Экологические проблемы ... :: УКРАЇНСЬКА АСОЦІАЦІЯ ВИРОБНИКІВ ХІМІЧНИХ ДЖЕРЕЛ СТРУМУ

С позиции современных экологических требований, успешность массового выпуска и эксплуатации химических источников тока (ХИТ) невозможна без обеспечения безопасности работающего персонала и окружающей среды. Жесткая позиция экологов, обеспокоенность широких слоев населения цивилизованных стран состоянием окружающей среды, ужесточение требований к опасным отходам, привели к тому, что многие фирмы вынуждены разрабатывать и внедрять технологии утилизации.

В настоящее времяодной из основных проблем при производстве как традиционных, так и ряда новых вариантов ХИТ, является проблема сырьевых ресурсов. Рост цен на все виды необходимых для аккумуляторной промышленности материалов останется в обозримом будущем постоянно действующим фактором. В наиболее распространенных вариантах ХИТ используются значительные количества цветных металлов: свинца, никеля, кадмия, марганца, цинка. В настоящее время становится все более актуальным вопрос о квалифицированном сборе и переработке отработанных химических источников тока. Он имеет аспекты как сырьевые, так и экологические. С одной стороны, отработанные источники тока являются одним из видов вторичного сырья для металлургической промышленности, с другой – источником токсичных веществ. Изложенные выше проблемы рассмотрены в настоящей статье на примерах ХИТ различных электрохимических систем.

1. Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (АКБ).

Одной из главных проблем производства свинцово-кислотных аккумуляторов является обеспечение свинцом. За последние десятилетия в промышленности наблюдается рост потребления свинца на уровне 5 – 10 % . Годовое потребление свинца достигло в 2007 году 8,2 млн. тонн. Основная масса свинца расходуется на производство кислотно-свинцовых аккумуляторов. «Анализ мирового потребления свинца показывает увеличение процента вторичного свинца до 85 - 90 % .

Вопрос обеспечения аккумуляторного производства свинцом, получаемым из вторичного сырья, в условиях отсутствия в Украине разработанных свинцовых месторождений, становится первостепенным.

Одним из основных источников сырьевой базы для производителей свинцово-кислотных АКБ является аккумуляторный лом (отслужившие срок батареи). Имеющиеся ресурсы батарейного лома делятся на два вида: контролируемые и проблемные. Контролируемые – это ресурсы свинца, который содержится в АКБ, эксплуатируемых корпоративными владельцами автомобилей, тракторов, комбайнов и промышленных батарей. Проблемные ресурсы – это ресурсы свинца, содержащегося в АКБ легковых автомобилей частных владельцев. Система сбора таких батарей на Украине практически отсутствует.

В промышленно развитых странах сбор батарейного лома доведен до 95 - 97 %.

Сбор и утилизация некоторых видов лома свинца (в частности отработанных свинцово-кислотных АКБ) затрагивает вопросы безопасности работников и воздействия на окружающую среду.

Ведущие зарубежные страны постепенно ужесточают экологические требования к производству ХИТ, к утилизации отработанных источников, к уровню защиты работающего персонала.

В настоящее время свинец занимает первое место среди причин промышленных отравлений. Свинец и его соединения относятся к вредным веществам первого класса опасности. Отравление свинцом «сатурнизм» наблюдается у рабочих, постоянно имеющих дело со свинцом и его соединениями. При попадании в пищеварительный тракт свинец и все его соединения вызывают тяжелые, острые отравления. Пыль, содержащая свинец, вызывает хронические отравления при длительном контакте с кожей, особенно со слизистой оболочкой дыхательных путей. Степень отравления свинцом определяется по концентрации его в крови (безопасный уровень 0,2-0,8 x 10^-4%). Попавший в организм свинец выделяется очень медленно. К сожалению, до сих пор не существует эффективного метода лечения свинцового отравления. Следует отметить тенденции к ужесточению и глобализации нормативов, определяющих предельно допустимое содержание свинца в крови работающих.

На сегодняшний день ужесточение экологических требований к производству ХИТ и к уровню защиты работающего персонала становится средством конкуренции на рынке батарей.

Кроме свинца и его соединений (в виде шлама), экологическую опасность в отработанных АКБ представляет электролит, содержащий, кроме серной кислоты, другие токсичные компоненты. Квалифицированный сбор и утилизация некоторых видов лома свинца (в частности отработанных АКБ) является одной из важнейших экологических проблем. Электролит из отработанных аккумуляторов способен глубоко проникать в почву, перенося соли свинца в подземные воды. Предельно допустимая концентрация свинца в питьевой воде на два порядка ниже, чем для других элементов, и составляет 0,01 – 0,03 мг/л. Одной из наиболее трудоемких операций в переработке батарейного лома, является операция по разделке свинцово-кислотных АКБ на составляющие.

В настоящее время существуют автоматические и полуавтоматические установки, позволяющие производить разборку свинцово-кислотных АКБ, утилизировать свинец и пластмассы. Например, в результате гидрометаллургической переработки получают отмытые и разделенные по фракциям порошки пластмасс, порошок свинца, порошки оксидов и сульфат свинца.

2. Щелочные аккумуляторы и аккумуляторные батареи.

Отработанные щелочные никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы содержат значительные количества цветных металлов. Однако использование их в качестве вторичного сырья для металлургии имеет ряд проблем, прежде всего экологических.

Неквалифицированный сбор и утилизация отработанных ХИТ является угрозой для окружающей среды. В настоящее время большинство фирм, занимающихся сбором и переработкой отработанных щелочных источников тока, токсичный электролит, зачастую просто сливают без соответствующей нейтрализации, а полученный лом переплавляют, и если печь не оборудована специальными улавливающими фильтрами, токсичные пары выбрасываются в атмосферу, отравляя значительные площади.

Технология изготовления щелочных аккумуляторов существенно отличается от технологии производства свинцово-кислотных АКБ. Следовательно, значительные различия есть и в методах переработки вторичного сырья. Объемы поступлений отработанных щелочных аккумуляторов, в связи с большим сроком службы и меньшей емкостью рынка, значительно уступают объемам свинцово-кислотных АКБ.

Украина не имеет собственных источников сырья для изготовления щелочных источников тока, и предприятие вынуждено приобретать весьма дорогое сырье (гидрат закиси никеля, окись кадмия, цинковый порошок и т.д.) за рубежом. Отработанные щелочные аккумуляторы как раз и являются источником вторичного сырья, способного повлиять на снижение стоимости конечной продукции.

3. Химические источники тока других систем.

За последние годы существенно сократилось производство очень токсичных ртутно-цинковых ХИТ, а в большинстве марганцево-цинковых источников ртуть полностью исключена. Однако, кроме указанных металлов, бытовые источники тока, содержат весьма опасные вещества (например, щелочь).

Таким образом, проблемы сбора и утилизации малогабаритных ХИТ остаются крайне важными, однако они в настоящее время практически не решены.

При решении этих вопросов необходимо учитывать постоянное увеличение объемов малогабаритных ХИТ традиционных систем, а также нерентабельность сбора и переработки источников, отработавших свой ресурс.

Необходимость утилизации литиевых ХИТ обусловлена тем, что их компоненты (литий, его соединения, электролит, катодные материалы и пр.) являются экологически опасными и могут привести к значительному загрязнению окружающей среды. Следует также отметить повышенную пожароопасность указанных источников тока. К ситуации разогрева и взрыва могут привести как электрическое воздействие (короткое замыкание, перезаряд), так и механическое и термическое воздействие.

Целым рядом авторов предлагались различные технологии утилизации литиевых ХИТ, позволяющие обезвредить наиболее опасные компоненты, а также вернуть в производство ряд ценных материалов (литий и его соли, катодный материал, конструкционные материалы).

Ряд технологических схем переработки литиевых ХИТ состоит из операций вскрытия источников, извлечения и нейтрализации электролита, обработки катодного материала, перевода лития в раствор и т.д. Получение металлического лития производится электролитическим и алюмотермическим способом. Следует учитывать, что в отработанных литиевых ХИТ остается запас металлического лития, который, вместе с горючим электролитом, значительно затрудняет операцию их вскрытия. В зависимости от электрохимической системы и типа ХИТ, применяются различные способы вскрытия: механический, электролитический и способ с применением лазерного пучка.

Эксперты считают целесообразным утилизацию литиевых ХИТ проводить на предприятиях, где их изготавливают.

Проблемой утилизации литиевых ХИТ на Украине занимались в Днепропетровском национальном университете железнодорожного транспорта. Учеными этого учреждения разработана технология переработки использованных и некондиционных литиевых мощных батарей, полученных из организаций военно-промышленного комплекса. Схема технологического процесса утилизации включает основные стадии: сортировку по электрохимическим системам и снятие остаточной емкости.

Для крупногабаритных изделий целесообразно применять вскрытие элемента и разделение электродных пластин. Для малогабаритных, после стадии снятия остаточной емкости, предложено проводить измельчение, затем реактивную часть подвергнуть переработке. Предложенная технология обеспечивает соблюдение требований защиты окружающей среды. Она включает обезвреживание и комплексную переработку всех компонентов реактивной части с получением продуктов, представляющих коммерческую ценность.

Вопросы безопасной эксплуатации литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) имеют свою специфику. В случае короткого замыкания аккумулятора, реагенты внутри него способны разогреться до температуры 450 С^о , что может привести к взрыву. Для обеспечения безопасности в конструкцию ЛИА вводят дополнительные специальные элементы: отсекающий сепаратор, устройство положительного температурного коэффициента и токовый прерыватель. При высоких давлениях срабатывает клапан, выпускающий пары растворителя и останавливающий систему. Резюмируя сказанное выше, следует отметить необходимость создания в Украине эффективной и безопасной системы сбора, переработки и утилизации отработанных ХИТ различных электрохимических систем, габаритов и конструкций.

Решение вышеуказанных проблем на государственном уровне, позволит улучшить обеспечение основным сырьем отечественных производителей аккумуляторных батарей, усилить защиту работающего персонала и, главное, существенно уменьшить вредное воздействие на окружающую среду.

Ковальчук В.П.

Ступак О.П.

Ассоциация «ХИТ Украины»