纳米技术可以帮助清理海洋石油泄漏吗?用铁磁流体自己动手

2020年3月2日 作者 奇先生 0

难度 <! - 5 - >
所需时间 非常短(≤1天)
先决条件
材料可用性 我们的合作伙伴提供了一个包含该科学项目所需专业项目的工具包家庭科学工具
费用 平均值($ 50 – $ 100)
安全 钕磁铁非常坚固。有些人有能力干扰或重置心脏起搏器。切勿将钕磁铁放入口中。始终使它们远离计算机,信用卡和其他磁化物体。

铁磁流体会在皮肤和其他材料上产生污渍,因此请采取适当措施将流体保留在工作区域内。

摘要

几十年来,清理海洋石油泄漏的巨大任务给工业界,政府和环境保护主义者带来了沉重的负担。清理几乎总是很困难。它需要大量的时间,资源和金钱来从水中去除油,清理通常只是部分成功。然而,今天,科学家们正在拯救,开发出一种结合了纳米技术和磁力的新技术。在这个科学项目中,您将自己测试所提出的技术。你能成功地将油从水中分离出来吗?

目的

研究使用不同量的铁磁流体和强钕磁铁从油中分离油的效率。

积分

Sabine De Brabandere,博士,科学伙伴

  • Microsoft®和Excel®是Microsoft Corporation的注册商标。

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科学伙伴。”纳米技术可以帮助清理海洋石油泄漏吗?用铁磁流体自己动手。” 科学伙伴,2018年9月21日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/EnvEng_p036/environmental-engineering/can-nanotechnology-help-clean-up-ocean-oil-spills。2019年7月6日访问。

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科学伙伴。(2018年9月21日)。纳米技术可以帮助清理海洋石油泄漏吗?用铁磁流体自己动手。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/EnvEng_p036/environmental-engineering/can-nanotechnology-help-clean-up-ocean-oil-spills


最后编辑日期:2018-09-21

简介

海上溢油是一种严重的危害,造成巨大的生态破坏。数十亿美元用于清理作业,这并不总能完全清除环境中的石油。结合纳米技术和磁力的新想法能否得到拯救?

磁性,或者对伴随磁铁的物理力量的研究,已经引起了人们多年的兴趣。磁铁在一定距离上施加(拉动或推动)的能力令人着迷,甚至令人难以置信。

纳米科学,或仅仅几纳米的现象研究,是科学领域的最新成员.纳米是一米长的十亿分之一(10 -9 )。纳米尺寸的物质比人类头发的宽度小约50,000至100,000倍。它们以惊人的方式与它们的大规模形式不同,使我们大多数人难以想象 – 更不用说理解 – 纳米尺度的事情是如何运作的。各个角落都隐藏着惊喜。想象一下,作为一种微小的昆虫 – 像水这样的普通液体对你来说可能看起来很厚,很粘,你很可能会走过它。与我们的水经验完全不同吧?昆虫是几纳米长吗?没有!但有些配备了纳米级工具,为他们提供了非凡的能力。观看参考书目中列出的介绍性视频,以便更加熟悉”纳米世界” 。

现在,如果我们将磁力和纳米科学结合在一起,如图1所示,该怎么办?如果我们将磁性材料还原成纳米颗粒,磁性材料是否还会产生磁性?如果是这样,这些纳米粒子还有哪些其他特性?

维恩图显示左侧的纳米颗粒和右侧的磁性材料。是否会有重叠?存在几纳米的规模?
图1。该维恩图显示左侧的纳米颗粒(几纳米尺度的物质)和右侧的磁性材料。会有重叠吗?是否存在几纳米尺度的磁铁?

科学家们已经对这一假设进行了测试,结果证明它们可以产生几纳米长的具有磁性的粒子。

这些磁性纳米颗粒的一个有趣的方面是它们能够在液体中保持悬浮,产生铁磁流体铁磁流体。这有什么独特之处?你有没有把铁屑放在油或水里?他们漂浮,下沉或保持悬浮状态吗?他们终于沉了下去。直到最近,还没有办法制造出具有磁性的液体。

铁磁流体的成分列表令人惊讶地短,如图2所示:液体(称为载液),铁磁性纳米粒子和表面活性剂或肥皂状物质,以防止纳米粒子聚集在一起。经常使用不同类型的油或水作为载体流体。

图表显示铁磁流体是如何由悬浮铁磁性纳米颗粒的载液制成的。表面活性剂被添加到防止纳米粒子聚集在一起。
图2. 该图显示了铁磁流体如何由其中悬浮铁磁性纳米颗粒的载体流体制成。添加表面活性剂以防止纳米颗粒聚集在一起。

当没有强烈的磁场时如果存在,铁磁流体就像我们期望液体流动一样流动。然而,当引入强磁体(或磁场)时,铁磁流体被拉到磁体上并发生意外情况。您可能会看到铁磁流体”跳跃” 到磁铁上,在那里它可能会形成美丽的尖刺状结构,抵抗重力。

铁磁流体已经进入各种实际用途,如电子设备,医疗应用,甚至艺术。这种混乱的液体能帮助清理海上的漏油吗?观看以下BBC世界地球报告,亲眼看看。

观看此视频BBC世界地球报告:使用磁铁清洁溢油,CLEANMAG

这个想法是以某种方式使溢出的油具有磁性,因此可以使用强磁铁将磁性油与非磁性水分离。图3显示了解释该方法的流程图。

流程图显示了使用磁铁将油(溢出物)与水分离的想法这个项目主要集中在前两个步骤:使油磁化并将磁化油与水分离。
图3. 流程图显示了使用磁铁从油中分离油(溢出物)的想法,首先使油磁化。该项目主要集中在前两个步骤:使油磁化并将磁化油与水分离。

在BBC视频中,磁性颗粒用于使油具有磁性(或者更准确地说,颗粒吸收内部空腔中的油,保留其磁性)。最近,科学家们一直致力于研究使用铁磁流体对油进行磁化的可能性。在这个纳米技术科学项目中,您将在小范围内探索后一种技术。您将研究该方法在从水面去除油的效率,您可能会发现它的一些局限性和优势。

如上所述,您将在溢油中添加铁磁流体以使其具有磁性。你的目标是让来自铁磁流体的铁磁颗粒扩散并与溢出的油混合,使其具有磁性。如果选择载液以使其与溢出的油充分混合,则铁磁流体将自然地扩散并与溢油混合。然后,您将使用强磁铁从水中去除油/铁磁流体混合物。

这个科学项目的想法不仅旨在调查该方法是否在小范围内工作,而且还旨在量化该方法在这种规模下从水中去除油的效率。使用该清理程序去除的油量将与原始溢油量进行比较,并在一个称为”b” “效率” 的变量中进行量化,如公式1所示。

等式1:

效率值接近1意味着几乎所有的油都已被清除 – 这表明清理方法可以很好地去除水中溢出的油。接近0的效率值意味着已经除去了很少的原始油 – 表明清除方法在从水表面去除溢出的油方面做得很差。

鉴于在清理程序后测量剩余的油量更容易,您是否能够使用代数并表示剩余油量的效率? (提示:你需要的方程)。以下是结果公式:

公式2:

公式3:

在你继续之前检查一下表并溢出一些油,在混乱中添加一些铁磁流体,看看强磁铁是否可以清理它。

我所知道的 我想学什么 我学到了什么

铁磁流体具有悬浮在载液中的铁磁性纳米颗粒。

铁磁流体可以由不同的载液制成。经常使用的载体流体是矿物油,合成油和水。

磁流体吸引磁铁。

可以使用含有油载液的铁磁流体将油与水分离吗?

使用这种方法可以去除多少油或哪部分油?

要使这种方法适用于清理海上漏油事件,还需要克服哪些其他限制或困难?

表1。此表列出了纳米科学项目理念中的主要背景信息和问题。添加最后一栏,供学生填写项目的主要结论。

术语和概念

  • 磁性
  • 纳米
  • 纳米
  • 暂停
  • 铁磁流体
  • 铁磁流体
  • 载液
  • 表面活性剂
  • 效率

问题

  • 铁磁流体的主要特征是什么?它是由什么制成的?
  • 通常使用哪种载液来制造铁磁流体?
  • 虽然这个项目使用的是油基铁磁流体,但是水基铁磁流体是否可以在漏油中磁化石油?
  • 是否可以通过在油或其他液体中添加铁屑来制造铁磁流体?为什么或者为什么不?
  • 可以使用什么标准来评估所测试的方法是否适合用于清理海上漏油事件?

参考书目

剑桥大学制作的这段17分钟的视频概述了纳米技术的广泛领域:

有关探索纳米技术的更具互动性的地方:

以下文章描述了与此项目中探讨的类似的测试:

有关溢油纳米技术解决方案的概述,请参阅以下文章:

材料和设备 产品套件可用

这些特殊商品可以从我们的合作伙伴那里购买家庭科学工具:

  • 铁磁流体纳米技术试剂盒(1)。包括:
    • 铁磁流体,25 mL(注意:如果从不同来源购买铁磁流体,请确保使用矿物油作为载液。)
    • 矿物油,50 mL
    • 钕磁铁
    • 培养皿,60mm×15mm(10)
    • 量筒,25 mL体积
    • 塑料转移移液器,刻度(9)
    • 丁腈手套,对(3)

您还需要收集这些项目:

  • 围裙或可染色的衣服
  • 海报板,最好是白色
  • 实验室笔记本和笔
  • 水(自来水很好)
  • 杯子(3)。两个应至少保持150毫升,第三个应至少保持30毫升.
  • 2滴食用色素(任何颜色)
  • 布料抹布或纸巾
  • 水槽或碗(使用后清洗量筒和培养皿)
  • 热水
  • 洗碗液
  • 塑料夹层袋(9)
  • 吸管(3)
  • 垃圾纸或塑料袋
  • 相机(可选)

推荐项目用品

获得正确的耗材 – 经过选择和测试,以便与该项目合作

项目套件:89.95美元 View Kit

实验程序

在这个科学项目中,您将测试一种使用铁磁流体和强磁铁清除水中溢油的新方法。请注意,铁磁流体很杂乱。它们会污染皮肤以及衣服和表面。在整个过程中,采取措施控制铁磁流体。然而,在你开始之前,戴上围裙,检查自己和你的环境:如果你的衣服或工作表面上有一些铁磁流体溢出,会不会好的?

您将使用钕磁铁。这些磁铁很坚固。在任何时候,都要将这些磁铁远离任何磁化材料和计算机。

  1. 准备工作区域。
    1. 将白色招贴板放在地面或工作台上。海报板将保护表面,为照片提供干净的背景,并使您能够记笔记。
    2. 通过绘制四条垂直线,大约4英寸宽,8英寸长,在海报板中间附近制作三列。标题为”5滴铁磁流体” ,”1滴铁磁流体” 和”无铁磁流体” 。图4显示了如何组织工作区.
图示了如何整理工作区。海报板用作表面工作这个科学项目。[x1]三列表示测试区域。上面是杯子,水,矿物油和一瓶铁磁流体。布或纸巾保持在可及范围内,以清理潜在的铁磁流体溢出
图4. 组织您的工作区域。使用海报板作为表面来处理这个科学项目。三列表示测试区域。它们上面是水和矿物油的杯子和一瓶铁磁流体。保持布或纸巾可以清理潜在的铁磁流体溢出物。

  1. 将下表复制到笔记本中。您将使用它来记录您的测量值。

清洁程序后留下的矿物油体积(mL)
控制:不使用铁磁流体的清洁程序 清洁程序
使用1滴铁磁流体
清洁程序
使用5滴铁磁流体
测试1
测试2
测试3
平均值
效率
观察
表2。在实验室笔记本中制作一张与此类似的表格,记录清洁程序施加后留在水中的矿物油量。

  1. 准备好你的水。使用有色水来提高能见度。
    1. 在杯中加入至少100毫升(mL)的自来水。
    2. 在水中加入一滴或两滴食用色素。
    3. 混合使食用色素溶于水中.
    4. 将杯子放在柱子上方,如图4所示。
    5. 在它旁边放一个移液器。该移液器仅用于有色水。
  2. 准备矿物油。
    1. 在一个小杯中倒入约25 mL矿物油。将油放入杯中可以更容易地使用移液器。
    2. 将杯子放在柱子上方,用有色水在杯子旁边。
    3. 在它旁边放一个刻度移液管。该移液器仅用于矿物油。
  3. 准备铁磁流体。
    1. 将带有铁磁流体的瓶子放在招贴广告牌上的另一两个杯子旁边。
    2. 将吸管放在布或纸巾旁边。该移液器仅用于铁磁流体。
    3. 准备好布或纸巾以清理任何溢出的铁磁流体.
    4. 戴上手套。
  4. 准备清洗量筒。
    1. 用温水填充水槽或大碗。
    2. 将洗碗液加入水中。
  5. 准备一个空杯子,准备好丢弃废液。
  6. 准备考试。
    1. 每栏放一个培养皿,共三个。
    2. 用移液管用约14 mL有色水填充每个培养皿。如果您使用不同大小的培养皿,请填充培养皿,直到水位高达几毫米。
    3. 使用刻度移液管为每个培养皿准确添加2.5 mL矿物油。这代表了你的漏油事件。
      1. 重要的是每个培养皿都能获得完全相同的油量,因此可以将结果相互比较.
      2. 目的是释放培养皿中间附近的油.
  7. 通过添加铁磁流体使油磁化。
    1. 打开前摇动一层铁磁流体。
    2. 测试让一个人从移液器中掉落回瓶中的感觉。
    3. 对于”1滴铁磁流体” 栏中的培养皿,在漏油中间放置一滴铁磁流体。
    4. 对于”5滴铁磁流体” 柱中的培养皿,在溢油中放置5滴铁磁流体,优选分布在油表面上。
      1. 如果水滴落在水面而不是漏油,请观察发生的情况.(铁磁流体浮在水面上吗?它会下沉吗?)在笔记本上特别注意。分析数据时,此信息非常有用.
    5. 关闭铁磁流体瓶,将移液器放在旁边的布或纸巾上。
    6. 请注意,您不会在标题为”无铁磁流体” 的栏中将铁磁流体添加到培养皿中。您将使用此培养皿作为对照和参考。
    7. 等一下,观察约一分钟。铁磁流体是否分布在溢油事故上?它会进入水中吗?你看到铁磁流体沉到培养皿的底部吗?
    8. 可选:拍照.
  8. 用磁铁清理漏油。
    1. 对所有三个培养皿重复以下清理程序,从标题为”未添加铁磁流体” 的栏上方开始。
      1. 打开一个干净的塑料三明治袋。
      2. 将钕磁铁放入塑料袋的一个角落,如图5所示。
        钕块磁铁放在三明治袋的一角,准备拿起磁化油溢出的油清理程序
        图5. 将钕磁铁放入夹层袋的角落。现在准备在油清理程序中拾取磁化溢油。
      3. 将夹在三明治袋中的磁铁一次性移动通过油。最好将磁铁略微浸没在液体中,并尽可能地尽可能地完成一次运动中的完全漏油.注意:重要的是选择一种方法将磁铁移动(或通过)溢油,然后在整个项目中保持不变。您想要使用不同数量的铁磁流体来比较效率。将磁铁移动通过流体的不同方法可能会影响结果。
      4. 用纸巾或布擦拭袋子。
      5. 将磁铁放入塑料袋的另一角。这个角落应该仍然干净干燥;如果没有,请使用新包。
      6. 第二次将磁铁从包中穿过油。
      7. 用纸巾或布擦拭袋子并将其放入垃圾袋。
      8. 在笔记本中写下任何特殊的观察结果。剩余的油看起来是干净还是脏污?培养皿中留下的液体中是否还留有铁磁流体?如果是这样 – 它是漂浮,下沉还是暂停?
      9. 可选:拍照.注意:可能很难看到图中剩余的油,特别是在没有铁磁流体的培养皿中.
  9. 测量水中剩余的油量。
    1. 对所有三个培养皿重复以下步骤。
      1. 小心地将所有剩余的液体(水,油和铁磁流体)从培养皿转移到量筒。一些油会粘在培养皿上。尝试在气缸中尽可能多地获得。不要使用漏斗,因为更多的油会粘在漏斗上并使读数更低。
      2. 等到所有的油都沉淀在汽缸的水面上。
      3. 读取留在水面上的油量。确保你的眼睛有油层。油层可具有弯曲形状。如图6所示的特写图片可以帮助您使读数更准确。
        用于确定水中剩余油量的量筒的特写图片。确保您的相机与油液保持水平,并且在拍照前可以看到滚筒上的标记。
        图6。这个量筒的特写图片可以帮助确定留在水面上的油量。在拍照前,确保您的相机与油液保持水平,并且可以看到滚筒上的标记。
      4. 将您的阅读记录在相应列中类似于表2的表格中。
      5. 在需要的地方添加观察记录。在将技术转移到清理海上石油时,进行可能很重要的观察。
      6. 丢弃杯子中的液体。
      7. 用温肥皂水仔细清洗汽缸。
      8. 用一根用吸管包裹的纸巾擦干你的圆筒内部。
  10. 将废弃的液体倒入水槽或马桶中,然后将用过的培养皿放入一堆以便稍后清洗.
  11. 重复步骤8至12两次,每次清洁程序共进行三次测试.
  12. 整理工作区,清洗培养皿和圆筒,丢弃所有脏纸巾和布以及用于转移铁磁流体的移液器。
  13. 分析您的数据。
    1. 从三次测试中计算出剩余矿物油的平均体积,并将结果记录在数据表中。
    2. 计算清理过程的效率并记录数据表中的值。如果您需要复习,请在”简介” 选项卡中查看效率的定义和方程式。为方便起见,重复公式3,原始溢油量取代了本试验中使用的量,即2.5 mL。使用清理后剩余的油的平均量(以毫升计)来计算效率。

      公式3:

    3. 制作数据条形图。
      1. 为两个清理程序和控件(没有铁磁流体的控件)制作剩余体积的条形图。
      2. 制作每个清理程序和控件效率的条形图。
      3. 您可以手动制作图表或使用创建图表在计算机上制作图形并打印它们。您还可以使用Microsoft®Excel®等电子表格程序。
    4. 您的数据是否证实铁磁流体可以与强磁铁一起使用,以便在小规模测试中去除水中的漏油?
  14. 思考和结论。
    1. 使用一滴铁磁流体和使用五滴铁磁流体进行清理,控制与清理相比如何?
    2. 您是否看到了测试的一些缺点?需要考虑的事情:
      1. 将液体转移到量筒时,油留在培养皿上会影响测量吗?他们会以系统的方式偏向你的结果吗?如果是这样,他们会让您的效率看起来更好还是更差?
      2. 控制的效率告诉你什么?
      3. 是否仍然可以将控制与不同的清理方法进行比较并得出结论?
    3. 您是否会按此比例对方法进行分类?在更大规模上应用这种方法会自动产生类似的效率吗?
    4. 您认为使用铁磁流体清理水中溢油事件有哪些优点,缺点和工作要点?
    5. 您可以通过哪些方式改进该方法?
    6. 看到你的结果,你认为以更大的规模调查这个方法是值得的,目的是用它来清理海上的石油泄漏吗?您是否会说在继续之前需要改进和/或调查具体要点?

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变体形式

  • 在这个科学项目中,培养皿中的水仍然存在。没有波浪或运动扰乱了石油泄漏。研究是否移动培养皿,产生小波浪,或搅拌培养皿中的液体是否会影响清理程序的效率。调查如果铁磁流体意外掉落在水面而不是溢油上会发生什么。它会下沉并造成环境危害吗?
  • 这个科学项目测试了使用矿物油基铁磁流体清除水中的矿物油。测试该方法如何有效地清理植物油或其他类型的油,或者购买基于不同载体流体的铁磁流体,并测试该铁磁流体如何清理溢油。
  • 在这个科学项目中,建议您将磁铁浸没在液体中。或者,研究最佳效果:将磁铁浸没在液体中;几乎没有碰到表面;或者用磁铁盘旋在表面上?在另一个变体中,研究快速或缓慢地移动磁体通过液体或在液体上移动的效果。在这些情况下,重要的是要保持清理中使用的铁磁流体滴数不变,因为您的目的是比较不同的磁铁移动方式。
  • 这个科学项目使用棒状钕磁铁测试了清理程序。你能尝试使用不同强度的磁铁吗?或者不同形状的磁铁?磁铁的表面区域会起重要作用吗?在这些情况下,必须坚持使用特定数量的铁磁流体进行清理,因为在这种情况下,您需要确定切换磁铁造成的任何差异。
  • 在这个科学项目中,您使用一滴或五滴铁磁流体来清理2.5毫升的漏油。如果你将所有数量增加一倍或三倍,你可以调查效率是否相同(例如,比较使用一滴清理2.5毫升油的效率,两滴清理5毫升油,三滴清理7.5毫升油。)
  • 对于更高级的项目,请查看人们如何使用喷墨打印机墨水制作铁磁流体。您是否能够制造自己的铁磁流体并对其进行优化以清理特定的漏油事件?