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CARÁTULA DE TRABAJO

OBTENCIÓN DE METALES A PARTIR DE PILAS. Título del trabajo

MANG ZINC Pseudónimo de integrantes

CIENCIAS

AMBIENTALES ÁREA

LOCAL CATEGORÍA

INVESTIGACIÓN

EXPERIMENTAL MODALIDAD

0963040 Folio de Inscripción

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TÍTULO

OBTENCIÓN Y REUTILIZACIÓN DE METALES A PARTIR DE RESIDUOS DE

PILAS

RESUMEN

El presente trabajo de investigación expone la obtención de residuos

(mayoritariamente dañinos para el medio ambiente) a partir de las pilas alcalinas,

debido a que en las situaciones actuales que vivimos en el ambiente, en donde, la

contaminación está en un punto severamente crítico, se toma la iniciativa de

disminuir lo mas posible este problema.

Sabemos que la energía eléctrica provoca una reacción química, misma que, es

utilizada para la obtención de zinc puro, es por ello que se realiza una metodología

para recuperar dichos elementos, puesto que se tiene una idea de ser reutilizado ya

sea para el abastecimiento en los laboratorios estudiantiles del plantel o en su

defecto para la eficiencia del mismo, para esto las pilas son desarmadas, es así

como se obtiene óptimamente los residuos.

Si bien, podemos resaltar que el proceso pasó por un tratamiento térmico que

contribuye para la formación de óxidos, como también para la obtención del

componente metálico, por otro lado, se hicieron cuantitativas las relaciones entre los

reactivos y productos de nuestra reacción química para que así se obtuviera

mayoritariamente el zinc puro de la solución, estos métodos fueron de gran ayuda y

necesarios para llevar a cabo esta investigación.

La percepción de lo anterior ha favorecido para nuestra formulación de conclusiones,

las cuales pretenden ayudar a obtener una visión extensa de las condiciones en las

que se presenta.

INTRODUCCIÓN

Marco Teórico.

Las pilas alcalinas tienen siete partes indispensables, las cuales son:

1. Contenedor: Es la capa visible, generalmente de acero.

2. Cátodos: una mezcla de MnO2 y carbón.

3. Separador: tejido sin trama y fibroso que separa los electrodos.

4. Ánodo: Zinc en polvo.

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5. Electrodo: es donde se lleva a cabo la reacción electroquímica.

6. Electrolito: Solución de hidróxido de potasio en agua, lleva la corriente dentro de

la pila.

7. Colector: Generalmente es un cilindro de carbón que funciona como electrodo

pero en el caso de las Duracell y Energizer son unos alfileres de bronce.

(Energizer, 2014) (Bútrago)

En el caso de las pilas en las que nos centramos se pueden observar muchos

cambios, por ejemplo, el ánodo, no es una capa sólida que cubre al cátodo separada

por una especie de barniz, sino que el ánodo está en el centro de la pila cubierto por

un plástico que lo separa del cátodo y dentro del ánodo se encuentra el hidróxido que

es el electrolito y también se encuentra el alfiler de bronce dentro de éste. (Energizer,

2014).

Todas estas partes tienen su razón de ser. La energía química en este proceso debe

pasar a energía eléctrica por medio de una reacción de óxido-reducción, esto quiere

decir que algún elemento se oxida y otro se reduce haciendo pasar electrones de un

lado a otro, esta reacción sucede en el ánodo, el cátodo y el electrolito, el ánodo (es

el que se oxida) comúnmente es de metal, en nuestro caso es zinc, el cátodo (se

reduce) suele ser un óxido metálico, que en el caso de las pilas que tratamos, es

óxido de manganeso y el electrolito, que es el medio que facilita el flujo de

electrones.

A continuación se explica el proceso detalladamente. “La corriente eléctrica, en forma

de electrones, comienza a fluir en el circuito externo cuando el dispositivo se

enciende. En ese momento, el material del ánodo, el zinc, libera hasta dos electrones

por átomo en un proceso llamado oxidación, dejando atrás iones de zinc inestables.

Después de haber realizado la acción vuelven a entrar a la pila por el cátodo, donde

se combinan con el material activo, dióxido de manganeso, en un proceso llamado

reducción. El proceso de óxido reducción sucede gracias a que regresan los

electrones al ánodo, balanceando el flujo externo de la corriente, suceso que se logra

mediante el movimiento de los iones de hidróxido cargados negativamente en el

electrolito. Cada electrón que entra en el cátodo, reacciona con el dióxido de

manganeso para formar MnOO-. Luego, el MnOO- reacciona con el agua del

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electrolito. En esa reacción, los átomos de agua se separan, liberando iones de

hidróxido en el electrolito y estos iones se combinan con el MnOO- para formar

MnOOH. El circuito interno se completa cuando los iones de hidróxido producidos en

esta reacción en el cátodo fluyen al ánodo en forma de corriente iónica. Ahí, se

combinan con los iones de zinc inestables, donde se forman en el ánodo cuando los

electrones se liberan hacia el circuito externo en un principio. Esto produce óxido de

zinc y agua.” (Duracell, 2016)

Una vez definidas las partes y el funcionamiento de las pilas Duracell y Energizer,

hemos podido definir de manera experimental una aproximación al porcentaje por

sustancia que contiene una pila, omitiendo el hidróxido.

Una pila seca, en otras palabras, que no contiene el electrolito, esto quiere decir que

ya no transporta la carga, pesa aproximadamente 24.4g, el cual tomamos como

100% por consiguiente estas pilas tienen zinc en un 24.71%, acero en 19%

aproximadamente, dióxido de manganeso en 54.34% y el alfiler de bronce junto con

el plástico que funciona como separador es 1.88% de la pila.

Otro punto es el daño que generan las pilas en el medio ambiente, el problema

principal en las pilas es que sus componentes llegan a correr la misma carcasa y el

hidróxido puede causar problemas de salud e infertilidad en la tierra, anteriormente

eran más dañinas pues tenían mercurio entre sus componentes que es un metal

dañino contra la salud y acumulativo, esto quiere decir que nuestro sistema nunca lo

desecha, pero las pilas actuales desde 1993 no contienen mercurio (Duracell, 2016),

Duracell y Energizer se encuentran en una carrera ecológica, utilizan productos

primarios, que en caso de ser desechadas de la manera correcta no son un problema

sin embargo prácticamente nadie sigue estos procedimientos y el ambiente sigue

siendo afectado por elementos inorgánicos. Sin embargo, este tema no se ha tomado

a la ligera pues también en mesas internacionales de ha tratado, como puede

constatar la INECC. Gestiones internacionales han acordado disposiciones para

disminuir el daño en el ambiente con la liberación de metales potencialmente tóxicos

contenidos en las pilas, cuando son desechadas en residuos urbanos. En México se

han organizado campañas de acopio. En algunos casos la disposición final de las

pilas que se recogen se realiza a través de empresas como SITRASA o del envío al

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confinamiento controlado de residuos industriales multiquim para abatir problemas

como en el caso del 2006 que en 104 rellenos sanitarios abiertos 11 millones de

toneladas fueron mal tratadas. (INEEC, 2009)

Cabe aclarar que las pilas primarias (las desechables) de las empresas Energizer y

Duracell, son seguras aún al ser desechadas en la basura doméstica, por otro lado

estas empresas también afirman que el costo de reciclaje es muy alto aparte de que

ocasionan un riesgo al recolectarlas porque se juntan los polos de las pilas y pueden

generar fugas. Por consiguiente en cualquier esquema de recolección dejan claro

tres ejes: beneficiar al medio ambiente, ser viable económicamente y generar valor a

la sociedad. (Talque, 2009)

En una pequeña entrevista por medio de Facebook Duracell me respondió lo

siguiente.

“Como líderes mundiales en fabricación de pilas alcalinas de alto desempeño,

reconocemos nuestra responsabilidad para ayudar a proteger el ambiente. Por el

momento no contamos con un programa de recolección y reciclaje en la región.

Algunas comunidades ofrecen el reciclaje o recogen las pilas, pero lamentablemente

no existe una unificación de criterios y los desechos se manejan de manera diferente

a nivel regional. De todas formas, estamos comprometidos en hacer lo que está en

nuestras manos para proteger el medio ambiente. Nuestras pilas actualmente rinden

aproximadamente un 50% más que el mismo producto fabricando hace 15 años, por

lo que solo usamos la mitad de los recursos que usábamos en el pasado, y

producimos 50% menos desechos. El empaque contiene 55% de material reciclado,

y sólo usamos tintas no tóxicas. Además, el empaque de plástico contiene un 30%

de plástico reciclado. Adicionalmente, nuestras unidades de mostrados y las cajas en

que transportamos nuestras baterías están fabricadas de 100% material reciclado.”

(Duracell, Pilas recuperadas y recicladas., 2017)

Al centrarnos en la obtención de zinc utilizamos el método de lixiviación, lo cual es un

proceso de obtención del componente metálico de un mineral mediante el uso de

disolución que contenga una sustancia con la cual el componente deseado reacciona

para formar especies solubles. (Ramírez, 2001)

Además tras la lixiviación vamos a hacer electrólisis dentro de esta disolución pues el

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zinc es positivo, por consiguiente se verá extraído por el electrodo negativo,

extrayendo así zinc puro, haciendo esto hasta llegar al límite de la reacción.

Posteriormente vamos a conocer el límite de la reacción por medio de la

conductividad de la sustancia que utilizamos.

Así pues definimos a la conductividad como: “Medida de la capacidad de una

sustancia para producir la electricidad.” (Ramírez, 2001)

La capacidad de una disolución para conducir la electricidad depende del número de

iones que contiene. (Brown., 2009) Una disolución electrolítica lo que la caracteriza

es que contiene iones capaces de transportar la carga eléctrica.

La educación de reciclaje es un hábito que todos debemos tener y desarrollar, por

consiguiente también se deben tener métodos de reciclaje mejor definidos, que es

parte de lo que estamos buscando aparte de hacer más barato el procedimiento y

hacerlo efectivo, en el sentido de dejar los menos residuos posibles.

Por otro lado también es importante debido a que al no ser elementos renovables

tarde o temprano existirá un escás por lo que es altamente conveniente aprovechar

lo que ya fue diseñado y tratado para algún sistema en específico.

Objetivos.

Los objetivos de esta investigación son reutilizar todos los componentes de la pila,

tanto en cosas básicas como el abastecimiento de los laboratorios con zinc,

manganeso y otros componentes de pilas desechadas, hasta para hacer cosas más

complejas y sofisticadas.

Este proyecto de reutilización de pilas es sumamente importante para conseguir un

desarrollo ambiental pleno, que nos ayude a producir la menor cantidad de desechos

(especialmente tóxicos, como en este caso), y lograr reutilizar la mayor cantidad de

sus componentes.

A pesar de que todavía no tenemos definido un producto final donde se unifiquen

todos los elementos reutilizados o un resultado donde hayan sido aprovechados

todos los elementos seguimos trabajando en la purificación de sus elementos para

tenerlos en su forma básica y la más útil de todas.

Esto llevado a cabo en dos partes una Con pilas Energizer y Duracell, las cuales no

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tienen un colector de carbono, sino uno de bronce. Y otra con pilas Gettop y

Panasonic que sí utilizan un colector de carbono.

Problema

Buscar métodos de reutilización de pilas debido a que son altamente contaminantes.

Hipótesis

Podremos reutilizar la mayor cantidad de residuos posibles y aprovechar todos los

componentes de la pila, únicamente con pérdidas mínimas.

DESARROLLO

Tras descomponer las pilas en sus componentes, cuidadosamente con guantes y

cubrebocas, debido al hidróxido que contiene, trituramos el zinc seco, es decir sin

hidróxido y una vez molido lo sometimos a tostación, esto es un tratamiento térmico

de una mena o mineral para llevar a cabo reacciones que requieren la atmósfera de

un horno para formar óxidos (Ramírez, 2001).

Por consiguiente al tostar en una mufla el zinc que trituramos, durante cuatro horas a

700°C obtuvimos óxido de zinc, por ello utilizamos lixiviación que es, como ya se

había mencionado, es un proceso de obtención del componente metálico de un

mineral mediante el uso de disolución que contenga una sustancia con la cual el

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componente deseado reacciona para formar especies solubles, en nuestro caso fue

con ácido sulfúrico al .5 molar, con motivo de esta concentración recurrimos a la

estequiometría vale la pena decir que es una relación entre las cantidades de

reactivos y productos que intervienen en las reacciones químicas (Brown., 2009).

En nuestro caso la estequiometría fue la siguiente.

Para .5 molar en 250 ml de agua destilada:

ZnO+H2SO4

10.125g/mol+12.5g/mol

Esto quiere decir que para 250 ml de agua destilada utilizamos 10.125 gramos de

óxido de zinc y 6.65 mililitros de ácido sulfúrico.

Utilizamos ácido sulfúrico debido a que reporta una energía de activación pequeña y

tiene un intervalo de corriente constante, lo cual nos va a servir para el siguiente

paso. (Edwin Alvarado, 2010)

Durante este proceso las principales reacciones son las siguientes:

Es necesario mencionar que la temperatura, la concentración y el tiempo de reacción

fueron constantes en nuestro análisis.

Con base en esto, la temperatura que tomamos fue de 70 °C durante una hora con la

concentración arriba mencionada.

Una vez que obtuvimos nuestra solución vamos a recurrir a la electrólisis como

método de recuperación de zinc puro.

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Hay que destacar que la electrólisis es un proceso en que se usa la energía eléctrica

para provocar que se realice una reacción química, es por esto que también

escogimos el ácido sulfúrico pues nos genera sulfuros, los cuales son conductores

de electricidad y al colocar los electrodos de la electrólisis cierra el circuito, siendo

así que debido a la naturaleza del zinc es extraído de la disolución por el ánodo,

donde se impregno el zinc mientras que el cátodo se desgastaba.

Una vez que se termina la reacción se lijaron los electrodos, sin embargo, en el

ánodo se debe de realizar este proceso con mucho cuidado, pues es, cuando se

recupera todo el zinc que tenía la disolución.

En este punto es menester mencionar que esta fue una de nuestras primeras

variables, el material de electrodos que deberíamos utilizar.

Iniciamos con cobre y carbono, lo que nos resultó en que el carbono se descompone

mucho más rápido de lo que avanzaba la reacción, por consiguiente optamos por

utilizar el ánodo de cobre y el cátodo de acero, sin embargo esto nos generó sulfatos

demasiado rápido, incluso antes de que terminara la reacción, razón por la cual una

buena cantidad de zinc que estábamos recuperando se contaminó y no nos permitió

contar ese zinc como puro, suceso que generó una pérdida que debe ser

mencionada.

Aprovechando que el resultado con electrodos de cobre no era el óptimo decidimos

utilizar el ánodo que contenía zinc en dos aleaciones de latón, pues zinc y cobre nos

da la ya mencionada aleación.

Tras realizar las aleaciones con los electrodos de cobre recurrimos a electrodos de

acero donde decidimos desde un inicio realizar en la punta del ánodo el cual pesaba

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37.8 gramos una aleación de zinc más acero, lo que nos resulta en acero

galvanizado.

Posteriormente seguimos con las lixiviaciones tratando de encontrar el límite de la

reacción de manera empírica con esto me refiero a variando los tiempos de reacción,

empezamos con una hora, pero reaccionaba un agente desconocido, por

consiguiente bajamos a media hora, siempre a 6 voltios y el resultado parecía

aceptable, no obstante nunca llegamos a un resultado excelente por consiguiente

decidimos recurrir a métodos cuantitativos para conocer el límite de la reacción.

El método para conocer el límite de la reacción es por medio de la conductividad de

la solución, la cual medimos con los sensores lesa, y así cuando la solución deja de

ser conductora debido a que, la solución que genera iones sulfuros, se queda sin

estos y por consiguiente sin

conductividad.

Baterías Gettop y Panasonic

Se inició desarmando las pilas

de la marca Gettop (0% mercurio) y Panasonic (Carbón-Zinc); este proceso fue

realizado con el máximo cuidado para que sus componentes no se rompieran ni se

combinarán entre sí.

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El primer experimento que se realizó fue hacer reaccionar las minas de carbono con

peróxido de hidrógeno (𝐻2

𝑂2) para identificar el grafito.

Después se hizo la determinación del manganeso (𝑀𝑔) en los recubrimientos de las

pilas, para esto se tomó una pequeña porción de los recubrimientos y se puso a

reaccionar con peróxido de hidrógeno (𝐻2

𝑂2).

Después se realizó una reacción de desplazamiento para la revelación de cobre(𝐶𝑢)

que contienen las laminillas de zinc (𝑍𝑛). Al inicio se colocó un pequeño trozo de

recubrimiento en un tubo de ensaye y posteriormente se vertieron 3 𝑚𝐿 de sulfato de

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cobre (𝑆𝑂4𝐶𝑢).

Se continuó con la electrólisis

del agua utilizando los

electrodos de grafito; con esta

prueba se pudo comprobar que el grafito es útil para realizar una electrólisis con

metales.

Después se hizo la electrólisis del hidróxido de sodio (𝑁𝑎𝑂𝐻) y esta vez se

agregaron unas gotas de indicador universal para que la separación se apreciara

mejor.

Para concluir, se realizó la electrólisis de agua con sal junto con indicador universal.

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Como última prueba se realizó la aluminotermia del manganeso; para esto se utilizó

lo siguiente:

● 8 𝑔 de óxido de manganeso (IV) (𝑀𝑛𝑂2)

● 2 𝑔 Cinta de magnesio (𝑀𝑔) en pequeños trozos

● Tira de cinta de magnesio (𝑀𝑔) lijada

● 2.2 𝑔 de aluminio en polvo (𝐴𝑙)

Primero se calentaron los 8 𝑔 de 𝑀𝑛𝑂2 a 800-900°C durante 1 hora para oxidarlo y

transformarlo en 𝑀𝑛3𝑂4. Después el 𝑀𝑛3𝑂4 se colocó en un crisol y se mezcló con

los 2.2 𝑔 de 𝐴𝑙, arriba se pusieron los 2 𝑔 de 𝑀𝑔 y al final la tira de 𝑀𝑔 en forma de

mecha.

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Cabe resaltar que el experimento original pide magnesio (𝑀𝑔) en polvo, pero nuestro

laboratorio no contaba con dicho elemento, por lo que nos vimos en la necesidad de

cortar la cinta de magnesio (𝑀𝑔) hasta que finalmente los trozos fueron lo

suficientemente pequeños como para encender todos dentro del crisol; esta prueba

se intentó realizar

aproximadamente

cuatro veces.

Resultados.

En cuanto al zinc iniciamos con

54.6 gramos de óxido de zinc,

del cual obtuvimos 10.12

gramos sin contar las

aleaciones de latón y galvanizado

que realizamos, de igual manera no pudimos contabilizar la cantidad de zinc que se

perdió en las soluciones que resultaron contaminadas por reaccionar el metal con el

ácido.

Obtuvimos también cuatro aleaciones aceptables, dos de latón y dos de acero

galvanizado.

En cuanto a las variables, que fueron los electrodos obtuvimos los siguientes

resultados.

Ánodo Cátodo Concentración Tiempo Voltaje Peso del

cátodo a

priori

Peso del

cátodo a

posteriori

Zinc

obtenido

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Cobre Carbono .5 molar 10 min 6 V 1.1 gr .9 gr 0.17 gr

Cobre Acero

inoxidable

.5 molar 2

minutos

6 V 36.9 gr 36.7 .10 gr

Acero

inoxidab

le

Acero

inoxidable

.5 molar 30 min 6 V 36.7 gr 36.1 gr 1.2 gr

En el último caso solamente colocamos nuestra primer reacción con esos electrodos

pues al observar que la reacción era apreciable optamos por utilizar el resto de la

investigación los mismos electrodos.

Cabe aclarar que no en todas las electrólisis obtuvimos los mismos resultados, pues

en ocasiones se contamina la disolución.

No obstante la cantidad de zinc recopilada se ronda por el gramo por cada

electrólisis.

Resultados de los experimentos llevados a cabo en las Baterías Gettop y

Panasonic

En el primer experimento se produjo una reacción exotérmica liberando gas. Mientras

dicha reacción se llevaba a cabo, se introdujo una pajilla encendida, lo que a su vez,

produjo Oxígeno (𝑂)) y calor (𝛥) logramos determinar que los recubrimientos

contenían Óxido de Manganeso (𝑀𝑛𝑂).

En la reacción de desplazamiento para la revelación de cobre (𝐶𝑢) , al inicio la

solución tiene una coloración azul, cuando está reaccionando el color empieza a

cambiar y su intensidad va disminuyendo. Como el 𝑍𝑛 es más reactivo que el 𝐶𝑢, el

primero desplaza al segundo en el sulfato.

𝑍𝑛 + 𝐶𝑢𝑆𝑂4 → 𝑍𝑛𝑆𝑂4 + 𝐶𝑢+ 𝛥

En la electrólisis del agua utilizando los electrodos de grafito; con esta prueba se

pudo comprobar que el grafito es útil para realizar una electrólisis con metales.

En la aluminotermia del manganeso se obtuvieron en promedio 10.3 𝑔de 𝑀𝑛 sin

purificar.

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Análisis de resultados.

Debido a que al inicio desconocíamos la conductividad de la disolución, realizamos

unas reacciones que superaban el límite de estas cuando buscábamos el límite

cualitativamente.

Sin embargo ahora contamos con el dato y la razón de cambio en la disolución.

Tras utilizar el método de mínimos cuadrados en una gráfica de Excel y así conocer

una ecuación que describa el comportamiento de la gráfica, la cual es f(x)=0.017𝑥2 −

42.272𝑥 + 21067 para finalmente poder conocer su razón de cambio que es 𝑓′(𝑥) =

0.03𝑥 − 42.27.

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Con el zinc final obtenido podemos sacar el rendimiento de la reacción con la

siguiente relación .

Lo cual no es un resultado óptimo puesto que en nuestro documento base el

investigador obtenía un rendimiento del 40%.

Conclusiones.

Debido a la necesidad de reutilizar materiales como las pilas se hizo viable buscar

métodos de reutilización de sus componentes.En este proyecto de investigación

abarcamos un método que apoya a la educación, no obstante no es del todo

económico y no podemos reutilizar al cien por ciento el reactivo, puesto que

encontramos perdidas, sin embargo, podemos añadir que la hipótesis se cumple

parcialmente.

Bibliografía.

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Bútrago, I. H. (s.f.). Protección catódica para principiantes. Recuperado el

Noviembre de 2016, de www.indisa.com/indisaonlines/anteriores/92.html

Duracell. (2016). Duracell. Recuperado el 6 de Enero de 2017, de

https://www.duracell.mx/help/?s=como+funciona+una+pila#results

Duracell. (8 de 01 de 2017). Pilas recuperadas y recicladas. (R. Sánchez,

Entrevistador)

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Edwin Alvarado, e. (2010). Propuesta de un método para la recuperación de

zinc de pilas alcalinas usadas bajo el enfoque de producción más limpia. El

salvador: Universidad de el salvador.

Energizer. (2014). Energizer. Recuperado el diciembre de 2016, de

http://www.energizer.com.mx/#aprendizajePilasCuidadoLink

INEEC. (Marzo de 2009). Recuperado el Enero de 2017, de

http://www.inecc.gob.mx/descargas/sqre/pilas_diag_amb.pdf

Ramírez, A. J. (2001). Introducción a la química en la industria. México:

UNAM.

Talque, R. V. (11 de diciembre de 2009). Asociación Mexicana de Pilas.

Recuperado el Enero de 2017, de

http://www.amexpilas.org/participaciones/que_hacer_cuando_no_sirven.pdf