3839

пределе и снижаются такие когнитивные показатели как внимание, скорость принятия осознанного решения, память, поэтому интерфейс приложений должен способствовать решению проблем в максимально короткий временной период и с минимальным количеством шагов и когнитивной нагрузкой.

Литература

1.Буйневич, М. В. Анализ результатов аудита сетевых информационных ресурсов МЧС России / М. В. Буйневич, А. В. Вострых, А. В. Максимов // Научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России» 2020. – № 1. – С. 101-110.

2.Вострых, А. В. Оценка специализированных программ расчёта безопасности потенциально опасных объектов / А. В. Вострых, Д. В. Николаев, Т. В. Проценко // Проблемы управления рисками в техносфере 2020. – № 2. – С. 11-17.

3.Вострых, А. В. Экономические обоснования перехода на новые подходы в проектировании интерфейсов программных продуктов МЧС России / А. В. Вострых, Д. В. Николаев,

И.В. Скуртул // Проблемы управления рисками в техносфере. 2020. – № 1. – С. 85-89.

4.Головач, В. В. Дизайн пользовательского интерфейса. / В. В. Головач. – Usethics, 2008. – 97 c.

5.Раскин, Д. Интерфейс Новые направления в проектировании компьютерных систем / Д. Раскин. – Символ. Санкт-Петербург–Москва, 2007. – 257 с.

6.Уэйншенк, С. 100 главных принципов дизайна. Как удержать внимание / С. Уэйншенк. – «Питер», 2011. – 272 с.

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

A. V. Vostrukh

ANALYSIS OF INNOVATIVE TECHNOLOGIES THAT ENSURE THE SAFETY OF CITIZENS IN TECHNOSPHERE SYSTEMS

Today, citizens have at their disposal a wide range of innovative mobile applications that can help them with various technosphere accidents. The analysis of applications of this type showed the poor quality of the interfaces of domestic developments in comparison with their European counterparts. The article contains a list of recommendations for the modernization of domestic applications, in order to increase their efficiency and effectiveness.

Saint-Petersburg University of state fire service of emercom of Russia

210

УДК 629.7.05

Л. Б. Сафонова, И. М. Винокурова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕНТОНИТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

В работе изучены свойства бентонитовых глин и установили приоритетность их применения при очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов.

В настоящее время важнейшей проблемой является очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов, которые поступают в водоемы со сточными водами гальванических цехов, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Существует много методов очистки сточных вод, но наиболее простыми и эффективными являются адсорбционные методы. Эффективность адсорбционной очистки, достигающая 80-95 %, зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности, ее доступности, от химического строения вещества и химической формы его нахождения в среде.

Бентониты представляют собой смесь природных алюмосиликатных минералов, основу которых составляет монтмориллонит. Анализ химического состава показывает, что бентониты характеризуются высоким содержанием SiO2, высоким содержанием железа, алюминия. Бентонитовые глины обогащены слоями щелочных и щелочноземельных металлов и включают в себя большой набор макро- и микроэлементов.

Важно, что бентонитовые глины стоят особником среди других глин, т.к. в их состав входит уникальный минерал – трехслойный силикат монтмориллонит, придающий бентониту способность к разбуханию при взаимодействии с водой, высокую связующую способность, высокую адсорбционную активность и другие важные свойства. Эти свойства бентонита обусловлены их осадочным происхождением. На основе бентонитовой глины путем сушки, помола производятся бентонитовые гранулы и порошки. Важно то, что продукты переработки сохраняют ценные химические элементы: кремний, алюминий, железо, кальций, а также полезные микроэлементы –серу, магний, медь, цинк и др.

Бентонитовые глины нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: в производстве буровых растворов, в строительстве, в сельском хозяйстве, в экологии, в косметологии. Уникальные свойства бентонита применяют для очистки сточных вод от кислот, тяжелых металлов, органических веществ. Благодаря перечисленным свойствам бентонит широко применяется как гелеобразователь при приготовлении раствора для смесительных установок при бурении скважин, используется как материал, который связует литейные формовочные смеси и как адсорбционный и гидроизоляционный материал. Бентонит с главным катионом обмена Na+ , называют щелочной или натриевый бентонит. В живой природе чаще других можно встретить кальциевый бентонит. В процессе активирования кальцевый бентонит при помощи натриевых солей преобразуют в натриевый. Предел допустимой концентрации (ПДК)

211

тяжелых металлов, например железа, составляет 0,3 мг/л в воде водоемов. Соединения тяжелых металлов опасны тем, что они способны к накоплению в живых организмах, вызывая канцерогенное и мутагенное воздействие.

Бентонит – это глинистый минерал, который относится к классу слоистых алюмосиликатов. Состав бентонита можно выразить формулой: Na(Mg,Al)2[Si4O10 ](OH)2 Бентониты представляют собой светлые, плотные глинистые массы, которые при увлажнении сильно набухают и образуют с водой коллоидные растворы, коагулирующие при добавлении электролитов. Глина обладает сорбционными свойствами. Высокая гидрофильность и адсорбционные свойства бентонита зависят от строения и свойств кристаллической решетки алюмосиликатов. Высокая катионнообменная емкость глинистых минералов, а именно монтмориллонита, обусловлена двумя факторами: 1- увеличением межслоевого пространства структурной ячейки при контакте с водой и другими полярными жидкостями; 2- способностью обменных катионов к замещению катионами других металлов (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение структур

Кинетика сорбции ионов железа была исследована при начальных концентрациях ионов Fe3+ равных 25,1, 35,7, 44,7и 71,9 мг/л. На рис. 2 приведена зависимость количества сорбированного железа от времени контакта при различных начальных концентрациях железа. Кинетические кривые сорбции ионов железа показывают, что наибольшая скорость адсорбции ионов железа наблюдается в первые 20 минут, что обусловлено наличием большого количества свободных сорбционных центров в начальный период. В дальнейшем наблюдается уменьшение скорости сорбции и достижение равновесного состояния через 40 минут, что связано с уменьшением количества сорбционных центров. Количество ионов железа, сорбированных на глине, увеличивается с ростом начальной концентрации Fe3+ в растворе. На рис. 3 показана зависимость количества сорбированных ионов железа (q) на бентонитовой глине от равновесной концентрации ионов Fe3+ в растворе (изотерма сорбции) при начальных концентрациях железа 25,1, 35,7, 44,7, 71,9, 76,6, 108,2, 126,4, 218,1 мг/л. Величина q растет с увеличением равновесной концентрации железа в растворе до макси-

212

мального значения 17,67 мг/г (0,94мг-экв/г). Это значение чуть больше величины катионообменной емкости глины (0,86 мг-экв/г), что говорит о том, что ионы Fe3+ замещают обменные катионы (Na+ и Ca2+) бентонита.

Анализ изотермы равновесной адсорбции ионов Fe3+ проведен с применением адсорбционных моделей Лэнгмюра и Фрейндлиха. На рис. 4 и 5 представлены данные сорбции ионов Fe3+ на бентоните согласно линейным уравнениям Лэнгмюра (зависимость Ce/qe от Ce) и Фрейндлиха (lnqe от lnCe ), где Ce – равновесная концентрация ионов Fe3+ в растворе, qeколичество адсорбированных ионов Fe3+ на 1г сорбента при равновесии. Следовательно, изотерма сорбции ионов Fe3+ лучше описывается с помощью уравнения Лэнгмюра, для которой коэффициент корреляции равен 0,9942, что говорит об однородности адсорбционных центров и монослойного покрытия поверхности бентонитовой глины ионами железа.

213

Рис. 4. Зависимость величины Ce/qe от Ce для сорбции ионов Fe3+ (модель Лэнгмюра)

Рис. 5. Зависимость величины lnqe от lnCe для сорбции ионов Fe3+ (модель Фрейндлиха)

В процессе гидролиза происходит вымывание щелочных и щелочноземельных металлов.

Схема гидролиза силикатов:

Na2 SiO3 +HOH→ NaHSiO3 +NaOH.

Уравнение химической реакции показывает, что при попадании бентонита в воду она приобретает щелочную реакцию. Бентонит ведет себя как слабое основание. Если в колбу со 100 мл воды всыпать 5 г порошка бентонита и перемешать, то рН-метр показывает увеличение показателя рН от значения 5,6-5,8 в воде до 7,4-7,5 в суспензии. Далее через 1 час значение рН поднимается до

214

8,5. Если суспензия не контактировала с атмосферным воздухом, то рН менялся. Если же суспензия находилась в открытых стаканах, то через 5 суток рН снижался на 1 единицу, т.к. происходило взаимодействие с углекислотой атмосферы. Гетерогенная реакция взаимодействия бентонита с водой протекает на поверхности частиц, скорость установления равновесия зависит от ряда факторов, т. е. степени измельчения бентонита, интенсивности перемешивания, температуры раствора, характера предварительной обработки. Проводились эксперименты взаимодействия бентонита с серной и соляной кислотами. В результате исследований установлено, что при высокой концентрации кислот (0,1 г- экв/л и 0,01 г-экв/л) бентонит через 30 минут коагулирует, и нейтрализовать их практически не удается. Но при концентрации кислот 0,001 г-экв/л. образуются устойчивые коллоидные растворы бентонита, в которых протекает реакция нейтрализации, начинающаяся сразу после смешивания порошка бентонита с растворами кислот. При добавлении 5 г порошка бентонита в 100 мл раствора кислоты с концентрацией 0,001 г–экв/л и перемешивании в течение 5 минут рН увеличивается от 3,0 в растворе кислоты до 5,4 в суспензии. Затем реакция нейтрализации идет медленно и через две недели рН достигает значения 6,1. Для достижения рН = 7,0 на 100 мл 0,001н кислоты необходимо 7,0 г порошка бентонита.

Таким образом, бентонит можно использовать для нейтрализации кислотных стоков цехов, обслуживающих зарядку свинцовых аккумуляторов. Кроме того, бентонит обладает адсорбционными свойствами, что позволяет воду очистить от вредных примесей.

Литература

1.Никашина В. А. Об особенностях ионного обмена и математическом моделировании и расчете динамических ионообменных процессов на природных клиноптиллолитах // Сорбцион. и хроматограф. Процессы. – 2008. –Т. 8, вып.2.-с.227-240.

2.Ставицкая С. С., Викарчук В. М., Петренко Т. П. Сорбционные свойства комбинированного сорбента и его составляющих – донного осадка Черного моря и окисленного угля из природного сырья //Журнал прикладной химии. – 2011. – Т. 84, вып.10. – с.1635-1639.

Воронежский государственный технический университет

L. B. Safonova, I. M. Vinokurova

USING BENTONITS FOR WASTE WATER TREATMENT

In this work, the properties of bentonite clays have been studied and the priority of their use in the purification of wastewater from heavy metal ions has been established.

Voronezh State Technical University

215

УДК 669.85.86.574.21.504.5

А.С. Соколов, Д. Е. Остапчук, А. С. Ковалевская, О. В. Смолова,

А.В. Смирнов

ВНЕДРЕНИЕ ИНТЕРАКТИВНЫХ МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС СТУДЕНТОВ ОБУЧАЮЩИХСЯ

ПО ПРОГРАММАМ ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ИТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Встатье рассмотрены возможности использования технологии виртуальной реальности для частичного и полного замещения лабораторных работ. Показаны особенности разработки и опыт использования данной технологии, и опыт обучения специалистов разных направлений.

Введение. Последние 10 лет происходит стремительное развитие информационных технологий. С каждым годом они все глубже проникают во все сферы жизни. В 2020 году классическое образование столкнулось с острой необходимостью использования технологий дистанционного обучения и стало очевидно, что система образования не готова к такому стремительному изменению.

Можно выделить ряд проблем, которые необходимо решить прежде, чем данные технологии смогут прочно войти в нынешнюю систему образования. Основными являются отсутствие интерактивных учебных материалов, так и невозможность получения активного опыта студентами. Сложившаяся ситуация заставила мобилизоваться специалистов и в кратчайшие сроки приступить к разработке онлайн курсов, созданию электронных методических материалов, средств оценивания и записи видео-лекций.

Внедрение в учебные курсы элементов, использующих технологии виртуальной и дополненной реальности, позволит сильно разнообразить учебный процесс и большей частью перекрыть практические и лабораторные работы.

Попытки использовать данные технологии для обучения специалистов предпринимались с начала 80-х годов прошлого века. Уровень развития компьютерных технологий не позволял создать реалистичный симулятор. В середине 90-х годов стали появляться более доступные устройства и на их базе стали разрабатывать учебные тренажёры для специалистов, чья работа тесно связана с риском для жизни, таких как пилоты самолетов, пожарные, военные и полицейские. Второй расцвет технологии виртуальной реальности начали переживать в середине 10-х годов. В первую очередь технология нашла себя в развлекательной индустрии, но это позволило обратить на себя внимание специалистов разных сфер интересов. Уже сейчас существует огромное количество симуляторов для обучения врачей-хирургов, биологов, а также стали появляться новые разработки намного более высокого качества для обучения специалистов опасных профессий.

216

Можно отметить, что в настоящее время уже ведутся разработки по созданию программного обеспечения, ориентированного на обучение студентов различных направлений. Например, датский проект Labster занимается созданием учебных материалов для студентов-биологов. Помимо получения активного опыта студентами технологии виртуальной и дополненной реальности позволяют решить проблемы с визуализацией различных объектов и физических процессов.

Возникновение концепции. Разрабатываемый программный комплекс ориентирован на инженеров-экологов и специалистов в области техносферной безопасности.

Для получения навыков, которые могут потребоваться в их дальнейшей профессиональной и научной деятельности, ученикам следует выполнить огромное количество лабораторно-практических занятий. Необходимо проведение разноплановых работ, начиная от лабораторных исследований до полевых выездов. Так, например, задача организации полевого выезда для отбора проб студентами в зимнее время года является трудновыполнимой. Проведение занятий с химическими реактивами накладывает ряд требований по созданию необходимых условий в помещении, а также несет риски получения травм. Работа с биологическими средствами индикации токсичности среды носит более мягкие ограничения, но существует необходимость постоянно поддерживать используемые культуры тест-объектов.

Все перечисленные выше сложности проведения практических и лабораторных занятий по данным направлениям подтолкнуло нас к созданию ряда виртуальных лабораторных работ.

Использование современных информационных технологий в учебном процессе для студентов поможет избежать большинства описанных выше трудностей без потери качества преподаваемого материала

Проделанная работа. Основной идей проекта является совмещение различных подходов к образованию. Создаваемое программное обеспечение заключает в себе сразу методические материалы, видео-лекции и виртуальные лабораторные работы. Курс дает полное понимание разбираемых вопросов и позволяет значительно снизить труд преподавателя либо полностью исключить его. По каждой работе существует ряд зачетных заданий, которые позволяют оценить, как студент усвоил пройденный материал.

Был разработан единый программный комплекс, который включает все необходимые образовательные модули для освоения курса студентом самостоятельно.

Был полностью переработан интерфейс программы.

217

Рис. 1. Стартовая страница интерфейса программы

На главную панель выведена кнопка «СТАРТ», которая открывает страницу с видео-лекциями, после просмотра которых предоставляется возможность выполнения виртуальной лабораторной работе.

Рис. 2. Страница с конспектами и лекциями

К каждому видеорол ику прилагается текстовая версия. Материалы разбиты на категории, в первой части преподносятся общие сведения о работе прибора. В ней рассказывается о фундаментальных принципах, на которых основано функционирование устройства. Во второй части речь ведется о применении особенностей тест-объектов для определения индекса токсичности среды. В третьей – описывается как выполняется работа в реальной жизни.

Вторым этапом является выполнение лабораторной рабо ты.

218

Рис. 3. Предыдущая модель лаборатории

Рис. 4. Переработанная модель лаборатории

Проект находится в разработке и на рис. 3 и 4 показаны изменения сцены «Лаборатория». В процесс е разработки были сделаны выводы о том, какие модели могут быть использо ваны в игровом движке Unity-3D.

Параллельно с разработк ой трёхмерной модели помещения и всех объектов, помещенных в сцену, велась работа по написанию программного кода. Язык программирования, использовавший в разработке программ ного комплекса, – C#. Для подключения сред ств виртуальной реальности использовался плагин от компании «Valve» - Steam -VR.

Виртуальная лабораторная работа, практически полностью советует аналогичной работе, проводи мой в реальной жизни.

219