Их недавно разработанная мембрана может быть произведена в промышленных масштабах и может перерабатывать большие количества тонко перемешанных материалов обратно в чистое масло и воду. Процесс описан в журнале Scientific Reports профессором Массачусетского технологического института Крипа Варанаси, аспирантом Брайаном Соломоном и постдоком М. Насим Хайдер.
В дополнение к его возможной роли в очистке разливов, новый метод также может использоваться для обычного бурения, например, в глубоком океане, а также на суше, где вода закачивается в скважины, чтобы помочь вытеснить нефть из глубоких горных образований.
Как правило, объясняет Варанаси, добываемая смесь нефти и воды помещается в большие резервуары, чтобы обеспечить разделение под действием силы тяжести; масло постепенно всплывает наверх, откуда его можно снять.
Это хорошо работает, когда масло и вода являются «уже большими шариками, уже частично разделенными», — говорит Варанаси. "Сложность возникает, когда у вас есть так называемая эмульсия с очень крошечными капельками масла, стабилизированными на водном фоне, или вода на масляном фоне.
Сложность существенно возрастает для наноэмульсий, где размер капель меньше микрона."
Чтобы разрушить эти эмульсии, бригады используют деэмульгаторы, которые сами по себе могут нанести вред окружающей среде.
Например, во время разлива нефти Deepwater Horizon в Мексиканском заливе в 2010 году в море было сброшено большое количество диспергентов и деэмульгаторов.
«Через некоторое время [масло] просто исчезло, — говорит Варанаси, — но люди знают, что оно спрятано в воде, в этих тонких эмульсиях.«В случае наземного бурения, когда так называемая« пластовая вода »из скважин содержит мелкие эмульсии нефти, компании иногда просто разбавляют воду до тех пор, пока она не будет соответствовать нормативным стандартам для сброса в водные пути.
«Это очень серьезная проблема для отрасли, — говорит Варанаси, — как с точки зрения извлечения нефти, так и, что более важно, с точки зрения предотвращения сброса добываемой воды в окружающую среду."
Новый подход, разработанный группой Варанаси, использует мембраны с иерархической структурой пор. Мембраны объединяют очень тонкий слой нанопор с более толстым слоем микропор, чтобы ограничить прохождение нежелательного материала, обеспечивая при этом прочность, достаточную, чтобы выдерживать высокое давление и пропускную способность. Мембраны могут быть с контрастными смачивающими свойствами, поэтому их поры либо притягивают масло, либо отталкивают воду, либо наоборот.
«Это позволяет одному материалу проходить, блокируя другой с небольшим сопротивлением потоку», — говорит Варанаси.
Он объясняет, что выбор мембраны или их комбинации может зависеть от того, какой материал преобладает в конкретной ситуации.
По словам Варанаси, поры должны быть меньше капель, чтобы блокировать их, что в случае наноэмульсий приводит к очень маленьким порам и значительному сопротивлению потоку, что ограничивает производительность. Производительность можно улучшить, увеличив градиент давления или сделав разделительный слой очень тонким, но прошлые попытки сделать такие тонкие мембраны с небольшими порами привели к образованию материалов, которые разрываются даже при номинальном давлении.
Решение команды: гениальный процесс, который делает большие отверстия на одной стороне, которые проходят большую часть пути через материал, обеспечивая небольшое сопротивление потоку, а также наноразмерные отверстия на другой поверхности, контактирующие с эмульсией, которую нужно отделить. Тонкий слой с порами нанометрового размера допускает разделение, а толстый слой с большими порами обеспечивает механическую поддержку.
По словам Варанаси, этот подход может быть адаптирован к промышленным процессам, используемым сегодня для изготовления больших мембран в крупносерийной производственной системе с рулонами на рулоны, поэтому достижение крупномасштабного производства должно быть относительно простым.
«Полимерный раствор наливается на стеклянную пластину», — объясняет Хайдер; затем эту литейную плиту погружают в ванну без растворителя, чтобы вызвать осаждение с образованием пленки.
Этот метод создает двухслойную полимерную фазу: один слой богат полимером, а другой — нет. Когда они выпадают в осадок, в богатой полимером фазе появляются более мелкие поры; фаза, обедненная полимером, делает более крупные. Поскольку растворы образуют единый лист пленки, нет необходимости связывать слои вместе, что может привести к более слабому фильтру.
«Нет отдельного слоя, он полностью интегрирован, поэтому механическая опора является единой», — говорит Хайдер. На заключительном этапе добавляется другой полимер, чтобы придать материалу, включая покрытие пор, поверхности, которые притягивают или отталкивают масло и воду. Толщина поверхностного слоя может быть дополнительно оптимизирована с помощью полимерных порообразователей для повышения производительности.
Соломон провел эксперименты, показывающие эффективность мембран в разделении наноэмульсий при сохранении целостности при высоком давлении.
Команда использовала различные методы, включая дифференциальную сканирующую калориметрию, динамическое рассеяние света и микроскопию, чтобы проверить эффективность разделения, показав более 99.9-процентное разделение.
Микроскопические изображения показывают, что мембрана работает, в воду добавлен краситель, чтобы капли стали более заметными. В течение нескольких секунд сильно мутная смесь масла с водой становится совершенно прозрачной, поскольку вода проходит через мембрану, оставляя после себя чистое масло. Как показано на изображениях с микроскопа, Соломон говорит: «Мы избавляемся не только от капель, которые вы видите, но и от более мелких», которые способствуют облачности.
Команда работает с Shell, которая поддержала исследование через MIT Energy Initiative, для дальнейшего тестирования материала.
Видео: http: // www.YouTube.com / watch?v = syvhj2iKCyY