XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

МИНИ-ОЧИСТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ВОДОЁМОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОРБЕНТА НА ОСНОВЕ ПЕКТИНА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Николаева М.С. 1

---

1МОУ "Лицей №7"

Кононенко Л.В. 1

---

1МОУ "Лицей №7"

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что она является вкладом в решение проблемы очистки вод открытых водоёмов и снижения экологического риска для водных экосистем.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный автором проект может быть практически реализован на разных открытых водоёмах для улучшения состояния их экосистем путём очистки воды доступным и дешёвым способом, предложенным автором.

Цель работы: разработать проектные предложения по созданию мини -очистных сооружений для открытых водоёмов с применением сорбента, полученного из пектина.

В связи с поставленной целью в ходе работы над проектом решались следующие задачи:

1. Систематизировать и частично обобщить теоретический материал

по данной проблеме;

2.Провести опыт для оценки сорбционных свойств пектина;

3.Разработать механизм очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов;

4.Предложить дальнейшее применение полученных результатов работы, с целью улучшения экологического состояния московской области;

5. Выбрать методики для выполнения работы;

6.Обсудить полученные результаты со специалистом;

7.Подготовить откорректированный проект для дальнейшей публикации.

8. Передать проектные предложения для практической реализации руководству экопарка при Уваровском храме Мытищинского благочиния.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

- сбор данных по литературным и другим источникам информации, необходимых для обоснования состава планируемых исследований;

- анализ литературных и других данных для формирования представлений об объекте исследования;

- измерения концентрации загрязняющих веществ методом химического анализа воды до и после применения сорбента из пектина

- комплексный анализ полученных материалов для разработки предложений;

- анализ и синтез;

- обсуждение результатов со специалистами и руководством экопарка.

Объект исследования: снижение концентрации загрязнителей вод сорбентом пектин, используемом на мини-очистном сооружении, сконструированном автором.

Предмет исследования: качество воды до и после применения сорбента из пектина.

Гипотеза проекта: в начале работы над проектом были выдвинуты предположения, что анализ результатов экспериментальных исследований позволит обосновать возможность применения сорбента из пектина для очистки вод от загрязнителей (солей металлов и нефтепродуктов) и разработать проект мини-очистного сооружения использующего сорбент из пектина для снижения степени экологического риска для водных экосистем

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ОТКРЫТЫХ ВОДОЁМОВ, УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИХ ВОД КАК СПОСОБСНИЖЕНИЯ СТЕПЕНИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА ДЛЯ ВОДНЫХ ДЛЯ ЭКОСИСТЕМ

1.1. Проблема снижения качества вод открытых водоёмов, способы профилактики их загрязнения и очистки для снижения степени экологического риска водных для экосистем.

Одной из самых актуальных проблем нашего времени является проблема сточных вод, так как с годами она лишь сильнее обостряется во всех странах мира. Для производства человеку необходимо колоссальное количество водных ресурсов, что, собственно, и стало причиной загрязнения мирового запаса воды. Отходы жизнедеятельности ,попадая в окружающую среду, наносят непоправимый вред всему живому, поэтому человечеству следует проводить регулярную очистку различных экосистем.

В нашей стране находится более 100 тыс. рек, а их сток за год равен примерно 4800 км^3,но ,тем не менее ,от недостатка воды страдает 70 % людей, проживающих на нашей планете. Рост населения, неконтролируемая вырубка лесного массива и слишком легкомысленное отношения к охране пресной воды привели к данной проблеме. Если ситуация не улучшиться ,то уже в нашем веке люди будут страдать от нехватки пресной воды.
Особое влияние на природный запас вод оказывает сельское хозяйство ,стоки промышленных предприятий и коммунальное хозяйство. Так, обычный среднестатистический город потребляет за одни сутки около 600 м^3 пресной воды, а дает при этом 500 м^3 стоков.

Воды, которые предприятия выбрасывают в пресные воды ,разнообразны по своему составу ,так как существуют различные виды загрязнителей, которые и являются причиной возникновения данной проблемы. Особо опасны для людей стоки из химических заводов, фабрик , предприятий. Колоссальный урон водоемам и водным экосистемам наносят пестициды ,которые вместе с талыми водами и дождями оказываются в озерах и иных источниках пресной воды. Пестициды применяются в основном для обработки полей ,но как правило ,вредят они не только почве и растительности, но и мировым запасам воды.

Сточные воды содержат минералы, растительные и биологические вещества. К минеральным загрязнителям относят песок, рудные воды, растворы кислот и солей. Химические загрязнения включают в себя либо сульфаты, соду, щелочи, кислоты и ионы тяжелых металлов, либо нефтепродукты, смолы, альдегиды аммиак и фенолы.

Тяжелые металлы-это элементы таблицы Менделеева ,которые обладают молекулярной массой выше 50 а.е. Именно эти металлы входят в состав многих ферментов, хотя при этом они обладают губительными для человека свойствами. Когда в организм попадают тяжелые металлы, то избавиться от них можно только при помощи белков молока (поэтому на многих предприятиях ,связанных тяжелой промышленностью, выдают бесплатные пакеты с молоком).Если концентрация таких металлов станет слишком высокой, то это может спровоцировать возникновение различного рода мутаций и стать причиной отравления .Также одним из негативных последствий избытка ионов металлов в организме человека является механическое засорение ,что становится причиной пониженной фильтрационной способности печени и почечных каналов.

1.2. Сорбенты: понятие, виды, значение для улучшения качества вод открытых водоёмов.

Существует огромное количество различных сорбентов природного происхождения, которые активно применяются в медицине и в промышленности.

Сорбенты занимают особое место в жизнедеятельности человека, поэтому существуют определенные характеристики ,на основе которых можно судить о качестве сорбента. Так, сорбционная емкость указывает на то количество вещества ,которое данный сорбент способен впитать в себя на единицу массы. Сорбционная емкость зависит от того, какое именно вещество поглощает в себя наш сорбент, поэтому одно и тоже сорбционное вещество может полностью поглотить один вид яда ,но при этом слабо адсорбировать яды иной природы .

Пектин — это полимер, состоящий из галактуроновой кислоты. Он является одним из самых интересных природных сорбентов. Основное его количество содержится в яблоках и в оболочках растительных организмов. В организме человека пектин способен принимать структуру геля, а в последствии подобно губке впитывать в себя все токсичные соединения и вещества. Площадь сорбционной поверхности пектина равна от 80 до 200 м^2/г.Из этого следует, что пектин достаточно мощный сорбент.

В Бразилии и в Мексике в наше время происходит активное производство пектина. Там его получают из цитрусовых. Пекин содержится во многих плодах, произрастающих в нашей стране (в малине, яблоках, смородине, ежевике, черешне, землянике и т.д.Часто под пектином подразумевают добавку Е440, которая является стабилизатором, загустителем, осветителем и фильтрующим компонентом.

Еще одним природным сорбентом является активированный уголь. Он обладает площадью сорбционной поверхности, равной 2-4 м^2/г. Активированный уголь получают из древесины, каменного угля, скорлупы орехов и различных углеродосодержащих соединений. Впервые данный сорбент получил Н.Д.Зелинский в 1915 году с целью применения его в противогазах для того, чтобы он впитывал в себя все токсичные соединения. В век современных технологий его активно используют в медицине, в промышленности при работе с различными соединениями.

Одной из особенностей активированного угля является довольно высокая реакционная способность. Так, данный сорбент легко вступает в химическую реакцию с водяными парами и озоном. Окисление угля в жидкой фазе производят при помощи ряда реагентов, таких как азотная кислота, перекись водорода и перманганат калия. Основными механизмами применения активированного угля являются адсорбция и каталитическое окисление.

Для активации угля необходимо вскрытие пор, находящихся в будущем сорбенте в закрытом состоянии. Для это применяют либо термохимическую обработку хлоридом цинка или карбонатом калия, либо обработку перегретыми парами или углекислым газом при температуре около 850 градусов по Цельсии. Именно поры и их размер играют важную роль в формировании сорбционных свойств угля, так как чем они больше, тем выше сорбционная способность самого вещества.

Активированный уголь имеет широкое применение в наше время. Так, его активно применяют при производстве сахара, удобрений и многих лекарств. Данный сорбент находит свое применение в пищевой и фармацевтической промышленности. Его используют при создании фильтров для очистки жидкостей. В медицине активированный уголь назначают пациентам при отравлении, диареи, дезинтоксикации, гниении, дизентерии и т.д.

Лигнин — это сложный полимер, входящий в состав клеток стенок различных растений. Площадь его сорбционной поверхности равна 16-20 м^2/г.Предшественником, данного сорбента в растениях является шикимовая кислота. Сам же лигнин является аморфным жёлто-коричневым веществом, которое нерастворимо в воде и органических растворителях. Выделяю образцы с растворимым и нерастворимым лигнином. Нерастворимые лигнины способны охранять сетчатую структуру, а растворимые – это фрагменты сетки, имеющие разветвленную структуру. Данный вид сорбента аморфен, как в природном виде, так и в выделенном. Благодаря наличию большого числа полярных групп, в лигнине развиты водородные связи.

Во время войны сорбенты на основе лигнина применяли при лечении диареи у немецких солдат. В последствии, после открытия антибиотиков, учены перестали активно интересоваться сорбентами. Тем не менее, после открытия препаратов с высокой сорбционной емкостью, способных удалять токсины и метаболиты, сорбенты снова стали одной из животрепещущих тем. Так, происходил опыт по использованию сорбентов для выделения радионуклидов у участников ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС, который был крайне успешен.

В промышленности лигнин получают в качестве отхода при производстве целлюлозы и при гидролизе растительных материалов.

Смектит- сорбент, производимый из белой глины. Площадь сорбционной поверхности смектита равна 100 м^2/г.Его чаще всего применяют как лекарственное средство. Данный сорбент способен стабилизировать слизистый барьер, образовывать поливалентные связи с гликопротеинами слизи, а также увеличивать и улучшать количество слизи.

Данный сорбент способен защищать слизистую оболочку пищеварительного тракта от ионов водорода соляной кислоты, вирусов ,желчных солей и токсинов, что делает данный сорбент незаменимым в медицине. За счёт адсорбционных свойств уменьшается скорость и степень всасывания одновременно принимаемых лекарств, поэтому интервал между приемом смектита и другими лекарствами должен составлять примерно 2 часа. Побочными последствиями при его применении являются аллергические реакции и запоры. Противопоказан при гиперчувствительности и при непроходимости кишечника.

Кремнезем-это твердое кристаллическое вещество. Данное вещество активно применяют в промышленности ,медицине и радиотехнике .Кремнезем также используется как наполнитель при изготовлении герметиков, смол, пеногасителей и бумаги .Коллоидный раствор данного вещества используют в медицине в качестве лекарственного препарата-энтеросорбента. Такой сорбент может вывести из организма человека большое количество токсинов, а при наружном использовании способен устранить гнойно-воспалительные болезни кожного эпителия и мягких тканей. Диоксид кремния получают в виде кварцевого концентрата в процессе измельчения, просеивания и очищения горных пород. Искусственным путем данный сорбент получают из силиката натрия. В домашних условиях данное сорбирующее вещество получить невозможно.

Кремнезем необходимо применять только при условии, если вам его назначил лечащий врач. В основном его употребляют при химических и пищевых отравлениях, кишечных инфекциях, аллергии, эндогенных и экзогенных интоксикациях. Употребляют его больные за 2 часа после или до еды или других лекарств. (т.к. данный сорбент может поглотить иные препараты). Данный сорбент хорошо переносится большинством людей, разрешено его применение беременным и детям с рождения. Тем не менее, вещество имеет побочные эффекты: запор, диспенсия, аллергия. При длительном потреблении диоксида кремния наблюдается проблема с всасыванием организмом мин. веществ и витаминов (особенно кальция).По этой причине основной срок потребления кремнезема составляет не белее 2 недель, а после такого курса лечения врачи рекомендуют пить витамины.

Площадь его сорбционной поверхности составляет примерно 300 м^3/г.

Резюме к главе 1.

Исходя из всего вышесказанного ,можно сказать, что проблема загрязнения пресных вод нашей планеты может привести к ужасающим последствиям. Тем не менее, с ней можно бороться. Многие водные ресурсы перестают быть пригодными для употребления человек по вине антропогенных факторов. Предприятия выбрасывают огромное количество ионов тяжелых металлов в воду вместе с отходами производства, поэтому

ГЛАВА 2. Практическая часть

2.1. Изучение сорбционных свойств пектина.

Опыт 1.

Опыт выполнялся в течение 35 минут. Прежде всего необходимо было узнать, обладает ли пектин адсорбирующими свойствами. Для этого был взят сухой пектин в виде порошка ,массой 10 грамм ,который разбавили 50 мл дистиллированной воды. После 10 минут от приготовления раствора в него было добавлено 10 мл чая. Спустя 25 минут от начала опыта я наблюдала резкую границу между раствором и чаем. Спустя 50 минут после начала опыта чай и пектин не смешались, что наглядно доказывает то, что пектин является сильным сорбентом. Фотография результата опыта представлена в приложении 1.

Опыт 2.

Скорость растворения пектина в воде.

Насыпаем 4,2 г желатина, добавляем 50 мл дистиллированной воды. Начинает образовываться студенистый осадок. Спустя 15 минут рассматриваем колбу. В колбе с пектином образовался прозрачный студенистый осадок желтоватого оттенка. Вода так и осталась бесцветной, но в ней плавали в небольшом количестве белые гранулы, которые еще не успели набухнуть. Каждые 15 минут проверялось, растворился ли пектин. Таким образом, пектин растворился в воде только спустя 7 часов после начала эксперимента.

Опыт 3.

Ранее было определено, что пектин-сорбент. Далее необходимым условием являлось определение силы  сорбционных свойств пектина. Для этого был взят раствор сульфата меди, концентрацией 10% и объемом 50 мл. К раствору было добавлено 25 грамм пектина в виде белого порошка.

Для определения сорбционных свойств пектина готовился 10% раствор сульфата меди (II) и помещался в 5 пронумерованных от 2 до 6 химических стаканов по 100 мл в каждом. К растворам добавлялось по 25 г пектина в каждый стакан. В контрольный стакан № 1 пектин не добавлялся. Окраска раствора оценивалась по шкале от 1 до 6, где 1 – контрольный стакан с максимальным окрашиванием и объёмом осадка. 

1. Контрольный опыт. Раствор сульфата меди (II) выдерживался 5 минут, окраска раствора не менялась. Для определения остатка ионов Cu2+ отбиралась проба из стакана 1 объёмом 5 мл и переносилась в мерную  пробирку, после  к раствору добавляли избыток 10% раствора гидроксида натрия объёмом 5 мл, осаждающий ионы  Cu2+ в виде осадка гидроксида меди (II). Раствор в пробирке центрифугировался и оценивался объём полученного осадка. Объём осадка оценивался по шкале от 1 до 6, где 1 – это объём осадка в контрольном стакане.  

2.    Раствор сульфата меди (II) выдерживался 5 минут, в результате чего голубая окраска раствора менялась и становилась светлее. Для определения остатка ионов Cu2+ отбиралась проба из стакана 1 объёмом 5 мл и переносилась в мерную  пробирку, после  к раствору добавляли избыток 10% раствора гидроксида натрия объёмом 5 мл, осаждающий ион Cu2+ы   в виде осадка гидроксида меди (II). Раствор в пробирке центрифугировался и оценивался объём полученного осадка. 

3. Раствор сульфата меди (II) выдерживался 10 минут, в результате чего голубая окраска раствора менялась и становилась светлее. 

4. Раствор выдерживался 15 минут и анализировался аналогично остальным. 

5. Раствор выдерживался 20 минут и анализировался аналогично остальным. 

6. Раствор выдерживался 25 минут и анализировался аналогично остальным.  

Результаты представлены на графике:

Вывод:  Окраска раствора светлеет по мере увеличения времени сорбции. Объём осадка ионов  становится меньше в результате сорбции. Пектин является эффективным сорбентом. Со временем он способен поглощать ионы тяжелых металлов из их растворов.

2.2. Рекогносцировочное обследование долины Девкиного ручья на территории экопарка при Уаровском храме как объекта для практической реализации проекта мини-очистных сооружений

Девкин ручей г.о. Мытищи является далеко не самым чистым источником пресной воды в нашем Подмосковье. Согласно результатам оценки качества за 10 июня 2023 года вода из ручья у храма в Вешках является непригодной для употребления человеком (приложение 2). Она обладает высокой жесткостью и минерализацией, а также повышенным содержанием железа. Более того, за счет высокого содержания аммония и фосфатов вода из данного источника не находится в санитарном состоянии.

Исходя из известных данных становится понятно, что Девкин ручей нуждается в защите. Мной была разработана технология по очистке и сохранению ручья.

В основном моя разработка базируется на одном механизме. Сточные воды, прежде чем попасть в водные экосистемы, должны пройти фильтрацию через сорбент из пектина. Для этого необходимо вырыть отстойник перед находящимся под охраной водным ресурсом, в котором сточная вода будет собираться. В данный отстойник через определенные промежутки времени будет добавляться необходимое на данный объем количество сорбента. В течение определенного времени вода будет очищаться от ионов тяжелых металлов, так как сорбент будет их поглощать. К тому времени, как сорбент впитает в себя все вредоносные металлы, уровень воды повысится до такой степени, что вся жидкость начнет вытекать в трубу, ведущую в водные экосистемы. Перед трубой находится поплавок с задвижкой, который в зависимости от уровня воды либо закрывает, либо открывает отверстие, через которое очищенная вода может поступить в ручей. На трубе может быть поставлена сетка с мельчайшими порами или фильтрующая пластина, на основе активированного угля. Это сможет обеспечить задержание в большей степени всех вредоносных соединений в самом фильтрующем элементе, если часть сорбента не всплывет на поверхность. Сам использованный сорбент будет со временем всплывать на поверхность ручья, после чего возможно будет собрать. Таким образом, на выходе будет получаться в большей мере очищенная вода, чем она была до этого. Схема разработанного мной сооружения представлена в приложении 4.

В России утилизация сорбента происходит последовательно. Прежде всего определяют класс опасности использованного сорбента. Существует несколько классов опасности:

1.очень опасный;

2.высокоопасный;

3.умеренно опасный;

4.малоопасный;

5.неопасный.

После определения того, насколько опасен объект, составляется его паспорт. Далее уже специализированные организации производят утилизацию или захоронение некогда использованного сорбента.

2.3. Перспектива развития проекта

В Московской области ,г.о.Мытищи возможно в перспективе создание экопарка или же идеальной учебно-рекреационной зоны с высоки (эталонным) уровнем экологически культурного отношения к природе. Но так как ручей близ пос. Вешки Мытищинского г.о. опасен для окружающих за счет высокого содержания ионов тяжелых металлов, то необходима его очистка. Разработанная мной технология сможет минимизировать концентрацию ионов тяжелых металлов, а также позволит сохранить ручей.

Резюме к главе 2.

Таким образом, пектин — это прекрасный сорбент, способный эффективно очищать сточные воды от ионов тяжелых металлов. Если применить его в сумме с разработанной мной программой, то это сможет помочь в дальнейшем восстановлении Девкиного ручья и в создании экопарка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Загрязнение сточных вод ионами тяжелых металлов-проблема мирового масштаба. Тем не менее, если человечество будет разрабатывать механизмы очистки сточных вод от различного рода загрязнителей, то возможно будет минимизировать вредоносное действие на окружающую среду.

Учитывая, что всего лишь 3% от всей воды на Земле составляет только пресная, людям необходимо беречь и сохранять максимальное количество воды, чтобы избежать вымирания живых организмов на нашей планете. В век современных технологий единственным экономичным, действенным и экологически безопасным способом очистки воды является применение природных сорбентов. По результатам проведенного мной исследования можно сделать вывод о том, что пектин не только обладает сорбционными свойствами, но и способен долгое время не растворяться в воде.

Именно поэтому на данный момент я планирую реализовать созданный мной проект. Данная конструкция с учетом применения такого сильного сорбента способна помочь восстановить состояние водных экосистем, а также достичь 6 цель Устойчивого развития-обеспечение наличия и рациональное использование водных ресурсов и санитарии для всех. Таким образом, можно считать поставленную цель достигнутой, а выдвинутую гипотезу доказанной.

Таким образом, моя гипотеза о том, что при применении пектина в спроектированных мной сооружениях можно эффективно очищать воды от ионов тяжелых металлов, что позволит снизить экологический риск для водных экосистем, подтвердилась.

Следующие задачи были решены: провести опыт для оценки сорбционных свойств пектина, разработать механизм очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, предложить дальнейшее применение полученных результатов работы, с целью улучшения экологии московской области, выбрать методики для выполнения работы. В дальнейшем я планирую обсудить полученные результаты со специалистом и подготовить откорректированный проект для дальнейшей публикации в местных СМИ. Цель - разработать проект локальных очистных сооружений с использованием в качестве сорбента пектина с целью очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов достигнута.

Список используемой литературы и

интернет-источников.

Статьи из Интернета:

https://school-science.ru/2/13/31128

http://www.mirprognozov.ru/prognosis/climate/zagryaznenie-planetyi-musorom-globalnaya-problema/

https://domnuzhen.ru/kanalizaciya/vidy-zagryazneniya-stochnyx-vod.html

https://helpiks.org/1-126951.html

https://novainfo.ru/article/3098

https://obotravlenii.ru/lekarstva/sorbent-na-osnove-dioksida-kremniya.html

Стать из Википедии:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Активированный_уголь

https://ru.wikipedia.org/wiki/Диосмектит

Учебное пособие:

«Экология.» Коробкин В.И., Передельский Л.В. 

Приложения

Рис.1.Проявление сорбции пектином чая.

РИС. 2. Результаты химического анализа пробы воды из Девкиного ручья  

10 июня 2023 года. 

РИС. 3. Карта. Стрелкой отмечен левый приток Девкиного ручья у церкви Уара в пос. Вешки г.о. Мытищи

РИС. 4. Схема разработанного сооружения

РИС. 5. Местоположение обследуемого участка на схеме Московской области, г.о. Мытищи, пос. Вешки Мытищинского г.о., ул. Подсолнечная 175:

РИС. 6. Местоположение обследуемого участка леса №36 (западнее пос. Вешки) на кадастровой карте Московской областимасштаба 1: 10000 (в 1 см 100м).

РИС.7. Местоположение обследуемого участка на фрагменте космического снимка. Масштаб 1: 10000 (в 1 см 100м).