Filter kan være et match til fracking af vand

Et nyt filter produceret af Rice University-forskere har vist sig i stand til at fjerne mere end 90 procent af kulbrinter, bakterier og partikler fra forurenet vand produceret ved hydraulisk frakturering (fracking) ved skiferolie- og gasbrønde.

Rice-kemikeren Andrew Barrons og hans kollegers arbejde gør en keramisk membran med porer i mikroskala til et superhydrofilt filter, der "i det væsentlige eliminerer" det almindelige problem med tilsmudsning.

Forskerne fastslog, at en passage gennem membranen skulle rense forurenet vand nok til genbrug ved en brønd, betydeligt reducere den mængde, der skal opbevares eller transporteres.

Arbejdet er rapporteret i Natures open-access Videnskabelige rapporter .

Filtrene forhindrer emulgerede kulbrinter i at passere gennem materialets ionisk ladede porer, som er omkring en femtedel af en mikron bred, lille nok til, at andre forurenende stoffer ikke kan passere igennem. Ladningen tiltrækker et tyndt lag vand, der klæber til hele overfladen af ​​filteret for at afvise kugler af olie og andre kulbrinter og forhindre det i at tilstoppe.

En hydraulisk brudt brønd bruger i gennemsnit mere end 5 millioner gallons vand, hvoraf kun 10 til 15 procent genvindes under tilbagestrømningsstadiet. "Dette gør det meget vigtigt at kunne genbruge dette vand, " sagde Barron.

Ikke alle typer filter fjerner pålideligt enhver form for forurening, han sagde.

Solubiliserede kulbrintemolekyler glider lige gennem mikrofiltre designet til at fjerne bakterier. Naturligt organisk stof, som sukker fra guargummi, der bruges til at gøre fracking-væsker mere tyktflydende, kræver ultra- eller nanofiltrering, men de er let dårlige, især fra kulbrinter, der emulgerer til kugler. Et flertrinsfilter, der kunne fjerne alle forurenende stoffer, er ikke praktisk på grund af omkostningerne og den energi, det ville forbruge.

"Frac-vand og produceret vand repræsenterer en betydelig udfordring på et teknisk niveau, " sagde Barron. "Hvis du bruger en membran med porer, der er små nok til at adskille, de fejler, og dette gør membranen ubrugelig.

"I vores tilfælde, den superhydrofile behandling resulterer i en øget flux (flow) af vand gennem membranen og hæmmer ethvert hydrofobt materiale – såsom olie – i at passere igennem. Forskellen i opløseligheden af ​​forurenende stoffer arbejder således for at tillade adskillelse af molekyler, der i teorien skulle passere gennem membranen."

Barron og hans kolleger brugte cysteinsyre til at modificere overfladen af ​​en aluminiumoxidbaseret keramisk membran, gør det superhydrofilt, eller ekstremt tiltrukket af vand. Den superhydrofile overflade har en kontaktvinkel på 5 grader. (En kontaktvinkel på 0 grader ville være en vandpyt.)

Syren dækkede ikke kun overfladen, men også indersiden af ​​porerne, og det forhindrede partikler i at klæbe til dem og forurene filteret.

I test med fracking flowback eller produceret vand, der indeholdt guargummi, alumnamembranen viste et langsomt indledende fald i flux - et mål for massestrømmen gennem et materiale - men den stabiliserede sig under laboratorietests. Ubehandlede membraner viste et dramatisk fald inden for 18 timer.

Forskerne teoretiserede, at det oprindelige fald i flow gennem keramikken skyldtes udrensning af luft fra porerne, hvorefter de superhydrofile porer fangede det tynde lag vand, der forhindrede begroning.

"Denne membran besmitter ikke, så det holder, " sagde Barron. "Det kræver lavere driftstryk, så du har brug for en mindre pumpe, der bruger mindre strøm. Og det er alt sammen bedre for miljøet."