Новый метод очистки воды от нефти с использованием наночастиц

Новое исследование проведенное в Университете Райса (Хьюстон, США) может стать ключевым в разработке новых подходов очистки воды от маслянных и нефтяных загрязнений.

Вода и масло не смешиваются. Но так бывает не всегда. Несмотря на то, что обе жидкости имеют тенденцию к полному разделению, бывают случаи, когда они могут быть очень хорошо связаны друг с другом. Такая смесь называется “эмульсией”.

Исследователи из Университета Райса разработали раствор на основе наночастиц, который может удалить 99% эмульгированных маслопродуктов, оставшихся от нефтяных скважин.

В решении используются магнитные наночастицы, которые могут притягивать нефтяные капли, взвешенные в воде. Такой подход позволит очистить даже те частички нефти, которые невозможно ликвидировать с использованием существующих сегодня процессов.

Вода, используемая в процессе нефтедобычи часто смешивается поверхностно-активными веществами и другими химическими соединениями. Эти соединения закачиваются в резервуар с сырой нефтью, чтобы снизить ее вязкость и способствовать ее экстракции. В качестве примера можно привести обычное мыло и воду. Мыло позволяет смешиваться жиру и воде, поскольку молекулы мыла имеют с одной стороны гидрофильный конец (притягивающий воду), а с другой стороны – гидрофобный (отталкивающий воду). Гидрофильный конец позволяет связываться с молекулами воды, в то время как гидрофобный позволяет растворяться в жирах. Как только каждый конец связан со своей субстанцией – водой или жиром, молекула мыла действует как цепь, соединяющая и связывающая жир с водой.

Химическая структура стеарата натрия, основного ингредиента мыла. О-Na-связь образует гидрофильную «голову», а хвост представляет собой гидрофобную область. Фото: Smokefoot / Wikimedia
Химическая структура стеарата натрия, основного ингредиента мыла. О-Na-связь образует гидрофильную «голову», а хвост представляет собой гидрофобную область. Фото: Smokefoot / Wikimedia

В нефтяной скважине поверхностно-активные вещества образуют стабильные эмульсии с водой. Поскольку эта эмульсия менее вязкая, чем нефть, ее легче нагнетать буровые вышки для вывода на поверхность. Большая часть сырой нефти может быть отделена и затем экстрагирована из таких эмульсий. Но доля около 5% никогда или почти никогда не восстанавливается и остается связанной с водой.

“Искусственно введенные химические и природные поверхностно-активные вещества в сырой нефти часто могут химически стабилизировать границу между нефтью и водой, что приводит к образованию небольших капель масла в воде, которые сложно разрушить”, – объясняет автор статьи доцент Сибани Лиза Бисвал, химик и биомолекулярный инженер.

В новом исследовании сочетаются эксперименты взаимодействия магнитных наночастиц и аминов. Роль аминов заключается в том, чтобы направлять наночастицы к масляным каплям. Поскольку амины несут положительный заряд, а нефть отрицательный, то они притягиваются. Затем используются магниты для извлечения из раствора всех наночастиц.

Исследование примечательно еще тем, что наночастицы агрегируются (слипаются) в средах с высокой минерализацией, например, в пластовых жидкостях, но подход, разработанный командой так же действует и для обычной воды.