Стекло - универсальный материал

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

 ОКТЯБРЬСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №54

МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЛЮБЕРЕЦКИЙ МУНИЦИПАЛЬНЫЙ РАЙОН

МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

140060,МО, Люберецкий район,рабочий поселок Октябрьский                                             эл.почта:oktyb.soh_54@mail.ru

микр Западный, ул.Школьная ,д.2                                                                                                                тел. 8(495) 240 91-50

Паспорт проектной работы.

 «Стекло – универсальный материал. Проблема утилизации стекла.»

Авторы  – Быков Максим Сергеевич,     Евстифеев Вадим Павлович,           8 класс «Б»

Научный руководитель – Титова Светлана Борисовна, учитель химии.

Гипотеза:

Убедиться, в том, что стекло является как практичным, доступным и универсальным материалом для использования человеком, так и источником засорения окружающей среды.  

Цель проекта:

     Исследовать  химические свойства стекла, поиск способов утилизации и вторичного использования стекла.  

Задачи проекта:

1. Изучение  истории возникновения стекла. Области применения стекла.
2. Изучение физико-химических свойств стекла, способов получения стекла.
3. Поиск методов и способов утилизации стеклянных отходов.
4. Изучение влияния стекла на обитателей водоёмов.

Материально-техническое обеспечение проекта:

1. Пакет программ Microsoft Office.
2. Компьютер
3. Мультимедиа оборудование.

Оглавление.

1. Введение……………………………………………………………………..3
2. Теоретическая часть…………………………………………………………3
3. Практическая часть………………………………………………………….6
4. Заключение…………………………………………………………………..9
5. Список литературы………………………………………………………….10

Введение.

     Доля стекла в ТБО (твердые бытовые отходы) составляет 20 % , при том, что уровень переработки стеклянного боя очень невелики. По данным Центра маркетинговой компетенции в области чистых технологий маркетинговой группы «Текарт»  актуальность проблемы вторичной переработки стекла заключается в том, что «во-первых, на производство стеклянной продукции требуются огромные энергозатраты. Во-вторых, стеклобой является одним из наиболее сложно утилизируемых отходов (наряду со сталью он может разрушаться десятки лет) и наносит значительный экологический ущерб.

Учитывая весомую долю стеклобоя в общем объеме ТБО — по некоторым оценкам, она достигает 20% (по данным МГУП «Промотходы» только в Москве скапливается до 160 000 тонн стеклобоя в год), возникает необходимость разработки технологий по использованию стекольных отходов».

    Это стало темой нашего исследования, мы решили изучить химические свойства стекла, как измельченное стекло будет изменять кислотную среду в различных растворах, как измельченное стекло повлияет на аквариумных рыбок, изменится ли в аквариуме кислотно-щелочная среда, если вместо песка или гравия поместить на дно стеклянные шарики? Решили найти способы вторичного использования стеклянных отходов. 

Теоретическая часть.

     История стекла насчитывает не одно тысячелетие, из книги М. Свешникова "Тайны стекла" мы узнали, что стекло стало основным материалом для изготовления посуды уже в древнем Египте (5000 лет до н.э.). Египтяне уже тогда перед обжигом, покрывали глиняные изделия песком и содой, чтобы придать ему гладкую поверхность, а «Примешивая к соде и песку другие вещества, египтяне научились приготовлять глазурь разных цветов и оттенков:  голубую, фиолетовую, желтую, пурпуровую, синюю». ^[1]

В настоящее время  стеклом называется «любой материал, который при охлаждении, переходит из жидкого состояния в твердое 

без кристаллизации… Почти всегда изготавливают из неорганических оксидов»^[2].

        Стекло, благодаря своим неповторимым свойствам, за  более  чем 7000 летнюю  историю,  нашло множество областей применения – это

1. Изготовление бытовых изделий, таких как посуда, витражи, зеркала, стеклянные осветительные приборы, фрески, стеклянная мебель
2.  Архитектурно-строительное стекло – пуленепробиваемое стекло, флоат- стекло с высокими оптическими качествами или «Теплопоглащающее стекло – это стекло окрашенное в массе оксидами металлов и имеющее широкую цветовую гамму (голубое, зеленое, серое, янтарное, бронзовое)».^[3]
3. Закалённое стекло – для изготовления выпуклых элементов мебели, огнепреграждающих экранов каминов, эскалаторов, лестничных балюстрад, остекления фасадов. Используется так же - для остекления общественного и промышленного транспорта, мореходных судов, подвижных составов железных дорог.
4. Техническое стекло – для применения в оптике, авиации, космических технологиях, при изготовлении строительной продукции и т.д. 
5. Упаковочный материал.

Широкая  потребность стекла объясняется  неповторимым и своеобразным  сочетанием физических и химических свойств, не свойственным никакому 

другому материалу.

         Без стекла  не было бы обычного электрического  освещения.  Не было найдено.освещения  никакого другого материала для колбы электрической .лам-пы,            который объединял бы в себе такие важные качества, как прозрач-

ность, теплостойкость, механическая прочность, хорошая свариваемость с металлами.  Оптические элементы микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, 

кино и видеокамер и дальномеров в отсутствие стекла  не из чего было бы изго-товить.  Все выше  указанные свойства связаны с тем, что   стекла являются аморфными, а  некристаллическими  материалами. При       комнатной  температуре  стекло  представляет  собой твердый хрупкий материал и обычно остается таким при  повышении  температуры  вплоть  до 400° С. 

Свойства и химический состав стекла

        Химическая стойкость стекла  зависит от состава: большую стойкость обнаруживает стекло, содержащее малое количество щелочных оксидов, оксидов металлов Ia  и IIa групп.

Основные физические свойства стекла:

• прочность – предел прочности на сжатие составляет 500-2000 МПа;
• хрупкость –  относится к идеально хрупким материалам;
• плотность различна и зависит от состава материала. Плотность кварцевого стекла равняется 2200 кг/м3;
• твердость – зависит от количества примесей. Самое твёрдое – кварцевое стекло, наименее твёрдое – свинцовое (хрусталь);
• температура плавления – для силикатного стекла она равняется примерно 425–600°С. При более высокой температуре стекло превращается в жидкость.

        На сегодняшний день стекло является лучшим упаковочным материалом не только для продуктов питания, но и для лекарств, реагентов, различных напитков, соусов и пр. Однако отрицательной стороной этого материала является то, что он очень долго разлагается.

        Опасность стекла для окружающей среды представляет в том, что  

1. Период распада обыкновенной стеклянной бутылки составляет 1 млн.  лет.
2. Одной из характеристик этого материала является хрупкость – это обуславливает опасность стекла  для животных  и  человека – битое стекло имеет острые края, которые легко могут нанести колюще-режущее ранение, а  осколки остаться в ране, извлечь которые, крайне сложно, если стекло прозрачное.
3. Стекло, находящееся в почвенном слое или на поверхности, является препятствием для роста растений, а также для мелких животных.

        Именно поэтому проблема утилизации или вторичной переработки стекла  является  масштабной и по сей день не теряет своей актуальности.

Практическая часть.

Практическая экспериментальная часть основана на экспериментальных данных изучения химических свойств лабораторного стекла.

1. Проведены исследования на взаимодействие стекла с кислотами, щелочами, растворами солей. В течение 4-х недель производились измерения среды растворов, в которых находилось измельченное стекло.

Вывод: Стекло не вступило во взаимодействие  ни с одним из веществ и не изменило  рН растворов. Незначительные изменения рН можно объяснить испарением воды из растворов солей, при добавлении воды до прежних объёмов рН стали показывать прежние цифры. Подтвердилось утверждение о химической стойкости стекла.

2. Нахождение аквариумных рыб в стеклянном аквариуме со стеклянным грунтом.  Измерение рН воды в аквариуме.

Вывод: на изменение кислотности воды в аквариуме стекло не влияет, дискомфорта аквариумные рыбки от стеклянного грунта не было. Возможно использовать стекло измельченное до размеров песчинок, но не пыли,  как добавку к грунту в аквариумы, а более крупные фракции, как элемент декора.

3. Изготовление стекла: для этого нами были рассчитаны массы материалов для получения обычного оконного стекла, расчеты производились согласно уравнению реакции:

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2O + CaO + 6SiO2

- Молярные массы:

М(Na2CO3) = 23•2+12+3•16=106 г/моль

М(СaCO3) = 40+12+3•16=100 г/моль

М(SiO2) = 28+2•16=60 г/моль, m (SiO2) = 6 моль • 60г/моль= 360 г

- Приготовление шихты:  сделали навески компонентов стекла

m(Na2CO3) =10,6 г

m(СaCO3) =  10,0 г

m (SiO2) =   10,6 г

Добавки красители в стекло: оксид меди (II) (0,5-1 г) – голубое окрашивание, оксид железа (III) (1 г) – коричневое  окрашивание, оксид хрома (III) (1-1,5 г) – зеленое окрашивание, оксид марганца (IV)  (0,5 – 1г)– фиолетовое окрашивание.

Тщательное перемешивание компонентов, разделили  получившуюся шихту на 5 частей, смешивание порций с оксидами добавками, пересыпали смеси в тигли, уплотнили пестиками.

- Варка стекла: поместили шихту в тигли в муфельную печь, разогретую до 900◦С

Вывод: подтверждение справочных данных об условиях варки стекла и окрашивания его в разные цвета при помощи различных оксидов.  

4.  Вторичное использование стекла: стекло обладает механической прочностью и плотностью, поэтому его можно использовать в строительстве, в качестве наполнителей бетонных смесей, работа требует аккуратности, чтобы не разбить при укладке слоя бутылок в цементный раствор.  Получается слоеный «пирог» из цемента и стеклянных бутылок, которые экономят расход цемента при изготовлении ленточных  фундаментов под лёгкие конструкции: заборы, парники, сараи и прочее.
5. Измельченное стекло в различные фракции можно использовать в строительстве дорог и мостов: как песочный наполнитель в бетонные конструкции, или добавка к песку в дорожное покрытие; фракция в виде щебня – добавка в слой  щебня в дорожном строительстве;  фракция в виде гравия – добавка к гравию для покрытия обочин дорог.

Заключение.

        Стекло представляет собой на 100% рециркулируемый материал –  после его переработки не остается побочных материалов, которые отрицательно влияют на окружающую среду, его можно использовать как различные добавки к строительным материалам.

        Каждые 1000 кг переработанных отходов экономят более 1000 кг природных материалов, в том числе 200 кг известняка, около 180 кг соды и более 600 кг песка.

        Каждые 10% стеклобоя снижают расход газа на 3%, так как при использовании   только стеклобоя  расход газа на изготовление стеклянных изделий  сокращается  на 30%. ^[4]

В нашей стране для утилизации  стекла  необходимо наладить раздельный сбор твердых бытовых отходов.

        Вторичное использование стекла позволит ежегодно сохранить более 10 000 га земель, которые могли бы стать свалками.

Необходимо увеличить   пункты приема стеклотары.

        Мы подтвердили экспериментально утверждение об особых физико-химических свойствах стекла, способах его изготовления нашли области его применения и вторичной переработки.

         Выражаем благодарность Экспериментальному специальному научно-реставрационному производственному центру - мастерской В. С. Власова   за предоставленную возможность  осуществить экспериментальную часть исследовательского проекта.

Список литературы.

1. М.Свешников "Тайны стекла" Детгиз 1955.
2. П.Утевская "Рассказы о стеклянной ниточке"  Детская литература 1968
3. Сайт: dic.academic.ru Энциклопедия Кольера
4. Сайт: Сборник научно-технических статей «Современные материалы», статья А.Б. Жималова канд. Техн. Наук «Применение стекла в современном строительстве».
5. Учебник «Химия для 8 класса» , В.В. Ерёмина, Н.Е. Кузьменко, А.А. Дроздов, В.В. Лунин изд. «Дрофа», 2012
6.  Учебник «Химия для 9 класса» , В.В. Ерёмина, Н.Е. Кузьменко, А.А. Дроздов, В.В. Лунин изд. «Дрофа», 2012
7. Сайт net-othodov.com статья «Утилизация отходов – давайте заботиться о планете вместе!»