Warsztaty laboratoryjne z chemii i fizyki realizowane przez uczniów naszej szkoły oraz uczniów z LEPL Kutaisi Andria Razmadze Physico-mathematical Public School N41 z Gruzji

Dla uczniów i nauczycieli z LEPL Kutaisi Andria Razmadze Physico-mathematical Public School N41 z Gruzji w naszym liceum zostały zorganizowane całodniowe warsztaty laboratoryjne, podczas których przedstawiono wstępne wyniki doświadczeń wykonywanych w ramach trzech projektów międzynarodowych, z wykorzystaniem programu eTwinning. Dwudziestu uczniów z obu szkół przedstawiło prezentacje naukowe omawiające założenia projektów, przegląd literaturowy związany z tematyką projektów, opis realizowanych doświadczeń oraz wstępne wyniki uzyskane przez uczniów.

Uczniowie przedstawili:

a) metody izolacji związków naturalnych stosowane w chemii organicznej (wykonano izolację porfiryn z jaj kurzych z wykorzystaniem ekstrakcji i sączenia, izolację barwników fotosyntetycznych pięciu gatunków roślin poprzez wykorzystanie chromatografii TLC oraz chromatografii kolumnowej, izolację mentolu za pomocą ekstrakcji ciągłej z użyciem aparatu Soxhleta, izolację DNA z pomidorów, bananów, truskawek i cebuli, izolację barwników z piór ptaków – kaczki mandarynki oraz bażanta) oraz wpływ środowiska na chlorofil;

b) wyniki uzyskane po analizie działania zbudowanych przez nich prototypów oczyszczaczy powietrza zaproponowanych przez NASA;

c) zbudowany przez nich tunel aerodynamiczny.

Warsztaty umożliwiły uczniom wymianę spostrzeżeń, wspólne omówienie uzyskanych wyników oraz poszukiwanie wspólnych rozwiązań omawianych zagadnień.

Duży sukces naszej szkoły – INŻYNIEROWIE PRZYSZŁOŚCI

Projekt naukowy laureata Ignacego Pazder z klasy III D pt. CO ŁĄCZY NASA, ROŚLINY DOMOWE I WĘGIEL AKTYWNY? BUDOWA SYSTEMU OCZYSZCZENIA POWIETRZA ZAPROPONOWANEGO PRZEZ NASA zajął 20 miejsce z 100 projektów objętych patronatem ogólnopolskiego programu Fundacja PGNiG im. Ignacego Łukasiewicza Grupa Orlen „Inżynierowie Przyszłości”. Opisy realizacji projektów zostały ocenione przez wykładowców Politechniki Warszawskiej, Politechniki Gdańskiej, Akademii Górniczo-Hutniczej  S. Stasica z Krakowa, Politechniki Rzeszowskiej.

Opis realizacji
Cel projektu lub hipoteza badawcza: budowa systemu oczyszczającego powietrze zaproponowanego przez NASA oraz sprawdzenie jakości działania tego systemu w pomieszczeniu zamkniętym.

Zadania projektu: budowa prototypu zaproponowanego przez NASA, optymalizacja pozwalająca uzyskać najlepsze wyniki działania prototypu i porównanie uzyskanych danych z danymi literaturowymi, ale również weryfikacja przedstawionych przez NASA założeń działania bezfiltrowego oczyszczacza za pomocą metod możliwych do powtórzenia przez każdego bez specjalistycznych badań spektroskopowych czy laboratoryjnych. 

Badania polegały na zaplanowaniu i zbudowaniu prototypu bezfiltrowego oczysz-czacza powietrza zaproponowanego przez NASA, jak również zoptymalizowaniu działania skonstruowanego urządzenia poprzez dobór odpowiedniego gatunku roślin oraz określenie doświadczalnie minimalnej ilości węgla aktywnego umożliwiającego uzyskiwanie pozytywnych wyników eksperymentalnych, a także porównanie uzyskanych wyników z wynikami uzyskanymi przez NASA. Ważną częścią projektu były badania mechanizmu działania zbudowanego oczyszczacza przy wykorzystaniu związków fluorescencyjnych.

Zbudowano 8 systemów oczyszczania powietrza na podstawie danych literaturowych opublikowanych w 1989 r. Skonstruowane oczyszczacze, łącząc działanie roślin domowych i węgla aktywnego, wyraźnie przyczyniły się do poprawy jakości powietrza w pomieszczeniach zamkniętych przez usuwanie zanieczyszczeń obecnych w ilościach śladowych. Uzyskałem wyniki potwierdzające wcześniejsze doniesienia NASA, wytypowałem spośród badanych roślin gatunki przynoszące najlepsze rezultaty, wykazałem mechanizm działania urządzenia, celowo nie korzystając z metod spektroskopowych czy laboratoryjnych, aby moje badania można było powtórzyć bez korzystania z laboratoriów czy pracowni analitycznych i spektroskopowych. Skonstruowane urządzenia są używane w naszej szkole i znacząco poprawiają jakość powietrza.

Opis przebiegu i efekty przeprowadzonej pracy badawczej

Etapy projektu naukowego:

1. Na podstawie wiedzy literaturowej zaproponowałem i zaprojektowałem budowę prototypu oczyszczacza powietrza, który filtruje powietrze i usuwa z niego zanieczyszczenie, dokładnie w taki sposób jaki opisała NASA w raporcie „Interior Landscape plants for indor air pollution abatement” z 1989. Działanie urządzenia nie polega na znanym komercyjnie systemie oczyszczania powietrza poprzez przefiltrowywanie zanieczyszczonego powietrza przez wymienne filtry mające absorbować zanieczyszczenie, lecz bazuje na następującym procesie:

- dzięki wbudowanemu wentylatorowi inicjowany jest wymuszony obieg powietrza i powietrze z pomieszczenia zamkniętego dostaje się do urządzenia, przenika przez glebę i jest naprowadzane na znajdujący się w glebie węgiel aktywny;

- adsorbent ten pochłaniania zanieczyszczenia, a czyste powietrze jest odprowadzane na zewnątrz;

- następnie roślina pobiera korzeniami zanieczyszczenia związane z węglem aktywnym i wbudowuje je w swoją strukturę. (Właśnie zastosowanie rośliny jako układu docelowego dla zanieczyszczeń jest nowym podejściem w zaproponowanym przez NASA prototypie.)

2. Zbudowanie pierwszego oczyszczacz powietrza, w którym zastosowano sansewierię gwinejską.
3. Dwiema metodami zbadanie działanie zbudowanego systemu oczyszczania powietrza.
4. a) Badanie z wykorzystaniem odkurzacza.

Bawełnianą szmatkę zamontowano na rurze wlotowej do odkurzacza tak, aby nie mogła zostać wciągnięta. Włączono odkurzacz na największą moc i pozostawiłem go w trybie pracy przez 20 minut oraz przez godzinę w pomieszczeniu zamkniętym. Doświadczenie powtarzano po tygodniu oraz po dwóch tygodniach pracy oczyszczacza powietrza w tym pomieszczeniu. Uzyskane wyniki dla 20 minut oraz godziny były porównywalne. Rurę od odkurzacza umocowano w taki sposób, aby nie było możliwości zaciągania kurzu czy zanieczyszczeń z podłogi czy mebli. Obserwano również żółte zabarwienie bawełnianej szmatki, które zmniejszało swoją intensywność  z czasem pracy oczyszczacza powietrza.

9. b) Badania poprzez porównanie działanie naszego oczyszczacza z oczyszczaczem komercyjnym Electrolux Pure A9.

Badania wykonano w tym samym pomieszczaniu zamkniętym, w tej samej wilgotności i temperaturze. W pierwszej kolejności za pomocą oczyszczacza komercyjnego odczytano wartości pyłu zawieszonego PM1, PM2.5, PM10 oraz lotnych związków organicznych TVOC w dwóch identycznych pod względem wielkości salach lekcyjnych (próba kontrolna). Następnie w sali 1. uruchomiono zbudowany oczyszczacz powietrza, a w sali 2. oczyszczacz komercyjny. Po pracy oczyszczaczy w ciągu 1h, 2h i 5h wykonałem odczyt wartości stężenia PM1, PM2.5 PM10 oraz TVOC. Uzyskane wyniki dla obu oczyszczaczy były porównywalne i były dużo lepsze od próby kontrolnej. (Wyniki badań zawarte są w Tabeli 2- fotografia.)

4. Kolejnym krokiem było określenie minimalnej ilości węgla aktywnego, jaka będzie stosowana w prototypach – w tym celu wykonano optymalizację procesu stosując od 0.2-3.6g sproszkowanego wcześniej węgla aktywnego (zwiększając ilość co 0.2 g – Tabela 1.). Testy dla każdej dawki przeprowadzono 3-krotnie, w tym samym pomieszczeniu, przy tej samej wilgotności i temperaturze, a uzyskane wyniki zostały uśrednione. W tym badaniu również po pracy oczyszczacza włączono oczyszczacz komercyjny Electrolux Pure A9, na którym tylko odczytywałem wartości PM1, PM2.5 PM10 oraz TVOC. Uzyskane wyniki wskazywały, że dawką minimalną jest 2.6 g przemysłowego startego węgla aktywnego. (Tabela 1.)

5. Następnym etapem badań była budowa kolejnych 6 systemów oczyszczających powietrze. Każdy z nich był identyczny pod względem budowy, ale w każdym oczyszczaczu zastosowano inny gatunek roślin. Celem badań było ustalenie, które rośliny najlepiej filtrują powietrze oraz sprawdzenie, jak można wpłynąć na zachodzące reakcje, aby były najbardziej wydajne.

Wybór gatunków roślin ustaliłem na bazie danych literaturowych (dla 7 prototypów – 6 zbudowanych w 4. etapie i jeden zbudowany wcześniej, w 2. etapie projektu):

- anturium (Anthurium),

- bluszcz pospolity (Hedera helix),

- dracena marginata (Dracaena marginata),

- gerbera (Gerbera jamesonii),

- paproć (Polypodium vulgare),

- sansewiera gwinejska (Sanseviera laurentii),

- skrzydłokwiat (Spathiphyllum).

Wszystkie zbudowane urządzenia przetestowano w tych samych warunkach, w salach o tej samej powierzchni. Pomiary wartości stężenia PM1, PM2.5 PM10 oraz TVOC zostały wykonane po pracy oczyszczaczy w ciągu 1h, 2h i 5h dwukrotnie, a wynik został uśredniony. Uzyskane wyniki wskazały, że najlepsze działanie uzyskiwaliśmy już po godzinie pracy oczyszczacza dla gerbery, sansiwiery oraz draceny. Uzyskane wyniki są dobrze skorelowane z wynikami uzyskanymi przez NASA. Wyniki te opisuje  poniższa tabela (Tabela 2.).

6. W kolejnym etapie projektu chciano wykazać, że działanie oczyszczacza polega na wbudowywaniu zanieczyszczeń w strukturę rośliny, a nie w strukturę węgla aktywnego. W tym celu wykonałem doświadczenie z wykorzystaniem substancji fluorescencyjnej (Rodaminy B).

Podłoże systemu oczyszczającego zawierającego sansewierę spryskano 10% roztworem Rodaminy B i naświetliłem lampą UV w długościach fali 254 oraz 365nm (zdjęcie A (przy 254nm) – próba kontrolna). Następnie wykonałem zdjęcie podczas naświetlania lamą UV po tygodniu i po 2 tygodniach pracy oczyszczacza (zdjęcie B). Uzyskane wyniki wskazują, że roślina wbudowuje zanieczyszczenia z węgla aktywnego, co potwierdza założenia projektowe.

7. W ostatnim etapie projektu postanowiono zbudować oczyszczacz pokazowy, w którym wykorzystałem dracenę wonną. Obudowa jest przezroczysta, dzięki temu widoczne jest działanie i budowa systemu oczyszczającego. Ten oczyszczacz też został przetestowany (wyniki zawarte są w Tabeli 2.).
8. Obecnie urządzenia są stosowane w naszej szkole i poprawiają jakość powietrza w budynku.

Wnioski

Udało się zbudować 8 systemów oczyszczania powietrza na podstawie danych literaturowych opublikowanych w 1989 r przez NASA. Oczyszczacz powietrza, którego praca łączy ze sobą działanie roślin domowych i węgla aktywnego, wyraźnie przyczynił się do poprawy jakości powietrza w pomieszczeniach zamkniętych przez usuwanie zanieczyszczeń obecnych w ilościach śladowych.

Ten system jest obiecującym sposobem na złagodzenie tzw. syndromu chorego budynku. Na podstawie danych literaturowych wnioskujemy, że oczyszczanie powietrza przez system węgla aktywnego i roślin jest bardzo efektywnym sposobem usuwania lotnych związków organicznych. Wentylatory zawierające filtry z węglem aktywnym mają zdolność szybkiego filtrowania dużych objętości zanieczyszczonego powietrza i mogą być traktowane jako rozwiązania problemów związanych z zanieczyszczeniem powietrza w pomieszczeniach zamkniętych.

https://www.youtube.com/watch?v=WPGUGuGdfXE

https://www.inzynierowie-przyszlosci.pl/ranking/

Interdyscyplinarne nauczanie przedmiotów ścisłych

Podczas wymiany międzynarodowej nasza szkoła była organizatorem konferencji pt. „Interdyscyplinarne nauczanie przedmiotów ścisłych”, w której uczestniczyli nauczyciele z Włoch, Gruzji, Niemiec i Hiszpanii. Gośćmi konferencji były także: pani Eliza Malarecka – Kierownik Oddziału Projektów Edukacyjnych i Relacji Zewnętrznych Wydziału Oświaty w Poznania oraz pani Anna Bartecka – Kierownik Oddziału Organizacji Szkół i Placówek Oświatowych Wydziału Oświaty Urzędu Miasta Poznania.

W trakcie sympozjum prelekcje wygłosili: prof. Zbigniewa Fojud z Wydziału Fizyki UAM, dr Jędrzej Garnek z Zakładu Geometrii Algebraicznej i Diofantycznej z Wydziału Matematyki i Informatyki UAM oraz dr Robert Wolski z Zakładu Chemii Stosowanej Wydziału Chemii UAM.

Podczas konferencji została podpisana przez panią dyrektor Elżbietę Marciniak oraz panią Ia Verulashvili umowa o współpracy pomiędzy naszym liceum a szkołą LEPL Kutaisi Andria Razmadze Physico-mathematical Public School N41 z Gruzji.