Моё знакомство с углем

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Моё знакомство с углем

Мещеряков Д.М. 1
1 МБОУ «СОШ №31 им. В.Д. Мартемьянова» г. Кемерово
Кузнецова Н.Н. 1
1МБОУ «СОШ №31 им. В.Д. Мартемьянова» г. Кемерово
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

Я – сибиряк! Чем, кстати, очень горжусь. Ибо, как сказал один известный сибирский самородок Денис Мацуев: «Сибиряки – это все-таки национальность такая. Это люди потрясающие!» Но мне повезло вдвойне: я Кузбасский сибиряк. И скоро нашему замечательному Кузбассу исполнится 300 лет! А значит, у меня совсем не было трудностей при выборе темы для моей работы. Я хочу рассказать вам о моем знакомстве с черным богатством Кузбасса – углем.

Хочу отметить, что с темой было определиться значительно проще, нежели осваивать теоретическую и практическую составляющие моей работы в процессе ее подготовки. Уголь оказался «крепким орешком». Кроме того, в своей работе я решил затронуть тему не только каменного ископаемого угля, но и древесного угля. Мне было интересно провести сравнительные наблюдения и опыты, а также добавить творческую нотку по ходу моей работы. Занимательно даже то, что ударение в формах слова «уголь» ставится по-разному. Если мы говорим о нем, как об «ископаемом твердом горючем веществе», то ударение ставится на первый слог (уголь – угли – углем), а если имеем ввиду «кусок обгоревшего дерева» (тогда допускается ударение на второй слог: угли – по углям – в углях). Но не смотря на многие различия между каменным и древесным углем, существует также много общего, например, удивительная способность очищать загрязненную воду. Поэтому целью моей работы является знакомство с ископаемым и древесным углями, их водоочистительными свойствами и особенностями применения.

Для достижения поставленной цели мною были определены следующие задачи:

Изучить литературу и материалы из интернета для получения информации о каменном и древесном углях.

Сравнить между собой образцы разных видов ископаемого угля.

Изготовить древесный уголь из бамбукового исходного материала.

Определить особенности процесса очистки воды при помощи угольного фильтра. Провести эксперимент по очистке воды, сравнив степень фильтрации каменным и древесным углем.

Применить древесный уголь в творчестве и кулинарии.

Объект исследования: ископаемый уголь (антрацит, каменный уголь, бурый уголь), древесный уголь (самодельный из бамбука; купленный в магазине из березы), активированный аптечный уголь.

Для решения поставленных задач я буду использовать классические научные методы: наблюдение, описание и эксперимент.

ГЛАВА I. Теоретическая часть.

Краткая история открытия и использования ископаемых углей.

Ископаемый каменный уголь («горючий камень» - так его называли ранее) был известен с древних времен. Его примитивная добыча велась в древнем Китае и античной Греции, где он использовался как топливо. Много веков люди считали, что уголь имеет минеральное происхождение, то есть является каменной породой (иными словами - просто камнем), пока гениальный русский ученый М.В. Ломоносов не выдвинул гипотезу о происхождении ископаемого угля из торфа, а торфа – из скоплений остатков растений на дне болот. Растительное (органическое) происхождение ископаемых углей было окончательно доказано в XIX веке при помощи микроскопических исследований горного инженера-капитана Иваницкого А.Б., который обнаружил в структуре угольного вещества остатки растительных тканей, зернышек смолы, семян и спор.

На всех континентах Земли имеются месторождения угля. Конечно, уголь используют прежде всего как топливо. Есть сведения из древних Китайских трактатов, что еще до II века до н.э. уголь применяли китайцы для выплавки меди, при производстве фарфора и для отопления. В Европе первые упоминания об использовании каменного угля как топлива относятся к началу XIV века, когда были заложены первые угольные шахты в Англии. Однако активно использовать уголь человечество начало менее 270 лет назад. А пока в Европе хватало лесов и уровень развития промышленности был не велик, предпочитали обходиться дровами. Но уже к началу XVII века множество лесов в Европе было полностью уничтожено. Дрова и древесный уголь стали буквально на вес золота, что вынудило искать альтернативное топливо, которым и оказался ископаемый каменный уголь.

Что касается истории добычи угля в России, то первые достоверные сведения относятся к периоду царствования Петра I, который обратил внимание на образцы угля во время Азовского похода в 1696г. и произнес: «Сей минерал, если не нам, то нашим потомкам зело полезен будет». Им были организованы специальные экспедиции в различные районы страны, благодаря которым были обнаружены несколько крупных месторождений каменного угля, в частности в 1721 г. было открыто месторождение на реке Томь (Кузбасс). Кстати, ранее считалось, что первооткрывателем Кузбасского угля является Михайло Волков, который в сентябре 1721 г. объявил о находке «красной горелой горы в семи верстах от Верхотомского острога». Но недавно стало известно, что в записях руководителя первой научной экспедиции в Сибирь Даниила Мессершмидта еще в апреле 1721 г. упоминалось об угле «между Комарова и деревней Красная» (то есть на Красной горе). Из своей экспедиции он привез первые образцы угля, и с тех пор наш Кузбасс славится на весь мир своими обширными запасами каменного угля!

Использование ископаемого угля существенно возросло с появлением паровых машин и механизмов, способных преобразовывать тепловую энергию сжигания угля в электрическую (первые ТЭС). Также уголь применяют для производства краски, пластмассы, линолеума, цемента, в резиновой промышленности, в металлургии (для плавки металлов и производства машин и механизмов), для производства удобрений, лекарств, стекла и даже духов, конфетных сиропов и пирожных (поскольку уголь не пахнет). Кроме того, уголь обладает замечательными очистительными свойствами: угольную крошку применяют для заполнения фильтров водоочистки на ТЭС и городских водопроводных станциях.

Виды каменных углей, их свойства и отличительные признаки.

Мы уже говорили, что ископаемые угли – это остатки отмерших растений (преимущественно, древовидных папоротников и огромных хвощей). Образование каменных углей происходило в результате воздействия высокой температуры и давления. Нижние пласты испытывают большее давление и воздействие высокой температуры, чем пласты, залегающие выше. Соответственно, чем ниже залегает уголь, тем он прочнее и лучше по своим качествам. Выделяют три основные вида угля: бурый, каменный и антрацит. Именно в такой последовательности они и залегают в земле. По всем основным свойствам (таким как насыщенность цвета, блеск, плотность, твердость, горючесть, степень выделения тепла) показатели будут нарастать от бурых углей к антрациту. Соответственно, антрацит является самым высококачественным ископаемым углем.

Залегание и добыча каменного угля.

Угольное месторождение – это площадь, содержащая угольные пласты. Ископаемый уголь залегает в земле в форме пластов, которые бывают чаще всего сложного строения, чередуясь с прослойками из горных пород. Уголь добывается из недр земли либо с помощью открытых горных выработок, либо в шахтах. Применение открытой добычи угля предпочтительнее, когда пласты залегают не глубоко и имеют большую мощность. Однако большая часть угля добывается шахтным способом, который позволяет извлекать наиболее ценный каменный уголь и антрацит. Шахта имеет подземное хозяйство (сеть вертикальных и наклонных стволов, забоев, добычная техника, транспортные устройства перемещения угля и породы) и поверхностный технологический комплекс (здания и сооружения, обеспечивающие энергоснабжение, вентиляцию, приемку угля и породы, обогатительная установка или фабрика, породное хозяйство). Глубины шахт доходят до 1500 метров.

Древесный уголь.

Древесный уголь имеет общее происхождение с каменным углем. Они оба имеют органическое растительное происхождение, только каменный уголь формируется в результате разложения древесной породы, которое длится на протяжении тысячелетий, а древесный уголь получают методом термического разложения древесины – пиролизом (нагревание древесины без доступа или с ограниченным доступом кислорода). Древесный уголь используют в качестве топлива, а также применяют для очистки воды, в пищевой промышленности, медицине и сельском хозяйстве. Кроме того, его активно используют в творчестве в качестве материала для рисования: в виде тонких палочек, получаемых путем обжига веточек деревьев различных пород.

Очистительные свойства каменного и древесного угля.

Человечество давно использует уголь для очистки воды. Угольные фильтры надежны, просты в использовании, способны захватывать и удерживать большое количество вредных примесей. Самым лучшим материалом для фильтра является активированный уголь. А вот сырьем для его получения может быть как каменный уголь, так и древесина. У активированного угля пористая структура, благодаря которой он способен адсорбировать из воды хлорку, соли тяжелых металлов и запах. Для фильтров используют уголь в виде порошка или специальных гранул. Чем мельче частицы и чем толще угольный слой, тем эффективнее будет очистка. Единственным минусом является достаточно короткий срок службы угля, поскольку поры быстро забиваются и пропускная способность ухудшается. Поэтому важно своевременно менять картриджи для фильтрации воды, в которых содержатся угольные частицы.

ГЛАВА II. Практическая часть.

Сравнение разных образцов ископаемого угля.

Для своей практической части первоначально мне понадобились образцы бурого и каменного угля, а также антрацита. Приступая к их визуальному сравнению, я заметил, что основными их отличительными признаками являются цвет и блеск (Приложение 1). На представленном фото хорошо видно, что образец бурого угля имеет коричневатый оттенок, без блеска. Кусок каменного угля имеет черный цвет, но также не является блестящим. В свою очередь, образец антрацита имеет ярко выраженный насыщенный черный цвет и глянцевый блеск (Таблица №1).

 

Бурый уголь

Каменный уголь

Антрацит

Цвет

Тёмно-бурый, коричневый

Черный

Тёмно-черный

Блеск

Не блестит

Матовый

Блестящий

Таблица №1: Различия видов ископаемых углей по цвету и блеску.

Но кроме различий, есть и общие признаки для всех видов ископаемого угля. Все образцы твердые, маркие (пачкают руки), тяжелые (тонут в воде), не растворяются в воде (Приложение 2) и при горении выделяют тепло.

Можно смело сделать вывод, что мои сравнительные наблюдения абсолютно совпадают с научными данными, прочитанными мной в литературе и интернете.

Изготовление древесного угля.

От ископаемого угля перейдем к древесному. Посоветовавшись с родителями, я решил изготовить древесный уголь из бамбуковых палочек.

Купленную в магазине бамбуковую палочку я разрезал на четыре части и завернул их в фольгу для ограничения поступления к древесине кислорода (Приложение 3). Эту заготовку мы поместили в банную печь (Приложение 4). В течение восьми минут бамбуковые палочки внутри фольги подвергались пиролизу (или сухой перегонке). Затем с помощью шумовки я достал их из печи и положил на снег охлаждаться (Приложение 4). Через десять минут я развернул фольгу и убедился, что бамбуковые палочки превратились в замечательный древесный уголь для рисования (Приложение 5)! Из литературы я узнал, что древесный уголь – превосходный материал для творчества, известный с древнейших времен. Первобытные люди использовали его в наскальной живописи, а современные художники продолжают его применение для набросков, построения рисунка для фресок и графических изображений. Я, в свою очередь, попытаюсь создать рисунок приготовленным мною углем на листе бумаги (см. п.4 практической части).

Исследование фильтрующих свойств каменного и древесного углей.

Как я узнал из прочитанной литературы, очищать воду может и каменный уголь, и древесный уголь, и активированный уголь из любого сырья. Но, безусловно, активированный уголь является лучшим материалом для фильтров. Мне захотелось опытным путем проверить данные утверждения, поэтому в своей работе я решил применить в качестве фильтрующих элементов:

- толченый ископаемый каменный уголь (антрацит);

- измельченный древесный уголь;

- аптечный активированный уголь.

а) Для первого опыта я взял уголь антрацит, измельченный в ступке. От небольшой пластиковой бутылки было отрезано дно, в крышке проколото несколько мелких дырочек. В бутылку я засыпал измельченный уголь, предварительно проложив между крышкой и углем ватный диск для лучшей фильтрации (Приложение 6). Далее я размешал художественную гуашевую красную краску в стакане с водопроводной водой и вылил большую часть содержимого стакана в наш фильтр (Приложение 7). Несколько секунд уголь впитывал в себя окрашенную воду, а затем, медленно, вода начала капать в подставленный мною пустой стакан. Через 10 минут профильтровалось уже достаточное количество жидкости, чтобы можно было сравнить цвет воды в стаканах. Вода, прошедшая через ископаемый каменный уголь, стала более прозрачной, а ее цвет – более светлый (Приложение 8).

б) Для второго опыта я использовал купленный в магазине древесный березовый уголь, измельченный в ступке до состояния песка с частицами (Приложение 9). В качестве заготовки для фильтра была также использована пластиковая бутылка с дырочками в крышке и ватный диск. На этот раз я развел в воде зеленую гуашевую краску и вылил часть содержимого стакана в наш самодельный угольный фильтр. Вода, прошедшая через древесный уголь, имела более светло-зеленый цвет и чуть большую прозрачность, но эти отличия были едва заметны на глаз (Приложение 9).

в) Для третьего опыта мною был использован фильтр из активированного угля, купленного в аптеке и растолченного в ступке. В данном случае была разведена в воде краска синего цвета, а в качестве основы для фильтр-картриджа использована такая же пластиковая бутылка и ватный диск (Приложение 10). В третьем опыте вода, прошедшая через фильтр из активированного угля, была наиболее прозрачная с минимальным содержанием синего красителя (Приложение 11).

Итак, сравнивая результаты всех трех опытов, можно сделать общий вывод о том, что уголь (и каменный, и древесный, и активированный) действительно способен задерживать различные примеси (в нашем случае, частицы гуашевой краски) и, тем самым, очищать воду. Что же касается степени очистки воды, то по моим наблюдениям, можно сделать вывод, что лучше всего очистил воду активированный уголь, на втором месте – ископаемый каменный уголь (антрацит), а на третьем месте – древесный. Эти мои выводы также находят подтверждение в литературных источниках, где говорится, что именно активированный уголь наиболее эффективен для всех без исключения водоочистительных фильтров. В общем, весь эксперимент доказывает, что угольные фильтры действительно очищают воду. И в этом заключается их удивительное и весьма полезное для человечества свойство!

Применение угля в творчестве и кулинарии.

А теперь дошла очередь до творческого этапа в моей работе! Используя палочки древесного угля, полученные мною ранее, я попробовал нарисовать Кузбасскую патриотическую картину. Вот что у меня получилось (Приложение 12).

А еще я узнал, что активированный уголь можно применять в кулинарии. Конечно, я пробовал знаменитое кузбасское мороженое «Сибирский уголь», от которого становится замечательно-черный язык. И в интернете мы с мамой читали, что в селе Елыкаево начали изготавливать «угольные пряники», но купить их нам не удалось. В связи с этим, мы решили поставить собственный эксперимент по выпеканию медово-имбирного печенья с добавлением активированного угля. Смешав муку, масло, мед, яйцо, сахар, имбирь, корицу и мускатный орех, мы добавили растертый в порошок аптечный активированный уголь (10 таблеток). Из полученного теста сделали пряники и выпекали в горячей духовке в течение 12 минут. И вот что у нас получилось в итоге (Приложение 13).

Но мы решили, что наши пряники не достаточно темно-угольного цвета, поэтому испекли вторую партию, добавив уже 30 таблеток размельченного активированного угля. Вот теперь это настоящий Кузбасский угольный пряник! (Приложение 13) А несколько пряников я дополнительно раскрасил пищевыми красителями (Приложение 14).

Заключение.

Проанализировав результаты своих наблюдений и опытов, я сделал следующие выводы:

Я познакомился и научился различать разные виды ископаемого угля. Методом сравнения убедился в визуальных различиях между ними.

Я научился изготавливать древесный уголь для художественных целей.

Опытным путем я убедился, что различные виды угля (ископаемый, древесный, активированный) способны очищать воду от примесей. Также были подтверждены научные данные о наиболее эффективном использовании активированного угля для очистки воды.

Я смог применить собственно изготовленный древесный уголь в творчестве, а аптечный активированный уголь – в кулинарии.

Список литературы и информационных источников:

Бондаренко В.И., Варламов Г.Б., Вольчин И.А., Карп И.Н., Колоколов О.В., Кравченко Т.Г., Кузьменко А.М., Ландау Ю.А., Лукьянчиков В.С., Моисеенко О.В., Пивняк Г.Г., Подгуренко В.С., Сигал И.Я., Скляр П.Т., Чернявский Н.В., Широков С.В. «Энергетика: от огня и воды к электричеству». – Киев. б/и, 2005г.

http://historycoal.narod.ru/main-3.html («Исторические корни развития Кузнецкого бассейна»)

Кокорев Я.М. «Удивительное свойство черного угля». Научный журнал для школьников «Старт в науке» №6, 2016г.

http://nadler42.ru/?p=295 – статья Надлер Ю.С. «Записки палеонтолога»

https://aquacomm.ru/vodosnabzenie/ugolnyj-filtr-svoimi-rukami.html (“Угольный фильтр своими руками”).

http://contest.schoolnano.ru/coalinfo/ («Подробнее о древесном угле»).

https://dprom.online/chindustry/drevesnyj-ugol-proizvodstvo-i-primenenie/ («Древесный уголь: производство и применение»).

https://dprom.online/chindustry/drevesnyj-ugol-proizvodstvo-i-primenenie/ («Уголь для рисования»).

https://www.ok-magazine.ru/stars/interview/6113-denis-macuev#section0 – интервью с Д. Мацуевым.

Приложения:

Приложение 1: образцы ископаемого угля (бурый, каменный и антрацит)

Приложение 2: ископаемый уголь тонет и не растворяется в воде

Приложение 3: заготовка с бамбуковыми палочками для получения древесного угля

Приложение 4: получение древесного угля в банной печи

Приложение 5: образцы полученного древесного угля

Приложение 6: измельченный антрацит, засыпанный в самодельный фильтр для очистки воды

Приложение 7: фильтрация окрашенной воды через ископаемый уголь антрацит

Приложение 8: результат очистки воды с помощью фильтра из антрацита

Приложение 9: результат очистки воды с помощью фильтра из древесного угля

Приложение 10: фильтрация окрашенной воды при помощи активированного угля

Приложение 11: результат очистки воды с помощью фильтра из аптечного активированного угля

Приложение 12: Кузбасская патриотическая картина, нарисованная собственно изготовленным древесным углем

Приложение 13: первая и вторая партии угольных пряников

Приложение 14: угольные пряники, расписанные пищевыми красителями

Просмотров работы: 108