När olja blandas med eller kommer in i vatten, konventionella metoder för att rengöra vattnet och ta bort oljan kan vara utmanande, dyrt och miljömässigt riskabelt. Men forskare vid Cockrell School of Engineering vid University of Texas i Austin tror att de kan ha utvecklat en bättre metod.

I en studie publicerad i våras i Journal of Nanopartikelforskning , forskarna använde magnetiska nanopartiklar för att separera olja från vatten genom en enkel process som bygger på elektrostatisk kraft och en magnet. Ingenjörerna tror att deras nya teknik kan förbättra vattenrening för olje- och gasproduktion, mer effektivt städa upp oljespill och eventuellt ta bort bly från dricksvattnet.

I dag, nanopartiklar, som är små partiklar som kan beläggas med olika kemikalier som polymerer, används inom en mängd olika områden och industrier inklusive medicin, energi och elektronik. Mångsidigheten hos nanopartiklar inspirerade UT Austin-teamet att utforska hur partiklarna skulle kunna användas för oljeproduktion för att minska dess miljöavtryck och öka effektiviteten vid både onshore- och offshoreborrning. De tror att deras teknik också kan användas för att behandla de miljontals liter färskvatten som används vid hydraulisk sprickbildning och för att hjälpa till med rent dricksvatten.

Moderna oljeproduktionsmetoder separerar 95 procent av oljan från producerat vatten men lämnar efter sig små oljedroppar som är svåra att utvinna, vilket gör vattenrening och omhändertagande mer utmanande och miljömässigt riskabelt.

"Denna nya teknik syftar verkligen till att ta bort den där lilla biten olja i vattnet som måste avlägsnas innan du kan överväga att behandla det, sa Saebom Ko, en forskarassistent vid institutionen för petroleum och geosystemteknik och huvudförfattare till studien. "Fördelen med att använda magnetiska nanopartiklar är att de små oljedropparna som fäster på nanopartiklarna separeras mycket snabbare från vatten än traditionella fysiska separationsprocesser eftersom magnetisk kraft kan vara storleksordningar större än gravitationen."

Ko arbetade med ett team inklusive petroleum- och geosystemteknikprofessor Hugh Daigle, biomedicinsk ingenjörsprofessor Thomas Milner och forskaren Chun Huh för att designa ytbeläggningar för magnetiska nanopartiklar som kan användas för att ta bort olja. De använde en teknik, kallad magnetisk separation med hög gradient, som har använts i gruvdrift för att ta bort metaller och i livsmedelsindustrin för att ta bort giftiga partiklar.

Teamets främsta framsteg är att designa ytbeläggningar för nanopartiklar som kan fästa vid oljedroppar med hjälp av elektrostatisk kraft. Teamet täckte de magnetiska nanopartiklarna med polymerer vars ytladdning är positiv. De positivt laddade magnetiska nanopartiklarna låser sig sedan på de negativt laddade oljedropparna genom elektrostatisk attraktionskraft, liknande hur en dammfångande trasa tar upp damm. Processen - som tar sekunder i laboratorietester - kan också ske omvänt. Om målämnena har positiva ytladdningar, de magnetiska nanopartiklarna kunde beläggas med negativt laddade polymerer för att attrahera målet.

"Det är en enkel idé, " Sa Daigle. "Vi utnyttjar de magnetiska egenskaperna hos dessa nanopartiklar för att få dem att fastna på oljedropparna och i huvudsak magnetisera oljedropparna så att de kan dras ut med en magnet."

Teknikens enkla teknik och flexibiliteten hos magnetiska nanopartiklar har motiverat forskarna att överväga olika tillämpningar.

"Ansökningarna kan sträcka sig långt utanför oljefältet eftersom, med en lämplig ytbeläggningsdesign, du kan ta din magnetiska kärna och belägga den med vilken kemikalie du än väljer på utsidan för att hålla fast vid målet och dra ut den med en magnet, sa Daigle.

Forskarna har föreställt sig att utforma en metod för att använda dessa nanopartiklar för att städa upp oljeutsläpp i havet. De undersöker också hur magnetiska nanopartiklar kan användas för att ta bort bly och andra föroreningar från dricksvatten, med planer på att testa sina idéer i sommar.

För olje- och gasproduktion, teamet planerar att utveckla ett reningssystem som skulle ha kapacitet att snabbt hantera en stor volym olja och vatten, vilket skulle vara avgörande för oljeborrningsplatser på land och till havs.

"Vi utvecklar för närvarande en kemikaliefri regenereringsprocess för att återanvända nanopartiklar. Andra regenereringsmetoder använder kemikalier för att extrahera oljan, som leder till produktion av annat farligt avfall, " sade Ko. "Vi tror att genom att återvinna och återanvända nanopartiklar, det kunde inte bara minska driftskostnaderna, men det kan vara en miljövänlig process som minskar farligt avfall."