II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ АНТИГОЛОЛЁДНЫХ РЕАГЕНТОВ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Курбанаева А.А. 1Вирачев М.Я. 1

---

1

Новичкова А.О. 1

---

1

Работа в формате PDF

348.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

В условиях уральского климата с приходом холодной погоды остро перед коммунальными службами встаёт вопрос о борьбе с гололёдом. В уральском регионе, а именно, в городе Екатеринбурге на дороги и тротуары обрабатывают различными реагентами и антигололедными составами, а так же мраморной крошкой. Зимняя скользкость, вызванная жидкими осадками и отрицательной температурой покрытия, подразделяется на четыре типа:

- скользкость при осадках в виде дождя или дождя со снегом на холодную поверхность (HN);

- скользкость при осадках в виде холодного дождя на влажную (мокрую) поверхность (НТ);

- скользкость, вызванная легким морозом;

- скользкость, вызванная значительным морозом.

Общественные потери, связанные с отсутствием надлежащей борьбы со снегом и гололедом, оцениваются приблизительно в 5 млрд. долл./год. К таким потерям экономисты относят задержки при движении, повреждения собственности в результате ДТП, а также коррозию транспортных средств и мостов, ранение людей и отрицательное воздействие на окружающую среду.

Актуальность нашего исследования состоит в том, что на территории МАОУ СОШ № 76 вопрос о безопасном движении школьников по территории является первостепенным. Мы решили проконсультировать администрацию школы в данном вопросе. А именно проставили перед собой цель: подобрать наиболее эффективный антигололёдный реагент.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить теоретическую часть вопроса, а именно: свойства солей: NаCl, CaCl₂, KCl, MgCl₂ и их воздействие на человека, животных, поверхность обуви и на здания.

2. Провести эксперимент, по результатам которого необходимо определить наиболее эффективный антигололёдный реагент.

Мировой опыт свидетельствует, что 90% в мире используется техническая соль натрий хлор, порядка 8% используются соли хлористого кальция и многокомпонентные соли, это содержащие в своем составе кальций, магний, натрий, калий и хлориды. И порядка 2 % используется дорогих реагентов – это ацетатная, пальмиатная (или пармиатная) группы и некоторые другие реагенты, которые применяют на объектах повышенной опасности или особо ценных объектах – аэропорты, мосты, памятники, здания, которые представляют культурно-историческую ценность, и так далее.

В городе Екатеринбурге на страже безопасности по борьбе с гололедом стоят десятки реагентов, в рамках нашего проекта мы рассмотрим основные: NаCl, CaCl₂, KCl, MgCl₂. Перед проведением эксперимента необходимо изучить физико-химические свойства данных солей, влияние реагента на человека, обувь, здания, животных. Оценивая эффективность реагента, мы учтем не только выше перечисленные свойства, а так же время действия и температурный диапазон в котором может проходить реакция соли и снега.

Внесенные в снег твердые хлориды растворяются, и образующийся при этом соляной раствор смачивает снег, что приводит к резкому изменению его физико-механических свойств. У такого смоченного снега снижаются коэффициент внутреннего трения, величина сцепления кристаллов между собой и с дорожным покрытием. Под действием внешних усилий он не уплотняется, полностью выжимается из-под колес автомобилей и обуви.

Практически для этих целей достаточно распределить кристаллические вещества по норме 20 - 30 г/м² поверхности при толщине снежного слоя до 30 - 40 мм.

Использование хлоридов при уборке свежевыпавшего снега фактически является профилактической мерой борьбы со скользкостью. Достичь высококачественной очистки снега и тем самым предупредить образование снежного наката можно при соблюдении соответствующей технологии.

Основные технологические операции складываются из времени выжидания от начала снегопада до начала распределения противогололедных материалов (толщина снежного слоя должна быть не менее 2 см); распределения противогололедных материалов (ПГМ) по поверхности свежевыпавшего снега; времени выжидания, в течение которого происходит перемешивание реагентов со снегом колесами движущихся автомобилей; удаления разрыхленного снега.

Широкое распространение хлористого натрия происходит из-за его доступности и дешевизны по сравнению с другими ПГМ. Однако у него имеется и ряд отрицательных свойств (коррозия металла, угнетение растений, шелушение цемента и бетона и т.п.), которые снижают эффективность его использования. Поэтому неслучайно во многих странах мира не прекращается поиск новых материалов и технологий, позволяющих не только снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, но и повысить эффективность борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах и городских улицах.

Основные направления снижения влияния хлористых солей на окружающую среду можно объединить, в следующие три группы:

- снижение расхода солей за счет уменьшения норм и равномерности распределения, увеличения точности дозирования распределителями, повышения адгезии твердых материалов к покрытию (смоченные соли), улучшения качества солей, а также строительства антигололедных покрытий и стационарных автоматизированных систем по распределению растворов и т.п. (1-я группа);

- улучшение свойств применяемых солей за счет их модификации, ингибирования и обогащения с целью доведения органолептических, физико-химических, технологических и экологических свойств до современных требований, а также разработка новых экологически безопасных противогололедных материалов с улучшенными технологическими и экологическими свойствами (2-я группа);

- утилизация, регенерация и повторное применение противогололедных солей для борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах и городских улицах, а также использование нетрадиционной природной энергии (солнечного тепла, воды горячих источников, тепла от брожения при приготовлении компоста, родниковой воды и т.п.) для таяния снега и льда (3-я группа).

NaCl

1. Физико-химическиесвойства

Чистый хлорид натрия имеет вид бесцветных кристаллов. Но с различными примесями его цвет может принимать: голубой, фиолетовый, розовый, жёлтый или серый оттенок. Умеренно растворяется в воде, растворимость мало зависит от температуры: коэффициент растворимости NaCl (в г на 100 г воды) равен 35,9 при 21° С.Обладает высокой впитывающей способностью, при соприкосновении со снегом или льдом вступает в химическую реакцию с выделением тепла и образованием рассола, что облегчает дальнейшую уборку территории. Путь миграции противогололедной соли можно представить/в следующем виде. Распределитель наносит противогололедную соль на дорожное покрытие. Это действие является исходной точкой системы миграции. Затем соль мигрирует с дорожного покрытия без посторонней помощи (за счет силы тяжести) или уносится колесами транспортных средств. Образующийся поверхностный сток смывает соль на придорожную полосу или в дренажные системы. Некоторая часть соли может инфильтроваться в дорожное покрытие и достигать внутренней части дорожной одежды. Соль, вовлеченная в воздух при движении транспортных средств или при снегоочистке, удаляется с проезжей части в виде выплесков, распыления раствора или сухих кристаллов, которые затем осаждаются на дорожное покрытие или на придорожную полосу, техносферу, растительность, грунтовую поверхность, слой снега или поверхностную воду окружающей экосферы. Из дренажной системы раствор соли попадает в грунтовые воды. Там, где раствор соли и грунтовая вода вступают в контакт с зоной распространения корневой системы растений, происходит поглощение соли их корнями. Некоторая часть соли, осаждаемая на листве, стволах и ветках растений, будет проникать внутрь растения, но большая часть переносится сквозными осадками и приствольным стоком атмосферных осадков в грунтовую поверхность ниже растительного слоя.

1. Влияние реагента

•  
  •  
    •  

      • На человека

При попадании в организм человека, а так же домашних животных воды, содержащей избыточное количество хлоридов:

• Раздражаются слизистые оболочки, глаза, кожные покровы, дыхательные пути;

• проявляется негативное воздействие на секреторную деятельность желудка;

• ухудшается пищеварение;

• нарушается водно-солевой баланс;

• возникает вероятность развития заболеваний системы кровообращения;

• появляется склонность к возникновению новообразований мочеполовых органов, органов пищеварения, желудка, пищевода;

• избыточное поступление в организм хлористого натрия увеличивает частоту сердечно-сосудистых заболеваний;

• появляется склонность к гипертензивным состояниям, повышенной реактивности сосудов;

• возникает вероятность желче - и мочекаменных заболеваний.

•  
  •  
    •  

      • На здания

• Коррозия и появление темных пятен на поверхности нержавеющих раковин;

• Растворенные в избыточном количестве соли кальция и магния придают воде повышенную жесткость, которая способствует возникновению накипи (осадка) в трубах и на стенках отопительных котлов;

• В виду меньшей теплопроводности накипи, по сравнению с металлом, из которого изготовлены трубы и нагревательные приборы происходит большая затрата энергии и времени на подогрев воды. Как следствие недостаточно горячие батареи в помещениях;

• низкая теплоотдача служит причиной перегрева нагревательных элементов, на которых появляются деформации, трещины и вздутия, ведущие к поломке оборудования;

• точечная коррозия (очаги ржавчины) – еще одна причина, обусловленная накипью и приводящая к разрушению стенок котлов и труб;

• создание частых аварийных ситуаций, существенное сокращение сроков между плановыми ремонтами, увеличение затрат на обслуживание и ремонт–итоги проявления взаимодействия оборудования с водой, содержащей избыточное количество хлоридов.

•  
  •  
    •  

      • На обувь

Оказывает негативное воздействие на кожаную обувь-оставляет белые разводы.

•  
  •  
    •  

      • На животных

Очень плохо влияет на живые ткани. При контакте с хлоридом натрия у животных может появиться раздражение, язвы, обострение бактериальных и хронических заболеваний.

1. Эффективность

Эффективность использования технической соли объясняется ее способностью снизить сцепление льда с колесами автомобиля вследствие образования на поверхности дороги рассола. Хлорид натрия – наиболее дешевое средство, которое способно сохранять свои свойства даже при температуре до −30С.

Расход хлорида натрия для дорог, необходимый для плавления 1 г льда.

MgCl₂

1. Физико-химическиесвойства

Бесцветные кристаллы, плотность 2,316г/см³, температура плавления 713°C, температура кипения 1412°C. Хлорид магния весьма гигроскопичен; растворимость в воде при 20°C - 35,3% по массе. Хлорид магния образует кристаллогидраты с 1, 2, 4, 6, 8 и 12 молекулами воды. В интервале от -3,4 до 116,7°C устойчив гидрат MgCl₂ 6H₂O, который встречается в природе в виде минерала бишофита, а в больших количествах получается при упаривании морских рассолов.

1. Влияние реагента

   1.  
      1.  

         • На человека

Является экзотермичным, не воздействует на кожу человека

1.  
   1.  
      1.  

         • На здания

Данный реагент инертен к бетонным покрытиям, коррозийно неактивен, обладает самым низким разрушающим действием из всех представленных веществ.

1.  
   1.  
      1.  

         • На обувь

Безопасен для обуви

1.  
   1.  
      1.  

         • На животных

Безопасен для животных: не раздражает лап, не вызывает язв, ожогов.

1. Эффективность

Наиболее экологически безопасный антиобледенитель из всех представленных

Таблица для расчета количества хлорида кальция толщине льда до 2мм.

KCl

1. Физико-химические свойства

Бесцветные кубические кристаллы. Кристаллическая решетка NaCl. Температура плавления = 776°С, температура кипения = 1407°С, плотность = 1,984 г/см3. Растворяется в воде, мало растворим в спирте. В промышленности получают из природных минералов – сильвина, сильвинита и карналлита. Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25°С равна 149,85 Cм.см2/моль. В лаборатории можно получить взаимодействием гидроксида калия с хлороводородом.

1. Влияние реагента

• На человека

Хлорид калия безвреден для человека.

• На здания

Реагент не обладает коррозийными свойствами.

• На обувь

Влияние хлорида калия на обувь ничем не отличается от влияния простой влаги.

• На животных

Для животных реагент безвреден.

1. Эффективность

Главные преимущества хлорида калия заключаются в его быстродействии и экологической безопасности. Хлорид калия обладает такими свойствами, как высокая скорость плавления, благодаря которой результат будет достигнут максимально быстро, низкая температура замерзания небольшой расход вещества.

CaCl₂

1. Физико-химическиесвойства

Белые кристаллы плотностью 2,15 г/см³, t_пл772 °C. Обладает высокими гигроскопическими свойствами. Растворимость (г на 100 г H₂O): 74 (20 °C) и 159 (100 °C). Водные растворы хлорида кальция замерзают при низких температурах (20%-ный - при −18,57 °C, 30%-ный - при −48 °C).CaCl2 образует гидрат CaCl2·6H2O, устойчивый до 29,8 °C; при более высоких температурах из насыщенного раствора выпадают кристаллогидраты с 4, 2 и 1 молекулами H2O. При смешении CaCl₂*6H₂O (58,8 %) со снегом или льдом (41,2 %) температура понижается до -55 °C

1. Влияние реагента

1.  
   1.  
      1.  

         • На человека

При попадании на кожу и слизистые может вызвать раздражение и сухость.

1.  
   1.  
      1.  

         • На здания

Обладает низкой коррозионной активностью, с бетоном не взаимодействует.

1.  
   1.  
      1.  

         • На обувь

В отличии от хлористого натрия не оставляет белых разводов на обуви.

1.  
   1.  
      1.  

         • На животных

При правильном применении и соблюдении ПДК безопасен для животных и растений.

1. Эффективность

Таблица для расчета количества хлорида кальция при уборке льда г/м²

1.  
   1. Практическая часть

После изучения вышеизложенной теории мы пришли к выводу, что рекомендовали своей школе хлорид кальция. Проведём эксперимент при помощи комплекта цифрового лабораторного оборудования, используя датчики температуры. В четыре разных калориметра мы поместили по 30 грамм снега, опустили датчики температуры, подключенные к программе «Цифровой лабораторной практикум». Использование такого оборудования значительно упрощает эксперимент, так как фиксация температуры идет каждую секунду, а данные представляются в виде графика и таблицы. В сухие, заранее подготовленные емкости насыпаем по 10 грамм реагентов: CaCl₂, NaCl, KCl, MgCl₂ соответственно и дождавшись стабильных показателей температуры, а именно 0⁰С в каждый калориметр аккуратно засыпаем соль.Эксперимент проводим в течение часа, заносим данные с графика в таблицу с временным интервалом 5 минут.

В процессе обработки данных, мы получили следующие результаты, представленные в таблице:

Используя температурные показатели четырех различных смесей, мы построили график изменения температуры смеси с течением времени:

Выполняя практическую часть работы, мы использовали комплект цифрового лабораторного оборудования, что позволило наиболее точно измерить температурные графики и наблюдать полную картину эксперимента.

По результатам нашего исследования был выявлен реагент: хлорид кальция, как наиболее эффективный.

Его эффективность была подтверждена по следующим критериям:

• Во - первых, данный реагент обладает высокими гигроскопическими свойствами, то есть замерзание реагента при смешении со снегом происходит при температурах ниже 48°C, что допустимо для температурного режима нашей города.

• Во - вторых, хлорид кальция безвреден при попадании на кожу человека, а так же кожу животных, а в разумных количествах в медицинских целях и вовсе использует в качестве препарата для стабилизации общего состояния человеческого организма.

• В третьих, при проведении сравнительного анализа по влиянию на обувь человека и вовсе зарекомендовал себя исключительно с положительной стороны, так как не оставляет белых разводов и не нарушает целостности подошв обуви.

• В - четвертых, обладает высокой впитывающей способностью, при соприкосновении со снегом или льдом вступает в химическую реакцию с выделением тепла и образованием рассола, что облегчает дальнейшую уборку территории.

Бесспорно, хлорид кальция не является самым дешевым с точки зрения закупки, но его можно использовать в меньших количествах, нежели другие, изученные нами реагенты. Из чего можем сделать вывод о том, что хлорид Кальция и в данном случае является выигрышным вариантом для использования на территории нашего учебного заведения.

В заключении, хотелось бы отметить, что поставленная нами задача была успешно выполнена в процессе работы над проектом.

В последние годы наряду с обогащением используемых хлористых солей все большее распространение находят противогололёдные материалы нового поколения на основе ацетатов, формиатов и другого экологически безопасного сырья. Одним из таких материалов является кальциево-магниевый ацетат (СМА, 2-я группа) США.

В качестве перспективного пути развития нашего проекта мы планируем исследовать ацетатные реагенты, которые используются в других странах. В любом случае, нет предела совершенству, а значит и наше исследование может продолжаться.

1. Список литературы

1. Снег: Справ. / Под ред. Д.М. Грея, Д.Х. Мэйла: Пер. с англ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986.

2. Зимнее содержание автомобильных дорог / Г.В. Бялобжеский, А.К. Дюнин, Л.Н. Плакса и др. - М.: Транспорт, 1983.

3. Расников В.П., Зимнее содержание автомобильных магистралей. - М., 1985. - (Автомоб. дороги:Обзорн. информ. / ЦБНТИ Минавтодора РСФСР; Вып. 4).

4. Требования к противогололедным материалам: ОДН 218.2.027-2003 / Минтранс России, Гос. служба дор. хоз-ва. - ГП «Информавтодор», 2003.