VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проблемы утилизации использованных батареек и их влияние на почву и воду

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бурцев М.Д. 1

---

1МОУ «СОШ № 55» г. Магнитогорска

Климова  С.А. 1

---

1МОУ «СОШ № 55» г. Магнитогорска

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Огромное количество современных изобретений нуждается в автономных источниках энергии – аккумуляторах и батарейках. За семьдесят лет использования (после изобретения Ньюманом полностью герметичного элемента в 1947 году), они необходимы нам во многих любых бытовых мелочах: в пультах, детских игрушках, фонариках и других приборах. Мы относимся к ним привычно и легкомысленно, легко выбрасываем, ведь стоят они недорого. Недорого для нас, людей, а как для окружающей среды?

Актуальность проблемы

На прошедшей в апреле 2016 года очередной Прямой линии с Президентом В.В. Путин, отвечая на вопросы, связанные с экологией и раздельным сбором отходов, коснулся и вопроса необходимости утилизации использованных батареек. У меня тоже дома скопились батарейки и я предложил провести в школе экологическую акцию по их сбору. Узнав о том, что от одной батарейки в почве погибает ёж, два крота, два дерева и тысячи дождевых червей, мне захотелось узнать о конкретном воздействии на живой организм химических веществ батарейки, ведь я в будущем планирую связать свою жизнь с медициной. А ещё, представив уровень проблемы в стране, я решил просчитать масштабы «кормления одной свалки» использованными батарейками одной среднестатистической семьёй.

Цель работы – изучить воздействие химических веществ батарейки на почву и воду через биологические эксперименты с живыми индикаторами.

Задачи:

изучить классификацию и состав батареек;

изучить содержимое и способы утилизации батареек;

проверить наличие тяжёлых металлов в почве и воде после пребывания в них использованных батареек методом биоиндикации;

провести социологический опрос среди участников образовательного процесса по проблемам утилизации батареек и просчитать количество использованных батареек одной среднестатистической семьёй в год;

сделать выводы о влиянии батареек на биоиндикаторы и здоровье человека.

Сама необходимость использования батареек в быту не требует доказательств, а вот большое число батареек, оказавшееся уже ненужным, и необходимость от них избавиться представляет проблему. У меня эта проблема - объект исследований.

Предметом исследования являются процессы выщелачивания батареек, лежащих в почве, где находятся корни растений и протекают грунтовые воды.

Методы исследований: анализ данных интернет-сайтов, данных научных исследований вреда батареек и литературных источников; анкетирование и интервьюирование участников образовательных отношений (педагогов, обучающихся, родителей); химические опыты и биологический эксперимент, наблюдение за биоиндикаторами; анализ результатов эксперимента.

Гипотеза - загрязнение тяжёлыми металлами почвы и грунтовых вод может привести к исчезновению видов-почвообразователей, поэтому возможно нанесение вреда не только природе, но и здоровью человека.

Моя исследовательская работа начата в ноябре 2016 года (тогда я учился в 8 классе) после проведения экологической акции «Сдай батарейку – спаси ёжика!», которую мы с группой активистов Школьного Парламента города Магнитогорска приурочили к 15 ноября – Международному Дню вторичной переработки, но до сих пор мне эта тема интересна. Работа периодически дополняется новыми исследованиями, не смотря на то, что на областном конкурсе исследовательских работ и экологических проектов «Первые шаги в экологию» в феврале 2017 года в г. Челябинске я занял 3 место.

В 2018 году в Челябинской области активизировалась работа по внедрению раздельного сбора твёрдых бытовых отходов (ТБО) и ХИТ, поэтому считаю свою работу актуальной, способствующей повышению уровня информированности населения о вреде использованных батареек и необходимости их отдельной утилизации.

ГЛАВА I. Что такое ХИТ?

ХИТ - химические источники тока, используемые в различных бытовых приборах, называемые иначе батарейками.

Разнообразие бытовых ХИТ

по размерам по химическому составу

по типу химических реакций

Разновидности ХИТ по размерам

Есть тонкие – «мизинчиковые», чуть побольше – «пальчиковые» и тяжёлые (около 100 гр.) крупные – «бочонки», «пуговичные» разных диаметров, прямоугольные плоские для смартфонов и другие (см. приложение 2).

Разновидности ХИТ по химическому составу

Батарейки - это химические устройства, элементы которых вступают в реакцию, давая на выходе электричество, которым мы и пользуемся. Эти элементы, в основном, токсичны и опасны. Любой химический источник тока содержит в себе три обязательных компонента - два электрода (один из которых находится в виде порошка), с которых снимается напряжение и агрессивную среду - электролит. Например, в щелочной батарейке это анод - отрицательный электрод - из порошка цинка. В качестве электролита применяются концентрированные растворы калиевой или натриевой щелочи с добавками ZnO. Чтобы электролит не вытекал из батарейки, он загущается полимерными соединениями. При реакции анода со щелочью цинковый корпус постепенно растворяется (см. приложение 3).

Батарейки могут быть: солевые, щелочные (алкалиновые), ртутные, серебряные, литиевые.

Батарейки отличаются еще и по типу химических реакций. Есть первичные элементы - гальванические, а есть вторичные - аккумуляторы. Так, гальванические элементы невозможно перезарядить, но они стоят дешевле и обладают небольшой ёмкостью. А аккумуляторы многократны в применении, их можно перезаряжать. Число циклов разряд/заряд может достигать 600, 800 или 1000, поэтому стоят они дороже (см. приложение 4).

Я проводил социологический опрос для определения масштабов использования батареек в быту и информированности населения проблемах сбора и утилизации отработанных батареек, их влиянии на почву и воду.

Респондентами были 30 обучающихся 7-8 классов, 14 учителей нашей школы и 6 родителей. Общее число респондентов 50 человек.

Анализ социологического опроса показал, что население очень активно использует батарейки в быту. Теперь подсчитаем, сколько батареек использует семья в год (в этом подсчёте мне помогли ответы на 1 и 2 вопросы). В качестве примера возьмём среднестатистическую семью из 4 человек (родители и двое детей дошкольного и школьного возраста).

Результат подсчёта – одна среднестатистическая семья использует примерно 40 батареек в год. Поэтому целесообразнее и экономически выгоднее для семьи применять аккумуляторы. Масса и химическое содержание одного аккумулятора значительно меньше массы 40 гальванических батареек, поэтому и природе будет нанесён меньший вред и заводов – производителей понадобиться меньше.

Отвечая на 3 и 4 вопросы, респонденты показали недостаточность информирования населения о пунктах сбора и утилизации использованных батареек.

Отвечая на 5 вопрос респонденты доказали свою готовность к участию в экологических акциях и задумались о проблемах утилизации ХИТ (см. приложение 7).

По окончании акции «Сдай батарейку - спаси ёжика!» участникам были выданы Правила использования и утилизации ХИТ (см. приложение 8).

ГЛАВА 2. Определение загрязнений почвы и воды

методом биоиндикации

При изучении научных исследований вреда использованных батареек, проведённых РХТУ им. Менделеева (о них рассказала на страничке сайта СдайБатарейку.РФ эксперт, инженер-эколог, кандидат технических наук и руководитель научной лаборатории Вера Горбунова) я узнал, как тяжёлые металлы влияют на организм человека. Но решил провести сам несколько химических опытов.

Влияние тяжёлых металлов на живые организмы***

(по данным исследований РХТУ им. Менделеева)

В моём исследовании участвовали марганцево-цинковые (самые распространенные) и никель-кадмиевые батарейки разных производителей, у которых процесс выщелачивания уже начался (см. приложение 4). Корпус х батареек был ржавым и повреждённым, сквозь отверстия выступали закристаллизовавшиеся вещества. Несколько таких батареек я использовал для экспериментов.

Для исследований мне понадобились следующие приборы и материалы:

1. Весы бытовые

2. Весы лабораторные

3. Два куска марли

4. Стеклянные стаканчики

5. Пипетка

6. Воронка

7. Фарфоровые чашки

8. Штатив

9. Вода дистиллированная

10. Кусок медной проволоки

11. Спиртовка

12. Спички

13. Соляная кислота 5мл

Химический эксперимент

Известно, что натрий и кадмий при нагревании окрашивают пламя в ярко-жёлтый цвет. Я взял кусок медной проволоки, прокалил его над пламенем спиртовки (огонь окрашен был в ярко зеленый цвет). Затем я приступил к выпариванию воды, в которой две недели перед экспериментом находились две батарейки на стадии выщелачивания. Воды взял 500 мл, добавил 5 мл 10% раствора соляной кислоты и постепенно выпарил до сухого остатка, который взвесил. Масса сухого остатка составила 1,75 г. Промыв кончик проволоки в дистиллированной воде, я опустил его затем в сухой остаток, затем вновь стал прокаливать. Пламя окрасилось в ярко-жёлтый цвет, что доказывает наличие солей натрия и кадмия в сухом остатке.

Вывод: батарейки на стадии выщелачивания являются источником повышенного содержания солей кадмия в почве и воде.

Затем я перешёл к биологическому эксперименту над живыми организмами - биоиндикаторами.

Биоиндикация – это оценка состояния окружающей среды по реакции живых организмов (растения, животные). Сущность биоиндикации как метода состоит в том, что определенные факторы среды создают возможность существования того или иного вида. Виды, которые позволяют выявить специфические особенности среды, называют биоиндикаторами. Биоиндикация дает возможность судить об изменениях состояния среды и прогнозировать направление этих изменений*.

В качестве биоиндикаторов я выбрал черенки комнатного растения бегонии коралловой и мотыля.

Бегония коралловая - многолетний кустарничек, хорошо размножающийся черенкованием. К полезным свойствам бегонии относятся:

активное поглощение вредных химических веществ, благодаря чему воздух в помещении быстро очищается;

увлажнение воздуха;

устранение электромагнитных излучений;

бегония содержит значительное количество полезных веществ (органические кислоты и дубильные вещества), которые обладают противоаллергическими и антисептическими свойствами, а потому могут быть использованы в народной медицине.

Бегония коралловая имеет розовые цветки. Её высота составляет до 90 см, листы серебристые с зелёными прожилками, нижняя часть красная. Срок жизни составляет около 5 лет. Лучше всего бегония растёт и развивается в тепле: не ниже +18 градусов зимой и +20 градусов летом. Она любит свет, но слабо переносит прямые лучи, так что лучше не оставлять её надолго под солнцем. Растение требует частого полива, но необходимо соблюдать меру, не переувлажнять почву и стараться не попадать при поливе на листья.

Бегония коралловая требует регулярной обрезки, иначе растение может вырасти чересчур большим; поэтому растение удобно черенковать и использовать в качестве биоиндикатора в биологическом эксперименте.

Для эксперимента мне понадобились 3 черенка бегонии, которые я готовил для высадки две недели (до образования корневых отростков) и 3 горшка с почвой. Все черенки были одного размера с несколькими пазушными почками и двумя хорошо сформированными листовыми пластинами от 7 до 9 см в длину зеленовато-серебристого оттенка (см. приложение 10).

Первый черенок я высадил в горшок с чуть кисловатой почвой, как и любит бегония коралловая. Второй черенок также был высажен в горшок с обычной почвой. Сделано это было потому, что листья бегонии могли при пересадке пострадать (как сказано было выше - их не нужно без причины трогать и опрыскивать водой, растение этого не любит). Поэтому второй черенок был контрольным. Третий черенок был посажен в почву, в которой все две недели перед высадкой находилась батарейка на стадии выщелачивания, поэтому в ней были частички тяжёлых металлов (см. приложение 15).

Две другие батарейки две недели лежали в ёмкости, куда я налил 1 литр воды. После высадки третий черенок (индикатор 3) поливался этой водой, а первый и второй черенки обычной водопроводной. Наблюдения за экспериментальными биоиндикаторами велись в течение двух недель.

Результаты наблюдений за растениями-биоиндикаторами

Результат эксперимента: биоиндикаторы 1 и 2 хорошо прижились, биоиндикатор № 3, поливаемый водой с солями кадмия, никеля и др. металлов, погиб (см. приложение 10).

Вывод: вода с солями кадмия, никеля и др. тяжёлыми металлами оказывает отрицательное влияние на рост и развитие растений.

Вторым биоиндикатором был мотыль. Мотыль — это личинка комара, но не простого, писк которого так раздражает по вечерам, а комара- долгунца. Рубинового цвета «червячок», длина которого достигает нескольких сантиметров, служит хорошим прикормом для рыб. Мотыль очень популярен у рыбаков и продается в магазинах круглогодично. Мотыль не является почвооброзователем, но участвует в образовании иловых масс. Место обитания личинки - илистое дно стоячих водоемов, зарастающих водной растительностью. Питается мотыль разлагающимися остатками органических соединений. Лучший почвообразователь - дождевой червь, который, к сожалению, не дожил до эксперимента. Дождевой червь - представитель типа Кольчатых червей, а мотыль - личиночная стадия насекомого (тип Членистоногие), но оба этих вида имеют голую кожу, покрытую слизью. Оба представителя животного мира являются сапрофитами по типу питания. Поэтому условия эксперимента, считаю, были соблюдены.

Ход эксперимента.

Разделив 10г мотыля на две части, я поместил их в две разные чашки, предварительно выложил на дно марлю несколько слоев. Известно, что мотыль сохраняет жизнеспособность несколько дней во влажной тряпочке в холодильнике при температуре 0 ⁰ C (именно так его хранят дома рыбаки).

Увлажнял марлю я разной водой. Проба 1 увлажнялась водопроводной водой, а проба 2- водой, где две недели лежали выщелоченные батарейки.

Результаты наблюдений за биоиндикатором (мотылём)

Результаты эксперимента: из 5 г личинок пробы 2 погибли все 5 г- 100%; из личинок пробы 1 погибли 1,2 г- 24%, остальные жили ещё 2 суток. Причиной гибели считаю то, что они не содержались в холодильнике и были неприкрыты влажной марлей (так как за ними велось наблюдение). Причиной гибели личинок пробы 2 считаю наличие тяжёлых металлов во влажной марле (см. приложение 11)

При упаковке батареек в контейнеры мы с учителем и командой помощников контактировали с батарейками незащищёнными руками в течение одного часа или чуть дольше, и все почувствовали легкое жжение кожи и зуд. Можно считать и нас биоиндикаторами, поэтому я рекомендую:

после контакта с использованными батарейками (замене использованных батареек в быту или при сборе на утилизацию) мыть руки тщательно с мылом (щелочью);

если же предстоит длительный контакт с химическими источниками тока, то необходимо использовать резиновые перчатки для защиты кожи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Считаю, что моя гипотеза была доказана. Переработка бытовых батареек и аккумуляторов не только уменьшает количество тяжёлых металлов (кадмия, никеля, свинца, ртути, цинка и др.) в почве, уменьшает их отрицательное влияние на рост и развитие растений, препятствует попаданию этих солей в грунтовые воды, но и помогает сберечь видовое разнообразие растений и животных-почвообразователей. Почва на садовых участках кормит овощные и плодово-ягодные культуры, а значит, влияет на здоровье человека.

Население действительно мало информировано о вреде использованных батареек, выбрасываемых в мусор. Но если напоминать людям о необходимости заботы о своем здоровье и чистоте окружающей среды, они охотно откликнутся и примут участие в любых полезных делах. И то, что я рассказываю о своих исследованиях и участвую в проведении социально-экологической акции продиктовано моим желанием вести просветительскую деятельность в области охраны природы. С этой целью я планирую следующую акцию - выход на собрания в садоводческих товариществах весной 2019 года с разъяснительной работой и сбор ХИТ на пропускных пунктах.

Библиографический список

Виноградов Б. В. Растительные индикаторы и их использование при изучении природных ресурсов. - М; Высшая школа, 1964.

Гринин А.С., Новиков В.Н. «Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация, переработка». М.: Фаир-Пресс, 2002 г.

3.Разумова. Е.Р. «Экология» М.:МИЭМП, 2010

4. http://www. сдайбатарейку. рф/***

5. http://batarei. biz/vred-ot-ispolzovannyih-batareek. html

6. http://ru.wikipedia. org/wiki/Батарейка

Приложения

Приложение 1. Взвешивание ХИТ и измерения

Приложение 2. Разновидности батареек

Приложение 3. Состав ХИТ

Приложение 4. Виды бытовых аккумуляторов

Приложение 5. ХИТ на стадии выщелачивания

Приложение 6. Движение веществ в биосфере

Приложение 7. Результаты социологического опроса

Вопрос № 3. Знаете ли вы, что батарейки нельзя выбрасывать в мусорный бак?

Вопрос № 4. Знаете ли вы, что есть пункты приёма использованных батареек?

Вопрос № 5. Согласны ли вы принять участие в акции

«Сдай батарейку – спаси ёжика!»

Приложение 8.

ПРАВИЛА ПО ХРАНЕНИЮ И УТИЛИЗАЦИИ БАТАРЕЕК

• Выбирайте батарейки правильного типа и размера в соответствии с рекомендациями изготовителя прибора, в котором будут использоваться батарейки.

• Для того, чтобы производительность батареек оставалась высокой, отделения для батареек и поверхность контактов следует поддерживать в чистоте, протирая их чистым ластиком или тканью при замене батареек.

• Если вы не собираетесь пользоваться устройством в течение нескольких месяцев, лучше вытащить из него батарейки.

• Вытащите батарейки из прибора, подключенного к бытовой электросети (переменный ток).

• Следите за полярностью, когда вставляете батарейки (расположение клемм «плюс и минус»). Некоторые приборы, работающие на 3 и более батарейках, могут работать, даже если одна батарейка вставлена неправильно.

• Храните батарейки в сухом помещении при комнатной температуре. Не замораживайте батарейки Duracell; это сократит их рабочий ресурс. Работа в условиях экстремальных температур также сокращает рабочий ресурс батареек, поэтому старайтесь не оставлять приборы, работающие на батарейках, на солнце.

• Не выбрасывайте батарейки в мусор! Помните: всего одна пальчиковая батарейка, выброшенная в урну, может загрязнить примерно 20 квадратных метров почвы или 400 л воды тяжелыми металлами - это ртуть, свинец, кадмий, никель, цинк, марганец, литий!

Приложение 9. Химические методы определения загрязнений

почвы и воды

Приложение 10. Эксперимент с биоиндикатором – бегонией коралловой

Приложение 11. Биологический эксперимент с биоиндикатором - мотылём.

Проба № 1-живые личинки Проба № 2 –появление мертвых личинок