原油是粘性物質(zhì)，經(jīng)常堵塞過濾膜和石油和天然氣工業(yè)中使用的其他設(shè)備。為了解決這個(gè)問題，美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開發(fā)了一種新方法，可以延長(zhǎng)關(guān)鍵工業(yè)設(shè)備的使用壽命。

該新發(fā)明由一種涂層組成，該涂層在濾膜表面上產(chǎn)生親水，防油分子的薄膜。這些金屬氧化物分子抓住任何松散的水原子，同時(shí)抵抗油。對(duì)于科學(xué)家來說，這些雙重特性被稱為親水性和疏油性。

“清潔含油水的最佳方法之一是使用膜，”Argonne分子工程研究所所長(zhǎng)Seth Darling說。“問題是油粘在膜上并堵塞孔直到膜停止工作。今天，如果人們有油污膜，要么他們更換它或者他們?cè)噲D用刺激性化學(xué)品清洗它以沖洗掉油“。

科學(xué)家使用了一種稱為原子層沉積的方法，該方法使用化學(xué)蒸汽在所有濾膜表面上沉積非常薄的金屬氧化物涂層。他們嘗試在現(xiàn)成的商用聚合物膜上使用不同的金屬氧化物，以找出哪種效果最好。該團(tuán)隊(duì)于8月14日在ACS Nano上公布了結(jié)果。

達(dá)林說，原子層沉積本身并不新鮮，但以前從未用這種方法來修飾膜。

“這是一種前沿，”達(dá)林說。“涂層的厚度只有幾納米。如果涂層比這厚，它會(huì)封閉微孔。你想要的是孔隙結(jié)構(gòu)的微小變化，但你想改變物質(zhì)襯里的化學(xué)性質(zhì)那些毛孔。“

為了在過去創(chuàng)造這一層，人們?cè)噲D通過將納米粒子流過膜或在膜上生長(zhǎng)來將納米粒子附著到膜上。但是當(dāng)水流過這些系統(tǒng)時(shí)，顆粒往往會(huì)被扯掉。原子層沉積是不同的，因?yàn)樵谶@種情況下，金屬氧化物膜與其所粘附的聚合物形成強(qiáng)化學(xué)鍵。在原子層沉積過程中，膜暴露于一系列蒸汽，這些蒸汽將分子粘在一起，與聚合物形成共價(jià)鍵。

“有些聚合物比其他聚合物更容易結(jié)合，有些聚合物會(huì)排斥油，而有些聚合物則不會(huì)，”Darling談到他的小組使用各種金屬氧化物的過程。“在這一點(diǎn)上，我們非常清楚哪些是有效的，為什么會(huì)這樣。”

氧化錫和氧化鈦與水分子形成最緊密的鍵，捕獲它們并將它們層疊在表面上。

“當(dāng)油接觸膜時(shí)，它將保持分離，因?yàn)樗鼤?huì)流過水層，”負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的博士后研究員楊浩成說。

對(duì)于石油和天然氣工業(yè)而言，污垢膜可能是一種代價(jià)高昂的麻煩。例如，當(dāng)石油公司在水力壓裂過程中更換堵塞的過濾器時(shí)，他們必須關(guān)閉設(shè)備以進(jìn)行更改。Argonne負(fù)責(zé)該技術(shù)的業(yè)務(wù)開發(fā)主管John Harvey表示，這樣的耐油隔膜可以顯著減少更換過濾器的需求和停機(jī)時(shí)間。

“僅僅從我對(duì)石油和天然氣行業(yè)的了解來看，如果我們能夠制造出能夠達(dá)到我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室測(cè)試中所看到的一小部分的膜，那么它將比現(xiàn)在可用的更好。這代表了巨大的節(jié)省，“哈維說。

該行業(yè)中的另一個(gè)問題涉及用于壓裂的水，其通常從存在油，鹽和其他污染物的地面返回。如果受污染的水對(duì)含水層構(gòu)成威脅，則不能將其返回地面，因此行業(yè)通常必須找到另一種處理方式。

現(xiàn)在使用的膜可以去除其他污染物，但它們會(huì)被油污染。原子層沉積過程使膜不會(huì)堵塞，從而更好地過濾通過它們的水。

“通過這種技術(shù)，他們可以繼續(xù)使用這種水，”哈維說。“這可能是他們今天使用的過濾裝置的直接替代品。”

該方法還可以幫助溢油清理工作。在溢油應(yīng)急中，柴油燃料被用作管道和容器上的清潔劑，這留下混有油和污垢的柴油的浪費(fèi)。但Darling指出，用氧化物處理的管道和容器表面可以清洗干凈。

Darling也發(fā)明了Oleo Sponge，這種材料可以將油從海水中浸出，他說他認(rèn)為這兩種技術(shù)可以用于未來的清理 - 以及他和他的科學(xué)家可能擁有的一系列東西。還沒有想到。

“我從Oleo Sponge那里學(xué)到的一件事是，你不能在開始時(shí)設(shè)想所有可能的應(yīng)用，”他說。“我們期待石油公司的興趣，但我們也聽說過化妝品行業(yè)和體育用品制造商。所以我懷疑一旦這種情況發(fā)生，人們也會(huì)提出我們從未想象過的應(yīng)用程序。”