Nandwana et al. / Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020

Американские материаловеды превратили обычные полиуретановые губки в материал для сбора нефти с поверхности воды. Благодаря гидрофобному и липофильному покрытию такие губки эффективно впитывают нефть, а добавка магнитных частиц поможет снизить вязкость собранной нефти, чтобы ее регенерировать. Результаты исследования опубликованы в журнале Industrial & Engineering Chemistry Research.

Для устранения разливов нефти в водоемах известно четыре подхода: сжигание нефти на поверхности воды, откачивание нефтеводяной эмульсии насосами, использование дисперсантов для разбивания нефтяной пленки на поверхности и последующего поглощения нефтяных капель микроорганизмами и сбор с помощью твердых сорбентов. Последний способ наиболее предпочтителен, как с экологической, так и с экономической точки зрения. Во-первых, нефть удаляется из экосистемы навсегда, а не превращается, например, в углекислый газ или не идет в пищу живым организмам. Во-вторых, часть собранной таким образом нефти можно регенерировать.

Американские материаловеды под руководством Винайяка Дрэвида (Vinayak P. Dravid) из Северо-Западного университета разработали новый сорбент с липофильными, гидрофобными и магнитными свойствами. За основу взяли коммерчески доступные губки из полиуретана с пористостью около 95 процентов и покрыли их углеродным нанокомпозитом с наночастицами магнетита Fe3O4 и магнетита, допированного марганцем MnFe2O4.

Композит из графита с наночастицами синтезировали с помощью ультразвука: в предыдущих работах группы Дрэвида было показано, что таким образом можно интеркалировать наночастицы магнетита между графитовыми слоями. Чтобы нанести композит на пористую губку, кусочки губки сначала опускали в воду, а затем помещали в суспензию графита с наночастицами и снова обрабатывали ультразвуком в течение десяти минут.

После ультразвуковой обработки губки оставляли в суспензии еще на час, затем промывали водой и сушили при температуре 60 градусов Цельсия в течение часа. После такой обработки образуется стабильное покрытие нанокомпозита на поверхности губки. Структура композита была подтверждена методом дифракции электронов в выбранной области, а энергодисперсионная спектроскопия показала, что его частицы равномерно распределились по всей поверхности полиуретановой губки.

Графитовое покрытие делает губки гидрофобными и липофильными. Они плохо смачиваются водой и водными растворами (контактный угол около 120 градусов, незначительно меняется в зависимости от кислотности раствора), в то время, как для нефти было зафиксировано очень хорошее смачивание с почти нулевым контактным углом. Авторы отмечают, что при необходимости гидрофобность губок можно еще увеличить, добавив в пропитывающую суспензию больше графена.

Благодаря сочетанию гидрофобности и олеифильности при погружении в смесь воды с неполярной жидкостью, губка впитывает исключительно неполярную жидкость. Благодаря высокой пористости материал может абсорбировать массу жидкости, многократно превышающую собственную массу: например, около 18 граммов гексана и 26 граммов моторного масла на один грамм. Количество абсорбированной нефти определяется плотностью и вязкостью, например, в случае техасской нефти удалось собрать 19 граммов на грамм губки, а в случае тяжелой и вязкой азербайджанской - около 32 граммов. Губки эффективно поглощают нефть с поверхности щелочных и кислых растворов, а также растворов солей, что очень важно для сбора нефти с поверхности морей и соленых озер. Губки можно использовать много раз - после десяти циклов они сохраняли более 90 процентов от своей изначальной эффективности.

Вверху: иллюстрация гидрофобных и липофильных свойств материала; Внизу: эксперименты по сбору нефти с поверхности воды. для наглядности нефть подкрашена красным пигментом
Nandwana et al. / Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020

Добавка суперпарамагнитных частиц Fe3O4 и MnFe2O4 нужна по двум причинам. Во-первых, это облегчает сбор губок с поверхности - достаточно поднести магнит, не нужно тянуть и сжимать губку, что могло бы привести к частичной потере собранной нефти. Кроме того, поместив губку в радиочастотное магнитное поле можно более эффективно регенерировать собранную нефть. Суперпарамагнитные частицы под действием поля нагреваются, в результате вязкость нефти снижается и она легче десорбируется с поверхности губки. Чтобы подтвердить это предположение, авторы провели эксперименты с самой вязкой азербайджанской нефтью. За 50 минут обработки радиочастотным полем с частотой 300 килогерц удалось без механического воздействия регенерировать 25 процентов собранной нефти - на треть больше, чем в контрольном эксперименте, где магнитное поле не использовалось.

Авторы работы особо подчеркивают, что предложенный ими материал не содержит дорогих компонентов, а его синтез прост в исполнении и не требует дорогостоящего оборудования. Процесс нанесения покрытия можно интегрировать в уже существующие промышленные линии производства губок, поэтому технология может быть готова к внедрению в самое ближайшее время.