Kazanobr.ru | Электронный научно-методический журнал | Выпуск №45

Экологический компонент в курсе школьной физики: разработка модели очистки воздуха при проведении гальванических работ

Домрачева Юлия Владимировна, учитель биологии,
Мазитова Зайтуна Абдурашидовна, учитель
МБОУ «Школа №85» Ново-Савиновского района

Экологическая физика в работе со школьниками — это интеграция знаний физики и экологии. Цели такой интеграции: сформировать понимания взаимосвязи природных процессов, влияния человеческой деятельности на окружающую среду и навыков решения экологических задач.

Проблема загрязнения воздуха является одной из наиболее острых экологических проблем современности. Особенно актуальна эта проблема для больших промышленных городов, где сосредоточены значимые производственные мощности [3, с.268]. Во многих производственных процессах, включая гальванические, в воздух рабочих помещений и в окружающую среду выделяются токсичные вещества. Следовательно, для уменьшения выбросов в окружающую среду и для безопасных условий труда разработка эффективных решений по очистке воздуха становится важной задачей [2, с.59]. Учитывая актуальность данной темы, можно предложить учащимся найти решения данной проблемы. Одним из решений может быть разработка модели установки для очистки воздуха.

Целью такого проекта является разработка и экспериментальная проверка модели системы очистки воздуха для защиты окружающей среды и здоровья человека при проведении гальванических работ на производстве. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

- анализ теоретических методов и способов очистки воздуха на гальваническом производстве;

- спроектировать схему установки очистки воздуха от вредных испарений гальванического производства;

- собрать рабочую модель;

- провести тестовые испытания;

- проанализировать полученные данные.

Методы: В работе были использованы теоретические методы анализа способов очистки воздуха на гальваническом производстве, физическое моделирование – создание модели установки и проведение опытов, а также анализ полученных результатов.

Материалы и оборудование: Вентилятор, сушилка для обуви, картонная коробка, полиэтиленовая пленка, ароматическая палочка, линейка, секундомер.

Рабочая гипотеза: система локальной вытяжной вентиляции позволит очистить воздух на гальваническом производстве.

Объектом нашего исследования является загрязнённый воздух.

Предметом исследования выступает процесс очистки воздуха с помощью созданной вентиляционной установки.

Гальваника — это общее название для методов нанесения металлических покрытий с использованием электрического тока. Это электрохимический процесс, при котором на деталь осаждается слой металла из раствора под действием тока. Наноситься могут разные металлы. Хромирование — это конкретный вид гальванической обработки, при котором на деталь наносится слой хрома [2, с.85]. Этот процесс используется для повышения износостойкости, улучшения внешнего вида и защиты от коррозии. Этот процесс сопряжён с экологическими рисками, особенно при использовании соединений шестивалентного хрома, который может накапливаться в живых организмах и наносить вред здоровью [1, с.107]. Рабочие на заводах по хромированию подвергаются риску воздействия хромированной пыли, отсюда необходима постоянная очистка воздуха. На предприятиях существуют разные методы очистки воздуха. Один из них, локальная вытяжная вентиляция.

Понимание проблемы привело нас к необходимости найти инженерное решение по моделированию системы локальной вытяжной вентиляции, которая бы эффективно улавливала вредные испарения непосредственно у источника их образования, не позволяя распространяться по помещению. Основой модели стала прочная картонная коробка, имитирующая помещение производственного цеха (Рисунок 1).

Рисунок 1. Схема установки очистки воздуха от вредных испарений гальванического производства

(1-картонная коробка, 2- керамическая подставка, 3-окно для наблюдения,

4-ароматическая палочка, 5-сушилка для обуви, 6-отверстия для выхода дыма)

Ключевыми элементами, создающими воздушный поток, стали сушилка для обуви и вентилятор, адаптированный для регулирования направления потоков. Специальным инструментом – паяльником для выжигания по дереву – мы проделали отверстия в средней части коробки, чтобы создать направленные потоки воздуха. Заводские отверстия сушилки были заклеены, чтобы весь поток воздуха шел через специально сделанные выходные рукава, расположенные на определенной высоте. Подставка для ароматических палочек и сами палочки имитируют вредные испарения. Сверху коробку закрыли прозрачной пленкой для наблюдения. В центре коробки установлена керамическая подставка, имитирующая человека, работающего в производственном помещении (Рисунок 2).

Рисунок 2. Модель установки очистки воздуха от вредных испарений гальванического производства

На подготовительном этапе была проведена проверка собранной модели на герметичность. Для этого в модели устанавливаются зажженные ароматические палочки. При выключенном вентиляторе проверялось, не выходит ли дым за пределы «цеха». Дым от ароматической палочки свободно распространялся по всему объему «цеха» за 1, 2 минуты. Керамическая фигурка полностью окутывалась дымом, т.е. загрязняющие вещества беспрепятственно достигали «рабочего».

На основном этапе при зажженных ароматических палочках включался вентилятор на разные режимы работы, и наблюдалось движение дыма.

При включении вентилятора подающийся воздух создает воздушную стену. Дым от палочки, имитирующий вредные испарения, не распространяется по всему помещению, а уходит в специально сделанные выходные рукава, расположенные на определенной высоте. Также отмечаем поведение дыма вокруг керамической фигурки (рабочего производственного помещения). Дым не доходил до фигурки.

Следующим этапом проводились замеры времени рассеивания дыма и проверка работы системы при разных скоростях вентилятора. Чем мощнее вентилятор, тем быстрее очищался воздух.

Анализ эффективности системы показал, что защитный механизм работал следующим образом:

• Вентилятор создавал направленный воздушный поток

• Создавалась искусственная преграда для распространения дыма

• Загрязняющие вещества направлялись в выходные рукава,

• «Зона дыхания» фигурки оставалась чистой

• Работа вытяжной системы напрямую зависит от скорости вращения вентилятора. Чем она выше, тем быстрее очищается воздух.

• При проектировании и эксплуатации вытяжной системы важно подбирать скорость вентилятора с учётом характеристик помещения, количества людей, типа загрязнений и других факторов

Проведенные испытания показали, что разработанная модель эффективно защищает «рабочего» от вредных испарений:

- дым не достигает зоны расположения фигурки,

- создается надёжная воздушная преграда,

- обеспечивается безопасная рабочая зона.

Это подтверждает правильность выбранного инженерного решения и

возможность его применения для защиты рабочих от вредных производственных факторов. Рабочая гипотеза подтвердилась: система локальной вытяжной вентиляции позволит очистить воздух на гальваническом производстве. Предлагаемая модель очистки воздуха не отменяет другие способы очистки Главное достоинство этой разработки в том, что она показывает, как можно увести вредные испарения из зоны дыхания человека в небольших цехах. Воздух с загрязнениями не вдыхается, а направляется вниз, и затем его можно эффективно вывести из помещения. В реальных условиях такие трубы-рукава располагались бы по всему периметру, чтобы максимально эффективно собирать и удалять вредные вещества. Эта модель показывает, как можно применять научные знания и инженерные принципы для решения экологических проблем. Рабочие в цехах по хромированию будут менее подвержены риску воздействия хромовой пыли.

Однако такое решение снижает концентрацию вредных веществ только в помещении, а вентиляционные и технологические выбросы попадают, к сожалению, в атмосферу. Перспективой данной работы является создание установки полной очистки и фильтрации воздуха. Она может быть связана с разработкой комплексной системы, которая будет эффективно удалять различные виды примесей из воздушного потока. Такая система может включать несколько этапов обработки, использование комбинированных методов очистки и современных технологий. Например, интересен биохимический метод, при котором выделяется культура бактерий, способная восстанавливать ионы хрома VI до хрома III, снижая их токсичность [4].

Таким образом, решение экологических проблем хромирования требует комплексного подхода, включающего разработку безопасных технологий, контроль, за соблюдением норм и переход на альтернативные методы защиты окружающей среды.

Список литературы:

1. Зельдин А.А. Практика хромирования / А. Зельдин; Ред. В. М. Матюшин. - Москва; Ленинград: ОНТИ НКТП СССР. Гл. ред. лит. по чер. металлургии, 1935. - 135 с.

2. Погожева Н.В. Промышленная экология: Учебное пособие. - Калининград: КГТУ, 2003 – 93 с.

3. Энциклопедия для детей. Том 19. Экология / Глав ред. В. Володин.- М.: Аванта+, 2004. - 448 с.

4. Экологические и ресурсосберегающие аспекты хромирования

(Электронный ресурс). https://cyberleninka.ru/article/n/ekologicheskie-i-resursosberegayuschie-aspekty-hromirovaniya?ysclid=mop894l9d87015752 (дата обращения: 20.04.26)