At få olien ud af tilsmudset vand

Olie og vand er berømt tilbageholdende med at blande sig helt sammen. Men adskille dem fuldstændigt - f.eks. når man renser op i et olieudslip eller renser vand forurenet gennem fracking - er en djævelsk hård og ineffektiv proces, der ofte er afhængig af membraner, der har tendens til at blive tilstoppet, eller "forurenet".

En ny billedbehandlingsteknik udviklet på MIT kunne give et værktøj til at udvikle bedre membranmaterialer, der kan modstå eller forhindre begroning. Det nye arbejde er beskrevet i journalen Anvendte materialer og grænseflader , i et papir af MIT kandidatstuderende Yi-Min Lin og Chen Song og professor i kemiteknik Gregory Rutledge.

Oprensning af olieholdigt spildevand er nødvendigt i mange industrier, herunder olieraffinering, fødevareforarbejdning, og metalfinish, og det ubehandlede affald kan være skadeligt for akvatiske økosystemer. Metoder til at fjerne olieagtige forurenende stoffer varierer, afhængig af de relative mængder af olie og vand og størrelsen af ​​oliedråberne. Når olien er emulgeret, den mest effektive oprydningsmetode er brugen af ​​membraner, der filtrerer de små oliedråber fra, men disse membraner bliver hurtigt tilsmudset af dråberne og kræver tidskrævende rengøring.

Men begroningsprocessen er meget svær at observere, hvilket gør det vanskeligt at vurdere de relative fordele ved forskellige materialer og arkitekturer for selve membranerne. Den nye teknik udviklet af MIT-teamet kunne gøre sådanne evalueringer meget nemmere at udføre, siger forskerne.

Disse filtreringsmembraner "har tendens til at være meget svære at se inde i, " siger Rutledge. "Der er en stor indsats for at udvikle nye typer membraner, men når de bliver sat i tjeneste, du vil se, hvordan de interagerer med det forurenede vand, og de egner sig ikke til let undersøgelse. De er normalt designet til at pakke i så meget membranområde som muligt, og det er meget svært at kunne se ind.

Løsningen de udviklede bruger konfokal laser scanningsmikroskopi, en teknik, hvor to lasere scannes hen over materialet, og på det punkt, hvor de to bjælker krydser hinanden, et materiale mærket med et fluorescerende farvestof vil gløde. I deres tilgang holdet introducerede to fluorescerende farvestoffer, en til at markere det olieagtige materiale i væsken, den anden for at markere fibrene i filtreringsmembranen. Teknikken gør det muligt at scanne materialet ikke kun på tværs af membranens område, men også i dybden af ​​materialet, lag for lag, at opbygge et fuldt 3-D billede af den måde, hvorpå oliedråberne spredes i membranen, som i dette tilfælde er sammensat af en række mikroskopiske fibre.

Den grundlæggende metode er blevet brugt i biologisk forskning, at observere celler og proteiner i en prøve, Rutledge forklarer, men det er ikke blevet brugt meget til at studere membranmaterialer, og aldrig med både olien og fibrene mærket. I dette tilfælde, forskerne observerer dråber, der varierer i størrelse fra omkring 10 til 20 mikron (milliontedele af en meter), ned til et par hundrede nanometer (milliarddele af en meter).

Indtil nu, han siger, "metoder til at afbilde porerum i membraner var ret rå." For det meste, poreegenskaberne blev udledt ved at måle strømningshastigheder og trykændringer gennem materialet, giver ingen direkte information om, hvordan det olieagtige materiale faktisk opbygges i porerne. Med den nye proces, han siger, "nu kan du faktisk måle geometrien, og opbygge en tredimensionel model og karakterisere materialet i nogle detaljer. Så det nye nu er, at vi virkelig kan se på, hvordan adskillelse foregår i disse membraner."

Ved at gøre det, og ved at teste virkningerne ved hjælp af forskellige materialer og forskellige arrangementer af fibrene, "Dette burde give os en bedre forståelse af, hvad fouling egentlig er, " siger Rutledge.

Holdet har allerede demonstreret, at interaktionen mellem olien og membranen kan være meget forskellig afhængig af det anvendte materiale. I nogle tilfælde danner olien små dråber, der gradvist smelter sammen og danner større dråber, mens olien i andre tilfælde spredes ud i et lag langs fibrene, en proces kaldet befugtning. "Håbet er, at med en bedre forståelse af begroningsmekanismen, folk vil være i stand til at bruge mere tid på de teknikker, der er mere tilbøjelige til at lykkes" med at begrænse den tilsmudsning, siger Rutledge.

Den nye observationsmetode har klare applikationer for ingeniører, der forsøger at designe bedre filtreringssystemer, han siger, men det kan også bruges til forskning i den grundlæggende videnskab om, hvordan blandede væsker interagerer. "Nu kan vi begynde at tænke på noget grundlæggende videnskab om samspillet mellem tofasede væskestrømme og porøse medier, " siger han. "Nu, du kan udvikle nogle detaljerede modeller" af processen.

Og de detaljerede oplysninger om, hvordan forskellige strukturer eller kemi fungerer, kunne gøre det lettere at konstruere specifikke typer membraner til forskellige applikationer, afhængig af typen af ​​forurenende stoffer, der skal fjernes, de typiske størrelser af dråberne i disse forurenende stoffer, og så videre. "Ved at designe membraner, det er ikke en ensartet størrelse, " siger han. "Potentielt kan man have forskellige typer membraner til forskellige spildevand."

Metoden kan også bruges til at observere adskillelse af forskellige slags blandinger, såsom faste partikler i en væske, eller en omvendt situation, hvor olien er dominerende og membranen bruges til at bortfiltrere vanddråber, såsom i et brændstoffiltreringssystem, siger Rutledge.

"Da jeg læste hans papir i dybden, Jeg var imponeret over Gregs måde at bruge 3D-billeddannelse til at forstå den komplekse begroningsproces i membraner, der bruges til olie-vand-emulsioner, " siger William J. Koros, Roberto C. Goizueta Chair for Excellence in Chemical Engineering og GRA Eminent Scholar in Membranes ved Georgia Institute of Technology, som ikke var involveret i denne undersøgelse.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.