PILHAS E BATERIAS Bolsistas: Matheus Liz Mariela Ana Claudia Nayara Gabriela Andressa Novembro/2015
Sumário Definição Histórico: Pilha de Volta (1800) Pilha de Daniell (1836) Pilha de Leclanché Pilha Alcalina Pilha Lítio Bateria de Chumbo Impacto sobre a saúde e o meio ambiente 2
Definição Figura 01 Pilhas e Baterias utilizadas no cotidiano Dispositivo eletroquímico que tem capacidade de converter energia química em energia elétrica. Figura 02 Esquema geral de uma bateria recarregável de automóvel. Bateria: conjunto de pilhas agrupadas em série ou paralelo. 3
Pilha de Volta Em 1800, Alessandro Volta inventa a 1ª pilha elétrica. Empilhou metais diferentes intercalados com uma solução eletrolítica. Metais Cu e Zn A voltagem depende do número de elementos na pilha. Figura 03 Montagem da pilha de Volta. 4
Pilha de Daniell Em 1836, Daniell utiliza dois eletrólitos ao invés de um. Figura 04 Esquema geral da pilha de Daniell com soluções de íons sulfatos (SO 4 2- ). 5
Pilha de Daniell Semirreações Catódica: 2e - + Cu 2+ (aq) Cu(s) Reduz ( Nox) 2+ 0 Anódica: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e- Oxida ( Nox) 0 2+ Equação Global: Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) 7
Pilha de Daniell Dica: Cátodo Reduz Anodo Oxida elétrons 8
Baterias Primárias Essencialmente não recarregáveis; Produzidas em recipientes herméticos; Formatos: cilíndricas, tipo botão e tipo moeda. Figura 6: Tipos de baterias primárias 9
Pilha de Leclanché (Zn/MnO 2 ) Fornece um potencial de circuito aberto no intervalo entre 1,55 V e 1,74 V em temperatura ambiente. Ânodo: oxidação do zinco 0 +2 Zn (s) + 2NH 4 Cl (aq) + 2OH (aq) Zn(NH 3 ) 2 Cl 2(s) + 2H 2 O (l) + 2e Cátodo: redução do Mn(IV) a Mn(III) +4 +3 2MnO 2(s) + 2H 2 O (l) + 2e 2MnOOH (s) + 2OH (aq) Reação Global: Zn (s) + 2MnO 2(s) + 2NH 4 Cl (aq) Zn(NH 3 ) 2 Cl 2(s) + 2MnOOH (s) 10
Pilha de Leclanché (Zn/MnO 2 ) Eletrólito: é uma pasta formada pela mistura de cloreto de amônio e cloreto de zinco; Anodo: feito de zinco metálico usado no revestimento da pilha; Catodo: é um bastão de grafite rodeado por uma mistura em pó de dióxido de manganês e grafite. Figura 7: Pilha de Leclanché 11
Pilha Alcalina O eletrólito: é uma solução aquosa de KOH com ZnO. DDP: 1,55 V, a temperatura ambiente. Anodo: oxidação do Zn em meio básico Zn (s) + 2OH (aq) Zn(OH) 2(s) + 2e 0 +2 Catodo: redução do Mn(IV) a Mn(III) 2MnO 2(s) + 2H 2 O (l) + 2e 2MnOOH (s) + 2OH (aq) +4 +3 Reação Global: Zn (s) + 2MnO 2 (s) + 2H 2 O (l) Zn(OH) 2(s) + 2MnOOH (s) Figura 8: Pilha alcalina 12
Pilha de Li/MnO 2 São leves e originam uma grande voltagem (cerca de 3,4 V); Ânodo: oxidação do Li o Li Li + + e Cátodo: redução do oxido metálico +4 +1 MnO 2 + Li + + e MnO 2 (Li) Reação Global: +3 Li + MnO 2 MnO 2 (Li) Figura 9: Pilha de lítio/dióxido de manganês 13
Baterias Secundárias As baterias secundárias são usadas principalmente em aplicações que requerem alta potência (maiores correntes elétricas num menor tempo), recarregáveis que podem ser reutilizadas muitas vezes pelos usuários Figura 10: Baterias secundárias 14
Bateria chumbo/óxido de chumbo (chumbo/ácido) Os principais tipos de baterias chumbo/ ácido são: As baterias industriais são utilizadas para tracionar motores de veículos elétricos e também em serviços que não podem ser interrompidos em caso de queda de energia elétrica (companhias telefônicas, hospitais etc.). Já as seladas, de menor tamanho, são usadas para alimentar computadores, luzes de emergência etc., em caso de queda de energia. As automotivas são usadas em veículos em geral para alimentar os sistemas de partida, iluminação e ignição. As baterias automotivas e industriais requeriam adição periódica de água no eletrólito, porque no processo de carga da bateria, parte da água é decomposta nos gases hidrogênio e oxigênio. 15
Bateria chumbo/óxido de chumbo (chumbo/ácido) Sua história começou em 1859, quando o físico francês Raymond Gaston Planté construiu o primeiro sistema recarregável, a característica pouco usual é usar em ambos os eletrodos o mesmo elemento químico, o chumbo. No anodo: 0 +2 Pb (s) + SO 4 2 (aq) PbSO 4 (s) + 2e No catodo: +4 PbO 2(s) + 4H + (aq) + SO 4 2 (aq) + 2e PbSO 4(s) + 2H 2 O (l) Reação Global: +2 Pb (s) + PbO 2(s) + 2H 2 SO 4(aq) 2PbSO 4(s) + 2H 2 O (l) 16
Bateria chumbo/óxido de chumbo (chumbo/ácido) 6 conjuntos de eletrodos em vasos independentes. Cada vaso, por exemplo, 6 anodos e 5 catodos arranjados de forma alternada, começando e terminando com um anodo, que são conectados em paralelo. Fornece um potencial de cerca de 2 V que são conectados em série e a bateria fornece um potencial de Figura 11: Bateria chumbo/óxido de chumbo (chumbo/ácido). aproximadamente 12 V. 17
Pilha recarregável Ni/Cd é mais barata vida útil e capacidade de carga menor altamente poluente apresenta falha de memória Ni/MH é mais cara vida útil e capacidade de carga maior é menos poluente não apresenta falha de memória Na pilha recarregável as semi-reações são reversíveis tem fonte de energia renovável, seu prazo de validade é bem maior; o mesmo varia de acordo com a utilização, o modelo e o fabricante. Se uma pilha não é recarregável e parou de funcionar, retire-a de dentro do aparelho para evitar os vazamentos 18
Tipos de Pilhas 19
Como funciona a bateria do celular? A bateria de íons de lítio foi criada em 1991; presente em outros dispositivos como notebooks e tablets. Invólucro de alumínio, na reação há transferênciade íons e elétrons da placa positiva para a negativa e viceversa, para levar energia ao dispositivo. Figura 12: Bateria de celular 20
Descarregamento de energia No anodo: Li y C 6 (s) C 6(s) + y Li + (solv) + y e- No catodo: Li x CoO 2 (s) + y Li + (s) + y e - Li x+y CoO 2(s) Figura 13: Descarregamento de energia Reação Global: Figura 14: Carregamento da bateria Li x CoO 2(s) + Li y C 6 (s) Li x+y CoO 2(s) + C 6 (s) 21
Bateria vicia? Antigamente era comum alguém afirmar: sim, a bateria de celular vicia. Hoje, as baterias de Li-íon são capazes de armazenar mais energia e não necessitam tanto de recarga e costumam ser muito mais leves. Figura 15: gráfico- efeito memória é um fenômeno nas baterias de níquel quando elas não são bem utilizadas. 22
As pilhas e baterias que fazem parte do nosso lixo eletrônico podem ser prejudiciais ao ser humano? 23
Problema? Baterias e pilhas têm em suas composições metais pesados altamente tóxicos, como cádmio, níquel, chumbo, mercúrio e etc. A nossa saúde pode ser afetada, mesmo sem entrar em contato direto com resíduos químicos presente em pilhas e baterias. O solo contaminado, por exemplo afeta o alimento que vem para nossa mesa. Na água que chega pela torneira, também pode haver vestígios desses produtos. 24
Doenças Causadas Pela Contaminação de Pilhas e Baterias Mercúrio Cádmio Chumbo Lítio Distúrbios renais e neurológicos, mutações genéticas, alterações no metabolismo e deficiência nos órgãos sensoriais. Agente cancerígeno, teratogênico e pode causar danos a sistema nervoso. Gera perda de memoria, dor de cabeça, tremores musculares, alucinação, anemia e etc. Afeta o sistema nervoso central, gerando visão turva, ruídos nos ouvidos, vertigens, debilidade e tremores. Níquel Provoca dermatites, distúrbios respiratórios, gengivites, efeitos carcinogênicos e insuficiência renal. Zinco Cobalto e seus componentes Dióxido de manganês Provoca vômitos e diarréias. Causam a sarna do cobalto, além de conjuntivite, bronquite e asma. Provoca anemia, dores abdominais, vômitos, crises nervosas, dores de cabeça e impotência sexual. 25
Regulamentações Resolução CONAMA Nº 257/99 e 263/99 Resolução CONAMA Nº 401 de 2008 Tratando de disciplinar o descarte e o gerenciamento ambiental adequado de pilhas e baterias usadas, no que tange à coleta, reutilização, reciclagem, tratamento e disposição final. Lei Nº 12305/2010 - Institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos Art. 33. São obrigados a estruturar e implementar sistemas de logística reversa, mediante retorno dos produtos após o uso pelo consumidor, de forma independente do serviço público de limpeza urbana e de manejo dos resíduos sólidos, os fabricantes, importadores, distribuidores e comerciantes de: II - pilhas e baterias; 26
O que fazer? Figura 16: Charge da Mafalda, realizando o questionamento de como devemos agir sobre o descarte de pilhas. 27
Onde encaminhar? Postos de Coletas disponíveis no Brasil. Contagem de peso total em kg, segunda 09/11/2015 ás 18:00 28
Reciclagem de Pilhas Os processos de reciclagem de pilhas e baterias podem seguir três linhas distintas: a baseada em operações em tratamento de minérios, a hidrometalúrgica ou a pirometalúrgica. Figura 17: As pilhas são um problema ambiental, onde a reciclagem é a melhor solução 29
Tratamento de Minérios A reciclagem mineralúrgica envolve somente processos físicos de separação ou concentração dos materiais que compõem as baterias. Remoção do eletrólito da bateria, quando este é líquido; Mesmo sendo limitado, esta tecnologia pode baratear, o custo dos processos subsequentes. Desmontagem da bateria, para a remoção de plásticos e isolante,e, quando possível de eletrodos e placas. 30
Hidrometalúrgica A reciclagem hidrometalúrgica consiste na dissolução ácida ou básica dos metais existentes nas pilhas e baterias. Moagem das pilhas e baterias Precipitação; variando-se o ph da solução Extração por solventes; aplicando-se diferentes solventes, que se ligam com íons metálicos específicos, separando-os da solução. Recuperam-se os metais por eletrólise ou por precipitação. 31
Pirometalúrgica Esta tecnologia consiste na aplicação de altas temperaturas para a recuperação dos metais das pilhas e baterias Figura 18 e 19: Processo industrial na reciclagem de pilhas e baterias. 32
Reciclagem das Baterias Recarregáveis Os resíduos de bateria de chumbo ácido possuem valor agregado, tornando a reciclagem economicamente viável. A reciclagem do chumbo é realizado através da fusão do chumbo em fornos. Durante o processo são adicionados produtos para a redução dos óxidos do metal. A etapa seguinte é o refino onde os procedimentos e processos irão depender da aplicação do produto final, podendo ser uma liga de chumbo ou chumbo refinado livre de contaminantes. Figura 20: Componentes da bateria automotiva, separadas para a reciclagem. 33
Produtos obtidos através da reciclagem Os principais produtos comercializados a partir do processo de recuperação são: Cádmio metálico; com pureza superior à 99,95% que é vendido para as empresas que produzem baterias; Óxidos metálicos; Cloreto de Cobalto; Chumbo refinado e suas ligas; Resíduos contendo aço e níquel utilizados em siderúrgicas; Níquel e ferro utilizados na fabricação de aço inoxidável. Figura 21: Todos os tipos de pilhas e baterias são possíveis a sua reciclagem, para a obtenção de outros produtos. 34
Enem Aplicabilidade da problematização do tema em questões do ENEM 35
Enem (ENEM-2009) Questão 23 (Prova Azul) Cerca de 1% do lixo urbano é constituído por resíduos sólidos contendo elementos tóxicos. Entre esses elementos estão metais pesados como o cádmio, o chumbo e o mercúrio, componentes de pilhas e baterias, que são perigosos à saúde humana e ao meio ambiente. Quando descartadas em lixos comuns, pilhas e baterias vão para aterros sanitários ou lixões a céu aberto, e o vazamento de seus componentes contamina o solo, os rios e o lençol freático, atingindo a flora e a fauna. Por serem bioacumulativos e não biodegradáveis, esses metais chegam de forma acumulada aos seres humanos, por meio da cadeia alimentar. A legislação vigente (Resolução CONAMA no 257/1999) regulamenta o destino de pilhas e baterias após seu esgotamento energético e determina aos fabricantes e/ou importadores a quantidade máxima permitida desses metais em cada tipo de pilha/bateria, porém o problema ainda persiste. Uma medida que poderia contribuir para acabar definitivamente com o problema da poluição ambiental por metais pesados relatado no texto seria: 36
Enem A. deixar de consumir aparelhos elétricos que utilizem pilha ou bateria como fonte de energia. B. usar apenas pilhas ou baterias recarregáveis e de vida útil longa e evitar ingerir alimentos contaminados, especialmente peixes. C. devolver pilhas e baterias, após o esgotamento da energia armazenada, à rede de assistência técnica especializada para repasse a fabricantes e/ou importadores. D. criar nas cidades, especialmente naquelas com mais de 100 mil habitantes, pontos estratégicos de coleta de baterias e pilhas, para posterior repasse a fabricantes e/ou importadores. E. exigir que fabricantes invistam em pesquisa para a substituição desses metais tóxicos por substâncias menos nocivas ao homem e ao ambiente, e que não sejam bioacumulativas. 37
Referências Pilha de Daniell (pilha eletroquímica). Disponível em: <http://www.infoescola.com/quimica/pilha-de-daniell-pilhaeletroquimica/> BOCCHI, Nerilson; FERRACIN, Luiz Carlos; BIAGGIO, Sônia Regina. Pilhas e Baterias: Funcionamento e Impacto Ambiental. Química Nova na Escola. N. 11, maio 2000. Disponível em : <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a01.pdf > RUSSELL, John B.; Química Geral vol.2, São Paulo: Pearson Education do Brasil, Makron Books, 1994. Resolução Nº 257, de 30 de junho de 1999. Disponível em: http://www.mma.gov.br/port/conama/res/res99/res25799.html RESOLUÇÃO CONAMA n 401, de 4 de novembro de 2008. Disponível em: http://www.mma.gov.br/port/conama/legislacao/conama_res_cons_2008_401.pdf. LEI Nº 12.305, de 2 de agosto de 2010 Disponível em: http://www.mma.gov.br/port/conama/legiabre.cfm?codlegi=636 Tudo Sobre Pilhas Recarregáveis Disponível em: http://www.pilharecarregavel.net.br/ Portal Resíduos Sólidos. Disponível em: http://www.portalresiduossolidos.com/reciclagem-de-pilhas-e-baterias/ Como funciona os carregadores de bateria: o efeito memória. Disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/2630-art448?showall=&start=3 38
Referências Projeto ABINEE recebe pilhas. Disponível em: http://www.gmcons.com.br/gmclog/admin/visualizarpostosmapacliente.aspx Portal Resíduos Sólidos. Disponível em: http://www.portalresiduossolidos.com/reciclagem-de-pilhas-e-baterias/ Como é feita a reciclagem de pilhas e baterias? Disponível em: http://planetasustentavel.abril.com.br/noticia/lixo/como-feita-reciclagem-pilhas-baterias-755269.shtml Infográfico: Como funciona uma bateria de celular Disponível em: http://tecnologia.ig.com.br/especial/2013-06- 25/infografico-como-funciona-uma-bateria-de-celular.html Projeto ABINEE recebe pilhas. Disponível em: http://www.gmcons.com.br/gmclog/admin/visualizarpostosmapacliente.aspx Pilhas e Baterias secundárias. Disponível em: http://www.brasilescola.com/quimica/pilhas-baterias-secundarias.htm Tipos de Baterias primárias mais comuns. Disponível em: http://www.brasilescola.com/quimica/tipos-pilhasbaterias-primarias-mais-comuns.htm Reciclagem de baterias de chumbo ácido sua importância em nosso cotidiano. Disponível em: http://www.unisalesiano.edu.br/simposio2011/publicado/artigo0095.pdf INEP- Provas e Gabaritos ENEM. Disponível em: http://download.inep.gov.br/educacao_basica/enem/downloads/2009/dia1_caderno1.pdf 39