Wenn sich Öl mit Wasser vermischt oder in dieses gelangt, können herkömmliche Methoden zur Reinigung des Wassers und zur Entfernung des Öls schwierig, teuer und umweltschädlich sein. Forscher der Cockrell School of Engineering an der University of Texas in Austin glauben jedoch, dass sie möglicherweise eine bessere Methode entwickelt haben.
In einer Studie, die dieses Frühjahr im Journal of Nanoparticle Research veröffentlicht wurde, verwendeten die Forscher magnetische Nanopartikel, um Öl durch einen einfachen Prozess, der auf elektrostatischer Kraft und einem Magneten beruht, von Wasser zu trennen. Die Ingenieure glauben, dass ihre neue Technik die Wasseraufbereitung für die Öl- und Gasproduktion verbessern, Ölverschmutzungen effizienter beseitigen und möglicherweise Blei aus dem Trinkwasser entfernen könnte.
Heutzutage werden Nanopartikel, das sind winzige Partikel, die mit verschiedenen Chemikalien wie Polymeren beschichtet werden können, in den unterschiedlichsten Bereichen und Industrien eingesetzt, darunter in der Medizin, Energie und Elektronik. Die Vielseitigkeit von Nanopartikeln inspirierte das Team der UT Austin dazu, zu untersuchen, wie die Partikel bei der Ölförderung eingesetzt werden könnten, um den ökologischen Fußabdruck zu verringern und die Effizienz sowohl bei Onshore- als auch Offshore-Bohrungen zu steigern. Sie glauben, dass ihre Technik auch zur Aufbereitung der Millionen Gallonen Süßwasser verwendet werden könnte, die beim hydraulischen Fracking verwendet werden, und zur Reinigung des Trinkwassers beitragen könnte.
Moderne Ölfördermethoden trennen 95 Prozent des Öls vom geförderten Wasser, hinterlassen jedoch kleine Öltröpfchen, die schwer zu extrahieren sind, was die Wasseraufbereitung und -entsorgung schwieriger und umweltgefährlicher macht.
„Diese neue Technik zielt wirklich darauf ab, das kleine Stück Öl aus dem Wasser zu entfernen, das entfernt werden muss, bevor man es als behandelt betrachten kann“, sagte Saebom Ko, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Erdöl- und Geosystemtechnik und Hauptautor der Studie Studie. „Der Vorteil der Verwendung magnetischer Nanopartikel besteht darin, dass die kleinen Öltröpfchen, die sich an den Nanopartikeln festsetzen, viel schneller vom Wasser getrennt werden als herkömmliche physikalische Trennverfahren, da die Magnetkraft um Größenordnungen größer sein kann als die Schwerkraft.“
Ko arbeitete mit einem Team zusammen, zu dem Hugh Daigle, Professor für Erdöl- und Geosystemtechnik, Thomas Milner, Professor für Biomedizintechnik, und der Forscher Chun Huh gehörten, um Oberflächenbeschichtungen für magnetische Nanopartikel zu entwerfen, die zur Entfernung von Öl verwendet werden könnten. Sie verwendeten eine Technik namens Hochgradienten-Magnetseparation, die im Bergbau zur Entfernung von Metallen und in der Lebensmittelindustrie zur Entfernung giftiger Partikel eingesetzt wird.
Der wichtigste Fortschritt des Teams ist die Entwicklung von Oberflächenbeschichtungen für Nanopartikel, die mithilfe elektrostatischer Kraft an Öltröpfchen haften können. Das Team beschichtete die magnetischen Nanopartikel mit Polymeren, deren Oberflächenladung positiv ist. Die positiv geladenen magnetischen Nanopartikel heften sich dann durch elektrostatische Anziehungskraft an die negativ geladenen Öltröpfchen, ähnlich wie ein Staubfangtuch Staub aufnimmt. Der Prozess, der bei Labortests Sekunden dauert, könnte auch umgekehrt ablaufen. Wenn die Zielsubstanzen positive Oberflächenladungen aufweisen, könnten die magnetischen Nanopartikel mit negativ geladenen Polymeren beschichtet werden, um das Ziel anzuziehen.
„Es ist eine einfache Idee“, sagte Daigle. „Wir nutzen die magnetischen Eigenschaften dieser Nanopartikel, um sie an den Öltröpfchen haften zu lassen und die Öltröpfchen im Wesentlichen zu magnetisieren, sodass sie mit einem Magneten herausgezogen werden können.“
Die Einfachheit der Technik und die Flexibilität magnetischer Nanopartikel haben die Forscher dazu motiviert, verschiedene Anwendungen in Betracht zu ziehen.
„Die Anwendungen können weit über das Ölfeld hinausgehen, denn mit einem geeigneten Oberflächenbeschichtungsdesign können Sie Ihren Magnetkern nehmen und ihn außen mit einer beliebigen Chemikalie beschichten, um am Ziel zu haften und ihn mit einem Magneten herauszuziehen.“ Sagte Daigle.
Die Forscher haben sich die Entwicklung einer Methode zur Verwendung dieser Nanopartikel zur Beseitigung von Ölverschmutzungen im Ozean vorgestellt. Sie erforschen auch, wie magnetische Nanopartikel zur Entfernung von Blei und anderen Schadstoffen aus dem Trinkwasser eingesetzt werden können, und planen, ihre Ideen diesen Sommer zu testen.
Für die Öl- und Gasförderung plant das Team die Entwicklung eines Aufbereitungssystems, das in der Lage wäre, große Mengen an Öl und Wasser schnell zu verarbeiten, was für Onshore- und Offshore-Ölbohrstandorte von entscheidender Bedeutung wäre.
„Wir entwickeln derzeit ein chemiefreies Regenerationsverfahren zur Wiederverwendung von Nanopartikeln. Bei anderen Regenerationsmethoden werden Chemikalien zur Gewinnung des Öls eingesetzt, was zur Produktion anderer gefährlicher Abfälle führt“, sagte Ko. „Wir glauben, dass durch das Recycling und die Wiederverwendung von Nanopartikeln nicht nur die Betriebskosten gesenkt werden könnten, sondern es könnte sich auch um einen umweltfreundlichen Prozess handeln, der gefährliche Abfälle reduziert.“