Изучение влияния синтетических моющих веществ на почву и растения

XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Изучение влияния синтетических моющих веществ на почву и растения

Смирнова В.М. 1
1университетская гимназия мгу им. М.В. Ломоносова
Молчанов Александр Юрьевич 1
1университетская гимназия му им. М.В. Ломоносова
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ГЛОСАРИЙ

ПАВ - (поверхностно-активные вещества) — вещества, изменяющие поверхностное натяжение на границе двух фаз (жидкость — жидкость, газ — жидкость). Изменение поверхностного натяжения на границе двух жидких фаз приводит к ускорению или замедлению расслаивания двух жидкостей, в случае жидкого и твердого тела — к увеличению или уменьшению смачиваемости твердого тела жидким. [1,7]

Анионные ПАВ (АПАВ) – это дифильные органические соединения, которые, диссоциируя в воде, образуют анион с длинным углеводородным радикалом – носителем поверхностной активности; катион при этом не является поверхностно-активным.

Амфотерные ПАВ – соединения, содержащие в составе молекул оба типа групп: кислотную (чаще всего карбоксильную) и основную (обычно аминогруппу разных степеней замещения). В зависимости от рН среды могут проявлять свойства катионных (рН <4), неионогенных (4–9), анионных (рН>9) ПАВ.

Катионные ПАВ (КПАВ) – это дифильные органические соединения, которые, диссоциируя в воде, образуют развитый поверхностно-активный катион; анион при этом не является поверхностно-активным. [2,3]

Актуальность: в современном мире люди часто пользуются различными синтетическими моющими средствами. Основой каждого мыла, шампуня и стирального порошка являются поверхностно активные вещества. Они оказывают влияние на экосистемы и здоровье человека. Я решила выяснить как поверхностно активные вещества влияют на рост и развитие растений.

Актуальность моей исследовательской работы состоит в том, что поверхностно активные вещества (сокращенно ПАВ) бесконтрольно сбрасываются вместе со сточными водами в водные объекты как озера и реки. Вода из них чаще всего используется в сельском хозяйстве и для полива растений в городах на дачах и приусадебных участках. Я собираюсь выяснить как поверхностно активные вещества влияют на почву и растительность.

Цель работы: изучение влияния ПАВ, входящих в состав синтетических моющих средств, на почву и растения.

Задачи:

Из литературных источников узнать о характере влияния ПАВ на рост и развитие растений.

Провести химический анализ растворов с восходящей концентрацией ПАВ на рост растений.

Провести биотестирование растворов, содержащие ПАВ.

Провести химический анализ почв, после полива растворами, содержащих ПАВ.

Объект моего исследования ПАВ.

Методы исследования: литературный обзор, эксперимент, лабораторный анализ.

Гипотеза исследования: в разных концентрациях поверхностно активные вещества, по-своему влияют на рост растений, в меньшей концентрации они будут положительно влиять на рост растений, а в большей - отрицательно.

1. Литературный обзор

1.1 ПАВ

ПАВ делятся на анионные, амфотерные (амфолитные), неионогенные, катионные.

К числу основных АПАВ относятся:

- мыла со структурной формулой: RCOONa, RCOOK;

- алкилсульфаты и алкилфосфаты со структурной формулой: ROSO3Me, ROPO3Me2;

- алкиларилсульфонаты (чаще всего алкилбензолсульфонаты со структурной формулой: RC6H4SO3Me);

- алкилсульфонаты и алкилфосфонаты со структурной формулой: RSO3Me, RPO3Me2;

- алкилсульфосукцинаты

- алкилэтоксисульфаты и алкилэтоксифосфаты

Анионные ПАВ используют как смачиватели, детергенты, пенообразователи. Они являются главными мицеллообразующими ПАВ с наибольшим объёмом производства и ассортиментом. Наиболее активно проявляют свои свойства в щелочных средах, хотя могут использоваться и в кислых, например, при обработке металлов кислотами для снятия окисной плёнки.

Полярная группа может содержаться не только в конце углеводородной цепи. Кроме того, в молекуле могут быть и другие полярные группы, которые увеличивают дифильность молекулы. К таким группам относят карбамидную - CONH2, cульфамидную - OSO2NH2, простую эфирную - С-О-С- и сложноэфирную связь -СОО-.

Наибольшее распространение среди анионных ПАВ получили соединения, включающие от 10 до 20 атомов углерода в алифатической цепи. Если в алифатической цепи в качестве заместителя содержится бензольное кольцо, то минимальное число атомов углерода снижается до 8-14. Анионоактивные ПАВ составляют более 60 % всех производимых ПАВ для СМС. Наибольшее применение нашли натриевые, калиевые, этаноламиновые и аммониевые соли алкилкарбоновых кислот. Кроме вышеперечисленных ПАВ широко применяются сульфаты глицеридов алифатических кислот, например, касторового масла и сульфопроизводные моно- и диэтаноламидов алифатических кислоты. Наибольшее распространение получили:

а) алкиламинокарбоновые кислоты,

б) бетаины: алкилбетаины, сульфобетаины, фосфатбетаины, амидобетаины, оксиэтилированные бетаины.

Промышленное значение имеют производные аминокислот, амфолиты карбоксибетаинового и имидазолинового ряда. Благодаря наличию в молекулах амфолитных ПАВ кислотных и основных групп, их свойства равноценны свойствам смесей катионоактивных и неионогенных, анионоактивных и неионогенных ПАВ. Это сочетание поверхностно-активных свойств молекул разных классов ПАВ в одной молекуле амфолитного ПАВ позволяет повысить эффективность действия моющих средств. Например, моющая способность бетаинов и сульфобетаинов равноценна моющей способности композиции оксиэтилированных алканолов с неорганическими фосфатами. Амфолитные ПАВ умягчают ткани, волосы, обладают антистатическим действием, эффективны при применении в жесткой и холодной воде. Амфолитные ПАВ хорошо совмещаются с ПАВ всех видов, обладают хорошими пенообразующими свойствами, бактерицидной активностью и дерматологическими свойствами.

К природным амфолитам относят некоторые фосфолипиды, например, лецитины – сложные эфиры глицеридов высших жирных кислот, ортофосфорной кислоты и холина.

Неионогенные ПАВ – слабо пенятся и используются в сочетании с другими видами ПАВ. Они растворимые как в кислой, так и в щелочной среде соединения, не диссоциирующие в воде. К ним относятся:

- оксиалкилированные первичные и вторичные жирные спирты;

- полиэтиленгликолевые эфиры АКК;

- оксиалкилированные алкилфенолы;

- плюроники;

- глицериды, глюкозиды, сахариды и т.п.

Неионогенные ПАВ в качестве компонентов моющих средств не уступают высококачественным мылам и с равным успехом применяются в мягких и жёстких водах, кислых и щелочных средах. Они обычно обладают низкой пенообразующей способностью и могут использоваться как пеногасители. Возможность регулирования их свойств путём варьирования числа оксиалкильных звеньев, наряду с низкой себестоимостью, предопределяет их широкое производство и применение.

Дифильность таких ПАВ обусловлена наличием в их молекулах функциональных групп, которые проявляют лишь способность сольватироваться или гидратироваться, но не диссоциируют в водных растворах.

К катионным ПАВ относятся:

- алифатические и ароматические первичные, вторичные, третичные амины и их соли;

- четвертичные аммонийные соли (ЧАС), в том числе соли пиридиновых оснований;

- оксиды третичных аминов.

ЧАС и соли пиридиновых оснований растворимы как в кислой, так и в щелочной средах.

КПАВ используют в качестве ингибиторов коррозии, флотореагентов, бактерицидных, дезинфицирующих и фунгицидных средств.

1.2. Принцип работы ПАВ

Поверхностно активные вещества могут определенным образом располагаться на границе раздела двух фаз, например, таких как вода- воздух или вода- масло. Такое поведение ПАВ объясняется особенностью их строения: молекула ПАВ мыла, включает как полярную, способную ионизироваться гидрофильную группировку, так и неполярную гидрофобную часть – углеводородный радикал. На границе раздела фаз к воде ориентируется гидрофильная группа, а к масляной фазе или воздуху –углеводородный радикал.

В водной среде при определенной концентрации молекулы ПАВ существуют уже не в виде изолированных частиц, а как большие агрегаты – мицеллы, у которых все углеводородные находятся в центре мицеллы, а гидрофильные группы – снаружи. Мицелла способна «захватывать» частички водонерастворимых веществ и создавать стойкие эмульсии, так как слипанию мицелл препятствует одноименный заряд их поверхностей. На этом принципе основано моющее действие мыл. Загрязнение представляют собой жировую пленку с частичками пыли. Мыла эмульгируют загрязнения, после чего эмульсия легко смывается водой. [4,6]

На рис.1 схематично изображен принцип работы поверхностно активных веществ.

1.3 Влияние ПАВ на экосистемы.

Сточные воды, содержащие продукты гидролиза полифосфатных ПАВ, могут вызвать интенсивный рост растений, что приводит к загрязнению ранее чистых водоемов: по мере отмирания растений начинается их гниение, а вода обедняется кислородом, что в свою очередь ухудшает условия существования других форм жизни в воде. [8]

1.4 Общее описание состава моющих средств

Стиральный порошок «Образец №1»

Состав: 5—15% анионные ПАВ, кислородосодержащие отбеливатели, более 5% неионогенные ПАВ, фосфонаты, поликарбоксилаты, мыло, цеолиты, энзимы, оптические отбеливатели. [12]

Стиральный порошок «Образец №2»

Состав: Натуральное мыло-30%, Сода-65%, Лимонная кислота-0,1-0,25%. [13]

Шампунь «Образец №3»

Состав: ВодаНатрия лауретсульфаткокамидопропилбетаинХлорид натриягидролизованный кератинглицинпантенол, масла, экстрактыкокоамфодиацетат динатриягликоль дистеаратПЭГ-7 Глицерил кокоатБензоат натриякокамид МЭАлимонная кислоталаурет-4фроматизаторыПоликватерний-10линалоол, ГлицеринПропиленгликольбензиловый спиртбутиленгликоль[14]

Зубная паста «Образец №4»

Состав: Вода, сорбитол, креммний, натрия лаурилсульфат, ароматизатор, целлюлозная камедь, экстракт ромашки, сок облепихи, эфирное масло облепихи, экстракт пихты, полипренол, экстракт крапивы, экстракт тысячелистника, экстракт зверобоя, экстракт чистотела, тетранатрия пирофоосфат, натрия монофторфосфат, глицерин, натрия сахарин, натрия хлорид, натрия гидроксид, лимонная кислота, феноксиэтанол, натрия бензоат, натрия сульфат, ментол, эвгенол, лимонен, ЦИ 19140, ЦИ 42090. Массовая доля фторида - 0,1% [15]

2. Материалы и методика исследования

2.1 Качественный анализ растворов и почвы

2.1.1. Определение хлорид-ионов

К 5 мл раствора приливают три капли 10% раствора азотнокислого серебра и 2 капли азотной кислоты. Появление осадка или мути указывает на наличие анионов хлоридов.

2.1.2. Определение сульфат ионов

К 5 мл раствора прибавить 4 капли 10% раствора HCl и 5% раствора BaCl2, в присутствии сульфат ионов выпадает осадок белого цвета или появляется муть в зависимости от концентрации.

2.1.3. Определение фосфат ионов

К 5мл раствора добавить 3 капли раствора нитрата серебра. Появление жёлтого осадка, растворимого в азотной кислоте указывает на наличие фосфатов.

Результаты химического анализа почвы и растворов внесены в таблицу 4: «Химический анализ растворов содержащих ПАВ» и таблицу № 5 «Результаты химического анализа почвы»

2.2. Биотестирование растворов, содержащих ПАВ разной концентрации

Биотестовый анализ - интегральный метод оценки качества объектов окружающей среды

Я приготовила растворы (таб.1), содержащие поверхностно активные вещества в разной концентрации. В пропорции 1:1:1:1 я смешивала Образцы №1-4 (Приложение 1 см. фото 1-2).

Таблица 1: Разведения растворов восходящей концентрации.

Процентное соотношение, %

Содержание грамм на литр воды

1

0

0

2

0,1

1

3

0,2

2

4

0,5

5

5

1

10

6

1,2

12

2.3. Ход биотестирования

15 августа

Высажены семена салата в 18 горшков (Приложение 2, фото 3-5)

17 августа

Семена взошли во всех горшках. (Приложение 2, фото 6-8)

24 августа

После первого полива изменений не наблюдается. Ростки салатового оттенка ростом от 2 до 5 см ширина листьев от 4 до 7 мм (Приложение 3, фото 9,10)

25 августа

Растения одинаковые. Произведен полив по 30мл в каждый горшок с растениями.

2 сентября

Растения одинаковые. Произведен полив по 30мл в каждый горшок с растениями. (Приложение 3, фото 11-14)

6 сентября

Произвожу замер растений, данные заношу в таблицу 2. Произведен полив по 30мл в каждый горшок с растениями. (Приложение, фото 15-16)

Таблица 2: результаты на 6 сентября 2021 года.

Концентрация ПАВ

Высота стебля*

См

Ширина листьев**

Мм

Общее описание состояния растения

0%

5,41

7,08

Много слабых растений бледно-зелёного цвета, высокие белые стебли почти не держат листья и устилают горшок

Листья овальные с закругленными концами, редко круглые

Предположительно из-за того, что растений было слишком много в горшках некоторые из них погибли

0,1%

6,88

9,0

Растения салатового цвета с высокими белыми стеблями хорошо тянутся к свету

Овальные листья с закругленными концами, наблюдаются листья неправильной формы

Мертвых ростков мало (9)

0,2%

7,40

9,38

Растения яркого зеленого оттенка. Стебли белые, не сильные, но не слабые. Листья полупрозрачные и направленны к свету.

0,5%

7,93

10,77

Растения салатового цвета с белым сильным стеблем, повреждений не обнаружено

1,0%

8,06

10,54

Растения салатового цвета с полупрозрачными листьями. Стебли белые не очень сильные, повреждений не обнаружено, есть мертвые растения

1,2%

6,36

6,69

Растения бледного зеленого цвета, листья полупрозрачные. Стебли белые чаще всего слабые. Есть много мертвых растений

21 сентября 2021 г.

Произвожу замер растений, данные заношу в таблицу 3. Произведен полив по 30мл в каждый горшок с растениями. (Приложение 3, фото 17-19)

Таблица 3: результаты на 21 сентября 2021 г

Концентрация ПАВ

Высота стебля*

См

Ширина листьев**

Мм

Общее описание состояния растений

0%

8,51

11,69

Полупрозрачные растения с белым стеблем. Большинство растений имеют по 4 зеленых листа. Есть много погибших растений, но к тому же взошло еще несколько растений.

Растения выглядят здоровыми.

0,1%

7,92

11,85

Здоровые, активно растущие растения с белыми стеблями. 4 зеленых листа на одном растении, мало погибших. Растения выглядят здоровыми.

0,2%

9,5

12,46

Растения здоровые с сильным стеблем, но активного роста не наблюдается. Взошли еще несколько семян, но есть мертвые растения. От 3 до 4 листьев на одном.

0,5%

7,95

13,54

Растения ярко зеленого цвета. На некоторых листьях обнаружены бурые крапинки. Много мертвых растения. Рост замедлился по сравнению с контрольной группой.

1,0%

8,53

12,31

Растения выглядят больными, листья в некоторых местах мягкие и полупрозрачные, активного роста не наблюдается, есть много мертвых растений.

1,2%

7,8

9,15

Растения слабые и выглядят больными, результаты хуже по сравнению с группой «1%». Есть много мертвых растений.

*- берется среднее значение, в случае бесконечной дроби округляется до сотых.

**- берется среднее значение, в случае бесконечной дроби округляется до сотых.

5 октября 2021г.

Произведен полив по 30мл в каждый горшок с растениями. (Приложение 3, фото 20)

8 октября 2021г.

Произведен полив по 30мл в каждый горшок с растениями. (Приложение 3, фото 21-23)

12 октября 2021г.

Произведен полив по 30мл в каждый горшок с растениями. (Приложение 3, фото 24-26)

15 октября 2021г.

Произведен полив по 30мл в каждый горшок с растениями. (Приложение 3, фото 27-29)

18 октября 2021г.

Завершен полив растений. (Приложение 3, фото 30-32)

2.4. Измерение ph растворов

Перед измерениями я откалибровала прибор с помощью буферных растворов при комнатной температуре. После каждого измерения электрод промывался дистиллированной водой во избежание неточностей в замерах. Результаты внесены в таблицу. (Таблица 4: «Химический анализ растворов содержащих ПАВ»).

2.5. Кондуктометрия растворов содержащих ПАВ в разных концентрациях.

Замеры проводились с помощью кондуктрометра, который откалибровали перед использованием. После каждого замера электрод тщательно промывался дистиллированной водой. Измеряемые растворы были комнатной температуры. Результаты внесены в таблицу. (Таблица 4: «Химический анализ растворов содержащих ПАВ»).

2.6 Анализ почвы

2.6.1 Ph почвы

Замеры производились 29 сентября 2021 года (Приложение 4, фото 34, 35).

На 5 г почвы брали 25 мл воды, в готовой суспензии производились замеры с помощью Ph-метра по три раза, затем высчитывалось среднее арифметическое значение. Результаты показаны в таблице 5: «Измерение Ph почвы». (фото 20, 21)

Опираясь на вышеприведённые методики, я сделала экспертизу почвы. Результаты вношу в таблицу 5: «Результаты химического анализа почвы»

Глава № 3. Результаты и их обсуждение

3.1 Результаты биотестирования

Анализируя данные, можно сделать вывод, что лучше всего растут растения, поливаемые растворами 0,1% и 0,2%. У группы «0,5%» сначала был высокий скачок роста, далее он замедлился и состояние растений ухудшилось по сравнению с контрольной группой. Группы растений, которые поливали раствором, содержавшего ПАВ с концентрацией 1% и 1,2% быстро погибла, наблюдался эффект, как и у «0,5%», но более ярко выраженный.

3.2 Химический анализ растворов содержащих ПАВ

Ниже вы можете увидеть таблицу с результатами экспертизы.

Таблица № 3 «Химический анализ растворов содержащих ПАВ»

Раствор

Ph

Кондуктометрия

Хлориды

Фосфаты

Сульфаты

(содержание г/мл)

0%

6

0,25

-

-

-

0,1%

9,40

0,91

+

+

1,0-10,0

0,2%

9,65

1,5

+

+

1,0-10,0

0,5%

10,20

3,43

+

+

10,1-100,0

1%

10,40

6,1

+

+

10,1-100,0

1,2%

10,60

7,42

+

+

100,1-500,0

Вывод: в моющих средствах содержатся хлориды, фосфаты и сульфаты. Среда возрастает с щелочной до сильнощелочной, электропроводность с увеличением концентрации возрастает.

3.3 Анализ почвы

3.3.1 Ph почвы

Таблица №4 «Измерение Ph почвы»

Раствор

1 показатель

2 показатель

3 показатель

Среднее значение*

0%

5,78

5,68

6,06

5,84

0,1%

6,24

6,48

6,64

6,45

0.2%

6,49

6,56

6,45

6,5

0,5%

6,78

6,81

6,73

6,77

1%

7,59

7,63

7,66

7,63

1,2%

8,15

8,33

8,19

8,22

*в случаях, когда среднее значение равнялось бесконечной дроби, результат округлялся до сотых.

3.3.2 Химический анализ почвы

Таблица №5 «Результаты химического анализа почвы»

Почва, поливаемая раствором

Сульфат-ионы

(содержание в почве мг/мл)

Хлорид-ионы

Фосфат-ионы

0%

--

-

-

0,1%

1-10

-

-

0,2%

1-10

-

-

0,5%

10,1-100

-

-

1%

10,1-100

-

-

1,2%

10,1-100

-

-

Вывод: в результате экспертизы ни в одной из проб почвы не обнаружено хлорид и карбонат ионов, почва почти не содержала сульфат ионов. Я предполагаю, что в процессе жизнедеятельности, растения поглощали вышеупомянутые ионы.

Рис. 25,26,28-30

4. Выводы

Анализируя литературу, я выяснила что такое поверхностно активные вещества и принцип их действия. Также я узнала, что сточные воды, содержащие их, могут повлиять на экосистему. 

Анализируя результаты биотестирования, можно сделать вывод, что растения, поливаемые растворами 0,1% и 0,2% росли лучше контрольной. Группы, которые поливали растворами 1% и 1,2% быстро погибли. 0,5% имеет промежуточный результат. 

Проводя анализ почв, я выяснила, что поверхностно активные вещества могут изменять свойства почвы при регулярном поливе. 

Химический анализ показал, что при увеличении доли ПАВ возрастает электропроводность. После отбавления ПАВ среда меняется с нейтральной на щелочную. Присутствуют хлориды, фосфаты и сульфаты.

4. Заключение

Я узнала, что поверхностно активные вещества в малой концентрации благоприятно воздействуют на рост и развитие растений. Листья исследуемых растений были более широкими, а стебли крепкими и высокими по сравнению с контрольной группой. В концентрациях, превышающих 0,5%, ПАВ оказывали губительное влияние на рост и развитие растений и, следовательно, это может негативно сказаться на экосистеме в целом. Поэтому можно смело сказать, что моя гипотеза подтвердилась.

Но мне необходимо продолжить свое исследование. Я собираюсь выяснить насколько пригодна для полива растений, вода, обогащённая ПАВ, например, если на дачном участке поливать растения водой из пруда куда смываются ПАВ. А также можно ли использовать в пищу растения, которые поливали растворами, содержащими поверхностно активные вещества, как они могут повлиять на живые организмы, здоровье человека.

В заключение я хочу сказать, что необходимо снизить количество потребляемых поверхностно активных веществ, либо начать пользоваться преимущественно безопасными для окружающей среды детергентами.

6. Список источников

Медицинская энциклопедия на Gufo.me

http://www.dirtoff.ru

https://sites.google.com/site/kolloidnaahimia/tiksotropia-sinerezis-i-drugie-krasivye-slovau-liofilnye-i-strukturirovannye-sistemy/poverhnostno-aktivnye-vesestva/vlianie-pav-na-okruzausuu-sredu

https://mplast.by/encyklopedia/poverhnostno-aktivnyie-veshhestva-pav/

К. Холиберг «Поверхностно активные вещества и полимеры в водных растворах»

Плетнев М.Ю. «Поверхностно-активные вещества и композиции»

Вережников В.Н.,Гермашева И.И., Крысин М.Ю. Коллоидная химия поверхностно-активных веществ: Учебно-методическое пособие/ Вережников В.Н.,Гермашева И.И., Крысин М.Ю.-Лань,2015г.-304с.

Кириченко О.А. Практикум по коллоидной химии: Учебно-методическое пособие/ О.А. Кириченко.-М.:Прометей 2012 г.  -110 с.

http://www.new-garbage.com/

https://cyberleninka.ru/article/n/fiziko-himicheskaya-ochistka-stochnyh-vod-ot-poverhnostno-aktivnyh-veschestv

https://www.vo-da.ru/articles/ochistka-ot-spav

Стиральный порошок. (olexo-shop.ru)

Бесфосфатный стиральный порошок для всей семьи на основе мыла (chistown.ru)

Состав шампунь свежесть и объем с экстрактом трав | ngrds.ru - Состав товаров

Паста зубная ромашка/облепиха 30801 (budzdorov.ru)

Приложения

Приложение 1: Приготовление растворов с ПАВ.

Фото 1

Фото 2

   
   
   

Приложение 2: Подготовка к биотестированию.

Фото 3 Фото 4

Фото 5 Фото 6

Фото 7 Фото 8

Приложение 3: Ход биотестирования

Фото 9 Фото 10

Фото 11 Фото 12

Ф ото 13 Фото 14

Ф ото 15 Фото16

Ф ото 17 Фото 18

Фото 19 Фото 20

Фото 21 Фото 22

Фото 23 Фото 24

Ф ото 25 Фото 26 Фото 26

Ф ото 27 Фото 28

Фото 29 Фото 30

Ф ото 31 Фото 32

Фото 33

Приложение 4: Химический анализ

Фото 35 Фото 34


Фото 36 Фото 37

Фото 38 Фото 39

Фото 40

Просмотров работы: 463