Рогачевская районная научно-практическая конференция учащихся учреждений общего среднего образования ГУО « Средняя школа №4 г. Рогачева имени В.С.Величко» Научно-исследовательская работа «Сорбционные свойства коры различных пород деревьев» Учащихся 10 «А» класса ГУО «Средняя школа №4 г. Рогачева имени В.С. Величко» Калесник Анастасии Дмитриевны, Мариненко Анастасии Николаевны Научный руководитель учитель химии ГУО «Средняя школа школа №4 г. Рогачева имени В.С.Величко» Лашакова Татьяна Михайловна г. Рогачёв,2016 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение…………..………………………………………………………………….. 4 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………...6 Глава 1. Дерево и его строение………………………….……………………….…..7 1.1. Строение дерева и коры………………………………………………….7 1.1.1 Строение дерева……………………………………………………7 1.1.2 Строение древесной коры…………………………………………8 1.2. Функция коры…………………………………...………………………10 1.3. Применение коры……………….………………………………………11 Глава 2. Сорбция и её виды………………...………………………………………13 2.1. Сорбционные процессы…………………………………………...……13 2.1.1 Абсорбция…………………………………………………...…...13 2.1.2 Адсорбция…………………………………………………..…….13 2.1.3 Десорбция…………………………………………………...……..14 2.2. Физическая адсорбция…………………………………………………….14 2.3. Химическая адсорбция…………………………………………………….14 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ………………………………………………….15 Глава 3. Сорбционные свойства коры различных пород деревьев…………..15 3.1. Подготовка сырья для исследования…………………………………….15 3.2. Активизирование коры………………………………………………...…15 3.3. Исследование сорбционных свойств коры разных пород деревьев…..15 3.4. Вывод………………………………………………………………………16 Заключение…………………………………………………………………………...17 Список литературы………………………………………………………………….18 Приложения…………………………………………………………………………..19 3 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. В Республике Беларусь кора некоторых пород деревьев является отходом в различных отраслях лесоперерабатывающей промышленности. Перспективным направлением её утилизации могло бы стать использование коры в качестве сорбентов различного назначения. Поэтому разработка технических решений, позволяющих получать относительно дешёвые сорбенты остаётся актуальной задачей. Известны редкие примеры использования коры отдельных древесных пород для выделения дубильных веществ, производства пробки, получения дёгтя ( из бересты берёзы) и выделения из коры растущих деревьев пихты пихтового бальзама. Но данные факты, к сожалению, не улучшают общую картину неэффективного использования содержащихся в коре ценных органических соединений. В настоящее время химически обработанная кора представляет особый интерес для исследования. Так как химическая обработка коры позволяет сохранить функциональные группы и пористую структуру, это даёт возможность получения бифункциональных сорбентов. В связи с этим изучение сорбционных свойств коры некоторых пород древесных растений, произрастающих на территории нашей республики, является актуальной задачей. Целью исследования являлось получение сорбента из коры трёх пород деревьев: берёзы, сосны и осины – изучение их сорбционных свойств. Реализация поставленной цели включала решение следующих задач: 1. Поиск, изучение литературы и информации по данной тематике. 2. Получение сорбента из коры берёзы, сосны и осины. 3. Исследование сорбционных свойств методом визуальной колориметрии. 4. Анализ полученных результатов. Методология и методы исследования. Методологической основой является сравнение концентрации веществ по интенсивности окраски 4 растворами(поглощению света растворами). Для достижения поставленной цели использовался метод визуальной колориметрии. В работе использовались сведения из учебно-методических изданий, статей электронных ресурсов. Она изложена на 22 страницах, включает 1 таблицу, 1 рисунок, 3 приложения и состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы. 5 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ При написании данной работы были использованы научная и учебнометодическая литературу и статьи из интернета. 6 Глава 1. Дерево и его строение Строение дерева и коры 1.1.1 Строение дерева Растущее дерево состоит из кроны, ствола и корней (рис.1). При жизни 1.1. дерева каждая из этих частей выполняет свои определенные функции и имеет различное промышленное применение. Рис.1 Крона состоит из ветвей и листьев (или хвои). Из углекислоты, поглощаемой из воздуха, и воды, получаемой из почвы, в листьях образуются сложные органические вещества, необходимые для роста дерева. Промышленное использование кроны не велико. Из листьев (хвои) получают витаминную муку ценный продукт для животноводства и птицеводства, лекарственные препараты, из ветвей - технологическую щепу для производства тарного картона и древесноволокнистых плит. Ствол растущего дерева проводит воду с растворенными минеральными веществами вверх (восходящий ток), а с органическими веществами - вниз к корням (нисходящий ток); хранит запасные питательные вещества; служит для размещения и поддержания кроны. Он дает основную массу древесины (от 50 до 90% объёма всего дерева) и имеет главное промышленное значение. Верхняя тонкая часть ствола называется вершиной, нижняя толстая часть - комлем. Процесс роста можно представить как нарастание конусообразных слоев древесины. Каждый последующий конус имеет большую высоту и диаметр основания. 7 Корни проводят воду с растворенными в ней минеральными веществами вверх по стволу; хранят запасы питательных веществ и удерживают дерево в вертикальном состоянии. Корни используются как вторичное топливо. Пни и крупные корни сосны через некоторое время после валки деревьев служат сырьем для получения канифоли и скипидара. Сердцевина - узкая центральная часть ствола, представляющая рыхлую ткань. На торцевом разрезе имеет вид темного (или другого цвета) пятнышка диаметром 2-5 мм. На радиальном разрезе сердцевина видна в виде прямой или извилистой темной узкой полоски. Древесина в растущем дереве занимает большую часть ствола и имеет основное промышленное значение. 1.1.2 Строение древесной коры Древесная кора составляет значительную долю (от 6 до 25%) общего объема дерева. Ухудшение условий произрастания приводит к увеличению доли древесной коры. Кора взрослого дерева состоит из двух частей, различающихся анатомическим строением и функциями: внутренней — луба, или флоэмы, и наружной — корки. Относительное содержание этих частей коры зависит не только от древесной породы, но варьируется между отдельными деревьями одного и того же вида и даже в пределах индивидуального дерева. Ткани луба проводят соки (растворы органических веществ) вниз по стволу и хранят резервные питательные вещества. Ткани корки обеспечивают защиту от внешних воздействий. Кора хвойных деревьев имеет более простое строение по сравнению с корой лиственных деревьев. Строение древесной коры связано с образованием ее тканей из двух вторичных меристем — камбия и пробкового камбия (феллогена). При делении клеток камбия, наряду с образованием клеток ксилемы, появляются клетки луба 8 (флоэмы), которые, подобно клеткам ксилемы, дифференцируются для выполнения различных функций. В лубе (флоэме) присутствуют три типа клеток и соответствующих тканей: ситовидные элементы, образующие проводящие ткани; паренхимные клетки, составляющие запасающие ткани; склеренхимные клетки — механические ткани. При этом по сравнению с ксилемой более значительную долю составляют живые клетки. Наиболее важная проводящая ткань луба состоит из ситовидных элементов — ситовидных клеток у хвойных деревьев и ситовидных трубок у лиственных. Ситовидные клетки — узкие длинные клетки, образующие продольные ряды и сообщающиеся между собой через пористые ситовидные поля в стенках клеток на их концах. Через мелкие многочисленные поры проходят цитоплазменные нити. Проводящая система луба лиственных деревьев более совершенна. У них образуются из клеток члеников ситовидные трубки, сообщающиеся друг с другом через пористые (с более крупными порами) ситовидные пластинки на поперечных стенках. Таким образом, проводящие элементы луба хвойных деревьев напоминают ранние трахеиды, а у лиственных деревьев — сосуды, но в отличие от трахеид и сосудов ситовидные элементы содержат живой протопласт (в нем лишь разрушаются ядро и некоторые другие органоиды), и их стенки не лигнифицированы. Ситовидные элементы обычно отмирают к концу вегетационного периода и сплющиваются, а в следующем сезоне образуются новые элементы. Второй вид тканей луба — лубяная (флоэмная) паренхима, выполняющая проводящие и запасающие функции и составляющая основную массу тканей луба. Паренхимные клетки с тонкими нелигнифицированными стенками образуют лубяные (флоэмные) лучи, являющиеся продолжением сердцевинных лучей ксилемы, и вертикальную лубяную паренхиму. В лубяных лучах некоторых пород (например, пихты) имеются горизонтальные смоляные ходы. 9 В древесной коре, как и в древесине, сначала возникают первичные ткани, а затем при делении клеток вторичных меристем — камбия и пробкового камбия — образуются вторичные ткани, которые впоследствии отмирают. Наружная часть древесной коры — корка — состоит в основном из мертвых тканей и поэтому физиологически не активна. Процесс образования перидермы многообразен. У ряда древесных пород феллоген продолжает функционировать длительное время, обеспечивая равномерное нарастание слоя феллемы, что приводит к образованию толстого слоя пробки вместо типичной корки, как, например, у пробкового дуба, а также у дугласовой пихты, или к образованию гладкого эластичного наружного слоя древесной коры, как, например, у березы, осины, пихты. Стенки клеток пробки (феллемы) отличаются особым строением и составом. Они имеют три слоя. Наружный слой лигнифицирован, внутренний слой состоит практически из чистой целлюлозы, а средний слой содержит характерное для пробковой ткани вещество — суберин (см. ниже), причем слои суберина чередуются со слоями пробкового воска, что и обеспечивает гидрофобность пробки. В стенках клеток пробковой ткани березы содержится бетул ин, придающий наружному слою коры березы — бересте — характерный белый цвет. 1.2.Функции коры а) Механическую функцию выполняют склеренхимные клетки, к которым относятся лубяные волокна и склереиды. Лубяные волокна длинные клетки с за остренными концами и толстыми стенками, напоминающие волокна либриформа, но большей длины. Клеточные стенки у них обычно лигнифицированы, но в меньшей степени, чем у древесных волокон, а могут и не иметь лигнина. Содержание лубяных волокон очень сильно колеблется в зависимости от древесной породы. Как правило их меньше в лубе хвойных деревьев по сравнению с лиственными, но встречаются исключения. 10 б)Защитная. Древесная кора защищает дерево от повреждения животными, дереворазрушающими насекомыми и организмами, вызывающими гниение. Также предохраняет камбий от потери влаги. в) Проводящая. Древесная кора проводит воду и питательные вещества к стеблю, не давая возможности их выхода обратно. 1.3.Применение коры а) Вывоз коры в отвалы. Это вариант для производств, у которых нет возможности перерабатывать отходы и которые поэтому вынуждены избавляться от коры, чтобы не захламлять территорию предприятия (т. н. обременительные отходы). Кору можно вывозить самосвалами на территории, требующие осушения, использовать для подсыпки грунтовых дорог и т. п. Кору охотно покупают дачники, например, для выравнивания участка. б) Переработка коры на удобрение. Содержащийся в коре лигнин при определенных условиях со временем превращается в гумус. Кора богата различными питательными веществами и разлагается быстрее опилок, за счет высокой пористости она быстро накапливает и хорошо удерживает влагу. В результате химических реакций образуется компост, который по эффективности может конкурировать с другими удобрениями. Опытом использования коры для приготовления удобрений располагают в объединении «Кировмебель», Красноярском ЛПК, на Костромском фанкомбинате. в) Использование коры в качестве топлива. Кора - это низкосортное топливо с высоким содержанием влаги, золы и низкими сыпучими свойствами. Перед сжиганием требуется ее специальная подготовка, включающая измельчение и обезвоживание (подсушку). г) Использование коры в производстве плит. Кора может использоваться во внутреннем слое трех- и пятислойных стружечных плит. Исследования ЦНИИ фанеры показали, что трехслойные плиты при любом содержании коры во внутреннем слое в 1,2-1,5 раза прочнее однослойных. Внутренний слой на 4011 50 % может состоять из измельченной березовой коры. Более низкие результаты дает использование осиновой коры - приходится увеличивать содержание связующего во внутреннем слое с 9-9,5 до 10,5-11 % (от массы абсолютно сухой древесины). д) Кора как объект химической переработки. Древесная кора является источником многих ценных экстрактивных веществ, из которых получают биологически активные, дубильные, красящие и прочие ценные продукты. Из коры хвойных, в частности пихты белокорой, можно получать эфирное (пихтовое) масло, используемое в ароматерапии и медицинской практике. 12 Глава 2. Сорбция и её виды 2.1. Сорбционные процессы Сорбция – любой процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом). В зависимости от механизма поглощения различают абсорбцию, десорбцию, адсорбцию. 2.1.1. Абсорбция Абсорбция — процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Для протекания абсорбции необходимо, чтобы газ и абсорбент не находились в состоянии равновесия. Различие в парциальном давлении извлекаемого компонента в газе и жидкости является той движущей силой, под действием которой происходит поглощение (абсорбция) данного компонента жидкой фазой из газовой фазы. Чем больше эта движущая сила, тем интенсивнее переходит этот компонент из газовой фазы в жидкую. По своей природе различают два вида абсорбции: физическую, при которой извлечение компонентов из газа происходит благодаря их растворимости в абсорбентах и химическую (хемосорбцию), основанную на химическом взаимодействии извлекаемых компонентов с активной частью абсорбента. Скорость физической абсорбции определяется диффузионными процессами, скорость хемосорбции зависит от скорости диффузии и химической реакции. 2.1.2. Адсорбция Адсорбция — повышение концентрации компонента в поверхностном слое вещества (на границе раздела фаз) по сравнению с ее значением в каждой объемной фазе. Следует отличать адсорбцию от абсорбции, при которой вещество диффундирует в объем жидкости или твердого тела и образует раствор или гель. Термин сорбция объединяет оба понятия. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое — адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбцию принято подразделять на физическую 13 адсорбцию (слабые взаимодействия) и хемосорбцию (сильные взаимодействия). Четкой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией не существует; в качестве граничного значения принята энергия связи между адсорбатом и адсорбентом, равная 0,5 эВ на атом или молекулу. 2.1.3. Десорбция Десорбция обратна адсорбции и происходит при уменьшении концентрации адсорбируемого вещества в среде, окружающей адсорбент, а также при повышении температуры. Десорбцию применяют для извлечения из адсорбентов поглощённых ими газов, паров или растворённых веществ, а также для регенерации адсорбента. 2.2. Физическая сорбция Физическая сорбция обусловлена силами молекулярного взаимодействия, в основном дисперсионными. Последние возникают при сближении молекул материала сорбента и сорбируемого вещества и проявляются в упорядочении движения частиц вследствие взаимного притяжения. Дисперсионные взаимодействия неспецифичны, присущи всем веществам и различаются в конкретных случаях лишь количественно. Физическая сорбция также является процессом взаимодействия адсорбции и десорбции, которые, соответствуя заданным условиям, стремятся к динамическому равновесию. 2.3. Химическая сорбция Химическая сорбция (хемосорбция, хемисорбция) газов, паров или растворенных веществ происходит при их взаимодействии с твердыми или жидкими поглотителями. Образование обычных соединений при хемосорбции сопровождается также образованием комплексных соединений на поверхности окислов и солей координационно ненасыщенных металлов. Для аналитической химии важна хемосорбция сероводорода, цианистого водорода, аммиака, галогенокислот и галогенов, окиси углерода, кислорода и других соединений. 14 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Глава 3. Сорбционные свойства коры различных пород деревьев. В качестве образцов для исследования мы выбрали кору берёзы, осины и сосны. Потому что эти породы деревьев, в частности, распространены в Беларуси. В процессе переработки кору выбрасывают, и люди начинают забывать о её полезных свойствах. Мы не можем оставаться равнодушными к этому. 3.1. Подготовка сырья для исследования Для эксперимента мы берём уже высушенную кору, измельчаем её. Благодаря этому увеличивается площадь поверхности соприкосновения коры с активатором. 3.2. Активизирование коры. Для активации использовали метод обработки щелочью. Измельчённую кору каждого вида пород деревьев массой 3 г каждая обрабатывали 1 % раствором КОН объёмом 300 мл ( 4 г) с непрерывным перемешиванием в течение 90 минут при температуре 60 ºС. Активированную кору отмывали от водорастворимых веществ и щелочи до нейтральной реакции промывных вод с использованием фильтровальной бумаги. Затем высушивали ее на воздухе. 3.3. Исследование сорбционных свойств коры разных пород деревьев Качество сорбентов, полученных при активировании коры разных пород деревьев, оценивали по способности поглощать вещества - маркеры, используемые для большинства сорбентов – CuSO4(Сульфат меди(II), FeSO4(Сульфат железа(II), CrCl3(Хлорид хрома (III)) и фуксин(краситель). Сорбционная активность по CuSO4(Сульфату меди(II), FeSO4(Сульфату железа(II), CrCl3(Хлориду хрома (III)) и фуксину характеризует пористую структуру получаемых сорбентов. Тяжелые металлы в последние годы остаются наиболее трудно удаляемыми токсикантами из огромного числа загрязняющих веществ, так как они не разлагаются, как органические загрязнители, а, претерпевая изменения, только перераспределяются по компонентам экосистемы, постоянно находясь в ней. 15 Оставаясь необходимыми элементами в обменных процессах организма человека, в концентрациях значительно превышающих ПДК тяжелые металлы способны оказывать сильнейшее токсическое воздействие. Для изучения сорбционной активности коры берёзы, активированной 1% раствором КОН была проведена сорбция ионов меди (II) и хрома (III), железа(II) и вещества фуксин в статическом режиме при комнатной температуре. При изучении кинетических закономерностей адсорбции кора берёзы в количестве 0,2 г помешали в колбы с 40 мл водных растворов сульфатов меди и железа, хлорида хрома, фуксина (концентрация сорбируемого иона 0,2 г/л) и встряхивали с малой скоростью в течении 7,5 – 90 минут. Данное сырьё лучше всего абсорбирует раствор фуксина (приложение 1) и ионы железа (приложение 2). Для изучения сорбционной активности коры сосны мы провели то же исследование. Кора сосны лучше всего абсорбирует ионы меди(приложение 3) и хрома(приложение 4). Такие действия для изучения сорбционной активности коры провели и с осиной. 3.4. Вывод В результате проведения исследования лучшие сорбционные свойства проявили кора берёзы и сосны. Но, к сожалению, подобных берёзе и сосне результатов не обнаружилось(таблица 1). Таблица 1 Кора берёзы Кора сосны Кора осины Фуксин(краситель) 1 2 3 Ионы железа(II) 1 3 2 Ионы меди(II) 3 1 2 Ионы хрома(III) 2 1 3 16 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Практическая значимость. При дальнейшем изучении данного вопроса можно предложить альтернативный способ утилизации многотоннажных отходов деревообработки – коры древесных растений. Полученные данные могут являться первой ступенью к получение сорбента, который может быть использован при очистке сточных вод и почв от загрязнений, в производстве водных фильтров. А также возможно применение в растениеводстве как сорбента, на который можно нанести добавки, содержащие микро- и макроэлементы, необходимые для производства качественных удобрений. 17 Обзор литературы 18 Приложение 1 19 Приложение 2 20 Приложение 3 21 Приложение 4 22
