Розділення дрібно змішаної олії та води: Мембрана може відокремлювати навіть сильно змішані залишки розливу нафти

Всякий раз, коли відбувається значне виливання нафти у воду, вони, як правило, змішуються у суспензію крихітних крапель, звану емульсією, яку надзвичайно важко відокремити - і це може завдати серйозної шкоди екосистемам. Але дослідники MIT відкрили новий, недорогий спосіб знову розділити дві рідини.

Їх нещодавно розроблена мембрана може бути виготовлена в промислових масштабах і може переробляти велику кількість тонко змішаних матеріалів назад у чисту олію та воду. Процес описаний у журналі Scientific Reports професором Массачусетського технологічного університету Крипою Варанасі, аспірантом Брайаном Соломоном та постдоктором М. Насімом Хайдером.

На додаток до можливої ролі в очищенні розливів, новий метод також може бути використаний для звичайного буріння, наприклад у глибоких океанах, а також на суші, де вода закачується в свердловини, щоб допомогти витіснити нафту з глибоких гірських порід. Як правило, пояснює Варанасі, змішану нафту і воду, що видобувається, поміщають у великі резервуари, щоб забезпечити поділ під дією сили тяжіння; масло поступово пливе до верху, де його можна знежирити.

Це добре працює, коли нафта і вода - це "вже великі кулі речовини, вже частково відокремлені", говорить Варанасі. "Складність виникає, коли у вас є так звана емульсія, з дуже крихітними крапельками олії, стабілізованими на водному фоні, або водою на масляному тлі. Складність значно зростає для наноемульсій, де розмір крапель нижче мікрона".

Для розщеплення цих емульсій екіпажі використовують деемульгатори, які самі по собі можуть завдати шкоди довкіллю. Наприклад, під час розливу нафти Deepwater Horizon у Мексиканській затоці в 2010 р. У море було скинуто велику кількість диспергаторів та деемульгаторів.

"Через деякий час [масло] просто зникло, - каже Варанасі, - але люди знають, що воно заховане у воді, у цих дрібних емульсіях". У випадку наземного буріння, де так звана "видобута вода" зі свердловин містить дрібні емульсії нафти, компанії іноді просто розбавляють воду до тих пір, поки вона не відповідатиме нормативним стандартам для скидання у водні шляхи.

"Це проблема, яка є дуже складною для галузі, - каже Варанасі, - як з точки зору видобутку нафти, так і, що важливіше, не скидання виробленої води в навколишнє середовище".

Новий підхід, розроблений групою Варанасі, використовує мембрани з ієрархічною структурою пор. Мембрани поєднують дуже тонкий шар нанопор з більш товстим шаром мікропор, щоб обмежити проходження небажаного матеріалу, забезпечуючи при цьому міцність, достатню для витримки високого тиску та пропускної здатності. Мембрани можуть бути виготовлені з контрастними змочувальними властивостями, тому їх пори або притягують масло, і відштовхують воду, або навпаки.

"Це дозволяє одному матеріалу проходити, блокуючи інший, малим опором потоку", - говорить Варанасі. Вибір мембрани або їх поєднання може базуватися на тому, який матеріал переважає в конкретній ситуації, пояснює він.

Пори повинні бути меншими, ніж крапельки, щоб заблокувати їх, говорить Варанасі, - що у випадку наноемульсій призводить до дуже малих пор і значного опору потоку, обмежуючи пропускну здатність. Пропускну здатність можна покращити, збільшивши градієнт тиску або зробивши розділовий шар дуже тонким, але минулі спроби зробити такі тонкі мелкопористі мембрани дали матеріали, які руйнуються навіть під номінальним тиском. Рішення команди: геніальний процес, який робить великі отвори з одного боку, які проникають більшу частину шляху через матеріал, забезпечуючи невеликий опір потоку, а також нанорозмірні отвори на іншій поверхні, контактуючи з відокремлюваною емульсією. Тонкий шар з нанорозмірними порами дозволяє розділяти, а товстий шар з великими порами забезпечує механічну підтримку.

Цей підхід може бути адаптований до промислових процесів, що використовуються сьогодні для виготовлення великих мембран у великій кількості рулонної рулонній виробничій системі, тому досягти масштабного виробництва має бути порівняно легко, говорить Варанасі.

Полімерний розчин виливають на скляну пластину, пояснює Гайдер; Потім цю ливарну пластину занурюють у нерозчинну ванну, щоб викликати осадження і утворити плівку. Методика створює двошарову полімерну фазу: один шар багатий полімером, а другий ні. Коли вони випадають в осад, багата полімером фаза розвиває менші пори; полімерно-худа фаза робить більші. Оскільки розчини утворюють один лист плівки, немає необхідності склеювати шари між собою, що може призвести до слабшого фільтра.

"Окремого шару немає, він повністю інтегрований, тому механічна опора є цілісною", - говорить Хайдер. На завершальному етапі додають інший полімер, щоб надати матеріалу - включаючи покриття пір - поверхні, які притягують або відштовхують масло і воду. Товщину шкірного шару можна додатково оптимізувати, використовуючи полімерні пороутворювачі для підвищення пропускної здатності.

Соломон провів експерименти, що показали ефективність мембран у розділенні наноемульсій при збереженні цілісності при високому тиску. Команда використовувала різні методи - включаючи диференціальну скануючу калориметрію, динамічне розсіювання світла та мікроскопію - для перевірки ефективності розділення, що демонструє більше 99,9 відсотка поділу.

Зображення мікроскопії показують мембрану, яка працює, з додаванням у воду барвника, щоб зробити краплі більш очевидними. За кілька секунд сильно помутніла олійно-водна суміш стає абсолютно прозорою, коли вода проходить крізь мембрану, залишаючи чисте масло позаду. Як показано на зображеннях мікроскопа, Соломон каже: "Ми позбавляємось не тільки крапель, які ви бачите, але й менших", що сприяє похмурому вигляду.

Команда співпрацює з Shell, яка підтримала дослідження за допомогою енергетичної ініціативи MIT, з метою подальшого тестування матеріалу.