Разработка экологических технологий в производстве источников энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат технических наук Бабаев, Олег Николаевич

• Бабаев, Олег Николаевич
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бабаев, Олег Николаевич

Общая характеристика работы. Введение.

Глава I. Основное содержание работы. Литературный обзор

1.1. Щелочные химические источники тока.

12. Повышение экологии производства ХИТ за счет вывода ртути из анода.

1.3. Ингибиторы и химические источники тока.

1.4. Дисперсность цинковых анодов в химических элементах.

1.5. Состав анода и характеристики элементов.

1.6. Влияние состава катода на характеристики ХИТ.

1.7. Особенности цитирования МЦ-аккумуляторов.

1.8. Электролиты и температурные диапазоны рабош ХИТ.

Глава П. Методика исследований

2.1. Объекш исследования.2$

22. Поляризационные измфения.

2.3. Вращающийся дисковый элеюрод с кольцом.

2.4. Термодинамика кислородного электрода.34.

2.5. Определение параметров процесса элегаровосстановления кислорода.

Глава Ш. Оптимизация электрохимических процессов, протекающих в источниках тока

3.1. Цинк>воз12оаш1ьга химический элемент.;;.

3.2. Накопительные конденсаторы сверхбольшой емкости.

Глава IV. Особенности анодного растворения серебра

4.1. Анодное окисление серебра в растворах роданида калия.

Глава У.Механизм анодного растворения свинца; цинка, кадмия в раСТВОраХ ХЛОрИДОВ, СуЛЬфаТОВ.;.С.;;.

5.1. Кинетика окисления свинца в растворах НСХ+КСЬ

5.2. Исследование процесса ионизации свинца в растворах хлоридов.

5.3 Кинешка и механизм анодного окисления цинка в растворах KCL.

5.4 Анодное окисление кадмия и цинка в нейтральных растворах сульфатов.

Глава VL Исследование кинетики растворения: анодов сплавов ХИТ методом хроноамперометрии

6.1. Пространственно-временной профиль концентрации ЭОК в ходе растворения сплава i анода ХИТ при стационарном массоперенос.

6.2. Пространственно-временной профиль концентрации ЭОК в ходе растворения сплава катода ХИТ и его ионов при нестационарном массопереносе.

6.3. Оценка концентрации ЭОК на поверхности растворяемого сплава.

Глава VII. Физико-химические процессы создания накопительных конденсаторов сверх большой емкости.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка экологических технологий в производстве источников энергии»

Научная проблема. Выпускаемые в настоящее время химические источники тока (ХИТ) все еще имеют недостатки: высокий расход цветных, экологически вредных металлов, невысокую энергию на единицу массы и объема. Несмотря на широкое разнообразие неводных электролитов, использование лития и других активных металлов, широко используются свинец, кадмий, цинк, никель, марганец, ртуть. Данные металлы обладают токсическим действием, загрязняют среду обитания человека, тем самым оказывают негативное, опосредованное во времени, воздействие не только на здоровье человека, но и на окружающую флору и фауну.

Особенно опасно неконтролируемое распространение ртути и ее * соединений, обусловленное проблемами утилизации отработанных источников тока, которые зачастую просто выбрасываются. Коррозия элементов корпуса способствует попаданию их в почву, далее в воду, а с ней опять к человеку. В связи с этим современная технология должна обеспечивать не только высокую эффективность работы ХИТ, но и способствовать уменьшению возрастающего воздействия химических веществ антропогенного характера на среду производства и обитания человека. Неуправляемое техногенное воздействие на окружающую среду приводит к необратимому нарушению экологического равновесия в природе и тем самым разрушает ее.

Использование электрохимии, знание кинетики и механизма протекания электродных процессов, в частности электровосстановления кислорода на новых материалах (активных углях) позволяет не только удешевить производство, повысить энергоемкость элементов, но и решить экологические проблемы производства.

В связи с этим в данной работе изыскивались научно-технические возможности улучшения воздушно-цинковых ХИТ. За счет разработок состава и конструкции катода, анода и самого элемента удалось решить проблему низких скоростей адсорбции и ионизации кислорода и добиться повышения электрокаталитической активности восстановления кислорода на поверхности угольных .электродов в результате применения гид-рофобизирующих материалов. С этой целью были проанализированы основные факторы, влияющие на работоспособность и условия эксплуатации воздушно-цинковых ХИТ. В качестве прототипов были выбраны элементы германской фирмы Ватра и японской Панасоник. Близость равновесного потенциала кислородного электрода к потенциалам многих окислителей, его неограниченные запасы обусловили широкое использование кислорода воздуха в качестве активного вещества положительного электрода. Разработка эффективных воздушных электродов, простых в изготовлении, не содержащих катализаторов восстановления кислорода из благородных металлов - актуальная и практически важная задача. "Сведение к минимуму содержания {пути (вывод ее и$ состава) в цинковом пастовом электроде позволяет решить экологическую проблему. Использование активных углей позволяет создать новый вид источников тока - накопителей энергии конденсаторного типа, где оба электрода из гидрофобизированного угля.

Актуальность темы определяет следующее:

- разработка миниатюрных дисковых цинк-воздушных элементов и их внедрение в производство на основе специализированной автоматизированной роторной линии сборки;

- разработка накопителей энергии конденсаторного типа высокой емкости на основе активных углей;

- совершенствование технологии изготовления как самого элемента в целом, так ц его отдельных электродов на основе оптимизации факторов, определяющих условия эксплуатации, работоспособности и сохранности;

- влияние состава тройного щелочного электролита на электрофизические характеристики ХИТ на основе активных углей марки СИТ и других;

- оптимизация процессов диффузии и восстановления кислорода на основе определения электрокаталитической активности гидрофобизи-рованных углей;

- определение условий эффективности удаления гидрофобизатора при исследовании процессов термообработки активных углей с целью разработки воздушных электродов со стабильными электрическими характеристиками;

- высокие удельные характеристики ХИТ напрямую связаны с гидрофобно-гидрофильными свойствами воздушных катодов, их составом и величинами прессования;

- исследование вариационного соотношения гидрофобизирован-ной сажи - активной массы в составе*катода - позволяет создавать газодиффузионные электроды с плотностью тока 100* 150 мА/см2 при поляризации 200*250 мВ;

- минимизация содержания ртути и вывод ее из состава цинкового анода позволяет решить экологическую проблему как производства ХИТ, так и последующей переработки отработавших источников;

- достижение теоретических значений емкости ^напряжения элементов в выбранных габаритах обуславливается высокой культурой сборки ХИТ (ручной или автоматизированной), особенно завальцовки герметизирующего узла; соответствием комплектующих изделий (крышка, корпус, кольцо) конструкторским чертежам;

- исследование процессов саморастворения цинкового анода, сплавов цинка с индием, ингибирование электролита позволяет обеспечить сохранность и долгосрочносгь работы ХИТ и открывает возможности совершенствования технологии изготовления как элемента, так и его отдельных компонентов;

- представления о природе поляризации электродов, кинетики лимитирующей стадии позволяют управлять процессами саморастворения (коррозии) сплавов и выявить специфическую роль состояния поверхностного слоя;

Цель работы: найти пути улучшения электрофизических характеристик воздушных электродов и создание на этой основе промышленной технологии изготовления гидрофобизированных угольных электродов, опытных и промышленных партий ХИТ, а также накопителей энергии высокой емкости. Разработка экологически чистого цинкового анода с выведением ртути из его состава с одновременным сохранением долгосрочное™ работы и сохранности элементов.

Научная новизна:

- определена электрокаталитическая активность восстановления кислорода на гидрофобизированных активных углях, определены температурные режимы и условия гидрофобизации; *

- отработаны составы пастовых цинковых анодов с минимальным содержанием ртути и без нее;

- оптимизирован состав электролита и условия прессования воздушных катодов;

Практическая ценность. Разработана технология изготовления гидрофобизированных угольных электродов с высокими удельными характеристиками для цинк-воздушных ХИТ с определением условий эксплуатации элементов. Отработана технология сборки миниатюрных дисковых ХИТ в габаритах ВЦ-43 (0 11,8; Ь = 4,2 мм). На основе технического задания на ВЦ-43 спроектирована и изготовлена автоматизированная роторная линия сборки элементов и внедрена на Воронежском заводе "Риф" . На элемент оформлен комплект конструкторской технологической документации, стандарт предприятия. Выпускаются промышленные партии воздушно-цинковых ХИТ. На основе угольных электродов отработаны и выпущены партии ^рсопителей энергии сверхвысокой емкости, в которых используется Э|ффект накопления зарядов на развитой межфазной поверхности. Хорошо показали себя в качестве резервных источников питания в бытовой технике и в виде стартерных систем запуска двигателей и блоков питания.

Автор считает, что совокупность результатов по разработке воздушных катодов, безртутных цинковых анодов, внедрение в производство цинк-воздушных ХИТ с определением условий изготовления и сборки на многопозиционной роторной линии сборки и эксплуатации ВЦ-43, разработка накопителей энергии конденсаторного типа и исследования механизмов и кинетики растворения серебра, олова вносят вклад в такие научные направления как охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов, технологию электрохимических производств, химическое сопротивление материалов и защиту от коррозии, экологию. • » • на защиту выносятся

- научное обоснование технологии изготовления цинк-воздушных ХИТ на основе гидрофобизируемых углей и безртутных цинковых анодов и накопителей энергии конденсаторного типа;

- стадийные механизмы растворения цинка по последовательным одноэлектронным стадиям с участием анионов среды;

- механизм и кинетика восстановления кислорода в щелочнвх средах;

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Апробация работы. Результаты работы в форме сообщений, докладов, тезисов обсуждались на симпозиумах, конференциях и семинарах разного уровня в Ярске (2001 г.), Липецке (2001 г.), Воронеже (1998-2001 гг.) на годичных научных сессиях государственного технического университета. Оформлен комплект конструкторской и технологической документации на ХИТ и накопители конденсаторного типа .

Заключение диссертации по теме «Экология», Бабаев, Олег Николаевич

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Бабаев О.Н., Курочкин Р.Н., «Накопительные конденсаторы высокой емкости». Тез.докладов Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2001г., стр.124-125. »

2. Бабаев О.Н., Курочкин Р.Н., Стекольников Ю.А., «Воздушные электроды на основе активных углей для химических источников тока». Экология ЦЧО РФ, Липецк, 2001г., №2, стр 118-122.

3. Бабаев О.Н., Курочкин Р.Н., Стекольников Ю.А., «Современные щелочные химические источники тока», Научно-практический вестник «Энергия», Воронеж, 2001г., №3 , стр. 39-44.

4. Бабаев О.Н., Курочкин Р.Н., Стекольников Ю.А., «Влияние хромирования на физико-химические свойства металлов» Экология ЦЧО РФ, Липецк, 2001г., №2 стр. 122-126

5. Бабаев О.Н., Курочкин Р.Н., Стекольников Ю.А., «Экологические проблемы хромирования», Экология ЦЧО РФ, Липецк 2001г., № 2 стр. 114-116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Систематическое исследование активируемых углей и определение скоростей парциальных процессов в последовательно-параллельном механизме восстановления кислорода показало, что процесс протекает одновременно в щелочном растворе через стадию непосредственного восстановления до воды и через промежуточное образование перекиси водорода. Выявлены отличительные особенности электрокаталигического восстановления кислорода на ряде активируемых углей и выбран наиболее активный уголь - СИТ-1. За счет разработок состава угольных катодов в результате применения гидрофобизирующих материалов удалось решить проблему низких скоростей адсорбции и ионизации кислорода Проанализированы факторы, определяющие работоспособность и условия эксплуатации воздушно-цинковых ХИТ, а также накопителей энергии высокой емкости. Из состава анода выведен экологически вредный компонент- ртуть. Стабильность разрядных характеристик достигнута за счет использования в составе анода- вместо цинка- его сплава с индием, а также ингибиторов коррозии в составе щелочного электролита таких как я-аминоацетат и бензотриазол. Предложена эффективная технология изготовления воздушных электродов без использования катализаторов восстановления кислорода из благородных металлов. Предложенная технология обеспечивает высокую эффективность работы ХИТ и уменьшает воздействие химических веществ антропогенного характера на среду производства и обитания человека. Тем самым снижается неуправлаемое техногенное воздействие на окружающую среду и экологическое равновесие в природе. Выведение ртути из состава анодов ХИТ позволило решить проблемы утилизации отработавших иррчников тока и неконтролируемое распространение соединений ртути , зачастую попадающих в почву, воду в результате коррозии корпуса ХИТ. Это позволяет «очистить» среду обитания человека, окружающую флору и фауну, т.к. из сферы производства ХИТ выводятся токсические соединения. ио