XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СОДЕРЖАНИЕ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПОЛИМЕРНЫХ И ПОЛИМЕРОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛАХ, НЕ КОНТАКТИРУЮЩИХ С ПИЩЕВЫМИ ПРОДУКТАМИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Смирнов Б.М. 1

---

1ГБОУ Лицей 179

Обуховская А.С. 1

---

1ГБОУ Лицей 179

Работа в формате PDF

101.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность: Использование полимеров и полимеросодержащих материалов крайне актуально в современном мире. Они незаменимы в промышленности, медицине, науке. Содержание токсичных веществ в полимерных и полимеросодержащих материалах, используемых человеком в наше время, может оказать крайне негативное влияние на его здоровье.

Полимеры - это длинные молекулы, состоящие из повторяющихся мономерных единиц, связанных между собой химическими связями. Эти молекулы могут образовывать множество разнообразных материалов, таких как пластик, резина, волокна и т.д.

Полимеросодержащие материалы - это материалы, содержащие в своем составе полимеры либо в качестве основных, либо в качестве вспомогательных компонентов. [1]

Существует ряд добавок, которые могут применяться для улучшения свойств полимеров и полимеросодержащих материалов. Они позволяют придать материалу эластичность и упругость, твёрдость и прозрачность, а также понизить или повысить горючесть. Также существуют добавки, способные предотвратить разрушение полимеров в процессе эксплуатации. Однако, некоторые из этих добавок могут быть потенциально токсичными и представлять угрозу для здоровья человека.

Из-за остро стоящей экологической обстановки в наши дни всё большее число граждан стараются следить за собственным здоровьем. При этом им необходимо быть уверенными в качестве используемых полимерных и полимеросодержащих материалов, поэтому тема актуальна в связи с необходимостью должного анализа полимеров на содержание вредных веществ.

Я максимально глубоко подошёл к исследованию данной проблемы и могу предположить, что определение содержания вредных, токсичных и опасных веществ в полимерных и полимеросодержащих материалах в современном мире позволяет выйти на новый уровень обеспечения безопасности: пищевой, промышленной, химической и др. С каждым днем ученые ищут все новые и новые способы улучшения качества полимеров.

Мой личный вклад состоит в том, что я использовал инновационные методы определения вредных веществ в полимерах, основанные на последних разработках, которые активно внедряются и будут интенсивно использоваться в будущем.

Среди источников информации были данные ВОЗ, научные статьи, нормы СанПиН и ГОСТ, открытые ресурсы организации ФБУЗ Центр гигиены и эпидемиологии СПб.

Представленная проектно-исследовательская работа направлена на установление соответствия содержания вредных, токсичных и/или опасных веществ нормам предельно допустимой концентрации (ПДК), так как превышение данных норм может оказать негативное влияние на здоровье человека.

Проблема: избыток содержания вредных веществ в полимерных и полимеросодержащих материалах может образовываться из-за нарушений в процессах синтеза или использования некачественных исходных материалов с целью уменьшения стоимости производства. Полимеры и полимеросодержащие материалы, соответствующие нормам ПДК, не оказывают негативного влияния на здоровье человека, однако превышение норм предельно допустимой концентрации каким-либо веществом, входящим в состав полимера, может способствовать возникновению различных заболеваний.

Именно поэтому необходимо проводить регулярный мониторинг и анализ содержания вредных веществ в полимерах и полимеросдержащих материалах, дабы предотвратить ухудшение состояния здоровья человека.

Объект исследования: полимеры и полимеросодержащие материалы.

Предмет исследования: вредные, токсичные и опасные вещества в полимерах и полимеросодержащих материалах.

Цель исследовательской работы: определить соответствие содержания вредных, токсичных и опасных веществ нормам предельно допустимой концентрации.

Задачи исследовательской работы:

1. Взять образцы полимерных и полимеросодержащих материалов для исследований.

2. Определить содержание вредных, токсичных и опасных веществ в пробах экспериментальным путём.

3. Сравнить полученные значения с нормами предельно допустимой концентрации, взятыми из СанПиН 2.1.3684-21 и Инструкции 880-71.

4. Предположить меры по снижению концентрации вредных, токсичных и опасных веществ в полимерных и полимеросодержащих материалах.

Гипотеза: содержание вредных, токсичных и опасных веществ в полимерных и полимеросодержащих материалах соответствует нормам предельно допустимой концентрации.

Основная часть

Материалы и методы исследования

Материалами в моих экспериментах являлись образцы бетона и цемента, природа которых включает использование полимеров и полимеросодержащих материалов, используемых для строительства жилых и нежилых помещений. Также исследовались материалы, контактирующие с кожей человека и товары бытовой химии.

Первый метод исследования: Использование климатических камер

Для изучения биологической активности полимерных строительных материалов в специальных условиях используются экспериментальные установки, такие как климатические камеры или системы камер. В этих климатических камерах помещают образцы оцениваемых полимерных материалов, и создаются необходимые условия (такие как температура, воздухообмен и т.д.) с помощью систем и приспособлений. Эти установки могут включать дыхательные колпаки для тестирования на людях, затравочные камеры для экспериментов на животных и аспирационную систему для отбора проб воздуха.

Суть методического подхода заключается в том, что моделирование основных условий эксплуатации материалов в климатических камерах создает воздушную среду, которая имеет качественные и количественные характеристики химического загрязнения, соответствующие реальным условиям эксплуатации. Камеры следует изготавливать из инертных материалов, таких как химически стойкое стекло или нержавеющая сталь, и должны иметь объем не менее 80-120 литров.

Основными условиями, которые оказывают наибольшее влияние на интенсивность миграции химических веществ из материалов в воздушную среду, являются: "насыщенность" полимерного материала, температура воздуха, кратность воздухообмена и относительная влажность воздуха. "Насыщенность" представляет отношение единицы поверхности, объема или массы полимерного материала к единице объема помещения и выражается в квадратных метрах/кубических метрах, кубических метрах/кубических метрах или килограммах/кубических метрах. "Насыщенность" погонажных материалов с постоянным профилем может быть выражена в метрах/кубических метрах.

Исследования следует начинать через 2 суток после установления в климатических камерах всех необходимых условий, т.к. лишь к этому времени в них устанавливается динамическое равновесие. Исследование полимерных материалов необходимо производить при нормальной (20 °C) и при повышенной (40 °C), а для особых случаев и более высокой температурах. Последняя устанавливается и поддерживается при помощи различного рода нагревательных элементов и терморегуляторов.

Второй метод исследования: Спектрофотометрия

Спектрофотометрия - это метод анализа, который измеряет, как вещество в образце взаимодействует со светом в зависимости от его длины волны. Принцип его действия заключается в следующем:

Прохождение света через образец: В начале процесса свет, как правило, от источника проходит через образец вещества, которое вы хотите исследовать.

Поглощение и рассеяние света: Свет может взаимодействовать с веществом двумя основными способами: поглощаться веществом и рассеиваться в разные стороны. Поглощение света происходит, когда энергия света передается молекулам вещества, и это происходит с разной интенсивностью для разных длин волн.

Измерение интенсивности света: После прохождения света через образец его интенсивность измеряется с помощью детектора. Детектор регистрирует, сколько света прошло через образец и сколько было поглощено или рассеяно.

Создание спектра: Спектрофотометр измеряет интенсивность света для разных длин волн, создавая так называемый спектр. Этот спектр представляет собой график, показывающий, как интенсивность меняется в зависимости от длины волны.

Анализ данных: Полученные данные спектрофотометрии могут использоваться для определения концентрации вещества в образце, так как интенсивность поглощения света обычно пропорциональна концентрации вещества и толщине образца. Это позволяет проводить качественный и количественный анализ образцов. Для анализа необходимо проводить калибровку прибора, используя стандартный образец с известным элементным составом. Затем измеряют спектральные линии для образца и определяют интенсивность их свечения, которое связано с концентрацией элементов в образце.

Третий метод исследования: Взятие водных вытяжек

Метод взятия водных вытяжек используется для определения содержания примесей в полимерах. Он основывается на том, что некоторые примеси, такие как растворенные вещества, не могут быть удалены из полимерной матрицы обычным способом, поэтому они переходят в водный раствор.

Процедура взятия водных вытяжек включает в себя следующие шаги:

1. Измельчение и размол полимерной пробы для увеличения ее поверхности и улучшения процесса экстракции.

2. Взятие определенного объема дистиллированной воды (обычно 100 мл) и помещение ее в стеклянный сосуд, насыщенный азотом для исключения окисления примесей.

3. Добавление измельченной полимерной пробы в воду, затем перемешивание смеси при помощи магнитной мешалки в течение определенного времени (обычно 24 часа) при комнатной температуре.

4. Отстаивание смеси на протяжении 30-60 минут для отделения верхнего слоя воды с примесями от осадка полимера.

5. Отбор проб на анализ. Для анализа содержания примесей пробы партионно фильтруют и основательно промывают дистиллированной водой с последующей экстракцией путем подсушивания с использованием ряда методов.

6. Выполнение анализа вытяжек с использованием различных методик, таких как спектрофотометрия, газовая или жидкостная хроматография и масс-спектрометрия.

Полученные данные позволяют определить концентрацию различных примесей, которые могут присутствовать в полимере, такие как пигменты, стабилизаторы, антиоксиданты, пластификаторы и т.д. Этот метод также позволяет отслеживать качество и чистоту полимерного сырья и контролировать процесс производства полимерных изделий.

Результаты и их обсуждение

Вышеперечисленные методы были использованы мной для проведения серии экспериментов с целью определения содержания вредных веществ в полимерах и материалах, содержащих полимеры. Ниже представлена таблица с полученными результатами.

Из представленной таблицы (см. Таблица 1) видно, что исследуется температурное воздействие на бетон и цемент, оценивая концентрацию аммиака, формальдегида и ангидрида фосфорного в мг/м^3 при 20°C и 40°C. Результаты показывают, что все значения находятся ниже предельно допустимых уровней, указанных в соответствующих ГОСТах (30255-2014, 34039-2016).

Таблица 1

Сравнительная таблица проб на предмет соответствия нормам ПДК за июнь 2023 года

Таблица 2 представляет информацию о количестве проб, взятых на предмет соответствиям нормам ПДК за 2022 и 2023 год, а также о количестве проб, которые не соответствуют гигиеническим нормативам в разных категориях товаров.

Таблица 2

Сравнительная таблица проб на предмет соответствия нормам ПДК за 12 месяцев 2022 года и 8 месяцев 2023 года.

Всего было взято 913 проб товаров из разных категорий за почти 2022/23 год. Наименьшее количество проб, не соответствующих нормам предельно допустимой концентрации было обнаружено в категории парфюмерно-косметическая продукция и средства гигиены полости рта. Наибольшее в категории полимерные и полимерсодержащие, строительные материалы (за исключением мебели).

Кроме проведенных мной исследований во время каникулярных практик, ФБУЗ центр гигиены и эпидемиологии Санкт-Петербурга предоставил мне статистическую информацию о содержании вредных веществ в полимерных и полимеросодержащих материалах за 2020-2021 год, которая позволила провести анализ и выявить определённые закономерности.

Таблица 3

Сравнительная таблица проб на предмет соответствия нормам ПДК за 12 месяцев 2021 года.

Анализируя таблицу 3, можно сделать следующие выводы:

Наибольший процент нарушений был выявлен в категории товары бытовой химии (8,23%) и лакокрасочные материалы (5,08%). Это указывает на наличие проблем с качеством продукции в данных категориях и требует дополнительного контроля со стороны регуляторных органов.

Средства индивидуальной защиты также имели высокий процент нарушений (5,04%). Это особенно важно в условиях пандемии COVID-19, когда качество средств индивидуальной защиты должно быть на высоком уровне.

Анализ полученных данных указывает на снижение качества продукции в определенных категориях и требует усиления контроля со стороны регуляторных органов, чтобы защитить интересы потребителей и обеспечить безопасность использования продуктов.

Таблица 4

Сравнительная таблица проб на предмет соответствия нормам ПДК за 12 месяцев 2020 года.

Анализируя представленные данные, можно проследить положительную динамику, связанную с товарами категории бытовой химии. Так, в 2020 количество проб, не соответствующих нормам ПДК составляло 23, в 2021 - 20, в 2022/23 – 8. Это говорит об улучшении улучшении качества продукции данной категории.

Анализируя процентное соотношение проб, не соответствующих нормам ПДК, можно проследить полодительную динамику. 2020-4,6%, 2021-3,5%, 2022/23-2,7%.

Заключение

Сегодня компании всё чаще осознают значимость экологической безопасности процессов производства и продуктов. Однако, чтобы обеспечить устойчивость этой тенденции, необходимо регулярно анализировать сырье и материалы, поступающие в производство. Только так можно гарантировать, что товары, выпускаемые на рынок, останутся безопасными для окружающей среды и здоровья людей, и при этом продолжат содействовать защите нашей планеты. В связи с этим моя проектно-исследовательская деятельность по определению содержания вредных веществ в полимерных и полимеросодержащих материалах, не контактирующих с пищевыми продуктами, является важным шагом в направлении безопасного и экологически чистого производства, а также повседневного использования материалов и продуктов.

Практическая значимость работы

Исследование по определению содержания вредных веществ в полимерных и полимеросодержащих материалах, не контактирующих с пищевыми продуктами, имеет большую практическую значимость, так как оно позволяет оценить риски для здоровья и экологии при использовании таких материалов в производстве, строительстве и быту.

Также эта работа имеет важное просветительское значение, поскольку предоставляет информацию о том, какие вредные вещества могут находиться в повседневных материалах и какие проблемы могут возникать при их использовании. Это позволяет людям принимать осознанные решения по выбору продуктов.

Кроме того, исследовательская деятельность по определению содержания вредных веществ в полимерных и полимеросодержащих материалах, не контактирующих с пищевыми продуктами, имеет важное профилактическое значение. Это позволяет своевременно выявлять и предотвращать возможные проблемы, связанные с использованием таких материалов, и снижать риски для здоровья и окружающей среды.

Ссылки и примечания

1. "Polymer," ScienceDirect, 2019, https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/polymer.

2. https://www.ey.com/en_gl/manufacturing/how-advanced-polymer-materials-impact-our-world

3. https://www.nsf.gov/news/special_reports/science_nation/polymerrecycling.jsp

4. https://www.rgo.ru/ru/article/plastikovoe-zagryaznenie

5. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=plastic

6. https://plastics.ru/publications/news/obem-vypuska-polimerov-v-rf-vernulsya-k-pokazatelyam-2021-goda/

7. Rocha BA, Asif A, Hashmi MA, Abulkibash AM, Khan TA. Health hazards of plasticizers and Their alternatives. Environ Technol Innov. 2021;23:101666. doi:10.1016/j.eti.2021.101666

8. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ МУ 2.1.2.1829-04

9. https://www.who.int/ipcs/assessment/public_health/formaldehyde/

10. https://78centr.ru/

11. https://78centr.ru/

12. http://vlager.edu.ru/files/contentfile/42/sanpin-2.1.1.1200-03.pdf

13. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4759833/