مفاهیم کلیدی: محیط زیست، مهندسی، روغن، جذب
مشاهده علمي ۱۶۱
مقدمه:
آیا تا به حال در اخبار تصاویر مربوط به نشت نفت در اقیانوس‌ها را دیده‌اید؟ نشت نفت می‌تواند حیات وحش را نابود کند و به منابع آبی ارزشمند ما آسیب وارد کند. به همین دلیل تمیز کردن سریع و کامل مواد نفتی روغنی (که ممکن است از تانکرهای حمل و نقل دریایی و یا سکوهای حفاری نشت کنند) بسیار مهم است.
اما این کار چندان آسان نیست و دانشمندان به دنبال مواد جدید و متفاوت برای کمک به بهتر انجام شدن این فرآیند هستند. در این فعالیت علمی شما می‌توانید جذب مواد مختلف (موادی به نام جاذب) را بررسی کنید تا نتیجه بگیرید کدام ماده برای جدا کردن مواد روغنی از آب مناسب‌تر است.
پیش‌زمینه:
نفت تنها به عنوان سوخت کاربرد ندارد. کفشی که به پا دارید را نگاه کنید. به احتمال زیاد برخی از قسمت‌های کفش شما از فرآورده‌های نفتی ساخته شده است. حال به پارچه‌ی لباسی که پوشیده‌اید یا فرش و پرده‌های منزل‌تان نگاه کنید. اگر این مواد به طور کامل نخی و طبیعی نباشند، پس قسمتی از آنها تولید شده از فرآورده‌های نفتی است. بسیاری از میوه‌ها و سبزیجاتی که در آشپزخانه می‌بینید با کمک کودها و سموم مختلف رشد کرده‌اند که این کودها و سموم نیز محصولات حاصل از فرآورده‌های نفتی هستند. در داروها، لوسیون‌ها، خمیردندان‌ها، شامپوها و چسب زخم‌ها نیز از فرآورده‌های نفتی استفاده می‌شود. فرآورده‌های نفتی همه جا هستند، حتی بیرون از خانه در لاستیک اتومبیل‌ها، جاده‌ها و سوخت اکثر وسایل نقلیه‌ی موتوری!
از آنجا که نفت و فرآورده‌های آن کاربردهای فراوانی دارد، مقادیر بسیار زیادی از آن در مسافت‌های طولانی به کارخانه‌های مختلف حمل می‌شود تا در آنجا تبدیل به محصولات مورد نیاز ما شود. روزانه میلیون‌ها بشکه نفت عمدتاً در تانکرها که هر کدام ظرفیت حمل بیش از دویست هزار تن را دارند جابه‌جا می‌شوند. گاهی این تانکرها دچار حادثه می‌شوند یا سکوهای حفاری دریایی آسیب می‌بینند و در نتیجه نشت نفت به اقیانوس اتفاق می‌افتد. یکی از راه‌هایی که مهندسین محیط زیست سعی دارند با آن این نشت‌های نفت را تمیز کنند استفاده از مواد جاذب است، یعنی موادی که قابلیت جذب مایعات را دارند. اسفنج یا دستمال کاغذی که در کارهای روزانه از آنها استفاده می‌کنید جاذب هستند. حال قصد داریم به طور علمی بررسی کنیم که کدام ماده‌ی جاذب برای جدا کردن مواد روغنی از آب مناسب‌تر است.
مواد و وسایل مورد نیاز:
روزنامه
کیسه زباله پلاستیکی بزرگ
ظرف اندازه‌گیری مایع با ظرفیت چهار فنجان (می‌توانید از ظرف اندازه‌گیری کوچکتر استفاده کنید و به همین نسبت مقدار مواد دیگر را نیز کاهش دهید. اما در این صورت نتیجه‌ای که مشاهده خواهید کرد به اندازه‌ی حالت عادی نیست.)
فنجان اندازه‌گیری (با ظرفیت یک فنجان)
سه ماده‌ی جاذب (یا بیشتر) برای بررسی، هر کدام به مقدار یک فنجان (برای مثال پنبه، خز، پوسته‌ی نارگیل و پر. اگر قصد بررسی پوسته‌ی نارگیل را دارید باید دستکش، عینک ایمنی، چکش و یک حوله یا کیسه‌ی کنفی بزرگ داشته باشید.)
قیچی
روغن گیاهی (حداقل سه فنجان)
آب
فیلتر قهوه‌ی قابل شستشو (باید به اندازه‌ای باشد که به راحتی در ظرف اندازه‌گیری با ظرفیت چهار فنجان جا بگیرد.)
کرنومتر، تایمر یا ساعتی که ثانیه شمار داشته باشد.
صابون مایع
ماشین حساب
آماده‌سازی:
روی سطح کارتان روزنامه پهن کنید تا تمیز کردن بعد از کار دشوار نباشد. همچنین کیسه‌ی زباله را باز کنید و آن را آماده کنار فنجان اندازه‌گیری مایع بگذارید.
تمام مواد جاذب خود را آماده کنید. تکه‌های بزرگ را به تکه‌های کوچک به اندازه‌ی نوک انگشت شست بشکنید (یا ببرید) تا خوب ظرف اندازه‌گیری را پر کنند. به این ترتیب یک فنجان از هر ماده‌ی جاذب خواهید داشت.
اگر قصد آزمایش پوسته‌ی نارگیل را دارید، عینک ایمنی بزنید و دستکش بپوشید و نارگیل را با یک حوله‌ی بزرگ بپوشانید یا آن را در یک کیسه‌ی کنفی قرار دهید. سپس با چکش به آن ضربه بزنید. دقت داشته باشید که این کار را روی سطحی انجام دهید که بزرگترتان اجازه‌ی انجام این کار روی آن را داده است.
پس از آماده کردن تمام مواد جاذب، نگاهی به آنها بیندازید. ظاهر این جاذب‌ها چه تفاوتی با هم دارد؟ به نظر شما این جاذب‌ها چقدر خوب مواد روغنی را جذب خواهند کرد؟
روش کار:
سه فنجان آب در ظرف بزرگ اندازه‌گیری بریزید. سپس به آرامی یک فنجان روغن گیاهی را به آن اضافه کنید. روغن و آب با هم مخلوط می‌شوند یا دو فاز جدا تشکیل می‌دهند؟
اگر حبا‌ب‌های زیادی بین دو لایه‌ی آب و روغن ایجاد شده است، چند دقیقه صبر کنید تا حباب‌ها از بین بروند. مقدار یک فنجان از یکی از مواد جاذب را روی یک فیلتر قهوه قرار دهید و آن را به آرامی داخل ظرف بزرگ حاوی آب و روغن فرو کنید و به مدت چند ثانیه آهسته فیلتر را تکان دهید تا ماده‌ی جاذب به طور کامل غوطه‌ور شود. ممکن است لازم باشد به آهستگی فیلتر را زیر سطح مایع ببرید تا مایع به راحتی به فیلتر برسد.
پس از غوطه‌ور شدن ماده‌ی جاذب در مایع، زمان را با کرنومتر یا تایمر شروع کنید یا زمان دقیق در آن لحظه را از روی ساعت بخوانید و در کاغذ یادداشت کنید. پس از سی ثانیه فیلتر را بلند کنید (همراه با ماده‌ی جاذب) و آن را به مدت چند ثانیه بالای سطح مخلوط آب و روغن نگه دارید تا قطرات آویزان از آن به پایین بیفتد. آیا به نظر می‌رسد ماده‌ی جاذب مایع زیادی را به خود جذب کرده است؟
محتویات داخل فیلتر قهوه را در کیسه زباله‌ی پلاستیکی بریزید.
طوری خم شوید که سرتان در مقابل ظرف اندازه‌گیری حاوی مایع قرار بگیرد و ارتفاع مخلوط آب و روغن را بخوانید. (دقت داشته باشید که مقدار مخلوط آب و روغن در ابتدای کار باید چهار فنجان باشد زیرا حاوی سه فنجان آب و یک فنجان روغن است.) اکنون مقدار آب و روغن داخل ظرف چقدر است؟
حال فقط مقدار آب داخل ظرف را بخوانید. برای این کار باید به فصل مشترک آب و روغن نگاه کنید. (دقت داشته باشید که در ابتدای کار این فصل مشترک باید مقدار سه فنجان را نشان می‌داد زیرا مقدار آب اولیه سه فنجان بوده است.) اکنون مقدار آب داخل ظرف چقدر است؟
با کم کردن مقدار آب از مقدار کل مایع داخل ظرف، حجم روغن موجود در ظرف به دست می‌آید. مقدار روغن باقی مانده در ظرف چقدر است؟
حال مقدار آب باقی مانده را بر مقدار روغن باقی مانده تقسیم کنید. نسبت آب باقی مانده به روغن باقی مانده چقدر است؟ بر اساس این نسبت فکر می‌کنید این ماده‌ی جاذب چه میزان در جدا کردن روغن از آب موثر بوده است؟
فیلتر قهوه و ظرف بزرگ را با آب و صابون بشویید.
تمام مراحل بالا را برای هر کدام از مواد جاذب مورد نظرتان انجام دهید. به این ترتیب که ابتدا ظرف بزرگ اندازه‌گیری را با سه فنجان آب و یک فنجان روغن پر کنید. سپس مقدار یک فنجان ماده‌ی جاذب را به کمک فیلتر قهوه در مخلوط آب و روغن غوطه‌ور کنید. زمان غوطه‌ور ماندن مواد جاذب در مخلوط آب و روغن باید یکسان باشد. (دقت داشته باشید که پس از هر بار انجام آزمایش ظرف حاوی آب و روغن و فیلتر را با آب و صابون بشویید.) نسبت آب باقی مانده به روغن باقی مانده در مواد جاذب مختلفی که بررسی می‌کنید چقدر است؟
هر چه نسبت آب باقی مانده به روغن باقی مانده بیشتر باشد، عملکرد ماده‌ی جاذب در جدا کردن روغن از آب بهتر است. بر اساس نتایجی که به دست آورده‌اید، کدام ماده‌ی جاذب به منظور جداسازی روغن از آب موثرتر است؟ کدام ماده‌ی جاذب تأثیر کمتری دارد؟
آزمایش‌های تکمیلی:
این فعالیت علمی این امکان را به شما می‌دهد که بر اساس حجم آب و روغن جذب شده بررسی کنید کدام ماده‌ی جاذب در جداسازی موثرتر است. روشی پیدا کنید که در آن بر اساس جرم آب و روغن جذب شده توسط مواد جاذب عملکرد آنها را بررسی کنید. کدام جاذب جرم بیشتری از روغن را جذب می‌کند؟
بررسی کنید که مواد جاذب مختلف در دوره‌های زمانی کوتاه‌تر یا بلندتر چگونه عمل می‌کنند. عملکرد کدام جاذب با زمان بهتر است؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا پنبه و پوست بهتر از پوسته‌ی نارگیل و پر روغن را جذب می‌کنند؟
در این فعالیت علمی شما توانایی مواد معمول مورد استفاده در منزل را در جذب روغن بررسی کردید. در ابتدای کار نسبت آب به روغن داخل ظرف ۳ به ۱ است، زیرا ظرف حاوی سه فنجان آب و یک فنجان روغن است (و سه تقسیم بر یک مساوی با سه است). در نتیجه مواد جاذبی که روغن بیشتر و آب کمتر جذب می‌کنند نسبتی بزرگتر از سه خواهند داشت.
در مقابل جاذب‌هایی که میزان روغن کمتری جذب می‌کنند نسبتی کوچکتر از سه دارند. اگر در این فعالیت علمی پنبه و پوست را آزمایش کرده باشید، احتمالاً مشاهده کرده‌اید که این مواد جاذب‌هایی نسبتاً خوب هستند و نسبت آب باقی مانده به روغن باقی مانده در آنها پنج یا بیشتر است. همچنین اگر پوسته‌ی نارگیل و پر را آزمایش کرده باشید، مشاهده کرده‌اید که این مواد جاذب‌های ضعیف‌تری با نسبت سه یا کمتر هستند. برای جذب انتخابی مواد روغنی در نشت‌های رخ داده در اقیانوس، ماده‌ی جاذب باید نسبتی بالا داشته باشد.
تمیز کردن:
اگر در جایی روغن ریخته‌اید آن را با آب گرم و صابون تمیز کنید. بیشتر زباله‌های مربوط به این آزمایش نیز قابل دور ریختن هستند (مانند روغن گیاهی، روزنامه، پوسته‌ی نارگیل، پوست، پر و ...).
منبع:
Sorbent Science
منابع مفيد:
روغن
محيط زيست
علوم زيستي
نجات از پلاستيک
يک آزمايش روغني
آب و روغن
پلاستيک سبز
لکه نفتي خليج مکزيک-ويکيپديا
محيط زيست-ويکيپديا
روغن-ويکيپديا
نيمه شناور-ويکيپديا
Sorbent
Petruleum oils
Oil Spill Basics