Современный человек в своей деятельности использует большое количество разнообразных устройств, нуждающихся в автономных источниках энергии. Это радиоприемники, плейеры, телефоны, электронные записные книжки, портативные компьютеры, часы, калькуляторы, фотоаппараты, пульты дистанционного управления, электроинструменты и т.д. Их работу обеспечивают химические источники тока (ХИТ) – устройства, преобразующие химическую энергию протекающих в них окислительно-восстановительных реакций в электрическую энергию.

Ежегодно во всем мире производится более ста миллиардов различных ХИТ. С ростом числа устройств, нуждающихся в автономных источниках электроэнергии, растет и число обеспечивающих их работу химических источников тока. Количество используемых в ХИТ электрохимических систем достаточно велико. Среди первичных (одноразовых) источников тока наиболее распространенными являются марганцево-цинковые (с солевым и щелочным электролитом), воздушно-цинковые, серебряно-цинковые, ртутно-цинковые и литиевые источники тока; среди вторичных (аккумуляторов) никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и литий-ионные. Все ХИТ, таким образом, содержат различные металлы, в том числе ртуть и кадмий, поэтому после окончания срока службы представляют собой явную экологическую проблему. Во многих странах эта проблема решена – налажен сбор и переработка всех или отдельных типов источников тока (как аккумуляторов, так и одноразовых источников). В России массовый сбор и переработка источников тока не производится, отработанные ХИТ отправляются вместе с бытовыми отходами на свалки и мусоросжигательные заводы, в связи с чем, с одной стороны, происходит загрязнение окружающей среды токсичными веществами, с другой стороны, происходит потеря цветных металлов, содержание которых в ХИТ достаточно велико.

Основные типы используемых в быту химических источников тока

Классификация и обозначения ХИТ

Портативные химические источники тока делятся на две группы: первичные источники тока и вторичные (аккумуляторы). Первичными источниками тока принято называть ХИТ, работа которых основана на практически необратимых окислительно-восстановительных реакциях. Таким образом, это одноразовые источники тока и длительность их работы определяется запасом вступающих в реакцию реагентов, после израсходования которого первичные ХИТ, как правило, теряют работоспособность. Аккумуляторы отличаются тем, что в них протекают обратимые окислительно-восстановительные реакции – при пропускании тока от внешнего источника реагенты в них способны регенерироваться. Следует отметить, что деление на первичные и вторичные источники тока достаточно условно, т. к. иногда первичные источники тока могут быть повторно заряжены (например, марганцево-цинковые при определенных условиях). Однако повторный заряд первичных ХИТ не рекомендуется, поскольку в этом случае уменьшается надежность их работы (появляется вероятность протекания электролита), к тому же перезаряд экономически невыгоден – отдаваемая энергия в этом случае дороже.

Наименование каждого источника тока основано на его электрохимической системе, при этом необязательно, чтобы названия веществ, используемых на электродах, в точности совпадали с названием ХИТ. Следует отметить также, что знаки электродов в ХИТ противоположны знакам, принятым при электролизе: анод представляет собой отрицательный электрод, а катод – положительный.

Первичные источники тока можно разделить на ХИТ с водным электролитом и ХИТ с неводным электролитом (литиевые). Наиболее распространенными ХИТ первой группы являются марганцево-цинковые, серебряно-цинковые, ртутно-цинковые и воздушно-цинковые, второй группы – литий-диоксидмарганцевые, литий-тионилхлоридные и литий-полифторуглеродные. Вторичные источники тока (портативные) можно разделить на щелочные, к которым относятся никель-кадмиевые и никель-металлгидридные ХИТ, и литиевые ХИТ.

Первичные и вторичные ХИТ могут представлять собой как отдельные элементы (в случае первичных источников тока они называются гальваническими, в случае вторичных – аккумуляторными), так и батареи элементов. В обиходе, как правило, батарейками называют и гальванические элементы, и батареи элементов, что, по сути, неправильно. Конструкции ХИТ (и элементов, и батарей из них) могут быть различными: существуют цилиндрические, дисковые, призматические ХИТ, а также ХИТ оригинальной конструкции (например, полукруглые или овальные).

Для унификации габаритных размеров и токовыводов выпускаемых в разных странах ХИТ, Международной электротехнической комиссией (МЭК / IEC), входящей в состав Международной организации по стандартизации (ISO), утверждены типоразмерные ряды химических источников тока, а также их индексация. Обозначение ХИТ, принятое МЭК, представляет собой четыре группы символов: одной-двух цифр (число элементов в батарее); одной-двух букв (обозначение электрохимической системы и часто рабочего напряжения); одной-двух цифр (габаритные размеры). Буква S, стоящая чаще всего в конце обозначения, соответствует элементам со стандартной емкостью (работающих в режиме малых токов), С – элементам с большой емкостью (на 25-30% больше, чем у S), Р – элементам с большой мощностью (большей, чем у S и С, при емкости, примерно равной С).

На практике классификация МЭК используется не всегда. Производители обычно маркируют источники тока в соответствии со своими национальными и фирменными стандартами, в этом случае индексация МЭК может только дублировать их. В основе всех стандартов на элементы и батареи (и государственных, и фирменных) обычно лежат рекомендации МЭК. Во многих странах они повторяются в государственных стандартах, но в ряде стран, например, США, ФРГ и Японии, имеются отличия, как в государственных, так и в фирменных стандартах. Как правило, любое условное обозначение ХИТ дает информацию о габаритных размерах, электрохимической системе и конструкции данного ХИТ. Ниже представлены рекомендуемые для использования международным и некоторыми государственными стандартами обозначения наиболее распространенных электрохимических систем и типоразмеров ХИТ соответственно.

Обозначения электрохимических систем ХИТ в некоторых стандартах

Основные типоразмеры источников тока

Воздействие отработанных ХИТ на окружающую среду

Количество потребляемых в настоящее время химических источников тока достаточно велико: это десятки, а, возможно, и сотни миллиардов разнообразных источников тока, производимые во всем мире каждый год. Число устройств, нуждающихся в автономных источниках электроэнергии, увеличивается, соответственно растет и число обеспечивающих их работу химических источников тока. В связи с этим воздействие на окружающую среду, которое оказывают отслужившие свой срок источники тока, может быть весьма значительным – все зависит от того, что происходит с отработанными источниками тока.

В том случае, если не производится отдельный сбор отработанных источников тока и не осуществляется раздельный сбор мусора у населения, то отслужившие свой срок химические источники тока, являясь частью бытовых отходов, отправляются вместе с ними на полигоны, сжигание или переработку – в зависимости от существующей системы обращения с бытовыми отходами.

В нашей стране основная часть бытовых отходов отправляется на свалки и полигоны. Небольшая их часть (около 3%) направляется на мусоросжигательные заводы. Высокие температуры, которые поддерживаются в печах сжигания отходов для обеспечения разложения токсичных органических соединений, присутствующих в дымовых газах мусоросжигательных установок, обуславливают интесивное испарение металлов. Образующиеся дымовые газы проходят определенную очистку от взвешенных твердых частиц пыли и от газообразных вредных веществ, однако некоторое количество тяжелых металлов концентрируется в тонкой фракции (менее 2 мкм), которая не улавливается в очистных установках и выбрасывается в атмосферу. Таким образом, в случае сжигания отработанных источников тока вместе с бытовыми отходами они являются источником загрязнения атмосферы такими металлами, как цинк, марганец, кадмий и ртуть.

Например, при сжигании вместе с ТБО одного никель-кадмиевого аккумулятора типоразмера АА (т.н. "пальчикового"), масса которого составляет примерно 20 г, в отходящие газы переходит до 3 г кадмия в виде паров и летучей золы, часть этого количества задерживается очистными сооружениями, часть – выбрасывается в атмосферу (12%, что составляет 0,36 г). Попадание одной марганцево-цинковой "батарейки" (так же размера АА) в сжигаемые ТБО приводит к выделению в отходящие газы до 4 г цинка, при этом выбрасывается в атмосферу 4%, что составляет 0,045 г. Предельно допустимая среднесуточная концентрация оксида кадмия в атмосферном воздухе составляет 0,0003 мг/м3, оксида цинка – 0,05 мг/м3 (ГН 2.1.6.1338-03). Кроме того, в столь распространенных марганцево-цинковых источниках тока может содержаться ртуть (в виде хлорида). Таким образом, очевидно, что сжигание источников тока вместе с бытовыми отходами недопустимо.

При попадании на свалки вещества, содержащиеся в выброшенных источниках тока, постепенно, под действием естественных факторов, переходят в окружающую среду. Пусть этот процесс происходит медленно, но он все же происходит, и цинк, никель, хлор, марганец, кадмий, ртуть и различные органические соединения (пропиленкарбонат, 1,2-диметилсульфоксид) попадают в окружающую среду. В том случае, если была нарушена целостность оболочки источника тока, его разрушение, естественно, происходит гораздо быстрее. При коррозии литиевых элементов в том случае, если металлический литий при их разряде был израсходован неполностью, появляется вероятноять их возгорания, что также опасно в случае попадания этих элементов на свалки.

При отсутствии контроля содержания ртути в источниках тока их попадание на свалки особенно опасно. В 70-х годах в Японии было проведено опытное захоронение (закапывание) отработанных ртутьсодержащих марганцево-цинковых источников тока. По итогам работы были сделаны выводы о недопустимости их непосредственного закапывания без предварительной обработки. Кроме того, в 80-х годах в японской литературе появилось сообщение о возможности превращения ртути под воздействием микроорганизмов в почве как в стабильный сульфид ртути, так и в токсичную метилртуть.

Таким образом, при сжигании и хранении на свалках вместе с бытовыми отходами отработанные источники тока представляют собой источник поступления токсичных веществ в окружающую среду. С другой стороны, отработанные ХИТ могут рассматриваться как потенциальный источник металлов – цинка, марганца, кадмия, никеля и редкоземельных элементов (РЗЭ), поскольку содержание в них металлов зачастую выше, чем в перерабатываемых рудах. Например, при существующем уровне потребления марганцево-цинковых ХИТ в России более 1 миллиарда штук в год ежегодно отправляется на свалки не менее 3000 тонн цинка, 5000 тонн железа и 6500 тонн марганца (в действительности эти величины, скорее всего, больше). Организация сбора и последующей переработки отработанных источников тока позволяет решить одновременно две задачи: предотвратить рассеивание токсичных веществ в окружающей среде и не допустить потерь цветных металлов. Во многих странах проблема отработанных источников тока решена именно таким образом.

распечатать