Проекты

Проект изготовления прибора для измерения состава воздуха на разных высотах

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Машиностроение и транспорт. Робототехника. Информационные технологии. Программирование. Кибернетика. Электроника и приборостроение» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Экология
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1527
Предметы: Физика, Химия
Классы: 10 класс, 8 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 04−05 апреля 2019 года

Актуальность

Крупные заводы, транспортные узлы и электростанции регулярно выбрасывают в атмосферу огромное количество вредных веществ. Среди них пыль (взвешенные вещества), диоксид серы (SO2), диоксид (NO2) и оксид (NO) азота, оксид углерода (CO). Кроме этих веществ, которые являются основными и повсеместными источниками, существуют вещества, специфичные для определённых производств, вроде углеводородов, сероводородов, меркаптанов и несгоревших твёрдых частиц, содержащих бенз(а)пирен, выбрасываемых в атмосферу предприятиями нефтяной промышленности, или формальдегидов, диоксинов, карбамидов, уксусной кислоты, цианистых соединений и иных ядовитых веществ, поступающих в атмосферу с мусорных полигонов.

Мы считаем, что тема своевременного и недорогого контроля за состоянием атмосферы вблизи потенциально опасных объектов является актуальной.

Цель работы: изготовление и испытание универсального БПЛА, который сможет замерить концентрацию различных веществ в воздухе на разных высотах.

Основная проблема, которую мы хотим решить, − это дороговизна замеров на точках выше 50 метров, так как пробы воздуха с такой высоты собираются с помощью вертолётов, эксплуатация которых очень дорогостоящая.

Содержание работы

Согласно документу «РД 52.04.186-89 Руководство по контролю загрязнения атмосферы» пробы воздуха должны собираться регулярно и на различных высотах, таких как 1,5 м, 4 м, 10 м, 20 м,

50 м, 100 м (также возможны заборы проб на высоте 250 м для высотных источников загрязнения (НПЗ) и на больших высотах для специфических исследований, под которыми подразумеваются, к примеру, исследования на высоту выброса опасных веществ, для прогнозирования максимального радиуса загрязнения).

Для забора проб воздуха используют мачты с установленным на них оборудованием и вертолёты для проведения комплексных заборов проб на высотах свыше 50 м.

Отбор проб осуществляется тремя способами:

1.    Путем аспирации (эффект «засасывания», возникающий за счёт создания пониженного давления) определённого объёма атмосферного воздуха через поглотительный прибор, заполненный жидким или твёрдым сорбентом для улавливания вещества, или через аэрозольный фильтр, задерживающий содержащиеся в воздухе частицы. Определяемая примесь из большого объёма воздуха концентрируется в небольшом объёме сорбента или на фильтре. Параметры отбора проб, такие как расход воздуха и продолжительность его аспирации через поглотительный прибор, тип поглотительного прибора или фильтра, устанавливаются в зависимости от определяемого вещества. В среднем время забора проб этим методом длится от 20 мин (минимум), до 24 часов (полное исследование).

2.    Отбор проб воздуха способом заполнения сосудов ограниченного объёма. Для этого через стеклянную (во избежание погрешности измерения за счёт химических реакций атмосферного воздуха со стенками сосуда) ёмкость объёмом от 0,5 до 1 литра прогоняют десятикратный объём воздуха со скоростью от 2 литров в минуту. После ёмкость закрывается и анализируется в специальных лабораториях.

3.    Использование индикаторных трубок. С помощью аспиратора (насоса, если говорить простым языком) через стеклянную индикаторную трубку, наполненную специальным веществом-индикатором, прокачивается 3 500 см3 воздуха со скоростью не менее 100 см3 в минуту (то есть, конечно, можно и с большей скоростью, хоть все 3,5 литра за одну минуту). При этом индикаторное вещество меняет свой цвет в зависимости от концентрации целевого вещества в воздухе. На основе этого цвета и смотрится концентрация. Данный метод чуть менее точный, чем первый, но подходит для любого вещества, в отличие от второго метода.

Созданный прибор будет работать по третьему методу забора проб – на основе индикаторных трубок, так как в таком случае он будет достаточно компактен, чтобы устанавливаться на небольших БПЛА, и прост в эксплуатации.

Выводы

Результатом работы является собранный БПЛА, укомплектованный работающим оборудованием для забора проб воздуха на наличие вредных веществ.

Перспективы использования результатов работы

Ближайшими перспективами дальнейшей разработки темы проекта являются непосредственные исследования атмосферы у потенциально опасных объектов на наличие вредных веществ.

Предположительно измерения будут проведены в июне 2019 г.

В перспективе также − совершенствование прибора и использование метода магнитного резонанса и/или инфракрасной масспектрографии. Основная задача − сделать этот прибор максимально лёгким (не более 500 г) и недорогим.