природе.

1.1 Что такое литий и где он живет?

Литий открыт в 1817 г. Шведский химик И. А. Арфведсон, ученик знаменитого Берцелиуса, анализировал минерал, найденный в железном руднике Уто [1]. Он быстро установил сколько в нем кремния, алюминия и кислорода — на долю эти трёх элементов приходилось 96% веса минерала.

Литий — это химический элемент, легкий и мягкий металл, который очень хорошо проводит электричество. Он входит в таблицу Менделеева под номером 3.

Литий не встречается в природе в чистом виде. Он "живет" в разных минералах (например, сподумене, лепидолите) и в соленых озерах (рассолах). Самые крупные месторождения лития находятся в "литиевом треугольнике" в Южной Америке (Чили, Аргентина, Боливия), а также в Австралии и Китае.

1.2. Добыча лития: как мы получаем ценный металл?

Добыча лития – это не просто копание ям в земле. Существует два основных способа добычи лития:

1. Добыча из минералов (рудный способ): это когда литий извлекают из горных пород, содержащих литиевые минералы. Руду дробят, измельчают и обрабатывают химическими веществами.

Этот способ приводит к разрушению ландшафта, загрязнению воздуха и воды химическими веществами, образованию отвалов отходов.

2. Добыча из рассолов (солевой способ): это когда литиевые рассолы выкачивают из соленых озер и оставляют испаряться под солнцем. Потом из концентрированного рассола извлекают литий. \

Солевой способ требует использования огромного количества воды, что приводит к высыханию озер и обеднению экосистем, загрязнение почвы и воды [2].

1.3. Литиевые батарейки: как они работают и где используются?

Литиевая батарейка – это устройство, которое запасает электрическую энергию благодаря химическим реакциям с участием лития. Внутри батарейки есть:

• Анод: отрицательный электрод, содержащий литий.

• Катод: положительный электрод, содержащий другой химический элемент (например, оксид кобальта, фосфат железа).

• Электролит: вещество, которое проводит ионы лития между анодом и катодом.

• Сепаратор: разделитель, который предотвращает короткое замыкание.

Рис.1. Устройство литиевой батарейки (аккумулятора)

Когда мы используем устройство с литиевой батарейкой, ионы лития перемещаются с анода на катод, высвобождая электрическую энергию. Во время зарядки ионы лития перемещаются от катода к аноду, запасая энергию. Во время разрядки (использования аккумулятора) ионы лития перемещаются от анода к катоду, высвобождая энергию для питания устройства [4].

Рис. 2. Электрохимические реакции в литий-ионном аккумуляторе

Литиевые батарейки используются практически везде:

• Мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки;

• Фотоаппараты и видеокамеры;

• Электромобили и электровелосипеды;

• Электроинструменты;

• Медицинское оборудование.

В данном параграфе мы выяснили, что литий (Li) – это легкий, химически активный щелочной металл, занимающий особое место в периодической системе. Его уникальные физические и химические свойства обусловили широкое применение в различных областях, в частности, в производстве литий-ионных аккумуляторов и батареек.

2. Практическая часть

В предыдущей главе мы выяснили, что литий – это важный элемент для современной энергетики, и узнали, где его добывают. Однако, за удобство использования литиевых батареек приходится платить. Добыча лития, как и любое промышленное производство, оказывает значительное воздействие на окружающую среду. В этом разделе мы подробно рассмотрим, какие именно экологические проблемы связаны с добычей лития, и какие негативные последствия они могут иметь для нашей планеты. Пришло время увидеть "темную сторону" литиевой революции.

2.1. Влияние добычи лития на окружающую среду.

Любой процесс, связанный с извлечением природных ресурсов том числе, добыча лития несет в себе значительные риски для окружающей среды. Всесторонне оценим экологическую "цену" литиевой революции.

1. Проблемы, связанные с добычей из соленых озер:

Интенсивное испарение воды для получения литиевого концентрата приводит к снижению уровня воды в озерах и реках, что негативно сказывается на местной флоре и фауне, а также на жизни людей, зависящих от этих водных источников.

В процессе добычи используются различные химические вещества, которые могут попадать в окружающую среду, загрязняя почву и воду.

2. Проблемы, связанные с добычей из руды:

Добыча руды открытым способом приводит к образованию карьеров и отвалов, что нарушает естественный ландшафт и уничтожает растительный покров.

При переработке руды используются химические вещества, которые могут загрязнять воздух и воду.

Переработка руды приводит к образованию большого количества отходов, которые необходимо утилизировать, что также создает экологические проблемы.

2.2. Методы утилизации и переработки литиевых аккумуляторов.

Результаты современных исследований показывают, что батарейки являются наиболее токсичным компонентом бытового мусора и требуют особого обращения после использования [3]. Отсутствие утилизации – прямой путь к экологической катастрофе: описать последствия попадания литиевых батареек на свалки: загрязнение почвы тяжелыми металлами, риск возгорания и взрыва, попадание токсичных веществ в грунтовые воды. На сегодняшний день существуют технологии, которые позволяют перерабатывать отслужившие источники тока и извлекать из них металлы [3].

Рассмотрим современные методы переработки:

1. Пирометаллургия – это метод переработки отработанных литий-ионных аккумуляторов, основанный на высокотемпературной обработке с целью извлечения ценных металлов. В ходе этого процесса, батарейки, часто предварительно измельченные, подвергаются нагреву в специальных печах при температурах от 500 до 1000 °C, а иногда и выше.

Весь процесс переработки модно развить на 3-4 этапа:

• Предварительная обработка. Иногда батарейки предварительно разбирают и измельчают, чтобы облегчить процесс нагрева и извлечения металлов. Однако, часто этот этап пропускается из-за риска возгорания и выделения токсичных газов.

• Высокотемпературная обработка. Батарейки помещаются в печь, где под воздействием высокой температуры органические компоненты (пластик, электролит) выгорают, а металлы (кобальт, никель, медь, железо) плавятся и образуют сплав.

• Рафинирование сплава. Полученный сплав проходит дальнейшую обработку для разделения и очистки отдельных металлов. Для этого могут использоваться различные методы, такие как электролиз или химическое осаждение.

• Улавливание газообразных выбросов. Образующиеся при сжигании органических компонентов газы (в том числе токсичные) должны быть тщательно очищены с использованием специальных фильтров и скрубберов, чтобы минимизировать выбросы в атмосферу.

В таблице 1. Представлены преимущества и недостатки метода.

Таблица 1.

Преимущества и недостатки пирометаллургии

2. Гидрометаллургия представляет собой метод переработки отработанных литий-ионных аккумуляторов, основанный на растворении ценных металлов с использованием водных растворов кислот и щелочей, а затем их избирательном извлечении из этих растворов. Этот метод, в отличие от пирометаллургии, не требует высоких температур, что позволяет снизить энергозатраты и выбросы вредных веществ.

Весь процесс переработки модно развить на следующие этапы:

• Предварительная обработка. Батарейки, как правило, предварительно разбирают и измельчают для увеличения площади поверхности контакта с растворителем. Важным этапом является деактивация батареек для предотвращения коротких замыканий и возгораний.

• Выщелачивание. Измельченный материал обрабатывается водным раствором кислоты (например, серной, соляной или азотной) или щелочи (например, гидроксида натрия или гидроксида калия). В результате этого процесса ценные металлы (литий, кобальт, никель, марганец) переходят в раствор в виде ионов.

• Очистка раствора. Полученный раствор содержит, помимо целевых металлов, различные примеси. Для их удаления применяются различные методы, такие как осаждение, экстракция растворителем или ионный обмен.

• Извлечение металлов. После очистки раствора металлы извлекаются из него различными способами: осаждение, экстракция, электролиз.

• Регенерация реагентов: Важным аспектом гидрометаллургической переработки является регенерация используемых кислот и щелочей для снижения потребления реагентов и уменьшения количества отходов.

В таблице 2. Представлены преимущества и недостатки метода.

Таблица 2.

Преимущества и недостатки гидрометаллургии

3. Биовыщелачивание – это относительно новый и перспективный метод переработки отработанных литий-ионных аккумуляторов, основанный на использовании микроорганизмов (бактерий и грибов) для извлечения ценных металлов. Этот метод является более экологически чистым по сравнению с традиционными пиро- и гидрометаллургическими процессами, поскольку не требует высоких температур и использования агрессивных химических веществ.

Весь процесс переработки модно развить на следующие этапы:

• Предварительная обработка. Батарейки, как правило, предварительно разбирают и измельчают для увеличения площади поверхности, доступной для микроорганизмов.

• Биовыщелачивание. Измельченный материал помещается в биореактор, содержащий водный раствор с добавлением питательных веществ и специально отобранных микроорганизмов. Микроорганизмы окисляют сульфидные соединения металлов, переводя их в растворимую форму. Этот процесс также может включать образование органических кислот микроорганизмами, которые также способствуют растворению металлов.

• Очистка раствора. Полученный раствор, содержащий ионы металлов, очищается от примесей с использованием различных методов, таких как осаждение, экстракция растворителем или ионный обмен.

• Извлечение металлов. После очистки металла извлекаются из раствора, как и в гидрометаллургических процессах, с использованием осаждения, экстракции растворителем или электролиза.

В таблице 3. Представлены преимущества и недостатки метода.

Таблица 3.

Преимущества и недостатки биовыщелачивания

Практическая часть показала, что добыча лития негативно влияет на экологию, а существующие способы переработки батареек имеют свои минусы. Нужны более чистые технологии и комплексный подход к утилизации, чтобы уменьшить вред от "литиевой" энергетики.

Таким образом, мы выяснили, что добыча лития наносит ущерб природе, а переработка батареек нуждается в усовершенствовании. Но как именно отработанные литиевые аккумуляторы воздействуют на живые организмы? Чтобы наглядно это продемонстрировать, я провел экологический эксперимент, изучив влияние выщелачивания батареек на растения.

3. Экспериментальная часть

В рамках экспериментальной части моего исследования, для наглядной демонстрации потенциальной опасности отработанных солевых, алкалиновых и литиевых батареек для окружающей среды, был проведен экологический эксперимент. Целью данного эксперимента являлось изучение влияния продуктов выщелачивания из отработанных батареек на рост и развитие растений. Для проведения эксперимента были подготовлены следующие материалы и оборудование: отработанные батарейки, семена растений (микрозелень), горшки с землей, дистиллированная вода и вода, настоянная на отработанных батарейках (выщелачивание). Далее будет подробно описана методика проведения эксперимента и полученные результаты.

Мы подготовили четыре горшка с землей. В один горшок поливать растения, которые будем водой (контрольная группа). В трех других горшках поливать растения водой, настоянной на отработанных батарейках (экспериментальная группа). В течении недели велось наблюдение за ростом и развитием растений, при этом регулярно измерять высоту растений, количество листьев и оценивать общее состояние. Все результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Влияние отработанных батареек на рост и развитие микрозелени

Для наглядного сравнения представим все экземпляры на рисунке 3.

Рис.3

Проведенный экологический эксперимент наглядно продемонстрировал негативное влияние отработанных батареек на рост и развитие растений (микрозелени). Полученные результаты подтверждают потенциальную опасность, которую представляют собой не утилизированные должным образом батарейки для окружающей среды, особенно для почвенных экосистем. Данные результаты подчеркивают необходимость ответственного отношения к утилизации батареек и поиска эффективных способов переработки, чтобы минимизировать их негативное воздействие на природу.

Осознавая это, все батарейки, которые участвовали в эксперименте, а также другие найденные в доме, были переданы в пункт приема на станции юных натуралистов в нашем городе, чтобы они могли быть безопасно переработаны, а не нанести вред окружающей среде. Этот маленький шаг, я надеюсь, внесет вклад в общее дело защиты нашей планеты.

Заключение

Проект "Литий и его путь: от батарейки до экологической проблемы" реализован. Когда мы только начинали работу над проектом, я не думал, что узнаю столько нового и интересного! Я разобрался, что литий – это не просто какая-то штука внутри батарейки, а целый элемент со своей историей, свойствами и даже географией.

Литий – ценный ресурс, но его добыча и использование сопряжены с серьезными экологическими рисками. Литий-ионные аккумуляторы являются удобным и эффективным источником энергии, но их неправильная утилизация может привести к загрязнению окружающей среды.

Самое главное, что я понял – это то, что даже такие полезные вещи, как литиевые батарейки, могут наносить вред нашей планете, если не относиться к ним ответственно. Добыча лития разрушает природу, а выброшенные батарейки отравляют почву и воду.

В ходе своей работы я не только изучил много информации, но и провел собственный эксперимент, который наглядно показал, как опасны отработанные батарейки для растений. Это было очень интересно и убедительно!

Я считаю, что мне удалось достичь цели моего проекта – узнать больше о литии и связанных с ним экологических проблемах. Мы не можем глобально решить эту проблему, но некоторые правила доступны даже школьникам: правильно утилизировать батарейки, рассказывать об этом другим.

Теперь я точно знаю, что нельзя просто так выбрасывать батарейки в мусорное ведро! Это наш общий дом, и мы должны заботиться о нем. Я надеюсь, что мой проект поможет и другим ребятам задуматься о том, как мы влияем на окружающую среду, и начать делать что-то полезное для нашей планеты.

Список литературы

1. Литий, его химия и технология / Ю. И. Остроушко, П. И. Бучихин, В. В. Алексеева и др. - Москва : Атомиздат, 1960. - 199 с.

2. Попова Л. Ф. От лития до цезия. Элементы I группы периодической системы Д. И. Менделеева: пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1972.

3. Батарейка в ваших руках: Методическая разработка игровых интерактивных занятий для школьников / Инга Чумакова, Алина Кольовска (при участии Лидии Беляевой и Веры Горбуновой). — М: Центр экономии ресурсов, 2016. — 48 с.

4. Варламов, Р. Г. Современные источники питания: Справочник / Р.Г.Варламов. - М. : ДМК, 1998. - 187 с. : ил. - 5000 экз.

5. Ходаков Ю.В., Неорганическая химия: Учеб. для 7-8-х кл / Ю.В. Ходаков, Д.А. Эпштейн, П.А. Глориозов. - 18-е изд. - М : Просвещение, 1987.