XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Мусороперерабатывающий завод «БрейнЭКО» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С развитием технологий в нашем обиходе появились продукты с длительным периодом распада. Это – автомобильные шины, которые разлагаются около века, пластиковые бутылки с периодом разложения свыше 400 лет, многие другие материалы. Если мы не научимся их перерабатывать, то со временем они полностью «захватят» нашу планету. Уже сейчас в Тихом океане плавает Большое мусорное пятно размером с территорию нашей страны. Состоит оно, в основном, из синтетических полимеров. Особое внимание следует уделять отходам нефтеперерабатывающей, химической, машиностроительной, целлюлозно-бумажной промышленностей. Токсичные вещества, образующиеся в процессе деятельности предприятий, попадают в атмосферу, загрязняют водоемы, превращают плодородные земли в территории, непригодные для сельского хозяйства.
В странах Европы доля возврата мусора в полезный оборот стремиться к 70 %. Но в России мусороперерабатывающая промышленность только развивается. Сегодня (а это через три года после принятия Мусорной реформы) в нашей стране перерабатывается всего 7–9 % от общей массы отходов. Это всего на 2 % больше, чем в 2019 году.
Целью проекта является создание демонстрационной модели Мусороперерабатывающего завода «БрейнЭКО» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.
Задачи:
- изучить основную информацию о, их функциях;
- подробно изучить работу мусороперерабатывающих заводов;
-создать модель Мусороперерабатывающего завода «БрейнЭКО» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3;
- Разработать программы для Мусороперерабатывающего завода;
- Презентовать проект.
При написании теоретической части работы мы пользовались информационными сайтами. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [1,2,3].
Глава 1 Основная информация о мусороперерабатывающих заводах
1.1 Виды перерабатывающих заводов
Для рационального применения природных ресурсов и сокращения воздействия на окружающую среду образующиеся отходы должны отправляться на переработку. Для реализации мероприятий по вторичному обороту отходов открываются мусороперерабатывающие заводы – производственные комплексы, где из отходов получают вторичное сырье или товары. Приоритетом для защиты экологии является открытие мусороперерабатывающих комплексов полного цикла, в которых отходы проходит все этапы обработки: от сортировки до выпуска готовой продукции.
В мусороперерабатывающей отрасли применяется несколько видов операций с мусором: сортировка, измельчение или прессование, переплавка, вторичное производство. Чем больше операций из этого цикла выполняется с мусором, тем больше отходов превращаются во вторичное сырье, а не отправляются на свалку или в печь. По числу выполняемых операций выделяются несколько видов мусороперерабатывающих заводов:
-мусоросортировочные;
-мусоросжигательные;
-мусороперерабатывающие (Рисунок 1.1.1 Приложение).
Наиболее примитивная форма мусороперерабатывающего завода – сортировочная станция.
Для переработки во вторичное сырье мусор должен сортироваться на однородные фракции – эту задачу выполняют на мусорных полигонах или отдельных мусоросортировочных заводах.
Такие предприятия не производят продукцию или энергию, а в качестве продукта выступают отсортированные однородные фракции мусора. Часть отходов отправляется на другие предприятия, другая – на полигон для захоронения.
При сжигании отходов образуется энергия, которая может использоваться для отопления зданий. При горении выделяются вредные газы, которые должны улавливаться фильтрами. Такой способ утилизации отходов решает задачу по освобождению земель от свалок, но опасен при нарушениях норм по выбросам вредных веществ. Кроме того, отходы вместо повторного использования уничтожаются, что не решает вторую задачу обращения с мусором [4].
1.2 Мусор, пригодный для переработки
Реализация мусорной реформы невозможна без формирования новой культуры и осознания каждым жителем проблемы загрязнения окружающей среды. Необходимо научиться правильно утилизировать бытовой мусор, а именно:
-не смешивать пищевые отходы с ценным сырьем (бумагой, пластиком, стеклом, т.д.);
-пользоваться контейнерами для раздельного сбора мусора;
-не игнорировать пункты приема стеклотары, макулатуры, металлолома, прочего;
-пластиковые бутылки сминать, предварительно сняв крышку;
-для строительного мусора заказывать отдельный бункер;
-бытовую технику и крупногабаритные предметы утилизировать с помощью специализированных компаний, например.
Смешанный мусор сложно отсортировать. Значительно проще организовать первичный раздельный сбор мусора. На многих производствах остатки материалов используются повторно на месте или вывозятся на другие производства.
Сегодня в крупных городах начали появляться цветные контейнеры. В Москве можно наблюдать три вида бункеров:
серый – для смешанных отходов;
синий – для вторсырья (макулатура, пластик, металл, прочее);
красный – для строительного мусора.
Красный контейнер предоставляется в аренду организациям или физическим лицам, выполняющим строительно-ремонтные работы.
Для вторичной переработки подходят различные бытовые, промышленные, строительные отходы. К ним относятся:
-металл (лом, изделия, алюминиевые банки, цветные, драгоценные металлы);
-пластик (бутылки, пленка, упаковка)
-стекло (стеклянные бутылки, стеклобой);
-макулатура (бумага, картон);
-резина (покрышки, шины);
-древесина (доски, деревянные изделия);
-текстиль;
-электроприборы.
Непригодные остатки следует выбрасывать в контейнер для смешенного мусора – их вывезут на полигоны для захоронения или сожгут на мусоросжигательных заводах.
К переработке не принимаются:
-упаковкаиз под сока, молока, майонеза;
-одноразовая посуда;
-пластик с маркировками «3», «7»;
-яичная упаковка, картон со скотчем, вспененный полистирол;
-стекло с примесями или покрытием;
-керамика, хрусталь, фарфор;
-баллончики от аэрозолей;
-чайные пакетики, фантики от конфет;
-средства гигиены, грязная, влажная бумага;
-медицинские отходы;
-радиоактивные металлы [5].
1.3 Переработка и вторичное использование мусора
Мусороперерабатывающий завод – многофункциональное автоматизированное предприятие, на котором мусор проходит все ступени переработки. Комплекс имеет развитую инфраструктуру и включает в себя:
-дороги для проезда спецтранспорта;
-площадки для разгрузки;
-весовую платформу;
-барьер-ванну с раствором для дезинфекции;
-производственный корпус;
-хозяйственные постройки, склады;
-очистные сооружения.
Этапы переработки:
Возврат использованных материалов в производство – сложный технологических процесс. Он включает в себя следующие этапы:
-Сбор и прием отходов
Сбор мусора осуществляется специализированными компаниями с лицензией. Далее отходы в контейнерах доставляются спецтранспортом на завод. Это могут быть бытовые, промышленные, строительные остатки. Мусор проверяется на токсичность и радиацию согласно закону №89-Ф3.
-Сортировка по материалам
Приемные площадки завода оснащены автоматическим конвейером. Для изъятия КГМ имеется крановое устройство; мелкий мусор, не имеющий ценности, отсеивается. Отходы проходят обработку от болезнетворных бактерий с помощью ультрафиолета, а после поступают на передвижную ленту для ручной выборки сырья. Во время движения ленты сотрудники завода выбирают предметы, подлежащие переработке (бумагу, пластик, стекло, прочее) и складируют их в отдельные емкости. Наряду с ручной сортировкой используется механическая.
-Переработка
Отсортированные фракции попадают в профильные бункеры. Способ переработки зависит от свойств материалов. Самый длительный и технологически сложный процесс – это трансформирование пластиковой тары. Бутылки необходимо отсортировать по цвету, снять крышки, сплющить, пропустить через пресс, измельчить. Далее пластик плавится и пропускается через сито. Охлажденные нити нарезаются в гранулы.
-Выпуск сырья или продукции
Переработанный утиль может использоваться на этом же заводе, либо отправляется на другие предприятия для изготовления новой продукции. Вещи из вторсырья не представляют угрозу для здоровья, так как проходят тщательную обработку.
-Вторичная продукция
Мы часто пользуемся вещами, сделанными из мусора, и даже не догадываемся об этом. Например, из отходов изготавливают письменные ручки, писчую бумагу, стекловолокно, подошву для обуви. Пластиковые бутылки легко перерабатываются в нетканые материалы, а алюминиевые банки пригодны для изготовления таких же банок, только новых.
Все непригодные для вторсырья отходы можно преобразовать в полезную энергию. Рациональное использование вторичных энергоресурсов (ВЭР) – один из основных способов экономии первичного топлива. Получить полезную энергию можно несколькими методами:
-Сжигание
Непригодные остатки измельчаются и сжигаются в слоевых топках или барабанных печах. Сжигание происходит при температуре от 850 °C, а полученная тепловая энергия используется для производственных, коммунальных, сельскохозяйственных нужд. Сжигать можно городской мусор, древесные остатки, отходы сельского хозяйства, животноводства, остатки нефтеперерабатывающей, химической, других промышленностей. Также в качестве источника энергии может использоваться свалочный газ, который образуется на полигонах в процессе разложения остатков.
Недостатки:
при сжигании часть вредных частиц попадают в атмосферу.
-Пиролиз
Данный метод считается более безопасным для экологии, чем сжигание. Пиролиз – это термическое разложение отходов без доступа кислорода. Осуществляется он при температуре 600 °C, что позволяет получить пиролизный газ и твердый углеродистый остаток. Преимущества метода в том, что не нужно сортировать и измельчать остатки. Для пиролизных печей подходят ТКО, отходы нефтеперерабатывающей, деревообрабатывающей, агропромышленной промышленностей.
Вторичное сырье - это все переработанные материалы, пригодные для производства новой продукции. Цели переработки мусора во вторсырье:
-сокращение объема отходов;
-экономия первичных ресурсов;
-получение дополнительной прибыли.
Использование материалов повторно позволяет снизить затраты на производство новых товаров, стоимость конечного продукта.
К вторсырью относятся следующие материалы:
-измельченное стекло;
-очищенные целлюлозные волокна;
-гранулированный пластик;
-опилки, стружки;
-измельченные стройматериалы;
-сплавы металлов;
-резиновая крошка;
-метан.
В России технологии переработки мусора используются недостаточно. Сложность – в несовершенстве сортировочного оборудования. Зато неосвоенный рынок дает много возможностей для развития бизнеса.
Вторичные товары – конечная цель переработки мусора. Применение вторичных материалов очень разнообразно. Например, полимеры высокой степени очистки используются для производства бутылок и одноразовой посуды. Из «грязного» пластика изготавливают строительные материалы, покрытия для спортивных площадок. Целлюлозные волокна, в зависимости от загрязнения, используются для изготовления тетрадей или туалетной бумаги. Резиновая крошка подходит для изготовления автомобильных шин; измельченные стройматериалы идут на изготовление бетонных смесей, щебня [6] (Рисунок 1.3.1 Приложение).
Глава 2 Создание модели на базе конструктора Lego Mindstorms EV3
2.1 Планирование
Мы изучили конструкцию Мусороперерабатывающего завода, узнали, для чего они используются и где применяются и запланировали сделать свой завод, у которого будут следующие задачи:
- Движение;
- Подвижная конвейерная лента;
- Движение с рулевым управлением;
- Схожесть с настоящим заводом.
Перед началом конструирования модели, мы также поставили задачу нарисовать эскиз будущего проекта (Рисунок 2.1.1, Приложение), затем построить модель и написать программу для конвейерной ленты.
2.2 Конструкция мусороперерабатывающего завода и его функционал
Проект создан на базе конструктора Lego Mindstorms EV3. Включает в себя один программируемый модуль EV3 (Рисунок 2.2.1, Приложение), в основе находится средний мотор, в которые вставлены оси с большими шкивами, для приведения в движение конвейерной ленты (Рисунок 2.2.2, Приложение).
2.3 Программа
Наша программа создана в среде Lego Mindstorms EV3 (Рисунок 2.3.1, Приложение). Структура программы циклическая, имеет одно условие, согласно датчику касания. Алгоритм программы следующий:
-
Движение вперёд;
-
Остановка по датчику касания, если на конвейерной ленте нет мусора;
-
Повторение цикла.
В нашей программе есть блок Цикл, который можно настроить на любое количество повторов. Он необходим для того, чтобы конвейерная лента работала постоянно, так как завод должен работать каждый день. Сколько раз будет повторяться цикл, столько раз будет запускаться программа. Также, если на конвейерной ленте нет мусора, то рабочий нажимает на датчик касания и движение останавливается (Рисунок 2.3.2 Приложение).
2.4 Презентация проекта
Презентацию проекта (Рисунок 2.4.1, Приложение) мы провели в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни». Наш мусороперерабатывающий завод работает так: с каждого дома собирается мусор по трубам и падает на конвейерную ленту, затем конвейерная лента привозит мусор на завод, где он сначала сортируется, а затем перерабатывается, затем завод выпускает вторичную продукцию.
Заключение
В ходе проектной работы мы подробно изучили основную информацию о мусороперерабатывающих заводах, их видах, назначениях. Мы узнали, какие существуют заводы, на сегодняшний день их несколько видов.
Мы создали Мусороперерабатывающий завод «БрейнЭКО» с возможностью выпуска вторсырья на базе конструкторского набора Lego Mindstorms EV3. Программа позволяет двигаться конвейерной ленте, доставляя мусор на предприятие.
Далее, мы презентовали свой проект в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни», он вызвал большой интерес.
Из этого следует, что проект «Мусороперерабатывающий завод «БрейнЭКО»» можно использовать на урокахробототехники, например, для изучения программного кода в среде LegoMindstormsEV3, также можно использовать на внеурочных занятиях.
Список литературы и интернет источники
-
Курс «Робототехнический Центр», курс «Соревновательная робототехника», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - https://mrbrainy.ru/;
-
Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде LegoMindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.
-
ЙошохитоЙocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;
-
https://cleanbin.ru/technologies/waste-recycling-plant
-
https://sciencing.com/list-materials-recyclable-8073576.html
-
https://musor-msk.ru/articles/zavodyi-po-pererabotke-othodov-v-rossii/
Приложение
Р исунок 1.1.1 Мусоросортировочный завод Рисунок 1.1.1 Мусоросжигательный завод
Р исунок 1.1.1 Мусоросортировочный завод Рисунок 1.3.1 Переработанные товары
Рисунок 2.1.1 Эскиз проекта Рисунок 2.2.1 Программируемый модуль EV3
Рисунок 2.2.2 Конвейерная лента Рисунок 2.3.1 Программа
Рисунок 2.3.2 Датчик касания
Рисунок 2.4.1 Презентация проекта