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.
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.
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.
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
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 «поверхностно-активные 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 гидрофильных групп ПАВ делят на ионные, или ионогенные, и неионные, или неионогенные. 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.
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.
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 запахи и привкусы, а некоторые из них могут стабилизировать неприятные запахи, обусловленные другими 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.
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.
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 моющих средств, вырабатываемых промышленностью характеризуются 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 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. В зонах загрязнения водных объектов она повышается до десятых долей миллиграмма, вблизи источников загрязнения может достигать нескольких миллиграммов в 1.
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
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.
ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Оборудование и реактивы.
стаканы вместимостью 50 – 100 мл; колбы
вместимостью 50 - 100 мл; мерный цилиндр с притертой пробкой вмести-
мостью 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.
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.
ЛИТЕРАТУРА:
1. «Мировой океан», , «Знание», М. 1994 г.
2. « Большая Российская энциклопедия», М. 2006 г.
3. «Экология окружающей среды и человека», . 1998 г.
4. Учебник химии, 2009 г.
5. Степановских, «Охрана окружающей среды».
