Исследование свойств магнитной жидкости

Исследование свойств магнитной жидкости

VIII открытая региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция ХИМИИ Исследование свойств магнитной жидкости Автор: Савенко Владимир МКОУ Новоцелинная СОШ, Кочковский района, Новосибирская область Научный руководитель: , учитель химии высшей квалифицированной категории Контактный телефон руководителя: 8(383)

Содержание

Введение________________________________________________________________2-4

Способы отчистки воды от ионов железа______________________________________4-7

Ферромагнитные жидкости и их свойства_____________________________________7

Способы получения магнитной жидкости_____________________________________7

Практическая часть________________________________________________________7

Приготовление магнитной жидкости_________________________________________7-8

Определение содержания ионов железа в воде_________________________________8-9

Использование магнитной жидкости для удаления ионов железа в водопроводной воде_____________________________________________________________________7-8

Влияние магнитной жидкости на скорость прорастания семян, рост и развитие гороха посевного_______________________________________________________________8-10

Выводы________________________________________________________________10-11

Литература_____________________________________________________________11

Приложения__________________________________________________________12-14

Введение

Ученые считают, что питьевая вода хорошего качества увеличила бы среднюю продолжительность жизни современного человечества на 20-25 лет. Все больше людей в России понимают это, и поэтому не употребляют в пищу воду из-под крана, а либо покупают фильтры для воды, либо пользуются бутилированной водой.

Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека констатирует низкое качество питьевой воды в России. Около 19% проб воды из водопроводной сети не соответствует требованиям нормативов по санитарно-химическим и около 8% - по бактериологическим показателям. В целом по стране до 30% проб воды поверхностных водоисточников не соответствует гигиеническим нормативам по санитарно-химическим и до 25% - по бактериологическим показателям

Вода, употребляемая жителями села Новоцелинное, не является исключением. Невооруженным глазом видно, что в ней содержание железа превышает допустимые нормы.

Цель моей работы:

Найти экономически выгодный и доступный в условиях школы способ очистки воды от ионов железа; получить магнитную жидкость и использовать ее для снижения содержания ионов железа в воде; выяснить, как влияет магнитная жидкость на рост и развитие растений.

Задачи:

·  Изучить литературу по устранению ионов железа в воде;

·  Провести качественный анализ воды, используемой населением Новоцелинного;

·  Получить наножелезо и использовать его для снижения содержания железа в воде.

·  Провести эксперимент, доказывающий или опровергающий влияние магнитной жидкости на растения.

Моя гипотеза:

содержание железа в воде можно значительно снизить с помощью наножелеза.

Очистка воды от железа – непростая, хотя и наиболее распространённая проблема.

Железо попадает в питьевую воду не только в природных условиях, но и в результате коррозии аппаратов и трубопроводов. И в этих случаях железо может находиться в ионной, коллоидной и грубодисперсной формах.

Наличие железа в питьевой воде, не прошедшей фильтры воды для обезжелезивания, ухудшает ее вкус и запах, окрашивает воду в коричневатый цвет. При регулярном употреблении такой воды возрастает опасность различных заболеваний внутренних органов – в первую очередь печени и почек. Кроме того, избыточное количество железа неблагоприятно воздействует на кожу человека, влияет на морфологический состав крови, может быть причиной возникновения аллергических реакций, а также способствует накоплению осадка в системе водоотведения. По российским нормам содержание железа в исходной воде перед натрий-катионитными фильтрами не должно быть больше 0,3 мг/л, а перед водородкатионитными фильтрами – не более 0,5 мг/л. Рекомендуемое содержание марганца в исходной воде – не более 0,1 мг/л.

Помимо вреда здоровью, железо, находящееся в воде, способствует появлению желтых подтеков на сантехнике, зарастанию и коррозии трубопроводов, снижению качества выпускаемой продукции, выходу из строя дорогостоящего оборудования. В таких случаях не обойтись без фильтров воды для обезжелезивания.

В воде поверхностных источников железо находится обычно в форме органо-минеральных коллоидных комплексов, в частности, в виде гуминовокислого железа, и тонкодисперсной взвеси гидроксида железа. В речной воде, загрязненной кислотными стоками, встречается также и сульфат двухвалентного железа FeSO4.

При значениях более 0,3 мг/л железо оставляет пятна на белье и санитарно-технических изделиях. При концентрации железа менее 0,3 мг/л запах обычно не ощущается, хотя могут появляться мутность и цветность воды.

Железо способствует также развитию «железобактерий», которые получают энергию при окислении Fe2+ до Fe3+, в результате чего в трубопроводах и на оборудовании образуется скопление слизи.

В процессе окисления на 1 мг Fe2+ затрачивается 0,143 мг кислорода (О2), увеличивается содержание свободной углекислоты (СО2) на 1,6 мг/л, а щелочность снижается на 0,036 ммоль/л.

Выбор оптимального метода обезжелезивания воды определятся конечными целями, для которых эта вода будет использоваться. И хотя на сегодняшний день не существует единого универсального метода комплексной очистки воды от всех существующих форм железа, используя ту или иную схему водоподготовки, можно добиться желаемого результата в каждом конкретном случае.

Остановлюсь более подробно на этих методах очистки воды от железа:

Способы отчистки воды от железа

Очистка воды от железа окислительным обезжелезиванием.

Традиционные методы обезжелезивания воды основываются на окислении двухвалентного железа кислородом воздуха (аэрация) и сильными окислителями (хлор, перманганат калия, перекись водорода, озон) до трехвалентного состояния, с образованием нерастворимого гидроксида железа (III), который впоследствии удаляется отстаиванием, отстаиванием с добавлением коагулянтов и флоккулянтов или фильтрацией.

Очистка воды от железа при помощи аэрации.

Окисление железа аэрацией может проводиться: фонтанированием (так называемые брызгальные установки), душированием, с помощью инжектора, эжектора или компрессора, введением воздуха в трубу под напором, барботацией

Очистка воды окислением двухвалентного железа с добавлением сильных окислителей.

Добавление в воду сильных окислителей значительно интенсифицирует процесс окисления двухвалентного железа. Наиболее широко применяется для очистки воды от железа хлорирование, позволяющее также решить проблему дезинфекции воды, а наиболее эффективным оказывается озонирование. Вследствие того, что, за исключением озона, другие окислители оказываются малоэффективными по отношению к органическому железу. Однако озонирование является и наиболее дорогостоящим методом, требующим больших затрат электроэнергии.

Очистка воды осаждением коллоидного железа традиционным промышленным способом.

В обычных условиях процесс осаждения коллоидных частиц гидроксида трехвалентного железа (размер частиц 1–3 мкм) при отстаивании происходит медленно. Укрупнения частиц и, следовательно, ускорения осаждения достигают добавлением коагулянтов. Этого же требует использование на очистительных сооружениях песчаных или антрацитовых фильтров, не способных задерживать мелкие частицы. Так же плохо эти фильтры задерживают органическое железо

Очистка воды от железа при помощи каталитического окисления с последующей фильтрацией.

Это наиболее применяемый сегодня метод для промышленного водоснабжения отдельных не самых крупных предприятий, отдельных коттеджей

Широко применяется в качестве каталитической засыпки синтетический материал Birm Также довольно широко применяются каталитические засыпки на основе природных минералов, таких как доломит, цеолит, глауконит. Используется и синтетический цеолит.

Также довольно широко применяются каталитические засыпки на основе природных минералов, таких как доломит, цеолит, глауконит. Используется и синтетический цеолит.

Очистка воды от железа ионообменным методом.

Для удаления железа этим методом применяются ионообменные смолы - катиониты. Причем все шире на смену цеолиту и другим природным ионитам приходят синтетические ионообменные смолы; эффективность использования ионного обмена при этом значительно возрастает.

Любые катиониты способны удалять из воды не только растворенное двухвалентное железо, но также и другие двухвалентные металлы, в частности кальций и магний, для чего они в первую очередь и применяются. Теоретически методом ионного обмена можно удалять из воды очень высокие концентрации железа, при этом не потребуется стадии окисления растворенного двухвалентного железа с целью получения нерастворимого гидроксида железа. Однако на практике возможности применения данного метода значительно ограничены.

В первую очередь применение ионного обмена для обезжелезивания ограничивает присутствие трехвалентного железа, которое быстро «забивает» смолу и плохо оттуда вымывается. Поэтому любое присутствие в воде, проходящей через ионообменник, кислорода или других окислителей крайне нежелательно. Это же накладывает ограничение и на диапазон значений pH, в которых смола эффективна.

Во многих случаях использование ионообменных смол для обезжелезивания нецелесообразно, т. к., обладая более высоким сродством к катионитам, железо значительно снижает эффективность удаления на них ионов кальция и марганца, проведения общей деминерализации. Наличие в воде органических веществ, в том числе органического железа, приводит к быстрому зарастанию ионообменной смолы органической пленкой, служащей питательной средой для бактерий. Поэтому ионообменные катиониты применяются для обезжелезивания обычно лишь в тех случаях, когда требуется доочистка воды по этому параметру до самых низких концентраций и когда возможно одновременное удаление ионов жесткости.

Очистка воды от железа мембранными методами.

Микрофильтрационные мембраны пригодны для удаления коллоидных частиц гидроксида железа (III); ультрафильтрационные и нанофильтрационные мембраны способны удалять кроме этого коллоидное и бактериальное органическое железо, а метод обратного осмоса позволяет удалять до 98% растворенного в воде двухвалентного железа. Однако мембранные методы дорогостоящи и не предназначаются конкретно для обезжелезивания.

Очистка воды от железа электромагнитным полем.

Суть метода такова: Вода, содержащая избыток железа, вначале обрабатывается ультразвуком, после чего поступает в рабочие зазоры электромагнитного аппарата, и далее на механический фильтр, загруженный сульфоуглем, кварцевым песком, цеолитом или их комбинацией для улавливания сфлокулированного железа. Можно установить два фильтра для поочередной их работы.

Физическая сущность электромагнитного метода обезжелезивания основана на известном явлении, состоящем в том, что ферромагнитные частицы в магнитном поле становятся постоянными магнитами, которые соединяются между собой и образуют цепочки - флоккулы, взаимодействующие с полюсами магнитов

Таким образом, существует достаточно много методов очистки воды от железа и фильтров обезжелезивания воды. Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки. В условиях нашей школы ни один из них не может быть применен ввиду отсутствия приборов. И все же последний метод нас заинтересовал более других.

Ферромагнитные жидкости и их свойства

Мы решили создать магнитное поле с помощью наножелеза.

В некоторых веществах и материалах, например железе, магнитные моменты отдельных атомов ориентированы в одну и ту же сторону даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Это свойство называют ферромагнетизмом, а вещества – ферромагнетиками. Они притягиваются к постоянным магнитам и обладают самопроизвольной намагниченностью. К их числу принадлежат некоторые металлы (железо, кобальт, никель), сплавы. В последние годы вместо массивных магнитов, получаемых прессованием или спеканием, часто используют магнитопласты, представляющие собой смесь магнитного порошка и полимерного связующего. . В ряду ферромагнитных наноматериалов особое место занимают ферромагнитные жидкости. Может ли жидкость притягиваться магнитом? На первый взгляд кажется, что нет. Однако ферромагнитные жидкости все-таки существуют. Только представляют собой они не индивидуальные вещества, а коллоидные растворы, в которых ферромагнитные частицы равномерно распределены в жидкой фазе. Обычно используют наночастицы магнетита Fe3O4 или ферриты. А чтобы они не оседали на дно, к ним прикрепляют молекулы ПАВ. Размеры коллоидных частиц меняются в широких пределах – от пяти до десятков тысяч нанометров. В качестве жидкой фазы при создании магнитных жидкостей используют воду, этанол, а также неполярные растворители – углеводороды, силиконы. Магнитные жидкости сохраняют устойчивость в течение нескольких лет. Они обладают не только хорошими магнитными свойствами, но и высокой текучестью.

Практическая часть

Приготовление и свойства магнитной жидкости

Смешали 100 мл свежеприготовленного 5%-го раствора сульфата железа(II) и 100 мл 5%-го раствора сульфата железа(III). К полученной смеси добавьте несколько капель раствора олеата натрия (или другого ПАВ, например каплю моющего средства Fairy), а затем прибавляли водный раствор аммиака. Колбу с полученным коллоидным раствором поставили на постоянный магнит (лучше взять кольцевой магнит из динамика), выдержали несколько часов, а затем слили верхний слой, удерживая густую массу магнитом. Полученная масса и представляет собой магнитную жидкость. Налили магнитную жидкость тонким слоем в плоскую чашку и поднесите к ней магнит так, чтобы магнитные линии входили в нее вертикально. Жидкость меняет свою форму, покрываясь «шипами», напоминающими колючки ежа. Промыли полученный осадок несколько раз дистиллированной водой.

FeSO4+Fe2(SO4)3+8NH3 +4H2O→Fe3O4+4(NH4)2SO4

(см. рис. 1)

Определение ионов железа в воде

Для определения содержания в воде ионов железа нам потребуется 20% раствор KNCS, HNO3-24%

Приближенное определение ионов Fe3+

Окрашивание, видимое при рассмотрении пробирки сверху вниз на белом фоне	Примерное содержание ионов железа Fe3+
Отсутствие	Менее 0,05
Едва заметное желтовато-розовое	От 0,05 до 0,1
Слабое желтовато-розовое	От 0,1 до 0,5
Желтовато-розовое	От 0,5 до 1,0
Желтовато-красное	От 1,0 до 2,5
Ярко-красное	Более 2,5

К 10 мл исследуемой воды прибавляем 1-2 капли HNO3 и 0,2 мл (4 капли) 20%-ного раствора KNCS. Перемешиваем и наблюдаем за развитием окраски. Примерное содержание железа находим по таблице.

В наших лабораторных исследованиях окрашивание было желтовато-розовым, что соответствовало содержанию ионов железа от 0,5 до 1,0мг\л

В колбу с магнитной жидкостью налили исследуемую водопроводную воду. Осадок отфильтровали. В фильтрате определили ионы железа описанным выше способом. Наблюдали слабое желтовато-розовое окрашивание, что соответствует содержанию ионов железа от 0,1 до 0,5мг\л.

Магнитная жидкость снижает содержание ионов железа в воде от 1.0 до 0.1-0.5мг\л

(см. рис. 2)

Влияние магнитной жидкости на рост и развитие растений

Моя гипотеза:

Магнитная жидкость может ускорить не только химические процессы, протекающие в реакторах, но и в клетках живых организмов.

Основанием для выдвижения такой гипотезы послужили следующая информация.

Необычными свойствами обладает вода, подвергнутая воздействию постоянного магнитного поля. Идея магнитной воды принадлежит доктору , который в начале 80-х годов внедрил магнитную воду в быт россиян. Он считал, что омагниченная вода становится биологически активной и поэтому может оказывать терапевтическое действие.

Положительные результаты использования омагниченной воды с лечебным действием в нашей стране были выявлены в начале 60-х годов. Изучением этого вопроса сейчас занимается молодая наука - магнитобиология.

После воздействия на воду магнитного поля в ней увеличивается скорость химических процессов и кристаллизации растворенных веществ, интенсифицируются процессы адсорбции, улучшается коагуляция примесей и выпадение их в осадок. Воздействие магнитного поля на воду сказывается на поведении находящихся в ней примесей, хотя сущность этих явлений пока точно не выяснена.

Магнитная вода применяется не только в промышленности. Не менее успешно ее используют и в сельском хозяйстве. Например, пятичасовое замачивание семян свеклы в магнитной воде заметно повышает урожай; полив магнитной водой стимулирует рост и урожайность сои, подсолнечника, кукурузы, помидоров. В некоторых странах магнитная вода служит и медицине: она помогает удалять почечные камни, оказывает бактерицидное действие. Как видим, магнитное воздействие на воду вызывает множество эффектов, природу и область применения которых еще только начинают изучать. Проникновение в суть этого явления откроет не только практические возможности, но и новые свойства воды.

Омагниченная вода становится биологически активной и поэтому может оказывать терапевтическое действие. Эксперименты показали, что употребление внутрь омагниченной воды повышает проницаемость биологических мембран тканевых клеток, снижает количество холестерина в крови и печени, регулирует артериальное давление, повышает обмен веществ, способствует выделению мелких камней из почек.

Для решения задачи 4 провел следующий эксперимент.

1.Замочил семена гороха посевного в обычной воде и в воде, содержащей магнитную жидкость. Наблюдал за скоростью их прорастания. Семена, замоченные в жидкости, проросли на 3 дня раньше.

(см. рис. 3 а, б)

Проросшие семена посадил в почву. Все условия для роста и развития растений одинаковые: объем почвы, освещенность, полив, температурный режим.

Наблюдал за ростом растений. Семена, обработанные жидкостью, дали всходы на день позже, но они были более крепкими.

(см. рис. 4 а, б)

В дальнейшем опытные растение догнали контрольные в росте и выглядели более мощные и здоровыми.

(см. рис. 5 а, б

Выводы: Магнитная жидкость ускоряет прорастание семян. Вероятно, это связано с тем, что МЖ влияет на активность ферментов, вызывающих гидролиз органических веществ, содержащихся в семени, и оно быстрее пробуждается. Всходы экспериментальных растений появились позже, высота их разная. Следовательно, МЖ оказывает положительное влияние на развитие корневой системы и тормозит на первых порах рост надземной части. В дальнейшем экспериментальные растения догоняют в росте контрольные и развиваются более крепкими и здоровыми.

Общие выводы

Магнитную жидкость можно успешно использовать в очистке воды от ионов железа вместо дорогой электромагнитной аппаратуры.

Применение магнитной жидкости в растениеводстве
позволит сократить сроки вегетации за счет ускоренного прорастания семян и повысить урожайность сельскохозяйственных культур.

Литература и интернет-ресурсы

и др, определение содержания общего железа в природных водах. «Химия в школе» № 8’2007 , Коровина нового поколения с использованием наножелеза. Белгород, БелГСХА. и др. Доступный метод получения наночастиц металлов.

«Химия в школе» №4’2011

www. ***** – Молодежное Научное Общество www. ***** – нанотехнологии www. *****

Приложения

Рис.1 Приготовление магнитной жидкости

Рис.2 Определение ионов железа в воде

Рис.3 проращивание семян

а) опытные семена б) контрольные семена

 

Рис. 4 Всходы: а) опытные семена б) контрольные семена

Рис.5 Взрослые растения

а) опытные семена б) контрольные семена