Forskere skaber ny oliebestandig filterteknologi

Råolie er klæbrigt stof og tilstopper ofte filtermembraner og andet udstyr, der bruges i olie- og gasindustrien. For at løse dette problem, forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har udviklet en ny tilgang, hvilket vil forlænge levetiden for vigtigt industrielt udstyr.

Den nye opfindelse består af en type belægning, der producerer tynde film af vandelskende, olieafvisende molekyler på overfladen af ​​filtermembraner. Disse metaloxidmolekyler griber ind i eventuelle løse vandatomer, mens de modstår olie. Til videnskabsmænd, disse tvillingeegenskaber er kendt som hydrofilicitet og oleofobicitet.

"En af de bedste måder at rense olieholdigt vand på er med membraner, " sagde Seth Darling, Direktør for Institut for Molekylær Teknik i Argonne. "Problemet er, at olien klæber på membranen og tilstopper hullerne, indtil membranen holder op med at virke. I dag hvis folk har en oliebegroet membran, enten udskifter de det, eller også forsøger de at rense det med skrappe kemikalier for at vaske olien væk."

Forskerne brugte en metode kaldet atomlagsaflejring, som bruger kemiske dampe til at afsætte en meget tynd belægning af metaloxidet på alle filtermembranens overflader. De eksperimenterede med at bruge forskellige metaloxider på kommercielle polymermembraner fra hylden for at finde ud af, hvilke der fungerede bedst. Holdet offentliggjorde resultaterne i ACS Nano den 14. august.

Atomlagsaflejring i sig selv er ikke ny, men det er aldrig blevet brugt på denne måde til at modificere membraner før, sagde Darling.

"Det er en slags banebrydende, " sagde Darling. "Belægningen er kun et par nanometer i tykkelse. Hvis belægningen var tykkere end dette, det ville lukke de små porer. Det du ønsker er en minimal ændring af porestrukturen, men du vil ændre kemien af ​​stoffet, der forer disse porer."

For at oprette dette lag i fortiden, folk forsøgte at fæstne nanopartikler til en membran ved at flyde dem gennem den eller dyrke dem på den. Men partikler har en tendens til at blive revet af, når vandet strømmer gennem disse systemer. Atomisk lagaflejring er anderledes, fordi metaloxidfilmen, I dette tilfælde, danner stærke kemiske bindinger med den polymer, som den er klæbet til. I processen med atomlagsaflejring, membranen udsættes for en sekvens af dampe, der klæber molekyler sammen, danner kovalente bindinger med polymeren.

"Nogle polymerer binder lettere end andre, og nogle afviser olie, mens andre ikke gør det, " Darling sagde om sin gruppes proces, der arbejder med en række forskellige metaloxider. "På dette tidspunkt, vi har en ret god fornemmelse af, hvilke der virker og hvorfor."

Tinoxid og titaniumoxid dannede de tætteste bindinger med vandmolekyler, at fange dem og lægge dem i lag på tværs af overfladen.

"Når olie kommer i kontakt med membranen, det vil forblive adskilt, fordi det flyder over vandlaget, " sagde Hao-Cheng Yang, en postdoc, der arbejder på projektet.

Tilsmudsede membraner kan være et dyrt besvær for olie- og gasindustrien. For eksempel, når olieselskaber udskifter tilstoppede filtre under den hydrauliske frakturering, de er nødt til at lukke deres udstyr ned for at foretage ændringen. Oliebestandige membraner som denne kan reducere behovet for både filterudskiftning og den nedetid, det skaber, markant. sagde John Harvey, Argonnes forretningsudviklingschef, der håndterer teknologien.

"Bare ud fra min viden om olie- og gassektoren, hvis vi kunne lave en membran, der yder en brøkdel af, hvad vi har set i laboratorietest, det vil være en fænomenal forbedring i forhold til, hvad der er tilgængeligt nu. Det er en kæmpe besparelse, " sagde Harvey.

Et andet problem i industrien involverer det vand, der bruges til fracking, som ofte vender tilbage fra jorden med olie, salt og andre forurenende stoffer til stede. Forurenet vand kan ikke returneres til jorden, hvis det udgør en trussel mod grundvandsmagasiner, så industrien må ofte finde en anden måde at skille sig af på.

De membraner, der bruges nu, kan fjerne de andre forurenende stoffer, men de bliver tilsmudset af olie. Atomlagsaflejringsprocessen forhindrer membranerne i at tilstoppe for bedre at filtrere vandet, der passerer gennem dem.

"Med denne teknik, de kan blive ved med at bruge det vand, " sagde Harvey. "Dette kunne være en direkte erstatning for filterenheder, de bruger i dag."

Metoden kan også hjælpe med oprydning af olieudslip. I et olieudslipsberedskab, dieselbrændstof bruges som rengøringsmiddel på rør og beholdere, som efterlader et spild af diesel blandet med olie og snavs. Men rør- og beholderoverflader behandlet med oxiderne kunne bare skylles rene, bemærkede Darling.

Skat, som også opfandt Oleosvampen, et materiale, der kan suge olie ud af havvand, sagde, at han tror, ​​at de to teknologier kunne bruges sammen til fremtidige oprydninger - og også til en lang række ting, som han og hans videnskabskolleger sandsynligvis ikke har tænkt på endnu.

"En ting, jeg lærte af Oleo-svampen, er, at du ikke kan forestille dig alle de mulige anvendelser i begyndelsen, " sagde han. "Vi forventede interesse fra olieselskaber, men vi har også hørt fra kosmetikindustrien og fra producenter af sportsudstyr. Så jeg formoder, når det først kommer ud, folk vil også komme med applikationer, vi aldrig havde forestillet os."