Очистка воды от нефтяных пятен с помощью ферромагнитной жидкости

XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Очистка воды от нефтяных пятен с помощью ферромагнитной жидкости

Устьянцева Д.Е. 1
1Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №48" Копейского городского округа
Воробьева Л.В. 1
1Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №48" Копейского городского округа
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

«Экологическая катастрофа», «Крупнейшая катастрофа в истории», «Черное море стало действительно черным» …именно с этих заголовков началось утро 15 декабря 2024 года. Все новостные каналы и ленты информагентств пестрили пугающими новостями. Два российских нефтяных танкера «Волгонефть - 212» и «Волгонефть - 239» попали в шторм к югу от Керченского пролива. Судно «Волгонефть - 212», на борту которого находилось около 4900 тонн мазута, разломилось надвое и затонуло, что привело к разливу нефтепродукта. «Волгонефть - 239» получило повреждения, в результате чего несколько часов дрейфовало, пока не село на мель недалеко от порта Тамань, Краснодарского края. С неё тоже началась утечка нефти. Сообщения о лужах мазута, выходящих на берег между Крымским мостом и городом Анапа, поступили 17 декабря. В результате было загрязнено около 37 миль (60 километров) береговой линии. В тот день в Анапском и Темрюкском районах было объявлено чрезвычайное положение. С каждым днем ситуация на побережье становилась только сложнее, тысячи волонтеров со всей страны съехались на ликвидацию последствий разлива нефти. Но, вручную, все это собрать просто не представляется возможным.

В голове все время возникали картинки тех мест, красота природы и шум волн. Страшно представить, что сейчас стало с побережьем. Мне вспомнилось, что, будучи в ВДЦ «Смена» в Анапе, на программе «химический анализ» нам рассказывали про уникальные свойства ферромагнитной жидкости, при помощи которой можно собрать нефтепродукты. На смене в ВДЦ «Океан» мы искали и изучали нефтяные пятна в специальных приложениях. В голову сразу пришла идея попробовать применить уникальные свойства ФМЖ для сбора нефтяных пятен с поверхности воды.

Мы предположили, что полученная в лаборатории ферромагнитная жидкость, благодаря своим уникальным свойствам сможет очистить поверхность воды от нефтяных пятен.

Следовательно, целью данной работы стало получение ферромагнитной жидкости, созданной в лабораторных условиях и дальнейшее изучение ее характеристик.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1.Изучить имеющуюся информацию о ферромагнитной жидкости и ее свойствах.

2. Определить области применения ферромагнитной жидкости.

3. Получить ферромагнитную жидкость в лабораторных условиях.

4. Провести опыт по очистки нефтяного пятна с поверхности воды.

5. Сформулировать выводы.

Объект исследования: ферромагнитная жидкость

Предмет исследования: уникальные свойства ферромагнитной жидкости, применимые в жизни.

В основу исследования положена гипотеза, что уникальные свойства ферромагнитной жидкости способны удалять нефтяные пятна с поверхности воды.

Для подтверждения/опровержения гипотезы и решения задач исследования были использованы следующие методы:

1. Анализ научной литературы по данной теме;

2. Анкетирование;

3. Экспериментальное получение ФМЖ;

4. Исследование свойств ФМЖ и разработка методов ее применения для очистки поверхности воды от нефтяной пленки;

5. Оценка и анализ полученных результатов;

Актуальностьработызаключаетсяввозможностипримененияполученных результатов на практике для очистки водоемов от нефтяных загрязнений.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1 История открытия ферромагнитной жидкости

Ферромагнитные жидкости представляют собой уникальные материалы, обладающие свойствами как жидкостей, так и твердых тел. Их открытие и изучение стало важным этапом в физике, химии и материаловедении, открыв новые горизонты для научных исследований и практического применения.

История открытия ферромагнитных жидкостей начинается в XX веке, когда физики начали исследовать поведение магнитных материалов в различных состояниях. Изначально изучению подвергались так называемые «магнитные суспензии» — смеси ферромагнитных частиц с жидкой средой. Однако получение стабильной суспензии было сложной задачей из-за объединения частиц.

Первые заметные успехи были достигнуты в 1960-х годах, когда ученые начали применять современные методы коллоидной химии для создания более однородных сбалансированных суспензий (смеси веществ). Одними из основоположников в этом направлении были исследователи, работающие над концепцией, что магнитные частицы можно использовать для изменения свойств жидкости при воздействии магнитного поля. Начало разработок ферромагнитных жидкостей связано с именем знаменитого исследователя Соломона Стивена Пайпелла, который 1960 – годах получил первые кристаллы, используя метод механического измельчения частиц магнетита в шаровых мельницах. Его изобретения были запатентованны в 1963 и в 1965 годах. В СССР аналогичные исследования и разработки проводил профессор Дмитрий Васильевич Орлов. В 1965 году была начата работа по созданию магнитных жидкостей и их применению в герметизирующих устройствах.

В 1970-х годах ферромагнитные жидкости начали активно изучаться и начали применяться в динамических системах, а также в магнитных печатях.

Кроме практического применения, ферромагнитные жидкости привлекли внимание ученых благодаря своим интересным физическим свойствам. При воздействии магнитного поля они демонстрируют эффект «магнитного гельобразования», образуя структуры, напоминающие кристаллы. Это открытие стало важным для дальнейших исследований в области магнитных материалов и нанотехнологий.

Сегодня ферромагнитные жидкости продолжают быть предметом активных научных исследований. Ученые ищут новые способы улучшения их свойств, разработки более эффективных и стабильных формул, а также применения в новых областях, таких как медицина, биоинженерия и современные технологии.

Таким образом, история открытия ферромагнитных жидкостей — это путь от первых теоретических исследований до практического использования. Этот уникальный материал продолжает вдохновлять ученых на новые открытия и разработки, открывая новые горизонты для будущих технологий.

1.2 Ферромагнитная жидкость и ее свойства

Ферромагнитная жидкость представляет собой суспензию наночастиц ферромагнитного материала, таких как Fe3O4(FeO * Fe2O3) в жидкой среде. Эти частицы имеют размеры порядка нескольких десятков нанометров и находятся в состоянии приостановленного движения, что предотвращает их оседание.

Одним из наиболее интересных свойств ферромагнитной жидкости является ее способность изменять форму и поведение при воздействии магнитного поля. При включении магнита, жидкость начинает «танцевать», образуя характерные красивые выступы и шипы. Это происходит из-за того, что составе ФМЖ происходит выравнивание железных частиц, поэтому визуально мы наблюдаем разные причудливые формы. Это явление обусловлено результатом силы Лоренца, действующей на все магнитные частицы.

Если убрать магнит от состава, то ферромагнитные жидкости перестанут проявлять свои магнитные свойства.

    Ферромагнитная жидкость обладает интересными свойствами – у нее два состояния материи: твердый металл, состоящий из мельчайшей стружки и жидкость, в которой находится эта стружка. Металлические частицы в составе ФМЖ не слипаются, не образуют комков и не отслаиваются. Материал будет устойчив даже в сильном магнитном поле.

Еще одним интересным свойством является вязкость, которая изменяется под действием магнитного поля. Благодаря данному свойству ФМЖ нашла широкое применение в разработке материалов для смазки. Состав ферромагнитной жидкости используют там, где необходимо быстрое изменение в зависимости от условий эксплуатации.

В итоге можно сделать вывод, что ферромагнитные жидкости представляют собой многообещающую область исследований и применений благодаря своим уникальным физическим свойствам и способности реагировать на магнитные поля. С каждым годом они находят всё новые сферы применения, что делает их актуальной темой для науки и промышленности.

1.3 Области применения

Ферромагнитные жидкости находят применение в различных областях. Их используют в качестве герметика в механических системах, в устройствах для управления потоками жидкости, а также в медицинских технологиях, например, в качестве контрастных средств для магнитно-резонансной томографии. Кроме того, ферромагнитные жидкости применяются в акустике для колонок и динамиков.

  1. Применение в промышленности.

Ферромагнитные жидкости широко используются в герметизации валов и вала двигателя. Эти жидкости могут восполнять пробелы и обеспечивать защиту от попадания пыли и других частиц, что особенно важно в механизмах с высокой нагрузкой и быстром движении. Кроме того, ферромагнитные жидкости помогают предотвратить окисление и коррозию деталей.

  1. Применение в медицине.

Одной из самых захватывающих областей применения ферромагнитных жидкостей является медицина. Материал используют для целевой доставки лекарств. Наночастицы, содержащиеся в ферромагнитной жидкости, могут быть загружены лекарственными веществами и нацелены на конкретные участки тела с помощью магнитного поля. Это позволяет значительно увеличить эффективность лекарств и уменьшить побочные эффекты.

Ферромагнитные жидкости также могут использоваться в качестве контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Эти жидкости обеспечивают высокую четкость изображений, помогая врачам более точно диагностировать заболевания.

В последние годы ученые - медики активно исследуют применение магнитных частиц в различных медицинских процедурах, что открывает новые горизонты в лечении заболеваний. Основная идея заключается в том, что эти частицы можно направлять и контролировать с помощью внешнего магнитного поля.

Одним из перспективных направлений является метод магнитно - жидкостной гипертермии, который используется для лечения рака. Этот подход основан на нагревании железных частиц в опухолевой ткани, что вызывает ее разрушение. Клинические испытания технологии в США и Европе уже показывают многообещающие результаты.

Кроме того, наночастицы железа могут быть использованы для улучшения распознавания раковых клеток, что является актуальной задачей в онкологии и открывает новые горизонты в диагностике заболеваний. Данная терапия представляет собой многообещающий подход, который, возможно, изменит современную практику лечения и повысит шансы пациентов на выздоровление.

Ведущие исследовательские учреждения по всему миру продолжают работать над новыми способами интеграции ферромагнитных жидкостей в различные отрасли, что может привести к значительным прорывам в технологиях и новых возможностях для их использования.

Глава 2. Практическая часть

Исследование состояло из двух этапов:

    1. Анкетирование параллели 10 - х классов МОУ «СОШ №48» г. Копейска;

    2. Проведение ряда опытов по созданию ферромагнитной жидкости, исследование ее свойств и качеств. Проведение опыта по устранению нефтяной пленки с поверхности воды.

Вся практическая часть по получению и изучению свойств ФМЖ проводилась в химической лаборатории МОУ «СОШ №48» города Копейска.

2.1 Анкетирование

Для проведения опроса было разработано и проведено анкетирование. Анкетирование проводилось в параллели 10 - х классов МОУ «СОШ №48» г. Копейска, в опросах приняли участие 65 человек средний возраст опрашиваемых 16-17 лет.

Результаты анкетирования:

Диаграмма 1

  1. Знаете ли вы что такое ферромагнитная жидкость?

65% респондентов (42 человека) ответили, что слышали про такое вещество; 20 % (13 человек) – затрудняются ответить, так как слышали про эту жидкость, но не видели ее; 15% (10 человек) не знают, что это за состав.

Диаграмма 2

  1. Могут ли помочь свойства ФМЖ в повседневной жизни?

54% опрошенных людей (35 человек) затрудняются ответить; 31 % (20 человек) – слышали о применение жидкости в различных направлениях деятельности человека; 15% (10 человек) считают, что скорее всего никак не помогут.

Диаграмма 3

  1. Известны ли Вам примеры применения ФМЖ?

46% опрошенных людей (30 человек) затрудняются ответить; 39 % (25 человек) – не знают где применяются свойства ФМЖ; 15% (10 человек) смогли назвать по несколько примеров, что было приятной неожиданностью.

Диаграмма 4

  1. Найдут ли свойства ФМЖ широкое применение?

46% опрошенных людей (40 человек) считают, что у ФМЖ есть перспективы развития; 39 % (25 человек) – затрудняются ответить.

Вывод: мнения людей разделились, это неудивительно, так как не многие знакомы с этим составом. Многие людей не знают и не подозревают о свойствах ФМЖ.

2.2 Состав ферромагнитной жидкости

Ферромагнитная жидкость — это уникальное коллоидное вещество, которое обладает высоким уровнем магнитной восприимчивости и показывает необычные магнитные свойства. Основной компонент данной жидкости — мелкие магнитные частицы железа, кобальта или никеля, размер которых составляет всего несколько нанометров. Эти частицы находятся в суспензии в жидкости, чаще всего в органическом растворителе или водной основе.

Состав ферромагнитной жидкости включает в себя следующие ключевые компоненты:

  1. Магнитные частицы - мелкие ферромагнитные частицы. Обычно их размер варьируется от 5 до 100 нанометров.

  2. Суспендирующая жидкость — это среда, в которой расположены магнитные частицы. В зависимости от назначения ферромагнитной жидкости, могут использоваться различные жидкие компоненты, такие как вода, масла или синтетические жидкости. Выбор суспендирующей жидкости обусловлен необходимой стабильностью суспензии и условиями эксплуатации.

  3. Стабилизаторы - чтобы предотвратить агрегацию магнитных частиц и обеспечить их равномерное распределение в жидкой среде. Это ПАВ (поверхностно - активные вещества), которые уменьшают взаимодействие между частицами и способствуют их удержанию в суспензии. В качестве поверхностно – активных веществ могут выступать: олеиновая кислота, полиакриловаякислота, лимоннаякислота.

  4. Присадки - добавки, улучшающие определенные свойства жидкости, такие как вязкость, стабильность или температурная стойкость.

2.3 Способы получения ферромагнитной жидкости

Мы решили сделать ферромагнитную жидкость, используя подручные материалы и лабораторные реагенты, сравнить полученные жидкости, исследовать их свойства и поведение в различных ситуациях.

Опыт 1. Получение ФМЖ из подручных материалов

Для начала следует подготовить необходимые компоненты: железный порошок (или металлическую стружку) и машинное масло. Железный порошок можно получить, например, из отходов металлообработки, в то время как машинное масло должно быть высокого качества, без примесей и осадка.

Процесс получения феромагнитной жидкости можно разбить на несколько этапов:

  1. Подбор пропорций. Оптимальное соотношение между железным порошком и машинным маслом может варьироваться в зависимости от требуемых магнитных свойств. В большинстве случаев используют соотношение около 1:2 (железный порошок к маслу по массе). Это соотношение обеспечивает достаточную вязкость и магнитные свойства конечного продукта (Приложение 1, рис.1).

  2. Смешивание компонентов. В емкости аккуратно смешиваем железный порошок с машинным маслом. Важно, чтобы железные частицы равномерно распределились в масле, что обеспечит максимальные магнитные свойства.

  3. Тестирование свойств. Полученную феромагнитную жидкость необходимо протестировать на наличие магнитных свойств. Для этого можно использовать магнит. При поднесении магнита жидкость стала поляризоваться и принимать различные формы, приобрела состояниетвердоговещества. При отведении магнита – вновь возвращалась в жидкое состояние (Приложение 1, рис.2). Проведенный эксперимент подтвердил, что полученный материал является ферромагнитной жидкостью.

Опыт 2. Получение ФМЖ, используя лабораторные реагенты.

В химической лаборатории МОУ «СОШ №48» мы провели эксперименты по получению ферромагнитной жидкости:

2FeCl3+FeSO4+8NH3+4H2O=Fe3O4+6NH4Cl+(NH4)2SO4

1.Реактивы: дистиллированнаявода (H2O), железо (III) хлористое (FeCl3), железо (II) сернокислое (FeSO4), водныйраствораммиака 25% (NH4OH), гидроксиднатрия (NaOH), олеиноваякислота (C17H33COOH).

2. Оборудование: весы, химические стаканы и колбы, стеклянная палочка, магнит.

Эксперимент был проведён в вытяжной камере из-за токсичности паров аммиака, образующихся при разложении нашатырного спирта. Для приготовления состава нам потребовалось смешать 30 мг сульфата с 20 мг хлорида и добавить к смеси 50 мл дистил. воды (Приложение 2, рис. 3).

Далее нам необходимо приготовить водный раствор нашатырного спирта, для этого мы взяли 20 мл спирта, который разбавили 50 мл дистиллированной воды. В полученный нами раствор мы по капле добавляем смесь солей. В ходе эксперимента наблюдаем образование осадка чёрного цвета, представляющего собой первичную магнитную жидкость (Приложение 2, рис. 4).

Для того, чтобы закончить формирование магнитной жидкости нам необходимо воздействие магнитного поля на состав. Поднесем магнит к составу и подождем немного времени 10–15 минут, это будет способствовать намагничиванию частиц и образованию ферромагнитной жидкости (Приложение 2, рис. 5). Аналогично предыдущему эксперименту, мы использовали магнит для проверки свойств полученной жидкости. При приближении магнита жидкость в стаканчике претерпела изменения, поляризуясь и превращаясь в твёрдый материал, который менял форму в ответ на движения магнита. После удаления магнита материал снова становился жидким. Этот эксперимент подтвердил, что полученная жидкость обладает ферромагнитными свойствами.

Сравнениедвухобразцов (опыт 1 и опыт 2)

Проведя сравнительный анализ двух образцов ферромагнитных жидкостей, обращая внимание на их внешний вид (цвет, плотность и консистенцию), мы пришли к выводу, что визуально они почти не имеют различий. Первый образец характеризуется темно-серым цветом и более густой, плотной консистенцией. Второй образец, напротив, имеет ярко выраженный черный цвет и отличается меньшей плотностью. Это отличие объясняется тем, что второй образец был создан с использованием лабораторных реактивов и химических реакций, благодаря чему в нем содержатся мельчайшие наночастицы. В то время как первый образец был получен механическим способом, и в нем присутствуют частицы железа, которые по размеру близки к нанометрам (Приложение 2, рис. 6).

2.4 Проведение опытов с ферромагнитной жидкостью

Опыт 1. Взаимодействие с магнитным полем

Начинаем потихоньку подносить магнит к ферромагнитной жидкости. Наблюдаем за результатом. Мы обратили внимание на то, как ферромагнитная жидкость начинает изменять свою форму. При приближении магнита жидкости «стягиваются» к магниту, образуя характерные фильтра или «шипы» (Приложение 3, рис.7). Если убрать магнит от состава, то ферромагнитная жидкость перестанет проявлять свои магнитные свойства.

Опыт 2. Прохождение через жидкости светового луча

Нальем ферромагнитную жидкость и дистиллированную воду в разные стаканы так, чтобы они заполнили его на 2/3. Установим стаканы на ровной поверхности. Направим луч лазера через стакан с дистиллированной водой и стаканы с растворами ферромагнитных жидкостей. Луч лазера проходит через воду насквозь, не оставляя следа на поверхности или в толще воды, а в представленных составах ФМЖ оставляет видную световую дорожку от лазера (Приложение 3, рис.8).

Вывод: наночастицы,входящиевсостав магнитных жидкостей, обладают свойством рассеивания света. Этот эксперимент позволяет не только наблюдать интересные оптические эффекты, возникающие при взаимодействии света с ферромагнитной жидкостью, но и понять, как магнитные поля могут изменять свойства материалов.

Опыт 3. Удаление с поверхности воды машинного масла

Одним из применений ферромагнитных жидкостей является их способность очищать поверхности от загрязнений. В данном опыте мы заострим внимание на использовании состава для удаления машинного масла с поверхности воды.

Цель опыта:

  1. Исследовать взаимодействие ферромагнитной жидкости с машинным маслом.

  2. Наблюдать процесс удаления масла с водной поверхности.

  3. Оценить эффективность ферромагнитной жидкости в качестве средства для очистки водоемов.

Ход эксперимента: Вдвеемкостисводоймыналилинемногомашинногомасла. Наблюдаем за тем, как масло образует пленку, не смешиваясь с водой. С помощью пипетки добавим небольшое количество ферромагнитной жидкости к маслу на поверхность воды. Возьмем постоянный магнит и поднесем его к стенкам посуды. По часовой стрелке мы перемещаем магнит над чашкой с маслом, наблюдаем за движением жидкости и магнитных частиц (Приложение 4, рис.9).

Вывод: жидкости могут эффективно быть использованы для удаления масляных веществ, таких как машинное масло, с поверхностей воды. ФМЖ обладают уникальными свойствами, позволяя создавать экологически чистые методы очистки воды.

Опыт 4. Удаление нефтяного пятна с поверхности воды

Цель эксперимента: проверить возможность использования ферромагнитной жидкости для удаления нефтяных пятен с поверхности воды.

Ход эксперимента: наполним чашу водой на 3/4 объема. Аккуратно добавим небольшое количество нефти на поверхность воды, создавая нефтяное пятно (Приложение 5, рис.10). С помощью ложки или пипетки добавим несколько капель ферромагнитной жидкости в центр нефтяного пятна. Слой нефти растягивается в кольцо, пока силы поверхностного натяжения не разорвут его. Попробуем очень простой и действенный способ намагничивания частиц, для этого используем магнит.

Присмешенииферромагнитнойжидкостиинефти,смесь приобретает магнитные свойства за счет содержащихся в ней магнитных наночастиц, поэтому её можно собрать с помощью магнита. Обернем магнит в полиэтиленовый пакет, чтобы собранный состав не испачкал магнит и поднесем его к нашему нефтяному пятну. Поднесем магнит к внешнему краю чаши, следя за тем, чтобы не нарушить пятно и не забросить его в воду. Наблюдаем за поведением ферромагнитной жидкости, она будет реагировать на магнитное поле, поднимаясь и собирая нефтяное пятно вместе с собой. По мере того, как ферромагнитная жидкость «собирает» нефтяное пятно, аккуратно перемещаем магнит, чтобы направлять жидкость с загрязнением краями чаши. Когда пятно будет сконцентрировано можно будет вынести его вместе с забранной нефтью (Приложение 5, рис.11).

Вывод: полученную ферромагнитную жидкость можно рекомендовать для очистки сточных вод от нефтяных загрязнений. Мы наблюдали, как ферромагнитная жидкость эффективно захватывает нефтяное пятно и поднимает его, благодаря своим магнитным свойствам. Этот процесс демонстрирует потенциал ферромагнитных жидкостей как инновационного способа очистки водоемов от нефтяных загрязнений, что является злободневной проблемой в экологии.

Заключение

Изучив научную литературу и интернет источники, проведя опыты с ферромагнитной жидкостью, мы пришли к выводу, что способ отчистки воды от нефтяных загрязнений при помощи ферромагнитной жидкости является высокоэффективным, не требует больших экономических затрат, легко осуществляется на практике и является экологически чистым. Это позволяет отнести его к одним из наиболее перспективных из современных методов. Также следует отметить, что ферромагнитныйагентпосле сбора можно выделить из нефти и использовать многократно. Таким образом, цель работы достигнута, гипотеза подтвердилась.

Список литературы

  1. Алехин, С. Н. Динамика феромагнитных жидкостей / С. Н. Алехин. – Тюмень: ТюмГУ, 2021. – 190 с.

  2. Грэм-Роу Д. Десять материалов, которые преобразят мир // Наука в фокусе. – 2013.

  3. Малышев, Д. С. Физико-химические свойства феромагнитных жидкостей / Д. С. Малышев. – Сочи: СГТУ, 2022. – 280 с.

  4. Орлов, Е. М. Исследование магнитных свойств феромагнитных жидкостей / Е. М. Орлов, Н. В. Смирнова. – Уфа: БашГУ, 2019. – 240 с.

  5. Турков А. Опыты с магнитной жидкостью // Наука и жизнь. – 2003.

  6. Фомичев, А. П. Феромагнитные жидкости: синтез, свойства, применение / А. П. Фомичев. – Омск: ОГУ, 2023. – 300 с.

Приложение 1

Рис.1 Ингредиенты для получения ФМЖ

Рис.2 Влияние магнитного поля на ФМЖ

Приложение 2

Рис.3 Получение ФМЖ, используя лабораторные реагенты

Рис.4 Образование осадка чёрного цвета первичной МЖ

Рис.5 Намагничивание частиц и образованию ФМЖ

Рис.6 Сравнениедвухферромагнетиков

Приложение 3

Рис.7 Взаимодействие с магнитным полем

Рис. 8 Прохождение через жидкости светового луча

Приложение 4

Рис.9 Удаление с поверхности воды машинного масла

Приложение 5

Рис.10 Модель нефтяного пятна

Рис.11 Очистка нефтяных пятен с помощью ФМЖ

Просмотров работы: 23