Почуто від природи: “SOS!”

Проект «Зменшення антропогенного впливу на довкілля через модернізацію одноразового посуду» © Чемерис Маргарита (10 клас), 2018 р. 

Aктуальність проблеми. Вельми поширений останніми роками одноразовий посуд,  зокрема, стаканчики для чаю, кави, інших гарячих чи холодних напоїв,  а також для порційного морозива користувачі через брак виховання дуже часто викидають, нехтуючи елементарними правилами санітарії, і тим самим забруднюють довкілля. Ситуацію можуть погіршувати відсутність  або переповнення урн для сміття на вулицях, у місцях проведення масових заходів, біля кіосків, інших місць продажу з низькою культурою торгівлі тощо. Додаткових штрихів до непривабливого вигляду захаращених територій у містах додають пориви вітру, що розкидають навкруги «надбання цивілізації» – одноразовий, переважно пластиковий, посуд: стаканчики, тарілки, пляшки, виделки, особливо коли виїжджають на природу, а точніше, щоби мучити її.

Завдання проекту. Усвідомлюючи усе це, промисловість поступово переорієнтовується на випуск стаканчиків з цупкого картону. Якщо картонний посуд закочується  десь у кущі, то він під дією атмосферної вологи з часом розмокає та  утилізуються біотою так само, як і минулорічне листя. Але не весь одноразовий посуд технологічно легко можна виготовити з  картону. Одними з таких проблемних елементів є пластикові кришки на стаканчики для напоїв і морозива. Виготовити кришечку з картону також дуже складно, через механічні особливості картону. Це значить, що у випадку, коли  після пікніка десь в лісі випадково залишився стаканчик з кришечкою, то через кілька років від стаканчика не залишиться й сліду, тоді як  кришечка від нього ще багато десятиліть, а то і століть,  буде нагадувати лісовим мешканцям про невихованих людей.

Тому було поставлено завдання розробити пристрій, який би функціонально  замінив пластикову кришечку, але  легко б виготовлявся з такого самого картону як і одноразовий стаканчик.

        Кришка-1 Кришка-2 Кришка-3

Гіпотеза. Якщо замінити пластикову кришку стаканчика на захисну конструкцію з картону, то можна зменшити антропогенний вплив на довкілля при збереженні екплуатаційних якостей виробу.

Конструктивне рішення. Після серії експериментів була розроблена конструкція в вигляді розбірного картонного конуса, у який вставляється картонний стаканчик.  Оскільки верхній зріз стаканчика має розвальцований назовні край, то  відстань між двома  кільцями контакту конуса і стаканчика можна вибрати  такою, щоб стаканчик надійно був заклинений у конусі. Людина переміщується з обладнаним таким конусом стаканчиком на потрібну відстань без ризиків розхлюпування назовні його вмісту, потім конус легким поштовхом скидається вниз  не обмежуючи доступ до  стаканчика з напоєм.

                Кришка-4 Кришка-5 Кришка-6

Експериментальна перевірка. Конструктивно конус являє собою паперову секторну викрійку з профільним замком на бокових кінцях викройки. При швидкому перенесенню напоїв, усі вихлюпування рідини із стаканчика потрапляють на внутрішню поверхню конуса і відповідно повертаються назад у стаканчик. При переміщенні стаканчика з гарячими напоями цю конструкцію легко тримати за холодну поверхню верхнього конуса.

         Кришка-7 Кришка-8 Кришка-9

Висновки. Гіпотеза підтвердилась. Запропонована конструкція дешева, проста та зручна в експлуатації. При потраплянні конусного елементу стаканчика у природне середовище, смужка картону швидко переробиться біотою без проміжного виділення токсичних речовин.

Проект «Простий спосіб формування ополонок на озерах для захисту рибних ресурсів від зимового замору» Шира Соломія (10 клас), 2018 р. 

Конструктивне рішення. Пропонується ще осінню чи ранньою зимою розмістити на поверхні озер декілька плаваючих пластикових конусів, що після замерзання поверхні водойми формуватимуть майбутні ополонки. Найкраще для таких цілей підходять непридатні за своїм основним призначенням пластикові відра або тазики з пошкодженим дном. У кожну з таких приготовлених для створення майбутніх ополонок пластикові посудини (дно вирізається повністю) вставляється  пінопластовий поплавок, розміри якого відповідають внутрішньому об’єму конуса,   разом з куском тонкого міцного шнура, один кінець якого незначно опускається у воду, а інший кінець по стінці конуса лягає на  край обода відра чи тазика.

Коли замерзне озеро, вода у пластиковому конусі також замерзне. Але за рахунок того, що лід дуже погано прикріплюється до пластику, льодяна пробка в конусі ніяк не буде держатись за основну товщу ободу і дуже слабко за стінки конуса. Тому таку льодяну пробку буде дуже легко вийняти і таким чином налагодити контакт води з атмосферою.

          Шира-1 Шира-2 Шира-3

А допоможе цьому шнур, який вмерзне у льодяну пробку. Достатньо буде потім легко смикнути за шнур, як він висмикне пробку з конуса.

                         Шира-4 Шира-5

Експериментальна перевірка. Перш, ніж приступити до випробовування нового способу формування ополонок  безпосередньо на водоймі, були проведені кілька серій дослідів у лабораторних умовах на макетах.

Оскільки експерименти проводилися влітку, то замість льоду було використано парафін, який у розплавленому стані виливався на поверхню води таза (дно якого, звісно, не вирізалося). Після застигання парафіну на поверхні води він легко висмикувався з пластикового конуса. Чим більшим був кут нахилу конуса, тим легше з нього висмикується парафіновий корок.

       Шира-6 Шира-7 Шира-8 Шира-9  

Шира-9аВипробовування на озері. Перед очікуваними заморозками на поверхні озера у с. Гряда під Львовом було розміщено пластиковий тазик без дна  з вставленим в нього шнуром. 

Коли поверхня озера вкрилась льодом, одним рухом, практично без зусилля,  льодяний корок також без жодних труднощів легко висмикувався з конуса.

Висновки. Пропонований простий спосіб  формування ополонок взимку на водоймах було випробувано в реальних умовах на озері. Розміщені на воді легкі пластикові матриці з непотрібних для вжитку відер і тазиків конічної форми після замерзання поверхні води  належно розділяють утворений лід, буквально вирізаючи у ньому конічні корки.  За допомогою заздалегідь покладеного на конічну поверхню (як перегородку) шнура можна легко висмикнути утворений льодяний корок. При достатній довжині шнура корок  висмикують безпосередньо  з берега, не заходячи на небезпечний лід. Встановлення декількох таких пластикових форм для утворення ополонок сприятиме зменшенню гіпоксії на водоймах  і захисту рибних ресурсів у зимовий період від замору, а також буде корисним  для любителів  підлідної риболовлі. 

Науково-дослідницький  проект «Спосіб захисту ґрунтових вод від забруднень сміттєзвалищами» – © Іващишин Ярина (8 клас), 2016 р.

ВСТУП. Одним з наслідків прогресуючої урбанізації є лавиноподібне накопичення у містах різноманітних промислових і побутових відходів. Людям хочеться купувати товари в гарних, зручних і надійних упаковках, але як тільки товар буде вилучений зі своєї тари, вона майже завжди стає непотребом і викидається на смітник. Відтак виникає парадокс: чим вищі споживчі якості  упаковки товару, тим складнішою, а часто технологічно неможливою або економічно недоцільною стає її утилізація. При сучасному малозатратному роботизованому виробництві побутових товарів дешевше купити новий виріб, ніж ремонтувати старий, для якого залишається тільки один шлях  – на полігон побутових відходів.

Проблема розміщення побутових відходів на звалищах і полігонах ускладнюється низькою швидкістю розкладання окремих речовин, частка яких у здавалося би доволі «безневинних» типових побутових відходах є за різними джерелами досить значною (гума, шкіра та деревина – 8,1%; скло – 8,2%; метали – 8,7%; папір та картон – 41%). Сумарна частка  лише цих компонентів складає дві третини від усієї маси побутових відходів, тоді як харчові відходи – лише 7,5% [2].

Закон «Про основні засади (стратегія) державної екологічної політики України на період до 2020 року» прямо починається дуже тривожними словами: «Антропогенне і техногенне навантаження на навколишнє природне середовище в Україні у кілька разів перевищує відповідні показники у розвинутих країнах світу», і далі підкреслюється, що наслідком такої ситуації є те, що тривалість життя в Україні становить у середньому близько 66 років, тоді як у Швеції – 80, а у Польщі – 74 роки [4].

Для зменшення негативного впливу відходів на довкілля використовуються  різні методи роботи з ними: складування; захоронення; спалювання; механічне, хімічне, фізико-хімічне та біологічне очищення від шкідливих речовин. Але яким би не був спосіб переробки відходів, важливу роль відіграє їхнє сортування. Популярна японська система роботи з побутовим сміттям “нумазду” передбачає його сортування на три фракції – те, що можна спалити, що потрібно утилізувати (пляшки, банки, ганчірки тощо) і так звані викидні відходи.

Роздільний збір відходів  дозволяє хоча б частину їх   повторно переробити на сировину для нової продукції. Звісно, що така переробка є дуже затратною, вже на стадії транспортування відходів.   Адже необхідно  окремо збирати різні побутові відходи по 4-6 позиціях. Далі різними машинами або різними рейсами однієї і тієї ж машини і також окремо вивозити зібрані відходи в різні цехи сміттєпереробного заводу. Система тотальної  та глибинної  переробки побутових і промислових відходів по силам лише найбільш розвиненим країнам. У решті ж держав ще довго вивозитимуть сміття на заміські звалища і полігони.

1. Актуальність і мета проекту. Складування відходів на таких сміттєприймачах є екологічно найбільш недосконалим, хоча найдешевшим  способом порятунку від них. Токсичні стоки звалищ забруднюють ґрунтові води, а через них і ріки. Полігони та особливо звалища є також потужними джерелами забруднення атмосфери і самих ґрунтів, у певному сенсі це – своєрідні біохімічні реактори, у яких утворюються різні токсичні фільтрати, галогенопохідні та  вибухонебезпечні гази, діоксини, хлорид водню (у твердих побутових відходах міститься до 10% пластмас, в тому числі хлорованих полімерів)  з періодичними викидами в атмосферу і самозайманням, розвиваються хвороботворні мікроорганізми [12].

Ще однією проблемою полігонів є їх велика площа, яка не дозволяє закрити сміття від атмосферних опадів.  Наприклад,  площа Львівського міського полігону твердих побутових відходів поблизу с. Грибовичи біля Львова, який офіційно функціонує з 1959 р,  за різними даними складає від 33,3 до 45,3 гектарів [3].

Після кожного дощу  в ґрунтові води полігону потрапляє величезна кількість отруйних речовин найширшого спектру дії. Можна уявити собі дію дощової води як розчинника отруйних речовин на такій значній території. Крім цього,  фільтратні стоки полігонів і звалищ, що накопичуються у землі та взагалі є основним джерелом забруднення ґрунтів, внаслідок значних атмосферних опадів спричиняють переливання фільтрату і  потрапляють в інші  об’єкти довкілля. У тілі того ж Львівського полігону знаходиться, за різними  оцінками,  12-15 мільйонів тон відходів, у тому числі  2 мільйони тон небезпечних (токсичних) відходів 1-4 класу небезпеки [3].

Грунт-води-2

                                                                                        Фото 1. Карта-схема розташування Львівського полігону твердих побутових відходів

Крім цього, у процесі метаболізму, тобто анаеробного бродіння органічної складової накопиченого сміття, у тому числі і токсичних відходів, відбувається утворення так званого звалищного інфільтрату, до складу якого, окрім органічних сполук (нафтоподібних речовин, сильфонових і жирних кислот тощо), входять практично усі важкі метали, що знаходяться у смітті, а також нітрити, нітрати, амонійний азот, сульфати, хлориди [2].

Оскільки на полігоні у Грибовичах понад 20 років розміщалися токсичні відходи 1-2 класу небезпеки (Cd, Pb, Zn, Cr, Ni, Cu, Co), інфільтрат тут сильно відрізняється від складу так званого «класичного» інфільтрату, що  утворюється на полігонах лише твердих побутових відходів. На цьому  звалищі загальне солеутримання досягає 14-17 г/дм3; сульфати складають 67 ГДК, загальне залізо – 1700 ГДК, хлор – 12-13 ГДК, ртуть – 2500 ГДК, амонійний азот – 203 ГДК, кадмій – 500 ГДК, цинк – 102 ГДК, свинець – 17 ГДК, нікель – 12 ГДК [2-3]. Також ці інфільтрати відзначаються підвищеною кислотністю і великим вмістом бактеріальній фази.

Надто вже оптимістичними є директиви Закону  про державну екологічну політику України (позиція «Відходи та небезпечні хімічні речовини»): 1) забезпечення до 2020 року зберігання у повному обсязі  побутових відходів міст з населенням не менш як 250 тисяч осіб на спеціалізованих та екологічно безпечних полігонах; 2) збільшення до 2020 року в 1,5 рази обсягу заготівлі, утилізації та використання відходів як вторинної сировини, і це при тому, що повторну переробку проходить лише 3,5% відходів [4].   Заклик у Законі до «запровадження новітніх технологій утилізації твердих побутових відходів»  звучить трохи пафосно і дивно,  якщо у першому ж розділі цього Закону знову констатується та сама мізерна цифра: «… лише близько 3,5 відсотка твердих побутових відходів спалюються на двох сміттєспалювальних заводах у містах Києві та Дніпропетровську». І зовсім вже не до пафосу, коли зазначається, що обсяг вивезених твердих побутових відходів збільшується щороку майже на 4 мільйони кубічних метрів, що 5,8% сміттєзвалищ є перевантаженими, а 28,5 %  звалищ не відповідають нормам екологічної безпеки [4]. Автори, напевно, забули задекларувати спочатку необхідність спорудження мережі сміттєпереробних заводів в Україні для виправлення ситуації.

2. Матеріали і методи дослідження. А поки що виходить, що  єдиним способом захистити територію навколо полігону побутових відходів від зараження отруйними радикалами та важкими металами є фільтрація  підземних вод.

Грунт-води-3

                                                                            Рис 1. Дощова вода переносить розчинний вміст звалища до навколишніх водойм і криниць

Якщо вважати, що товщина шару інфільтрату між дном полігону і тілом сміття коливається в межах  від 1 до 4 метрів,  то при площі полігону близько 36 га  інфільтрат досягатиме одного  мільйона тон.  Інфільтрат частково стікає по дренажному каналу до фільтрозбірніків,  загальний об’єм яких складає 4000 м3 [1]. Решта йде просто в землю, товща якої вбирає у себе усі ці отруйні наслідки цивілізації.

Оскільки ґрунти під тілом полігону, що мають досить високий коефіцієнт фільтрації, знаходяться під великим тиском загальної маси сміття та інфільтрату, то посилює як вертикальне, так і горизонтальне поширення забруднення.

Тому для вирішення проблеми захисту ґрунтових вод від забруднень сміттєзвалищами пропонується навколо полігону викопати  траншеї і заповнити їх активованим вугіллям як фільтруючим компонентом.

Грунт-води-4

                                                                         Рис 2. Глибока траншея з активованим вугіллям фільтрує ґрунтові води, що витікають з полігону

Звісно, що для великих полігонів потрібні сотні і тисячі тон такого адсорбенту.   Сучасна промисловість здатна продукувати і такі кількості активованого вугілля, але воно  буде надто дорогим.

Грунт-води-5

                                     Фото 2.  Фрагмент рекламної інформації про піч китайського виробництва, що  переробляє  органічні відходи в активоване вугілля

Робоча гіпотеза проекту полягає у тому, що можна використовувати в якості сировини для одержання практично безкоштовного активованого вугілля органічні відходи, які у величезних кількостях і повсюдно завозяться на звалища, тим більше, що висока концентрація у них вуглецевмісних матеріалів (паперу, поліетилену, пластиків, дерева  тощо) дозволяє налагодити відповідний  технологічний процес.

Зрозуміло, що через наявність у органічних відходах різного роду включень, отримане з них вугілля не можна використовувати  у фільтрах питної води чи очищення повітря, але для фільтрації стоків у ґрунти таке вугілля є цілком придатним.

Грунт-води-6

                                                                   Рис. 3. Наявність в деревині металевих включень лише трохи зменшить вихід готового продукту

3. Проектно-аналітична частина наукової роботи. Спалювання органіки у печах безпосередньо на полігоні побутових відходів  способом, який,  до речі,  також розроблений у науково-дослідній лабораторії Ресурсно-методичного центру науково-дослідницьких технологій Львівського технологічного ліцею, дозволяє одночасно вирішувати завдання безпосередньої і безпечної термопереробки сміття у печі, робота якої забезпечується тим самим сміттям як паливом. Звичайно, що одержане таким чином активоване вугілля як кінцевий продукт горіння  матиме певний відсоток різних закам’янілих включень  та інших сполук, але воно цілком буде придатним в якості траншейних фільтрів по периметру полігону.

Грунт-води-7

                                                                               Рис. 4. Весь процес отримання активованого вугілля сконцентрований в одному місці

З часом активоване вугілля, поглинувши певну кількість небезпечних речовин, безперечно втратить свої очисні функції. Тому проектом передбачено після формування першого кола траншей з активованим вугіллям створення  додаткових, зокрема, паралельних    ліній аналогічного захисту ґрунтів від небезпечних  стоків. Ці траншеї певним чином нагадують глибоко ешелоновану оборону. І це дійсно так, адже ворог сильний у наступі і дуже небезпечний за своїми руйнівними діями на довкілля. Пропонований спосіб забезпечує достатньо надійну фільтрацію ґрунтових вод, що витікають з-під сміттєзвалища.

Грунт-води-8

                                                                                                                       Рис. 5. Формування мережі фільтруючих траншей

Грунт-води-9

                                                                                 Фото 4. Орієнтовний план траншей навколо Львівського полігону твердих побутових відходів

4. Результати проведених експериментів. Для експериментальної перевірки можливості очищення ґрунтових вод від забруднень сміттєзвалищами було вирішено використати  активоване вугілля, що було одержане у лабораторії  з обрізків деревини. У посудину разом з виготовленим активованим вугіллям була налита вода, яку  набрали просто з калюжі на одному з стихійних сміттєзвалищ. Вугілля просочувалося впродовж двох тижнів. З метою моделювання реального складу вмісту сміттєзвалищ до розчину було  додано використані батарейки, по декілька грамів фосфатних пральних порошків і засобів побутової хімії з вмістом сполук на основі хлору, тобто продубльовано дії людей, які скидають докупи різні побутові відходи.

       Грунт-води-10 Грунт-води-11 Грунт-води-12 Грунт-води-13

          Фото 5-8. Формування розчину для просочування активованого вугілля. Підготовка проб для аналізу на предмет наявності у них хімічних елементів

Проби з таким карболеном було здано на аналіз у випробувальну лабораторію «ЕКОХІМСЕРТ» (НДЛ-113) Національного університету   «Львівська політехніка». Відповідно до протоколу від 17 листопада 2016 року проведені послідовні заміри на предмет виявлення у пробах масової  частки (у %%) хімічних елементів для використаного в якості фільтра активованого вугілля показали такі результати: 14Si – 3.411±0.166; 15P – 2.050±0.227; 16S – 5.929±0.159; 17Cl – 11.714±0.158; 25Mn – 0.757±0.067; 26Fe – 4.959±0.093; 29Cu – 0.350±0.022; 30Zn – 0.651±0.023; 38Sr – 0.143±0.032; 40Zr – 0.106±0.030; 82Pb – 0.887±0.056.

Навіть побіжний і поверховий аналіз одержаних результатів чітко зафіксував високі адсорбуючі якості активованого вугілля, адже наш фільтр затримав у собі свинець і цинк від гальванічних елементів, фосфор і хлор побутової хімії, кремній (пісок) і сірку з калюжі.

В даний час проводяться  додаткові лабораторні дослідження для проб води, взятих на аналіз безпосередньо  з стихійного сміттєзвалища, а також проб цієї ж води,  але  яка вже пройшла через вугільні фільтри, для визначення у них вмісту хімічних елементів, що складають загрозу для довкілля через насичення ними водоносних шарів у ґрунтах.  Але і проведені експерименти переконливо підтверджують доцільність використання активованого вугілля,  що можна одержувати при спалюванні сміття не як непотрібний шлам, а як цінний продукт для подальшого ефективного використання в якості майже безкоштовного фільтра, який можна засипати у захисні траншеї для запобігання потрапляння токсичних речовин у ґрунти.

Висновки. Робоча гіпотеза підтвердилася повністю. Проект технологічно реальний, економічно надзвичайно вигідний, не потребує складного обладнання при його реалізації. Через наявність величезної кількості токсичних речовин промислового походження на Львівському полігоні твердих побутових відходів, на нашу думку,  доцільно перевести це сміттєзвалище до категорії полігонів захоронення небезпечних промислових відходів з відповідною для таких категорій об’єктів рекультивацією.

Список використаних джерел

1. Волошин П. К. Оцінка санітарно-гігієнічного стану водних об’єктів у сфері впливу Львівського полігону твердих побутових відходів // “Ресурси природних вод Карпатського регіону”//, Львів, 2006р.

2. Гайдін А. М. Комплексне вирішення проблеми Львівського сміттєзвалища / А. М. Гайдін, В. О. Дяків, І. І. Зозуля // Сотрудничество для решения проблемы отходов: сборник 4-ой международной конференции. – 31 января – 1 февраля 2007 г.; Харьков. – Х., 2007. – С. 224-227.

3. Гутін О., Гвоздевич О., Яковенко М., Кульчицька-Жигайло А., Герльовський Ю. Вміст важких металів у поверхневих і стічних водах та ґрунтах Львівського сміттєзвалища. Ресурси природних вод Карпатського району (проблема охорони та раціонального використання ). Четверта міжнародна науково-практична конференція, Львів// 2005 р.// с. 22-28.

4. Закон України «Про Основні засади (стратегію) державної екологічної політики України на період до 2020 року» № 2818-VI від 21.12.2010 [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://zakonl.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cgi?page=l&nreg=2818-17.

5. Закон України «Про охорону навколишнього природного середовища» від № 1264-ХП 25.06.1991 із змінами та доповненнями [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://zakonl.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cgi?nreg=1264-12.

6. Звіт про дослідження екологічного та санітарно-гігієнічного стану територій, прилеглих до Львівського полігону твердих побутових відходів. ВАТ «Геотехнічний інститут» // Львів 2006р.

7. Кашковский В. И. Сточные воды свалок твердых бытовых отходов: проблемы, решения / В. И. Кашковский, В. В. Войновский // Сотрудничество для решения проблемы отходов: междунар. Конференция. – Харьков, 2009. – №5. – С. 39–45.

8. Макарчук В.В., Волынкина Е.П., Волынкин . Свалки твердых бытовых отходов – источник бактериологического и химического загрязнения окружающей среды.// 1-ая Международная конференция “Сотрудничество для решения проблемы отходов” //Харьков. 2004 г.// с. 91-95.

9. Утилізація дренажних вод полігонів твердих побутових відходів / Мальований М.С., Малик Н.Ю., Рошко В.В. // I-й Всеукраїнський з’їзд екологів: міжнар. наук.-техн. конф., 4-7 жовтня 2006 р.: тези допов. – Вінниця, 2006.

10. Саратов В. Україна не має права на помилку у сфері поводження з твердими побутовими відходами / В. Саратов // Житлово-комунальне господарство. – 2013. – №4. – С. 32-35.

11. Управління відходами: вітчизняний і закордонний досвід / За ред. О. І. Бондаря. – К.: Айва Плюс ЛТД, 2008. – 196 с.

12. Свалка как возбудимая среда / В. А. Вавилин, Л. Я. Локшина, А.Н. Ножевникова, С. В. Калюжный // Природа, 2003. – №5. – С. 54-60.

Проект «Покращення екології Чорного моря» – © Лагоцька Анастасія (11 клас), 2016 р.

Актуальність завдання. До численних проблем Чорного моря належить й те, що його верхні шари товщиною 100-200 метрів є багатими на кисень, але бідними на мінеральні речовини. Натомість у нижніх шарах багато мінеральних речовин, але бракує кисню, що спричиняє переривання природного кругообігу сірки вже на стадії сірководню, який отруює море на глибинах понад 200 метрів. Дефіцит сірки у верхніх шарах ускладнює формування білків у живих організмів, а на значних глибинах надлишок сірки вбиває живі організми.  Оскільки природнього водообміну між шарами води не існує, було поставлено завдання налагодити його за допомогою технічних засобів, у цьому полягала мета проекту.

            Ч-море-1     Шкала соленості

Фізичні основи організації вертикальних течій. Зазначимо, що використання електричних чи механічних помп для формування вертикальних течій у Чорному морі на даному етапі розвитку техніки є утопією через колосальні проблеми з підведенням електроенергії або палива до помп, які потрібно буде розмістити по усій  акваторії моря, тому розглянемо можливість  формування таких течій, використовуючи енергію самого моря.

Суттєво нелінійна залежність густини води від температури і соленості виявляється з  «Міжнародного рівняння  стану EOS-80».  Втім, для нашого проекту цілком буде досить наближених  табличних даних,  взятих з «Практичної шкали соленості PSS-78» у стандарті GSSSD 76-84.

Теоретичні розрахунки. Припустимо, що ми влітку знаходимось практично в центрі Чорного моря, де сірководневий шар знаходиться на глибині 100 метрів,  з температурою  8оС і густиною 1013.957 кг/м3 , а на поверхні моря буде насичена киснем вода з температурою 24о С і  густиною 1010.827 кг/м3. На глибині 100 метрів набираємо у ємність 1 м3 води і швидко, так щоб не встиг відбутися теплообмін, підімемо її на поверхню моря. Очевидно що: 1013.957 – 1010.827 = 3.130[кг]. А це значить, що відносно поверхневої води, 1 кубічний метр глибинної води набуде мінусової плавучості і для того, щоб цей кубометр підняти з глибини, потрібно виконати роботу:  A = mgh= 3.130 * 9.8 * 100 = 3064.4 [Дж].

Якщо тепер змішати цей кубометр внутрішньої води з кубічним метром поверхневої води, то отримаємо два кубічні метри води з температурою 16о С   і відповідною густиною 1012.718 кг/м3. Очевидно, що: 1012.718-1010.827 = 1.891[кг]. Один кубічний метр такої змішаної води буде відносно довколішньої поверхневої води мати мінусову плавучість у 1.891 кг. Але, оскільки ми маємо 2 м3 такої води, то: 1.891 +1.891 -3.130  = 0.742  [кг]. Тобто сумарна  мінусова плавучість змішаної води на 742 грами більша, ніж мінусова плавучість  її складових поокремо. Це значить, що при опусканні цієї води на 100 метрів вона виконає роботу: А2= 3.782 * 9.8 * 100 = 3706.4 [Дж]. В ідеалізованих умовах, без урахування   тертя і нелінійних факторів залежності густини від тиску, ми ще й отримаємо 642 Дж додаткової механічної енергії: 3706.4 -3064.4 = 642  [Дж].

Зрозуміло, що   не вдасться опустити  воду з густиною 1012.718 кг/м3 безпосередньо на ту саму глибину 100 метрів,  тому воду як і раніше підніматимемо з глибини 100 метрів, але додамо до неї лише ¼ частину теплої зовнішньої води. Тоді ми отримаємо воду з температурою лише в 9 градусів і густиною в 1013.842 кг/м3. Вирахуємо її мінусову плавучість: ( 1013.842 – 1010.827 )  * 1.25  = 3.769[кг]. А тепер порівняємо її з плавучістю піднятої води: 3.769 – 3.130 = 0.639[кг]. При такій різниці має місце суттєвий виграш у механічній енергії та існує можливість опустити змішану воду під самий термоклін, що власне і є метою нашого проекту.

Зрозуміло, що у реальних умовах ніхто не буде піднімати-опускати воду бочками, тому для змішування глибинної і поверхневої води було розроблено спеціальний  змішувач.

Розробка конструкцій змішувачів. Спочатку було спроектовано поршневий змішувач, у якому  рухом поршня створюється початкове розрідження у змішувальній камері, яке дозволяє подати до неї глибинну воду з-під термокліну, паралельно додаючи у камеру дозовану частку теплої поверхневої води. При змішуванні потоків виросте їх мінусова плавучість, і після перемикання системи клапанів утворена суміш  випускається назад у глибину. Енергії від її опускання буде досить для забезпечення неперервності роботи поршневого змішувача. Однак дискретний поршневий змішувач є не достатньо надійним через необхідність постійно перемикати клапани, які працюють у морській воді. Тому було висунуто нову ідею: створити  турбогвинтовий змішувач, принцип дії якого дещо подібний до  принципу дії авіаційної турбіни.

           Ч-море-2 Ч-море-3 Ч-море-4

Конструкція турбогвинтового змішувача. Принцип дії змішувача, який утримується поплавком (7), дещо подібний до принципу роботи авіаційної турбіни. У нашому випадку турбіна (1)  водяної помпи втягує глибинну воду по термоізольованій трубі (2) у камеру (3), де вона змішується з поверхневою водою. Пропорція змішування регулюється заслінкою як дозатором (4). Далі суміш глибинної і поверхневої води термоізольованою трубою (5) опускається  до термокліну. При цьому потік води, що опускається, приводить у рух гвинт турбіни (6), що знаходиться на одній осі з турбіною (1) і таким чином приводить її в дію. Тобто енергія води, що опускається через зв’язку турбін (6) і (1) витрачається на підйом води з глибини, і це робить процес  неперервним.

Одразу слід зауважити, що тут жодним чином не йдеться про якийсь Perpetuum mobile, оскільки маємо в якості джерела енергії використовується Сонце, яке прогріває верхні шари води. Без створеного Сонцем градієнту температур і відповідно густин води система працювати не буде.

Висновки. Використовуючи фізичне явище нелінійної залежності густини води від температури, можна налагодити вертикальну циркуляцію води у морі без використання зовнішніх джерел енергії. Створення вертикальних течій води дає змогу змішувати шари води, що багаті киснем, з багатими на мінеральні речовини шарами морської води, внаслідок  підвищиться біологічна продуктивність верхнього шару Чорного моря  та опуститься рівень сірководню до менш загрозливих глибин.

Запропонована конструкція змішувача може бути виготовлена навіть в умовах домашньої майстерні. У подальших дослідженнях потрібно провести більш детальні розрахунки стосовно роботи змішувача, а також  натурні експерименти безпосередньо в акваторії Чорного моря, з прив’язкою до конкретних місць та  урахуванням сезонних особливостей на території випробувань.

Науково-дослідницький проект «Методика зменшення викидів в атмосферу сміттєспалювальними засобами» © Чемерис Маргарита (9 клас), 2016 р.

Актуальність дослідження. Однією з постійних ознак буття людини в сучасному світі стало високе техногенне навантаження на довкілля, у тому числі, потужні викиди в атмосферу від різних  видів господарської діяльності.  Катастрофічно зменшують вміст кисню в атмосфері транспортні засоби. За одну тисячу км пробігу легкового автомобіля спалюється річна норма  споживання кисню людиною, і дуже значна цифра, оскільки лише за добу людина  у середньому споживає 500 л кисню на добу.

Відчутно потерпає природа й від сміттєзвалищ і полігонів твердих побутових відходів (ТПВ). Безгосподарність призвела до того, що Львівщина належить до чотирьох областей України з найвищими показниками накопичення відходів, Грибовицьке сміттєзвалище потрапило до числа ста найбільш екологічно небезпечних об’єктів  держави [5]. В Україні більше 7 тис. га земель вилучено з господарського обороту для облаштування полігонів і звалищ, на яких накопичено більше 1 млрд. м3 відходів [7].

Попри скорочення обсягів  виробництва кількість відходів не зменшується, через зростання побутової складової у загальній їх масі, особливо частки пластикових предметів одноразового використання. Відсутність коштів і технологій утилізації спричиняє те, що ТПВ спалюють відкритим способом безпосередньо на звалищах, від чого в атмосферу потрапляють небезпечні газоподібні викиди.

Спалювання як  кардинально прискорений процес природного окислення сміття без  стадії природного розпаду складних органічних сполук формує отруйні радикали. Внаслідок тільки тління сміття на звалищах і полігонах у повітрі лише в зоні тління вміст метану та оксиду вуглецю досягає 2 ГДК, аміаку -11 ГДК.  А при загорянні відходів концентрація токсичних компонентів зростає у десятки і сотні разів, при значному розширенні їх переліку: оксид вуглецю (49 – 150 ГДК), оксид сірки (40 – 200 ГДК), оксид азоту (до 50 ГДК), метан, аміак (9 ГДК), бензол (42 ГДК), флуорен, фенантрен, антрацен, етан, етилен, пропан, пропілен, норм-бутан. У відібраних пробах повітря було виявлено  цілий ряд органічних сполук класу фенолів, заміщених нафталінів, заміщених фенантренів, аліфатичних та ароматичних вуглеводнів [11].

Викиди твердих часток попелу і газів під час пожеж серйозно не лише забруднюють атмосферу безпосередньо на звалищі. Пил з отруйними речовинами поширюється у повітрі на значні відстані,  погіршує проникнення  світла і природний тепловий баланс на великих територіях, тобто  займання набуває усіх ознак місцевих техногенних катастроф.

Майже всі забруднювачі можуть вступати між собою в реакції, утворюючи ще сильніші високотоксичні сполуки. У поєднанні з туманом це явище отримало назву фотохімічного смогу.  Хоча атмосфера має певну здатність до самоочищення  внаслідок розпорошення у повітрі та осідання твердих частинок під впливом сили гравітації, випадання їх  на землю з опадами, проте в атмосферу сьогодні надходить настільки багато забруднювальних речовин, що природа фактично безпорадно волає парниковим ефектом, руйнуванням озонового шару, кислотними дощами і  потужним  смогом.

Споживаючи все більше природних ресурсів за допомогою все більш досконалих технічних засобів, людство значною мірою фактично підірвало природні умови власної життєдіяльності. У результаті спалювання тільки палива відсоток вуглекислого газу в атмосфері збільшився за останні 30 років на 25-30%, що вже у нашому столітті призведе до підвищення середніх температур на 1,5-2°С, тобто до глобального потепління, танення льодовиків, підняття рівня Світового океану і розширення зони пустель [1].

Забруднення важкими металами спричиняє відчутне погіршення умов існування і здоров’я людини. Особливо токсичними є хром, миш’як, нікель, свинець, молібден, кадмій, ртуть, талій. Не менша шкода й від діоксиду сірки, що викидається при природному горінні в атмосферу, звідки ця сполука потрапляє в ґрунти з подальшим утворенням в них сірчаної кислоти та сульфатів, надзвичайно згубних для рослинності, самих ґрунтів і  водойм.

В наших умовах за браком коштів та відсутності інвестицій у будівництво потужних сміттєпереробних комплексів єдиним виходом на даний час залишається спорудження мобільних міні-заводів для спалювання сміття безпосередньо на облаштованих полігонах. Для України у цьому плані добрим прикладом ефективного вирішення проблеми боротьби зі сміттям може бути Франція, де майже в усіх містах є спеціальні сміттєспалювальні засоби з обов’язковим попереднім сортуванням побутових відходів.

Адже те, що собі можуть дозволити, наприклад, США, а саме,  завантажувати сміття на кораблі і спалювати його в океані,   подалі від рідних берегів, Україні не під силу, не кажучи про морально-гуманістичні аспекти такого підходу.

                                                               Марго-дим-1

                                                                            Фото 1.   Грінпіс б’є на сполох, привертаючи увагу до корабля-сміттєспалювача «Вулкан-2»

Звичайне спалювання сміття спричиняє шкідливі викиди в атмосферу, запобігання яким потребує облаштування труб для виходу диму складними фільтрами та устаткуванням для адсорбції важких металів, інших хімічних елементів і токсичних  сполук.

Робоча гіпотеза проекту. В якості фільтрів для димових викидів доцільно використати активоване вугілля, яке можна одержати від спалюваного у печах ТПВ, що містять більше 40% картону, паперу та іншої вуглецевмісної органіки.  Сміття, що є паливом для роботи печі, після згоряння перетворюється спочатку у деревне, а потім (при різкому зменшенні подачі кисню) в активоване вугілля,   яке вбиратиме у себе отруйні гази, вільні радикали та  інші шкідливі речовини.

Звісно, непогано було б облаштувати сміттєспалювальні мобільні міні-заводи, простіші засоби і навіть печі у прилеглих до полігонів зонах, аде для цього потрібне якісне сортування сміття для подальшого спалювання, чого при об’ємах подачі його кубометрами за хвилину гарантувати поки що не можуть ані люди, ані промислові роботи. Наявні системи роздільного збирання сміття лише спрощують, а не вирішують  його сортування.  Фільтрування ж усього спектру речовин у димі, що виходить з труб сміттєспалювального заводу, має настільки високу вартість, що встановлювати для цього відповідне устаткування та експлуатувати його не можуть собі дозволити і не витримують місцеві бюджети міст навіть найрозвиненіших країн світу.

Вирішення проблеми. Пропонується проста та ефективна ідея пропускати димові гази через готовий вугільний фільтр, фільтрувальний елемент якого є фактично безкоштовно одержаним продуктом від згоряння сміття. Якщо такий  карболен забиратиме з потоку навіть 90% димових газів, то проект безсумнівно стане економічно вигідним і технологічно доцільним.

Активоване вугілля можна  одержати з будь-якого деревного вугілля, яке в свою чергу може бути отримане з будь-якої біомаси як промисловим (рис.1), так і примітивним кустарним способом, а подальша його активація полягає у продуванні в камері струменем перегрітої пари.

                                                                        Марго-дим-2

                                                                                      Рис.1. Макет промислового устаткування для одержання активованого вугілля

Для експериментальної перевірки робочої гіпотези проекту було використано  активоване вугілля, що було одержане у науково-дослідній лабораторії ліцею з обрізків деревини. Для цього у ємність спеціально виготовленої конструкції було насипано типові зразки побутових відходів: папір, картон, обрізки пластику, поліетиленові пляшки, шматки поліхлорвінілової ізоляції, разова тара для харчових продуктів, одна використана батарейка, шкаралупа горіхів, кістки, словом усе те, що люди, не задумуючись про наслідки для довкілля, викидають докупи у смітники.  Під дном цієї щільно закритою кришкою посудини було розпалено невеличке багаття, сама ж ємність була щільно закрита кришкою. Вихід диму здійснювався металевою трубкою (через отвір у кришці до саморобного фільтру, у який було насипано  заздалегідь підготовлене, як вище вже зазначено, активоване вугілля.

                                        Марго-дим-3 Марго-дим-4

                                       Фото 2-3. Заповнення посудини шматками пластику, поліхлорвінілу, залишками засобів побутової хімії  у флаконах та її герметизація

                                        Марго-дим-5 Марго-дим-6

                                                                                                    Фото 4-5. Заправляння  фільтра активованим вугіллям

                                        Марго-дим-7 Марго-дим-8

                                                                  Фото 6-7. При спалюванні побутових відходів димові гази проходять через фільтр з активованим вугіллям 

Результати експериментальної роботи. Після згоряння відходів у посудині було взято проби активованого вугілля, через яке пройшов дим у фільтрі, які здано на аналіз до випробувальної лабораторії «ЕКОХІМСЕРТ» (НДЛ-113) Національного університету   «Львівська політехніка».

Відповідно до протоколу від 17 листопада 2016 року проведення послідовних замірів на предмет виявлення у пробах масової  частки (у %%) хімічних елементів одержано такі результати:

11Na – 2.959±0.783; 14Si – 4.861±0.080; 16S – 3.997±0.099; 17Cl – 45.090±0.380;  19K – 2.718±0.028; 20Ca – 26.349±0.223; 22Ti – 0.340±0.025; 25Mn – 0.050±0.006;  26Fe – 1.443±0.019; 28Ni – 0.009±0.002; 29Cu – 0.021±0.002; 30Zn – 0.293±0.004;  31Ga – 0.016±0.005; 33As – 0.283±0.010; 38Sr – 0.021±0.003; 40Zr – 0.008±0.003;  46Pd – 0.014±0.004; 48Cd – 0.028±0.007; 50Sn – 0.035±0.006; 77Ir – 0.064±0.012;  82Pb – 11.401±0.097.

Зважаючи на  простеньке саморобне обладнання, недостатню герметичність з’єднань,  штучну вибірковість зразків сміття для спалювання, мета експерименту полягала не у визначенні точних кількісних показників ефективності фільтра, а у тому, щоби перевірити, наскільки реальною є можливість перевірити, чи може активоване вугілля, яке утворюється при спалюванні побутової органіки, одночасно поглинати газоподібні викиди в атмосферу.

Одержані результати перевершили очікувані сподівання і підтвердили робочу гіпотезу проекту.  Зокрема, 45%   хлору у фільтрі чітко свідчить про розклад галогеновмісної органіки, що при згорянні виділяє небезпечний хлор. 11% свинцю – про те, що не можна викидати з побутовими відходами гальванічні елементи, 26,4% – про  харчове походження тощо. Взагалі наявність 21 хімічного елемента потребує глибшого осмислення і нових досліджень. Подальша робота над проектом продовжується, зокрема, на наступному етапі вона передбачає проведення експериментів по визначенню масових часток хімічних елементів відносно карбону фільтра з метою визначення його поглинальних якостей як важливої експлуатаційної характеристики.

Висновки. Невпинне накопичення ТПВ набуває характеру глобального екологічного лиха. Отруйні «плоди цивілізації» в ґрунтах, воді  та повітрі згубно діють на усе живе на беззахисній перед людиною планеті. Насичення продуктів харчування, води і повітря важкими металами, іншими токсинами можуть мати непередбачувані катастрофічні наслідки: від отруєнь, хворіб і до генетичних змін і мутацій організмів.

Утилізація побутових відходів є складною комплексною проблемою, вирішенню якої сприятиме й пропонований спосіб мінімізації викидів в атмосферу при спалюванні сміття за допомогою фільтрів з активованим вугіллям, що утворюється  з побутових відходів у процесі їх горіння у спеціальних печах. Проект технологічно доцільний, економічно вигідний та екологічно ощадний, а тому може з успіхом використаний на практиці.  

Перелік використаних джерел

1. Антропогенне забруднення довкілля [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://pidruchniki.com/1356061551713/ekologiya/antropogenne_zabrudnennya_dovkillya#296

2. Белявский Г. А. Экология города / Г. А. Беляевский, Е. Д. Брыгинец, Ю. И. Вергелес [и др.]. – К.: Либра. – 2000. – 464 с.

3. Закон України «Про відходи» № 187/98-ВР від 5.03.1998 із змінами та доповненнями [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://zakon.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cgi?nreg=187%2F98-%E2%F0

4.Закон України «Про Основні засади (стратегію) державної екологічної політики України на період до 2020 року» № 2818-VI від 21.12.2010 [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://zakonl.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cgi?page=l&nreg=2818-17

5. Закон України «Про охорону навколишнього природного середовища» від № 1264-ХП 25.06.1991 із змінами та доповненнями [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://zakonl.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cgi?nreg=1264-12

6. Кучеренко О. Б. Наука про сміття, або що варто було б запозичити Україні з зарубіжного досвіду / О. Б. Кучеренко // День. – 9 вересня 2003 р. – С. 5.

7. Національний екологічний центр України [Електронний ресурс]. Режим доступу: http://necu.org.ua/

8. Радовенчик В. М. Тверді відходи: збір, переробка, складування: [навч. посіб.] / В.М.Радовенчик, М.Д.Гомеля. – К.: Кондор, 2010. – 552 с.

9. Саратов В. Україна не має права на помилку у сфері поводження з твердими побутовими відходами / В. Саратов // Житлово-комунальне господарство. – 2013. – №4. – С. 32-35.

10. Управління відходами: вітчизняний і закордонний досвід / За ред. О. І. Бондаря. – К.: Айва Плюс ЛТД, 2008. – 196 с.

11. Чекушина Е. В. Мониторинг экологии свалок и полигонов / Е. В. Чекушина, А. А. Каминская // Тезисы докладов II Международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов». – г. Харьков, 9-10 февраля 2005 г. – Х.: ИД «ИНЖЭК», 2005. – С. 314-318.

Проект «Фільтр для паркових озер»    © Козловський Павло-Вадим (9 клас), 2016 р.

Попри усю свою привабливість і красу водойми, що розташовані в міських  чи приміських  парках, мають дуже серйозний недолік. Вода у них позбавлена природної циркуляції, а тому застоюється. Поступово рукотворне озеро перетворюється на болото. Також певну проблему становлять  водоплавні птахи чи інша звірина, що заводиться на паркових озерах. Хоча вони суттєво покращують естетику паркового озера, роблять його більш природним, але в той же час ускладнюють роботу служб догляду щодо підтримки  чистоти і санітарії у парках.

Підказка від природи. Світовий океан все ще перебуває у відносно чистому стані тільки тому, що його вода кілька раз за рік проходить через  молюски-фільтратори. Тому виникла ідея створити мобільну автономну фільтрувальну установку, що являтиме собою плоский поплавець, який вільно плаватиме по поверхні озера. У надводній частині поплавця встановлюється сонячна батарея, електроенергія з якої приводить в рух водяну помпу. У підводній частині поплавця розташовано фільтр, через який помпа прокачуватиме воду. На вході фільтра ставиться поворотний патрубок, що регулює, з яких шарів, поверхневих чи глибинних, буде братися вода для фільтрації.

           filtr-dod-1  filtr-dod-2  filtr-dod-3

Багаторазовий фільтруючий картридж. Більшість наявних фільтрів  є малопридатними для фільтрування води у парках, оскільки ці прилади дуже швидко будуть замулюватися і тому потребуватимуть заміни. Тому було вирішено скористатися   розробленим з структурованого ПЕТ-пластику фільтром. Такий фільтр достатньо добре затримує озерний бруд. Крім цього, конструкція фільтра дозволяє регулярно і просто його промивати, а тому й використовувати  багато разів.

На першому етапі виготовлення фільтра пластикова пляшка розрізається на довгі тонкі смужки пластику. Потім частина нарізаних смужок  додатково  ріжеться на дрібні  фрагменти. Ці дрібні пластинки розпушуються у млинку для того, щоб сформувати  розвинену поверхню. Сам по собі розпушений пластик виявився здатним відфільтровувати крупні фракції забруднення.

        filtr-dod-4 filtr-jpg-2 filtr-3 filtr-4

А для того, щоби фільтруючі елементи могли затримувати й дрібніші фракції бруду, було розроблено технологію виготовлення фільтруючих циліндрів шляхом пресування вихідних матеріалів. Для поліпшення фільтруючих властивостей  самих спресованих циліндрів до них додавалося активоване вугілля. А щоб активоване вугілля не вимивалось з фільтра, його вихід запаковано намоткою з пластикового волокна. Після серії проведених експериментів найбільш доцільною виявилася технологія монтування фільтруючого картриджа в корпус з-під ПЕТ-пляшки з наступною температурною усадкою зовнішньої оболонки.

         filtr-5 filtr-6 filtr-dod-5  filtr-dod-6  filtr-7 filtr-dod-7

Ідея використати в якості фільтруючих елементів фрагменти розпушеного пластику виявилася досить вдалою. Використані фільтруючі елементи можна легко знову перемолоти, промити і  повторно спресувати, замінивши активоване вугілля на свіже. Переваги розробки полягають у тому, що проект вирішує дві проблеми: утилізацію ПЕТ-пляшок, що повсюдно забруднюють довкілля,  а також очищення води.

Науково-дослідницький проект «Автономний пристрій для захисту водойм від замору риби»© Швайка Зеновія (10 клас), 2013 р.

Актуальність дослідження. Через нестачу кисню в озерах і ставках взимку щороку гине величезна кількість рибних ресурсів, тому що утворення льоду сповільнює і навіть припиняє газообмін у водоймах, від чого стається масовий замор риби. Лід перешкоджає й надходженню достатньої кількості світла, необхідного для фотосинтезу кисню  водоростями.

Здавалося б,  що у зимовий період потреба у кисні для риб через зниження активності їхньої життєдіяльності повинна бути значно меншою. Риби у водоймах  взимку перебувають зазвичай біля дна, де спостерігається стала температура не нижче від +4 °С  за рахунок  потоків тепла від земних надр  (в наших умовах – від 0,05 до 0,1 Вт/ м2).   Однак у водному середовищі живуть крім  риб ще й п’явки, черв’яки, земноводні та інші безхребетні істоти. Процеси розкладання у воді кінцевих продуктів життєдіяльності усіх цих мешканців водойм, органічних решток тварин супроводжуються посиленим поглинанням кисню, що різко зменшує його вміст у воді. Життєдіяльність риб дуже залежить від погодних умов, зокрема, від різкого порушення сталості температури у водоймі. Замор риби можливий навіть влітку, коли раптово нагрівається вода в озерах і ставках. Тоді  кисень погано розчиняється у ній, а це сповільнює процеси природного окиснення  сірковмісної органіки, підвищена концентрація якої отруює рибу.

Забрудненість водойм, спричинених скиданням до них промислових стоків,  прогнилих  харчових відходів, паливно-мастильних матеріалів, нехтування правилами промсанітарії  згубно впливають на стан водних ресурсів. Навіть архімедову силу для певної групи живих істот можна розглядати як екологічний чинник та важливу умову для існування риб і гідрофітів – рослин, що ростуть і вільно плавають у воді або укорінилися на дні.

Біологічні методи подолання гіпоксії водойм шляхом заселення у них певних видів риб є недостатньо ефективними, хоча кількість кисню у воді  необхідного для життя навіть найбільш витривалих до браку повітря  риб складає  всього 5-10 мг/л. 

                                                                   Швайка-1

Традиційне прорубування ополонок також не надто сприяють подоланню гіпоксії у водоймах, оскільки вони за мінусових температур досить швидко  замерзають, а тому потребують систематичного і доволі частого прочищення. До того ж  ця процедура небезпечна для життя людини,  особливо на тонкому льоді, товщина якого є достатньою для припинення необхідного газообміну води з атмосферою, але замалою, щоби витримати вагу людини.

 На даний час винайдено різноманітні способи  штучної аерації водойм [21], переважно з використанням мережевої електроенергії [22].  Йдеться насамперед про пристрої з компресорами, що подають повітря у воду [23], а також про деайсери, тобто прилади з електронагрівачами, що розтоплюють лід і створюють у ньому ополонку. Практикується також використання для цих цілей спеціальних глибинних помп, які формують вертикальний потік більш теплої придонної води до льоду, наслідком чого є утворення у ньому ополонки. У випадках віддаленості від електромережі на водоймах встановлюють невеликі вітрові генератори, електроенергія від яких подається до відповідних пристроїв для утворення ополонок. 

Усі ці пристрої є доволі дорогими та надто затратними в експлуатації. Окремі з них, як зазначалось вище, потребують постійного нагляду та обслуговування.

Предмет дослідження.  Тому було вирішено створити повністю автономний пристрій, який би утворював та підтримував ополонку на водоймах і при цьому не потребував би зовнішнього джерела електроенергії та,  по можливості, й обслуговування протягом усього сезону.

У процесі роботи над проектом було опрацьовано відповідну літературу, зроблено патентний пошук та аналіз на предмет вирішення у світі цієї проблеми та їх відповідності до завдань нашого дослідження.

Скоріш з історичного погляду можна відзначити патент від 1884 року як реалізацію однієї з перших спроб побудови турбіни з вертикальним ротором для практичного використання енергії вітру  [9; 16]. Складною і цікавою для вивчення та аналізу є конструкція приводу водяного гвинта від повітряного гвинта [11; 19]. Вже багато років не припиняються пошуки ідей для боротьби з літнім замором риби [20]. Окремі з цих патентів містять доволі оригінальні ідеї, наприклад, наявність спрямовуючої труби у пристроях дозволяє досягати більш глибинної циркуляції за допомогою вітрової енергії [17].

Захищені патентами пристрої для захисту риби від замору взимку здебільш мають електропривод для обертання турбіни, відповідно до цього й зовнішнє постачання електроенергії за допомогою кабелів [18; 22; 23]. Повчальним було ознайомлення з конструкцією горизонтальної вітрової турбіни [10]  та турбіни  з розтяжками для запобігання поламці щогли. [11]. У цьому пристрої гвинт приводиться в дію від обертання турбіни через механічну передачу. Але тоді, у 1926 році, ще не знали про доцільність застосування у турбінах дуже ефективних перепускних щілин [12]. 

Підсумовуючи результати патентного пошуку, можна зауважити, що усі ці винайдені пристрої  неможливо використовувати  у віддалених від ліній електропередач водойм, що особливо характерно для наших умов. Суттєвим недоліком цих розробок також є те, що у штиль вісь обертання турбіни практично кожного пристрою вмерзатиме в лід і при повторному запуску зруйнується. Фактично переважна більшість конструкцій придатна лише для боротьби з літнім замором риби.

В основу робочої гіпотези проекту було покладено обґрунтовану тезу про те, що енергії вітру повинно бути цілком достатньо для створення вертикального потоку води, а тепловіддача земних надр забезпечить необхідне проплавляння льоду  та підтримання ополонки у ньому.

Відповідно до поставленого завдання було розроблено ескізний та робочий проекти, виготовлено декілька макетів та експериментальну діючу установку для подальшого її встановлення на одній з водойм Львівщини. 

Будова та принцип дії пристрою. Пристрій має платформу, що плаває на поверхні водойми, вітрову турбіну Савоніуса, магнітну муфту, водяний гвинт і водороздільну трубу. Під дією вітру турбіна починає обертатися і через магнітну муфту передає обертовий момент на гвинт, який створює у трубі вертикальний потік придонної води і тим самим розмиває термоклін між льодом і водою та промиває у льоді ополонку.

                                                                              Швайка-2

Ротор турбіни складається з двох зміщених одна відносно другої частин порожнистого циліндра. Відповідно до завдання проекту потрібно було сконструювати турбіну, яка починала би працювати при мінімальній швидкості вітру. Така турбіна за попередніми розрахунками матиме ширину 0.8 м і висоту  0.6 м, з  підйомом нижньої грані турбіни на 0.4-0.5 м над рівнем води.

В оригінальній конструкції турбіни Савоніуса, запатентованої ще у 1930 році, використано  систему перепускних вікон, що через важільний механізм зв’язані з валом обертання. При поривах вітру, коли турбіна не встигає віддати повну свою потужність на вал, відкриваються перепускні вікна, які суттєво зменшують вітрильність турбіни [13].  

Однак розробка цього автора для наших потреб мало підходить через доволі складну систему важелів, які потрібно регулярно контролювати і обслуговувати. Тому було вирішено взяти за основу концепцію незалежних перепускних вікон, що утримуватимуться у закритому положенні попередньо натягнутою пружиною. Як тільки напір вітру перевищить пороговий рівень, зусилля на перепускному клапані зросте більше, ніж натяг пружини. Вікно розкриється, зменшивши таким чином вітрильність турбіни і згинальне зусилля на її валу.

                   Швайка-3      Швайка-4

У подальшій роботі конструкція  вдосконалювалася, зокрема,  вісь повороту перепускного клапана було зміщено відносно його геометричного краю, що дозволило створити при повороті клапана дві рознесені перепускні щілини, які швидше зменшуватимуть вітрильність при різких поривах вітру. Для подолання мертвих точок при старті турбіни при малому вітрі поверх основної турбіни було поставлено аналогічну меншу, яку повернуто на 90 градусів відносно основної турбіни. Таке рішення гарантуватиме старт турбіни навіть при слабкому вітрі, що дутиме у будь-якому напрямку. 

Важливо також було визначити та експериментально перевірити варіанти раціональної конфігурації напрямного кожуха, який би чітко спрямовував потік води під час промивання ополонки і не допускав би примерзання у товстому шарі льоду.  

                                  Швайка-5  Швайка-6

Згідно даних метеорологічної статистики  максимальна швидкість вітру в нашій місцевості становить 38 м/с, яка призводить до створення вітрового напору в 50 кг/м, що і введено в Державні будівельні норми (ДБН) в якості стандартної величини. Потрібно також врахувати згідно ДБН коефіцієнт пориву вітру в 1,5 [8].

Розглянемо випадок, коли турбіна заклинила в найбільш несприятливому положенні відносно вітру. Тоді зусилля, з яким порив вітру буде тиснути на турбіну, становитиме 50*0.6*0.8*1,5 = 36 кг. З урахуванням взятого також  з ДБН коефіцієнту запасу міцності у 3 одиниці, вітровий напір складатиме 108 кг. Таке бокове зусилля здатна витримати монолітна турбіна навіть без перепускних вікон. Спрощена таким чином конструкція стане надійнішою. Якщо ж виготовити ротор турбіни не циліндричним, а конічним, то це дозволить встановити верхній підшипник, що розтяжками буде кріпитись до поплавка подібно до щогли вітрильника, але тут «вітрило» буде обертовим. Додавши масивний кожух як противагу  (за аналогією з кільовими яхтами), можна одержати міцну і стійку конструкцію [2, с.115].  Такий, конструктивно монолітний і зміцнений розтяжками пристрій здатний витримати будь-який гіпотетичний порив вітру, який може виникнути на наших водоймах.  

В якості вихідного положення при доборі підшипників для обертового валу турбіни і спрощення відповідних розрахунків вважатимемо, що при пориві вітру турбіна Савоніуса може зазнавати бокового зусилля навіть до 1000 ньютонів. Враховуючи геометрію нашої конструкції турбіни Савоніуса, припустимо, що уся дія вітру сконцентрована на висоті 0,8-0,9 метра над верхнім підшипником.
Для більшої певності проведемо розрахунки для приведеної висоти в 1 метр.   Складання повного балансу сил показує, що  при пориві вітру в верхньому підшипнику виникне зусилля в 2000Н, а в нижньому – в 1000Н. Такі приблизно зусилля мають місце в маточині нерухомого легкового автомобіля [4,с.26-30]. Тобто використавши підшипники такі ж, як і у підвісці легкового автомобіля, матимемо багатократний запас по міцності та потрібну легкість ходу турбіни. 

                    Швайка-7        Швайка-8

Після складання основних частин конструкції виявилось, що може виникнути проблема захисту вала, оскільки у щілини між ним та корпусом буде потрапляти вода і згодом замерзатиме там. Звичайно, можна заповнити простір між корпусом і валом мастилом з надлишковим гідростатичним тиском, як у патенті US3373821 [15]. Але тоді виникає загроза потрапляння мастила у воду.

Тому було обрано значно кращий варіант: використати для цього магнітну муфту, яка, до речі, у пристрої, виконує одночасно декілька функцій. Перш за все, вона  передає обертовий момент від турбіни на гвинт. Завдяки тому, що магнітне поле передається через магнітопроникний корпус муфти, забезпечується можливість повністю ізолювати підшипники турбіни від проникнення води. Це дозволяє заповнити муфту і підшипники мастилом, яке не замерзає,   унеможливлює їх примерзання та забезпечує старт пристрою за будь-якого морозу. Також при нештатному потраплянні на гвинт водоростей, що може спричинити його заклинювання, муфта забезпечить у цьому випадку безаварійне обертання ротора. Натомість при прямій механічній передачі неможливо було б уникнути поламки механізму. 

Турбіна встановлена на поплавку і має спільну вісь з водяним гвинтом,  що можна побачити на фотографіях макета пристрою. Отже, вал турбіни встановлено в герметичному циліндрі з морозостійким мастилом.

                          Швайка-9  Швайка-10

До речі, промивання ополонки у льоді можна спостерігати і в природних умовах у місцях, де є джерело чи швидкий протік води.  Було проведено серію експериментів, під час яких було змодельовано  і підтверджено факт розмивання потоком води термокліну між льодом і водою з подальшим  промиванням ополонки. Експериментальне підтвердження факту руйнування термокліну струменем води, проведеного у лабораторних умовах, достатньо чітко ілюструє серія наведених нижче фотографій, а саме: промивання льоду струменем води; виготовлення трубки для формування підлідного струменя; початок процесу руйнування термокліну; формування ополонки.

         Швайка-13 Швайка-11 Швайка-14 Швайка-12

У подальшому доцільно більш детально вивчити особливості роботи конструкції у цілком безвітряну погоду, зокрема,  здійснювати зв’язок вітрової турбіни і водяного гвинта   через систему, що складатиметься з генератора, акумулятора, електродвигуна та  схеми електронного керування.

Перспективним вбачається використання сонячної батареї. Тоді під час вітрових днів в акумуляторі накопичуватиметься енергія, що буде витрачатися на підтримання ополонки у штильові зимові дні. Не зайвим було б додати й систему дистанційного моніторингу. Такі  конструктивні рішення потребуватимуть додаткових затрат, але суттєво підвищать експлуатаційні характеристики пристрою і забезпечать оперативне інформування у випадку можливих актів вандалізму, інших нештатних чи форс-мажорних ситуацій.

Висновки. При розробці та реалізації науково-дослідницького проекту було створено екологічно безпечний пристрій для практичного використання на водоймах. Особливо ефективний він взимку, хоча й влітку   досить позитивно впливає на стан водойм, оскільки продовжує збагачувати воду киснем і поліпшує циркуляцію води і природний газообмін внаслідок примусового перемішування її шарів і тим самим збагачує придонну воду киснем.

Принцип дії пристрою ґрунтується виключно на використанні природно-ресурсного потенціалу, не потребує впродовж декількох років, а тому є економічно вигідним. Дослідження цілком завершене, хоча й має перспективне продовження. 

Список використаних  джерел

1. Войналович О., Моргунюк В. Російсько-український словник наукової і технічної мови (термінологія процесових понять). – К.: Вирій, Сталкер, 1997. – 256 с.

2. Горский В.А. Техническое конструирование. М.: ДОСААФ, 1977.– 128 с., ил.

3. Ехонович А.С. Физика. Техника. Производство: Краткий справочник. – М.: Госучпедиздат Минпроса РСФСР, 1962.- 576 с.

4. Краткий автомобильный справочник.- 10-е узд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1983.- 220 с.,ил., табл. – (Гос. науч.-исслед. ин-т автомоб. трансп.).

5. Меніович С.Н. Короткий політехнічний довідник / За ред. В.Ф.Кілессо. – 2-е вид., переробл., доп. – К.: Рад.школа, 1981. – 239 с.,іл..

6. Расчет ветровой загрузки на сплошной забор [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.avers-steel.ru/

7. Расчет столба для забора на прочность [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.avers-steel.ru/

8. СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия (ветровые нагрузки) [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.teclar.ru/

9. Рatent US294943 – WINDMILL – CHARLES W. WHITE, CHARLES W. WHITE.

10. Рatent US973823 – WATER MOTOR – N. A. STAMM.

11. Рatent US 1181988 – BREITUNG – EDWARD NICKLAS BKBITTJNG, EDWARD NICKLAS BKBITTJNG.

12. Рatent US1602853 – WIND TURBINE – PATRICK J. MAHER, PATRICK J. MAHER.

13. Рatent US1766765 – WIND ROTOR – SIOUKD J. SAVONITJS, SIOUKD J. SAVONITJS.

14. Рatent US1835018 – TURBINE HAVING ITS ROTATING SHAFT TRANSVERSE – GEORGES JEAN MARIE HARRIETTS, GEORGES JEAN MARIE HARRIETTS.

15. Рatent US3373821 – POND MILL – Ted O. Sare, Ted O. Sare.

16. Рatent US3603699 – LIQUID AGITATOR – Queenstown; Donald Max Stapteton, Queenstown; Donald Max Stapteton.

17. Рatent US4179243 – Floatation pump device – Richard J. Aide.

18. Рatent US4292540 – Wind-powered impeller-mixer – Worthington J. Thompson, Peter A. Freeman.

19.Рatent US4308137 – Water aeration and circulation apparatus – Peter A. Freeman.

20. Рatent US4764313 – Air driven water circulation mill – Douglas Cameron, Lorraine Cameron.

21. Рatent US7566983 – Power installation for conversion of energy of water and air streams – Victor Lyatkher. 

22. Рatent US2007/0014680 A1 – Devices and process to keep ice fishing holes from freezing – Chalres Jacob Gifford, Roland Benjamin Knapton.

23. Рatent US2011/0186133 A1 – Apparatus and method for preventing ice formation on the surface of water – A. Dale Hiatt, JR., Henry D. Hiatt.