Научно-практическая конференция учащихся и педагогов Татищевского Муниципального района 2011г.

Научно-практическая конференция учащихся и педагогов Татищевского
Муниципального района 2011г.
МОУ «СОШ с. Ягодная Поляна»
Проектно-исследовательская работа
Поверхностно-активные вещества в природе
Выполнила: уч-ся 10 класса
МОУ «СОШ с. Ягодная Поляна»
Оксана Валерьевна Бучная
Научный руководитель: учитель химии
Нина Никандровна Борбич
Оглавление
КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ ................................................................................................................... 3
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................ 4
Актуальность работы ........................................................................................................................ 4
Нормативные документы ................................................................................................................. 5
Гипотеза ............................................................................................................................................. 5
Цель и задачи исследования ............................................................................................................. 6
ПОВЕРХНОСТНО - АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА ............................................................................... 7
Классификация ПАВ ......................................................................................................................... 7
Области применения ПАВ ............................................................................................................... 8
Безопасность ПАВ................................................................................................................................. 9
Источники поступления ПАВ в водную среду............................................................................. 10
ВЛИЯНИЕ ПАВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ............................................................................. 12
Способы очистки вод от ПАВ ........................................................................................................ 14
ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ............................................................................................... 15
ВЫВОД ................................................................................................................................................ 16
ЛИТЕРАТУРА ..................................................................................................................................... 17
КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ
Человек давно использует в быту поверхностно – активные вещества
(ПАВ), область их применения обширна. Но в последнее время в связи с
тем, что разнообразие поверхностно – активных веществ значительно
возросло, возникла проблема влияния моющих средств на окружающую
среду. Ведь только немногие ПАВ являются безопасными. И многие могут
проникать с атмосферными осадками в открытые водоёмы и просачиваться
в подземные ближние слои грунтовых вод. Так что люди должны
задуматься о том, какой вред они наносят окружающей среде.
3
ВВЕДЕНИЕ
С древнейших времён для поддержания чистоты человек использует
моющие средства. Все они имели природную основу: употреблялись
щелочные соли
(поташ из растительной
золы, природная
сода),
гидрофильные глины (например, бентонитовые), сок или водная вытяжка
из некоторых растений. Но, с возникновением в 19 в. мыловаренной
промышленности, природные моющие средства быстро утратили своё
хозяйственное значение.
Актуальность работы
Высочайший уровень развития мировой цивилизации также, привел
к обострению ряда общепланетарных экологических проблем, одна из
которых
-
глобальное
накопительное
загрязнение
Биосферы
компонентами, нехарактерными для нее, в частности, ксенобиотиками.
Вовлекаясь в круговорот веществ в природе, они активно искажают эти
процессы, влияя на время транзита основных химических элементов и
соединений, тем самым, изменяя состав Биосферы в целом.
Гидросфера - составная часть Биосферы планеты. Мощным
источником ее загрязнения являются производственные сточные воды, с
которыми в водоемы попадает широкий спектр токсичных веществ. К
таким веществам относятся и поверхностно-активные вещества (ПАВ),
большинство из которых являются биологически жесткими веществами и
не утилизируются в природе естественным путем.
4
Нормативные документы
При производстве любых моющих средств используется широкий
спектр ПАВ, которые выполняют функции смачивателей, эмульгаторов и
детергентов, ускоряя и облегчая процесс очистки поверхности. В связи с
большим количеством применяемых ПАВ огромное значение имеют их
физико-химические свойства, в особенности вопросы их токсичности и
биоразлагаемости. Все применяемые ПАВ оцениваются Европейскими
нормативными документами, институтом Экологии человека и гигиены
окружающей среды с точки зрения их безопасности и др. На основании
этих требований был разработан ГОСТ Р 50595-93 на биоразлагаемость
распространенных ПАВ.
Согласно общепринятой классификации, ПАВы по биоразлагемости делят
на три основных группы:
• I группа - биологически разлагаемые ПАВ;
• II группа - частично разлагаемые ПАВ;
• III группа - биологически не разлагаемые ПАВ.
Согласно европейским нормативные документы утверждают, что
продукт считается биоразлагающимся, если его разложение до невредных
элементов (естественно находящихся в окружающей среде) превышает
80%.
Объект моего исследования - поверхностно-активные вещества.
Предмет исследования - поверхностно-активные вещества в природе
и их влияние на окружающую среду.
3 гипотеза
ПАВ
являются
одним
из
главных
факторов,
оказывающих
негативное воздействие на природную среду.
5
Цель и задачи исследования
Изучив научно-публицистическую литературу, расширить круг
знаний о поверхностно-активных веществах их видах, свойствах, областях
применения и воздействии на человека и биосферу
6
ПОВЕРХНОСТНО - АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Поверхностно-активные
вещества (ПАВ) -
это
вещества,
адсорбирующиеся на поверхности раздела двух фаз и образующие на ней
слой повышенной концентрации. Однако в понятие «поверхностноактивные вещества» (ПАВ) обычно вкладывают более узкий смысл, относя
его лишь к группе органических соединений, адсорбция которых из их
растворов даже очень малой концентрации приводит к резкому снижению
поверхностного
(межфазного)
натяжения
на
поверхности
раздела
растворара с газом (паром), другой жидкостью или твердым телом
Классификация ПАВ
По
типу
или ионогенные,
гидрофильных
и неионные,
групп ПАВ делят
или неионогенные.
на ионные,
Ионогенные
ПАВ
диссоциируют в растворе на ионы, одни из которых обладают
адсорбционной активностью, другие (противоионы) - адсорбционно не
активны. Если адсорбционно активны анионы, ПАВ называют анионными,
или анионоактивными, в противоположном случае - катионными, или
катионо-активными. Некоторые ПАВ содержат как кислотные, так и
основные группы; такие ПАВ обладают амфотерными свойствами, Их
называют амфотерными, или анфолитными, ПАВ. Неионогенные ПАВ не
диссоциируют при растворении на ноны; носителями гидрофильности в
них обычно яаляются гидроксильные группы и полигликолевые цепи
различяой длины.
7
Области применения ПАВ
Моющие средства. Основное применение ПАВ — в качестве
активного компонента моющих и чистящих средств, мыла, для ухода за
помещениями, посудой, одежной, вещами, автомобилями и пр.
Косметика.
Основное
направление
использование ПАВ в
косметике — использование в шампунях, где содержание ПАВ может
достигать десятков процентов от состава. Также ПАВ используются в
небольших количествах в зубной пасте, лосьонах, тониках и других
продуктах.
Текстильная промышленность. ПАВ используются в основном для
снятия статического электричества на волокнах синтетической ткани.
Кожевенная промышленность. Защита кожаных изделий от легких
повреждений и слипания.
Лакокрасочная промышленность. ПАВ используются для снижения
поверхностного натяжения для того чтобы красочный материал мог легко
проникнуть в маленькие углубления на поверхности обрабатываемого
материала и заполнить их, вытесняя при этом другое вещество из
углубления (например, воду).
Бумажная
промышленность. ПАВ используются
для
разделения
чернил и варёной целлюлозы при переработке использованой бумаги.
Молекулы ПАВ адсорбируются на пигменте чернил. Пигмент становится
гидрофобным. Далее воздух пропускается через раствор пигмента и
целлюлозы.
Пузырьки
воздуха
адсорбируются
на
гидрофобной
части ПАВ и частички пигмента чернил всплывают на поверхность. См.
флотация.
8
Металлургия. Эмульсии ПАВ используются для смазки прокатных
станов. Снижают трение и устойчивы при высоких температурах, тогда как
масло сгорает.
Защита
растений. ПАВ широко
используются
в
агрономии
и
сельском хозяйстве для образования эмульсий. ПАВ используются для
повышения эффективности транспортировки питательных компонентов в
растения
через
мембранные
стенки.
Пищевая промышленность. ПАВ применяется в мороженом, шоколаде,
взбитых сливках и соусах для салатов и других блюд.
Нефтедобыча. ПАВ применяются для гидрофобизации призабойной
зоны пласта (ПЗП) с целью увеличения нефтеотдачи.
Безопасность ПАВ
Только
немногие
ПАВ
считаются
безопасными
(алкилполиглюкозиды), так как продуктами их деградации являются
углеводы. Однако адсорбировавшись на поверхности частичек земли/песка
степень/скорость деградации ПАВ снижается в разы. Так как почти все
ПАВ, используемых в промышленности и домашнем хозяйстве, имеют
положительную адсорбцию на частичках земли, песка, глины, при
нормальных условиях они могут высвобождать (десорбировать) ионы
тяжелых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым
повышать риск попадания этих веществ в организм человека.
Большинство ПАВ обладают чрезвычайно широким диапазоном
отрицательного влияния как на организм человека и водные экосистемы,
так и на качество вод. Прежде всего они придают воде стойкие
специфические
стабилизировать
запахи
и
привкусы,
неприятные
а
запахи,
некоторые из
обусловленные
них
могут
другими
9
соединениями. Так, содержание в воде ПАВ в количестве 0,4-3,0 мг/дм3
придаёт ей горький привкус, а 0,2 -2,0 мг/дм3 - мыльно керосиновый запах.
Одним из основных физико-химических свойств ПАВ является
высокая пенообразующая способность, причём в сравнительно низких
концентрациях (порядка 0,1-0,5 мг/дм3). Возникновение на поверхности
воды слоя пены затрудняет тепломассообмен водоёма с атмосферой,
снижает поступление кислорода из воздуха в воду (на 15-20 %), замедляя
осаждение и разложение взвесей, процессы минерализации органических
веществ, и тем самым ухудшает процессы самоочищения. Некоторые
нерастворимые ПАВ при попадании на поверхность воды образуют
нерастворимые пленки, распространяющиеся при достаточной площади
растекания в монослои.
Источники поступления ПАВ в водную среду
Среди основных причин загрязнения водоёмов этими веществами
также часто отмечают способность ПАВ, выбрасываемых выпускающими
их предприятиями в воздух в значительных количествах, проникать с
атмосферными осадками в открытые водоёмы и просачиваться в
подземные ближние слои грунтовых вод. В грунтовые воды ПАВ
попадают также при очистке сточных вод на полях фильтрации и при этом,
как правило, увлекают за собой и другие загрязнения. Из подземных вод
ПАВ
практически
беспрепятственно
проходят
в
поверхностные
водоисточники и через очистные сооружения в питьевую воду. Кроме
того, попадая в природные воды, ПАВ сорбируются содержащимися в них
частицами минерального и органического происхождения, оседают на дно
водоёмов и тем самым создают очаги вторичного загрязнения.
10
Значительную часть антропогенной нагрузки, приходящейся на
поверхностные водные объекты, составляют сточные воды, содержащие
именно синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), которые
входят
в
состав
всех
хозяйственно-бытовых
и
большинства
промышленных сточных вод.
Одна из отличительных особенностей воздействия ПАВ на
окружающую среду состоит в том, что они способны усиливать
воздействия других загрязняющих веществ. Данный отрицательный
эффект получается за счет улучшения инфильтрации (проникновения)
загрязняющих веществ из почвы в водоемы, в которых содержаться
избыточные концентрации поверхностно-активных веществ. Также ПАВ
способны смывать с поверхности закрепившиеся загрязнители и разрушать
баланс загрязняющих веществ в окружающей среде, тормозя процесс их
естественной переработки
Предельно допустимая концентрация ПАВ в воде водоёмов
составляет 0,5 мг/дм3, неионогенных - 0,1 мг/дм3. Лимитирующим
показателем вредности СПАВ является их пенообразующая способность,
которую также необходимо учитывать при повторном использовании
очищенных сточных вод в техническом водоснабжении промышленных
предприятий.
11
ВЛИЯНИЕ ПАВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Водные растворы ПАВ поступают в стоки промышленных вод и в
конечном счете в водоемы. Из-за низкой скорости разложения ПАВ
вредные результаты их воздействия на природу и живые организмы
непредсказуемы.
Сточные
воды,
содержащие
продукты
гидролиза
полифосфатных ПАВ, могут вызвать интенсивный рост растений, что
приводит к загрязнению ранее чистых водоемов: по мере отмирания
растений начинается их гниение, а вода обедняется кислородом, что в
свою очередь ухудшает условия существования других форм жизни в воде.
95-98 % общего количества применяемых в нашей стране
детергентов
-
синтетических
промышленностью
моющих
характеризуются
средств,
вырабатываемых
низкой
биологической
разлагаемостью и в силу своей химической природы оказывают
существенное отрицательное воздействие на водные объекты.
Попадая в водоёмы, ПАВ активно участвуют в
процессах
перераспределения и трансформации других загрязняющих веществ (таких
как хлорофос, анилин, цинк, железо, бутилакрилат, канцерогенные
вещества,
пестициды,
нефтепродукты,
тяжёлые
металлы
и
др.),
активизируя их токсическое действие. С ПАВ связано 6-30 % меди, 3-12 %
свинца и 4-50 % ртути в коллоидной и растворённой форме.
Незначительной концентрации ПАВ (0,05-0,10 мг/дм3) в воде достаточно,
чтобы активизировать токсичные вещества.
ПАВ несколько тормозят распад канцерогенных веществ, угнетают
процессы биохимического потребления кислорода, аммонификации и
нитрификации.
ПАВ
также
могут
способствовать
и
повышению
эпидемиологической опасности воды, а также способствуют химическому
загрязнению воды веществами высокой биологической активности.С
12
повышением содержания взвешенных веществ и значительным контактом
водной массы с донными отложениями скорость снижения концентрации
ПАВ в воде обычно повышается. При значительном накоплении ПАВ в
донных
отложениях
в
аэробных
условиях
происходит
окисление
микрофлорой донного ила. В случае анаэробных условий ПАВ могут
накапливаться
в
донных
отложениях
и
становиться
источником
вторичного загрязнения водоема.
В поверхностных водах ПАВ находятся в растворенном и
сорбированном состоянии и в поверхностной пленке воды водного
объекта. В слабозагрязненных поверхностных водах концентрация ПАВ
колеблется обычно в пределах тысячных и сотых долей миллиграмма в 1
дм3. В зонах загрязнения водных объектов она повышается до десятых
долей миллиграмма, вблизи источников загрязнения может достигать
нескольких миллиграммов в 1 дм3.
Попадая в водоемы и водотоки, ПАВ оказывают значительное
влияние на их физико-биологическое состояние, ухудшая кислородный
режим и органолептические свойства, и сохраняются там долгое время, так
как разлагаются очень медленно. Отрицательным, с гигиенической точки
зрения,
свойством
ПАВ
является
их
высокая
пенообразующая
способность. Имеются сведения о косвенном воздействии ПАВ на
гидробионты. При концентрациях 5-15 мг/дм3рыбы теряют слизистый
покров,
при
более
высоких
концентрациях
может
наблюдаться
кровотечение жабр
Токсичность ПАВ в водной среде в значительной степени
уменьшается за счёт их способности к биодеградации. ПАВ, в той или
иной степени, поглощаются всей флорой и фауной водных объектов.
Поэтому необходимость очистки сточных вод от ПАВ очевидна.
Химическими предприятиями ежегодно выбрасывается в водоемы более
100 тыс. т ПАВ
13
Большая трудность очистки воды от ПАВ состоит в том, что
различные ПАВ в водоёмах чаще всего встречаются в виде смеси
отдельных гомологов и изомеров, каждый из которых проявляет
индивидуальные свойства при взаимодействии с водой и донными
отложениями, различен и механизм их биохимического разложения.
Исследования свойств смесей ПАВ показали, что в концентрациях,
близких к пороговым, эти вещества обладают эффектом суммирования их
вредных воздействий.
Способы очистки вод от ПАВ
Для очистки сточных вод от ПАВ применяются несколько способов
и методов. В качестве стандартных или традиционных методов очистки
сточных
вод
от
ПАВ
наиболее
эффективными
можно
назвать:
сорбционные методы, флотация и реагентная обработка.
При использовании флотации удается в некоторых случаях
достичь высокого эффекта удаления ПАВ из сточной воды. Но данный
метод не подходит для удаления некоторых типов ПАВ и требует высоких
расходов реагентов, таких как коагулянты и флокулянты.
Для реагентной обработки сточных вод с содержанием ПАВ
используют сильные окислители. Наиболее практичным получается
использование гипохлорита натрия. Минус этого метода заключается в
большом расходе реагента и увеличенным содержанием остаточного
активного хлора в очищенной воде.
Сорбционный метод можно назвать универсальным для очистки
сточных вод от любых ПАВ. Эффективность очистки стоков зависит от
типа применяемого материала. В большинстве случаев применяют
различные марки активированных углей. Но при больших концентрациях
ПАВ
использование
данного
метода
сопряжено
с
высокими
экономическими затратами на частую замену сорбента.
14
ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Оборудование и реактивы.
стаканы вместимостью 50 – 100 мл; колбы
вместимостью 50 - 100 мл; мерный цилиндр с притертой пробкой
вместимостью 100 мл; градуированная пипетка вместимостью 5- 10 мл;
пробирки;
предметное
стекло;
фильтровальная
бумага;
толуол;
подсолнечное масло; раствор ПАВ с концентрацией 0,1моль/л (например,
олеата или додецилсульфата натрия);
Опыт 1. Получение эмульсии толуола
В цилиндр с пробкой наливаю около 50 мл воды и добавляю 10 мл
толуола. Энергично взбалтываю. Даю постоять. Эмульсия не образуется —
быстро наступает расслоение жидкости. После этого добавляю 10 мл
2-процентного раствора мыла и энергично взбалтываю. Образуется
эмульсия толуола.
Опыт 2. Определение типа эмульсии
1. Каплю эмульсии и каплю воды помещаю на предметное стекло,
стекло наклоняю так, чтобы капли пришли в соприкосновение. Капли
сливаются, значит, дисперсной фазой является вода, а если бы не слились –
масло.
2. На фильтровальную бумагу наношу каплю эмульсии. Капля сразу
всасывается бумагой, на которой остается жирное пятно, значит, средой
является вода. Капли эмульсии в/м не всасываются.
15
ВЫВОД
Охрана природы - задача нашего века, проблема, ставшая
социальной. Снова и снова мы слышим об опасности, грозящей
окружающей среде, но до сих пор многие из нас считают их неприятным,
но неизбежным порождением цивилизации и полагают, что мы ещё успеем
справиться
со
всеми
выявившимися
затруднениями.
Однако воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие
масштабы.
Чтобы
в
корне
улучшить
положение,
понадобятся
целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная
политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том
случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии
среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических
факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения
вреда, наносимого Природе Человеком.
16
ЛИТЕРАТУРА:
1. «Мировой океан», В.Н. Степанов, «Знание», М. 1994 г.
2. « Большая Российская энциклопедия», М. 2006 г.
3. «Экология окружающей среды и человека», Ю.В.Новиков. 1998 г.
4. Учебник химии, О. С. Габриелян 2009 г.
5. Степановских, «Охрана окружающей среды».
17