Утилизация отработанных свинцовых аккумуляторов

Министерство  транспорта и связи Украины

Днепропетровский  национальный университет железнодорожного

транспорта  имени академика В. Лазаряна 
 

                                                                                                                  Кафедра химии и инженерной

                                                                                                                экологии          
 

Реферат

На тему: «Утилизация отработанных свинцовых аккумуляторов» 
 
 

                                                                                                Выполнила студентка 635 группы

                                                                                                 Сизых Анна Сергеевна

                                                                                                 Преподаватель: Ковтун Ю.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Днепропетровск 2011

 

    Свинцово-кислотный (свинцовый) аккумулятор— наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: аккумуляторные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Принцип действия

    Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов  основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде.

    Энергия возникает в результате взаимодействия оксида свинца и серной кислоты до сульфата. Если электрод из оксида свинца заменить графитовым, то реакция будет  идти с выделением водорода. Оксид свинца нужен только, чтобы предотвратить выделение водорода на электроде. Водород реагирует с кислородом оксида и образует воду, восстанавливая оксид до металла и возможно дает дополнительный выход энергии из-за окисления водорода.

    Во  время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

    Химическая  реакция (слева-направо — разряд, справа-налево — заряд):

    Катод:

    

    Анод:

    

    В итоге получается, что при разряде  аккумулятора расходуется серная кислота  с одновременным образованием воды (и плотность электролита падает, а при заряде, наоборот, вода «расходуется» на образование серной кислоты (плотность электролита растёт. В конце заряда, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При заряде не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо её долить. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Физические  характеристики

• Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
• Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30-60.
• Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250.
• ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11 — 2,17 В, рабочее напряжение = 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В (12 В)).
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.
• Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
• КПД: порядка 80-90 %

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Эксплуатационные  характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в а/ч).
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.
• Резервная емкость (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А до конечного напряжения 10,5В.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Износ свинцово-кислотных  аккумуляторов

    При использовании технической серной кислоты и не дистиллированной воды, ускоряются саморазрядка, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи. В результате каждой реакции образуется нерастворимое вещество — сернокислый свинец PbSO4, осаждающийся на пластинах, который образует диэлектрический слой между токоотводами и активной массой. Это один из факторов, влияющий на срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

    Основными процессами износа свинцово-кислотных  аккумуляторов являются:

• сульфатация пластин, заключающаяся в образовании крупных кристаллитов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
• коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с токоотводами, что приводит к опаданию активной массы;
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Интенсивное развитие автотранспорта приводит к  росту количества образующихся в  процессе его эксплуатации отходов. Одним из наиболее опасных видов отходов являются отработанные свинцово-кислотные аккумуляторы, содержащие свинец, который принадлежит к числу самых токсичных тяжелых металлов. Несмотря на наметившуюся в последнее время тенденцию к замене свинцовых аккумуляторных батарей менее экологически опасными литий-ионными, литий-полимерными и никель-металгидридными, рост общего количества автотранспорта приводит к ежегодному увеличению массы отходов свинцово-кислотных аккумуляторов во всем мире. Из-за закрытия ряда производств и нехватки концентрата главным источником свинца в большинстве стран давно является его вторичная переработка.

    Вторичная переработка

    

    Перерабо́тка (другие термины: вторичная  переработка, рециклинг  отходов (англ. recycling), рециклирование и утилизация отходов) — повторное использование или возвращение в оборот отходов производства или мусора. Наиболее распространена вторичная, третичная и т. д. переработка в том или ином масштабе таких материалов, как стекло, бумага, алюминий, асфальт, железо, ткани и различные виды пластика. Также с глубокой древности используются в сельском хозяйстве органические сельскохозяйственные и бытовые отходы. Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах является тяжелым металлом и наносит серьезный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны на специальных предприятиях для возможности его вторичного использования.

    Известен  способ переработки свинцово-кислотных аккумуляторов, включающий вскрытие аккумуляторов, отделение и переработку сернокислотного электролита, механизированную сепарацию в тяжелых средах с отделением органических составляющих аккумуляторов, выделение свинцовой оксидно-сульфатной фракции (пасты) и металлической фракции, представляющей собой полюса и пластины из свинцово-сурьмяного сплава, с последующей восстановительной плавкой оксидно-сульфатной пасты и рафинированием полученного чернового металла с получением марочного свинца и плавкой металлической фракции с получением чернового свинцово-сурьмяного сплава и рафинированием его с получением свинцово-сурьмяных сплавов . Промпродукты рафинирования перерабатывают отдельно от свинец содержащих продуктов сепарации с получением свинцово-сурьмяного сплава, выводом мышьяка в виде отвального продукта, получением медных штейнов, пригодных к переработке в медном производстве. Недостатком этого способа является необходимость переработки всех оборотов в отдельных циклах, с выводом всех примесей, что требует больших трудозатрат.

    Известен  способ переработки свинцово-кислотных  аккумуляторов, включающий вскрытие аккумуляторов, отделение и переработку электролита, последующую переработку аккумуляторного  лома, включающую плавку шихты, содержащей аккумуляторный лом, кокс и флюсы, в шахтной печи при подачи кислородсодержащего дутья с непрерывным получением чернового свинцово-сурьмяного сплава, содержащего медь, олово, мышьяк и другие примеси, и медьсодержащего штейна, рафинирование чернового сплава от олова и мышьяка с получением медьсодержащего свинцово-сурьмяных сплавов и рафинирование чернового сплава от меди с получением сплавов, в которые олово и мышьяк вводят в качестве легирующих компонентов. Плавку осуществляют в шахтной печи, в шихту помимо аккумуляторного лома, из которого удаляют сернокислотный электролит, входят флюсы (известняк и железосодержащий флюс), а также кокс, используемый как топливо и углеродистый восстановитель. В результате плавки получают отвальный шлак, свинец содержащие пыль и штейн, направляемые на самостоятельную переработку, и черновой свинцово-сурьмяный сплав, который направляют на дальнейшее рафинирование. При рафинировании из сплава ликвацией, а при необходимости и сульфидированием удаляют медь, а затем окислительным иди щелочным рафинированием олово и мышьяк. Промпродукты рафинирования подвергают самостоятельной переработке, например медные шликеры, плавят в короткобарабанных печах с получением штейнов, пригодных для медного производства, а щелочные съемы направляют на гидрометаллургическую переработку. Кроме того, медные шликеры возвращают на плавку. В этом случае часть меди выводится со штейном шахтных печей. Этот способ принят за прототип. Недостатком способа-прототипа, как и описанного выше аналога, является необходимость полной переработки промпродуктов рафинирования (медь-, мышьяк- и оловосодержащих) в отдельном цикле, что усложняет технологию и требует дополнительных трудозатрат и расхода реагентов. При плавке передача тепла из зоны высоких температур к ванне свинцово-сурьмяного сплава осуществляется за счет вертикального потока горячего металла, постепенно оседающего ниже уровня штейна и выводимого из печи. В печи происходит частичное рафинирование свинцово-сурьмяного сплава от меди за счет снижения растворимости меди в свинце при падении температуры. Однако проплав печи по свинцово-сурьмяному сплаву не коррелируют с температурой процесса и высотой ванны свинцово-сурьмяного сплава в печи. Поэтому при переохлаждении донного слоя при низкой производительности и холодном ходе печи происходит выпадение медных шликеров в сифоне печи и повышение вязкости свинца, что затрудняет его выпуск и разливку. При повышении температуры процесса и росте производительности печи происходит рост температуры выпускаемого свинцово-сурьмяного сплава, повышается растворимость меди в нем, что вызывает рост количества оборотов и трудозатрат при рафинировании. Целью изобретения является упрощение технологии переработки отработанных свинцово-кислотных аккумуляторов.

    В известном способе, включающем вскрытие аккумуляторов, отделение и переработку электролита, последующую переработку аккумуляторного лома, включающую плавку с получением чернового свинцово-сурьмяного сплава, содержащего медь, олово, мышьяк и другие примеси, рафинирование чернового свинцово-сурьмяного сплава от олова и мышьяка с получением медьсодержащих свинцово-сурьмяных сплавов и рафинирование чернового свинцово-сурьмяного сплава от меди с получением сплавов, в которое олово и мышьяк вводят в качестве легирующих компонентов, переработку медь-, олово- и мышьяксодержащих промпродуктов рафинирования, согласно предполагаемому изобретению, промпродукты рафинирования раздельно возвращают на плавку с получением черновых свинцово-сурьмяных сплавов - медьсодержащие промпродукты рафинирования перерабатывают в цикле получения медьсодержащих свинцово-сурьмяных сплавов, максимальное отношение количества меди к количеству свинца в загрузке при плавке с получением медьсодержащих свинцово-сурьмяных сплавов не превышает максимально допустимого значения этого отношения в сплавах, а олово- и мышьяксодержащие промпродукты рафинирования перерабатывают в цикле получения сплавов, содержащих олово и мышьяк в качестве легирующих компонентов, максимальное отношение количеств олова и мышьяка к количеству свинца в загрузке не превышает более чем в 1,1 раза максимально допустимое значения этого отношения в сплавах. По варианту способа при плавке с непрерывным получением свинцово-сурьмяного сплава и штейна максимальное отношение количества меди к количеству свинца в загрузке при плавке с получением медьсодержащих свинцово-сурьмяных сплавов не превышает максимально допустимого значения этого отношения в сплавах более чем в 3 раза, температура штейна не превышает 1050 ⁰C, отношение проплава печи по свинцово-сурьмяному сплаву, отнесенного к площади пода печи, т/(м²·ч), к высоте ванны свинцово-сурьмяного сплава в печи, м, составляет 0,7 - 1,7.

    Способ  осуществляют следующим образом. После плавки и выпуска чернового свинцово-сурьмяного сплава в кампаниях по получению медьсодержащих свинцово-сурьмяных сплавов при необходимости проводят его рафинирование от избыточной меди по известной технологии (ликвидацией или обработкой серой) со снятием шликеров (медных съемов). При нормальном ходе процесса по предлагаемой технологии эта операция не является необходимой, но она может быть вызвана повышенным содержанием меди в отработанных аккумуляторах. Затем при получении сплавов с низким содержанием олова и мышьяка проводят окислительное рафинирование, например, кислородом воздуха в отражательных печах или щелочное рафинирование по известной технологии. Полученные щелочные съемы накапливают и перерабатывают в кампании по получению сплавов, содержащих олово и мышьяк в качестве легирующих компонентов. Избыточные медные съемы перерабатывают самостоятельно по известной технологии с получением медных штейнов.