ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОГО НАНОПОРОШКА Fe3O4 ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ РАЗЛИВОВ НЕФТИ
Автор:
,
МАОУ «Средняя общеобразовательная
школа № 8 города Ишима»
Научный руководитель:
,
кандидат биологических наук,
МАОУ СОШ №8 г. Ишима
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОГО НАНОПОРОШКА Fe3O4 ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ РАЗЛИВОВ НЕФТИ
Российская Федерация, Тюменская область, г. Ишим
МАОУ Средняя общеобразовательная школа № 8, 9 класс
АННОТАЦИЯ
В ходе исследования была показана принципиальная возможность получения порошка Fe3O4, который предлагается использовать в виде основного вещества для сбора нефти с водной поверхности.
Цель исследования – разработка методики получения ферромагнитного порошка Fe3O4, предназначенного для сбора нефтяной пленки с поверхности воды.
Задачи исследования:
1. Подбор реактивов для синтеза Fe3O4 в условиях школьной лаборатории.
2. Разработка методики получения нанопорошока ферромагнетика Fe3O4.
3. Проведение модельных испытаний сбора нефти с помощью полученного реактива.
Объект исследования – методика получения нанопорошка Fe3O4.
Предмет исследования – сбор нефтяной пленки с помощью нанопорошка Fe3O4 и магнита.
Практическая значимость – в результате исследования получен реагент, позволяющий собирать нефтяное загрязнение с привлечением магнита и насосной станции.
Новизна исследования – полученный новым способом нанопорошок Fe3O4 достаточно стабилен и позволяет внедрить в практику новый способ сбора нефтяной пленки с поверхности воды.
Гипотеза исследования – частицы Fe3O4 размерностью от 80 до 120 нм позволяют собирать нефтяную пленку с применением магнита.
1. В ходе реализации проекта разработана методика получения нанопорошка Fe3O4, для чего используются общедоступные реактивы – соли железа валентностью II и III, аммиачная вода и дистиллированная вода.
2. Показана принципиальная возможность сбора нефтяной пленки с водной поверхности с помощью распыления полученного Fe3O4 над поверхностью водоема. В среднем для сбора 100 мл нефти необходим 1 гр порошка Fe3O4.
3. Для сбора нефти в условиях внедрения данного метода в практику предполагается использование специального распылителя, который будет распределять нанопорошок над нефтяной пленкой. Далее судно со специальным магнитом собирает с помощью насоса водно-нефтяную эмульсию.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОГО НАНОПОРОШКА Fe3O4 ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ РАЗЛИВОВ НЕФТИ
Российская Федерация, Тюменская область, г. Ишим
МАОУ Средняя общеобразовательная школа № 8, 9 класс
ПЛАН ИССЛЕДОВАНИЯ
Одной из основных проблем при очистке поверхности водоемов от загрязнений является удаление тонкой нефтяной пленки, обладающей способностью в кратчайшие сроки распространяться на огромные расстояния, нарушая кислородный обмен. Наиболее перспективным и экологически целесообразным считается способ удаления пленки нефтепродуктов с помощью нефтяных сорбентов. Качество нефтяных сорбентов определяется, главным образом, по нефтепоглощению, водопоглощению и плавучести, а эффективность сорбентов для сбора нефти оценивают, в первую очередь, по значению нефтеёмкости. В свою очередь, нанохимия магнитных материалов – одно из наиболее активно развиваемых направлений современной нанонауки, в последние годы привлекает все большее внимание исследователей из различных областей химии, физики, биологии и медицины. Магнитные материалы и феномен магнетизма знакомы человечеству на протяжении давнего времени, и хорошо известно, какую роль играют магнитные явления в жизни современного человека. Таким образом, слияние технологии сбора нефтяных пятен и наннохимии поможет найти новый способ удаления нефти с поверхности воды.
Гипотеза исследования – частицы Fe3O4 размерностью от 80 до 120 нм позволяют собирать нефтяную пленку с применением магнита.
В основе химического процесса лежит получение коллоидного магнетита Fe3O4 путем гидролиза смеси хлоридов железа (II) и (III) в соотношении минимум 1 к 2, с помощью раствора гидроксида аммония. Для этого в 500 миллилитрах дистиллированной воды растворили 24 грамма трехвалентной соли железа – Fe2(SO4)3 и 12 граммов двухвалентной соли железа - FeCl2. Получается мутный коричневато-оранжевый раствор, который отфильтровывается через фильтровальную бумагу для отделения механических примесей. Следующим шагом добавили 150 мл аммиачной воды (NH4OH):
FeSO4•7H2O + 2FeCl3•6H2O + 8NH3•H2O → Fe3O4 + 6NH4Cl + (NH4)2SO4 + 20H2O (1)
В качестве второго вариант получения можно использовать хлориды железа (II) и (III):
FeCl2 + 2FeCl3 + 8NH3·H2O → Fe3O4 + 8NH4Cl + 4H2O (2)
Коричнево-оранжевый раствор в результате реакции мгновенно превращается в суспензию черного цвета. Далее доливаем дистиллированную воду и ставим на постоянный магнит [7]. Получившийся магнетит Fe2O3 в виде «дождя» под действием сил магнитного поля выпадает на дно колбы, после чего осторожно сливаем около двух третей раствора в канализацию, удерживая остаток магнитом. Следующим шагом заливаем в колбу дистиллированную воду, взбалтываем смесь и ставим на магнит. Операцию промывки повторяем до тех пор, пока рН раствора не достигнет 7,5 – 8,5. Затем после того как последний промывной раствор на две трети слит, загущенную суспензию отфильтровываем через бумажный фильтр на воронке и полученный осадок и является искомым веществом - влажным порошком Fe3O4 [5, 8, 9]. После высушивания получаются магнитные частица размером от 80 до 100 нм, находящиеся в ферромагнитном состоянии [1, 2, 3]. Методика получения магнитных наночастиц магнетита очень проста и недорога, что может в дальнейшем сделать процесс получения массовым. В дальнейшем при добавлении олеиновой кислоты или ПАВ, получится полноценная магнитная жидкость, которая твердеет в магнитном поле. Но для данного проекта необходим именно порошок Fe3O4, реагирующий на магнит.
В случае внедрения данной идеи в массовое применение, предлагается следующий алгоритм работы:
1. На нефтяную пленку распыляется порошок Fe2O3 или из специального распылителя, или с самолета, беспилотника, вертолета.
2. К образовавшейся на поверхности воды смеси нефти и магнетита подплывает транспортное средство, оснащенное мощными магнитами и насосом.
3. Магнит притягивает к себе смесь нефти и ферромагнитного порошока к насосам, которые её закачивают в специальные хранилища.
4. После сбора нефти эмульсию отстаивают для отделения от воды и магнитами осаживают магнетит, который впоследствии также можно использовать для повторного сбора загрязнений.
1. , Кособудский кластеры в полимерных матрицах // Успехи химии, 1983, 52. с. 1350–1364. 4. , , Юрков наночастицы: методы получения, строение и свойства // Успехи химии, 2005, 74, 6. с. 539-574.
2. Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов / Под ред. . – 2-е изд., испр. и доп. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. – 528 с.
3. Электрические свойства тонкого слоя магнитной жидкости с графитовым наполнителем в магнитном поле. - Научный журнал КубГАУ, №75(01), 2012.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОГО НАНОПОРОШКА Fe3O4 ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ РАЗЛИВОВ НЕФТИ
Российская Федерация, Тюменская область, г. Ишим
МАОУ Средняя общеобразовательная школа № 8, 9 класс
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ
Введение
Наши современники, как ни одно другое поколение, на примере собственной жизни все больше и больше сталкиваются порой с катастрофическими последствиями беспечного и неосторожного обращения с природой. Прежде всего, пожалуй, это касается сохранения водных ресурсов планеты. Большая потребность промышленных стран в нефтепродуктах приводит, как известно, к необходимости ее транспортировки в значительных объемах, в том числе, и водным путем. Наряду с этим, технологические процессы, связанные с нефтедобычей, нефтепереработкой, транспортировкой и хранением нефтепродуктов являются одной из основных антропогенных причин масштабного загрязнения водных поверхностей. Причем, особую опасность представляют аварии на нефтепроводах, поскольку нефтяное загрязнение, обусловленное аварией, отличается от многих других техногенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. Материалы, применяемые для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности водоемов, принято называть нефтяными сорбентами, а также нефтесобирателями и нефтепоглотителями. Одной из основных проблем при очистке поверхности водоемов от загрязнений является удаление тонкой нефтяной пленки, обладающей способностью в кратчайшие сроки распространяться на огромные расстояния, нарушая кислородный обмен. Наиболее перспективным и экологически целесообразным считается способ удаления пленки нефтепродуктов с помощью нефтяных сорбентов. Качество нефтяных сорбентов определяется, главным образом, по нефтепоглощению, водопоглощению и плавучести, а эффективность сорбентов для сбора нефти оценивают, в первую очередь, по значению нефтеёмкости [10, 11, 12].
Нанохимия магнитных материалов – одно из наиболее активно развиваемых направлений современной нанонауки, в последние годы привлекает все большее внимание исследователей из различных областей химии, физики, биологии и медицины. Магнитные материалы и феномен магнетизма знакомы человечеству на протяжении давнего времени, и хорошо известно, какую роль играют магнитные явления в жизни современного человека. С интенсивным развитием науки в последние десятиления и стремительно ворвавшимся в научную лексику термином «нано», магнетизм наноразмерных объектов оказался едва ли не самой «горячей», наряду с фуллеренами и углеродными нанотрубками, темой в научных журналах. Исторически пристальнее присматриваться к наночастицам магнитных материалов стали приблизительно с первой половины 90-х годов. Исследователи из различных областей неорганической и металлорганической химии по обе стороны океана сталкивались с тем, что теперь известно под понятием «наночастица» или «наноматериал», а в то время – каждый называл так, как ему было ближе по роду исследований – магнитными жидкостями, кластерами или активными порошками металлов [4, 5, 6]. Исходя из вышесказанного, основой данного исследовательского проекта стало решение проблемы нефтяного загрязнения с помощью материалов и методов нанохимии.
Цель исследования – разработка методики получения ферромагнитного порошка Fe3O4, предназначенного для сбора нефтяной пленки с поверхности воды.
Задачи исследования:
1. Подбор реактивов для синтеза Fe3O4 в условиях школьной лаборатории.
2. Разработка методики получения нанопорошока ферромагнетика Fe3O4.
3. Проведение модельных испытаний сбора нефти с помощью полученного реактива.
Объект исследования – методика получения нанопорошка Fe3O4.
Предмет исследования – сбор нефтяной пленки с помощью нанопорошка Fe3O4 и магнита.
Практическая значимость – в результате исследования получен реагент, позволяющий собирать нефтяное загрязнение с привлечением магнита и насосной станции.
Новизна исследования – полученный нанопорошок Fe3O4 достаточно стабилен и позволяет внедрить в практику новый способ сбора нефтяной пленки с поверхности воды.
Гипотеза исследования – частицы Fe3O4 размерностью от 80 до 120 нм позволяют собирать нефтяную пленку с применением магнита.
МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА Fe3O4
Ключевые требования, которые были предъявлены к материалу для сбора нефтяной пленки с поверхности воды:
1. Наноразмеры, что позволит порошку адсорбироваться на поверхности нефти, не проникая в воду.
2. Достаточно выраженные магнитные свойства.
3. Низкая стоимость производства из доступных реактивов.
Основополагающим принципом химического синтеза наночастиц является инициация химической реакции и последующий контроль над процессами нуклеации и роста образующегося продукта. Понимание сути этих процессов и уровень контроля над ними определяют успешность достижения цели – получения монодисперсных наночастиц с желаемым составом и формой. Для получения нанопорошка Fe3O4 в школьной химической лаборатории использовался метод химической конденсации высокодисперсного магнетита, в основе которого лежит реакция солей железа (II) и (III) в щелочной среде:
Реактивы: FeSO4·7H2O; FeCl3·6H2O; 25%-ный раствор аммиака, дистиллированная вода. В качестве заменителя FeCl3·6H2O можно использовать Fe2(SO4)3.
В основе химического процесса лежит получение коллоидного магнетита Fe3O4 путем гидролиза смеси хлоридов железа (II) и (III) в соотношении минимум 1 к 2, с помощью раствора гидроксида аммония. Для этого в 500 миллилитрах дистиллированной воды растворили 24 грамма трехвалентной соли железа – Fe2(SO4)3 и 12 граммов двухвалентной соли железа - FeCl2. Получается мутный коричневато-оранжевый раствор, который отфильтровывается через фильтровальную бумагу для отделения механических примесей. Следующим шагом добавили 150 мл аммиачной воды (NH4OH):
FeSO4•7H2O + 2FeCl3•6H2O + 8NH3•H2O → Fe3O4 + 6NH4Cl + (NH4)2SO4 + 20H2O (1)
В качестве второго вариант получения можно использовать хлориды железа (II) и (III):
FeCl2 + 2FeCl3 + 8NH3·H2O → Fe3O4 + 8NH4Cl + 4H2O (2)
Коричнево-оранжевый раствор в результате реакции мгновенно превращается в суспензию черного цвета. Далее доливаем дистиллированную воду и ставим на постоянный магнит [4]. Получившийся магнетит Fe2O3 в виде «дождя» под действием сил магнитного поля выпадает на дно колбы, после чего осторожно сливаем около двух третей раствора в канализацию, удерживая остаток магнитом. Следующим шагом заливаем в колбу дистиллированную воду, взбалтываем смесь и ставим на магнит. Операцию промывки повторяем до тех пор, пока рН раствора не достигнет 7,5 – 8,5. Затем после того как последний промывной раствор на две трети слит, загущенную суспензию отфильтровываем через бумажный фильтр на воронке и полученный осадок и является искомым веществом - влажным порошком Fe3O4 [5, 8, 9]. После высушивания получаются магнитные частица размером от 80 до 100 нм, находящиеся в ферромагнитном состоянии [1, 2, 3]. Методика получения магнитных наночастиц магнетита очень проста и недорога, что может в дальнейшем сделать процесс получения массовым. В дальнейшем при добавлении олеиновой кислоты или ПАВ, получится полноценная магнитная жидкость, которая твердеет в магнитном поле. Но для данного проекта необходим именно порошок Fe3O4, реагирующий на магнит.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ.
В результате реализации проекта был получен магнитный нанопорошок магнетит, физические и химические свойства которого представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные физические и химические свойства порошка магнетита.
№ | Параметр | Значение |
1 | Вид и цвет | Порошок тёмно-коричневого цвета |
2 | Насыпная плотность | Около 1,05 г/см3 .Отдельные частицы порошка образуют микроагломераты |
3 | Точка плавления | · 1550°С (литературные данные) |
4 | Размер частиц | · Средний размер частиц 100 нанометров (литературные данные) |
5 | Запах | · Отсутствует |
Основным результатом данного исследования стали испытания полученного порошка Fe2O3 на водной поверхности с нефтяной пленкой. Для этого в чашку было налито 500 мл воды, а на её поверхность налили около 7 мл нефти. Далее около чашки расположили постоянные магниты (Рисунок 11). Следующим шагом автор распылял над нефтью нанопорошок, который за счет своей малой массы не тонул, а оставался на поверхности нефтяной пленки. Магниты, расположенные около чашки притягивали к себе порошок, который тянул за собой нефть. Это всё фиксировалось видеосъемкой и документально подтверждено. Отдельно был проведен опыт с порошком Fe, который также обладает магнитным свойствами, но за счет высокой плотности не остаётся на поверхности нефтяной пленки, а тонет. Этот доказывает, что железный порошок не является альтернативой созданному в данном исследовании нанопорошку Fe2O3.
В случае внедрения данной идеи в массовое применение, предлагается следующий алгоритм работы:
5. На нефтяную пленку распыляется порошок Fe2O3 или из специального распылителя, или с самолета, беспилотника, вертолета.
6. К образовавшейся на поверхности воды смеси нефти и магнетита подплывает транспортное средство, оснащенное мощными магнитами и насосом.
7. Магнит притягивает к себе смесь нефти и ферромагнитного порошока к насосам, которые её закачивают в специальные хранилища.
8. После сбора нефти эмульсию отстаивают для отделения от воды и магнитами осаживают магнетит, который впоследствии также можно использовать для повторного сбора загрязнений.
Для доказательства жизнеспособности данной идеи, была построена опытно-экспериментальная модель (Приложение, рис. 13-15) установки, в которой были две емкости с водой, соединенные насосом. В одной емкости были расположены мощные неодимые магниты с заборным шлангом насоса. Нефтяная пленка с нанесенным сверху порошком Fe3O4, перемещается за счет магнитного поля к насосу, и он перекачивает водно-нефтяную смесь во вторую емкость. Все опыты тщательно снимались на видео в качестве документального доказательства. Главное преимущество, которое дает данный метод сбора нефти – это отказ от бонового заграждения для локализации нефтяных пятен, как от дорогого и громоздкого метода.
ВЫВОДЫ
По итогам исследования были сделаны следующие выводы:
1. В ходе реализации проекта разработана методика получения нанопорошка Fe3O4, для чего используются общедоступные реактивы – соли железа валентностью II и III, аммиачная вода и дистиллированная вода.
2. Показана принципиальная возможность сбора нефтяной пленки с водной поверхности с помощью распыления полученного Fe3O4 над поверхностью водоема. В среднем для сбора 100 мл нефти необходим 1 гр порошка Fe3O4.
3. Для сбора нефти в условиях внедрения данного метода в практику предполагается использование специального распылителя, который будет распределять нанопорошок над нефтяной пленкой. Далее судно со специальным магнитом собирает с помощью насоса водно-нефтяную эмульсию.
4. Данный способ сбора нефти позволяет достаточно быстро и дёшево разделить нефть от порошка Fe3O4 с помощью обычного магнита. Это обеспечивает повторное использование порошка для сбора нефти.
5. Собрана модель, которая иллюстрирует процесс сбора нефтяного пятна с водной поверхности с помощью магнитов и нанопорошка Fe3O4.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Губин такое наночастица? Тенденции развития нанохимии и нанотехнологии //Росс. Хим. Журнал, 2000, XLIV, 6, с. 23–31.
2. , , Ми - крогранулы и наночастицы на их поверхно - сти // Неорганические материалы, 2005, 41, 10, с. 1159–1175.
3. , Кособудский кластеры в полимерных матрицах // Успехи химии, 1983, 52. с. 1350–1364. 4. , , Юрков наночастицы: методы получения, строение и свойства // Успехи химии, 2005, 74, 6. с. 539-574.
4. Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов / Под ред. . – 2-е изд., испр. и доп. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. – 528 с.
5. Электрические свойства тонкого слоя магнитной жидкости с графитовым наполнителем в магнитном поле. - Научный журнал КубГАУ, №75(01), 2012.
6. , Дроздов и нанотехнологии. 10-11 классы. Профильное обучение. Учебное пособие – М.:Дрофа, 2009 г.
7. , , Шипилин получения магнитной жидкости из железосодержащих отходов производства // Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и хим. Технология», Наука, 2002.
8. Разумовская . 11 класс. Учебное пособие. – М:Дрофа, 2009 г.
9. , , Буният-заде И. А., Керимова тонких нефтяных пленок с водной поверхности // Молодой ученый. — 2011. — №7. Т.1. — С. 65-68.
10. Рябчиков методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛипринт, 2004. 300 с.
11. , Юфин сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов. М.: Недра, 1987. 224 с.
12. , Богомольный нефтепродуктов с водной поверхности и грунта. М. – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. 528 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ.
Рисунок 1.Один из исходных реактивов – соль трехвалентного железа Fe2(SO4)3 – сульфат железа (III).
Рисунок 2.Второй реактив – соль двухвалентного железа FeSO4 – сульфат железа (II).
Рисунок 3. Второй этап реализации проекта – смешение солей железа в 500 мл дистиллированной воды.
Рисунок 4. Фильтрация раствора для отделения механических примесей.
Рисунок 5. Автор исследования за работой.
Рисунок 6. Третий этап - сливание аммиачной воды (150 мл) с отфильтрованным раствором солей железа. Черный цвет – это частица магнетит Fe3O4 наноразмеров.
Рисунок 7. Процедура отстаивания полученной суспензии на постоянном магните.
Рисунок 8. Промывка дистиллированной водой полученного нанопорошка магнетита до нейтральной реакции промывных вод.
Рисунок 9. Одно из применений полученного Fe3O4 – ферромагнитная жидкость. На фото представлено влияние магнитного поля на жидкость.
Рисунок 10. Ферромагнитная жидкость в спокойном состоянии – без воздействия магнитного поля.
Рисунок 11. Основное предназначение полученного нанопорошока Fe3O4 – использование в качестве активного вещества при сборе нефти. На фото показана принципиальная возможность сбора разлитой на воде нефти с помощью магнитов и нанопорошка Fe3O4. Более наглядно этот процесс виден на видеосъемке, которая велась параллельно.
Рисунок 12. Испытание на открытом воздухе.
Рисунок 13. Принципиальная схема установки для сбора нефтяной пленки с поверхности воды с помощью порошка Fe3O4. 1- резервуар с водой; 2 - неодимые магниты; 3 – насос; 4 – резервуар для откачки нефти.
Рисунок 14. Нефть на поверхности воды без частиц Fe3O4
Рисунок 15. Нефть на поверхности воды после добавления частиц ферромагнетика Fe3O4 ориентируется возле магнитов и насосом перекачивается в другой резервуар.
Рисунок 16. Образец порошка Fe3O4, полученного в ходе реализации проекта. Видны крупные агломерации частиц, возникающие после длительного (более полугода) хранения.
