XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Вещества,загрязняющие школьный двор
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Введение
Актуальность проблемы. С 2019 года школьный двор МБОУ Баганской СОШ №1 в зимний период является местом активного отдыха: ребята катаются на коньках, лыжах, играют в спортивные игры, снежки. Но очень часто эти виды отдыха омрачаются тем, что снег время от времени становится черным, светлая одежда пачкается, а лед на катке, усыпанный черным веществом, быстро подтаивает, создавая неудобства.
Новизна проблемы. С 2015 по 2019 годы территория школы была покрыта черным веществом в виде мелкого порошка в течение всего зимнего периода, что затрудняло лыжную подготовку, в помещении школы отмечались тоже следы сажи. С 2019 года по 2020 год снег на территории практически всегда был чистый. Зимой 2022 года периодически опять наблюдается выпадение вещества в виде черного порошка.
Цель работы. Установить состав и источник черного порошка, загрязняющего школьный двор.
Задачи.
Изучить химический состав порошка.
Создать имитационную модель возникновения данного вещества.
Выяснить влияние вещества на клетки кожицы листа герани.
Гипотеза. Источником черного порошка является котельная МУП «Тепло», находящаяся на территории школы. Вещество - соединения углерода.
Предмет исследования. Черный порошок в снежном покрове на школьной территории.
Объект исследования. Территория школы
Основная часть
1. Методика и условия проведения работы.
Аналитический метод.
Проводился обзор учебной, методической, научной литературы, интернет – ресурсов, СМИ.
Анализировалась документация поставщиков природного минерального сырья: результаты химических анализов, котировочные заявки
Математический метод.
Расчет содержания серы в угле, образующихся оксидов, кислоты.
Моделирование. Конструирование имитационной модели получения черного вещества с помощью химической посуды (колба), реактивов (сера), проведения химических реакций в колбе (сжигание минералов и взаимодействие образующихся оксидов с водой), влияние продукта реакции на растительные клетки.
2 .Анализ СМИ. Мы обратились с вопросом о загрязнении окружающей среды к главному редактору газеты «Степная Нива» К.А.Клятченок.
На свой вопрос мы получили ответ, что с 2015 года актуальных статей на эту тему не было. В марте 2015 года районной газетой «Степная Нива» (№ 10 от.09.03.15г) был проведен экспресс – опрос об оценке экологической обстановки в районе. К сожалению, результаты не радовали. Ответы жителей следующие: «Площадь Багана усыпана чёрным порошком – сажей от котельной», «В этом году почти не видела белого снега, сажу хоть совком греби», «Каждый вечер отмываю прихожую от чёрных разводов угольной пыли», «Зимой сажа хлопьями разлетается по селу. Приходится дышать воздухом, пропитанным гарью и чёрным едким дымом».
Исходя из ответов жителей ,мы поняли, что черный порошок-это сажа, а источник его-каменный уголь, сжигаемый в котельных райцентра.
По данным центра лабораторного анализа г. Карасука за 2015 год, из 21655 тыс. тонн угля, сжигаемого за отопительный период по району, в атмосферу выбрасывается диоксида серы 286,9 тонн, оксида углерода 937,7 тонн, оксида азота 43,7 тонн, по саже данных не было указано
3.Анализ учебной литературы и других источников информации.
Из учебника химии 9 класса мы узнали, что сажа — аморфный углерод, продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов в неконтролируемых условиях, черного или бурого углей. Согласно справочнику Дж. Эмсли «Элементы», углерод занимает 11-е место по распространенности в природе. Содержание углерода составляет 0,1% массы земной коры. Свободный углерод представлен в виде алмаза и графита. Основная масса углерода существует в виде природных карбонатов кальция CaCO3 (мела, мрамора, известняка) и магния MgCO3, а также горючих ископаемых. Анализ физической карты НСО и учебника географии показал, что на территории Новосибирской области расположены Завьяловский бассейн в Тогучинском районе (6 месторождений с антрацитами) .По состоянию на 01.01.2020 разведанные (балансовые запасы углей) равны 547,014 и 855,349 млн т соответственно, забалансовые – 278,049 млн т.
К сожалению, территории Баганского района в геологическом плане изучены слабо, но потребность в тепловой энергии очень высока из-за сурового климата. В настоящее время имеются альтернативные источники энергии, но для сел нашего района твердое топливо – почти единственный источник тепла в долгие зимние месяцы. За отопительный период котельной МБОУ Баганской СОШ №1 используется около 1000 тонн твёрдого топлива, жителями райцентра, исходя из данных районной газеты- 17948 тонн. Вывозятся с территории сельских подворий и школы десятки тонн шлака - несгораемых примесей угля. Поэтому очень важно знать его характеристики качества, влияющие на комфорт и уют жилищ в зимний период, экологическое благополучие окружающей нас среды.
4.Анализ сертификатов соответствия продукции. Был изучен сертификат на уголь каменный марки Д, рядовой, класса0-200, срок действия по 22.01.2022 год. Исходя из анализа сертификатов качества поставляемого угля в нем содержится сера до 0,3% .Сжигание угля ведет к образованию опасной двуокиси серы, которая в результате химических преобразований в атмосфере приведет к выпадению кислотного дождя. Сжигание 1000 тонн угля котельной школы ведет к образованию до 7тонн серной кислоты, которая в виде слабокислого дождя выпадает в окружающую среду. Двуокись серы Sо2, легко растворяется в воде. Индикатор - лакмус, в полученном растворе приобретает красный оттенок, который по шкале соответствовал показателю РН, равному 4, что соответствовало слабокислому раствору. Так как двуокись серы в воздухе только в течение длительного времени превращается в серную кислоту в присутствии атмосферного кислорода, то мы предположили, что в нашей опытной колбе образующаяся двуокись серы вследствие недостатка кислорода превращается сразу в сернистую кислоту, наличие которой и было обнаружено лакмусом.
5.Создание модели по сжиганию каменного угля и опыты в ней.
5.1 Прибор по сжиганию угля состоял из колбы с длинной ложкой для сжигания, герметично закрытый пробкой. В ложке разжигали уголь и переносили в колбу со снегом на дне.
5.2 Опыт №1.Анализ продуктов сгорания угля в колбе.
В колбу со снегом на дне опускали навеску с углем, который поджигали и наблюдали за образующимися продуктами сгорания. Так как мы вносили горящий уголь, который выделял углекислый газ, то процессы горения в колбе продолжались недолго, так как СО2 не поддерживает горение. Поэтому повторность розжига угля увеличивалась для достижения результата.
Результат: Были обнаружены следующие вещества.
1. дым – дисперсная система, состоящая из мельчайших твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в воздухе колбы, состоящем из углекислого газа и кислорода. Отмечались более крупные твердые частицы, которые быстро оседали в виде копоти и сажи на снегу.
2.Копоть, или сажа – остатки углерода, который не вступил в реакцию, по разным причинам. Сажу называют также амфотерным углеродом.
3.Зола, или пепел – мелкие частицы неорганических солей, не сгоревших или не разложившихся при температуре горения. При выгорании топлива эти микро соединения переходят во взвешенное состояние или скапливаются внизу
5.3Эксперимент с продуктами сгорания.
Опыт №2. Обработка покровной ткани герани дымом.
1.Снимали покровную ткань герани без хлорофилла.
2.До обработки дымом рассмотрели ткань под микроскопом.
3.Обработку проводили 3 раза, с интервалом в 15 мин, каждая обработка по 3 мин.
Результаты:
1.До обработки клетки плотно примыкают друг к другу, на рассматриваемой площади обьектива при увеличении 150х насчитываем до 25 железистых волосков из многоклеточной ножки и головки с оранжево-коричневым секретом.
2.1-я обработка. Изменений в форме клеток не наблюдаем. У оснований железистых клеток и на их стенках появляется темные крупинки .
2-я обработка. Изменений в клетках не наблюдаем. Железистые головки темнеют, стенки волосков еще больше покрыты темным веществом.
3-я обработка. Поверхность клеток темнеет. Железистые головки до 70% разрушаются, железистые волоски местами теряют перегородки и становятся темными, наполняясь продуктами горения угля, часть железистых клеток разрушается.
Опыт №3. Исследование растаявшего снега, в котором находились продукты сгорания угля, обработка им клеток
Полученный раствор исследовали на кислотность с помощью индикаторов и обрабатывали им покровные клетки.
Результат.
1.До сжигания угля, раствор снега имел среду равную рН=7, после сжигания рН снежного раствора снизилась до 5, приобретя кислую среду.
2.Обработка опытного образца в месте среза полученным раствором привела к изменению его окраски на желтоватый оттенок. Наружный покровный эпителий стал отставать от внутренних тканей листа. Под микроскопом было заметны замыкающие клетки устьиц, лишенные хлорофилла, просматривается деформация стенок клеток покровных тканей, деформируются железистые волоски.
6. Исследование очистных сооружений котельной.
Чтобы ответить на вопрос, почему с 2019 года снег на территории школы стал чище, мы обратились с вопросом об очистных сооружениях к рабочим котельной. Экологи обратились за комментариями к мастеру котельной .
Ему был задан вопрос о том, что продукты сгорания угля загрязняют почвы пришкольного участка, особенно до 2019 года. Мастер теплосети рассказал, что с 2019 года приобретен циклон ЦН-15-300-2УП для очистки газов или жидкостей от взвешенных частиц. По данным центра лабораторного анализа и технических измерений г. Карасука, с установкой циклонов концентрация вредных веществ в очищаемом воздухе уменьшается от 3,5 до 9,24 раза.
Выводы:
1.Процессы моделирования горения каменного угля помогли установить загрязняющие вещества пришкольного участка - это дым, как смесь из газообразного СО2 с твердыми компонентами из золы и сажи.
2.Черный порошок, загрязняющий снег пришкольной территории - это смесь сажи и золы, являющиеся продуктами сжигания угля в котельной, находящейся на территории школы. В этом мы смогли убедиться, проведя анализ СМИ и процесс фильтрования снега.
3.Дым, как смесь загрязняющих веществ, негативно влияет на растительные клетки. В нашем опыте, в первую очередь, деформировались железистые клетки, которые наполнялись дымом, а их головки с ароматическим веществом, разрушались. Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO2). Это вещество выбрасывается в атмосферу автомобильным транспортом, а также при сжигании угля.
4.Наличие серы в угле определили теоретически, анализируя сертификаты качества поставщиков.
5.В школьной лаборатории кислотный дождь получили, создавая имитационную модель, продукт её сгорания - диоксид серы, образующий слабокислый раствор в воде(SO2+H2O=H2SO3), а также СО2, двуокись углерода, который образуется при сжигании самого угля. . При этом образуется слабая угольная кислота (CO2 + H2O —> H2CO3).
6.Кислотный лабораторный дождь и дисперсная среда дыма, моделируемая в колбе, явились причиной разрушения клетки герани, железистых волосков, которые выполняют защитные функции для растений.
7.Железистые волоски, выделяющие ароматические эфирно-масличные соединения, служат дополнительной защитой организма от «посягательств» непрошеных гостей, стремящихся полакомиться мягкими тканями побега, а также оставить кладку. При повышенной солнечной инсоляции увеличивается выделение эфирных масел, образуется «эфирное облако», поглощающее лучи, и препятствующее перегреву растений. (физиолог растений Ф.Н. Крашенинникова (1937 год)
8. Необходимы административные мероприятия на уровне района, области, чтобы улучшить экологическую обстановку в районе.
Заключение
В марте 2017 года газета «Степная Нива» в рубрике «Качество жизни» . (Приложение 11) продолжила разговор об ухудшении экологической ситуации, связанной с использованием твёрдого топлива и выбросом на «наши головы» около 2649,9 тонн вредных веществ. В этой же статье «Будем надеяться на циклоны» говорится о действиях районной администрации, которая не раз обращалась в областной департамент природопользования и охраны окружающей среды с просьбой о выделении средств на приобретение газоочистного оборудования. И это дало положительные результаты. Не так давно район был включён в областную программу «Развитие природоохранной деятельности в НСО на 2016-20 гг. Она позволит произвести ремонт, реконструкцию, модернизацию устаревшего оборудования котельных за счёт областного и местного бюджетов.
В 2019 году Главой Баганского района было инициировано приобретение циклона в котельную школы. Снег стал чистым и мы смогли кататься на коньках и лыжах на школьном дворе. Более активное выпадение сажи мы могли обьяснить розой ветров, направление ветра было преобладающим зимой южное поэтому несколько усилилось выпадение сажи на школьном дворе. Очень хотелось бы, чтобы снег стал чистым по всему Багану, ведь загрязняющие вещества негативно влияют и на здоровье людей.
IV. Список использованной литературы и интернет-ресурсы
1. Алексеев С.В «Практикум по экологии», Москва, изд-воАО МДС,1996г.
2. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии, Москва «Просвещение» 1995.
3.https://fireman.club/inseklodepia/produkty-goreniya-sgoraniya/
4. https://fireman.club/inseklodepia/produkty-goreniya-sgoraniya/
Приложение №1
Рисунок №1 - Постановка проблемы по выяснению загрязняющих веществ.
Рисунок №2 - Выявление загрязняющих веществ на пришкольном участке.
Приложение №2
Рисунок №1 – Снег, покрытый чёрным веществом.
Рисунок №2 - Подготовка снега для экспериментальной работы
Приложение №3
Рисунок №1 - Конструирование имитированной модели сгорания снега в котельной школы
Приложение №4
Рисунок №1 – Загрязнение снега продуктами сгорания угля
Приложение №5
Рисунок №1 - Наполнение колбы продуктами сгорания угля
Приложение № 6
Рисунок №1 – Железистый волосок покровной ткани до обработки дымом
Рисунок №2 - Обработка покровной ткани продуктами сгорания угля
Приложение №7
Рисунок №2 - Железистые волоски после второй пятиминутной обработки
Приложение №8
Рисунок №1 - Разрушение головки и стенок клеток железистого волоска
Приложение №9
Рисунок №1 – Школьная котельная с дымящейся трубой
Рисунок №2 - Циклон, установленный в 2019 году
Приложение №10
Рисунок №1 - Фильтр циклон ЦН-15-300*2УП, который уменьшает выделение взвешенных частиц от 3 до 9 раз