Проекты

Изучение процесса кавитации и возможности практического использования метода кавитации для обезвреживания и преобразования отходов заготовки и переработки древесины в полезную продукцию

Работа призёров конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10-11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1583
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В повседневной жизни люди не задумываются, что при заготовке и переработке древесины, гречки, риса и других зерновых культур, овощей и фруктов образуется огромное количество отходов и о том, что с ними происходит. К отходам растительного происхождения у людей более лояльное отношение, чем к другому мусору. Однако возможности природы переработать отходов жизнедеятельности человека ограничены и с большими объёмами отходов она уже не справляется. При этом наибольший объём составляют отходы заготовки и переработки древесины, которые замусоривают почву, и тем самым ограничивают циркуляцию воздуха и воды, а бактерии, которые «едят» эти отходы, не успевают их перерабатывать.

Выбрав эту тему, мы поставили перед собой цель рассказать обществу об отдельных проблемах накопленных отходов, а также изучить новые возможности, чтобы облегчить «ношу» почве.

Цель

Оценить энергетический потенциал кавитации и её возможности для преобразования накопленных и не перерабатываемых отходов химических производств в строительные смеси и компоненты почвы

Задачи

  1. Оценить опасности загрязнения планеты органическими отходами и обосновать выбор направления исследований.
  2. Изучить воздействие кавитации на природные органические и неорганические вещества, аналоги накопленных отходов Байкальского целлюлозно-бумажного комбината.
  3. Предложить практические варианты обезвреживания и преобразования отходов заготовки и переработки древесины в полезную продукцию.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Кавитационная установка (далее – КУ) — автономный модуль универсального мобильного Технико-технологического комплекса
  • Мерная посуда, универсальный индикатор, дисперсная система, гидрогель
  • Электронные весы

Описание

Этапы работы над проектом с КУ:

Этап 1. Подготовка оборудования и сырья, в т.ч. пробный запуск КУ с промывочной водой, проверка работы электрооборудования и датчиков.

Этап 2. Измерение седиментации исходной древесной муки (и/или другого сырья), заполнение смесительной ёмкости КУ заданным объёмом воды, взвешивание древесной муки, загрузка при предварительном перемешивании, фиксация исходной температуры и рН.

Этап 3. Включение КУ, постепенная загрузка в смесительную ёмкость КУ исходных компонентов в соответствии с технологическим заданием, фиксация температуры по показаниям датчиков каждые 5 мин. и построение кривой нагрева водной суспензии в ёмкости и трубопроводе.

Этап 4. Слив из смесительной ёмкости и трубопроводов КУ кавитированной водной суспензии, охлаждение, измерение рН и седиментации полученного продукта.

Для измерения рН индикаторным раствором жидкость наливают в мерный стакан и добавляют одну или несколько капель индикатора. Раствор изменяет окраску. Цвета раствора сравнивают с индикаторной шкалой и получают значение рН.

Этап 5. Проведена серия экспериментов: реальности воздействия кавитации на водную суспензию древесины и др. веществ, в виде повышения температуры суспензии без внешнего нагрева, стабильности суспензий и изменения рН; оценка стабильность суспензий (гидрогелей); оценка свойства исходных компонентов и водных смесей на их основе; измерение характеристик ВС на КУ в процессе их обработки; удаление воды (сушка на воздухе) из кавитированных суспензий и изучение свойств твёрдых материалов. Обработка полученных результатов.

Как показали расчёты:

  1. Кавитация в ВС древесины и глины проявляется в виде выделения энергии, значительно превышающей аналогичный показатель для воды;
  2. Более 50% выделяемой энергии кавитации поглощается твёрдыми компонентами и, предположительно, расходуется на разрушение межмолекулярных связей;
  3. При разрушении межмолекулярных связей поверхность частиц активируется и в ВС возникают взаимодействия между частицами, образуется достаточно упорядоченная система, которая удерживает воду, а после удаления воды сохраняет свою форму.

Твёрдые материалы из кавитированной древесины, полученные без прессования или сформированные под давлением, обладают высокой пористостью, относительной прочностью, хорошим влаго- и масло поглощением.

Результаты работы/выводы

  1. Впервые получены водные суспензии, гидрогели и отверждённые образцы кавитированной древесины и монтмориллонитовой глины, с содержанием нанотрубок галлуазита около 50%, и изучены их свойства.
  2. Изучены основные признаки возникновения кавитации в водных суспензиях древесины и глины, которая проявляется в повышении температуры реакционной массы в кавитационной установке при отсутствии внешнего нагрева, в изменении рН и стабильности жидких и высушенных образцов.
  3. Показана принципиальная возможность получения самоотверждающихся гидрогелей из компонентов, аналогичных накопленным шламовым и золошлаковым отходам Байкальского целлюлозно-бумажного комбината, методом кавитирования, на примере древесины и глины.

Перспективы использования результатов работы

Полученные результаты могут быть использованы:

  • Для продолжения исследований и создания кавитационных технологий обезвреживания накопленных сульфатных шлам-лигниновых и золошлаковых отходов Байкальского целлюлозно-бумажного комбината;
  • Для переработки кавитированных отходов растительного происхождения в сорбенты нефтепродуктов, в пористые строительные материалы и мебельные детали методами прессования и 3D-печати, а при использовании биотехнологий можно производить жидкие и сухие компоненты почвы для выращивания растений.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Детский Технопарк НИЦ Курчатовский институт

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Призеры открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект — от знаний к практике, от практики к результату»