Marmara üNİversitesi MÜhendiSLİk faküLtesi
Yüklə 161,17 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- TARİHTE İLK PİL; VOLTA PİLİ
- Kuru pil çeşitleri: Alkali Piller
|
MARMARA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KMM 479 ELEKTROKİMYASAL PROSESLER PROJE KONUSU: PİLLER ZELİHA YARUCUK EMEL GÜMÜŞÖLÇEK SÜMEYRA KÜÇÜK ÇAĞLA VAROLUN 28.05.2010 PİL Evlerde, işyerlerinde, ulaşımda ve sanayide önemli miktarda pil kullanılmaktadır. Piller, motorlarda, elektronik cihazlarda, saatlerde, kameralarda, hesap makinelerinde, işitme aletlerinde, kablosuz telefonlarda, oyuncaklarda v.b. yerlerde geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Son yıllarda artan pil kullanımı insan sağlığı ve çevre için potansiyel tehlike oluşturmaktadır. Dolayısıyla kullanılmış pillerin tehlike oluşturmaması için ayrı toplanması, taşınması ve geri kazanılması gerekmektedir. Ayrıca pillerdeki tehlikeli ve zararlı metallerin azaltılması da zaruri bir konudur. Avrupa ve Amerika’da bir kişi normalde yılda 2 adet düğme pili, 10 adet normal (A, AA, AAA, C, D, 9-V) pil kullanmaktadırlar. Almanya’da kişi basına yıllık pil tüketimi 11 adettir. A.B.D., Avrupa ülkeleri ve Türkiye’de ağırlıklı olarak alkali piller ve karbon-çinko piller kullanılmaktadır. Almanya’da 1996 yılında 857 milyon adet akü ve pil satıldı. Bunların %82’i (23.000 ton) karbon-çinko ve alkali pillerdir. 83 milyon adet (3.500 ton) yüksek oranda tehlikeli zararlı madde içeren pil satılmıştır. Amerika’da 1992 yılı verilerine göre 2.82 milyar adet karbon-çinko ve alkali pil satılmıştır. A.B.D.’de pil satış değerleri Sekil 1’de verilmiştir. 
Almanya gibi ülkelerde pil kullanan herkes pillerin çevreye zarar vermeden uygun şekilde geri kazanılmasından sorumludur. Atık piller emniyetli şekilde kullanılmalı, paketlenmeli, depolanmalı, toplanmalı, taşınmalı ve bertaraf edilmelidir. Atık pillerde çöpe atıldığı zaman hava, su ve toprak kaynaklarını kirletir. TARİHTE İLK PİL; VOLTA PİLİ İlk pili 1800’de İtalya’daki Pavia Üniversitesi’nde doğa bilimleri profesörü olan Alessandro Volta geliştirdi. Sonradan Volta pili olarak adlandırılan bu aygıt, aralarında tuzlu su emdirilmiş mukavva levhalar bulunan gümüş-çinko levha çiftlerinin oluşturduğu bir diziydi. (Bkz; Şekil II) En üstteki gümüş levha en alttaki çinko levhaya bir telle bağlandığında telden bir elektrik akımı akıyordu. 1836’da İngiliz kimyacı John Daniell volta pilini geliştirdi ve yaygın olarak bilinen biçimine kavuşturdu Volta pili, bir elektrolit içine daldırılan Şekil elektron çekme yeteneği farklı iki kimyasal maddenin bir dış devre üzerinden birbirine bağlanmasıyla oluşur. Bu iki kimyasal madde elektrokimyasal çift olarak adlandırılır. Elektrokimyasal çift arasındaki tepkime bir yükseltgeme indirgeme tepkimesidir.
Volta pilinden akım çekilmezken, pilin elektrotları arasında bir potansiyel farkı (geri-lim) oluşur. Bu potansiyel farkı, bir elektronun bir elektrottan öbürüne taşınmasında etkili o-lan kimyasal enerjinin miktarıyla belirlenir,; bu yüzden de elektrotlarda kullanılan maddele-rin kimyasal yapısına bağlıdır. Pilden akan a-kımın şiddetini, pilin kendi direnci de içinde olmak üzere devrenin toplam direnci belirler. Yüksek akım şiddeti elde etmek için direnci küçük bir pil kullanmak gerekir. Bu da elektrotların yüzeyleri geniş tutularak sağla-nabilir. Pilden akım çekildiğinde, pilin gerilimi, pilin içdirenci ve elektrotlardaki kimyasal sürecin yavaşlığı yüzünden düşme gösterir. Bir volta pilinin toplam enerjisi sınırlıdır.Bu enerji pilin sığası olarak tanımlanır; anottan salınıp katotta toplanan elektronların toplam sayısıyla belirlenen bu sığa, amper-saat birimiyle ölçülür. Pildeki bütün kimyasal enerji tüketildiğinde (bunun nedeni çoğu kes elektrotlardan birinintümüyle tükenmesidir) gerilim sıfıra düşer ve artık bir daha yükselmez. Pilin sığasını elektrotlardaki etkin kimyasal bileşiklerin miktarı belirler. Daniell Pili Daniell pili, elektrokimyasal pillerin nasıl çalıştığını gösteren iyi bir örnektir. Bu tür pil, iki çözelti kapsar: bir çinko elektrot kapsayan sulu çinko sülfat çözeltisi ve bir bakır elektrot kapsayan sulu bakır (II) sülfat çözeltisi. Bu iki çözelti birbirinden gözenekli bir porselen çeperle ayrılır. (Aşağıdaki şekilde Daniell pilinin bölümlerini görüyoruz)
Daniell pili şöyle çalışır: Bakır metali bakır elektrotun üzerinde birikir ve aynı anda, eşdeğer ağırlıkta çinko çözeltiye geçer Daha kesinlik kazandırmak için şöyle diyebiliriz; metal çinko, çinko iyonları halinde çözeltiye girer ve bakır iyonları, bakır elektrotun üstünde metal olarak birikir. Toplam tepkime şöyledir: Zn (elektrot) +Cu΅² (çözelti)
Bu tepkime, 2 ayrı elektrotta yer alan iki ayrı tepkimenin toplamıdır. Çinko elektrottaki tepkime şöyledir:
Zn Çinko atomları elektrottan ayrılır ve Zn² iyonları halinde çözetiye geçerken, geride, elektrotun üstünde elektronlar kalır. Öte yandan, bakır elektrottaki tepkime de şöyledir: Cu΅² + 2e־ Ötekinin tersine bu tepkime, bakır elektrotta bir pozitif yük fazlalığı oluş-masına neden olur. (2a) ve (2b) tepkimelerinin toplamı, toplam tepkime olan (1)’i verir. Bu tepkimeler ancak, elektronlar çinko elektrottan bakır elektrota geçi-yorlarsa gerçekleşebilir. Elektrotlar, bir tel parçası türünden bir dış iletken yardı-mıyla bağlandığında olan budur. Bir elektron akımı iletken yoluyla çinko elek-trottan bakır elektrota geçerken, tepkime (1) oluşur. Bu dış elektron akımı, pil tarafından oluşturulan elektrik akımıdır. Bu tür bir pil, çoğunlukla kısa ömürlü olur. Pilin çalışabilmesi için tepkime (1)’in mutlaka gerçekleşmesi gerekir. Ancak bu, metal çinko elektrotun ve bakır (II) sülfat çözeltisindeki bakır iyonlarının tüketilmesi demektir. Metal çinko ya da Cu΅² iyonları tükenir tükenmez, tepkime (1) de, dış devredeki elektron akıntısı da durur. Son olarak, elektron bakımından zengin olan elektrot (çinko elektrot) negatif yüklü, elektron yönünden yoksu olan elektrot ise (bakır elektrot) pozitif yüklü olur. Elektrokimyasal pilleri tanımlamakta yararlanılan klasik yöntem, yeralan kimyasal olayları, negatif elektrottan başlayarak sırayla yazmaktır. Bu bağlam içinde, temel olarak bir çinko elektrot, sulu bir ZnSO4 çözeltisi, gözenekli bir zar, sulu bir CuSO4 çözeltisi ve bir bakır elektrottan oluşan Daniell pili şöyle tanımlanır: Zn / ZnSO4 (çöz.) || CuSO4 (çöz.) /Cu Féry Pili Kesikli ve güçsüz bir debiye (onda bir amper kadar) ve 1,5 volta yakın bir emk’e sahiptir. Pozitif elektrot gözenekli kömürden, negatif elektrot ise çinko-dan oluşur. Elektrolit de bir amonyum klorür çözeltisin-den oluşur. Bu pilde, dış hava, pozitif elektrot olan gözenekli kömürde yayılarak pilin kutuplaşmasını giderir.
Kuru Leclanché Pili Elektroliti bir amonyum klorür çözeltisi olan ve kutuplaşma önleyici yükseltgen olarak manganez dioksit içeren bu pilin, toza batırılmış pozitif elektrodu karni kömüründen ve negatif elektrodu çinkodan oluşur. Leclanché tipi pil, zamanla değişime uğratılarak kullanımı rahat olan ve kuru denen pile dönüştürülmüştür. Çinkodan yapılmış negatif elektrot pili saran silindirdir; elektrolit de bir jöle içerisinde hareketsiz kılınmıştır Kuru Piller Günlük hayatta en çok kullanılan pillerdir. Cep fenerleri, oyuncaklar, saatler, radyo, teyp, telsiz, telefon, fotoğraf makinesi ve bunlar gibi pek çok araç kuru pille çalışır. Pilin (+) kutbu, pilin ortasındaki karbon çubuktur. Bu çubuk, elek-triği iyi ileten yapay bir kömürün günlük hayatta kullandığımız kuru piller tozu sıkıştırılarak elde edilir. Karbon çubuk, içinde %75 mangan dioksit ve %25 grafit bulunan bir bez torbaya yerleştirilir. Torba içindeki bu karışım amonyum klorür çözeltisi ile nemlendirilir. Silindir şeklindeki çinko kap içine %20 kadar amonyum klorür ve bir miktar da pelteleştirici madde konulur ve bez torba bunların içine yerleştirilir. Leclanché pilinde de olduğu gibi, çinko kap pilin (-) kutbudur. Çinko kabın dibine bez torbanın kaba değmesini engelle-yen yalıtkan madde konur. Bu şekilde hazırlanan pil bir süre sıcakta bekleti-lerek amonyum klorür pelteleştirilir. Sonra pil parafinli kağıtla kapatılır. Oluşabi-lecek gazların toplanması için pilin üst kısmında boşluk bırakılır. Boşluğun üstü ziftle kapatılır. Zift, peltemsi amonyum klorürün kurumasını engeller. Kuru pil akım vermeye başladığında çinko çözünür. Her çinko atomu iki elektronunu kapta bırakarak Zn΅² iyonuna dönüşür ve çinko kap aşınır. Zn΅² iyonu, Cl¯ iyonları ile birleşerek çinko klorür oluşturur. Bu sırada amonyum klorür iyonlaşır. Amonyum iyonu karbon çubuktan elektron alarak amonyak ve hidrojen gazına dönüşür. Açığa çıkan hidrojen gazı mangan dioksit tarafın-dan tutularak kutuplanma (polarizasyon) önlenir. Elektronlar dış devreye çinko kaptan çıkar ve karbon elektroda gelir. Kuru pilin sağladığı potansiyel farkı volta pilininkinden fazladır. Polarizasyon kısmen engellendiğinden uzun süre kullanılabilir. Ancak pilden bir defada çok enerji çekilir veya çok uzun süre kullanılırsa oluşan hidrojenin olumsuz etkisi yok edilemez. Pildeki yük akımı durur ve pil tükenir. Pil çalışırken oluşan kimyasal tepkimeler pildeki maddelerin yapısında değişikliğe neden olmaktadır. Bu değişiklikler kimyasal tepkimeleri yavaşlata-rak pil gerilimini düşürür. Örneğin; çinko kap yenilenirse pil yeniden akım vere-bilir. Kuru pil kullanılmasa bile içindeki kimyasal tepkimeler yavaş yavaş de-vam eder ve nemini kaybeder. Bu yüzden pil alınırken taze olmasına dikkat edilmelidir. Sıcaklıkta tepkimeler hızlandığından, pildeki olayları yavaşlatmak için kullanılmayan piller serin bir yerde saklanmalıdır. 
Kuru pil çeşitleri:
Alkali pillerin anodunda yüksek-yüzey alanlı çinko tozu, katodunda ise yüksek kaliteli mangan dioksit (MnO2) bulunmaktadır. Elektroliti pelteleştirmek için bir selüloz türevi kullanılır. Elektrolit, potasyum hidroksittir. Alkali piller, aktif katot maddesi olarak cıva oksit (HgO) veya gümüş oksit (Ag2O) gibi maddeleri de kullanılır. Pil hücresinde enerji üretimi için gerçeklesen reaksiyonu, Zn + 2MnO2 + H2O = Zn(OH)2 + Mn2O3 şeklinde yazabiliriz.
Alkali pillerde aşağıdaki tabloda verilen sınır değerlerinin üzerinde ağır metal olması istemez. 
1870-90’lı yıllarda ilk geliştirilen kuru pildir. Elektrolit, sulu amonyum klorür veya çinko klorürdür. Elektrolite inert bir metal oksit ilave edilerek pelteleşmesi sağlanır. Pil hücresinde gerçeklesen reaksiyonu, Zn + 2MnO2 + 2H2O + ZnCI2= 2MnOOH + 2Zn(OH)C1 şeklinde yapabiliriz.
Zn + MnO2 + NH4CI Zn(NH3)2CI2 + 2 MnOOH şeklinde gerçekleşir.
En çok kullanılan pillerden biridir. Genelde “Heavy Duty”, “General Purpose”, “Extra Heavy Duty” isimler altında satılır. Çinko karbon pillerin ömrü alkali pillerden daha kısadır ve daha az güçlüdür. Çinko karbon pillerde sızıntı sıkça görülür. Anodun yapısından dolayı çinko-karbon piller alkali pillerden daha az cıva içerir. Korrozyon kontrolü ve hidrojen gazının serbest hale geçmesini önlemek için cıvaya ilaveten çinko karbon pilleri, kursun, kadmiyum, arsenik, krom, bakır, demir, mangan, nikel, çinko ve kalay gibi metaller içerir. Çinko – karbon pillerde %0.01’in altında cıva bulunmalı. Pilden sızan amonyum klorür göze temas ettiğinde ciddi sulanmaya neden olur. Çinko klorür çok korozif bir maddedir. Çinko karbon piller 54 oC üzerinde depolandığı zaman hidrojen gazı kaçmasına neden olabilir.
Katot olarak atmosferik havadan temiz edilen oksijen gazı (O2) kullanılır. Çinko anotta okside olurken katotta gerçeklesen reaksiyonu, O2 + H2O + 4e- = 2OH- şeklinde yazmak mümkündür. 
Çinko-Hava Pil Kesiti Elektrolit, %20 – 40 oranında potasyum hidroksit çözeltisi içerir. Potasyum hidroksit’i elektrolit çözeltisi olarak kullanmakta büyük problem var. Havanın oksijeni kullanılırken havada bulunan karbondioksit potasyum hidroksitle reaksiyona girerek potasyum karbonat oluşur. Dolayısıyla bu reaksiyonlar pillerin kullanım ömrünü kısaltır. Bu sebepten dolayı bu tür piller genelde işitme cihazlarında kullanılır. Çinko hava piller sürekli kullanımlar için değil, kesikli kullanımlar için uygundur. Hem çok az nemli hem de çok fazla nemli ortamlar çinko hava pillerin ömrünü kısaltır. Havadan alınan oksijen, gözenekli, hidrofobik elektrot (karbon polimer veya metal polimer bileşeni) arasından elektrolizde çözünür. Çinko – hava pillerde gazın serbest hale geçmesini önlemek için cıva oranı maksimum %5 cıva kullanılır. Çinko-hava piller sürekli kullanım için uygun değildir..
Gümüş oksit piller çok az miktarda kullanılır. Bu piller düğme seklinde çeşitli boyutlarda üretilir. Alkali veya çinko-karbon düğme hücreli pillerden daha fazla sabit voltaj üretirler. Gümüş oksit piller, cıva oksit pillerle içten şarj edilebilirler. İşitme cihazlarında ve saatlerde kullanılmaktadır. Cıva Oksit pillere göre gümüş oksit piller genelde çok daha pahalıdır. Gümüş oksit piller %1 oranında cıva içerir. Bu piller ayrıca gümüş de içerir. Gümüş oksit pillerde gaz oluşumunu önlemek için cıva kullanılır. Gümüş oksit piller, diğer düğme pillere çok benzediğinden diğerlerinden ayırmak oldukça zordur.Bu pillerde cıva miktarı %0.025 fazla olmamalıdır. .
Bu pillerin üretimi bazı ülkelerde durdurulmuştur. Genelde düğme hücre tipi pillerdir. Cıva Oksit Piller; - Çinko/cıva oksit, - Kadmiyum/cıva oksit, olmak üzere iki gruba ayrılır.
- Çinko-cıva oksit piller için: Zn+HgO =ZnO +Hg - Kadmiyum/cıva oksit piller için: Cd + HgO + H2O = Cd (OH)2 + Hg şeklinde yazmak mümkündür. Cıva oksit piller yerine, teknoloji geliştikçe daha az cıva içeren gümüş oksit ve çinko-hava düğme piller kullanılmaktadır. Bu pillerin kullanımı sürekli azalmaktadırlar. Düğme hücreler halinde üretilmektedir. Ağırlığının 3/2’si (%20-40) cıva oksittir. Kullanılmış cıva oksit piller tehlikeli atıklar sınıfına girer.
Lityum, metaller içinde en düşük redoks potansiyeline sahiptir. Çok hafiftir ve toksik madde değildir. Bu sebeplerden dolayı lityum çok geniş alanda kullanımı araştırılmakta ve anot olarak kullanılmaktadır. Lityum hücreler çok uzun ömre sahiptir. Düşük hızda enerji tüketimi gerektiren aletlerde (saatler ve hesap makineleri gibi) küçük silindir veya düğme hücreler halindeki lityum piller kullanılır. Bu aletleri birkaç yıl çalıştırabilir. Lityum piller hava ile temas ettiği zaman bozulur. Lityum çok aktif bir metaldir. Lityum su ile reaksiyona girdiğinde hidrojen gazı (H2) gazı açığa çıkar ve derhal pil hücresi patlar. Su ile reaksiyona girdiğinde hidrojen gazı (H2) gazı üretir. Buda hücrelere zarar verir. Susuz elektrolit kullanılır. Bunlar çözünmüş lityum tuzu içeren polar organik sıvılar (dimetil eter veya propilen karbonat)’ dan ibarettir. Polietilen oksit / tuz kompleksleri gibi polimer esaslı elektrolitlerin kullanımı araştırılmaktadır. Lityum pil hücresinde reaksiyon; Li + MnO2 = LiMnO2 şeklinde gerçekleşir. Lityum mangan dioksit pil kesiti aşağıdaki şekilde verilmiştir. 
Yakıt Pilleri Bu piller elektrokimyasal birer üreteçtir. Belirli sıcaklık ve basınç koşullarında, katalizörlü ortamda yakıtlar (hidrojen ya da hidrojenli bileşikler) ve bir yükseltgenden (oksijen ya da hava) hareketle, su elektrolizinin tersi olan tepkime gerçekleştirilebilir. Hidrojen iyonları ve oksijen iyonlarının birleşmesiyle su elde edilir ve bu arada elektrik akımı elde edilir. . Yakıt pillerinin diğer enerji sistemlerine göre avantajları sırasıyla aşağıda sıralanmıştır: • Yakıt pili termal enerji sistemlerine göre daha yüksek verimle çalışır. Termal sistemlerden elektrik üretiminde sistemin verimi "Carnot Çevrimi Kriterleri"’nden etkilenirken, yakıt pili sistemlerinde bu etkileşim yoktur. Termal sistemlerde elektrik üretimindeki verim %35-40’ı geçemezken, yakıt pili sistemlerinde %70’e yakın verimle çalışılmaktadır. • Yakıt pilinde meydana gelen emisyon miktarı, diğer yakıtlara göre ihmal edilecek kadar azdır. Yan ürün olarak bir tek su oluşmaktadır. Yakıt pillerinde CO, NOx, yanmamış hidrokarbonlar, ve kirletici diğer maddeler oluşmazken, oksitleyici olarak hava kullanıldığında ihmal edilecek kadar az miktarda azot oksitler, hidrokarbonlar kullanıldığında ise çok düşük miktarda CO2 oluşur. Günümüzde çevre kirliliği ve insan sağlığı için birçok yasal kısıtlamaların uygulandığı bu zamanda, diğer teknolojilerde maliyeti çok fazla arttırmaktayken, bu sistemin çevre dostu olması çok değerli bir alternatif yakıt olmasına neden olmaktadır. • Hareketli aksamın bulunmadığı yakıt pillerinde sistem, gürültü kirliliği oluşturmamaktadır. • Yakıt pillerinde kullanılabilecek yakıt sayısı çok fazla olduğundan, fosil ve alternatif yakıtların kullanımının kolaylığı nedeniyle çok farklı alanlarda kullanılabilmektedir. • Yakıt pilleri istenilen büyüklükte ve kapasitede üretilebilir. Basit bir yapıya sahiptirler. Büyüklüklerine göre 10 W’tan 4.5 kW’a kadar olan bir güç yelpazesine sahiptirler. Boyutları bir el çantasında taşınabilecek kadar küçük veya buzdolabı kadar büyük olabilmektedir. • Modülerdirler. Gerekli görülen her yerde kullanılabilir ve yerleştirilebilirler. • Yakıt pili sistemlerinde yan ürün olarak oluşan atık ısı geri kazanılabilir. • Yakıt pilleri dayanıklı ve güvenli sistemlerdir. Yakıt pillerinin diğer enerji sistemlerine göre dezvantajları sırasıyla aşağıda sıralanmıştır: • Yakıt pili kullanımı, çok fazla bilgi ve ileri teknoloji gerektiren bir sistemdir. • Diğer sistemlerden daha pahalı bir sistemdir. • Uygulamalarının tam verimle gerçekleşmesi için uzun zamana ve çok paraya ihtiyaç vardır. Yüklə 161,17 Kb. Dostları ilə paylaş:
|
Zn΅² (çözelti) + Cu (elektrot) (1)
Zn΅²+2e־ (2a) 