实验设计-废电池

1、废干电池的综合利用1、 实验目的1.了解废干电池中有效成分的回收利用方法，减少废电池的污染；2、学习实验方案设计，锻炼分析问题与解决问题的能力； 3、熟悉无机物的实验室制备、提纯、分析等方法与技能； 4、分析废干电池黑色粉体中二氧化锰、氯化锌、氯化铵、二氯化锰、碳粉的含量和分析锌片纯度； 5、利用黑色粉体制备二氧化锰、氯化铵，用废锌片制备七水硫酸锌; 6、分析氯化铵、二氧化锰、七水硫酸锌的产率和纯度；二、实验意义 环境保护是当今国际上最关心的重大课题之一。关注废旧电池的回收再利用,创建无污染、无公害的绿色环境已迫在眉睫,刻不容缓。目前,干电池用完后一般都当作垃圾扔掉,使得酸、碱等电解质溶液及重

2、金属对环境造成了严重的污染。国内年消费量近80 亿只锌锰干电池,这些存在于生活垃圾中的电池经填埋及焚烧时,造成水、土壤、空气等严重污染,危害了人们的身体健康。因此，,保护环境，节约能源,变废为宝是我们人类的原则.三、废干电池回收与利用实验验收指标 1.回收的二氧化锰产率与质量； 2.锌片（洗净，干重）中锌含量； 3.制得的氯化铵、七水硫酸锌产品中氯化铵、七水硫酸锌的含量； 4.废干电池黑色粉体（干重）中氯化锌、氯化铵、二氯化锰的含量； 5.制得的氯化铵、七水硫酸锌产品的质量； 6.分析氯化铵、二氧化锰、七水硫酸锌的产率和纯度。四、实验原理锌锰干电池是由锰粉、炭棒、氯化锌、锌皮、铜帽、

3、氯化铵、汞、铁皮、蜡、塑料、包装纸等组成，其中锌、锰粉占有较大比例。干电池经使用后其中的某些成分会发生变化，例如每一个1号废干电池的主要组成物如表1.表1.单个废干电池的主要组成品名总重炭棒锌皮锰粉铜帽其它重量（克)70.05.27.025.00.532.0锌锰干电池中的锰粉一般由MnO2 、石墨、乙炔黑、NH4Cl、氯化锌和汞等组成，其中二氧化锰含量为81%87%，锌锰干电池中的可再生利用的资源主要有锌、锰粉、铜、炭棒及汞。日常生活中用的干电池为锌锰电池。其负极为电池壳体的锌电极，正极是被二氧化锰（为增强导电性，填充有炭粉）包围的石墨电极，电解质是氯化锌及氯化铵的糊状物。在使用过程中，锌皮消

4、耗最多，二氧化锰只起氧化作用，放电后仅有部分（大约1/3）的MnO2转化为Mn2O3，小部分被还原为MnO。糊状氯化铵作为电解质不会消耗，炭粉是填料。为了防止锌皮因快速消耗而渗漏电解质，通常在锌皮中掺入汞，形成汞齐.电池里黑色物质为二氧化锰，炭粉，氯化铵，氯化锌，氯化锰的混合物，使其混合物溶于水，滤液为NH4Cl,ZnCl2,MnCl2,混合物，滤渣为二氧化猛、炭粉及其它少数有机物，加热可除去炭粉和其他少数有机物，加酸溶解可分离出炭粉。其结构如图1所示。其电池反应为： Zn +2NH4Cl +2MnO2 = Zn(NH3)Cl2 +2MnOOH  (1)

5、 锌分析锌皮可以与H2SO4反应： Zn+H2SO4= ZnSO4+H2 将溶液用NaOH调节PH=8使Zn2+完全沉淀，以达沉淀最大量，再加入稀硫酸，控制PH=4，此时Zn(OH)2溶解,最后将滤液酸化，蒸发浓缩，结晶， 即得ZnSO4·7H2O。 ZnSO4+2NaOH=Zn(OH)2+Na2SO4 ZnSO4+7H2O=ZnSO47H2O（2）氯化锌、氯化铵、二氯化锰的含量在混合体系中加入Na2S,沉淀其中的锌和锰以及其他杂质。分离沉淀和溶液后分别进行锰锌和氯化铵的含量测定。 沉淀酸溶解，用碳酸钠沉淀锰，分别获得锰、锌待测物。以酸性铬蓝K为指示剂，用EDTA进行Mn2+ 滴定。

6、以二甲酚橙作指示剂，用EDTA进行锌的滴定。 NH4Cl含量可以由酸碱滴定法测定，NH4Cl先与甲醛作用生成六亚甲基四胺和盐酸，后者可以用NaOH标准溶液滴定，有关反应如下： 4NH4Cl+6HCHO=（CH2）6N4+4HCl+6H2O（3） 二氧化锰的纯度 应用草酸盐容量法滴定四价锰的含量。草酸盐容量法是基于在硫酸介质中，用过量的草酸盐将四价的猛还原成二价后在用高锰酸钾溶液滴定过量的草酸盐，从而计算二氧化锰的纯度。 主要反应式如下： Na2C2O4+2H2SO4+MnO2 = MnSO4+Na2SO4+2 CO2 +2H2O 5H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4 = 2MnSO4+K

7、SO4 + 10 CO2 +8H2O 酸度和光照对本方法影响较大。4、 实验药品和仪器设备 ： （1）.药品：1个废电池，蒸馏水，去离子水，0.5mol/L Na2S溶液，甲醛（PH=7），酚酞，0.0500mol/L NaOH，1.8mol/L盐酸，NaCO3溶液，0.05 00mol/L EDTA，铬黑T，酸性铬蓝K，2mol/L硫酸溶液，草酸溶液， 0.05mol/L的4 KMnO ,2mol/L 氨水，2mol/L双氧水，三乙醇胺，0.1mol/LNaF，硫代硫酸钠，凡士林，氯化铵，0.05mol/L高锰酸钾，NaF，氯化钡 (2).仪器：小刀，螺丝钉，钳子（或钢锯片），PH计，分液漏

8、斗，抽滤瓶，电子天平和分析天平，滴定管（酸式和碱式），5ml和20ml移液管，250ml锥形瓶（3个），铁架台，150ml和250ml容量瓶，洗液瓶，玻璃棒，酒精灯，三角架，泥三角，蒸发皿，坩埚钳，电磁炉，洗瓶，100ml，200ml烧杯（各两个），双孔橡皮塞，集气瓶，5、 实验步骤 1.材料准备取废干电池一个，剥去外层包装纸，用螺丝钉撬去顶盖，用小刀挖去盖下面的沥青层，即可用钳子（或钢锯片）把废干电池外壳剥开，即可取出里面的黑色的物质于烧杯中称重待用，它为二氧化锰、炭粉、氯化铵、氯化锌等的混合物。电池的锌壳可用以制备ZnSO4·7H2O。 准确称取20.00克黑色混合物于150ml

9、烧杯。用100ml蒸馏水溶解，搅拌，待固体全部溶解。加热溶解，抽滤，滤液用以提取氯化锰、氯化铵和氯化锌，滤渣洗涤两次、蒸干并称重，留用，以测定炭粉和二氧化锰的含量。 2、 炭粉、二氧化锰、氯化铵、二氯化锰和氯化锌的含量测定 （1）炭粉含量的测定：取10g上步所得的滤渣溶于2mol/L盐酸中并加热，反应完毕后抽滤，滤液留用，以制备二氧化锰，所得的不溶物即为炭粉，干燥，称重。 （2）二氧化锰含量的测定:取4g滤渣放入蒸发皿中加热翻炒，直到粉末由暗紫色变为灰棕色（或不再冒火星）为止，是含有少量的炭粉及石墨粉被烧掉，得到二氧化锰，称重m(MnO2)（含少量三氧化锰）。 （3）滤液中加入Na2S，直至溶

10、液中不再有沉淀生成。抽滤，得滤液和滤渣,滤渣洗涤两次、蒸干并称重m5。 a.氯化铵含量的测定及制备：将虑液置于250ml烧杯中，向滤液中加入Na2S，直至溶液中不再有沉淀生成。抽滤，除去沉淀，取溶液加热蒸发，浓缩至表面有晶膜为止，冷却、结晶、抽滤、称重，计算氯化铵的产率。 b.二氯化锰含量的测定：将上步所得的滤渣取3.0g于100ml烧杯中向虑渣中加入1.8000mol/L盐酸使沉淀充分溶解，加入Na2CO3溶液至溶液中不再有沉淀生成，抽滤， 去沉淀，（留溶液测定氯化锌含量）。再用盐酸溶解沉淀，用150ml容量瓶定容，取20.00ml，用0.1000mol/L EDTA，以酸性铬蓝K为指示剂，

11、进行滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色，且30s内不变色为止。平行三次。 c.氯化锌含量的测定：取上步所留溶液，加入氨水至PH约为10即可，离心分离沉淀， 去沉淀，（留溶液测定锌含量）。将滤液置于250ml容量瓶定容，取20.00ml，用0.0500mol/L EDTA（乙二胺四乙酸， C10H16N2O8），以铬黑T为指示剂（由红色变为浅蓝色为滴定终点），同时加入三乙醇胺，0.1000mol/LNaF，硫代硫酸钠作掩蔽剂和进行滴定，平行滴定三次。 (4)锌片中锌的含量：称量2g锌片于锥形瓶中，分液漏斗里装的是2mol/L硫酸，反应装置图如下所示，用此方法测定氢气的体积来间接的测定锌的含量。4、 产

12、品的制备 （1）二氧化锰的制备：取测定炭粉的含量时所得的滤液于烧杯中，加入氢氧化钠溶液至不再有白色沉淀生成，然后再加入过量的双氧水至白色沉淀完全转化为黑色固体。洗涤几次，抽滤，称重m9。主要反应如下：MnO2 + 4HCl MnCl2+Cl2+2H2OMnO+2HCl MnCl2 +H2OMn2O3 +6HCl 2MnCl2+Cl2+3H2OMnCl2+2NaOH Mn(OH)2+2NaClMn(OH)2+双氧水 MnO2 + H2O （2）七水硫酸锌的制备：称量2g锌片用水清洗干净，转入100ml小烧杯中，加适量2mol/L硫酸加热将其溶解。过滤，将得到滤液，加3%双氧水10滴，微热反应一段

13、时间，过滤，取滤液，在不断搅拌的情况下滴加2mol/LNaOH溶液直到溶液PH=8。抽滤，将得到的白色滤渣转入大烧杯中加水搅拌，再抽滤，反复3次。将白色沉淀转入烧杯中边搅拌边滴加2mol/L硫酸，白色沉淀会逐渐溶解，滴加2mol/L硫酸直到溶液PH=4，加热至沸，然后趁热过滤。将滤液转入蒸发皿中用酒精灯加热蒸发，后期改用水浴加热，直到有晶体膜析出，停止加热，自然冷却后将得到白色针状晶体为七水硫酸锌。用滤纸吸干，称量m10,计算产品七水硫酸锌的产率。（理论产量为8.83g）5、 纯度的测定 （1）二氧化锰的纯度分析： 准确称取制备得的二氧化锰3份，每份0.5g，并称取C2H2O42H2O固体3份

14、，每份0.73g，并用10ml H2O将样品和 C2H2O42H2O固体溶解，并加入2.000mol/lH2S04 20ml，充分反应后用0.0500mol/L 的KMnO4滴定剩余草酸，直到溶液变为粉红色，且30s内不消失。平行滴定三次。 WMnO2=(mC2H2O4/MC2H2O4-5/2CKMnO4*VKMnO4)*MKMnO4/m*100% （2）氯化氨的纯度分析：准确称取1.000g氯化铵，水溶，向溶液中加入过量的甲醛，充分反应后，150ml容量瓶定容。取20.00ml，以酚酞为指示剂，0.0500mol/L NaOH 滴定,现象：溶液由无色变为淡红色，且30s内不变色。平行三次。W

15、NH4Cl=（MNH4Cl*CNaOH*VNaOH）/1000*MNH4Cl*100% （3）七水硫酸锌的纯度分析： 准确称取1.000g七水硫酸锌，水溶，用150ml容量瓶定容，取20.00ml，用0.05000mol/L EDTA，以铬黑T作指示剂，用EDTA进行锌的滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色，且30s内不变色为止。平行滴定三次。 W(ZnSO4·7H2O)=(M(ZnSO4·7H2O)×C(EDTA)×V(EDTA)/1000×m(ZnSO4·7H2O)×100% 5、 实验数据记录及处理1、 含量测定的有关计算 2

16、0g黑色粉体中： 滤渣m1 =（1）10g滤渣中炭粉的质量m2= 黑色粉体中炭粉的含量w(炭)=m1 *m2 /(10*20)*100%= (2) 4g滤渣中MnO2 的质量m3= 黑色粉体中MnO2 的含量w(MnO2 )=m1 *m3/(4*20)*100%= (3)氯化铵的质量m4= 黑色粉体中的氯化铵含量w(氯化铵)=(m4/20)*100%= (4)在含量的测定的第（3）步中：滤渣m5 =.二氯化锰含量的测定:表2.EDTA标定数据记录序号V初/mlV终/ml总消耗V/ml平均体积V1/ml123n(EDTA)=C(EDTA)*V1=二氯化锰的质量m6=n(EDTA)*M(二氯化锰)

17、=W(二氯化锰)=m5*m6/(3*20)*100%=.氯化锌含量的测定：表3.EDTA标定数据记录序号V初/mlV终/ml总消耗V/ml平均体积V2/ml123n(EDTA)=C(EDTA)*V2=二氯化锌的质量m7=n(EDTA)*M(二氯化锌)=W(二氯化锌）=m5*m7/(3*20)*100%=（5） 氢气的体积V=锌的质量m8=M(Zn)*V*22.4=锌片中锌的含量：W(Zn)=m8/2*100%=2、 产品制备的有关计算 (1)产品二氧化锰的产率、纯度的计算 产率：w(MnO2 )=m1 *m9/(10*20)*100%= 纯度：WMnO2=(mC2H2O4/MC2H2O4-5/

18、2CKMnO4*VKMnO4)*MKMnO4/m*100%= （2）产品氯化铵的产率、纯度的计算产率：w(氯化铵)=(m4/20)*100%=表4.0.0500mol/L NaOH 标定数据记录序号V初/mlV终/ml总消耗V/ml平均体积V3/ml123 纯度：WNH4Cl=（MNH4Cl*CNaOH*VNaOH）/1000*MNH4Cl*100%(3)产品七水硫酸锌的产率、纯度的计算 产率：W(七水硫酸锌)=实际产量/理论产量*100%=m10/8.83*100%=表5. 0.05000mol/L标定数据记录序号V初/mlV终/ml总消耗V/ml平均体积V4/ml123纯度：W(ZnSO4·7H2O)=(M(ZnSO4·7H2O)×C(EDTA)×V(EDTA)/1000×m(ZnSO4·7H2O)×100%=六、实验分析与讨论七、注意事项 1.锌皮用水刷洗除去杂质，并将其剪碎（小块），使反应更加完全； 2.滴定时速度不能太快，以免滴定过量；当有颜色变化时要等颜色稳定后才判 断终点； 3.要调节好溶液中pH值； 4.在蒸发过程中温度不宜过高，使用电炉时注意用电安全； 5.实