В настоящее время для обработки астрономических изображений необходим источник оптического излучения с постоянной интенсивностью в широком диапазоне длин волн. Все источники оптического излучения, дающие непрерывный спектр, имеют низкую эффективность в коротковолновой части спектра. Для решения этой проблемы астрономы используют два метода: первый метод заключается в использовании синего фильтра при съемке спектра источника непрерывного излучения - лампы накаливания, а второй метод предполагает создание нового источника излучения, состоящего из лампы накаливания и необходимых светодиодов, имеющих непрерывный спектр, которые повышают эффективность в синей и ультрафиолетовой частях спектра. В настоящей работе описан источник оптического излучения с постоянной интенсивностью в широком диапазоне длин волн, состоящий из лампы накаливания и светодиодов, разработанный для Коуровской АО УрФУ.

Абстракт

Целью нашей проектной деятельности являлось моделирование и создание регулируемого источника оптического излучения с постоянной интенсивностью в широком диапазоне длин волн.

Для решения задачи использованы спектрограф низкого разрешения, газоразрядная лампа линейчатого спектра и источник непрерывного спектра на основе галогенной лампы и светодиодов. Для отождествления линий газоразрядной лампы использовался спектр Солнца, полученный при той же конфигурации прибора. Составленный нами атлас линий газоразрядной лампы позволил построить дисперсионную функцию и измерить параметры спектрографа. В ходе работы мы также наблюдали линии излучения в спектрах нагретых солей натрия, калия и кальция. Были получены спектры для 12 светодиодов разных типов. Эти данные были использованы при моделировании суммарного спектра лампы и светодиодов.

Тестирование источника непрерывного спектра на основе галогенной лампы и светодиодов показало, что он позволяет получить требуемые характеристики.

Введение

Для учета и исправления виньетирования в оптической системе прибора и попиксельных вариаций чувствительности ПЗС-приемника используется процедура деления на плоское поле - полученное изображение спектра объекта делится на изображение непрерывного спектра. Стандартные источники оптического излучения, имеющие непрерывный спектр — галогенные лампы накаливания — имеют низкую интенсивность излучения в синем и ультрафиолетовом диапазоне. Их использование для получения плоского поля приводит к резкому снижению отношения сигнал-шум для коротковолновой части спектра. Для выравнивания интенсивности в оптическом диапазоне лампы накаливания можно использовать корректирующие фильтры, но этот метод имеет ряд недостатков: фильтры не повышают интенсивность в синей части, что требует применения более мощных ламп; нередко стеклянные фильтры изготавливаются из материала, непрозрачного в ближнем ультрафиолете 3800 – 4000А. Наилучшим выходом из этой ситуации является добавление к лампе накаливания источников непрерывного излучения, имеющих максимумы интенсивности в синей и ближней ультрафиолетовой частях спектра. Такими источниками могут быть светодиоды на основе нитрида индия-галлия и других соединений.

В нашей работе мы описываем источник оптического излучения с постоянной интенсивностью в широком диапазоне длин волн, созданный для оптоволоконного спектрографа высокого разрешения Коуровской АО УрФУ [1], на основе сочетания лампы накаливания, светоизлучающих диодов и корректирующего фильтра.

Конструкция источника оптического излучения с постоянной интенсивностью в широком диапазоне длин волн

В цилиндрическом алюминиевом корпусе установлены галогенная лампа и 12 светодиодов, в верхней части корпуса расположена плата контроллера светодиодов и вентилятор системы охлаждения (Рис. 1). Свет от всех источников многократно переотражается от полированных внутренних стенок корпуса. В выходной порт установлено матовое стекло и корректирующий фильтр Hoya 80A [2]. Яркость светодиодов регулируется методом широтно-импульсной модуляции. Частота модуляции — 100Гц. Для связи с персональным компьютером используется интерфейс RS485. Система команд позволяет изменять яркость каждого светодиода линейно от 0 до 100 условных единиц, включать/выключать галогенную лампу и все устройство в целом, данные о яркости сохраняются в энергонезависимой памяти контроллера.

Экспериментальная установка

Для измерения параметров источника излучения использовалась экспериментальная установка, состоящая из призменного спектрографа низкого разрешения (Рис. 2) и ПЗС-камеры Allied Vision Prosilica GT1380 [3]. Установка обладает следующими характеристиками: рабочий диапазон от 3800 до 7000А; среднее значение дисперсии – 2.4 А/пиксель; спектральное разрешение на длине волны 5900А R=500. Высокое пропускание в ультрафиолетовой части (3800-4000 А) достигается за счет призм, изготовленных из стекла NBAK-4 [4]. Для калибровки спектров по длине волны использовалась газоразрядная лампа Ne-2 с Ne-Ar наполнением.

Выбор светоизлучающих диодов и тестирование источника излучения

Для начала мы получили спектры 12 различных светодиодов, затем, подбирая их относительную светимость, выбрали из диодов те, которые понадобились нам при моделировании суммарного спектра плоского поля на языке программирования Python. Моделирование заключалось в сложении спектров галогенной лампы с корректирующим фильтром Hoya 80A и следующих светодиодов: LED 365nm, LED 390nm, LED 430nm, LED 660nm. Отклонение интенсивности в модельном спектре (Рис. 3) от среднего значения не превышает 20 % в требуемом диапазоне 3800-7000А.

Используя выбранные светодиоды, мы получили реальный суммарный спектр (Рис. 4). Измерения показали, что интенсивности используемых светодиодов недостаточно для достижения модельного спектра. Для этого необходимо увеличивать количество диодов L53MBC (430nm), 390nm, 365nm. Конструкция прибора позволяет легко это сделать.

Заключение

Результатом нашей проектной деятельности является источник оптического излучения, имеющий значительное повышение интенсивности в коротковолновом диапазоне относительно интенсивности в спектре галогенной лампы накаливания с корректирующим фильтром. Нам не удалось достичь необходимой интенсивности излучения в синей части спектра, используя имевшиеся у нас светодиоды. Увеличение их количества позволит решить эту проблему. Изменения конструкции прибора для этого не потребуется.

Списоклитературы

1. Krushinsky, V. V.; Popov, A. A.; Punanova, A. FUpgrade of the fiber-fed spectrograph of the Kourovka Astronomical Observatory 1990-3413 ASTROPHYSICAL BULLETIN Россия 69 2014 год 4.

2. http://www.hoyaoptics.com/color_filter/ir_transmitting.htm

3. https://www.alliedvision.com/en/products/cameras/detail/Prosilica%20GC/1380.html

4. http://www.schott.com/advanced_optics/english/abbe_datasheets/schott-datasheet-n-bak4.pdf

В статье описывается исследование эффективности использования минерала шунгита как сорбента и катализатора нейтрализации проливов ядовитого ракетного топлива на основе «гептила» в формате экспериментального моделирования процесса заражения и последующего обеззараживания почвы в условиях химической лаборатории.

Введение

«Гептил» – 1,1-диметилгидразин, несимметричный диметилгидразин (НДМГ) является органическим производным гидразина H2N–NH2, которое образуется в результате замещения в молекуле гидразина атомов водорода на метильные радикалы –СН3 (рисунок 1) [1].

Рисунок 1. Модель молекулы и структурная формула НДМГ

«Гептил» – на сегодняшний день лучшее в мире ракетное топливо, с помощью которого на орбиту выводят космические корабли с "дешевой" себестоимостью пусков. Через некоторое время от ракетоносителя отделяется первая ступень и падает на землю. Поскольку топливо наливают с запасом, оно сгорает не полностью и после падения выливается до 1,5 тонн ядовитой жидкости [2]. «Гептил» – токсичное вещество I класса опасности обладает способностью кумулироваться в окружающей среде [3].

Северные ракетные площадки нашей страны расположены в арктической и субарктической климатических зонах, что определяет их труднодоступность и очень слабую способность к самоочищению. Загрязнение локализуется в радиусе 60-100 м от мест падения. Исследование загрязненных компонентами ракетного топлива зон показало, что уменьшение концентрации «гептила» в почве до уровня ПДК составляет более чем 20 лет. На полигоне "Плесецк" зафиксированы максимальные концентрации «гептила» в грунте 268,4 мг/кг (2 684 ПДК). При каждом новом запуске ракеты типа «Протон» ядовитый «гептил» продолжает наносить огромный вред природе и здоровью людей [4].

Существующие методы нейтрализации «гептила» дорогостоящи и малоэффективны для труднодоступных зараженных территорий Алтая, Якутии и Печорского края.

Основная часть

Чтобы предотвратить вытекание «гептила» и заражение почвы нужно использовать вещество, способное одновременно и сорбировать «гептил», и разлагать его на безопасные продукты. Цель данной работы – исследование эффективности использования минерала шунгита как сорбента и катализатора нейтрализации «гептила».

Шунгит – древняя горная порода, почти на 30% состоящая из особой аллотропной формы углерода – фуллерена C60 (рисунок 2).

Рисунок 2. Фуллерен С60: структура и внешнее включение.

Учёные объясняют уникальные свойства шунгита его необычной структурой, её основой являются многослойные фуллереновые глобулы размером около 10 нм, образующие в породе матрицу, в которой равномерно распределены дисперсные алюмосиликаты со средним размером около 1 мкм. Такая, практически наноразмерная, структура очень активна в окислительно-восстановительных реакциях, обладает сорбционными и каталитическими свойствами [5]. Оказавшись на поверхности шунгита, «гептил» разлагается на составляющие – его молекула как будто рвется на части, и из них, как из элементов конструктора, образуются практически безвредные вещества: метан, азот и вода, при недостатке шунгита добавляются ди- и триметиламины, их токсичность всё же в десять раз меньше, чем у «гептила» [6].

В рамках исследования была смоделирована и экспериментально апробирована методика процесса нейтрализации в почве пролива ракетного топлива на основе «гептила» с применением шунгита. Технология моделирования состояла из двух этапов: качественного и количественного анализов.

На этапе качественного анализа прорастили экспериментальный посев гороха PisumsativumL в почве одного типа и одинаковой массы. Затем осуществили единовременный полив 1-ой и 2-ой серии ростков раствором «гептила» одинаковой концентрации, одинакового объема. Во 2-ой серии почву сразу обработали одинаковым избыточным количеством шунгита, 1-ю серию оставили необработанной. В течение 2-х недель единовременно поливали все ростки одинаковым объемом воды и наблюдали за ростом гороха. Экспериментальный посев хранился в одинаковых условиях. Состояние ростков фотографировали в начале эксперимента, через неделю и через две недели. Наблюдения за развитием ростков гороха в течение 14 дней показали, что ростки гороха 1-ой серии (без шунгита) заметно отстают в росте и развитии зеленой массы от ростков гороха 2-ой серии (обработанной шунгитом). Через 3 дня взяли пробы почвы каждой серии; усреднили пробы в пределах серии (смешали в одну пробу образцы данной серии) для количественного определения «гептила» в почвах.

На этапе количественного анализа была проведена водная экстракция «гептила» из почвенной пробы, содержание «гептила» в экстракте определялось спектрофотометрическим методом.

Ввиду отсутствия в структуре «гептила» хромофорных групп, он не поглощает в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, что делает невозможным его прямое определение, поэтому была проведена предварительная дериватизация – процесс введения хромофорных групп в молекулу «гептила». В результате получили гидразон – соединение с похожей химической структурой, нос отличающейся от исходного вещества способностью к светопоглощению [7]. В данном исследовании в качестве дериватизирующего агента был взят коричный альдегид OHC–CH = CH – C6H5.

В продукте реакции – гидразоне коричного альдегида (рисунок 3)

                       (СH3)2N–NH2 + OHC–CH = CH – C6H5 =

                                   = (СH3)2N–N=HC–CH = CH – C6H5 + H2O

присутствует хромофорная группа: сопряжение ароматического цикла – C6H5 и азометиновой группы –N=HC–.

Рисунок 3. Раствор гидразона коричного альдегида (внешний вид продукта)

Воздушно-сухую навеску почвы 1-ой серии (зараженную «гептилом»), так называемую пробу 1, массой 50 г поместили в коническую колбу объемом 250 мл, добавили 50 мл дистиллированной воды, закрыли пробкой и интенсивно перемешивали в течение 20 минут. После отстаивания осторожно, не взбалтывая, отфильтровывали через бумажный фильтр 50 мл экстракта [6]. Фильтрат разбавили в 10 раз дистиллированной водой, чтобы снизить концентрацию «гептила» до нужного соотношения с коричным альдегидом (1:800) в последующей реакции образования гидразона. Добавили 5 мл рабочего раствора коричного альдегида. Установили кислотность среды при помощи индикатора, добавлением смеси этилового спирта и щавелевой кислоты (4:1) достигли pH~4,5-5,5 (кислотность подзолистых почв лесной зоны). Далее выдерживали раствор на кипящей водяной бане (термостатировали) в течение 10 минут до появления желтой окраски гидразона, затем раствор медленно охлаждали до комнатной температуры [8].

Оптическую плотность анализируемой пробы измеряли на спектрофотометре в кювете с толщиной поглощающего слоя 1 см при длине волны 415 нм относительно «нулевого» раствора – дистиллированной воды. [7].

Исследования проводились на УФ спектрофотометре UV-2600 (производитель "Shimadzu ", Япония) в лаборатории спектральных методов исследования Центра коллективного пользования "Спектроскопия и анализ органических соединений" Института органического синтеза УрО РАН.

Все действия повторили с навеской почвы 2-ой серии (зараженной «гептилом», но обработанной шунгитом), проба 2. В качестве образца сравнения детектировали аттестованный раствор «гептила» с концентрацией 0,0001 мг/л, проба 3.

Сравнили полученные результаты измерений оптической плотности, используя спектры на рисунке 4. Оптическая плотность раствора сравнения – аттестованного раствора «гептила» (синяя линия) равна 0,02; раствора вытяжки из почвы с «гептилом» без шунгита (серая линия) – 0,0075; раствора вытяжки из почвы с «гептилом», обработанной шунгитом (желто-зеленая линия) – 0,0025.

Рисунок 4. Спектры фотометрического определения «гептила» в пробах почв.

По данным спектров сделали количественные расчеты концентрации «гептила» в почве серий 1,2.

Массовую долю «гептила» в каждой пробе рассчитывали методом сравнения оптических плотностей двух растворов с использованием расчетной формулы из закона Бугера-Ламберта-Бера [7]:

А = I / I0 или A = abх

a – коэффициент погашения, постоянная, зависящая от длины волны λ, л/моль см

b – длина оптического пути, см

х – массовая доля, мг/кг

Оптические плотности измеряли относительно «нулевого» раствора в тех же кюветах при той же длине волны, т.е. ab = const. Значение оптической плотности первого раствора равно: А1 = abх1, значение оптической плотности второго раствора равно: А2 = abх2,разделив одно выражение на другое получим: А12 = х12, в данном эксперименте х1 =0,0001, А1 = 0,02; тогда

для пробы №1:0,02/0,0075 = 0,0001/х2, откуда х2 равно 0,00004 мг/кг или 0,04 мкг/кг, для пробы №2:0,02/0,0025 = 0,0001/х2,откуда х2 равно 0,0000125 мг/кг или 0,0125 мкг/кг.

Таблица 1

Содержание «гептила» в почве через 3 дня

проба оптическая плотность при 415 нм (А2) массовая доля «гептила», мкг/кг (х2)
№1 почва + «гептил» 0,0075 0,04
№2 почва + «гептил» + шунгит 0,0025 0,0125

Таким образом, концентрация «гептила» в почве пробы №2 меньше, чем в почве пробы №1 в 0,04/0,0125 = 3,2 раза

Экономическая оценка затрат показала следующие результаты. Шунгит – дешевый материал, ежегодная добыча которого исчисляется многими тысячами тонн.Прогнозные ресурсы по всем месторождениям составляют около 1 млрд. тонн [9]. Стоимость «сырого» шунгита в Интернет-магазине 80-100 рублей за 1 кг.

Для нейтрализации 2,5 мг «гептила» в данном эксперименте было израсходовано 50 г шунгита, следовательно, на 1,5 т остатка «гептила» в упавшей ступени ракеты потребуется 30 т шунгита, затраты составят 3 млн. руб.В пересчете на 19 запусков с космодрома Плесецк в 2017 году получается это около 60 млн. руб. Это гораздо меньше, чем затраты на ликвидацию экологических последствий от выжигания остатков топлива или обработки хлорной известью «гептилового пятна», после чего почва оказывается «мертвой» в среднем на 20 лет.

Заключение

Таким образом, исследование процесса нейтрализации «гептила» шунгитом, с учетом эффективности его действия, доступности и экономически разумных затрат, доказывает целесообразность применения шунгита в качестве «противоядия» ракетному топливу, содержащему «гептил».

Перспективой развития исследования является разработка конструкции топливного фильтра на основе шунгита, что решит проблему пролива ядовитого топлива и заражения почвы труднодоступных территорий.

Ссылки на источники

1. Терней А. Современная органическая химия. URL: http://bookfi.net/book/470278

2. Греков А.П., Веселов В.Я. Гидразин космический. Журнал «Химия и жизнь», №7. – 1979. URL: http://www.hij.ru/read/hot-topics/heptyl/2707/

3. ГОСТ 12.1.007-76. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности (с Изменениями N 1,2) URL: http://docs.cntd.ru/document/5200233

4. Мотылев С. Водный гиацинт в гептиловом болоте. Журнал «Химия и жизнь», №11. – 2002. URL: http://www.hij.ru/read/hot-topics/heptyl/2680/

5. Мосин О. Шунгит – природный нанотехнологический материал. URL: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=3304

6. Максименко О. Победа шунгита над гептилом. Журнал «Химия и жизнь», №12. – 2006. URL: http://www.hij.ru/read/hot-topics/heptyl/2468/

7. Смоленков А., Родин И., Шпигун О. Спектрофотометрические и флуориметрические методы определения гидразина и его метилированных аналогов. / Журнал аналитической химии. Т.67, №2. URL: http://naukarus.com/spektrofotometricheskie-i-fluorimetricheskie-metody-opredeleniya-gidrazina-i-ego-metilirovannyh-analogov

8. Струков В., Темердашев З., Шпигун О., Киселёва Н. Способ определения несимметричного диметилгидразина в водных растворах. Патент РФ №2276350, МПК (6) G 01 N 21/78.

URL: http://bd.patent.su/2276000-2276999/pat/servl/servlet543c.html

9. Филиппов М. Шунгитоносные породы Карелии: черная олонецкая земля, аспидный сланец, антрацит, шунгит. - Петрозаводск: Изд-во Карельского НЦ РАН, 2004. - 488 с.

В статье описывается технология выделения хитина из нетрадиционного природного источника – экзоскелетов южноамериканских тараканов вида Blaberus craniifer, а также приводятся количественные показатели спектрофотометрического определения чистоты полученного материала и экономическая оценка метода.

Введение

Хитин – природный биополимер, обладающий высокой биологической активностью, совместимостью с тканями человека, животных и растений, и, что особенно ценно, он не загрязняет окружающую среду, поскольку полностью разрушаются ферментами природных микроорганизмов. Хитин в природе является основой скелетной системы, поддерживающей клеточную структуру тканей в панцирях ракообразных, кутикуле насекомых, клеточной стенке грибов и бактерий, и таким образом имеет достаточно широкую натуральную сырьевую базу [1].

Проблемой более широкого применения хитина является его высокая себестоимость и низкая рентабельность использования традиционных природных хитинсодержащих источников (панцирей ракообразных) [2].

Актуальной задачей является поиск доступного и биоразлагаемого сырья, способного снизить затраты на производство хитина. Одомашненные и поддающиеся разведению насекомые в силу своего быстрого воспроизводства могут обеспечить большую биомассу, содержащую хитин, в условиях работы на МКС и других ситуациях освоения космического пространства.

Основная часть

В данном проекте проведено исследование целесообразности использования хитинсодержащих экзоскелетов тараканов в качестве сырья для производства хитина и его производных.

Экспериментально апробированный метод получения хитина из экзоскелетов тараканов [3] включал следующие этапы: 1) отбор и подготовка сырья, 2) выделение хитина экстракционным методом, 3) оценка чистоты полученного образца методом ИК-спектроскопии, 4) определение практического выхода и стоимости продукта.

Для эксперимента были взяты взрослые особи Blaberus craniifer – одного из видов южноамериканских тараканов под названием «мёртвая голова». Тараканы были препарированы: удалены все части, не содержащие хитин (полученные биологические отходы были использованы как удобрение для комнатного растения), хитиновые оболочки промыты водой, влагосодержащая масса взвешена, затем высушена в микроволновке при температуре 60°С в течение 15 минут, сухая масса также взвешена.

Экстракция и очистка хитина осуществлялись в ходе последовательных операций: 1) первичное выведение липидов: промывание ацетоном, 2) первичная депротеинизация: обработка избытком 4% раствора гидроксида натрия NaOH в течение 60 минут при 1000С, 3) промывка водой образца, нейтрализация жидких отходов, 4) первичная деминерализация: обработка избытком 15% раствором HCl в течение 30 минут, 5) промывка водой образца, нейтрализация жидких отходов, 6) повторное выведение липидов: промывание ацетоном, 7) повторная депротеинизация: обработка избытком 4% раствора гидроксида натрия NaOH в течение 30 минут при 1000С, 8) промывка водой образца, нейтрализация жидких отходов, 9) повторная деминерализация: обработка избытком 15% раствором HCl в течение 15 минут, 10) промывка водой образца. нейтрализация жидких отходов, 11) сушка в микроволновке при 600С 12 часов, взвешивание и упаковка материала.

Чистота полученного образца хитина определялась методом ИК-спектроскопии. Были сняты ИК-спектр диффузного отражения (рисунок 1) и ИК-спектр нарушенного полного внутреннего отражения (рисунок 2) в интервале длин волн от 4 000 до 400 см-1, так как именно в этом интервале находятся характеристические частоты поглощения основных функциональных групп органических молекул [4].

Рисунок 1. ИК-спектр диффузного отражения образца хитина.

Рисунок 2. ИК-спектр нарушенного полного внутреннего отражения образца хитина.

Максимумы поглощения при длинах волн от 1700 до 1 000 см-1 ИК-спектровобоих видов имеют незначимое расхождение с характеристическими частотами определенных функциональных групп [4] и подтверждают наличие хитина в исследуемом образце (таблица 1).

Таблица 1

Максимумы ИК-поглощения полученного образца

в ИК-спектре стандарти-зированного образца в ИК-спектре диффузного отражения, см-1 в ИК-спектре нарушенного полного внутреннего отражения, см-1 характеристическая длина волны фрагмента структуры хитина, см-1
1 652 1 656 1 653 1 655 аминогруппы–NH2
1 621 1 623 1 619 1 622 протонированные аминогруппы –NH3+
1 376 1 378 1 375 1 379 группы ОН0
1 260 1 257 1 259 1 258 карбонильные группы >С=О
1 154 1 156 1 154 1 153 связи С–О в кольце

Сравнение ИК-спектров диффузного отражения полученного образца и стандартизированного образца из электронной библиотеки спектрометра – chitinSigma (выделенный из ракообразных (порошок) с содержанием основного вещества не менее 97%) – показывает совпадение или незначительное расхождение пиков поглощения при длинах волн (в см-1) 3 426 и 3 423, 3 101 и 3 103, 2 873 и 2 874, 1 554 и 1 553, 1 309 и 1 309, 1 114 и 1 112, 1 069 и 1 069, 951 и 953, что свидетельствует о практически совпадающей чистоте полученного и стандартного образцов хитина (рисунок 3).

Рисунок 3. Сравнение ИК-спектров полученного образца (красная линия) и стандартизированного образца хитина ракообразных chitin Sigma (коричневая линия)

Следовательно, полученный в результате эксперимента образец хитина имеет высокую степень чистоты и соответствует международным стандартам получения хитинсодержащих материалов из традиционных источников.

Исследования проводились на ИК Фурье спектрометре Nikolet 6700 c Раман-модулем Nicolet NEXUS в Центре коллективного пользования "Спектроскопия и анализ органических соединений" Института органического синтеза УрО РАН. По результатам эксперимента был осуществлен расчет количественного выхода хитина.

Таблица 2

Результаты взвешивания образца хитинсодержащего сырья

вид сырья масса, г
влагосодержащий образец, m1 59,4
сухой образец, m2 14,24
конечный продукт, m3 3,765

Практический выход хитина в эксперименте составил ω = (3,765/ 14,24) × 100% = 26,44 %. Количественный выход практически не отличается от практического выхода при использовании в качестве сырья традиционных источников, например, акклиматизированного камчатского краба – от 18% до 32% [5].

По результатам эксперимента была произведена экономическая оценка затрат на получение хитина данным методом.

В эксперименте в качестве сырья использовались препарированные образцы пяти взрослых особей тараканов Blaberus craniifer, в расчете на одну имаго, масса хитина составит: 3,765 : 5 = 0,753 г

Для сравнения: из одного взрослого рака вида Astacus astacus L. (10 см и более длиной) можно получить 10 г хитина, стоимость 1 г которого на мировом рынке от 10$ [6]. Расчет такого же дохода на определенное количество тараканов составляет: 10 г : 0,753 г = 13,28 т.е. такой же доход дадут не более 14 тараканов.

Таблица 3

Сравнение некоторых характеристик рака Astacus astacus L. и таракана Blaberus craniifer.

характеристика таракан Blaberus craniifer рак Astacus astacus L.
период взросления 4-6 месяцев 3,5-4 года
условия обитания влажные тропические леса Южной Америки, во влажном инсектарии при комнатной температуре живет повсюду пресная чистая вода: реки, озёра, пруды, быстрые или проточные ручьи, тёплая вода до 16-22 °C, очень чувствителен к загрязнению воды
разведение разводится повсеместно как корм в естественной среде практически истреблен – восстанавливается интродукцией
стоимость взрослой особи 20-30 руб выше в 20-30 раз
скорость выделения хитина не более16 часов

3-5 суток

Сопоставление некоторых характеристик рака Astacus astacus L. [7] и таракана Blaberus craniifer [8]. указанное в таблице 3, показывает, что тараканы более неприхотливы к условиям обитания, имеют период взросления гораздо меньший, чем у рака, и стоят намного дешевле.

Заключение

Данный способ производства хитина является весьма выгодным, благодаря высокой скорости размножения тараканов и низкой стоимости их разведения. Важным преимуществом указанной технологии является бóльшая скорость непосредственного выделения: для получения из экзоскелетов тараканов готового хитина требуется всего 16 часов, что во много раз меньше, чем длительность выделения хитина из других сырьевых источников (3-5 суток).

Таким образом, хитинсодержащие тараканы являются перспективным сырьём для получения хитина с высокой степенью чистоты.

Логическим направлением развития исследования является разработка наноматериалов на основе хитина для создания, например, легких и прочных контейнеров для космических исследований или даже скафандров для космонавтов.

Ссылки на источники

1.Гамзазаде А. Структурная неоднородность как фактор изменчивости свойств хитина и хитозана. М.: Высшая школа. – 2004.

2. Лебская Т., Толкачева В., Шаповалова Л. Научные и практические аспекты применения биологически активных веществ из морских животных. // Материалы отчетной сессии ПИНРО по итогам научно-исследовательских работ в 1998-1999 гг. Мурманск: ПИНРО. – 2000.

3. Материалы восьмой международной конференции Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана. М.: РосХит. – 2006.

4. Никольский А., Суворов А., Химия: учебник для вузов. СПб.: Химиздат, – 2001.

5. Хитин и хитозан: получение, свойства и применение. /под ред. Скрябина К.Г. и др. М.: Наука, – 2002.

6. Пищевые добавки от производителей и поставщиков по конкурентным ценам. URL: https://russian.alibaba.com/g/chitin-chitosan.html

7. Супрунович А., Макаров Ю. Культивируемые беспозвоночные. Пищевые беспозвоночные: мидии, устрицы, гребешки, раки, креветки.  URL:  http://ashipunov.info/shipunov/school/books/suprunovich1990_pischev_bespozv.pdf

8. Электронный каталог Catalogue of Life: 20th December 2017. 

URL: http://www.catalogueoflife.org/col/details/species/id/0dbfefc35bac71f71eef38c6515b266b

В статье описывается исследование закономерностей изменения термодинамических характеристик процессов, протекающих в «химической грелке» и обеспечивающих её теплотворную способность, а также дается описание технологии создания эффективного прототипа «химического нагревателя» из подручных материалов.

Введение

Проблемой использования современных многоразовых «химических грелок» на основе кристаллогидрата ацетата натрия, которые можно приобрести в аптеках и магазинах, является достаточно трудоемкая процедура их восстановления после каждого использования. Принцип действия этих грелок основан на свойстве соли, расплавленной в собственной кристаллизационной воде и охлажденной до комнатной температуры без кристаллизации, мгновенно кристаллизоваться при легком механическом воздействии (достаточно смять пакет, в котором находится раствор) с выделением тепла. Чтобы вернуть грелку в рабочее состояние, нужно нагревать её на водяной бане до полного растворения кристаллов и постепенно охлаждать до комнатной температуры [1].

Намного проще использование одноразовой «химической грелки», которая работает за счет экзотермических реакций компонентов образующих теплотворную смесь, в многократно используемой и легко утилизируемой упаковке. Умение создать такое устройство в быту из недорогих подручных материалов может стать очень полезным в экстремальных условиях исследования космического пространства.

Основная часть

Целью данной работы было исследование термодинамических характеристик процессов, протекающих в «химической грелке» и установить наиболее оптимальный с позиций термодинамики состав «грелки», обеспечивающий её эффективную теплотворную способность.

В ходе анализа научной информации установлено, что термодинамические функции состояния дают возможность понять механизмы процессов, происходящих при выделении тепла в «химической грелке».

Самопроизвольному протеканию реакций в «грелке» способствует энтальпийный фактор (энтальпия отрицательная) в силу экзотермичности окислительно-восстановительных процессов.

Положительное влияние энтропийного фактора проявляется в увеличении свободы движения частиц (происходит растворение и диссоциация компонентов теплотворной смеси в воде) по сравнению с исходными веществами (энтропия положительная), особенно наглядно это наблюдается в процессах растворения кристаллогидратов.

Совокупное влияние двух факторов приводит к значительному снижению энергии Гиббса в реакциях «рождения тепла» (энергия Гиббса отрицательная). Таким образом, процессы, которые протекают в «химической грелке», термодинамически разрешены [2].

Для проверки общих закономерностей были смоделированы и опробованы экспериментально несколько «химических грелок» разного состава [3,4,5].

Таблица 1

Рецепты «химической грелки»

состав температура «грелки» основная теплотворная реакция
1 Fe опилки, уголь, песок, вода 100°С 4Fe + 2H2O+ 3O2 = 4FeO(OH)
2 Fe стружка, хлорид меди (II) CuCl2, вода 100°С Fе + СuСl2 =FеСl2 + Сu
3 Al фольга, хлорид меди (II) CuCl2, древесные опилки, вода 50-60°С 2Аl + ЗСuCl2 = 2АlCl3 + ЗСu
4 Fe порошок, перманганат калия KMnO4, вода 60°С Fe+KMnO4 + H2O=MnO2 + FeO(OH) + KOH
5 Alпроволока, медный купорос CuSO45H2O, поваренная соль NaCl, древесные опилки, вода 50-60°С 2Аl+ ЗСuSO4 =Аl2(SO4)3 + ЗСu
6 CaO негашеная известь, вода 100-150°С CaO + H2O = Ca(OH)2

Более подробно рассмотрим процессы, происходящие в «химических грелках» №5 и №6. «Химическая грелка» №5.

Кроме основной экзотермической окислительно-восстановительной реакции, самопроизвольно идущей в сторону превращения сильного восстановителя в слабый сопряженный окислитель [6]:

(1) 2Аl + ЗСuSO4 = Аl2(SO4)3 + ЗСu + Q

энтальпия реакции отрицательная

в грелке протекают еще и дополнительные процессы, связанные с разными компонентами теплотворной смеси.

В процессе диссоциации сульфата меди (II) и хлорида натрия происходит увеличение энтропии системы реакции за счет возрастания количества частиц:

(2) CuSO4 + 2NaCl = Na2SO4 + CuCl2

Cu2+ + SO42- + 2Na+ + 2Cl- = 2Na+ + SO42- + Cu2+ + 2Cl-

энтропия реакции положительная

Подвижные хлорид-ионы Cl- ускоряют основную окислительно-восстановительную реакцию 1, т.к. в свою очередь обладают сильными восстановительными свойствами и связывают ионы алюминия Al3+, поэтому добавление хлорида натрия в смесь приводит к интенсификации всего процесса выделения тепла в реакции 1.

Параллельно реакции 1, вероятно, идет еще реакция алюминия с водой, поскольку наблюдается выделение газа, при которой выделяется дополнительное тепло:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2 + Q

энтальпия реакции отрицательная

Кроме того, происходит растворение медного купороса с выделением теплоты и увеличением количества частиц, т.е. ростом энтропии:

CuSO4.5H2O= CuSO4 + 5H2O + Q

энтальпия реакции отрицательная, энтропия реакции положительная

Древесные опилки, не принимая никакого участия в химических реакциях, выполняют функцию ингибитора процесса: впитывая в себя воду, опилки замедляют течение реакций, растягивают работу грелки во времени. К тому же древесина обладает достаточно низкой теплопроводностью: она частично аккумулирует выделяющееся тепло и затем постепенно отдает его.

В реакционную смесь «грелки» можно вводить кристаллогидраты щавелевой или лимонной кислот, что увеличивает выход тепла.

HOOC-COOH . 2H2O = HOOC-COOH + 2H2O + Q

                     HOOC-CH2-C(OH)COOH-CH2-COOH . H2O =

                                     = HOOC-CH2-C(OH)COOH-CH2-COOH + H2O + Q

Для их запуска в реакционную смесь вводят небольшое количество воды, происходит растворение кристаллогидрата и в реакцию с основным веществом вступает кристаллизационная вода. Такие добавки позволяют поднимать температуру «грелки» от 100 до 300°С [7].

Количественная оценка теплоты процессов была сделана с использованием справочных данных таблицы 2 [2]. В реакции 1 выделяется в пересчете на 1 моль сульфата меди (II) + 351,46 кДж. Тепловой эффект реакции 2 равен + 19,67 кДж тепла, добавляется теплота растворения образующихся солей + 104,6 кДж, суммарное количество теплоты в реакции 2 равно + 125,27 кДж. Таким образом, общее количество тепла в "грелке" №5 составляет не менее + 476,73 кДж.

«Химическая грелка» №6.

Основная теплотворная реакция идет с резким понижением энтальпии из-за процесса растворения

(3) CaО + H2O = Ca(OH)2 + Q

энтальпия реакции отрицательная

и сопровождается увеличением энтропии за счет диссоциации малорастворимого гидроксида кальция:

Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH-+ Q

энтропия реакции положительная

Количество теплоты для реакции 3 (теплота образования гидроксида кальция) всего + 64,1 кДж. Однако при растворении CaOвыделяется + 818,2 кДж, а теплота диссоциации Ca(OH)2 равна + 999,98 кДж, таким образом, суммарное количество теплоты процесса в «грелке» состава №6 составляет + 1755,08 кДж.

Таблица 2

Значение энтальпии образования для веществ-компонентов теплотворной смеси состава №5 и с№6

компонент H0, кДж/моль компонент H0, кДж/моль
CaO (кр) –635,5 Аl2(SO4)3(кр) –3442,2
Н2O (ж) –285,8 АlСl3(кр) –704,2
Са(ОН)2(кр) –985,1 Cu 0
СuСl2 (кр) –215,6 СuSO42O (кр) –2279,4
Al 0 СuSO4(кр) –770,9

Следующим этапом исследования стало создание и испытание на практике прототипов «химического нагревателя». Для его моделирования были выбраны составы №5 и №6 из таблицы 1.Предложенная модель «химического нагревателя» основана на химических процессах теплотворной смеси №5, дающей тепло в комфортном диапазоне – до 60°С, которое удерживает смесь солей, по мере остывания грелки можно добавлять небольшие порции измельченной в кофемолке алюминиевой фольги. Алюминий в виде фольги гораздо удобнее, чем труба, проволока, уголок и т.п.

Так как концентрация солей в процессе реакции падает, то их сначала должно быть в избытке. При о.у. в 100 г воды растворяется 23 г медного купороса, однако, больше 4-х кратного количества брать не стоит, т.к. избыток приводит к образованию металлической меди в виде тонкого порошка, которая загущает раствор и препятствует циркуляции веществ. С целью повысить начальную температуру раствора, чтобы не ждать 5-7 минут до начала экзотермического процесса медный купорос предварительно нужно прокалить. Шарик алюминиевой фольги следует насадить на деревянную шпажку, чтобы он находился в глубине раствора и не соприкасался со стенками бутылки. Иначе фольга покрывается множеством пузырьков газа и всплывает. При этом все тепло выделяется только в верхней части бутылки, что приводит к сильному разогреву и деформации стенок. Применение шарика на шпажке приводит к тому, что пузырьки газа заставляют жидкость циркулировать и тепло распределяется равномерно, встряхивать бутылку не надо и «стравливать» газ тоже не нужно, достаточно просто оставить бутылку открытой и дать постоять 2-5 минут.

При экспериментальной проверке прототипа была получена максимальная температура 60°С, которая незначительно снизилась (до 50°С) и сохранялась не менее 2-х часов (таблица 3).

Таблица 3

Время сохранения тепла «химической грелкой»

состав смеси температура, °С через
5 мин 0,5 часа 1 час 1,5 часа 2 часа 2,5 часа
№5 Аl(пр)+СuSO4+NаСl 60 58 55 50 50 25
№6 CaO + H2O 100 40 20 20 20 20

Для сравнения эффективности прототипов были взяты результаты испытания «химической грелки» с составом №6: реакция в ней прошла агрессивно, с бурным выделением тепла, была получена максимальная температура 100°С, которая резко снизилась (до 20°С) в течение 30 минут (таблица 3).

Заключение

На основании проведенных исследований можно утверждать, что для создания «химической грелки» подходят не любые экзотермические реакции: наиболее оптимальной является окислительно-восстановительная реакция вытеснения металла средней активности из соли более активным металлом. В данном исследовании – это состав №5: сульфат меди (II) и алюминий. Температура полученного «химического нагревателя» составляет плюс 50-60°С. В плотно закрытом «нагревателе» тепло сохраняется не менее двух часов.

Прототип безопасен, т.к. при его использовании не требуется регулировать скорость реакции, температуру смеси и отводить выделяющиеся газы («стравливать» водород и пары воды).

Эффективность и простоту использования такой грелки обеспечит одноразовая загрузка теплотворной смесью многократно используемой упаковки (например, резиновой перчатки) и активация экзотермического процесса добавлением обычной воды.

Перспективным направлением развития данного исследования может стать поиск недорогостоящих материалов для производства экологически безопасной и легко утилизируемой упаковки для теплотворного состава, а также оптимизация размеров и форм «химических грелок» разного назначения.

Ссылки на источники

1. Фишман Р. Самодельное тепло. Журнал «Популярная механика», №3 (173), март, 2017 год, с. 102-103.

2. Ахметов Н. Химия: Учеб. для 10-11 кл. общеобразоват. учреждений. М.: Просвещение, 2000. – 255 с.

3. Алексинский В. Занимательные опыты по химии. М.: Просвещение, 1995. – 96 с.

4. Аликберова Л. Занимательная химия. М.: АСТ-ПРЕСС, 1999. – 560 с.

5. Девяткин В., Ляхова Ю. Химия для любознательных или О чем не узнаешь на уроке. Ярославль: Академия развития, 2000. – 240 с.

6. Расщепкина Н. Термодинамика химических и электрохимических реакций: практикум по общей химии. Самара: Изд-во «Самарский государственный аэрокосмический университет», 2011. – 48 с.

7. Никулин Ф. Как сделать химическую грелку своими руками. Журнал "Юный техник", №5, 1983год, с.78-79.

В статье описывается исследование закономерностей изменения термодинамических характеристик процессов, протекающих в «химической грелке» и обеспечивающих её теплотворную способность, а также дается описание технологии создания эффективного прототипа «химического нагревателя» из подручных материалов.

Введение

Проблемой использования современных многоразовых «химических грелок» на основе кристаллогидрата ацетата натрия, которые можно приобрести в аптеках и магазинах, является достаточно трудоемкая процедура их восстановления после каждого использования. Принцип действия этих грелок основан на свойстве соли, расплавленной в собственной кристаллизационной воде и охлажденной до комнатной температуры без кристаллизации, мгновенно кристаллизоваться при легком механическом воздействии (достаточно смять пакет, в котором находится раствор) с выделением тепла. Чтобы вернуть грелку в рабочее состояние, нужно нагревать её на водяной бане до полного растворения кристаллов и постепенно охлаждать до комнатной температуры [1].

Намного проще использование одноразовой «химической грелки», которая работает за счет экзотермических реакций компонентов образующих теплотворную смесь, в многократно используемой и легко утилизируемой упаковке. Умение создать такое устройство в быту из недорогих подручных материалов может стать очень полезным в экстремальных условиях исследования космического пространства.

Основная часть

Целью данной работы было исследование термодинамических характеристик процессов, протекающих в «химической грелке» и установить наиболее оптимальный с позиций термодинамики состав «грелки», обеспечивающий её эффективную теплотворную способность.

В ходе анализа научной информации установлено, что термодинамические функции состояния дают возможность понять механизмы процессов, происходящих при выделении тепла в «химической грелке».

Самопроизвольному протеканию реакций в «грелке» способствует энтальпийный фактор (энтальпия отрицательная) в силу экзотермичности окислительно-восстановительных процессов.

Положительное влияние энтропийного фактора проявляется в увеличении свободы движения частиц (происходит растворение и диссоциация компонентов теплотворной смеси в воде) по сравнению с исходными веществами (энтропия положительная), особенно наглядно это наблюдается в процессах растворения кристаллогидратов.

Совокупное влияние двух факторов приводит к значительному снижению энергии Гиббса в реакциях «рождения тепла» (энергия Гиббса отрицательная). Таким образом, процессы, которые протекают в «химической грелке», термодинамически разрешены [2].

Для проверки общих закономерностей были смоделированы и опробованы экспериментально несколько «химических грелок» разного состава [3,4,5].

Таблица 1

Рецепты «химической грелки»

состав температура «грелки» основная теплотворная реакция
1 Fe опилки, уголь, песок, вода 100°С 4Fe + 2H2O+ 3O2 = 4FeO(OH)
2 Fe стружка, хлорид меди (II) CuCl2, вода 100°С Fе + СuСl2 =FеСl2 + Сu
3 Al фольга, хлорид меди (II) CuCl2, древесные опилки, вода 50-60°С 2Аl + ЗСuCl2 = 2АlCl3 + ЗСu
4 Fe порошок, перманганат калия KMnO4, вода 60°С Fe+KMnO4 + H2O=MnO2 + FeO(OH) + KOH
5 Alпроволока, медный купорос CuSO45H2O, поваренная соль NaCl, древесные опилки, вода 50-60°С 2Аl+ ЗСuSO4 =Аl2(SO4)3 + ЗСu
6 CaO негашеная известь, вода 100-150°С CaO + H2O = Ca(OH)2
Более подробно рассмотрим процессы, происходящие в «химических грелках» №5 и №6. «Химическая грелка» №5.

Кроме основной экзотермической окислительно-восстановительной реакции, самопроизвольно идущей в сторону превращения сильного восстановителя в слабый сопряженный окислитель [6]:

(1) 2Аl + ЗСuSO4 = Аl2(SO4)3 + ЗСu + Q

энтальпия реакции отрицательная

в грелке протекают еще и дополнительные процессы, связанные с разными компонентами теплотворной смеси.

В процессе диссоциации сульфата меди (II) и хлорида натрия происходит увеличение энтропии системы реакции за счет возрастания количества частиц:

(2) CuSO4 + 2NaCl = Na2SO4 + CuCl2

Cu2+ + SO42- + 2Na+ + 2Cl- = 2Na+ + SO42- + Cu2+ + 2Cl-

энтропия реакции положительная

Подвижные хлорид-ионы Cl- ускоряют основную окислительно-восстановительную реакцию 1, т.к. в свою очередь обладают сильными восстановительными свойствами и связывают ионы алюминия Al3+, поэтому добавление хлорида натрия в смесь приводит к интенсификации всего процесса выделения тепла в реакции 1.

Параллельно реакции 1, вероятно, идет еще реакция алюминия с водой, поскольку наблюдается выделение газа, при которой выделяется дополнительное тепло:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2 + Q

энтальпия реакции отрицательная

Кроме того, происходит растворение медного купороса с выделением теплоты и увеличением количества частиц, т.е. ростом энтропии:

CuSO45H2O= CuSO4 + 5H2O + Q

энтальпия реакции отрицательная, энтропия реакции положительная

Древесные опилки, не принимая никакого участия в химических реакциях, выполняют функцию ингибитора процесса: впитывая в себя воду, опилки замедляют течение реакций, растягивают работу грелки во времени. К тому же древесина обладает достаточно низкой теплопроводностью: она частично аккумулирует выделяющееся тепло и затем постепенно отдает его.

В реакционную смесь «грелки» можно вводить кристаллогидраты щавелевой или лимонной кислот, что увеличивает выход тепла.

HOOC-COOH 2H2O = HOOC-COOH + 2H2O + Q

   HOOC-CH2-C(OH)COOH-CH2-COOH H2O = HOOC-CH2-C(OH)COOH-CH2-COOH + H2O + Q

Для их запуска в реакционную смесь вводят небольшое количество воды, происходит растворение кристаллогидрата и в реакцию с основным веществом вступает кристаллизационная вода. Такие добавки позволяют поднимать температуру «грелки» от 100 до 300°С [7].

Количественная оценка теплоты процессов была сделана с использованием справочных данных таблицы 2 [2]. В реакции 1 выделяется в пересчете на 1 моль сульфата меди (II) + 351,46 кДж. Тепловой эффект реакции 2 равен + 19,67 кДж тепла, добавляется теплота растворения образующихся солей + 104,6 кДж, суммарное количество теплоты в реакции 2 равно + 125,27 кДж. Таким образом, общее количество тепла в "грелке" №5 составляет не менее + 476,73 кДж.

«Химическая грелка» №6.

Основная теплотворная реакция идет с резким понижением энтальпии из-за процесса растворения

(3) CaО + H2O = Ca(OH)2 + Q

энтальпия реакции отрицательная

и сопровождается увеличением энтропии за счет диссоциации малорастворимого гидроксида кальция:

Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH-+ Q

энтропия реакции положительная

Количество теплоты для реакции 3 (теплота образования гидроксида кальция) всего + 64,1 кДж. Однако при растворении CaOвыделяется + 818,2 кДж, а теплота диссоциации Ca(OH)2 равна + 999,98 кДж, таким образом, суммарное количество теплоты процесса в «грелке» состава №6 составляет + 1755,08 кДж.

Таблица 2

Значение энтальпии образования для веществ-компонентов теплотворной смеси состава №5 и с№6

компонент H0, кДж/моль компонент H0, кДж/моль
CaO (кр) –635,5 Аl2(SO4)3(кр) –3442,2
Н2O (ж) –285,8 АlСl3(кр) –704,2
Са(ОН)2(кр) –985,1 Cu 0
СuСl2 (кр) –215,6 СuSO42O (кр) –2279,4
Al 0 СuSO4(кр) –770,9

Следующим этапом исследования стало создание и испытание на практике прототипов «химического нагревателя». Для его моделирования были выбраны составы №5 и №6 из таблицы 1.Предложенная модель «химического нагревателя» основана на химических процессах теплотворной смеси №5, дающей тепло в комфортном диапазоне – до 60°С, которое удерживает смесь солей, по мере остывания грелки можно добавлять небольшие порции измельченной в кофемолке алюминиевой фольги. Алюминий в виде фольги гораздо удобнее, чем труба, проволока, уголок и т.п.

Так как концентрация солей в процессе реакции падает, то их сначала должно быть в избытке. При о.у. в 100 г воды растворяется 23 г медного купороса, однако, больше 4-х кратного количества брать не стоит, т.к. избыток приводит к образованию металлической меди в виде тонкого порошка, которая загущает раствор и препятствует циркуляции веществ. С целью повысить начальную температуру раствора, чтобы не ждать 5-7 минут до начала экзотермического процесса медный купорос предварительно нужно прокалить. Шарик алюминиевой фольги следует насадить на деревянную шпажку, чтобы он находился в глубине раствора и не соприкасался со стенками бутылки. Иначе фольга покрывается множеством пузырьков газа и всплывает. При этом все тепло выделяется только в верхней части бутылки, что приводит к сильному разогреву и деформации стенок. Применение шарика на шпажке приводит к тому, что пузырьки газа заставляют жидкость циркулировать и тепло распределяется равномерно, встряхивать бутылку не надо и «стравливать» газ тоже не нужно, достаточно просто оставить бутылку открытой и дать постоять 2-5 минут.

При экспериментальной проверке прототипа была получена максимальная температура 60°С, которая незначительно снизилась (до 50°С) и сохранялась не менее 2-х часов (таблица 3).

Таблица 3

Время сохранения тепла «химической грелкой»

состав смеси температура, °С через
5 мин 0,5 часа 1 час 1,5 часа 2 часа 2,5 часа
№5 Аl(пр)+СuSO4+NаСl 60 58 55 50 50 25
№6 CaO + H2O 100 40 20 20 20 20

Для сравнения эффективности прототипов были взяты результаты испытания «химической грелки» с составом №6: реакция в ней прошла агрессивно, с бурным выделением тепла, была получена максимальная температура 100°С, которая резко снизилась (до 20°С) в течение 30 минут (таблица 3).

Заключение

На основании проведенных исследований можно утверждать, что для создания «химической грелки» подходят не любые экзотермические реакции: наиболее оптимальной является окислительно-восстановительная реакция вытеснения металла средней активности из соли более активным металлом. В данном исследовании – это состав №5: сульфат меди (II) и алюминий. Температура полученного «химического нагревателя» составляет плюс 50-60°С. В плотно закрытом «нагревателе» тепло сохраняется не менее двух часов.

Прототип безопасен, т.к. при его использовании не требуется регулировать скорость реакции, температуру смеси и отводить выделяющиеся газы («стравливать» водород и пары воды).

Эффективность и простоту использования такой грелки обеспечит одноразовая загрузка теплотворной смесью многократно используемой упаковки (например, резиновой перчатки) и активация экзотермического процесса добавлением обычной воды.

Перспективным направлением развития данного исследования может стать поиск недорогостоящих материалов для производства экологически безопасной и легко утилизируемой упаковки для теплотворного состава, а также оптимизация размеров и форм «химических грелок» разного назначения.

Ссылки на источники

1. Фишман Р. Самодельное тепло. Журнал «Популярная механика», №3 (173), март, 2017 год, с. 102-103.

2. Ахметов Н. Химия: Учеб. для 10-11 кл. общеобразоват. учреждений. М.: Просвещение, 2000. – 255 с.

3. Алексинский В. Занимательные опыты по химии. М.: Просвещение, 1995. – 96 с.

4. Аликберова Л. Занимательная химия. М.: АСТ-ПРЕСС, 1999. – 560 с.

5. Девяткин В., Ляхова Ю. Химия для любознательных или О чем не узнаешь на уроке. Ярославль: Академия развития, 2000. – 240 с.

6. Расщепкина Н. Термодинамика химических и электрохимических реакций: практикум по общей химии. Самара: Изд-во «Самарский государственный аэрокосмический университет», 2011.– 48 с.

7. Никулин Ф. Как сделать химическую грелку своими руками. Журнал "Юный техник", №5, 1983год, с.78-79.

В статье описывается технология выделения хитина из нетрадиционного природного источника – экзоскелетов южноамериканских тараканов вида Blaberus craniifer, а также приводятся количественные показатели спектрофотометрического определения чистоты полученного материала и экономическая оценка метода.

Введение

Хитин – природный биополимер, обладающий высокой биологической активностью, совместимостью с тканями человека, животных и растений, и, что особенно ценно, он не загрязняет окружающую среду, поскольку полностью разрушаются ферментами природных микроорганизмов. Хитин в природе является основой скелетной системы, поддерживающей клеточную структуру тканей в панцирях ракообразных, кутикуле насекомых, клеточной стенке грибов и бактерий, и таким образом имеет достаточно широкую натуральную сырьевую базу [1].

Проблемой более широкого применения хитина является его высокая себестоимость и низкая рентабельность использования традиционных природных хитинсодержащих источников (панцирей ракообразных) [2].

Актуальной задачей является поиск доступного и биоразлагаемого сырья, способного снизить затраты на производство хитина. Одомашненные и поддающиеся разведению насекомые в силу своего быстрого воспроизводства могут обеспечить большую биомассу, содержащую хитин, в условиях работы на МКС и других ситуациях освоения космического пространства.

Основная часть

В данном проекте проведено исследование целесообразности использования хитинсодержащих экзоскелетов тараканов в качестве сырья для производства хитина и его производных.

Экспериментально апробированный метод получения хитина из экзоскелетов тараканов [3] включал следующие этапы: 1) отбор и подготовка сырья, 2) выделение хитина экстракционным методом, 3) оценка чистоты полученного образца методом ИК-спектроскопии, 4) определение практического выхода и стоимости продукта.

Для эксперимента были взяты взрослые особи Blaberus craniifer – одного из видов южноамериканских тараканов под названием «мёртвая голова». Тараканы были препарированы: удалены все части, не содержащие хитин (полученные биологические отходы были использованы как удобрение для комнатного растения), хитиновые оболочки промыты водой, влагосодержащая масса взвешена, затем высушена в микроволновке при температуре 60°С в течение 15 минут, сухая масса также взвешена.

Экстракция и очистка хитина осуществлялись в ходе последовательных операций: 1) первичное выведение липидов: промывание ацетоном, 2) первичная депротеинизация: обработка избытком 4% раствора гидроксида натрия NaOH в течение 60 минут при 1000С, 3) промывка водой образца, нейтрализация жидких отходов, 4) первичная деминерализация: обработка избытком 15% раствором HCl в течение 30 минут, 5) промывка водой образца, нейтрализация жидких отходов, 6) повторное выведение липидов: промывание ацетоном, 7) повторная депротеинизация: обработка избытком 4% раствора гидроксида натрия NaOH в течение 30 минут при 1000С, 8) промывка водой образца, нейтрализация жидких отходов, 9) повторная деминерализация: обработка избытком 15% раствором HCl в течение 15 минут, 10) промывка водой образца. нейтрализация жидких отходов, 11) сушка в микроволновке при 600С 12 часов, взвешивание и упаковка материала.

Чистота полученного образца хитина определялась методом ИК-спектроскопии. Были сняты ИК-спектр диффузного отражения (рисунок 1) и ИК-спектр нарушенного полного внутреннего отражения (рисунок 2) в интервале длин волн от 4 000 до 400 см-1, так как именно в этом интервале находятся характеристические частоты поглощения основных функциональных групп органических молекул [4].

Рисунок 1. ИК-спектр диффузного отражения образца хитина.

Рисунок 2. ИК-спектр нарушенного полного внутреннего отражения образца хитина.

Максимумы поглощения при длинах волн от 1700 до 1 000 см-1 ИК-спектровобоих видов имеют незначимое расхождение с характеристическими частотами определенных функциональных групп [4] и подтверждают наличие хитина в исследуемом образце (таблица 1).

Таблица 1

Максимумы ИК-поглощения полученного образца

в ИК-спектре стандарти-зированного образца в ИК-спектре диффузного отражения, см-1 в ИК-спектре нарушенного полного внутреннего отражения, см-1 характеристическая длина волны фрагмента структуры хитина, см-1
1 652 1 656 1 653 1 655 аминогруппы–NH2
1 621 1 623 1 619 1 622 протонированные аминогруппы –NH3+
1 376 1 378 1 375 1 379 группы ОН0
1 260 1 257 1 259 1 258 карбонильные группы >С=О
1 154 1 156 1 154 1 153 связи С–О в кольце

Сравнение ИК-спектров диффузного отражения полученного образца и стандартизированного образца из электронной библиотеки спектрометра – chitinSigma (выделенный из ракообразных (порошок) с содержанием основного вещества не менее 97%) – показывает совпадение или незначительное расхождение пиков поглощения при длинах волн (в см-1) 3 426 и 3 423, 3 101 и 3 103, 2 873 и 2 874, 1 554 и 1 553, 1 309 и 1 309, 1 114 и 1 112, 1 069 и 1 069, 951 и 953, что свидетельствует о практически совпадающей чистоте полученного и стандартного образцов хитина (рисунок 3).

Рисунок 3. Сравнение ИК-спектров полученного образца (красная линия) и стандартизированного образца хитина ракообразных chitin Sigma (коричневая линия)

Следовательно, полученный в результате эксперимента образец хитина имеет высокую степень чистоты и соответствует международным стандартам получения хитинсодержащих материалов из традиционных источников.

Исследования проводились на ИК Фурье спектрометре Nikolet 6700 c Раман-модулем Nicolet NEXUS в Центре коллективного пользования "Спектроскопия и анализ органических соединений" Института органического синтеза УрО РАН. По результатам эксперимента был осуществлен расчет количественного выхода хитина.

Таблица 2

Результаты взвешивания образца хитинсодержащего сырья 

вид сырья масса, г
влагосодержащий образец, m1 59,4
сухой образец, m2 14,24
конечный продукт, m3 3,765

Практический выход хитина в эксперименте составил ω = (3,765/ 14,24) × 100% = 26,44 %. Количественный выход практически не отличается от практического выхода при использовании в качестве сырья традиционных источников, например, акклиматизированного камчатского краба – от 18% до 32% [5].

По результатам эксперимента была произведена экономическая оценка затрат на получение хитина данным методом.

В эксперименте в качестве сырья использовались препарированные образцы пяти взрослых особей тараканов Blaberus craniifer, в расчете на одну имаго, масса хитина составит: 3,765 : 5 = 0,753 г

Для сравнения: из одного взрослого рака вида Astacus astacus L. (10 см и более длиной) можно получить 10 г хитина, стоимость 1 г которого на мировом рынке от 10$ [6]. Расчет такого же дохода на определенное количество тараканов составляет: 10 г : 0,753 г = 13,28 т.е. такой же доход дадут не более 14 тараканов.

Таблица 3

Сравнение некоторых характеристик рака Astacus astacus L. и таракана Blaberus craniifer.

характеристика таракан Blaberus craniifer рак Astacus astacus L.
период взросления 4-6 месяцев 3,5-4 года
условия обитания влажные тропические леса Южной Америки, во влажном инсектарии при комнатной температуре живет повсюду пресная чистая вода: реки, озёра, пруды, быстрые или проточные ручьи, тёплая вода до 16-22 °C, очень чувствителен к загрязнению воды
разведение разводится повсеместно как корм в естественной среде практически истреблен – восстанавливается интродукцией
стоимость взрослой особи 20-30 руб выше в 20-30 раз
скорость выделения хитина не более16 часов

3-5 суток

Сопоставление некоторых характеристик рака Astacus astacus L. [7] и таракана Blaberus craniifer [8]. указанное в таблице 3, показывает, что тараканы более неприхотливы к условиям обитания, имеют период взросления гораздо меньший, чем у рака, и стоят намного дешевле.

Заключение

Данный способ производства хитина является весьма выгодным, благодаря высокой скорости размножения тараканов и низкой стоимости их разведения. Важным преимуществом указанной технологии является бóльшая скорость непосредственного выделения: для получения из экзоскелетов тараканов готового хитина требуется всего 16 часов, что во много раз меньше, чем длительность выделения хитина из других сырьевых источников (3-5 суток).

Таким образом, хитинсодержащие тараканы являются перспективным сырьём для получения хитина с высокой степенью чистоты.

Логическим направлением развития исследования является разработка наноматериалов на основе хитина для создания, например, легких и прочных контейнеров для космических исследований или даже скафандров для космонавтов.

Ссылки на источники

1.Гамзазаде А. Структурная неоднородность как фактор изменчивости свойств хитина и хитозана. М.: Высшая школа. – 2004.

2. Лебская Т., Толкачева В., Шаповалова Л. Научные и практические аспекты применения биологически активных веществ из морских животных. // Материалы отчетной сессии ПИНРО по итогам научно-исследовательских работ в 1998-1999 гг. Мурманск: ПИНРО. – 2000.

3. Материалы восьмой международной конференции Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана. М.: РосХит. – 2006.

4. Никольский А., Суворов А., Химия: учебник для вузов. СПб.: Химиздат, – 2001.

5. Хитин и хитозан: получение, свойства и применение. /под ред. Скрябина К.Г. и др. М.: Наука, – 2002.

6. Пищевые добавки от производителей и поставщиков по конкурентным ценам. URL: https://russian.alibaba.com/g/chitin-chitosan.html

7. Супрунович А., Макаров Ю. Культивируемые беспозвоночные. Пищевые беспозвоночные: мидии, устрицы, гребешки, раки, креветки. URL: http://ashipunov.info/shipunov/school/books/suprunovich1990_pischev_bespozv.pdf

8. Электронный каталог Catalogue of Life: 20th December 2017. URL: http://www.catalogueoflife.org/col/details/species/id/0dbfefc35bac71f71eef38c6515b266b

В статье описывается исследование эффективности использования минерала шунгита как сорбента и катализатора нейтрализации проливов ядовитого ракетного топлива на основе «гептила» в формате экспериментального моделирования процесса заражения и последующего обеззараживания почвы в условиях школьной лаборатории.

Введение

«Гептил» – 1,1-диметилгидразин, несимметричный диметилгидразин (НДМГ) является органическим производным гидразина H2N–NH2, которое образуется в результате замещения в молекуле гидразина атомов водорода на метильные радикалы –СН3 (рисунок 1) [1].

Рисунок 1. Модель молекулы и структурная формула НДМГ

«Гептил» – на сегодняшний день лучшее в мире ракетное топливо, с помощью которого на орбиту выводят космические корабли с "дешевой" себестоимостью пусков. Через некоторое время от ракетоносителя отделяется первая ступень и падает на землю. Поскольку топливо наливают с запасом, оно сгорает не полностью и после падения выливается до 1,5 тонн ядовитой жидкости [2]. «Гептил» – токсичное вещество I класса опасности обладает способностью кумулироваться в окружающей среде [3].

Северные ракетные площадки нашей страны расположены в арктической и субарктической климатических зонах, что определяет их труднодоступность и очень слабую способность к самоочищению. Загрязнение локализуется в радиусе 60-100 м от мест падения. Исследование загрязненных компонентами ракетного топлива зон показало, что уменьшение концентрации «гептила» в почве до уровня ПДК составляет более чем 20 лет. На полигоне "Плесецк" зафиксированы максимальные концентрации «гептила» в грунте 268,4 мг/кг (2 684 ПДК). При каждом новом запуске ракеты типа «Протон» ядовитый «гептил» продолжает наносить огромный вред природе и здоровью людей [4].

Существующие методы нейтрализации «гептила» дорогостоящи и малоэффективны для труднодоступных зараженных территорий Алтая, Якутии и Печорского края.

Основная часть

Чтобы предотвратить вытекание «гептила» и заражение почвы нужно использовать вещество, способное одновременно и сорбировать «гептил», и разлагать его на безопасные продукты. Цель данной работы – исследование эффективности использования минерала шунгита как сорбента и катализатора нейтрализации «гептила».

Шунгит – древняя горная порода, почти на 30% состоящая из особой аллотропной формы углерода – фуллерена C60 (рисунок 2).

Рисунок 2. Фуллерен С60: структура и внешнее включение.

Учёные объясняют уникальные свойства шунгита его необычной структурой, её основой являются многослойные фуллереновые глобулы размером около 10 нм, образующие в породе матрицу, в которой равномерно распределены дисперсные алюмосиликаты со средним размером около 1 мкм. Такая, практически наноразмерная, структура очень активна в окислительно-восстановительных реакциях, обладает сорбционными и каталитическими свойствами [5]. Оказавшись на поверхности шунгита, «гептил» разлагается на составляющие – его молекула как будто рвется на части, и из них, как из элементов конструктора, образуются практически безвредные вещества: метан, азот и вода, при недостатке шунгита добавляются ди- и триметиламины, их токсичность всё же в десять раз меньше, чем у «гептила» [6].

В рамках исследования была смоделирована и экспериментально апробирована методика процесса нейтрализации в почве пролива ракетного топлива на основе «гептила» с применением шунгита. Технология моделирования состояла из двух этапов: качественного и количественного анализов.

На этапе качественного анализа прорастили экспериментальный посев гороха PisumsativumL в почве одного типа и одинаковой массы. Затем осуществили единовременный полив 1-ой и 2-ой серии ростков раствором «гептила» одинаковой концентрации, одинакового объема. Во 2-ой серии почву сразу обработали одинаковым избыточным количеством шунгита, 1-ю серию оставили необработанной. В течение 2-х недель единовременно поливали все ростки одинаковым объемом воды и наблюдали за ростом гороха. Экспериментальный посев хранился в одинаковых условиях. Состояние ростков фотографировали в начале эксперимента, через неделю и через две недели. Наблюдения за развитием ростков гороха в течение 14 дней показали, что ростки гороха 1-ой серии (без шунгита) заметно отстают в росте и развитии зеленой массы от ростков гороха 2-ой серии (обработанной шунгитом). Через 3 дня взяли пробы почвы каждой серии; усреднили пробы в пределах серии (смешали в одну пробу образцы данной серии) для количественного определения «гептила» в почвах.

На этапе количественного анализа была проведена водная экстракция «гептила» из почвенной пробы, содержание «гептила» в экстракте определялось спектрофотометрическим методом.

Ввиду отсутствия в структуре «гептила» хромофорных групп, он не поглощает в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, что делает невозможным его прямое определение, поэтому была проведена предварительная дериватизация – процесс введения хромофорных групп в молекулу «гептила». В результате получили гидразон – соединение с похожей химической структурой, нос отличающейся от исходного вещества способностью к светопоглощению [7]. В данном исследовании в качестве дериватизирующего агента был взят коричный альдегид OHC–CH = CH – C6H5.

В продукте реакции – гидразоне коричного альдегида (рисунок 3)

(СH3)2N–NH2 + OHC–CH = CH – C6H5 "

" (СH3)2N–N=HC–CH = CH – C6H5 + H2O

присутствует хромофорная группа: сопряжение ароматического цикла – C6H5 и азометиновой группы –N=HC–.

Рисунок 3. Раствор гидразона коричного альдегида (внешний вид продукта)

Воздушно-сухую навеску почвы 1-ой серии (зараженную «гептилом»), так называемую пробу 1, массой 50 г поместили в коническую колбу объемом 250 мл, добавили 50 мл дистиллированной воды, закрыли пробкой и интенсивно перемешивали в течение 20 минут. После отстаивания осторожно, не взбалтывая, отфильтровывали через бумажный фильтр 50 мл экстракта [6]. Фильтрат разбавили в 10 раз дистиллированной водой, чтобы снизить концентрацию «гептила» до нужного соотношения с коричным альдегидом (1:800) в последующей реакции образования гидразона. Добавили 5 мл рабочего раствора коричного альдегида. Установили кислотность среды при помощи индикатора, добавлением смеси этилового спирта и щавелевой кислоты (4:1) достигли pH~4,5-5,5 (кислотность подзолистых почв лесной зоны). Далее выдерживали раствор на кипящей водяной бане (термостатировали) в течение 10 минут до появления желтой окраски гидразона, затем раствор медленно охлаждали до комнатной температуры [8].

Оптическую плотность анализируемой пробы измеряли на спектрофотометре в кювете с толщиной поглощающего слоя 1 см при длине волны 415 нм относительно «нулевого» раствора – дистиллированной воды. [7].

Исследования проводились на УФ спектрофотометре UV-2600 (производитель "Shimadzu ", Япония) в лаборатории спектральных методов исследования Центра коллективного пользования "Спектроскопия и анализ органических соединений" Института органического синтеза УрО РАН.

Все действия повторили с навеской почвы 2-ой серии (зараженной «гептилом», но обработанной шунгитом), проба 2. В качестве образца сравнения детектировали аттестованный раствор «гептила» с концентрацией 0,0001 мг/л, проба 3.

Сравнили полученные результаты измерений оптической плотности, используя спектры на рисунке 4. Оптическая плотность раствора сравнения – аттестованного раствора «гептила» (синяя линия) равна 0,02; раствора вытяжки из почвы с «гептилом» без шунгита (серая линия) – 0,0075; раствора вытяжки из почвы с «гептилом», обработанной шунгитом (желто-зеленая линия) – 0,0025.

Рисунок 4. Спектры фотометрического определения «гептила» в пробах почв.

По данным спектров сделали количественные расчеты концентрации «гептила» в почве серий 1,2.

Массовую долю «гептила» в каждой пробе рассчитывали методом сравнения оптических плотностей двух растворов с использованием расчетной формулы из закона Бугера-Ламберта-Бера [7]:

А = I / I0 или A = abх

a – коэффициент погашения, постоянная, зависящая от длины волны λ, л/моль см

b – длина оптического пути, см

х – массовая доля, мг/кг

Оптические плотности измеряли относительно «нулевого» раствора в тех же кюветах при той же длине волны, т.е. ab = const. Значение оптической плотности первого раствора равно: А1 = abх1, значение оптической плотности второго раствора равно: А2 = abх2,разделив одно выражение на другое получим: А12 = х12, в данном эксперименте х1 =0,0001, А1 = 0,02; тогда

для пробы №1:0,02/0,0075 = 0,0001/х2, откуда х2 равно 0,00004 мг/кг или 0,04 мкг/кг, для пробы №2:0,02/0,0025 = 0,0001/х2,откуда х2 равно 0,0000125 мг/кг или 0,0125 мкг/кг.

Таблица 1

Содержание «гептила» в почве через 3 дня

проба оптическая плотность при 415 нм (А2) массовая доля «гептила», мкг/кг (х2)
№1 почва + «гептил» 0,0075 0,04
№2 почва + «гептил» + шунгит 0,0025 0,0125

Таким образом, концентрация «гептила» в почве пробы №2 меньше, чем в почве пробы №1 в 0,04/0,0125 = 3,2 раза

Экономическая оценка затрат показала следующие результаты. Шунгит – дешевый материал, ежегодная добыча которого исчисляется многими тысячами тонн.Прогнозные ресурсы по всем месторождениям составляют около 1 млрд. тонн [9]. Стоимость «сырого» шунгита в Интернет-магазине 80-100 рублей за 1 кг.

Для нейтрализации 2,5 мг «гептила» в данном эксперименте было израсходовано 50 г шунгита, следовательно, на 1,5 т остатка «гептила» в упавшей ступени ракеты потребуется 30 т шунгита, затраты составят 3 млн. руб.В пересчете на 19 запусков с космодрома Плесецк в 2017 году получается это около 60 млн. руб. Это гораздо меньше, чем затраты на ликвидацию экологических последствий от выжигания остатков топлива или обработки хлорной известью «гептилового пятна», после чего почва оказывается «мертвой» в среднем на 20 лет.

Заключение

Таким образом, исследование процесса нейтрализации «гептила» шунгитом, с учетом эффективности его действия, доступности и экономически разумных затрат, доказывает целесообразность применения шунгита в качестве «противоядия» ракетному топливу, содержащему «гептил».

Перспективой развития исследования является разработка конструкции топливного фильтра на основе шунгита, что решит проблему пролива ядовитого топлива и заражения почвы труднодоступных территорий.

Ссылки на источники

1. Терней А. Современная органическая химия. URL: http://bookfi.net/book/470278

2. Греков А.П., Веселов В.Я. Гидразин космический. Журнал «Химия и жизнь», №7. – 1979. URL: http://www.hij.ru/read/hot-topics/heptyl/2707/

3. ГОСТ 12.1.007-76. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности (с Изменениями N 1, 2)URL: http://docs.cntd.ru/document/5200233

4. Мотылев С. Водный гиацинт в гептиловом болоте. Журнал «Химия и жизнь», №11. – 2002. URL: http://www.hij.ru/read/hot-topics/heptyl/2680/

5. Мосин О. Шунгит – природный нанотехнологический материал. URL: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=3304

6. Максименко О. Победа шунгита над гептилом. Журнал «Химия и жизнь», №12. – 2006. URL: http://www.hij.ru/read/hot-topics/heptyl/2468/

7. Смоленков А., Родин И., Шпигун О. Спектрофотометрические и флуориметрические методы определения гидразина и его метилированных аналогов. / Журнал аналитической химии. Т.67, №2. URL: http://naukarus.com/spektrofotometricheskie-i-fluorimetricheskie-metody-opredeleniya-gidrazina-i-ego-metilirovannyh-analogov

8. Струков В., Темердашев З., Шпигун О., Киселёва Н. Способ определения несимметричного диметилгидразина в водных растворах. Патент РФ №2276350, МПК (6) G 01 N 21/78.

URL: http://bd.patent.su/2276000-2276999/pat/servl/servlet543c.html

9. Филиппов М. Шунгитоносные породы Карелии: черная олонецкая земля, аспидный сланец, антрацит, шунгит. – Петрозаводск: Из-во Карельского НЦ РАН, 2004. – 488 с.

Разработка простейшего гранатомета и демонстрация реактивной тяги учащимся

Вывод: в домашних условиях возможно создать макет ракетного двигателя, в устройстве максимально напоминающем боевое оружие.

Научный интерес в экспериментах над типом используемых жидкостей и его количества в применяемом объеме. Навыки работы с электрическими устройствами.

План:

1.Описание реактивной тяги.

2.Примеры в природе.

3.Примеры в технике.

4.Ракетный двигатель.

5.Ручной гранатомет. Принцип работы. Свойства газов.

6.Эксперимент.

7.Вывод

ссылка на проект:

https://drive.google.com/file/d/1gbot7s8cIZhVGpJR4...

ссылка на текст проекта:

https://drive.google.com/file/d/1-_iHXvHlJYXd-8Z4U...

Многим людям не хватает витаминов, микроэлементов, и минеральных солей, особенно в зимнее время. Времени и места на посадку и взращивание высоковитаминной зелени то же не хватает. Почему бы не создать универсальную установку с микроконтроллером , которая сама будет выращивать зелень? То есть пользователь посадил ростки в ячейки установки, и забыл о ней. Для экономии места установку можно поставить в дальний угол квартиры, либо на холодный балкон.

Оглавление

Введение 1. Теоретическаячасть

1.1 Системыглубоководныхкультур

1.2 Техникапитательногослоя

1.3 Системыпериодическогозатопления

2. Практическаячасть

2.1Краткаяхарактеристикаэлементовраствора

2.1.7 Конструированиесистемы

Выводы

Введение

Название «гидропоника» происходит от двух греческих слов: ponos – труд и hydor – вода, и дословно означает «работающая вода». Гидропонику (беспочвенный метод культивирования растений) можно назвать технологией будущего.

Как оказалось гидропоника существовала еще в древности! Хорошим примером является одно из семи чудес света Висячие сады «Семирамиды» или «Аманис» — именно так звали жену Навуходоносора 2 царя Вавилона, ради которой и были построены эти необычные сады в пустыне на берегу реки Ефрат. Сады были обеспеченны искусственной системой водоснабжения из реки обогащенной кислородом и минералами.

Создание оптимальных условий для роста и развития растений обеспечивает получение очень высоких урожаев, лучшего качества и за более короткие сроки- Это и есть преимущество гидропоники над почвой

Актуальность. В современном мире население России испытывает гиповитаминоз

На прилавках магазинов зелень не самого лучшего качества.

Люди, ведущие ЗОЖ сталкиваются со сложностями при выращивание зелени.

Системы гидропоники очень дорого стоят, некоторые люди ,желающие разводить растения на гидропонной системе не могут себе этого позволить.

Цель работы – Создать универсальную гидропонную систему с автоматическим, удаленным управлением.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1.Изучить литературные источники по избранной теме исследования.

2.Сконструировать систему.

3.Написать программное обеспечение для системы.

4.Подобрать наилучшую культуру для выращивания.

5.Подобрать стимулятор роста, безопасный для людей.

6.Создать эффективный гидропонный раствор.

7.Разработать инструкцию по применению системы.

Объекты исследования. В работе было использовано несколько вариантов гидропонных систем.

В основе принципа отбора почвенных конструкций мы исходили из представления о её пригодности для развития растений и способности устойчивого автономного функционирования в течение длительного промежутка времени.

В практической части мы создали питальный раствор, нашли наилучший стимулятор роста, выбрали наилучшие растения. Создали систему, которая способна автономно функционировать и управляться удаленно.

Таблица 1. Подбор наилучшего состава раствора.

на 10 литровраствор 1раствор 2раствор 3
NH4NO30.20.10.5
KNO30.50.30.7
Ca(H2PO4)20.70.41.4
MgSO40.40.20.8
Fe2(SO4)30.060.020.1
H3BO30.010.0090.08
MnSO40.00450.00250.043
ZnSO40.00020.000020.002
CoSO40.00010.000020.001
CuSO40.00020.000020.001
вытяжка из ламинарии1.514
РезультатРастения быстро набирают массу. Гнили растений и цветения раствора замечено не было.Растения растут медленно. Не гниют, раствор не зацвел.Растения на 3 день пожелтели, а раствор зацвел 

Наилучшим стал раствор номер 1.

Поиск наилучшего стимулятора роста.

Таблица 1. Подбор стимулятора роста.

 ускорение ростаценабезопасность использованияСовместимость с составляющими питательного раствора.
корневин-+++
гетероауксин++++
гуминовые препараты+- ( на поздних стадиях развития растения)-++- (раствор темнеет и цветет)
циркон +++- (разлагается под УФ)

По результатам сравнения подошел гетероауксин.

Под эти критерии подошёл гетероауксин.

Преимущества этого стимулятора роста

1. Этот стимулятор вызывает растяжению клеточных мембран, в случае разрыва начинается активное деление клеток, следовательно ускоряет и рост растения.

2. Цена весьма низкая. Всего 15 рублей за упаковку.

3. Это вещество безопасно для людей и животных.

4. Гетероауксин инертен к составляющим раствора.

Конструирование универсальной гидропонной системы.

Гидропонная система состоит из таких узлов конструкции как:

1.Корпус из каркаса и толстой пленки, светоотражающий фольги.

2.Гидропонная система из труб диаметром 110 мм,50 ,32мм, насоса, компрессора, фильтра, сетчатых горшков.

3. Автоматика состоит из системы на ардуино, она отвечает за автономную работу системы (поддержание температуры, влажности, освещения).

4. Система удаленного мониторинга и управления на Расбери пи3. Она сообщается с Ардуино. Температуру , освещение, влажность можно регулировать с любой точки мира, где есть доступ в интернет.

5. Система освещения из лампы ДНАТ (обладает красно-синим спектром), светодиодов красного и синего света, лучшего для жизнедеятельности растений.

6. Система обеззараживания на кварцевой лампе.

Сравнение скорости роста растений в почве и гидропонной системе

Таблица 3. Рост растений в гидропонной системе ( мм сутки).

в нашем растворе
в течении 5 дней
руккола
кресс-салатлистовой салат
длина листа2.5 мм в сутки
4 мм сутки2 мм сутки
длина корня1 мм сутки0.5 мм сутки0.8 мм сутки
цвет листасветло-зеленыйсветло-зеленыйтемно-зеленый

Таблица 4. Рост растений в почве (мм сутки).

в нашем растворе
в течении 5 дней
руккола
(почва)
 кресс-салат
(почва)
листовой салат
(почва)
длина листа1.6 мм сутки 3 мм сутки1 мм сутки
длина корня3 мм сутки 1 мм сутки3 мм сутки
цвет листасветло-зеленый светло-зеленыйсветло-зеленый


Выводы

Мы создали систему, которая способна функционировать автономно с удаленным управлением в течении двух месяцев,

Наш раствор показал высокую эффективность при выращивании зелени.

Из-за истощения нашей плfнеты Земля, очень остро стоит проблема надвигающегося кризиса. а именно- нехватка природных ресурсов в недрах земли. В связи с этим я предлагаю использовать более альтернативный источник энергии- гелий-3. Но для достижения цели на поверхности луны предстоит создать лунную базу. Именно этим я и занимался в своей проектной деятельности

Объявления
Начинается проектный практикум для студентов УрФУ

проектный практикум 2 курса

проектный практикум 3 курса

проектный практикум 4 курса

Молодежный космический форум - 2018 (V Семихатовские чтения)О Форуме-2018 Новое

Школа наставников - 2018 “Как создать проект в новом технологическом укладе” Актуальное

Партнеры:

ИнФО УрФУ - Генеральный партнер в проведении проектной практики в июне-июле 2017 года

Роботология - Российское оборудование для программирования и конструирования роботов

Уральский клуб нового образования - общественная организация, которая разрабатывает и реализует социально-образовательные проекты

Архив событий:

Проектная практика для студентов Института фундаментального образования УрФУСобытие

Молодежный космический форум - 2017 (Четвертые Семихатовские чтения)Конкурс

Выбор темы работы для участия в IV Семихатовских чтенияхО Форуме-2017

Подписка на новости
Контакты

Адрес: г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка 145, к. 1119 (на карте)

Тел.: +7 (343) 355-93-88

info@cosmoport.club