Экологическая обстановка в районе школы

В последние годы охране окружающей среды во всех странах мира уделяется большое внимание. Более половины всех загрязнений окружающей среды создаёт транспорт. И во всех странах показатель загрязнения окружающего воздуха работающими тепловыми двигателями достаточно высок. К сожалению, человечество пока не может отказаться от тепловых машин при всей их неперспективности: низкий КПД машин, выбросы вредных веществ в атмосферу и т. д. Автомобили являются основным загрязнителем воздуха в больших городах. В продуктах сгорания находится до 200 различных химических соединений. Основную часть составляют углекислый СО2 и угарный СО газы, оксиды азота NOX , различные углеводороды, ядовитые соединения свинца и т. д.

Свинец обладает канцерогенным, мутагенным действием; вызывает полиневрит, параличи. Симптомы интоксикации - головная боль, повышенная раздражительность, нарушение сна, утомляемость, металлическая вкус во рту, слюнотечение, увеличение внутричерепного давления.

Неорганические соединения свинца нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов, у детей вызывая умственную отсталость, заболевания мозга. Попадая в клетки, свинец (как и многие другие тяжелые металлы) дезактивирует ферменты.

Свинец может заменять кальций в костях, становясь постоянным источником отравления. Органические соединения свинца еще более токсичны. Степень отравления свинцом определяют по его концентрации в крови. Безопасным уровнем содержания свинца считают (0,2 - 0,8)* 10-4%.

Объектом нашей исследовательской работы является определение концентрации ионов свинца.

В качестве предмета исследования мы взяли пробы снега и почвы, взятые на школьной территории и в районе автомагистрали, где движение транспорта очень насыщенное.

Целью данной работы является исследование и оценка экологической обстановки района школы.

Задачи:

• определить причину появления свинца в выхлопных газах автомобиля;

• выявить наличие ионов свинца в пробах снега и почвы;

• определить концентрацию ионов свинца, выбрасываемых в атмосферу при работе автомобильных двигателей;

• сравнить полученные результаты с ПДК;

• оценить степень загрязнения территории, прилегающей к школе.

Для решения данных задач использовали общие методы научного познания: эксперимент, наблюдение, измерение, сравнение, анализ. А так же – специальный метод колоночной хроматографии, который заключается в том, что в колонке с адсорбентом происходит разделение смеси на индивидуальные компоненты, которые затем идентифицируются.

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. ТРАНСПОРТ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Прогресс человечества теснейшим образом связан с развитием энергетики. С изобретением теплового двигателя связывается мощный расцвет промышленности, открытие новых путей преобразования и использования энергии. Создание двигателя внутреннего сгорания послужило базой для развития автомобильного транспорта и самолетостроения.

Тепловые двигатели устанавливаются на грузовых и легковых автомобилях, на автобусах, тракторах, тепловозах, на всевозможных судах (от прогулочного катера до авианосца и подводной лодки), на самолётах, ракетах, дирижаблях, на передвижных электростанциях. Они используются при бурении скважин, на ракетных комплексах, при лесозаготовке, при перекачке нефти и газа по трансконтинентальным трубопроводам.

Создание более экономичных двигателей с минимальным загрязнением окружающей среды давно привлекает внимание учёных и инженеров. Исследования идут по трём основным направлениям: совершенствование конструкции двигателя, улучшение процесса сгорания и поиски нового топлива.

Низкий КПД двигателей обусловлен конструкцией современных двигателей, происходящими в них физическими процессами, а также тем, что лишь небольшая часть внутренней энергии сгоревшего топлива преобразуется в полезную работу, т. е. в механическую энергию.

Самый главный момент в работе теплового двигателя - это вспышка в цилиндре. Температура горящей смеси оказывается меньше расчетной потому, что бензин сгорает не полностью и часть его выбрасывается в воздух. Для улучшения процесса горения выбирают наилучшую форму камеры сгорания и качество её поверхности, ставят турбокомпрессоры для дополнительной подачи воздуха. Широко стал применяться метод впрыска топлива в цилиндр под большим давлением. В такой струе жидкое топливо распыляется, хорошо смешивается с воздухом и полнее сгорает.

Все существующие виды тепловых двигателей преобразуют энергию топлива в механическую. А поскольку топливо не сгорает полностью, то выбрасываемые выхлопные газы загрязняют атмосферу вредными для живого мира веществами. В настоящее время ежегодно в результате неполного сгорания топлива в атмосферу поступает около 200 млн. т. оксидов углерода, 150 млн. т. оксидов серы, 700 млн. м3 соединений свинца и других тяжелых металлов.

Таким образом, использование тепловых двигателей даёт человеку огромные возможности и в то же время оно оказалось наиболее сильным фактором в разрушении природы.

1. 2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Все тепловые двигатели, независимо от их конструктивных особенностей, решают одну и ту же задачу - превращение внутренней энергии топлива в механическую. Для этой цели энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, передается путем теплообмена какому-либо газу -рабочему телу.

Работа теплового двигателя циклична. При движении поршня от верхнего положения до нижнего через впускной клапан происходит всасывание горючей смеси в цилиндр. Этот процесс осуществляется при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается сжатие горючей смеси. Сжатие происходит быстро.

В конце такта сжатия происходит воспламенение горючей смеси электрической искрой. Быстрое сгорание паров бензина сопровождается передачей рабочему телу количества теплоты Q1 резким возрастанием температуры и давления воздуха продуктов сгорания. За короткое время горения смеси поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре. Именно во время данного цикла при сгорании топлива и осуществляются химические реакции, продуктами которых являются вредные и токсичные вещества.

Под действием высокого давления поршень далее совершает рабочий ход от верхнего положения до нижнего. В конце рабочего такта открывается выпускной клапан. Выпуск отработанных газов сопровождается передачей количества теплоты Q2 окружающему воздуху, играющему роль холодильника. С выбросом отработанных газов двигатель готов к повторению циклов.

При длительной работе двигателя описанные циклы повторяются многократно. Но перед началом каждого цикла необходимо освободить цилиндр от продуктов сгорания, не содержащих кислород, и произвести всасывание горючей смеси. Это осуществляется во время двух подготовительных тактов впуска и выпуска.

1. 3. ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ АВТОМОБИЛЬНОГО

ДВИГАТЕЛЯ

Образующаяся в карбюраторе легкового автомобиля смесь паров бензина с воздухом- окислителем всасывается в цилиндр. Там поршень сжимает ее до 1/6 или 1/8 первоначального объема, и в момент наибольшего сжатия смесь поджигается электрической искрой. Бензин сгорает и образующиеся продукты горения с температурой более 1000 0 С давят на поршень цилиндра( 30-40 атм). Химическая энергия переходит в механическую - колеса автомобиля вращаются.

При нормальной скорости горения образующиеся раскаленные газы успевают отдать свою энергию поршню, потом выбрасываются из цилиндра. При достаточно большой степени сжатия горючая смесь может сгореть в 100 раз быстрее, образуя промежуточные перекисные соединения. Они нестойки и при поджигании электрической искрой распадаются с выделением энергии. Вместо плавного горения происходит взрыв; «стучит» двигатель, мощность его падает, бензина тратится больше. Это явление называется детонацией.

Автомобильный бензин, получаемый прямой перегонкой нефти не выше 205°С, в основном состоит из алканов, имеет низкое октановое число, указывающее на способность к детонации. Для н-гептана, весьма подверженного детонации, октановое число принято равным нулю. Для изооктана (2,3,4-триметшшентана), стойкого к детонации, октановое число равно 100. Если конкретное топливо и смесь н-гептана с изооктаном имеют одинаковые детонационные свойства, то объемный процент последнего и есть октановое число топлива.

Для нормальной работы двигателя надо задержать быстрое развитие реакции, успокоить возбужденные сжатием молекулы. Этой цели служат антидетонаторы, например, известный тетраэтилсвинец ( т. э. с), молекулы которого отнимают избыток энергии у возбужденных молекул. Применение т. э. с. породило, однако, проблему. Продукт горения - оксид свинца - оседает на стенках цилиндра, выводя его из строя. Поэтому в топливо добавляют вещества, образующие со свинцом газообразные соединения, выносимые из цилиндра вместе с продуктами сгорания.

1. 4 СОСТАВ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ

При полном сгорании топлива очевидными продуктами являются СО2 и Н2О:

С8Н18 + 12,5 О2 + 47N2 = 8СО2 + 9Н2О+ 47N2 + 5062 КДж/ моль.

Сложный состав топлива, наличие добавок и присадок приводит к тому, что в выхлопных газах обнаружено более 200 токсичных веществ, среди которых основную массу составляет:

• угарный газ (СО) - продукт неполного сгорания топлива;

• оксид азота (II) - за счёт окисления азота кислородом воздуха, в условиях высоких температур;

• оксид серы (IV) - в результате окисления серы, содержащейся в бензине;

• канцерогенные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе наиболее активный - бенз(а)пирен (БП), образующиеся в результате горения бензина в условиях недостатка кислорода и высоких температур;

• сажа - продукт неполного сгорания топлива: является канцерогеном по своей природе и хорошим адсорбентом БП;

• альдегиды, синтезируемые на стадии воспламенения топлива в условиях избытка кислорода;

• свинец, образующийся в реакциях этилированного бензина;

• углеводороды (УВ), самая многочисленная группа, в которую входят алканы нормального, изомерного, циклического строения; ненасыщенные УВ с двойными, тройными связями. УВ попадают в атмосферу и вследствие испарения топлива.

1. 5. Методика проведения эксперимента

Методом исследования мы выбрали колоночную хроматографию, т. к. с помощью данного метода удается быстро и четко разделить и идентифицировать очень малые количества смесей неорганических соединений. В современном понятии хроматография - это учение закономерности разделения сложных смесей веществ на индивидуальные соединения за счет различий в сорбируемости.

Колоночная хроматография заключается в том, что смесь веществ, подлежащих разделению, вводят в контакт с адсорбентом, причем каждое из индивидуальных соединений смесей в соответствии со своей природой связывается с адсорбентом специфическими силами в той или иной степени.

В качестве адсорбента мы взяли оксид алюминия AI2O3 , которым заполнили на 15 см высоты колонки - трубки диаметром 6,5 мм - нижнюю часть колонки закрыли ватным тампоном. Затем последовательно вводили в колонку исследуемый раствор и проявитель, т. к. ионы свинца бесцветны - 1н раствор иодида калия KI. Воду для промывания вводили после полного впитывания предыдущих двух растворов; в противном случае чётких хроматограмм не образуется.

Для количественного анализа ионов свинца мы приготовили раствор-свидетель, который содержит определенное количество соединения свинца и пропустили его через хроматографическую колонку. Замерили высоту окрашенного столбца (образовался желтоокрашенный иодид свинца) – это и явилось этанолом количества свинца в образце. По эталону высчитываем массу свинца в исследуемых образцах, его массовую долю и концентрацию.

Результаты исследования мы сравнили между собой и представили в виде диаграммы, из которой видно, что количество ионов свинца около школы не намного меньше количества свинца около трассы.

2. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследовательской работы было выявлено наличие ионов свинца в пробах снега и почвы, взятых на территории школы и определена концентрация данных ионов.

Из результатов исследования видно: концентрация ионов свинца в районе школы в 3-4 раза меньше концентрации ионов свинца на территории, прилегающей к автостраде, но, тем не менее, концентрация свинца на территории школы значительно превышает ПДК – это говорит о неблагоприятной экологической ситуации в районе школы.

Полученный результат для нас не оказался неожиданным. Это объясняется, возможно, тем, что движение автотранспорта около школы довольно интенсивное.

Защита окружающей среды - дело каждого, и каждый может и должен принять в нём посильное участие. Мы отправили ходатайство в администрацию п. Мундыбаш на имя мэра поселка Федорко С. В. с просьбой восстановить около школы знак, запрещающий движение транспорта.

В заключении следует отметить, что проблема загрязнения окружающей среды выхлопными газами автотранспорта актуальна во всём мире, поэтому ученые ищут различные пути выхода из сложившейся ситуации. Одним из вариантов решения данной проблемы является регулировка двигателей для полного сгорания топлива и уменьшение содержания вредных продуктов в выхлопных газах. Разрабатываются двигатели, не выбрасывающие вредных веществ с отработанными газами, например, работающие на смеси водорода и кислорода. Также предполагают использовать заменители тэтраэтилсвинца, например, соединениями марганца и даже метанол (10% -я добавка метанола к бензину с октановым числом 91 даёт значительный эффект).