X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

В процессе своей жизнедеятельности человек потребляет большое количество продуктов и в результате этого потребления образуется соразмерное количество отходов. Большинство этих отходов являются твердыми. Самыми распространенными являются пластик, картон, полиэтилен и резина.

На текущий момент, в нашей стране, ввиду неразвитого экологического сознания населения подавляющее число данных отходов не сортируется и, как следствие, не утилизируется должным образом, а попросту выбрасывается общей массой в места санкционированного сбора мусора, которые присутствую в подавляющем большинстве дворовых территорий. И к большому сожалению реалии таковы, что довольно-таки часто наблюдается ситуация, при которой ответственные за вывоз мусора со дворов, лица делают это несвоевременно. Вследствие этого накапливаются большие массы ТБО и возникает опасность их возгорания.

Принимая во внимание все выше сказанное, следует рассматривать данную проблему наряду с другими экологическими проблемами, наблюдаемыми в городской среде.

Цель работы: отследить динамику выбросов газообразных выбросов при горении основных бытовых отходов.

Объекты исследования: городские дворовые территории.

Предмет исследования: динамика выбросов при горении основных видов твердых бытовых отходов.

Задачи исследования:

1. Теоретически обосновать выявленную проблему;

2. Сделать описание объекта и методов исследования;

3. Выполнить эксперимент, проанализировать результаты;

4. Сформулировать выводы на основании результатов исследования.

Методы исследования:

1. Сбор теоретической информации по исследованию;

2. Сбор проб путем проведения серии модельных экспериментов по горению рассматриваемых отходов;

3. Обработка полученных данных;

4. Обобщение обработанного материала. Формулирование выводов.

Значение работы: материалы, полученные в ходе выполнения данной курсовой работы в дальнейшем могут быть применены в написании дипломной работы.

Глава 1 Газообразные продукты горения отходов как экологическая проблема 1.1 Коммунальные отходы и проблемы их накопления

Твердые бытовые отходы - (ТБО, бытовой мусор) — Бытовые отходы – отходы, образующиеся в результате жизнедеятельности людей и удаляемые ими как нежелательные или бесполезные.

К твердым бытовым отходам относят картон, газетную, упаковочную или потребительскую бумагу, всевозможную тару (деревянная, стеклянная, металлическая), вышедшие из употребления или утратившие потребительские свойства предметы и изделия из дерева, металла, кожи, стекла, пластмассы, текстиля и других материалов, сломанные или устаревшие бытовые приборы – мусор, а также сельскохозяйственные и коммунальные пищевые отходы – отбросы.[1]

Объемы образования ТБО в России.

В субъектах Российской Федерации, общая масса образовавшихся отходов составляет – около 60 млн.тонн. И только 4% ценного сырья которое можно получить их этой массы идет на переработку. Той же части мусора, которая осталась лежит путь на места его складирования, то есть на свалки, на которых на текущий момент скопилось 80 млрд тонн. Наиболее часто в составе ТБО наблюдаются: пищевые отходы; бумага; текстиль; полимеры; резина; стекло; черные и цветные металлы.

В более или менее больших городах Российской федерации на одного жителя, в среднем каждый год приходится около 500 кг ТБО.

Бумага и картон составляют наиболее значительную часть ТБО. Вторая по величине категория - это органические, в т.ч. пищевые, отходы; металл, стекло и пластик составляют по 7-9% от общего количества отходов.

Примерно по 4% приходится на дерево, текстиль, резину и т.д. [2]

Таблица 1 «Классы опасности бытового мусора [3,1]

Класс	Описание
I класс	Вещества, способные принести непоправимый вред экологии. Сюда входят бытовые отходы, в составе которых имеется ртуть. Это люминесцентные и энергосберегающие лампы, батарейки, термометры.
II класс	твердые бытовые отходы, которые сильно нарушают состояние экологической системы. Восстановление естественного баланса окружающей среды возможно лишь после того, как источник заражения будет удален. К этому классу относятся аккумуляторы, в которых содержится электролит, машинное масло.
III класс	представляет меньшую угрозу, однако для нейтрализации тех последствий, которые возникают в окружающей среде по его вине, понадобится не менее 10 лет. Твердые бытовые отходы, класс опасности которых отмечается этой цифрой, появляются во время ремонта. Это остатки цементного раствора, краски, ацетон, металлические предметы
IV класс	характеризуется минимальным вредным воздействием на экологию. Он содержит много ценного сырья, которое можно неоднократно перерабатывать. Это древесина, макулатура, автомобильные покрышки, пластик.
V класс	вещества, которые абсолютно безвредны. Осколки керамической плитки и посуды, обломки кирпича, пищевые отходы, древесная стружка

1.2 Горение коммунальных отходов, характеристика продуктов горения

Горение — физико-химический процесс окисления, в течение которого изменение вещества сопровождается выделением энергии, тепло- и массообменом с окружающей средой. Отличие от взрыва и детонации заключается в том, что оно протекает с более низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. В основе горения лежит химическая реакция, которая способна протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла (тепловое горение) или промежуточных продуктов (цепное горение). наиболее распространено тепловое горение; цепное горение в чистом виде встречается сравнительно редко, главным образом в случае некоторых газофазных реакций при низких давлениях [4, 1]

При горении веществ и материалов происходят процессы термоокислительной деструкции и пиролиза. В результате этих процессов могут выделяться различные химические вещества, которые способны оказывать негативное воздействие не только на окружающую среду, но и на здоровье человека. При оценке экологического риска, обусловленного термическим разложением отходов производства, необходимо иметь данные о составе газовой смеси, образующейся при горении, что позволит получить информацию о том, какие газы поступают в атмосферу, а полученные одновременно данные о токсичности этой смеси дадут возможность оценить их комбинированное токсическое воздействие на живые организмы [5,24]

Токсичность - способность какого-либо элемента вызывать нарушение физиологических функций организма, в результате чего возникают симптомы интоксикаций (заболевания), а при тяжелых поражениях-его гибель.

1.3 Состав газовой смеси при горении

В состав газовой смеси при горении ТБО входит угарный газ, углекислый, синильная кислота, бромоводород, Фтороводород, Диоксид азота, оксид Азота, Аммиак, Диоксид серы, акролеин и формальдегид, сероводород именно эти газы в соответствии с положениями, представленными в международном стандарте, являются наиболее значимыми при воздействии продуктов горения на живые организмы.

Влияние газообразных продуктов горения бытового мусора на организм человека и окружающую среду

1.3.1 Аммиак.

Аммиак (лат. Ammonia) - NH3, нитрид водорода, при нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, очень ядовит. Растворимость NH3 в воде чрезвычайно велика — около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды.

По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Аммиак обладает как местным, так и резорбтивным действием.

Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Вызывая при этом:

обильное слезотечение

Насморк

резь в глазах

затрудненное дыхание, удушье приступы кашля

химический ожог конъюктивы и роговицы потеря зрения

учащение сердцебиения

нарушение частоты пульса

покраснение и зуд кожи

При соприкосновении сжиженного аммиака и его растворов с кожей возникает жжение, возможен химический ожог с пузырями, изъязвлениями. Кроме того, сжиженный аммиак при испарении охлаждается, и при соприкосновении с кожей возникает обморожение различной степени. Запах аммиака ощущается при концентрации 37 мг/м3.

Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны производственного помещения составляет 20 мг/м3. Следовательно, если чувствуется запах аммиака, то работать без средств защиты уже опасно.

Раздражение зева проявляется при содержании аммиака в воздухе 280 мг/м3, глаз – 490 мг/м3.

При действии в очень высоких концентрациях аммиак вызывает поражение кожи: 7–14 г/м3 – эритематозный, 21 г/м3 и более – буллёзный дерматит.

Токсический отёк лёгких развивается при воздействии аммиака в течение часа с концентрацией 1,5 г/м3. Кратковременное воздействие аммиака в концентрации 3,5 г/м3 и более быстро приводит к развитию общетоксических эффектов [5, 112]

1.3.2 Угарный газ

Угарный газ (СО) - один из наиболее токсичных компонентов продуктов горения, который входит в состав дыма, и выделяется при тлении и горении почти всех горючих веществ и материалов.

Отравление от вдыхания угарного газа все еще часто становится причиной смерти. Механизм воздействия угарного газа на человека состоит в том, что он, попадая в кровь, связывает клетки гемоглобина. Тогда гемоглобин теряет способность переносить кислород. И чем дольше человек дышит угарным газом, тем меньше в его крови остаётся работоспособного гемоглобина, и тем меньше кислорода получает организм. Человек начинает задыхаться, появляется головная боль, путается сознание. И если вовремя не выйти на свежий воздух (или не вынести на свежий воздух уже потерявшего сознание), то не исключен летальный исход. В случае отравления угарным газом требуется достаточно долгое время, чтобы клетки гемоглобина сумели полностью очиститься от угарного газа. Чем выше концентрация СО в воздухе, тем быстрее создается опасная для жизни концентрация карбоксигемоглобина в крови. Например, если концентрация угарного газа в воздухе составляет 0,02-0,03 %, то за 5-6 часов вдыхания такого воздуха создастся концентрация карбоксигемоглобина 25-30%, если же концентрация СО в воздухе будет 0,3-0,5 %, то смертельное содержание карбоксигемоглобина на уровне 65-75% будет достигнуто уже через 20-30 минут пребывания человека в такой среде.[5, 2]

1.3.3 Углекислый газ.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,04 %. Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучи видимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Углекислый газ нетоксичен, но по воздействию его повышенных концентраций в воздухе на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам. Незначительные повышения концентрации до 2—4 % в помещениях приводят к развитию у людей сонливости и слабости. Опасными концентрациями считаются уровни около 7—10 %, при которых развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и в потере сознания (симптомы, сходные с симптомами высотной болезни), в зависимости от концентрации, в течение времени от нескольких минут до одного часа. При вдыхании воздуха с высокими концентрациями газа смерть наступает очень быстро от удушья.

Хотя, фактически, даже концентрация 5—7 % CO2 несмертельна, уже при концентрации 0,1 % (такое содержание углекислого газа наблюдается в воздухе мегаполисов) люди начинают чувствовать слабость, сонливость. Это показывает, что даже при высоких содержаниях кислорода большая концентрация CO2 сильно влияет на самочувствие.

Вдыхание воздуха с повышенной концентрацией этого газа не приводит к долговременным расстройствам здоровья и после удаления пострадавшего из загазованной атмосферы быстро наступает полное восстановление здоровья[6,1].

Глава 2. Объект и методика исследования 2.1 характеристика отходов как объектов исследования

В данной работе будут рассматриваться такие виды отходов как гофрокартон, полиэтиленовая пленка, пластмасса и резина.

Выбор был сделан на основании того, что данные отходы составляют большую часть массы всех твердых бытовых отходов и наиболее подвержены горению. В связи с этим необходимо охарактеризовать каждый из данных материалов.

Гофрокартон

Один из самых распространенных упаковочных материалов в мире, его уникальность заключается в том, что при его дешевизне он обладает одновременно и малым весом, и высокими физическими параметрами. Так же преимуществом данного вида материала является возможность использования сырья полученного при переработке макулатуры, что позволяет охарактеризовать его как экономичный и экологичный. При горении данного материала в атмосферу выбрасывается Углекислый газ, Угарный газ, аммиак, бензопирен, оксиды серы и множество других веществ оказывающих негативное влияние на окружающую среду и живые организмы.

Технология производства гофрокартона

Гофрокартон может состоять из двух, трех, пяти и семи слоев. Существует несколько марок (марка зависит от плотности сырья и высоты гофров) гофрокартона: Е (1.1 — 1.6 мм), В (2.2 — 3.2 мм), С (3.2 — 4.4мм) и А (4.4 — 5.5мм).

В производстве данного материала применяется специализированная бумага, плотностью от 100 до 140 г/м², плоскослойный картон имеющий плотность от 150 до 235 г/м² бурого или белого цвета, и клей, который может быть крахмальным или силикатным(Na₂O(SiO₂)).

Процесс изготовления гофрокартона не сложен. Но, несмотря на это он должен иметь соответствие с рядом определенных требований.

Непосредственно перед началом производства бумаге для гофрирования, и картону для плоских слоев, скрученным в рулоны необходимо сутки находиться в помещении, в котором воздух должен быть прогрет не менее чем до 17°С. Все это время происходит процесс кондиционирования.

Далее рулоны крепятся на раскате, разогреваются на разогревающих цилиндрах и увлажняются на промежуточных валиках. Благодаря этому этапу клей проникает более глубоко и, соответственно обеспечивает более надежное склеивание бумаги.

Затем бумага гофрируется путем загрузки в гофрирующий пресс, который представляет собой зубчатые гофрирующие валы, нагретые до температуры 140-170 градусов. После этого этапа бумага становится волнистой. От параметров настройки зубьев зависит размер гофров.

Следующим этапом является нанесение клея на гофрированную бумагу, для чего она подается в клеенаносящую машину.

После нанесения клея слой гофры склеивается с картоном при помощи прижимного вала. Далее полученный материал подается в сушильное устройство.

Производство гофрокартона состоящего из двух слоев на этом заканчивается.

Резина

Производится путем вулканизации каучука. Очень эластична.

Так как каучук по своей природе очень гибок он непригоден для грубого использования. Поэтому чтобы изменить физические свойства материала, а именно твердость и эластичность, необходимо изменить его кристаллическую решетку. Это достигается путем вулканизации.

Этапы вулканизации:

Изменение кристаллической решетки;

Индукция;

Реверсия.

Во время вулканизации в каучук могут добавляться следующие

мел;

сажа;

ацетилированный ланолин;

мел;

глицерин.

Это зависит от назначения конечного продукта.

При горении резины в атмосферу поступают Углекислый газ, угарный газ, аммиак, бензопирен, сероводород и так далее.

Пластмассы

Органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры).

Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа, таких, к примеру, как бензол, этилен, фенол, ацетилен и других мономеров. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул.

Литьё/литьё под давлением

Экструзия

Прессование

Виброформование

Вспенивание

Отливка

Сварка

Вакуумная формовка и пр.

Механическая обработка

Пластические массы, по сравнению с металлами, обладают повышенной упругой деформацией, вследствие чего при обработке пластмасс применяют более высокие давления, чем при обработке металлов. Применять какую-либо смазку, как правило, не рекомендуют; только в некоторых случаях при окончательной обработке, допускают применение минерального масла. Охлаждать изделие и инструмент следует струей воздуха.

Пластические массы более хрупки, чем металлы, поэтому при обработке пластмасс режущими инструментами надо применить высокие скорости резания и уменьшать подачу. Износ инструмента при обработке пластмасс значительно больше, чем при обработке металлов, почему необходимо применять инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей стали, или же из твердых сплавов. Лезвия режущих инструментов надо затачивать, по возможности, более остро, пользуясь для этого мелкозернистыми кругами

При горении пластмасс в окружающее пространство выбрасывается Углекислый газ, Угарный газ, Аммиак и другое.

2.2 Методика эксперимента

Исходя из того, что в выбросах при горении различных видов ТБО фиксируются одинаковые вещества, нужно определить, какое количество каждого из веществ, присутствует в продуктах горения. Дабы оценить, какой вид отходов оказывает наиболее негативное воздействие. Так же в силу того, что рассматриваемые виды отходов преобладают в массе всех ТБО, а как уже было сказано ранее эти массы довольно таки часто располагаются в непосредственной близости с местами проживания людей, необходимо определить на каком расстоянии рассеиваются вредные вещества и как на это влияет скорость ветра.

Все это возможно выполнить, проведя серию модельных экспериментов по горению различных ТБО и замером содержащихся в дыме веществ на разном расстоянии и при различной скорости ветра.

2.3 Ход эксперимента:

Берется одинаковое количество(в частности 500 грамм) различных отходов, кладется в емкость для сжигания и поджигается. Далее после появления дыма в зону его распространения помещается прибор-газоанализатор и в течении 60 секунд делается комплексный замер выбрасываемых в атмосферу веществ. Все это проделывается несколько раз, на разном расстоянии и при разной скорости ветра.

Условия, которые наблюдались при проведении экспериментов в рамках данной курсовой работы, приведены в таблице №1.

Таблица №1 «Условия проведения экспериментов»

№ Эксперимента	Материал	Расстояние, м	Скорость ветра, м/с	Направление ветра
1	Картон	1	2	СЗ
2	Картон	2	2	СЗ
3	Картон	5	2	СЗ
4	Пластик	1	2	СЗ
5	Пластик	2	2	СЗ
6	Пластик	5	2	СЗ
7	Полиэтиленовая пленка	1	2	СЗ
8	Полиэтиленовая пленка	2	2	СЗ
9	Полиэтиленовая пленка	5	2	СЗ
10	Резина	1	2	СЗ
11	Резина	2	2	СЗ
12	Резина	5	2	СЗ
13	Картон	1	4	ЮЗ
14	Картон	2	4	ЮЗ
15	Картон	5	4	ЮЗ
16	Пластик	1	4	ЮЗ
17	Пластик	2	4	ЮЗ
18	Пластик	5	4	ЮЗ
19	Полиэтиленовая пленка	1	4	ЮЗ
20	Полиэтиленовая пленка	2	4	ЮЗ
21	Полиэтиленовая пленка	5	4	ЮЗ
22	Резина	1	4	ЮЗ
23	Резина	2	4	ЮЗ
24	Резина	5	4	ЮЗ

Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение

Для наглядности и как следствие, более простого восприятия информации о результатах эксперимента, она приведена в графиках. Во всех направление распространения веществ зависит от направления ветра.

1.  
   Динамика выделения углекислого газа

На данном графике (рисунок 1) видно, что наибольшее количество углекислого газа в выбросах наблюдается при горении резины, а так же что оно сокращается по мере увеличения расстояния, а на расстоянии 5 метров рассеивается полностью. Аналогичное явление наблюдается и про горении других отходов. Все продукты горения полностью рассеиваются на расстоянии 5 метров.

Рис. 1 Зависимость количества углекислого газа в продуктах горения различных видов ТБО от расстояния 2 м/с

Рис. 2 «Зависимость количества углекислого газа при горении различных ТБО от расстояния при скорости ветра 4 м/с»

На графике (рисунок 2) наглядно показано, что наибольшее количество двуокиси углерода при скорости 4 м/с фиксируется при горении пластика, а также видно что с расстоянием оно уменьшается более стремительно нежели на графике №1.

1.  
   Количество угарного газа, выделяемого при горении различных

видов отходов

График №3 «Зависимость количества гарного газа в продуктах горения различных видов ТБО от расстояния при скорости ветра 2 м/с»

В приведенном графике видно, что более всего угарного газа выделяется при горении гофрокартона и пластика, кроме того можно заметить, что с расстоянием этот показатель снижается более плавно нежели количество углекислого газа при прочих равных и в некоторых случаях не рассеивается полностью на расстоянии 5 м.

График №4 «Зависимость количества угарного газа в продуктах горения разных видов ТБО от расстояния при скорости ветра 4 м/с

Глядя на этот график можно увидеть, что ситуация резко меняется и количество монооксида углерода падает быстрее чем при 2 м/с, а на расстоянии 5м рассеивается полностью.

3.3. Выделение аммиака

График №5 «Зависимость количества аммиака в продуктах горения разных видов ТБО от расстояния при скорости ветра 2 м/с»

В данном случае наблюдается то, что при горении резины количество аммиака значительно выше чем при горении других видов отходов. Однако на расстоянии 5 м аммиак так же, как и в других случаях полностью рассеивается.

График №6 «Зависимость количества аммиака в продуктах горения разных видов ТБО от расстояния при скорости ветра 4 м/с»

На графике выше можно увидеть, что содержание аммиака в выбросах почти не поменялось от скорости ветра, однако рассеивание усилилось.

Заключение

В заключении можно отметить что количество выбросов при горении различных видов отходов для массы взятых образцов достаточно высокое. Принимая во внимание то, что количество мусора на дворовых значительно больше чем рассмотрено в модельных экспериментах, и малую площадь дворовых территорий стоит сказать, что количество выбрасываемых веществ будет значительно больше и соответственно будет повышаться концентрация будет повышаться. И соответственно опасность для людей будет повышаться. Во избежание последствий возгорания, рассматриваемых в курсовой, материалов необходимо на уровне потребителей – сортировать твердые бытовые отходы по категориям, а на уровне администрации – обеспечить должный контроль вывоза отходов с территории дворов.

Список источников

Боровский Е.Э. Интернет журнал «Химия» http://him.1september.ru/ (дата обращения 21.12.2017)

ДЕМЕЛЬХАНОВ М.Д., ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ сборник статей XV Международной научно-практической конференции. Под общей редакцией Селезнева В.А., Лушкина И.А. . 2015 Издательство: Пензенский государственный аграрный университет (Пенза) c. 35

Глобус 24. http://globuss24.ru/doc/urok-dlya-8-11-klassov-po-teme-tviordie-bitovie-othodi-ih-osobennosti-i-problemi-utilizatsii

Студопедия https://studopedia.ru/4_15797_lektsiya-toksichnost.html (Дата обращения 21.12.2017)

Библиофонд. https://bibliofond.ru/view.aspx?id=653152#1 (дата обращения 21.12.2017)

Википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BE%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%B4_%D1%83%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B0 (дата обращения 21.12.2017)

Код для цитирования: Скопировать