大学化学实验论文

091130088 吕婷 化学化工学院

指导教师：吴三械

摘要：废弃电池对人类生存环境的危害正在日益加重并日趋明显，并且电池废弃后也造成了大

量金属资源的浪费。废电池中含有许多可以再生利用的材料，尤其是其中大量的锰资源。本文即主要介绍了以草酸为还原剂从废锌锰干电池中回收锰并制备碳酸锰的实验室方法。

关键字：锌锰干电池，资源回收利用，草酸法，碳酸锰

一、 背景介绍

锌锰电池是日常生活中最常用的一次电池，使用方便，应用广泛。但如果随意丢弃，会对环境产生巨大污染。据报道，一节锌锰电池能使1M2的土地失去使用价值，电池中的汞、铅等重金属渗透土壤，污染地下水，进入生物链，会直接威胁人体的健康。而且废旧电池乱弃也造成了大量金属资源的浪费，尤其是锰资源。目前，回收废旧电池已经是国内外众多专家很重视的一个研究课题，但尚无较好的处理方法。当今世界，随着锰工业的发展，高含量的锰矿渐趋枯竭，因此探讨由含锰量很高的废旧锌锰电池制取高纯碳酸锰的途径具有十分重要的现实意义，也符合绿色化学的核心理论。

草酸法回收利用废弃电池原料易得，来源广泛，价格便宜。反应条件温和，常温下即可

顺利进行，无须催化剂，酸度不是很高，使用水作为溶剂。反应对设备要求低，且对环境友好，副产物无污染。反应能源消耗低，反应速度快，生产流程短，产率和纯度都较高，是比较适合工业生产的一种方法。

二、 实验过程

(一) 实验仪器和药品

仪器：镊子、剪刀、100ml烧杯2个、250ml烧杯2个、玻璃棒2个、减压过滤装

置、三角架、煤气灯、蒸发皿、天平、分析天平、滴管2个、滤纸、小量筒、大量筒、滴定管、滴定管架

药品：硝酸银、硝酸、草酸、硫酸、过氧化氢、氯化铵—氨水缓冲溶液、碳酸钠、

10%盐酸羟胺溶液、0.05mol/l 左右的EDTA、铬黑T

(二) 实验目的

1. 了解由二氧化锰制备碳酸锰的不同方法，巩固并熟练无机制备的一些基本操作，掌握二氧化锰和碳酸锰的性质和主要用途。 2. 了解实验室制备和工业生产的不同之处。 (三) 实验原理

1. 废旧干电池的组成及危害

普通干电池由外包装、锌皮筒、多空隔离纸、白色糊状物（含氯化锌、氯化铵、淀粉和水）、黑色混合物（含二氧化锰、炭粉）等。此外，锌筒皮上方有沥青。 2. 二氧化锰和碳酸锰道德性质及主要用途

二氧化锰：黑色正交晶系晶体或黑色粉末，不溶于水和硝酸，溶于丙酮，溶于冷盐酸会产生氯气。二氧化锰是两性氧化物，遇到强还原剂时变现为氧化性，遇到强氧化剂时表现为还原性。二氧化锰可在干电池中作去极化剂、玻璃工业脱色剂、油漆油墨干燥剂、防毒面具吸收剂、火柴助燃剂等。

碳酸锰：玫瑰色三角晶系菱面体或无定形亮白色棕色粉末，不溶于水，稍溶于碳酸水和普通有机酸中，溶于稀无机酸。在干燥空气中稳定，潮湿时易氧化，形成三氧化二锰而逐渐变为棕黑色；受热分解时分解放出二氧化碳；与水共沸时即水解；在沸腾的氢氧化钾中，生成氢氧化锰。碳酸锰是电讯器材中群殴你工作铁氧体生成的原料、陶瓷颜料、清漆催干剂、肥料、医药、机械零件、磷化处理、锰盐制备的原料、催化剂原料、脱硫的催化剂。

3. 制备原理

电池内部和粘合物中含有炭粉、二氧化锰、氯化锌、氯化铵、淀粉等可能还含有少量的铁的化合物。先将混合物溶解搅拌并过滤直至滤液中午氯离子即可。将滤渣烘干灼烧以出去炭：

△ △

C+O2 CO2 2MnO2+C 2MnO+CO2↑

之后向灼烧后的物质中加入草酸、硫酸混合酸（控制PH值在3~7之间），将二氧化锰、氧化锰以及少量铁的氧化物溶解成草酸锰和草酸亚铁。想溶液中加双氧水将亚铁离子氧化为铁离子，在加入氯化铵—氨水混合溶液调节PH=5左右，是铁离子变为氢氧化铁沉淀，过滤除去氢氧化铁。向滤液中加入碳酸钠进行反应，生产碳酸锰。 4. 纯度分析

用铬黑T作指示剂，EDTA滴定二价锰离子，当溶液浓度变为钝蓝色色即为终点。此为配位滴定，注意慢滴多搅。 X（Mn%）==(V*C*0.05494*100)/G

V：EDTA体积；C：EDTA浓度；G：样品质量； 0.05494：每毫摩尔Mn之克数 (四) 实验步骤

1.废旧干电池的处理 用剪刀剪开锌皮筒，拆开电池，将其中的黑色混合物用镊子取出放在洁净的小烧杯中，加入适量蒸馏水，搅拌过滤，充分洗涤滤渣，直至滤液中无氯离子为止。 2.二氧化锰的处理回收

将滤渣烘干灼烧至五火星后再灼烧几分钟，冷却。称取5g灼烧后物质，称取 3.0g草酸并与10ml 6mol/l 的硫酸混合溶解，将混合酸缓慢加入灼烧后的物质中，水浴加热，直至固体完全溶解，再逐渐加入3%双氧水至溶液由浅绿色变为黄色，加入适量氯化铵—氨水缓冲溶液，搅拌过滤后除去氢氧化铁。 3.碳酸锰的制备

在滤液中缓慢逐滴滴加碳酸钠，边滴加边搅拌，静置后在上层清液中再滴加一滴碳酸钠来检验。若有沉淀，则继续滴加碳酸钠至沉淀完全。 4.碳酸锰的处理

将溶液减压过滤，抽干，干燥沉淀，称量所得沉淀的质量。 5.碳酸锰含量分析

称取0.18g样品，称准至0.0002g，加20ml 水，滴加6mol/l HCL，水浴加热至样品溶解。必要时加入1~2滴双氧水溶液至暗色褪去，再加100ml 水，2ml 10%盐酸羟胺溶液。用0.05mol/l EDTA 标准液滴定，近终点时，加20ml 氨水—氯化铵溶液，5滴5%铬黑T指示剂，继续滴定溶液由紫红色变为钝蓝色。 (五) 实验数据记录

C（EDTA）==0.05138mol/l 1 2 序号 0.1788 0.1760 M试样/g V0/ml 0.02 0.00 Vend/ml 25.68 25.18 V/ml 25.66 25.18 Mn/% 40.51 40.39 40.45 平均Mn/% 相对相差 1.48*10-3

三、 结果与讨论

(一) 简要分析一下其他几种回收方法的优缺点

1. 盐酸法:需在密闭条件下反应，仪器较复杂，产率低，对环境不友好，反应副产

物氯气需对环境污染大，须用碱液吸收。虽然工业上可以将二者联合起来，同时

以氯气生产NaClO消毒液，但总体来说该法不适合。

2. 活性炭法：反应需较高温度，能源消耗大，对设备要求也高，但可利用电池中的碳粉作为还原剂（另补加适量活性炭），可充分利用废电池。

3. 双氧水法：反应条件要求低，原料廉价易得，反应对环境也友好，产率高，纯度也较高，很适合工业上大量生产。 4. 浓硫酸法：反应涉及浓酸，对设备要求很高，且会产生SO3酸雾，对环境污染大，

产率低，但由于还原反应不涉及其它试剂，引入杂质机会少，产品纯度高。总体来说不适合工业生产。 (二)对草酸法的讨论 1.对反应条件的控制

1）在像灼烧后的物质中加入草酸和硫酸的混合酸时，要注意缓慢滴加，并且水浴

温度不要太高，否则将导致草酸的分解。

2） PH 氢氧化物 开始沉淀 沉淀完全 1mol/l 0.01mol/l 浓度 6.5 7.5 9.7 氢氧化亚铁 1.5 2.3 4.1 氢氧化铁 7.8 8.8 10.4 氢氧化锰 由以上表格知，必须将亚铁离子氧化成铁离子才能除去，否则会使锰有所损失，而且一定要调节好溶液的PH，加双氧水时注意观察溶液颜色，以免造成原料浪费。 3）滴入碳酸锰至二价锰离子溶液中，一定要缓慢滴加避免局部碱性过大而使二价锰离子氧化，也要注意酸性不要太强，否则碳酸盐会分解。 2.对产率和纯度的讨论

草酸和亚铁离子反应生成草酸亚铁沉淀，所以在本实验的条件下，由于电池中铁

的化合物含量比较高，使得部分草酸与亚铁离子反应生成了沉淀；而且草酸在加热条件下容易分解，在水浴加热时也会损失一部分，从而导致了电池中锰含量偏低这一结果。

3.关于能源消耗和环境污染的讨论

草酸法反应条件温和，常温下即可顺利进行，没有很大的能源消耗。 反应对环境友好，不产生有毒有害副产物，无需进行二次污染处理。 四、 工业分析

原料成本核算

价格(液体为每500ml的价格,固体为每500g的价格) 碳酸锰 碳酸钠 草酸 硫酸（浓） 氨水 过氧化氢 药品 价格（￥） 用量 9.00 3.5g 17.70 3.6g 6.00 10/3ml 5.00 2ml 8.00 1ml 30 3.67 —— 0.127 0.040 0.020 0.016 总价（￥） 0.063 注：硝酸和硝酸银只是为了检验是否含有氯离子，故用量忽略。 原料成本：0.063+0.127+0.040+0.020+0.016=0.266（￥） 产物价值：3.67*30.00/500=0.220（￥） 尽管产物价值在实验室条件下低于原料价值，但一般就工业生产来说，随着原料量和产物量的增加，产物的产率会有所提升，这样就原料成本就可低于产物价值了。而且作为环保工程，废旧电池的回收对环境保护和人类发展都有重要意义，相关部门应予以政策和资金上的支持来保证该产业的进行。

五、 参考文献 1.张胜涛，王林，韩涟漪. 废旧电池的危害及其回收利用. 电池工业，2002，7(1)：3~8． 2.兰嗣国等. 废旧干电池回收利用的必要性和可行性分析, 环境科技进展, 中国环境科学出版社, 1999 , 10

3. 高玉华，陈传祥. 锌锰废电池中锌锰的回收工艺. 环境科学与技术，2006，29(9)：83~84

4. 张丽芳. 废旧电池的回收和利用. 北京石油化工学院学报，2006，14(3)：26~29