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LES BATTERIES D’ACCUMULATEURS ELECTRIQUES :
Historique : [W4-W5-W17] :
Cinq ans après l’invention de la première pile électrochimique, le physicien et physiologiste allemand Johann W. Ritter découvre le principe de la pile rechargeable. Il construit une colonne faite de plaquettes de cuivre séparées par des disques de cuivre et imprégnées d’une solution salée, qu’il raccorde à une colonne de Volta. Il observe que sa colonne se charge et que ce processus peut être répété à plusieurs reprises. C’est la naissance de l’accumulateur.
En 1859, Gaston Planté réalise le premier accumulateur au plomb que l’on trouve aujourd’hui dans les batteries automobiles. Il comporte deux feuilles de plomb roulées en spirale, séparées par une toile de lin et plongées dans un bac contenant une solution d’acide sulfurique. Ces électrodes, constituées initialement de plomb pur devaient être formées par balayages de potentiels successifs. Ces accumulateurs étaient associés en batterie.
Figure 7 : Première batterie au plomb inventée par Gaston Planté / Source [W17]
En 1880, Camille Faure met au point une technique facilitant la formation de l’accumulateur au plomb : une pâte à base d’oxydes de plomb et d’acide sulfurique est appliquée directement sur les lames de plomb qui sont maintenues en place en enroulant le tout dans un feutre.
En 1881, le luxembourgeois Henri Tudor fonde la société éponyme et industrialise les accumulateurs de Faure en introduisant des plaques de plomb coulé, enduites d’une pâte active. Beaucoup plus robuste, l’accumulateur ouvert tel que nous le connaissons est né.
Depuis, les progrès techniques n’ont pas cessé de progresser (propriétés des alliages, additifs des matières actives, composition des pâtes, etc.).
Définition : [W5]
Une batterie d’accumulateurs ou plus communément une batterie, est un ensemble* d’accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée. Ces accumulateurs sont parfois appelés éléments de la batterie ou cellule. Une batterie d’accumulateur permet de stocker l’énergie fournie par réaction chimique et la restitue sous une forme électrique.
On appelle aussi batteries les accumulateurs rechargeables destinées aux appareils électriques et électroniques domestiques. Il peut se recharger 500 à 2000 fois.
Principe de fonctionnement : [W19]
Les batteries (ou accumulateurs) et les piles sont des systèmes électrochimiques, qui stockent de l’énergie sous forme chimique et la restituent sous forme électrique. Les batteries sont basées sur un système électrochimique réversible, contrairement aux piles.
Le courant est produit par la circulation d’électrons entre 2 plaques ou électrodes :
une électrode positive ou plaque positive composée d’un corps oxydant, capable d’attirer des électrons,
une électrode négative ou plaque négative composée d’un corps réducteur, capable de céder des électrons.
Une batterie se caractérise donc tout d’abord par un couple «oxydant-réducteur», (par exemple Plomb/Oxyde de plomb, Nickel/Cadmium…) échangeant des électrons.
L’association de deux plaques constitue l’entité primaire d’une batterie.
Les deux plaques baignent dans une solution électrolytique (ou électrolyte), liquide ou sous forme de gel. C’est la réaction entre la solution et les électrodes qui sont à l’origine du déplacement des électrons et des ions dans la solution. Ainsi, l’électrolyte a pour fonction d’assurer la conduction ionique et, plus généralement, de participer à la réaction chimique.
Un isolant poreux (ou séparateur) permet de séparer les deux plaques tout en autorisant le passage des ions.
Les différents types d’accumulateurs électriques :
Parmi les différents types d’accumulateur, on distingue : [B11]
Les accumulateurs nickel cadmium (Ni-Cd) : contiennent 45 % de fer, 20% de nickel, 15% de cadmium, 5% d’hydroxyde de potassium, 10% d’eau et 5% de partie non métalliques
Les accumulateurs nickel métal hydrure (NiMH) : contiennent 70% de nickel, 10% de cobalt, 5% de manganèse, 5% d’aluminium, 5% de KOH et 5% de NaOH
Les accumulateurs aux ions lithium : contiennent 50% de fer, 30% de lithium, 10% d’électrolyte organique, 2% de cobalt et 8% de partie non métalliques
les accumulateurs au plomb : contiennent 24% de sulfate de plomb, 16% d’oxyde de plomb, 21% d’alliage de plomb, 24% d’électrolyte (acide sulfurique diluée), 7,7% de polypropylène, 3,8% de P.V.C
Le tableau suivant montre la description, le principe de fonctionnement et l’utilisation des différents types d’accumulateurs
LES PRINCIPAUX DANGERS DES METAUX LOURDS CONTENUS DANS LES PILES ET ACCUMULATEURS ELECTRIQUES USAGES :
Problèmes environnementaux : [W12-W18]
La production et l’élimination des piles engendrent de nombreux effets négatifs sur l’environnement. Leur fabrication nécessite déjà beaucoup d’énergie, bien plus que celle–ci libérée lors de leur utilisation. Sans remettre en cause leur caractère pratique, il faut bien reconnaître que c’est un objet énergétiquement peu rentable. Après usage, quand on jette des piles dans la nature, l’oxydation de l’enveloppe fragilise celle-ci et les métaux lourds se répandent soit dans le sol et atteignent, par infiltration, les nappes phréatiques, ou soit dans les rivières par l’intermédiaire du lessivage des sols par les pluies. Par exemple, d’après l’O.M.S (Organisation Mondiale de la Santé), 1 g de mercure seulement peut contaminer 400 L d’eau.
Incinérées, ce sont leurs composants toxiques qui se dégagent dans les fumées ou restent dans les cendres.
Dangers pour les êtres vivants : [W12-W18]
Les piles contiennent des métaux lourds : nickel, cadmium, mercure, plomb, fer, zinc, lithium… : Elles sont donc des déchets dangereux. Ces pollutions ne sont pas sans conséquence sur les êtres vivants (plantes et animaux confondus) qui assimilent ces métaux par contact ou l’intermédiaire de leurs nourritures et provoquent ainsi l’accumulation de ces métaux, par bioaccumulation. Pour les humains, ces composants toxiques, très persistants dans le temps, pénètrent plus ou moins rapidement et directement dans les chaînes alimentaires, exposant l’homme à une intoxication lente mais certaine. Les métaux lourds absorbés s’accumulent spécifiquement dans différents organes (les reins, le foie et même le cerveau) et provoquent des troubles divers et variés propres à chaque métal (dérangements intestinaux, troubles de l’audition et de la vue, du métabolisme osseux, du système nerveux… certains sont cancérigènes).
Ex : Exemple de chaîne alimentaire commençant par les plantes qui absorbent l’eau des nappes phréatiques polluées par le mercure jusqu’à l’aigle.
Le document ci-dessus nous montre une chaîne alimentaire constituée de plantes, de chenilles, de moineaux et d’aigle. Ceci nous fait remarquer que les animaux présents en haut de cette pyramide comme le moineau ou l’aigle vont recevoir, par conséquent, des concentrations de mercure de plus en plus élevées : on parle alors du phénomène de bioamplification.
Malgré leurs utilités, les piles et les accumulateurs peuvent, en raison de la toxicité de certains constituants, représenter un réel danger pour l’environnement et les êtres vivants. Du fait de l’utilisation de constituants dont les ressources sont non renouvelables, la fabrication des piles et des accumulateurs est menacée pour les générations futures. Mais aujourd’hui, nous pouvons limiter ceci par le moyen suivant : LE RECYCLAGE.
LES ETAPES DU RECYCLAGE DES PILES ET ACCUMULATEURS ELECTRIQUES USAGES :
Les piles ne sont pas dangereuses lors de leur utilisation mais, une fois usées, ce ne sont pas des déchets comme les autres. Elles peuvent devenir toxiques lorsqu’elles sont rejetées avec les déchets ménagers habituels. Il est donc mieux de les recycler.
Selon le dictionnaire Larousse : « Le recyclage est l’action de réutiliser (utiliser à nouveau) tout ou une partie d’un produit industriel (verre, pile, accumulateur…) »
Les différents types de recyclages : [W3]
En général, il faut savoir qu’il existe quatre types de recyclage :
Le recyclage chimique : il utilise des réactions chimiques le traitement des déchets
Le recyclage physique : par moyen thermique pour faire fondre les éléments à recycler
Le recyclage mécanique : il s’agit d’une transformation mécanique des déchets par une machine (exemple : le broyeur)
Le recyclage organique : il consiste à fabriquer des engrais ou du carburant (exemple : biogaz), le compostage (valorisation des matières organiques), ou encore de la fermentation (conservation de l’énergie contenue dans une source de carbone).
Mais dans le cas des piles et des batteries usagées, on utilise les deux types de recyclage qui sont le recyclage physique et chimique.
Objectifs de la collecte et du recyclage des piles et des batteries d’accumulateur: [W17]
La collecte et le recyclage des piles et des batteries d’accumulateurs ont pour objectifs d’ :
Economiser les ressources naturelles de métaux entrant dans la composition des piles : zinc, manganèse, cadmium …Récupérer ces matières premières et les introduire dans un circuit de fabrication des piles, c’est agir pour le développement durable : Les métaux les plus courants utilisés dans les piles sont le manganèse et le zinc et les métaux les plus utilisés dans les accumulateurs sont le lithium, le nickel et le plomb. Par ailleurs, les filières de recyclage, bien organisées, de plus en plus performantes, ne recyclent qu’un tiers des piles vendues sur le marché. Un autre tiers reste stocké chez les consommateurs tandis que le dernier tiers est jeté dans les déchets ménagers …
Ainsi, il est nécessaire et il en va de la responsabilité de chacun, aujourd’hui, d’ « alimenter » ces filières dans les pays où ces filières existent et de les introduire dans les pays en voies de développement.
Diminuer le volume des ordures ménagères, véritable enjeu écologique pour notre planète : Le volume des déchets ménagers ne cesse d’augmenter de 1% par an. Les piles n’étant pas des déchets comme les autres, il est préférable de les trier de nos ordures et de les traiter spécifiquement car ces déchets contiennent des métaux lourds très dangereux. Seuls les recycleurs experts à ce type de déchets sont capables de traiter la toxicité des fumées dégagées lors de leur incinération, de même qu’ils sont compétents pour récupérer et redistribuer les différents matériaux composants les piles.
Eviter le risque potentiel de pollution quand les piles sont rejetées dans la nature. Les piles et les accumulateurs usagés sont des déchets dangereux, lorsqu’ils se trouvent dans la chaîne alimentaire et peuvent se révéler toxiques pour les êtres vivants.
Les étapes du recyclage des piles et accumulateurs électriques usagés : [B4-W3]
Collecte :
Toutes les piles contiennent à plus ou moins forte concentration des substances qui peuvent être toxiques et/ou rares (mercure, zinc, nickel, cadmium, lithium, …). Si elles ne sont pas jetées au bon endroit, elles ne pourront pas être recyclées. Jetées dans les poubelles ménagères, elles pourront être incinérées et dégager des gaz toxiques, et c’est autant de métaux qui ne seront pas valorisés. Pour pouvoir récupérer ces déchets, des points de collectes spécifiques sont mis en place. En attendant de les rapporter dans un point de collecte, les piles peuvent être stockées chez soi dans une boîte ou un sachet étanche, hors de portée des enfants.
Enlèvement et Regroupement :
Les organismes chargés du traitement des piles et accumulateurs usagés viennent collecter les bacs et les amènent dans des centres de regroupement. Ces centres de regroupement permettent de stocker les piles et accumulateurs usagés. Une fois que le poids de collecte est assez important (de 4 à 20 tonnes selon les centres de regroupement), des camions les acheminent vers des centres de tri.
Transport vers l’usine de traitement et le centre de tri :
Des piles et accumulateurs vont être triés en fonction de leur catégorie et de leur composition. Ce tri est réalisé par des machines, puis manuellement par des personnes formées à distinguer les différentes catégories de piles. Des lots de piles sont constitués pour être envoyés dans des centres de recyclage adaptés.
Piles boutons : zinc air, zinc argent, zinc mercure
Piles bâtons : salines, alcalines, lithium
Accumulateurs : nickel cadmium, nickel métal hydrure, lithium-ion, au plomb
Méthodes de traitements existants :
Chaque lot constitué dans le centre de tri est envoyé dans un centre de recyclage adapté. Selon le couple électrochimique de la pile, différents traitements (chimique ou thermique) seront appliqués afin de récupérer les composants des piles. Ils constitueront des matières premières réutilisables dans la fabrication de nombreux objets.
Il existe en général quatre méthodes de traitements des piles et accumulateurs usagés, selon leurs catégories à recycler: la pyrométallurgie (récupération des métaux par incinération), l’hydrométallurgie (traitement chimique qui permet de passer les métaux en solutions), la distillation (filière thermique pour traiter en particulier les piles à fortes teneurs en mercures), et la fusion qui permet de récupérer une maximum quantité de plomb contenue dans des batteries au plomb.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
1ère Partie : ETUDE THEORIQUE ET RECUEILS DOCUMENTAIRES
I. LES PILES ELECTRIQUES
I.1. Historique
I.2. Définition
I.3. Constitution d’une pile
I.4. Principe de fonctionnement d’une pile
I.5. Les différents types de piles
I.5.1. LES PILES EN BÂTONS
I.5.2. LES PILES BOUTONS
I.6. Avantages et inconvénients des différents types de piles
I.7. Formats des piles adaptés aux usages
II. LES BATTERIES D’ACCUMULATEURS ELECTRIQUES
II.1. Historique
II.2. Définition
II.3. Principe de fonctionnement
II.4. Différents types d’accumulateurs électriques
II.5. Avantages et inconvénients des différents types d’accumulateurs
III. LES PRINCIPAUX DANGERS DES METAUX LOURDS CONTENUS DANS LES PILES ET ACCUMULATEURS ELECTRIQUES USAGES
III.1. Problèmes environnementaux
III.2. Dangers pour les êtres vivants
III.2.1. Voies d’entrée des substances chimiques dans le corps
III.2.2. Effets des métaux lourds sur la santé
IV. LES ETAPES DE RECYCLAGE DES PILES ET ACCUMULATEURS ELECTRIQUES USAGES
IV. 1. Différents types de recyclages
IV.2. Objectifs de la collecte et du recyclage des piles
IV.3. Etapes du recyclage des piles et accumulateurs électriques usagés
IV.3.1. Collecte
IV.3.2. Enlèvement et Regroupement
IV.3.3. Transport vers l’usine de traitement et le centre de tri
IV.3.4. Méthodes de traitements existants
IV.3.4.1. LA PYROMETALLURGIE
IV.3.4.1.1. Généralité…
IV.3.4.1.2. Procédés de traitement
IV.3.4.2. L’HYDROMETALLURGIE
IV.3.4.2.1. Généralité
IV.3.4.2.2. Procédés de traitement
IV.3.4.3. LA DISTILLATION
IV.3.4.3.1. Définition
IV.3.4.3.2. Procédés de traitement
IV.3.4.4. LA FUSION
IV.4.1.1. Généralité
IV.4.1.2. Procédés de traitement
IV.3.5. Revalorisation et récupération des divers composants des piles
V. CHANGEMENT DE NOTRE COMPORTEMENT EN MATIERE D’UTILISATION DES PILES ?
2ème Partie : ETUDE DE LA FILIERE DE VALORISATION DES PILES ET BATTERIES D’ACCUMULATEURS USAGES EXISTANT A MADAGASCAR
I. DONNEES STATISTIQUES
I.1. Flux sur l’importation de piles et de batteries d’accumulateurs électriques effectuée par Madagascar au cours des cinq dernières années
I.2. Flux sur la production moyenne de piles électriques à Madagascar par la société SIPED
I.3. Flux sur l’exportation de déchets des piles et de batteries d’accumulateurs électriques hors usages effectuée par Madagascar au cours des cinq dernières années
II. ETUDE DE LA FILIERE DE TRAITEMENT DES BATTERIES D’ACCUMULATEURS USAGES EXISTANT A MADAGASCAR
RECUPERATION DE PLOMB DANS LES BATTERIES USAGEES PAR LE GROUPE «ADONIS ENVIRONNEMENT »
II.1. Contexte et justification du projet
II.2. Description du projet
II.3. Composantes du projet et ses infrastructures techniques
II.3.1. Unité de traitement
II.3.2. Principaux équipements de l’unité de recyclage des batteries
II.3.3. Equipements de protection requis
II.3.4. Produits chimiques relatifs au recyclage des batteries
II.4. Procédé de traitement
II.5. Activités connexes
II.5.1. Collecte et transport des batteries usagées
II.5.2. Mode de stockage des batteries
II.5.3. Sécurité et protection des individus
II.5.4. Analyse en laboratoire
II.5.5 Maintenance
II.5.6 Moyens humains
II.6. Alimentation en énergie et en eau
II.7. Ressources humaines
II.8. Nombre de batteries usagées traitées et quantité de plomb produits par la société en 2013 et 2014
III. RECOMMANDATIONS POUR LE CAS MADAGASCAR
3ème Partie : ELABORATION DE SUPPORTS PEDAGOGIQUES SUR L’EDUCATION A L’ENVIRONNEMENT POUR ELEVES EN CLASSES SECONDAIRES
I. PEDAGOGIE DU PROJET (P.P) OU APPROCHE PAR PROJET (A.P.P)
I.1. Définition très large du terme « projet »
I.2. Définition de la « pédagogie par projet »
I.3. Fonctions de la pédagogie de projets
I.4. But et Objectifs de l’Education relative à l’environnement
I.5. Rôle de la pédagogie de projet sur l’Education à l’environnement
I.6. Rôles de l’enseignant dans la pédagogie de projet
I.7. Les différentes étapes de la pédagogie de projet s’intégrant à l’Education à l’environnement: du concept à la réalisation du projet
II. CONCEPTION ET ELABORATION DE QUELQUES PROJETS PEDAGOGIQUES SUR L’EDUCATION A L’ENVIRONNEMENT
II.1. MODULE 1 : ETUDE DE QUELQUES PILES ELECTRIQUES USUELLES
II.2. MODULE 2 : TRI ET RECYCLAGE DES DECHETS DES PILES ET ACCUMULATEURS USAGES
III. CONCEPTION ET ELABORATION D’UNE SEANCE DE « TRAVAUX PRATIQUES (T.P) » SUR L’HYDROMETALLURGIE DU ZINC
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
ANNEXE 1 : NOTION DE POTENTIEL D’OXYDOREDUCTION – GENERALISATION DE L’OXYDOREDUCTION EN SOLUTION AQUEUSE [SOURCE : B10]
ANNEXE 2 : DIAGRAMME D’ELLINGHAM [SOURCE : W20]
ANNEXE 3 : DIAGRAMME DE POURBAIX OU DIAGRAMME E – pH [SOURCE : W20]
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES
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