XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влияние портативных батареек на почвенное загрязнение
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время Интернет пестрит информацией о большой опасности, которую представляют собой батарейки, выброшенные «не по правилам».
По статистике, на одну выброшенную батарейку приходится 20 квадратных метров земли, загрязненных тяжелыми металлами или около 400 литров воды. Тема утилизации бытовых отходов очень актуальна, но много популярных литературных источников посвящённых ей, но не достаточно имеется научных исследований.
В нашей работе, мы хотим узнать, как влияет на почву и прорастание семян попавшие в нее батарейки. Проследить влияет ли остаточная напряженность в ней на почвенное загрязнение через изменение рН и электропроводность раствора почвы н прорастание семян. А также как относятся ученики нашей школы к утилизации батареек и знают ли они об опасности их попадания в почву. Я выдвинул гипотезу, что физико-химические показатели, такие как рН, электропроводность и напряжение батареек влияют на почву, а значит и на растительные объекты, что растут на ней. Изучение вышедших из употребления батарейки через физические величины такие как напряжение и электропроводность, их связь с кислотностью почвенного раствора, после хранения в земле батареек, придают новизну нашему исследованию. Таким образом, была поставлена цель:
Определить влияние портативных батарей на почвенное загрязнение через рН и прорастание семян кресс салата.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Провести социологический опрос среди учащихся школы о вреде захоронения батареек.
Провести замеры напряжения отработанных батареек, подготовленных для утилизации.
Провести изучение рН почвенного раствора после хранения в почве батареек.
Провести изучение электропроводности почвенного раствора после хранения в почве батареек.
Провести высадку кресс салата в почвенные растворы, после хранения в нем батарейки, для определения всхожести семян в нем.
Объектом исследования стала почва, после захоронения в ней батареек.
Предмет исследования: Влияние продуктов распада батареек на прорастание кресс салата.
Методы исследования: социологический опрос, эксперимент (измерение напряжения батареек на вольтметре, измерение рН почвенного раствора и электропроводности почвенного раствора, посадка кресс-салата);
Место и сроки исследования: лаборатория кабинета химии МБОУ Июльской СОШ, сентябрь - октябрь 2022г.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Батарейки — бытовое название группы ХИТ (химические источники тока), имеющих однократное применение и не подлежащих перезарядке, восстановлению заряда. В процессе разрядки, то есть извлечения электричества из элемента, анод, катод и электролит необратимо изменяются. [1]
Элементы не подлежат повторному использованию. Технологии производства батареек развиваются уже более сотни лет. За это время удалось найти оптимальные конструктивные решения. По этой причине они являются сравнительно дешевыми источниками электрической энергии.[6]
« Сухие», или солевые элементы — это группа ХИТ, в которых электролит находится не в свободном жидком виде, а распределяется в гелеобразном или пастообразном состоянии по объему сепаратора, отделяющего анод от катода. Относительная «сухость» электродов дала наименование этим источникам электричества. Сухие угольно-цинковые элементы (марганцево-цинковые) являются самыми распространенными элементами. Они применяются при малых токах или прерывистых режимах работы. Номинальное напряжение элемента составляет 1,5 В.
Рис.1Строение солевой батарейки;[4]
Э ффективность использования элемента повышается по мере уменьшения тока разряда и введения перерывов, так как они могут «восстанавливаться» во время перерыва в работе. В результате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается. Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость, а к существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5–10 Вт/кг) и малый срок хранения.[1]
Рис.2 Строение щелочной батарейки;[4]
Щелочные батареи — химические источники, в которых в качестве электролита используются щелочи. Другое их название — алкалайновые батареи (от английского alkaline — щелочь). Это наиболее современный и перспективный тип батарей. Они отличаются существенно большей электрической емкостью, превышающей емкость солевых элементов в 3–5 раз (самые современные элементы, в составе электролита которых присутствуют соли титана, имеют еще большую емкость и низкое внутреннее сопротивление). Напряжение щелочных элементов всего лишь на 0,1 В меньше, чем у солевых угольно-цинковых и поэтому эти элементы взаимозаменяемы. Напряжение элементов со щелочным электролитом в процессе разряда понижается меньше, чем у солевых элементов, а срок их хранения значительно больше. У лучших образцов он может достигать 5 лет, поскольку токи саморазряда у них очень малы. Данная группа ХИТ характеризуется повышенным нагрузочным током и может применяться для питания устройств со средним и высоким потреблением. Важное отличие этих элементов — герметичность исполнения, достигаемая благодаря отсутствию газовыделения при разряде. Это свойство позволяет использовать их без риска испортить аппаратуру вытекающим солевым раствором.[1]
Еще один перспективный тип батарей — воздушно-цинковые ХИТ. Они отличаются большой емкостью и экологической чистотой применяемых компонентов. Их электрическая емкость в несколько раз больше емкости щелочных источников. Номинальное напряжение на клеммах — 1,3 В, в батареях — 2,6 В и выше.[10]
В статье ученых из г. Самары отмечается, что массовое использование химических источников тока (ХИТ), особенно портативных батарей (ПБ), создаёт проблему их утилизации. Все типы ПБ имеют общие черты: содержат тяжелые металлы и электролиты, способны загрязнять грунтовые воды, не поддаются биохимическому разложению, являются источником вторичного сырья для получения цветных металлов.
В источниках литератур ряд авторов указывает, что тяжелые металлы, образующиеся при разрушении металлического корпуса батарейки, попадают в грунтовые воды, после этого они могут попасть в артезианские воды, используемые для питьевого водоснабжения.[1]
В среднем в месяц человек выбрасывает около 4–6 батареек. Это 120 м.кв. загрязненной почвы.
Практически во всех химических источниках тока содержатся токсичные вещества в виде различных металлов или их соединений, которые при разложении батареек попадают в почву и водный бассейн.[5]
Одной из сложных проблем переработки вторичного сырья является утилизация и переработка использованных химических источников тока (ХИТ). В мире перерабатывается всего 3 % от общего объема производимых батарей и аккумуляторов.[1]
В России общественные сайты демонстрируют высокую активность населения, компания «Мегаполисресурс» готова перерабатывать батарейки со всей страны. Утилизационные мощности относятся преимущественно к цветной металлургии, что предопределяет географию ожидаемых потоков вторичных ресурсов, собранных на разных территориях. [5]
Проанализировав литературу, можно отметить, что много статей посвящено проблеме утилизации бытовых отходов, что говорит об актуальности проблемы.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
|
Рис.3 Батарейки, участвующие в эксперименте; |
Анкету для онлайн-опроса создали в Google- формах (https://forms.gle/eo48JU8r8syc4Pw76) и разместили в родительских чатах и чатах детей. Прохождение опроса добровольное. Анкетирование позволит нам понять важность темы утилизации батареек для населения с. Июльское, а также выявить знания о вреде батареек и способах их утилизации населением.
Провели сбор батареек среди одноклассников. Для эксперимента брали батарейки солевые и щелочные (алкалайновые) размеров АА и ААА (рис.3)
Измерение напряжения.
|
Рис.4 Замер напряжения в батарейках; |
Определение напряжения в батарейках производим с помощью цифрового мультдатчика Digital Multimetr Atlantic DT832 (Китай) (Рис.4). С помощью датчика замеряем напряжение в батарейках, которые приготовлены для утилизации. Прикладываем щупы к полюсам батареек и смотрим на полученное значение на экране датчика.
Измерение рН
Собранные батарейки мы раскладываем по пластиковым стаканчикам и засыпаем 100 гр. почвы (Рис.5). Почву брали плодородную из огорода. Через 2 недели эксперимента, достали из почвы батарейки, почву заливаем 150 мл. воды, перемешиваем, даем настояться в течении часа, после фильтруем через воронку с фильтровальной бумагой (Рис.6).
|
Рис.5 Закладка опыта с почвой; |
Рис.6 Фильтрование почвы и воды; |
Рис.7 Измерение рН и электропроводности; |
Закладываем и контрольный образец без батарейки. Полученный почвенный раствор измеряем с помощью цифрового датчика рН Relion (Россия) (Рис.7). Данные измерения выводятся на монитор компьютера. Замеры делаем для всех образцов.
Измерение электропроводности
Измерение электропроводности проводим параллельно с измерением рН раствора. Цифровой датчик электропроводности Relion (Россия). помещаем в почвенный раствор. Через несколько секунд на экран выводится значение электропроводности. Замеры делаем для всех образцов. Измерение электропроводности позволяет судить об общем количестве ионов в растворе.
Биоиндикация кресс-салатом
В чашки Петри закладываем по 30 семян кресс-салата (сорт «Ванька Кучерявый») (Рис. 8), чашки пронумеровав, заливаем соответствующим почвенным раствором (рис. 9). Оставляем на 3 дня, подливаем растворы (по мере надобности) если происходит ее испарение, подсыхание.
|
Рис. 8 Кресс-салат сорта «Ванька Кучерявый»); |
Рис.9 Закладка опыта для батареек солевых ААА; |
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В опросе приняло участие 102 участника. В возрасте от 12 до 75 лет. Опрос показал, что многие, особенно дети знают о вреде батареек для природы, однако есть еще те, кто просто выбрасывает их в общий мусор. Также отметим, что некоторые не знают о местах утилизации и хранят дома, до возможности их дальнейшей ликвидации.
Батарейки собранные мною у родственников и знакомых пересортировал и разделил на три основные группы: 11 солевых батареек типа ААА и 10 батареек щелочных (алкалайновых) типа ААА, 14 щелочных батареек типа АА.
Измерение напряжения в батарейках
Результаты измерения получились разными для всех батареек (Рис.10). Мы отметили, что некоторые батарейки имеют еще напряжение и могли бы еще использоваться. Могу предположить, что из-за проблем в работе самого прибора, владельцы списали на разрежённость батарейки и подготовили ее в утиль. Солевые батарейки более разряжены, чем алкалайновые.
Рис. 10 График измерения напряжения в портативных батарейках;
Измерение рН почвенного раствора
По сравнению с контролем можно заметить, что кислотность увеличивается почвы с батарейкой, т.к. снижается рН почвенного раствора (Рис. 11). В контроле, плодородной почве, богатой органическими веществами, почва имеет щелочную среду. Щелочное значение рН, говорит о том, что в растворе преобладают гидроксид ионы (ОН-). При попадании батареек в почву происходит ее закисление. Мы замеряли через 2 недели, думаю, что если бы они пролежали в земле дольше, то разница была бы значительнее.
Рис. 11 График значения рН почвенных растворов.
Из диаграммы мы видим, что значение рН составило в пределах от 7.35 до 8.78, а контроль 8,89.
Измерение электропроводности почвенного раствора
Электропроводность показывает общее число образующихся заряженных частиц в растворе. Почвенные растворы имеют электропроводность, которая выражена в таблице 1. (Приложение 2). Хорошо видно, что увеличивается электропроводность, при снижении кислотности, считаю, что это возникает, т.к. в почву попадают еще и разные соли из батарейки, вероятно, идет процесс разрушения корпуса батарейки.
Чем выше напряженность, тем выше скорость ионов, а значит и электропроводность. При низкой напряженности электропроводность мало уже зависит от нее. На электропроводность влияет и рН, т.к. образуются заряженные частицы Н+ или ОН-.
Биоиндикация почвенного раствора
Биоиндикация кресс-салатом показала, что прорастание в растворах разное (Рис.12). Стоит отметить, что через 4 дня в некоторых пробах семян появились крепкие корешки, а в некоторых не произошло изменений, наблюдение дальнейшее показало, что позже (через 7 дней) в них произошло растрескивание кожуры и появление корешка, тогда как у первых появились листочки (Рис.13).
|
Рис. 12 Закладка опыта с кресс-салатом растворах почв после солевых батареек и щелочных ААА; |
Рис.13 Проба №2 и №3 солевых батареек; |
Подсчет семян, которые начали прорастать на 4 день, мы посчитали. Результаты всхожести семян, на примере солевых батареек типа ААА, представлены на диаграмме. Из полученных данных мы видим, что все батарейки оказали негативное воздействие на прорастание семян. Отмечается замедление всхожести в некоторых случаях. А есть и полное отсутствие всхожести.
Рис. 12 Диаграмма всхожести (%) в зависимости от рН почвенного раствора;
Из диаграммы мы не можем сказать о четкой зависимости от рН раствора во всех случаях, но большая часть проб показывает, что при снижении рН, подкислении, ухудшается всхожесть семян, по сравнению с №1 (контроль) (Рис.12). Нормой считается прорастание 90 — 95% семян в течение 3 — 4 суток. Думаю, что в плохой всхожести виновато не только рН почвенного раствора, а совокупность всех процессов, происходящих в почве под влиянием батарейки.
Стоит отметить, что исследование нужно продолжать для полноты всей картины влияния портативных батарей.
В результате исследования можно сделать следующие выводы:
Социологический опрос среди учащихся школы и родителей об утилизации батареек показал, что дети знают о вреде батареек на природу.
Не все батарейки израсходовали свое напряжение, но уже подготовлены для утилизации;
Во всех случаях происходит снижение рН почвенного раствора, из-за батареек, происходит увеличение кислотности.
Электропроводность почвенного раствора возрастает, после хранения в земле батареек.
Всхожесть семян кресс-салата снижается в почвенных растворах, после хранения в земле батареек.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Большинство современных химических источников тока в той или иной мере опасны для человека и окружающей среды. Некоторые содержат в себе ядовитые компоненты, другие при неправильной эксплуатации угрожают небольшим взрывом с разбрызгиванием кипящей щелочи. В любом случае, все они изготовлены с применением дефицитных и потому дорогих химических веществ. Это неприятно и хлопотно. Поэтому конструкторская мысль упорно ищет пути получения электрической энергии от источников, свободных от перечисленных проблем. Планируется ежегодная акция по сбору батареек в школе. Я являюсь одним из тех, кто активно участвует и приносит для утилизации отслужившие батарейки.
В своей работе я использовал физические величины для изучения влияния батареек на окружающую среду. Моя гипотеза подтвердилась. Работа мне показалась интересной, но трудно понять зависимости от величин, что мы получили. Я еще не изучаю физику и химию, но работать с приборами просто и интересно. В дальнейшем хочу изучить химический состав и изменения почвы от воздействия источников тока. Я использовал небольшое число батареек, в дальнейшем буду работать над увеличением их числа и увеличении подсчетов.
В нашей школе ежегодно проходят акции по сбору батареек, я думаю, школьники знают, что нельзя выбрасывать батарейки и нужно беречь природу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Амосова А. А., Гладышев Н. Г., Ахсанов И. М. Экспериментальная оценка экологической опасности портативных батарей для гидробионтов и проблема утилизации // Известия Самарского научного центра РАН. 2013. №3-6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/eksperimentalnaya-otsenka-ekologicheskoy-opasnosti-portativnyh-batarey-dlya-gidrobiontov-i-problema-utilizatsii (дата обращения: 18.10.2022).
Егорова О. С., Гоголь Э. В., Шипилова Р. Р., Тунакова Ю. А. Тяжелые металлы и мусоросжигание как источник их поступления в окружающую среду // Вестник Казанского технологического университета. 2013. №21.
Жамалетдина А. К. Современные проблемы захоронения твердых бытовых отходов и состояние окружающей среды Московского региона // ГИАБ. 2000. №.
Обухов М. Утилизация батареек в России и сколько это стоит? URL: https://batareykaa.ru/utilizatsiya-batareek/ (дата обращения 22.09.2022)
Селезенев Н.С., Балаев А.Н., Никонов В.А. Последствия загрязнения объектов окружающей среды портативными гальваническими элементами // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2016. №12.
Соколова М. В. Повторное использование бытовых отходов // Современные инновации. 2017. №2 (16).
Черанева Л.Г., Соколова М.М., Томчук Т.К., Печеницина Н.А. Влияние ионов железа (III) на биокоррозию цинк-марганцевых элементов питания в технологии их утилизации // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. 2016. №1.
Янсыбаева Е.В. Развитие экологического образования в сфере обращения с опасными бытовыми отходами на примере г. Екатеринбурга // Муниципалитет: экономика и управление. 2016. №2 (15).
Экологический мониторинг: Учебно-методическое пособие. Изд. 3-е, испр. и доп. / Под ред. Т.Я. Ашихминой. М.: Академический Проект,2006. —416 с. —(«Gaudeamus»).
Комолова Ю. Д., Ягольник Е. А., Хапкина А. В. Использование гороха посевного (pisumsativum) и кресс-салата (lepidiumsativum) для оценки состояния природных вод тульской области // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2022. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-goroha-posevnogo-pisumsativum-i-kress-salata-lepidiumsativum-dlya-otsenki-sostoyaniya-prirodnyh-vod-tulskoy-oblasti (дата обращения: 10.10.2022).
ПРИЛОЖЕНИЕ
Приложение 1
Скриншот социологического опроса, созданный в Google-формах
https://forms.gle/5d5zAWByNnEm7R1L7
Приложение 2
Таблица 1
Электропроводность почвенных растворов после батареек ();
|
|
Батарейки |
||
|
Щелочные, тип АА |
Щелочные, тип ААА |
Солевые, тип ААА |
|
|
1 |
1299 |
1289 |
1583 |
|
2 |
1358 |
1231 |
1810 |
|
3 |
1250 |
1447 |
1436 |
|
4 |
1518 |
1133 |
1420 |
|
5 |
1297 |
1197 |
1144 |
|
6 |
1290 |
1952 |
1620 |
|
7 |
1133 |
1354 |
1399 |
|
8 |
1248 |
1255 |
1152 |
|
9 |
1584 |
2014 |
1326 |
|
10 |
1945 |
1227 |
1447 |
|
11 |
1887 |
1812 |
|
|
12 |
2297 |
||
|
13 |
1788 |
||
|
14 |
1324 |
||
Значение электропроводности контроля (без батарейки) почвенного раствора =911 мкСм/см;