废干电池的综合利用回收分析试验.doc

机械机械 分离分离 锌皮锌皮 黑色混合物黑色混合物 洗洗 净净 制备制备 ZnSO4 7H2O 蒸馏水水溶蒸馏水水溶 过滤 过滤 废电池废电池 废干电池的综合利用回收分析试验 一 实验目的和要求 1 熟悉无机物的实验室制备 提纯 分析等方法与技能 2 分析废干电池黑色粉体中二氧化锰 氯化铵的含量 分析锌片纯度 3 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并分析其纯度 4 了解废干电池对环境的危害 以及有效成分的利用方法 二 废干电池的验收指标 1 一只普通锌锰干电池平均含锌 22 锰 26 碳 8 铁 17 2 一只碱性锌锰干电池平均含锌 16 锰 35 碳 4 5 铁 20 三 实验原理 废锌锰电池中含有汞 镉 锌 铜 锰等重金属 随意丢弃 会 对环境造成污染 也导致金属资源浪费 我国每年报废 50 万吨废锌 锰电池 若能全部回收利用 可再生锰 11 万吨 锌 7 万吨 铜 1 4 万吨 是相当可观的资 源 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 锌皮消耗最多 二氧化锰只起氧化作用 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 即 锌锰电池包括有 正极碳棒 二氧化锰 乙炔黑 石墨 炭粉 负极主要是含有少量铅 镉 汞的锌 加 入少量铅 镉 汞的目的是降低锌电极的腐蚀速度 中性锌锰电池的电解质溶液为氯化铵和 氯化锌 碱性锌锰电池的电解液为氢氧化钾 此外 电池还有封口材料铁 塑料 沥青等和 外壳铁 塑料 纸等组成材料 总体分析流程如下图 分析纯度分析纯度 推算锌含量推算锌含量 滤液 制备测定 滤液 制备测定 NHNH4 4ClCl 滤渣 制备测定 滤渣 制备测定 MnOMnO2 2 一 成分分析 1 锌分析 样品经过酸分解后 用氨水和氯化铵 硫酸铵 高硫酸铵使锌和其他元素分离 在 PH 5 8 6 0 的条件下 用硫代硫酸钠掩蔽铜 用氟化物掩蔽铝 以二甲酚橙作指示剂 用 EDTA 进行锌的滴定 2 氯化铵 二氯化锰的含量 黑色固体经过水充分溶解后 过滤 氯化铵溶于滤液中 二氧化锰于滤渣中 向滤液中 加入 Na2S 直至溶液中不再有沉淀生成 离心分离 除去杂质 滤渣充分灼烧 剩下的即是 比较纯的二氧化锰 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 二氧化锰的含量 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含量 主要反应式如下 Na2C2O4 2H2SO4 MnO2 MnSO4 Na2SO4 2 CO2 2H2O 5H2C2O4 2KMnO4 3H2SO4 2MnSO4 KSO4 10 CO2 8H2O 酸度和光照对本方法影响较大 二 产品制备 1 制备二氧化锰 用过量草酸在硫酸介质中溶解黑色固体 再用碳酸钠沉淀锰 最后将沉淀在空气中被烧 成二氧化锰 2 制备氯化铵 通过用硫化钠沉淀溶液体系中的锌后 即用结晶的方法制备氯化铵 氯化铵溶解度 单位 g 100g 水 温度 010203040608090100 氯化铵 29 433 237 231 445 855 365 671 277 3 氯化铵在 100 时开始显著恢复 338 时解离 350 时升华 3 制备七水硫酸锌 用硫酸溶解锌片 通过过滤除去锌中的其他难容物 用结晶方法沉淀制备七水硫酸锌 四 实验药品和仪器设备 1 药品 一个废电池 蒸馏水 0 5mol L Na2S 溶液 甲醛 酚酞 2mol L NaOH 盐酸 NaCO3溶液 0 1000mol L EDTA 酸性铬蓝 K 二甲酚橙 硫酸溶液 草酸溶液 氯化钡 C2H2O4 2H2O 固体 0 05mol L 的 KMnO4 4 2 仪器 剪刀 布氏漏斗 离心机 离心试管 普通试管 分析天平 普通天平 滴定管 吸量管 铁架台 150ml 和 250ml 容量瓶 玻璃棒 酒精灯 三角架 泥三角 蒸发皿 坩埚 五 实验步骤 1 材料准备 取废干电池一个 剥去电池外层包装纸 用螺丝刀撬去盖顶 用小刀挖去盖下面的沥青层 即可用钳子慢慢拔出碳棒 连同铜冒 用剪刀把废电池外壳剥开 即可取出黑色物质 他为 MnO2 氯化铵 ZnCl2 碳粉等的混合物质 废电池表面剥下锌壳 可能粘有氯化锌氯化铵及二 氧化锰等杂质 应先用水刷洗除去 这些也要转移到黑色粉末中过滤液体中 电池的锌壳用 以制备 ZnSO4 7H2O 2 从黑色物质的滤液中提取氯化铵 称取 20 00g 黑色混合物放入烧杯 加入 100 毫升蒸馏水 搅拌 加微热溶解 抽滤 滤液 用以提取氯化铵 滤渣留用 以制备 MnO2及锰的化合物 过滤 把滤液放入蒸发皿 加热蒸发 至滤液中有晶体出现时 改用小火加热 并不断搅拌 以防止局部过热导致氯化铵分解而且在温 度过高的时候氯化铵也会分解 待蒸发皿中只留有少量母液时 停止加热 冷却后即得氯化铵 固体 用滤纸吸干 称量 m 1 80g 用氢氧化钠溶液滴定法测定产品中氯化铵的含量 而氯化 铵结晶转移后烧杯中还剩有少量的母液 将这少量的母液转移到蒸发皿中或者小烧杯中继续加热 蒸发结晶 3 从黑色混合物的滤渣中提取 MnO2 将滤渣用水冲洗 2 3 次放入蒸发皿中 先用小火烘干 称重为 M1 再搅拌下用强火灼烧 以除去其中的碳粉和少量有机物 到不冒火星时 再灼烧 5 10 分钟 冷却后即得 MnO2称量为 M2 利用差量法就可计算得到碳粉在黑色粉末中的含量 4 从废干电池锌壳制备 ZnSO4 7H2O 将处理过的锌片剪碎 锌皮上还可能粘有石蜡 沥青等有机物 用水难以清洗 但他们不溶 于酸 可将锌皮溶于硫酸后过滤除去 取滤液进行下面的步骤 将洁净的碎锌片 5 00g 越碎越好溶解 以约 50ml 的硫酸 2moL L 溶解 加热 待反应 较快时停止加热 澄清后过滤 把滤液加热近沸 加入 3 的双氧水 10d 在不断搅拌下滴加高浓 度的氢氧化纳 当加入一定量时 逐渐有大量白色氢氧化锌沉淀生成 充分搅拌下继续滴加至溶 液 PH 8 为止 用布氏漏斗减压抽滤 用少量蒸馏水洗涤滤渣 将氢氧化锌沉淀转入烧杯中 取 2moL L 硫酸滴加到氢氧化锌中 不断搅拌 溶解氢氧化锌 固体 当溶液 PH 4 时 即使还有少量白色沉淀未溶 也无需再加酸 加热搅拌后会逐渐溶解 将溶液加热至沸腾 促使铁离子水解完全 生成氢氧化铁沉淀 趁热过滤 弃去沉淀 在除铁的 滤液中 滴加 2moL L 硫酸 使溶液 PH 2 将其转入蒸发皿 在水浴上蒸发 浓缩 至液面上出 现晶膜后停止加热 自然冷却后 用布氏漏斗减压抽滤 将晶体放在两层滤纸间吸干 称量 计 算 ZnSO4 7H2O 产品的产率 5 NaOH 溶液的标定 称 8g NaOH 加 100ml 蒸馏水溶解 置于细口瓶中 称取 0 6015g 邻苯二甲酸氢钾 加 50ml 蒸馏水溶解 加两滴酚酞指示剂 用配置好的 NaOH 溶液滴定至溶液呈微红色 30s 不退色 记下所用 NaOH 溶液的体积 6 KMnO4 溶液的标定 称取高锰酸钾 2 40g 加 250ml 蒸馏水溶解 再将溶液加热煮沸 1 小时 冷却后过滤 将 滤液置于棕色试剂瓶中 摇匀 精确称取三份 0 2002g 的 Na2C2O4 分别置于 250ml 锥形瓶中 各加入 40ml 的蒸馏水和 10ml3mol L 的硫酸 使其溶解 慢慢加热使其温度约至 75 85 趁 热用待标定的 KMnO4 溶液进行滴定 可是滴定时 速度较慢 在第一滴 KMnO4 溶液滴入时 不 摇动溶液 等紫色退去后滴入第二滴 待溶液中有 Mn2 生成时 反应速率加快 开始摇动溶 液 滴定速度加快 接近终点 紫红色退去很慢 减慢滴定速度 充分摇匀 以防超过终点 最后滴加半滴 KMnO4 溶液 摇匀后 30s 微红色不褪表明达到终点 记录用去 KMnO4 溶液的体积 7 标定 EDTA 溶液的浓度 准确取 ZNO0 4070g 于 100 ml 烧杯中 加水润湿 然后逐滴加入 10ML 6 mol LHCL 边加 边搅拌至完全溶解 然后定容 250 ml 取 EDTA3 70g 加 200ml 水溶解 取 10 ml 移液管吸取标 准锌溶液于 250 ml 的锥形瓶中 逐滴加入 6 mol L 氨水 同时不断摇动直至出现氢氧化锌沉 淀 再加 10 ml 氨水 氯化氨缓冲溶液 50ml 水和少量固体铬黑 T 调节 PH 10 用 EDTA 标准 溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点 记下 EDTA 的用量 V 平行测定 2 次 计算 EDTA 的浓度 8 产品纯度的检验 MnO2纯度的检验 二氧化锰的纯度分析 取 0 10g 产品溶于硫酸中 加入 0 15g 的 H2C2O4 待二氧化锰与 C2O42 作用完毕后 放进沸水浴加热 用高锰酸钾标准液在 70 80 环境下滴定过量的 C2O42 溶 液至粉红色即为终点 平行测定 2 次 记录所用高锰酸钾的体积 即可算出二氧化锰含量 WMNO2 mH2C2O4 MH2C2O4 5 2CKMNO4 VKMNO4 MMNO2 m 100 NH4Cl 纯度的测定 称取约 0 35g NH4Cl 产品置于锥形瓶中 加蒸馏水约 10ml 加 3ml 的 40 甲醛 充分反应后 以酚 酞 2 3 滴为指示剂 摇匀 放置 1min 然后用 2mol LNaOH 标准溶液滴定至粉红色 30 秒不退色 即为终点 平行测定两次 记录所用 NaOH 溶液的体积 WNH4Cl MNH4Cl CNaOH VNaOH 1000 mNH4Cl 100 锌片中锌的含量的测定 准确称取 2 00g 锌 用 2mol L 硫酸溶解 用 100ml 容量瓶定容 取 10 00ml 稀释 10 倍至 100ml 取 10ml 稀释液用标定过的 EDTA 以铬黑 T 为指示剂 加入几滴乙醇胺 调节 PH 10 滴溶液由酒红色变为纯蓝色为止 平行测定 2 次 记录所用的 EDTA 的体积 ZnSO4 7H2O 纯度的测定 4 称取 1 01gZnSO4 7H2O 产品置于小烧杯中 加蒸馏水约 20ml 溶解 然后用玻棒引进 100 ml 容量瓶定容 取 10 00ml 以铬黑 T 为指示剂 逐滴加入几滴三乙醇胺 调节 PH 10 摇匀 加 入米粒大小的铬黑 T 指示剂 以 0 02mol L 的 EDTA 标准溶液滴定呈蓝色即为终点 平行测定两 次 记录所用的 EDTA 的体积 WZnSO4 7H2O M ZnSO4 7H2O CEDTA VEDTA 1000 m ZnSO4 7H2O 100 六 实验现象 实验步骤实验操作实验现象 处理电池用剪刀机械分离电 池 外为白色锌皮 中间为黑色粉末 内为 黑色碳棒 黑色粉末处理称取 20g 加入 100ml 蒸馏水加热溶 解 过滤 粉末部分溶解 过滤后滤渣为黑色 滤 液透明 滤液蒸发结晶滤液放进烧杯中蒸 发 加入 3ml 40 d 甲醛 3 滴酚酞 用 1 964mol NaOH 滴 定 溶液由淡黄色变为粉红色 制备 MnO2去黑色滤渣小火烘 干 然后用强火灼烧 冷却称重 黑色粉末枪火灼烧变红 冷却后呈现棕 黑色 滴定 MnO2称取 0 10g 二氧化 锰 加入 0 15g 草 酸 加入 15mL1 5mol L 硫酸 在 70 80 C 下反 应 0 06253mol L 高锰酸钾滴定 溶液由黄色变为粉红色 制备氯化铵取滤液加热蒸发结 晶 首先液面开始结膜 慢慢地有白色晶莹的晶体析出 制备 ZnSO4 7H2O取 5 0g 锌皮加入 15ml 2mol L 硫酸 溶液为无色 上面漂浮一些黑色杂质 过滤后取滤液加入 3 双氧水和过量氢 氧化钠 有大量白色沉淀生成 过滤滤渣为白色固体 滤液为无色透明 取滤渣 加入 2mol L 硫酸 调其 PH 4 白色固体溶解变成无色溶液 把滤液置于蒸发皿 中蒸发 有大量白色晶体析出即 检测 ZnSO4 7H2O取 1 01gZnSO4 7H2O 于 100 ml 容量瓶定 容 取 10 00ml 以 铬黑 T 为指示剂 逐滴加入几滴三乙 醇胺 调节 PH 10 用 0 04377 的 EDTA 标准溶液滴定 溶液由无色变为酒红色变为蓝色透明液 体 七 实验数据记录 1 灼烧经溶解抽滤得黑色粉末 得二氧化锰的质量 mMNO2 14 06g 黑色混合物中碳粉和有机物的 质量 m 2 49g 2 制得氯化铵晶体质量 mNH4Cl 1 80g 3 制得七水硫酸锌质量 mZNSO4 7H2O 7 00g 4 用于测锌片中锌含量的锌片质量为 2 00g 5 标定 NaOH 溶液浓度 滴定用去标准邻苯二甲酸氢钾溶液的体积如下表 1 所示 操作次 数 NaOH 溶液用量 123 起点读数 ml 0 001 503 00 终点读数 ml 1 502 904 60 净用量 ml 1 501 401 60 表 1 标定 NaOH 溶液所用的标准邻苯二甲酸氢钾溶液体积 6 标定 KMnO4 溶液浓度 滴定用去标准Na2C2O4溶液的体积如下表 2 所示 操作次 数 KMnO4 溶液用 量 123 起点读数 0 0010 0010 00 ml 终点读数 ml 9 8019 6019 50 净用量 ml 9 809 609 50 表 2 标定 KMnO4 溶液所用标准Na2C2O4溶液的体积 7 标定 EDTA 溶液的浓度 滴定用去标准 ZnO 溶液的体积如下表 3 所示 操作次 数 EDTA 溶液用量 123 起点读数 ml 0 004 509 20 终点读数 ml 4 509 2013 70 净用量 ml 4 504 704 50 表 3 标定 EDTA 溶液所用 EDTA 溶液的体积 8 NH4Cl 纯度分析 滴定用去已标定的 NaOH 溶液的体积如下表 4 所示 操作次 数 NaOH 溶液用量 123 起点读数 ml 0 003 005 60 终点读数 ml 2 905 608 20 净用量 ml 2 902 602 60 表 4 分析 NH4Cl 纯度所用 NaOH 溶液的体积 9 锌片含量的测定 滴定用去已标定的 EDTA 的体积如下表 5 所示 操作 次 数 EDTA 溶液用量 123 起点读数 ml 0 005 4010 60 终点读数 ml 5 4010 6015 60 净用量 ml 5 405 20 5 00 表 5 测锌片中锌含量所用 EDTA 溶液的体积 10 ZnSO4 7H2O 纯度分析 滴定用去已标定的 EDTA 的体积如下表 6 所示 操作次 数 EDTA 溶液用量 123 起点读数 ml 0 004 609 10 终点读数 ml 4 609 1013 60 净用量 ml 4 604 504 50 表 6 分析 ZnSO4 7H2O 纯度所用 EDTA 溶液的体积 11 MnO2 纯度分析 滴定用去已标定的 KMnO4 溶液的体积如下表 7 所示 操作次 数 KMnO4 溶液用 量 123 起点读数 ml 0 004 509 00 终点读数 ml 4 508 9014 00 净用量 ml 5 004 405 00 八 实验数据处理 1 二氧化锰的产率 20 00g 黑色粉末中的二氧化锰质量 mMNO2 14 06g 故二氧化锰的产率为 W1 14 06g 20 00g 100 70 03 2 氯化铵的产率 制得氯化铵晶体的质量 mNH4Cl 1 80g 故氯化铵的产率为 W2 1 80g 20 00g 100 9 00 4 七水硫酸锌的产率 锌片的质量为 5 00g 制得七水硫酸锌的质量 mZNSO4 7H2O 7 00g 理论值 mZNSO4 7H2O nZNSO4 7H2O MZNSO4 7H2O 5 65 mol 287 56g mol 22 12g 故产率 W3 7 00 22 12 100 31 65 5 标定 NaOH 溶液的浓度 所消耗 NaOH 溶液的平均体积 VNaOH 1 50 1 40 1 60 3 ml 1 50ml 邻苯二甲酸氢钾的质量 m 邻 0 6015g 故 C NaOH m 1000 V NaOH 204 2 mol Lf 1 1 964mol L 6 标定 KMnO4 溶液浓度 称取的草酸钠质量为 0 2011g 故草酸钠的物质的量 n 0 2011g 134 0 g mol 0 001501mol 由关系式 5 C2O42 2 MnO 4 得共用 KMnO4 的物质的量为 n 0 0006003mol 滴定用去高锰酸 钾的平均体积为 V KMnO4 9 80 9 60 9 50 3 mol 9 60ml 故 c KMnO4 0 0006003mol 9 60L 0 06253mol L 7 标定 EDTA 的浓度 取 ZnO 0 4070g 配成 250ml 的溶液 每次取 10ml 滴定 故 n Zn2 0 4070g 81 38g mol x250ml x10ml 2 0005x10 4mol n EDTA 用去 EDTA 的平均体积 VEDTA 4 50 4 70 4 50 3 ml 4 57ml 故 C EDTA n EDTA V 2 0005x10 4mol 4 57ml 1000 0 04377mol L 8 NH4Cl 纯度分析 取 NH4Cl 0 35g 用去 NaOH 的平均体积 V NaOH 2 90 2 60 2 60 3ml 2 70ml 故 NH4Cl 的实际质量为 C NaOH V NaOH M NH4Cl 1 964mol L 2 70ml 1000 53 5g mol 0 2837g 故 NH4Cl 的纯度 W1 0 2837g 0 35g 100 81 06 9 ZnSO4 7H2O 的纯度分析 取样品 1 01g 配成 100ml 溶液 取 10ml 用于测定 用去 EDTA 溶液的平均体积为 V EDTA EDTA 4 60 4 50 4 50 3 ml 4 53ml 则 ZnSO4 7H2O 的实际质量为 C EDTA x V EDTAEDTA x M ZnSO4 7H2O 0 04377mol L 4 53ml 287 54g mol 0 05701g 故 ZnSO4 7H2O 的纯度 W2 0 05701g 10 1 01g x100 56 45 10 MnO2 纯度分析 取样品 0 10g 用去高锰酸钾的平均体积为 V KMnO4 5 00 4 40 5 00 3ml 4 80ml MnO2 纯度 W3 mH2C2O4 MH2C2O4 5 2CKMNO4 VKMNO4 M MnO2 m 100 0 15g 126 07g mol 2 5x0 06253mol Lx0 00480L x87 00g mol 0 10gx100 38 23 11 锌片中锌的含量 称 2 00gZn 用去 EDTA 的平均体积为 V EDTA EDTA 5 40 5 20 5 00 3ml 5 20ml 而 所取锌液中 n Zn2 n EDTA C EDTA V EDTA EDTA 5 20ml 1000 x 0 04377mol L 0 0002276mol 又所取锌液中 n Zn2 与总锌量的关系为n 总 nZn2 0 0002276mol 1 100 故 n 总 100 x0 0002276mol 0 02276mol 故锌片中锌的含量 W Zn 0 02276mol x65 0g mol 2 00g x100 73 97 九 验分析与讨论 1 从黑色混合物的滤渣中提取二氧化锰时 由于杂质过多 而且没有采取准确的实验方法 即灼烧后没有用过量草酸在硫酸介质中溶解黑色固体 再用碳酸钠沉淀锰 最后将沉淀在空气 中被烧生成二氧化锰 所以得到的二氧化锰产率偏高 导致后来的制备二氧化锰纯度偏低 2 二氧化锰在室温下此反应的速度缓慢 因此在测定二氧化锰滴定时应将溶液加热至 70 80 但温度不宜过高 否则在酸性溶液中会使部分草酸分解 而且溶液酸度过低则会容易 生成 MnO2 沉淀将不利于滴定 影响最终实验结果 3 在制备氯化铵过程中 结晶时加热温度过高使溶液沸腾的过程 可能导致部分氯化铵