XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Топинамбур в защите окружающей среды.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Казбеков А.В. 1Кцоев О.Ф. 1

---

1МБОУ СОШ с.Цалык

Бестаева М.Р. 1

---

1МБОУ СОШ с.Цалык

Работа в формате PDF

354.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1Введение

Со второй половины XX века проблема экологии стала одной из важнейших проблем современного общества. Загрязнение окружающей среды приводит к ухудшению условий жизни на Земле. Большинство загрязняющих факторов носит техногенный характер. Одним из таких факторов являются выхлопные газы автомобилей. В конце 60-ых годов, когда мегаполисы США и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу по разрешению сложившейся ситуации взяли на себя специальные правительственные комиссии. В России, по данным Министерства природных ресурсов РФ, ежегодный экологический ущерб, наносимый транспортным комплексом страны, составляет около 1,5 % ВВП, при этом доля автомобильного транспорта в этом процессе достигает 62,7 %, т.е. 0,94 % ВВП. [1]

Все сказанное крайне актуально и для нашей республики.

Состояние атмосферного воздуха в Республики Северная Осетия – Алания определяется воздействием целого ряда специфических факторов, среди которых следует отметить:

наличие безветрия или слабых ветров из-за особого географического расположения основной части территории республики, что снижает рассеивание вредных примесей в атмосфере и способствует их накоплению в приземном слое. В результате действия этих факторов состояние атмосферного воздуха в республике, несмотря на относительно малое количество выбросов по сравнению с другими регионами, остается не совсем благополучным.

Особое место по масштабам влияния на состояние окружающей природной среды РСО – Алания занимает автотранспорт. Если выброс от стационарных источников загрязнения в атмосферный воздух в 2018 году составили 11,934 тыс. т., то расчетные суммарные выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта в атмосферный воздух составил 177,8 тыс. т/год. Из них выбросы оксида углерода составляют 140,0 тыс. т/год, диоксида азота - 14,0 тыс. т/год, углеводородов - 23,8 тыс. т/год. Таким образом, влияние автотранспорта на состояние атмосферного воздуха на порядок выше, чем предприятий и организации республики.[2] (Таблица 1)

Снижению вредных выбросов автомобильных двигателей в атмосферу может способствовать использование новых дизельных топлив. При этом не только уменьшение содержания вредных компонентов в отработавших газах, но и рост цен на топливо, а также сокращение запасов нефти будут способствовать поиску альтернативных видов топлива. [3]

Использование биотоплива отличается экологичностью, возобновляемостью и создает дополнительные рабочие места. Использование биомассы приводит к снижению выбросов парниковых газов на 40 – 80 % по сравнению с ископаемыми топливами. Белая Книга ЕС по стратегии в области энергетики (1997) указывает на необходимость повышения доли биотоплива на транспорте. Необходимо обеспечить поставки дополнительного количества жидкого биотоплива, так как цены на нефть непредсказуемы и в долгосрочной перспективе ископаемое топливо закончится. Поэтому приоритетом остается снижение стоимости производства биотоплива.

Зеленая Книга ЕС (2000) подчеркивала важность биомассы для обеспечения надежности энергоснабжения. Финальный отчет по Зеленой Книге (2002) добавлял, что в долгосрочной перспективе технически возможно заменить 20 % дизельного топлива и бензина на биотопливо, если будут приняты соответствующие политические меры. [4]

Цель моей работы заключается в исследовании возможностей производства и использования биотоплива из топинамбура в нашей республике, как одного из факторов защиты окружающей среды

Содержание поставленных задач:

изучение актуальности исследуемой проблемы;

изучение мирового опыта производства и использования биоэтанола;

обоснование выбора сырья для производства биоэтанола в условиях нашей республики;

расчет экономического эффекта от использования биоэтанола в качестве добавки к бензину в РСО-Алания.

Работа относится к естественнонаучным прикладным работам. Значимость работы заключается в исследовании возможностей производства и использования биотоплива в нашей республике.

Прикладная ценность заключается в уменьшении материальных затрат и экономии энергетических ресурсов, а также оздоровлении экологической обстановки и создании новых рабочих мест за счет производства и использования более дешевого и экологически чистого вида топлива.

2. Биотопливо – что это?

Под биотопливом понимается любое жидкое или твердое топливо из возобновляемого сырья.

Твердое, к примеру, дрова или иное растительное сырье – солома, хворост и т.д. Жидкое топливо подразделяется на два основных вида – биоэтанол и биодизель. Что такое биоэтанол? Это этанол в той же степени, то есть спирт, вырабатываемый из сельскохозяйственного сырья. Смешиваемый с бензином спирт – дает горючее. [5] Идея использования этанола в качестве топлива или добавки к топливу известно давно. Еще в 1914 г. в России доказали, что переход от бензина к спирту возможен, а в 1934 г. в Европе уже производили свыше 2,65 млнм³ спирто-бензиновых смесей. Однако позже интерес к таким смесям угас. Отчасти потому, что спирт-ректификат содержит примерно 6 % масс воды, которая в бензине не растворяется, а ведет к расслоению этих жидкостей, при низких температурах замерзает, образуя ледяные «пробки» в трубопроводах и каналах карбюратора. Получение же безводного «абсолютированного» спирта в те времена было очень дорогим. Однако в конце 1970-х начале 1980-х годов интерес к спирто - бензиновым смесям в связи с резким ухудшением экологической обстановке и нефтяным кризисам снова возник и с 1980 г. началось массовое производство обезвоженного спирта и его использование.

Главное достоинство этанолсодержащих топлив – уменьшение количества монооксида углерода, оксидов азота и сажи в отработавших газах двигателей. Кроме того, этанол обладает высокими антидетонационными свойствами: он является наиболее эффективной антидетонационной добавкой среди алифатических спиртов. (Таблица 2)

Чистое топливо – чистая окружающая среда.

Глобальная экологическая проблема, связана c выбросами в атмосферу углекислого газа. До последнего времени образование токсичных компонентов выхлопных газов карбюраторных двигателей было связано с применением присадок к бензину в виде тетраэтилсвинца (С₂H₅)₄Pb – металлорганического соединения, получаемого в результате воздействия хлористого этила на сплав свинца с натрием и хорошо растворяющегося в углеводородах нефти. Наличие долей процента тетраэтилсвинца в бензине позволяет увеличить его октановое число на 5-10 пунктов, а значит, снизить риск детонации в камере горения. Но тетраэтилсвинец очень ядовит. Выхлопные газы двигателя работающего на этилированном бензине, содержат отравляющие компоненты, которые при попадании в организм человека образуют карбоксигемоглобин, блокирующие способность красных кровяных телец переносить к клеткам кислород. Кроме того, в атмосферу выбрасывается огромное количество свинца, крайне опасного для всего живого.

В отличие от метил-трет-бутилового эфира, от использования которого уже отказались большинства стран. Этанол не вызывает загрязнения грунтовых вод. Этанол не токсичен и растворим в воде. При разливе бензина этанол разлагается естественным образом быстрее других составляющих, не нанося при этом вреда окружающей среде. Благодаря добавлению этанола бензин обогащается кислородом, что способствует более полному сгоранию и уменьшению выбросов окиси углерода на 30 %.

Он так же уменьшает выбросы токсичных веществ на 30 %, а выбросы летучих органических соединений – более чем на 25 %. Присутствие этанола в бензине существенно снижает количество вредных веществ в двигателе автомобиля, повышает его качественные

характеристики. Проанализировав жизненный цикл этанола, Департамент сельского хозяйства США пришел к выводу, что этанол вырабатывает 134 % энергии, затрачиваемой при выращивании, уборке и переработке кукурузы. Бензин же возвращает всего лишь 80 % энергии, используемой в его производстве.

Очень важно и то, что его можно получать из возобновляемого (растительного) сырья. [6]

3.Изучение мирового опыта по производству и использованию биотоплива.

Больше всего топливного спирта производится из кукурузы и сахарного тростника, но значительна и доля спирта вырабатываемого из пшеницы и сахарной свеклы. Для производства биодизеля используется соя и рапс.Все определяется климатическими условиями той или иной страны, отсюда и предпочтения. В США – это кукуруза для топливного спирта и соя для биодизеля. В Южной и Центральной Америке и Индии – сахарный тростник, в Европе – кукуруза. [7] Проблемой является то, что производство биотоплива из зерновых ведет к значительному сокращению мировых пищевых ресурсов. Поэтому значительным шагом вперед будет этанол произведенный из биомассы (целлюлозы). [8]

4. Получение биотоплива из отходов.

До 1990 г. в России в сельском хозяйстве ежегодно образовывалось около 100 млн.т. органических отходов по сухому веществу, при этом на долю животноводства – 60 – 70 млн.т. Комплексная переработка биомассы может дать в год до 90 млрд. м³ биогаза, 35 млн.т. этанола, 20 млн.т. удобрений. Например, солома и ботва – только часть энергопотенциальной биомассы в России (не более 25 %), но при биоконверсии 130 млн.т. соломы и 20 млн.т. ботвы можно получить соответственно 18 и 5 млрд. м³ биогаза. [9]

5. Какое же биотопливо получается выгоднее?

Это определяется многими составляющими, и сопоставление возможностей разных стран. Особенности природных условий ставят в выгодное положение Бразилию с ее буйной растительностью, где сахарный тростник произрастает при минимальных затратах на рыхление почвы и удобрения. Собственно, в силу дешевизны сырья это единственная страна, где биотопливо действительно эффективно работает.

6.Топинамбур, как сырьё для производства биотоплива в условиях нашей республики.

В настоящее время в спиртовой промышленности усиливается тенденция перехода на ресурсосберегающие технологии, использование нестандартных видов сырья, как альтернатива зерновым культурам. При определении выбора сырья для производства биотоплива в условиях нашей республики мы изучили почвенно-климатические условия и условия выращивания отдельных видов сельскохозяйственных культур.

Климат в РСО - Алании умеренно континентальный. Большим разнообразием отличается почвенный покров: горно-луговые почвы, чернозёмы различных видов, (рис.1).Изучив почвенно-климатические условия нашей республики и условия выращивания отдельных видов культур, мы пришли к выводу, что наиболее оптимальным вариантом сырья для производства биоэтанола на топливно-энергетические нужды в условиях нашей республики являются сахарная свекла и топинамбур. Однако сахарная свекла служит сырьем для производства продуктов первой необходимости, а топинамбур мало изучен, как сырьё для производства биоэтанола. Топинамбур, или земляная груша, (HelianthustuberosusL), семейство сложноцветных (Compositae), близкий родственник подсолнечника. (Рис.2) По–осетинский - хуыскъал. — клубненосное растение, надземная часть его высотой до 4,0...4,5 м напоминает стебли подсолнечника, подземная — подобна гнезду картофеля. Клубни могут перезимовать в почве под снегом при температуре до — 40°, не теряя товарных качеств и всхожести. Химический состав клубней топинамбура, (Таблица2).В земляной груше — много углеводов в виде инулина, (С₆Н₁₀О₅)_n — источника для производства ценной формы углеводов (фруктозы) — диетического продукта для больных диабетом (диаграмма)

. Агротехника топинамбура проста и сходна с агротехникой картофеля. Топинамбур нетребователен к условиям произрастания, зимостоек, растёт в южной и средней полосе России до широты Санкт-Петербурга.. (9)

7.Расчет экономического эффекта от использования биоэтанола в качестве добавки к бензину.

Выяснили, что в республике 1л бензина Аи-80 стоит 40 рублей, 1л бензина Аи-95-46 рублей,1л биоэтанола стоит 40 рублей, 1л биотоплива (смесь 85% Аи 80+ 15% биоэтанола) стоит 40 рубля. По данным ГИБДД РСО - Алании количество автотранспорта республики составляет 244,319ед. (табл.3). Если принять в расчёт, что в среднем единицей автотранспорта за сутки расходуется 10л бензина, то подсчитываем экономический эффект от использования биоэтанола в качестве добавки к бензину. Результаты представлены в таблице 4

8.Заключение

В результате проведённой работы выяснили, что в республике может и должно быть налажено производство биоэтанола из топинамбура для топливно-энергетических нужд. Необходимо на уровне правительства принятие законодательных актов, которые способствовали бы развитию этого производства в нашей республике.

Итак, произведённый нами расчёт экономического эффекта от использования биоэтанола в качестве добавки к бензину, показала значительное высвобождение денежных средств, которые можно направить на улучшение условий жизни населения республики.

Мы предлагаем наладить производство и использование биоэтанола из топинамбура в фермерских хозяйствах республики, что способствовала бы значительному оздоровлению экологии и экономической обстановки в частности и в целом в агропромышленном комплексе республики.

Производство биотоплива в республике способствовала бы сохранению природных ресурсов, значительной экономии энергетических ресурсов, оздоровлению экологической обстановки и сохранению здоровья населения.

9.Список используемой литературы.

Н.И. Акулов, В.Ф. Юдаев. Получение моторного топлива на основе бензина и водно-спиртового раствора. /Производство спирта и ликероводочных изделий. 2004, № 3 – с 19-21.

Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды РСО – Алания. 2018 г. – Владикавказ «Иристон» 2018 г.

И. Балабаева, Новые дизельные топлива // Автомобильный транспорт. 2004, № 8. с. 41-42.

В.М. Каргиев, Мировой опыт. Российская Национальная Биотопливная Ассоциация. ТЦ Россия – ЕС.

Г. Варикат, Перспективы формирования отечественного и состояние мирового биотопливного рынка. http://www.varikasch.ru/

В.В. Макаров и др. Спирты как добавки к бензинам; Автомобильная промышленность, 2005, № 8 – с. 24-26.

«Биотопливо второго поколения!» пер. Шуткевич А. Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология»http://www.cblo. № 4 / по материалам компании DuPont.

Цугкиев, В.Г. Содержание питательных веществ в нетрадиционных кормовых культурах / Б.Г. Цугкиев, Л.Ч. Гагиева // Земледелие. - 2004. - № 1. - С. 10-11.

И.Л. Рогожин и др. Получение биотоплива из растительных отходов / Достижения науки и техники АПК № 4, 2000 г.

Приложение I

Таблица !. Расчетные данные выбросов от автотранспорта по районам республики

(По данным ГИБДД РСО-Алании)

Приложение II

Таблица2. Сравнительная характеристика химического состава

Приложение III

Таблиц3. Расчет экономического эффекта от использования биотоплива в РСО-Алания

Приложение IV

Рис1. Северная Осетия (Географическая карта)

Приложение V

Рис.2. Топинамбур, или земляная груша, (Helianthustuberosus)