«Химические источники электрического тока и их влияние на экологию»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

 «СРЕДНЯЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 33»

ГРУППОВОЙ ПРОЕКТ

«Химические источники электрического тока и  их влияние на экологию»

Энгельс 2018 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………………………………3

1. Этапы проекта и ожидаемые результаты……………………..……………………………….5

1.1. Распределение обязанностей между участниками, определение методов, этапов исследования и ожидаемого результата………………………………………………………………………………………….5

1.2. Виды химических источников электрического тока, конструкция и принцип работы….6

1.3. Исследование практических проблем утилизации батареек и аккумуляторов

в России, в том числе в г. Энгельсе и г.Саратове…………………………………………………………….............................................9

1.4. Итоговые результаты исследования и предложения ........………………………………..12

            2.Выводы…………………………………………………………………………….…...……….14

3. Рефлексия проектной деятельности……..…………………...……………………….…….............................................15Информационно-методическое обеспечение……………………………………………….……………………………………...16

 Приложение презентация………………………………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к электричеству, созданию химических источников электрического тока, необходимых для жизнедеятельности человека, существовал давно.

Крупный шаг на пути изучения электричества сделал итальянец Луиджи Гальвани (1737 – 1798). Он создал чувствительный прибор, реагирующий на статическое электричество, основанный на сокращении лапки лягушки от воздействия слабого электрического сигнала.

Александр Вольта после долгих сомнений по-иному истолковал причину возникновения электрического тока в опытах Гальвани и в результате в 1800 г. создал первый достаточно мощный источник электрического тока, получивший название "вольтов столб". Начало промышленного производства первичных химических источников тока было заложено в 1865 г. французом Ж. Л. Лекланше, предложившим марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом. В 1880 г. Ф. Лаландом был создан марганцево-цинковый элемент с загущенным электролитом. До 1940 г. марганцево-цинковый солевой элемент был практически единственным используемым первичным химическим источником тока.

В настоящее время существует большое количество различных видов химических источников электрического тока, которые в зависимости от протекания химических реакций делятся на одноразовые (элементы, батарейки) и многоразовые (аккумуляторные элементы и батареи). Химический состав их разнообразен. У всего этого многообразия химических источников тока  существует свой срок службы, после которого заканчивается активная масса в элементах, разрушаются электроды в аккумуляторах. По истечении этого срока необходима утилизация химических источников тока, так как они содержат вредные для окружающей среды вещества.

Актуальность выбранной темы проекта связана с наличием проблем утилизации отработанных химических источников тока в России, особенно в небольших городах и сельской местности, что негативно сказывается на экологии.

Цель проекта: систематизировать и обобщить информацию о химических источниках электрического тока, определить причины и пути решения проблем, связанных с их утилизацией в России, в том числе в г. Энгельсе и г. Саратове.

Для достижения цели проекта были поставлены следующие задачи:

1. Определить этапы и методы исследования, предположить ожидаемый результат, распределить обязанности между исполнителями.

2. На основе трудов ученых изучить виды и устройство химических источников электрического тока.

3. Определить значение утилизации химических источников электрического тока для экологии.

4. Провести практическое исследование вопроса утилизации батареек и аккумуляторов в России, в том числе в г. Энгельсе и г Саратове.

5. Обобщить полученные результаты исследования и сделать практические предложения в отношении совершенствования системы сбора и утилизации химических источников электрического тока.

Объектом исследования проекта являются химические источники электрического тока.

 Предметом исследования проекта являются проблемы утилизации химических источников электрического тока.

По содержанию проект относится к исследовательскому и практико-ориентированному проекту; по комплектности – межпредметный; по количеству участников – групповой, краткосрочный проект.

1. ЭТАПЫ ПРОЕКТА И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1.1. Распределение обязанностей между участниками, определение методов, этапов исследования и ожидаемого результата

 Проект состоит из следующих этапов.

1. Организационный: выбран объект и предмет исследования – химические источники электрического тока и проблемы их утилизации после истечения срока службы; сформулированы цель и задачи проекта, исходя из темы исследования. Распределены обязанности в рамках проекта по сбору научной информации о химических источниках тока и практической информации о наличии пунктов приема (сбора) отработанных батареек и аккумуляторов в России, в том числе в  г. Энгельсе и г. Саратове, расположенных в шаговой доступности от места жительства участников проекта.

При проведении проекта были использованы следующие методы исследования: сбор и обобщение научного материала, анализ, научное обоснование. В ходе исследования рассмотрен вред, который может быть нанесен экологии при небрежном отношении к отработанным химическим источникам тока, а также проблемы их утилизации. Выработаны предложения по совершенствованию системы утилизации отработанных химических источников тока.

2. Теоретический: изучение трудов ученых позволило ознакомиться с историей создания химических источников тока, их видами и принципами  действия. Были рассмотрены существующие угрозы экологии вследствие отсутствия эффективного процесса утилизации химических источников тока (батареек и аккумуляторов).

Намечены ожидаемые результаты от проведения проектного исследования процесса утилизации химических источников тока в г. Энгельсе и г. Саратове: пункты приема либо имеются и активно используются населением, либо они отсутствуют.  

3. Практический. Проведено обследование торговых точек на предмет наличия пунктов приема отработанных батареек и аккумуляторов, а также иных возможных мест сбора бытовых отходов на предмет организации раздельного сбора отработанных химических источников тока в г. Энгельсе и г. Саратове. Изучена информация в сети Интернет о пунктах приема отработанных химических источников тока (батареек и аккумуляторов) в г. Энгельсе и г. Саратове.

4. Итоговый. Была систематизирована и обобщена информация о природе и механизме действия химических источников тока, определено значение утилизации химических источников электрического тока для экологии. Дана оценка существующим проблемам организации процесса утилизации в России, в том числе в г. Энгельсе и г. Саратове.         Сделаны выводы и предложения по совершенствованию процесса утилизации химических источников тока.

1.2. Виды химических источников электрического тока, конструкция и принцип работы

Химические источники тока в зависимости от направления химических реакций  подразделяются на элементы, в которых:

- в подобранных гальванических парах может протекать прямой процесс использования активного вещества с выделением электрической энергии (одноразовые батарейки). Обратный процесс зарядки невозможен из-за необратимости протекающих химических реакций (при зарядке элементы могут взрываться из-за выделения водорода);

- в подобранных гальванических парах возможны обратимые реакции восстановления химически активной массы при действии внешнего источника тока обратной полярности во время зарядки (это аккумуляторные элементы и батареи).

К наиболее распространенным одноразовым химическим источникам электрического тока относят марганцево-цинковые и литиевые источники тока. Другие источники тока производятся в значительно меньших масштабах.

Существуют следующие разновидности химических источников электрического тока (батареек): марганцево-цинковые с солевым электролитом, марганцево-цинковые с щелочным электролитом; ртутно-цинковые, ртутно-кадмиевые; серебряно-цинковые, медно-цинковые; воздушно-цинковые, а также литиевые источники тока с твердыми катодами и апротонным электролитом; литиевые источники тока с жидким или растворенным окислителем; йодно-литиевые с твердым электролитом.

Среди многоразовых источников тока (аккумуляторов) выделяют:

свинцовые аккумуляторы; никель-кадмиевые; никель-железные; никель-металлогидридные; никель-цинковые; серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы; никель-водородные; литий-ионные; литий-полимерные аккумуляторы; перезаряжаемые марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом определенного состава.

Рассмотрим принцип работы марганцево-цинкового элемента (наиболее распространенного в наше время).

Наружный корпус сделан из цинка, который служит отрицательным электродом; кнопка сверху, которая является положительным электродом, прикреплена к угольному стержню, идущему вниз по оси цилиндра.

Уголь играет роль химически инертного соединения с окружающим слоем пасты из двуокиси марганца в смеси с графитовой пудрой. Между двуокисью марганца и цинком помещается полужидкий электролит – это влажная паста из нашатырного спирта и хлористого цинка.

Когда цинк начинает растворяться на границе металл–раствор образуется двойной электрический слой. Электроны растворенного цинка остаются на поверхности металла и положительно заряженные ионы цинка образуют двойной электрический слой (конденсатор). Дальнейший процесс растворения цинка прекращается. Если замкнуть внешнюю цепь (верхний контакт и дно корпуса), электроны могут пройти через угольный стержень и восстановить двуокись марганца. MnO2 IV до состояния  Mn2O3 III. Именно эта реакция создает электродвижущую силу (далее – ЭДС) около 1,6 В.

Основные представители аккумуляторов – щелочной никель-кадмиевый элемент с напряжением 1,36 В и свинцово-кислотный аккумулятор.

Никель-кадмиевый элемент известен уже много лет, но стал широко доступен для практического применения, когда был создан герметичный контейнер с пористыми электродами, в которых удерживается выделяющийся во время зарядки газ. Недостаток щелочного аккумулятора – небольшой разрядный ток из-за большого внутреннего сопротивления.

Для улучшения работы в электролит KOH вводят литиевую щелочь LiOH.

«Рабочей лошадкой» среди батарей является кислотный свинцовый аккумулятор, имеющий небольшое внутреннее сопротивление, и способный при разряде отдавать большой ток при работе стартера автомобиля, из-за чего нашел большое применение во всех автомобилях.

В таком аккумуляторе один электрод сделан из свинца, другой из двуокиси свинца (свинцового глета), а в качестве электролита используется серная кислота плотностью 1,28 -1,4 .

Свинец переходит в раствор в виде катиона 2+. Положительно заряженный ион свинца в серной кислоте образует на пластине отложение сульфата свинца. Когда внешняя цепь замкнута и  электроны переходят на пластину из двуокиси свинца, то двуокись свинца восстанавливается, кислород соединяется с ионами кислоты, образуя воду, и на пластине остаются положительно заряженные ионы свинца. Соединяясь с анионами серной кислоты, образуется сульфат свинца. Таким образом, оба электрода покрываются сульфатом свинца, а серная кислота медленно превращается в воду (падает плотность электролита). Во время процесса зарядки, химические реакции идут обратимо, снова повышая концентрацию серной кислоты.

1.3. Исследование практических проблем утилизации батареек и аккумуляторов в России, в том числе в г. Энгельсе и г. Саратове

Вопросы сбора, утилизации и переработки использованных батареек и аккумуляторов чрезвычайно актуальны в настоящее время. Утилизация этих отходов является одной из самых сложных проблем переработки вторичного сырья.

Практически во всех батарейках содержатся токсичные вещества в виде различных металлов и химикатов, которые при разрушении корпусов батареек попадают в природную среду и ухудшают экологию. При производстве элементов питания,  используются свинец, никель, кадмий, цинк, ртуть, оксид серебра, кобальт, литий. Никелево-кадмиевые батарейки, которые применяются в сотовых телефонах, — наиболее значимые потенциальные источники кадмия; большую опасность представляют ртутные и литиевые батарейки как поставщики ртути и лития в природную среду; кроме того, литий может самопроизвольно вступать в реакции с кислородом воздуха и воспламеняться. На свалке из батарейки выходят кадмий, ртуть, никель, цинк, свинец.  Все эти тяжелые металлы попадают в почву, из нее в подземные воды, а оттуда прямиком в наш дом. Сжечь батарейки без угрозы для экологии тоже не выйдет. Ведь те же самые вещества попадут в воздух.

Переработка батареек является процессом по восстановлению и эксплуатации тех материалов, из которых изготовлены батарейки. Во время этого процесса из батареек извлекаются металлы, которые затем вторично включаются в состав новых изделий. Целью такого процесса становится сохранение электроэнергии и сырья. Переработка подобных изделий способствует сохранению окружающей среды для здоровой жизнедеятельности человека.

В связи с тем, что батарейки могут содержать опасные элементы,  в рамках Европейского союза была принята Директива 2006/66/EC Европейского Парламента и Совета ЕС от 6 сентября 2006 г. о батареях и аккумуляторах, об отходах батарей и аккумуляторов.

На практике данная Директива вынудила производителей и дистрибьюторов батареек и аккумуляторов под угрозой ответственности не только контролировать состав данных продуктов, но и определять стратегию производства батареек, регистрировать схемы их соответствия для контроля соблюдения норм Директивы, а также мониторинга процесса переработки и утилизации батарей и аккумуляторов.

В России Федеральный закон от 24.06.1998 № 89-ФЗ "Об отходах производства и потребления» установил требование по раздельному сбору батареек и аккумуляторов. В соответствии с законом утилизацию батареек и аккумуляторов обязаны обеспечивать их производители либо импортеры. Но чтобы выполнить это требование, отходы нужно собрать. Производители, импортеры товаров могут либо самостоятельно организовать сбор (например, посредством установки специальных контейнеров по видам мусора), обработку, утилизацию отходов от использования аналогичных товаров, либо заключить соответствующий договор с лицами, осуществляющими профессиональную деятельность по сбору, транспортированию, обработке, утилизации отходов. Если данная работа не организовывается, то организация должна уплачивать экологический сбор. Рядовому производителю, а тем более импортеру, проще и уплатить экологический сбор, соответственно такой подход является разрушительным для экологии.

Согласно данным в сети Интернет во многих населенных пунктах России уже функционируют точки для сбора батареек.

А именно: в декабре 2013 года сеть гипермаркетов Media Markt запустила первую в России программу по сбору батареек. Собранные батарейки направляются на челябинский завод  «Мегаполисресурс», который имеет единственную в России линию по переработке марганцево-цинковых батареек. Вещества, извлекаемые из батареек при переработке (графит, соли цинка и марганца), в дальнейшем могут быть использованы как для создания новых батареек, так и в других отраслях, в частности, в фармацевтике. При этом завод способен утилизировать до 15 тысяч тонн батареек ежегодно, а доля восстановленных ресурсов может составлять до 80%. Но проблема сегодняшнего дня заключается в недозагруженности его мощностей по причине отсутствия сырья.

По информации Media Markt за первые полгода в рамках программы удалось собрать более 300 000 (7 тонн) батареек. Сегодня авторизованная сеть магазинов находится в 59 городах России, в основном по 1-2 магазину в городе. Максимальное количество  - 28 магазинов в Москве и Подмосковье , 12 магазинов в Санкт - Петербурге. Согласно представленной информации на сайте данный пункт сбора в Саратове расположен в ТЦ "METRO Cash&Carry", ул. Аэропорт, 14.

Также по данным Интернета, в Саратове отработанные батарейки можно сдать по следующим адресам:

Музей занимательных наук Эйнштейна, адрес: ул. проспект Кирова,14

«Пункт приема батареек» -г. Саратов, 410012, Железнодорожная улица, д.72, 1-Г офис.

«Контейнер для батареек» -г. Саратов, 410076, Верхняя улица, д.17,(ТЦ «Мой Новый»)

«Актор» -г. Саратов, Кутякова улица, д.70,

«Новый мир» -г. Саратов,

«Оскаб» -Ново-Астраханское шоссе, д.67,

«Актор№2» -г. Саратов, Астраханская улица, д.146,

Контейнеры для приема батареек:

«Punkt№1» -Танкистов улица, д.1;

«Магазин ЭЛЬДОРАДО» - ТЦ «Форум», Набережная Космонавтов, д.7-А;

В рамках проекта авторами выборочно были обследованы объекты, осуществляющие прием батареек (под данным Интернета), а также иные точки продаж электронно-бытовой техники и другие магазины, имеющих в продаже батарейки и аккумуляторы, в районе 33 школы и центра г. Энгельса, т.е. располагающихся в шаговой доступности от места проживания, а также в г. Саратове магазин Эльдорадо в ТЦ «Форум». Были опрошены по телефону администраторы Media Markt ТЦ "METRO Cash&Carry" и  музея занимательных наук Эйнштейна.

Обследование показало, что ни в одном из обследованных торговых площадок г. Энгельса и г. Саратова (Гроздь, Магнит, Реванш, ДНС, ТЦ «Лазурный», «Fix Price», магазин «Эльдорадо», ТЦ "METRO Cash&Carry", Музей занимательных наук Эйнштейна) сбор отработанных батареек не ведется. Основная причина – слишком затратный механизм для бизнеса. Переработка батареек предприятием осуществляется за плату.

Нами также были обследованы места сбора бытовых отходов. По результатам обследования убедились, что на них также отсутствует раздельный сбор.

1.4. Итоговые результаты исследования и предложения

Таким образом, проведенное исследование показало, что одновременно с огромной пользой, которую нам приносят батарейки и аккумуляторы, они являются одним из самых опасных источников ухудшения экологической обстановки, загрязнения окружающей среды, что связано с масшатабами применения химических источников тока не только в быту, но и на производствах, транспорте, машинах и оборудовании.  Из всего объема производимых батарей и аккумуляторов в мире перерабатывается всего 3% от общего объема, при этом прослеживается неоднородность этого показателя по странам мира. Так, в большинстве европейских стран перерабатывается 25-45% всех химических источников тока, в США — около 60% (97% свинцово-кислотных и 20-40% литий-ионных), в Австралии — около 80%. Странами с неразвитой системой переработки химических источников тока являются развивающиеся страны, где они практически не перерабатываются, а утилизируются с бытовым мусором.

Таким образом, в России процесс организации сбора отработанных химических источников тока идет очень медленными темпами, и даже имеет тенденцию к замедлению, о чем свидетельствует проведенное исследование. В частности в г. Энгельсе  практически невозможно сдать батарейки (или положить в отдельный контейнер на мусорке). В г. Саратове сбор батареек не ведется уже более года (в Эльдорадо акция закончилась в июле 2017 года).

В связи с тем, что утилизация батареек необходима для  сохранения окружающее среды и здоровья нашего и будущего поколения и является глобальной проблемой, а бизнес с этой функцией эффективно не справляется, то необходимо ее реализовать государством в рамках полномочий субъекта РФ  и муниципального района.

Также нами сделан вывод, что проблема создания бесперебойной системы сбора и утилизации батареек в большей степени не в отсутствии сознательности (о чем свидетельствует успешно проведенная в МБОУ СОШ № 33 акция по сбору батареек), а в плохой инфраструктуре и организации процесса сбора и утилизации в регионе.

Наши предложения:

1. Необходимо сделать удобные, постоянные, хорошо выглядящие пункты сбора, и люди с удовольствием включатся в эту практику.

2. Организовать коммунальными службами, обеспечивающими сбор и вывоз мусора раздельный сбор батареек, поставив отдельный контейнер в каждом мусоропроводе и на мусорной площадке, с последующей отправкой его в специализированные пункты приемы.

3. Разработать государственную программу в рамках реализации полномочия субъекта РФ по организации и осуществлению региональных и межмуниципальных программ и проектов в области охраны окружающей среды и экологической безопасности, обращения с твердыми коммунальными отходами, которая бы предусматривала финансирование транспортировки и утилизации батареек за счет средств областного бюджета с участием муниципального района, как организатора процесса сбора отработанных батареек (источник финансового обеспечения – сбор за загрязнение окружающей среды);

4. Проводить разъяснительную работу в отношении рассмотренной проблемы в школах не только с обучающимися, но и с их родителями.

2.ВЫВОДЫ

Результатом проекта стала систематизированная информация о   видах, принципах работы химических источников электрического тока, а также об опасности, которую они несут в себе для окружающей среды и как следствие важность переработки таких отходов во вторичное сырье, желательно по экологичным технологиям. Также исследование показало, что доступность пунктов приема отработанных батареек в Энгельсе, да и в Саратове отсутствует. Необходима практическая реализация на уровне государства и местного самоуправления вопросов по сбору и утилизации химических источников тока.

По результатам исследования были сделаны предложения, имеющий прикладной характер.

3.РЕФЛЕКСИЯ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Цель и задачи, поставленные при написании проекта были достигнуты. Качество результатов изученного теоретического материала, практического обследования на предмет наличия пунктов приема отработанных химических источников тока, иных мест их сбора в России, в том числе в г. Энгельсе и г. Саратове  - высокое.

Проект позволил ознакомиться с видами и принципами работы химических источников тока, причинами негативного воздействия на экологию отработанных химических источников тока, ознакомиться с процессом сбора и утилизации химических источников тока в России и непосредственно провести обследование пунктов приема отработанных батареек и аккумуляторов и других мест их возможного сбора в г. Энгельсе и г. Саратове, расположенных в шаговой доступности от места жительства участников проекта.

 В процессе проведения исследования были приобретены практические навыки проведения аналитической работы, поиска научной информации из различных источников, ее систематизация. Были сделаны выводи и предложения по организации процесса утилизации химических источников тока в целях предотвращения загрязнения окружающей среды и ухудшения экологии.

В процессе реализации проекта были  получены навыки научной деятельности по изучению окружающего мира, выработаны способности к самостоятельной работе, умению пользоваться литературными источниками и Интернет-ресурсами. Были приобретены новые знания о химических источниках тока, их влиянии на экологию, и о необходимости их утилизации по окончании срока службы, которые будут использованы в процессе обучения на уроках химии, физики, ОБЖ, экологии, биологии.

В результате проведения исследования было получено эмоциональное удовлетворение от проделанной работы.

4. ИФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

1. Федеральный закон от 6 октября 1999 года № 184-ФЗ «Об общих принципах организации законодательных (представительных) и исполнительных органов государственной власти субъектов Российской Федерации»;

2. Комментарий к Федеральному закону от 24 июня 1998 г. № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» // Белокрылова Е.А., Лукомская А.С., Казанова А.И., Черевчина И.М., Бевзюк Е.А. (Подготовлен для системы КонсультантПлюс, 2013)

3. Диркова Е. Статья: А платите ли вы экологический сбор? // «Практическая бухгалтерия», 2017, N 8; «Расчет», 2017, N 9)

4. РИА Новости/Аврора . Е. Рузлева, В. Кривко, А. Андреев, П. Касаткин // URL: https://ria.ru/spravka/20131121/971073902.html

5. Курс физической химии, т. II, под ред. чл.-коро. АН СССР проф. Я.И. Герасиова. Издание 2, испр., М., «Химия» 1973.