废旧锌锰干电池回收利用的实验教学设计

1、180 Chemical Engineering & Equipment化学工程与装备2010年第12期2010年12月汞，镍，镉等1,2。废电池无论暴露在大气中，还是深埋在地下，其重金属成分都会随渗液溢出，造成地下水和土壤的污染，日积月累会严重危害人类健康2。对废旧锌锰干电池进行回收利用，不仅可以保护环境，而且能够回收很多有用物质（如锌、铜、氯化铵、二氯二氨合锌(II)、二氧化锰等）；并进而制得软磁铁氧体3,4和半导体5等功能材料。回收利用废旧锌锰干电池主要方法有干法、湿法和生物法6。干法的优点是回收产品纯度较高、除汞效果好，缺点是能耗大、设备费用大。湿法的优点是设备投资少、费用低，

2、缺点是产品纯度低、工艺流程长，可能会产生二次污染2。生物法技术目前还不成熟，因此鲜有报道。实验室对废旧锌锰干电池回收利用的研究多采用湿法技术1,3,7。根据该实验研究所涉及的无机、有机及分析化学知识，结合自身的教学实践，笔者对“废旧锌锰干电池回收利用”的实验命题进行了创新性设计，主要体现在：（1）创新性。已有文献1,3,7对NH4Cl的回收没有考虑电解质中锌的氯化物（ZnCl2和Zn(NH3)2Cl2）和其它金属离子的分离。我们在实验中根据锌的氯化物分子共价性的特点，首次提出了采用丙酮萃取法分离氯化铵和锌的氯化物；在不往体系中引入杂质离子的前提下，除去电解质中的其它过渡金属离子。为了防止锌皮快

3、速氧化造成电解质的泄漏，常在锌皮中掺入汞，形成锌汞齐，而汞对环境有较大的危害性，已有文献1,3,7没有对锌皮中汞的含量进行分析测定。本实验根据ZnI2和HgI2溶解度的差异，对锌皮中的汞含量进行了定量测定。盖利刚，姜海辉，马万勇（山东轻工业学院化学工程学院，山东 济南 250353）摘 要：介绍一个综合化学实验“废旧锌锰干电池回收利用”的实验教学设计。该实验采取湿法路线对废旧锌锰干电池中的氯化铵、锌化物和二氧化锰等进行回收利用，测定了锌皮中的汞含量，并分别采用酸碱滴定和氧化还原滴定法对回收的氯化铵和二氧化锰样品进行纯度检验。实验教学设计融合了化学键与分子结构、氧化还原反应、卤素、过渡金属、化合

4、物分离与提纯等基本化学理论以及无机、分析和有机化学实验的基本操作，思考与设计贯穿实验教学的全过程，这有助于提高学生的实验兴趣，培养学生分析问题和解决问题的能力。关键词：废旧锌锰干电池；回收利用；教学设计废旧锌锰干电池含有很多有害成分，如锌、锰、铜、铁，（2）综合、设计性。在有用化学品回收的基础上，实验设计要求采用甲醛-酸碱滴定法和高锰酸钾氧化法8分别对回收的氯化铵和二氧化锰样品进行纯度测定。在氯化铵和锌的氯化物分离及溶剂回收过程中，涉及萃取、蒸馏等有机化学实验基本操作。实验内容体现了无机、有机和分析化学实验的有机综合。在锌的氯化物回收基础上，要求思考并设计纳米氧化锌或硫化锌的制备方案，有利于培

5、养并提高学生的科研思维。 1 实验目的（1）了解锌锰干电池的构造、原理、用途及对环境的危害。（2）根据干电池中待回收物质的性质差异，联系溶解、过滤、蒸发、结晶、加热、焙烧、蒸馏、萃取、滴定等实验操作，探索将NH4Cl和MnO2从混合物中逐一分离出来的方法，确定电解质中的锌含量、锌皮中的汞含量以及回收NH4Cl和 MnO2样品的纯度。（3）通过回收干电池，防止污染，变废为宝，增强环保意识。（4）通过实践感悟求知过程，拓展知识面，巩固实验操作技能，培养创新能力。 2 实验原理2.1 锌锰干电池的构造和原理日常生活用的干电池多为锌锰干电池，其负极是作为电池壳体的锌电极，正极是被MnO2和碳粉包围的石

6、墨电极，电解质是氯化锌与氯化铵的糊状物，其电池反应为式(1)：Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 Zn(NH3)2Cl2 + 2MnOOH (1)。图1是一节干电池的剖面图。废旧锌锰干电池回收利用的实验教学设计盖利刚：废旧锌锰干电池回收利用的实验教学设计181图1 干电池的纵剖面图2.2 丙酮萃取法分离氯化铵和锌的氯化物根据离子极化的观点，锌的氯化物分子具有较强的共价性，易溶于丙酮等弱极性有机溶剂；而氯化铵属于离子性化合物，不溶于丙酮等弱极性有机溶剂。根据这一性质，可以将二者分开。锌的氯化物的丙酮溶液中可能含有其它过渡金属氯化物，将丙酮蒸馏、回收后，再加水溶解，可利用氢氧化锌酸碱两性的特点

7、将其与其它过渡金属离子分开，再酸化使含锌配离子溶液pH值为6，通过通入H2S析出ZnS沉淀而定量。除去氯化铵水溶液中的少量过渡金属离子与此同理。实验装置如图2所示。图2 往溶液中通入H2S的实验装置简图2.3 甲醛-酸碱滴定法测定铵根离子铵根离子与甲醛可迅速化合而放出等物质的量的酸(式2)；生成的酸可用标准氢氧化钠溶液滴定，记下所消耗的氢氧化钠溶液的体积，从而可计算氯化铵的纯度。因甲醛溶液中常含有微量的酸，使用前必须用氢氧化钠将溶液调至 pH = 7，否则测定结果产生正的误差。4NH4+ + 6HCHO (CH2)6N4 + 4H+ + 6H2O (2) 2.4 MnO2含量测定8为了除去锰粉

8、中的石磨、乙炔黑和其它有机物，将水洗后的锰粉初干后转移至100 mL的陶瓷坩埚中，置于电阻加热炉中于500°C 焙烧1 h，降至室温。取适量焙烧后的锰粉、过量基准草酸钠，于250 mL锥形瓶中加1.5 M的硫酸溶解，采用高锰酸钾标准溶液滴定，记录所消耗的高锰酸钾溶液的体积。根据式(3)和(4)确定样品中MnO2的含量。MnO2 + C2O42- + 4H+ Mn2+ + 2CO2 + 2H2O (3)； 5 C2O42- + 2MnO4- + 16H+ 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O (4)。 3 材料、试剂与仪器 3.1 材料和试剂废干电池，浓硝酸、浓盐酸、碘化钾、硫化钠

9、、丙酮、35%甲醛水溶液、氢氧化钠、浓硫酸、酚酞、高锰酸钾、邻苯二甲酸氢钾均为分析纯试剂，草酸钠为基准物质。 3.2 仪器SX-5-12型数显箱式电阻炉（天津泰斯特），SHZ-D型循环水式真空泵（巩义予华），GZX-9140ME型数显鼓风干燥箱（巩义予华） 4 实验要求（1）实验方案制定。根据所提供的材料、试剂和仪器，自行查阅相关文献，分小组制定实验方案。指导老师组织学生集中讨论，指导教师组织学生集中讨论，并对各小组制定的实验方案进行点评。（2）根据GB/T6012002配制和标定0.1 M NaOH和0.1 M KMnO4标准溶液。（3）指导老师给学生演示相关实验装置、仪器的安装及使用，学生

10、学会正确安装和使用相关实验装置和仪器。（4）按论文格式要求撰写实验报告。 5 思考与设计（1）废旧锌锰干电池电解质中主要是氯化铵和锌的氯化物，还有少量其它过渡金属离子，如锰、铁、铜、镍、镉和汞离子等，本实验采用丙酮萃取法首先分离氯化铵和锌的氯化物有何优点？如何在不引入杂质离子的前提下，除去其它过渡金属离子？请设计合理的实验方案。自行解剖6个干电池，并完成以下数据采集：干电池型号/生产厂家、解剖前总质量、碳棒质量、黑色混合物质量、铜冒质量、锌皮质量及干电池其它组分质量。（2）考虑铵根离子的水解，探索溶液pH值对回收氯化铵质量的影响；记录溶液pH分别为1、2、3、4时回收氯化铵的质量。（3）查阅文

11、献，设计合理的回收氯化铵样品的纯度检验实验方案，并完成以下数据采集：氯化铵样品质量、所滴加NaOH标准溶液的体积、NH4Cl含量、样品纯度和相对平均偏差。（4）查阅文献，设计检验回收氧化锰样品中MnO2含量的实验方案，并完成以下数据采集：回收氧化锰样品质量、所滴加KMnO4标准溶液的体积、MnO2含量、样品纯度和相对平均偏差。 （下转第160页）160 陈日辉：湿地公园类项目景观环境影响评价探讨约2800米地段的市树园以及堤外芦苇荡生态旅游区两部分，占地约53公顷。堤内的市树园在堤内段种植省树省花及九市市树市花。堤外的芦苇荡生态旅游区，规划利用木栈道组织主要游览路线。全区设有亲水平台、生态休闲

12、区、望江观鸟区及芦苇荡原生态区等。乌龙江湿地公园建成以来，为金山新区发挥了良好的生态效应，常引得候鸟前来栖息，目前园内已有白鹭、池鹭、斑鱼狗、夜鹭、黑翅鸢、黑领椋鸟、纯色鹪莺等各种鸟类几十种。 6 小结城市的湿地景观，是城市景观的重要组成部分。在湿地公园建设过程中应充分考虑生态影响因素，其景观设计思想需要树立生态观念，做到美学与生态兼顾，使自然与人类生活环境有良好的结合点，使人与自然达到和谐。参考文献1 刘茂松，张明娟编著景观生态学原理与方法北京：化学工业出版社，2004：2 吕宪国主编湿地生态系统保护与管理北京：化学工业出版社，2004：的取食(浮游动植物)，沙子和砾石的过滤(鱼类的排泄物)

13、，最后流向公园末端的鱼尾区。至此，原来被上游污染源和城市生活污水污染的河水，经过多种净化过程，重新流入府河。每天，活水公园的流量可达200m3。该流量当然不足以改变整条河流的水质，却足以让游人在顺“鱼”而下途中，亲眼目睹“死水”被渐渐激活，逐步净化，最后变为“活水”的过程，其对人们的环境生态观念的影响是深远而成功的。 活水公园在植物的配置、景观的处理、造园材料的选择上，妙趣天成，通过具有地方性景观特色的净水处理中心，川西自然植物群落的模拟重建，以及地方特色的园林景观建筑设计，组成全园整体，对环境的主题进行了多方位的诠释，可说是城市湿地景观生态的一个完整而又生动的例子。 5.2 福州乌龙江湿地公

14、园湿地景观生态实例乌龙江湿地公园是福州市首个开辟为公园并进行保护的湿地。乌龙江湿地公园(一期)位于乌龙江畔、三环路外侧，从桔园洲大桥至浦上路以南，长约5870米，生态园总面积约243公顷。该公园整体由湿地生态恢复与重建区、湿地生物多样性科普区、芦苇荡生态旅游区、原生湿地保护区4个功能分区，以及堤内市树园等5个部分组成。 乌龙江湿地公园分两期建设，一期已建成堤内桔园洲大桥至浦上路段（上接第181页）（5）如何确定电解质中锌化物的含量？请设计合理的实验方案。（6）查阅文献，以提纯的锌化物溶液为原料，设计制备纳米ZnO和ZnS的实验方案。（7）为了防止锌皮快速氧化造成电解质的泄漏，常在锌皮中掺入汞，

15、形成锌汞齐，而汞对环境有较大的危害性。如何检验锌皮中汞的含量？请设计合理的实验方案。 6 教学设计特点（1）通过文献调研、方案设计、讨论、修改、执行和实验论文的撰写，有助于培养学生的科研意识，体现教学与科研的相互促进。（2）思考与设计贯穿实验教学的全过程，实验内容涉及无机化学（化学键与分子结构、卤素、过渡金属）、分析化学（酸碱滴定、氧化还原滴定）和有机化学实验（萃取、蒸馏）课程内容，知识点分布广，有利于提高学生综合所学知识分析和解决问题的能力。这种“问题化”教学方式，易激发学生的实验兴趣，使学生积极参与，成为实验教学的主体91 冯鹏棉，狄晓威，等 碘量电位滴定法测定锌锰旧电池中二氧化锰J冶金分析，2007；27(4)：49-51 2 何庆中，黎俊青，等废旧锌锰干电池机械分离回收处理技术研究J机械设计与制造，2010；(4)：266-268 3 蒋玉萍，张建强，等废旧锌锰干电池回收利用的探讨J实验技术与管理，2002；19(6)：68-70 4 韩杰，汪仕佐，等用废旧锌锰干电池制取软磁铁氧体J化工时刊，2007；21(2)：1-35 郭玉峰，刘卫江，等利用废锌锰干电