Магнітна губка допоможе боротися з розливами нафти

Американські матеріалознавці перетворили звичайні поліуретанові губки на матеріал для збору нафти з поверхні води. Завдяки гідрофобному і липофільному покриттю такі губки ефективно вбирають нафту, а добавка магнітних частинок допоможе знизити в'язкість зібраної нафти, щоб її регенерувати. Результати дослідження опубліковані в журналі

Для усунення розливів нафти у водоймах відомо чотири підходи: спалювання нафти на поверхні води, відкачування нафтоводяної емульсії насосами, використання дисперсантів для розбивання нафтової плівки на поверхні і подальшого поглинання нафтових крапель мікроорганізмами і збір за допомогою твердих сорбентів. Останній спосіб найбільш кращий, як з екологічної, так і з економічної точки зору. По-перше, нафта видаляється з екосистеми назавжди, а не перетворюється, наприклад, на вуглекислий газ або не йде в їжу живим організмам. По-друге, частину зібраної таким чином нафти можна регенерувати.

Американські матеріалознавці під керівництвом Вінайяка Древіда (Vinayak P. Dravid) з Північно-Західного університету розробили новий сорбент з ліпофільними, гідрофобними і магнітними властивостями. За основу взяли комерційно доступні губки з поліуретану з пористістю близько 95 відсотків і покрили їх вуглецевим нанокомпозитом з наночастинками магнетиту Fe₃O₄ і магнетиту, допованого марганцем MnFe₂O_4.

Композит з графіту з наночастинками синтезували за допомогою ультразвуку: у попередніх роботах групи Древіда було показано, що таким чином можна інтеркалювати наночастинки магнетиту між графітовими шарами. Щоб нанести композит на пористу губку, шматочки губки спочатку опускали у воду, а потім поміщали в суспензію графіту з наночастинками і знову обробляли ультразвуком протягом десяти хвилин.

Після ультразвукової обробки губки залишали в суспензії ще на годину, потім промивали водою і сушили при температурі 60 градусів Цельсія протягом години. Після такої обробки утворюється стабільне покриття нанокомпозиту на поверхні губки. Структура композиту була підтверджена методом дифракції електронів в обраній області, а енергодисперсійна спектроскопія показала, що його частинки рівномірно розподілилися по всій поверхні поліуретанової губки.

Графітове покриття робить губки гідрофобними і липофільними. Вони погано змочуються водою і водними розчинами (контактний кут близько 120 градусів, незначно змінюється залежно від кислотності розчину), в той час, як для нафти було зафіксовано дуже хороше змочування з майже нульовим контактним кутом. Автори відзначають, що при необхідності гідрофобність губок можна ще збільшити, додавши в просочливу суспензію більше графена.

Завдяки поєднанню гідрофобності та олеїфільності при зануренні в суміш води з неполярною рідиною губка вбирає виключно неполярну рідину. Завдяки високій пористості матеріал може абсорбувати масу рідини, що багаторазово перевищує власну масу: наприклад, близько 18 грамів гексану і 26 грамів моторної олії на один грам. Кількість абсорбованої нафти визначається щільністю і в'язкістю, наприклад, у разі техаської нафти вдалося зібрати 19 грамів на грам губки, а в разі важкої і в'язкою азербайджанської - близько 32 грамів. Губки ефективно поглинають нафту з поверхні лужних і кислих розчинів, а також розчинів солей, що дуже важливо для збору нафти з поверхні морів і солоних озер. Губки можна використовувати багато разів - після десяти циклів вони зберігали більше 90 відсотків від своєї початкової ефективності.

Додавання суперпарамагнітних частинок Fe₃O₄ і MnFe₂O₄ потрібне з двох причин. По-перше, це полегшує збір губок з поверхні - достатньо піднести магніт, не потрібно тягнути і стискати губку, що могло б призвести до часткової втрати зібраної нафти. Крім того, помістивши губку в радіочастотне магнітне поле можна більш ефективно регенерувати зібрану нафту. Суперпарамагнітні частинки під дією поля нагріваються, в результаті в'язкість нафти знижується і вона легше десорбується з поверхні губки. Щоб підтвердити це припущення, автори провели експерименти з самою в'язкою азербайджанською нафтою. За 50 хвилин обробки радіочастотним полем з частотою 300 кілогерц вдалося без механічного впливу регенерувати 25 відсотків зібраної нафти - на третину більше, ніж у контрольному експерименті, де магнітне поле не використовувалося.

Автори роботи особливо підкреслюють, що запропонований ними матеріал не містить дорогих компонентів, а його синтез простий у виконанні і не вимагає дорогого обладнання. Процес нанесення покриття можна інтегрувати в уже існуючі промислові лінії виробництва губок, тому технологія може бути готова до впровадження найближчим часом.

Раніше китайські матеріалознавці сконструювали губчастий повітряний фільтр для нанорозмірних частинок. Основа фільтра робиться з меланіл-формальдегіду, який просочують іонною рідиною. Подаючи на фільтр напругу, можна керувати його електростатичною силою, тобто здатністю вловлювати дрібні частинки.

А більш детально про відомі способи боротьби з нафтовими розливами можна прочитати в нашому матеріалі про аварію на норильській ТЭЦ-3.